JP6778137B2

JP6778137B2 - 電力システム

Info

Publication number: JP6778137B2
Application number: JP2017055035A
Authority: JP
Inventors: 治良三宅; 誉夫進士; 塚田　龍也; 龍也塚田; 卓也伴野
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2020-10-28
Anticipated expiration: 2037-03-21
Also published as: JP2018157736A

Description

本発明は、需要者構内に電力供給設備を接続可能な電力システムに関する。

需要者は、電力会社からの電気（商用電力）の供給を受けて構内の負荷設備（一般用電気工作物）で電気を使用する。また、太陽光発電設備や燃料電池等、電力供給設備を構内に設け、負荷設備を動作させるとともに電力系統に連系し、余った電力を電力会社に売電することも可能である。

このように、電力供給設備を、構内配線を通じて電力系統に連系する場合、以下の問題が生じうる。すなわち、漏電ブレーカを介して電力系統に接続している場合に、トリップコイルの通電により主接点がオフになり、電力系統からトリップコイルへの電力供給が遮断されても、電力供給設備からトリップコイルへの電力供給が継続していると、トリップコイルが焼損するおそれがあるといった問題である。

また、漏電ブレーカに別途設けられたテストスイッチによって主接点をオフすることもできるが、かかるテストスイッチの操作態様によってはトリップコイルへの電力供給が継続され、やはり、トリップコイルの焼損や発熱によって耐久性が低下するおそれがある。

そこで、電力供給設備を、構内配線を通じて電力系統に連系する場合に、逆接続可能型漏電ブレーカを介して電力系統に接続する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１２−１４２１０６号公報

上記のように、電力供給設備を、構内配線を通じて電力系統に連系する場合、トリップコイルの焼損や発熱を回避するために、併せて、漏電ブレーカがオフ状態のとき負荷側に電圧が印加されても故障するおそれのない逆接続可能型漏電ブレーカを採用し、逆接続可能型漏電ブレーカを介して連携するのが望ましい。したがって、構内に新たに電力供給設備を設ける場合、逆接続可能型ではない（逆接続不可の）漏電ブレーカから逆接続可能型漏電ブレーカへの交換が強いられる。しかし、逆接続可能型漏電ブレーカは、逆接続不可の漏電ブレーカに比べ高価である。また、その交換には煩雑な作業が伴う。したがって、電力供給設備の導入に伴う設置工事費用を要するという問題があった。

本発明は、このような課題に鑑み、電力供給設備の導入に際する設置工事費用の抑制が可能な電力システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、電力系統の電力を、構内配線を通じて負荷設備に供給する本発明の電力システムは、構内配線に接続され、単独運転検出機能としてステップ注入付周波数フィードバック方式が搭載された電力供給設備と、逆接続可能型漏電ブレーカではなく、主接点のオフに応じてトリップコイルへの電力の供給を遮断する遮断スイッチを備えていない、構内配線に接続された逆接続不可の漏電ブレーカと、を備え、単独運転検出機能としてステップ注入付周波数フィードバック方式が搭載された電力供給設備は、電力系統の周波数偏差に応じて無効電力を注入することで周波数をさらにシフトさせる機能部と、構内配線における電力系統の周波数に応じて単独運転を検出し、電力供給設備から構内配線への電力供給を遮断する単独運転検出部と、を備え、主接点がオフになってから単独運転を検出するまでの期間にトリップコイルに継続して電流が流れ、主接点がオフになってから単独運転を検出するまでに上昇したトリップコイルの温度が、トリップコイルの上限温度未満である。

本発明によれば、電力供給設備の導入に際する設置工事費用の抑制が可能となる。

電力システムの基本的な接続態様を示した説明図である。比較例としての電力システムを示した説明図である。単独運転検出機能としてステップ注入付周波数フィードバック方式が搭載された電力供給設備の構成を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（電力システム１００）
図１は、電力システム１００の基本的な接続態様を示した説明図である。電力システム１００は、単相３線式（Ｒ相、Ｎ相、Ｔ相）からなる引き込み線１２を通じて、電力系統１４から電気（商用電力）の供給を受け、構内配線１６を通じて、電気エネルギーを消費する負荷設備１８に通電する。かかる電力システム１００は、低圧受電の需要者単位で構成され、その範囲としては、一般用電気工作物であれば、家屋等に限らず、病院、工場、ホテル、レジャー施設、商業施設、マンションといった建物単位や建物内の一部分であってもよい。

また、電力システム１００は、漏電ブレーカ１１０と、電力供給設備１２０とを含んで構成される。

（漏電ブレーカ１１０）
漏電ブレーカ１１０は、主接点１１０ａ、零相変流器１１０ｂ、漏電検知器１１０ｃ、トリップコイルスイッチ１１０ｄ、トリップコイル１１０ｅを含んで構成される。

主接点１１０ａは、単相３線式の各相（Ｒ相、Ｎ相、Ｔ相）それぞれの配線をオン状態またはオフ状態とする３つの接点を有している。かかる３つの接点は、オン状態およびオフ状態が連動して切り換わるように構成されている。

零相変流器（ＺＣＴ）１１０ｂは、主接点１１０ａの二次側において、コイルにＲ相、Ｎ相、Ｔ相の３配線を一括して挿通し、３相分の電流を合成した合成電流を出力する。

漏電検知器１１０ｃは、電池、または、構内配線１６から電力の供給を受けて動作し、零相変流器１１０ｂから取得した合成電流に応じて漏電を検知する。そして、漏電検知器１１０ｃは、漏電を検知すると、漏電を検知している間、トリップコイルスイッチ１１０ｄを励磁してオフ状態をオン状態に切り換える。なお、トリップコイルスイッチ１１０ｄとしては、トランジスタやサイリスタといったスイッチング素子や機械式リレー等、通電を制御する様々なデバイスを適用できる。

トリップコイル１１０ｅは、主接点１１０ａに対応して構成され、一端がＲ相の配線に、他端がトリップコイルスイッチ１１０ｄを介してＴ相の配線に接続される。したがって、Ｒ相およびＴ相に電気が供給されている間に、トリップコイルスイッチ１１０ｄがオン状態となり、トリップコイル１１０ｅに電流が流れると、主接点１１０ａがオン状態からオフ状態に切り換わる。

かかる構成により、漏電検知器１１０ｃが漏電を検知すると、主接点１１０ａがオフ状態となり、電力系統１４から構内配線１６への電力供給を遮断することが可能となる。

（電力供給設備１２０）
電力供給設備１２０は、例えば、単相２線式２００Ｖの設備であり、不図示の連系ブレーカを介してＲ相およびＴ相の配線に接続され、電力系統１４より優先して負荷設備１８に電力を供給する。かかる電力供給設備１２０としては、例えば、太陽光発電機、風力発電機、水力発電機、地熱発電機、太陽熱発電機、大気中熱発電機等の再生可能エネルギー発電設備や、燃料電池、内燃力発電、蓄電池等を用いることができる。

上記のように、電力供給設備１２０を、構内配線１６を通じて電力系統１４に連系することで、電力供給設備１２０により負荷設備１８を動作させることができるとともに、余った電力を電力会社に売電することも可能となる。しかし、電力系統１４と独立して発電が可能な電力供給設備１２０を単に構内配線１６に接続すると、以下の課題が残る。

すなわち、漏電ブレーカ１１０を介して電力系統１４に接続している場合に、トリップコイル１１０ｅの通電により主接点１１０ａがオフ状態になり、電力系統１４からトリップコイル１１０ｅへの電力供給が遮断されても、一方で、電力供給設備１２０からトリップコイル１１０ｅへの電力供給が継続する。このとき、例えば、２００Ω程度の抵抗値を有するトリップコイル１１０ｅに２００Ｖの電圧が印加されると、試験基準の３ｓｅｃどころか、１ｓｅｃにも満たないうちにトリップコイル１１０ｅの上限温度（Ｅ種絶縁）である１２０℃に到達してしまい、トリップコイル１１０ｅが焼損するおそれがある。

そこで、図２に示した比較例のように、電力供給設備１２０と併せて、遮断スイッチ１１０ｆが設けられた逆接続可能型漏電ブレーカ２１０を採用することが考えられる。なお、遮断スイッチ１１０ｆとして、トリップコイルスイッチ１１０ｄ同様、トランジスタやサイリスタといったスイッチング素子や機械式リレー等、通電を制御する様々なデバイスを適用できる。

遮断スイッチ１１０ｆは、主接点１１０ａと連動し、主接点１１０ａがオフ状態となると、それに伴ってオフ状態となり、構内配線１６からトリップコイル１１０ｅへの電力の供給を遮断する。ここで、漏電検知器１１０ｃが漏電を検知すると、主接点１１０ａがオフ状態となり、構内配線１６と電力系統１４とが遮断され、電力系統１４からトリップコイル１１０ｅへの電力供給が遮断される。そして、主接点１１０ａがオフ状態となると、遮断スイッチ１１０ｆもオフ状態となり、トリップコイル１１０ｅの通電がなくなるので焼損を回避できる。

しかし、構内に電力供給設備１２０を設ける場合に、逆接続可能型漏電ブレーカ２１０への交換が必ず必要となると、逆接続可能型漏電ブレーカ２１０自体の費用と、その設置工事費用を要することとなる。

そこで、本実施形態では、単独運転検出機能としてステップ注入付周波数フィードバック方式（新型能動的方式）が搭載された電力供給設備１２０を採用し、漏電ブレーカ１１０との最適な組み合わせを提案する。

（単独運転検出機能としてステップ注入付周波数フィードバック方式が搭載された電力供給設備１２０）
ところで、電力供給設備１２０等の発電設備は、（１）公衆感電、（２）機器損傷の発生、（３）消防活動への影響、（４）系統の配電線における事故点探査時における除去作業員の感電等を防止する目的で単独運転を行うことが禁止されている。ここで、単独運転は、事故などにより商用電源から切り離された系統内において、電力供給設備１２０等の運転によって生ずる電力供給のみで当該系統（需要者外部）に電気が通じている状態を示す。したがって、このような単独運転を防止するために、電力供給設備１２０では、単独運転を検出する機能（単独運転検出機能）を備え、単独運転状態になった場合には、その旨検知して電力供給設備１２０を電力系統１４から速やかに解列しなければならない。

このような単独運転検出機能としては、複数の方式を採用することができるが、本実施形態では、ステップ注入付周波数フィードバック方式を採用する。単独運転状態の検知および電力系統１４からの解列について、他の方式では０．５ｓｅｃや１．０ｓｅｃ要するところ、かかるステップ注入付周波数フィードバック方式では０．２ｓｅｃ以内といったように高速で実行できる。

図３は、単独運転検出機能としてステップ注入付周波数フィードバック方式が搭載された電力供給設備１２０の構成を説明するための説明図である。単独運転検出機能としてステップ注入付周波数フィードバック方式が搭載された電力供給設備１２０は、ＪＥＭ１４９８に準拠する電力供給設備１２０であり、インバータ１２０ａと、解列部１２０ｂと、発電部１２０ｃとを含んで構成される。また、インバータ１２０ａは、周波数計測部１２０ｄ、周波数フィードバック部１２０ｅと、無効電力ステップ注入部１２０ｆと、単独運転検出部１２０ｇとを含んで構成される。

インバータ１２０ａ内に設けられた周波数計測部１２０ｄは、構内配線１６を通じて電力系統１４の周波数（電力の周波数）を計測する。周波数フィードバック部１２０ｅは、単独運転状態になり、周波数計測部１２０ｄが計測した周波数に偏差が生じると、構内配線１６（単独運転となった系統）に無効電力を注入させ、電力の周波数のシフト量を増大させる。

無効電力ステップ注入部１２０ｆは、単独運転状態になった後に、電力供給設備１２０の発電量と、負荷設備１８の電力使用量とがバランスをとっており、周波数の偏差が小さく、無効電力注入のゲインが周波数フィードバック部１２０ｅよりも小さい場合に、高調波電圧を監視し、単独運転の兆候をつかんだ際に、ステップ状に無効電力を注入させ、電力の周波数のシフト量を増大させる。

インバータ１２０ａは、周波数フィードバック部１２０ｅおよび無効電力ステップ注入部１２０ｆの指令に応じ、無効電力を構内配線１６に供給することで、単独運転検出部１２０ｇに単独運転状態を見極め易くさせる。

単独運転検出部１２０ｇは、構内配線１６を通じて電力系統１４の周波数等を計測し単独運転を判断し、解列部１２０ｂを解列して、電源である発電部１２０ｃから構内配線１６への電力の供給を遮断する。

このようにして、単独運転検出機能としてステップ注入付周波数フィードバック方式が搭載された電力供給設備１２０では、周波数フィードバック機能と無効電力ステップ注入機能（周波数変化助長機能）により、電力系統１４の周波数の偏差に応じた無効電力を注入して周波数を高速にシフトさせ、単独運転の検出タイミングを早めることができる。

（トリップコイル１１０ｅの温度）
上述したように、単独運転検出機能としてステップ注入付周波数フィードバック方式が搭載された電力供給設備１２０が単独運転を検出する時間は、例えば、２００ｍｓｅｃなので、かかる電力供給設備１２０を採用した場合、漏電ブレーカ１１０の主接点１１０ａがオフ状態となってから２００ｍｓｅｃ経過後には、電力供給設備１２０から構内配線１６への電力供給も遮断される。そうすると、２００ｍｓｅｃ後には、トリップコイル１１０ｅへ電流が流れなくなる。

したがって、主接点１１０ａがオフ状態になってから電力供給設備１２０が単独運転を検出するまでに上昇したトリップコイル１１０ｅの温度が、トリップコイル１１０ｅの上限温度（Ｅ種絶縁）未満であれば、トリップコイル１１０ｅの焼損および耐久性低下は回避できることとなる。

ここで、単独運転を検出するまでのトリップコイル１１０ｅの温度上昇を計算する。ただし、ここでは、単独運転を検出するまでの時間（２００ｍｓｅｃ）に、漏電ブレーカ１１０の試験基準である３回を乗じた６００ｍｓｅｃの間、トリップコイル１１０ｅに電流が継続して流れたとして計算する。

トリップコイル１１０ｅの長さＬを３０ｍ、トリップコイル１１０ｅの材質であるポリウレタン銅線の単位長さあたりの抵抗率ｒを０．０１７２Ω・ｍｍ^２／ｍ、ポリウレタン銅線の面積Ｓを０．００１９６ｍｍ^２（線径０．０５ｍｍ）とすると、トリップコイル１１０ｅの抵抗Ｒは、ｒ×Ｌ／Ｓ＝２６３．３Ωとなる。かかるトリップコイル１１０ｅに２００Ｖの電圧Ｖを印加すると、その単位時間あたりの発熱量ｑは、Ｖ^２／Ｒ＝１５１．９Ｗとなる。

上述したように、ここでは、電流が６００ｍｓｅｃ流れ続けることを想定しているので、トリップコイル１１０ｅの発熱量Ｑはｑ×０．６＝９１．１４Ｊとなる。ここで、トリップコイルの質量Ｍを４．５ｇ、ポリウレタン銅線の比熱ｃを０．３８５Ｊ／ｇ・Ｋとすると、トリップコイル１１０ｅの温度上昇ΔＴは、Ｑ／（Ｍ×ｃ）＝５２．６℃となる。

かかる試験例では、漏電ブレーカ１１０内の初期温度が４０℃であるとしているので、６００ｍｓｅｃ後のトリップコイル１１０ｅの温度Ｔは、４０＋ΔＴ＝９２．６℃となることがわかる。これは、漏電ブレーカ１１０の上限温度である１２０℃未満なので（Ｑ／（Ｍ×ｃ）<８０℃）、６００ｍｓｅｃの間、トリップコイル１１０ｅに電流が流れ続けたとしてもトリップコイル１１０ｅの焼損および耐久性低下を回避可能であることが理解できる。

したがって、逆接続可能型漏電ブレーカ２１０ではない、すなわち、主接点１１０ａがオフ状態となってもトリップコイル１１０ｅへの電力の供給を遮断する遮断スイッチ１１０ｆを備えない、逆接続不可の漏電ブレーカ１１０を、交換することなくそのまま利用したとしても、トリップコイル１１０ｅは焼損および耐久性低下しないこととなる。

このように、単独運転検出機能としてステップ注入付周波数フィードバック方式が搭載された電力供給設備１２０が単独運転を検出するまで比較的時間を要さないという特性を活かし、単独運転検出機能としてステップ注入付周波数フィードバック方式が搭載された電力供給設備１２０と逆接続不可の漏電ブレーカ１１０（逆接続可能型ではない漏電ブレーカ）とを組み合わせることで、逆接続可能型漏電ブレーカ２１０への交換が不要となるので、電力供給設備１２０の導入に際する設置工事費用の抑制が可能となる。

また、既設の逆接続不可の漏電ブレーカ１１０に、ステップ注入付周波数フィードバック方式が搭載された電力供給設備１２０を組み合わせることで上記の効果が生じるということは、既に逆接続可能型漏電ブレーカ２１０が設置されている需要者構内に、ステップ注入付周波数フィードバック方式が搭載された電力供給設備１２０を設置しても同様の効果が得られることとなる。したがって、既設の漏電ブレーカが逆接続不可の漏電ブレーカ１１０であるか否かに拘わらず、すなわち、いずれが設置されているかを考慮することなく、ステップ注入付周波数フィードバック方式が搭載された電力供給設備１２０を設置することができる。こうして、既設の漏電ブレーカがいずれであるかに拘わらず、電力供給設備１２０の導入に際する設置工事費用を抑制しつつ、トリップコイル１１０ｅの焼損および耐久性低下を回避することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態においては、トリップコイル１１０ｅの長さ、線径、材質等を定義して、６００ｍｓｅｃ後のトリップコイル１１０ｅの温度Ｔが、漏電ブレーカ１１０の上限温度である１２０℃未満であること（Ｑ／（Ｍ×ｃ）<８０℃）を示したが、主接点１１０ａがオフ状態になってから単独運転を検出するまでに上昇したトリップコイル１１０ｅの温度Ｔが、トリップコイル１１０ｅの上限温度未満であるという条件さえ満たせば、様々なトリップコイル１１０ｅを備える漏電ブレーカ１１０を対象とすることができる。

本発明は、需要者構内に電力供給設備を接続可能な電力システムに利用することができる。

１４電力系統
１６構内配線
１８負荷設備
１００電力システム
１１０漏電ブレーカ
１１０ａ主接点
１１０ｅトリップコイル
１１０ｆ遮断スイッチ
１２０電力供給設備
１２０ｅ周波数フィードバック部（機能部）
１２０ｆ無効電力ステップ注入部（機能部）

Claims

電力系統の電力を、構内配線を通じて負荷設備に供給する電力システムであって、
前記構内配線に接続され、単独運転検出機能としてステップ注入付周波数フィードバック方式が搭載された電力供給設備と、
逆接続可能型漏電ブレーカではなく、主接点のオフに応じてトリップコイルへの電力の供給を遮断する遮断スイッチを備えていない、前記構内配線に接続された逆接続不可の漏電ブレーカと、
を備え、
前記単独運転検出機能としてステップ注入付周波数フィードバック方式が搭載された電力供給設備は、
前記電力系統の周波数偏差に応じて無効電力を注入することで周波数をさらにシフトさせる機能部と、
前記構内配線における前記電力系統の周波数に応じて単独運転を検出し、前記電力供給設備から前記構内配線への電力供給を遮断する単独運転検出部と、
を備え、
前記主接点がオフになってから前記単独運転を検出するまでの期間に前記トリップコイルに継続して電流が流れ、前記主接点がオフになってから前記単独運転を検出するまでに上昇した前記トリップコイルの温度が、前記トリップコイルの上限温度未満である電力システム。