JPH01206842A - 無効電力補償装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、無効電力補償装置に係り、特に抵抗分インピ
ーダンスが大きい送電線路に使用して系統電源の安定化
を容易に達成することができる無効電力補償装置に関す
る。

〔従来の技術〕

山間部または耐地に大きな電動力設備を設ける場合、系
統電源の擾乱という問題が発生する１例えば、ダムを建
設する時、大容量の電動機設備が使用されるが、通常ダ
ム設備はほぼ２種類の負荷設備として分類される。すな
わち、一方はクラッシャ、ロッドミル、ポンプ設備で構
成される骨材プラントであり、これは三相誘導電動機（
以下交流電動機と呼ぶ）で駆動される。他方はケーブル
クレーン、インクライン等の荷役設備で構成されるダム
サイトプラントであり、これは主に直流電動機により駆
動される。

前者は対象負荷によって負荷変動はあるが、電動機とし
てはほぼ連続運転に近く、後者は設備の性質上頻繁な起
動、停止を行いかつ速度制御においては高度な性能が要
求されるなめ、一般にサイリスタレオナード制御が適用
されている。

骨材プラント、ダムサイトプラントは、共に設備容量が
大きく、何れのプラントも電動機の容量は５００〜１５
００ｋＷに達する。

また、ダムはその性格上山間部または僻地に建設される
ので、電力会社あるいは変電所よりはるか長距離に位置
することが多く、ダム位置によっては変電所よりの距離
がしばしば２０Ｋｍ以上に達する。このように、変電所
よりの距離が長いと線路のインピーダンスが大きくなり
基準容量１０ＭＶＡ換算での％インピーダンスは１００
％を越えることは珍しくない。

このように弱い系統電源のもとに大容量設備を稼動させ
ると、ダム受電点の電圧が著しく低下（以下、このよう
な状態を系統擾乱と呼ぶ）することになり、またケーブ
ルクレーン、インクラインのように起動停止を頻繁に繰
り返す設備を稼動させる時、周期的に電圧変動を繰り返
すいわゆるフリッカの原因ともなる。こうしたダム設備
による系統擾乱あるいはフリッカ現象は、ダム設備自体
のみならず、近隣の電力需要家、民家に悪影響を与え、
しばしば電力障害となる。

このなめ、ダム現場近くに特高変電所を設備したり、専
用線を新設するというような系統電源の強化策も考えら
れるが、骨材プラント、ダムサイトプラントの各設備は
、ダム建設が完了すると不要になり、このような強化策
のための設備投資は極めて不経済である。

また、負荷力率を改善すれば線路の皮相電力を低減させ
ることができることがら、交流電動機に進相用コンデン
サを設備することが試みられているが、起動停止を頻繁
に繰り返す直流電動機のサイリスクレオナード制御用に
は適用できない、これは、上記制御を行う直流電動機に
おいて、起動直後の入力電力は全て無効電力となり、電
動機の加速に従って無効電力は小さくなるというように
、無効電力は常に変動するため進相コンデンサの容量選
定ができないからである。進相用コンデンサを複数バン
ク設置し、負荷力率を検出して高圧開閉器により段階的
に調整する方法もあるが、直流電動機加減速時間が短い
ためこのような方法では応答できない。

このような背景より、近年進相コンデンササイリスタに
よりＡＣリアクトル通流値を連続調整して、変動する無
効電力を連続的に補償し、力率を改善する無効電力補償
装置が利用されるようになった。

第５図は、従来の無効電力補償装置を示すブロック回路
図である。第５図において、系統電源Ｓは、遮断器ＣＢ
および計器用変流器ＣＴ、を介して負荷Ｌ１〜Ｌアに供
給される。

Ｒは線路抵抗、Ｘは線路リアクタンスである。

そこで、負荷Ｌｌ〜Ｌ１が接続されるダム受電点におい
て、供給電力の一部を計器用変圧器ＰＴおよび計器用変
流器ＣＴ、によりそれぞれ取り出してこれらを検出器Ｑ
に加え、ダム受電点の全無効電力を検出し、この全無効
電力を無効電力設定器ＶＲｏの出力と共に無効電力調整
器ＡＱＲに加える。前記系統電源Ｓは、進相用コンデン
サＳＣおよび降圧用変圧器ＴＲに加えられ、降圧用変圧
器ＴＲの出力は、計器用変流器ＣＴ２およびサイリスタ
ＴＨを介してＡＣリアクトルＡＣＬに加えられる。しか
るに前記無効電力調整器ＡＱＲの出力は、計器用変流器
ＣＴ、の出力と共に電流調整器ＡＣＲに加えられ、この
電流調整器ＡＣＨの出力は、パルス発生器ＰＣに加えら
れてサイリスタＴＨの点弧角を制御する。このようにし
て、ダム受電点の全無効なカの検出結果に応じて、この
無効電力がゼロとなるようにサイリスタＴＨの点弧角が
制御される。

第６図は、電源電圧Ｅとダム受電点の電圧Ｖについて無
効電力補償前（ａ）と補償後（ｂ）の比較を示すもので
ある６以下、説明を容易にするなめ電圧の記号は下記の
通りとする。なお、添字１および２はそれぞれ補償前お
よび補償後の電圧値を示す。

電源電圧（線間）：ｅ 通電点電圧（相）　　　：　Ｅ、Ｅ＋　、Ｅ２受電点電
圧（線間）：ｖ 受電点電圧（相）　　：　Ｖ、Ｖ＋　、Ｖ２仮に、負荷
の実効容量が同じであっても、無効電力補償を行った場
合の入力電流工２は、補償前の入力電流１１よりも小さ
くなる上、位相角も異なる。このため、補償前および補
償後の受電点電圧Ｖ１．Ｖ２と電源電圧Ｅ　ｌ　ｌＥ２
との関係は、第６図（ａ）、（ｂンに示すようになり、
Ｅ　ＩＶ　Ｉ＞　Ｅ　２　　Ｖｘとなる。また、通電点
電圧Ｂ＝Ｅ、＝Ｅ２であるから、Ｖ　２　＞　Ｖ　ｒと
なる。すなわち、通電点電圧Ｅに対する受電点電圧の降
下値は無効電力補ｆｆ１ｆ＆の方が小さくなる。このよ
うに、系統電源Ｓの安定化のため、第５図に示すような
無効電力補償装置を用いることは、線路インピーダンス
のりアクタンスのうち抵抗弁が極めて小さい場合には有
効であり、都市近郊の送電線路のように線径が大きく抵
抗弁インピーダンスは無視できる程に小さい値である場
合には、このような無効電力補償装置が効果的であると
いえる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、近年ダム建設が水源近くで行われること
があり、その場合配電容量も小さいので、送電線路の線
径も小さくなり、抵抗弁インピーダンスが場合によって
はりアクタンス分インピーダンスとほぼ等価になる位に
大きくなることがある。

今、−例として、このような電動力設備において用いら
れる典型的な送電線路の定数および負荷の条件を下記の
ように仮定する。

基準容量Ｐ　：　１０ＭＶＡ 線路のインピーダンス２ 抵抗（Ｒ）分：　５．２２７２Ω（＝１２０′ＸＲ）リ
アクタンス（Ｘ）分：　５．２２７２Ω（＝１２０χＲ
）負荷変動二〇〜１，０００　ｋＷ この場合、受電点電圧Ｖと負荷との関係は第７図に実線
で示すようになる。すなわち、受電点における電圧変動
の許容最大値は通常±５％程度であり、第７図のように
全員荷時電圧降下値がＣ（６６００−５７６０）／６６
００）ｘｌＯＯ％すなわち１２％以上にも達することに
なり、電力公害となる危険性がある。上記の定数におい
て、比較を容易にするため、仮に抵抗（Ｒ）分インピー
ダンスをゼロとすると、受電点電圧Ｖは第７図に破線で
示すようになり、系統電源に与える影響は無視できると
いえる。

このように抵抗（Ｒ）分インピーダンスが大きい線路に
おいては、系統電源に深刻な影響を与える。

従って、本発明の目的は、送電Ｒ路の抵抗弁インピーダ
ンスが大きな値であっても、負荷変動により系統電源に
対して擾乱を与えることなく、またフリッカを生じさせ
ないようにした無効電力補償装置を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る無効電力補償装置は、 受電点の電力を検出して負荷電流の位相を受電点電圧の
位相より進相状態に制御するよう構成した無効電力補償
装置において、皮相電力と有効電力とから力率を演算し
て負荷電流位相を電圧位相より進相状態に制御する自動
力率制御系を設け、該制御系に負荷の大きさに応じて力
率を自動補正する力率補正手段を設けることを特徴とす
る。

前記の無効電力補償装置において、 自動力率制御系は、負荷電流を進相状態に設定する力率
設定器と、皮相電力検出器と、有効電力検出器と、前記
各電力検出器の出力から力率を演算する力率演算器と、
該力率演算器の出力と前記力率設定器の出力とから負荷
電流の位相を調整する力率調整器とからなり、前記有効
電力検出器の出力から負荷電流の大きさに応じて力率の
補正演算を行う力率補正演算器を設け、該力率補正演算
器の出力を前記力率調整器の出力に加算するよう構成す
れば好適である。

〔伴用〕

一般に、インピーダンスを有する送電線路において、負
荷設備の力率を進み力率とすることにより、受電点の電
圧が送電点の電圧より大きくドロップすることなく補償
され、過補償′の場合、その程度によっては受電点の電
圧が送電点の電圧より上昇する場合もあることが知られ
ている。第２図は、負荷電流Ｉの位相を受電点電圧Ｖの
それよりθだけ進ませた時の受電点電圧■と通電点電圧
Ｅの関係を示すベクトル図である。すなわち、第２図は
、Ｖ＞Ｂつより受電点電圧が送電点電圧以上になってい
ることを示す例である。

本発明は、この特性を有効に利用し、実効負荷の大きさ
により、進み力率の値を最適調整することにより、抵抗
分インピーダンスの大きい線路においても受電点電圧の
電圧降下値を小さな値とすることにより、系統電源に影
響を与えないようにしようとするものである。

このことを数式を用いて説明すると次のようになる。

第２図においてＢ、Ｖの関係は次式で表わされる。

Ｅ２　＝　（Ｖ＋　（Ｉ　Ｒ，。、θ−ＩＸ、、、θ）
）２モ（Ｉ　Ｒ，、、θモＩＸｃ、、θ）　’　−・・
■今、０式を簡単化するなめにＸ＝Ｒとすると、０式は
次のようになる。すなわち、Ｅ’　　＝　（Ｖ−１−Ｉ
　Ｘ　（ｗａｓ　　θ−ａｌａ　　θ））２＋Ｎｘ）２
　（、ｔ、　　θ＋。。、θ）２Ｅ２＝Ｖ２セ２ＶＩＸ
（ｅ、、θ−ｓｌ＋θ）＋（ＩＸ）２　（。。、θ−１
１゜θ）２±　（ＩＸ）２　（、、、θ＋。。、θ）２
となり、これを整理すると、 Ｅ２＝Ｖ２＋２ｆｌＶＩＸｃ、、Ｃθ十−〕＋２　（Ｉ
Ｘ）’・・・■ となる。

■式において、Ｖ＝ＥとするためのθとＩの関係を求め
ると下記のようになる。すなわち、■式においてＢ＝Ｖ
とすると、 ２　　［Ｖ　　Ｉ　　Ｘ　ｅ、、　　　（θ　＋−〕　
±　２（ＩＸ）２＝０ となる。

０式は、負荷（皮相）電力Ｉの値に対応してθの値を調
整することにより、受電点電圧Ｖの値を通電点電圧Ｅの
値に等しくすることができることを意味するものである
。

〔実施例〕

第１図は本発明に係る無効電力補償装置の一実施例を示
す回路図である。なお、第１図において、第５図に示す
従来例と同様の構成部分には同一の参照符号を付してそ
の説明を省略する。

第１図において、計器用変流器ＣＴＩの出力は、皮相電
力検出器Ｐ。および有効電力検出器Ｐ１の各一方の入力
端子にそれぞれ加えられる。計器用変圧器ＰＴの出力は
皮相電力検出器Ｐ。および有効電力検出器Ｐ１の各他方
の入力端子にそれぞれ加えられる。皮相電力検出器Ｐ０
の出力は、力率演算器ＰＦの一方の入力端子に加えられ
る。有効電力検出器Ｐ１の出力は、力率演算器ＰＦの他
方の入力端子と力率補正演算器ＣＥＣにそれぞれ加えら
れる。力率演算器ＰＦの出力は、力率設定器Ｖ　ＲＩの
出力と共に力率調整器ＡＰＦＲに加えられる。そして、
力率補正演算器ＣＥＣの出力と力率調整器ＡＰＦＲの出
力とが加算器ＡＤに加えられる。従って、本発明では、
第５図における検出器Ｑと無効電力調整器ＳＱＲは用い
ない。その池の回路構成については、第５図に示す従来
例と同様である。以上の構成を有する無効電力補償装置
の動作について以下説明する。

主な回路動作は、第５図の従来例とほぼ同じであるが、
本実施例においては、力率演算器ＰＦにより自動力率制
御系が構成されると共に、実効負荷の大きさに応じて力
率補正演算器ＣＥＣにより、この自動力率制御系に補正
が加えられるよう構成されている。

本実施例では、実効負荷がゼロの時は力率補正演算器Ｃ
ＥＣの出力をゼロとし、実効負荷が大きくなるにつれて
力率補正演算器ＣＢＣの出力を大きくし、力率補正する
ことにより受電点電圧Ｖを一定値に保つことができる。

第３図（ａ）、（ｂ）は、前述の如く例示した典型的な
線路定数を有する電力設備に、本実施例による無効電力
補償装置を適用した場合の効果を示すもので、負荷電流
、受電点電圧および電流位相角の関係を示すものである
。横軸は負荷（皮相）電流を示すが、（）内は電流位相
角を後述の如く進ませた場合の負荷実効電流を示す。

第３図（ａ）の破線■は、比較のために、無効電力をゼ
ロとして力率１．０とするように制御したときの受電点
電圧の変化を示すものである。また、第３図（ａ）の実
線■は、本実施例による無効電力補償装置により、受電
点電圧を一定にするように位相補正を行った場合の負荷
電流の位相角を示し、さらに第３図（ｂ）の実線■はこ
のような位相補正後の受電点電圧を示すものである。

第３図によると、例えば、力率１．０のとき負荷電流を
１１ＯＡとすると、負荷実効電流らｌｌ０Ａ（１，２５
７ｋＷ＝ｒ丁×６．６ｋＶｘｌｌＯＡに相当する）であ
る。

ところが、電流位相角を進み位相角 ５１．１３°とすると負荷実効電流の横軸の（）内に示
すように６９．ＯＡに低減し、受電点電圧は６．６００
Ｖとなり、変化しないことが了解されよう。

第３図により、抵抗（Ｒ）分インピーダンスの大きい送
電線路では、負荷が大きくなって負荷電流が大きくなる
につれて、電流位相を進み制御して電流位相角を大きく
すれば、受電点電圧を負荷電流に拘らず通電点電圧とほ
ぼ等価に保てることがわかる。従って、制御系としては
自動力率制御系とし、実効負荷が大きくなるにつれて力
率補正演算器ＣＥＣにより、力率補正を行えばよい。

第３図は、例として線路の抵抗分インピーダンスとりア
クタンス分インピーダンスが等価であるとした場合であ
るが、実際には等価でないことが多く、本実施例による
無効電力補償装置はそのような場合でも有効である。

今、このような場合の線路のインピーダンスについて、 抵抗分（Ｒ）分：　５．２２７２Ω（１２０％Ｒ）リア
クタンス（Ｘ）分：８．７１２Ω（２ＣＯ％Ｒ）と仮定
して、第３図（ａ）、（ｂ）と同様に負荷電流に対する
受電点電圧Ｖの変化を図示すると、第４図（ａ）、（ｂ
）のようになる。

第４図（ｂ）の破線■は、無効電流ゼロ（すなわち力率
１．０）に制御した従来方式による受電点電圧Ｖの変化
を示すもので、負荷電流の大きさに対する変化は放物線
状である。また、−点鎖線の直線■は、破線工を直線近
似したものである。

このように、力率１．０の制御によると、負荷電流の増
大に対して放物線状に電圧効果が大きくなる。従って、
力率補正演算器ＣＥＣにより、進み電流位相角も電流の
増大に対して放物線状に変化するよう制御すれば、受電
点電圧Ｖも常に一定値に保てることがわかる。このよう
に力率補正演算器ＣＥＣの入出力特性は、入力に対し出
力を２次関数とすることが理想的であるが、第４図から
明らかなように入力に対し出力を１次関数としても、系
統電源に与える影響を無視できる程に小さくすることが
できる。すなわち、第４図（ａ）の−点鎖線Ｈのように
負荷電流の増大に応じて直線的に変化させればよく、こ
の場合受電点電圧は第４図（ｂ）の−点鎖線■のように
なり、受電点電圧Ｖの変化は系統電源への影響を無視で
きる位に小さな値に制御することができ、従来方式に対
して非常に大きく改善されていることがわかる。

なお、以上のような制御は無効電力補償装置の容量を格
別大きくすることなく行うことができる。すなわち、ダ
ム設備においてケーブルクレーン、インクライン設備の
ような変動負荷を含むダム設備では、無効電力補償装置
の容量は、上記設備の起動直後の無効電流を補償するた
めの容量で決定されるためである。つまり、ケーブルク
レーンでは定格速度に近づくにつれ実効負荷が増大する
が、このとき、第１図に示す無効電力補償装置の制御は
、サイリスタＴＨの点弧角（α）を大きくす−ることに
なり、このことはとりもなおさず降圧用変圧器ＴＲも負
荷を小さくして、無効電力補償装置としては容量性に制
御することになるからである。このように、無効電力補
償装置による制御のみで系統擾乱防止が可能となる。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明によれば、負荷へ供
給される電流を進相状態とし、その位相角を実効負荷電
流に応じて調整するようにしたので、受電点電圧の変動
が極めて少なく、特に山間部または僻地等に大きな電動
力設備を設けても、系統電源の擾乱等の電力公害を最少
限にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る無効電力補償装置の一実施例を示
すブロック回路図、第２図は本発明装置の動作原理を示
すベクトル図、第３図＜ａ）、（ｂ）は第１図に示す無
効電力補償装置のそれぞれ動作特性線図、第４図（ａ）
。 （ｂ）は第１図に示す無効電力補償装置の池の条件にお
けるそれぞれ動作特性線図、第５図は従来の無効電力補
償装置のブロック回路図、第６図＜ａ）、（ｂ）は第５
図に示す従来装置の動作状態をそれぞれ示すベクトル図
、第７図は第５図に示す従来装置の動作特性線図である
。 Ｓ・・・系統電源 ＣＢ・・・遮断器 ＣＴ、・・・計器用変流器 Ｐｏ・・・皮相電力検出器 Ｐｌ・・・有効電力検圧器 ＰＦ・・・力率演算器 ＣＥＣ・・・力率補正演算器 ＶＲ，・・・力率設定器 ＡＰＦＲ・・・力率調整器 ＦＩＧ。　２ （Ｇ）　　　　　　　ＦＩＧ、３ 負荷電源□ ＦＩＧ、　　４ （ＣＩ） 負荷を浣−一命 （ｂ） 負荷電凍□

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）受電点の電力を検出して負荷電流の位相を受電点
   電圧の位相より進相状態に制御するよう構成した無効電
   力補償装置において、皮相電力と有効電力とから力率を
   演算して負荷電流位相を電圧位相より進相状態に制御す
   る自動力率制御系を設け、該制御系に負荷の大きさに応
   じて力率を自動補正する力率補正手段を設けることを特
   徴とする無効電力補償装置。
2. （２）自動力率制御系は、負荷電流を進相状態に設定す
   る力率設定器と、皮相電力検出器と、有効電力検出器と
   、前記各電力検出器の出力から力率を演算する力率演算
   器と、該力率演算器の出力と前記力率設定器の出力とか
   ら負荷電流の位相を調整する力率調整器とからなり、前
   記有効電力検出器の出力から負荷電流の大きさに応じて
   力率の補正演算を行う力率補正演算器を設け、該力率補
   正演算器の出力を前記力率調整器の出力に加算するよう
   構成してなる請求項１記載の無効電力補償装置。