JPH03128622A - 変圧器励磁突流抑制装置 - 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〕 この発明は、変圧器を系統に投入する際に発生する励磁
突流を、直列抵抗を用いて抑制するための励磁突流抑制
装置に関する。

〔従来の技術〕

変圧器を系統に接続する際は、投入時、変圧器定格電流
の数倍から十数倍にも達する励磁突流が過渡的に生じる
。この励磁突流により系統電圧は一時的に低下し、既に
系統に接続されている諸機器の機能が著しく損なわれた
り、また変圧器の差動継電器の誤動作を招くこと等があ
った。とりわけ近年０Ａｌｌ器の普及により、瞬時電圧
低下の小さい高品質の電力が要求されている。

励磁突流は第６図に示すように、変圧器に電圧投入する
時の位相での磁゛束の初期値、即ち残留磁束と定常状態
でのその位相の磁束値とが異なるため、過渡的に磁束が
大きくなり、磁束が変圧器鉄心飽和磁束を越え、変圧器
励磁インダクタンスが小さくなることに起因している０
例えば、電圧を位相０で投入すれば、過渡的な最大磁束
密度はＢ、。−Ｂ、＋２・Ｂ、　　・・−・・・−・−
・（１１Ｂ、□　＝過渡最大磁束密度（Ｔ） Ｂ２　　：残留磁束密度（Ｔ） Ｂ、　　：定格磁束密度波高値（Ｔ） となる、これは、定格磁束密度波高値に対する残留磁束
密度の割合は７０％程度なので過渡的な最大磁束密度が
定格磁束密度の約２．７倍になることを意味している。

定格磁束密度波高値は通常１．７７程度なので、４．５
９７にも達する値となる。ｉｌｌ常圧圧器鉄心用いられ
ている珪素鋼板の飽和磁束密度は２Ｔ程度であるため、
これを超えると鉄心は飽和し、変圧器の励磁インダクタ
ンスは激減して空心インダクタンスに漸近し、過大な電
流が過渡的に流れる。これが変圧器の励磁突流である。

−般に、１００阿ＶＡ程度の電力用変圧器では、定常励
磁状態での励磁電流は定格電流の１％以下であるが、励
磁突流は定格電流の最大３〜５倍程度に、また、より小
容量器では１０数倍程度となる。電力用変圧器の場合、
励磁突流が生じることにより、最悪の状態では系統電圧
が２０〜ｂ あり得る６通常、系統の瞬時電圧低下は２％程度が目標
とされており、そのためには最大突流を無対策時の最大
突流の６．７〜１０％以下、例えば無対策時の突流が定
格電流の３倍であれば定格電流の０．２〜０．３倍程度
以下に抑えることが必要であるが、未だこれを達威し得
る装置は実現していない。

励磁突流の抑制方法として具体的に実用化されている方
法としては、変圧器−次側に負荷時タンプ切換器がある
時に一次側の巻線の巻数が最も大きくなるタップを選ん
だ状態で系統に投入するという方法がとられている。こ
の方法は前記の磁束密度Ｂ、をなるべく小さくするとい
う方法であるが、大幅な励磁突流の抑制は期待できない
。

また、実用化されているものではないが、励磁突流抑制
の方法として提案されている方法には次のようなものが
ある。

（１１負荷時タップ切り換え変圧器を一次側に設けて投
入する変圧器の、−次電圧を順次上昇させることにより
、励磁突流が発生しない投入を行う。

この方式は、特願昭６２−２５５９８０号に示されてい
るのであるが、投入に時間がかかるので、系統の運用上
に支障が生じるという問題がある。

（２）遮断時の位相を記憶しておき、投入位相をこの位
相に合わせる。この方式は特願昭５５−１０００３４号
に示されているものであるが、三相の残留磁束は遮断時
の電圧位相で一義的に決まるものではなく、遮断後の過
渡的な電圧や、また−相が遮断されても他相がまだ遮断
されていない場合は、三相の電気的・磁気的な結合によ
り遮断相の磁束もまだ変化するため、必ずしも三相の各
残留磁束に合致した位相で投入できるとは限らないので
、期待する程の励磁突流抑制効果は得られない。

（３）三相のうち一相を電圧波形の最大値となる位相で
投入し、他の二相を遅れて投入する。この方式は特願昭
５５−９３６１９号と特願昭５５−９４５４０号に示さ
れており、無対策の場合に比べ約３分の１程度の励磁突
流低減効果しかなく、また投入時間にばらつきのない遮
断器及び投入位相の精密な制御が必要であり位相の誤差
により突流値が更に大きくなる。

（４）遮断時の電圧を積分し三相の残留磁束を検出し、
その残留磁束より最適投入位相を算出し、投入指令が入
ると三相同時投入または、変圧器結線に応じ二相同時投
入し＋−０後残りの一相を投入または一相投入しその後
残りの二相を同時投入する方法も考えられている。この
方法は原理的には励磁突流を殆ど０とすることができる
が、投入時間にばらつきのない遮断器及び投入位相の精
密な制御が必要であり位相の誤差により突流値が大きく
なる。また投入位相制御装置および残留磁束検出装置を
設けるため、価格が高くなるという短所がある。

（５）開閉器と変圧器との間に直列抵抗を接続して投入
し、一定の時間経過後直列抵抗を除去するというように
、変圧器を電力系統に投入するのに２段階に分けて投入
することにより、励磁突流を低減する。この方式は古く
から考えられている方法であるが、この方法の欠点は次
のように言われている。

この方法についての従来の考え方は第１段階で直列抵抗
により変圧器負担電圧を半分近くに落として投入するた
め、励磁電流による電圧降下が７５〜８０％になるよう
な抵抗値を持ち、しかも知絡電流を投入しても損傷しな
いだけの容量の抵抗器が必要なことである。もう一つの
欠点としては、抵抗の電圧降下と変圧器のそれとは位相
が異なるため、抵抗の定格電圧は第１段階で変圧器に負
担させる電圧の約２倍も必要なことがあげられている。

更に、第１段階と第２段階では変圧器に加わる電圧位相
が同相にならず、そのため第２段階で抵抗を除去した後
再び大きな励磁突流が発生する。

このような欠点があるとされてきたため、この方法は未
だ実用化されていない。

この他にも残留磁束をＬ−Ｃ回路の減衰振動で消磁する
方法なども考えられているが、その効果は期待程ではな
いことが分かっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の方式では励磁突流抑制効果が不充分であったり、
抑制効果はあっても投入時間が大きく系統運営に支障が
生じたり、価格が高いなどの問題があって実用化に適し
ないものであった。

この発明は、許される範囲内の瞬時電圧降下となる程度
に励磁突流を抑制し、しかも投入時間が短時間でかつ低
価格の変圧器励磁突流抑制装置を提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

上記ｍｌ！を解決するために、この発明によれば、変圧
器に直列抵抗を直列に挿入して電源に投入し、その後前
記直列抵抗を短絡して回路から除去することにより、前
記変圧器の電源投入時に発生する励磁突流を抑制する変
圧器励磁突流抑制装置において、 前記直列抵抗の値を前記変圧器の鉄心飽和時の投入側巻
線のリアクタンス値の２０ないし１００倍とし、前記電
源への投入後早くともｌサイクル後に前記直列抵抗を短
絡するものとする。

（作用） この発明の構成において、直列抵抗を変圧器の鉄心飽和
時の投入側巻線のリアクタンス値の２０ないし１００倍
の範囲内の値にすると、投入直後の１サイクルの範囲内
に第１の最大の励磁突流が発生するが、この第１の励磁
突流量大値は直列抵抗の抵抗値に略反比例して小さな値
になり、前述の値の範囲では直列抵抗を挿入しない場合
の３％以下になる。ｌサイクル以上経過後直列抵抗を短
絡して回路から除去すると、再度励磁突流が発生しこの
励磁突流の最大値としての第２の励磁突流量大値は前述
の比率と変圧器−次巻線の空心時のリアクタンスと変圧
器の励磁リアクタンスとの比によって決まる値になるが
、この比率は比較的大容量の変圧器では容量に余り関係
せず５ｏｏないし１０００の値になり、前述の直列抵抗
と変圧器の鉄心飽和時の一次巻線のリアクタンスとの比
が前述の値の範囲であることから第２の励磁突流最大値
は２％以下になる。

〔実施例〕

第１図はこの発明の実施例を示す電気的な回路図で、三
相変圧器ｌの電源側に二段投入開閉装置２が接続されて
いる。二段投入開閉装置２は第１開閉部３及び第２開閉
部４が系統回路と並列に接続されていて、更に第１開閉
部３にはこれと直列に抵抗５が接続されている。

第２図は三相二段投入開閉装置の一相分の断面図であり
、可動接点６及び固定接点７が第１図の第１開閉部３に
相当し、可動接点８及び固定接点９が第２開閉部４に相
当する。投入指令が入ると油圧等による駆動装置により
リンク機構１０が動き、可動接点６及び８を図中左方向
に動かす、可動接点６と固定接点７及び可動接点８と固
定接点９の間の寸法は、予め可動接点の移動速度を考慮
し可動接点６が固定接点７と接続した後１サイクル以上
たってから可動接点８と固定接点９が接続するようにし
ておく、従ってまず可動接点６と固定接点７が接続され
、系統回路に直列に抵抗が挿入される。その後１サイク
ル以上たってから、可動接点８と固定接点９が接続され
、抵抗は事実上短絡される。

この可動接点６および固定接点７から威る第１開閉部の
詳細を第３図に示す、可動接点８と共に動くレバー１１
が可動接点６に付いている掛は金１２を押し、可動接点
６は固定接点７の方向に移動し、固定接点７に接触ａｌ
サイクル以上たち可動接点８が固定接点９に接触する程
に移動すると、掛は金１２がＡ部にぶつかってはずれス
プリング１３により可動接点６は図中右方向に動き、開
閉部１は再び開状態となり、系統回路を流れる電流は閉
状態の第２開閉部のみを通過する。遮断指令が入ると可
動接点８が前述と逆にレバー１１を伴って図中右方向に
動き元の位置に戻ると共にレバー１１が掛は金１２にか
かり、初期状態に復す。

このような構造の二段投入開閉装置そのものは、すでに
５００ｋＶ系統等で投入時のサージ電圧抑制用として用
いられている既知の装置である。しかしサージ電圧抑制
用として用いられる直列抵抗は通常数百オームの比較的
低抵抗であり、変圧器励磁突流抑制としてはあまり効果
がない、励磁突流を効果的に抑制するために直列抵抗の
値を次のように設定する。

変圧器励磁リアクタンスをＸｆ、直列抵抗５の抵抗値を
ＲＳ変圧器空心リアクタンスをＸｏとしてＸ・に対する
Ｘｆ、Ｈの割合を、それぞれＫ。

−Ｘｆ／Ｘ＠　、Ｋ−−Ｒ／Ｘｓ　とする。

第１段階で第１開閉部３を投入位相θ＠（ｒａｄ）で閉
じると、変圧器には直列抵抗５と変圧器Ｉｌ］磁リアリ
アクタンスとにより分圧された電圧がかかり、鉄心磁束
密度Ｂは次のうように表される。

但し、φ−ｔａｎ−’（Ｋｇ　／　Ｋｒ　）従って、５
ｌｎ（θ０−φ〉−一１となる投入位相θ。で投入した
時、磁束密度は最大になり得る。

今、磁束が飽和に達する位相をα（ｒａｄ）とすると、
（２）式より飽和位相αは次式で求められる。

従って、θがαを越えると（４）式で表される過渡電流
が励磁突流として流れる。

但し、Ｅ−：定格電圧実効値（Ｖ） θｏ　＝ｊａｎ−’（Ｘａ　／Ｒ）−ｔａｎ−’（１／
Ｋｒ　）これに対応し、飽和磁束密度を越える磁束密度
ΔＢ＋　は次のように表される。

１＋ＫＦ” λ・ 励磁突流は回路条件が同じであれば常に第１波が最大と
なる。従って、この第１波を抑制するよう少なくとも抵
抗は１サイクル以上挿入する必要がある。　＋４１．　
＋５１式は励磁突流が、飽和値を越えた磁束密度分に比
例して発生することを示している。

励磁突流の大きさの評価は、飽和値を越える磁束密度分
の大きさに着目すればよい。

一方、第２段階を考えると、直列抵抗が系統より除去さ
れるため、変圧器の負担電圧及びその位相が急変するこ
とにより新たな励磁突流が発生する。この現象は次のよ
うに考えられる。

直列抵抗は系統や変圧器の抵抗に較べれば十分大きいた
め、第１段階で励磁突流第１波が生じることにより、磁
束密度は急速に減衰し、直列抵抗が挿入されている状態
での定常での時間変化する磁束密度により漸近する。こ
の磁束密度と、直列抵抗５の無い定常状態での磁束密度
の大きさ及び位相が大きく異なるほど、抵抗を除去した
際の過渡的な磁束密度の波高値が大きくなり、それに伴
って大きな励磁突流が発生する。

定常状態における変圧器鉄心磁束密度は、直列抵抗５の
無い場合と有る場合とでは次のように表される。

抵抗無し：Ｂ請−Ｂ、　　・ｃｏｓ　θ・・・−・・・
−・・（６）Ｋｔ 抵抗短絡時をθ−θ、とおけば、この時＋６１．（７１
式の差ΔＢは（８）式のように表され、Ｋｔ ΔＢ−Ｂ、　５ｆｎ（θ、−φ）　＋８ｍ　・ｃｏｓθ
。

Ｋｒ”　十に、ｔ ・・−・−ｍ−・イ８） ｌ Ｋｔ”　＋Ｋｒ” ５ｉｎ（θ、＋β）−１、即ちθ、−π／２−βの時、
ΔＢは最大となる。よって、直列抵抗５の挿入されてい
る場合のθ−〇、での磁束を残留磁束とし、直列抵抗５
の無い状態でθ、で投入したとする励磁突流が直列抵抗
５短絡時の突流となり、最大突流となる。この突流波高
値に対応する飽和磁束密度を越えた磁束密度分ΔＢ８は
次のように表される。

、−一−−・−・（９） （５）式及び（９）式で表される飽和磁束密度を越えた
分の大きい方で突流の大きさが決まる。即ち、ΔＢ、の
方がΔＢ８より大きい場合は抵抗が直列に挿入されてい
る第１段階の第１波突流が第２波以降のいずれより多く
なり、ΔＢ３の方がΔＢＩより大きい場合は直列抵抗を
除去した第２段階での第１波の方が第１段階のそれより
大きくなる。

今、定格磁束密度をＢ、　−１，７Ｔ、定格磁束密度に
対する残留磁束密度の割合を０．７、飽和磁束密度を２
Ｔとすれば、飽和磁束密度を越える磁束密度分は最大Δ
Ｂ、−２，５９Ｔになり得る。このΔＢ、に対するΔＢ
１及びΔＢ８の大きい方の割合をプロットした図が第４
図である。第４図で、Ｋ。

が大きくなるほどまず右下がりに小さくなるのは、第１
段階での第１波突流は直列抵抗が大きくなるほど小さく
なることを示しており、それが変圧器固有のＫｒに応じ
て成る点を最小値として右上がりに再び大きくなるのは
、第２段階での突流が第１段階のそれを上回って生じる
ことを示している。

従って、Ｋｆに応じ励磁突流を最小にする最適なに１の
存在することが分かる。

Ｋｔについて考察すると、通常変圧器鉄心磁束密度及び
巻線電流密度を一定とすれば、変圧器寸法は容量比の１
／４乗に比例すると近似出来るので 空心リアクタンスｏｃ（壱敗戸・寸法侃（電圧比重・０
東むυ−３／４となり、また 励磁リアクタンス−電Ｈシ慣鳩田藍宋ｏｅ＜霜Ｈ１す８
・０目ｌわ一３／４となって、Ｋ、は基本的には変圧器
電圧及び容量によらず一定の値となる。実際には個々の
変圧器の仕様及び設計に伴い、Ｋｆの値にはばらつきが
あって、はぼ５００〜１０００の範囲となる。

従って、例えばに、−５００の時はに、−９５、Ｋ。

−１０００の時はに２は１８１が突流を最小とする値と
なり、共通してに、−９５を最適値としてもΔＢ。

に対する割合は０．Ｏ１以下となる。無対策の場合の最
大突流をその６．７％以下に抑制するには通常の変圧器
の場合に、を１０〜１４０程度にすればよいことが分か
る。実際に用いる直列抵抗５の選定に当たっては、空心
リアクタンスＸ、や励磁リアクタンスＸｔの誤差を考慮
しなければならない０例えば励磁リアクタンスＸｔは三
脚鉄心変圧器の場合、鉄心磁路長の相違により各相で多
少異なる。これらの誤差を３割程度と考えると、Ｋ、−
２０〜１００が実用的な最適範囲と言える。

例えば、１５４ｋＶ　、１００ＭＶＡ級の変圧器の場合
、励磁リアクタンスは４００００Ω、空心リアクタンス
は６０Ω程度なので、１２００〜６０００Ωの直列抵抗
を用いることにより、熱対策時定格電流の３〜５倍生じ
得る励磁突流は、最大でも０．２０−０．３４倍以下と
なる。従来この種の直列抵抗を用いた励磁突流抑制法は
励磁リアクタンスに匹敵する程の高抵抗を用いる考えで
あったため、既述のような種々の欠点が生じたが、その
ような高抵抗でなくても十分励磁突流を抑制することが
できる。抵抗の容量は短絡電流によって決まるが、短絡
時の短時間容量は一相当たり Ｅ”／Ｒ−（１５１０００／３）寞／Ｑ２ｏＯＡ（ＯＸ
ｌ）ｘｌＯ−’−１，３−６，６（ＭＶＡ）程度であっ
て、十分実現し得る容量であり問題はない。

以上は第１図に示す電気回路を１台の遮断器で実現した
場合について述べたが、２台の遮断器でそれぞれを第１
．第２開閉部として用いて、遅延回路等により第２開閉
部の接続を遅らせて突流しても、上記の直列抵抗の値を
用いる限り電気機能的には全く同様の効果が得られるこ
とは言うまでもない、更に、第１．第２開閉部を系統回
路と並列にせず、第５図のように直列に接続し、第１開
閉部３１を投入後、１サイクル以上たってから第２開閉
部４１を投入することにより直列抵抗５を短絡しても同
様の効果があり、この場合もこれを１台の遮断器で実現
してもよいし、２台の遮断器で実現してもよい。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、直列抵抗Ｒと変圧器の鉄心飽
和時の投入側ＳｖＡのリアクタンス値Ｘ。

との比としての係数に、（−Ｒ／ｘ、）とすると、投入
直後の１サイクルの範囲内に発生する第１の励磁突流量
大値は係数に、に略反比例して小さな値になり、この係
数に、を２０ないし１００の範囲内の値では直列抵抗を
挿入しないで投入した場合の励磁突流量大値の３％以下
になる。１サイクル以上経過後直列抵抗を短絡して回路
から除去したときに発生する第２の励磁突流量大値は前
述の係数に、及び変圧器の励磁リアクタンスＸｔと前述
のリアクタンスＸ、との比としての係数Ｋｔ　（−に−
／Ｘ、）によって決まる値になるが、この係数Ｋｇは比
較的大容量の変圧器では容量に余り関係せず５００ない
し１０００の範囲の値になり、前述の直列抵抗と変圧器
の鉄心飽和時の一次巻線のリアクタンスとの比が前述の
値の範囲であることから第２のＪ［突流最大値は２％以
下になる。１１時電圧低下の許容値である２％の値から
励磁突流量大値の許容値は６．７ないし１０％であるが
、前述の値はこの許容値に対して充分小さな値であり、
充分の励磁突流抑制効果を持っている。

またこの直列抵抗投入方式では、これまで励磁突流抑制
に最も効果があると考えられてきた投入位相制御方式に
較べ、抑制効果の信頼性において優れていると共に、残
留磁束の検出装置や精密な投入位相制御装置が不要とな
るため、例えば１５４ｋＶ系統を対象に試算すると、投
入位相制御の場合通常の遮断器の１．７倍程度の価格と
なるが、当方式の場合１．４１度で実現でき、経済性の
上でも優位である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す変圧器励磁突流抑制装
置の回路図、第２図は第１図の二段投入開閉装置の断面
図、第３図は第２図の要部断面図、第４図は励磁突流量
大値と回路定数の関係を示す縞図、第５図はこの発明の
別の実施例を示す変圧器励磁突流抑１１１Ｊ装置の回路
図、第６図は励磁突流発生の説明のための波形図である
。 １：三相変圧器、２．２１　？二段投入開閉装置、３゜
３１＋第１開閉部、４．４１　？第２開閉部、５：直列
抵雨 ２ （２） 第 （２）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）変圧器に直列抵抗を直列に挿入して電源に投入し、
   その後前記直列抵抗を短絡して回路から除去することに
   より、前記変圧器の電源投入時に発生する励磁突流を抑
   制する変圧器励磁突流抑制装置において、 前記直列抵抗の値を前記変圧器の鉄心飽和時の投入側巻
   線のリアクタンス値の２０ないし１００倍とし、前記電
   源への投入後早くとも１サイクル後に前記直列抵抗を短
   絡することを特徴とする変圧器励磁突流抑制装置。