JPH0888132A - 変圧器装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】定常時には高効率、低電圧変動率で運転でき、
短絡事故時には限流機能を発揮する変圧器装置を提供す
る。 【構成】巻線が超電導線で構成された超電導変圧器３
と、巻線が常電導線で構成されるとともにパーセントイ
ンピーダンスが超電導変圧器３より大に設定されて超電
導変圧器３に対して並列に接続された常電導変圧器１と
を具備し、超電導変圧器３の前記巻線が、この巻線の定
格電流値より大きく、かつ両変圧器からなる並列系統の
負荷側で短絡が起きたときに超電導変圧器３に流れる理
論電流値より小さい範囲の臨界電流値を持つ超電導線で
構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電力系統で用いられる
変圧器装置に係り、特に定常時には高効率、低電圧変動
率で運転でき、短絡事故時には限流機能を発揮する変圧
器装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、電力系統で用いられる変
圧器装置は、電力系統の安定的な運用を図るために様々
な工夫が施されている。ところで、変圧器の二次側、つ
まり負荷側に短絡事故が発生したときに流れる短絡電流
は、変圧器の％インピーダンスによって左右される。こ
のため、短絡電流を抑制する観点から、％インピーダン
スを10〜20% に設定した変圧器が多用されている。

【０００３】しかし、％インピーダンスの大きい変圧器
を用いると、負荷変動時における電圧変動率が大きくな
るばかりか、効率が悪くなるという問題があった。すな
わち、従来の変圧器では、短絡電流抑制機能と、高効率
化および低電圧変動率化とを両立させることができない
問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、定常
時には高効率、低電圧変動率で運転でき、短絡事故時に
は限流機能を発揮する変圧器装置を提供することを目的
としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る変圧器装置では、巻線が超電導線で
構成された超電導変圧器と、巻線が常電導線で構成され
るとともにパーセントインピーダンスが前記超電導変圧
器より大に設定されて上記超電導変圧器に対して並列に
接続された常電導変圧器とを具備し、前記超電導変圧器
の前記巻線が、該巻線の定格電流値より大きく、かつ前
記両変圧器からなる並列系統の負荷側で短絡が起きたと
きに上記超電導変圧器に流れる理論電流値より小さい範
囲の臨界電流値を持つ超電導線で構成されてなることを
特徴としている。

【０００６】また、上記目的を達成するために、請求項
２に係る変圧器装置では、巻線が超電導線で構成された
超電導変圧器と、巻線が常電導線で構成されるとともに
パーセントインピーダンスが前記超電導変圧器より大に
設定されて上記超電導変圧器に対して並列に接続された
常電導変圧器と、前記超電導変圧器の常電導転移を検出
するクエンチ検出手段と、このクエンチ検出手段によっ
てクエンチが検出された時点から所定の期間に亘って前
記超電導変圧器を系統から実質的に切離す手段とを具備
し、前記超電導変圧器の前記巻線が、該巻線の定格電流
値より大きく、かつ前記両変圧器からなる並列系統の負
荷側で短絡が起きたときに上記超電導変圧器に流れる理
論電流値より小さい範囲の臨界電流値を持つ超電導線で
構成されてなることを特徴としている。

【０００７】

【作用】請求項１に係る変圧器装置では、超電導変圧器
と常電導変圧器とが並列に接続され、しかも超電導変圧
器の％インピーダンスに比べて常電導変圧器のそれが大
に設定されている。したがって、たとえば超電導変圧器
の％インピーダンスが３％、常電導変圧器の％インピー
ダンスが１５％であるとすると、並列運転時における％
インピーダンスを２．５％と極めて小さくできることに
なる。このとき、超電導変圧器には全負荷電流の５／６
が流れ、常電導変圧器には全負荷電流の１／６が流れ
る。このように％インピーダンスを極めて小さくできる
ので、効率の向上および電圧変動率の低減を図ることが
可能となる。

【０００８】また、超電導変圧器の巻線は、この巻線の
定格電流値より大きく、かつ両変圧器からなる並列系統
の負荷側で短絡が起きたときに超電導変圧器に流れる理
論電流値より小さい範囲の臨界電流値を持つ超電導線で
構成されている。このため、負荷側で短絡事故が発生す
ると、超電導変圧器の巻線が瞬時に常電導転移、つまり
クエンチする。周知のように、超電導線がクエンチする
と、超電導線の抵抗値は数１０倍あるいはそれ以上に増
加する。したがって、負荷側で短絡事故が発生すると、
瞬時に常電導変圧器の実質的な単独運転となり、そのと
きの％インピーダンスは常電導変圧器によって決まる値
となる。先に説明したように、常電導変圧器の％インピ
ーダンスは超電導変圧器のそれに比べて大に設定されて
いるので、結局、短絡電流値は両変圧器を並列接続して
いる状態下での理論的短絡電流値よりはるかに小さい値
に抑えられることになる。すなわち、この変圧器装置で
は、負荷側で短絡事故が発生したときに限流機能を自動
的に発揮することになる。

【０００９】請求項２に係る変圧器装置では、請求項１
に係る変圧器装置の構成に加えて、超電導変圧器の常電
導転移を検出するクエンチ検出手段と、このクエンチ検
出手段によってクエンチが検出された時点から所定の期
間に亘って超電導変圧器を系統から実質的に切離す手段
とを設けている。超電導変圧器には、通常、巻線を超電
導転移温度以下に冷却する手段が付設されている。した
がって、クエンチが検出された時点で超電導変圧器を系
統から切離し、所定期間に亘って巻線に電力供給が行わ
れない状態にすると、上述した冷却手段の冷却作用によ
って巻線を再び超電導状態に復帰させることができる。
つまり、再び並列運転の可能な状態に戻すことができ
る。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図１には本発明の一実施例に係る変圧器装置の回路
構成図が示されている。この変圧器装置は、三相の常電
導変圧器１と、この常電導変圧器１に対してスイッチ２
ａ，２ｂを介して並列に接続された三相の超電導変圧器
３とを主体にして構成されている。

【００１１】常電導変圧器１は、一次巻線１１および二
次巻線１２が共に銅などの常電導線で構成されている。
一次巻線１１はＹ結線されており、各入力端はＵ相母線
１３、Ｖ相母線１４，Ｗ相母線１５にそれぞれ接続され
ている。二次巻線１２はΔ結線されており、各出力端は
ｕ相母線１６、ｖ相母線１７、ｗ相母線１８にそれぞれ
接続されている。そして、この常電導変圧器１は、その
％インピーダンスが次に説明する超電導変圧器３の％イ
ンピーダンスより数倍以上大に設定されている。

【００１２】超電導変圧器３は、常電導変圧器１と同じ
巻数比に設定されており、一次巻線２１および二次巻線
２２が共にＮｂＴｉなどで代表される超電導線で構成さ
れている。一次巻線２１はＹ結線されており、各入力端
は三相のスイッチ２ａを介してＵ相母線１３、Ｖ相母線
１４，Ｗ相母線１５にそれぞれ接続されている。二次巻
線２２はΔ結線されており、各出力端は三相のスイッチ
２ｂを介してｕ相母線１６、ｖ相母線１７、ｗ相母線１
８にそれぞれ接続されている。なお、超電導変圧器３に
は、一次巻線２１および二次巻線２２を構成している超
電導線を超電導転移温度以下に冷却する図示しない冷却
装置が付設されている。

【００１３】ここで、超電導変圧器３の一次巻線２１お
よび二次巻線２２は、定格電流値より大きく、かつ両変
圧器からなる並列系統の負荷側（二次側）で短絡が起き
たときに各巻線に流れる理論電流値より小さい範囲の臨
界電流値を持つ超電導線で構成されている。

【００１４】一方、超電導変圧器３の一次巻線２１の入
力端と一次巻線の中性点との間にはクエンチ検出装置２
３が接続されている。クエンチ検出装置２３は、一次巻
線２１における各相のインピーダンス変化から巻線を構
成している超電導線が常電導転移、つまりクエンチした
か否かを検出する。そして、クエンチが検出されたと
き、クエンチ検出装置２３は、スイッチ２ａ，２ｂにオ
フ指令を与え、一定時間経過後にスイッチ２ａ，２ｂに
オン指令を与えるように構成されている。なお、オフ指
令を与えた時点からオン指令を与える時点までの時間
は、前述した冷却装置の冷却作用によって超電導線が超
電導状態に復帰するに必要な期間を考慮して設定されて
いる。

【００１５】次に、上記のように構成された変圧器装置
の作用を説明する。この変圧器装置は、Ｕ相母線１３、
Ｖ相母線１４、Ｗ相母線１５が図示しない三相のスイッ
チを介して図示しない三相電源に接続され、ｕ相母線１
６、ｖ相母線１７、Ｗ相母線１８が図示しない三相のス
イッチを介して図示しない三相の負荷に接続される。こ
のとき、スイッチ２ａ，２ｂはオン状態に保持され、常
電導変圧器１と超電導変圧器３との並列状態で運転され
る。

【００１６】この変圧器装置では、超電導変圧器３の％
インピーダンスに比べて常電導変圧器１のそれが大に設
定されているので、たとえば超電導変圧器３の％インピ
ーダンスが３％、常電導変圧器１の％インピーダンスが
１５％であるとすると、並列運転時における％インピー
ダンスは２．５％と極めて小さい。このとき、超電導変
圧器３には全負荷電流の５／６が流れ、常電導変圧器１
には全負荷電流の１／６が流れる。このように％インピ
ーダンスを極めて小さくできるので、低損失化を図れる
とともに電圧変動率を小さくできることになる。

【００１７】上記のように並列運転で負荷に電力を供給
しているとき、何等かの原因で負荷側において短絡事故
が発生した場合には次のように作用する。すなわち、先
に説明したように、超電導変圧器３の巻線は、定格電流
値より大きく、かつ両変圧器からなる並列系統の負荷側
で短絡が起きたときに超電導変圧器３に流れる理論電流
値より小さい範囲の臨界電流値を持つ超電導線で構成さ
れている。このため、負荷側で短絡事故が発生すると、
超電導変圧器３の巻線が瞬時に常電導転移する。超電導
線がクエンチすると、超電導線の抵抗値は数１０倍ある
いはそれ以上に増加する。したがって、負荷側で短絡事
故が発生すると、瞬時に常電導変圧器１の実質的な単独
運転となり、そのときの％インピーダンスは常電導変圧
器１によって決まる値となる。常電導変圧器１の％イン
ピーダンスは超電導変圧器３のそれに比べてはるかに大
きい値に設定されているので、結局、短絡電流値は両変
圧器を並列接続している状態下での理論的短絡電流値よ
りはるかに小さい値に抑えられることになる。したがっ
て、負荷側で短絡事故が発生したときには、自動的に限
流機能を発揮する。

【００１８】一方、上記のように超電導変圧器３の巻線
がクエンチすると、これをクエンチ検出装置２３が検出
する。そして、クエンチ検出装置２３は、スイッチ２
ａ，２ｂにオフ指令を与え、スイッチ２ａ，２ｂをオフ
動作させる。スイッチ２ａ，２ｂがオフ動作すると、超
電導変圧器３の巻線へのエネルギ供給が完全に絶たれる
ことになるので、冷却装置の冷却作用により巻線温度が
急速に低下し、所定期間後に巻線が再び超電導状態に復
帰する。クエンチ検出装置２３は、オフ指令を送出した
時点から一定期間経過した時点、つまり巻線が再び超電
導状態に転移した時点でスイッチ２ａ，２ｂにオン指令
を与える。したがって、再び常電導変圧器１と超電導変
圧器３との並列接続状態が形成される。

【００１９】なお、負荷側に設けられている図示しない
スイッチは、通常、保護継電器の動作に連動してオフ動
作するので、短絡電流が流れ始めた時点から一定期間後
に上記スイッチがオフ動作し、これによって短絡電流が
オフされる。したがって、スイッチ２ａ，２ｂが再びオ
ンされた後に負荷側のスイッチをオンすることによって
負荷に再び給電することができる。

【００２０】このように、本実施例に係る変圧器装置で
は、定常時には高効率、低電圧変動率で運転でき、短絡
事故時には限流機能をも発揮させることができる。した
がって、電力系統の効率の良い運用に寄与できるばかり
か、限流機能によって短絡電流を十分小さな値に抑える
ことができるので、電力系統を構成する構造物の簡素化
や変成器類の小型化に寄与でき、またスイッチ類の低遮
断容量化にも寄与できる。また、常電導変圧器の％イン
ピーダンスを大きくすることによって、短絡期間中も運
転を続行させることもできる。

【００２１】次に、本発明の効果を確認するために行っ
た実験結果を説明する。図２には実験を行ったときの回
路構成が示されている。この図では、図１に示す要素と
同一部分が同一符号で示されている。

【００２２】図中３１は三相電源、３２，３３はスイッ
チ、３４は負荷抵抗、３５は短絡用スイッチ、３６は短
絡抵抗を示している。この実験で用いた常電導変圧器１
は一次Ｙ結線、二次Δ結線、定格容量１０KVA 、％イン
ピーダンス１５％、定格一次電圧４６０Ｖ，定格一次電
流１３Ａ，定格二次電圧１１５Ｖである。超電導変圧器
３は一次Ｙ結線、二次Δ結線、定格容量４０KVA 、％イ
ンピーダンス３．７５％，定格一次電圧４６０Ｖ、定格
一次電流５０Ａ，定格二次電圧１１５Ｖである。したが
って、常電導変圧器１と超電導変圧器３とを並列に接続
した条件下では％インピーダンスは３％となる。また、
超電導変圧器３の巻線としては、一次側換算で波高値３
００Ａの電流で常電導転移（クエンチ）するものが用い
られている。

【００２３】一方、負荷抵抗３４としては、一次側換算
で定格一次電流の８０％の電流を流すものを用いた。ま
た、短絡用抵抗３６としては、一次側換算で波高値が４
０７Ａとなるものを用いた。さらに、クエンチ検出装置
２３におけるスイッチ２ａ，２ｂをオフしてからオンさ
せるまでの期間は６秒に設定した。また、タイマを用い
て短絡用スイッチ３５を１００ｍｓの期間だけオンさせ
た。

【００２４】このような条件で図３に示すタイミング条
件で実験を行ったところ次のような結果が得られた。な
お、図に示す一次側電流の波形はスイッチ３２の出力端
で測定されたものである。

【００２５】まず、スイッチ２ａ，２ｂをオフさせてい
る状態で、時点ｔ₁ においてスイッチ３２をオンさせ、
常電導変圧器１に励磁電流を流した。次に、時点ｔ₂ に
おいてスイッチ２ａ，２ｂをオンさせて超電導変圧器３
に励磁電流を流すとともに常電導変圧器１と超電導変圧
器３とを並列接続した。

【００２６】次に、時点ｔ₃ においてスイッチ３３をオ
ンさせて負荷抵抗３４に電流を流した。このとき、一次
側に流れている全電流は実効値で４９．５Ａであった。
また、常電導変圧器１の一次巻線および超電導変圧器３
の一次巻線に流ている電流を測定したところ、それぞれ
実効値で１０．５Ａ，３９．０Ａであった。これから各
変圧器の電流分担が％インピーダンスから算出される値
に対応していることが確認された。

【００２７】次に、時点ｔ₄ において、短絡用スイッチ
３５をオンさせた。この結果、超電導変圧器３の巻線が
瞬時にクエンチし、流れる短絡電流も計算から求められ
る一次側での波高値４０７Ａより大幅に低い２６５Ａ
（波高値）であった。この値は、常電導変圧器１を単独
運転しているときに得られる短絡電流値であり、超電導
変圧器３が切り離され、常電導変圧器１の単独運転に移
行したことが確認された。すなわち、限流動作が確実に
行われていることが確認された。

【００２８】短絡開始時点から３５ｍｓ経過した時点ｔ
₅ において、クエンチ検出装置２３からの指令でスイッ
チ２ａ，２ｂがオフした。また、短絡開始から１００ｍ
ｓ経過した時点ｔ₆ において、タイマの出力に基づいて
短絡用スイッチ３５がオフした。このオフによって、常
電導変圧器２の単独運転で負荷抵抗３４への給電が行わ
れた。スイッチ２ａ，２ｂがオフした時点から６秒経過
した時点ｔ₇ において、クエンチ検出装置２３からの指
令でスイッチ２ａ，２ｂがオンし、並列運転が再開され
た。このとき、１００Ａ（波高値）の突流が流れたが、
これによるクエンチは起こらず、安定した並列運転に移
行したことが確認された。

【００２９】なお、上記実施例では、三相の例で説明し
たが、単相の場合にも本発明を適用できることは勿論で
ある。また、スイッチ２ａ，２ｂをオンさせるときに、
スイッチ２ａに対してスイッチ２ｂを、たとえば１秒程
度送らせることによって、励磁開始時の比較的大きな励
磁電流が負荷電流に重畳されるのを防止し、電力系統へ
の擾乱を和らげるようにしてもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
定常時には高効率、低電圧変動率で運転でき、短絡事故
時には限流機能を発揮させることができるので、電力系
統の効率の良い運用に寄与できるばかりか、限流機能に
よって短絡電流を十分小さな値に抑えることができるの
で、電力系統を構成する構造物の簡素化や、各機器の小
型化にも寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る変圧器装置の回路構成
図

【図２】本発明の効果を確認するために行った実験の回
路図

【図３】同実験の内容を説明するための図

【符号の説明】

１…常電導変圧器 ２ａ，２ｂ…スイ
ッチ ３…超電導変圧器 ２３…クエンチ検
出装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】巻線が超電導線で構成された超電導変圧器
   と、巻線が常電導線で構成されるとともにパーセントイ
   ンピーダンスが前記超電導変圧器より大に設定されて上
   記超電導変圧器に対して並列に接続された常電導変圧器
   とを具備し、前記超電導変圧器の前記巻線は、該巻線の
   定格電流値より大きく、かつ前記両変圧器からなる並列
   系統の負荷側で短絡が起きたときに上記超電導変圧器に
   流れる理論電流値より小さい範囲の臨界電流値を持つ超
   電導線で構成されてなることを特徴とする変圧器装置。
2. 【請求項２】巻線が超電導線で構成された超電導変圧器
   と、巻線が常電導線で構成されるとともにパーセントイ
   ンピーダンスが前記超電導変圧器より大に設定されて上
   記超電導変圧器に対して並列に接続された常電導変圧器
   と、前記超電導変圧器の常電導転移を検出するクエンチ
   検出手段と、このクエンチ検出手段によってクエンチが
   検出された時点から所定の期間に亘って前記超電導変圧
   器を系統から実質的に切離す手段とを具備し、前記超電
   導変圧器の前記巻線は、該巻線の定格電流値より大き
   く、かつ前記両変圧器からなる並列系統の負荷側で短絡
   が起きたときに上記超電導変圧器に流れる理論電流値よ
   り小さい範囲の臨界電流値を持つ超電導線で構成されて
   なることを特徴とする変圧器装置。