特開 2024-174680 遮断器システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024174680

(43)【公開日】2024-12-17

(54)【発明の名称】遮断器システム

(51)【国際特許分類】

   H02H 3/093 20060101AFI20241210BHJP

   H02H 9/02 20060101ALI20241210BHJP

【ＦＩ】

H02H3/093 A

H02H9/02 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023092639

(22)【出願日】2023-06-05

(71)【出願人】

【識別番号】000003942

【氏名又は名称】日新電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】濱▲崎▼ 晃旗

【テーマコード（参考）】

5G004

5G013

【Ｆターム（参考）】

5G004AA01

5G004AB01

5G004BA01

5G004BA03

5G004CA05

5G004DC10

5G013AA01

5G013BA01

5G013CA16

(57)【要約】

【課題】系統連系において、事故時に適切に電流を遮断する必要がある。
【解決手段】分路リアクトル（７）を備えた電力系統（１００）における遮断器システム（９）は、分路リアクトルに対して直列に接続された対象遮断器（４）と、分路リアクトルに対して並列に接続され、かつ互いに直列に接続されたリアクトル（８２）およびコンデンサ（８３）を複数の相間に有する容量装置（８）と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

分路リアクトルを備えた電力系統における遮断器システムであって、
前記分路リアクトルに対して直列に接続された遮断器と、
前記分路リアクトルに対して並列に接続され、かつ互いに直列に接続されたリアクトルおよびコンデンサを有する容量装置と、を備える、遮断器システム。

【請求項2】

前記リアクトルおよび前記コンデンサは、前記電力系統における複数の相間に接続される、請求項１に記載の遮断器システム。

【請求項3】

前記電力系統は、３相電力系統である、請求項１に記載の遮断器システム。

【請求項4】

前記分路リアクトルと前記容量装置とは、異なる拠点に配置される、請求項１に記載の遮断器システム。

【請求項5】

前記容量装置と前記遮断器とは、同一の拠点に配置される、請求項１に記載の遮断器システム。

【請求項6】

前記分路リアクトルと前記容量装置とは、前記遮断器に対して直列に接続されたトランスの二次側に接続される、請求項１に記載の遮断器システム。

【請求項7】

前記容量装置において電流が共振し、
前記共振における電流の振幅を、分路リアクトルにおいて発生する直流電流よりも大きな値とする、請求項１に記載の遮断器システム。

【請求項8】

前記容量装置は、前記電力系統に対して、スター型に結線されている、請求項１に記載の遮断器システム。

【請求項9】

前記容量装置は、前記電力系統に対して、デルタ型に結線されている、請求項１に記載の遮断器システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は遮断器システムに関する。

【背景技術】

【0002】

系統連系による電力の売買が一般化してきている。系統連系した電力系統において、短絡事故または地絡事故などの事故が発生した際に、故障範囲を制限するために、速やかに故障範囲を遮断する必要がある。

【0003】

ケーブルによる系統連系では、系統連系における電圧変動を緩和するために、分路リアクトルを用いることが一般的である。分路リアクトルを備えた電力系統において事故が発生すると、送電ケーブルの充電電流に対し、分路リアクトルによる電流を合成した電流が遮断器に流れることになる。その結果、遮断器には、直流電流が印加されることになり、電流がゼロクロスしない零点推移現象が発生し、遮断器を開の状態にしても、電流を遮断することができなくなる。

【0004】

これに対し、特許文献１には、分路リアクトルに印加される電流をゼロクロスさせるために、分路リアクトルに対し直列にコンデンサを接続して、電力系統に流れる電流を共振させることで、電流をゼロクロスさせる技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特公平５－２２４５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上述のような従来技術は事故時に発生する交流振動によってコンデンサの端子間電圧が大きくなる挙動をするため、コンデンサの耐電圧を大きくする必要があり、高いコストが掛かる。

【0007】

本発明の一態様は、系統連系において、事故時に適切に電流を遮断する遮断器システムを実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る遮断器システムは、電力系統における遮断器システムであって、遮断器と、前記遮断器に対して直列に接続された分路リアクトルと、前記分路リアクトルに対して並列に接続され、かつ互いに直列に接続されたリアクトルおよびコンデンサを有する容量装置と、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本発明の一態様によれば、事故時に適切に電流を遮断できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態１に係る電力系統の要部の構成を示す回路図である。

【図2】実施形態１に係る容量装置８の詳細を示す三線図である。

【図3】事故発生時前後での各部の電流変動を示すグラフである。

【図4】対象遮断器側から見た容量装置の周波数‐インピーダンス特性である。

【図5】実施形態２に係る電力系統の要部の構成を示す回路図である。

【図6】実施形態３に係る電力系統の要部の構成を示す回路図である。

【図7】変形例に係る容量装置８の詳細を示す三線図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

〔実施形態１〕
以下、本発明の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

【0012】

（回路構成）
図１は、実施形態１に係る電力系統１００の要部の構成を示す回路図である。電力系統１００には、３相電源１が備わっており、電力系統１００に電力を供給している。電力系統１００は、３相電源１の下位系統に対象遮断器４を挟んで、送電線５に接続されている。送電線５の下位系統に並列に負荷や発電設備が接続される。

【0013】

電力系統１００における負荷の一つに、分路リアクトル７が電力系統に対してスター型に結線されている。つまり、対象遮断器４に対して、分路リアクトル７が直列に接続されている。送電線５と分路リアクトル７との間には、分路リアクトル用遮断器６が接続されている。なお、図１における符号Ｓで表す記号は、スター結線を表す記号である。すなわち、図１において分路リアクトル７はスター結線で接続されていることを表している。図１を含むこれ以降の図面において、符号Ｓを記載していない同様の記号に関しても同様である。

【0014】

図２は、実施形態１に係る容量装置８の詳細を示す三線図である。送電線５の上位には、容量装置８が、分路リアクトル７に対して並列に接続されている。容量装置８は、容量装置用遮断器８１と、リアクトル８２と、コンデンサ８３と、が互いに直列に接続された回路である。なお、容量装置８は、電力系統１００に対してスター型に結線されている。リアクトル８２は、コンデンサ８３に対する突入電流を抑制する役割も果たす。また、分路リアクトル７と容量装置８とは異なる拠点に配置されている。

【0015】

ここで、リアクトル８２と、コンデンサ８３とは、複数の相間に接続されている。図２に示すように、異なる相（例えば、第１相および第２相）の間に、あるリアクトル、あるコンデンサ、別のコンデンサ、および別のリアクトルがこの順に接続されている。なお、該リアクトルと該コンデンサはそれぞれ、複数の素子を有したリアクトル８２およびコンデンサ８３のそれぞれの一素子である。

【0016】

なお、容量装置８は、容量装置用遮断器８１を備えなくてもよい。容量装置８は、３相をスター結線で接続している。また、対象遮断器４と容量装置８とを合わせて遮断器システム９とも称する。遮断器システム９は、対象遮断器４を電力系統１００の遮断のために用いる遮断器とする。

【0017】

（事故発生時の動作）
以降は、図１における対象遮断器４より上位の符号Ｐの箇所において事故、例えば短絡事故が発生した場合の動作に関して記す。なお、事故は短絡事故に制限されず地絡事故であってもよい。図３は、事故発生時前後での各部の電流変動を示すグラフである。図３は、対象遮断器４に流入する電流のグラフ４００と、分路リアクトル用遮断器６に流入する電流のグラフ６００と、容量装置用遮断器８１に流入する電流のグラフ８００と、を併記している。なお、各グラフ４００、６００、および８００は、それぞれ横軸が時間であり、縦軸が電流である。

【0018】

図３に示すように、短絡事故の発生前は、グラフ６００およびグラフ８００において、３相交流の電流が計測されている。なお、グラフ４００に示すように、対象遮断器４に流入する電流は短絡事故の発生前は０である。これは、分路リアクトル７と、容量装置８と、送電線５とにおける３相電源１による基本波の無効電力の和が０［Ｍｖａｒ］となるように設定しているためである。

【0019】

その後、時刻Ｔ１において、対象遮断器４より上位の符号Ｐの箇所において短絡事故が発生した。そのため、各グラフ４００、６００、８００の波形は変化している。グラフ６００では、分路リアクトル７の作用によって、事故発生前から連続な電流を流そうとするために、直流電流になる。また、グラフ８００では、容量装置８におけるリアクトル８２とコンデンサ８３との共振が発生する。この容量装置８における共振周波数は、３相電源１の商用周波数よりも高い周波数である。

【0020】

なお、遮断器システム９は事故を検出し、対象遮断器４を遮断しようとする。しかしながら、対象遮断器４に対しては、負荷側の各機器、つまり、分路リアクトル用遮断器６と、容量装置用遮断器８１と、図示を省略している３相電源１に対する下位の負荷（送電線５を流れる電流をも含む）と、を流れている電流が流れ込むことになる。

【0021】

対象遮断器４は、遮断器のリレー時間または上位系統から信号が伝送される時間に加え、遮断器自体の開極時間を合わせた時間をかけて開極する。対象遮断器４が開極するまでの間、グラフ４００に示すように、対象遮断器４の流入電流は、商用周波数よりも高い周波数において振動する。なお、該振動は負荷側の機器において生じる損失によって徐々に減衰していく。なお、対象遮断器４が物理的に開極してから、対象遮断器４のゼロ点評価時間が開始する。

【0022】

その後、時刻Ｔ２において、対象遮断器４の接点間が十分に開いた状態において、対象遮断器４に対する流入電流がゼロクロスしたタイミングに対象遮断器４が遮断される。なお、このタイミングは例えば、短絡事故発生から約６１ミリ秒ほど後である。

【0023】

時刻Ｔ２以降では、対象遮断器４が遮断される。これにより、対象遮断器４に流入していた電流が、負荷側の機器間において還流することになる。したがって、各負荷側の機器においてそれぞれ電流の振動が発生する。なお、この振動はそれぞれの抵抗分によって徐々に減衰していく。

【0024】

（事故発生時のメカニズム）
ここで、容量装置８において発生する共振に関して説明する。容量装置８には、インダクタンスＬのリアクトル８２と、キャパシタンスＣのコンデンサ８３とが直列に接続されている。そのため、容量装置８における共振周波数ｆｒは次式で表せる。

【0025】

【数1】

共振周波数を商用周波数よりも高い周波数とし、商用周波数よりも高い周波数の電流の波を、送電線５等に流れていた３相電源１由来の商用周波数の電流の波に対して、重ね合わせることによって、対象遮断器４の流入電流において電流をゼロクロスさせることができる。

【0026】

また、容量装置８において電流が共振するが、この共振における電流の振幅が分路リアクトル７において発生する直流電流よりも大きい値とすることができる。これにより、分路リアクトル７で発生した直流電流に対し、共振による電流を重ね合わせることによって、対象遮断器４における電流をゼロクロスさせることができる。

【0027】

容量装置８を容量装置として機能させるために、容量装置８の共振周波数ｆｒは、商用周波数よりも高い周波数となる。共振周波数が商用周波数よりも高い周波数では、対象遮断器４のゼロ点評価時間内に適切に電流をゼロクロスさせることができる。そのため、対象遮断器４によって、電流を遮断することができる。

【0028】

図４は、対象遮断器４側から見た容量装置８の周波数‐インピーダンス特性である。図４は横軸が周波数であり、縦軸がインピーダンスである。図４に示すように、周波数２００［Ｈｚ］程に、共振点が発生していることがわかる。これは、図４においては共振周波数が商用周波数よりも高い周波数となるように、商用周波数の４倍程度になるように数１に基づき設計をしたためである。

【0029】

（容量装置８の設計）
遮断器システム９が所望の動作をするためには、容量装置８の遅れ無効電力に対する設備容量の設計が適切である必要がある。以下に、容量装置８の設備容量の設計指針に関して記す。

【0030】

分路リアクトル７の容量をＱ_Ｌ［Ｍｖａｒ］、線間電圧をＶ_ｌ［ｋＶ］とした場合における、３相における短絡事故発生時に分路リアクトル７で発生する直流性の電流Ｉ_Ｌｄｃ１［Ａ］は、次式で表せる。

【0031】

【数2】

分路リアクトル７の抵抗分をＲとすると、短絡事故発生からｔ秒後の電流Ｉ_Ｌｄｃ２［Ａ］は、次式で表せる。

【0032】

【数3】

ここで、短絡事故発生から対象遮断器４の遮断までの時間をＴとすると、その時の分路リアクトル７の電流Ｉ_Ｌｄｃ３［Ａ］は、次式で表せる。

【0033】

【数4】

ここで、容量装置８の容量をＱ_ｃ（＜０）［ＭＶａｒ］とした場合の、容量装置８に流れる電流Ｉ_ｃ［Ａ］を求める。容量装置８に印加される電圧について、３相のうち１相の電圧が０［Ｖ］の場合に短絡事故が発生した場合、０［Ｖ］の相から故障点に向かって流れる電流は、容量装置８の設備容量に対して１ｐｕ（Per unit）の電流である。この電流値を閾値とすれば、過酷ケースにおける容量装置８の設備容量を求めることができる。そのため、この場合におけるＩ_ｃは、次式で表せる。

【0034】

【数5】

したがって、容量装置８における損失がほとんど無い場合においては、対象遮断器４の遮断時点（短絡事故の発生からＴ秒後）において、－Ｉ_ｃ＞Ｉ_Ｌｄｃ３の関係が成り立てばよいことになる。したがって、式を整理すると、次の関係が得られる。

【0035】

【数6】

なお、送電線５の進相容量を打ち消すために必要な遅れ無効電力をＱとすると、次の関係が成り立つ。

【0036】

【数7】

数６および数７から、式を整理すると、次式の関係が得られる。

【0037】

【数8】

ここで、Ｑｃを単純に容量装置８の設備容量として考えると、次のように式が変形する。これにより、容量装置８の容量を適切に設計することができる。

【0038】

【数9】

（小括）
系統連系した分路リアクトル７を有する電力系統１００において事故が発生した場合に、分路リアクトル７に対して並列に容量装置８を設けることで、対象遮断器４に流入する直流電流に対し大きな電流を加えることができる。これにより、対象遮断器４の流入電流がゼロクロスするようになり、対象遮断器４を開の状態にすると、遮断できるようになる。

【0039】

また、容量装置８を分路リアクトル７に対して並列に設けるため、容量装置８をメンテナンスしている際も、分路リアクトル７の機能を損なうことが無い。そのため、安定した電力系統１００を実現することができる。

【0040】

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

【0041】

図５は、実施形態２に係る電力系統１０１の要部の構成を示す回路図である。電力系統１０１では、分路リアクトル用遮断器６および分路リアクトル７が送電線５に対して上位に接続されている点が、電力系統１００と異なり、他は同一である。つまり、実施形態１では、容量装置８と分路リアクトル７とが異なる拠点に配置されていたが、実施形態２では、容量装置８と分路リアクトル７とが同一の拠点に配置されている。

【0042】

この場合においても、容量装置８によって、対象遮断器４に対する流入電流に高い周波数の波を生じさせることができる。そのため、対象遮断器４は電流を遮断することができる。

【0043】

〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

【0044】

図６は、実施形態３に係る電力系統１０２の要部の構成を示す回路図である。電力系統１０２では、送電線５の２次側に３相３巻線変圧器３を有することが電力系統１００と異なる。さらに、該３相３巻線変圧器３の３次側に、第２対象遮断器４１が接続されている。第２対象遮断器４１の２次側に、分路リアクトル７および容量装置８が並列に接続されている。また、本実施形態では、対象遮断器４を第１対象遮断器４とも称する。第１対象遮断器４と第２対象遮断器４１と容量装置８とを合わせて遮断器システム９ａと称する。なお、分路リアクトル７と容量装置８とは同一の拠点に配置されている。

【0045】

この場合においても、容量装置８によって、第１対象遮断器４および第２対象遮断器４１に対する流入電流に高い周波数の波を生じさせることができる。そのため、第１対象遮断器４および第２対象遮断器４１は電流を遮断することができる。

【0046】

ここで、電力系統１０２では電力系統１００とは異なり、分路リアクトル７および容量装置８は、事故が発生した第１対象遮断器４より上位の符号Ｐの箇所とは、３相３巻線変圧器３を介して接続されている。つまり、第１対象遮断器４と第２対象遮断器４１とが直接的に送電線５によるバス配線を共有しているわけではない。しかしながら、遮断器システム９ａは遮断器システム９と同様に正常に動作し、第１対象遮断器４および第２対象遮断器４１を開の状態にすることで電流を遮断することができる。

【0047】

なお、実施形態３は、３相３巻線変圧器３に関して記載したが、３相２巻線変圧器であってもよい。この場合は、３相２巻線変圧器の２次側に分路リアクトル７および容量装置８が並列に接続される。

【0048】

〔変形例〕
実施形態１から３では、容量装置８は電力系統に対してスター型に結線されているが、電力系統に対してデルタ型に結線されてもよい。図７は、変形例に係る容量装置８の詳細を示す三線図である。本変形例では、容量装置８における結線をスター結線に代えてデルタ結線を用いている。

【0049】

つまり、図７に示すように、異なる相（例えば、第１相および第２相）の間に、あるリアクトル、あるコンデンサ、および別のリアクトルがこの順に接続されている。なお、該リアクトルと該コンデンサはそれぞれ複数の素子を有したリアクトル８２およびコンデンサ８３のそれぞれの一素子である。

【0050】

デルタ結線の場合であっても、スター結線の場合と同様に、分路リアクトル７に対して並列に容量装置８を設けることで、対象遮断器４の流入電流に対し高い周波数の電流を加えることができる。これにより、対象遮断器４の流入電流がゼロクロスするようになり、対象遮断器４を開の状態にすると、遮断できるようになる。

【0051】

また、容量装置８を分路リアクトル７に対して並列に設けるため、容量装置８をメンテナンスしている際も、分路リアクトル７の機能を損なうことが無い。そのため、安定した電力系統１００を実現することができる。

【0052】

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る遮断器システムは、分路リアクトルを備えた電力系統における遮断器システムであって、前記分路リアクトルに対して直列に接続された遮断器と、前記分路リアクトルに対して並列に接続され、かつ互いに直列に接続されたリアクトルおよびコンデンサを有する容量装置と、を備える。

【0053】

上記の構成によれば、容量装置のメンテナンスを行う際も、分路リアクトルを電力系統に対して接続しておくことができる。

【0054】

本発明の態様２に係る遮断器システムは、前記態様１において、前記リアクトルおよび前記コンデンサは、前記電力系統における複数の相間に接続されてもよい。

【0055】

上記の構成によれば、複数の相間の間にリアクトルおよびコンデンサの各素子を接続することができる。

【0056】

本発明の態様３に係る遮断器システムは、前記態様１または２において、前記電力系統は、３相電力系統であってもよい。

【0057】

上記の構成によれば、３相電力系統に対して容量装置を接続することができる。

【0058】

本発明の態様４に係る遮断器システムは、前記態様１から３のいずれかにおいて、前記分路リアクトルと前記容量装置とは、異なる拠点に配置されてもよい。

【0059】

上記の構成によれば、容量装置の配置は特に制限されない。

【0060】

本発明の態様５に係る遮断器システムは、前記態様１から３のいずれかにおいて、前記容量装置と前記遮断器とは、同一の拠点に配置されてもよい。

【0061】

上記の構成によれば、容量装置の配置は特に制限されない。

【0062】

本発明の態様６に係る遮断器システムは、前記態様１から５のいずれかにおいて、前記分路リアクトルと前記容量装置とは、前記遮断器に対して直列に接続されたトランスの二次側に接続されてもよい。

【0063】

上記の構成によれば、容量装置と遮断器とは、トランスを介して接続されていてもよい。

【0064】

本発明の態様７に係る遮断器システムは、前記態様１から６のいずれかにおいて、前記容量装置において電流が共振し、前記共振における電流の振幅を、分路リアクトルにおいて発生する直流電流よりも大きな値としてもよい。

【0065】

上記の構成によれば、容量装置から供給される電流の振幅が、分路リアクトルで発生する直流電流よりも大きくなることで、遮断器における電流をゼロクロスさせることができる。

【0066】

本発明の態様８に係る遮断器システムは、前記態様１から７のいずれかにおいて、前記容量装置は、前記電力系統に対して、スター型に結線されてもよい。

【0067】

本発明の態様９に係る遮断器システムは、前記態様１から７のいずれかにおいて、前記容量装置は、前記電力系統に対して、デルタ型に結線されてもよい。

【0068】

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0069】

１ ３相電源
３ ３相３巻線変圧器
４ 対象遮断器
５ 送電線
６ 分路リアクトル用遮断器
７ 分路リアクトル
８ 容量装置
９、９ａ 遮断器システム
８１ 容量装置用遮断器
８２ リアクトル
８３ コンデンサ
１００、１０１、１０２ 電力系統

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】