JP4495030B2 - 開閉装置の閉極位相制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、三相開閉装置を介して電源側回路に接続された進相性負荷回路（中性点が接地されたコンデンサバンクもしくは無負荷の送電線等が相当する）に電源を投入する際に、その閉極動作に伴う過渡的な電圧、電流の発生を最小限に抑制するよう閉極位相を制御する開閉装置の閉極位相制御装置に関するものである。

従来、この進相性負荷回路に電源を投入する際には、各相の電源電圧を計測して、各相毎の電源電圧零点を検出し、その電源電圧零点近傍にて各相の遮断器を個別に投入させることにより、過渡的な電圧、電流の発生を最小限に抑制するようにした位相制御開閉装置があった（例えば、特許文献１参照）。

国際公開Ｗ０００／０４５６４号公報（実施の形態１３、図１、図２、図３等）

一般に、進相性負荷回路の遮断時にコンデンサや送電線路上に残る残留電荷による直流性の電圧を測定することが困難であるため、従来の位相制御開閉装置では、この進相性負荷回路に電源を投入する際に、各相の電源電圧のみに着目して遮断器の投入位相を制御している。このため、遮断器閉極過程における遮断器極間の絶縁耐力特性を考慮すると、遮断時にコンデンサや送電線路上に電荷が残留すると、たとえ電源電圧の零点で遮断器を閉極させても、遮断器極間には、電源電圧に加えて、残留電荷による直流電圧が重畳されるので、遮断器を閉極させる電源電圧零点の極性によっては、極間電圧の高い位相で遮断器が電気的に投入されるため、過電圧、過電流が十分に抑制できない場合があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、進相性負荷回路の閉極動作に伴う過渡的な電圧、電流の発生を、常に最小限に抑制することができる開閉装置の閉極位相制御装置を提供することを目的とする。

この発明に係る開閉装置の閉極位相制御装置は、電源側回路の各相電圧を計測し各相電圧の電圧零点の周期を検出する電源側電圧計測部、三相開閉装置の開極動作開始後開極動作完了までの回路情報計測値から進相性負荷回路の各相残留電圧の極性を推定し保持する残留電圧極性推定手段、および三相開閉装置の閉極指令に基づき動作し、電圧零点の内その電圧極性が、当該零点で保持した残留電圧の極性からその逆極性に反転する電圧零点で閉極されるよう各相の閉極位相を制御する閉極位相制御部を備えたものである。

以上のように、開極動作開始後開極動作完了までの回路情報計測値から推定した進相性負荷回路の残留電圧の極性からその逆極性に反転する電圧零点で閉極されるよう各相の閉極位相を制御する閉極位相制御部を備えたので、開閉装置の極間絶縁特性により機械的な閉極時点より手前で電気的に投入されても、常に低い極間電圧で投入されることになり、過渡的な電圧、電流の発生を、確実に最小限に抑制することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における開閉装置の閉極位相制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図１は、後述する実施の形態２および３の説明でも参照できるよう、各形態例で必要となる構成要素を全て図示している。
図１において、遮断器１０は、図左方に示す、中性点が接地されたコンデンサバンクもしくは無負荷の送電線等が相当する進相性負荷１Ｒ，１Ｓ，１Ｔと図右方の電源側回路との間に接続されている。そして、この遮断器１０は、その消弧室１１Ｒ，１１Ｓ，１１Ｔ内の各接触子が独立して開閉動作することが出来るよう、各相独立の操作装置１２Ｒ，１２Ｓ，１２Ｔを備えている。

遮断器１０の電源側には、いずれの実施の形態でも使用される、各相の電源側電圧を計測する電圧計測部１３Ｒ，１３Ｓ，１３Ｔが設けられている。また、遮断器１０の負荷側には、実施の形態１で使用される、各相の負荷側電圧を計測する電圧計測部１４Ｒ，１４Ｓ，１４Ｔが設けられている。更に、後述する実施の形態２で使用される、遮断器１０の各相電流を計測する電流計測部１５Ｒ，１５Ｓ，１５Ｔが設けられている。

位相制御開閉演算処理部２０は、コンピュータ等により構成され閉極位相制御を含む演算処理を行うもので、電圧計測部１３Ｒ，１３Ｓ，１３Ｔからの出力に基づき動作する基準位相検出部２１と、電圧計測部１４Ｒ，１４Ｓ，１４Ｔからの出力に基づき動作する負荷電圧検出部２２と、電流計測部１５Ｒ，１５Ｓ，１５Ｔからの出力に基づき動作する電流検出部２３と、各検出部２１、２２、２３および開閉極信号３０からの出力に基づき動作する演算・動作制御部２４とから構成されている。そして、演算・動作制御部２４は、機能として、残留電圧極性推定手段２５および閉極位相制御部２６を備えている。

以下、この発明の実施の形態１における開閉装置の閉極位相制御装置の動作について説明する。先ず、進相性負荷遮断によって残留する電圧の極性を推定する残留電圧極性推定手段２５の動作を、図２を参照して説明する。即ち、進相性負荷は、その静電容量の存在から遮断時の電圧が遮断後も残留する。本願発明は、遮断器１０の閉極動作に先立って、前回遮断時の各相残留電圧極性を推定求めておき、その残留電圧極性に基づき、過渡的な電圧、電流の抑制が可能となる閉極位相を演算により求めるものである。
なお、図２も図１と同様、後述する実施の形態２、３での説明を考慮して作成している。

図２（ａ）は、電圧計測部１３Ｒ，１３Ｓ，１３Ｔから出力された各相の電源側電圧を示す。この出力は、基準位相検出部２１に送信され各相の電圧位相が検出されるが、この点は、後述する閉極位相制御部２６のところで更に詳細に説明する。図２（ｂ）は、電圧計測部１４Ｒ，１４Ｓ，１４Ｔから出力された各相の負荷側電圧を示す。図２（ｃ）は、負荷電圧検出部２２を経て取り込んだ負荷側電圧を残留電圧極性推定手段２５で時間微分（ｄｖ／ｄｔ）して得られる負荷側電圧の傾きを示す。そして、残留電圧極性推定手段２５は、この各相の負荷側電圧の傾きが所定の閾値以下となった時点を検出し、当該検出時点における負荷側電圧（同図（ｂ））を読み取り保持する。この負荷側電圧の極性から残留電圧極性が簡便に推定することができる。

図２の例で説明すると、Ｒ相は、Ｒ相遮断点と記された時点の近傍で電圧の傾きが閾値以下となり、その時点の負荷側電圧の極性からＲ相の残留電圧は負極性であると判定される。同様にして、Ｓ相は、一番遅いＳ相遮断点と記された時点の近傍で電圧の傾きが閾値以下となり、その時点の負荷側電圧の極性からＳ相の残留電圧は負極性であると判定される。また、Ｔ相は、Ｔ相遮断点と記された時点の近傍で電圧の傾きが閾値以下となり、その時点の負荷側電圧の極性からＴ相の残留電圧は正極性であると判定される。

なお、図２（ｄ）は、遮断器１０遮断後の極間に現れる各相電圧を参考までに示すものである。また、図２（ｅ）は、遮断時の各相電流を示すもので、後段の実施の形態２、３のところで参照する。

次に、以上で得られた、開極動作後の各相残留電圧極性のデータを利用して閉極位相を求める閉極位相制御部２６の動作をついて説明する。
本願発明では、電源側電圧の電圧零点の内、その電圧極性が、当該電圧零点で残留電圧の極性から逆極性に反転する電圧零点の位相を閉極する目標位相とする。先ず、この動作原理を図３を参照して説明する。
図３は、例えば、図２のＲ相を対象に取り、その閉極時の動作を説明するものである。特に、遮断器の両極が機械的にコンタクトする閉極点（図では、Ｔ１点、Ｔ２点が対応する）と、極間の絶縁耐力が有限であることから、通常、両極が機械的にコンタクトする閉極点より手前で両極が電気的に通電投入される投入点（図では、Ａ点、Ｂ点が対応する）とを示している。

図３において、下端の負荷側電圧は、この例では、Ｒ相の、従って、負極性の残留電圧が示されている。電源側電圧は、電圧零を基線とした正弦波波形を示し、その電圧零点は、２種類存在する。即ち、その電圧極性が、当該電圧零点で残留電圧の極性（ここでは負極性）から逆極性（ここでは正極性）に反転する電圧零点の位相Ｔ２点と、以上に該当しない電圧零点、従って、その電圧極性が、当該電圧零点で残留電圧とは逆極性（ここでは正極性）から残留電圧の極性（ここでは負極性）に反転する電圧零点の位相Ｔ１点とが存在する。

図３において、上端の正弦波波形は、電源側電圧から負荷側電圧を差し引いて得られる遮断器極間電圧を示す。そして、Ｔ１点およびＴ２点から左上方へ伸びる点線は、遮断器閉極過程における極間の絶縁耐力カーブで、それぞれＴ１点およびＴ２点で機械的に閉極するよう遮断器を操作した場合の極間絶縁耐力（ＲＤＤＳ：Rate of Decrease of Dielectric Strength）を示す。従って、この遮断器極間電圧のカーブと極間絶縁耐力のカーブとの交点がそれぞれの閉極位相で操作した場合の電気的投入点（図では、Ａ点、Ｂ点が対応する）となり、両点の横軸上の位置が投入位相、両点の縦軸上の位置が極間絶縁が破壊されるときの極間印加電圧の大きさとなる。この破壊電圧は、投入によって開始される過渡現象の初期値となるため、この破壊電圧の大きさが大きいほど電力系統等への影響が大きくなる。
図３から明らかなように、閉極位相として、開極による残留電圧の極性からその逆極性に反転する電圧零点（図３では、Ｔ２点が該当する）を、設定することにより、電気的投入は、極間電圧がより低い電圧となるＢ点で行われるので、投入による過渡的な電圧、電流の発生が常に最小限に抑制されるわけである。

次に、各相毎に、開極による残留電圧の極性からその逆極性に反転する電圧零点を設定する具体的な制御の動作を図４を参照して説明する。
図４は、Ｒ相における閉極制御動作を示すタイミングチャートである。なお、他のＳ相およびＴ相については、具体的な閉極タイミングはＲ相の場合と異なるが、閉極制御動作の要領については全く同一であるので、他相の図示は省略する。
同図（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、Ｒ相電源側電圧、Ｒ相負荷側電圧および先に残留電圧極性推定手段２５で求めた開極時の残留電圧と電源側電圧とから求まるＲ相極間電圧を示す。基準位相検出部２１は、電圧計測部１３Ｒで計測された電圧値から電圧零点の周期を検出する。同図（ａ）のＴｏｒi、Ｔｏｒi+1、Ｔｏｒi+2、・・・が相当する。

ここで、投入指令を受けると（同図（ｇ））、以下の一連の演算動作に必要とする時間ｔcal経過後に最初に現れるＲ相の電圧零点を基準点ＴＲstandardとする（ａ）。閉極位相制御部２６は、操作装置１２Ｒ，１２Ｓ，１２Ｔの周囲温度、操作圧力、制御電圧の計測データを別途入手し、これらデータから予測される遮断器１０のＲ相閉極動作時間ｔｒcloseを計算する。そして、基準点ＴＲstandardからＲ相閉極動作時間ｔｒclose経過後、最初に現れる、残留電圧の極性から逆極性に反転する電圧零点を検出し当該電圧零点をＲ相閉極目標点ＴＲtargetに設定する。

そして、このＲ相閉極目標点ＴＲtargetで実際に閉極動作がなされるように、Ｒ相閉極目標点ＴＲtargetからＲ相閉極動作時間ｔｒcloseだけ差し引いた動作同期時間ｔｒcontを演算する（ｆ）。
以上の演算結果を基に、閉極位相制御部２６は、基準点ＴＲstandardから動作同期時間ｔｒcont経過後、操作装置１２Ｒに閉極信号を送出する。これにより、Ｒ相閉極目標点ＴＲtargetのタイミングで確実に閉極動作がなされることになる。同図（ｅ）は、消弧室１１Ｒ内の駆動機構の動作を示す。この場合、極間絶縁耐力特性により電気的な投入は、Ｒ相閉極目標点ＴＲtargetのタイミングより先行アーク時間ｔｒprearc手前のタイミングで行われることになる（同図（ｄ））が、先に図３で説明したように、より低い極間電圧での投入となり、過渡電圧、電流は、十分抑制されるわけである。
なお、既述したとおり、他相Ｓ、Ｔ相の閉極動作もＲ相と全く同様の要領でなされるので、説明は省略するが、Ｒ相について説明したと同様、より低い極間電圧での投入となり、過渡電圧、電流は、十分抑制される。

実施の形態２．
先の実施の形態１とは、残留電圧極性推定手段２５の動作のみが異なるだけであるので、以下、この部分のみについて説明する。
実施の形態２の残留電圧極性推定手段２５においては、電圧計測部１３Ｒ，１３Ｓ，１３Ｔの出力を基準位相検出部２１を経て入力する電源側電圧の情報（図２（ａ））と、電流計測部１５Ｒ，１５Ｓ，１５Ｔの出力を電流検出部２３を経て入力する遮断器電流の情報（図２（ｅ））とに基づき開極動作に伴う各相の残留電圧極性を推定する。
即ち、遮断器１０が開極指令を受けた後、各相遮断器電流計測値が所定の閾値以下となった時点における各相電源側電圧計測値の電圧極性をそのまま残留電圧極性として推定することができる。

図２の例で説明すると、Ｒ相は、Ｒ相遮断点と記された時点で電流値が閾値以下となり、その時点の電源側電圧の極性からＲ相の残留電圧は負極性であると判定される。同様にして、Ｓ相は、一番遅いＳ相遮断点と記された時点で電流値が閾値以下となり、その時点の電源側電圧の極性からＳ相の残留電圧は負極性であると判定される。また、Ｔ相は、Ｔ相遮断点と記された時点で電流値が閾値以下となり、その時点の電源側電圧の極性からＴ相の残留電圧は正極性であると判定される。

残留電圧極性推定手段２５で推定された各相残留電圧極性に基づき閉極位相を制御する閉極位相制御部２６の動作は、実施の形態１の場合と全く同様であるので、説明は省略するが、実施の形態２においても、閉極動作に伴う過渡的な電圧、電流の発生を、確実に最小限に抑制することができる。

実施の形態３．
先の実施の形態１、２とは、残留電圧極性推定手段２５の動作のみが異なるだけであるので、以下、この部部のみについて説明する。
実施の形態３の残留電圧極性推定手段２５は、遮断器１０が開極指令を受けた場合に、開極位相を制御する開極位相制御部を備え、開極に伴う残留電圧極性を規制することで当該残留電圧極性のデータを得るようにしたものである。

基準位相検出部２１が電圧計測部１３Ｒ，１３Ｓ，１３Ｔで計測された電圧値から電圧零点の周期を検出する。そして、遮断器１０が開極指令を受けた場合、残留電圧極性推定手段２５の開極位相制御部は、各相の遮断時間を考慮して、各相消弧室１１Ｒ，１１Ｓ，１１Ｔ内の各接触子が所定の電気角で開極動作を行い、各相の電圧の正極性または負極性の波高点で電流遮断するように、各相操作装置１２Ｒ，１２Ｓ，１２Ｔに開極信号を与えるタイミングを制御する。
例えば、図２に示すように、任意に設定した第１遮断相とするＲ相電圧の負極性の波高点で電流遮断するように、各相操作装置１２Ｒ，１２Ｓ，１２Ｔに与える開極信号のタイミングを制御して、各相消弧室１１Ｒ，１１Ｓ，１１Ｔ内の各接触子が所定の電気角で開極動作を行い、電流遮断すると、電圧の負極性の波高点で電流遮断するように制御したＲ相の残留電圧は負極性となる。第２遮断相および第３遮断相は第１相遮断後、電気角６０°間隔で迎える電流零点で電流遮断されるので、第２遮断相となるＴ相は電圧の正極性で電流が遮断されるのでＴ相の残留電圧は正極性となる。第３遮断相となるＳ相は電圧の負極性で電流が遮断されるのでＳ相の残留電圧は負極性となる。

このように、遮断器１０の開極位相を制御して電流遮断することにより、任意に設定された第１遮断相における電流遮断させる電圧波高点の極性とから、他の２相を含む３相すべての残留電圧の極性が予測可能である。
なお、各３相全てについて、その遮断位相を電圧波高点に設定する位相制御を行うようにすれば、制御は複雑になるが、より精度の高い残留電圧極性の推定が可能になる。

残留電圧極性推定手段２５で推定された各相残留電圧極性に基づき閉極位相を制御する閉極位相制御部２６の動作は、実施の形態１の場合と全く同様であるので、説明は省略するが、実施の形態３においても、閉極動作に伴う過渡的な電圧、電流の発生を、確実に最小限に抑制することができる。

本発明に係る開閉装置の閉極位相制御装置は、進相性負荷を開閉する各種の開閉装置に広く適用でき、閉極動作に伴う過渡的な電圧、電流の発生を、確実に最小限に抑制することができる。

この発明における開閉装置の閉極位相制御装置の構成を示すブロック図である。 この発明における残留電圧極性推定手段２５の動作を説明するための図で、進相性負荷回路遮断時の各電圧、電流波形を示す。 この発明における閉極位相制御部２６の動作原理を説明するための図である。 この発明における閉極位相制御部２６の具体的な制御動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１Ｒ，１Ｓ，１Ｔ 進相性負荷、１０ 遮断器、
１３Ｒ，１３Ｓ，１３Ｔ 電圧計測部、１４Ｒ，１４Ｓ，１４Ｔ 電圧計測部、
１５Ｒ，１５Ｓ，１５Ｔ 電流計測部、２０ 位相制御開閉演算処理部、
２１ 基準位相検出部、２２ 負荷電圧検出部、２３ 電流検出部、
２４ 演算・動作制御部、２５ 残留電圧極性推定手段、２６ 閉極位相制御部。

Claims (4)

1. 電源側回路と進相性負荷回路との間に接続された三相開閉装置の閉極位相を制御する開閉装置の閉極位相制御装置において、
   上記電源側回路の各相電圧を計測し上記各相電圧の電圧零点の周期を検出する電源側電圧計測部、上記三相開閉装置の開極動作開始後開極動作完了までの回路情報計測値から上記進相性負荷回路の各相残留電圧の極性を推定し保持する残留電圧極性推定手段、および上記三相開閉装置の閉極指令に基づき動作し、上記電圧零点の内その電圧極性が、当該零点で上記保持した残留電圧の極性からその逆極性に反転する電圧零点で閉極されるよう上記各相の閉極位相を制御する閉極位相制御部を備えたことを特徴とする開閉装置の閉極位相制御装置。
2. 上記残留電圧極性推定手段は、上記進相性負荷回路の各相電圧を計測する負荷側電圧計測部を備え、上記三相開閉装置が開極指令を受けた後、上記各相負荷側電圧計測値の時間微分値が所定値以下となった時点における当該各相負荷側電圧計測値の電圧極性を上記各相残留電圧極性として推定することを特徴とする請求項１記載の開閉装置の閉極位相制御装置。
3. 上記残留電圧極性推定手段は、上記三相開閉装置に流れる各相電流を計測する電流計測部を備え、上記三相開閉装置が開極指令を受けた後、上記各相電流計測値が所定値以下となった時点における上記各相電源側電圧計測値の電圧極性を上記各相残留電圧極性として推定することを特徴とする請求項１記載の開閉装置の閉極位相制御装置。
4. 上記残留電圧極性推定手段は、上記三相開閉装置が開極指令を受けたとき、上記電源側電圧計測値の正極性または負極性の波高点で電流遮断するよう、上記各相の開極位相を制御する開極位相制御部を備え、上記電流遮断時点における上記各相電源側電圧計測値の電圧極性を上記各相残留電圧極性として推定することを特徴とする請求項１記載の開閉装置の閉極位相制御装置。
   

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