JP4619220B2 - 電力供給システム - Google Patents

Description

この発明は電力供給システムに関する。詳しくは自家発電設備からの電力と商用電力源からの電力を使用して稼働される大規模工場において、その電源電圧の変動を厳しく管理されて運用される重要負荷と、それ以外の一般負荷との双方の負荷を有する場合、雷発生時のような異常事態のときでも重要負荷を駆動する側からの自家発電設備による電力を一般負荷にも与えるようにすることで、一般負荷への影響を軽減できるようにしたものである。

半導体工場などは特別高圧需要家（大規模工場）の部類に属する。この半導体工場などでは瞬低電圧対策や雷などによる送電停止などによる対策として、工場敷地内に自家発電設備を備えている。

この自家発電設備は、通常ガスタービン（ＧＴ）や蒸気タービン（ＳＴ）などの分散型電源が使用されるもので、自家発電設備は同一工場内でも特に電圧変動を厳しく管理する必要のある負荷（重要負荷）を駆動するために設けられている。
例えばクリーンルーム内には各種の半導体製造装置が設置されている。露光装置、描画装置、エッチング装置、イオン注入装置などである。このような半導体製造装置は工場内では重要負荷として位置づけられており、工場内のクーラー設備などの一般負荷と区別して取り扱われている。

そしてこのような重要負荷に対しては、送電系統（商用電力源）の切り替えや雷によるサージ電圧の発生などによる外的要因によってその駆動電圧が瞬時でも低電圧とならないように自家発電設備から電力を常時供給するように構成されている。一般負荷についてもこの自家発電設備からの電力の一部が供給されるが、その不足分の電力については電力会社からの商用電力で賄うようにしている。そして、この自家発電設備からの送電系（構内送電系）と、電力会社からの送電系（商用送電系）とは連系されており、その間には高速遮断器が配置され、電力会社からの送電系による影響があるときは、この高速遮断器を動作させて、商用送電系と構内送電系を分断し、重要負荷への影響を回避できるようにしている。

なお、分散型電源と商用電力源を利用した電力供給システムとしては特許文献１〜特許文献６などが知られている。特許文献１は、負荷系統の消費電力が分散型電源からの電力供給を上回らないようにした技術が開示されている。特許文献２は自家負荷への電力供給を中断することなく分散型電源より連続して電力の供給を行うべく、蓄電装置を備えた技術に関する。

特許文献３には、負荷側に大電流事故が起きたときに事故電力のゼロ点を待たずに高速で遮断する高速限流遮断器が開示されている。特許文献４には、電力配電系統に多数連系された分散型電源の異常検出を容易に行える分散型電源システムが開示されている。つまりこの特許文献４は異常検出のための監視システムである。特許文献５は、分散型電源において、系統が遮断されたとき、あらゆる負荷条件に対して単独運転状態であることを素早く、しかも確実に検出するための技術が開示されている。また、特許文献６には、自家発電設備の有効利用に関する技術が開示されている。したがって特許文献６は低コストの電力供給技術である。

特開２００４−２６６９６２号公報 特開２００２−３４７６２５号公報 特開２００３−１３２７６８号公報 特開平１１−８９０９３号公報 特開２００１−２６８８０２号公報 特開２００４−３２９８３号公報

ところで、このような受電系統を考えた場合、雷などが発生しそのサージ電圧による影響が懸念されたり、送電系統が瞬時停電したりしたときは、高速遮断器を作動させて、２つの送電系つまり商用送電系と構内送電系とを連系する連系母線を切り離して重要負荷への影響（電圧変動）を回避している。

連系母線が高速遮断器によって送電系統から切り離されても、重要負荷には自家発電設備（コージェネレータ）から今まで通りの電力が供給されるので、電圧変動を回避でき、正常な運転を継続することができる。これによって確実に重要負荷に対する保護を図れる。

しかし、その反面連系母線からの電路が切断されることに伴い、一般負荷への電力供給が不十分か、完全にゼロとなり、一般負荷を正常に稼働させることができなくなってしまう。このような場合でもでき得る限り、一般負荷への影響を回避できるように制御することが望ましい。

そこで、この発明はこのような従来の課題を解決したものであって、特に連系母線からの電路が切断されたようなときでも一般負荷を稼働できる電力を供給できるようにした電力供給システムを提案するものである。

上述の課題を解決するため、請求項１に記載したこの発明に係る電力供給システムでは、商用電力源からの送電系と、構内に設けられた送電系とを連結する連系母線と、この連系母線に接続された第１の遮断器と、この第１の遮断器よりも商用送電系側の構内母線に接続された一般負荷と、上記第１の遮断器よりも構内送電系側の上記連系母線に接続された上記一般負荷よりも電圧管理の厳しい重要負荷と、上記構内に設けられた自家発電設備と、予備電源用の自家発電設備と、上記一般負荷と上記予備電源用の自家発電設備との間に設けられ、上記予備電源の電力を上記一般負荷に供給する給電路と、上記給電路に接続され、動作感度が遅くなるように調整された第２の遮断器とからなり、上記第１の遮断器の動作時は、上記予備電源からの電力が上記給電路および上記第２の遮断器を経由して上記一般負荷に供給されることを特徴とする。

この発明では、商用送電系と構内送電系とを連系する連系母線が設けられる。連系母線には高速に遮断できる遮断器が連結されている。この遮断器よりも商用送電系側に一般負荷が接続され、この遮断器よりも構内送電系側の連系母線に重要負荷が接続される。

重要負荷は、一般負荷よりもその電源電圧の管理が厳しい負荷を指す。大規模工場が半導体工場であるときは、半導体接続装置などが重要負荷となり、それ以外の構内設備であるクーラー設備などは一般負荷に分類される。

重要負荷は分散型電源を利用した自家発電設備からの電力によって賄われる。またこの電力の一部が一般負荷にも連系母線を介して供給される。重要負荷は安定した稼働を実現するためバンク構成となされ、複数のバンクによって重要負荷が成り立っている。

バンクのそれぞれに自家発電設備が備えられる。自家発電設備はガスタービンや蒸気タービンなどが使用される。バンクのうち最も軽い負荷を稼働させるための自家発電設備に、予備電源が設けられる。予備電源は、他の自家発電設備を点検するときに発電される他、雷が発生してそのサージ電圧による影響が予測されるような場合にも、雷が到来する前の段階から、雷の到来を予測して発電を開始する。この発明では、この予備電源からの電力を一般負荷にも供給するための給電路が設けられる。

仮に雷が発生して遮断器の動作によって連系母線が切断され、自家発電設備からの電力が重要負荷のみに供給されるようになった場合、商用送電系からの一般負荷への電力供給が遮断される。

しかしその場合でも、給電路が設けられているため、この給電路を介して予備電源からの電力が一般負荷に供給されるため、充分とは言えないまでも一般負荷をこの予備電源からの電力によってその一部を賄うことができる。場合によってはその全部の電力をこの予備電源からの電力によって賄うことができる。したがって雷などが発生し、商用送電系からの電力供給が途絶した場合でも一般負荷への影響を軽減できる。

予備電源は自家発電設備の点検時に使用する予備電源を流用するので、発電設備の共用化を達成できる。

この発明は、構内送電系からの電力で重要負荷を駆動し、その一部の電力と商用送電系からの電力で一般負荷を駆動する構成となされているとき、商用送電系からの電力供給が途絶した場合でも、一般負荷を駆動できるようにしたものである。

これによれば、このように商用送電系からの電力供給が途絶した場合、重要負荷への影響を確実に回避すると共に、一般負荷に対してもその影響を軽減することができる特徴を有する。

緊急時におけるこのような一般負荷への電力供給は予備電源を利用して行われるが、この予備電源は自家発電設備の点検時に使用する予備電源を流用することで、設備の共用化を達成できる特徴を有する。

続いて、この発明に係る電力供給システムの好ましい実施例を図面を参照して詳細に説明する。

この実施例は、上述したように自家発電設備を備えた半導体工場などのような特別高圧需要家を対象とする。この特別高圧需要家はあくまで例示列挙である。

自家発電設備としては、通常ガスタービン（ＧＴ）や蒸気タービン（ＳＴ）などの分散型電源が使用されるもので、重要負荷として位置づけられている半導体製造装置用として自家発電設備が使用される。ガスタービン、蒸気タービンとも同一規模のものを使用してもよければ、そうでなくてもよい。例えば重要負荷の規模によって相違するが、ガスタービンの発電量が例えば７０００ｋＷ／１台であるとき、蒸気タービンの発電量として、例えば４０００ｋＷ／１台のように、異なる発電規模のものを使用することができる。

重要負荷は、電力供給の信頼性を確保するために複数のバンクによって構成され、それぞれのバンクごとに自家発電設備が装備されている。

そのため、例えばこのような工場での電力供給システム（構内配電システム）１０は、図１に示すように構成される場合が多い。この実施例は重要負荷が自家発電設備で発電された電力によって賄い、その一部の電力が一般負荷に回される。一般負荷はこの自家発電設備で発電された電力の一部と、その不足分が商用電力源からの電力によって賄われる。そのため、当該工場には電力会社からの電力（商用送電系からの電力）と、自家発電設備による電力（構内送電系からの電力）を連系するため連系母線が設けられている。

重要負荷側から説明する。図１の例は重要負荷をＡ〜Ｃの３バンク構成とした場合であって、そのうちＢバンクのみその重要負荷１４Ｂの規模がＡバンクおよびＣバンクにおける重要負荷１４Ａ、１４Ｃよりも小さい場合を示す。

そのため、ＡバンクおよびＣバンク用としてこの例では３機の自家発電設備（分散型電源）１２Ａ、１２Ｃが設けられている。図ではそのうちの２機がガスタービン（ＧＴ）を用いた発電機であり、残り１機が蒸気タービン（ＳＴ）を用いた発電機である。これに対してＢバンクの重要負荷に関する自家発電設備１２Ｂは、ガスタービンによる発電機１機のみでその電力が賄われている。各ガスタービンのボイラＢからの廃熱はそれぞれ蒸気タービンの熱源および工場用の蒸気として再利用されている。

自家発電設備１２Ａは、これに連結された連系母線１７ＡによってＡバンクに接続される。同様に、自家発電設備１２Ｃは、これに連結された連系母線１７ＣによってＣバンクに接続される。そして残りの自家発電設備１２Ｂは連系母線１７Ｂを介してＢバンクに接続される。

自家発電設備１２Ａと１２Ｃはそれぞれ構内母線１６によって相互に連系され、その間にはこれら自家発電設備１２Ａ、１２Ｃの点検時に使用される一対の断路器１８Ａ、１８Ｃが配設される。一方の断路器１８ＡはＡバンク用であり、構内母線１６Ａに連結されている。他方の断路器１８ＣはＣバンク用であり、構内母線１６Ｃに連結されている。

また、一対の断路器１８Ａと１８Ｃとの間の構内母線１６Ｂが断路器１８Ｂを介して連系母線１７Ｂに連結されている。したがってこの断路器１８ＢはＢバンク用である。

この発明では、これらの構成に加えてさらに構内母線１６Ｂに予備電源４０、つまり予備電源用の自家発電設備４０が設置される。自家発電設備４０は、後述するように他の自家発電設備を点検するときに、点検中の自家発電設備の代用として使用される。そのため、定常時は停止している。

この点検作業は年１回程度の割合で１基ずつ自家発電設備を停止させて行われる。例えば、自家発電設備１２Ａの蒸気タービン発電機を点検するときには、この蒸気タービン発電機を停止させる代わりに、予備電源用の自家発電設備４０を運転状態とした上で、断路器１８Ａを手動若しくは自動で閉じる。そうすると、自家発電設備４０を含めてトータル３機でＡバンクに電力を供給することができる。点検が終了すれば、点検した蒸気タービン発電機を起動すると共に、断路器１８Ａを開状態に制御し、そして自家発電設備４０を停止する。

また、自家発電設備１２Ｂの点検時は、自家発電設備１２Ｂを停止する代わりに予備電源用の自家発電設備４０を運転すると共に、断路器１８Ｂを閉じることで、自家発電設備１２Ｂの代わりに自家発電設備４０からＢバンクに電力を供給できる。点検が終了すると、断路器１８Ｂは開状態に制御される。

断路器１８Ｃについても同様であって、自家発電設備１２Ｃを構成する発電機１基を点検するとき、予備電源用の自家発電設備４０を起動し、断路器１８Ｃを閉じれば、自家発電設備４０を加えた電力でＡバンクに必要な電力を供給できる。点検が終了すると、断路器１８Ｃは開状態に制御される。

予備電源用の自家発電設備４０として、この例ではＡバンクあるいはＣバンクに設けられたガスタービンと同じ規模のガスタービンが使用されている場合を示す。したがってそのボイラＢの廃熱は他の蒸気タービンの熱源などとして利用されることになる。

この発明では、さらにこの構内母線１６Ｂと構内低圧母線（後述する）２８との間に給電路４２が設けられる。給電路４２には遮断器４４が付設されている。

続いて、商用送電系について説明する。送電線２０の受電端には電力需給用計器用変成器（ＶＣＴ）２２を介して構内高圧母線（例えば１１０ｋＶ）２４に接続され、この構内母線２４はさらに並列運転される複数の構内変圧器（１号変圧器〜ｎ号変圧器）２６を介して構内低圧母線（例えば６６００Ｖ）２８に接続されている。

構内低圧母線２８には複数の一般負荷３０が接続されると共に、変圧器２６と２６との間を連結する構内低圧母線２８には母線連系用の遮断器（ＣＢ）３２が設けられ、必要なときには電路を切断できるように構成されている。一般負荷は上述したように雷などが発生したような場合でもその影響が少ない工場内設備機器を指す。

上述した構内母線１６に連系された連系母線１７Ａ〜１７Ｃであって、自家発電設備１２Ａ〜１２Ｃからの送電個所には電力量計（ＷＨ）３６が接続されると共に、高速遮断器３４（３４Ａ〜３４Ｃ）を介して構内低圧母線２８に連結される。自家発電設備１２Ａ〜１２Ｃからの電力はＡバンク〜Ｃバンクに供給される電力の余剰分が構内低圧母線２８を経てそれぞれの一般負荷３０に供給されるようになされている。したがって一般負荷３０は自家発電設備１２Ａ〜１２Ｃからの電力では不足する電力分を電力会社から賄うようにしている。

高速遮断器３４としては何れも真空遮断器（ＶＣＢ）などが使用され、系統電圧が下がったことを検知してから、例えば１８．６msec以内に連系母線１７Ａ〜１７Ｃが開放されるように、高速遮断器３４の動作タイミングが設定され、商用送電系から重要負荷が瞬時に切り離されるように動作する。

この発明では、さらに点検用として使用される予備電源設備（自家発電設備）４０が設けられ、この自家発電設備４０がＢバンク用の構内母線１６Ｂに接続されると共に、この構内母線１６Ｂと構内低圧母線２８との間に給電線４２が連結される。この給電線４２には過電流によって予備電源用の自家発電設備４０が損傷しない限度まで、その動作感度が遅くなるように調整された遮断器４４が接続されている。

この発明ではこの予備電源用自家発電設備４０が、雷発生時における一般負荷３０用の予備電源としても使用される。雷接近検知システム（図示はしない）により、雷が規定距離例えば２００ｋｍ以内まで接近した場合に、事前稼働を始めるように自家発電設備４０の起動タイミングが設定され、この事前稼働によって上述した給電線４２を介して一般負荷３０に所定の稼働電力が供給される。構内低圧母線２８に接続された複数の遮断器３２は何れも高速遮断器３４よりはその動作感度が低くなるように設定されているので、この予備電源用の自家発電設備４０からの電力供給によって、一般負荷３０の運転停止を防止できる。またこの電力供給によって雷が発生しても一般負荷３０側の電圧ショックが緩和される。

このようにこの発明では自家発電設備１２Ａ〜１２Ｃの点検用として使用される予備電源用自家発電設備４０を、雷発生時における一般負荷３０に対する予備電源として使用するようにしたものである。

上述した実施例では、Ｂバンクの規模を他のバンクより小さい場合を説明したが、同一規模であっても構わないし、バンクの規模が全て異なる場合でもこの発明を適用できる。自家発電設備として使用される発電機の種別や設置台数などは実施例に限られない。

例えば、上述したガスタービン発電機や蒸気タービン発電機の他に、ガスエンジン発電機、ディーゼルエンジン発電機などが考えられ、また発電機に代えて燃料電池や蓄電池などの電力を自家発電として用いることもできる。

この発明は、商用送電系と構内送電系とを連系して運転する特別高圧需要家である大規模工場の受電系統に適用できる。

この発明に係る電力供給システムの一例を示す受電系統図である。

符号の説明

１０・・・電力供給システム
１２Ａ〜１２Ｃ・・・自家発電設備
１６，１６Ａ・・・構内母線
１７Ａ〜１７Ｃ・・・連系母線
２４・・・構内高圧母線
２６・・・受電用変圧器
２８・・・構内低圧母線
３４・・・高速遮断器
３２・・・母線連系用遮断器
４２・・・給電線
４０・・・予備電源用自家発電設備
１８Ａ〜１８Ｃ・・・断路器

Claims (3)

1. 商用電力源からの送電系と、構内に設けられた送電系とを連結する連系母線と、
   この連系母線に接続された第１の遮断器と、
   この第１の遮断器よりも商用送電系側の構内母線に接続された一般負荷と、
   上記第１の遮断器よりも構内送電系側の上記連系母線に接続された上記一般負荷よりも電圧管理の厳しい重要負荷と、
   上記構内に設けられた自家発電設備と、
   予備電源用の自家発電設備と、
   上記一般負荷と上記予備電源用の自家発電設備との間に設けられ、上記予備電源の電力を上記一般負荷に供給する給電路と、
   上記給電路に接続され、動作感度が遅くなるように調整された第２の遮断器とからなり、
   上記第１の遮断器の動作時は、上記予備電源からの電力が上記給電路および上記第２の遮断器を経由して上記一般負荷に供給される
   ことを特徴とする電力供給システム。
2. 上記重要負荷は複数のバンクに分散されると共に、
   上記バンクに対して上記自家発電設備が設けられ、
   最も軽負荷用の自家発電設備に上記予備電源用の自家発電設備が接続された
   ことを特徴とする請求項１記載の電力供給システム。
3. 上記予備電源は、上記構内に設けられた自家発電設備の点検時および雷発生時に使用される
   ことを特徴とする請求項１記載の電力供給システム。

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