JP3643245B2

JP3643245B2 - 変圧器

Info

Publication number: JP3643245B2
Application number: JP26491598A
Authority: JP
Inventors: 拡新海
Original assignee: ティーエム・ティーアンドディー株式会社
Priority date: 1998-09-18
Filing date: 1998-09-18
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2018-09-18
Also published as: JP2000100635A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、変圧器が電力系統から切り離されたときの変圧器の鉄心の残留磁束をほとんど零にする変圧器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の変圧器の例えば、高圧側と中圧側の巻線が直列に接続されて星形結線され、低圧側が三角結線の三相の変圧器が電力系統に接続されている変圧器の接続回路を図４に示す。図において、１ａ、１ｂ、１ｃは高圧側直列巻線、２ａ、２ｂ、２ｃは中圧側分路巻線であり、高圧側直列巻線１ａ、１ｂ、１ｃと中圧側分路巻線２ａ、２ｂ、２ｃは各相毎に直列に接続されている。３ａ、３ｂ、３ｃは低圧側巻線であり、三角接続されている。１１ａ、１１ｂ、１１ｃは高圧側ブッシング、１２ａ、１２ｂ、１２ｃは中圧側ブッシング、１３ａ、１３ｂ、１３ｃは低圧側ブッシング、１５は高圧側および中圧側巻線の中性点ブッシング、２１ａ、２１ｂ、２１ｃは高圧側遮断器（三相一括の説明では２１と呼称する）、２２ａ、２２ｂ、２２ｃは中圧側遮断器（三相一括の説明では２２と呼称する）、２３ａ、２３ｂ、２３ｃは低圧側遮断器（三相一括の説明では２３と呼称する）である。３１ａ、３１ｂ、３１ｃは、各相の高圧側遮断器２１ａ、２１ｂ、２１ｃから変圧器までの間の接続ケーブル、ブッシング、接続導体の各部分の対地キャパシタンスと三相の変圧器の各巻線の高圧側に換算した対地キャパシタンスの和である。
【０００３】
図５（ａ）は図４の変圧器のａ相の一相分の対地キャパシタンス３１ａと励磁インダクタンス３２ａで表した等価回路である。図５（ｂ）は変圧器鉄心のヒステリシス特性曲線である。図４、図５では変圧器の巻線、ケーブル、接続導体に存在する抵抗は省略している。
【０００４】
つぎに図４の従来の変圧器が電力系統から切り離された場合の現象について、図４および一相分で表示した図５によって説明する。変圧器を電力系統から切り離す場合、まず、低圧側遮断器２３を開放し、続いて中圧側遮断器２２を開放し、最後に高圧側遮断器２１を開放する。変圧器の高圧側がケーブルで接続され、遮断器までの距離が長く、大きな対地キャパシタンスを持つ構成で、高圧側遮断器２１を開放して電力系統から切り離した場合、対地キャパシタンス３１ａ、３１ｂ、３１ｃに蓄えられた電荷が変圧器の各相の巻線を通って放電する。
【０００５】
図５の高圧側遮断器２１ａの開放前の変圧器の鉄心の磁束をφ₀、電源周波数をｆ₀、変圧器の固有周波数をｆ_s、変圧器の巻数をＮ、相電圧をＥ₀とすると、遮断器開放前の相電圧Ｅ₀と磁束φ₀との関係は（式１）で表される。
【０００６】
【数１】

【０００７】
また、変圧器が電力系統から切り離されるときの電圧が最も高くなるときの切り離し直後の変圧器相電圧Ｅ_sは電力系統の相電圧Ｅ₀と同じであり、変圧器相電圧Ｅ_sと磁束φ_sとの関係は（式２）で表される。
【０００８】
【数２】

【０００９】
最も条件が過酷となるのは、Ｅ₀＝Ｅ_sであり、（式１）、（式２）より、（式３）の関係が得られる。
【００１０】
【数３】

【００１１】
（式３）より対地キャパシタンス３１ａの電荷が放電される場合の磁束φ_sは、（式４）の関係となる。
【００１２】
【数４】

【００１３】
また、変圧器の固有周波数ｆ_sは、高圧側遮断器２１と変圧器の高圧側巻線１ａの接続導体および変圧器巻線の対地キャパシタンス３１ａの靜電容量と変圧器の励磁インダクタンス３２ａとの直列回路の共振周波数であり、（式５）により求めることができる。
【００１４】
【数５】

【００１５】
（式４）から、変圧器の電力系統からの切り離し後の鉄心の磁束の飽和が生じない条件は、変圧器の固有周波数ｆ_sを電源周波数ｆ₀以上にすることが条件となる。しかし、実際の変圧器で、遮断器と変圧器の間が長いケーブルで接続されている場合には変圧器の固有周波数が電源周波数よりも低くなるものも多くある。
【００１６】
図４のように接続された対地キャパシタンスが大きい場合の従来の変圧器においては、電力系統から切り離されたときに、鉄心は磁束の飽和と磁束の飽和からの開放を繰り返し、回路の損失により変圧器の端子電圧が減衰し、減衰の過程では鉄心の磁束が、図５（ｂ）に示す鉄心のヒステリシス特性曲線をたどり、最終的に電圧が喪失する。図４のように接続された５２５ｋＶ三相変圧器で図５に示す一相を等価回路で表した回路の対地キャパシタンス３１ａの靜電容量Ｃが１５０００×１０^-12（Ｆ）、励磁インダクタンスＬ₀が１６００（Ｈ）の場合の固有周波数ｆ_sは（式５）より、３２．５（Ｈｚ）となり、この場合の変圧器の鉄心の磁束の変化の状態を解析した結果を図６に示す。図６（ａ）は変圧器の相電圧Ｅ_sの変化を示し、図６（ｂ）は磁束の変化を示し、変圧器が切り離されると磁束が定格磁束よりも多くなって飽和状態となり、磁束飽和になるとキャパシタンスに蓄えられた電荷は急激に放電し、極性が反転した電圧は、開放直後の電圧よりも低くなり、鉄心を励磁するエネルギーは小さくなっており開放直後の磁束よりも大幅に少なくなり、もはや反対方向に励磁する磁化力はなくなり、振動することなく電圧は喪失し、鉄心に残留磁束φ_rが残った状態で収束する結果となっている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の図４のような回路で遮断器と変圧器の間がケーブルなどの対地キャパシタンスが大きな状態で接続されている場合に、変圧器が電力系統から切り離されたときに鉄心に磁束が残った状態で収束する。鉄心に残留磁束がある状態で変圧器が電力系統に併入されたとき、残留磁束と投入位相により定格電流を越えるような大きな励磁突入電流が流れ、保護継電器の誤動作や系統電圧の低下等を引き起こす問題点があった。
【００１８】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたものであり、変圧器の接続回路が電力系統から切り離されたときに、変圧器鉄心の残留磁束をほとんど零にすることができる変圧器を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係る変圧器は、電力系統に接続された複数の巻線を備えた変圧器において、電力系統から切り離す遮断器から見た変圧器の固有周波数が電源周波数以上になるように複数の巻線のいずれかの巻線にリアクトルを並列接続したものである。
【００２０】
この発明の請求項２に係る変圧器は、請求項１の変圧器の低圧側巻線にリアクトルを並列接続したものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は実施の形態１の変圧器の接続回路である。図において、高圧側直列巻線１ａ、１ｂ、１ｃ、中圧側分路巻線２ａ、２ｂ、２ｃ、低圧側巻線３ａ、３ｂ、３ｃ、高圧側ブッシング１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、中圧側ブッシング１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、低圧側ブッシング１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、中性点ブッシング１５、高圧側遮断器２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、中圧側遮断器２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、低圧側遮断器２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、対地キャパシタンス３１ａ、３１ｂ、３１ｃは従来の変圧器の接続回路の図４の各部分と同一である。２５ａ、２５ｂ、２５ｃは変圧器の固有周波数ｆ_sを高くするためのリアクトルであり、リアクトル遮断器３５ａ、３５ｂ、３５ｃを介して低圧側ブッシング１３ａ、１３ｂ、１３ｃの部分に接続され、低圧側巻線３ａ、３ｂ、３ｃに並列接続されている。
【００２２】
図２は図１のａ相一相分を等価回路で示した動作説明図である。３２ａはａ相の励磁インダクタンスであり、Ｌ_oは励磁インダクタンスのインダクタンス値であり、２５ａは接続するリアクトルであり、Ｌ_rはインダクタンス値である。
【００２３】
つぎに動作について、図１および１相分を等価回路で示した図２を用いて説明する。図１の接続回路においても図４の場合と同様に、変圧器の高圧側遮断器２１の開放前の鉄心の磁束をφ₀、電源周波数をｆ₀、変圧器の固有周波数をｆ_s0、変圧器巻線の巻数をＮ、電力系統の相電圧をＥ₀、変圧器が電力系統から切り離された直後の変圧器の相電圧をＥ_sとした場合に、従来の技術欄で説明したように、変圧器鉄心の磁束φ_sは、つぎの（式４）の関係にある。
【００２４】
【数６】

【００２５】
磁束の飽和が発生しない条件としては、φ₀≧φ_sの関係を満足させることであり、選択する変圧器の固有周波数ｆ_s0は（式６）の条件、すなわち電源周波数ｆ₀より高くすることである。
【００２６】
【数７】

【００２７】
選択する変圧器の固有周波数ｆ_s0は、対地キャパシタンスとリアクトルの直列回路の共振周波数を求める式の（式７）の関係にある。
【００２８】
【数８】

【００２９】
（式７）のＬは変圧器の励磁インダクタンスＬ₀と並列に付加するリアクトル２５ａ、２５ｂ、２５ｃのインダクタンスＬ_rの合成インダクタンスであり、付加するリアクトルのインダクタンスＬ_rは（式８）により求めることができる。
【００３０】
【数９】

【００３１】
図１の変圧器の接続回路は、以上の検討結果より変圧器の低圧側に、リアクトル２５ａ、２５ｂ、２５ｃを並列接続した回路であり、高圧側遮断器２１が開放される時点で必ず接続状態にあるように低圧側遮断器２３ａ、２３ｂ、２３ｃに並列にリアクトル遮断器３５ａ、３５ｂ、３５ｃを設けた構成としている。付加するリアクトルは変圧器の高圧側、中圧側、低圧側のいずれの部分であってもよいが、付加するリアクトルを低圧側に接続する場合は（式８）で求めたＬ_rを高圧側と低圧側との巻数比の２乗で除したインダクタンス値のリアクトルを並列接続することで電力系統から切り離された変圧器の残留磁束が残ることなく停止できる変圧器が構成できる。
【００３２】
図１の変圧器の接続回路のリアクトル２５ａ、２５ｂ、２５ｃを付加した状態の一相のインダクタンスＬを２５０（Ｈ）、対地キャパシタンス３１ａの靜電容量Ｃを１５０００×１０^-12（Ｆ）の場合の変圧器の固有周波数ｆ_s0は（式７）により求めると８２．２（Ｈｚ）であり、この場合の変圧器の鉄心の磁束の変化の状態を解析した結果を図３に示す。図３（ａ）は変圧器の相電圧Ｅ_sの変化を示し、図３（ｂ）は磁束の変化を示し、変圧器が切り離されると相電圧Ｅ_sは振動しながら減衰し、磁束は電圧の変化に対応して振動しながら減衰し最終的に残留磁束が殆どなくなった状態で収束する結果となっている。
【００３３】
以上のように、電力系統に繋がれた変圧器が高圧側遮断器から変圧器までの間の接続導体がケーブルのような対地キャパシタンスの靜電容量が大きく、変圧器の固有周波数が電源周波数よりも低くなる場合には、変圧器に並列にリアクトルを付加して固有周波数を電源周波数以上にすることにより、変圧器が電力系統から切り離されたときに変圧器の鉄心に残留磁束がほとんど残ることなく停止させることができる。残留磁束がない状態で停止すれば、つぎに変圧器が併入されたときに、励磁突入電流は小さくなり、保護継電器の誤動作や系統電圧が低下する問題もなくなる。
【００３４】
図１の構成では低圧側巻線にリアクトルを付加した構成としたが、リアクトルを付加する位置は、高圧側、中圧側のいずれであってもよい。低圧側に設置する場合は電圧が低くなるので、寸法の小さなリアクトルが使用でき、コンパクトに構成できる。
【００３５】
【発明の効果】
この発明の請求項１に係る変圧器は、電力系統に接続された複数の巻線を備えた変圧器において、電力系統から切り離す遮断器から見た変圧器の固有周波数が電源周波数以上になるように複数の巻線のいずれかの巻線にリアクトルを並列接続したことにより、変圧器が電力系統から切り離されたときに変圧器の鉄心の磁束が飽和に至ることなく振動しながら減少し、残留磁束が殆どない状態で停止し、つぎに電力系統に併入されたときに励磁突入電流が小さくなり、保護継電器の誤動作や電力系統の電圧降下等を引き起こすことがない変圧器となる。
【００３６】
この発明の請求項２に係る変圧器の接続回路は、請求項１の変圧器の接続回路の低圧側巻線にリアクトルを並列接続したことにより、運転電圧の低く寸法の小さなリアクトルが使用でき、変圧器がコンパクトに構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による変圧器が接続された回路図である。
【図２】図１の回路図の一相分の等価回路図である。
【図３】図１の回路図の変圧器の切り離し直後の磁束の変化の解析結果を示す図である。
【図４】従来の変圧器が接続されたの回路図である。
【図５】図４の回路図の一相分の等価回路図である。
【図６】図４の従来の変圧器の切り離し直後の磁束の変化の解析結果を示す図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ高圧側直列巻線、２ａ，２ｂ，２ｃ中圧側分路巻線、
３ａ，３ｂ，３ｃ低圧側巻線、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ高圧側ブッシング、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ中圧側ブッシング、
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ低圧側ブッシング、１５中性点ブッシング、
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ高圧側遮断器、
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ中圧側遮断器、
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ低圧側遮断器、
２５ａ，２５ｂ，２５ｃリアクトル、３２ａ励磁インダクタンス、
３５ａ，３５ｂ，３５ｃリアクトル遮断器。

Claims

電力系統に接続された複数の巻線で構成された変圧器において、電力系統から切り離す遮断器から見た変圧器の固有周波数が電源周波数以上になるように複数の巻線のいずれかの巻線にリアクトルを並列接続したことを特徴とする変圧器。
リアクトルは低圧側巻線に並列接続したことを特徴とする請求項１記載の変圧器。