JP5060244B2

JP5060244B2 - リアクトル

Info

Publication number: JP5060244B2
Application number: JP2007279370A
Authority: JP
Inventors: 捷敏山本; 浩二鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2027-10-26
Also published as: JP2009111028A

Description

本発明は、電力ケーブルなどの送電線路の充電電流を補償するリアクトルに係り、特に正相回路に必要な正相補償容量と、零相回路に必要な零相補償容量とを同時に設定可能なリアクトルに関するものである。

一般に、送電線路が電力ケーブルの場合、あるいは送電線路が架空系でも長距離になった場合には、送電線路の持つ対地静電容量は非常に大きくなる。このため、充電電流が大きくなって、電圧変動や地絡時の事故電流が増大する。その結果、次のような問題が生じている。すなわち、電圧変動や事故電流が増大した場合、通信線への電磁誘導障害の原因となった。また、事故電流力率が悪くなるので、事故検出精度が低下するといいった不具合も起きた。

そこで、このような問題を解消するために、送電線路と電気的に並列にリアクトルを接続して、充電電流を補償することが行われている。送電系統の信頼性を確保する観点からもリアクトルは極めて重要な装置であり、多様な技術が提案されている。例えば、特許文献１に記載の技術では、鉄心の断面積とギャップ長と巻回数に特定の関係を導入することにより、過電圧でも鉄心飽和することを抑制可能な分路リアクトルを実現している。

また、特許文献２に記載の中性点接地装置は、主脚と零相分磁束の帰路脚にギャップを形成するといった構成により、中性点リアクトルのコンパクト化に寄与したものである。なお、リアクトルは、分路リアクトルまたは補償リアクトルとも呼ばれるが、ここでは単にリアクトルと呼ぶこととする。

ところで、公称電圧３〜１５４ｋＶの非有効接地系統では、正相回路を補償するための正相補償用リアクトルと、零相回路を補償するための零相補償用リアクトルとを、別々に配置するのが一般的である。この点に関して、図１２、図１３を用いて、順を追って説明する。図１２は従来の変電所のケーブル送電線回路を含む３線結線図である。図１２においては、ａ相、ｂ相、ｃ相からなるケーブル送電線は２回線のみを示している。図１３は、図１２に示したａ相に１線地絡事故１があった場合の対称座標法による等価回路を示している。

図１２に示すように、各ケーブル送電線は、大きなケーブル対地静電容量２ａ、２ｂを有しており、送電線遮断器９ａ、９ｂを介して各相の母線３に接続している。また、各ケーブル送電線には開閉器８ａ、８ｂを介して接地変圧器６ａ、６ｂを設けている。これら接地変圧器６ａ、６ｂは中性点を作るためのものであって、中性点に、零相回路を補償するための中性点リアクトル５ａ、５ｂを接続している。

各相の母線３には、電源１３を接続すると共に、開閉器７を介して正相回路を補償するためのリアクトル４を接続している。さらに、各相の母線３には遮断器１０を介して接地変圧器１１を設け、その中性点に中性点接地抵抗器１２を接続している。なお、図１２では、図１２の上側のケーブル送電線のａ相に１線地絡事故１があった場合を示している。

図１３において、Ｖａは正相電圧、Ｒｎは零相回路に含まれる中性点接地抵抗器１２の抵抗値である。また、符号Ｚはインピーダンスを示しており、Ｚ_１、Ｚ_２、Ｚ_０は、それぞれ正相回路、逆相回路、零相回路の電源側インピーダンスであり、Ｚ_Ｆ１は正相回路の負荷インピーダンス、Ｚ_Ｆ２は逆相回路の負荷インピーダンスである。さらに、Ｘ_Ｌはリアクトル４、中性点リアクトル５ａ、５ｂのリアクタンス、Ｘ_ｃはケーブル対地静電容量２ａ、２ｂのリアクタンスである。なお、零相回路には負荷は接続されない。

図１２に示したケーブル対地静電容量２ａ、２ｂは、図１３に示したように零相回路と正相回路および逆相回路に同じ値で入る。これにより、地絡時の進み力率の事故電流が大きくなる。その結果、前述したように、通信線への電磁誘導障害や、事故検出精度の低下といった問題が生ずることになる。したがって、遅れ力率の電流を供給するリアクトルによって、充電電流の補償が実施されている。

零相回路の_ＣＩ_０の補償用として各ケーブル回線に設けた中性点リアクトル５ａ、５ｂでは、_ＬＩ_０を流すようになっている。零相補償用である中性点リアクトル５ａ、５ｂは、地絡時のケーブル充電電流を補償するのが目的であり、負荷の影響を受けることはない。零相回路において_ＣＩ_０を完全に補償した場合には、_ＲＩ_０と_ＳＩ_０で構成されるＩ_０から_ＲＩ_０はなくなり、その分だけＩ_０は小さくなる。

すなわち、中性点リアクトル５ａ、５ｂによって、図１３における零相回路の電流をできるだけ小さくすることが意図されている。これは、前記のように、通信線などへの電磁誘導障害を及ぼす原因は零相電流であって、正相・逆相電流は無関係だからである。なお、地絡事故を検出するための保護継電器も零相電流を用いているが、これも、その力率が悪いと方向判定を誤るという特性を持っているためである。

ところで、系統の常時運転においては、負荷が変化する。一般に重負荷では遅れ力率となり、電圧降下が大きくなる。この状態では遅れ力率のリアクトルを回路に投入することはない。一方、軽負荷ではケーブル系統や長距離送電線では進み力率になることが多い。そのため、遅れ力率のリアクトル４を投入するようになっている。すなわち、正相補償容量に関しては負荷に応じて必要な補償容量が決定される。

このような背景に基づいて、変電所母線３に正相補償用のリアクトル４を接続しており、その中性点は非接地としている。正相補償用であるリアクトル４の補償容量は、ケーブル回線数に応じて分割したり、ある程度合計した容量としたりと、さまざまである。このような用途を持つリアクトル４は、負荷によって必要となる補償容量は大きく左右されることになる。また、Ｚ_Ｆ１が遅れ力率負荷の場合には、遅れ力率であるリアクトル４は回路から切離す必要がある。

つまり、正相補償用のリアクトル４に要求される補償容量は、ケーブル充電容量だけでなく、負荷によっても大きく変化する。なお、正相および逆相回路に対しては、１つのリアクトルで同じ容量が補償されるので、以下は単に正相補償用のリアクトルとし、その容量を正相補償容量と呼称する。

以上説明したように、正相回路の必要な正相補償容量と、零相回路の必要な零相補償容量とでは通常、異なる。したがって、公称電圧３〜１５４ｋＶの非有効接地系統では、正相補償用のリアクトル４と、零相補償用の中性点リアクトル５ａ、５ｂが、独立して別々に用いられている。

さらには、従来のリアクトルでは、正相補償容量と零相補償容量の比を変更することができない。この点について、図１４〜図１７を参照して説明する。図１４は３ｋＶ〜１５４ｋＶ系統に使用されているリアクトルの３線結線図、図１５〜図１７は従来のリアクトルの構成を説明するための断面図である。リアクトルには、ギャップ付き鉄心形と、鉄心がなく巻線だけの空心形とがあり、図１５はギャップ付き鉄心形リアクトルの断面図、図１６は図１５に示した巻線の斜視図、図１７は空心形リアクトルの断面図を示している。

図１４に示すように、巻線１５ａ〜１５ｂを有するリアクトルでは、中性点が非接地となっている。これは、３ｋＶ〜１５４ｋＶ系統が非有効接地系統であり、系統の１線地絡時に地絡電流が大きくならないようにするためである。系統の１線地絡時には非有効接地系統では健全相は約√３倍の過電圧になるので、仮にリアクトルの中性点が接地されていると、電源とリアクトルの間に定格電流の√３倍の電流が流れてしまう。そこでリアクトルの中性点を非接地とすることで、電流の流れる回路を構成しないようにし、健全相に定格電流の√３倍の電流が流れることを回避している。この時のリアクトルの零相インピーダンスは無限大、すなわち、零相補償容量はゼロである。

続いて、図１５及び図１６を参照してギャップ付き鉄心形リアクトルの構成について具体的に説明する。３相分の巻線１５ａ〜１５ｃは図１６に示すような円筒形状であって、主脚ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃに巻かれている。主脚ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃは複数の主脚ギャップ１７とブロック鉄心１８が上下方向に積層されることにより構成されている。巻線１５ａ〜１５ｃの上下には磁気鋼板で構成された上部磁気シールド１９と下部磁気シールド２０とが設けられている。

巻線１５ａ〜１５ｃに３相交流電圧が印加されると磁束２１が発生し、破線と矢印で示したように磁気回路が構成される。このとき巻線１５ａ〜１５ｃが作る磁束２１は、大きさが同じで、１２０度ずつ位相がずれており、そのため上部磁気シールド１９及び下部磁気シールド２０で合成された磁束２１はゼロとなる。

つまり、磁束２１は、主脚ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃ、上部磁気シールド１９及び下部磁気シールド２０以外へは流出しない。磁束２１は、主脚ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃから上部磁気シールド１９を通り、再び主脚ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃ、下部磁気シールド２０という磁気回路を循環している。この構造を取るリアクトルの補償容量Ｐ１は、次の（１）式の通りである。

また、インダクタンスＬ１は、下記の（２）式で表わされる。

さらに、１相中の複数の主脚ギャップ１７の個々のギャップ長をδｉとすると、１相の主脚ギャップ長の合計値Ｄａは次の（３）式で表わされる。

上記の（１）式、（２）式及び（３）式から、リアクトルの正相補償容量Ｐ１はインダクタンスＬ１に反比例し、主脚ギャップ１７のギャップ長合計値Ｄａに比例することが分かる。すなわち、リアクトルの補償容量Ｐ１と主脚ギャップ１７のギャップ長合計値Ｄａの関係は、以下の（４）式の通り、比例関係となる。

以上説明したように、非有効接地系統のリアクトルでは、中性点が非接地のため零相補償容量はゼロであり、（１）式で与えられる補償容量のみを、正相補償容量として持つ構造となっている。したがって、以下、Ｐ１を正相補償容量と呼ぶ。

続いて、図１７を参照して空心形リアクトルについて詳しく説明する。結線図は前記図１３と同一である。この空心形リアクトルは、図１５に示したギャップ付き鉄心形リアクトルにおいて、主脚ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃを無くした構成であり、主脚鉄心部分が全てギャップになった状態である。すなちわ、上部磁気シールド１９と下部磁気シールド２０の間の距離が、主脚鉄心ギャップ長の合計値Ｄａとなる。

したがって、上部磁気シールド１９と下部磁気シールド２０の間の距離を、主脚鉄心ギャップ長の合計値Ｄａとして、インダクタンスＬ_１を上記（２）式から導くことができる。このように、非有効接地系統の空心形リアクトルの場合も、中性点が非接地のため零相補償容量はゼロであり、（１）式で与えられる正相補償容量Ｐ１のみを持つ構造に変わりはない。

特開２００４−４７８２８号公報実開昭６４−１１５２１号公報

以上述べた従来のリアクトルには下記のような課題が指摘されていた。すなわち、従来のリアクトルでは、ギャップ付き鉄心形であっても空心形であっても、零相補償容量はゼロであり、正相補償容量と零相補償容量との比を変えることはできなかった。そのため、正相補償用のリアクトルと零相補償用のリアクトルとを個別に設ける必要があった。

したがって、２種類のリアクトル、すなわち正相補償用のリアクトルと中性点リアクトル、さらには接地変圧器という、合計３種類の装置が不可欠であった。また、それらの装置に付設される開閉設備や保護装置も必要となり、多くの装置を配置していた。したがって、経済的コストが増大し、スペース的にも不利であった。特に、敷地面積に制約のある変電設備においては、スペース性の向上が強く望まれていた。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、主脚ギャップ長及び磁気シールドギャップ長の長さの比を変えて正相補償容量と零相補償容量の比を変化させることによって、１台のリアクトルだけで、異なる正相補償容量と零相補償容量の補償を実現でき、経済的でスペース性に優れたリアクトルを提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するため、本発明は、３相分の巻線が巻かれたギャップ付き鉄心を備え、前記巻線の上下に近接して磁気シールドを設け、前記巻線の左右の両端部に近接して側脚鉄心を配置したリアクトルにおいて、前記ギャップ付き鉄心は、当該ギャップの長さの合計値である第１のギャップ長が変更可能となるように設け、前記磁気シールドと側脚鉄心との間、または側脚鉄心にギャップを設け、当該ギャップ長の合計値である第２のギャップ長が変更可能となるように設け、さらには、以下の点を特徴としている。

すなわち、３相星形接続とし、中性点を接地して、前記第１のギャップ長と前記第２のギャップ長の比を変更することにより、正相回路に必要な正相補償容量と、零相回路に必要な零相補償容量との比を、１：１から０：１の範囲で変化させるように構成したことを特徴とするものである。

以上のような構成を有するリアクトルでは、３相リアクトルの結線方法を星形結線とし、中性点を接地する。そして、主脚ギャップ長及び磁気シールドギャップ長の長さの比を変更することにより、正相補償容量と零相補償容量の比を、１：１から０：１の範囲で変化させている。

このような本発明では、結線方式と磁気回路とに特定の関係を持たせることにより、１台のリアクトルにおいて、互いに異なる正相回路用の正相補償容量と零相回路用の零相補償容量の比を調整可能であり、１台のリアクトルだけで所望の容量の正相補償容量及び零相補償容量を確実に得ることができる。

本発明のリアクトルによれば、３相星形接続、中性点を接地し、主脚ギャップ長及び磁気シールドギャップ長の長さの比を変更して、正相補償容量と零相補償容量の比を、１：１から０：１の範囲で変化させることによって、１台のリアクトルで、異なる正相補償容量及び零相補償容量を補償することが可能であり、正相補償用と零相補償用に別々のリアクトルを用いていた従来技術と比べて、経済的コストを大幅に削減でき、省スペース化に大きく貢献することができる。

以下に、本発明に係るリアクトルの実施形態について、図１〜図１１を参照して具体的に説明する。なお、下記の実施形態において、図１２〜図１７に示した従来例と同一の部材に関しては同一部材を付して説明は省略する。

［１．第１の実施形態］
［１−１．構成］
まず、図１〜図５を参照して第１の実施形態について説明する。図１は第１の実施形態の断面図、図２は第１の実施形態によるリアクトル１４ａ、１４ｂを適用した場合の発変電所の一部を示す３線結線図であり、前述の図１２で説明した従来のリアクトルを適用した場合と同じく、ａ相、ｂ相、ｃ相からなるケーブル送電線は２回線のみを示している。図３は、前記図１３に対応するもので、図２に示したａ相に１線地絡事故１があった場合の対称座標法による等価回路図である。図４は接地形リアクトル１４ａ又は１４ｂ部分のみを取り出した結線図である。図５は第１の実施形態の作用を説明するためのグラフである。

図２に示すように、第１の実施形態では、接地形リアクトル１４ａ、１４ｂが、各ケーブル送電線に開閉器８ａ、８ｂを介して設けられている。図３中のＸ_Ｌは、接地形リアクトル１４ａ、１４ｂのリアクタンスを示している。

ところで、非有効接地系統で使用される３相リアクトルの結線方法には、通常、三角形と星形とがあるが、既に述べたように従来ではいずれも中性点は非接地であり、この場合、零相補償容量Ｐ０はゼロとなる。前記図１２に示したリアクトル４がその一例である。これに対して、第１の実施形態に係る接地形リアクトル１４ａ、１４ｂでは、図４にも示すように中性点を接地している。

図１に基づいて、本実施形態に係る接地形リアクトル１４ａ、１４ｂの構成について説明する。図１に示すように、接地形リアクトル１４ａ、１４ｂは、図１５に示した従来のリアクトルと同様、ギャップ付き鉄心形である。主脚ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃの左右には側脚鉄心２２ａ、２２ｂが設けられており、上下の磁気シールド１９、２０と側脚鉄心２２ａ、２２ｂとの間には磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂが設けられ、磁気回路が構成される。ここで、磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂのギャップ長の合計値をＤｂとする。

接地形リアクトル１４ａ、１４ｂにおいては、ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃの主脚ギャップ１７のギャップ長の合計値Ｄａと、磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂのギャップ長の合計値Ｄｂは、大きさが変更可能となるように構成されている。そして、主脚ギャップ１７のギャップ長合計値Ｄａと、磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂのギャップ長合計値Ｄｂの比を変更することで、正相回路に必要な正相補償容量Ｐ１と、零相回路に必要な零相補償容量Ｐ０との比であるＰ１：Ｐ０を、１：１から０：１の範囲で変化させるように構成したことを特徴としている。

[１−２．作用]
続いて、以上のような構成を有する第１の実施形態の作用として、正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０の比を変える点について、詳しく説明する。３相交流リアクトルにおける正相補償容量Ｐ１とは、大きさが同じで３相の位相が１２０度ずつずれた通常の３相交流電圧が加わった場合の補償容量である。また、零相補償容量Ｐ０とは、大きさが同じで３相の位相も同じ交流電圧が加わった場合の補償容量である。正相補償容量Ｐ１については、従来のリアクトルと同様であることを図１により説明する。

正相電圧、すなわち位相が１２０度ずつずれた同じ大きさの３相電圧が巻線１５ａ〜１５ｃにそれぞれ加わると、磁束２１は３つの主脚ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃ中に発生する。３相の磁束２１の大きさは同じであり、位相は１２０度ずつずれている。つまり、磁束２１は、上部磁気シールド１９及び下部磁気シールド２０で合成されるが、大きさが同じで、位相が１２０度ずつずれている。それゆえ、磁束２１の大きさはゼロとなり、側脚鉄心２２ａ、２２ｂに磁束２１は流れない。上述したように磁気回路は主脚ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃと上部磁気シールド１９及び下部磁気シールド２０で構成される。

この場合の正相補償容量Ｐ１は、前記（１）式〜（４）式のとおり、この磁気回路のギャップ長、すなわち主脚ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃの主脚ギャップ１７のギャップ長の合計値Ｄａで決まる。Ｄａは前記図１５に示した従来のリアクトルと同じにしておけば、本実施形態に係るリアクトル１４ａ、１４ｂについても、正相補償容量Ｐ１は同一となる。

次に零相電圧が加わった場合の作用について図１により説明する。３相の巻線１５ａ〜１５ｃに同位相で同じ大きさの電圧、すなわち零相電圧が加わると各相の磁束２１は破線矢印のように同方向で大きさが等しくなる。この磁束２１は上部磁気シールド１９及び下部磁気シールド２０で合成されるが、正相電圧が加わったときとは異なり、位相が同じであるため１相の３倍の大きさになり、３相の主脚ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃを循環することはできない。

したがって、磁束２１は側脚鉄心２２ａ、２２ｂを通ることになる。このとき、上部磁気シールド１９及び下部磁気シールド２０と側脚鉄心２２ａ、２２ｂとの間には磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂを設けてあるので、各相の磁気回路のギャップ長の合計Ｄは下式のとおりとなる。

この磁気回路によるインダクタンス、すなわち、零相回路のインダクタンスＬ_０は（６）式から導かれ、零相補償容量Ｐ０は（７）式から導かれる。

以上のとおり、正相の磁気回路は、主脚ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃのうちのいずれかと、上部磁気シールド１９、他の主脚ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃ、下部磁気シールド２０を循環する。これに対して、零相の磁気回路は、主脚ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃ、上部磁気シールド１９、磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂ、側脚鉄心２２ａ、２２ｂ、下部磁気シールド２０、そして主脚ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃへ戻る回路となる。したがって、磁気回路としては正相回路よりも零相回路の方が長くなる。また、磁気回路のギャップ長とリアクトル容量は比例するので、適宜ギャップを設けることにより、零相補償容量Ｐ０を正相補償容量Ｐ１よりも大きくすることが可能である。

上述したように、正相補償容量Ｐ１は（１）式、零相補償容量Ｐ０は（７）式で表わされるので、その比Ｐ１／Ｐ０は（２）式と（６）式から、下記の（８）式のとおりとなる。
（数８）
Ｐ１／Ｐ０＝Ｄａ／（Ｄａ＋Ｄｂ） … （８）式

ここで、主脚ギャップ１７のギャップ長合計値Ｄａ及び磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂのギャップ長合計値Ｄｂの大きさと、正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０の比であるＰ１：Ｐ０の関係を見てみる。これらの関係を示したものが、図５のグラフである。

主脚ギャップ１７のギャップ長合計値Ｄａの最大値は主脚ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃがすべてギャップになった状態である。一方、磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂのギャップ長合計値Ｄｂの最大値は、主脚鉄心ギャップ長の合計値Ｄａの最大値と同じであり、最小値はゼロのときである。

主脚ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃがすべてギャップの状態で、磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂのギャップ長合計値Ｄｂをゼロとすると、正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０の比、すなわちＰ１：Ｐ０は、１：１となり、Ｐ１／Ｐ０＝１．０となる。この状態が図５の横軸が０．００の位置である。ここから磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂのギャップ長合計値Ｄｂを次第に大きくしていって、Ｄａ＝Ｄｂになったとき、Ｐ１：Ｐ０は１：２となり、Ｐ１／Ｐ０＝０．５となる。この変化を示したものが、図５中のＡのグラフである。

次に、主脚ギャップ１７のギャップ長合計値Ｄａを半分にして、磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂのギャップ長合計値Ｄｂを変化させる。その結果、（８）式から、Ｐ１／Ｐ０は最大１．０から最小０．３３まで変化する。この変化を示したものが図５中のＣのグラフである。

さらに、主脚ギャップ１７のギャップ長合計値Ｄａをほとんど零にする。リアクトルの補償容量としては小さいものになる。Ｄｂ＝ＤａのときはＰ１／Ｐ０も１．０である。この状態から、磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂのギャップ長合計値Ｄｂを徐々に小さくしていくと、Ｐ１／Ｐ０も小さくなり、Ｄｂ＝０ではＰ１／Ｐ０もゼロとなる。この変化を示したものが図５中のＥのグラフである。なお、図５中のＢ、Ｄのグラフはそれぞれ、ＡとＣ、ＣとＥの中間の変化を示したグラフである。

以上説明したように、上記（８）式のＰ１／Ｐ０の最大値は１．０となり、最小値はゼロとなる。前記（４）式で示したように、主脚ギャップ１７のギャップ長合計値Ｄａと正相補償容量Ｐ１は比例するため、磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂのギャップ長合計値Ｄｂがゼロの場合に零相補償容量Ｐ０が最小となり、正相補償容量Ｐ１とほぼ同一となる。この状態が、正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０が１：１の場合である。

そして、主脚ギャップ１７のギャップ長合計値Ｄａをゼロとすると、正相補償容量Ｐ１は、ほぼゼロとなる。この状態が、正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０の比が０：１の場合である。このようにして、主脚ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃの主脚ギャップ１７のギャップ長合計値Ｄａと磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂのギャップ長合計値Ｄｂとの比を変更することにより、正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０との比を、１：１から０：１の範囲で変化させることが可能となる。言い換えると、主脚ギャップ１７のギャップ長合計値Ｄａにて、正相補償容量Ｐ１を決定すると共に、零相補償容量Ｐ０の一部を決定することができる。

[１−３．効果]
このように、正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０の比を変化させた場合の効果は次の通りである。図３に示すように、接地リアクトル１４ａ、１４ｂは正相回路、逆相回路、零相回路に入るが、零相回路ではケーブル対地静電容量２ａ、２ｂのリアクタンスＸｃをほぼ完全に補償することができる。

また、正相、逆相の各回路には負荷との関連で、ケーブル対地静電容量２ａ、２ｂのリアクタンスＸｃの補償を小さくすることが可能である。さらに、重負荷時には負荷Ｚ_Ｆ１は遅れ力率になることが一般的なので、その場合を考慮して、正相及び逆相の補償容量は小さくし、ケーブル対地静電容量２ａ、２ｂのリアクタンスＸｃを利用して、全体としての力率を改善することができる。

以上のような第１の実施形態によれば、２種類のリアクトルを用いることなく、１種類のリアクトルだけで、正相、逆相と零相とを異なる容量で補償することができる。すなわち、図２と図１２の３線結線図を比べると明らかなように、正相補償用のリアクトル４、中性点リアクトル５ａ、５ｂ、さらには接地変圧器６ａ、６ｂや開閉器７を備えた従来例から、接地変圧器６ａ、６ｂ、リアクトル４、開閉器７を削除することが可能となる。これにより、装置の配置数を減らして、経済的コストを大幅に削減することができ、しかも省スペース化を進めることができる。したがって、敷地面積に厳しい制約のある変電設備では特に効果的である。

［２．第２の実施形態］
［２−１．構成］
図６に示すように、第２の実施形態は、前記第１の実施形態において主脚ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃを無くした空心形リアクトルである。

つまり、上部磁気シールド１９と下部磁気シールド２０との距離が主脚ギャップ１７の合計値Ｄａとなる。磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂのギャップ長合計値Ｄｂをゼロとすると、正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０はほぼ同一となる。この状態が、正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０の比が１：１の場合である。

次に、磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂのギャップ長合計値Ｄｂを長くしていくと、零相補償容量Ｐ０は正相補償容量Ｐ１にその分の容量が加算されて行き、最大で正相補償容量Ｐ１の２倍になる。この状態が、正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０が０．５：１の場合である。このようにして、磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂのギャップ長合計値Ｄｂを変更することにより、正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０の比を１：１から０．５：１の範囲で変化させるようになっている。

[２−２．作用]
このような構造をとる第２の実施形態の空心形リアクトルでは、正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０の比を変えることが可能である。すなわち、正相回路については、従来のリアクトルと同様であり、そのインダクタンスＬ１は前記（２）式と同一であり、従って、正相補償容量Ｐ１も上記（１）式と同じである。

次に零相電圧が加わった場合の作用について、図６を用いて説明する。３相の巻線１５ａ〜１５ｃに同位相で同じ大きさの電圧、すなわち零相電圧が加わると、各相の磁束２１は破線矢印のように同方向で大きさが等しくなる。この磁束２１は上部磁気シールド１９及び下部磁気シールド２０で合成されるが、正相電圧が加わったときと異なり、位相が同じであるため１相の３倍の大きさになり、空心形の鉄心を循環することもできない。したがって、磁束２１は側脚鉄心２２ａ、２２ｂを通る。

このとき、上部磁気シールド１９及び下部磁気シールド２０と側脚鉄心２２ａ、２２ｂとの間に設けた磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂの存在により、各相の磁気回路のギャップ長の合計Ｄは前記（３）式の通りとなる。ただし、主脚ギャップ１７のギャップ長合計値Ｄａは、前述したように上部磁気シールド１９と下部磁気シールド２０の間の距離となる。

その結果、この磁気回路によるインダクタンス、すなわち、零相回路のインダクタンスＬ０は前記（６）式にて表される。従って正相補償容量と零相補償容量の比Ｐ１／Ｐ０は、前記（８）式の通りとなる。ここで、主脚ギャップ１７のギャップ長合計値Ｄａ及び磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂのギャップ長合計値Ｄｂの大きさと、Ｐ１／Ｐ０の関係を見てみる。これらの関係を図７のグラフに示す。

第２の実施形態は、主脚部分の鉄心を無くした空心形なので、主脚鉄心がすべてギャップになった構造となっている。この状態の主脚ギャップ１７のギャップ長合計値Ｄａを空心形リアクトルのギャップ長Ｄａ'と表記することとする。磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂのギャップ長合計値Ｄｂの最大値は、Ｄｂ＝Ｄａ'のときで、Ｄｂの最小値は、ゼロのときである。Ｄｂを０とすると、正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０の比は１：１となり、Ｐ１／Ｐ０＝１．０となる。そして、Ｄｂを次第に大きくしていって、Ｄａ'＝Ｄｂにすると、Ｐ１／Ｐ０＝０．５となる。つまり、（８）式の最大値は１．０、最小値は０．５である。

以上説明したように、第２の実施形態では、空心形リアクトルのギャップ長Ｄａ'と磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂのギャップ長合計値Ｄｂを変化させることにより、正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０の比率であるＰ１／Ｐ０を、１．０〜０．５の間で変化させることができる。

[２−３．効果]
このように、正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０の比を変化させた場合の効果は、前記第１の実施形態と同じく、零相回路においてケーブル対地静電容量２ａ、２ｂのリアクタンスＸｃをほぼ完全に補償することができる。また、正相、逆相の各回路には負荷との関連で、ケーブル対地静電容量２ａ、２ｂのリアクタンスＸｃの補償を小さくすることができる。したがって、２種類のリアクトルではなく、１種類のリアクトルだけで、正相、逆相と零相とを異なる容量で補償することが可能となり、経済的な面からもスペース性の面からも極めて有利である。

［３．第３の実施形態］
［３−１．構成］
続いて、第３の実施形態について、図８の断面図及び図９のグラフを参照して具体的に説明する。図８に示すように、第３の実施形態は、前記第１の実施形態と同じくギャップ付き鉄心形リアクトルであるが、側脚鉄心２２ａ、２２ｂを省いた点に特徴がある。このとき、側脚鉄心２２ａ、２２ｂを無くす前の側脚長がギャップ長となる。側脚鉄心２２ａ、２２ｂの磁路長は主脚部分の磁路長とほぼ同じであるから、巻線部分の鉄心がない場合、零相補償容量Ｐ０は正相補償容量Ｐ１のほぼ２倍となる。

すなわち、正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０との比は０．５：１となる。次に、主脚部分のギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃの鉄心長を長くし、主脚ギャップ１７の長さを小さくしていくと、正相補償容量Ｐ１は小さくなって行き、主脚ギャップ１７の長さをゼロにすると正相補償容量Ｐ１はほぼゼロとなる。この状態が正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０が０：１の場合である。

以上のようにして、第３の実施形態では、磁気シールドの一部を構成する側脚２２ａ、２２ｂを無くし、主脚ギャップ１７の長さを変更することにより、正相補償容量と零相補償容量とを０．５：１から０：１の範囲で変化させることができる。

[３−２．作用]
上記のような構造をとる第３の実施形態の作用、すなわち正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０との比を変えることについて、以下に説明する。すなわち、正相回路については、従来のリアクトルと同様であり、そのインダクタンスＬ_１は前記（２）式と同一であり、従って、正相補償容量Ｐ１も上記（１）式と同じである。

次に零相電圧が加わった場合の作用について図８に基づいて説明する。３相の巻線１５ａ〜１５ｃに同位相で同じ大きさの電圧、すなわち零相電圧が加わると各相の磁束２１は破線矢印のように同方向で大きさが等しくなる。

この磁束２１は上部磁気シールド１９及び下部磁気シールド２０で合成されるが、正相電圧が加わったときと異なり、位相が同じであるため、１相の３倍の大きさになり、３相のギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃを循環することもできない。このため、磁束２１は、上部磁気シールド１９及び下部磁気シールド２０から外部に流れ出す。したがって、各相の磁気回路のギャップ長の合計Ｄは下式のとおりとなる。

（数９）
Ｄ＝Ｄａ＋Ｄｂ' … （９）式
Ｄ：磁気回路のギャップ長の合計（ｍ）
Ｄａ：主脚ギャップ長の合計値（ｍ）
Ｄｂ'：上部磁気シールド１９と下部磁気シールド２０との間のギャップ長（ｍ）

したがって、この磁気回路によるインダクタンス、すなわち、零相回路のインダクタンスＬ０は前記（６）式のとおりとなる。ただし、ＤｂはＤｂ'と置き換える。このため、正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０の比率Ｐ１／Ｐ０は前記（６）式と同様、次の（１０）式で表される。
（数１０）
Ｐ１／Ｐ０＝Ｄａ／（Ｄａ＋Ｄｂ'） … （１０）式

ここで、主脚ギャップ１７のギャップ長合計値Ｄａおよび上部磁気シールド１９と下部磁気シールド２０との間のギャップ長Ｄｂ'の大きさと、Ｐ１／Ｐ０の関係を見てみる。これらの関係をグラフで示したものが図９である。なお、横軸はＤａ／Ｄｂ'としてある。

第３の実施形態の構造は、第１の実施形態において上部磁気シールド１９及び下部磁気シールド２０と側脚鉄心２２ａ、２２ｂとの間のギャップがなくなり、すべてギャップになった状態である。主脚ギャップ１７のギャップ長の合計値Ｄａの最小値はゼロである。その場合、正相補償容量Ｐ１はゼロとなる。

主脚ギャップ１７のギャップ長の合計値Ｄａの最大値は、主脚鉄心がすべてギャップになった状態である。Ｄｂ'は、Ｄａの最大値と同じである。従って、Ｐ１／Ｐ０＝０．５となる。次に、主脚ギャップ１７のギャップ長合計値Ｄａを半分にしてみる。その結果、（１０）式から、Ｐ１／Ｐ０＝０．３３となる。

さらに、主脚ギャップ１７のギャップ長合計値Ｄａをほとんど零にする。リアクトルの容量としては小さいものになり、Ｄａ＝Ｄｂ'のときはＰ１／Ｐ０は０．５である。
従って、（１０）式よりＰ１／Ｐ０の最大値は、０．５、最小値はゼロとなる。以上説明したように、主脚ギャップ１７のギャップ長合計値Ｄａを変化させることにより、リアクトルの正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０の比を適宜変化させることができる。

[３−３．効果]
以上のように、正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０の比を変化させることが可能な第３の実施形態によれば、側脚鉄心２２ａ、２２ｂを省いたギャップ付き鉄心形リアクトルにおいて、前記第１及び第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

すなわち、零相回路においてケーブル対地静電容量２ａ、２ｂのリアクタンスＸｃをほぼ完全に補償することができ、正相、逆相の各回路には負荷との関連で、ケーブル対地静電容量２ａ、２ｂのリアクタンスＸｃの補償を小さくすることが可能である。しかも、２種類のリアクトルではなく、１種類のリアクトルだけで、正相、逆相と零相とを異なる容量で補償可能であり、経済性・スペース性に優れたリアクトルを提供することができる。

［４．第４の実施形態］
［４−１．構成］
次に、図１０の断面図を用いて、第４の実施形態について説明する。図１０に示すように、第４の実施形態は、前記第２の実施形態と前記第３の実施形態とを組み合わせたものであり、主脚ギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃ及び側脚鉄心２２ａ、２２ｂを無くした空心形リアクトルである。

第４の実施形態において、正相補償容量Ｐ１は巻線部分のギャップ長で決まり、それとほぼ同じ長さの側脚鉄心部分がギャップとして加わるので零相補償容量Ｐ０は約２倍になる。すなわち、正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０との比を０．５：１としている。

[４−２．作用]
以上の構造をとる第４の実施形態において、正相回路については、従来のリアクトルと同様であり、そのインダクタンスＬ１は前記（２）式と同一であり、従って、正相補償容量Ｐ１も上記（１）式と同じである。また、零相電圧が加わった場合、図１０に示すように、３相の巻線１５ａ〜１５ｃに同位相で同じ大きさの電圧、すなわち零相電圧が加わると各相の磁束２１は破線矢印のように同方向で大きさが等しくなる。

この磁束２１は上部磁気シールド１９及び下部磁気シールド２０で合成されるが、正相電圧が加わったときと異なり、位相が同じなため１相の３倍の大きさになり、３相のギャップ付き鉄心１６ａ〜１６ｃを循環することはできない。このため、磁束２１は、上部磁気シールド１９及び下部磁気シールド２０から外部に流れ出す。このため、各相の磁気回路のギャップ長の合計Ｄは下式のとおりとなる。

（数１１）
Ｄ＝Ｄａ'＋Ｄｂ' … （１１）式
Ｄ：磁気回路のギャップ長の合計（ｍ）
Ｄａ'：主脚鉄心ギャップ長（ｍ）
Ｄｂ'：上部磁気シールド１９と下部磁気シールド２０との間のギャップ長（ｍ）

したがって、この磁気回路によるインダクタンス、すなわち、零相回路のインダクタンスＬ０は前記（６）式のとおりとなる。ただし、ＤａはＤａ'に、ＤｂはＤｂ'に置き換える。このため、正相容量Ｐ１と零相容量Ｐ０の比率Ｐ１／Ｐ０は前記（１０）式と同様に下記の（１２）式の通りとなる。
（数１２）
Ｐ１／Ｐ０＝Ｄａ'／（Ｄａ'＋Ｄｂ'） … （１２）式

ここで、主脚鉄心ギャップ長Ｄａ'及び上部磁気シールド１９と下部磁気シールド２０との間のギャップ長Ｄｂ'の大きさと、Ｐ１／Ｐ０の関係を見てみる。第４の実施形態に係るリアクトルの構造は、図６にて示した第２の実施形態において上部磁気シールド１９及び下部磁気シールド２０と側脚鉄心２２ａ、２２ｂとの間のギャップがなくなり、すべてギャップになった状態である。この構造では、Ｄａ'＝Ｄｂ'であり（１２）式からＰ１／Ｐ０＝０．５となる。

[４−３．効果]
以上の第４の実施形態によれば、正相補償容量Ｐ１と零相補償容量Ｐ０の比を０．５：１に限定しているにせよ、異なる正相補償容量Ｐ１及び零相補償容量Ｐ０を１台のリアクトルだけで補償可能であり、経済的コスト削減と省スペース化を実現することが可能である。

[５．他の実施形態]
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、各部材の構成や配置数、正相補償容量と零相補償容量の比等は適宜変更可能であり、次のような実施形態も包含している。

例えば、図１に示した第１の実施形態では側脚鉄心２２ａ、２２ｂと上部及び下部磁気シールド１９、２０とのギャップは集中して設けたが、図１１に示すように、側脚鉄心２２ａ、２２ｂをギャップ付き鉄心として分散させても良い。ここで側脚鉄心２２ａ、２２ｂは、ブロック鉄心２４と側脚ギャップ２５が積層されてなる。

側脚鉄心２２ａ、２２ｂを分散させた実施形態によれば、磁束２１の広がりが小さくなり、漏れ磁束によるタンクの過熱などを防止できる。また、鉄心間距離が近くなり、鉄心の支え構造が簡略化できるなどの利点がある。さらに、図１１に示した実施形態において磁気シールドギャップ２３ａ、２３ｂを無くして側脚ギャップ２５でギャップ長を調整するようにしても構わない。また、リアクトルの中性点側を直接接地とせず、抵抗を介して接地することも可能である。この抵抗は、過渡的な直流分電流の減衰を早めるといった効果を発揮することができる。

本発明に係る第１の実施形態の断面図第１の実施形態を適用した場合の発変電所の一部を示す３線結線図第１の実施形態を適用した場合の１線地絡時の対称座標法による等価回路図第１の実施形態に係るリアクトル部分のみを取り出した３線結線図第１の実施形態において正相補償容量と零相補償容量の変化を示すグラフ本発明に係る第２の実施形態の断面図第２の実施形態において正相容量と零相容量の変化を示すグラフ本発明に係る第３の実施形態の断面図第３の実施形態において正相容量と零相容量の変化を示すグラフ本発明に係る第４の実施形態の断面図本発明に係る他の実施形態の断面図従来のリアクトルを適用した場合の変電所の３線結線図従来のリアクトルを適用した場合の１線地絡時の対称座標法による等価回路図従来のリアクトル部分のみを取り出した３線結線図従来のギャップ付き鉄心形リアクトルの断面図図１５に示した巻線の斜視図従来の空心形リアクトルの断面図

符号の説明

１…地絡事故
２ａ〜２ｃ…ケーブル対地静電容量
３…母線
４…リアクトル
５ａ、５ｂ…中性点リアクトル
６ａ、６ｂ、１１…接地変圧器
７、８ａ、８ｂ…開閉器
９ａ、９ｂ…送電線遮断器
１０…遮断器
１２…中性点接地抵抗器
１３…電源
１４ａ、１４ｂ…接地形リアクトル
１５ａ〜１５ｃ…巻線
１６ａ〜１６ｃ…主脚ギャップ付き鉄心
１７…主脚ギャップ
１８、２４…ブロック鉄心
１９…上部磁気シールド
２０…下部磁気シールド
２１…磁束
２２ａ、２２ｂ…側脚鉄心
２３ａ、２３ｂ…磁気シールドギャップ
２５…側脚ギャップ

Claims

３相分の巻線が巻かれたギャップ付き鉄心を備え、前記巻線の上下に近接して磁気シールドを設け、前記巻線の左右の両端部に近接して側脚鉄心を配置したリアクトルにおいて、
３相星形接続とし、中性点を接地して、
前記ギャップ付き鉄心は、当該ギャップの長さの合計値である第１のギャップ長が変更可能となるように設け、
前記磁気シールドと側脚鉄心との間、または側脚鉄心にギャップを設け、当該ギャップ長の合計値である第２のギャップ長が変更可能となるように設け、
前記第１のギャップ長と前記第２のギャップ長の比を変更することにより、正相回路に必要な正相補償容量と、零相回路に必要な零相補償容量との比を、１：１から０：１の範囲で変化させるように構成したことを特徴とするリアクトル。
３相分の巻線部分を鉄心の無い空心形とし、前記巻線の上下に近接して磁気シールドを設け、前記巻線の左右の両端部に近接して側脚鉄心を配置したリアクトルにおいて、
３相星形接続とし、中性点を接地して、
前記磁気シールドと側脚鉄心との間、または側脚鉄心にギャップを設け、当該ギャップ長の合計値である第２のギャップ長が変更可能となるように設け、
前記第２のギャップ長を変更することにより、正相回路に必要な正相補償容量と、零相回路に必要な零相補償容量との比を、１：１から０．５：１の範囲で変化させるように構成したことを特徴とするリアクトル。