JPH07106028B2 - 過電圧抑制装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は交流電源に接続された電気機器、特に可変速揚
水発電システム等の二重給電交流機の二次回路に過電圧
が発生した際に、電気機器または二次回路の各相導体間
を電気的に短絡、または各相導体を電気的に接地して電
気機器の過電圧を抑制する過電圧抑制装置に関する。

（従来の技術） 電気機器の過電圧を抑制する過電圧抑制装置としては、
電気機器の各相導体間に形成される短絡回路に設けられ
たサイリスタ素子（SCR）により電気機器の各相導体を
電気的に短絡して、電気機器に発生する過電圧を抑制す
る過電圧抑制装置が知られている。

第８図、第９図により従来技術について説明する。第８
図はSCR53を用いた過電圧抑制装置51を可変速発電シス
テムに適用した結線の一例を示したものである。本シス
テムでは、巻線形誘導機（二重給電交流機）20の二次巻
線22をサイクロコンバータ11により交流励磁して巻線形
誘導機20の可変速運転を行なう。巻線形誘導機20の一次
巻線21は、主変圧器23を介して交流電源回路25に接続さ
れる。サイクロコンバータ11は、サイクロコンバータ電
源用変圧器12、主変圧器23を介して交流電源回路25に接
続される。交流電源回路25に一線地絡故障等が発生する
と、巻線形誘導機20の一次巻線21に発生する逆相分によ
り二次巻線22に過電圧が発生する。過電圧発生時には，
制御装置52が過電圧を検出し、ゲート信号をSCR53に出
力し,SCR53が点弧し，二次巻線22を電気的に線間短絡し
て過電圧を抑制し，二次巻線22及びサイクロコンバータ
11等を保護する。

第９図は二次巻線22に過電圧が発生してからSCR53が動
作し、二次巻線22が線間短絡されるまでの二次巻線22の
線間電圧の動きの例を示したものである。常時運転中の
二次巻線22の線間電圧をV₀、制御装置52が過電圧を検出
し、ゲート信号を発生する時の二次巻線22の線間電圧を
V₁、二次巻線22及びサイクロコンバータ11の耐電圧値を
V₃とする。二次巻線22やサイクロコンバータ11を適切に
保護するためには、V₀,V₁,V₃の値はV₀＜V₁＜V₃とする必
要がある。交流電源回路25に１線地絡等の故障が発生す
ると、巻線形誘導機20の一次巻線21の逆相分により二次
巻線22に過電圧が発生する。二次巻線22の線間電圧がV₁
に達すると、制御装置52は過電圧を検出し、SCR53にゲ
ート信号を出力する。制御装置52が過電圧を検出してか
らゲート信号を出力する時刻t₃まで時間遅れがある。し
たがって、二次巻線22が線間短絡される時刻t₄の二次巻
線22線間電圧はV₁よりも高くなるが、第９図の例では電
圧上昇は緩やかであるため、二次巻線22の線間に発生す
る過電圧をV₃以下に抑制することができる。

（発明が解決しようとする課題） 第８図、第10図及び第11図により従来技術の課題につい
て説明する。

第10図は、第８図に示す制御装置52の故障時に交流電源
回路25で故障が発生した場合の二次巻線22の線間電圧の
動きの例を示したものである。交流電源回路25に１線地
絡等の故障が発生すると、巻線形誘導機20の一次巻線21
の逆相分により二次巻線22に過電圧が発生する。二次巻
線22の線間電圧がV₁に達しても，制御装置52が故障して
いるために過電圧を検出することはできず、SCR53にゲ
ート信号は出力されない。SCR53はゲート信号が入力さ
れない場合には点弧しないため、二次巻線22の線間電圧
がV₁を越えても二次巻線22は短絡されず、二次巻線22の
線間電圧はV₃よりも高い値となり、巻線形誘導機20の二
次巻線22やサイクロコンバータ11等が破損するという課
題を有する。

第11図は第８図に示す制御装置52が正常に機能している
時に、雷サージなどのように電圧上昇が急峻な過電圧が
発生した場合の二次巻線22の線間電圧の動きの例を示し
たものである。交流電源回路25に雷サージ等が印加され
ると、巻線形誘導機20の一次巻線21から二次巻線22に過
電圧が誘起される。二次巻線22の線間電圧がV₁に達する
と、制御装置52は過電圧を検出する。第11図の例では電
圧上昇が急峻なのでゲート信号を出力する時刻（t₃）以
前に二次巻線22の線間電圧は巻線形誘導機20の二次巻線
22やサイクロコンバータ11等の耐電圧値V₃を越えてしま
い、巻線形誘導機20の二次巻線22やサイクロコンバータ
11等が破損するという課題を有する。

そこで、SCR53及び制御装置52の代りに、アバランシェ
形SCRを用いれば、上記の課題を解決することが可能で
ある。しかしながら、アバランシェ形SCRを用いた場合
には、サージ電圧のように極短時間の過電圧に対しては
電気機器を保護することが可能であるが、可変揚水発電
システム等の二重給電交流機の二次回路に発生する過電
圧に対しては以下の理由により電気機器の寿命を短縮し
たり、電気機器を破損するという課題を有する。

第11図はSCR53および制御装置52の代りにアバランシェ
形SCRを用いた場合の二次巻線22の線間電圧の動きの例
を示したものである。二次巻線22の線間に過電圧が発生
し、アバランシェ形SCRがターンオンする電圧に達する
と、アバランシェ形SCRがターンオンし、二次巻線22の
線間が短絡されるので、過電圧は抑制される。電圧が低
くなると、アバランシェ形SCRは自動的にターンオフす
る。サージ電圧のように極短時間の過電圧であれば、ア
バランシェ形SCRがターンオフしたときには、二次巻線2
2の線間電圧が低下しているので、アバランシェ形SCRが
再度ターンオンすることはない。

しかしながら、交流電源回路25の１線地絡故障等による
逆相電流の継続時間は通常、0.5〜１秒程度とサージ電
圧に比べて各段に長いため、一旦アバランシェ形SCRの
ターンオンにより過電圧が抑制されても、アバランシェ
形SCRターンオフすると、再度巻線形誘導機20の二次巻
線22に過電圧が発生する。巻線形誘導機20の二次巻線22
に過電圧が発生すると、アバランシェ形SCRが再度ター
ンオンし、二次巻線22の線間が短絡され、過電圧は抑制
される。過電圧が抑制されると、アバランシェ形SCRが
ターンオフし、再度過電圧が発生する。すなわち、過電
圧の発生、アバランシェ形SCRのターンオン、過電圧の
抑制、アバランシェ形SCRのターンオフが繰返し起きる
ことになる。

このように過電圧の発生と、過電圧の抑制が繰返し起き
ると、巻線形誘導機20の二次巻線22には第11図に示すよ
うに過電圧が繰返し印加されることになるため、二次巻
線22の絶縁に悪影響を与え、絶縁の寿命を短縮したり、
絶縁を破損するという課題を有する。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
は電気機器に繰返し過電圧が印加されることを防ぎ、ま
た制御装置の故障などにより、サイリスタにゲート信号
が入力されない場合や、雷サージなどのように電圧上昇
が急峻な過電圧が発生した場合でも過電圧値を電気機器
の耐電圧値以下に抑制することができる過電圧抑制装置
を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するため、交流電源に接続され
た一次回路および前記交流電源の出力を受けて交流励磁
される二次回路を有する二重給電交流機のような電気機
器の前記二次回路の各線間に形成される短絡回路または
各線と接地点間に形成される接地回路に設けられた自己
点弧機能を有するサイリスタと、前記電気機器の二次回
路に発生する過電圧を検出すると前記サイリスタを点弧
して前記短絡回路または接地回路を導通させる制御手段
とを備え、 前記制御手段の過電圧検出レベルを前記自己点弧機能を
有するサイリスタの自己点弧電圧未満に定め、且つ自己
点弧機能を有するサイリスタの自己点弧電圧を前記電気
機器の耐電圧値以下に定めたものである。

（作用） このような構成の過電圧抑制装置にあっては、制御手段
の過電圧検出レベルを自己点弧機能を有するサイリスタ
の自己点弧電圧未満に定め、且つ自己点弧機能を有する
サイリスタの自己点弧電圧を電気機器の耐電圧値以下に
定めてあるので、交流電源の１線地絡故障時などによる
逆相電流により発生する過電圧のようにサージ電圧に比
べ長い時間の過電圧に対しても、制御装置からサイリス
タに連続的にゲート信号を入力することにより、サイリ
スタが連続してターンオンし、連続して電気機器の各線
間が電気的に短絡または各線が電気的に設置されるの
で、過電圧の発生と過電圧の抑制を繰返し、電気機器の
絶縁に悪影響を与えて絶縁の寿命を短縮したり、絶縁を
破損するという課題を解決することができる。また、電
気機器に過電圧が発生しサイリスタの自己点弧電圧以上
の過電圧が順方向にサイリスタに印加されると、ゲート
信号が入力されなくてもサイリスタ自身が点弧して電気
機器の各線間が電気的に短絡、または各線が電気的に設
置されるので、制御装置が故障した場合や、雷サージな
どのように電圧上昇が急峻な過電圧が発生した場合で
も、過電圧を電気機器の耐電圧以下に抑制することがで
きる。

その結果、本発明では従来装置に比較して電気機器に印
加される過電圧の回数を大幅に低減させることが可能と
なる。また信頼性を格段に向上させることが可能となる
ので、冗長度を減らすことが可能となり、装置全体の小
形化を図ることができる。

（実施例） 以下本発明の第１の実施例を第１図〜第４図に基づいて
説明する。なお，第１図〜第４図中共通する部分には同
一符号を付している。

第１図は巻線形誘導機（二重給電交流機）の二次巻線を
サイクロコンバータにより交流励磁して巻線形誘導機の
可変速運転を行なう可変速発電システムに、本発明によ
る過電圧抑制装置を適用した場合の結線図である。

巻線形誘導機（二重給電交流機）20の一次巻線21は、主
変圧器23を介して交流電源回路25に接続される。巻線形
誘導機20の二次巻線22は、サイクロコンバータ11に接続
され、サイクロコンバータ11により交流励磁される。サ
イクロコンバータ11は、サイクロコンバータ電源用変圧
器12及び主変圧器23を介して交流電源回路25に接続され
る。過電圧抑制装置１は制御装置２とVBOフリー光サイ
リスタ３とから構成され、巻線形誘導機20の二次巻線22
の各線間に接続される。このVBOフリー光サイリスタ３
は順方向に所定の電圧値以上の過電圧が印加されると自
己点弧する機能を有しており、逆方向過電圧に対しては
点弧機能はない。したがって、二次巻線22の各線間にVB
Oフリー光サイリスタ３を接続するに際しては、一対のV
BOフリー光サイリスタ３を逆並列にして接続し、また制
御装置２により二次巻線22に発生する過電圧が検出され
ると、これら各線間の一対のVBOフリー光サイリスタ３
に対して光点弧信号が与えられるようになっている。

次に第１の実施例の作用について述べる。

第２図〜第４図は二次巻線22に過電圧が発生してからVB
Oフリー光サイリスタ３が動作し，二次巻線22が線間短
絡されるまでの二次巻線22の線間電圧の動きの例を示し
たものである。常時運転中に二次巻線22の線間電圧を
V₀、制御装置２が過電圧を検出して光点弧信号を発生す
る時の二次巻線22の線間電圧をV₁、VBOフリー光サイリ
スタ３が自己点弧する電圧をV₂、二次巻線22及びサイク
ロコンバータ11の耐電圧値をV₃とする。二次巻線22やサ
イクロコンバータ11を適切に保護するためには,V₀,V₁,V
₂,V₃の値はV₀＜V₁＜V₂＜V₃とする必要がある。

まず、制御装置２が正常に機能しており、過電圧の電圧
上昇が比較的緩やかな場合について第１図及び第２図を
用いて説明する。交流電源回路25に１線地絡等の故障が
発生すると、巻線形誘導機20の一次巻線21の逆相分によ
り二次巻線22に過電圧が発生する。二次巻線22の線間電
圧がV₁に達すると、制御装置２は過電圧を検出し、VBO
フリー光サイリスタ３に光点弧信号を出力する。制御装
置２が過電圧を検出してから光点弧信号を出力する時刻
t₃まで時間遅れがある。したがって、二次巻線22が線間
短絡される時刻t₄の二次巻線22の線間電圧はV₁よりも高
くなるが、第２図の例では電圧上昇は緩やかであるた
め、V₂よりも低い値となる。制御装置２に時限（オフデ
ィレー）を持たせ、過電圧検出後光点弧信号を一定時間
継続して出力すれば、逆相電流等による過電圧に対して
もVBOフリー光サイリスタ３がターンオン、ターンオフ
を繰返すことはない。

次に制御装置２が正常に機能しており、雷サージなどの
ように電圧上昇が急峻な過電圧を発生した場合について
第１図及び第３図を用いて説明する。交流電源回路25に
雷サージ等が印加されると、巻線形誘導機20の一次巻線
21から二次巻線22に過電圧が誘起される。二次巻線22の
線間電圧がV₁に達すると、制御装置２は過電圧を検出し
てVBOフリー光サイリスタ３に光点弧信号を出力する。
第３図の例では電圧上昇が急峻なので光点弧信号を出力
する時刻t₃以前に、二次巻線22の線間電圧はV₂に達す
る。二次巻線22の線間電圧がV₂となった段階でVBOフリ
ー光サイリスタ３が自己点弧し、二次巻線22を線間短絡
するため過電圧をV₂以下に抑制することができる。

最後に制御装置２が故障した場合について第１図及び第
４図を用いて説明する。交流電源回路25に１線地絡等の
故障が発生すると、巻線形誘導機20の一次巻線21の逆相
分により二次巻線22に過電圧が発生する。二次巻線22の
線間電圧がV₁に達しても、制御装置２が故障しているた
めに過電圧を検出することはできず、VBOフリー光サイ
リスタ３に光点弧信号は出力されない。したがって、こ
の段階では二次巻線22は線間短絡されない。さらに、二
次巻線22の線間電圧が上昇を続けV₂に達すると、VBOフ
リー光サイリスタ３が自己点弧し、二次巻線22を線間短
絡するため過電圧をV₂以下に抑制することができる。

第３図〜第４図から分かるように、雷サージなどの如く
電圧上昇が急峻な過電圧が発生した場合や制御装置２の
故障などによりVBOフリー光サイリスタ３に光点弧信号
が入力されない場合でも、本実施例による過電圧抑制装
置を適用すれば、VBOフリー光サイリスタ３に印加され
る電圧がV₂となった段階でVBOフリー光サイリスタ３が
自己点弧し、二次巻線22の各線間を短絡するため、二次
巻線22に発生する過電圧をV₂以下に抑制することができ
る。

第５図は本発明の第２の実施例による過電圧抑制装置を
第１図と同様の可変速運転システムに適用した場合の結
線図を示すものである。第５図では巻線形誘導機20の二
次巻線22と本実施例による過電圧抑制装置61とは、二次
巻線22に流れる電流を整流するためのダイオードブリッ
ジ回路64を介して接続される。この回路構成によれば、
VBOフリー光サイリスタ３はダイオードブリッジ回路64
の直流出力側の正極回路65と負極回路66の間に１個のVB
Oフリー光サイリスタ３を設けるだけで、第１の実施例
と同様の効果を得ることができるので、経済的に有利な
構成となし得る。

即ち、第５図に示すようにダイオードブリッジ回路64の
直流出力側に過電圧が発生すると、制御装置62により過
電圧が検出され、光点弧信号がVBOフリー光サイリスタ
３に与えられる。すると、このVBOフリー光サイリスタ
３の点弧により、二次巻線22の各線間が短絡され、過電
圧を抑制する。また、制御装置62の故障などにより、VB
Oフリー光サイリスタ３に光点弧信号が入力されない場
合や、雷サージなどのように電圧上昇が急峻な過電圧が
発生した場合でも、過電圧を抑制することができる。

第６図は本発明の第４の実施例による過電圧抑制装置を
発電所の主回路の過電圧抑制用に適用した場合の結線図
である。第６図において、発電機78は主変圧器76を介し
て電力系統75に接続され、過電圧抑制装置71は第１図の
それとほぼ同様に構成され、発電所の主回路77と対地間
に接続される。

したがって、発電機78の出力側の各線間に過電圧が発生
し、この過電圧が制御装置72により検出されると、光点
弧信号の出力によりVBOフリー光サイリスタ３が点弧す
るので、発電所の主回路77が電気的に接地され、過電圧
が抑制される。また、制御装置２の故障などにより、VB
Oフリー光サイリスタ３にゲート信号が入力されない場
合や、雷サージなどのように電圧上昇が急峻な過電圧が
発生した場合でも、VBOフリー光サイリスタ３に有する
自己点弧機能により点弧するので、過電圧を抑制するこ
とができる。

なお、前述した各実施例では過電圧抑制装置の構成要素
としてVBOフリー光サイリスタを例に述べたが、本発明
はサイリスタに自己点弧機能を有するものであれば、前
述同様に適用実施できるものである。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、交流電源に接続され
た電気機器の各線間に形成される短絡回路、または各線
と接地点間に形成される接地回路に自己点弧機能を有す
るサイリスタ素子を設け、電気機器に過電圧が発生した
場合には電気機器の各線間を電気的に短絡、または接地
するようにしたので、次のような効果が得られる。

（１）電気機器に繰返し過電圧が印加されることを防止
できるので、従来の過電圧抑制装置を用いた場合に比較
して、電気機器の寿命が延びる。

（２）制御装置が故障した場合や、雷サージなどのよう
に電圧上昇が急峻な過電圧が発生した場合でも、過電圧
値を電気機器の耐電圧値以下に抑制することができるの
で、過電圧抑制装置としての信頼性が格段に向上する。

（３）従来のようにSCRを用いた過電圧抑制装置に比較
して、信頼性が格段に向上するため、過電圧抑制装置の
冗長度を減らすことが可能となり，過電圧抑制装置の小
形化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は巻線形誘導機の可変速発電システムに本発明に
よる過電圧抑制装置の一実施例を適用した場合の結線
図、第２図〜第４図は第１図の実施例において過電圧が
発生してからVBOフリー光サイリスタが動作するまでの
電圧の動きを示した図、第５図は本発明の第２の実施例
を第１図と同様の可変速発電システムに適用した場合の
結線図、第６図は本発明の第４の実施例を発電所の主回
路の過電圧抑制用に適用した場合の結線図、第７図は従
来の過電圧抑制装置を巻線形誘導機の可変速発電システ
ムに適用した場合の結線図、第８図乃至第10図は過電圧
が発生してからSCRが動作するまでの電圧の動きを示し
た図、第11図はアバランシェ形SCRを用いた場合の二次
巻線の線間電圧の動きの例を示した図である。 1,51,61,71,81……過電圧抑制装置、2,62,72……制御装
置、３……VBOフリー光サイリスタ、11……サイクロコ
ンバータ、12……サイクロコンバータ電源用変圧器、20
……巻線形誘導機、21……一次巻線、22……二次巻線、
23……主変圧器、25……交流電源回路、64……ダイオー
ドブリッジ回路、65……直流出力側の正極回路、66……
直流出力側の負極回路、75……電力系統、76……主変圧
器、77……発電所の主回路、78……発電機、V₀……常時
運転中の二次巻線線間電圧、V₁……制御装置が過電圧を
検出する電圧値、V₂……VBOフリー光サイリスタが自己
点弧する電圧値、V₃……巻線形誘導機の二次巻線及びサ
イクロコンバータ11の耐電圧値。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金子 寛和 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東 京電力株式会社内 (72)発明者 楠 清志 東京都港区芝浦１丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流電源に接続された一次回路および前記
   交流電源の出力を受けて交流励磁される二次回路を有す
   る二重給電交流機のような電気機器の前記二次回路の各
   線間に形成される短絡回路または各線と接地点間に形成
   される接地回路に設けられた自己点弧機能を有するサイ
   リスタと、前記電気機器の二次回路に発生する過電圧を
   検出すると前記サイリスタを点弧して前記短絡回路また
   は接地回路を導通させる制御手段とを備え、 前記制御手段の過電圧検出レベルを前記自己点弧機能を
   有するサイリスタの自己点弧電圧未満に定め、且つ自己
   点弧機能を有するサイリスタの自己点弧電圧を前記電気
   機器の耐電圧値以下に定めたことを特徴とする過電圧抑
   制装置。