JP5410837B2 - 変圧器の負荷切替装置 - Google Patents

Description

この発明は、高圧配電系統を同一とする２つの変圧器において、一時的に、一方の変圧器の低圧側負荷を他方の変圧器側へ無停電で切り替えるような、変圧器の負荷切替装置に関するものである。

電力の安定供給維持のためには、高圧配電系統における変圧器などの配電機器のメンテナンスや更新工事が必要不可欠である。例えば、Ａ，Ｂの２バンク受電において、Ｂバンクの柱上変圧器の取替え工事が発生した場合は、Ｂバンクの負荷ＬＢを一時的にＡバンクへ切替えて、Ｂバンクの工事中でもＡバンクから電力を供給し、工事終了後に負荷ＬＢをＢバンクに切戻す工事を行う。このような工事の施工に際しては、需要家を停電させることなく行うことが強く求められており、このための技術もいろいろと提案されている。

例えば、従来の電源切替装置として、図９のような技術が開示されている。高圧配電線に変圧器（図示せず）を介して接続された低圧配電線４１ａ（Ａバンクとする）と、別の変圧器を介して接続された低圧配電線４１ｂ（Ｂバンクとする）との間で、一時的に、Ｂバンクの低圧配電線４１ｂをＡバンクに接続するように切り替えるものであって、両低圧配電線４１ａ，４１ｂの間に、バイパスケーブルによって電源切替装置４２が接続されている。電源切替装置４２には、無接点スイッチとリレー接点とを並列に接続したスイッチ回路４３と、負荷側配電線の無電圧を検出する検出回路４４とが内蔵されている。

切替は、まず、Ｂバンクに接続された変圧器の２次側の低圧開閉器（図示せず）を手動開放すると、Ｂバンク側の低圧配電線４１ｂが無電圧になるので、これを検出回路４４で検出し、速やかに検出回路４４からスイッチ回路４３の無接点スイッチに自動的に導通指令が与えられる。すると無接点スイッチは即座に導通状態となり、Ａバンク側の変圧器を介して低圧配電線４１ａから無接点スイッチを通してＢバンク側の低圧配電線４１ｂに電力が供給されるようになる。その後、無接点スイッチと並列に接続されたリレー接点が投入されて切替操作が完了する（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、ＡバンクとＢバンクは高圧配電線の異なる相に接続される場合も多く、この場合、切替タイミングを誤るとＡバンクとＢバンク間で相間短絡となり、短絡電流が流れ、バンクや機器に損傷を与える可能性がある。
このため、例えば、異バンク突き合わせ点に対向する左右それぞれ２条の外側線導体間の電圧ベクトル差を、別途設置した３巻線絶縁変圧器を用いて導出した相等しい大きさの２つの誘導起電力により相殺し、突き合わせ点左右の両系統を一時的に並列運転の状態に置いた後、切替を行うようにした技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

実公平３−８０３７号公報（第２−３頁、第１図及び第２図） 特開昭６２−１６３５２８号公報（第５頁、第１図）

しかしながら、上記の特許文献１では、無電圧を検出して切替を行っているので、瞬時（例えば、１０ｍｓｅｃ以内）の停電は避けられないという問題点があった。特に、最近の家電品にはマイコンやＣＰＵが搭載される場合が多く、メモリの消失や不具合発生を防ぐには瞬停時間をなくすることを強く要求されている。
また、特許文献２の技術では瞬停は避けられるが、別途絶縁変圧器を仮設する必要があり、柱上変圧器やビル，マンションの地下受電設備での作業性を考慮すると、可搬可能なサイズや重量での切替装置が必要であり、これらの要求に応えられないという問題点があった。

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、完全な無停電で切替えでき、且つ、可搬可能なサイズと重量の変圧器の負荷切替装置を提供することを目的とする。

この発明に係る変圧器の負荷切替装置は、高圧側配電線に変圧器を介して接続された一方のバンク側の負荷を、高圧側配電線に別の変圧器を介して接続された他方のバンク側へ切り替えるための変圧器の負荷切替装置において、両バンクの低圧側配電線間に取り外し可能に接続され、中間にケーブル開閉器が設けられたバイパスケーブルと、切り離し側のバンクに設けられた開閉装置に並列に接続される開放スイッチを備えた第１の切替装置と、ケーブル開閉器に並列に接続される第１の無接点スイッチに、第２の無接点スイッチと電流制限素子との直列体が並列に接続された回路を有し、両無接点スイッチ及び開放スイッチをオンオフ制御する制御回路を備えた第２の切替装置と、で構成され、更に、それぞれの無接点スイッチには、電源とリレー接点と電流検出器とを有する故障検出回路が設けられており、制御回路は、第１の切替装置の開放スイッチに投入指令を出してオンさせ、切り離し側のバンクの開閉装置が開放されて開放スイッチ側に転流した後、開放スイッチをオフする前に両低圧側配電線間にバイパス回路を形成するようなシーケンス制御機能を有しているものである。

この発明の変圧器の負荷切替装置によれば、両バンクの低圧配電線間に取り外し可能に接続され、中間にケーブル開閉器が設けられたバイパスケーブルと、切り離し側のバンクの開閉装置に並列に接続される第１の切替装置と、ケーブル開閉器に並列に接続される第１の無接点スイッチに、第２の無接点スイッチと電流制限素子との直列体が並列に接続された回路を有し、両無接点スイッチ及び開放スイッチをオンオフ制御する制御回路を備えた第２の切替装置と、で構成し、更に、それぞれの無接点スイッチには、電源とリレー接点と電流検出器とを有する故障検出回路が設けられており、制御回路は、第１の切替装置の開放スイッチに投入指令を出してオンさせ、切り離し側のバンクの開閉装置が開放されて開放スイッチ側に転流した後、開放スイッチをオフする前に両低圧側配電線間にバイパス回路を形成するような制御機能を有しているので、瞬停時間なしに切り離しバンク側の負荷を別のバンクに切替えることができるため、負荷を停電させることなく、変圧器の交換工事や負荷片寄せ工事を行うことができる。
また、各無接点スイッチに故障検出回路が設けられているので、切替装置の信頼性を維持することができ、安全かつ確実に切替え作業を実施することができる。

この発明の実施の形態１による変圧器の負荷切替装置を示す接続図である。 図１の第１の切替装置の内部配線図である。 図１の第２の切替装置の内部配線図である。 図１の変圧器の負荷切替装置の動作を説明する接続図である。 実施の形態１による変圧器の負荷切替装置の切戻し操作時の接続図である。 図１の変圧器の負荷切替装置において、切替操作時の各スイッチのタイムチャート図である。 図１の切替装置に使用する無接点スイッチの故障検出回路図である。 この発明の実施の形態２による変圧器の負荷切替装置を示す接続図である。 従来のバイパス工法用電源切替装置の接続図である。

実施の形態１．
以下、実施の形態１による変圧器の負荷切替装置を図に基づいて説明する。
図１に示すように、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３相の高圧側配電線１から、プライマリカットアウト２ａ，２ｂを介して単相３線式の変圧器３ａおよび３ｂが接続されている。各変圧器３ａ，３ｂの２次側には低圧開閉器４ａおよび４ｂが設けられており、低圧開閉器４ａ，４ｂには、低圧側配電線５ａ，５ｂが接続され、それぞれに負荷ＬＡおよびＬＢが接続されている。変圧器３ａ側をＡバンク、変圧器３ｂ側をＢバンクと呼ぶことにする。
本実施の形態の変圧器の負荷切替装置は、上記のように構成された配電線回路において、一方のバンク側の変圧器のメンテナンスや負荷片寄せ等の必要が生じた場合、一方のバンク側の負荷を一時的に他方のバンク側の変圧器から電力供給を受けるように切替えるためのものである。

まず、変圧器の負荷切替装置の構成から説明する。負荷切替装置は、第１の切替装置１０と、第２の切替装置２０と、ＡバンクとＢバンクの低圧側配電線５ａ，５ｂ間をバイパスさせるバイパスケーブル６と、バイパスケーブル６の中間部に設けられたケーブル開閉器７とを備えている。

図２は、第１の切替装置１０の内部構成を示した配線図である。なお、わかりやすくするために単線回路で表記している。
第１の切替装置１０は、主回路と接続するための端子１１及び１２の間に、両極性の第３の無接点スイッチ１３とヒューズ１４とが直列に接続され、第３の無接点スイッチ１３をオン，オフするためのドライブ回路１５が内蔵されている。この無接点スイッチ１３は、特許請求の範囲に記載した「開放スイッチ」に相当するものであり、後述する第２の切替装置に使用される無接点スイッチと区別するために、第３の無接点スイッチと呼んでいる。
第３の無接点スイッチ１３は、例えば、サイリスタ等の半導体スイッチ素子が逆並列に組み合わされて構成されたものである。
また、ドライブ回路１５は、後述する第２の切替装置２０の制御回路２７から、外部端子１６を通じて入力される指令を受けて、無接点スイッチ１３をオン、オフ制御するものである。

図３は、第２の切替装置２０の内部構成を示した配線図である。図２と同様に、単線回路で表記している。
第２の切替装置２０は、主回路と接続するための端子２１及び２２の間に、両極性の第１の無接点スイッチ２３と開閉器２４とが直列に接続され、第１の無接点スイッチ２３と並列に、第２の無接点スイッチ２５と電流制限素子２６との直列体が接続されている。両無接点スイッチ２３，２５は、前述の第３の無接点スイッチ１３と同様に、半導体スイッチ素子で構成されており、また、電流制限素子２６は、例えば、抵抗やリアクトルで構成されている。

更に、両無接点スイッチ２３，２５をシーケンシャルにオン，オフ制御するための制御回路２７が内蔵されており、この制御回路２７は、外部端子２８を介して、先に説明した第１の切替装置１０のドライブ回路１５と接続されて指令を出し制御できるようになっている。更に、第２の切替装置２０のケースパネルにはＲＥＡＤＹ釦，ＳＴＡＲＴ釦，及び両無接点スイッチ２３，２５の動作インジケータ等が配置されているが図示を省略している。

次に、上記のように構成された変圧器の負荷切替装置を用いて、図１のＡバンク側の負荷ＬＡを、一時的にＢバンク側の変圧器３ｂから電力供給を受けるように切替える場合について説明する。図１に示すように、まず、オフ状態にある第１の切替装置１０を、投入状態にある低圧開閉器４ａ（特許請求の範囲の「開閉装置」に相当）と並列に接続し、更に、両変圧器２ａ，２ｂの２次側の低圧側配電線５ａ，５ｂ間を、バイパスケーブル６及び開放状態にあるケーブル開閉器７で接続する。そして、ケーブル開閉器７に並列に第２の切替装置２０を、開閉器２４はオフ状態で接続する。更に、第２の切替装置２０の外部端子２８と第１の切替装置１０の外部端子１６とを信号線で接続する。この状態が図１である。

次に動作について説明する。図４は、図１のように接続した両切替装置１０，２０を、理解しやすいように単線で示した説明用の結線図である。また、図６は、各無接点スイッチのタイムチャート図である。両図を参照しながら説明する。
まず、第２の切替装置２０に設置されたＲＡＤＹ釦を操作することで、第１の切替装置１０内の第３の無接点スイッチ１３（開放スイッチ）が導通状態となる。次に、低圧開閉器４ａを手動で開放することで、低圧開閉器４ａ側から第３の無接点スイッチ１３側へ転流させることができる。

次に、第２の切替装置２０内の開閉器２４を（手動で）投入した後、ＳＴＡＲＴボタンを操作することで、以下の切替動作が自動的に開始される。すなわち、第２の無接点スイッチ２５がオンし、Ｂバンクの低圧側配電線５ｂからＡバンクの低圧側配電線５ａへ電力が供給される。しかしながら、５ａと５ｂは異系統であるため、同時に横流も流れる。ところが、第２の無接点スイッチ２５には直列に電流制限素子２６が挿入されているため、横流の大きさは定格電流レベル以下になるよう制限される（このように電流制限素子２６の定数を設定している）。
ついで第１の切替装置１０の第３の無接点スイッチ１３（開放スイッチ）がオフし、横流回路は遮断されると共に、変圧器３ａからの電力供給は停止される。続いて、第１の無接点スイッチ２３がオンした後、第２の無接点スイッチ２５がオフすることで、電流制限素子２６を外した状態で、Ｂバンクの変圧器３ｂ側から負荷ＬＡと負荷ＬＢに電力が供給されることになる。

これらの一連の動作は制御回路２７に内蔵されたタイマー（ないしはシーケンサ）によって規定の時間差で動作するよう設定されている。図６に示すように、第２の切替装置２０の第２の無接点スイッチ２５がオン状態で、第１の切替装置１０の第３の無接点スイッチ１３（開放スイッチ）がオフするので、オーバーラップの時間が発生するため、Ａバンク側の負荷ＬＡへの電力供給が途切れることは無く、瞬停は発生しない。
上記動作で各無接点スイッチの動作が完了した後、ケーブル開閉器７を手動で投入することで、第１の無接点スイッチ２３を介さずにＡ，Ｂ両バンクのバイパス回路が完成されて接続が完了し、各切替装置１０，２０を主回路から切り離すことが可能となる。

次に、上記の状態から負荷ＬＡをＡバンクに切り戻すときの操作手順について説明する。切り戻す場合は、両切替装置１０，２０の接続を変更する。図５は切り戻し操作時の両切替装置１０，２０の結線図である。図に示すように、第１の切替装置１０をバイパスケーブル６に接続されたケーブル開閉器７と並列に接続し、第２の切替装置２０をＡバンク側の低圧開閉器４ａと並列に接続する。図１と比較すると、第１の切替装置１０と第２の切替装置２０とが入れ替わっており、それ以外は全く同じである。従って、切り戻し操作は、上記と同様の操作方法で切替えることができる。

概略を説明すれば、第２の切替装置２０のＲＡＤＹ釦の操作により、第１の切替装置１０の第３の無接点スイッチ１３をオンし、ケーブル開閉器７を手動でオフさせた後、第２の切替装置２０の開閉器２４を投入し、ＳＴＡＲＴボタンを押すと、第２の切替装置２０の第２の無接点スイッチ２５がオンし、第１の切替装置１０の第３の無接点スイッチ１３がオフし、第２の切替装置２０の第１の無接点スイッチ２３がオンし、第２の無接点スイッチ２５がオフとなる（図６参照）。この後、低圧開閉器４ａを投入する。

これまでの説明において、第１の切替装置１０に使用する開放スイッチとして、無接点スイッチ１３を用いた場合について説明したが、無接点スイッチを使用する以外に、電磁接触器や遮断器を用いて主回路をオン，オフするようにしても良い。第１の切替装置１０は、第２の切替装置２０に比べて切替精度は低くても良いので、遠隔操作が可能な開閉スイッチであれば機械接点で開閉するものでも使用可能であり、より安価に構成できる。

また、第２の切替装置２０は、それらの構成部品、すなわち、第１の無接点スイッチ２３，開閉器２４，第２の無接点スイッチ２５，電流制限素子２６，および制御回路２７を一つの容器に収容して一体化すれば、切替装置２０の持ち運びが容易となり、様々な受電設備に持ち込んで、切替工事を行うことが可能となる。
なお、ビルの地下室等の設備のように、変圧器が近くに配置されたものであれば、第１の切替装置１０と第２の切替装置２０を接近させられるので、更に、両切替装置１０，２０を同一容器に収容して一体にすることも可能であり、そうすれば、両者の接続作業が不要となり、取り扱いがより簡単となる。

また、逆に、変圧器が柱上変圧器の場合で、切り替えるべき柱上変圧器間が、例えば１００ｍほど離れているような場合であれば、第１の切替装置１０と第２の切替装置２０とを有線で接続するのは困難である。この場合は、第１の切替装置１０と第２の切替装置２０とに、無線の送受信部を設け、無線通信にて信号を送受信するようにすればよい。本願の負荷切替装置の場合は、第２の無接点スイッチ２５がオンする時点と第３の無接点スイッチ１３（開放スイッチ）がオフする時点の時間差に余裕があるため、多少の通信時ディレイが存在しても、無停電で安定に切替えることが可能である。

また、切替操作において、万一、切替装置内の無接点スイッチが故障していた場合は、切替え動作に不具合が生じ、場合によっては事故に繋がる虞もあるので、無接点スイッチが正常に動作するかどうかを判断する機能を付加しておくのが望ましい。
図７は、無接点スイッチの機能を事前チェックするための故障検出回路図である。それぞれの無接点スイッチ１３，２３，２５に、図のような回路を付加すればよい。各無接点スイッチの両端に常開のリレー接点３１及び３２を接続し、その間に低圧の電源３３および電流検出器３４を接続し、リレー制御回路３５を備えて構成したものである。

この故障検出回路により、切替装置を使用する前に、各無接点スイッチ単体で動作確認を行う。確認方法は、リレー接点３１，３２をオンした状態でチェックする無接点スイッチをオン，オフする。無接点スイッチのオン，オフ指令と同期して電流検出器３４で検出できれば、リレー制御回路３５において正常動作と判断し、同期して検出できなければエラーを返す。
このような機能を各切替装置１０，２０に付加することにより、切替装置１０，２０の信頼性を維持することができ、常に安全、かつ確実にバンクを切替えることができる。

以上のように、実施の形態１の変圧器の負荷切替装置によれば、両バンクの低圧配電線間に取り外し可能に接続され、中間にケーブル開閉器が設けられたバイパスケーブルと、切り離し側のバンクの開閉装置に並列に接続される第１の切替装置と、ケーブル開閉器に並列に接続される第２の切替装置とで構成し、第２の切替装置の制御回路は、第１の切替装置の開放スイッチに投入指令を出してオンさせ、切り離し側のバンクの開閉装置が開放されて開放スイッチ側に転流した後、開放スイッチをオフする前に両低圧側配電線間にバイパス回路を形成するような制御機能を有しているので、瞬停時間なしに切り離しバンク側の負荷を別のバンクに切替えることができるため、負荷を停電させることなく、変圧器の交換工事や負荷片寄せ工事を行うことができる。
また、本負荷切替装置は、主として低圧開閉器と無接点スイッチ、制御回路基板等で構成されているため、手持ちで持ち運び可能な重量と大きさに抑えることが可能であり、取り扱いが容易な変圧器の負荷切替装置を提供できる。

また、第１の切替装置の開放スイッチは、無接点スイッチ，電磁接触器，又は遮断器のいずれかとしたので、開放スイッチを安価に構成できる。
また、第２の切替装置は、一つの容器に収容して一体に形成したので、持ち運びが容易となるため、様々な受電設備に持込んで、容易に切替工事を行うことができる。
また、各無接点スイッチには、電源とリレー接点と電流検出器とを有する故障検出回路を設けたので、切替装置の信頼性を維持することができ、安全かつ確実に切替え作業を実施することが可能となる。
また、第２の切替装置の制御回路から第１の切替装置の開放スイッチへの指令を、無線にて通信するように構成したので、切り替えるべきバンクが遠方にあっても無停電にて切替えることが容易に可能となる。

実施の形態２．
図８は、実施の形態２による変圧器の負荷切替装置を示す接続図である。実施の形態１の図１と同等部分は同一符号で示し、説明は省略する。
高圧側配電線１に接続される変圧器によっては、２次側に低圧開閉器（図１の符号４ａ，４ｂ）が存在しない場合がある。本実施の形態では、そのような場合に適用可能な負荷切替装置である。

変圧器が柱状変圧器の場合には、低圧開閉器が存在しない場合があるが、１次側には、プライマリカットアウト２ａ，２ｂが存在する。そこで、「切り離し側のバンクに設けられた開閉装置」として、このプライマリカットアウトを利用するものである。
図８に示すように、第１の切替装置１０をプライマリカットアウト２ａと並列に接続し、第２の切替装置２０は、実施の形態１と同様に、低圧側配電線５ａ，５ｂ間を接続するバイパスケーブル６に設けたケーブル開閉器７に並列に接続するものである。

切替操作方法は、実施の形態１の低圧開閉器４ａの開閉動作をプライマリカットアウト２ａに置き換えるだけで、それ以外は実施の形態と同一であるため、説明は省略する。
このように、低圧開閉器４ａ，４ｂが存在しない構成においても、無停電で変圧器２次側負荷を別のバンクに切替えることができ、しかも、可搬可能なサイズ、重量で実現できるため、特に、電柱での変圧器交換工事を容易に行うことができる。
なお、柱上変圧器の場合は、切り替えるべき柱上変圧器間が離れて配置されている場合が多いので、実施の形態１で説明した、第１の切替装置１０と第２の切替装置２０とを無線通信に送受信する構成を採用すれば、効果的である。

以上のように、実施の形態２の変圧器の負荷切替装置によれば、第１の切替装置が接続される切り離し側のバンクの開閉装置を、変圧器１次側のプライマリカットアウトとしたので、例えば、低圧開閉器を備えていない柱上変圧器の場合でも適用可能であり、低圧開閉器の有無に関わらず、無停電で負荷を切替えることができる。

１ 高圧側配電線 ２ａ，２ｂ プライマリカットアウト
３ａ，３ｂ 変圧器 ４ａ，４ｂ 低圧開閉器（開閉装置）
５ａ，５ｂ 低圧側配電線 ６ バイパスケーブル
７ ケーブル開閉器 １０ 第１の切替装置
１１，１２ 端子 １３ 第３の無接点スイッチ（開放スイッチ）
１４ ヒューズ １５ ドライブ回路
１６ 外部端子 ２０ 第２の切替装置
２１，２２ 端子 ２３ 第１の無接点スイッチ
２４ 開閉器 ２５ 第２の無接点スイッチ
２６ 電流制限素子 ２７ 制御回路
２８ 外部端子 ３１，３２ リレー接点
３３ 電源 ３４ 電流検出器
３５ リレー制御回路 ＬＡ，ＬＢ 負荷。

Claims (5)

1. 高圧側配電線に変圧器を介して接続された一方のバンク側の負荷を、前記高圧側配電線に別の変圧器を介して接続された他方のバンク側へ切り替えるための変圧器の負荷切替装置において、
   前記両バンクの低圧側配電線間に取り外し可能に接続され、中間にケーブル開閉器が設けられたバイパスケーブルと、
   切り離し側のバンクに設けられた開閉装置に並列に接続される開放スイッチを備えた第１の切替装置と、
   前記ケーブル開閉器に並列に接続される第１の無接点スイッチに、第２の無接点スイッチと電流制限素子との直列体が並列に接続された回路を有し、前記両無接点スイッチ及び前記開放スイッチをオンオフ制御する制御回路を備えた第２の切替装置と、で構成され、
   更に、それぞれの前記無接点スイッチには、電源とリレー接点と電流検出器とを有する故障検出回路が設けられており、
   前記制御回路は、前記第１の切替装置の前記開放スイッチに投入指令を出してオンさせ、前記切り離し側のバンクの前記開閉装置が開放されて前記開放スイッチ側に転流した後、前記開放スイッチをオフする前に前記両低圧側配電線間にバイパス回路を形成するようなシーケンス制御機能を有していることを特徴とする変圧器の負荷切替装置。
2. 前記第１の切替装置が接続される前記開閉装置は、切り離し側の変圧器の１次側のプライマリカットアウト、又は、前記切り離し側の変圧器の２次側の低圧開閉器であることを特徴とする請求項１記載の変圧器の負荷切替装置。
3. 前記第１の切替装置の前記開放スイッチは、無接点スイッチ，電磁接触器，又は遮断器のいずれかにより構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の変圧器の負荷切替装置。
4. 前記第２の切替装置は、一つの容器に収容されて一体に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の変圧器の負荷切替装置。
5. 前記第２の切替装置の前記制御回路から前記第１の切替装置の前記開放スイッチへの指令は、無線にて通信するように構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の変圧器の負荷切替装置。

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