JP6158109B2

JP6158109B2 - 過電圧保護装置

Info

Publication number: JP6158109B2
Application number: JP2014022376A
Authority: JP
Inventors: 勇太朗北森; 隆久影山; 照之石月; 崇藤田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-02-07
Filing date: 2014-02-07
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2034-02-07
Also published as: US9478972B2; EP2905858B1; CN104836206B; US20150229120A1; CN104836206A; EP2905858A1; JP2015149860A

Description

本発明の実施形態は、巻線形誘導機の二次巻線や周波数変換器を過電圧から保護する過電圧保護装置に関する。

一般に、可変速電動機システムにおいては、発電電動機が誘導機である場合に、系統事故によって発電機二次側に事故過電圧,過電流が誘起され、その誘起された過電流により可変周波数の励磁電流を供給する電力変換装置を故障させる恐れがあるため、その保護のための方法として短絡器による過電流,過電圧防止方法が用いられる。

このような可変速電動機システムの短絡器による過電流,過電圧防止方法としては、過電圧から保護すべき三相電機に接続される、直列接続したサイリスタから成るサイリスタバルブをデルタ結線して構成した短絡器と、前記三相電気機器に過電圧が加わったことでセットされるフリップフロップと、このフリップフロップの出力と前記サイリスタバルブの順電圧信号のアンド条件で該サイリスタバルブに点弧信号を与えるためのアンド回路と、前記各サイリスタバルブの電流を検出する電流検出器と、この電流検出器出力が所定期間零である条件で前記フリップフロップをリセツトする手段とを具備して成る過電圧保護装置というものがある。

特開平６−５４４４４号公報

上述した可変速電動機システムの過電流,過電圧防止方法においては、該可変速電機システムは系統故障時には地絡、相間短絡のいずれにしても過渡的な過電圧,過電流が発生し、通常運転時に比べ過大な電圧,電流が流れ込むことになり、巻線型誘導発電機の二次側にも過大な電圧，電流を誘起することになり、発電機二次側に短絡器を具備していない場合には、その過電圧，過電流が直接電力変換器に流れ込むこととなり、稀頻度で発生する系統故障時の対策のために大容量の変換器が必要であるという問題がある。

この問題に対処するため、例えば図４に示すように発電機二次側をインピーダンスの小さい第一の短絡器７で短絡する構成の発電機システムを採用する場合を考える。第一の短絡器７は、図６に示すような回路構成を有する。この場合、電動機の運転すべり周波数が大きい帯域では過電圧保護装置に転流する過電流が大きくなるため、通常運転時の電圧，電流から容量が決定されている電力変換器１０では過電圧保護装置を解放できず、発電機二次側の短絡状態からの復帰ができず、運転継続性を確保できないという問題が生じる。

一方で、例えば図５に示すように発電機二次側をインピーダンスの小さい第一の短絡器７で短絡するのではなく、これよりも大きい微小インピーダンスの第二の短絡器８で抵抗短絡する構成の発電機システムを採用する場合を考える。第二の短絡器８は、図７に示すような回路構成を有する。この場合、前記短絡器８の抵抗が十分に小さいときは、系統故障時に故障点から発電機固定子の巻線までの抵抗値Ｒ１に比べ、発電機回転子の巻線から短絡器８までの抵抗Ｒ２が十分に小さくなるため、発電機二次側の第二の短絡器８に流れる電流の過渡直流分、すなわち発電機一次側で発生した過渡交流分の減衰速度が発電機一次側に流れる電流の過渡直流分の減衰速度に比べ遅くなり、遮断器１１において電流が零点を通るので遮断器１１の開放動作が可能であるが、前記短絡器８の抵抗分が大きくなり、抵抗Ｒ２が抵抗Ｒ１に比べ大きくなると、前述した減衰速度の関係が逆転し、一次側の電流が零点を通過しない現象が起き、遮断器１１が電流を遮断できなくなるという問題が生じる。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、簡易な構成により系統事故からの復帰を短時間で行うことができ、運転継続性を確保することができる過電圧保護装置を提供することを目的とする。

実施形態によれば、巻線形誘導機の二次側と、前記巻線形誘導機の二次側を三相の励磁電源供給線を通じて励磁する可変周波数電源との間に設けられる過電圧保護装置であって、前記励磁電源供給線の相間を短絡させる機能を有する第一の短絡器と、前記第一の短絡器の短絡インピーダンスよりも大きい短絡インピーダンスで前記励磁電源供給線の相間を短絡させる機能を有する第二の短絡器、系統故障時に前記第一の短絡器と前記第二の短絡器とを動作させ、故障除去後に前記第一の短絡器の動作を停止させ、前記第一の短絡器の動作を停止させてから所定時間後に前記第二の短絡器の動作を停止させるように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする過電圧保護装置が提供される。

本発明によれば、簡易な構成により系統事故からの復帰を短時間で行うことができ、運転継続性を確保することができる。

一実施形態に係る巻線形誘導発電機の二次過電圧保護装置を含む可変速電機システムの構成の一例を示す図。同実施形態に係る第一の短絡器の駆動信号等を示すタイムチャート。同実施形態に係る第二の短絡器の駆動信号等を示すタイムチャート。第一の短絡器のみを設けた可変速電機システムの構成の一例を示す図。第二の短絡器のみを設けた可変速電機システムの構成の別の例を示す図。第一の短絡器の回路構成を示す図。第二の短絡器の回路構成を示す図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

本発明の一実施形態を、図１乃至図３を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る巻線形誘導発電機の二次過電圧保護装置を含む可変速電機システムの構成の一例を示す図である。なお、図４、図５と共通する要素には同一の符号を付している。

図１に示されるように、可変速電機システムは、主変圧器１、巻線型誘導発電機（可変速電機）２、変換器３、チョッパ回路４、逆変換器５、変圧器６、第一の短絡器７、第二の短絡器８、短絡器制御装置９、遮断器１１、および制御部１２を備えている。チョッパ回路４は、コンデンサおよび過電圧抑制チョッパ（直流チョッパ部）からなる。また、変換器３、チョッパ回路４、逆変換器５は、可変周波数電源を構成している。さらに、第一の短絡器７、第二の短絡器８、短絡器制御装置９は、二次過電圧保護装置を構成している。

なお、巻線型誘導発電機２の回転軸には、図示しない水車，ポンプ水車，風車などの原動機が連結される。

主変圧器１は、該可変速電機システムと系統との間の電圧変換を行う。

巻線型誘導発電機２は、主変圧器１を介して系統に接続される。

変換器３は、チョッパ回路４の直流チョッパ部に整流された電圧を供給する。

チョッパ回路４は、逆変換器５に直流電圧を供給する。

逆変換器５は、巻線型誘導発電機２の出力を変換して該巻線誘導発電機２の二次巻線に励磁電源を供給する。

変圧器６は、巻線誘導発電機２の出力を変換器３の定格に合わせるための変圧を行う。

第一の短絡器７は、巻線型誘導発電機２の二次巻線に接続される励磁電源供給線の各線間に接続される。この第一の短絡器７は、系統事故時に、例えば励磁電源供給線における電流が設定値より大きく、チョッパ回路４の直流チョッパ部の電圧が設定値よりも大きい場合に、短絡器制御装置９により制御されて短絡動作し、系統事故の除去後に、可変周波数電源により開放される。この第一の短絡器７の動作により、故障除去時に開放する遮断器１１の電流が零点を通過して、遮断器１１が確実に故障電流を遮断できるようになる。第一の短絡器７は、図６に示されるようにサイリスタ等の他励素子を用いて構成される。

第二の短絡器８は、巻線型誘導発電機２の二次巻線に接続される励磁電源供給線の各線間に接続される。この第二の短絡器８は、第一の短絡器７と同様の条件で短絡動作し、第一の短絡器７が開放した後に開放される。この第二の短絡器８の動作により、第一の短絡器７が開放しても、可変周波数電源に過電流，過電圧が発生しないようにすることができる。第二の短絡器８は、図７に示されるように、自励素子、抵抗、インダクタンス、複数の整流器、および転流用の整流器を用いて構成される。

短絡器制御装置９は、励磁電源供給線における電流の計測値や、チョッパ回路４の直流チョッパ部の電圧の計測値を取り込み、これらの計測値に基づいて事故電流を検出したり、短絡器７，８の短絡動作や開放動作を制御したりする。例えば、系統事故時、励磁電源供給線における電流が設定値より大きく、チョッパ回路４の直流チョッパ部の電圧が設定値よりも大きい場合に、短絡器７，８の短絡動作と同時に逆変換器５および変換器３の動作停止を行うとともに、第一の短絡器７に流れる電流が零に減衰するタイミングで第一の短絡器７の動作を停止させ、その後、第二の短絡器８へ短絡電流が分流し、その短絡電流を所定時間だけ流した後に、第二の短絡器８の動作を停止させるよう制御する。

遮断器１１は、制御部１２の制御のもとで巻線型誘導発電機２の一次側の電源供給線を遮断するために使用される。

制御部１２は、本システムの全体の制御を司る制御装置である。

次に、図２，図３のタイミングチャートを参照して、系統事故時における二次過電圧保護装置の動作について説明する。

例えば、系統において三相地絡事故が発生し、巻線型誘導発電機２の固定子２Ｓに作用する電圧が大きく変化すると、回転子２Ｒに過電圧が誘起される。短絡器制御装置９は、二次回路を介して時刻Ｔ１にこの過電圧を検出し、この過電圧を検出した場合に第一の短絡器７と第二の短絡器８を動作させ、それと同時に変換器３および逆変換器５の動作を停止させる。

事故が除去され過電圧が減衰すると、第一の短絡器７に流れる電流も徐々に減衰するが、ここでは短絡器制御装置９の制御により、第一の短絡器７に流れる電流が第一の短絡器７のリセツト条件である電流値Ｐ（例えば逆変換機５の定格の１．３倍よりも小さい値）を下回るタイミングで逆変換器５から逆電圧を第一の短絡器７にかけ、その直後に第一の短絡器７に流れる電流がゼロになるようにし、一定時間後の時刻Ｔ２で第一の短絡器７をオフさせる。

第一の短絡器７に流れていた電流が逆変換器５に流れ込もうとするが、その時点では、第二の短絡器８が作動しているため、逆変換器５が短絡器に逆相電圧をかけ短絡器を停止した後に逆変換器に転流される電流量を低減させ、逆変換器５に流れ込む電流が再び過電流になることなく時刻Ｔ３で逆変換器５が再動作する。

本実施形態によれば、系統故障時の過電圧，過電流は第一の短絡器７および第二の短絡器８で耐え得るので、変換器３および逆変換器５の定格容量は通常運転時のすべり周波数で決まる電圧と定格運転時の電流で決定され、大容量にはならず、第一の短絡器７および第二の短絡器８の定格も短時間定格で設計できるので、小型に製作することができる。

また、前記第一の短絡器７に流れる過渡直流電流は、すなわち二次側に流れる過渡電流であるため、一次側においては交流となっており、減衰については通常、巻線型誘導発電機２の回転子２Ｒの巻線と短絡器間の抵抗値に比べ、系統故障点と巻線型誘導発電機２の固定子２Ｓの巻線間の抵抗値が大きいことから一次側の過渡直流の減衰に比べ二次側の過渡直流の減衰は遅いので、一次側の遮断器１１における電流が零点を通らない現象を避けることができる。

さらに、第二の短絡器８の効果により、前述したような通常運転時から定めた定格容量の変換器を具備したのみの可変速電機システムにおいても、第一の短絡器７が停止後に再動作することもなくなるので、該可変速電機システムの運転継続性を確保することができる。

１…主変圧器、２…巻線形誘導発電機、３…変換器、４…チョッパ回路、５…逆変換器、６…変圧器、７…短絡器（第一の短絡器）、８…短絡器（第二の短絡器）、９…短絡器制御装置、１０…電力変換器、１１…遮断器、１２…制御部。

Claims

巻線形誘導機の二次側と、前記巻線形誘導機の二次側を三相の励磁電源供給線を通じて励磁する可変周波数電源との間に設けられる過電圧保護装置であって、
前記励磁電源供給線の相間を短絡させる機能を有する第一の短絡器と、
前記第一の短絡器の短絡インピーダンスよりも大きい短絡インピーダンスで前記励磁電源供給線の相間を短絡させる機能を有する第二の短絡器と、
系統故障時に前記第一の短絡器と前記第二の短絡器とを動作させ、故障除去後に前記第一の短絡器の動作を停止させ、前記第一の短絡器の動作を停止させてから所定時間後に前記第二の短絡器の動作を停止させるように制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする過電圧保護装置。
前記第一の短絡器は、他励素子を備え、
前記第二の短絡器は、自励素子、抵抗、及びインダクタンスを備えていることを特徴とする請求項１に記載の過電圧保護装置。