JP6253995B2

JP6253995B2 - ディジタル保護制御装置の入力変換器及び入力変換基板

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Publication number: JP6253995B2
Application number: JP2014006630A
Authority: JP
Inventors: 清典南方
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2034-01-17
Also published as: JP2015136240A

Description

本発明は、ディジタル保護制御装置の入力変換器及び入力変換基板に関し、特に、電力系統の電気量を測定する入力変成器からの出力を取り込み、電力系統の保護制御を行うディジタル保護制御装置の入力変換器及び入力変換基板に適用して好適なるものである。

電力系統の保護制御に用いられるディジタル保護制御装置においては、電力系統の電圧や電流を測定する入力変成器からの出力を取り込むための入力部と、保護制御演算を実行して電力系統の保護制御を行う制御部とは、特許文献１に例示されるようにそれぞれ別のユニットとして構成される。

電力系統におけるディジタル保護制御装置の入力変換器に用いられる変流器においては、電力系統の事故が発生したときに、過渡直流分による直流偏磁耐性を向上させることや、小電力入力時での精度を向上させることなどが重要となってくる。また、ディジタル保護制御装置の入力変成器は高圧部品である複数の入力変成器から構成されるため、保護制御板内の大きな設置容量を占めることになる。このため変流器の小型化や軽量化も求められている。

特開平８−１６３７６６号公報

過度直流分による直流偏磁耐性を向上させるために、コイルを大形化する必要があるが、コイルのコアが大形化することで、変流器を小型化したりコストを低減させたりすることが困難となる。また、過渡直流分による直流偏磁が発生しても、漏れ磁束のため緩やかな飽和特性を持つＥＩコアを用いることも考えられるが、トロイダルコアと比較し励磁インピーダンスが劣ることで精度が悪くなってしまうという問題があった。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、ＥＩコアを用いて過渡直流分による直流偏磁に対する耐性を向上させるとともにコアを小型化し、ＥＩコアの鉄心をハイブリッド化して励磁インピーダンスを維持することが可能なディジタル保護制御装置の入力変換器及び入力変換基板を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するために本発明においては、電力系統の保護制御を行うディジタル保護制御装置の入力変換器であって、前記入力変換器は、電力系統の電気量を測定する入力変成器と、前記入力変成器からの出力を取り込む入力部と、から構成され、前記入力変成器は、鉄心をハイブリッド化したＥＩコアからなり、前記ＥＩコアの前記鉄心を、珪素鋼板をパーマロイで挟み込むようにして構成するようにした。
また本発明においては、ディジタル保護制御装置の入力変換器を構成する入力変換基板であって、前記入力変換基板は、電力系統からの電流を入力する１次回路と、ＥＩコアの鉄心に巻き付けられ、前記１次回路に入力された電流を所定の比率に変換して２次回路に出力するコイルと、前記コイルからの出力電流を電圧に変換する２次回路と、を備え、前記ＥＩコアの前記鉄心を、珪素鋼板をパーマロイで挟み込むようにして構成するようにした。

かかる構成によれば、入力変成器にトロイダルコアよりも漏れ磁束の大きいＥＩコアを採用し、ディジタル保護制御装置の変流器における過渡直流分による直流偏磁耐性の向上を実現させることができる。また、鉄心をハイブリッド化することにより、小電流入力での精度を向上させることができる。

本発明によれば、ＥＩコアにより過渡直流分による直流偏磁に対する耐性を向上させるとともにコアを小型化し、ＥＩコアの鉄心をハイブリッド化して励磁インピーダンスを維持することができる。

本発明の一実施形態に係るＥＩコアの構成を説明する概念図である。同実施形態にかかるディジタル保護制御装置の入力変換器の構成を示す概念図である。同実施形態にかかるディジタル保護制御装置の入力変換器の回路構成を示すブロック図である。同実施形態にかかる鉄心ハイブリッドの枚数比率の評価を説明するグラフである。

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。

（１）本実施形態の概要
まず、本実施形態の概要について説明する。上記したように、電力系統におけるディジタル保護制御装置の入力変換器に用いられる変流器においては、電力系統の事故が発生したときに、過渡直流分による直流偏磁耐性を向上させることや、小電力入力時での精度を向上させることが求められる。また、変流器の小型化や軽量化も求められている。

上記したように、ディジタル保護制御装置は、電力系統の入力変成器からの出力を取り込む入力部（入力変換器）と、電力系統の保護制御を行う制御部より構成される。従来の入力変換ユニットでは、過渡直流分による直流偏磁耐性向上対策として、コイルを大形化する必要があった。しかし、コイルのコアが大形となると、変流器の小型化やコスト低減が困難となるという問題があった。特に、方向性珪素鋼板のトロイダルコアでは、急激に磁束が飽和するという欠点があり、過渡直流が入力された場合には、直流偏磁しやすく、出力波形の歪みが大きくなってしまっていた。

そこで、過渡直流分による直流偏磁が発生しても、漏れ磁束のため緩やかな飽和特性を持つＥＩコアを利用することが考えられるが、ＥＩコアは励磁インピーダンスがトロイダルコアより劣ることで精度が悪くなる。

そこで、本実施形態では、ＥＩコアを用いて過渡直流分による直流偏磁に対する耐性を向上させるとともにコアを小型化し、ＥＩコアの鉄心をハイブリッド化して励磁インピーダンスを維持することを可能としている。

具体的には、トロイダルコアよりも漏れ磁束の大きいＥＩコアを採用し、ＥＩコアの鉄心材料に、緩やかな飽和特性を有する無方向性珪素鋼板またはＮＩ４８％含有のＰＢパーマロイを利用することにより、ディジタル保護制御装置のＣＴ回路（変流器）における過渡直流分による直流偏磁耐性の向上を実現させる。また、珪素鋼板及びＰＣパーマロイから構成されるハイブリッド鉄心を採用することにより、小電流入力での精度を向上させている。

このように、小形のＥＩコアを採用することにより、漏れ磁束を多くして緩やかな飽和特性を得る。これにより、過渡直流分により直流偏磁が発生しても、出力の歪み、すなわち入力波形に対する出力波形の差異やひずみを小さくすることができる。

また、コアの鉄心材に、飽和特性が緩やかな無方向性珪素鋼板を採用している。無方向性珪素鋼板を使用したＥＩコアは、従来のコアと比べて励磁インピーダンスが低下する。そこで、本実施形態では、ＥＩコアの鉄心をハイブリッド化して、ＥＩコアを最小にしても励磁インピーダンス、すなわち、低入力域の精度を維持している。

具体的に、本実施の形態では、ＥＩコアの鉄心のハイブリッドの枚数比率は、珪素鋼板９０％とＰＣパーマロイ１０％としている。また、コアを積層鉄心にしてハイブリッド化する際に、珪素鋼板をパーマロイで挟み込む構成とすることにより、磁束の流れをコアの両サイドで均一化することにより誘導的にバランスさせている。

また、ＥＩコアの巻線の径を細くし、巻き数を約２．５倍に増やすことにより、トロイダルコアを採用した場合と同等以上の励磁インピーダンスを維持することを可能としている。また、ＥＩコアを採用すると、ボビンへの巻線作業となり、巻線の作業性が向上し、巻き数を多くすることができることから、コアの小型化も実現できる。そして、コアが小型化することにより、従来のディジタル保護制御装置に比して体積比で１／２化を実現することができ、装置の小型化及び低コスト化を可能としている。

（２）ＥＩコアの構成
次に、図１を参照して、本実施形態にかかるＥＩコアの構成について説明する。図１の外観図１００は、コイル１０１が巻き付けられたＥＩコア１０２の斜視図である。図１の外観図１００に示すように、コイル１０１は、ＥＩコア１０２のボビンに巻き付けられている。

そして、図１の外観図１１０は、ＥＩコア１０２の上面から見た図である。図１の外観図１１０に示すように、ＥＩコア１０２の鉄心は、ＰＣパーマロイ１０３と珪素鋼板１０４を積層するハイブリッド鉄心が採用されている。ＰＣパーマロイ１０３及び珪素鋼板１０４の積層枚数比は、例えば、ＰＣパーマロイ１０３の枚数比率を１０％とし、珪素鋼板１０４の枚数比率を９０％とする。このように、ＥＩコア１０２にハイブリッド鉄心を採用することにより低入力域の精度を維持することができる。

また、図１の外観図１１０に示すように、珪素鋼板１０４をＰＣパーマロイ１０３で挟み込む構成とすることにより、磁束の流れをＥＩコア１０２の両サイドで均一化して、誘導的にバランスさせることができる。

また、本実施形態では、図１の外観図１００に示すように、ＥＩコア１０２の巻線の径を細くして、従来のコアより巻き数を約２．５倍に増やしている。これにより、コアを小型化しつつ、従来のトロイダルコアを採用した場合と同等以上の励磁インピーダンスを維持することが可能となる。

ここで、励磁インピーダンスが維持できない場合とは、ＥＩコア１０２が磁気飽和することを意味する。ＥＩコアを小型化することにより、コアの断面積が小さくなるが、巻き数を増やすことにより、磁気飽和電圧を維持することが可能となる。また、本実施形態では、ＥＩコアの小型化に際して、物理的にコアの断面積が１／２．５となったため、巻数を２．５倍としたが、巻数を２．５倍以上にすれば励磁インピーダンスを維持することができる。なお、巻数が多いほど電線の体積を必要とするため、コアの断面積の小型化とコイルの巻数の決定は、物理的な体積を考慮して設計するようにしてもよい。

（３）ディジタル保護制御装置の入力変換器の構成
次に、図２を参照してディジタル保護制御装置の入力変換器の構成について説明する。図２は、ＥＩコアで構成された複数の入力変成器が収納された状態を示している。図２の外観図１０は入力変換器の側面図を示し、外観図１１は入力変換器の平面図を示す。

図２に示すように、ディジタル保護制御装置の入力変換器は、プリントボード１６が、補強金具１７のフレーム部分位置に、各所でネジ１２及び１４で固定されている。プリントボード１６は、１６個の端子を含む入力コネクタ１５と、出力コネクタ１３を備える。

コイル１０１が巻かれたＥＩコア１０２で構成された複数の入力変成器を図２に示すような配置とすることにより、コイル間で相互に磁束の影響を受けないようにしている。

（４）回路構成
次に、図３を参照して、ディジタル保護制御装置の入力変換器の回路構成について説明する。上記したように、ディジタル保護制御装置の入力変換器は、保護対象である送電線などの電流または電圧を変流器または電圧変成器などで検出した信号を、入力変成器によりレベル変換したり、絶縁をして内部取り込みしたりする機能を有する。

図３に示すように、入力変換器の回路は、１次回路２１０、コイル１０１及び２次回路２２０から構成されている。１次回路２１０の入力をコイル１０１の巻線比にして、２次回路２２０に出力している。そして、２次回路２２０側では、コイル１０１の出力電流を抵抗Ｒで電圧に変換する。入力変換器は、例えば、１次回路からＡＣ１０Ａ〜２００Ａを入力し、２次回路にＡＣ１０Ｖmaxを出力する。また、アースＥの設置により、１次回路２１０のノイズが２次回路２２０に移行しないように構成されている。

（５）鉄心ハイブリッドの枚数比率の評価
次に、図４を参照して、ＥＩコアに採用する鉄心のハイブリッドの枚数比率の評価について説明する。図４は、パーマロイの枚数比率と入出力特性との関係を示すグラフである。図４では、理想特性のグラフと比較して、パーマロイ枚数の比率が多の場合、中の場合、小の場合の特性グラフを示す。本実施形態では、パーマロイ枚数の比率が多の場合をパーマロイ枚数の比率が全体の２０％以上である場合とし、パーマロイ枚数の比率が中の場合をパーマロイ枚数の比率が全体の１０〜２０％とし、パーマロイ枚数の比率が小の場合をパーマロイ枚数の比率が全体の１０％以下としている。

図４に示すように、パーマロイ枚数の比率が多の場合には、低入力域の励磁インピーダンスが高入力域の励磁インピーダンスより高くなるため、入出力特性が一様とならないことがわかる。この場合、低入力の精度はよいが、高入力の精度が悪くなることがわかる。

また、パーマロイ枚数の比率が中の場合には、低入力域の励磁インピーダンスと高入力域の励磁インピーダンスが一定であり、入出力特性が一様となることがわかる。この場合、低入力と高入力の精度が同じとなることがわかる。

また、パーマロイ枚数の比率が小の場合には、低入力域の励磁インピーダンスが高入力域の励磁インピーダンスより低くなるため、入出力特性が一様とならない。この場合、低入力の精度が悪く、高入力の精度がよいことがわかる。

したがって、パーマロイ枚数の比率が中の場合に、最も理想特性に近い評価となることがわかる。そこで、本実施形態では、ＥＩコアの鉄心のハイブリッドの枚数比率を珪素鋼板９０％とＰＣパーマロイ１０％としている。

また、上記したように、珪素鋼板の両側にＰＣパーマロイを配置することにより、磁束の流れをコアの両サイドで均一化して誘導的にバランスさせることができる。また、本実施形態では、珪素鋼板をＰＣパーマロイで挟み込む構成としている。また、ＰＣパーマロイを左右対称に配置する方法や、中央に配置する方法も考えられるが、珪素鋼板をＰＣパーマロイで挟み込む構成とすることにより、ＥＩコアの生産性を高めることができる。

また、ＥＩコアのハイブリッド鉄心を方向性珪素鋼板やファインメットなど他の磁性体で構成することもできる。例えば、方向性珪素鋼板を使用した場合には、全体的な励磁インピーダンスが大きくなるが、飽和電圧が低くなり、コスト高となる。また、ファインメットを使用した場合にも、全体的に励磁インピーダンスが大きくなり、飽和電圧も高くなるが、コスト高となる。

（６）本実施の形態の効果
上記したように、本実施形態によれば、小形のＥＩコアを採用することにより、巻線の作業性を改善して巻数を従来の約２．５倍にして、コアの精度、すなわち所望の励磁インピーダンスを確保したままコアの小型化を実現することを可能とした。

１０１コイル
１０２ＥＩコア
１０３ＰＣパーマロイ
１０４珪素鋼板

Claims

電力系統の保護制御を行うディジタル保護制御装置の入力変換器であって、
前記入力変換器は、
電力系統の電気量を測定する入力変成器と、
前記入力変成器からの出力を取り込む入力部と、
から構成され、
前記入力変成器は、鉄心をハイブリッド化したＥＩコアからなり、
前記ＥＩコアの前記鉄心は、
珪素鋼板をパーマロイで挟み込むようにして構成された
ことを特徴する、ディジタル保護制御装置の入力変換器。
前記ＥＩコアの前記鉄心は、
珪素鋼板９０％、パーマロイ１０％の枚数比率でハイブリッド化される
ことを特徴とする、請求項１に記載のディジタル保護制御装置の入力変換器。
ディジタル保護制御装置の入力変換器を構成する入力変換基板であって、
前記入力変換基板は、
電力系統からの電流を入力する１次回路と、
ＥＩコアの鉄心に巻き付けられ、前記１次回路に入力された電流を所定の比率に変換して２次回路に出力するコイルと、
前記コイルからの出力電流を電圧に変換する２次回路と、
を備え、
前記ＥＩコアの前記鉄心は、
珪素鋼板をパーマロイで挟み込むようにして構成された
ことを特徴とする、入力変換基板。