JP6289350B2 - 突入電流抑制装置付開閉器 - Google Patents

Description

この発明は、突入電流抑制装置付開閉器に関する。

負荷装置を電力系統に投入する際には、突入電流が発生することがある。例えば変圧器を電力系統に投入する際に、一時的に変圧器の定格電流の数倍から数十倍の励磁突入電流が流れる場合がある。励磁突入電流により、該電力系統の電圧が一時的に低下し、該電力系統に接続されている精密機器の機能喪失、該電力系統の保護継電器の誤動作または該電力系統に接続されている近隣需要家における電圧変動などが生じる可能性がある。励磁突入電流の大きさおよび継続時間は、鉄心の飽和特性、鉄心の残留磁束、投入位相、または変圧器のインピーダンスなどに依存する。

また消費電力抑制の観点から、負荷装置の電源を切ることで負荷装置の待機電力を無くすことが求められている。負荷装置の電源の入り切りを行うことを可能にするためには、突入電流の抑制が必要である。

特許文献１に開示される高周波電力負荷の制御装置は、限流抵抗器が直列接続された第２のスイッチを投入した後、所定時間後に限流抵抗器および第２のスイッチと並列に接続される第１のスイッチを投入することで、励磁突入電流を抑制する。該高周波電力負荷の制御装置は、第１のスイッチの投入後に、第２のスイッチを開放する。

特開平０９−１１７１５５号公報

特許文献１に開示される高周波電力負荷の制御装置では、第１のスイッチの投入後に第２のスイッチが開放される。例えばタイマを用いて、第２のスイッチを投入してからタイマの設定時間経過後に第２のスイッチを開放する場合には、第１のスイッチが投入されていない状態で第２のスイッチが開放されてしまい、第２のスイッチの接点の損傷が起こる可能性がある。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、突入電流の抑制の精度を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の突入電流抑制装置付開閉器は、電源と負荷装置の間に設けられる突入電流抑制装置付開閉器であって、主遮断器と、スイッチと、限流抵抗器と、継電器と、制御部とを備える。スイッチおよび限流抵抗器は主遮断器に並列に接続され、限流抵抗器はスイッチに直列に接続され、スイッチに流れる電流を閾値以下に制限する。継電器は、主遮断器の投入と開放の切り替え、および主遮断器が投入または開放のいずれの状態であるかを示す外部信号の出力を行う。制御部は、スイッチの投入と開放の切り替え、および継電器に対して主遮断器の投入と開放の切り替えを指示する切替信号の出力を行う。制御部はオン指令を取得すると、スイッチを投入し、スイッチを投入した後に定められた条件に合致した場合に継電器に対して主遮断器の投入を指示する切替信号を出力する。継電器は制御部から該切替信号を取得すると、主遮断器を投入し、主遮断器が投入状態であることを示す外部信号を出力する。制御部は継電器から該外部信号を取得し、該外部信号が示す主遮断器が投入状態になったタイミングからの時間が定められた開放遅延時間に達すると、スイッチを開放する。

本発明によれば、限流抵抗器が直列に接続されたスイッチの投入と開放の切り替えと、限流抵抗器およびスイッチに並列に接続された主遮断器の投入と開放の切り替えとを連動して行うことで、突入電流の抑制の精度を向上させることが可能になる。

本発明の実施の形態１に係る突入電流抑制装置付開閉器の構成例を示すブロック図である。 実施の形態１に係る突入電流抑制装置付開閉器の突入電流抑制動作の一例を示すタイミングチャートである。 実施の形態１に係る突入電流抑制装置付開閉器が行う突入電流抑制動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る突入電流抑制装置付開閉器の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る突入電流抑制装置付開閉器の異なる構成例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る突入電流抑制装置付開閉器の構成例を示すブロック図である。突入電流抑制装置付開閉器１（以下、開閉器１という）は、図示しない電源と負荷装置の間に設けられ、端子２は電源に接続され、端子３は負荷装置に接続される。端子３は、例えば変圧器に接続される。開閉器１は、負荷装置を電源に投入する際の突入電流を抑制する。

開閉器１は、突入電流抑制部１０と、突入電流抑制部１０に並列に接続された主遮断器４と、主遮断器４に流れる電流を検出するＣＴ（Current Transformer：変流器）５と、主遮断器４の投入と開放を切り替える継電器６とを備える。主遮断器４は、例えば真空遮断器である。突入電流抑制部１０は、スイッチ１１と、スイッチ１１に直列に接続された限流抵抗器１２と、スイッチ１１の投入と開放の切り替えを行う制御部１３とを備える。制御部１３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および内部メモリなどから構成されるプロセッサ、およびＲＡＭ（Random Access Memory）およびフラッシュメモリなどから構成されるメモリを備える。制御部１３は、メモリに記憶されている制御プログラムを実行し、スイッチ１１の投入と開放の切り替えを行う。開閉器１は、スイッチ１１の投入と開放の切り替えと主遮断器４の投入と開放の切り替えを連動させて行うことで、突入電流を抑制する。

スイッチ１１を流れる電流が閾値以下となるように、限流抵抗器１２の抵抗値が定められる。閾値は、スイッチ１１および負荷装置の特性に応じて任意に定めることができる。制御部１３は、オン指令またはオフ指令の入力を受け付ける。制御部１３は、オン指令の入力を受け付けると、スイッチ１１を投入し、スイッチ１１を投入した後に定められた条件に合致した場合に継電器６に対して主遮断器４の投入を指示する切替信号を出力する。スイッチ１１の投入動作は、例えばモータを用いて行われる。定められた条件は任意に決められ、例えばオン指令を取得してからの時間に基づく条件であり、制御部１３は、例えば、オン指令を取得してからの時間が定められた投入遅延時間に達すると、継電器６に対して主遮断器４の投入を指示する切替信号を出力する。投入遅延時間は、突入電流を低減させるために十分な時間であり、限流抵抗器１２の特性に応じて定めることができる。また定められた条件を、例えばスイッチ１１の接点の開閉状態に基づく条件とし、制御部１３は、スイッチ１１の接点の開閉状態を検出し、スイッチ１１の接点が閉じられていることを検出した後に、継電器６に対して主遮断器４の投入を指示する切替信号を出力してもよい。

制御部１３は、継電器６から主遮断器４が投入または開放のいずれの状態であるかを示す外部信号を取得する。制御部１３は、スイッチ１１を投入した後に、外部信号が示す主遮断器４が投入されたタイミングからの時間が定められた開放遅延時間に達すると、スイッチ１１を開放する。スイッチ１１の開放動作は、例えばトリップコイルを用いて行われる。開放遅延時間は、主遮断器４が投入状態であることを確実にするために設けられた時間であり、任意に定めることができる。

制御部１３は、主遮断器４が投入され、スイッチ１１を開放した後に、オフ指令の入力を受け付ける。制御部１３は、オフ指令の入力を受け付けると、継電器６に対して主遮断器４の開放を指示する切替信号を出力する。

継電器６は、制御部１３から主遮断器４の投入と開放の切り替えを指示する切替信号を取得し、切替信号に従って主遮断器４の投入と開放を切り替える。継電器６は、主遮断器４が投入または開放のいずれの状態であるかを示す外部信号を制御部１３に出力する。継電器６は、制御部１３から主遮断器４の投入を指示する切替信号を取得すると、主遮断器４を投入した後、例えば主遮断器４の接点の開閉状態を検出し、検出した開閉状態に従って外部信号を出力する。また継電器６は、主遮断器４を投入してから、主遮断器４の投入動作が完了する時間より十分に長い、定められた時間の経過後に、主遮断器４が投入状態であることを示す外部信号を出力してもよい。

継電器６は、制御部１３から主遮断器４の開放を指示する切替信号を取得すると、主遮断器４を開放する。また継電器６は、主遮断器４が投入状態である間に、ＣＴ５で検出した主遮断器４を流れる電流が定められた範囲を超えている場合には、主遮断器４を開放する。

図２は、実施の形態１に係る突入電流抑制装置付開閉器の突入電流抑制動作の一例を示すタイミングチャートである。図２を用いて開閉器１が行う突入電流抑制の動作について説明する。図２においては、スイッチ１１および主遮断器４の状態、および制御部１３が出力する切替信号および継電器６が出力する外部信号の変化を示す。切替信号は、主遮断器４の投入を指示する場合にはＨ（Ｈｉｇｈ）レベル、主遮断器４の開放を指示する場合にはＬ（Ｌｏｗ）レベルであり、外部信号は、主遮断器４が投入状態である場合にはＨレベルであり、主遮断器４が開放状態である場合にはＬレベルである。

時刻Ｔ０において制御部１３はオン指令の入力を受け付ける。制御部１３はオン指令の入力を受け付けると、モータにスイッチ１１の投入動作を行わせる指令を出力する。時刻Ｔ０においてモータが動作を開始し、時刻Ｔ１においてスイッチ１１が投入状態になる。時刻Ｔ２において、オン指令を取得してからの時間が投入遅延時間に達するため、制御部１３は、時刻Ｔ２においてＨレベルとなる切替信号を出力する。

継電器６は、切替信号を取得し、時刻Ｔ２において主遮断器４に投入動作を行わせる指令を出力し、主遮断器４が動作して、時刻Ｔ３において主遮断器４が投入状態になる。継電器６は、時刻Ｔ３においてＨレベルとなる外部信号を出力する。

制御部１３は、外部信号を取得し、時刻Ｔ４において、該外部信号が示す主遮断器４が投入状態になったタイミングからの時間が開放遅延時間に達するため、制御部１３は時刻Ｔ４においてトリップコイルにスイッチ１１の開放動作を行わせる指令を出力する。時刻Ｔ４においてトリップコイルが動作を開始し、時刻Ｔ５においてスイッチ１１が開放状態になる。

上述のように、制御部１３は、主遮断器４が投入または開放のいずれの状態であるかを示す外部信号を取得してスイッチ１１の投入と開放の制御を行う。そのため、主遮断器４が確実に投入状態になってから、スイッチ１１を開放することが可能となり、主遮断器４が投入状態になる前にスイッチ１１が開放されることにより生じ得る接点の損傷を回避することが可能となる。

図３は、実施の形態１に係る突入電流抑制装置付開閉器が行う突入電流抑制動作の一例を示すフローチャートである。制御部１３はオン指令の入力を受け付けると（ステップＳ１０）、スイッチ１１を投入する（ステップＳ２０）。制御部１３は、オン指令を取得してからの時間が投入遅延時間に達していない場合には（ステップＳ３０；Ｎ）、ステップＳ３０の処理を繰り返し行う。制御部１３は、オン指令を取得してからの時間が投入遅延時間に達した場合には（ステップＳ３０；Ｙ）、継電器６に主遮断器４の投入を指示する切替信号を出力する。継電器６は、切替信号を取得し、主遮断器４を投入する（ステップＳ４０）。

制御部１３は、継電器６から外部信号を取得し、外部信号が示す主遮断器４が投入状態になったタイミングからの時間が開放遅延時間に達していない場合には（ステップＳ５０；Ｎ）、ステップＳ５０の処理を繰り返し行う。制御部１３は、主遮断器４が投入状態になったタイミングからの時間が開放遅延時間に達した場合には（ステップＳ５０；Ｙ）、スイッチ１１を開放にする（ステップＳ６０）。

以上説明したとおり、実施の形態１に係る開閉器１によれば、スイッチ１１の投入と開放の切り替えと主遮断器４の投入と開放の切り替えを連動して行うことで、突入電流の抑制の精度を向上させることが可能になる。またスイッチ１１の通電容量は、限流抵抗器１２によって閾値以下に制限された電流に耐え得る値であればよく、スイッチ１１は消弧性能を有さなくてもよい。そのため、スイッチ１１には、主遮断器４よりも安価な機器を用いることができ、装置の製造コストを低減させることが可能となる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る突入電流抑制装置付開閉器の構成例を示すブロック図である。限流抵抗器１２がオープン故障またはショート故障している場合には、開閉器１は、突入電流を抑制することができない。そこで実施の形態２に係る開閉器１は、限流抵抗器１２の故障を検出した場合には、負荷装置を電源から切り離すことで、負荷装置に突入電流が流れ込むことを回避する。

実施の形態２に係る開閉器１が行う突入電流抑制の動作は、実施の形態１と同様である。実施の形態２に係る開閉器１は、実施の形態１に係る開閉器１の構成に加えて、保護遮断器７、保護遮断器７を流れる電流を検出するＣＴ８、保護遮断器７の投入と開放の切り替えを行う回路保護部９を備える。実施の形態１と異なる開閉器１の各部について説明する。

保護遮断器７は、主遮断器４およびスイッチ１１よりも、電源の近くに位置する。ＣＴ８は、保護遮断器７を流れる電流を検出する電流センサである。回路保護部９は、スイッチ１１が投入状態であって、主遮断器４が開放状態である間に、ＣＴ８で検出された電流が定められた範囲内にない場合に、保護遮断器７を開放する。回路保護部９は、例えば、制御部１３からオン指令および外部信号を取得し、スイッチ１１が投入状態であって、主遮断器４が開放状態である期間を判断する。また回路保護部９は、外部信号を継電器６から直接取得してもよい。回路保護部９は、スイッチ１１の接点の開閉状態を検出してもよい。図２の例においては、回路保護部９は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの間に、ＣＴ８で検出された電流が定められた範囲内にない場合に、保護遮断器７を開放する。回路保護部９の動作により、限流抵抗器１２がオープン故障またはショート故障した場合であっても、突入電流が負荷装置に流れ込むことを回避することが可能となる。

以上説明したとおり、実施の形態２に係る開閉器１によれば、スイッチ１１が投入状態であって、主遮断器４が開放状態である間に、ＣＴ８で検出された電流が定められた範囲内にない場合に保護遮断器７をオフすることで、突入電流の抑制の精度を向上させることが可能となる。

本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られない。実施の形態２に係る開閉器１が備える回路保護部９に代えて、主遮断器４がオンである間に、ＣＴ８で検出された電流が定められた範囲内にない場合に、保護遮断器７を開放し、保護遮断器７を開放したことを示す信号を出力する電流監視部を設けてもよい。また回路保護部９にさらに電流監視部としての機能をもたせてもよい。図２の例においては、電流監視部は、時刻Ｔ３以降に、ＣＴ８で検出された電流が定められた範囲内にない場合に、保護遮断器７を開放し、保護遮断器７を開放したことを示す信号を出力する。電流監視部は、制御部１３または継電器６から外部信号を取得し、主遮断器４が投入状態である期間を判断する。

電流監視部を設けることで、主遮断器４が投入状態である間の電流に基づいて、負荷装置を電源から切り離すことが可能となる。電流監視部を備える開閉器１は、例えば、電源から各負荷装置への電流を監視し、電力需給を算出して、過負荷状態が発生した場合に電源から一部の負荷装置を切り離す、スマートグリッドなどのシステムに採用され得る。

またスイッチ１１および限流抵抗器１２と主遮断器４との接続点の接続方法をワンタッチ接続とすることで、接続作業を簡易化することが可能となる。接続点の接続方法として、例えば一方の端部を他方の端部に嵌合させる方法、一方の端部に設けられた突起に他方の端部を係止させる方法、プラグイン構造などがあげられる。

開閉器１に接続される変圧器は、単相変圧器に限られず、三相変圧器でもよい。図５は、本発明の実施の形態に係る突入電流抑制装置付開閉器の異なる構成例を示すブロック図である。図５に示す開閉器１の端子２ａ，２ｂ，２ｃは電力系統の各相に接続され、端子３ａ，３ｂ，３ｃは、変圧器の各相に接続される。開閉器１は、各相に対して主遮断器４ａ，４ｂ，４ｃ、ＣＴ５ａ，５ｂ，５ｃ，８ａ，８ｂ，８ｃ、保護遮断器７ａ，７ｂ，７ｃ、スイッチ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ、および限流抵抗器１２ａ，１２ｂ，１２ｃを備える。なお実施の形態１と同様に、開閉器１を、保護遮断器７ａ，７ｂ，７ｃ、ＣＴ８ａ，８ｂ，８ｃ、および回路保護部９を備えない構成としてもよい。

図５に示す開閉器１の突入電流抑制動作は、実施の形態１と同様であり、制御部１３はオン指令の入力を受け付けると、モータにスイッチ１１ａ，１１ｂ，１１ｃの投入動作を行わせる指令を出力する。オン指令を取得してからの時間が投入遅延時間に達すると、制御部１３は、主遮断器４ａ，４ｂ，４ｃの投入を指示する切替信号を出力する。継電器６は、該切替信号を取得し、主遮断器４ａ，４ｂ，４ｃに投入動作を行わせる指令を出力し、主遮断器４ａ，４ｂ，４ｃが動作して主遮断器４ａ，４ｂ，４ｃが投入状態になる。継電器６は、主遮断器４ａ，４ｂ，４ｃが投入状態であることを示す外部信号を出力する。制御部１３は、該外部信号を取得し、該外部信号が示す主遮断器４ａ，４ｂ，４ｃが投入状態になったタイミングからの時間が開放遅延時間に達すると、制御部１３はトリップコイルにスイッチ１１ａ，１１ｂ，１１ｃの開放動作を行わせる指令を出力する。トリップコイルが動作を開始し、スイッチ１１ａ，１１ｂ，１１ｃが開放状態になる。上記動作により、図５に示す開閉器１は、三相変圧器を電源に投入する際の突入電流を抑制する。

また実施の形態２と同様に、回路保護部９は、スイッチ１１ａ，１１ｂ，１１ｃが投入状態であって、主遮断器４ａ，４ｂ，４ｃが開放状態である間に、ＣＴ８ａ，８ｂ，８ｃで検出された電流のいずれかが定められた範囲内にない場合に、保護遮断器７ａ，７ｂ，７ｃをオフにする。上記動作により、限流抵抗器１２ａ，１２ｂ，１２ｃのいずれかがオープン故障またはショート故障した場合であっても、突入電流が負荷装置に流れ込むことを回避することが可能となる。

１ 突入電流抑制装置付開閉器、２，２ａ，２ｂ，２ｃ，３，３ａ，３ｂ，３ｃ 端子、４，４ａ，４ｂ，４ｃ 主遮断器、５，５ａ，５ｂ，５ｃ，８，８ａ，８ｂ，８ｃ ＣＴ、６ 継電器、７，７ａ，７ｂ，７ｃ 保護遮断器、９ 回路保護部、１０ 突入電流抑制部、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ スイッチ、１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 限流抵抗器、１３ 制御部。

Claims (5)

1. 電源と負荷装置の間に設けられる突入電流抑制装置付開閉器であって、
   主遮断器と、
   前記主遮断器に並列に接続されるスイッチと、
   前記主遮断器に並列に接続され、前記スイッチに直列に接続される、前記スイッチに流れる電流を閾値以下に制限する限流抵抗器と、
   前記主遮断器の投入と開放の切り替え、および前記主遮断器が投入または開放のいずれの状態であるかを示す外部信号の出力を行う継電器と、
   前記スイッチの投入と開放の切り替え、および前記継電器に対して前記主遮断器の投入と開放の切り替えを指示する切替信号の出力を行う制御部と、
   を備え、
   前記制御部はオン指令を取得すると、前記スイッチを投入し、前記スイッチを投入した後に定められた条件に合致した場合に前記継電器に対して前記主遮断器の投入を指示する前記切替信号を出力し、
   前記継電器は前記制御部から該切替信号を取得すると、前記主遮断器を投入し、前記主遮断器が投入状態であることを示す前記外部信号を出力し、
   前記制御部は前記継電器から該外部信号を取得し、該外部信号が示す前記主遮断器が投入状態になったタイミングからの時間が定められた開放遅延時間に達すると、前記スイッチを開放する、
   突入電流抑制装置付開閉器。
2. 前記制御部は、前記スイッチを投入した後に、前記オン指令を取得してからの時間が定められた投入遅延時間に達すると、前記継電器に対して前記主遮断器の投入を指示する前記切替信号を出力する請求項１に記載の突入電流抑制装置付開閉器。
3. 前記スイッチおよび前記主遮断器よりも、前記電源の近くに位置する保護遮断器と、
   前記保護遮断器を流れる電流を検出する電流センサと、
   前記スイッチが投入状態であって、前記主遮断器が開放状態である間に、前記電流センサで検出された電流が定められた範囲内にない場合に、前記保護遮断器を開放する回路保護部と、
   をさらに備える請求項１または２に記載の突入電流抑制装置付開閉器。
4. 前記スイッチおよび前記主遮断器よりも、前記電源の近くに位置する保護遮断器と、
   前記保護遮断器を流れる電流を検出する電流センサと、
   前記主遮断器が投入状態である間に、前記電流センサで検出された電流が定められた範囲内にない場合に、前記保護遮断器を開放し、前記保護遮断器を開放したことを示す信号を出力する電流監視部と、
   をさらに備える請求項１から３のいずれか１項に記載の突入電流抑制装置付開閉器。
5. 前記スイッチおよび前記限流抵抗器と、前記主遮断器との接続点の接続方法がワンタッチ接続である請求項１から４のいずれか１項に記載の突入電流抑制装置付開閉器。

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