(57)【要約】【課題】高効率、小型で安価な電力増幅器を有する計器用変圧器を提供する。【解決手段】送変電機器の主回路交流電圧を分圧し、その交流電圧量を表すアナログ電圧信号を出力する分圧器と、このアナログ電圧信号を所定の２次電圧に電圧増幅すると共に、所定の使用負担電力に電力増幅して２次出力電圧として出力する機能を有する増幅器から成る計器用変圧器において、増幅器を、アナログ電圧信号をパルス幅変調信号に変換するパルス幅変調器と、パルス幅変調信号を所定の電力にパルス増幅するパワートランジスタ及びその駆動回路と、パルス増幅されたパルス幅変調信号から所定の周波数成分の２次電圧に復調する復調器から構成する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送変電機器の主回路交流電圧を分圧し、その交流電圧量を表すアナログ電圧信号を出力する分圧器と、前記アナログ電圧信号を所定の２次電圧に電圧増幅すると共に、所定の使用負担電力に電力増幅して２次出力電圧として出力する機能を有する増幅器から成る計器用変圧器において、
前記増幅器は、アナログ電圧信号をパルス幅変調信号に変換するパルス幅変調器と、前記パルス幅変調信号を所定の電力にパルス増幅するパワートランジスタ及びその駆動回路と、前記パルス増幅されたパルス幅変調信号から所定の周波数成分の２次電圧に復調する復調器から構成されていることを特徴とする計器用変圧器。
【請求項２】
送変電機器の主回路交流電圧を光の強度信号に変調して、その交流電圧量を表す光信号を出力する光電圧検出手段と、前記光信号から前記交流電圧量を表すアナログ電圧信号に復調する機能と、そのアナログ電圧信号を所定の２次電圧に電圧増幅すると共に、所定の使用負担電力に電力増幅して２次出力電圧として出力する機能を有する増幅器から成る計器用変圧器において、
前記増幅器は、アナログ電圧信号をパルス幅変調信号に変換するパルス幅変調器と、前記パルス幅変調信号を所定の電力にパルス増幅するパワートランジスタ及びその駆動回路と、前記パルス増幅されたパルス幅変調信号から所定の周波数成分の２次電圧に復調する復調器から構成されていることを特徴とする計器用変圧器。
【請求項３】
前記増幅器は、出力側から電流が注入されたときに、注入電力を抵抗器で消費する機能を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の計器用変圧器。
【請求項４】
前記増幅器は、出力側から電流が注入されたときに、注入電流によって生じる電源回路の電圧上昇を過電圧検出器で検出して、半導体スイッチをオンすることにより、注入電流を前記抵抗器に流し、その注入電力を抵抗器で消費するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の計器用変圧器。
【請求項５】
前記増幅器は、前記過電圧検出器と前記半導体スイッチから成る制御回路を２重化して構成されていることを特徴とする請求項４に記載の計器用変圧器。
【請求項６】
前記増幅器は、前記過電圧検出器に模擬電圧を与えて、出力側からの注入電力を前記抵抗器で消費する機能が正常であることを点検できるように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の計器用変圧器。
【請求項７】
前記増幅器は、出力側から電流が注入されたときに、前記パルス増幅を停止する機能を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の計器用変圧器。
【請求項８】
前記増幅器は、出力側から電流が注入されたときに、注入電力が電源回路に流入するのを防止するためのダイオードを電源回路と増幅回路の間に有することを特徴とする請求項３又は請求項７に記載の計器用変圧器。
【請求項９】
前記増幅器は、出力側から電流が注入されたときに、増幅器の電源回路に注入電力を流出させる回生回路を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の計器用変圧器。
【請求項１０】
前記増幅器は、２次出力の負担電流による帰還増幅で利得補償することにより、比誤差・位相角の負担特性を改善することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の計器用変圧器。
【請求項１１】
前記増幅器は、回路を構成する部品の温度を監視する機能を有しており、かつ被監視部品の温度が所定の温度を超えた場合に、前記増幅器の一部、もしくは全ての運転を停止する機能を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の計器用変圧器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、送変電機器等に課電される主回路交流電圧量を測定するために使用される計器用変圧器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
送変電機器等に課電される交流電圧を測定するために、計器用変圧器が用いられている。これまで実用化されている計器用変圧器は大別して２種類あり、その一つは、鉄心と１次巻線、２次巻線から成り、１次巻線と２次巻線の比に応じて主回路交流電気量を２次電圧に変成する電磁型計器用変圧器である。他の一つは、分圧器により主回路交流電気量を２次電圧に変成する分圧型計器用変圧器であり、一般には主コンデンサと分圧コンデンサより構成して、主回路交流電気量を分圧する容量分圧型計器用変圧器が多く用いられている。
【０００３】
ところで、この容量分圧型計器用変圧器の誤差特性は、無負担誤差と負担誤差の和によって表されるため、負担が小さいほど負担誤差は小さくなり、無負担誤差に近づくことになる。
【０００４】
しかし、必要となる負担の大きさ、すなわち定格負担は計器用変圧器に接続される２次側機器で決まるため、所定の比誤差・位相角を得るためには主回路コンデンサを大きくする必要があり、必然的に容量分圧型計器用変圧器は大型となってしまう。また、容量分圧型計器用変圧器では、高調波を含んだ歪波形の一次電圧は、容量分圧器のコンデンサがろ波作用をするので、二次側では平滑な電圧に変成されるため、周波数特性が悪くなるという欠点を有している。この容量分圧器の周波数特性は二次負担が小さいほど改善される。
【０００５】
そこで、容量分圧器の二次負担を小さくして、容量分圧器の誤差特性と周波数特性を改善した上で、２次側機器の使用負担を任意に大きくする方法として、容量分圧器の分圧電圧を、周波数特性の良い、高入力インピーダンスを持った増幅器で変成する方法がある。これは容量分圧型計器用変圧器の一種と見なせるが、特に増幅器を用いることから増幅型計器用変圧器と呼ばれる。
【０００６】
図７は、従来使用されている増幅型計器用変圧器のシステム構成例を示したものである。すなわち、増幅型計器用変圧器１０１は、主コンデンサＣ１と分圧コンデンサＣ２から成る容量分圧器１０２と、増幅器１０３と、絶縁トランス１０４から構成され、容量分圧器１０２と増幅器１０３の間は同軸ケーブル１０５で接続されている。この場合、１次電圧Ｖ１は絶縁トランス１０４の２次出力に変成され、これが増幅型計器用変圧器１０１の２次出力電圧Ｖ２となる。また、電源回路１１０は、電源電圧ＤＣ１１０Ｖから電力増幅回路用の±７０Ｖと演算増幅器や制御ＩＣその他用の±１５Ｖ、±５Ｖを作るＤＣ／ＤＣコンバータである。
【０００７】
このような構成を有する従来の増幅型計器用変圧器においては、増幅器１０３の入力インピーダンスは一般には１０ＭΩ程度と大きく取れるため、主コンデンサＣ１は数１０ｐＦとすることができる。特に、密閉型ガス絶縁開閉装置（以下、ＧＩＳという）では、ＧＩＳ導体と中間電極の間の静電容量を利用したＳＦ６ガス絶縁コンデンサを主コンデンサとすることができるので、シンプルな主回路絶縁構成による信頼性の高い分圧部を採用することができる。
【０００８】
図８は、増幅器１０３の詳細構成図である。すなわち、増幅器１０３は、フィルタ回路を含む前置増幅回路１１１と、Ｂ級プッシュプル増幅回路（リニアアンプとも言う）１１２から構成されている。なお、図８は、定格負担５ＶＡの増幅回路の例であり、パワートランジスタを１相当たり１０個使用している。これらのパワートランジスタとしては、例えば、Ｑ１０１〜Ｑ１０５は２ＳＫ１５２９、Ｑ１０６〜Ｑ１１０は２ＳＪ２００が用いられ、電源回路１１０としては、ＤＣ／ＤＣコンバータが用いられる。
【０００９】
このような増幅器１０３を備えた増幅型計器用変圧器１０１では、容量分圧器の微弱な電力の電圧信号Ｖｄを前置増幅回路１１１で増幅した後、Ｂ級プッシュプル増幅回路１１２で電力増幅して、絶縁トランス１０４を介して、定格二次電圧Ｖ２＝１１０／√３Ｖ、定格負担５ＶＡにて出力される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の増幅型計器用変圧器は、電力増幅回路としてＢ級プッシュプル増幅回路を用いているが、Ｂ級プッシュプル増幅回路は周波数特性に優れる反面、効率が３０％程度と内部損失が大きく、また定格負担が大きくなると、必要となるパワートランジスタの数が極端に増加するという欠点がある。
【００１１】
上述したように、定格負担５ＶＡの増幅型計器用変圧器を構成するＢ級プッシュプル増幅回路のパワートランジスタは１相当たり１０個であるが、例えば定格負担３０ＶＡの増幅型計器用変圧器を構成するＢ級プッシュプル増幅回路のパワートランジスタは１相当たり１８個必要である。
【００１２】
ここで、定格負担３０ＶＡのＢ級プッシュプル増幅回路による増幅型計器用変圧器の損失を概略見積もってみると、定格電圧１１０／√３Ｖ、定格負担３０ＶＡにおけるパワートランジスタ１個当たりの損失は略７．５Ｗであるため、パワートランジスタを１相当たり１８個使用した場合、内部損失は１相当たり１３５Ｗとなり、３相分の内部損失は４０５Ｗとなる。このように損失が大きいため、これによる発熱を処理する大型のヒートシンクが必要となると共に、増幅器の電源回路も必然的に大型化する。
【００１３】
したがって、定格負担３０ＶＡのＢ級プッシュプル増幅回路による増幅器と電源回路３相分を収納する筺体としては、幅５１０ｍｍ×奥４００ｍｍ×高２４００ｍｍ程度のものが必要になるため、増幅器が非常に大きなものになってしまうという問題点があった。また、それに伴ってコストも増大するため、定格負担が大きいＢ級プッシュプル増幅回路を用いた増幅型計器用変圧器は、非常に大型で高価なものにならざるを得なかった。
【００１４】
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、高効率、小型で安価な電力増幅器を有する計器用変圧器を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達するため、請求項１〜１１に記載の発明は、送変電機器等に課電される主回路交流電圧量を測定するために使用される計器用変圧器において、以下のような技術的特徴を有するものである。
【００１６】
すなわち、請求項１に記載の発明は、送変電機器の主回路交流電圧を分圧し、その交流電圧量を表すアナログ電圧信号を出力する分圧器と、前記アナログ電圧信号を所定の２次電圧に電圧増幅すると共に、所定の使用負担電力に電力増幅して２次出力電圧として出力する機能を有する増幅器から成る計器用変圧器において、前記増幅器は、アナログ電圧信号をパルス幅変調信号に変換するパルス幅変調器と、前記パルス幅変調信号を所定の電力にパルス増幅するパワートランジスタとその駆動回路と、前記パルス増幅されたパルス幅変調信号から所定の周波数成分の２次電圧に復調する復調器から構成されていることを特徴とする。
【００１７】
このような構成を有する請求項１の発明によれば、電力増幅回路は従来より少ない所定個数のパワートランジスタを交互にオン／オフ動作させることにより電力増幅し、このときパワートランジスタのコレクタ損失は理論的には“０”なので、理論効率は１００％となる。実際に構成する電力増幅回路では、電力増幅回路自身の損失とその他の損失が発生するが、増幅型計器用変圧器として効率を大幅に改善することができる。
また、本発明の電力増幅回路で使用するパワートランジスタの数は従来より少なく、且つ内部損失が小さいので、従来のＢ級プッシュプル増幅回路の場合と比較して大幅にヒートシンクを小型化でき、また、損失が小さいため電源回路も小型にできる。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、送変電機器の主回路交流電圧を光の強度信号に変調して、その交流電圧量を表す光信号を出力する光電圧検出手段と、前記光信号から前記交流電圧量を表すアナログ電圧信号に復調する機能と、そのアナログ電圧信号を所定の２次電圧に電圧増幅すると共に、所定の使用負担電力に電力増幅して２次出力電圧として出力する機能を有する増幅器から成る計器用変圧器において、前記増幅器は、アナログ電圧信号をパルス幅変調信号に変換するパルス幅変調器と、前記パルス幅変調信号を所定の電力にパルス増幅するパワートランジスタとその駆動回路と、前記パルス増幅されたパルス幅変調信号から所定の周波数成分の２次電圧に復調する復調器から構成されていることを特徴とする。
【００１９】
このような構成を有する請求項２の発明によれば、請求項１の発明で得られる効果と同様の効果が得られるだけでなく、主回路交流電圧を光信号に変換し、この光信号を増幅器に入力するため、送変電機器の主回路と電子回路である増幅器は光絶縁で完全に絶縁される。その結果、主回路からのサージの侵入を絶つことができるので、信頼性の高い計器用変圧器を提供することができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の計器用変圧器において、前記増幅器は、出力側から電流が注入されたときに、注入電力を抵抗器で消費する機能を有することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の計器用変圧器において、前記増幅器は、出力側から電流が注入されたときに、注入電流によって生じる電源回路の電圧上昇を過電圧検出器で検出して、半導体スイッチをオンすることにより、注入電流を前記抵抗器に流し、その注入電力を抵抗器で消費するように構成されていることを特徴とする。
【００２１】
このような構成を有する請求項３または請求項４の発明によれば、次の効果が得られる。２重母線構成の電気所にて計器用変圧器を運用する場合、両母線に取付けられた計器用変圧器の２次出力を突き合わせて運用する場合がある。この場合、両計器用変圧器が計測する１次電圧は同じであるが、両計器用変圧器の誤差特性は必ずしも一致しないため、両計器用変圧器間に電位差が生じ、その結果、循環電流が流れる。この循環電流が一方の増幅器の出力側から注入される。
【００２２】
しかし、請求項１又は請求項２に記載の電力増幅回路は、その内部損失が小さいという特性を有しているため、注入された循環電流をパワートランジスタで消費することができないことに加え、出力側から見た場合にパワートランジスタを交互にオン／オフさせるスイッチング動作が昇圧チョッパと同等の作用となるため、増幅器の主要回路に流れ込んだ注入された循環電流が電位上昇を引き起こし、回路の耐圧を脅かすことになる。
【００２３】
そこで、請求項３または請求項４の発明においては、注入された循環電流を抵抗器によって消費する機能を備えることにより、計器用変圧器の２次出力突き合わせの際に増幅器が故障することを回避することができる。特に請求項４の発明は、増幅器の出力側から循環電流が注入された時に、注入電力を消費する方法を与えるものである。
【００２４】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の計器用変圧器において、前記増幅器は、前記過電圧検出器と前記半導体スイッチから成る制御回路を２重化して構成されていることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の計器用変圧器において、前記増幅器は、前記過電圧検出器に模擬電圧を与えて、出力側からの注入電力を前記抵抗器で消費する機能が正常であることを点検できるように構成されていることを特徴とする。
【００２５】
このような構成を有する請求項５及び請求項６の発明によれば、過電圧検出器と半導体スイッチが２系統同時に故障する確立は極めて低く、一方の過電圧検出器、半導体スイッチが故障した場合にも、抵抗器による注入電力の消費は正常に行うことができるので、高い信頼性を確保できる。また、点検機能を持つので、更に信頼度を上げることができ、一方の過電圧検出器、半導体スイッチが故障した場合に、それを検出することができる。
【００２６】
請求項７に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の計器用変圧器において、前記増幅器は、出力側から電流が注入されたときに、前記パルス増幅を停止する機能を有することを特徴とする。
このような構成を有する請求項７の発明によれば、パワートランジスタが交互にオン／オフするスイッチング動作を停止して、昇圧チョッパの作用により増幅器の主要回路が電位上昇することを回避できるので、計器用変圧器の２次出力突き合わせの際に増幅器が故障することを回避することができる。
【００２７】
請求項８に記載の発明は、請求項３又は請求項７に記載の計器用変圧器において、前記増幅器は、出力側から電流が注入されたときに、注入電力が電源回路に流入するのを防止するためのダイオードを電源回路と増幅回路の間に有することを特徴とする。
このような構成を有する請求項８の発明によれば、電源回路の出力部が過電圧状態になり、電源回路が動作不良になることを回避できる。これにより電源回路は正常に動作しているので、前記過電圧検出器と半導体スイッチの制御電源、又はパルス増幅を停止するための制御回路の制御電源を正常に供給できる。
【００２８】
請求項９に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の計器用変圧器において、前記増幅器は、出力側から電流が注入されたときに、増幅器の電源回路に注入電力を流出させる回生回路を有することを特徴とする。
このような構成を有する請求項９の発明によれば、次の効果が得られる。増幅回路の耐圧を脅かすレベルの電位上昇は、昇圧チョッパの作用により出力側より注入される循環電流による電位上昇が蓄積されて発生する。本発明では、出力側より注入された循環電流は、回生回路により増幅器の電源回路側に流出されるので、電位上昇の蓄積は起こらず、増幅回路の耐圧を脅かすレベルの電位上昇は発生しない。従って、計器用変圧器の２次出力突き合わせの際に増幅器が故障することを回避することができる。
【００２９】
請求項１０に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の計器用変圧器において、前記増幅器は、２次出力の負担電流による帰還増幅で利得補償することにより、比誤差・位相角の負担特性を改善するように構成されていることを特徴とする。
このような構成を有する請求項１０の発明によれば、次の効果が得られる。比誤差・位相角の負担特性を改善するためには、増幅器の出力と２次側機器の間に接続絶縁トランスの磁束密度を下げる必要があるが、これは絶縁トランスの大型化を意味する。本発明により、２次出力の負担電流による負帰還増幅で利得補償すれば、絶縁トランスを大型化することなく負担特性を改善することができる。
【００３０】
請求項１１に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の計器用変圧器において、前記増幅器は、回路を構成する部品の温度を監視する機能を有しており、且つ被監視部品の温度が所定の温度を超えた場合に、前記増幅器の一部、もしくは全ての運転を停止する機能を有することを特徴とする。
このような構成を有する請求項１１の発明によれば、レアショート故障などにより、一定のインピーダンスを持った状態で過電流が流れるため、ＮＦＢなどの保護回路が動作しない状態で、過電流により発熱・発火に至るような故障においても、危険なレベルの温度上昇を検知して、運転を停止し、発火に至るような事態を回避することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下には、本発明による計器用変圧器を適用した複数の実施の形態について、図１〜図６を参照して詳細に説明する。
【００３２】
（１）第１実施形態
（１−１）構成
本実施形態は、請求項１、請求項１０、請求項１１に対応するものである。図１のシステム構成例に示すように、本実施形態においては、増幅型計器用変圧器１は、主コンデンサＣ１と分圧コンデンサＣ２から成る容量分圧器２と、増幅器３と、絶縁トランス４から構成され、容量分圧器２と増幅器３の間は同軸ケーブル５で接続されている。
【００３３】
また、増幅器３は、フィルタ回路を含む前置増幅回路１１と、前置増幅回路の出力をパルス幅変調波に変調するパルス幅変調器（ＰＷＭ変調器）１２と、パルス幅変調波をパルス増幅するパルス増幅回路１３と、増幅されたパルス幅変調波を低域フィルタを通して原信号に復調する復調器１４から構成されている。
【００３４】
さらに、電源回路１０は、電源電圧ＤＣ１１０Ｖから電力増幅回路用の＋２００Ｖと演算増幅器や制御ＩＣその他用の±１５Ｖ、±５Ｖを作るＤＣ／ＤＣコンバータである。この電源定格は一例であり、ＤＣ／ＤＣコンバータの入／出力電圧は、負荷となる増幅回路に応じて任意に設計されることは言うまでもない。また、電源回路はＡＣ／ＤＣコンバータで構成しても良い。
【００３５】
このような構成を有する本実施形態の増幅型計器用変圧器においては、増幅器３の入力インピーダンスは一般には１０ＭΩ程度と大きく取れるため、主コンデンサＣ１は数１０ｐＦとすることができる。特に、ＧＩＳでは、ＧＩＳ導体と中間電極の間の静電容量を利用したＳＦ６ガス絶縁コンデンサを主コンデンサとすることができるので、シンプルな主回路絶縁構成による信頼性の高い分圧部を採用することができる。
【００３６】
次に、図２は、定格負担３０ＶＡの増幅器３の詳細構成例を示す図である。すなわち、前置増幅器１１は、高調波ノイズ成分を除去する１次低域通過フィルタの作用を含む増幅器である。図２に示した例では１次低域通過フィルタとしたが、２次低域通過フィルタで構成しても良いし、入力信号の低周波成分と高周波ノイズ成分を除去するために帯域通過フィルタとしても良い。
【００３７】
また、電力増幅部はパルス幅変調器１２とパルス増幅回路１３から成り、電力増幅に使用するパワートランジスタＱ１〜Ｑ２の４個をＦＥＴ駆動回路で制御するように構成されている。なお、図２は定格負担３０ＶＡの例で、パワートランジスタは例えば２ＳＫ１５１７を使用する。また、復調器１４は、リアクトルＬとコンデンサＣから成る低域通過フィルタであり、絶縁トランス４の出力は、帰還抵抗Ｒｎｆを介して前置増幅回路に帰還される。この場合、帰還抵抗Ｒｎｆを変化させることにより帰還量を変化させて、比誤差調整を行うことができる。
【００３８】
また、パワートランジスタＱ１〜Ｑ４や図示していないＤＣ／ＤＣコンバータのトランジスタ等の発熱を伴うＩＣには、部品の温度を監視するサーマルガードＴＨが取付けられており、被監視部品の温度が所定の温度を超えた場合に、増幅回路の一部、ＤＣ／ＤＣコンバータの一部、もしくは増幅器３の全ての機能を停止する構成とされている。
【００３９】
（１−２）作用・効果
以上のような構成を有する第１の実施形態による計器用変圧器によれば、以下のような作用・効果が得られる。
主回路電圧Ｖ１は、容量分圧器２で分圧電圧Ｖｄに分圧される。増幅器３の前置増幅回路１１は、高入力インピーダンスで分圧電圧Ｖｄを受け、演算増幅器で構成されたアクティブフィルタ（図２の例では、低域通過フィルタ）を通過して高周波ノイズを除去すると共に、絶縁トランス４からの負帰還量を帰還抵抗Ｒｎｆで変化させて比誤差の調整を行い、所定の電圧に増幅する。増幅された信号は次段の電力増幅部に送られる。
【００４０】
前置増幅回路１１で増幅された信号は、パルス幅変調器１２に送られ、繰り返し周波数１００ｋＨｚのノコギリ波と比較増幅され、パルス幅変調波が作られる。このパルス幅変調波はパルス増幅されるが、これ以降はパワートランジスタＱ１〜Ｑ４のスイッチング動作となる。すなわち、プラス側の半端が出力状態ではパワートランジスタＱ１とＱ４がオン状態となり、マイナス側の半端が出力状態ではパワートランジスタＱ２とＱ３がオン状態となる。
増幅されたパルス幅変調波は、ＬＣ低域通過フィルタから成る復調器１４で原信号に復調される。復調された信号は、絶縁トランス４を介して、増幅型計器用変圧器の定格２次電圧１１０／√３Ｖ、定格負担３０ＶＡにて出力される。
【００４１】
以上のように作用する本実施形態の計器用変圧器によれば、以下のような効果が得られる。
電力増幅回路は４個のパワートランジスタを交互にオン／オフ動作させることにより電力増幅し、このときパワートランジスタのコレクタ損失は理論的には“０”なので、理論効率は１００％となる。実際に構成する電力増幅回路では、コレクタ−エミッタ間電圧が１〜２Ｖ程度あり、スイッチング時間も数１０μ秒であり、さらに回路の安定化を図るためにエミッタ抵抗等がある。このため電力増幅回路自身の損失とその他周辺回路の損失が発生するので、その効率は理論効率より低下するものの、増幅型計器用変圧器としての実際の効率を５０％以上に改善することができる。
【００４２】
本発明の電力増幅回路で使用するパワートランジスタの数は４個であり、且つ内部損失が小さいので、従来用いられているＢ級プッシュプル増幅回路の場合と比較して、大幅にヒートシンクを小型化できる。また、損失が小さいので、電源回路も小型にできる。従って、本実施形態の電力増幅回路を用いた増幅型計器用変圧器は、従来に比べて小型で安価にできる。
【００４３】
例えば、定格負担３０ＶＡの本実施形態の増幅器による増幅型計器用変圧器の損失を概略見積もってみると、定格電圧１１０／√３Ｖ、定格負担３０ＶＡにおけるパワートランジスタ１個当たりの損失は略４Ｗであるため、パワートランジスタを１相当たり４個使用する場合、内部損失は１相当たり１６Ｗとなり、３相分の内部損失は４８Ｗとなる。
【００４４】
このように、本実施形態の増幅器を用いた場合には、Ｂ級プッシュプル増幅器を使った場合に比べて内部損失が小さいので、ヒートシンクは小型でよく、電源回路も小型化することができる。したがって、定格負担３０ＶＡの本実施形態の増幅器と電源回路３相分を収納する筐体としては、幅２５５ｍｍ×奥４００ｍｍ×高５３５ｍｍ程度のもので良くなり、Ｂ級プッシュプル増幅器を収納した従来の筐体の約１５％〜２０％程度に縮小することができる。
【００４５】
また、本実施形態の電力増幅回路では、定格負担３０ＶＡの場合に必要なパワートランジスタは１相当たり４個であり、１相当たり１８個必要であったＢ級プッシュプル増幅回路を用いた場合に比べて大幅に削減することができる。一般に、パワートランジスタの故障率は他の部品に比べて高いので、その設置個数を４個に削減できることは電力増幅回路の信頼性向上につながる。
【００４６】
また、比誤差・位相角の負担特性を改善するためには、接続絶縁トランスの磁束密度を下げる必要があるが、これは絶縁トランスの大型化を意味する。本実施形態により、２次出力の負担電流による負帰還増幅で利得補償すれば、絶縁トランスを大型化することなく負担特性を改善することができる。このとき、負帰還量は調整後に固定としても良いし、また負担の変化、すなわち負荷電流の変化に応じてダイナミックに変化するようにしても良い。
【００４７】
また、発熱を伴うパワートランジスタ等をサーマルガードで監視しているので、レアショート故障等により、一定のインピーダンスを持った状態で過電流が流れるため、ＮＦＢなどの保護回路が動作しない状態で、過電流により発熱・発火に至るような故障においても、危険なレベルの温度上昇を検知して、運転を停止し、発火に至るような事態を回避することができる。
【００４８】
（２）第２実施形態
（２−１）構成
本実施形態は、請求項３〜請求項６、請求項８に対応するものである。すなわち、本実施形態の増幅器は、図３に示すように、第１実施形態の増幅器に電力吸収回路２２と逆流防止用ダイオード２１を追加したものである。同図において、電源回路１０、前置増幅回路１１、パルス幅変調器１２、パルス増幅回路１３、復調器１４及び絶縁トランス４の構成、機能は上記第１実施形態の増幅器と同じであるので説明は省略する。
【００４９】
上記逆流防止用ダイオード２１は、電源回路１０（ＤＣ／ＤＣコンバータ）の＋２００Ｖ出力ライン上の＋２００Ｖ出力端とパルス増幅回路１３のパワートランジスタ間に挿入されている。なお、この逆流防止用ダイオードの方向は、電源回路１０からパワートランジスタに電流が流れる方向である。
【００５０】
また、逆流防止用ダイオード２１の次段に、電力吸収回路２２が接続されている。この電力吸収回路２２は、出力側より注入された注入電力によって発生する過電圧を検出する過電圧検出器２４と、半導体スイッチ２５と、注入電力を消費する電力吸収抵抗２３と、点検回路２６から構成されている。
電子部品である過電圧検出器２４、半導体スイッチ２５、点検回路２６から成る電力吸収回路２２の制御回路にあたる部分は２重化されている。図３で電力吸収抵抗２３は２重化されていないが、さらに信頼性を向上させるために電力吸収抵抗２３も２重化しても良いことは言うまでもない。
【００５１】
（２−２）作用・効果
以上のような構成を有する第２実施形態による計器用変圧器によれば、以下のような作用・効果が得られる。
２重母線構成の電気所において計器用変圧器を運用する場合、両母線に取付けられた計器用変圧器の２次出力を突き合わせて運用する場合がある。計器用変圧器の２次突き合わせについて図９を用いて説明する。すなわち、２重母線構成の電気所では、甲主母線と乙主母線を切換えて運用する。甲乙母線切換の際、母線連絡遮断器ＣＢが投入される。この時、系統の運用の要請から、甲母線用計器用変圧器１ａと乙母線用計器用変圧器１ｂの両方を同時に保護リレーに接続する場合がある。
【００５２】
これを計器用変圧器の立場から見ると、図９に示すように同じ負担に対して異なる計器用変圧器を同時に接続することになる。この場合、甲乙両母線は接続されているので、甲母線用計器用変圧器と乙母線用計器用変圧器が計測する１次電圧は同じであるが、両計器用変圧器の誤差特性は必ずしも一致しないため、両計器用変圧器の２次出力電圧Ｖ２ａとＶ２ｂの間には電位差が生じ、その結果両計器用変圧器間に循環電流が流れる。この循環電流が一方の計器用変圧器の出力側から注入される。
【００５３】
ところで、上記第１実施形態で説明した電力増幅回路は、その内部損失が小さいという特性上、注入された循環電流をパワートランジスタで消費することができないことに加え、出力側から見た場合にパワートランジスタを交互にオン／オフさせるスイッチング動作が昇圧チョッパと同等の作用となるため、増幅器の主要回路に流れ込んだ注入された循環電流が電位上昇を引き起こし、回路の耐圧を脅かすことになる。
【００５４】
より詳細には、増幅型計器用変圧器が２次突き合わせ状態になると、一方の計器用変圧器の絶縁トランスの２次出力端子Ｓ１、Ｓ２より循環電流が注入される。注入された循環電流はパワートランジスタでほとんど消費されることなく、増幅器の主要回路に流れ込む。特に、出力側から見た場合に、パワートランジスタを交互にオン／オフさせるスイッチング動作が昇圧チョッパと同等の作用となるため、パワートランジスタの電源であるＤＣ／ＤＣコンバータの＋２００Ｖラインの電位が上昇し、過電圧となる。また、注入された循環電流はＤＣ／ＤＣコンバータに流れ込んでいき、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作不良を引き起こす。
【００５５】
このような問題を回避するために、第２実施形態では、注入された循環電流を消費する電力吸収回路２２と逆流防止用ダイオード２１を追加したものである。この電力吸収回路２２と逆流防止用ダイオード２１の作用を以下に説明する。
【００５６】
逆流防止用ダイオード２１は、注入された循環電流がＤＣ／ＤＣコンバータに流れ込み、ＤＣ／ＤＣコンバータが動作不良になることを防止する。これによりＤＣ／ＤＣコンバータは正常に動作することができ、後述する過電圧検出器２４、半導体スイッチ２５、点検回路２６から成る電力吸収回路２２の制御回路の制御電源を正常に供給できる。
【００５７】
一方、電力吸収回路２２は、過電圧検出器２４で逆流防止用ダイオード２１の後段の電圧を監視する。この部分の電位は、出力側より循環電流が注入されると過電圧状態となる。過電圧検出器２４の制定値は２２０Ｖとしてあり、この電圧を超える過電圧が発生すると、半導体スイッチ２５がオン状態となり、電力吸収抵抗２３の回路が導通となり、注入された循環電流はこの電力吸収抵抗２３で消費されて、２２０Ｖ以上に過電圧となることを防止する。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態の増幅型計器用変圧器においては、２次出力突き合わせの際においても増幅器が故障することを回避でき、且つ２次突き合わせ状態でも正常に１次電圧を計測することができる。
【００５９】
また、第２実施形態では、電子部品である過電圧検出器２４、半導体スイッチ２５、点検回路２６から成る電力吸収回路の制御回路にあたる部分は２重化されているため、さらに次の効果が得られる。すなわち、過電圧検出器２４ａ、２４ｂと半導体スイッチ２５ａ、２５ｂが２系統同時に故障する確立は極めて低く、一方の過電圧検出器２４ａ、半導体スイッチ２５ａが故障した場合にも、もう一系統の過電圧検出器２４ｂ、半導体スイッチ２５ｂにより電力吸収抵抗器２３による注入電力の消費は正常に行うことができるので、高信頼性を確保することができる。また、点検機能を持つので更に信頼度を上げることができ、一方の過電圧検出器２４、半導体スイッチ２５が故障した場合に、それを検出することができる。
【００６０】
なお、本実施形態で、点検用の模擬信号の入力方法は、点検用の模擬信号源を別に持つ方法、過電圧検出器には抵抗分圧された分圧電圧が入力されるが、点検時にこの分圧比を変更して分圧電圧大きくする方法等、その方法は特に限定されない。
【００６１】
（３）第３実施形態
（３−１）構成
本実施形態は、請求項７に対応するものである。すなわち、本実施形態の増幅器は、図４に示すように、第１実施形態の増幅器に逆流防止用ダイオード２１と過電圧検出器３１を追加したものである。同図において、電源回路１０、前置増幅回路１１、パルス幅変調器１２、パルス増幅回路１３、復調器１４、絶縁トランス４の構成、機能は第１実施形態の増幅器と同じなので説明は省略する。
【００６２】
逆流防止用ダイオード２１は、電源回路１０（ＤＣ／ＤＣコンバータ）の＋２００Ｖ出力ライン上の＋２００Ｖ出力端とパルス増幅回路１３のパワートランジスタ間に挿入されている。なお、逆流防止用ダイオード２１の方向は、電源回路１０からパワートランジスタに電流が流れる方向である。また、逆流防止用ダイオード２１の次段に、逆流防止用ダイオード２１の後段の電圧を監視する過電圧検出器３１が設けられている。
【００６３】
（３−２）作用・効果
以上のような構成を有する第３実施形態による計器用変圧器によれば、以下のような作用・効果が得られる。なお、逆流防止用ダイオード２１の作用・効果は第２実施形態とほぼ同一なので説明は省略する。
増幅型計器用変圧器が２次突き合わせ状態になると、一方の計器用変圧器の絶縁トランス４の出力端子Ｓ１、Ｓ２より循環電流が注入され、逆流防止用ダイオード２１の後段の電位が上昇し、過電圧状態となる。なお、このメカニズムについては、上記第２実施形態において説明したのでここでは省略する。そして、過電圧検出器３１は、その過電圧を検出すると、パルス増幅回路１３のＦＦＴ駆動回路に対して信号を出す。ＦＦＴ駆動回路のゲート制御回路３２はこの信号を受け取ると、ゲート信号を停止して、パワートランジスタのスイッチング動作を停止させる。
【００６４】
パワートランジスタが交互にオン／オフするスイッチング動作を停止するので、昇圧チョッパの作用により増幅器の主要回路が電位上昇することを回避できる。従って、本実施形態の増幅型計器用変圧器は、２次出力突き合わせの際においても増幅器が故障することを回避できる。
【００６５】
（４）第４実施形態
（４−１）構成
本実施形態は、請求項９に対応するものである。すなわち、本実施形態の増幅器は、図５に示すように、第１実施形態の増幅器に回生回路４０を追加したものである。同図において、電源回路１０、前置増幅回路１１、パルス幅変調器１２、パルス増幅回路１３、復調器１４、絶縁トランス４の構成、機能は第１実施形態の増幅器と同じなので説明は省略する。
回生回路４０は、電気所所内制御電源１１０Ｖと電源回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）１０の間に接続されている。この回生回路４０は４個のパワートランジスタとＦＦＴ駆動回路と過電圧検出器４１から構成されている。
【００６６】
（４−２）作用・効果
以上のような構成を有する第４実施形態による計器用変圧器によれば、以下のような作用・効果が得られる。
増幅型計器用変圧器が２次突き合わせ状態になると、一方の計器用変圧器の絶縁トランスの２次出力端子Ｓ１、Ｓ２より循環電流が注入される。注入された循環電流はパワートランジスタでほとんど消費されることなくＤＣ／ＤＣコンバータへ流れ込んでいく。この注入された循環電流を回生回路４０により、電気所所内制御電源１１０Ｖ側へ流出（回生）させる。これにより昇圧チョッパ作用による電位上昇の蓄積はおこらず、増幅回路の耐圧を脅かすレベルの電位上昇は発生しない。従って、本実施形態の増幅型計器用変圧器は、２次出力突き合わせの際においても増幅器が故障することを回避できる。
【００６７】
（５）第５実施形態
（５−１）構成
本実施形態は、請求項２に対応するものである。すなわち、本実施形態の計器用変圧器は、図６に示すように、第１実施形態の計器用変圧器に光センサ５１を追加し、また増幅器３において信号の入力回路を発光ダイオード５４とフォトダイオード５３から成る光入出力回路に変更し、信号処理回路５５を前置増幅器１１の前段に追加したものである。なお、光センサ５１と増幅器３の間は光ファイバケーブル５２で接続される。同図において、電源回路１０、前置増幅回路１１、パルス幅変調器１２、パルス増幅回路１３、復調器１４、絶縁トランス４の構成、機能は第１実施形態の増幅器と同じなので説明を省略する。また、本実施形態では、逆流防止用ダイオード２１と電力吸収回路２２を有する。これらの構成、機能は第２実施形態と同じなので説明を省略する。
【００６８】
（５−２）作用・効果
以上のような構成を有する第５実施形態による計器用変圧器によれば、以下のような作用・効果が得られる。
主回路電圧Ｖ１は、容量分圧器２で分圧電圧Ｖｄに分圧される。分圧電圧Ｖｄは光センサ５１に印加され、光の強度信号に変調される。その光強度変調信号は、増幅器３のフォトダイオードで電気信号に変換され、信号処理回路５５で主回路電圧Ｖ１を表わす電圧信号に復調され、次段の前置増幅回路１１に送られる。これ以降の動作は、第１、第２実施形態とほぼ同じなので説明を省略する。
【００６９】
以上説明した第５実施形態では、第１、第２実施形態で得られた効果を同様に得られることは自明である。加えて本実施形態によれば、主回路交流電圧を光信号に変換して、光信号を増幅器に入力するので、送変電機器の主回路と電子回路である増幅器は光絶縁で完全に絶縁される。従って、主回路からのサージの侵入を絶つことができ、高信頼性の計器用変圧器を提供することができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、主回路電圧を分圧する分圧器と、分圧電圧を所定の使用負担電力に増幅して２次出力電圧として出力する電力増幅器から成る計器用変圧器において、アナログ電圧信号をパルス幅変調信号に変換するパルス幅変調器と、パルス幅変調信号を所定の電力にパルス増幅するパワートランジスタとその駆動回路と、パルス増幅されたパルス幅変調信号から所定の周波数成分の２次電圧に復調する復調器から構成される電力増幅器を用いることにより、高効率、小型で安価な電力増幅器を有する計器用変圧器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による計器用変圧器のシステム構成を示す図。
【図２】本発明の第１実施形態による計器用変圧器の増幅器の詳細な構成を示す図。
【図３】本発明の第２実施形態による計器用変圧器の増幅器のシステム構成を示す図。
【図４】本発明の第３実施形態による計器用変圧器の増幅器のシステム構成を示す図。
【図５】本発明の第４実施形態による計器用変圧器の増幅器のシステム構成を示す図。
【図６】本発明の第５実施形態による計器用変圧器のシステム構成を示す図。
【図７】従来の増幅型計器用変圧器のシステム構成を示す図。
【図８】従来の増幅型計器用変圧器の増幅器の詳細な構成を示す図。
【図９】計器用変圧器の２次突合せの説明図。
【符号の説明】
Ｃ１…主コンデンサ
Ｃ２…分圧コンデンサ
Ｖ１…主回路電圧
Ｖｄ…分圧電圧
Ｖ２…２次出力電圧
Ｑ１〜Ｑ４、Ｑ１０１〜Ｑ１１０…パワートランジスタ
１…増幅型計器用変圧器
１ａ、１ｂ…計器用変圧器
２…容量分圧器
３…増幅器
４…絶縁トランス
５…同軸ケーブル
１０…電源回路
１１…前置増幅回路
１２…パルス幅変調器
１３…パルス増幅回路
１４…復調器
２１…逆流防止用ダイオード
２２…電力吸収回路
２３…電力吸収抵抗
２４、３１、４１…過電圧検出器
２５…半導体スイッチ
２６…点検回路
３２…ゲート信号制御回路
４０…回生回路
５１…光センサ
５２…光ファイバーケーブル
５３…フォトダイオード
５４…発光ダイオード
１０１…増幅型計器用変圧器
１０２…容量分圧器
１０３…増幅器
１０４…絶縁トランス
１０５…同軸ケーブル
１１０…電源回路
１１１…前置増幅回路
１１２…Ｂ級プッシュプル増幅回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004119759.tif 000008
【図７】
2004119759.tif 000009
【図８】
2004119759.tif 000010
【図９】
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