(57)【要約】【課題】限流機能付きの変圧器として応用することが容易な、故障電流抑制用の限流器を提供する。【解決手段】一次巻線１と二次巻線２を経由する閉じた閉磁路を形成し得る固定鉄心１１に、第１突部１１ａと第２突部１１ｂとを形成し、強磁性材料よりなる可動鉄片と非磁性材料よりなる支持材とを連設した棒状の可動体１５を第１突部１１ａと第２突部１１ｂとの間でスライド移動可能とし、通常通電時には、第１突部１１ａと第２突部１１ｂとの間に支持材を位置させて漏れ磁路を形成せず、限流時には、第１突部１１ａと第２突部１１ｂとの間に可動鉄片を位置させて漏れ磁路を形成し、一次巻線１と二次巻線２の磁気結合を低減させ、故障電流を抑制する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電系統に接続された一次巻線と送電系統に接続された二次巻線を経由する閉じた閉磁路を形成し得る任意形状のヨークと、
上記一次巻線と上記二次巻線の間に漏れ磁路を生ぜしめるように、上記ヨークの２点間を磁気的に結合させる任意形状の磁性材料よりなる磁路形成部を備えた可動体と、
上記可動体の磁路形成部によって漏れ磁路が形成されない第１位置と、上記可動体の磁路形成部によって漏れ磁路が形成され得る第２位置とに、上記可動体を移動させる可動体移動手段と、
予め定めた限流機能作動条件が達成されたことを検出する限流機能作動条件検出手段と、
を備え、
上記限流機能作動条件検出手段が限流機能作動条件の達成を検出することに基づいて、上記可動体移動手段が可動体を第１位置から第２位置に移動させるようにしたことを特徴とする限流器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、系統の事故時の過電流を抑制する限流器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、アーク・抵抗を利用した方式、自己消去能力のあるＧＴＯのような半導体素子を利用した方式、ダイオードブリッジと直流リアクトルを用いた方式、超電導の常電導転移現象を利用した方式、ＬＣ共振を利用した方式等、種々の限流器が提案・開発されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１３９９３号公報
【特許文献２】
特開２００２−２６２４５０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、限流器が限流動作を行う際、その限流能力が高いほど限流器の両端子間には高い電圧が印加されるため、電流を零にできる方式の場合は、その両端電圧は線路電圧と等しくなり、この高電圧に耐える限流器は大容量にする必要があり、寸法が大きく、高価になってしまう。また、これを送配電設備として別途設置するには、それを設置する空間を確保しなければならず、設置箇所が制限されるという問題もある。
【０００５】
さらに、超電導の常電導転移現象を利用した方式は、常電導転移後に再び超電導導体に復帰するのに時間がかかる上、その復帰時間を制御するのが難しいという問題がある。その上、クライオスタットの設置を要するなど、設備としても規模が大きくなってしまう。
【０００６】
また、電力系統では、各線路の送電容量に応じて適した電圧階級があり、電力エネルギーの発生から消費の流れの中で、変圧器により数回変圧されるため、線路中に複数台の変圧器が必須であるが、これらの変圧器に対して、上記のような従来の限流装置を設けることは困難である。
【０００７】
そして、現状の送電系統では事故時過電流を遮断器の定格遮断電流以下に抑えつつ、系統の安定度を確保しているが、今後の系統規模の拡大に伴い、系統の連系点などでは事故時過電流が定格遮断電流を上回る状況が考えられる。また、配電系統においては、今後の電気事業自由化の進展に伴い連系される分散電源が増加していくと予想されるが、ある容量以上の回転機系の分散電源が連系された場合、故障電流が配電用遮断器の遮断容量を上回ることが危惧されている。
【０００８】
そこで、本発明は、簡単で経済的な故障電流抑制用の限流器であって、変圧器への応用も簡単な限流器の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、給電系統に接続された一次巻線と送電系統に接続された二次巻線を経由する閉じた閉磁路を形成し得る任意形状のヨークと、上記一次巻線と上記二次巻線の間に漏れ磁路を生ぜしめるように、上記ヨークの２点間を磁気的に結合させる任意形状の磁性材料よりなる磁路形成部を備えた可動体と、上記可動体の磁路形成部によって漏れ磁路が形成されない第１位置と、上記可動体の磁路形成部によって漏れ磁路が形成され得る第２位置とに、上記可動体を移動させる可動体移動手段と、予め定めた限流機能作動条件が達成されたことを検出する限流機能作動条件検出手段と、を備え、上記限流機能作動条件検出手段が限流機能作動条件の達成を検出することに基づいて、上記可動体移動手段が可動体を第１位置から第２位置に移動させるようにしたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面に基づいて、本発明に係る限流器の実施形態を説明する。
【００１１】
図１は、本発明に係る限流器の一実施形態を示す構造図である。図中、１は一次巻線、２は二次巻線、１１は固定鉄心で、上記一次巻線１と二次巻線２を経由する閉じた閉磁路を形成し得る任意形状のヨークとして機能する。
【００１２】
可動体１５の詳細は、図２に示すように、可動鉄片１２と支持材１３からなる棒状体である。可動鉄片１２は、一次巻線１と二次巻線２との間に漏れ磁路を生ぜしめるように、固定鉄心１１の２点間を磁気的に結合させる任意形状の磁性材料よりなる磁路形成部として機能する。なお、この可動鉄片１２と上記固定鉄心１１とは強磁性材料である電磁鋼板を積層して形成される。また、支持材１３は非磁性材料よりなる。
【００１３】
上記のように構成した可動体１５は、固定鉄心１１に設けた第１突部１１ａと第２突部１１ｂとの間に可動鉄片１２が位置する状態と、第１突部１１ａと第２突部１１ｂとの間に支持材１３が位置する状態とに変換可能な方向（図２中における矢印１４の方向）にスライド移動可能である。
【００１４】
上記のように構成された限流器は、一次巻線１と二次巻線２を同じ巻線比にすれば、送配電系統の適所に挿入して使える限流器として機能するが、一次巻線１と二次巻線２の巻線比を変えて構成すれば、限流機能付き変圧器として利用できる。図３および図４は、変圧器として使用した例を示すもので、限流機能が作動していない通常通電状態（固定鉄心１１に設けた第１突部１１ａと第２突部１１ｂとの間に支持材１３が位置する状態）を示した図である。また、図４は、限流機能が作動した限流状態（固定鉄心１１に設けた第１突部１１ａと第２突部１１ｂとの間に可動鉄片１２が位置する状態）を示した図である。なお、図３と図４において、２１は交流電源、２２は負荷である。
【００１５】
図５と図６は、図１の限流器を横から見た側面図であり、図５は通常通電状態（固定鉄心１１に設けた第１突部１１ａと第２突部１１ｂとの間に支持材１３が位置する状態）を示し、図６は限流状態（固定鉄心１１に設けた第１突部１１ａと第２突部１１ｂとの間に可動鉄片１２が位置する状態）を示した図である。
【００１６】
また、図５と図６には、予め定めた限流機能作動条件が達成されたことを検出する限流機能作動条件検出手段として機能する過電流検出器３１や、可動体１５を移動させる可動体移動手段としての駆動機構（例えば、電磁リレー３２、励磁電源３３、電磁石ソレノイド３４、引張ばね３５等より構成）も示してある。
【００１７】
通常通電時には、電磁リレー３２をオンさせる。これにより、励磁電源３３より給電された電磁石ソレノイド３４は励磁され、発生する電磁力が引張ばね３５の縮もうとする力に抗して可動体１５を図５の位置（可動体１５の支持材１３が第１突部１１ａと第２突部１１ｂとの間に来る位置）まで引っ張り、静止させるので、通常通電時においては、可動鉄片１２によって漏れ磁路が形成されない第１位置に可動体１５が移動されることとなる。
【００１８】
上記のように可動体１５が第１位置にあるとき、第１突部１１ａと第２突部１１ｂとの間には非磁性材料よりなる支持材１３があるため、この間の磁気抵抗が大きくなって、第１突部１１ａと第２突部１１ｂとの間の磁束φｇはφ１やφ２と比べると小さくなり、第１突部１１ａと第２突部１１ｂとを経る磁路は形成されないものと看做せることから、通常通電時には漏れ磁路が形成されないのである。また、この通常通電時における限流器は、φｇが充分に小さく、φ１≒φ２であれば、漏れリアクタンスが小さく電圧変動率の小さい通常のトランスとして機能する。
【００１９】
なお、強磁性体の比透磁率を無限大、非磁性材の比透磁率を１と近似し、鉄心の断面積をＳ、真空の透磁率をμ０とすると、この磁気抵抗Ｒｎは、第１突部１１ａと第２突部１１ｂとの間のギャップ長ｇを用いて、「Ｒｎ＝ｇ／μ０Ｓ」と表せる。一次巻線の巻数をｎ１とすると、一次側から見た漏れリアクタンスＬｎは「Ｌｎ＝ｎ１２／Ｒｎ」となる。
【００２０】
また、漏れリアクタンスをさらに小さくしたい場合は、非磁性支持材１３に銅やアルミニウムといった良導体を用い、その中を流れる渦電流でφｇを打ち消す方法や、回路に直列にコンデンサを挿入して漏れリアクタンス分を補償する方法、あるいは、巻線に負荷時タップ切換機構を設けて、電圧変動分を補償する方法もある。
【００２１】
続いて、図４のように二次側で短絡または地絡事故が生じ、線路電流Ｉ１またはＩ２が限流開始電流値を超えた場合（限流機能作動条件が達成された場合）、これを限流機能作動条件検出手段としての過電流検出器３１で検出し、該過電流検出器３１の検出出力により電磁リレー３２をオフさせる。これにより、電磁石ソレノイド３４は消磁され、引張ばね３５の縮もうとする力により、可動体１５は速やかに図６の位置に移動するので、第１突部１１ａと可動鉄片１２と第２突部１１ｂを経る磁路（漏れ磁路）が形成される。すなわち、限流機能作動時においては、可動鉄片１２によって漏れ磁路が形成され得る第２位置に可動体１５が移動されることとなる。
【００２２】
この時、固定鉄心１１における第１突部１１ａと第２突部１１ｂと可動鉄片１２の接する面に僅かなギャップが生じる（可動体１５の移動に伴う摺動抵抗を発生させないため、僅かなギャップが必要となる）ものの、この僅かなギャップの長さをｐとすると、限流時の可動体１５を通る磁路の磁気抵抗Ｒｆは、Ｒｆ＝ｐ／μ０Ｓと表すことができ、ｐ≪ｇであることからＲｆ≪Ｒｎとなる。
【００２３】
上記のようにして漏れ磁路を形成した時、一次側から見た漏れリアクタンスＬｆはＬｆ＝ｎ１２／Ｒｆとなる。二次側事故時は、二次巻線の両端電圧がほぼ零のため、φ２≒０となり、φ１≒φｇとなる。このとき一次電流Ｉ１は、一次電圧をＶ１、その角周波数をωとすると、Ｉ１＝Ｖ１／（ωＬｆ）となる。ｐを小さくしＲｆが小さくなれば、Ｌｆが大きくなりＩ１を抑制できる。すなわち、二次側で事故が生じた際に、可動体１５を移動させることで、故障電流を限流できる。
【００２４】
事故が解消され、送電を再開する際は、再び電磁リレー３２をオンにして電磁石ソレノイド３４を励磁すれば、発生した電磁力により可動体１５を図５の位置まで引っ張る。斯くして、再び変圧器の漏れリアクタンスは小さくなり、送電が開始される。
【００２５】
図７は、可動鉄片の移動により限流できることを実証する装置を作製し、試験を行った時の波形図である。一次巻線と二次巻線の巻線比は２：１で、二次巻線を短絡し、時刻０秒で電磁石ソレノイドの電流Ｉｓｏｌを遮断した。図７を見て分かるように、電磁石ソレノイドの電流Ｉｓｏｌを遮断して３サイクル半から４サイクル分の時間を経た後に、可動鉄片の移動が完了し、一次電流Ｉ１と二次電流Ｉ２が限流された。
【００２６】
なお、図７より分かるように、本実施形態に係る限流器を適用した変圧器で限流機能が作動した後も、二次側の電流を完全に遮断することはできないが、危険回避には十分なレベルに抑制することが可能である。しかも、可動部分に高電圧およびアークが発生しないので、電極の消耗を抑制できるという利点もある。
【００２７】
また、事故の検出から限流動作が完了するまでの時間（実質的には、電磁石ソレノイド３４の電流Ｉｓｏｌを遮断してから一次電流Ｉ１と二次電流Ｉ２が限流されるまでの時間）を更に短くするには、引張ばね３５をさらに縮む力の強いものに変えるなど、駆動機構の改良を行えば良い。無論、電磁石ソレノイドと引張バネではない他の可動体駆動機構を採用して、より高速な可動体移動を実現するようにしても良い。なお、可動体移動手段としてどのような機構を採用するかは、任意設計事項の範囲であり、より移動速度が速く小型・軽量・安価なものが望ましい。
【００２８】
また、上記実施形態においては、固定鉄心１１に第１突部１１ａと第２突部１１ｂとを設けて、この間に一つの可動体を位置させることで漏れ磁路を形成するものとしたが、漏れ磁路の形成手法も、これに限定されるものではなく、可動体の磁路形成部が第２位置にある限流作動時における漏れ磁路の磁気抵抗が低く、可動体の磁路形成部が第１位置にある通常通電時における漏れ磁路形成部位間の磁気抵抗が高くなるようにできれば良い。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る限流器によれば、限流機能作動条件が達成されたことを限流機能作動条件検出手段が検出すると、可動体移動手段が可動体を第１位置から第２位置に移動させることで、漏れ磁路が形成され得る状態となり、第１巻線と第２巻線との磁気結合が切り換えられ、短絡等による故障電流を速やかに抑制することができる。しかも、超電導材の常電導転移現象を利用しないので、限流開始電流値や、通常通電状態への復帰時間が制御し易いという利点もある。
【００３０】
また、請求項１に係る限流器は、第１巻線と第２巻線との巻線比を変えることで、限流機能付き変圧器としても利用できる。その場合、可動体移動手段を設ける必要から、普通の変圧器に比べると、寸法が大きく、高価になるが、大容量限流器を変圧器とは別途に設ける場合に比べれば、設置に要する空間を小さくできるし、安価に提供できる。しかも、変圧器の巻線は元々その線路電圧に耐えるよう設計されているので、既存の変圧器に本発明を適用する場合は、その巻線を使用できるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る限流器の一実施形態を示す概略構造図である。
【図２】図１における可動体の外観を示す斜視図である。
【図３】限流器を変圧器に適用した例であり、通常通電状態を表した説明図である。
【図４】限流器を変圧器に適用した例であり、限流状態を表した説明図である。
【図５】通常通電状態にある限流器の側面図である。
【図６】限流状態にある限流器の側面図である。
【図７】限流動作の実証試験における、一次電圧Ｖ１、二次電圧Ｖ２、一次電流Ｉ１、二次電流Ｉ２、電磁石ソレノイドの電流Ｉｓｏｌの波形を表す図である。
【符号の説明】
１  一次巻線
２  二次巻線
１１  固定鉄心
１２  可動鉄片
１３  非磁性支持材
１４  可動体の可動方向を示す矢印
１５  可動体
２１  交流電源
２２  負荷
３１  過電流検出器
３２  電磁リレー
３３  励磁電源
３４  電磁石ソレノイド
３５  引張ばね
【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】
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【図７】
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