(57)【要約】【課題】２００Ｖ電線路に使用するコンデンサは４００Ｖ電線路に使用するものより同じ容量であっても高価である。２００Ｖ低圧配電路の力率改善を比較的に安価にすることが課題である。【構成】２００Ｖ電線路に所定の漏れリアクタンスを持つ三相単巻変圧器７を介して４００Ｖに昇圧し、４００Ｖの定格電圧の三相コンデンサ８を接続したコンデンサ装置とする。所定の漏れリアクタンスとは４００Ｖ定格電圧のコンデンサが持つリアクタンスの６％や１３％から１５％をいう。６％では第５高調波を抑制し、１３％から１５％は第３高調波を抑制する。このコンデンサ装置にはスイッチ素子（ブレーカや電磁接触器などを含む）を付けたものをも本発明の請求範囲とし、力率改善を変動する負荷に追随して自動的にスイッチ素子を制御するに投資効率の良い構成である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンデンサ装置の定格電流の最低でも１２０％の過電流に耐え、かつ最低でも基本は電流の３５％の第５高調波電流による励磁を考慮した所定の漏れリアクタンスもつコンデンサ用単巻変圧器の一次側を電源に接続し、この単巻変圧器の昇圧された２次側にコンデンサを接続してなるコンデンサ装置。
【請求項２】
スイッチ素子の一方を電源に接続し、スイッチ素子の他方をコンデンサ装置の定格電流の最低でも１２０％の過電流に耐え、かつ最低でも基本は電流の３５％の第５高調波電流による励磁を考慮した所定の漏れリアクタンスを持つコンデンサ用単巻変圧器の一次側に接続し、このコンデンサ用変圧器の昇圧された２次側にコンデンサを接続してなるコンデンサ装置。
【請求項３】
汎用単巻変圧器の１次側または２次側に不足するリアクタンスを追加して所定のリアクタンスにするように１次側または２次側にリアクトルを追加し、その負荷としてコンデンサを接続してなるコンデンサ装置。
【請求項４】
コンデンサ装置の定格電流の最低でも１２０％の過電流に耐え、最低でも基本は電流の３５％の第５高調波電流による励磁を考慮し、所定の漏れリアクタンスを持つコンデンサ用単巻変圧器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明の利用分野は具体的には２００Ｖ低圧配電線路の力率改善のために適用する。
【０００２】
【従来の技術】
【数１】
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にコンデンサの容量の計算式を示す。Ｑはコンデンサの容量である。Ｖは誘電体の体積である。周波数ｆは商用周波数で決まってしまい、誘電率εは誘電体材料で決まってしまう。２００Ｖ低圧配線路で使う進相コンデンサ（以下コンデンサと云う）と４００Ｖ低圧配線路で使うコンデンサは容量が同じであれば体積も同じに設計されている。このことは電位傾度Ｇも同じに設計されていることになる。
【０００３】
しかし、２００Ｖ配線路に使うコンデンサの方が相当に高価である。その理由
は
【数１】のただし書きのＧ＝Ｅ／ｔにおいて、コンデンサの端子電圧Ｅが２００Ｖになると誘電体の厚みｔを半分にする必要がある。コンデンサの誘電体には誘電体はポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチロール、などのプラスチックフイルムが使われているが、これらを非常に薄く（ｔが小さい）むらのないフイルムにするには生産速度や機械管理や工程管理コストが掛かるため、２００Ｖ配線路用コンデンサは高価になる。すなわち、材料コストが高くなるのである。
【０００４】
２００Ｖ配線路のコンデンサにおいては形式によって誘電体の厚みを少し厚くしてコストを下げようとする場合もある。しかし、誘電体の厚みを増すと電位傾度が小さくなり、容量Ｑを変えないとすると
【数１】の電位傾度Ｇは二乗で働くために誘電体の体積Ｖは大きくなり、使う誘電体材料が多くなって余りコストダウン」にはならない。このように、２００Ｖ配線路用のコンデンサは高価になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
４００Ｖ低圧配線路を採用する工場やビルも次第に増えてきたが、昔からの設備や中小の製造業では今も２００Ｖ低圧配線路で建設している。一方、省エネルギーは時代の要請であり、力率改善によって、線路損失、変圧器損失を減少させ、なお、設備余力を生み出すことは大切である。２００Ｖ低圧配線路においても４００Ｖ低圧配線路と同じ程度、力率改善の投資に魅力を技術の進歩で与えねばならない問題がある。
【０００６】
１次２次巻線絶縁型の汎用の変圧器を使って２００Ｖを４００Ｖに昇圧して、その変圧器の２次側の４００Ｖ端子にコンデンサを接続して使うと、変圧器の価格が高いため、この方式は経済的に成立しない。
【０００７】
また、コンデンサの含浸には従来から可燃性の絶縁油を使っている。しかし、防火の社会的要求から不燃性ガスを使うコンデンサも製造されるようになり、益々４００Ｖ低圧線路用コンデンサに比べて金額的に２００Ｖ低圧配線路用のコンデンサはより高くなっている。
【０００８】
前記の高圧から低圧に降圧する変圧器は損失改善のためアモルファス磁性体を鉄心に使った低損失の変圧器が製造されるようになってきたが、この変圧器は高価であり、低圧電線路にコンデンサを設置して設備余力を生み出す必要が増している。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
昇圧する変圧器を昇圧単巻変圧器にすることにより巻線の量が少なり、価格を下げることが可能になって課題を解決できる。例えば、１次側を２００Ｖに接続し、２次側を４００Ｖにして２０ｋＶＡのコンデンサを接続するとき、昇圧単巻変圧器の容量はコンデンサ容量の半分の１０ｋＶＡで良いため安価になる。それだけの効果だけでなく、単巻変圧器の漏れリアクタンスを通常より大きく設計製造することによりコンデンサ用直列リアクトルを省くことができる。
【００１０】
請求項の言葉に関係して、２次電圧を１次電圧より昇圧する単巻変圧器の２次巻線とは昇圧するための巻線と１次巻線を合わせた巻線になる。従って、昇圧する巻線を昇圧巻線と云う。
【００１１】
汎用の単巻変圧器は基本的に電圧変動率の小さくするため、漏れリアクタンスは小さく設計する。しかし、コンデンサ用単巻変圧器は逆にコンデンサのリアクタンスの６％前後の漏れリアクタンスを持つように設計製造することにより電線路の第５高調波電流を抑制し、１３％から１５％の漏れリアクタンスを持つように設計製造することにより電線路の第３高調波電流を抑制する効果がある。従って、普通の単巻変圧器と比べると相当大きい漏れリアクタンスとなる。
【００１２】
【図１】はコンデンサ用三相単巻変圧器の３脚の内の１脚の断面図である。
【数２】
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は漏れリアクタンスを求める一般的な数式である。
以下、
【図１】と
【数２】を使って概略説明する。
漏れリアクタンスＸＬを大きくするには
【数２】のｈのコイルの高さ（巻き幅）を小さく、Ｍのコイル１ターンの平均長さを大きく、１次巻線の巻厚みΔ１、昇圧巻線の巻厚みΔ２、１次巻線と昇圧巻線の間隔δを大きく設計する。すなわち、この単巻変圧器の漏れリアクタンスを大きくするように設計をすると汎用単巻変圧器に比べてコイルを巻く鉄心（コアー）の脚が短く、コイルは比較的偏平で全体としても比較的偏平で幅広になる。
【００１３】
このコンデンサ用単巻変圧器はこのコンデンサ装置に流れる高調波電流も関係して、これに耐える設計が必要になる。また、流れる高調波電流が漏れリアクタンスに関係してコンデンサ用単巻変圧器の励磁電流を増加させるため、設計時にこの磁束密度の増加を考慮しておく必要がある。また、最低でもコンデンサ用直列リアクトルのＪＩＳ規格に準拠する必要がある。
【００１４】
汎用単巻変圧器を使って昇圧しコンデンサを接続してなるコンデンサ装置作ることは規格上推奨されない。もし、汎用単巻変圧器を使う場合は所定の直列リアクタンスを得るために汎用単巻変圧器に不足する分をリアクトルで追加する必要がある。その追加するリアクトルはコンデンサに流れる進相電流による電圧上昇を考えるとき、汎用単巻変圧器の励磁電圧を上げないために単巻変圧器の２次側とコンデンサの間の回路に挿入する必要がある。また、この汎用単巻変圧器は最低でも１２０％の過電流に耐え、最低でも基本波電流の３５％の第５高調波電流に耐えるように定格容量の大きい物を使用する必要がある。追加挿入するリアクトルもまた同様に過電流と高調波電流に耐えるよう設計製造された物を使用する必要がある。このように構成するコンデンサ装置も本特許の範囲である。
【００１５】
【実施例】
【図２】は本発明の基本的な設置実施例の回路図である。各相の電源端子４、５，６にコンデンサ用単巻変圧器の各相の１次巻線が繋がり、このコンデンサ用単巻変圧器の２次巻線はそれぞれコンデンサ８に繋がっている。
この実施例を等価回路で描くと
【図３】のようになり、コンデンサに直列にリアクトルを設置したような回路となる。Ｘａ１，Ｘｂ１，Ｘｃ１，Ｘａ２，Ｘｂ２，Ｘｃ２は各相間の漏れリアクタンスをＹ結線に換算したものである。
【数３】
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及び
【図３】のαは巻数比であり、Ｎ１は１次巻線、Ｎｕｐは昇圧巻線である。
尚、励磁アドミタンスや巻線抵抗は簡単に説明するために省いている。
【００１６】
【図４】は本発明のスイッチ素子を持つコンデンサ装置の実施例である。スイッチ素子９（ブレーカ、電子接触器などを含む）をコンデンサ用単巻変圧器の１次側に設けた回路図である。各相のスイッチ素子９の一方は各相の電源端子４，５，６に繋がり他方はコンデンサ用単巻変圧器７の１次側に繋がっている。コンデンサ用単巻変圧器の２次巻線はコンデンサ８に繋がっている。
【図４】で明らかなようにスイッチ素子９が開いた場合、コンデンサの電荷はコンデンサ用単巻変圧器で短い時間に放電される。
【００１７】
【図５】は汎用単巻変圧器の２次側にリアクトルを追加したコンデンサ装置の実施例である。汎用単巻変圧器１０はコンデンサに流れてくる最低でも基本波の３５％の第５高調波電流を考慮して、最低でも１２０％の過電流に耐える容量の定格に格上げする必要がある。また、汎用単巻変圧器は漏れリアクタンスが少ないため、所定のリアクタンスより不足する分はリアクトル１１を追加するが、このリアクトルも高調波電流と過電流に耐えるものにする必要がある。更に、コンデンサに流れる進み電流によって汎用単巻変圧器の励磁電圧は上昇するため磁束密度の設計値を確認しておく必要がある。この意味からも追加するリアクトルは汎用単巻変圧器の２次側で追加する方が好ましい。この組み合わせる方式は本特許の
【請求項３】の範囲である。
このように汎用単巻とリアクトルを組合す場合の経済的効果はコンデンサ用単巻変圧器を使う方法に比べて低いが効果はある。
【００１８】
【図２】、
【図３】、
【図４】、
【図３】は単相のコンデンサやコンデンサ用単巻変圧器のように示しているが、単相でも三相でも本発明の範囲内である。三相２００Ｖ低圧電線路に単相のコンデンサ用単巻変圧器やコンデンサを使用すると若干価格は高くなる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の最大の効果は低圧２００Ｖ電線路の力率改善に定格電圧４００Ｖ級のコンデンサが使用できるため経済的な課題を解決する。次に、本発明のコンデンサ用単巻変圧器はコンデンサ用直列リアクトルの機能を兼ねるため、コンデンサ用直列リアクトルが不要であり、スイッチ素子をこの単巻変圧器の電源側に設ける場合はコンデンサ用放電コイルも不要であるため大きい経済効果がある。コンデンサ用単巻変圧器の若干の問題点と、その更なる効果を以下に記す。
【００２０】
漏れリアクタンスが６％程度のものを設計製造する場合、普通に使われる単巻変圧器の１ランク上の容量の鉄心を使えば可能である。しかし、漏れリアクタンスが１３％〜１５％にもなると１次巻線と昇圧巻線の間を広げる必要がある。また、全体として偏平なものになる。このことは巻線１ターン当たりの長さが増加するため銅線の使用量が増加して不経済な面がある。しかし、漏れリアクタンスとコンデンサのリアクタンスは逆位相の関係があり、コンデンサ用単巻変圧器が６％や１３％〜１５％の漏れリアクタンス持つとき、コンデンサを接続するとフェランチ効果のようにコンデンサの端子電圧は上がる。従って、この単巻変圧器の無負荷２次電圧は６％や１３％〜１５％下げることができる。すなわち、昇圧巻線の巻数を減らせるため、銅線の使用量は経済的にあまり問題にならない。コンデンサ用単巻変圧器はこのように設計製造される。
【００２１】
低圧電線路において、各電気機器（モータなど）の力率改善を各電気機器と同じ回路に並列に接続するのとは別にして、集中してコンデンサを設置する場合は高調波電流の増大があるためコンデンサ用直列リアクトルを設置するように推奨されている。直列リアクトルを使う場合の進相容量の契約は設備容量で契約されている。
【００２２】
本発明では、コンデンサの電源側にコンデンサ用単巻変圧器を接続するため、コンデンサが短絡事故を起こした時の短絡電流を抑制して大事故になる可能性は少ない。また、コンデンサ用単巻変圧器は遮断器（ブレーカ）の接点の消耗を抑えられる効果があり、かつ、短絡電流の遮断も楽にする効果がある。
【００２３】
２００Ｖ電線路において、電動機、エアコン、蛍光灯、パソコンなどの負荷変動に従ってコンデンサ装置を数群に分けて開閉（スイッチング）する場合や自動制御で開閉する場合、隣のコンデンサ群から新たに電線路に投入されるコンデンサ装置との間に突入電流の還流が起こり、開閉器や電磁開閉器の接点を消耗する。この突入還流電流をコンデンサ用単巻変圧器は抑制するため接点の消耗を抑える効果がある。
【００２４】
コンデンサ回路の問題ではあるが、コンデンサを回路から切り離すとコンデンサは充電された状態になっている。その充電電圧と交流回路の時間的位相の変化で切り離すスイッチ素子（電力半導体、ブレーカや電磁接触器などを含む）の電極間に充電電圧に回路電圧が加わり高い接点間電圧を生じて再点弧する場合がある。この場合の再点弧電流は突入還流電流より大きくなるが、漏れリアクタンスを持つコンデンサ用単巻変圧器はこの電流を抑制する。
【００２５】
【図５】のように、コンデンサ装置のコンデンサ用単巻変圧器の１次側にスイッチ素子を設けて開放した場合、本装置のコンデンサはコンデンサ用単巻変圧器の巻線を通して、充電電圧をピークとして減衰振動をしながら急速にコンデンサの充電電圧は放電される。従って、再点弧の機会は皆無に近い。また、放電コイルが不要で経済的である。
【００２６】
一般的に、特別高圧や高圧で受電して１台または複数の変圧器で降圧して各負荷に供給している。電力需要家の力率改善は特別高圧や高圧側に進相コンデンサを設置して力率を改善している。
【００２７】
本発明のコンデンサ装置は開閉時の突入電流、突入還流電流、再点弧などの問題を軽減するため、これを生かして負荷の変動に追随してコンデンサ装置を開閉し、さらに高い力率改善をすることができる。この場合、既に特別高圧や高圧に設置された進相コンデンサの容量を考慮して低圧側で１００％力率を追求すると受電点では軽負荷時に進み力率になり過補償になる。従って、各低圧電線路には特別高圧や高圧のコンデンサ容量を差し引いた少し低い力率改善目標を与えて、その範囲で自動制御する。
【００２８】
力率の一例ではあるが、低圧電線路には７５％以下の低力率の負荷が繋がっており、低圧に降圧する変圧器は重い無効電力を負担している。この力率を９０％程度に改善すると１５％も降圧する変圧器の電流は減少して変圧器の巻線抵抗の損失は（１−０．１５）＾２の比率になり７２％になる。すなわち、３８％損失を少なくできる。これは省エネルギーの効果を生み出す。さらに、この変圧器は１５％の負荷設備余力を生み出す効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】は三相単巻変圧器の３脚の内の１脚の断面図
【図２】は３相電線路の設置実施例の回路図
【図３】は実施例を等価回路図
【図４】はスイッチ素子をコンデンサ用単巻変圧器の１次側に設けた回路図
【図５】は汎用単巻変圧器の２次側にリアクトルを追加した回路図
【００３０】
【符号の説明】
１は三相単巻変圧器の鉄心
２は１次巻線
３は昇圧巻線
４は三相のａ相の端子
５は三相のｂ相の端子
６は三相のｃ相の端子
７は所定の漏れリアクタンスを持つコンデンサ用単巻変圧器
８は三相コンデンサ
９はスイッチ素子
１０は汎用単巻変圧器
１１はリアクトル
Ｘａ１はａ相１次側の漏れリアクタンス
Ｘｂ１はｂ相１次側の漏れリアクタンス
Ｘｃ１はｃ相１次側の漏れリアクタンス
Ｘａ２はａ相２次側の漏れリアクタンス
Ｘｂ２はｂ相２次側の漏れリアクタンス
Ｘｃ２はｃ相２次側の漏れリアクタンス
Ｃａｂはａ相とｂ相間の静電容量
Ｃｂｃはｂ相とｃ相間の静電容量
Ｃｃａはｃ相とａ相間の静電容量
αは
【数３】で示す巻数比
Ｎ１は一次巻線の巻数
Ｎｕｐは昇圧巻線の巻数
【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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