WO2004082098A1 - 直流電源システム及び開閉器 - Google Patents

Abstract

所内の交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して直流負荷に供給する整流器と、常時は前記整流器より出力される直流電力により充電される蓄電装置とを備えた直流電源システムにおいて、蓄電装置は、所内の電源の停電時に所定の短時間のみ電力供給を維持する直流短時間用蓄電装置２７と、この直流短時間蓄電装置よりも電力供給を相対的に長時間維持する直流長時間用蓄電装置３７とに分割され、直流短時間蓄電装置２７には所定の高出力密度を有する電気二重層キャパシタが、直流長時間蓄電装置には所定の高蓄積電力密度を有する第２の蓄電池がそれぞれ備えられる。

Description

明 細 書

直流電源シス テ ム及び開閉器

技術分野 !f- 本発明は、 主と して、 発電所、 変電所における制御システ ムゃ、 ビル、 電気鉄道等の変電施設の制御 シス テ ムに用い ら れる直流電源システ ム及ぴ開閉器に関する。

背景技術

例えば、 変電所においては、 電力を経済的に しかも不断に 供給するため、 電力を送電や使用に適した電圧に変換して複 数の需要地や需要家に分配するのみでなく 、 事故時には事故 送電系統を瞬時に切離して他系統への影響を最小限にする役 割がある。

従って、 変電所においては、 こ の役割を果たすため、 遮断 器、 断路器、 接地装置な どの開閉器で構成された制御システ ム が備え られてい る 。

変電所と 同等の制御システムを有する もの と して、 発電所、 開閉所、 給電所や、 ビル、 電気鉄道等の給変電施設等がある。 こ こ では、 これらをま と めて発変電所と呼び、 従来例を説明 する。

図 1 4 は従来の発変電所における電力供給設備を示す回路 構成図である。

図 1 4 において、 電力供給系 1 の母線 2 から高電圧電力が 電源線 3 a ， 3 b を介して配電盤 1 1 a ， 1 1 b に供給され、 こ の配電盤 1 1 a ， 1 1 b によ り 低電圧化された電力は、 直 流電源シス テ ム 1 4 を介 して電源盤 1 5 に与え られ、 こ の電 源盤 1 5 よ り 図示しない各直流機器に電力が供給される。

こ こで、 直流電源システム 1 4 が母線 2 よ り 配電盤 1 1 a 1 1 b の二つの 2 次系統に接続されているのは、 いずれか一 方の 2次系統が停電になったと きに、 他方の系統よ り 電力を 供給するためである。

上記直流電源システム 1 4 は、 整流回路 1 6 、 鉛蓄電池等 の直流蓄電装置 1 7 で構成されている。 整流器 1 6 は、 低電 圧化された交流電力を直流電力に変換し、 電源盤 1 5 への直 流電力の供給と直流蓄電装置 1 4 の充電を行 う 。 そ して、 例 えば 1 次側 （母線側） の系統が停電したと き は、 直流蓄電装 置 1 7 から電源盤 1 5 を介して各直流機器に電力を供給する なお、 各配電盤 1 1 a ， 1 1 b から図示しない所内の交流 負荷にケープル 1 0 a , 1 0 b を介して交流電力が直接給電 される。

と こ ろで、 直流蓄電装置 1 7 が動作させるべき直流機器と して、 開閉器設置区域に設置されている 開閉器の駆動機構 (直流モータや引 き外し及び投入コ イ ル） 、 リ レー、 状態表 示灯、 コン ト ローノレユニッ トなど力 Sある。

図 1 5 は発変電所における開閉器制御システムの直流電源 回路構成図で、 電源盤 1 5 の直流電源は発変電所制御監視室 5 0 内に設置された制御盤、 保護 リ レー盤、 レコーダ等の保 護制御機器 1 9や開閉器設置区域 3 2 に設置された現場制御 盤 8 2 内の リ レーやコ ン ト ロールュエ ツ ト 、 さ らに現場制御 盤 8 2 を経由 して開閉器 1 8 a , 1 8 b , 1 8 c の駆動機構 や、 リ レーに接続される。 これらの機器において、 開閉器の制御機構の動作などは系 統の瞬時遮断に関与する もので、 1 分以内で動作を終えるが、 大電流を必要とする。

こ こ で、 開閉器 1 8 a ， 1 8 b ， 1 8 c は、 遮断器、 断路 器、 接地装置 ¾ どや、 これらを組み合わせたものも含む。

例えば、 ガス遮断器では、 1 相あた り の制御電流は 5 アン ペア （ A ) 程度であ り 、 開閉動作にかかる時間は 1 0 0 ms オーダであるが、 直流蓄電装置 1 7 には全てのガス遮断器が 同時に制御でき る だけの容量が要求される。 また、 断路器や 接地装置はシーケンス に したがって制御される が、 数 Aの制 御電流を約 1 0秒間出力 させる必要がある。

しかるに、 直流蓄電装置の設計にあたっては、 前記短時間 電力供給 （ 1 分程度） に必要な容量と長時間電力供給 （約 1 0分） に必要な容量を合わせて全体の容量を評価する必要が ある。 鉛蓄電池の場合、 必要容量は次の式で算出される。

K = ( 1 / L ) X C X I

こ こ で、 Lは保守率、 Cは容量換算時間係数、 I は必要な 電流である。 容量換算時間係数は、 鉛蓄電池の型式によって 異なるが、 維持時間に対しては図 1 6 に示すよ う なグラ フ と なる。

この図カゝら分かる よ う に、 維持時間がある程度大きい と 、 維持時間 と容量換算時間係数は比例の関係に近づく が、 短時 間の と こ ろでは比例して小さ く な らず、 ほぼ一定値になる。 つま り 、 上式から電力供給時間が 1 0分程度以下に小さ く な る と、 数 1 0 O Aの大電流を出力するためには大きな蓄積電 力が必要になる。 この結果、 発変電所の蓄電装置では、 容量 の 2 Z 3程度以上が開閉器な どの短時間電力供給のため と な つている場合がある。

これによつて、 蓄電装置の体積、 重量が大き く なる と と も に蓄電装置のコス トが高く なって しまい、 さ らに蓄電装置室 の大型化や取り 付け、 交換時の作業量が増加するなどの問題 力 ^sある。

さ ら に、 こ の よ う な構成では、 蓄電装置から開閉器の操作 機構などへ数 1 0 O Aの大電流を出力する必要がある こ と か ら、 太く て重い大容量ケーブルを用いる こ と になる。

したがって、 こ の大容量ケーブルの配線のために、 工事費 が高く なる と と もに配線スペース も必要と なって しま う。

と こ ろで、 近年電力産業機器向けに、 大電流を短時間供給 可能な大容量電気二重層キャパシタ （以下 E D L C蓄電池と 呼ぶ） が、 鉛蓄電池な どの二次電池と電解コ ンデンサの特徴 を併せ持つ二次電池が開発され （例えば特開 2 0 0 2 — 3 4 1 7 9 号公報） 、 市販化されている。 こ の E D L C蓄電池は 鉛蓄電池のよ う な従来の二次電池と は異なって、 大電力出力 が可能であ り 、 短時間に大電流を要求される機器の電源と し て向いている。 こ の他、 E D L C蓄電池には環境低負荷、 高 速充電可能、 小型など二次電池と して優れた特徴を有してい る

発明の開示

変発電所における直流電源システムでは、 数 1 0秒の間に 数 1 0 O Aの電流を出力する必要があるのに対して、 従来の 鉛蓄電池からなる蓄電装置では出力電流密度が小さいために、 これを補う ために大きな蓄電電力が必要であった。 このため、 蓄電装置の体積、 重量が大き く なつ て しま う と い う 問題があ つた。

一方、 E D L C蓄電池は蓄積電力密度が小さいため、 数 1 0 分の出力を持続させるためには数 1 0 0個のセルが必要と な り 、 装置の大型化やコ ス ト の上昇を招 く 。 さ ら に、 E D L Cにかかる過電圧を防止するためにと り つけ られるノ ラ ンス 回路の数が、 セル数に対応.して増加し、 コ ス ト の上昇、 さ ら には故障リ スク の増加を招き、 E D L C蓄電池を使用する利 点が失われる こ と になる。

本発明の 目的は、 所内の蓄電装置の低コス ト化を図る と と もに、 蓄電装置の省スペース化、 軽量化を図る こ と ができ る 直流電源システムを提供する こ と にある。

本発明によ る直流電源シス テ ムは、 所内の交流電源から供 給される交流電力を直流電力に変換して直流負荷に供給する 整流器と、 常時は前記整流器よ り 出力 される直流電力によ り 充電される蓄電装置と を備えた直流電源シス テ ムにおいて、 前記蓄電装置は、 前記所内の電源の停電時に所定の短時間の み電力供給を維持する直流短時間用蓄電装置と 、 こ の直流短 時間蓄電装置よ り も相対的に電力供給を長時間維持する直流 長時間用蓄電装置と に分割され、 前記直流短時間蓄電装置に は第 1 の蓄電池が、 前記直流長時間蓄電装置には第 2 の蓄電 池がそれぞれ備え られ、 前記第 1 の蓄電池は前記第 2 の蓄電 池よ り 出力密度が大き く 且つ前記第 2 の蓄電池は前記第 1 の 蓄電池よ り エネルギー密度が大きいものである。

また、 本発明における変電所或いは変電施設等の開閉器設 置区域に設置されている開閉器は、 開閉器本体を遮断又は投 入する操作装置を駆動または制御する直流電源と して、 所定 の高出力密度を有する蓄電池を備えた直流短時間蓄電装置を 開閉器の操作箱または現場制御盤あるいは前記直流短時間蓄 電装置の専用収納箱のいずれか一つの収納箱内に具備される 本発明は、 発変電所等の電気所における蓄電装置の低コス ト化を図る と と もに、 蓄電装置の省スペース化、 軽量化を図 る こ と ができ る。

図面の簡単な説明

図 1 は本発明による直流電源シス テ ムを発変電所における 電力供給系統に適用 した第 1 の実施形態を示す回路構成図で める。

図 2 は同実施形態における直流端時間用蓄電装置の詳細を 示すブロ ッ ク 回路図である。

図 3 は同実施形態における E D L C蓄電池の構成例を示す 回路図である。

図 4 は本発明によ る直流電源シス テ ム の第 2 の実施形態を 発変電所における制御システムに適用 した場合を示す回路構 成図である。

図 5 は同実施形態における直流短時間電力供給電源よ り 直 流電力が供給される遮断器の操作装置の引き外し回路の詳細 を示す回路図である。

図 6 は本発明によ る直流電源システムの第 3 の実施形態を 発変電所における制御システムに適用 した場合を示す回路構 成図である。

図 7 は本発明によ る直流電源シス テ ム の第 4 の実施形態を 発変電所における制御システムに適用 した場合を示す回路構 成図である。

図 8 は本発明の第 2乃至第 4 の実施形態において、 開閉器 の操作装置内に直流短時間電力供給電源の整流器や E D L C 蓄電池を組込んだ第 1 の実施例を示す構成図である。

図 9 は同 じ く 第 2 の実施例を示す構成図である。

図 1 0 は同 じ く 第 3 の実施例を示す構成図である。

図 1 1 は同 じく 第 4 の実施例を示す構成図である。

図 1 2 は本発明による直流電源シス テ ム の第 5 の実施形態 を発変電所における制御システムに適用 した場合を示す回路 構成図である。

図 1 3 は同実施形態における開閉装置の内部構成例を示す 回路図である。

図 1 4 は従来の直流電源シス テ ムを適用 した発変電所にお ける電力供給系統の回路構成図である。

図 1 5 は従来の直流電源シス テ ムによ り 動作する制御シス テムの回路構成図である。

図 1 6 は従来の直流電源シス テ ムにおいて、 鉛蓄電池の放 電時間 と容量換算時間係数の関係を示す曲線図である。

発明を実施するための最良の形態

図 1 は本発明による直流電源シス テ ムを発変電所における 電力供給系統に適用 した第 1 の実施形態を示す回路構成図で ある。

図 1 において、 電力供給系 2 0 の母線 2 から高電圧電力が 電源線 3 a ， 3 b を介して配電盤 2 1 a ， 2 1 b に供給され、 これら配電盤 2 1 a , 2 1 b でそれぞれ低電圧化された交流 電力の出力は 2 系統に分割され、 それぞれの一方が直流短時 間電力供給電源 2 4 と直流短時間電力供給盤 2 5 と を備えた 直流短時間電力供給系 2 3 に、 他方は直流長時間電力供給電 源 3 4 と直流長時間電力供給盤 3 5 と を備えた直流長時間電 力供給系 3 3 に供給される。

上記直流短時間電力供給電源 2 4 は、 配電盤 2 1 a , 2 1 b の交流電力を直流電力に変換する整流器 2 6 と、 図 2 に示 すよ う に所定の高出力密度を有する大容量電気二重層キャパ シタ （以下 E D L C蓄電池 ( Electric Double Capacitor) と 呼ぶ） 4 1 、 充電回路 4 2 と D C — D C コ ン ノ ータ 4 3 で構 成された直流短時間用蓄電装置 2 7からなる。

こ こ で、 E D L C蓄電池 4 1 は、 近年、 鉛蓄電池などの二 次電池と電界コ ンデンサの特徴を併せ持つ新しい電池と して 開発されたもので、 鉛蓄電池のよ う な従来の二次電池と は異 な り 、 大電流が可能であ り 、 短時間に大電流が要求される機 器の電源に適している。 この他、 E D L C蓄電池には環境低 負荷、 高速充放電可能、 小型な ど二次電池と して優れた特徴 を有している。

また、 上記直流長時間電力供給電源 3 4 は、 配電盤 2 1 a ， 2 1 b の交流電力を直流電力に変換する整流器 3 6 と 、 所定 のエネルギー密度 （蓄積電力密度） を有する例えば鉛蓄電池 で構成された直流長時間用蓄電装置 3 7 からなる。

なお、 直流長時間用蓄電装置 3 7 と しては、 鉛蓄電池に代 えて、 N A S電池、 アルカ リ 電池、 ニ ツカ ド電池を用いても 良い。

こ こで、 E D L C蓄電池は、 こ の直流長時間用蓄電装置に 用いる電池よ り も出力密度が大きい反面、 エネルギー密度が 小さい。

次に上記のよ う に構成された直流電源システムの作用を述 ベる。

まず、 直流短時間電力供給系 2 3 において、 直流短時間電 力供給電源 2 4 では、 低電圧化された交流電力を整流器 2 6 によ り 直流電力に変換し、 直流短時間電力供給盤 2 5 に出力 する。 また、 整流器 2 6 から出力 される直流電力が直流短時 間用蓄電装置 2 7 の図 2 に示す充電回路 4 2 を経由 して E D L C蓄電池 4 1 に供給される こ と によ り 、 該 E D L C蓄電池 4 1 が常時一定電圧以上になる よ う に充電される。

次に直流長時間電力供給系 3 3 において、 直流長時間電力 供給電源 3 4 では、 低電圧化された交流電力を整流器 3 6 に よ り 直流電力に変換し、 直流長時間電力供給盤 3 5 に出力す る。 また、 整流器 3 6 から出力 される直流電力によ り 直流長 時間用蓄電装置 3 4 の鉛蓄電池が常時一定電圧以上になる よ う に充電される。

こ の よ う な状態にある と き、 例えば発変電所内機器の故障 や送変電系統の事故が発生する と、 系統を切 り 離す必要があ る。 こ の と き電力供給系の母線 2 も停電と なるが、 直流短時 間用蓄電装置 2 7 では E D L C蓄電池 4 1 よ り D C — D C コ ンバータ 4 3 を経由 して直流短時間電力供給盤 2 5 に数分の 直流電力が供給され、 これと 同時に図示しない G C B制御な どを行って系統の切離しが行なわれる。

また、 直流長時間用蓄電装置 3 7 の鉛蓄電池から直流長時 間電力供給盤 3 5 に数 1 0分ほど直流電力が供給される。

従って、 交流電力供給側に停電が発生しても、 直流短時間 用蓄電装置 2 7 よ り 所定の短時間に大電流を必要とする開閉 器の制御機構に電力を供給する こ と ができ る。 また、 直流長 時間用蓄電装置 3 7 よ り 小電流を長時間必要とする操作 · 表 示盤に電力を供給する こ と が可能と な り 、 アラーム表示や停 電保護動作などを一定時間行う こ とができ る。

こ こで、 図 3 によ り 直流短時間電力供給電源 2 4 に付備さ れた E D L C蓄電池 4 1 の構成例を説明する。

図 3 において、 E D L C蓄電池 4 1 は、 複数個の E D L C セノレ 6 9 a ， 6 9 b , 6 9 c , … （例えば、 容量 2 0 0 F力、 らなる 5 0個の E D L Cセル） を直列に接続して構成されて いる。 各 E D L Cセル 6 9 a , 6 9 b , 6 9 c , …には、 電 圧バラ ンスを と るためのノ ラ ンサ回路 7 0 a , 7 0 b , 7 0 c , …が並列にそれぞれ接続されている。

E D L C蓄電池 6 4 は、 入力側に主充電用 と高速充電用の 2つの充電用端子 7 1 ， 7 2 と 出力側に出力用 と制御用の 2 つの出力端子 7 3 , 7 4 を有し、 主充電用端子 7 1 には制限 抵抗 (例えば 5 0 Ω ) 7 5 、 逆流防止用ダイオー ド 7 6及び 切離しスィ ッチ 7 7 の直列回路の一端が接続され、 該直列回 路の他端は切離しスィ ッチ 7 8 a , 7 8 b を各別に介して出 力端子 7 3 , 7 4 に接続される。

また、 も う 一つの高速充電用端子 7 2 には制限抵抗 （例え ば 1 0 Ω ) 7 9 、 逆流防止用ダイ オー ド 8 0及ぴ切離しスィ ツチ 8 1 の直列回路の一端が接続され、 該直列回路の他端は 上記主充電用端子 7 1 側の直列回路の他端と共通に接続され る と共に、 こ の共通接続点に前述した E D L Cセル 6 9 a , 6 9 b , 6 9 c , …の直列回路の一端が接続される。 この場 合、 E D L Cセル 6 9 a , 6 9 b , 6 9 c , …の直列回路の 他端は、 接地端子 8 2 に接続されている。

こ こで、 E D L C蓄電池 4 1 の作用を図 3 によ り 説明する。 まず、 初期充電を行う 場合、 E D L C蓄電池 4 1 には、 直 流出力装置、 制御部のほか、 図示しない別置きの高速充電用 直流電源が高速充電用端子 7 2 に接続される。 こ こで、 全て の切離しスィ ツチは非接続状態になっている。 こ の状態で、 切離しスィ ッチ 8 1 をオン状態に し、 図示しない別置きの高 速充電用直流電源をオンする こ と によ り 、 E D L Cセルが高 速充電される。

こ の E D L Cセルが、 ほぼ定格電圧まで充電された時点で、 高速充電用の切離しスィ ッチ 8 1 をオフに して、 別置きの高 速充電用直流電源を取外す。 そ して、 主充電用切離しスイ ツ チ 7 7 と 出力用切離しスィ ッチ 7 8 a をオンにする と 、 以後 直流出力装置 6 3 よ り 課電充電される。

こ の状態で制御装置から遮断器の引き外し回路に制御信号 が入力 される と 、 E D L Cセルに充電された電力が操作回路 の引き外しコイルに供給され、 遮断器が遮断される。

こ こ で、 E D L C蓄電池 4 1 をメ ンテナンスする際には、 出力端子 7 4 に例えば 1 0 Ω の模擬負荷を接続し、 こ の状態 で充電用の 2 つの切離しスィ ッチ 7 7 , 7 8 a をオフにし、 切離しス ィ ツチ 7 8 b をオンにする と 、 接続抵抗に電流が流 れ、 E D L Cセルを高速で放電させる こ と ができ る。

こ の よ う に本実施形態では、 直流短時間電力供給電源 2 4 と直流長時間電力供給電源 3 4 の 2 系統の直流電源システム と し、 且つ直流短時間電力供給電源 2 4 .には E D L C蓄電池 4 1 を備えた直流短時間用蓄電装置 2 7 を構成する よ う に し たので、 鉛蓄電池のよ う な従来の二次電池と は異な り 、 所定 の短時間の間、 大電力出力が可能であ り 、 したがって蓄電装 置全体では蓄積される電力を低減させる こ と ができ る。

また、 従来と比べて大幅に低コス ト化、 サイ ズの縮小化及 び重量の低減を図る こ と ができ る。

因みに、 本発明者らの試算によれば、 短時間電力供給電源 を 3 3 0 Aで 1 分、 長時間電力供給電源を 3 5 Aで 3 0分出 力可能に設計した場合、 コス ト は従来の 7割、 体積比 1 Z 3 重量比 1 Z 4 とそれぞれ大幅に低減する こ と ができ る。

さ らに、 充電用機器についても、 従来の二次電池と は異な つて、 E D L C蓄電池 4 1 を用いているので、 環境負荷の低 減や、 高速充電化を図る こ と ができ る。

こ の他、 系統を短時間電力供給電源 2 4 と長時間電力供給 電源 3 4 の 2 系統に分離しておく こ と によ り 、 次のよ う な効 果を得る こ と ができ る。 ( 1 ) 発変電所では、 必要と される規模 （容量） が年月 の経 過に したがい增加する場合が多く 、 こ の と き直流電源の容量 を増加 させる必要が生 じるが、 要求される容量は大電流を必 要とする開閉機器制御用電力で決ま る こ と が多い。 しかし、 本発明では短時間電力供給電源 2 4 と長時間電力供給電源 3 4 の 2 系統に分離してあるので、 増設に際しては短時間電力 供給電源 2 4 の E D L C電源システムのみで済み、 コス ト を 抑制できる。

( 2 ) 遮断器な どの制御を.行 う 場合、 瞬間的に大電流を出力 させるため、 サージな どノ イ ズが入り 、 周囲にある電子機器 等の他の機器に悪影響を与える可能性があるため、 多く のサ ージ抑制素子を取 り 付けるな どの対策が講じ られている。 ま た、 二次電池の内部抵抗によ り 、 例えば 1 0 0 Aを出力する と 、 数 + Vの電圧降下が生じる可能性があるため、 電圧降下 を考慮しても動作する よ う に機器に尤度を持たせて設計する な どの対策が講じられている。 2系統に分離しておく こ と に よ り 、 このよ う な対策を軽減またはなく すこ とができる。

( 3 ) 系統を 2 系統に分ける と 、 短時間電力供給電源 2 4 は もはや制御室あるいはバッテ リ 室で長時間電力供給電源 3 4 と 同 じ場所に設置する必要はない。 すなわち、 短時間電力供 給電源 2 4 を開閉機器の近接位置に配置する こ と ができ る。 E D L C蓄電池 4 1 の充電は小さ な電流で済むので、 開閉機 器の近接位置に E D L C蓄電池 4 1 を配置する場合、 開閉機 器の近接位置までは細いケーブルで配線する こ と になる。 つ ま り 、 ケーブル量の減少、 ケーブルの配設工事の簡略化を図 る こ と ができ る。 また、 これまでのよ う に 」御室にパッテ リ を配置した場合、 バッテ リ から負荷 （例えば遮断器） までの ケーブルが数 1 0 mにもなつて電気抵抗が増加するため、 ケ 一プルを太く した り 、 本数を多く した り するな ど して配線容 量を確保する場合があるが、 E D L C蓄電池 4 1 を負荷側に 設置する こ と でケーブル長を短く する こ と ができ、 電位降下 を考慮する必要がなく なる。

上記実施形態では、 直流短時間用蓄電装置 2 7 に D C _ D C コ ンバータ 4 3 を用いて放電時の出力電圧の低減を補償す る よ う に したが、 E D L C蓄電池 4 1 の容量を選ぶこ と によ つて、 D C — D C コ ンバータを省く こ と もでき る。

また、 上記実施形態では、 配電盤 2 1 a , 2 1 b の交流出 力を 2 系統に分けて整流器 2 6 , 3 6 にそれぞれ与え、 これ ら各整流器で直流に変換した直流電力を直流短時間用蓄電装 置 2 7 、 直流長時間用蓄電装置 3 7 に供給する よ'う に したが、 配電盤 2 1 a , 2 1 b の交流出力を 1 つの整流器にそれぞれ 与え、 この整流器の出力系を 2つに分けてその一方を直流短 時間用蓄電装置 2 7 、 他方を直流長時間用蓄電装置 3 7 に直 流電力を供給する構成と しても上記実施形態と 同様の作用効 果を得るこ とができ る。

こ の他、 配線の方法と しては上記以外の配線方法と しても 良いが、 何れに しても大電流を必要とする系 と長時間出力を 必要とする系 と に分け、 大電流を必要とする系に E D L C蓄 電池を適用する こ と によ り 、 前記実施形態と 同様の作用効果 を得る こ と ができ る。 図 4 は本発明によ る直流電源システムの第 2 の実施形態を 発変電所における制御システムに適用 した場合を示す回路構 成図である。

図 4 において、 電力系統 2 0 の母線 2 から高電圧電力が電 源線 3 a , 3 b を介して配電盤 2 1 a , 2 1 b に供給され、 これら配電盤 2 1 a , 2 1 b でそれぞれ低電圧化された交流 電力は 2 系統に分割され、 その一方を共通に接続した配線 5 1 を通して発変電所制御監視室 5 0 に設置された直流長時間 電力供給電源 5 2 に、 他方も共通に接続した配線 6 1 を通 し て開閉器設置区域 6 0 の専用箱に設置された短時間電力供給 電源 6 2 にそれぞれ供給される。

直流長時間電力供給電源 5 2 は、 整流回路で構成された直 流出力装置 5 3 と鉛電池などで構成された直流長時間蓄電装 置 5 4 と を備えている。 そして、 こ の直流長時間電力供給電 源 5 2 は直流長時間電力供給盤 5 5 に接続されている。 こ の 直流長時間電力供給盤 5 5 から引出された一部の配線 5 6 a は発変電所制御監視室 5 0 内に設置された制御盤、 保護リ レ 一盤、 レコーダ等の保護制御機器 5 7 に接続され、 それぞれ 電力が供給される。 また、 他の配線 5 6 b は開閉器設置区域 6 0 に設置された現場制御盤 8 4 を介して開閉機器の表示回 路ゃイ ンター口 ッ ク 回路等の小電流制御回路 8 6 に接続され、 それぞれ電力が供給される。

これら直流長時間電力供給電源 5 2 、 直流長時間供給盤 5 5 、 配線 5 6 a， 5 6 b は直流長時間電力供給系を構成して いる。 一方、 直流短時間電力供給電源 6 2 は、 整流回路で構成さ れた直流出力装置 6 3 と E D L C蓄電池 6 4 と を備えている。 こ の直流短時間電力供給電源 6 2 の出力は現場制御盤 8 4 を 介して複数の三相各相に対応する遮断器 6 6 一 1 a ， 6 6 一 l b , 6 6 - 1 c 、 6 6 - 2 a , 6 6 — 2 b , 6 6 — 2 c 、 ……の引き外 しコィノレ 、 投入コイル制御回路や駆動用直流モ ータ制御回路等の大電流短時間制御回路 8 5 に接続されてい る。

図 5 は直流短時間電力供給電源 6 2 よ り 直流電源線 6 5 を 通して直流電力が供給される各遮断器 6 6 において、 操作装 置の引き外し回路の詳細を示す回路図である。

図 5 において、 6 6 a は図示しない主回路に接続される遮 断器本体、 6 6 b は直流電源線 6 5 に接続された引き外しコ ィ ル L を備えた遮断器の操作箱、 8 4 は引き外しコイル に 直列に設け られ、 所内制御管理室の制御装置から出される引 き外し指令によ り 閉 じる接点 S を備えた現場制御盤である。

なお、 上記では操作装置の引き外し回路についてのみ示し たが、 投入回路についても同様に構成されている。 また、 上 記では直流短時間電力供給電源 6 2 よ り 遮断器 6 6 の操作回 路の引き外し回路 6 6 b に直流電力を供給する場合について 述べたが、 断路器や接地装置などの操作装置において、 短時 間給電の必要のある機器に対しても前述同様に直流電源線 6 5 に接続される。

次に上記のよ う に構成された、 第 2 の実施例にかかる直流 電源システムの作用を述べる。 03091

17 まず、 開閉器設置区域 6 0 の直流短時間電力供給電源 6 2 において、 直流出力装置 6 3 では、 低電圧化された交流電力 を整流回路によ り 直流電力に変換され、 直流電源線 6 5 に出 力する。 また、 直流出力装置 6 3 から出力 された直流電流に よ り E D L C蓄電池 6 4 は常時一定電圧以上になる よ う に充 電される。 こ こで、 充電電流は、 ーっの £ 0 1^ 〇蓄電池 6 4 あた り 、 例えば 1 A以下であるため、 直流出力装置 6 3 から E D L C蓄電池 6 4 までは細いケーブルで配線可能である。 停電時には 1 つの遮断器 6 6 の ト リ ップ回路に対して、 E D L C蓄電池 6 4 よ り 例えば 5 Aの電流が供給される。 そ し て、 これらが制御される こ と によ り 系統の切離しな どが行わ れる。

一方、 変電所制御管理室 5 0 の直流長時間電力供給電源 5 2 において、 直流出力装置 5 3 では、 低電圧化された交流電 力を整流回路によ り 直流電力に変換され、 直流長時間電力供 給盤 5 5 に出力 される。 こ の直流長時間電力供給盤 5 5 から 制御装置 5 7 な どに直流電力が供給される と 同時に直流長時 間用蓄電装置 5 4 が充電される。

停電時には直流長時間用蓄電装置 5 4 よ り 直流電力が供給 され、 イ ンターロ ッ ク機能を維持しなが ら、 アラーム表示や 停電保護動作な どを一定時間かけて行 う。

また、 E D L C蓄電池 6 4 が充電された状態で図示しない 制御装置から遮断器 6 6 の引き外し回路に制御信号が入力 さ れる と、 接点 S の閉路によ り E D L Cセルに充電された電力 が操作箱 6 6 b 内の引き外しコイル Lに供給され、 遮断器が 遮断される。

このよ う に、 開閉器設置区域 6 0 に配備された直流短時間 電力供給電源 6 2 に前述した E D L C蓄電池 6 4 を適用する こ と によ り 、 以下のよ う な効果を得る こ と ができ る。

開閉器設置区域 6 0 に E D L C蓄電池で構成された直流短 時間電力供給電源 6 2 を配備する こ と によ り 、 所内電源が停 電しても、 当該変電所の開閉器を操作でき る電源を確保でき るので、 電力系統の安定化、 事故範囲を最小限にして復旧時 間の大幅な短縮を図る こ とができ る。 しかも、 鉛蓄電池のよ う な従来の二次電池と は異な り 、 短時間の間大電力出力が可 能と な り 、 蓄電装置全体で蓄積される電力を低減させる こ と ができ るので、 従来に比べて大.幅な低コ ス ト化、 サイ ズの縮 小、 重量の低減を図る こ とができ る。

また、 E D L C蓄電池を用いる こ と で、 環境負荷の低減や、 高速充電化を図る こ とができ る。

さ らに、 従来は直流短時間用の電力供給電源は長時間用 と 一体化されていたため、 広い敷地を必要と し、 変電所制御管 理室 （或いは電源室） に配備されていた。 こ の と き、 停電時 には開閉器に 1 0 0 〜 4 0 0 Aもの大電流を供給する必要が あるため、 これに対応する容量を有する太いケーブルを制御 管理室から開閉器設置区域に配線しなければな らず、 配線ス ペースが必要であ り 、 また変電所の施工時や改造時には配線 のための時間 と コ ス トが必要であった。

と こ ろが、 本実施形態では、 配電盤から直流短時間電力供 給電源に配線されるケーブルは E D L C蓄電池を充電のため に必要とする もので、 必要な容量は高々 1 0 A程度であるた め、 特別な配線スペースが不要であ り 、 配線コス ト と時間の 大幅な低減をする こ とができ る。

さ らに、 大電流を流すためのケーブルは、 E D L C蓄電池 から各開閉器の操作装置の間のみになるため、 工事コス ト、 配線に必要な領域などを大幅に低下させる こ と ができ る。

また、 これまでのよ う に制御室にパッテ リ を配置した場合、 バッテ リ から負荷 （例えば遮断器） までのケーブルが数 1 0 mにもなつて電気抵抗が増加 し、 必要と されるケーブルが太 く なって しま う 場合があるが、 E D L C蓄電池 4 1 を負荷側 に設置する こ と でケーブル長を短く する こ と ができ、 電位降 下を考慮する必要がな く なる。

図 6 は本発明によ る直流電源システムの第 3 の実施形態を 発変電所における制御システムに適用 した場合を示す回路構 成図で、 図 4 と 同一部分には同一符号を付してその説明を省 略し、 こ こ では異なる部分について述べる。

前述した第 2 の実施形態では、 整流器で構成された直流出 力装置 6 3 と E D L C蓄電池 6 4 と を備えた直流短時間電力 供給電源 6 2 を開閉器設置区域に配備する よ う に したが、 本 実施形態では、 制御監視室 5 0 内に直流出力装置 6 3 を配備 し、 直流化した電力を開閉器設置区域内に配線された直流電 源線 6 5 にケーブル 8 8 を介して供給し、 こ の直流電源線 6 5 に複数の群にグループ化された開閉器、 例えば遮断器 6 6 — 1 & 〜 6 6 — l c ， 0 6 — 2 a 〜 6 6 — 2 c , 6 6 — 3 a 〜 6 6 — 3 c , 6 6 — 4 a 〜 6 6 — 4 c ， …の各群に対応さ せて接続された複数の E D L C蓄電池 6 4 a ， 6 4 b , …を 充電する よ う に したものである。 本実施形態では E D L C蓄 電池 6 4 a ， 6 4 b を現場制御盤 8 7 a , 8 7 b に収納した 例を示す。

こ の よ う な構成と して も、 第 2 の実施形態と 同様の効果が 得られる こ と に加え、 E D L C蓄電池 6 4 よ り 寿命の短い直 流出力装置 6 3 を制御監視室に設置している ので、 保守や交 換を容易に行 う こ と ができ る。

また、 開閉器設置区域の開閉器が複数の群にグループ化さ れて、 これらの群にそれぞれ対応させて E D L C蓄電池 6 4 a , 6 4 b , …が配設されている ので、 E D L C蓄電池 6 4 a , 6 4 b , …の数や容量、 制御機器への配線の仕方を変電 所の構成に応 じて最適化する こ と ができ る。 さ らに、 制御監 視室に設置されている直流出力装置 6 3 は開閉器群にそれぞ れ対応させて配設された E D L C蓄電池 6 4 a ， 6 4 b , … に共通に用い られているので、 直流出力装置 6 3 の数を少な く でき、 システム全体の簡素化を図る こ と ができ る。

図 7 は本発明によ る直流電源システムの第 4 の実施形態を 発変電所における制御システムに適用 した場合を示す回路構 成図で、 図 3 と 同一部分には同一符号を付してその説明を省 略し、 こ こ では異なる部分について述べる。

本実施形態では、 制御監視室内に設置された直流長時間電 力供給電源 5 2 の直流出力装置 5 3 の出力端と 開閉器設置区 域 6 0 内の直流電源線 6 5 と の間をケーブル 8 8 によ り 接続 し、 こ の直流電源線 6 5 に複数の群にグループ化された開閉 器、 例えば遮断器 6 6 — l a 〜 6 6 — l c , 6 6 _ 2 a 〜 6 6 — 2 c , 6 6 — s a ~ 6 6 ― ά c , 6 6 ― 4 a ~ 6 6 一 4 c ， …の各群に対応させて接続された複数の E D L C蓄電池 6 4 a , 6 4 b , …を充電する よ う に したものである。

こ の よ う な構成と しても、 第 2 の実施形態と 同様の効果が 得られる こ と に加え、 直流長時間系の直流出力装置 5 3 を共 通化する こ と によ り 、 直流出力装置の簡略化及び低コス ト化 を図る こ と がでる。

上記第 2 乃至第 4 の実施形態では、 直流短時間電力供給電 源 6 2又は E D L C蓄電池 6 4 を開閉器設置区域内に開閉器 と は別に設置する場合を説明 したが、 開閉器の操作装置を駆 動制御する直流短時間電力供給電源 6 2 の直流出力装置 （整 流器） 6 3 や E D L C蓄電池 6 4 を開閉器の操作装置が収納 されている操作箱に付備する よ う に しても良い。

図 8 は直流出力装置 6 3 を例えば遮断器の外部に設置し、 三相各相に対応する遮断器 6 6 — l a ， 6 6 — l b , 6 6 - 1 c の各操作装置 6 6 b を駆動制御する E D L C蓄電池 6 4 を操作箱内に収納する構成と したも のである。

図 9 は、 例えば三相各相に対応する遮断器 6 6 — 1 a 〜 6 6 - 1 c の各操作装置 6 6 b を駆動制御する操作箱内に、 整 流器からなる直流出力装置 6 3 と E D L C蓄電池 6 4 を収納 する構成と した ものである。

また、 図 1 0 は例えば三相各相に対応する遮断器 6 6 - 1 a 〜 6 6 — 1 c の一つの操作箱内に直流出力装置 6 3 と E D L C蓄電池 6 4 を収納し、 こ の直流短時間電力電源よ り 他の 遮断器の操作装置 6 6 b を駆動制御する直流電力が供給可能 に接続する構成と したものである。

さ らに、 図 1 1 は例えば三相各相に対応する遮断器 6 6 — 1 a 〜 6 6 一 1 c の一つの操作箱内に直流出力装置 6 3 と E D L C蓄電池 6 4 を収納し、 且つ他の操作箱内に E D L C蓄 電池 6 4 のみをそれぞれ収納 して一つの操作箱内の直流出力 装置 6 3 よ り 出力 される直流電流によ り 他の操作箱内の E D L C蓄電池 6 4 を充電可能に接続する構成と したものである。

こ の よ う な構成とすれば、 開閉器の操作箱内に E D L C蓄 電池 6 4 を内蔵する こ と によ り 、 大電流ケーブルの外部配線 が不要と な り 、 構造の簡略化ができ るばか り でなく 、 ケープ ル配線に伴 う 事故の防止、 現場組立費の低減化を図る こ と が でき る。

上記では、 開閉器の操作箱内に直流出力装置 （整流器） 6 3や E D L C蓄電池 6 4 を収納する よ う に したが、 これらの 設置収納の態様はこれには限定されず、 例えば、 開閉器の操 作箱に代えて現場操作盤に収納する よ う にする構成や、 ある いは、 直流短時間蓄電装置の専用の収納箱を設けてこの中に 収納する よ う にする構成をと る こ と も可能であ り 、 これらの 場合も上述と 同様の作用を得る こ と ができ る。

さ らに、 直流短時間蓄電装置に、 開閉器のタ ンクや操作箱、 現場操作盤の何れかに取 り 付け可能な取付機構を設け、 こ の 取付機構によって開閉器のタ ンクや操作箱、 現場操作盤の外 周面に直流出力装置 （整流器） 6 3や E D L C蓄電池 6 4 を 取付ける、 いわゆる外付けと しても良い。 以上の実施例では開閉器と して遮断器を挙げ、 その操作装 置の駆動または制御を直流短時間電源によって行う と して説 明を行ってきたが、 開閉器と して断路器、 接地装置などにも 適用可能である。

図 1 2 は本発明によ る直流電源システムの第 5 の実施形態 を発変電所における制御システムに適用 した場合を示す回路 構成図で、 図 3 と 同一部分には同一符号を付 してその説明を 省略し、 こ こ では異なる部分について述べる。

本実施形態では、 制御監視室内に設置された直流長時間電 力供給電源 5 2 の直流出力装置 5 3 の出力端と 開閉器設置区 域 6 0 内の直流電源線 6 5 と の間をケーブル 8 8 によ り 接続 し、 こ の直流電源線 6 5 に複数個の開閉装置 8 1 a , 8 1 b , 8 1 c , … の収納箱 8 7 a ， 8 7 b , 8 7 c , …にそれぞれ 内蔵した E D L C蓄電池 6 4 a ， 6 4 b , 6 4 c , …を接続 する構成と したものである。

図 1 3 は開閉装置 8 1 の内部構成例を示す回路図である。 こ の開閉装置 8 1 は、 電力系統の主回路に接続される遮断器 8 2 、 こ の遮断器 8 2 を挟んでその両側に接続される断路器 8 3 ， 8 4及び遮断器 8 2 と 断路器 8 3 と を結ぶ電路と接地 点と の間に接続された接地装置 8 5 から構成され、 開閉装置 8 1 の操作箱あるいは現場制御盤あるいは専用箱等の収納箱 内に設置された E D L C蓄電池 6 4 よ り遮断器 8 2 、 断路器 8 3 , 8 4及ぴ接地装置 8 5 の操作装置に直流電流を供給し て所定のシーケンス動作を行える よ う に したものである。

こ こ で、 シーケンス制御動作の一例について簡単に述べる と、 次の通 り である。

まず遮断器 8 2 の引き外し回路が E D L C蓄電池 6 4 よ り 供給される直流電流によ り励磁されて遮断器 8 2 が遮断動作 し、 電力系統を切離し制御する。 そ して、 E D L C蓄電池 6 4 よ り 供給される直流電流によ り 遮断器 8 2 が完全に電気的 に遮断状態になった後、 断路器 8 3 ， 8 4 を開放する と 同時 に、 接地装置 8 5 を閉路する制御動作と なる。

こ の よ う に第 5 の実施形態では、 開閉装置 8 1 の収納箱内 に E D L C蓄電池 6 4 を設け、 各開閉機器の駆動電源と して 寄与させる よ う に したので、 第 2 の実施形態と 同様の効果を 得る こ と ができ る こ と に加え、 開閉装置 8 1 の外部に E D L C蓄電池 6 4 を設けた場合と は異な り 、 大電流ケーブルの外 部配線が不要と な り 、 構造の簡略化ができ るばかり でなく 、 ケーブル配線に伴 う事故の防止、 現場組立費の低減化を図る こ と ができ る。

上記実施形態では、 直流出力装置と して所内制御監視室内 に設置された直流長時間電力供給電源 5 2 の直流出力装置 5 3 と共通化し、 その直流出力を各開閉装置 8 l a , 8 1 b , 8 1 c , …の収納箱 8 9 a , 8 9 b , 8 9 c , …に内蔵した E D L C蓄電池 6 4 a , 6 4 b , 6 4 c , …にケーブル 8 8 及び直流電源線 6 5 を通してそれぞれ供給して充電する よ う に したが、 こ の直流出力装置を E D L C蓄電池と一体に して 各開閉装置 8 1 の収納箱 8 9 に内蔵する よ う にしても良い。

また、 上記実施形態では、 1 つの開閉装置の収納箱に 1 つ の E D L C蓄電池を内蔵し、 各開閉機器の操作装置に直流電 流を供給する よ う に したが、 各開閉装置の収納箱内の各開閉 器に対応させて E D L C蓄電池を図 8 乃至図 1 1 のいずれか に示すよ う な形態で内蔵する よ う に しても良い。

なお、 上記第 5 の実施形態において、 開閉装置の収納箱に 内蔵された E D L C蓄電池は、 各開閉器の開閉操作に必要な 駆動電源と なる も のであ り 、 操作装置が引 き外し回路や投入 回路、 或いは直流モータのいずれの場合であっても大き な直 流電流を短時間供給する こ と ができ る。

前述した各実施形態では、 本発明によ る直流電源システム を発変電所に適用 した場合を例と して述べたが、 大型のビル の変電施設や電気鉄道の変電施設等の電気所において、 蓄電 装置が設置されている場合には、 前述同様の直流電源システ ムを構成する こ と に よ り 、 低コ ス トィ匕、 省スペース化を図る こ と ができ る。

産業上の利用可能性

本発明によれば、 発変電所等の電気所における蓄電装置の 低コ ス ト化を図る と と もに、 蓄電装置の省ス ペース化、 軽量 化を図る こ と ができ る直流電源システム及ぴ開閉器が得られ る。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 発変電所内の交流電源から供給される交流電力を直流 電力に変換して直流負荷に供給する整流器と 、 常時は前記整 流器よ り 出力 される直流電力によ り 充電される蓄電装置と を 備えた直流電源システムにおいて、 前記蓄電装置は、 前記発 変電所内の電源の停電時に所定の短時間のみ電力供給を維持 する直流短時間蓄電装置と、 こ の直流短時間蓄電装置よ り も 電力供給を相対的に長時間維持する直流長時間蓄電装置と に 分割され、 前記直流短時間蓄電装置には第 1 の蓄電池が、 前 記直流長時間蓄電装置には第 2 の蓄電池がそれぞれ備え られ、 前記第 1 の蓄電池は前記第 2 の蓄電池よ り 出力密度が大き く 且つ前記第 2 の蓄電池は前記第 1 の蓄電池よ り エネルギー密 度が大きいこ と を特徴とする直流電源システム。

2 . 前記直流短時間蓄電装置の前記第 1 の蓄電池と して、 電気二重層キャパシタ を用いたこ と を特徴とする請求項 1 記 載の直流電源システム。

3 . 前記直流短時間蓄電装置は発変電所或いは変電施設等 の開閉器設置区域に複数配設され、 こ の開閉器設置区域に設 置されている開閉器の操作装置を駆動または制御する電源と して用い られる こ と を特徴とする請求項 1 または 2記載の直 流電源システム。

4 . 前記直流短時間蓄電装置は発変電所或いは変電施設等 の開閉器設置区域に設置されている複数の開閉器にそれぞれ 付設されたこ と を特徴とする請求項 1 または 2記載の直流電 源システム。

5 . 複数の前記直流短時間蓄電装置は、 交流電力を直流電 力に変換する 同一の整流器にそれぞれ接続されて第 1 の蓄電 池が充電される こ と を特徴とする、 請求項 3 または 4記載の 直流電源システム。

6 . 変電所或いは変電施設等の開閉器設置区域に設置され ている開閉器において、 開閉器本体を遮断又は投入する操作 装置を駆動または制御する直流電源と して、 所定の高出力密 度を有する蓄電池を備えた直流短時間蓄電装置を、 開閉器の 操作箱または現場制御盤あるいは前記直流短時間蓄電装置の 専用収納箱の う ちの一からなる収納箱内に具備してなる こ と を特徴とする開閉器。

7 . 変電所或いは変電施設等の開閉器設置区域に設置され ている開閉器において、 開閉器本体を遮断又は投入する操作 装置を駆動または制御する直流電源と して、 所定の高出力密 度を有する蓄電池を備えた直流短時間蓄電装置を具備してな り 、 こ の直流短時間蓄電装置は開閉器の操作箱または現場制 御盤に取 り 付け可能な機構を有する こ と を特徴とする開閉器。

8 . 前記直流短時間蓄電装置の蓄電池は電気二重層キャパ シタで構成され、 こ の蓄電池を外部の直流出力装置によ り 充 電するための端子を備えたこ と を特徴とする請求項 6 または 7記載の開閉器。

9 . 前記直流短時間蓄電装置の蓄電池は電気二重層キャパ シタ で構成され、 さ らにこ の蓄電池を充電するための直流出 力装置を備えている こ と を特徴とする請求項 6 または 7記載 の開閉器。