高圧配電線ループ系統の連系時送出電流・循環電流および三相短絡電流の計算
配電線のループ系統に関して,次の問に答えよ。
異なる配電用変圧器に接続されているこう長の三相高圧配電線との末端に開閉器が設置されている。開閉器を投入しループ系統にした場合,下記(1)~(3)の設問に答えよ。
(1) 図1の系統において,開閉器投入後の配電線と配電線の送り出し電流の大きさを求めよ。
なお,配電用変電所から末端負荷に向かう電流の向きを正とする。
また,配電系統の条件を下記に示す。
・配電用変圧器の送り出し電圧は,とする。
・配電用変圧器の送り出し電圧は,開閉器投入前後で変化しない。
・配電用変圧器のインピーダンスは,無視できる。
・開閉器投入前の配電線,配電線の送り出しのそれぞれの電圧と電流の位相差は小さく,零としてよい。
・負荷は全てそれぞれの配電線の末端に接続されている。
・負荷電流は,開閉器投入前後で変化しない。
・配電線のインピーダンス:,配電線のインピーダンス:,

(2) 小問(1)において,図2の系統のように送り出し電圧が異なる場合,開閉器投入後の配電線と配電線の送り出し電流の大きさを求めよ。
なお,小問(1)からの配電系統の条件の違いを下記に示す。
・配電用変圧器の送り出し電圧は,,とする。
・

(3) 図3の系統において,開閉器投入後の三相短絡電流を求めよ。なお,短絡箇所は開閉器とする。
また,配電系統の条件を下記に示す。
・配電用変圧器の送り出し電圧は,とする。
・基準容量:,ベース
・背後%インピーダンス(抵抗成分は無視):
・配電用変圧器%インピーダンス(抵抗成分は無視):
・(抵抗成分は無視)

解説
配電線ループ系統の連系計算と短絡電流
本問は、常時開路(突合せ運用)されている2系統の高圧配電線を連系開閉器の投入によってループ系統(並列連系)とした際の電流分担、送出電圧差による循環電流(横流)、および開閉器点における三相短絡電流を求める問題です。
三相交流回路は**1相分の等価回路(相電圧・星形中性点基準)**で解析します。用いる基本原理・公式は以下の通りです。
- 線間電圧と相電圧の関係:
- キルヒホッフの法則と重ね合わせの理: 開閉器投入後の送出電流は、「負荷電流の分流成分」と「電源電圧差によって生じる循環電流成分」の和(複素ベクトル和)として表されます。
- 基準インピーダンスとパーセント換算:
- 三相短絡電流:
小問(1):送出電圧が等しい場合の送り出し電流
配電系統の条件より、両変圧器の送出相電圧を とします。電圧と電流の位相差は零としてよいため、投入前の末端負荷電流は実数として扱うことができます。
- 配電線の末端負荷電流:
- 配電線の末端負荷電流:
負荷電流は開閉器投入前後で変化しないため、末端に接続された全負荷電流 は、
開閉器を投入した後の末端(共通接続点)の相電圧を とし、開閉器投入後の各配電線の送り出し電流を とおくと、各配電線の電圧降下の関係式は次のように立式できます。
両式より、
問題の条件より、送出電圧は等しく 、こう長 における線路インピーダンスも等しく です。これを代入すると、
キルヒホッフの電流則より であるため、
したがって、開閉器投入後の各配電線の送り出し電流の大きさは、
配電線:、配電線:小問(2):送出電圧が異なる場合の送り出し電流
図2

こう長 より、各配電線のインピーダンスは、
開閉器投入後の末端同電位条件より、
合計負荷電流は小問(1)と同様に です。これらを連立させると、
ここで は、送出電圧差によってループ回路を循環する電流(横流)です。
分母を有理化します。
各配電線の送り出し電流を複素数として合成します。
それぞれの電流の大きさを求めます。
したがって、求める送り出し電流の大きさは、
配電線:、配電線:小問(3):開閉器投入後の三相短絡電流
図3

① 基準電流 の計算
② 配電線インピーダンスの%換算
基準オームインピーダンス は、
こう長 より、配電線のリアクタンスは であるから、その百分率インピーダンス は、
③ 短絡点から見た全合成%インピーダンス
背後インピーダンス は共通電源側に位置し、その下流に変圧器と配電線からなる2つの並行経路(分岐)が接続され、短絡点(開閉器)で合流しています。
- 各分岐の%インピーダンス:
- 2分岐の並列合成値:
- 全合成%インピーダンス:
④ 三相短絡電流 の算出
したがって、求める三相短絡電流は、
(または )各部のリアクタンスオーム値は以下の通りです。
- 電源背後リアクタンス:
- 変圧器リアクタンス:
- 短絡点から電源側を見た全合成リアクタンス:
正解のまとめ
| 小問 | 対象 | 解答 |
|---|---|---|
| (1) | 送り出し電流の大きさ | 配電線:、配電線: |
| (2) | 電圧差がある場合の送り出し電流の大きさ | 配電線:、配電線: |
| (3) | 開閉器投入後の三相短絡電流 | (または ) |
