JP2002291150A - 限流器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来提案されている限流器の抱える諸課題を
解決し、商業的に使用可能な限流器を提供する。 【解決手段】 可飽和直流リアクトルを用いた限流器で
あって、該可飽和直流リアクトルの一次側コイルL₁には
交流電源と負荷との間の線路に挿入される全波整流器の
直流出力端子を、二次側コイルL₂には該飽和直流リアク
トルの可飽和鉄芯を飽和させるための直流電源を接続す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力系統における
事故電流を抑制する機能を持つ電力機器である限流器に
関する。

【０００２】

【従来の技術】電力系統に事故が生じた場合、事故点の
電圧は零に近くなり、発電器からその点へ、通常電流よ
り１桁以上大きい短絡電流或いは地落電流が流れ込む。
この電流により系統機器が損傷を受けないように、通常
は遮断器で事故点を系統から切り離すが、遮断器には定
格電流があり、それ以上の電流が流れる場合には使用す
ることができない。従って、遮断器を使用する場合には
事故電流がその容量を超えてしまわないように機器配置
をしなければならない。

【０００３】従来は、変圧器に適当な漏れインピーダン
スを持たせたり、リアクタンスを直列に挿入するなどし
て調整していた。

【０００４】限流器は、このような系統設計をすること
なく系統保護を可能にする機器であり、通常時のインピ
ーダンスはZ=0で、系統事故時には有限のインピーダン
スZ=r+jxとなる機能を持つ。

【０００５】限流器には種々のタイプのものが考えられ
ているが、その多くは超伝導を利用したものである。超
伝導を利用したものは大きく２種に大別され、一つは超
伝導(S)/常伝導(N)の転移を利用するものであり、もう
一つは常に超伝導状態で使用するものである。

【０００６】現在までに提案されている主な限流器に
は、S/N転移型として次のようなものがある。 (1)S/N転移による抵抗発現を原理とした超伝導ストリッ
プを回路に直列に入れるもの（薄膜型） (2)S/N転移による抵抗発現を原理とした無誘導性の超伝
導導体コイルを回路に直列に入れるもの（低温抵抗型） (3)変流器構成であって、その二次巻線を常時短絡し、
通常時のリアクタンスをほぼ零にしたもの（短絡変流型
・磁気遮蔽型） (4)四巻線超伝導変圧器構成であって、一次・二次巻線
に安定度の高い補助コイルを付加したもの（変圧器型）

【０００７】また、S/N非転移型として次のようなもの
がある。 (5)可飽和鉄芯を持つ変圧器の二次巻線に直流制御電流
を流し、鉄芯を通常は飽和させて、一次側のインダクタ
ンス値を小さくしておき、事故電流によって鉄芯の動作
点が非飽和領域に及んでインダクタンス値を増加させる
もの(磁気飽和型) (6)全波整流回路の直流側に直流リアクトルを挿入し
て、直流リアクトル電流以上の電流が流れた場合に、イ
ンダクタンスが回路に挿入されるもの(整流器型)(7)可
飽和リアクトルとキャパシタの共振回路を構成し、鉄芯
飽和によるインダクタンス値の低下により共振周波数を
商用周波数からずらすもの（共振回路型）

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、限流器
には種々のタイプのものが考えられているが、いずれも
それぞれ解決すべき課題があり、未だ商品としての限流
器は存在しない。

【０００９】まず薄膜型のものでは、線路の事故が修理
され、短絡が解消した後に薄膜抵抗が超伝導状態に復帰
するまでには相当の時間がかかるという欠点がある。

【００１０】磁気飽和型限流器については、その一例に
より説明する。図１はアメリカのロスアラモス国立研究
所が考案したダイオードブリッジ型限流器である。これ
は、ダイオードブリッジB_dの直流側に超伝導リアクトル
L_sと直流定電流源S_DCを直列接続した回路を使用するも
のであり、電源−負荷線路の交流通電電流の大きさが電
流源S_DCの電流以下である間は、交流負荷電流I_aは超伝
導コイルL_sを経由せずに流れ、線路のインピーダンスに
影響を与えない。しかし、事故により線路の負荷電流の
大きさが定電流源の電流に至ると、ダイオードが逆バイ
アスされ、逆阻止されることになるため、線路に直流イ
ンダクタが挿入され、限流効果が発揮される。

【００１１】しかし、この方式は絶縁された定電流源S
_DCを製作することが難しいという欠点がある。

【００１２】そのような定電流源を不要とした全波整流
型限流器も考案されている（図２）。直流リアクトル電
流は、相当な時間経過の後、電源−負荷線路の電流の最
大値に保持される。定常状態では負荷電流の最大値と直
流リアクトル電流とが等しいので、線路に直流リアクト
ルが挿入されることはない。事故により負荷電流が増加
した瞬間にダイオード及びサイリスタは逆阻止され、線
路に直流インダクタンスが挿入されて限流動作に入る。
なお、この回路では、ダイオードのうち２つをサイリス
タとして、サイリスタの点弧信号を遮断することにより
半導体遮断器としても動作するようにしてある。

【００１３】この回路の欠点は、負荷潮流が増加すると
きには常に限流動作に入るという点である。すなわち、
図２でスイッチS₂を閉じて負荷潮流の増加を模擬してみ
ると、図３(a)に示すように、スイッチS₂を閉じた瞬間
（200msの時点）に限流動作に入り、負荷電流（Inducto
r current）は同図(b)に示すように直流リアクタンスに
制限された傾きで増加する。このとき、受電端電圧はそ
れに対応するように減少し、電圧降下が生じてしまう。
これは電力の品質を低下させるものであり、本タイプの
限流器を商用電源に適用することを困難としている。

【００１４】図４は、交流リアクトルを利用した非S/N
転移型の限流器の例である。これは２つの可飽和リアク
トルを直列に接続したもので、超伝導二次巻線に直流電
流を流し、平常動作点を飽和領域にしておく。電流振幅
が大きくなると、１つのリアクトルだけでは正又は負の
半周期だけ非飽和領域に入るので、その半周期に対して
限流効果が現れる。そこで、２つのリアクトルを接続し
て、全周期に対して限流効果を得ている。この回路は、
磁気回路が２個必要であり、体格が大きくなってしまう
という欠点がある。また、一次巻線は銅などの常伝導金
属であるため、常に損失が発生し、送配電効率を低下さ
せるとともに、大きな冷却装置を必要とする。

【００１５】本発明はこれら従来提案されている限流器
の抱える諸課題を解決し、商業的に使用可能な限流器を
提供するものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明は、可飽和直流リアクトルを用いた限
流器であって、該可飽和直流リアクトルの一次側コイル
には交流電源と負荷との間の線路に挿入される全波整流
器の直流出力端子が、二次側コイルには該飽和直流リア
クトルの可飽和鉄芯を飽和させるための直流電源が接続
されていることを特徴とするものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】図５に示すように、可飽和直流リ
アクトルには可飽和鉄芯を介して一次側コイルL₁と二次
側コイルL₂が誘導的に結合している。一次側コイルL₁に
は対象とする電源の交流電流を全波整流器により整流し
た直流が供給され、二次側コイルL₂には直流電源からの
電流が供給される。なお、一次側及び二次側コイルL₁、
L₂は超伝導コイルとしておくことが望ましい。

【００１８】直流電源から二次側コイルL₂に流される電
流の大きさは、可飽和直流リアクトルの可飽和鉄芯が飽
和領域において動作するような値としておく。すなわ
ち、可飽和鉄芯のＢ−Ｈ曲線が図６に示すようなもので
あったとすると、直流電源からの電流により動作点を飽
和領域内のＢ点まで移動（バイアス）させておく。

【００１９】平常状態では、対象電源からの電流は全波
整流器により整流され、一次側コイルL₁を流れるが、上
記バイアスのために可飽和鉄芯は飽和領域内で動作し、
磁束密度はほとんど変化しない。すなわち、リアクトル
としてのインダクタンスは非常に小さいものとなり、電
源−負荷回路の潮流の変化に対して俊敏に追従する。

【００２０】電源−負荷回路に事故が生じ、短絡電流が
発生すると、一次側コイルL₁に流れる直流電流が増加
し、可飽和鉄芯の動作点は非飽和領域の方に入る。これ
により可飽和鉄芯の磁束密度は徐々に低下し、リアクト
ルとしてのインダクタンスが大きく増加するため、電源
−負荷回路の電流を大きく制限する（限流効果）。

【００２１】なお、電源−負荷回路にサイリスタを入れ
ておき、短絡時に可飽和鉄芯の動作点が反対側の飽和領
域に達する前にサイリスタの点弧信号を止めることによ
り、半導体遮断器として動作させることもできる。

【００２２】短絡が修復され平常状態に復帰したとき
は、一次側コイルL₁に流れる直流電流が減少し、直流バ
イアスにより動作点は再び右側の飽和領域内に入る。こ
れにより直流リアクトルのインダクタンスは小さな値と
なり、本限流器は電源−負荷回路の中でほとんど無視し
得る程度の負荷となる。

【００２３】

【実施例】本発明に係る限流器の上記動作を確認するた
め、電力系統過渡現象解析プログラムパッケージEMTDC
（Electro-Magnetic Transients in DC systems;カナダ
Manitoba Hydro社の商標）を用いて計算機実検を行っ
た。可飽和鉄芯のインダクタンスは、飽和時10mH、非飽
和時1.2Hとした。図７において、0.25sの時点で短絡事
故を発生させ、それから0.35s後の0.6sの時点に回復し
たとした。

【００２４】短絡時には直流リアクトルのインダクタン
ス（Inductance）が直ちに10mHから1.2Hに増加し、負荷
電流（Load Current）の増加は低く抑えられている(20
A)。

【００２５】回復時も直流リアクトルのインダクタンス
は直ちに1.2Hから10mHに低下し、負荷電流は最初の３サ
イクル程は120Aまで増加するものの、その後は平常時の
電流値に戻る。なお、リアクトル電流は負荷電流の包絡
線をとり、負荷電流が減少した場合には半導体素子の順
方向電圧降下による時定数で減少する。

【００２６】平常時に負荷電流（Load Current）が増加
したときの応答波形を図８に示す。この場合、リアクト
ルは飽和領域で動作しており、インダクタンスが10mHと
小さいままなので、直流リアクトル降下の影響が小さ
い。従って、負荷電流の急激な増加に対しても２周期で
静定し、電圧（Load Voltage）降下もその範囲内に収ま
っている。

【００２７】逆に、平常時に負荷潮流が増加したときの
応答波形を図９に示す。負荷電流（Load Current）が直
流リアクトル電流より少なくなるので、負荷電流は直ち
に減少して静定する。電圧波形（Load Voltage）は、電
源インピーダンスの分だけ増加しているが、その増加分
は僅かである。

【００２８】以上より、本発明に係る限流器では、鉄芯
の動作点が非飽和領域に入るような系統事故に起因する
大電流が流れるときのみ有効に動作することが確認され
た。

【００２９】

【発明の効果】本発明に係る限流器では、電源−負荷回
路に短絡事故が生じたときのみ有効に動作し、平常時の
負荷電流の増加／減少にはほとんど応答せず、負荷とし
て動作しない。また、平常時から事故時、及び事故時か
ら平常時への遷移に対して迅速に対応することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ダイオードブリッジ型限流器の概略回路図。

【図２】 全波整流型限流器の概略回路図。

【図３】 全波整流型限流器の事故時の電圧及び電流波
形図。

【図４】 交流リアクトルを利用した非S/N転移型の限
流器の概略回路図。

【図５】 本発明に係る限流器の概略回路図。

【図６】 本発明に係る限流器の動作を説明するため
の、鉄芯のB-H曲線の図。

【図７】 本発明に係る限流器の事故時及び回復時の動
作を説明する波形図。

【図８】 本発明に係る限流器の平常時の潮流増加の際
の動作を説明する波形図。

【図９】 本発明に係る限流器の平常時の潮流減少の際
の動作を説明する波形図。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可飽和直流リアクトルを用いた限流器で
   あって、該可飽和直流リアクトルの一次側コイルには交
   流電源と負荷との間の線路に挿入される全波整流回路の
   直流出力端子が、二次側コイルには該飽和直流リアクト
   ルの可飽和鉄芯を飽和させるための直流電源が接続され
   ていることを特徴とする限流器。
2. 【請求項２】 該可飽和直流リアクトルの一次側及び二
   次側コイルが超伝導コイルから成ることを特徴とする請
   求項１記載の限流器。