JP2007236108A - 超電導限流装置および電力システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力系統の少しの瞬時電圧低下に際しても十分な抵抗を発生して瞬時電圧低下を効果的に抑制することのできる超電導限流装置および電力システムを提供すること
【解決手段】超電導素子を備え２つの電力系統１，２を連系する連系線に接続された超電導限流器４と、前記連系線の電圧低下を検出する検出器５と、検出器５から検出信号を受けて連系線の電圧低下が設定値より大きい時に動作信号を出力する制御装置６と、超電導限流器４の抵抗値を増大させる抵抗発生増進回路８と、前記動作信号を受けて抵抗発生増進回路８を動作させるスイッチ７とを備えている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統に接続され、系統事故によりに生じる過大電流あるいは瞬時電圧低下を抑制する超電導限流装置および電力システムに関する。

電力需要家サイトに分散電源を導入するケースにおいては、該当分散電源を独立の系統とするのではなく、電力会社の系統とも連系するのが一般的であるが、この場合、電力会社の系統において短絡事故や地絡事故が起きたとき、需要家系統で電圧低下が生じ負荷に不具合が生じることがある。電圧低下が短時間で起きるときには瞬時電圧低下となるが、瞬時電圧低下を抑制するために瞬時電圧低下抑制機器が提供されている。

抵抗型の超電導限流器は、過電流が流れたとき抵抗を発生して電流を抑制する効果があり、この効果を利用して、この瞬時電圧低下抑制機能を有する超電導限流器が提案されている。超電導限流器は、定常時はゼロに近いインピーダンスであるが、事故時には抵抗的あるいはインダクタンス的なインピーダンスが生じ短絡電流を所定値以下に抑制する。代表的な限流器の方式は抵抗型であり、常伝導転移型、クエンチ型とも呼ばれるもので、過電流により超電導導体が発生する抵抗により事故電流を抑制する。

さて、このような抵抗型の超電導限流器を瞬時電圧低下抑制機器として利用するには、図１１に示すように、分散電源が導入される第１の電力系統１と、電力会社側の第２の電力系統２の連系点に、超電導限流器４を導入すればよい。第２の電力系統２側で事故が生じたときに、第１の電力系統１から第２の電力系統２へ電流流出が生じるが、この時の過電流に対して、超電導限流器４が抵抗を発生し、第１の電力系統１の瞬時電圧低下を抑制することができる。

しかしながら、これまで提案されている抵抗型の超電導限流器には次のような問題点がある。すなわち、第１の電力系統１から比較的近い場所での事故においては、過大な事故電流が超電導限流器４に流れるので、上記の効果を期待できるが、第１の電力系統１から遠方の場所での事故では、電圧低下も大きくなく十分な事故電流が流れず、超電導限流器４の抵抗発生が不十分であり、瞬時電圧低下抑制機器として機能しない可能性がある。したがって、低いレベル（例えば２０％程度）の瞬時電圧低下に対しても機能させるニーズに対応できない。

なお、例えば特許文献１にあるように、整流型（インダクタンス型）の限流器では、原理として瞬時電圧低下抑制効果があるが、整流型の限流器は効率が悪いという問題がある。
特開２００２−２８１６６１号公報

上記のように従来の抵抗型の超電導限流器では、電力系統事故の際に生じる低いレベルの瞬時電圧低下に対して、十分な事故電流が流れず、超電導限流器の抵抗発生が不十分であり、瞬時電圧低下抑制機器として機能しないという課題がある。

そこで本発明は、電力系統の瞬時電圧低下に際して十分な抵抗を発生して瞬時電圧低下を効果的に抑制することのできる超電導限流装置および電力システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明の超電導限流装置は、超電導素子を備え２つの電力系統を連系する連系線に接続される超電導限流器と、前記連系線の電圧低下を検出する検出器と、前記検出器から検出信号を受けて連系線の電圧低下が設定値より大きい時に動作信号を出力する制御装置と、前記超電導限流器の抵抗値を増大させる抵抗発生増進回路と、前記動作信号を受けて前記抵抗発生増進回路を動作させるスイッチとを備えている構成とする。

また、請求項１１の発明の電力システムは、請求項１記載の超電導限流装置を備え、前記超電導限流器は第１の電力系統と第２の電力系統との連系点に設けられ、前記検出器は前記第２の電力系統側に設けられ、前記超電導限流器は、前記第２の電力系統の短絡あるいは地絡事故時に生じる事故電流に対して抵抗を発生して前記第１の電力系統の電圧低下を抑制するようにした構成とする。

本発明によれば、電力系統の瞬時電圧低下に際して十分な抵抗を発生して瞬時電圧低下を効果的に抑制することのできる。

以下、本発明の第１ないし第１０の実施の形態の超電導限流装置および電力システムを図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の超電導限流装置および電力システムを示す回路図である。負荷３を有する分散電源である第１の電力系統１と、電力会社の送電網である第２の電力系統２とは、超電導限流器４を介して接続され、超電導限流器４の両端子間にはスイッチ７と抵抗発生増進回路８が直列に接続されている。

超電導限流器４は、Ｂｉ系、Ｙ系、Ｈｇ系、Ｄｙ系などの酸化物系超電導体の、膜状素子、バルク状素子、線材を巻回した素子のいずれかを備え、それを超電導転移温度以下に冷却する冷却手段を有する機器であって、定常時にはインピーダンスが無視できるくらいに低いが、系統の短絡あるいは地絡事故時に生じる事故電流に対して抵抗を発生する。

第１の電力系統１と第２の電力系統２の連系点の電力系統２側には、電圧低下を検出する検出器５が設けられ、検出器５の検出した電圧に従ってスイッチ７を制御する制御装置６が設けられている。スイッチ７は、機械式、電気式などいかなる方式でもよいが、パワー半導体を使用する方式が高速であり望ましい。なおスイッチ７は図中サイリスタの記号を使用しているが、双方向性のスイッチでもよい。

このような構成において、検出器５により検出された電圧低下が設定値より大きい場合には、スイッチ７を閉じて、抵抗発生増進回路８を動作させ、超電導限流器４の抵抗発生を増進し、第１の電力系統の瞬時電圧低下を抑制する。
本実施の形態によれば、電力系統の少しの瞬時電圧低下に際しても十分な抵抗を発生して瞬時電圧低下を効果的に抑制することのできる。

（第２の実施の形態）
図２は第２の実施の形態を示す回路図である。本実施の形態は、抵抗発生増進回路８をコンデンサー９と充電回路１０で構成した構成である。定常時においてコンデンサー９に電荷を蓄え、超電導限流器４を動作させる時にはスイッチ７を閉状態とすることでコンデンサー９から超電導限流器４に過電流を流す。

超電導限流器４のインダクタンスをＬ、コンデンサー９の静電容量をＣ、コンデンサー９両端の電圧をＶとすると、スイッチ７を閉としたときの電流がピークまで到達する時間τ、および電流ピーク値Ｉｐは次式で与えられる。

したがって、機器の動作時間および超電導限流器４の抵抗発生特性から回路パラメータ、コンデンサー９の静電容量と超電導限流器４のインダクタンスを決める。
なお、コンデンサー９の静電容量と超電導限流器４のインダクタンスで決まる共振の特性周波数を、第１および第２の電力系統１，２の周波数よりも大きく設定すること、言い換えると上式の時間τを電力系統の周期の４分の１よりも小さく設定することで、周期の４分の１よりも速い時間で瞬時電圧低下を抑制することができる。

（第３の実施の形態）
図３は第３の実施の形態を示す回路図である。本実施の形態では、超電導素子を並列無誘導に配置した超電導限流器１１を備えている。

本実施の形態によれば、超電導限流器１１にインダクタンスがないので抵抗発生増進回路８から過電流を流しやすく、電力系統の少しの瞬時電圧低下に際しても十分な抵抗を発生して瞬時電圧低下を効果的に抑制することのできる超電導限流装置および電力システムを提供することができる。

なお、コンデンサー９が超電導限流器１１に接続される箇所は、超電導限流器１１を構成する超電導素子の一部であってもよい。このようにして部分的に抵抗発生させても、ある設定値以下の瞬時電圧低下抑制には十分である。

（第４の実施の形態）
図４は第４の実施の形態を示す回路図である。本実施の形態では、超電導素子を直列無誘導に配置した超電導限流器１２を備えている。

本実施の形態によれば、超電導限流器１２にインダクタンスがないので抵抗発生増進回路８から過電流を流しやすく、電力系統の少しの瞬時電圧低下に際しても十分な抵抗を発生して瞬時電圧低下を効果的に抑制することのできる超電導限流装置および電力システムを提供することができる。

（第５の実施の形態）
図５は第５の実施の形態を示す回路図である。本実施の形態は、抵抗発生増進回路８として、超電導限流器４を構成する超電導素子近傍に設けたヒーター１３と、ヒーター１３に接続した直流電源１４を備えている。定常時においてはスイッチ７を開状態とする。抵抗発生増進回路８を動作させる時には、スイッチ７を閉じヒーター１３を加熱することで、超電導限流器４の抵抗発生を増進させる。なお、ヒーター１３によって加熱する箇所が、超電導限流器４内の超電導素子の一部であってもよい。

（第６の実施の形態）
図６は第６の実施の形態を示す回路図である。本実施の形態は、抵抗発生増進回路８として、超電導限流器４を構成する超電導素子に磁気的に結合するコイル１５を設置し、コイル１５を励磁する交流電源１６を設けた構成である。抵抗発生増進回路８を動作させる時には、コイル１５に交流電源１６より変動電流を与え、これによって生じる変動磁場により超電導素子に過電流を流す。

（第７の実施の形態）
図７は第７の実施の形態を示す回路図である。本実施の形態は、抵抗発生増進回路８として、超電導限流器４を構成する超電導素子に磁気的に結合するコイル１５を設置し、コイル１５に通電する直流電源１４を設けた構成である。抵抗発生増進回路８を動作させる時には、直流電源１４からコイル１５に電流を流し、これによって生じる磁場により超電導限流器４を構成する超電導素子の超電導特性を低下させて、抵抗発生を増進する。

なお、第６と第７の実施の形態においては、コイル１５と磁気的に結合する箇所が、超電導限流器４内の超電導素子の一部とすることで、コイル１５および電源１４，１６のサイズ、容量等を軽減することができる。

（第８の実施の形態）
図８は第８の実施の形態を示す回路図である。本実施の形態は、制御装置６によって開閉制御される遮断器１７を超電導限流器４と直列に接続した構成である。超電導限流器４が瞬時電圧低下抑制を担うのは、遮断器１７を開とするまでの時間である。すなわち、遮断器１７を接続することで、超電導限流器４および抵抗発生増進回路８のサイズ、容量等を軽減することができる。

（第９の実施の形態）
図９は第９の実施の形態を示す回路図である。本実施の形態は、抵抗発生増進回路８を超電導限流器４の第２の電力系統２側と大地２０とを接続するスイッチ１８により構成した構成である。スイッチ１８は電流として双方向に流すことができる。高速の遮断器でも良い。検出器５により、電力系統のある設定値を超える電圧低下を検知した際に、スイッチ１８を閉じて、第１の電力系統１側から超電導限流器４に対して過電流を強制的に流すことにより、超電導限流器４の抵抗発生を増進し、第１の電力系統１の電圧低下を抑制することができる。なお、強制的に流す過電流は、超電導限流器４の抵抗発生を増進するために十分な値であればよいので、それを調整するためスイッチ１８に直列にインピーダンス１９が接続されていることが望ましい。

（第１０の実施の形態）
図１０は第１０の実施の形態を示す回路図である。これまでの図では、本来３相で構成される電力系統を１本の線で描いたが、図１０では３相各相をａ，ｂ，ｃで記載した。本実施の形態は、抵抗発生増進回路８を超電導限流器４の第２の電力系統側の３相各相２ａ，２ｂ，２ｃの間を接続する接続するスイッチ１８ａ，１８ｂ，１８ｃにより構成した構成である。スイッチ１８ａ，１８ｂ，１８ｃは電流として双方向に流すことができる。高速の遮断器でも良い。検出器７，５ａ，５ｂ，５ｃにより、第２の電力系統のある設定値を超える電圧低下を検知した際に、スイッチ１８ａ，１８ｂ，１８ｃを閉じて、第１の電力系統側から超電導限流器４ａ，４ｂ，４ｃに対して過電流を強制的に流すことにより、超電導限流器４ａ，４ｂ，４ｃの抵抗発生を増進し、第１の電力系統の電圧低下を抑制することができる。なお、強制的に流す過電流は、超電導限流器４ａ，４ｂ，４ｃの抵抗発生を増進するために十分な値であればよいので、それを調整するためスイッチ１８ａ，１８ｂ，１８ｃに直列にインピーダンス１９ａ，１９ｂ，１９ｃが接続されていることが望ましい。

本発明の第１の実施の形態の超電導限流装置および電力システムを示し、（ａ）は回路図、（ｂ）は動作の流れ図。 本発明の第２の実施の形態の超電導限流装置および電力システムを示す回路図。 本発明の第３の実施の形態の超電導限流装置および電力システムを示す回路図。 本発明の第４の実施の形態の超電導限流装置および電力システムを示す回路図。 本発明の第５の実施の形態の超電導限流装置および電力システムを示す回路図。 本発明の第６の実施の形態の超電導限流装置および電力システムを示す回路図。 本発明の第７の実施の形態の超電導限流装置および電力システムを示す回路図。 本発明の第８の実施の形態の超電導限流装置および電力システムを示す回路図。 本発明の第９の実施の形態の超電導限流装置および電力システムを示す回路図。 本発明の第１０の実施の形態の超電導限流装置および電力システムを示す回路図。 従来の超電導限流装置および電力システムを示す回路図。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ，１ｃ…第１の電力系統、２，２ａ，２ｂ，２ｃ…第２の電力系統、３…負荷、４，４ａ，４ｂ，４ｃ…超電導限流器、５，５ａ，５ｂ，５ｃ…検出器、６…制御装置、７…スイッチ、８…抵抗発生増進回路、９…コンデンサー、１０…充電回路、１１，１２…超電導限流器、１３…ヒーター、１４…直流電源、１５…コイル、１６…交流電源、１７…遮断器、１８…スイッチ、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ…３相各相のスイッチ、１９…インピーダンス、１９ａ，１９ｂ，１９ｃ…３相各相のインピーダンス、２０…大地。

Claims (11)

1. 超電導素子を備え２つの電力系統を連系する連系線に接続される超電導限流器と、前記連系線の電圧低下を検出する検出器と、前記検出器から検出信号を受けて連系線の電圧低下が設定値より大きい時に動作信号を出力する制御装置と、前記超電導限流器の抵抗値を増大させる抵抗発生増進回路と、前記動作信号を受けて前記抵抗発生増進回路を動作させるスイッチとを備えていることを特徴とする超電導限流装置。
2. 前記抵抗発生増進回路はコンデンサーを備え、前記超電導限流器に対して前記コンデンサーと前記スイッチが直列に接続され、定常時においては前記コンデンサーに電荷を蓄えかつ前記スイッチを開状態とし、前記抵抗発生増進回路を動作させる時には前記スイッチを閉状態とすることによって前記コンデンサーから前記超電導限流器に電流を流すことを特徴とする請求項１記載の超電導限流装置。
3. 前記コンデンサーの静電容量と前記超電導限流器のインダクタンスで決まる共振の特性周波数が前記２つの電力系統の周波数よりも大きいことを特徴とする請求項２記載の超電導限流装置。
4. 前記抵抗発生増進回路は前記超電導限流器を構成する超電導素子を加熱するヒーターを備え、定常時においては前記スイッチを開状態とし、前記抵抗発生増進回路を動作させる時には前記スイッチを閉状態とし前記ヒーターを加熱することによって前記超電導素子の抵抗発生を増進させることを特徴とする請求項１記載の超電導限流装置。
5. 前記抵抗発生増進回路は前記超電導限流器を構成する超電導素子に磁気的に結合するコイルを備え、前記抵抗発生増進回路を動作させる時には前記コイルに変動電流を流し、前記変動電流によって生じる変動磁場により前記超電導素子に過電流を流すことを特徴とする請求項１記載の超電導限流装置。
6. 前記抵抗発生増進回路は前記超電導限流器を構成する超電導素子に磁気的に結合するコイルを備え、前記抵抗発生増進回路を動作させる時には前記コイルに電流を流し、この電流によって生じる磁場により前記超電導素子の超電導特性を低下させて、抵抗発生を増進することを特徴とする請求項１記載の超電導限流装置。
7. 前記抵抗発生増進回路は前記超電導限流器の第２の電力系統側と対地と接続するスイッチにより構成され、定常時には前記スイッチを開状態とし、前記抵抗発生増進回路を動作させる時には前記スイッチを閉状態とすることによって、第１の電力系統から前記超電導限流器に過電流を流すことを特徴とする請求項１項記載の超電導限流装置。
8. 前記抵抗発生増進回路は前記超電導限流器の第２の電力系統側の３相各相間を接続するスイッチにより構成され、定常時には前記スイッチを開状態とし、前記抵抗発生増進回路を動作させる時には前記スイッチを閉状態とすることによって、第１の電力系統から前記超電導限流器に過電流を流すことを特徴とする請求項１項記載の超電導限流装置。
9. 前記超電導限流器と直列に接続され前記制御装置によって開閉制御される遮断器を備えていることを特徴とする請求項１記載の超電導限流装置。
10. 前記超電導限流器を構成する超電導素子はＢｉ系、Ｙ系、Ｈｇ系、Ｄｙ系のいずれかの酸化物系超電導体から成り、形態は膜状、バルク状、線材を巻回したコイル状のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の超電導限流装置。
11. 請求項１記載の超電導限流装置を備え、前記超電導限流器は第１の電力系統と第２の電力系統の連系点に設けられ、前記検出器は前記第２の電力系統側に設けられ、前記超電導限流器は、前記第２の電力系統の短絡あるいは地絡事故時に生じる事故電流に対して抵抗を発生して前記第１の電力系統の電圧低下を抑制するようにしたことを特徴とする電力システム。
    
    

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