JP2007525933A - 超伝導電流制限システムおよび超伝導電流制限方法 - Google Patents

Abstract

電力網における故障電流を制限する故障電流制限器であって、当該電力網における位相短絡による故障電流を制限すべく超伝導コイルに隣接して設置された一連の位相コイルと、当該電力網における中性地絡故障による故障電流を制限すべく当該超伝導コイルに隣接して設置された一連の中性コイルとを含む故障電流制限器。

Description

本発明は、超伝導故障電流制限器の分野に関し、特に、地絡故障電流を制限する中性接地コイルの提供に加え、分割および中実リム磁心または両者の組み合わせを用いて設計された高温超伝導（ＨＴＳ）故障電流制限器（ＦＣＬ）を開示する。

高温超伝導体の発見は、それらを利用する多くの用途の開発につながっている。超伝導体は、臨界温度Ｔ_Ｃ未満で直流（ＤＣ）抵抗がゼロになる特性を有することで知られる。また、臨界電流Ｉ_Ｃおよび臨界磁場Ｂ_Ｃ未満で直流抵抗がゼロになる。

ＨＴＳの可能な利用法の一つにＦＣＬがある。ＨＴＳは様々な方法でＦＣＬに利用可能であり、故障電流の制限にＨＴＳを利用することは、電力網に常に存在する短絡の脅威に対する洗練された解決策である。

従来、電力系統は３個の異なる位相および中性経路に基づいて開発されてきた。更に、監督官庁は多くの場合、管理された仕方でシステムの故障に対処するよう義務付けている。特に、電力配信システム内における故障電流の影響を制限することに関心が持たれている。ＨＴＳ・ＦＣＬ設計は、故障電流の制限に理想的である。

三相送電システムに起こり得る多くの異なる種類の故障がある。これらには以下のものが含まれる。
１．三相短絡

この場合、三相線の三相全ての間に短絡が生じる。これが生じる典型的な例は、木の枝が高架線の三相にまたがって直接落下したような場合である。また、この故障は、中性点が接地シールドとして接続されたケーブルが掘削装置により切断された場合のように、三線全てと中性導体の間で生じる恐れがある。両種類の故障はまた、三相の各々における故障電流が同程度の定常状態ＲＭＳ規模であるため、対称故障として当業界で知られている。三相短絡の状況下で、且つバランスの取れた三相システムにおいて、定常周波数（例えば５０Ｈｚ）および正弦波電流と電圧で動作している場合、３種の故障電流全てが１２０度の位相差のままであるため、中性／地絡故障電流は定常状態で無視でき、ベクトル的に相殺されてヌル中性／地電流が残る。従って、接地／中性回路においてこの種の故障を防ぐための装置は通常、一切必要とされない。
２．二相地絡故障

この例では、電力網の二相と接地点の間で短絡が生じる。その結果生じる定常状態故障電流は従って（１）のように（定常状態モードで）相殺されず、ベクトル的に累積されて地絡／中性故障電流を生じる。
３．単線地絡故障

単線地絡故障の場合、単線により直接接地点への短絡を生じる。結果として生じる故障電流は従って、接地点を経由して電源へ還流する。本例が生じるのは、地下に埋設された三相ケーブルが掘削装置により接合されたか、あるいは、単一の裸高架線が落下して接地点に接触した場合である。

二相地絡故障および単線地絡故障における有害な地絡故障電流を減らすことが望まれる。
故障電流の過渡特性

例（１）〜（３）のいずれかにより生じる故障電流波形は、故障発生の瞬間における時間領域の特性を含んでおり、これを故障過渡現象と称する。これらの故障電流波形の典型的な電流対時間形状を図１に示す。過渡故障電流部分２４および定常状態故障電流部分２３が明らかに示されている。システムにおける故障レベルは通常、故障電流の定常状態値２３のみについて指定されるか、または計算される（例えばｋＡの代わりにＭＶＡが使われる場合）。しかし、最新のスイッチギヤでは、極めて高電圧の電力網（例えば２３０ｋＶ超）で２〜３サイクル毎に、またはより低い電圧系統（例えば１１０ｋＶ未満）で５〜１０サイクル毎に開くことができるため、大多数の発電所は故障状態の間、定常状態電流だけでなく完全な過渡状態に置かれる。

図１の故障電流波形はまた、安定的に消失していく直流成分を示す。三相短絡電流および接地点／中性電流の両者が共にこのように振舞い、後者の場合の例として、単線地絡故障について示している。

しかし、特に、三相短絡電流だけでなく、接地点に対し単相または二相の短絡が存在する場合に流れる地絡故障電流も制限する必要がある。この種の故障の影響からの保護は通常、クレッソール（Ｃｒｅｓｓａｌｌ）等のメーカー製の中性接地抵抗器により提供される。これらの抵抗器の購入および設置には約２５０，０００豪州ドルを必要とし、相当な負担になる。中性接地抵抗器の利用には多くの問題がある。第一に、これらが有用なのは地絡故障の場合のみである。第二に、故障が生じた場合、他の位相に対する電圧負荷を増す。多くの場合中性点を余分に絶縁する必要があり、変圧器用に余分の出費を要するため、保護方法を含めて更新しない限り費用対効果が改善されない。

変電所における故障レベルが深刻化している状況に対する別の解決策として、低電圧側のスイッチギヤの更新が含まれる。このオプションは多くの場合、資本と労力に対し相当の投資を必要とし、故障のレベルが新規スイッチギヤの故障レベル以下に留まらない限り効果的でない。これは、後で変圧器を追加および／または変電所の電源インピーダンスを減らすと、将来的に故障レベルが新規スイッチギヤの定格値を超えて増大し得るため、必ずしも正しくない。スイッチギヤの更新の代替的な解決策として、より少ない数の並列変圧器から負荷の各部分が供給されるように、バスおよび変圧器を多数の独立回路に分割することがある。

例えば、変電所が並列に動作する２台の変圧器を有していて、スイッチギヤの故障レベルを超えた場合、各々が１台の変圧器により供給される２個の別々の回路にバスを分割することができる。これにより変電所故障インピーダンスが２倍になり、故障レベルが名目的に半減されるため望ましい。しかし、この利点の代償として信頼性が低下する。分割されたバス上での動作は、１台の変圧器が故障した場合、当該変圧器に接続されている全ての負荷（すなわち利用者）は、生き残った正常な変圧器へ切り替えられるまで供給を断たれることを意味する。切り替えに最大１０秒間要するが、コンピュータその他の高感度な工場自動化／制御装置を停止させるのに十分である。従って、ユーティリティまたは電力網の所有者が分割バス・モードで動作することは望ましくない。

更なる解決策は、固定値インダクタンスと同様に機能するため電力網および故障電流にインピーダンスを与える、いわゆる「直列制限リアクタ」を設置することである。しかし、この技術では多くの場合、正常動作状態の間もインピーダンスが存在するため、電圧調整の問題が生じる。

更に、より高いインピーダンスを有する変圧器を設置することができる。しかし、これもまた、相当の余分な出費の恐れがあり、既存の変電所にとって実現性の無い解決策である。また、将来のある時点で更に変圧器を追加すれば再び故障レベルが増すため、当該技術には将来性が無い。

本発明の目的は、故障電流制限器を用いて、中性地絡故障電流を減らすことである。

本発明の第一の態様によれば、電力網における故障電流を制限する故障電流制限器が提供され、当該制限器は、電力網における位相短絡による故障電流を制限すべく超伝導コイルに隣接して設置された一連の位相コイルと、電力網における中性地絡故障による故障電流を制限すべく当該超伝導コイルに隣接して設置された一連の中性コイルとを含んでいる。

中性コイルは好適には高透磁性磁心の周囲に形成されていて、超伝導コイルは高透磁性材料から形成された中心磁心を含んでいてよい。位相コイルおよび中性コイルは好適には 中心磁心と磁気的に連結されている。

本発明の更なる態様によれば、電力網における電流制限による地絡故障対処方法が提供され、当該方法は、電力網と接地点の間に故障電流制限器を利用するステップを含んでいる。

本発明の更なる態様によれば、多相電力網における電流制限による故障対処方法が提供され、当該方法は、（ａ）電力網の各相の相互接続の各相と変圧器との間に超伝導位相短絡電流制限器を連結するステップと、（ｂ）変圧器の中性点と電力網の中性点との間に超伝導中性故障電流制限器を連結するステップとを含んでいる。

一実施形態において、超伝導位相短絡電流制限器と超伝導中性故障電流制限器とが同一の低温槽および同一の超伝導コイルを共有する。

本発明の更なる態様によれば、電力網における故障電流を制限する故障電流制限器が提供され、当該制限器は、電力網における位相短絡による故障電流を制限すべく超伝導コイルに隣接して設置された一連の位相コイルと、電力網における中性地絡故障による故障電流を制限すべく当該超伝導コイルに隣接して設置された一連の中性コイルとを含んでいる。

以下に、本発明の好適な実施形態について、添付の図面を参照しつつ記述する。

好適な実施形態において、三相だけでなく中性線でも生じる故障電流を制限する超伝導故障電流制限器が提供される。従って、小型化された装置により、中性接地抵抗器を超伝導型ＦＣＬで置き換えることが可能になる。

代替的なＦＣＬ技術が存在するものの、ＨＴＳ・ＦＣＬを利用する方が故障電流波形の過渡特性を完全に除去できる利点が更にある。例えば図２に、ＨＴＳ・ＦＣＬ保護された故障の場合の出力波形の例を示す。当該波形は、故障電流制限器の除去動作２５を明確に示している。故障電流を制限すべく定常状態での抵抗およびインダクタンスに基本的に依存する代替技術ではこの機能を実現することができない。

故障電流の過渡現象を減らす利点には以下のものが含まれる。
１．回路ブレーカーの保守費用の削減

故障電流波形の過渡現象を除去することにより、遮断器（ＣＢ）を含むスイッチギヤの保守作業およびこれらの故障発生率を減らすことができ、これらの寿命が延びる。この理由は、故障の第一サイクル（２５）の間、消失したエネルギー量が大幅に減少し、再点弧の発生、ＣＢ接点の汚れ、およびＣＢ接点の疲労が無くなるためである。

また、変圧器には故障発生の間、強力な電磁的および機械的な力が掛かり、このような力に耐え得るよう設計されているにもかかわらず、一定期間（例えば３０年以上）現場に置かれた多くの変圧器は短絡発生後に故障しやすくなっている。時間の経過に伴ない生じる油浸紙の強度低下、巻線の緩み、およびコイル締め付け力の低下によっても、変圧器が変電所で受ける軽い負荷や定常状態での稼動条件下では顕在的な故障が生じるとは限らない。しかし、短絡電流の下で、これらの初期的問題が壊滅的な変圧器故障に至る恐れがある。最も強い力は、ＣＢが開いて短絡を解除することが可能になる前の、最初の数サイクルの過渡期間に発生する。他の技術とは異なり、ＨＴＳ・ＦＣＬは故障電流波形の過渡現象を除去することにより、変電所の変圧器が膨大な過渡力を受けないようにして、その結果寿命を延ばすことができる。

好適な実施形態の動作を明確に理解すべく、ＨＴＳ・ＦＣＬ型装置の動作に関する導入的説明を与える。

図３に、公知の形式による直流飽和されたＨＴＳ・ＦＣＬの断面図を示す。図３の構成１は、２個の別々の閉じた鉄心２、３を用いる。各々の磁心は別々の直流ＨＴＳコイル巻線を有し、断面部分５、６で示される一次巻線と、断面部分７、８をで示される二次巻線とを含む。これらの直流 ＨＴＳコイル巻線の各々はＮターンを含む。

同様に、断面部分１０、１１で示される一次巻線と、断面部分１２、１３で示される二次巻線とを含み、各々の巻線がｎターンを有する二連の交流（ＡＣ）結合巻線も提供する。

各々の鉄心構造２０，２１は、所与の高さｈおよび所与の幅ｗを有する。動作の間、各々の磁心巻線５−６、７−８は、反磁性を示す所定の磁束密度値φ_ｄｃに飽和しており、反磁性を標準のドット表記１６、１７で示す。直流電流は、正サイクル飽和磁心５、６である１６ページから流れ出て、負サイクル飽和磁心７、８である１７ページへ流れ込む。磁心の直流磁化曲線のこれらの位置が各々±Ｂ_ｄｃおよび±Ｈ_ｄｃで表わされている。

各ＨＴＳ直流コイル５、６および７、８の必要なアンペアターン数は次式で与えられる。
ＮＩ＝２（２ｗ＋２ｈ）Ｈ_ｄｃ （１）

ここに、Ｎは直流ターン数、ＩはＨＴＳコイル励起直流電流、ｗは図１の紙面における有効磁心構造の幅、ｈは図１の紙面における磁心構造の有効高さ、Ｈ_ｄｃは磁心飽和の設計値である。式（１）において、磁心のエアギャップは無視できると仮定している。

交流巻線１０、１１および１２、１３は次いで、各交流コイルからの微分透磁性μ_ｄｉｆｆが、各巻線の磁心磁化と反磁性であるように構成されている。変数μ_ｄｉｆｆは次式により定義される。
μ_ｄｉｆｆ＝（ｄＢ／ｄＨ）｜_{ａｖｅｒａｇｅ}＝ΔＢ／ΔＨ （２）
ここに、ΔＢおよびΔＨは、各々直流バイアス点±Ｂ_ｄｃおよび±Ｈ_ｄｃにおける微小ヒステリシスループの最大範囲である。

また、相対的な微分透磁性は次式により定義できる。
μ_{ｒｄｉｆｆ}＝μ_ｄｉｆｆ／４π＊１０^−７

参考までに、直流コイルに生じる鉄心の磁気抵抗は次式である。
Ｒ＝（Ｈｌ）／（ＢＡ）＝ｌ／μＡ （３）

ここに、Ｒは磁気抵抗[Ｈ^−１]、Ｂは磁場[Ｔ]、Ａは鉄心の断面積（絶縁またはワニス塗布領域は含まない）［ｍ^２］、μは鉄心の磁気透磁性[Ｈｍ^−１]、ｌは各々の磁心の平均磁気長であって２ｗ＋２ｈ［ｍ］にほぼ等しく、Ｈは飽和点（ＮＩ／ｌ）[Ａｍ^−１]における磁気誘導である。

磁心が直列に配置されている電力網線に与えられる定常状態の交流インピーダンスは、フェーザ表記法により次式で表わされる。
Ｚ＝Ｒ＋２πｆ（ｎ^２Ａ／ｌ）μ_ｄｉｆｆＪ （４）

ここに、Ｒは交流コイルの抵抗、ｆは動作周波数（すなわち５０Ｈｚ）、Ｊは−１の平方根（虚数）、ｎは交流巻線のターン数である。Ｒは通常、インピーダンスの虚数部と比較して無視できる。

有効ＨＴＳ・ＦＣＬを得るためには、磁心の正常動作インダクタンスは、電流に対し線またはインピーダンスの不要な調整を一切課さないように小さくなければならない。これは通常、Ｂｄｃが１．５Ｔ（この値は、選択された磁心材料の飽和特性に応じて、例えば典型的な変圧器積層鉄心を用いる場合は２．０Ｔ）より大きいことを保証し、それによりμ_{ｒｄｉｆｆ}がほぼ１であることを保証することにより実現され、その結果、装置が空心インダクタとして有効に機能する。

動作時において、直流磁場は、電力網インピーダンスおよびサージ特性により決定されるピーク値の発振故障電流Ｉ_ｆにより、微分透磁性を最大瞬間値まで増大させるように選択されている。磁心の大きさ、直流電流、および直流ターン数は、鉄心の故障レベルおよび透磁性に基づいて計算でき、次式が得られる。
ｎＩ_{ｆ（ｍａｘ）}／ｌ＝Ｈ_ｄｃ （５）
ｎＩ_{ｆ（ｍｉｎ）}／ｌ＝Ｈ_ｄｃ−Ｈ_{ｄｃ（ｓａｔ）}（６）

ここにｎが交流ターン数、ｌは磁気回路の長さ、Ｈ_ｄｃは鉄心が最大μ_ｄｉｆｆを有する直流磁場強度、Ｈ_{ｄｃ（ｓａｔ）}に磁心を飽和させるのに必要な磁場強度、Ｉ_{ｆ（ｍａｘ）}はＨＴＳ・ＦＣＬによる制限を必要とする最大故障電流、Ｉ_{ｆ（ｍｉｎ）}はＨＴＳ・ＦＣＬによる制限を必要とする最小故障電流である。

故障電流の発振特性に起因して、故障電流が発振する特性を有するため、図１に示すように、交流巻線に異なる向きの交流コイル電流を提供するために２個の別々の磁心２０，２１を必要とし、各サイクルの正負の部分に対して制限を必要とする。

望ましくは、代替的な小型化された設計を好適な実施形態の構築に利用する。最初に図４を参照するに、好適な実施形態のＨＴＳ・ＦＣＬのスプリットコア単相向けの設計構成３０の初期断面図を模式的に示す。構成３０は、設置面積を大幅に減少できる構成要素３１，３２を有するスプリットコアを含んでいる。構成３０において、直流飽和磁心巻線が内部に配置されている３３。交流結合巻線もまた、３６、３７および３８、３９の対で提供される。電流搬送方向を、標準的なドット表記４０、４１、４２および４３により示す。ポート内の交流はポート４５で生じ、交流出力ポートはポート４６で生じると仮定している。本構成を通る電流を標準的なドット表記により示す。

構成３０の設計および、特に磁心５０の寸法は特定の規則に従っていてよい。当該設計は直流電流と要求飽和レベルとの間の妥協である。所与のケースにおいて、中心リム５０の断面積は外側リムの２倍となるように設計されている。制限したい故障レベルに応じて、中心リムの最適面積は、外側リムの面積の１〜２倍の範囲の値となろう。一般に、次式を用いることができる。
２Φ_１＝Φ_２＋Φ_３ （７）
Ｂ_１Ａ_１＝Ｂ_２Ａ_２＋Ｂ_３Ａ_３ （８）

ここに、Ｂ[Ｔ]は各リムにおける磁束密度、Ａ[ｍ^２]は各リムの断面積、ｂ［Ｗｂ］は各リムにおける磁束である。一設計において、Ｂ２＝Ｂ３且つＡ２＝Ａ３である。

交流コイル３６，３９は、図４の標準的なドット表記４０、４３に示すように、各コイルの磁束密度が主直流磁束に対して反磁性であるように交流線に接続されている。中心リムは、独立正味磁束Φ_２、Φ_３を各外側リムに生ぜしめるスプリットリムである。これは、Ｂ２およびＢ３の設計強度に応じて、外部リムとは異なる正味断面積としてもよい。

当該構成には以下を含めて多くの利点があることに留意されたい。
１．一つの直流巻線しか必要３３，３４でないため、直流コイルのコストが削減できる。
２．直流コイルの容器が１個しか必要でないため、ユニットのコストが削減できる。
３．設置面積が減少するため、設置効率に寄与する。
４．直流コイル・バイアス用に超伝導体の体積を減らす必要がある。
５．直流コイルの冷却装置が１個しか必要でない。

直流コイルで新たに必要とされるターン数は、次式の通りである。
Ｎ'Ｉ'_ｄｃ＝（３ｈ'＋２ｗ'）Ｈ_ｄｃ （９）

ここに、Ｎ'は直流コイル内のターン数、Ｉ'_ｄｃは直流コイル内の電流、Ｗ'は３個のリム磁心全体の幅、ｈ'は３個のリムコアの高さである。

スプリットリムは一般に、変圧器メーカーにより製造される。例えば、巨大な磁心サイズに起因して、磁心を効率的に冷却するために油冷却ダクトを必要とする場合、あるいは、磁心のコーナーロスをなくすために中心リムが２個に分割されている５個のリム磁心の場合である。

図４の構成を用いて、電力供給システムにおける各位相短絡電流および中性故障電流を制限する故障電流制限器を構築することができる。

ここで再び図５を参照するに、図４に関して議論した原理を利用する装置の模式的平面図を示す。当該構成において、壁５０、５１を有する低温槽には、中央に配置された高温超伝導コイル５２が備えられている。３組の位相コイルは低温槽周囲に配置されていて、第一組の位相コイル５３、５４、第二組の位相コイル５５、５６、第三組の位相コイル５７、５８が含まれている。各々の位相コイルは、対応する内側磁心（例えば６１）に連結された鉄心レッグ（例えば５９）を含んでいる。鉄心５９は、その周囲に形成された交流コイル（例えば６２）の内部に構成されている。また、一連の中性点６５、６６が提供されており、当該中性点は、中央鉄心（例えば６８）の周囲にコイル（例えば６７）を有する。装置全体の設置面積は図示（６９）の通りである。

ここで図５を参照するに、変圧器２次側７５をＨＴＳ・ＦＣＬ装置７６に接続する接続技術を模式的に示す。当該構成において、三相７７、７８、７９は、自身の対応する磁心５３，５５、５７に接続している。更に、中性接地コイル、例えば６５は、２次変圧器巻線のスターポイント８１に接続している８０。次いで中性コイル６６は、バス８４の中性点に接続している。中性コイル６５，６６を組み込むことにより、地絡が生じた際に地絡故障電流の電流レベルが減少する。

このように、中性接地抵抗器を省略することができ、図５の構成は、１個の低温槽５２しか必要としないことが特に利点である。

３組の２重コイル５３〜５８は、高透磁性材料で作られていて所定の臨界磁場Ｂ_{ｃｒｉｔ1}（単位：テスラ）を超えると磁場飽和特性を示す６個の別々の単一ウインドウ磁心構造に配置することができる。また、別の組の２重中性のコイル６５、６６が、同じまたは異なる材料から作られていて特定の磁場Ｂ_{ｃｒｉｔ２}を超える飽和特性を示す単一ウインドウ磁心構造に配置されている。

６個の同一の単一磁心ウインドウにあるの６個の同一コイル５３〜５８は、断面積、直径、およびウインドウが同一であってよい。これら６個のコイルは、三相対称電流を制限する役割を担う。

８端子装置において気付くように、各磁心構造の共通リムは例えば６１のようにグループ化され、従って、単一の超伝導コイル５２または他のコイルが共通磁心構造を臨界場Ｂｃｒｉｔ３に磁化することができる。ここにＢ_ｃｒｉｔ＞（Ｂ_{ｃｒｉｔ２}またはＢ_{ｃｒｉｔ１}）である。

故に、超伝導コイル５２を冷却するために壁５０、５１を有する単一の低温槽しか必要としない。

当該新規構造において、２個の追加的なコイル６５、６６を、他の６個のコイル５３〜５８とは大幅に異なるように設計することができ、そのため接地および中性点の接続における故障電流を制限すべく、実用に必要な規模で、またユーティリティからの必要に応じて、使用することができる。従って、通常は他の６個のコイルより中性接地コイルの方が大きく、はるかに多くのターン数が組み込まれている。その理由は、定常状態の場合において制限された電流が次式に従うためである。
ｎ＝ＮＩ／Ｉ_ｆ

ここに、Ｎ＝直流バイアスターン数（超伝導または従来型）
ｎ＝交流コイルにおけるターン数（６線短絡電流制限コイル、または中性地絡故障電流制限コイルのいずれか）
Ｉ＝飽和コイル内の直流バイアス電流（超伝導または従来型）
Ｉ_ｆ＝必要な制限故障電流振幅である。

通常、地絡故障電流は三相対称故障よりも極めて少ない量に制限しなければならず、従って、「地絡故障」コイル６６、６７のｎ値は６個の「線短絡制限コイル」５３〜５８よりも大きくなる。

図５に示すようにコイルを配置することにより、地絡故障電流制限機能を備えたより経済的なシステムを提供することが可能である。

更に、好適な実施形態の運用形態を決定すべくシミュレーション研究が行なわれた。これらの研究において、負荷上で各種の故障をシミュレーションした。これらには、三相対称故障および線地絡故障が含まれる。本目的のために設計されたソフトウェア・パッケージを用いて、１１ｋＶ変電所故障特性をシミュレーションした。対称三相短絡だけでなく地絡故障にも対応できるよう、上述の説明に従って設計された８端子装置をシミュレーションした。

４通りのケースについて変電所でシミュレーションを行ない、それらの機能性および利点を記述する。
ケース１：基準ケース−変電所に故障制限装置を設置しない
ケース２：三相電流を制限する６個端子設計のＨＴＳ・ＦＣＬ
ケース３：ＮＥＲだけを用いて地絡故障電流を約１ｋＡに厳重に制限する
ケース４：三相短絡電流を制限すべく調整され、ＮＥＲと同程度厳重に電流中性バス故障を減らすべく異なる仕方で調整された８端子のＦＣＬ装置

図７に、故障電流制限装置（ＦＣＬまたはＮＥＲ）を一切設定していない変電所においてシミュレーションの結果得られた地絡故障電流を示す。図８に、バス上の故障電流の三分の一を表わす個々の変圧器回路の相電流を示す。

図９に、６端子設計のＳＣＳ−ＦＣＬを用いて、適当な量により６ｋＡ（変圧器毎に４．２４ｋＡ ＲＭＳ）のピークに制限された場合の、変圧器（Ｔ１）の三線における三相短絡電流を示す。

図１０に、３．９ΩＮＥＲだけが組み込まれる場合の短絡が生じた位相の地絡故障電流を示す。ＮＥＲは、線地絡故障電流を１９．６ｋＡｒｍｓから１．７ｋＡｒｍｓまで効果的に減らす。これは、以下の式１から計算された定常状態地絡故障電流と整合しており、式１は、ＮＥＲインピーダンスがシーケンス成分インピーダンス値よりはるかに高い場合に以下の簡略化された近似式２に簡約される。
Ｉ_ａ＝Ｉｇｎｄ＝３（１１．５４／√３）／（Ｚ_０＋Ｚ_１＋Ｚ_２＋３Ｚ_ＮＥＲ） 式１
Ｉ_ａ＝Ｉｇｎｄ＝（１１．５４／√３）／Ｚ_ＮＥＲ 式２

ここに、Ｉ_ａ＝相ａ電流、
Ｚ_０、Ｚ_１、Ｚ_２＝１１ｋＶバスにおけるソース・インピーダンス・シーケンス、
Ｚ_０＋Ｚ_１＋Ｚ_２＝０．２２４＋Ｊ１．３７１３＝１．３８９５角度８０°、
Ｚ_ＮＥＲはＮＥＲ抵抗である。

ＳＣＳ−ＦＣＬは、地絡故障電流を２０．１９ｋＡＲＭＳから１９．５ｋＡｒｍｓに減らす。従って、このＦＣＬ設計は、０．２６ΩのＮＥＲに同等である（これは、式１にＩ_ｇｎｄ＝１９．５ｋＡを適用してＺ_ＮＥＲについて解くことにより得られる）。すなわち、同じ結果を得るために０．２６ΩのＮＥＲが必要とされよう。従って、ＳＣＳ−ＦＣＬを採用したことにより、導入されたＮＥＲの評価を３．９０Ωから３．６４Ωに減らせる。しかし、より興味深い点は、地絡故障電流を３．９ΩＮＥＲの場合と比較可能なレベルに下げる可能性がある。これによりＮＥＲの必要性が全く無くなる。

バス故障レベルを減らすべく最適化されたＳＣＳ−ＦＣＬ設計が、地絡故障を必要な最低レベルに制限するのには適していないことが示された。また、地絡故障レベルを減らすべく最適化されたＳＣＳ-ＦＣＬが三相短絡状態に適していないことも見出された。従って、８端子装置を、元の３個の同じ交流二重コイルを備えながら中性／地絡故障電流を必要最低レベルに制限すべく特別に調整された二重コイルの組を追加してシミュレーションした。中性巻線は、特に地絡故障を減らすべく設計されて、異なるターン数を有していてよい。当該巻線は多くの場合、必要な地絡故障電流の減少量が対称故障の減少量よりも厳しいため、必要な地絡故障電流の減少量に調整して、拠点の中性バスに接続することができる。

図１１に、８端子装置について得られた結果を示す。図からわかるように、実用的なユーティリティ用途での必要に応じて、地絡故障電流の減少量が線電流（変圧器毎に４．２４ｋＡｒｍｓ）よりも大きい（変圧器毎に１ｋＡｒｍｓまで）。従って、当該設計により、拠点の故障レベル要件を満たす量で三相線電流を制限し、接地電流を他の基準で制限することができる。８端子の装置設計により、故障レベルを２５０ＭＶＡ（１．７３×１１．４７×４．２４×３）に維持することができ、また同時に地絡故障レベルを全て１台の装置で（１ｋＡｒｍｓまで）減らした。その結果、既存スイッチギアを保持することができ、ＮＥＲを設置する必要がないため大幅な節約ができる。

上記は、本発明の好適な実施形態について述べたものである。本発明の範囲から逸脱することなく当業者には明らかな変形をこれに加えることができる。

典型的な故障電流特性を示すグラフである。 ＨＴＳ・ＦＣＬを使用した場合における、典型的な故障電流特性を示すグラフである。 故障電流制限器の一形式を示す模式的断面図である。 本発明での使用に適した故障電流制限器の改良方式を示す断面図である。 好適な実施形態の故障電流制限器装置の全体構成を示す模式図である。 電力網内における故障電流制限器の相互接続を示す模式図である。 ＮＥＲが設置されていない状態での位相地絡故障のシミュレーション図である。 ＮＥＲが設置されていない状態での位相地絡故障のシミュレーション図である。 ＮＥＲが設置されていない状態での位相地絡故障のシミュレーション図である。 個々の変圧器回路における相電流を示す図である。 変圧器の三線における三相短絡電流を示す図である。 ３．９ΩＮＥＲのみが組み込まれている場合の、短絡が生じた位相の地絡故障電流を示す図である。 ８端子装置について得られる結果を示す図である。

Claims (10)

1. 電力網における故障電流を制限する故障電流制限器であって、
   前記電力網における位相短絡による故障電流を制限すべく超電導コイルに隣接して設置された一連の位相コイルと、
   前記電力網における中性地絡故障による故障電流を制限すべく前記超伝導コイルに隣接して設置された一連の中性コイルとを含む故障電流制限器。
2. 前記中性コイルが高透磁性磁心の周囲に形成されている、請求項１に記載の故障電流制限器。
3. 前記超伝導コイルが高透磁性材料から形成された中心磁心を含む、請求項１に記載の故障電流制限器。
4. 前記位相コイルおよび前記中性コイルが前記中心磁心と磁気的に連結されている、請求項３に記載の故障電流制限器。
5. 電力網における電流制限による地絡故障対処方法であって、前記電力網と接地点の間に故障電流制限器を用いるステップを含む方法。
6. 多相電力網における電流制限による故障対処方法であって、
   （ａ）前記電力網の各相の相互接続の各相と変圧器との間に超伝導位相短絡電流制限器を連結するステップと、
   （ｂ）前記変圧器の中性点と前記電力網の中性点との間に超伝導中性故障電流制限器を連結するステップとを含む方法。
7. 前記超伝導位相短絡電流制限器と前記超伝導中性故障電流制限器とが同一の低温槽を共有する、請求項７に記載の方法。
8. 前記超伝導位相短絡電流制限器と前記超伝導中性故障電流制限器とが同一の超伝導コイルを共有する、請求項７または８に記載の方法。
9. 電力網における故障電流を制限する故障電流制限器であって、
   前記電力網における位相短絡による故障電流を制限すべく超伝導コイルに隣接して設置された一連の位相コイルと、
   前記電力網における中性地絡故障による故障電流を制限すべく前記超伝導コイルに隣接して設置された一連の中性コイルとを含む故障電流制限器。
10. 実質的に図５を参照しつつ記述された地絡故障電流制限器。

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