JP2014204458A

JP2014204458A - 限流装置

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Publication number: JP2014204458A
Application number: JP2013075908A
Authority: JP
Inventors: 茂樹礒嶋; Shigeki Isojima; 修一野川; Shuichi Nogawa; 浩二野口; Koji Noguchi; 和宏黒田; Kazuhiro Kuroda
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2014-10-27
Anticipated expiration: 2033-04-01
Also published as: CN105075049A; WO2014162950A1; KR20150139559A; US20160013635A1; JP6069073B2; CN105075049B; US10218170B2; EP2983262A1; EP2983262A4

Abstract

【課題】限流動作から復帰までの時間を短くすることが可能な限流装置を提供する。
【解決手段】限流装置１０は、超電導体を利用して限流動作を行なう限流装置１０であって、超電導体を含む超電導限流素子８と、コンデンサ（直列コンデンサ１）と、リアクトル（限流リアクトル６）と、バイパススイッチ（サイリスタスイッチ４）とを備える。直列コンデンサ１は、超電導限流素子８と直列に接続されている。限流リアクトル６は、超電導限流素子８と直列コンデンサ１とを含む直列回路に、さらに直列に接続されている。サイリスタスイッチ４は、上記直列回路に並列に接続されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、限流装置に関し、より特定的には超電導体を利用した限流装置に関する。

従来、電力系統に設置される超電導体を利用した限流装置が提案されている（たとえば、特開平９−１３０９６６号公報（特許文献１）参照）。特許文献１の図６では、超電導体を含む限流素子と、当該限流素子に並列に接続された限流リアクトルとを備える限流装置が開示されている。このような限流装置では、事故などによる過大な電流に起因して限流素子の超電導体が常電導状態へ移行する（クエンチする）ことにより高抵抗化するとともに電流を限流リアクトルへ転流させる。この結果、限流リアクトルにおいて限流インピーダンスが生じ、過大な電流を限流できる。

特開平９−１３０９６６号公報

しかし、上述した従来の限流装置では、限流動作中において限流リアクトルと限流素子とに電流が流れ得るため、限流素子における超電導体での処理エネルギーが大きくなり、限流素子の復帰までの時間が長くなるという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、限流動作から復帰までの時間を短くすることが可能な限流装置を提供することである。

この発明に従った限流装置は、超電導体を利用して限流動作を行なう限流装置であって、超電導体を含む超電導限流素子と、コンデンサと、リアクトルと、バイパススイッチとを備える。コンデンサは、超電導限流素子と直列に接続されている。リアクトルは、超電導限流素子とコンデンサとを含む直列回路に、さらに直列に接続されている。バイパススイッチは、超電導限流素子とコンデンサとを含む直列回路に並列に接続されている。

このようにすれば、限流装置に過大な電流が流れた場合に、超電導限流素子において超電導体が常電導状態へ移行するとともに、バイパススイッチをＯＮ動作させることにより超電導限流素子を迂回して電流を流すことができる。このため、超電導限流素子における限流動作時の消費エネルギーを十分小さくすることができる。この結果、限流動作から復帰までの時間を短くすることができる。

なお、限流装置におけるリアクトルは限流リアクトルとしての機能を有する。そして、リアクトルと直列に接続されたコンデンサは、上記リアクトルのインダクタンス（Ｌ）をＬＣ共振によってキャンセルすることで、通常状態での限流装置の低インピーダンス化を実現するためのものである。そして、事故などに起因して過大な電流が限流装置に流れた場合には、超電導限流素子が上述のように自律的に常電導状態へ高速に移行するため、たとえバイパススイッチの動作タイミングが上記限流動作より遅れたとしても、コンデンサの端子間に過大な負荷（過大な電圧）が加えられることを確実に防止できる。さらに、上記のように超電導限流素子を用いることで、バイパススイッチの動作タイミングの遅れに起因する通過電流の過渡成分の抑制を図ることもできる。

また、上記のように限流装置に過大な電流が流れた場合には、超電導限流素子が常電導状態に高速に移行することでコンデンサに流れていた電流がバイパススイッチの位置する並列回路へ迂回される。このため、リアクトルとコンデンサとの直列に流れていた電流が流れなくなるため、リアクトルのインダクタンスをキャンセルしていたＬＣ共振は発生しない。このため、リアクトルのインピーダンス（限流インピーダンス）により過電流を限流できる。

本発明によれば、限流動作から復帰までの時間を短くすることが可能な限流装置を提供できる。

本発明に従った限流装置の実施の形態１を説明するための回路図である。本発明に従った限流装置の実施の形態２を説明するための回路図である。検討したモデル系統を示す模式図である。比較例の限流装置を説明するための回路図である。本発明の実施例に関するシミュレーション結果を示すグラフである。比較例に関するシミュレーション結果を示すグラフである。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１を参照して、本発明による限流装置を説明する。本発明による限流装置１０は、直列コンデンサ１と、超電導限流素子８と、限流リアクトル６と、サイリスタスイッチ４と、抑制リアクトル２と、抑制抵抗９から形成される電流抑制回路と、制御回路５とを備える。超電導限流素子８は直列コンデンサ１と接続されている。また、超電導限流素子８は、直列コンデンサ１と接続された側と反対側において限流リアクトル６と接続されている。直列コンデンサ１と超電導限流素子８とからなる直列回路と並列に接続されるように、サイリスタスイッチ４、抑制リアクトル２および抑制抵抗９を含む並列回路が形成されている。この並列回路は、超電導限流素子８と直列コンデンサ１とからなる上記直列回路と、接続ポイント２１、２２において接続されている。並列回路においては、抑制リアクトル２と抑制抵抗９とが並列に接続されるとともに、この並列に接続された抑制リアクトル２および抑制抵抗９と直列にサイリスタスイッチ４が接続されている。サイリスタスイッチ４には制御回路５が接続されている。

このような構成の限流装置１０によれば、限流装置１０が設置された電力系統における事故などにより限流装置１０に過大な電流が流れた場合に、超電導限流素子８がクエンチすることによって迅速かつ自律的に限流動作するので、直列コンデンサ１の端子間に過電圧が印加されることを確実に抑制することができる。また、上述のような限流動作の後は、サイリスタスイッチ４を含む並列回路によって電流が超電導限流素子８をバイパスして流れることになるので、限流リアクトル６での限流インピーダンスにより過電流を限流するとともに、超電導限流素子８において発生する処理熱エネルギーを小さくすることができる。この結果、超電導限流素子８の高速復帰が可能となる。また、並列回路に配置された抑制リアクトル２および抑制抵抗９が並列に接続された部分は電流抑制回路であって、バイパススイッチ動作時のコンデンサからの放電電流を抑制する機能を有する。

（実施の形態２）
図２を参照して、本発明による限流装置の実施の形態２を説明する。

図２を参照して、限流装置１０は基本的には図１に示した限流装置１０と同様の構造を備えるが、並列回路の構成が図１に示した限流装置１０とは異なっている。すなわち、図２に示した限流装置１０においては、並列回路には抑制抵抗９および抑制リアクトル２が配置されておらず、当該並列回路にはサイリスタスイッチ４のみが設置されている。このような構造の限流装置１０によっても、図１に示した限流装置１０と同様に、直列コンデンサ１の端子間過電圧を抑制するとともに、限流動作時における超電導限流素子８で生じる熱エネルギーを低減し、高速復帰が可能な限流装置１０を得ることができる。

以下、上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。

この発明に従った限流装置１０は、超電導体を利用して限流動作を行なう限流装置１０であって、超電導体を含む超電導限流素子８と、コンデンサ（直列コンデンサ１）と、リアクトル（限流リアクトル６）と、バイパススイッチ（サイリスタスイッチ４）とを備える。直列コンデンサ１は、超電導限流素子８と直列に接続されている。限流リアクトル６は、超電導限流素子８と直列コンデンサ１とを含む直列回路に、さらに直列に接続されている。サイリスタスイッチ４は、上記直列回路に並列に接続されている。

このようにすれば、限流装置１０に過大な電流が流れた場合に、超電導限流素子８において超電導体が常電導状態へ移行するとともに、サイリスタスイッチ４をＯＮ動作させることにより超電導限流素子８を迂回して電流を流すことができる。このため、超電導限流素子８における限流動作時の消費エネルギーを十分小さくすることができる。この結果、限流動作から復帰までの時間を短くすることができる。

なお、限流装置１０における限流リアクトル６は限流素子としての機能を有する。そして、限流リアクトル６と直列に接続された直列コンデンサ１は、上記限流リアクトル６のインダクタンス（Ｌ）をＬＣ共振によってキャンセルすることで、限流装置１０の通常状態における低インピーダンス化を実現するためのものである。そして、事故などに起因して過大な電流が限流装置１０に流れた場合には、超電導限流素子８が上述のように自律的に常電導状態へ高速に移行するため、たとえサイリスタスイッチ４の動作タイミングが上記限流動作より遅れたとしても、直列コンデンサ１の端子間に過大な負荷（過大な電圧）が加えられることを確実に防止できる。さらに、上記のように超電導限流素子８を用いることで、サイリスタスイッチ４の動作タイミングの遅れに起因する通過電流の過渡成分の抑制を図ることもできる。

また、上記のように限流装置１０に過大な電流が流れた場合には、上述のように超電導限流素子８が常電導状態に高速に移行することで直列コンデンサ１に流れていた電流がサイリスタスイッチ４の位置する並列回路へ迂回される。このため、限流リアクトル６と直列コンデンサ１とを含む直列回路に流れていた電流が流れなくなるため、限流リアクトル６のインダクタンスをキャンセルしていたＬＣ共振は発生しない。このため、限流リアクトル６のインピーダンス（限流インピーダンス）により過電流を限流できる。

上記限流装置１０において、バイパススイッチは、サイリスタスイッチ４を含んでいてもよい。

上記限流装置１０において、バイパススイッチは、サイリスタスイッチ４とは異なる他の形式の開閉器を含んでいてもよい。たとえば、バイパススイッチとして自励素子を用いた半導体スイッチ、機械式の開閉器などを用いることができる。

上記限流装置１０は、バイパススイッチに直列に接続された電流抑制回路をさらに備えていてもよい。電流抑制回路としては、たとえば図１に示すように抑制抵抗９と抑制リアクトル２（コイル）とが並列接続された回路を用いることができる。

（実験例）
以下、本発明の効果を確認するためシミュレーションを行なった。

＜シミュレーション条件＞
（１）シミュレーションに用いたモデル系統について
図３を参照して、シミュレーションにおいて検討したモデル系統は、電源１４から変圧器１５を介して送電している系統であり、変圧器１５の２次母線に新しく電源１３が設置されたケースを想定している。変圧器２次母線１２の定格電圧は７７ｋＶとした。変圧器１５は定格容量２５０ＭＶＡ３台運用を想定した。変圧器１５の短絡インピーダンスは２２％と想定した。

新設の電源１３の条件としては、容量が３００ＭＶＡという条件を想定した。また、新設される電源１３の過渡リアクタンスＸｄ’は２０％（自己容量ベース）と想定した。

限流装置１０は、母線１２から送電線１６へと繋がる線路の送電端に設置される。つまり、限流装置１０を介して母線１２と２回線の送電線１６が接続されている。送電線１６の両端には遮断器１８が設置されている。

図３に示したモデル系統は、限流装置１０を設置しなければ遮断器の定格電流が超過してしまうケースである。また、限流装置１０の構成は図１に示した限流装置１０と同様とする。以下のシミュレーションにおいては、図３に示すように限流装置１０により２回線一括補償を行なう条件でシミュレーションを行なった。

（２）本発明の実施例である限流装置の条件について
上記のようなモデル系統において、図３の事故点１７にて３相短絡が発生することにより電流値が最大となったときの故障電流を３０ｋＡ以下に抑制することを検討した。このような条件を満足する限流装置１０の特性としては、以下のように決定した。具体的には、実施例である限流装置１０の限流リアクトル６の誘導性リアクタンス（ＸＬ）について、変圧器１５のインピーダンスを２９．３３％＠１０００ＭＶＡとし、電源１４の過渡リアクタンスを６６．７％＠１０００ＭＶＡとすると、電源１４と変圧器１５との合成インピーダンスは２０．４％＠１０００ＭＶＡとなる。そして、故障電流Ｉｓ＝１／（ＸＬ＋０．２０４）×１００００００ｋＶＡ／（√３×７７ｋＶ）≦３０ｋＡよりＸＬ≧０．０４６ｐｕとなる。

したがって、直列コンデンサ１の容量性リアクタンスＸｃ１＝−ｊ０．０５ｐｕとし、限流リアクトル６の誘導性リアクタンスＸＬ１＝ｊ０．０５ｐｕとした。このように設定することにより、限流装置１０では、限流リアクトル６の誘導性リアクタンスＸＬ１が直列コンデンサ１の容量性リアクタンスＸｃ１により補償されるため、通常状態での限流装置１０はゼロインピーダンスとなる。また、限流装置１０の超電導限流素子８が常電導状態へ移行した時の限流抵抗は６Ωとした。

（３）比較例の限流装置について
比較例として、図１に示した限流装置１０に代えて、図４に示した構成の限流装置１００を図１に示した限流装置１０に代えてモデル系統中に設置した場合についても同様のシミュレーションを行なった。図４に示すように、比較例の限流装置１００は、限流リアクトル６と超電導限流素子８とを並列に接続したものである。なお、図４に示した限流リアクトル６の誘導性リアクタンスＸＬ１は図１に示した限流リアクトル６の誘導性リアクタンスＸＬ１と同様である。また、図４に示した限流装置１００の超電導限流素子8が常電導状態へ移行した時の限流抵抗は６Ωとした。

（４）シミュレーションに用いた解析用モデルについて
超電導限流素子８の解析用モデルとしては、電気学会技術報告第１０８８号の４．３．１（ＳＮ転位型超電導限流器のＥＭＴＰ解析簡易モデル）を用いた。また、故障除去後の限流抵抗は、故障除去から直線的に減少するように設定した。限流装置１０、１００について、金属系ＮｂＴi線材からなる６．６ｋＶ１．５ｋＡ級クエンチ型限流器用超電導コイルによる抵抗発生波形（発生した抵抗値の時間変化）を参考にして、超電導限流素子８の動作時間Ｔ_opは１ｍｓとした。

また、限流装置１０、１００における超電導限流素子８の動作開始電流は２４００Ａｒｍｓ（３．４ｋＡｐ）とした。この値は、定常電流（１２００Ａ）の２倍となる値である。

さらに、限流装置１０について、サイリスタスイッチ４が動作することにより、超電導限流素子８がバイパスされると超電導限流素子８に対する通過電流は抑制される。そのため、限流動作後（超電導限流素子８においてクエンチ発生後）、サイリスタスイッチ４が動作して電流がバイパスされてから、０．１秒で超電導限流素子８は超電導状態へ復帰すると想定した。

（５）シミュレーションで想定した条件
想定した故障種別としては、図３に示した事故点１７において３相短絡（３ＬＳ）が発生したと想定した（電源側母線至近端３ＬＳ）。故障シーケンスとしては、時刻Ｔ＝０．１秒において３相短絡が発生し、時刻Ｔ＝０．２秒において遮断器１８が動作し（ＣＢ両端開放）、故障回線が遮断される。

＜結果＞
図５に、本発明による限流装置１０を適用した場合のシミュレーションの結果を示し、図６に、図４に示した比較例の限流装置１００を適用した場合のシミュレーション結果を示す。図５および図６において、（ａ）〜（ｃ）の各グラフの横軸は時間であり、（ａ）のグラフの縦軸は故障電流（限流装置通過電流）を表わしている。なお、限流装置通過電流の単位はｋＡである。また、グラフ（ｂ）の縦軸は限流器における消費エネルギー（３相合計値）であり、その単位はＭＪである。また、グラフ（ｃ）の縦軸は限流抵抗を示しており、その単位はΩである。図５（ａ）および図６（ａ）から分かるように、本発明の実施例および比較例のいずれのケースにおいても、直流分を除いた短絡電流の交流成分は２８ｋＡrms（４０ｋＡｐ／√２）程度となっており、適切に限流されている。なお、図５（ａ）および図６（ａ）では、限流装置通過電流における３相のそれぞれの成分をグラフＡ、グラフＢ、グラフＣとして示している。ここで、短絡電流の大きさは、限流リアクトル６の特性によって決まるため、各ケース間での差異は小さい。

また、図５（ｂ）および図６（ｂ）から分かるように、本発明による限流装置１０での消費エネルギーは１．５ＭＪ、比較例の限流装置１００での消費エネルギーは４ＭＪとなっており、本発明による限流装置では比較例と比べて消費エネルギーが抑制されている。このように消費エネルギーが抑制されることにより、超電導限流素子８の常電導状態への遷移後、超電導状態へ復帰する時間が短くなる（超電導状態への復帰が高速化される）。したがって、本発明による限流装置１０は、故障復帰時に、限流装置１０の電力系統への再挿入を高速化できる。なお、本発明による限流装置１０では、サイリスタスイッチ４が動作するまでのごく短時間においては短絡電流が超電導限流素子８を通過することから消費エネルギーが大きくなる。しかし、サイリスタスイッチ４の動作によって故障電流は並列回路へバイパスされるため、故障期間中の全体でみた場合には消費エネルギーはほとんど増加しない。ただし、故障期間中に超電導限流素子８の抵抗値は徐々に減少し、それに従って超電導限流素子８側へ若干故障電流が分流するが、ほとんど問題にならない。

一方、比較例の限流装置１００を用いた場合には、超電導限流素子８が動作した（クエンチした）直後から故障電流が限流リアクトル６へ分流するため、故障発生直後での消費エネルギーは図６（ｂ）に示すように図５（ｂ）に比べて抑制されている。しかし、超電導限流素子８に故障電流が流れ続けるため、故障期間中は継続的に消費エネルギーが増加する。このため、結果的には比較例におけるトータルの消費エネルギーは本発明による限流装置１００を用いた場合より大きくなる。なお、限流装置１００における限流リアクトル６への分流の程度は、限流リアクトルと限流抵抗値（超電導限流素子８の抵抗値）との関係によって変化する。

このように、本発明による限流装置１０では、限流動作中において限流装置で消費されるエネルギーが比較例の場合に比べて極めて低く抑えられるとともに、限流抵抗値も早期に低下している。このため、故障復帰時に限流装置を系統へ迅速に再挿入できる。

また、本発明による限流装置１０では、超電導限流素子８が故障電流によって自律動作するため、サイリスタスイッチ４の応答遅れによる直列コンデンサ１の端子間に印加される過電圧および通過電流の過渡成分を有効に抑制することができる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、超電導限流素子を含む限流装置に特に有利に適用される。

１直列コンデンサ、２抑制リアクトル、４サイリスタスイッチ、５制御回路、６限流リアクトル、８超電導限流素子、９抑制抵抗、１０，１００限流装置、１２変電所母線、１６送電線、１３新設電源、１４電源、１５変圧器、１７事故点、１８遮断器、２１，２２接続ポイント。

Claims

超電導体を利用して限流動作を行なう限流装置であって、
前記超電導体を含む超電導限流素子と、
前記超電導限流素子と直列に接続されたコンデンサと、
前記超電導限流素子と前記コンデンサとを含む直列回路に、さらに直列に接続されたリアクトルと、
前記直列回路に並列に接続されたバイパススイッチとを備える、限流装置。
前記バイパススイッチは、サイリスタスイッチを含む、請求項１に記載の限流装置。
前記バイパススイッチに直列に接続された抑制回路をさらに備える、請求項１または２に記載の限流装置。