JP2017500840A5

JP2017500840A5 - 電力システム及び交互巻線を備えた障害電流制限装置

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Publication number: JP2017500840A5
Application number: JP2016536866A
Authority: JP
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2019-02-21
Anticipated expiration: 2034-11-20

Description

インターリーブ巻線を備えた故障電流制限装置

本発明は、電流制御装置に関し、より詳しくは、故障電流制限装置及びシステムに関する。

故障電流制限装置（ＦＣＬ）は、例えば、送電網内において電流サージからの保護を与えるために使用される。超電導故障電流制限装置（ＳＣＦＣＬ）、固体故障電流制限装置、誘導故障電流制限装置等の様々なタイプのＦＣＬが過去数十年に亘って開発され、他の変種も周知である。ＦＣＬが実装される電力システムは、電力を発生し、様々な工業、商業及び／又は住宅電気負荷に供給する発電網、送電網、及び配電網を含み得る。

故障電流は電気システム内の短絡等の故障に起因して電気システム内に生じる異常電流である。故障電流は電気システム内において多数の事象又は故障、例えば悪天候（例えば落雷）による電力線又は他の電気システムの構成要素の損傷によって起こり得る。このような故障の発生時に、故障電流制限装置は電気システムを故障電流から保護するように作用する。しかし、通常動作中は、故障電流制限装置は保護する電気システムに殆ど影響を与えないのが望ましい。

従って、通常動作中は低い挿入されたインピーダンスを有し、保護する回路内に無視し得るほど小さい電圧降下及び電力損を生じるが、依然として故障電流から保護することができる故障電流制限装置が必要とされている。

この概要は、発明を実施するための形態において以下にさらに記載される複数の概念の抜粋を簡素化された形で導入すべく提供される。この概要は、請求の趣旨の複数の主要な特徴または複数の不可欠な特徴を特定することを意図するものではなく、請求の趣旨の範囲の決定を補助することが意図されるものでもない。

一実施態様では、故障電流制限装置が提供される。この故障電流制限装置は、インターリーブ巻線を有する電流分流リアクトルを含み、前記電流分流リアクトルは、コアと、前記コアの周囲に巻かれた第１巻線と、この故障電流制限装置の挿入されたインピーダンスを低減するために前記コアの周囲に前記第１巻線とインターリーブに巻かれた第２巻線とを備える。

一実施態様では、故障電流制限装置が提供される。この故障電流制限装置は、インターリーブ巻線を有する電流分流リアクトルを含み、前記電流分流リアクトルは、コアと、複数のサブ巻線を含む第１巻線と、複数のサブ巻線を含む第２巻線とを備え、この故障電流制限装置の挿入されたインピーダンスを低減するために前記第１巻線のサブ巻線と前記第２巻線のサブ巻線が前記コアの周囲にインターリーブに巻かれている。

一実施態様では、電力システムが提供される。この電力システムは、電力源と、前記電力源に電気的に結合された負荷と、故障状態時にこの電力システムの電流量を制限するために前記電力源及び前記負荷に電気的に結合された故障電流制限装置とを含み、前記故障電流制限装置は、インターリーブ巻線を有する電流分流リアクトルを含み、前記電流分流リアクトルは、コアと、複数のサブ巻線を含む第１巻線と、複数のサブ巻線を含む第２巻線とを備え、前記故障電流制限装置の挿入されたインピーダンスを低減するために前記第１巻線のサブ巻線と前記第２巻線のサブ巻線が前記コアの周囲にインターリーブに巻かれている。

インターリーブ巻線を有する電流分流リアクトルを含むＦＣＬ装置を内蔵する電気システムの一実施形態を示す。インターリーブ巻線を有する電流分流リアクトルを含むＦＣＬ装置の一実施形態を示す。インターリーブ巻線を有する電流分流リアクトルの一実施形態を示す。図３のインターリーブ巻線を有する電流分流リアクトルの概略図を示す。インターリーブ巻線を有する電流分流リアクトルの一実施形態を示す。図５のインターリーブ巻線を有する電流分流リアクトルの概略図を示す。

いくつかの実施形態を示す添付図面を参照して本発明は以下でより詳細に説明される。しかし、本発明の要旨は多くの異なる形態で具体化することができ、ここに記載した実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示を完全かつ完璧なものとし、本発明の要旨の範囲を当業者に充分に伝えるために提供されている。図面において、同様の番号は全図を通して同様の要素を指している。

本明細書に記載する様々な実施形態は、インターリーブ巻線を有する電流分流リアクトル（ＣＳＲ）を含むＦＣＬを提供する。更に、電流分流リアクトルは開コア設計とし得る。インターリーブ巻線を有するＣＳＲを含むＦＣＬは、有利には、低い挿入されたインピーダンスをもたらす。一例として、本明細書に記載するＦＣＬは、通常動作状態中、電力システムの全インピーダンスの１％未満の挿入されたインピーダンスを有する。

更に、本明細書に記載する例示的なＦＣＬは、任意の電力システム、例えば送電、配電及び発電システム内の故障電流を制限するように実装することができる。更に、いくつかの例では、インターリーブ巻線を有するＣＳＲは、超電導ＦＣＬ、固体ＦＣＬ、高速スイッチＦＣＬ内に実装することができ、一般に、通常動作中、低い挿入されたインピーダンスが望まれる場合には、故障電流から電力システムを保護するように構成された任意の故障電流制限回路に実装することができる。いくつかの例では、本明細書に記載するＦＣＬは飽和鉄コア又はシールドコアを組み込むことができる。特に例示的な例では、本明細書に記載するインターリーブ巻線を有するＣＳＲを備えたＦＣＬは、一般的に高い挿入されたインピーダンスを有することが認識されている飽和鉄コアＦＣＬの挿入されたインピーダンスを低下させるために設けることができる。

更に、本明細書に記載する様々な例は高周波数電力システム用及び低周波数電力システム用のＦＣＬ装置に実装することができる。

図１は例示的電力システム１０００に実装されたＦＣＬ回路２００を示す。ＦＣＬ２００は、インターリーブ巻線（ＩＷＣＳＲ）２１０（図３−６を参照して詳細に説明される）を有する電流分流リアクトルを含む。電源１０１は電力をインタフェース回路１０３及び回路遮断器１０５を通して供給する。送電線１０６は、送電線電圧を負荷１２１，１２３と適合する電圧に昇圧するように構成された変圧器１０９とのインタフェース１０７につながる。変圧器１０９の出力は回路遮断器１１１及びＦＣＬ２００に結合することができる。ＦＣＬ２００は回路遮断器１１５及び整合回路１１７，１１９を経て負荷１２１，１２３に結合することができる。追加の負荷及び整合回路を設けてもよい。短絡故障１２５が存在するかもしれず、もしあれば本明細書に記載する様々な実施形態の動作によって絶縁分離することができる。

図２は本発明の少なくともいくつかの実施形態に従って構成された例示的なＦＣＬ２００を示す。ＦＣＬ２００は、コア２１６の周囲に反対方向にインターリーブに巻かれた第１巻線２１２及び第２巻線２１４を有するＩＷＣＳＲ２１０（図３−６につき詳述する）を含む。ＦＣＬ２００は、ＦＣＬ２００を保護すべき回路（例えば、図１に示す負荷１２１，１２３）に接続するための入力端子２０２及び出力端子２０４を含む。更に、ＦＣＬ２００は並列接続の電圧制御リアクトル（ＶＣＲ）２２０及び故障トリガ回路（ＦＴＣ）２３０を含む。第２巻線２１４は入力端子２０２と並列接続のＶＣＲ２２０及びＦＴＣ２３０との間に直列に接続される。更に、故障電流により生じるトランジェント過電圧から回路を抑制、分路、又はその他の方法で保護するために、様々なトランジェント過電圧制御回路(図示せず)をＶＣＲ２２０に接続してもよい。ＣＳＲを含むＦＣＬ及びその動作は本出願人の未公開の米国特許出願公開第２０１２／０２６４６１３号により完全に記載されており、その全内容は参照することにより本明細書に組み込まれる。図２はＶＣＲ２２０を用いて実装したＦＣＬ２００を示すが、本発明の様々な実施形態はＶＣＲなしで実装してもよいことに留意することが重要である。例えば、ＦＣＬはＶＣＲなしで本発明に従って実装してもよい。その場合には、ＦＣＬは自己電圧を制御し、故障の場合に、電流をＦＣＬの高インピーダンス回路を通して流す。

通常動作状態中（例えば、短絡故障１２５のような故障電流が検出されない間）、ＦＴＣ２３０は閉じ、極めて小さいインピーダンスを示す。従って、全電流（Ｉ_T）が入力端子２０２からＦＣＬ２００に流入し、第１巻線２１２及び第２巻線２１４を通過する。ＦＴＣ２３０は閉じているので、ＶＣＲ２２０を流れる電流は無視し得るほど小さい。従って、第１巻線２１２及び第２巻線２１４は全電流Ｉ_Tのうち、それらの巻線の巻数比に比例する部分を流す。第１巻線２１２及び第２巻線２１４は反対方向に巻かれているので、それらの磁界はコア２１６内で互いに相殺する。その結果、ＦＣＬ２００は、通常動作の間、極めて低い挿入されたインピーダンスを示す。いくつかの実施形態では、ＦＣＬ２００は、通常動作中、電力システムのインピーダンスの１％未満のインピーダンスを挿入するか、或いは１％未満の電圧降下を生ずるものとし得る。いくつかの例では、（例えば、ＣＳＲ２１０が第１巻線２１２と第２巻線２１４との間に３：１の電流比を有する場合）、ＶＣＲ２２０及びＦＴＣ２３０は全電流Ｉ_Tの２５％を受けるにすぎない。巻線２１２及び２１４の間の巻数比を変えることによって他の比を達成することができる。

故障電流状態時に、通常電流よりも高い故障電流が入力端子２０２から第１巻線２１２及び第２巻線２１４の両方に流入する。故障電流が所定のトリガ電流を越えるとき、ＦＴＣ２３０は開くか、極めて高いインピーダンスを挿入し、故障電流はＶＣＲ２２０及び他の接続されたトランジェント過電圧制御回路（ＴＯＣＣ）へ流入する。更に、ＦＴＣが開くか、高インピーダンスになると、ＶＣＲ２２０及び他の接続されたＴＯＣＣのインピーダンスが巻線２１４を流れる電流を低減するのに十分なほど高くなり、それによりＣＳＲ２１０がその磁界相殺を失い、高い電流制限リアクタンスを導入する。言い換えれば、故障状態時に、電流がＶＣＲ２２０を流れ始め、それにより第２巻線２１４を流れる電流が減少せしめられる。従って、第１巻線２１２と第２巻線２１４を流れるアンペアターンの量はもはや等しくならず、コア２１６内の磁界は最早相殺されず、それによってＩＷＣＳＲ２１０のリアクタンスを増大する。これはＦＣＬ２００の挿入されたインピーダンスを増大し、故障電流の制限に役立つ。

従って、ＦＣＬ２００は通常動作中低い挿入されたインピーダンスを提供するが、故障状態時に高い挿入されたインピーダンスを提供し、故障電流を制限するように動作する。明らかなように、電力システムの電圧が増加すると、故障電流を制限するために必要とされるインピーダンスも増加する。電流制限インピーダンスの増加は第１巻線２１２及び第２巻線２１４の自己リアクタンスの増加を必要とする。通常動作中のＦＣＬ２００の等価リアクタンス（Ｘeq）は次式で表すことができ、ここでＸw1は第１巻線２１２の自己リアクタンス、Ｘw2は第２巻線２１４の自己リアクタンスであり、ｋは第１巻線２１２と第２巻線２１４との間の磁気結合係数である。更に、ＦＴＣ２３０は、通常動作状態中、閉じるので、ＦＴＣ２３０のインピーダンス（Ｚ_FTC）はゼロである。

故障電流動作時のＦＣＬ２００の等価リアクタンスＸeqは次式で表すことができ、ここでＸ_VCRはＶＣＲ２２０のリアクタンスである。

いくつかの実施形態では、ＦＣＬ２００は磁気結合係数ｋが約１になるように設計するのが望ましい。従って、故障電流動作中のＦＣＬ２００の等価リアクタンスＸeqは次式で表すことができ、この式はｋ＝１と仮定している。

更に、巻数比ｎ＝Ｎ２／Ｎ１（ここで、Ｎ２は第２巻線２１４の巻数、Ｎ１は第１巻線２１２の巻数、及びＸw2＝ｎ²×Ｘw1）であると仮定すると、ＦＣＬ２００の等価リアクタンスは次式で表すことができる。
Ｘ_VCR ≫ Ｘw1×(１＋ｎ)²の場合、ＦＣＬ２００の等価リアクタンスＸeqは第１巻線２１２のリアクタンスに略等しい。言い換えれば、ＸeqはＸw1に略等しい。

上記の式から明らかなように、低い挿入されたインピーダンス（例えば、電力システムのインピーダンスの１％未満）を実現することは、特に大きなＦＣＬ装置に対して困難である。言い換えれば、第１巻線２１２と第２巻線２１４の磁気結合係数は第１巻線２１２と第２巻線２１４のサイズの増加とともに増加する傾向があるので、通常動作中に互いに略相殺する磁界を得ることが難しくなる。

しかしながら、本発明は、第１巻線２１２と第２巻線２１４が通常動作中の挿入されたインピーダンスを低減するようにインターリーブに配置されたＩＷＣＳＲを提供する。一般的に、ＩＷＣＳＲは、第１巻線２１２と第２巻線２１４をサブ巻線に分割し、それらのサブ巻線をコア２１６の周囲にインターリーブに配置することによって第１巻線２１２と第２巻線２１４の結合を高めることができる。図３−図４はサブ巻線を直列に接続したＩＷＣＳＲの一例を示し、図５−図６はサブ巻線を並列に接続したＩＷＣＳＲの一例を示す。

次に特に図３を参照して説明すると、コア３１６の周囲に巻かれた第１巻線３１２及び第２巻線３１４を有するＩＷＣＳＲ３１０が示されている。図から明らかなように、第１巻線３１２はサブ巻線３１２−１〜３１２−４を含み、第２巻線３１４はサブ巻線３１４−１〜３１４−４を含む。図３はＩＷＣＳＲ３１０の側断面図を示す点に留意されたい。第１巻線３１２及び第２巻線３１４はコア３１６の周囲に巻かれていることを認識されたい。従って、サブ巻線（例えば、サブ巻線３１２−１〜３１２−４及び３１４−１〜３１４−４）の各々は断面図で目に見える部分がコア３１６の両側に２回示されている。具体的には、第１巻線３１２のサブ巻線３１２−１〜３１２−４は第１の方向に巻かれるが、第２巻線３１４のサブ巻線３１４−１〜３１４−４は反対方向に巻かれる。これは図３の○の中の＋記号で示されている。

いくつかの例では、第１巻線３１２のサブ巻線３１２−１〜３１２−４は電気的に直列に接続され、第２巻線３１４のサブ巻線３１４−１〜３１４−４は電気的に直列に接続される。更に、サブ巻線（例えば３１２及び３１４）は空隙３４０で分離される。具体的には、空隙３４０−１〜３４０−７がサブ巻線３１２−１〜３１２−４と３１４−１〜３１４−４を分離する。いくつかの例では、空隙３４０−１〜３４０−７は２ｍｍから３ｃｍの間とすることができ、且つ冷却及び高圧絶縁を容易にするように設けることができる。

図４は図３に示すＩＷＣＳＲ３１０の概略図を示す。この図から明らかなように、サブ巻線３１２−１〜３１２−４は電気的に直列に接続されて第１巻線３１２を形成し、サブ巻線３１４−１〜３１４−４も電気的に直列に接続されて第２巻線３１４を形成する。いくつかの例では、ＦＣＬ装置をＩＷＣＳＲ３１０で実装し、直列に接続されたサブ巻線の結果として増加した電圧搬送容量を提供することができる。

次に特に図５を参照して説明すると、コア５１６の周囲に巻かれた第１巻線５１２及び第２巻線５１４を有するＩＷＣＳＲ５１０が示されている。図から明らかなように、第１巻線５１２はサブ巻線５１２−１〜５１２−４を含み、第２巻線５１４はサブ巻線５１４−１〜５１４−４を含む。図５はＩＷＣＳＲ５１０の側断面図を示す点に留意されたい。第１巻線５１２及び第２巻線５１４はコア５１６の周囲に巻かれていることを認識されたい。従って、サブ巻線（例えば、サブ巻線５１２−１〜５１２−４及び５１４−１〜５１４−４）の各々は断面図で目に見える部分がコア５１６の両側に２回示されている。具体的には、第１巻線５１２のサブ巻線５１２−１〜５１２−４は第１の方向に巻かれるが、第２巻線５１４のサブ巻線５１４−１〜５１４−４は反対方向に巻かれる。これは図３の○の中の＋記号で示されている。

いくつかの例では、第１巻線５１２のサブ巻線５１２−１〜５１２−４は電気的に並列に接続され、第２巻線５１４のサブ巻線５１４−１〜５１４−４は電気的に並列に接続される。更に、サブ巻線（例えば５１２及び５１４）は空隙５４０で分離される。具体的には、空隙５４０−１〜５４０−７がサブ巻線５１２−１〜５１２−４と５１４−１〜５１４−４を分離する。いくつかの例では、空隙５４０−１〜５４０−７は２ｍｍから３ｃｍの間とすることができ、且つ冷却及び高圧絶縁を容易にするように設けることができる。

図６は図５に示すＩＷＣＳＲ５１０の概略図を示す。この図から明らかなように、サブ巻線５１２−１〜５１２−４は電気的に並列に接続されて第１巻線５１２を形成し、サブ巻線５１４−１〜５１４−４も電気的に並列に接続されて第２巻線５１４を形成する。いくつかの例では、ＦＣＬ装置をＩＷＣＳＲ５１０で実装し、並列に接続されたサブ巻線の結果として増加した電圧搬送容量を提供することができる。

上述したように、サブ巻線は空隙（例えば、ＩＷＣＳＲ３１０の場合には空隙３４０又はＩＷＣＳＲ５１０の場合には空隙５４０）で分離される。ＩＷＣＳＲ３１０又は５１０の等価リアクタンスはサブ巻線を分離する空隙の数に基づいて表すことができる。例えば、等価リアクタンスを表すために次式を使用することができ、ここでｐはサブ巻線間の空隙の数に等しく、Ｘ_FULLは第１巻線と第２巻線の全リアクタンスに等しい。

図３又は図５に示すＩＷＣＳＲの例を使用すると、等価リアクタンスＸeqは次のように決定することができる。即ち、空隙の数ｐが７に等しい場合、等価リアクタンスＸeqはＸeq＝Ｘ_FULL／７²＝Ｘ_FULL／４９＝０．０２Ｘ_FULLに減少する。言い換えれば、ＩＷＣＳＲ３１０又はＩＷＣＳＲ５１０を内蔵するＦＣＬ装置の挿入されたインピーダンスはＦＣＬ装置の全リアクタンスの約２％にすることができる。

サブ巻線の数は本明細書に例示する数より多くしても少なくしてもよい。例えば、第１及び第２巻線の各々は僅か２個のサブ巻線を含んでよい。別の例では、第１巻線及び第２巻線は４個より多数のサブ巻線を含んでもよい。いくつかの例では、第１巻線及び第２巻線はそれぞれ２〜７個のサブ巻線を含んでもよい。更に、上述したように、第１巻線と第２巻線の巻数比は変えてもよい。例えば、より高い電流用途はより高い巻数比を必要とする。

上述したＩＷＣＳＲ（例えば、ＩＷＣＳＲ２１０，３１０又は５１０）は、インターリーブに配置された第１巻線と第２巻線に加えて、開コア又は閉コアを有する。更に、コアは空気、プラスチック、又は鉄材料から形成し得る。いくつかの例では、鉄コアはより小さいＩＷＣＳＲ設計でより高い電流制限インピーダンスを提供するために使用し得る。コアが閉コアである場合には、コア（例えば２１６，３１６又は５１６）は第１巻線及び第２巻線を完全に取り囲む。言い換えれば、閉コアは磁界の帰路を与える。例えば、鉄コアの場合には、鉄帰路が与えられる。コアが開コアの場合には、コア（例えばコア２１６，３１６又は５１６）は第１巻線及び第２巻線を完全には取り囲まない（図３及び図５参照）。言い換えれば、開コアは磁界の帰路を提供し得ない。いくつかの例では、開コアは故障状態中の電流制限インピーダンスのソフト飽和及び損失の低減を提供するために使用し得る。更に、いくつかの例では、鉄材料を使用する開コアは空気コアの３倍から５倍のリアクタンスを提供することができる。

従って、通常動作状態中、低い挿入されたインピーダンスを有するが、故障電流状態中、高い挿入されたインピーダンスを有するＦＣＬが提供される。特に、これらのＦＣＬは、ＦＣＬ装置の挿入されたインピーダンスの大幅な低減をもたらすインターリーブに配置された巻線を有するＣＳＲを含む。

本発明はここに開示する特定の実施形態により制限されないことは当業者に認識されよう。実際、ここに開示した実施形態に加えて、本発明の他の様々な実施形態及び変更例が当業者に、以上の開示及び添付図面の開示から明らかになるであろう。従って、このような他の実施形態及び変更例は本発明の範囲に含まれることが意図されている。更に、本発明は特定の目的に対する特定の環境における特定の実施と関連して記載されているが、当業者は、その有用性がこれに限定されず、本発明は任意の数の目的に対して任意の数の環境において有利に実施できることを認識されよう。従って、後記の特許請求の範囲はここに記載する本発明の範囲の広さ及び精神を考慮して解釈すべきである。

Claims

インターリーブ巻線を有する電流分流リアクトルを備える故障電流制限装置であって、前記電流分流リアクトルは、
コアと、
前記コアの周囲に巻かれた第１巻線と、
前記故障電流制限装置のインピーダンスを低減するために、前記コアの周囲に、前記第１巻線とインターリーブに巻かれた第２巻線と、
を備え、
前記第１巻線の複数のサブ巻線は互いに並列に電気的に接続され、前記第２巻線の複数のサブ巻線は互いに並列に電気的に接続され、前記コアは鉄コアのハード飽和を回避するために磁気帰路のないように構成された開コアである、故障電流制限装置。
故障状態時に前記第２巻線のインピーダンスを変化させるために、前記第２巻線に直列に電気的に接続された電圧制御リアクトルを更に備える、請求項１記載の故障電流制限装置。
前記電圧制御リアクトルに並列に電気的に接続された故障トリガ回路を更に備え、前記故障トリガ回路は前記故障状態時に開いて前記故障トリガ回路に接続された前記第２巻線を流れる電流を減少させるように構成されている、請求項２記載の故障電流制限装置。
前記電圧制御リアクトルに並列に電気的に接続された故障トリガ回路を更に備え、前記故障トリガ回路は前記故障状態時に高いインピーダンスを挿入して前記故障トリガ回路に接続された前記巻線を流れる電流を減少させるように構成されている、請求項２記載の故障電流制限装置。
前記第１巻線のサブ巻線は前記第２巻線のサブ巻線とインターリーブに巻かれている、請求項１記載の故障電流制限装置。
前記第１巻線の前記サブ巻線は前記第２巻線の前記サブ巻線から複数の空隙で分離されている、請求項１記載の故障電流制限装置。
電源と、
前記電源に電気的に接続された負荷と、
故障状態時に電力システムの電流量を制限するために前記電源と前記負荷に電気的に結合された故障電流制限装置と、
を備える電力システムであって、
前記故障電流制限装置はインターリーブ巻線を有する電流分流リアクトルを備え、前記電流分流リアクトルは、
コアと、
複数のサブ巻線を含む第１巻線と、
複数のサブ巻線を含む第２巻線と、
を備え、前記第１巻線のサブ巻線と前記第２のサブ巻線は、通常動作状態時に前記故障電流制限装置のインピーダンスを低減するために、前記コアの周囲にインターリーブに巻かれており、
前記第１巻線の前記複数のサブ巻線は互いに並列に電気的に接続され、前記第２巻線の前記複数のサブ巻線は互いに並列に電気的に接続され、前記コアは鉄コアのハード飽和を回避するために磁気帰路のないように構成された開コアである、
電力システム。
前記故障電流制限装置は非故障状態時に前記電力システムの全インピーダンスの１％未満のインピーダンスを有する、請求項７記載の電力システム。