JP3854036B2 - 超電導限流器およびそれを使用した超電導限流方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力系統などの三相交流系統に用いられ、地絡事故などの際に故障電流が過大となることを防止する超電導限流器およびそれを使用した超電導限流方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電力系統などの三相交流系統で地絡事故が発生した場合には、故障電流として過電流が発生する。そして、事故発生時には遮断器で系統の電流を遮断している。近年、電力需要の増大にともなって電力系統が益々大きくなっている。そのため、電力系統における故障電流が大きくなり、遮断器で遮断することが困難となることが予想されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、故障電流を抑制するために、事故時に、限流器としてのリアクトルを系統に直列に接続する方法もあるが、電圧降下および損失の問題がある。また、昨今の超電導技術の進歩により、この超電導技術を限流器に適用しようとする様々の方式が提案されている。その代表的な例が超電導体からなる限流器を送電線と直列に接続する方法である。送電線を流れる電流が事故により増えると、限流器を流れる電流は超電導体の臨界電流を越え、超電導体は常電導に転移する。その結果、超電導体の抵抗値は零から所定の大きさの値まで増大し、故障電流はある一定値以下に限流される。しかる後に、系統に直列に接続されている遮断器で故障電流は遮断されている。
この様な超電導限流器では、超電導素子としての超電導体に常に交流電流が流れており、超電導体には交流損失が発生する。したがって、この交流損失を除去する必要がある。また、従来は、限流器が電力系統の三相の各相に設けられており、限流器の設置スペースが大きくなると言う問題があった。
【０００４】
そこで本発明は、超電導素子に交流が流れない超電導限流器およびそれを使用した超電導限流方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した課題解決手段は、
三相交流系統の事故電流を抑制する超電導限流器において、三相の各相毎に変圧器が設けられ、この変圧器の一次側が三相交流系統の各相に直列に接続され、前記３個の変圧器の二次側に三相全波の整流回路が繋がれ、この整流回路の直流回路部に常電導転移可能な超電導素子が設けられている超電導限流器であって、前記整流回路がダイオードおよびサイリスタやＧＴＯなどの消弧機能を有する半導体素子の組み合わせで構成されるとともに前記整流回路の直流回路部に常電導転移可能な超電導素子が設けられており、前記超電導素子と直列にバイアス電源が接続されていることを特徴とする超電導限流器である。
また、三相交流系統に流れる電流を検出するとともにその検出値を制御装置に出力する電流計が設けられ、前記制御装置は、入力された検出値が予め設定されている設定値よりも大きくなると、消弧機能を有する半導体素子のゲート信号をオンからオフに変更することを特徴とする超電導限流器である。
また、前記超電導素子の材質は、ＮｂＴｉやＮｂ3 Ｓｎなどの低温超電導材料またはＢｉ系やＹ系などの高温超電導材料であることを特徴とする超電導限流器である。
また、前記超電導素子は、無誘導巻きのコイルまたはジグザク状の多重折り返しで構成されていることを特徴とする超電導限流器である。
また、三相交流の三相の各相毎に変圧器が設けられ、この変圧器の一次側が三相交流系統の各相に直列に接続され、前記変圧器の二次側に三相全波のサイリスタが繋がれ、このサイリスタの直流回路部に常電導転移可能な超電導素子が設けられている超電導限流器による超電導限流方法において、前記超電導素子を超電導状態にするとともに、前記サイリスタには交流の波高値以上のバイアス電流を流しておき、地絡事故が発生して故障電流が流れると、この大きな故障電流が超電導素子に流れ、超電導素子が常電導転移し、その抵抗が増大して故障電流を抑制し限流することを特徴とする超電導限流方法である。
また、前記地絡事故が発生して故障電流が流れると、前記サイリスタに流れる電流がゼロクロスした時点でサイリスタは自動的にターンオフすることを特徴とする超電導限流方法である。
【０００６】
【実施の形態】
次に、本発明における超電導限流器の第１実施形態を図１および図２を用いて説明する。図１は本発明の第１実施形態の超電導限流器を用いた送電回路の概略の回路図である。図２は２線地絡時における電流のグラフである。
三相交流電源１から負荷２に交流が送電線３を介して給電される。この送電線３の各相Ｕ，Ｖ，Ｗ毎に変圧器４ａ，４ｂ，４ｃが設けられており、この変圧器４ａ，４ｂ，４ｃの一次側が各々送電線３に直列に接続されて配置されている。また、変圧器４ａ，４ｂ，４ｃの二次側には三相全波の整流回路６が繋がれている。この整流回路６および変圧器４ａ，４ｂ，４ｃで超電導限流器７が構成されている。整流回路６は三相ブリッジ回路で、限流素子としての常電導転移可能な超電導素子１１、この超電導素子１１に直列に接続されている直流バイアス電源１２、および、互い並列に接続されている３本の整流器用配線１６，１７，１８を具備している。超電導素子１１は、常電導転移した際に所定の電気抵抗を確保することができる様に、無誘導巻きのコイルまたはジグザク状の多重折り返しで構成されている。整流器用配線１６，１７，１８には各々２個の整流器１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂが直列に同じ向きに配置されている。そして、整流器用配線１６，１７，１８は両端部で合流しており、この両端部間に整流回路６の直流回路部が接続され、この直流回路部に超電導素子１１および直流バイアス電源１２が配設されている。２対の整流器１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂはサイリスタ（すなわち消弧機能を有する半導体素子）で構成され、残りの１対の整流器１８ａ，１８ｂはダイオードで構成されている。整流器１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂは、直流バイアス電源１２に対して順方向に配置されている。
【０００７】
そして、変圧器４ａ，４ｂ，４ｃの二次側は、一端部が互いに接続されて短絡されており、他端部が整流回路６の整流器用配線１６，１７，１８の整流器間に接続されている。すなわち、第１変圧器４ａの二次側は第１整流器用配線１６の整流器１６ａ，１６ｂ間に、第２変圧器４ｂの二次側は第２整流器用配線１７の整流器１７ａ，１７ｂ間に、第３変圧器４ｃの二次側は第３整流器用配線１８の整流器１８ａ，１８ｂ間に接続されている。また、各変圧器４ａ，４ｂ，４ｃの整流回路６への出力電流の位相が略１２０°ずつずれる様に、変圧器４ａ，４ｂ，４ｃの二次側は配線されている。さらに、送電線３に交流が流れている通常時において、バイアス電流が各整流器用配線１６，１７，１８に流れる（すなわち、サイリスタの保持電流以下にならない）ように、直流バイアス電源１２の容量は決定されている。
【０００８】
この様に構成されている超電導限流器７が配設されている電力系統の送電線３に交流電流を流す場合には、前もって、超電導素子１１を冷却して超電導素子１１を超電導状態にするとともに、サイリスタからなる整流器１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂのゲート信号をオンとして整流器１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂに直流バイアス電流を流す。すると、整流器用配線１６，１７，１８および超電導素子１１には直流バイアス電源１２の直流バイアス電流が流れる。ついで、ゲート信号をオフとし、そして、それ以降は、ゲート信号をオフに維持する。ゲート信号をオフとしても、状態には変化はなく、整流器用配線１６，１７，１８および超電導素子１１には直流バイアス電流が流れ続ける。その後、三相交流電源１から送電線３に交流電流を給電すると、変圧器４ａ，４ｂ，４ｃの二次側から整流回路６に交流電流が流れ、整流器１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂで直流となって超電導素子１１および直流バイアス電源１２を流れている。そのため、超電導素子１１には直流が流れ、交流が流れることがないので、交流損失の発生を防止することができる。そのため、変圧器４ａ，４ｂ，４ｃの二次側では電圧降下は殆どない。また、直流バイアス電源１２の電流はこの変圧器４ａ，４ｂ，４ｃからの電流の波高値よりも大きく設定されており、通常の送電線３への給電では、ターンオフすることはない。しかしながら、地絡事故が発生して故障電流が流れると、この大きな故障電流が超電導素子１１に流れる。そして、この超電導素子１１に流れる電流が臨界電流を越えると、超電導素子１１が常電導転移し、その抵抗が増大して故障電流を抑制し限流する。また、超電導素子１１の抵抗の増大により、直流バイアス電源１２からの直流バイアス電流が小さくなる。一方、大きな故障電流がサイリスタである整流器１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂに流れるため、整流器１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂに流れる電流がゼロクロスした時点で整流器１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂは自動的にターンオフする。このターンオフにより、故障電流は遮断される。
【０００９】
たとえば、送電線３のＵ相とＶ相とが２線地絡すると、図２に図示するように、各電流が一旦大きくなるが、整流器１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂが順次ターンオフし、地絡から半サイクル以内にＵ相、Ｖ相およびＷ相の電流が遮断される。他の地絡事故でも同様に限流および遮断される。
【００１０】
次に、本発明における超電導限流器の第２実施形態を図３を用いて説明する。図３は本発明の第２実施形態の超電導限流器を用いた送電回路の概略の回路図である。なお、第２実施形態の説明において、前記第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。
各変圧器４ａ，４ｂ，４ｃの二次側には、各々単相全波の整流回路２１ａ，２１ｂ，２１ｃが繋がれている。この整流回路２１ａ，２１ｂ，２１ｃおよび変圧器４ａ，４ｂ，４ｃで超電導限流器２２が構成されている。各整流回路２１ａ，２１ｂ，２１ｃは同じ構造をしており、限流素子としての常電導転移可能な超電導素子１１、この超電導素子１１に直列に接続されている直流バイアス電源１２、および、互い並列に接続されている２本の整流器用配線２３，２４を具備している。整流器用配線２３，２４には各々２個の整流器２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂが直列に同じ向きに配置されている。そして、整流器用配線２３，２４は両端部で合流しており、この両端部間に整流回路２１ａ，２１ｂ，２１ｃの直流回路部が接続され、この直流回路部に超電導素子１１および直流バイアス電源１２が配設され、ブリッジ回路が構成されている。１対の整流器２３ａ，２３ｂ，はサイリスタで構成され、残りの１対の整流器２４ａ，２４ｂはダイオードで構成されている。整流器２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂは、直流バイアス電源１２に対して順方向に配置されている。
【００１１】
そして、変圧器４ａ，４ｂ，４ｃの二次側は、一端部が第１整流器用配線２３の整流器２３ａ，２３ｂ間に、他端部が第２整流器用配線２４の整流器２４ａ，２４ｂ間に接続されている。さらに、送電線３に交流が流れている通常時に、各整流器用配線２３，２４にバイアス電流が流れる（すなわち、サイリスタの保持電流以下にならない）ように、直流バイアス電源１２の容量は決定されている。
【００１２】
この様に構成されている超電導限流器２２は、前記第１実施形態の超電導限流器７と作動は略同じである。すなわち、電力系統の送電線３に交流電流を流す場合には、前もって、超電導素子１１を冷却して超電導素子１１を超電導状態にするとともに、サイリスタからなる整流器２３ａ，２３ｂのゲート信号をオンとして整流器２３ａ，２３ｂに直流バイアス電流を流す。すると、整流器用配線２３，２４および超電導素子１１には直流バイアス電源１２の直流バイアス電流が流れる。ついで、ゲート信号をオフとする。ゲート信号をオフとしても、状態には変化はなく、整流器用配線２３，２４および超電導素子１１には直流バイアス電流が流れ続ける。その後、三相交流電源１から送電線３に交流電流を給電すると、各変圧器４ａ，４ｂ，４ｃの二次側から対応する整流回路２１ａ，２１ｂ，２１ｃに交流電流が流れ、整流器２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂで直流となって超電導素子１１および直流バイアス電源１２を流れている。そのため、超電導素子１１には直流が流れ、交流が流れることがないので、交流損失の発生を防止することができる。また、直流バイアス電源１２の電流はこの変圧器４ａ，４ｂ，４ｃからの電流の波高値よりも大きく設定されており、通常の送電線３への給電では、ターンオフすることはない。しかしながら、地絡事故が発生して故障電流が流れると、この大きな故障電流が超電導素子１１に流れ、超電導素子１１が常電導転移し、その抵抗が増大して故障電流を抑制し限流する。また、超電導素子１１の抵抗の増大により、直流バイアス電源１２からの直流バイアス電流が小さくなる。一方、大きな故障電流がサイリスタである整流器２３ａ，２３ｂに流れるため、整流器２３ａ，２３ｂに流れる電流がゼロクロスした時点で整流器２３ａ，２３ｂは自動的にターンオフする。このターンオフにより、故障電流は遮断される。この様にして、限流および遮断される。
【００１３】
次に、本発明における超電導限流器の第３実施形態を図４を用いて説明する。図４は本発明の第３実施形態の超電導限流器を用いた送電回路の概略の回路図である。なお、第３実施形態の説明において、前記第２実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。
第３実施形態の超電導限流器２６は、第２実施形態の超電導限流器２２と異なり、変圧器４ａ，４ｂ，４ｃが設けられておらず、送電線３の中間部に直接直列に接続されている。すなわち、送電線３の各相の交流電源側が各々第１整流器用配線２３の整流器２３ａ，２３ｂ間に、各相の負荷側が各々第２整流器用配線２４の整流器２４ａ，２４ｂ間に接続されている。
この様に構成されている超電導限流器２６は、前記第２実施形態の超電導限流器２２と略同様に、故障電流発生時には限流および遮断動作を行う。第３実施形態では、変圧器４ａ，４ｂ，４ｃが設けられていないので、部品点数を削減することができるとともに、コンパクトにすることができる。一方、前述の第２実施形態では、変圧器４ａ，４ｂ，４ｃが設けられているので、送電線３の比較的大きな電流が直接超電導素子１１および直流バイアス電源１２に流れない。したがって、直流バイアス電源１２のバイアス電流の大きさを小さくすることができる。
【００１４】
次に、本発明における超電導限流器の第４実施形態を図５および図６を用いて説明する。図５は本発明の第４実施形態の超電導限流器を用いた送電回路の概略の回路図である。図６は第４実施形態における送電のフローチャートである。なお、第４実施形態の説明において、前記第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。
第４実施形態の整流回路３０は、第１実施形態における整流回路６と略同じであるが、直流バイアス電源１２は設けられていない。また、送電線３の各相Ｕ，Ｖ，Ｗには電流計３１が設けられ、各相に流れる電流を検出している。この電流計３１が検出した電流値は、マイコンなどからなる制御装置３２に入力され、制御装置３２はサイリスタである整流器１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂのゲートにゲート信号を出力している。そして、制御装置３２は、電流計３１の検出値が制御装置３２に予め設定されている設定値よりも小さいか否かを判断し、設定値よりも小さい場合にはゲート信号としてオン信号を出力し、電流計３１の検出値が設定値以上になると、ゲート信号としてオフ信号を出力し、その後オフ信号を維持している。なお、設定値は通常の送電時における電流の値よりも大きく設定されており、通常の送電時には電流計３１の検出値は設定値以上になることはない。そして、大きな故障電流が流れると、電流計３１の検出値が設定値以上となる。また、第４実施形態においては、超電導限流器３３は変圧器４ａ，４ｂ，４ｃ、電流計３１、整流回路３０および制御装置３２で構成されている。
【００１５】
この様に構成されている超電導限流器３３が配設されている電力系統の送電線３に交流電流を流す場合の方法について図６のフローチャートに基づいて説明する。まず始めに、ステップ１において、超電導素子１１を冷却して超電導素子１１を超電導状態にするとともに、制御装置３２はサイリスタからなる整流器１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂにゲート信号としてオン信号を出力する。ついで、ステップ２において、送電線３に交流を給電する。電流計３１は送電線３の各相Ｕ，Ｖ，Ｗを流れる電流を検出する。この検出電流すなわち検出値は制御装置３２に入力され、制御装置３２は検出値と設定値とを比較し、検出値が設定値以上か否かを判断し、未満の場合にはステップ２に戻り、比較判断作業を繰り返す。なお、この間はゲート信号はオンの状態を維持する。通常の送電時には、電流計３１の検出値が設定値以上となることはないので、ゲート信号はオンとなっており、整流器１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂがターンオフすることはない。
【００１６】
一方、ステップ２において、検出値が設定値以上であると制御装置３２が判断した場合すなわち故障電流が流れたと判断した場合には、ステップ３に行き、所定時間後（たとえば、制御装置３２に設定されている設定時間後や、３サイクル後など）、制御装置３２は整流器１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂにゲート信号としてオフ信号を出力する。すると、整流器１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂに流れる電流がゼロクロスした時点で整流器１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂは自動的にターンオフする。このターンオフにより、故障電流は遮断される。その後、故障が修理され、制御装置３２に復帰作動を開始させない限り、ゲート信号のオフ状態は維持される。ところで、前述の様に、地絡事故が発生した場合には、送電線３を流れる電流値が増大し、前記ステップ２において、電流計３１の検出値が制御装置３２の設定値以上に増大し、ステップ３に行き、整流器１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂがターンオフして、故障電流は遮断される。この遮断動作の前に、地絡事故時の電流の増大で、超電導素子１１に流れる電流が増大し、超電導素子１１が超電導状態から常電導状態に転移し抵抗が増大する。この抵抗の増大により、送電線３の電流を抑制し限流することができる。したがって、故障電流は限流後、遮断されることになる。
【００１７】
なお、超電導素子１１はＮｂＴｉ（ニオブチタン合金）やＮｂ₃ Ｓｎ（ニオブ錫合金）などの低温超電導材料またはＢｉ（ビスマス）系やＹ（イットリウム）系などの高温超電導材料で構成されている。低温超電導材料の場合は液体ヘリウムで浸漬冷却かもしくは冷凍機で間接冷却されて超電導体の臨界温度以下に維持されている。一方、高温超電導材料の場合は液体窒素などの冷媒で浸漬冷却かもしくは固体冷却、あるいは冷凍機で間接冷却されて超電導体の臨界温度以下に維持されている。
前述の実施の形態では、整流器はサイリスタおよびダイオードの組み合わせで構成されているが、全ての整流器をダイオードで構成することも可能である。この場合には、限流後、別途設置されている遮断器により、限流されている故障電流を遮断する。また、消弧機能を有する半導体素子としてサイリスタが用いられているが、ＧＴＯを採用することも可能である。
また、サイリスタは、第４実施形態の様に制御装置でゲート信号を制御することも可能であるし、また、第１〜３実施形態の様に直流バイアス電源を設けて、サイリスタに流れる電流がゼロクロスした時点でターンオフさせることも可能である。
さらに、前述の実施の形態では、超電導素子１１は無誘導巻きのコイルまたはジグザク状の多重折り返しで構成されているが、他の構成でも可能である。
そして、電流計の検出値が増大してから、制御装置を介してゲート信号がオフするまでの遅延時間は、制御装置に設定したり、別途設けられた遅延回路で遅延させたりすることができる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内で種々の形態を実施することが可能である。
【００１８】
【発明の効果】
以上述べた如く、本発明によれば、超電導素子には直流が流れ、交流は流れないので、交流損失が生じない。また、三相全波の整流回路が用いられており、各相に整流回路を設けたものよりもコンパクトとなる。さらに、整流回路がダイオードおよび消弧機能を有する半導体素子の組み合わせで構成されており、限流および遮断を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の超電導限流器を用いた送電回路の概略の回路図である。
【図２】２線地絡時における電流のグラフである。
【図３】本発明の第２実施形態の超電導限流器を用いた送電回路の概略の回路図である。
【図４】本発明の第３実施形態の超電導限流器を用いた送電回路の概略の回路図である。
【図５】本発明の第４実施形態の超電導限流器を用いた送電回路の概略の回路図である。
【図６】第４実施形態における送電のフローチャートである。
【符号の説明】
４ａ，４ｂ，４ｃ 変圧器
６，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，３０ 整流回路
７，２２，２６，３３ 超電導限流器
１１ 超電導素子
１２ 直流バイアス電源
３１ 電流計
３２ 制御装置

Claims (6)

1. 三相交流系統の事故電流を抑制する超電導限流器において、三相の各相毎に変圧器が設けられ、この変圧器の一次側が三相交流系統の各相に直列に接続され、前記３個の変圧器の二次側に三相全波の整流回路が繋がれ、この整流回路の直流回路部に常電導転移可能な超電導素子が設けられている超電導限流器であって、前記整流回路がダイオードおよびサイリスタやＧＴＯなどの消弧機能を有する半導体素子の組み合わせで構成されるとともに前記整流回路の直流回路部に常電導転移可能な超電導素子が設けられており、前記超電導素子と直列にバイアス電源が接続されていることを特徴とする超電導限流器。
2. 三相交流系統に流れる電流を検出するとともにその検出値を制御装置に出力する電流計が設けられ、前記制御装置は、入力された検出値が予め設定されている設定値よりも大きくなると、消弧機能を有する半導体素子のゲート信号をオンからオフに変更することを特徴とする請求項１に記載の超電導限流器。
3. 前記超電導素子の材質は、ＮｂＴｉやＮｂ3 Ｓｎなどの低温超電導材料またはＢｉ系やＹ系などの高温超電導材料であることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導限流器。
4. 前記超電導素子は、無誘導巻きのコイルまたはジグザク状の多重折り返しで構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の超電導限流器。
5. 三相交流の三相の各相毎に変圧器が設けられ、この変圧器の一次側が三相交流系統の各相に直列に接続され、前記変圧器の二次側に三相全波のサイリスタが繋がれ、このサイリスタの直流回路部に常電導転移可能な超電導素子が設けられている超電導限流器による超電導限流方法において、前記超電導素子を超電導状態にするとともに、前記サイリスタには交流の波高値以上のバイアス電流を流しておき、地絡事故が発生して故障電流が流れると、この大きな故障電流が超電導素子に流れ、超電導素子が常電導転移し、その抵抗が増大して故障電流を抑制し限流することを特徴とする超電導限流方法。
6. 前記地絡事故が発生して故障電流が流れると、前記サイリスタに流れる電流がゼロクロスした時点でサイリスタは自動的にターンオフすることを特徴とする請求項６に記載の超電導限流方法。

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