JP4328860B2 - 故障電流限流器及びそれを用いた電力システム - Google Patents

Description

本発明は、電力系統において短絡等の故障が発生した場合に故障電流を迅速に抑制する限流器であって特に超電導限流器を備えた限流器、及びそれを用いた電力システムに関する。

近年のわが国における電力の自由化に伴い、電力系統は複雑化してきており、事故規模の増大や、遮断器への負担が増加してきている。このため、系統信頼性向上のために、限流器の研究が様々な方面で行われている。

限流器とは、短絡故障等の事故発生時に事故電流（故障電流）を素早く抑制することができる装置である。電力配電線に雷などにより短絡事故が発生した場合、通常時の10倍以上の過電流が流れる。このような場合に、限流器は、事故電流を素早く抑制することで、他の健全な配電線系での電圧低下や、事故点での大電流による被害や、その波及事故の発生を防止する。

限流器として、超電導材料の超電導／常電導相転移を利用した超電導限流器が開発されている（例えば、特許文献１〜５参照）。超電導限流器は、故障電流の検出機構を必要とせず、限流動作が速く、かつ、常時の損失が小さいという特徴を持つ。

超電導限流器には、大きく分けてインダクタンスで限流する誘導型と、レジスタンスで限流する抵抗型がある。誘導型のものは、限流および復帰特性は良好であるというメリットを有するが、動作時の過電圧が大きく、処理エネルギが小さいというデメリットを有する。一方、抵抗型のものでは、発熱による事故時の消費エネルギが大きく、この消費エネルギが系統安定度に寄与するというメリットを有するが、復帰特性が悪い、発熱による破損が生じるというデメリットを有する。

特開２００４−３０４８７９号公報 特開２００２−２８１６６１号公報 特開２００１−３３３５２９号公報 特開平１１−１１３１６７号公報 特開平１１−１１１５４２号公報

電力系統から見た限流器は、常時のインピーダンスが小さく、限流動作が迅速で確実、かつ連続動作を可能とするため復帰特性（限流動作から待機動作への復帰）が速いことが要求される。

一般に電力系統は回路として誘導成分が大きいので、故障電流限流のためには誘導型が有効である。また、誘導型ではエネルギ消費が小さいため、限流動作中の超電導材料の温度上昇が小さく復帰特性が良好である。しかし、誘導型では、前述のように、限流動作によって、系統事故中の系統内発電機の加速エネルギの処理量が小さく、系統安定度への寄与が小さいという問題がある。

一方、抵抗型の超電導限流器は、超電導材料の相転移での発生抵抗を用いて限流を行う場合、系統のエネルギ消費が行われ、より良好な系統安定度は得られるが、発熱によって温度上昇するため、復帰特性が悪いという問題がある。

本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、限流および復帰特性が良くかつ過電圧が小さく、故障時にエネルギ処理が可能となり、良好な安定度が得られる誘導型と抵抗型の長所を併せ持った特性を持つ限流器を提供することにある。

本発明に係る故障電流限流器は、超電導材料の相転移によるインピーダンス変化を利用した誘導型の限流器と、所定電圧以下の電圧が印加されたときは比較的高抵抗を示し、所定電圧を超えると急激に抵抗値が低下する特性を持つ非線形抵抗素子と、抵抗との直列回路とを備える。誘導型の限流器と直列回路は並列接続される。

誘導型の限流器は超電導コイルを備えてもよい。

非線形抵抗素子は酸化亜鉛材料で形成されるのが好ましい。

本発明に係る電力システムは、交流電源と、その交流電源に接続された上記の故障電流限流器とを備える。

本発明によれば、良好な復帰特性を実現しつつ、系統の過剰エネルギを処理でき、系統安定度を向上することができる。また、本発明は超電導材料の相転移によるインピーダンス変化を利用した誘導型の限流器を備えているため、事故時のみインピーダンスを発生させることができ、常時運転の連系による供給信頼度を確保し、かつ、短絡容量を抑えることができるという効果をさらに有する。

以下、添付の図面を参照して、本発明の電流限流器の実施形態を説明する。

図１は、本発明に係る電流限流器の構成例を示した図である。電流限流器１０は超電導限流器（ＦＣＬ）１１と、バリスタ１３と抵抗Ｒの直列回路とを並列に接続してなる。

超電導限流器１１は超電導コイルを用いた誘導型の限流器である。超電導限流器１１は、通常時は超電導特性を示し、そのインピーダンス成分はほぼゼロで動作する。事故が発生し、大電流が流れると、超電導−常電導相転移を起こし、ある値のインピーダンスを発生させる。具体的な構成は以下のとおりである。

超電導限流器１１の基本構造は変圧器型である。１次コイルと２次コイルを同軸円筒状に配置し、内側の１次コイルを、電力系統に接続し、外側の２次コイルの両端は短絡バーで短絡してある。外側の２次コイルはスライド可能となっており、動作開始電流を調整できるようになっている。超電導限流器１１は、通常状態では、２つのコイルの磁気的結合が大きく、すなわち、磁束がキャンセルされるため超電導限流器１１のインピーダンスは小さく待機状態となる。事故などにより１次コイルを流れる電流が増加すると、２次コイルの電流が増加し、２次コイルのみが常電導状態に転移し、磁束のキャンセルができなくなる。これにより、超電導限流器１１は高インピーダンスを生じ、動作状態となる。

バリスタ１３は印加電圧に応じてその抵抗値が大幅に変化する非線形抵抗素子である。バリスタ１３に印加する電圧の値を上昇させていくと、所定電圧（以下「バリスタ電圧」という）までは、高い抵抗値を示し、バリスタ１３には電流はほとんど流れない。印加電圧がバリスタ電圧を超えると、バリスタの抵抗値は急激に減少し、そのため、バリスタ１３に流れる電流が急激に増加する。この特性を利用し、バリスタ電圧を超える高電圧が生じた場合に、バリスタによりバリスタ電圧にクランプさせる。本実施形態では、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分として形成されたバリスタを用いている。なお、バリスタの代わりに、バリスタと同様の非線形抵抗性を有し、かつ、高耐圧を有するものであれば、他の素子を用いてもよい。

図２を参照し、以上のように構成される限流器１０の限流動作の原理を説明する。同図において、Ｖfclは異常電圧発生時の限流器１０に印加される電圧を、Ｉcirは限流器１０を流れる電流を、Ｉrはバリスタ１３と抵抗Ｒの直列回路を流れる電流をそれぞれ示している。

図２において、限流器１０への印加電圧Ｖfclがバリスタ電圧より低いとき、バリスタ１３は高抵抗を示し、電流Ｉrは流れない。電圧Ｖfclがバリスタ電圧を超えると、バリスタ１３の抵抗値が低下し、バリスタ１３及び抵抗Ｒの直列回路に、抵抗Ｒにより限流された電流Ｉｒが流れる。一方、超電導限流器１１による電流Ｉfclは、電圧Ｖfclに対して位相が９０度ずれるとともに、超電導限流器１１のインダクタンス成分によりそのピーク値が抑制される。

以上のように、限流動作開始直後から、抵抗Ｒによる限流動作と、超電導限流器１１による限流動作とが交互に現れて限流する。すなわち、故障電流（回路電流Icir）のピーク値近傍は超電導限流器１１のインダクタンス成分で抑制し、それ以外の電流位相成分では、抵抗Ｒに分流させてエネルギ消費を行っている。

以上の構成により、抵抗とバリスタ電圧を適宜設定することで、誘導型限流器と抵抗型限流器の両方の特徴を持った限流器１０を構成できる。

図３（ａ）に示す回路を用いて、図１に示す限流器１０を用いた短絡事故時の限流動作実験を行った。

交流電源２０は５０Ｈｚ、２００Ｖの室内電源を用いており、スライダック２１により両端の電圧Ｖslを１００Ｖにした。本実験において、バリスタ１３は、待機時に抵抗Ｒ側に電流を流さず、動作時にのみ電流を流す。また、図中、スイッチＳＷ１は事故を、スイッチＳＷ２は限流器動作の復帰のための超電導限流器１１の短絡を模擬するものである。このような回路を用い、図３（ｂ）に示すシーケンスに従って限流動作実験を行った。実験では、２Ωの抵抗Ｒ及びバリスタ電圧が２２Ｖのバリスタ１３を用いた。

図４に、実験結果として、事故発生時刻付近における、回路電流Ｉcir、抵抗に流れる電流Ｉr、及び超電導限流器１１両端の電圧Ｖfclのそれぞれの波形を示す。

図４より、回路電流Ｉcir がピークとなる時、抵抗電流Ｉrはほぼ流れていない。すなわち｜Ｖfcl｜がバリスタ１３のバリスタ電圧以下となっており、バリスタ１３はオフになっている。つまり、このとき限流動作は、超電導限流器１１のみで行われていることがわかる。

図５は、限流動作開始後の回路電流Ｉcirのピーク値と抵抗値Ｒの関係を示した図である。同図では、バリスタ電圧を２２Ｖ、４７Ｖの場合を示した。誘導型の超電導限流器１１と抵抗Ｒを並列接続したとき、回路側から見たインピーダンスは、超電導限流器１１のみのインピーダンスより小さくなる。抵抗Ｒの抵抗値が小さいときに、限流動作直後の回路電流Ｉcirのピーク値が大きくなっているのはそのためである。バリスタ１３の抵抗値がある抵抗値より大きくなると、抵抗Ｒ側に電流が流れなくなり、超電導限流器１１のインピーダンスのみが限流動作に寄与し、ピーク値が抑えられる。

図６は、限流動作開始後の超電導限流器１１の電流Ｉfclと抵抗値との関係を示した図である。同図より、抵抗Ｒの抵抗値が変化しても、電流Ｉfclの事故後のピーク値はほとんど変化しないことがわかる。すなわち、超電導限流器１１の限流特性は抵抗Ｒの抵抗値には影響されない。

また、図示してないが、電圧Ｖfclについては、抵抗値が小さくなるほど過剰な電圧上昇が抑制されることが実験により確認された。

図７は、限流器動作後１周期の間に抵抗Ｒで消費されるエネルギＰrを計算した結果を示した図である。抵抗値が小さいほど消費されるエネルギＰrは大きくなる。すなわち、抵抗値が小さいほど事故時のエネルギを発熱により消費するという抵抗型限流器の特徴がよくあらわれていることが理解できる。

以上の点を考慮すると、抵抗Ｒの値を調節することにより、限流器動作開始時の電流値は一定であっても、抵抗Ｒで消費される電力をできる限り大きくすることが可能である。また、抵抗Ｒの抵抗値が小さいほど、限流器動作時の過電圧をより抑制できるとともに、抵抗でより多くのエネルギが消費されるため、系統の安定度をより向上させることができる。

図８は、本実施形態の限流器１０を備えた電力システムの構成を示した図である。限流器１０が接続する系統は１機無限大母線系統３３である。送電線は二回線であり、そのうちの一回線で、何らかの事故（三相短絡・地絡、一線地絡、二線短絡など）が発生したとき、事故点Ａに流れ込む故障電流Ｉfaultを限流するために、発電機（例えば３相同期発電機）３０側の変電所３５に限流器１０を設置している。限流器１０は、一カ所だけではなく複数箇所に設置してもよい。

以上のように、本実施形態の限流器によれば、限流（交流成分）および復帰特性が良い、という誘導型の限流器の長所と、過電圧が小さく、事故時にエネルギ処理が行える、という抵抗型の限流器の長所とを併せ持ち、良好な復帰特性を実現しつつ系統安定度を向上できるという効果を奏する。

一般に電力系統は、系統間の連系によって供給信頼度が上がるが、事故時には故障電流が大きくなり、系統分離のための遮断器が過負荷（短絡容量増大）になる可能性がある。超電導限流器は、事故時のみインピーダンスを発生させるため、常時運転の連系による供給信頼度を確保し、かつ、短絡容量を抑えることができる。よって、超電導限流器を備えた本実施形態の限流器は、前述の問題を解決するとともに、さらに、良好な復帰特性を実現しつつ、系統の過剰エネルギを処理でき、系統安定度を向上することができるため、信頼性の高い電力系統に対して非常に有用である。

本発明に係る電流限流器の一実施形態の構成を示した図 超電導限流器の電圧Ｖfcl及び電流Ｉfcl、限流器の回路電流Ｉcir、抵抗Ｒの電流Ｉrの各波形を示した図 （ａ）本実施形態の限流器を用いた短絡事故時の限流動作実験に使用した回路の回路図、（ｂ）動作実験時のスイッチの動作シーケンスを示す図。 実験結果として、事故付近における、回路電流Ｉcir、抵抗に流れる電流Ｉr、及び超電導限流器の両端の電圧Ｖfclのそれぞれの波形を示す図 限流動作開始後の回路電流Ｉcirのピーク値と抵抗値Ｒの関係を示した図 限流動作開始後の超電導限流器１１の電流Ｉfclと抵抗値との関係を示した図 限流器動作後１周期の間に抵抗Ｒで消費されるエネルギＰrと抵抗値Ｒとの関係を示した図 本実施形態の限流器を備えた電力システムの構成を示した図

符号の説明

１０ 限流器
１１ 誘導型の超電導限流器（ＦＣＬ）
１３ バリスタ
Ｒ 抵抗

Claims (4)

1. 超電導材料の相転移によるインピーダンス変化を利用した誘導型の限流器と、
   所定電圧以下の電圧が印加されたときは比較的高抵抗を示し、前記所定電圧を超えると急激に抵抗値が低下する特性を持つ非線形抵抗素子と、抵抗との直列回路とを備え、
   前記誘導型の限流器と前記直列回路とが並列接続されてなる
   ことを特徴とする故障電流限流器。
2. 前記誘導型の限流器は超電導コイルを備えることを特徴とする請求項１記載の故障電流限流器。
3. 前記非線形抵抗素子は酸化亜鉛材料で形成されることを特徴とする請求項１記載の故障電流限流器。
4. 交流電源と、該交流電源に接続された請求項１ないし３のいずれか１つに記載の故障電流限流器とを備えたことを特徴とする電力システム。
   

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