JP4469512B2

JP4469512B2 - 可飽和直流リアクトル型限流器

Info

Publication number: JP4469512B2
Application number: JP2001094520A
Authority: JP
Inventors: 勉星野; モハメッドサリムコースル
Original assignee: 勉星野
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: JP2002291150A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力系統における事故電流を抑制する機能を持つ電力機器である限流器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力系統に事故が生じた場合、事故点の電圧は零に近くなり、発電器からその点へ、通常電流より１桁以上大きい短絡電流或いは地絡電流が流れ込む。この電流により系統機器が損傷を受けないように、通常は遮断器で事故点を系統から切り離すが、遮断器には定格電流があり、それ以上の電流が流れる場合には使用することができない。従って、遮断器を使用する場合には事故電流がその容量を超えてしまわないように機器配置をしなければならない。
【０００３】
従来は、変圧器に適当な漏れインピーダンスを持たせたり、リアクタンスを直列に挿入するなどして調整していた。
【０００４】
限流器は、このような系統設計をすることなく系統保護を可能にする機器であり、通常時のインピーダンスはZ=0で、系統事故時には有限のインピーダンスZ=r+jxとなる機能を持つ。
【０００５】
限流器には種々のタイプのものが考えられているが、その多くは超伝導を利用したものである。超伝導を利用したものは大きく２種に大別され、一つは超伝導(S)/常伝導(N)の転移を利用するものであり、もう一つは常に超伝導状態で使用するものである（例えば、以下の非特許文献１〜３を参照）。
【非特許文献１】
原築志: “超電導のクエンチを使った超電導限流器”, 電気学会誌, Vol. 114, No. 4, pp. 229-232 (1994.4)
【非特許文献２】
大熊武, 岩田良浩: “超電導限流器”, 電気学会誌, Vol. 117, No. 4, pp. 222-226 (1997.4)
【非特許文献３】
超電導応用電力機器技術委員会: “交流超電導技術開発の動向”, 電気学会技術報告, No. 599 (1996.8)
【０００６】
現在までに提案されている主な限流器には、S/N転移型として次のようなものがある。
(1)S/N転移による抵抗発現を原理とした超伝導ストリップを回路に直列に入れるもの（薄膜型）
(2)S/N転移による抵抗発現を原理とした無誘導性の超伝導導体コイルを回路に直列に入れるもの（低温抵抗型）
(3)変流器構成であって、その二次巻線を常時短絡し、通常時のリアクタンスをほぼ零にしたもの（短絡変流型・磁気遮蔽型）
(4)四巻線超伝導変圧器構成であって、一次・二次巻線に安定度の高い補助コイルを付加したもの（変圧器型）
【０００７】
また、S/N非転移型として次のようなものがある。
(5)可飽和鉄芯を持つ変圧器の二次巻線に直流制御電流を流し、鉄芯を通常は飽和させて、一次側のインダクタンス値を小さくしておき、事故電流によって鉄芯の動作点が非飽和領域に及んでインダクタンス値を増加させるもの(磁気飽和型)
(6)全波整流回路の直流側に直流リアクトルを挿入して、直流リアクトル電流以上の電流が流れた場合に、インダクタンスが回路に挿入されるもの(整流器型)
(7)可飽和リアクトルとキャパシタの共振回路を構成し、鉄芯飽和によるインダクタンス値の低下により共振周波数を商用周波数からずらすもの（共振回路型）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、限流器には種々のタイプのものが考えられているが、いずれもそれぞれ解決すべき課題があり、未だ商品としての限流器は存在しない。
【０００９】
まず薄膜型のものでは、線路の事故が修理され、短絡が解消した後に薄膜抵抗が超伝導状態に復帰するまでには相当の時間がかかるという欠点がある。
【００１０】
整流器型限流器については、その一例により説明する。図６はアメリカのロスアラモス国立研究所が考案したダイオードブリッジ型限流器である。これは、ダイオードブリッジB_dの直流側に超伝導リアクトルL_sと直流定電流源S_DCを直列接続した回路を使用するものであり、電源−負荷線路の交流通電電流の大きさが電流源S_DCの電流以下である間は、交流負荷電流I_aは超伝導コイルL_sを経由せずに流れ、線路のインピーダンスに影響を与えない。しかし、事故により線路の負荷電流の大きさが定電流源の電流に至ると、ダイオードが逆バイアスされ、逆阻止されることになるため、線路に直流インダクタが挿入され、限流効果が発揮される。
【００１１】
しかし、この方式は絶縁された定電流源S_DCを製作することが難しいという欠点がある。
【００１２】
そのような定電流源を不要とした全波整流型限流器も考案されている（図７）。直流リアクトル電流は、相当な時間経過の後、電源−負荷線路の電流の最大値に保持される。定常状態では負荷電流の最大値と直流リアクトル電流とが等しいので、線路に直流リアクトルが挿入されることはない。事故により負荷電流が増加した瞬間にダイオード及びサイリスタは逆阻止され、線路に直流インダクタンスが挿入されて限流動作に入る。なお、この回路では、ダイオードのうち２つをサイリスタとして、サイリスタの点弧信号を遮断することにより半導体遮断器としても動作するようにすることもできる。
【００１３】
この回路の欠点は、負荷潮流が増加するときには常に限流動作に入るという点である。すなわち、図７でスイッチS₂を閉じて負荷潮流の増加を模擬してみると、図８(a)に示すように、スイッチS₂を閉じた瞬間（200msの時点）に限流動作に入り、負荷電流（Inductor current）は同図(b)に示すように直流リアクタンスに制限された傾きで増加する。このとき、受電端電圧はそれに対応するように減少し、電圧降下が生じてしまう。これは電力の品質を低下させるものであり、本タイプの限流器を商用電源に適用することを困難としている。
【００１４】
図９は、交流リアクトルを利用した非S/N転移型の限流器の例である。これは２つの可飽和リアクトルを直列に接続したもので、超伝導二次巻線に直流電流を流し、平常動作点を飽和領域にしておく。電流振幅が大きくなると、１つのリアクトルだけでは正又は負の半周期だけ非飽和領域に入るので、その半周期に対して限流効果が現れる。そこで、２つのリアクトルを接続して、全周期に対して限流効果を得ている。この回路は、磁気回路が２個必要であり、体格が大きくなってしまうという欠点がある。また、一次巻線は銅などの常伝導金属であるため、常に損失が発生し、送配電効率を低下させるとともに、大きな冷却装置を必要とする。
【００１５】
本発明はこれら従来提案されている限流器の抱える諸課題を解決し、商業的に使用可能な限流器を提供するものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明は、可飽和直流リアクトルを用いた限流器であって、該可飽和直流リアクトルの一次側コイルには交流電源と負荷との間の線路に挿入される全波整流器の直流出力端子が、二次側コイルには該飽和直流リアクトルの可飽和鉄芯を飽和させるための直流電源が接続されていることを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１に示すように、可飽和直流リアクトルには可飽和鉄芯を介して一次側コイルL₁と二次側コイルL₂が誘導的に結合している。一次側コイルL₁には対象とする電源の交流電流を全波整流器により整流した直流が供給され、二次側コイルL₂には直流電源からの電流が供給される。なお、一次側及び二次側コイルL₁、L₂は超伝導コイルとしておくことが望ましい。
【００１８】
直流電源から二次側コイルL₂に流される電流の大きさは、可飽和直流リアクトルの可飽和鉄芯が飽和領域において動作するような値としておく。すなわち、可飽和鉄芯のＢ−Ｈ曲線が図２に示すようなものであったとすると、直流電源からの電流により動作点を飽和領域内のＢ点まで移動（バイアス）させておく。
【００１９】
平常状態では、対象電源からの電流は全波整流器により整流され、一次側コイルL₁を流れるが、上記バイアスのために可飽和鉄芯は飽和領域内で動作し、磁束密度はほとんど変化しない。すなわち、リアクトルとしてのインダクタンスは非常に小さいものとなり、電源−負荷回路の潮流の変化に対して俊敏に追従する。
【００２０】
電源−負荷回路に事故が生じ、短絡電流が発生すると、一次側コイルL₁に流れる直流電流が増加し、可飽和鉄芯の動作点は非飽和領域の方に入る。これにより可飽和鉄芯の磁束密度は徐々に低下し、リアクトルとしてのインダクタンスが大きく増加するため、電源−負荷回路の電流を大きく制限する（限流効果）。
【００２１】
なお、電源−負荷回路にサイリスタを入れておき、短絡時に可飽和鉄芯の動作点が反対側の飽和領域に達する前にサイリスタの点弧信号を止めることにより、半導体遮断器として動作させることもできる。
【００２２】
短絡が修復され平常状態に復帰したときは、一次側コイルL₁に流れる直流電流が減少し、直流バイアスにより動作点は再び右側の飽和領域内に入る。これにより直流リアクトルのインダクタンスは小さな値となり、本限流器は電源−負荷回路の中でほとんど無視し得る程度の負荷となる。
【００２３】
【実施例】
本発明に係る限流器の上記動作を確認するため、電力系統過渡現象解析プログラムパッケージEMTDC（Electro-Magnetic Transients in DC systems;カナダManitoba Hydro社の商標）を用いて計算機実験を行った。可飽和鉄芯のインダクタンスは、飽和時10mH、非飽和時1.2Hとした。図３において、0.25sの時点で短絡事故を発生させ、それから0.35s後の0.6sの時点に回復したとした。
【００２４】
短絡時には直流リアクトルのインダクタンス（Inductance）が直ちに10mHから1.2Hに増加し、負荷電流（Load Current）の増加は低く抑えられている(20A)。
【００２５】
回復時も直流リアクトルのインダクタンスは直ちに1.2Hから10mHに低下し、負荷電流は最初の３サイクル程は120Aまで増加するものの、その後は平常時の電流値に戻る。なお、リアクトル電流は負荷電流の包絡線をとり、負荷電流が減少した場合には半導体素子の順方向電圧降下による時定数で減少する。
【００２６】
平常時に負荷電流（Load Current）が増加したときの応答波形を図４に示す。この場合、リアクトルは飽和領域で動作しており、インダクタンスが10mHと小さいままなので、直流リアクトル降下の影響が小さい。従って、負荷電流の急激な増加に対しても２周期で静定し、電圧（Load Voltage）降下もその範囲内に収まっている。
【００２７】
逆に、平常時に負荷潮流が増加したときの応答波形を図５に示す。負荷電流（Load Current）が直流リアクトル電流より少なくなるので、負荷電流は直ちに減少して静定する。電圧波形（Load Voltage）は、電源インピーダンスの分だけ増加しているが、その増加分は僅かである。
【００２８】
以上より、本発明に係る限流器では、鉄芯の動作点が非飽和領域に入るような系統事故に起因する大電流が流れるときのみ有効に動作することが確認された。
【００２９】
【発明の効果】
本発明に係る限流器では、電源−負荷回路に短絡事故が生じたときのみ有効に動作し、平常時の負荷電流の増加／減少にはほとんど応答せず、負荷として動作しない。また、平常時から事故時、及び事故時から平常時への遷移に対して迅速に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る限流器の概略回路図。
【図２】本発明に係る限流器の動作を説明するための、鉄芯のB-H曲線の図。
【図３】本発明に係る限流器の事故時及び回復時の動作を説明する波形図。
【図４】本発明に係る限流器の平常時の潮流増加の際の動作を説明する波形図。
【図５】本発明に係る限流器の平常時の潮流減少の際の動作を説明する波形図。
【図６】ダイオードブリッジ型限流器の概略回路図。
【図７】全波整流型限流器の概略回路図。
【図８】全波整流型限流器の事故時の電圧及び電流波形図。
【図９】交流リアクトルを利用した非S/N転移型の限流器の概略回路図。
【符号の説明】
B _d …ダイオードブリッジ
I _a …交流負荷電流
L ₁ …一次側コイル
L ₂ …二次側コイル
L _s …超伝導コイル（リアクトル）
S ₂ …スイッチ
S _DC …直流定電流源

Claims

可飽和直流リアクトルを用いた限流器であって、該可飽和直流リアクトルの一次側コイルには交流電源と負荷との間の線路に挿入される全波整流回路の直流出力端子が、二次側コイルには該飽和直流リアクトルの可飽和鉄芯を飽和させるための直流電源が接続されていることを特徴とする限流器。
該可飽和直流リアクトルの一次側及び二次側コイルが超伝導コイルから成ることを特徴とする請求項１記載の限流器。