JP5592443B2 - 限流器 - Google Patents

Description

本発明は限流器に関し、より詳細には電力機器システムなどで用いられる限流器に関するものである。

一般に、限流器（ｆａｕｌｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｉｍｉｔｅｒ）とは、落雷、接地、短絡等の事故時に発生する故障電流（ｆａｕｌｔ ｃｕｒｒｅｎｔ）を正常電流に変換して電力系統上の機器を保護する装置をいい、最近超伝導体を利用した限流器が広く使われている。

超伝導体を利用した限流器は、正常状態では抵抗が０の状態で系統に存在して故障電流が流入する場合超伝導体がクエンチ（ｑｕｅｎｃｈ）されることによって抵抗が生じて故障電流を制限するものである。しかし、この場合、超伝導体に生じた抵抗によって限流器に多量のエネルギが集中するようになる。即ち、超伝導体を運転する系統の電圧が大きいほど、超伝導体に流入するエネルギが大きくなる。

従って、このような超伝導体のエネルギ分担を減らすために超伝導体を製作する時に多量の超伝導体を使わなければならない。しかし、現在の超伝導体は高価で、多量の超伝導体を用いる場合、体積増によって設置費用、超伝導体の冷却費用等の付帯費用が増加する問題がある。

このような問題を解決するために、超伝導体と遮断器とで構成される直列回路に電力用半導体素子を導入したハイブリッド超伝導限流器が従来具現されたが、これも故障電流発生時に超伝導体のクエンチ特性で限流器が動作するため、動作電流を調節するためには超伝導体の数を調節しなければならないため、操作の便宜性が低下する問題がある。

図１は、従来のハイブリッド型超伝導限流器の構成図である。

図２Ａは、図１の限流器の電流グラフであり、図２Ｂは、図１の限流器の動作時点を説明するためのグラフであり、図２Ｃは、図１の限流器におけるアーク電流を説明するためのグラフであり、図２Ｄは、アーク電流遮断失敗による限流器の電流グラフである。

従来のハイブリッド型超伝導限流器は、事故がない正常通電中には、電流（Ｉ_tot）は閉じられている遮断器２１０と超伝導体１００を介して通電するため（Ｉ_Main）、抵抗発生による損失が殆ど発生しない。

しかし、故障電流（Ｉ_fuse）が流入する場合、超伝導体１００は非常に速い速度でクエンチされ（Ａ）、超伝導体１００から生じた抵抗によって故障電流（Ｉ_fuse）は駆動コイル２２０に迂回するようになる。

この瞬間、駆動コイル２２０に流入する電流によって磁場が生じ、駆動コイル２２０の上部に位置した電磁気反発板２３０に反磁性成分の渦電流が誘導される。これによって電磁気反発板２３０が非常に速い速度で移動して、電磁気反発板２３０と物理的に連結された遮断器２１０の接点を分離させて、超伝導体１００側に通電される故障電流を遮断する（Ｂ）。

しかし、このような従来の限流器においては、分離した瞬間、遮断器２１０の接点でアーク電流（ａｒｃ−ｃｕｒｒｅｎｔ）が発生して、超伝導体１００側で通電を維持しようとする。これに備えて遮断器２１０の接点が分離する瞬間、遮断器２１０の接点から発生するアークを消去するために電磁気反発板２３０と機械的に連結された短絡接点２４０が遮断されるように設計される（Ｃ）。

即ち、全体故障電流は、短絡接点２４０を介して補助回路に伝達されて遮断器両端のアークは消去され（Ｄ）、故障電流は補助回路に位置した限流素子３００を介して限流される（Ｅ）。

ところが、かかる故障電流制限過程において、超伝導体１００と高速スイッチとで構成された主回路と、限流素子３００で構成された補助回路との間のインピーダンス差によって、超伝導体１００と直列に結線されている遮断器２１０の接点両端のアークが補助回路の限流素子３００の動作が行われる前に十分消呼できないことがある（Ｆ）。また、これによって主回路と補助回路とのインピーダンス差によって遮断器接点両端のアーク電流が再発呼（Ｇ）されて、アークインピーダンスが減少するため、故障電流は主回路の相伝導に転移された超伝導体１００と、アークによって導通されている遮断器２１０側に再び通電するようになる。

この時、相伝導体に転移された超伝導体１００に電圧が集中し、これによって事故エネルギが超伝導体に集中して超伝導体１００が損傷する問題がある。

図３は、従来のハイブリッド型超伝導限流器の構成図で、上記問題を解決するために提示された図であり、従来の図１の限流器に、電力用半導体４００を付加して構成されたものである。電力用半導体４００は、主回路側に追加されるもので、超伝導体１００がクエンチされた後に発生するアーク電流を遮断する。

しかし、上記従来の限流器も、超伝導体を用いるため、動作電流を調節するためには超伝導体の数を調節しなければならないため、多くの費用が発生し、操作の便宜性が低減する問題は解決できない。

本発明が解決しようとする技術的課題は、限流器に存在する故障電流を制御し易い限流器を提供することである。

上記技術的課題を解決するために、本発明の限流器は、故障電流が流入したことを決定し、電力用半導体に遮断信号を伝送する検出部、前記遮断信号によってオフ状態に切り替える電力用半導体、及び前記電力用半導体と並列連結されて、故障電流を遮断する抵抗部を含む。

本発明の一実施形態において、前記電力用半導体と直列連結され、故障電流が流入する場合接点を開放して、前記電力用半導体を故障電流から保護するスイッチ部をさらに含むことが好ましい。

本発明の一実施形態において、前記スイッチ部と前記電力用半導体の直列連結が、前記抵抗部と並列連結されることが好ましい。

本発明の一実施形態において、前記検出部は、故障電流が流入する場合、前記スイッチ部に開放信号を伝送し、前記スイッチ部は、前記開放信号によって開放されることが好ましい。

本発明の一実施形態において、流入する電流を測定する測定部をさらに含み、前記検出部は、前記測定部が測定した電流から故障電流が流入したことを決定することが好ましい。

本発明の一実施形態において、前記測定部は、変流器及びロゴスキーコイルであることが好ましい。

本発明の一実施形態において、前記抵抗部と並列連結され、故障電流の発生時に流入する故障電流を一次的に遮断する第１パワーヒューズをさらに含むことが好ましい。

本発明の一実施形態において、前記抵抗部と直列連結され、前記抵抗部を通過する故障電流を遮断する第２パワーヒューズをさらに含むことが好ましい。

本発明の一実施形態において、前記検出部は、故障電流が流入する場合、前記開放信号を前記遮断信号より先に伝送することが好ましい。

本発明の一実施形態において、前記電力用半導体は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、または集積ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）のうちいずれか一つであることが好ましい。

本発明は、超伝導体を除去して電力用半導体だけを利用して限流器を構成することによって、限流器に対する制御が容易で、高速故障検出部を用いて信頼性のある故障電流の検出ができる。

また、本発明はパワーヒューズを用いて一次的に故障電流を制限し、抵抗を使って二次的に故障電流を制限して、より完璧に故障電流を制限する。

従来のハイブリッド型超伝導限流器の構成図である。 図１の限流器の電流グラフである。 図１の限流器の動作時点を説明するためのグラフである。 図１の限流器におけるアーク電流を説明するためのグラフである。 アーク電流遮断失敗による限流器の電流グラフである。 従来のハイブリッド型超伝導限流器の構成図である。 本発明に係る限流器の一実施形態の構成図である。 図４の限流器に流れる電流を説明するための一実施形態のグラフである。

本発明は、多様な変更を加えることができ、多様な実施形態を有し、特定の実施形態を図面に例示して詳細に説明する。

しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解しなければならない。

第１、第２等の序数を含む用語は、多様な構成要素を説明するために使われるが、構成要素はこの用語によって限定されない。

この用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的だけで使われる。例えば、本発明の権利範囲を逸脱しない限り、第２構成要素は第１構成要素と命名でき、同様に第１構成要素も第２構成要素と命名できる。

ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いる、「接続されて」いると記述する時には、他の構成要素に直接的に連結されていたり、または接続されていてもよいが、その中間に他の構成要素が存在してもよいことを理解しなければならない。一方、ある構成要素が、他の構成要素に「直接連結されて」いる、「直接接続されて」いると記述する時には、その中間に他の構成要素が存在しないことを理解しなければならない。

本願に使われた用語は、単に特定の実施形態を説明するために使われたものであって、本発明を限定する意図はない。単数の表現は文脈上明白に異なることを意味しない限り、複数の表現を含む。

本願において、「含む」または「有する」等の用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定するものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたもの等の存在または付加可能性を予め排除しないものと理解しなければならない。

また、本願に添付された図面は、説明の便宜のために、拡大または縮小して示されたものと理解しなければならない。

本発明について添付図面を参照して詳細に説明し、図面の符号に関係なく同一のまたは対応する構成要素は同一の参照符号を付け、これに関する重複説明は省略する。

図４は、本発明に係る限流器の一実施形態の構成図である。

図面に示したように、本発明の限流器は、測定部１０、高速故障検出部（Ｆａｓｔ Ｆａｉｌｕｒｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ、ＦＦＤ）２０、電力用半導体３０、高速スイッチ４０、パワーヒューズ１、２（５０、６０）及び電流制限抵抗部７０を含む。

電力用半導体３０及び高速スイッチ４０は、直列連結されて主回路を構成する。パワーヒューズ１（５０）は、電力用半導体３０と高速スイッチ４０の直列連結に並列連結され、電流制限抵抗部７０とパワーヒューズ２（６０）の直列連結は、パワーヒューズ１（５０）に並列連結される。この二つの並列連結は限流回路を構成する。

測定部１０は、電流及び電流上昇分を測定する。測定部１０は好ましくは変流器（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ、ＣＴ）とロゴスキーコイル（Ｒｏｇｏｗｓｋｉ ｃｏｉｌ）である。ＣＴ及びロゴスキーコイルに関しては、既に本発明が属する技術分野に広く知られたものであるため、詳細な説明は省略する。

ＦＦＤ２０は、測定部１０が電流上昇を測定して故障を検出すると、即ち、故障電流が発生すると、高速スイッチ４０を開放する開放信号を高速スイッチ４０に伝送し、電力用半導体３０をターンオフ（ＴＵＲＮ−ＯＦＦ）するターンオフ信号を電力用半導体３０に伝送する。これについては後ほど詳しく説明する。

電力用半導体３０は、常時にはオン（ＯＮ）状態を維持し、故障電流が流入する場合にはＦＦＤ２０から遮断信号を受信して、オフ（ＯＦＦ）状態に切り替わる。電力用半導体３０は、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＩＧＢＴ）、ゲートターンオフサイリスタ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ、ＧＴＯ）、集積ゲート整流サイリスタ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ、ＩＧＣＴ）のうちいずれか一つであるが、これに限定されない。

高速スイッチ４０は、高速で絶縁を維持するためのものであって、電力用半導体３０を保護する。高速スイッチ４０は、故障電流が流入する場合にはＦＦＤ２０から開放信号を受信して、高速で主回路を開放する。

電流制限抵抗部７０と並列連結されるパワーヒューズ１（５０）は、限流回路に流入する故障電流を一次的に遮断するためのもので、故障電流を電流制限抵抗部７０へ迂回するようにする。パワーヒューズ１（５０）は、大きい故障電流を遮断するように設計されてもよい。パワーヒューズ１（５０）は、限流回路に流入する故障電流をまず遮断し、パワーヒューズ１（５０）が溶断する瞬間電流制限抵抗部７０へ故障電流が迂回する。

電流制限抵抗部７０と直列連結されるパワーヒューズ２（６０）も限流回路に流入する故障電流を遮断し、電流制限抵抗部７０を通過する故障電流を遮断する。パワーヒューズ２（６０）は、パワーヒューズ１（５０）に比べて小さい故障電流を遮断するように設計されてもよい。パワーヒューズ２（６０）に流入する故障電流は、パワーヒューズ１（５０）が溶断した後電流制限抵抗部７０によって発熱された後残った故障電流である。

パワーヒューズ１（５０）及びパワーヒューズ２（６０）は同一の機能を有する素子であるが、パワーヒューズ１（５０）は、電流制限抵抗部７０へ故障電流を迂回させ、パワーヒューズ２（６０）は故障電流を完全に遮断する。パワーヒューズの物理的な構造は既に広く知られており、詳細な説明は省略する。

電流制限抵抗部７０は、流入する故障電流を制限する抵抗であり、パワーヒューズ２（６０）と協調して故障電流を遮断する。電流制限抵抗部７０のインピーダンスの大きさは、パワーヒューズ２（６０）との協調動作を考慮して決定される。

以下では、本発明の限流器の詳細な動作を図面を参照して説明する。図５は、図４の限流器に流れる電流を説明するための一実施形態のグラフである。

まず、正常時に、すべての電流は電力用半導体３０及び高速スイッチ４０を含む主回路に通電され、一部は限流回路に流れることもある。測定部１０は持続的に電流を測定する。

測定部１０が、故障電流が発生したことを感知すると、ＦＦＤ２０はこれを元に高速で故障を検出して、高速スイッチ４０の接点をまず開放する開放信号を伝送し、高速スイッチ４０は開放される。図５の「Ｉ」は高速スイッチ４０を開放した瞬間を示したものである。高速スイッチ４０の接点が開放される瞬間、接点両端にはアーク電流が流れ、アークインピーダンスによって限流回路側に故障電流が増加し、主回路の故障電流は上昇の勢いが鈍化または弱まる。

また、ＦＦＤ２０は、高速スイッチ４０を開放した後、高速スイッチ４０の接点間隔が広がる過程において、電力用半導体３０をターンオフするターンオフ信号を電力用半導体３０に伝送して、電力用半導体３０はターンオフされる。図５の「Ｊ」は、電力用半導体３０がターンオフされた瞬間を示したものである。この時、主回路の電流は遮断されるため、高速スイッチのアーク電流は消去される（Ｍ）。ターンオフの瞬間、電力用半導体３０の両端に電圧が生じるが、これは図５の「Ｋ」であり、ターンオフの瞬間、故障電流は限流回路に完全に分類されるが、「Ｌ」はこれを説明するものである。

以後、故障電流は、限流回路側に流れるようになって、一定時間以上流れると、パワーヒューズ１（５０）が溶断する（Ｎ）。パワーヒューズ１（５０）が溶断すると同時に、故障電流は電流制限抵抗部７０に流れて、電流制限抵抗部７０のインピーダンの大きさに応じて故障電流が制限されることが分かる。

このように、本発明の限流器は、超伝導体の代わりに電力用半導体だけを採用して、制御が容易で、故障電流の制限効果が優れる。

以上から代表的な実施形態をもって本発明について詳細に説明したが、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者は、上述した実施形態に対して本発明の範疇から逸脱しない限度内で、多様な変形が可能であることを理解できる。従って、本発明の権利範囲は、説明された実施形態に限って定めてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等物等によって定めるべきである。

１０ 測定部
２０ ＦＦＤ
３０ 電力用半導体
４０ 高速スイッチ
５０、６０ パワーヒューズ
７０ 電流制限抵抗部
１００ 超伝導体
２１０ 遮断器
２２０ 駆動コイル
２３０ 電磁気反発板
２４０ 短絡接点
３００ 限流素子
４００ 電力用半導体

Claims (2)

1. 流入される電流を測定する測定部と、
   前記測定部が測定した電流から故障電流が流入したことを決定し、スイッチ部に開放信号を伝送し、電力用半導体に遮断信号を伝送する検出部と、
   前記遮断信号によってオフ状態に切り替える電力用半導体と、
   前記電力用半導体に並列連結されて、故障電流を遮断する抵抗部と、
   前記抵抗部と並列連結され、故障電流の発生時に流入される故障電流を一次的に遮断する第１パワーヒューズと、
   前記抵抗部と直列連結され、前記抵抗部との直列連結が、前記第１パワーヒューズと並列連結され、前記抵抗部を通過する故障電流を二次的に遮断する第２パワーヒューズと、
   前記電力用半導体と直列連結され、前記電力用半導体との直列連結が、前記第１パワーヒューズと並列連結され、前記開放信号により接点を開放する前記スイッチ部とを含み、
   前記検出部は、前記開放信号を前記遮断信号より先に伝送して前記スイッチ部の開放により発生するアーク電流を前記電力用半導体が遮断し、
   前記電力用半導体は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、または集積ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）のうちいずれか一つであることを特徴とする、限流器。
2. 前記測定部は、変流器及びロゴスキーコイルであることを特徴とする、請求項１に記載の限流器。

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