WO2023144885A1 - 直流用限流装置および直流遮断システム - Google Patents

直流用限流装置および直流遮断システム Download PDF

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花名子 西山
陽 長▲崎▼
理 津田
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国立大学法人東北大学
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    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the present invention relates to a DC current limiting device and a DC interrupting system.
  • Non-Patent Document 1 has the problem that when the current rises rapidly due to an accident, the current limit may not be in time and the circuit breaker may fail.
  • the present invention has been made by paying attention to such problems, and provides a current limiting device for direct current that can reliably limit current even when the current rises rapidly due to an accident, and a current limiting device for direct current that is more reliable.
  • An object of the present invention is to provide a direct current breaking system capable of breaking a line.
  • a DC current limiting device is a DC current limiting device for limiting the DC current in order to cut off the DC current flowing through the DC line.
  • an LC parallel circuit having a first inductor and a capacitor that are inserted in and connected in parallel with each other; and a second inductor that is inserted in the DC line and connected in series to the LC parallel circuit, characterized by having
  • the DC current limiting device operates according to the following principle.
  • a constant DC current flows through the DC line.
  • current does not flow through the capacitor, so current flows only through the first inductor.
  • a current also flows through the second inductor inserted in the DC line and connected in series with the LC parallel circuit.
  • the first inductor and the second inductor is composed of a superconducting coil.
  • the resistance values of the first inductor and the second inductor with respect to direct current can be made substantially zero. Therefore, almost no voltage is generated in the LC parallel circuit and the second inductor during normal operation, and the power loss can be reduced to almost zero.
  • the amplitude of increase or decrease in current value due to a transient phenomenon that occurs at the time of an accident can be increased, and the minimum value of current (current at current limit) can be reduced.
  • Power loss can also be suppressed when only one of the first inductor and the second inductor is composed of a superconducting coil.
  • the inductance can be increased when the resistance value is almost zero, the size and weight of the first inductor can be reduced by using a superconducting coil as the first inductor.
  • a DC interrupting system includes a DC current limiting device according to the present invention, and when a passing current passing through the LC parallel circuit and the second inductor satisfies a preset condition, the DC line is cut off. and a breaker configured to interrupt the flow of current.
  • the passing current passing through the LC parallel circuit and the second inductor is limited by the DC current limiting device
  • the passing current satisfies a preset condition.
  • the current can be reliably interrupted. Therefore, even when the current rises quickly due to an accident, the current can be more reliably limited to cut off the DC line.
  • the DC current-limiting device according to the present invention can suppress the maximum current Imax at the time of an accident and secure a time margin until the current is interrupted, thereby preventing failure of the interrupt. can be done.
  • the interrupting part may be of any type as long as it can interrupt the DC line, but it should be able to effectively interrupt the current that changes due to transient phenomena. is preferred.
  • the interrupting section may be configured to interrupt the current flowing through the DC line when the passing current becomes equal to or less than a predetermined current value.
  • the current can be cut off when the passing current is limited. It is preferable that the cutoff section cuts off the current flowing through the DC line particularly when the passing current becomes zero amperes. As a result, it is possible to prevent arc discharge from occurring at the time of interruption.
  • the breaker is an AC circuit breaker.
  • the interrupting unit may be configured to interrupt the current flowing through the DC line when the passing current fluctuates by a predetermined value or more from the current value of the DC current. good. In this case, it is possible to detect the occurrence of an accident from fluctuations in passing current and cut off the current.
  • the interrupting section may be configured to interrupt the current flowing through the DC line when the passing current repeatedly increases and decreases with an amplitude equal to or greater than a predetermined amplitude.
  • the occurrence of an accident can be detected by the occurrence of a transient phenomenon, and the current can be interrupted.
  • a current limiting device for DC that can reliably limit current even when the current rises quickly due to an accident, and a DC interrupting system that can more reliably interrupt the DC line. can provide.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a usage state of a DC current limiting device and a DC interrupting system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a circuit diagram (a) normal time, (b) circuit diagram at the time of an accident which shows the operation principle of the current limiting device for direct current
  • 1 is a circuit diagram used for operation analysis of a DC current limiting device and a DC interrupting system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a graph of current waveform data used for analysis of breaking operation of the DC current limiting device and the DC breaking system according to the embodiment of the present invention.
  • the third 2 is a graph of a current waveform showing analysis results of current fluctuation when inductance L2 of inductor No. 2 is changed.
  • the current when (a) the resistance value R of the first inductor is changed and (b) the resistance value R of the second inductor is changed 4 is a graph of current waveforms showing analysis results of fluctuations;
  • the DC interrupting system 10 is a DC interrupting system for interrupting a DC current flowing through the DC line 1 and has a DC current limiting device 11 and a interrupting section 12 .
  • the DC current limiting device 11 has an LC parallel circuit 11 a having a first inductor 21 and a capacitor 22 and a second inductor 23 .
  • the LC parallel circuit 11a is inserted into the DC line 1 and has a first inductor 21 and a capacitor 22 connected in parallel.
  • the second inductor 23 is inserted in the DC line 1 and connected in series with the LC parallel circuit 11a.
  • the second inductor 23 may be connected upstream or downstream of the DC current flowing through the DC line 1 with respect to the LC parallel circuit 11a.
  • the first inductor 21 preferably has a larger inductance than the second inductor 23 .
  • the first inductor 21 and the second inductor 23 preferably have a smaller resistance to direct current, and are particularly preferably made of superconducting coils.
  • the breaker 12 is inserted into the DC line 1 .
  • the breaker 12 is connected to the LC parallel circuit 11 a and the second inductor 23 on the downstream side of the DC current flowing through the DC line 1 .
  • the cutoff unit 12 is configured to cut off the current flowing through the DC line 1 when the passing current passing through the LC parallel circuit 11a and the second inductor 23 satisfies a preset condition.
  • the interrupter 12 may be of any type as long as it can interrupt the DC line 1, but it is preferable that it is capable of effectively interrupting the changing current.
  • the DC current limiting device 11 and the DC interrupting system 10 operate according to the following principle.
  • a constant DC current is normally flowing through the DC line 1 .
  • the LC parallel circuit 11a no current flows through the capacitor 22, so current flows through the first inductor 21 only.
  • a current also flows through the second inductor 23 connected in series with the LC parallel circuit 11a.
  • the voltage generation in the LC parallel circuit 11a and the second inductor 23 during normal operation is suppressed by making the first inductor 21 and the second inductor 23 smaller in resistance to direct current. power loss can be reduced.
  • the resistance value against direct current can be made almost zero, and the power loss can be made almost zero.
  • one of the first inductor 21 and the second inductor 23 is a superconducting coil, power loss can be suppressed.
  • the current can be reliably interrupted by configuring the interrupter 12 to interrupt the current.
  • a predetermined current value for example, zero amperes.
  • ⁇ Condition 2> When the passing current fluctuates by a predetermined value or more from the DC current value before the fluctuation.
  • ⁇ Condition 3> When the passing current repeatedly increases and decreases with an amplitude equal to or greater than a predetermined amplitude.
  • the current can be cut off when the passing current is limited.
  • the current can be interrupted.
  • the DC interrupting system 10 is configured such that when the passing current passing through the LC parallel circuit 11a and the second inductor 23 satisfies preset conditions such as conditions 1 to 3, By interrupting the current flowing through the DC line 1, the current can be reliably interrupted. Therefore, even when the current rises quickly due to an accident, the current can be more reliably limited to cut off the DC line 1 .
  • the DC current limiting device 11 allows the DC current limiting device 11 to suppress the maximum current Imax at the time of an accident, and the DC interrupting system 10 can secure a time margin for interruption, thereby preventing interruption failure. .
  • FIG. 4 shows the current waveform data used.
  • the rate of current change over time dI/dt is constant at 80 kA/sec, and the current rises from a steady state current of 100 A to 16000 A in 200 msec after the occurrence of the accident. Also, if the current is not interrupted, it is assumed that the current rises until the end of the analysis. In the analysis, the data shown in FIG. 4 were input to the variable resistor 2.
  • the voltage E of the power supply 3 is 1500 V
  • the inductance L1 of the first inductor 21 is 1H
  • the capacitance C of the capacitor 22 is 4.5 mF
  • the inductance L2 of the second inductor 23 is 0.03H.
  • Fig. 5 shows the current waveform at the time of the accident based on the analysis.
  • the analysis is also performed for the case without the interrupter 12 (the case where the current is not interrupted).
  • the current value temporarily increased due to the short circuit accident, but the current decreased due to the transient phenomenon, confirming that the current was reliably limited.
  • the current was cut off by the cut-off portion 12 at the moment when the passing current became zero amperes.
  • the maximum current Imax was suppressed to 480 A.
  • the line was cut off within 100 msec (approximately 50 msec) from the occurrence of the accident.
  • it was confirmed from the graph in the case without the breaker 12 that the current value oscillated while the maximum current Imax was suppressed due to the transient phenomenon. From this, it can be said that it is possible to secure a time margin until the interruption.
  • the current variation was analyzed by changing each parameter of the inductance L 1 of the first inductor 21, the capacitance C of the capacitor 22, and the inductance L 2 of the second inductor 23 in the circuit.
  • the data shown in FIG. 4 was used as fault waveform data to be input to the variable resistor 2.
  • FIG. 4 the voltage E of the power supply 3 is assumed to be 1500 V, and the breaker 12 is assumed to be absent.
  • Table 1 shows the values of each parameter used in the analysis for these three cases.
  • FIGS. 6(a) to 6(c) The current waveforms after the accident in the three cases shown in Table 1 are shown in FIGS. 6(a) to 6(c), respectively.
  • FIG. 6A it was confirmed that as the inductance L1 of the first inductor 21 increased, the amplitude of the current due to the transient phenomenon decreased. It was also confirmed that the period of the current due to the transient phenomenon does not change even if the inductance L1 changes.
  • FIG. 6B it was confirmed that as the capacitance C of the capacitor 22 increased, the amplitude of the current due to the transient phenomenon increased and the cycle lengthened.
  • FIG. 6(c) it was confirmed that as the inductance L2 of the second inductor 23 increased, the initial amplitude of the current due to the transient phenomenon decreased and the cycle lengthened.
  • the minimum value of the current due to the transient phenomenon is zero amperes or less, but it was confirmed that the minimum value varies depending on the value of each parameter. . For this reason, for example, in order to prevent arc discharge from occurring at the time of interruption, in order to interrupt when the current reaches zero amperes, the value of the constant current at normal times should be taken into consideration and the values of each parameter should be adjusted. It is considered necessary.
  • the current fluctuation was analyzed when the first inductor 21 or the second inductor 23 in the circuit had a resistance.
  • the data shown in FIG. 4 was used as accident data to be input to the variable resistor 2.
  • FIG. 4 the voltage E of the power supply 3 is 1500 V
  • the inductance L1 of the first inductor 21 is 1H
  • the capacitance C of the capacitor 22 is 4.5 mF
  • the inductance L2 of the second inductor 23 is 0.03H.
  • the interrupting part 12 was assumed to be absent.
  • FIGS. 7(a) and (b) The current waveforms after the accident in each case are shown in FIGS. 7(a) and (b), respectively.
  • FIG. 7A it was confirmed that as the resistance value of the first inductor 21 increases, the value of the constant current in the normal state decreases and the amplitude of the current due to the transient phenomenon also decreases.
  • FIG. 7B it is confirmed that as the resistance value of the second inductor 23 increases, the value of the constant current during normal operation decreases, and the amplitude of the current due to the transient phenomenon also decreases. was done. It was also confirmed that the resistance of the second inductor 23 has a greater influence on the amplitude of the current due to the transient phenomenon than the resistance of the first inductor 21 .
  • the resistance values of the first inductor 21 and the second inductor 23 should be reduced in order to reduce the power loss during normal operation.
  • it can be said that it is necessary to use superconducting coils as the first inductor 21 and the second inductor 23 in order to make the power loss substantially zero.
  • the amplitude of the increase and decrease in the current value due to the transient phenomenon that occurs at the time of an accident is increased, and the minimum value of the current (current at current limit) can be reduced, and the current can easily be reduced to zero amperes or less.
  • the current can be cut off when the current reaches zero amperes, preventing the occurrence of arc discharge and making it easier to cut off the current.
  • the inductance can be increased while the resistance value is almost zero. Therefore, it can be said that the size and weight of the first inductor 21, which has a particularly large inductance, can be reduced.

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Abstract

【課題】事故による電流の上昇が速いときであっても、確実に限流することができる直流用限流装置、および、より確実に直流線路を遮断することができる直流遮断システムを提供する。 【解決手段】ＬＣ並列回路１１ａが、直流線路１に挿入され、互いに並列に接続された第１のインダクタ２１とコンデンサ２２とを有している。第２のインダクタ２３が、直流線路１に挿入され、ＬＣ並列回路１１ａに対して直列に接続されている。遮断部１２が、ＬＣ並列回路１１ａおよび第２のインダクタ２３を通過した通過電流があらかじめ設定された条件を満たしたとき、直流線路１を流れる電流を遮断するよう構成されている。

Description

直流用限流装置および直流遮断システム
　本発明は、直流用限流装置および直流遮断システムに関する。
　直流回路は、交流回路と異なり表皮効果がなく、送電効率に優れていることから、電車等の電力網で広く用いられている。直流回路は、短絡等の事故が発生すると、時間と共に電流が増大するため、経過時間に比例して遮断が困難になる。このため、事故時には、直流回路を高速で遮断する必要がある。そこで、直流回路を高速で遮断するために、従来、接点の開放により爆発的にアークを発生させることにより、電源電圧以上の電圧を発生させて事故電流の限流遮断を行う直流高速度遮断器（High Speed Circuit Breaker：HSCB）が使用されている（例えば、非特許文献１参照）。
遠矢将大、佐々木央、仲田知裕、「電鉄変電所向け直流高速度遮断器」、三菱電機技報、2017年、Vol.91、No.11、p.39-43
　しかしながら、非特許文献１に記載の直流高速度遮断器では、事故による電流の上昇が速いときには、限流が間に合わず、遮断に失敗することがあるという課題があった。
　本発明は、このような課題に着目してなされたもので、事故による電流の上昇が速いときであっても、確実に限流することができる直流用限流装置、および、より確実に直流線路を遮断することができる直流遮断システムを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明に係る直流用限流装置は、直流線路に流れる直流電流を遮断するために、前記直流電流を限流する直流用限流装置であって、前記直流線路に挿入され、互いに並列に接続された第１のインダクタとコンデンサとを有するＬＣ並列回路と、前記直流線路に挿入され、前記ＬＣ並列回路に対して直列に接続された第２のインダクタとを、有することを特徴とする。
　本発明に係る直流用限流装置は、以下の原理に従って動作する。まず、通常時には、直流線路には直流の定電流が流れている。このとき、直流線路に挿入されたＬＣ並列回路では、コンデンサには電流が流れないため、第１のインダクタにのみ電流が流れる。また、直流線路に挿入され、ＬＣ並列回路に対して直列に接続された第２のインダクタにも電流が流れる。ここで、第１のインダクタおよび第２のインダクタの直流電流に対する抵抗値を小さくすることにより、通常時のＬＣ並列回路および第２のインダクタでの電圧発生を抑制することができ、電力損失を小さくすることができる。
　次に、短絡等の事故が発生した時には、直流線路に流れる電流が変化する。このとき、ＬＣ並列回路では、コンデンサの方が第１のインダクタよりも交流電流に対する抵抗値が小さいため、コンデンサに電流が流れはじめる。また、第２のインダクタでは、電流の変化と共に電圧が発生する。これにより、ＬＣ並列回路のコンデンサと第２のインダクタとの間で過渡現象が発生し、直流線路に流れる電流値が増減する。このため、事故により一時的に電流値が上昇しても、過渡現象により電流値を減少させることができ、確実に限流することができる。また、事故時の最大電流Imaxを抑えることができるため、電流を遮断する際に、遮断するまでの時間的な余裕を確保することができる。
　本発明に係る直流用限流装置で、前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタの少なくともいずれか一方が、超電導コイルから成ることが好ましい。特に、第１のインダクタおよび第２のインダクタの双方が超電導コイルから成る場合、第１のインダクタおよび第２のインダクタの直流電流に対する抵抗値をほぼゼロにすることができる。このため、通常時に、ＬＣ並列回路および第２のインダクタで電圧がほとんど発生せず、電力損失をほぼゼロにすることができる。また、事故時に発生する過渡現象による電流値の増減の振幅を大きくすることができ、電流の最小値（限流時の電流）を小さくすることができる。また、第１のインダクタおよび第２のインダクタのいずれか一方のみが超電導コイルから成る場合にも、電力損失を抑制することができる。また、抵抗値がほぼゼロの状態で、インダクタンスを大きくすることができるため、第１のインダクタを超電導コイルにすることにより、第１のインダクタの小型軽量化を図ることができる。
　本発明に係る直流遮断システムは、本発明に係る直流用限流装置と、前記ＬＣ並列回路および前記第２のインダクタを通過した通過電流があらかじめ設定された条件を満たしたとき、前記直流線路を流れる電流を遮断するよう構成された遮断部とを、有することを特徴とする。
　本発明に係る直流遮断システムは、例えば、直流用限流装置により、ＬＣ並列回路および第２のインダクタを通過した通過電流が限流したときなど、その通過電流があらかじめ設定された条件を満たしたときに、遮断部により直流線路を流れる電流を遮断することにより、確実に電流を遮断することができる。このため、たとえ事故による電流の上昇が速いときであっても、より確実に限流して直流線路を遮断することができる。本発明に係る直流遮断システムは、直流用限流装置により、事故時の最大電流Imaxを抑えることができ、遮断するまでの時間的な余裕を確保することができるため、遮断の失敗を防ぐことができる。
　本発明に係る直流遮断システムで、遮断部は、直流線路を遮断可能なものであれば、いかなるものであってもよいが、過渡現象により変化する電流を効果的に遮断可能なものから成ることが好ましい。
　本発明に係る直流遮断システムで、前記遮断部は、前記通過電流が所定の電流値以下になったとき、前記直流線路を流れる電流を遮断するよう構成されていてもよい。この場合、通過電流が限流したときを狙って電流を遮断することができる。前記遮断部は、特に、前記通過電流がゼロアンペアになったとき、前記直流線路を流れる電流を遮断することが好ましい。これにより、遮断時のアーク放電の発生を防ぐことができる。なお、この場合、遮断部は交流遮断器から成ることが好ましい。
　また、本発明に係る直流遮断システムで、前記遮断部は、前記通過電流が前記直流電流の電流値から所定の値以上変動したとき、前記直流線路を流れる電流を遮断するよう構成されていてもよい。この場合、通過電流の変動により事故の発生を検知して、電流を遮断することができる。
　また、本発明に係る直流遮断システムで、前記遮断部は、前記通過電流が所定の振幅以上の振幅で増減を繰り返すとき、前記直流線路を流れる電流を遮断するよう構成されていてもよい。この場合、過渡現象の発生により事故の発生を検知して、電流を遮断することができる。
　本発明によれば、事故による電流の上昇が速いときであっても、確実に限流することができる直流用限流装置、および、より確実に直流線路を遮断することができる直流遮断システムを提供することができる。
本発明の実施の形態の直流用限流装置および直流遮断システムの使用状態を示す回路図である。 本発明の実施の形態の直流用限流装置および直流遮断システムの動作原理を示す（ａ）通常時、（ｂ）事故時の回路図である。 本発明の実施の形態の直流用限流装置および直流遮断システムの、動作解析に使用した回路図である。 本発明の実施の形態の直流用限流装置および直流遮断システムの、遮断動作の解析に用いた電流波形データのグラフである。 本発明の実施の形態の直流用限流装置および直流遮断システムの、遮断動作の解析結果を示す電流波形のグラフである。 本発明の実施の形態の直流用限流装置の、（ａ）第１のインダクタのインダクタンスＬ１を変化させた場合、（ｂ）コンデンサの静電容量Ｃを変化させた場合、（ｃ）第２のインダクタのインダクタンスＬ２を変化させた場合の、電流変動の解析結果を示す電流波形のグラフである。 本発明の実施の形態の直流用限流装置の、（ａ）第１のインダクタの抵抗値Rを変化させた場合、（ｂ）第２のインダクタの抵抗値Rを変化させた場合の、電流変動の解析結果を示す電流波形のグラフである。
　以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
　図１乃至図７は、本発明の実施の形態の直流用限流装置および直流遮断システムを示している。
　図１に示すように、直流遮断システム１０は、直流線路１に流れる直流電流を遮断するための直流遮断システムであって、直流用限流装置１１と遮断部１２とを有している。
　直流用限流装置１１は、第１のインダクタ２１とコンデンサ２２とを有するＬＣ並列回路１１ａと、第２のインダクタ２３とを有している。ＬＣ並列回路１１ａは、直流線路１に挿入され、第１のインダクタ２１とコンデンサ２２とが互いに並列に接続されている。第２のインダクタ２３は、直流線路１に挿入され、ＬＣ並列回路１１ａに対して直列に接続されている。第２のインダクタ２３は、ＬＣ並列回路１１ａに対して、直流線路１を流れる直流電流の上流側に接続されていても、下流側に接続されていてもよい。なお、第１のインダクタ２１は、第２のインダクタ２３よりも大きいインダクタンスを有していることが好ましい。第１のインダクタ２１および第２のインダクタ２３は、直流電流に対する抵抗値がより小さいものが好ましく、超電導コイルから成ることが特に好ましい。
　遮断部１２は、直流線路１に挿入されている。遮断部１２は、ＬＣ並列回路１１ａおよび第２のインダクタ２３に対して、直流線路１を流れる直流電流の下流側に接続されている。遮断部１２は、ＬＣ並列回路１１ａおよび第２のインダクタ２３を通過した通過電流があらかじめ設定された条件を満たしたとき、直流線路１を流れる電流を遮断するよう構成されている。遮断部１２は、直流線路１を遮断可能なものであれば、いかなるものであってもよいが、変化する電流を効果的に遮断可能なものから成ることが好ましい。
　直流用限流装置１１および直流遮断システム１０は、以下の原理に従って動作する。まず、図２（ａ）に示すように、通常時には、直流線路１には直流の定電流が流れている。このとき、ＬＣ並列回路１１ａでは、コンデンサ２２には電流が流れないため、第１のインダクタ２１にのみ電流が流れる。また、ＬＣ並列回路１１ａに対して直列に接続された第２のインダクタ２３にも電流が流れる。ここで、第１のインダクタ２１および第２のインダクタ２３を、直流電流に対する抵抗値がより小さいものにすることにより、ＬＣ並列回路１１ａおよび第２のインダクタ２３での通常時の電圧発生を抑制することができ、電力損失を小さくすることができる。特に、第１のインダクタ２１および第２のインダクタ２３の双方を超電導コイルにすることにより、直流電流に対する抵抗値をほぼゼロにすることができ、電力損失をほぼゼロにすることができる。また、第１のインダクタ２１および第２のインダクタ２３のいずれか一方を超電導コイルにしても、電力損失を抑制することができる。
　次に、図２（ｂ）に示すように、短絡等の事故が発生した時には、直流線路１に流れる電流が変化する。このとき、ＬＣ並列回路１１ａでは、コンデンサ２２の方が第１のインダクタ２１よりも交流電流に対する抵抗値が小さいため、コンデンサ２２に電流が流れはじめる。また、第２のインダクタ２３では、電流の変化と共に電圧が発生する。これにより、ＬＣ並列回路１１ａのコンデンサ２２と第２のインダクタ２３との間で過渡現象が発生し、直流線路１に流れる電流値が増減する。このため、事故により一時的に電流値が上昇しても、過渡現象により電流値を減少させることができ、確実に限流することができる。特に、第１のインダクタ２１および第２のインダクタ２３を超電導コイルにすることにより、事故時に発生する過渡現象による電流値の増減の振幅を大きくすることができ、電流の最小値（限流時の電流）を小さくすることができる。
　短絡等の事故が発生したとき、例えば、以下のいずれかの条件のとき、遮断部１２により電流を遮断するよう構成することにより、確実に電流を遮断することができる。
　＜条件１＞通過電流が所定の電流値（例えば、ゼロアンペア）以下になったとき。
　＜条件２＞通過電流が、変動前の直流電流の電流値から所定の値以上変動したとき。
　＜条件３＞通過電流が、所定の振幅以上の振幅で増減を繰り返すとき。
　条件１の場合、通過電流が限流したときを狙って電流を遮断することができる。特に、通過電流がゼロアンペアになったとき電流を遮断することにより、遮断時のアーク放電の発生を防ぐことができる。アーク放電を防ぐことにより、接点やアークシュートの摩耗、遮断時の騒音、および周辺機器に与えるダメージを防ぐことができる。また、アークスペースの確保が不要となるため、遮断部１２の小型化が可能となる。なお、この場合、遮断部１２として交流遮断器を利用することができる。条件２の場合、通過電流の変動により事故の発生を検知して、電流を遮断することができる。条件３の場合、過渡現象の発生により事故の発生を検知して、電流を遮断することができる。
　このように、直流遮断システム１０は、ＬＣ並列回路１１ａおよび第２のインダクタ２３を通過した通過電流が、条件１～３のように、あらかじめ設定された条件を満たしたときに、遮断部１２により直流線路１を流れる電流を遮断することにより、確実に電流を遮断することができる。このため、たとえ事故による電流の上昇が速いときであっても、より確実に限流して直流線路１を遮断することができる。直流遮断システム１０は、直流用限流装置１１により、事故時の最大電流Imaxを抑えることができ、遮断するまでの時間的な余裕を確保することができるため、遮断の失敗を防ぐことができる。
　市販の解析ソフトである「MATLAB（登録商標）／Simulink（MathWorks社製）」を用いて、直流用限流装置１１および直流遮断システム１０の動作解析を行った。解析に使用した回路を、図３に示す。図３の回路は、図１に示す回路の直流線路１に、通常時の電力供給先の負荷および短絡等の事故時の負荷を表すための可変抵抗２を挿入したものである。
　まず、事故データとして、地絡事故を模擬した電流波形データを利用して、遮断動作の解析を行った。利用した電流波形データを、図４に示す。図４に示すデータは、電流の時間変化率dI/dtが80 kA/sec で一定であり、事故発生から200 msecで、電流が定常電流100 Aから16000 Aまで上昇している。また、電流を遮断しない場合には、解析が終了するまで、電流が上昇するものと仮定した。解析では、図４に示すデータを可変抵抗２に入力した。また、電源３の電圧Ｅを1500 V、第１のインダクタ２１のインダクタンスＬ１を1 H、コンデンサ２２の静電容量Ｃを4.5 mF、第２のインダクタ２３のインダクタンスＬ２を0.03 Hとした。また、解析では、遮断部１２を通過する通過電流がゼロアンペアになったとき、遮断部１２により電流を遮断するものとした。なお、遮断部１２の抵抗を0.001 Ω、コンダクタンスを10-6 Sとした。
　解析による事故時の電流波形を、図５に示す。なお、図５には、遮断部１２がない場合（電流を遮断しない場合）についても、解析を行っている。図５に示すように、短絡事故により一時的に電流値が上昇しているが、過渡現象により電流が減少しており、確実に限流されていることが確認された。また、遮断部１２により通過電流がゼロアンペアになった瞬間に、電流が遮断されていることが確認された。具体的には、最大電流Imaxが480 Aに抑えられていることが確認された。また、事故発生から100 msec以内（50 msec程度）で遮断されていることが確認された。なお、遮断部１２がない場合のグラフから、過渡現象により、最大電流Imaxを抑えた状態で電流値が振動することが確認された。このことから、遮断するまでの時間的な余裕を確保することができるといえる。
　次に、回路中の第１のインダクタ２１のインダクタンスＬ１、コンデンサ２２の静電容量Ｃ、および第２のインダクタ２３のインダクタンスＬ２の各パラメータを変化させて、電流変動の解析を行った。解析では、可変抵抗２に入力する事故波形データとして、図４に示すデータを使用した。また、電源３の電圧Ｅを1500 Vとし、遮断部１２は無いものとした。第１のインダクタ２１のインダクタンスＬ１を変化させた場合、コンデンサ２２の静電容量Ｃを変化させた場合、および第２のインダクタ２３のインダクタンスＬ２を変化させた場合の、３つの場合について解析を行った。これら３つの場合について、解析に用いた各パラメータの値を、表１に示す。
　表１に示す３つの場合の事故後の電流波形を、それぞれ図６（ａ）～（ｃ）に示す。図６（ａ）に示すように、第１のインダクタ２１のインダクタンスＬ１が大きくなるに従って、過渡現象による電流の振幅が小さくなることが確認された。また、インダクタンスＬ１が変化しても、過渡現象による電流の周期は変化しないことも確認された。図６（ｂ）に示すように、コンデンサ２２の静電容量Ｃが大きくなるに従って、過渡現象による電流の振幅が大きくなると共に、周期が長くなることが確認された。図６（ｃ）に示すように、第２のインダクタ２３のインダクタンスＬ２が大きくなるに従って、過渡現象による電流の初期の振幅が小さくなると共に、周期が長くなることが確認された。
　なお、図６（ａ）～（ｃ）に示す全ての場合について、過渡現象による電流の最小値がゼロアンペア以下になっているが、その最小値は各パラメータの値により変わることが確認された。このため、例えば、遮断時のアーク放電の発生を防ぐよう、電流がゼロアンペアになったときに遮断するためには、通常時の定電流の値を考慮して、各パラメータの値を調整する必要があると考えられる。
　次に、回路中の第１のインダクタ２１または第２のインダクタ２３に抵抗がある場合について、電流変動の解析を行った。解析では、可変抵抗２に入力する事故データとして、図４に示すデータを使用した。また、電源３の電圧Ｅを1500 V、第１のインダクタ２１のインダクタンスＬ１を1 H、コンデンサ２２の静電容量Ｃを4.5 mF、第２のインダクタ２３のインダクタンスＬ２を0.03 Hとした。また、遮断部１２は無いものとした。第１のインダクタ２１の抵抗値Rを0 Ω～40 Ωの範囲で変化させた場合（第２のインダクタ２３の抵抗値は0 Ω）、および、第２のインダクタ２３の抵抗値Rを0 Ω～10 Ωの範囲で変化させた場合（第１のインダクタ２１の抵抗値は0 Ω）について、解析を行った。
　各場合の事故後の電流波形を、それぞれ図７（ａ）および（ｂ）に示す。図７（ａ）に示すように、第１のインダクタ２１の抵抗値が大きくなるに従って、通常時の定電流の値が小さくなると共に、過渡現象による電流の振幅も小さくなることが確認された。同様に、図７（ｂ）に示すように、第２のインダクタ２３の抵抗値が大きくなるに従って、通常時の定電流の値が小さくなると共に、過渡現象による電流の振幅も小さくなることが確認された。また、過渡現象による電流の振幅に対する影響は、第１のインダクタ２１の抵抗よりも、第２のインダクタ２３の抵抗の方が大きいことが確認された。
　この結果から、通常時の電力損失を小さくするためには、第１のインダクタ２１および第２のインダクタ２３の抵抗値を小さくする必要があることが確認された。特に、電力損失をほぼゼロにするためには、第１のインダクタ２１および第２のインダクタ２３として、超電導コイルを用いる必要があるといえる。また、第１のインダクタ２１および第２のインダクタ２３を超電導コイルにすることにより、事故時に発生する過渡現象による電流値の増減の振幅を大きくして、電流の最小値（限流時の電流）を小さくすることができ、電流をゼロアンペア以下にしやすいことが確認された。これにより、ゼロアンペアになったときに電流を遮断するよう構成することができ、アーク放電の発生を防いで、電流を遮断しやすくすることができるといえる。また、超電導コイルにすることにより、抵抗値がほぼゼロの状態で、インダクタンスを大きくすることができるため、特にインダクタンスが大きい第１のインダクタ２１の小型軽量化を図ることができるといえる。
　　１　直流線路
　　２　可変抵抗
　　３　電源
 
　１０　直流遮断システム
　１１　直流用限流装置
　　１１ａ　ＬＣ並列回路
　　　２１　第１のインダクタ
　　　２２　コンデンサ
　　２３　第２のコンデンサ
　１２　遮断部
 

 

Claims (7)

  1. 　直流線路に流れる直流電流を遮断するために、前記直流電流を限流する直流用限流装置であって、
    　前記直流線路に挿入され、互いに並列に接続された第１のインダクタとコンデンサとを有するＬＣ並列回路と、
    　前記直流線路に挿入され、前記ＬＣ並列回路に対して直列に接続された第２のインダクタとを、
    　有することを特徴とする直流用限流装置。
  2. 　前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタの少なくともいずれか一方が、超電導コイルから成ることを特徴とする請求項１記載の直流用限流装置。
  3. 　請求項１または２記載の直流用限流装置と、
    　前記ＬＣ並列回路および前記第２のインダクタを通過した通過電流があらかじめ設定された条件を満たしたとき、前記直流線路を流れる電流を遮断するよう構成された遮断部とを、
    　有することを特徴とする直流遮断システム。
  4. 　前記遮断部は、前記通過電流が所定の電流値以下になったとき、前記直流線路を流れる電流を遮断するよう構成されていることを特徴とする請求項３記載の直流遮断システム。
  5. 　前記遮断部は、前記通過電流がゼロアンペアになったとき、前記直流線路を流れる電流を遮断するよう構成されていることを特徴とする請求項３記載の直流遮断システム。
  6. 　前記遮断部は、前記通過電流が前記直流電流の電流値から所定の値以上変動したとき、前記直流線路を流れる電流を遮断するよう構成されていることを特徴とする請求項３記載の直流遮断システム。
  7. 　前記遮断部は、前記通過電流が所定の振幅以上の振幅で増減を繰り返すとき、前記直流線路を流れる電流を遮断するよう構成されていることを特徴とする請求項３記載の直流遮断システム。
     
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