1 ブリッジ型超伝導故障電流制限器
1.1 ブリッジ型SFCLの構造と動作原理
図1は、ブリッジ型SFCLの一相回路図を示しています。これは4つのダイオードD₁からD₄、直流バイアス電圧源V_b、および超伝導コイルLで構成されています。制限器とは直列に接続された遮断器CBが、制限された後で故障電流を遮断します。バイアス源V_bは、超伝導コイルLにバイアス電流i_bを提供します。V_bの電圧は、ダイオードペア(D₁とD₃、またはD₂とD₄)の順方向電圧降下を克服するのに十分高く設定され、バイアス電流i₀を確立します。i₀の値は、線路電流i_maxのピーク値よりも大きく、過負荷条件を考慮して設定されます。
したがって、通常条件下では、ダイオードブリッジは常に導通し、SFCLは線路電流iに対して無視できる小さな順方向電圧降下を除いて何らかのインピーダンスを示しません。正常運転中、ダイオードD₁からD₄を通る電流をそれぞれiD1からiD4とすると、線路電流は次のようになります:
これはキルヒホッフの電流法則(KCL)に基づいて得られます:
線路上で短絡故障が発生すると、線路電流は急速にi₀まで増加します。正と負の半周期中、一対のダイオードが逆バイアスになりオフとなり、コイルLが自動的に回路に挿入されます。短絡電流は、コイルのリアクタンスによって制限されます。
超伝導コイルの臨界電流を適切に設定することで、故障中にコイルが超伝導状態を維持し、応答時間やクエンチからの回復の影響を避けることができます。しかし、故障が継続すると、超伝導インダクタを通る電流は引き続き上昇し、最終的には制限器がない場合の定常短絡電流値に近づきます。したがって、一定時間内に遮断器によって故障源をタイムリーに遮断する必要があります。簡単のために、ソース電圧がゼロを通過する瞬間(t = t₀)に短絡故障が発生すると仮定します。キルヒホッフの電圧法則(KVL)に基づいて、次の式が得られます:
初期条件 I0、この微分方程式を解くと次のようになります:
図2は、正常運転時と故障発生後のインダクタ電流と線路電流の波形を示しています。故障はt = 0.1秒で開始されます。シミュレーション結果は、超伝導インダクタによる電流制限効果により、短絡電流がゆっくりと上昇することを示しています。電流制限プロセスは基本的に超伝導インダクタの磁化です。故障電流が安定すると、制限器は効果を失います。したがって、短絡電流が定常値に達する前に遮断器によって故障をクリアする必要があります。図では、t = 0.2秒で遮断器によって故障がクリアされています。
1.2 ブリッジ型超伝導故障電流制限器の構造改善
従来のブリッジ型超伝導故障電流制限器(SFCL)は、短絡電流の上昇率を抑制することができますが、その定常値を制御することはできません。定常値の短絡電流を制限するためには、超伝導状態でのゼロ抵抗とクエンチ時の急速な抵抗増大という特性を組み合わせたハイブリッドSFCLを使用します。これは、抵抗性超伝導故障電流制限器とブリッジ型SFCLを統合することで実現されます。このハイブリッドアプローチの概略図は図3に示されています。
通常運転条件下では、スイッチKは開いており、抵抗性SFCLは外部インピーダンスを示さず、電流i_Lが抵抗なしで通過できます。故障が発生すると、抵抗性SFCLは即座に高インピーダンスを示し、超伝導インダクタと直列に接続されて故障電流を共同で抑制します。故障がクリアされると、スイッチKは閉じます。このとき、抵抗性SFCL自体の高インピーダンスによりショートサーキットされ、迅速に超伝導状態に戻ります。
スイッチKにはオン状態の抵抗があるため、回復した抵抗性SFCLによってショートサーキットされ、全体として低インピーダンスを示します。この時点でKを開くことで、電流制限プロセスが終了します。抵抗性SFCLの容量を向上させるために、通常、抵抗性SFCLユニットを直列および並列に接続して、デバイスの電圧および電流レーティングを改善します。図4は抵抗性超伝導制限器の回路図を示しており、R₁からR₆は超伝導抵抗器を表し、Rは同一シリーズブランチ内の2つの超伝導体が同時にクエンチするように促すバイパス抵抗器です。
相間結合トランスフォーマーの役割は、iL1 = iL2 = iL3となるようにし、短絡故障発生後に異なる並列ブランチのSFCLユニットが同時にクエンチするようにすることです。ハイブリッドブリッジ型SFCLは、超伝導体の超伝導状態から通常状態への遷移特性を利用して、故障検出時に自動的に電流制限抵抗器を投入し、追加の故障検出機構を必要とせずに短絡電流の定常値を効果的に制限します。ただし、抵抗性超伝導故障制限装置の追加により、全体的な運用コストが増加し、クエンチからの回復時間が長くなり、システム再閉操作との調整が複雑になります。
2 非超伝導ブリッジ型故障電流制限器
2.1 固体電流制限器
近年、電力電子技術と高容量電力半導体デバイス(SCR、GTO、GTR、IGBTなど)の急速な進歩と実用システムにおける広範な応用により、インダクタ、抵抗器、コンデンサ、および電力電子部品で構成される故障電流制限器が研究の焦点となっています。非超伝導ブリッジ型故障電流制限器は、従来の部品で構築され、複雑な超伝導技術を避け、高い信頼性とコストパフォーマンスを提供します。
図5は、理想的な一相ブリッジ型電流制限器の概略図を示しています。これは単相ブリッジ回路と電流制限インダクタLで構成されています。通常運転時には、4つのサイリスタに連続的なトリガーパルスが適用されます。短い磁化過程の後、インダクタの電流は負荷電流のピーク値に達します。サイリスタT₁からT₄の電圧降下を無視すると、制限器は外部インピーダンスを示しません。
供給電圧の正の半周期中に短絡故障が発生した場合、T₃は強制的にオフになり、電流制限インダクタが回路に挿入され、故障電流を抑制します。インダクタLの値を適切に設定することで、短絡電流を任意のレベルに制限できます。さらに、この制限器は短絡電流を瞬時に遮断する機能も備えています。ただし、4つの制御可能なスイッチを使用しているため、瞬時の遮断のための制御ロジックは比較的複雑です。故障電流制限中に生成される大量の高調波は、ブリッジアームに並列に接続されたバイパスインダクタによって効果的に軽減できます。
2.2 半制御ブリッジ短絡故障電流制限器
図6は、半制御ブリッジと自己消灯デバイスに基づく一相短絡故障電流制限器のトポロジーを示しています。このシステムは、ダイオードD₁からD₄、自己消灯デバイスT₁とT₂、超伝導インダクタL、電流制限インダクタLlim、およびZnO過電圧吸収器で構成され、usは交流電源を表し、CBは線路遮断器です。
通常運転条件下では、2つの自己消灯デバイスT₁とT₂は連続的にトリガーされます。初期起動時に、電圧源の影響により、超伝導インダクタの電流は徐々に線路電流のピーク値に達します。負荷が安定すると、iLは一定になります。ダイオードD₁からD₄と自己消灯デバイスT₁とT₂の順方向電圧降下を無視すると、ブリッジの電圧はゼロであり、電流制限インダクタLlimの電圧もゼロです。したがって、電流制限器は外部インピーダンスを示さず、システムに影響を与えません。
システム内で短絡故障が発生すると、超伝導インダクタの電流iLが増加します。短絡故障が検出されると、T₁とT₂はすぐにオフになり、ブリッジは動作を停止します。短絡電流はバイパス電流制限インダクタLlimに移行し、超伝導インダクタの電流はダイオードD₁とD₄を通ってゼロになるまで流れ続けます。図7は、半制御ブリッジに基づく一相短絡故障電流制限器の定常状態と故障状態の電流と電圧曲線を示しています。
システムはt=0.02秒で起動し、1サイクル以内に定常状態に達します。t=0.1秒で短絡故障が発生し、故障が検出された後四分の一サイクル以内にT₁がオフになります。シミュレーションに使用された回路パラメータは以下の通りです:供給電源のピーク位相電圧は100V/50Hz;ピーク定格負荷電流は10A;負荷抵抗は10Ω;超伝導DCインダクタLは10mH;ダイオードと制御可能なスイッチの順方向電圧降下は0.8V;電流制限インダクタLlimは10mH。
超伝導故障電流制限器(SFCL)を電力システムに採用する主な目的の一つは、故障電流を制限して、それが線路遮断器の瞬時遮断容量を超えないようにすることです。分析では、故障電流削減比D (0<D<1) を使用してピーク故障電流の減少率を表すことが一般的であり、D の式は次のとおりです:
はSFCLが設置されていない場合の短絡時のピークインラッシュ電流を表し、その値はシステムの等価X/R 比に関連しています。
式(7)において、Ip は短絡電流の周期成分の振幅を示し、Ta は時間定数です。ilim は制限された短絡電流のピーク値を示し、これは電流制限インダクタLlim の大きさに依存します。Llim の値を適切に選択することで、望むピーク故障電流の減少率を達成できます。Llim を10 mH、15 mH、20 mHに設定してシミュレーションを行った結果は図8に示されています。より大きなLlim はより良い電流制限性能を提供しますが、運用コストも高くなります。
2.3 半制御ブリッジ短絡故障電流制限器の改良
図6に示す構成では、T₁とT₂は通常運転条件下で連続的にトリガーされます。短絡故障が検出されると、制御回路はT₁とT₂の両方をオフにします。ブリッジの共通パスに単一の制御可能なスイッチTを配置してT₁とT₂を置き換えることで、同様の電流制限効果を得ることができます。この改良により、制御可能なスイッチ部品の数が減少し、コストが低下し、回路の複雑さが簡素化されます。概略図は図9に示されています。
3 結論
本稿では、いくつかのタイプのブリッジ型短絡電流制限器を紹介しました。従来の超伝導ブリッジ型故障電流制限器と抵抗性超伝導故障電流制限器をカスケード接続することで、短絡電流のピーク値と定常値の両方を効果的に制限できます。また、超伝導材料のS/N(超伝導-通常)遷移特性を利用することで、システムは故障検出、トリガー、および電流制限を単一のユニットに統合し、高速応答と高い信頼性を提供します。
近年、電力電子技術と高容量電力電子デバイスの急速な発展と実用化により、非超伝導ブリッジ型短絡電流制限器(従来の電力電子スイッチとインダクタで構成)は、複雑な超伝導技術を必要としないことから、信頼性とコストパフォーマンスに優れています。シミュレーション結果は、両タイプの電流制限器が優れた電流制限性能を達成し、提案された電流制限アプローチの実現可能性を確認しています。