高電圧変電所における故障電流制限器の信頼性分析

1 はじめに

電力需要の急速な増加に対応するため、発電、送電、配電システムはそれに応じて発展しなければなりません。この発展から生じる重要な問題の一つが短絡電流の急激な増加です。短絡電流の増加は以下のいくつかの危険を引き起こします：

• 故障経路上の直列接続デバイスの過熱；
• 電流遮断時の一時的な電圧および回復電圧の上昇により、絶縁システムが損傷する可能性；
• コイルベースの機器（例：トランスフォーマー、発電機、リアクター）で非常に高い機械力が発生する；
• 故障電流の大きさと消去時間によっては、システムの不安定性が生じる可能性がある；
• 既存の遮断器は増加した故障電流を遮断できなくなる場合があり、その結果高価な交換が必要になり、時間と費用がかかる。このような費用を避けるために並列接続されたパワートランスフォーマーを制限したり、システムの相互接続を減らすことがありますが、これにより送電容量とシステムの信頼性が低下する；
• 故障電流の増加により修正作業が長引くことになり、停電時間が長くなり経済的な損失も大きくなる；
• グリッドの信頼性が低下する。

現在、これらの影響を軽減するためには主に3つの解決策があります：

• 故障確率が最小となるグリッド構造の構築；
• より高い遮断容量を持つ遮断器を使用するか、弱い遮断器をより高性能なものに置き換える；
• グリッドを変更して短絡レベルを低減する。これらの解決策は通常組み合わせて使用され、最適なネットワーク設計を達成しながらシステムの信頼性を許容範囲内に保つことができる。しかし、故障の可能性を完全に排除することは不可能であり、常に増加する短絡電流に基づいて電力設備を設計することは商業的に実用的ではない。第三の解決策はさらに以下のように分類される：
  • システムの相互接続を減らす（例：バス分割）；
  • 故障電流制限装置（FCLs）を適用する。

より高い遮断容量を持つ遮断器への交換はコストが高い解決策であり、特定の場合では実現可能ではない。また、保護システムはリレー仕様に基づいて故障検出に遅延を示し、遮断器の動作とアーク消滅は瞬間的ではなく、通常3〜5サイクルを要して故障を完全に解消する。そのため、故障後最初の2〜8サイクル以内に故障電流を遮断することは通常不可能である。この期間中、故障経路上の直列デバイスには非常に高い電流が流れ、特に最初のサイクルでは故障電流の直流成分が特に高いため、この短い期間でも破壊的になることがある。

バス分割とシステムの相互接続の削減はこの問題に対する代替手段として考慮されるが、それらは輸送容量の減少、電力フローの変化、損失の増加などの他の運用上の課題を引き起こす。高価で脆弱な設備を保護する必要からFCLsの需要が生まれる。一般的に提案されているすべてのFCL戦略は、故障時に直列パスに高インピーダンスを挿入することに基づいており、実装方法だけが異なる。理想的なFCLの望ましい特性は通常次の通りである：

• 通常の電力システム条件下での非常に低いインピーダンス；
• 故障時に高インピーダンスを挿入する；
• 故障電流の直流成分を制限するために高速動作する；
• 短期間に複数回の動作ができ、自己回復する能力；
• 電力システムに高調波を導入しない；
• 過渡過電圧を最小限にする；
• 高い信頼性。

2 故障電流制限装置の信頼性

サブステーションにおけるFCLsの適用は主に以下の2つの理由から動機付けられる：

• より高い短絡容量を持つ遮断器に既設の遮断器を交換するという高価な解決策を避ける；
• 運用または信頼性の問題によりバス分割を避けるためサブステーションのトポロジーを維持する。現在、FCLsの信頼性特性に関する信頼できる情報源や参照文献は存在しないため、本研究では技術的特性を考慮してこの問題を分析することを目的とする。一部のFCLsは高度に複雑な技術を使用しており、これは信頼性を低下させる可能性がある。

様々なタイプのFCLsがあり、その中でも共鳴型と超伝導型のFCLsがより注目されています。

A. 共鳴型FCLs

多くの共鳴型FCLsの構成が提案されています。これらは一般的に直列共鳴型と並列共鳴型のFCLsに分類されます。共鳴型FCLsは故障制限のためにいくつかの有利な特性を持っています：

• 電流遮断なしでの動作；
• 故障に対する高速反応；
• 故障期間中の短絡電流を流す能力；
• リセット能力。

しかし、共鳴型FCLsは通常複数のコンポーネントで構成されており、全体の信頼性は各コンポーネントの正確な動作に依存します。さらに、一部の共鳴型FCLsは外部トリガーデバイスを必要とし、短絡を感知しトリガーを開始するための追加のコンポーネントが必要となります。これによりシステムの複雑さが増し、信頼性が低下します。したがって、自己トリガータイプのFCLsは明らかにより信頼性が高いと言えます。

B. 超伝導FCLs

共鳴型FCLsと比較して、超伝導FCLsは少ないコンポーネントで構成され、自己トリガータイプです。故障電流制限戦略は単純で、超伝導材料の自然な振る舞いに基づいています。超伝導状態は非常に低い温度でのみ存在するため、超伝導FCLsは追加の冷却装置を必要とし、投資コストが増加します。本論文で提案されている概念は、FCLの適用がサブステーションの信頼性に及ぼす影響を評価することに限定されています。

3 FCLsの故障モード

高電圧サブステーションの他のコンポーネントと同様に、FCLsも異なる故障モードを示します。これらの故障モードは、FCLsを含む送電サブステーションの信頼性を評価する際に考慮する必要があります。このセクションでは、異なるタイプのFCLsの故障率を比較します。

完全なシステムの信頼性とそのサブシステムの数との間には基本的な関係があり、全体の機能を達成するためにはすべてのサブシステムが正しく動作しなければなりません。

• A. アクティブ故障モード
• B. パッシブ故障モード
• C. 固定故障モード

明らかに、トリガーシステムを必要とするFCLs（外部トリガータイプのFCLs）は故障率が高い。一般的に、トリガーや換流を伴うFCLsは複数のスイッチングデバイスの順次動作を必要とし、正確な同期と調整を必要とするため、従来の遮断器と比べて複雑さが大幅に増す。

共鳴型FCLs（外部トリガータイプと自己トリガータイプの両方）では、動作条件（温度など）の変化や非定格条件下での動作による共鳴要素の特性の変動により、固定故障モードが生じることがある。

超伝導FCLsは過度な冷却が発生する場合にのみこのような故障モードを示すが、これは稀である。したがって、超伝導FCLsは基本的にこの故障モードを持たないと言える。ほとんどの場合、超伝導FCLsは予測可能なパラメータで設計され、数千回のアクティベーションと回復サイクルに耐えることができる。さらに、大きなFCLsよりも小さなFCLsを使用することで、信頼性と電流制限能力の両方が向上する。表1は、さまざまなタイプのFCLsにおける異なる故障モードの発生率を簡単に比較している。

4 実際の適用

図1に示すサンプルサブステーションを使用して、FCLsの導入がサブステーションの信頼性に及ぼす影響を評価する。メンテナンス中に、保護スキームの管理とサブステーション構成の柔軟性を高めるために、バスセクショニング遮断器を使用することが一般的であることは周知の事実である。サブステーションの故障電流レベルが遮断器の遮断容量を超える場合、バスセクショニング遮断器をFCLに置き換えることが有効な解決策となる。実際、Inter-Bus FCLは最も一般的なFCLsの応用の一つである。

330 kVバスに接続されているすべての負荷が同一であると仮定する。信頼性評価は左側の330 kVバスの負荷1と右側の330 kVバスの負荷5に焦点を当てる。負荷の信頼性は以下の指標で評価する：(1) 負荷損失確率（%）；(2) 年間停止時間（U）。330 kVバスは完全に信頼性があると仮定する。不要な計算を避けるため、3つ以上のコンポーネントが同時に故障するような故障モードは考慮しない。このような故障モードの発生率は非常に低いので、この仮定は大きな誤差を導入しない。

表2は各コンポーネントの故障率と修理時間を示している。初期分析では、左側の330 kVバスに関連する信頼性指標の計算から始める。理論的には、L1からL7までのすべての負荷点の信頼性指標を計算すべきだが、これらの負荷は似ており同じバスに接続されているため、故障モードも似ている。したがって、左側のバスの負荷点1（L1）と右側のバスの負荷点5（L5）の信頼性指標のみを計算すれば十分である。

上述の通り、分析には2つの確率指標が使用される：負荷損失確率（f/年）と年間停止時間（時間/年、A）。これらの指標は単一のコンポーネント故障の場合に評価される。

2つのコンポーネントが同時に故障する場合、等価故障率（λₑ）、平均停止時間（r）、および年間停止時間（u）は以下の通り表現される：

3つのレベルで同時に故障する場合は以下の通り表現される：

すべての故障モードを考慮すると、総故障率と総年間停止時間は以下の通り計算される：

表3は負荷の信頼性分析結果を示している。

次に、他の230 kVバスのフィーダーに対して同じ計算を行う。表4は負荷点LSに関連する結果を示している。

5 結論

本論文では、故障電流制限装置（FCLs）の適用がサブステーションの信頼性を向上させることを示し、信頼性計算のための数学モデルと手順を説明し、FCLsの導入がサブステーションの信頼性に及ぼす影響を評価した。結果は、FCLsを使用することでサブステーションの信頼性が向上することを示している。また、FCLsのアクティブ故障率、パッシブ故障率、修理時間などの各種パラメータが信頼性指標に及ぼす影響を調べる感度分析も行われた。