故障電流制限装置とその種類

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故障电流限制器の紹介

最近、エネルギー需要の増加に伴い、発電と送電の強力な発展が重要な課題となり、基本的な必要性となっています。しかし、どの発電システムにおいても、ショートサーキットは最も持続的で困難な問題の一つであり、発電規模が拡大するにつれてその影響は強まっています。ショートまたは故障電流によって引き起こされる問題は多岐にわたります：

機器への熱ストレス：電気機器には耐え難い熱ストレスがかかり、部品の早期摩耗、損傷、さらには故障を引き起こす可能性があります。
電磁干渉：回路内の多くの電磁力が計器の正常な動作を妨げ、その精度と信頼性に影響を与えます。
技術的および経済的制約：回路を保護するために、より効率的な遮断機が必要となります。この需要は技術的な障壁だけでなく、大きな経済的制限も課します。
安全上の危険：ショートサーキットは作業員の生命と電気インフラの完全性に対する直接的な脅威であり、安全上の懸念は最も緊急の問題です。
電圧変動の複雑化：ショートサーキットは切り替え操作中の電圧変動の問題を悪化させ、それらを管理するのがより重要かつ困難になります。

これらの課題に対処するために、ショートサーキットを扱うためのより高度で正確なシステムの開発が必須となっています。本記事では、故障電流の影響を軽減するために提案され、実装されているいくつかのアプローチについて探求します。

アプローチ

以下は、特定の特性と用途に応じて積極的に研究中であるか、すでに実用化されている方法のいくつかです：

電流制限リアクタ（CLR）：故障電流を制限する効果が広く認められています。
固体状態電流制限装置：有望な新技術ですが、まだ初期の研究開発段階です。
超伝導電流制限装置：これらの装置は超伝導体の一意の特性を利用して電流を制限し、固体状態制限装置と同様に開発の初期段階にあります。
ヒューズ：一定以上の電流が流れたときに電流を遮断することで回路を保護する伝統的かつ信頼性のある方法です。
変電所でのバスバー分割：変電所の電気構成を変更することで故障電流を減少させる実用的なアプローチです。
高インピーダンストランスフォーマーの実装：これらのトランスフォーマーは回路のインピーダンスを増加させることで故障電流の大きさを制限することができます。
核反応炉を使用した電流制限：非従来的なアプローチですが、核反応炉が電流制限機構に貢献する可能性についての研究が行われています。

これらの技術の中でも、固体状態および超伝導デバイスの使用はまだ開発段階にあります。ショートサーキット問題に対処するシステムを実装する際には、以下の2つの主要な考慮事項が求められます：

変電所および配電網における故障電流軽減戦略

制限リアクタの配置と数

電気工学の分野における2つの重要な問いは、変電所および配電網内で制限リアクタを最適に配置する場所と、故障電流を効果的に管理するために必要なこれらのリアクタの理想的な数を決定することです。これらの決定には、電気システムの特性、負荷要件、および潜在的な故障シナリオに関する包括的な理解が必要です。

電流制限リアクタ（CLR）

電流制限リアクタは、故障電流管理のための最もコスト効率的で実用的なソリューションの一つとして注目されています。変電所の信頼性への影響は最小限であり、多くの電気システムにとって有利な選択肢です。ただし、いくつかの欠点もあります。CLRの物理的なハードウェアは通常、大きいため、変電所内に多くのスペースを占めます。また、CLRの存在は電圧安定性の低下を招く可能性があり、これを慎重に監視および管理する必要があります。

固体状態故障電流制限装置

固体状態故障電流制限装置は現在、研究開発段階にあります。これらは配電システムに比較的簡単に組み込むことができるという利点があります。ただし、高コストが大きな障壁となり、大規模な実装を阻んでいます。研究者はコスト削減と性能改善に取り組み、商業利用に適した製品にするために努力しています。

ヒューズ

ヒューズは非常に効果的かつ効率的な電流遮断装置であり、電流制限装置として適しています。安価で設置も容易です。ただし、その効果は定格容量によって制限されます。たとえば、一般的なヒューズは最大40 kVおよび200 Aの電流を処理できるように設計されており、高電圧および高電流のシナリオでの適用が制限されます。高破裂容量（HRC）ヒューズは性能が向上していますが、それでも制限があります。

バスバー故障電流制限装置

バスカプラーサーキットブレーカーはバスバー故障電流制限装置として使用できますが、一般的には一時的または緊急対応のソリューションとされています。その運用特性と制限により、変電所内に常設するための設計ではありません。

中性リアクタの適用

中性リアクタは、特に地絡電流に対処する場合に故障電流軽減のための別の有効なオプションを提供します。その設計と動作は、地絡に関連する特定の故障シナリオで特に効果的です。

電流制限リアクタの種類と特徴

電流制限リアクタは広く実装されているソリューションであり、主に2つのタイプに分類されます：

ドライタイプCLR

ドライタイプCLRは空芯リアクタで銅巻線を使用しています。飽和のリスクがあるため鉄芯の使用は避けられ、これがリアクタの性能を損なう可能性があります。これらのリアクタは環境条件が比較的清潔で乾燥しているさまざまな用途に適しています。

油タイプCLR

油タイプCLRは、基本的な機能面ではドライタイプと多くの類似点があります。しかし、その主な違いは適用範囲にあります。油タイプCLRは特に汚染度が高い環境向けに設計されています。これらのリアクタに使用される油は、ドライタイプリアクタの空気よりも高い誘電率を持ち、厳しい条件下での絶縁と保護を提供します。

故障電流制限リアクタの一般的な仕様

周波数と電圧：これらのリアクタは相対的に狭い周波数と電圧の範囲内で動作するように設計されています。その性能特性は特定の電気システムパラメータに対して最適化されています。

設置の柔軟性：アプリケーション要件に応じて、室内または室外に設置することができます。この柔軟性により、異なる変電所および配電網のセットアップに適応することができます。

短絡容量：これらは統合された電気システムの短絡電流を処理するように設計されており、故障条件下的に効果的な電流制限機能を提供します。

過渡安定性と電流制限リアクタ

過渡安定性は交流（AC）電力システムにおいて重要な役割を果たします。これは、故障発生後も電力システム内の複数の同期機械が同期を維持する能力を指します。たとえば、多数の同期モータが相互接続された電力グリッドでは、過渡安定性は突然の電気擾乱（例えばショートサーキット）後にこれらのモータが調和して動作し続けることができるかどうかを決定します。電流制限リアクタは故障電流の大きさを減らすことにより、同期機械への機械的および電気的なストレスを最小限に抑え、故障イベント中にシステムが安定性を維持する可能性を高めることができます。

超伝導ベースの電流制限リアクタ

超伝導故障電流制限装置（SFCL）は、電力システムの過渡安定性を強化するための非常に実用的なソリューションであり、技術的および経済的な観点からバランスを取ることができます。超伝導体の一意の特性は、非常に高い非線形抵抗を持つことから、故障電流制限装置（FCL）として理想的な候補となるのです。

SFCLの主な利点の一つは、超伝導体が急速に抵抗を増加させ、電気抵抗が実質的にゼロである超伝導状態から通常の導電状態に無縫的に移行する能力にあります。この急速な抵抗の変化により、SFCLは故障電流に迅速に対応し、その大きさを制限し、電力システムの整合性を守ることができます。

SFCLの機能をよりよく理解するために、電気システム内に接続されたモータと故障電流制限装置の戦略的な配置の例を考えてみましょう。

粒子群最適化

粒子群最適化（PSO）は遺伝的アルゴリズム（GA）などの進化的計算手法と顕著な類似性を示します。最初に、PSOは探索空間内でランダムな候補解の集団を初期化します。これらの解は「粒子」として概念化され、探索空間を航行し、位置と速度を反復的に更新します。この自己調整と近傍粒子との相互作用を通じて、システムは解空間を系統的に探索し、最適または準最適解へと漸次収束します。