電力システムにおける短絡電流制限と故障電流制限器（FCL）の応用

0 はじめに​
電力システムの発展と負荷需要の増加により、大容量発電機と変電所設備の統合、特に負荷中心地における大規模発電所の出現と大規模電力システムの相互接続は、短絡電流レベルの継続的な上昇をもたらしています。効果的な制限措置がなければ、この傾向は新設変電所の設備投資を大幅に増やし、既存の変電所施設の通信線路や配管にも重大な影響を与え、改修およびアップグレードに多額の資金が必要になる可能性があります。

システム開発の初期段階では、システム容量が小さく短絡電流レベルが低い場合、スイッチング装置の交換で短絡電流の増加に対応することができます。他の変電所設備は通常、この段階では十分な余裕を持っています。しかし、電力システムの容量が大きくなり、短絡レベルが高い場合、さらなる容量拡大やシステムの相互接続による短絡電流の継続的な上昇に対して、単に遮断器の交換だけでは不十分です。既存の変電所では、遮断器の交換だけでなく、主変圧器、分離器、計器用変圧器、母線、絶縁子、構造物、基礎、接地システムの強化または交換が必要になる場合があります。さらに、通信線路にはシールドが必要になるか、地下通信ケーブルへの転換が必要になることもあります。

さまざまな要因により、新しい大容量発電機と発電所が220kVグリッドに統合され続けているため、短絡電流レベルが過度に急速に上昇しています。多くの220kV遮断器、さらには全体の変電所の遮断能力と動的安定性性能は、上昇する短絡レベルに対応できなくなり、深刻な技術的および経済的な課題を引き起こしています。短絡電流制限に関する研究は緊急に必要となっています。

​1 伝統的な電流制限措置とその制限​
短絡電流制限は、システム構造、運用、設備の観点から対処することができます。伝統的な措置には以下のカテゴリーがありますが、それぞれに重要な制限があります：

• ​a. グリッド構造の調整​
  高電圧グリッドの開発、低電圧グリッド/母線の分割、グリッド分離を含みます。
• 高電圧グリッドの開発：大規模な投資が必要であり、環境問題が伴います。
• 低電圧グリッドの分割/分離：実装が簡単で、大きな電流制限効果がありますが、システムの安全マージンを減らし、運用の柔軟性を制限します。そのため、必要な場面でのみ適切です。
• ​b. 直流相互接続技術​
  直流相互接続は短絡電流を大幅に減少させますが、両端の変換所への投資は非常に高くなります。短距離の相互接続や低電力交換の場合、この解決策は経済的に非現実的です。
• ​c. 高インピーダンス変圧器​
  低電圧側での短絡電流を制限するために高インピーダンス変圧器を使用することは一般的な措置です。ただし、これらの変圧器は定常運転中に高い損失を示し、システムの経済性に影響します。
• ​d. シリーズリアクター​
  製造技術が成熟しており、明確な電流制限効果を持つシリーズリアクターは、すでに発電所補助システムや10〜35kV変電所で使用されています。ただし、超高電圧システムでの適用はネットワーク損失を増加させ、システムの安定性を低下させるため、適切ではありません。
• ​e. 設備の容量拡大と改造​
  遮断器の交換と既存の変電所の改造により、より高い短絡電流に対処することができますが、これには高額な投資と複雑な建設が必要で、経済効率とタイムリーさが悪くなります。

伝統的な措置の重要な制限を考慮すると、現代の電力システムに適応した新しい電流制限装置を開発することが不可欠となっています。故障電流制限器（FCL）がその解決策として登場し、柔軟性のある交流送電システム（FACTS）の重要な構成要素でもあります。

​2 故障電流制限器（FCL）の電力システムへの適用​

​2.1 FCLのモデルと基本原理​
FCLの基本原理は、シリーズリアクターカレント制限技術から派生し、パワーエレクトロニクスを用いて伝統的なシリーズリアクターの欠点（例えば、定常時の高い損失とシステム安定性への影響）を克服しています。その核心モデルは次のように抽象化できます：「正常運転時にはリアクタンスなし；故障時には迅速にリアクタンスを挿入して電流を制限する。」

• 正常運転時：スイッチングデバイスが閉じており、FCLの等価インピーダンスはほぼゼロで、システムに影響を与えない。
• 故障時：スイッチが迅速に開き、電流制限リアクターを挿入して短絡電流を抑制する。

FCLの主要な構成要素は以下の4つです：

1. 高速故障電流検出要素：システム電流をリアルタイムで監視し、短絡故障を迅速に識別する。
2. 高速スイッチングデバイス：故障時に迅速に動作し、「リアクタンスなし」と「リアクタンスあり」の状態を切り替える。
3. 電流制限リアクター：コアの電流制限要素であり、インピーダンスを通じて短絡電流を抑制する。
4. 過電圧保護要素：故障時のスイッチングによる過電圧を防止し、システム設備を保護する。

​2.2 FCLの機能と設計要件​

​2.2.1 FCLの核心機能​
FCLは電力システムにおける故障電流制限の新しいアプローチを提供し、現代の電力システムの重要な構成要素です。その利点は以下の通りです：

• 遮断器の負担軽減：高い電圧レベルはより大きく、遮断が困難な故障電流に対応します。FCLは直接遮断器の遮断電流を減らし、設備の寿命を延ばします。
• システム安定性の向上：短絡電流を迅速に制限することで、線路の電圧降下と発電機の同期外れの確率を減らし、電力角、電圧、周波数の安定性を向上させます。
• 設備および線路の利用率の向上：FCLが短絡電流のピーク前に作用すれば、熱的および動的安定性制限の要求を減らし、線路の実際の送電容量を増加させることができます。
• 電圧品質の最適化：故障クリアランス前の迅速な電流制限により、非故障線路の電圧サージ期間を短縮し、グリッド電圧の安定性を確保します。
• 周辺施設への干渉の軽減：高電圧グリッドでの短絡電流の制限により、近隣の通信線路や鉄道信号システムに対する電磁干渉を減らします。

​2.2.2 FCLの設計要件​
電力システムの運転特性に適応するため、FCLは以下の設計基準を満たす必要があります：

• 正常運転時にはシステムに影響を与えない（電圧降下はほぼゼロ）。
• 故障時には迅速な反応（1〜2ミリ秒以内）を行い、ピークおよび定常短絡電流を制限し、過電圧などの副作用がない。
• 故障クリアランス後に自動的にリセットし、手動介入なし。
• 保護リレーの正常運転論理に干渉しない。
• 合理的なコストと高いコスト効果があり、公共工事の応用ニーズを満たす。

​2.3 各種FCL実装スキームの比較​

​2.3.1 スキーム比較​

• ​結論: 新材料ベース（特に超伝導）とパワーエレクトロニクスベースのFCLは現在、最適なソリューションです。前者はシンプルで信頼性が高いが、材料技術によって制約を受けます；後者は制御性が強く、パワーエレクトロニクスのコストが下がっているため、工学的に実現可能であり、最も有望な研究開発方向です。

​2.5 FCLの将来の研究方向​
FCLの将来の研究は、「性能最適化、機能統合、およびエンジニアリング適応」に焦点を当てるべきです。主要な方向は以下の通りです：

1. 連続的に調整可能なインピーダンスコンバータ：現在の「二状態インピーダンス（ゼロまたは無限大）」の制限を超えて、応答性が高く、連続的に調整可能なインピーダンスコンバータを開発し、より大きな故障電流に対応するようにインピーダンスを動的にマッチングします。これには、力率補償と過電圧吸収も組み込まれ、制御理論（例えば、負のフィードバック、PID制御）を組み合わせて、システムの自動化を強化します。
2. FACTSコントローラとの統合：FCLを他のFACTSコンポーネント（例えば、SVG、SVC）と組み合わせた包括的な制御デバイスを開発し、全体的なコスト効果を改善し、制御可能な交流送電・配電システムの進歩を促進します。
3. 重要技術の突破：
• FCLが電力システムの安定性に与える影響メカニズム。
• FCLと保護リレー間の協調論理。
• 超高速故障信号検出システムとコントローラーの最適化。
• FCLが電力品質（例えば、高調波、電圧変動）に及ぼす影響と緩和策。

​3 結論​

• a. 電力システムにおける短絡電流制限は、緊急に解決すべき重要な問題となっています。新しい保護装置としての故障電流制限器（FCL）は有効な解決策を提供し、現代のグリッドに適応したFCLの開発は、理論的および工学的な価値が大きい。
• b. パワーエレクトロニクスベースのFCLはすでに理論的基礎と工学的な実用性を備えています。優れた制御性能とパワーエレクトロニックデバイスのコスト低下により、広範な発展の見込みがあります。
• c. FACTS/CusPow技術の発展とともに、FCLはFACTSファミリーの重要なメンバーとして、送電・配電グリッドの電流制限問題を独立して解決するだけでなく、他のFACTSコントローラーと協力して制御可能な交流送電・配電システムの発展をさらに促進すべきです。