東南アジアのEHV電力網における故障電流制限装置(FCL)と単相自動再閉装置(SPAR)の協調ソリューション

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導入：研究背景と意義
東南アジアの急速な経済発展に伴い、電力網の規模が拡大し、負荷が増加している。これにより、システムの短絡電流が遮断器の遮断容量限界に近づいたり、それを超える場合があり、電力網運転の安全性と安定性を深刻に脅かしている。一方、超高圧送電線は地域間の電力連携の骨格となっている。障害のうち70%以上が単相接地障害であり、その約80%が一時的な障害（例えば雷、風で飛ばされた異物）である。単相自動再閉鎖（SPAR）技術は、迅速に障害を解消し、電力供給を復旧し、電力網の安定性と信頼性を確保するための重要な方法である。

故障電流制限装置（FCL）、特にコスト効果が高い金属酸化物アレスター（MOA）型FCLは、短絡電流を抑制する有効な手段であり、超高圧電力網での応用が徐々に進んでいる。しかし、既存の研究は主にFCLがシステムの過渡安定性やリレー保護に与える影響に焦点を当てており、SPAR成功率への潜在的な悪影響には十分な注意が払われていない。本提案では、この研究ギャップを埋めるために、FCLとSPARの相互作用について深く分析し、東南アジアの電力網に適した協調制御戦略を提案する。これらの戦略は、効果的な電流制限と信頼性の高い電力供給を両立させる。

1. 金属酸化物アレスタータイプFCLの動作原理
このタイプのFCLは主に以下の構成要素からなり、これらが協調して「通常運転時には低インピーダンス、障害時には高インピーダンス」という核心機能を達成する：

構成要素	機能説明
リアクターLf (Lf = Lc + L)	通常運転時にはコンデンサCfと直列共振し、低インピーダンスを示す；障害時には電流制限リアクターLがシステムに挿入される。
コンデンサCf	通常運転時には共振に参加；障害時にはMOAによって素早くショートされ、共振回路から退出する。
金属酸化物アレスター（MOA）	短絡障害を検出したときに即座に動作し、コンデンサCfをショートする。
バイパススイッチK	障害後に素早く閉じて電流を分担し、MOAが過度のエネルギーを吸収することから保護する。タイミングが重要である。
電流制限リアクターLc	トリガーギャップを通じてコンデンサCfの放電電流を主に制限する。

ワークフロー：通常のシステム運転時には、LfとCfが共振 → FCLのインピーダンスはほぼゼロ → 電力流に影響を与えない。短絡障害が発生すると、MOAが素早く動作してCfをショート → 電流制限リアクターLがシステムに挿入されて短絡電流を抑制 → トリガーギャップが崩壊し、バイパススイッチKを閉じる信号を送る → Kが閉じると電流を分担してMOAを保護する。

2. 問題分析：FCLによる二次弧電流とSPARへの悪影響
二次弧電流は、SPAR運転中に障害相の遮断器が開いた後も障害点を維持し続ける電流であり、健全な相からの電磁結合と静電結合によって持続する。この電流の大きさと特性は、障害弧が自己消滅できるかどうかを直接決定し、SPAR成功の鍵となる。

シミュレーション分析（EMTPに基づき、モデルパラメータは中国南部の500 kVシステムを参照）によれば、FCLの設置は新たな問題を引き起こす可能性がある：

バイパススイッチ（K）のタイミングの影響：遮断器がトリップする際にバイパススイッチKが開いている場合、二次弧電流には大きな振幅（最大225 A）、緩やかな減衰、非常に低い周波数（約3〜3.25 Hz）を持つ成分が含まれる。この低周波数成分は電流のゼロクロス回数を大幅に減少させ、弧の自己消滅を難しくし、SPAR成功率を著しく低下させる。
弧経路抵抗（Rg）の影響：障害点の遷移抵抗が大きい場合（例えば300 Ω）、短絡電流は小さくなり、ライン端のFCLが動作しない可能性がある（MOAが動作電圧に達しない）。この場合、Cfはショートされず、ラインシャントリアクターと共に低周波数振動回路を形成し、弧消滅に有害な低周波数成分を生成する。

3. 機序調査：低周波数成分の起源
等価インピーダンスネットワークとラプラス変換を使用した理論的解析によれば、低周波数成分の機序は次の通り：
根本的な原因はFCL内のコンデンサCfにある。遮断器がトリップし、障害相が隔離された後、Cfに蓄積されたエネルギーはシャントリアクターと障害点の弧抵抗を通じて放出される。この放電回路は低周波数振動回路を形成し、振動周波数（約3 Hz）は主にCfとラインシャントリアクターのパラメータによって決まり、障害位置とはほとんど無関係である。この低周波数振動は、バイパススイッチKが閉じてCfを完全にショートするまで続く。

4. 核心的な解決策：FCLとSPARのタイミング調整戦略
FCLによる効果的な電流制限を確保しつつSPARに影響を与えないため、本提案では以下のような精密なタイミング調整戦略を提案する。総時間は0.66〜0.73秒以内に制御する：

タイミングノード	時間間隔 (s)	プロセス説明
t0	-	システム内で単相接地障害が発生する。
t1	0.002	MOAが動作電圧に達し、Cfをショートし、電流制限リアクターLがシステムに挿入される。
t2	0.002	FCL監視システムが放電ギャップGをトリガーし、同時にバイパススイッチKを閉じ始める信号を送る。
t3	0.016	ラインリレー保護が動作し、遮断器トリップ信号を発出し、同時にKを強制的に閉じるコマンドを送る。
t4	≤0.024	バイパススイッチKが完全に閉じることを確認する。これは遮断器が切断する前に完了しなければならない。
t5	0.016〜0.036	両端のライン遮断器の主接触点が開き、障害電流を切断する。
t6	0.02	遮断器の開放抵抗が切断され、障害相のラインがシステムから完全に隔離される；二次弧が燃焼を始める。
t7	0.20	二次弧の燃焼中、Kを閉じたままにして低周波数成分を排除する。弧が自己消滅した後、Kを開く信号を送る。
t8	0.045	バイパススイッチKが開く。
t9	0.015	障害点の弧経路の脱イオン化時間、絶縁回復を確保する。
t10	0.10	遮断器の閉鎖コイルが励磁され、再閉鎖の準備をする。
t11	0.20〜0.25	遮断器が閉じ、閉鎖抵抗が投入されて切り替え過電圧を抑制する。
t12	0.02	遮断器の主接触点が閉じ、閉鎖抵抗が退出し、ラインが正常に電力供給を再開する。