従来品を使用した直列共振型故障電流制限装置：経済的で信頼性のある短絡電流ソリューション

1. 導入：研究背景と主要な目的

1. 短絡電流問題の深刻さ
   電力網規模の拡大と容量の増加に伴い、システムの短絡電流レベルが急激に上昇し、既存の設備の耐えられる限界に近づいたり、超えたりしている。
   • データの支持： 国内の一部の500kV、220kV、さらには10kV変電所での予想短絡電流は100 kAを超えている。主な電源での短絡電流の最大周期成分は300 kAに達する。
   • 重大な危険性： 極めて高い短絡電流により、適切な高圧遮断器モデルが不足し、熱的および電動力制限を超えることで電気機器が損傷し、通信システムへの電磁干渉、地電位上昇、ステップ電圧などの安全問題を引き起こす可能性がある。これは、電力網の安全かつ経済的な発展を制約する重要な技術的ボトルネックとなっている。
2. 既存のFCL技術の制限
   現在主流の故障電流制限装置（FCL）技術には固有の欠点があり、大規模な応用が困難である：
   • 超伝導FCL： 超伝導材料に依存しており、この技術はまだ成熟していないため信頼性が低く、運転維持コストが高く、経済的に不利であり、短期から中期的にはエンジニアリング応用が難しくなる。
   • パワーエレクトロニクスFCL： パワーセミコンダクタデバイスの耐電圧と通電能力に制限され、直列/並列電圧および電流共有制御に課題があり、システム構造が複雑（追加の電流制限部品と高速保護回路が必要）でコストが高い。
3. 本研究の主要な目的
   上記の問題に対処するために、本研究では従来の電気部品に基づく直列共振故障電流制限装置のソリューションを提案する。具体的には、以下の2つのトポロジーを研究する。
4. 飽和リアクターを用いた直列共振FCL
5. ZnOアーレスタを用いた直列共振FCL
   本研究では、電磁過渡現象プログラム（EMTP）シミュレーションを使用して、それらの過渡電流制限特性を深く分析し、比較を行い、最終的に技術的実現可能性、経済性、運用信頼性における顕著な優位性を検証する。

II. 飽和リアクターを用いた直列共振FCL

1. 回路トポロジーと動作原理
   • トポロジー構造： コアは飽和リアクターL_B、キャパシタC、および直列リアクターLで構成される。L_BはCと並列接続され、この組み合わせはLと直列に系統に接続される。
   • 動作原理：
   o 通常運転時： 線路電流が小さい。L_Bは非飽和領域で動作し（その等価インダクタンスL_B1は非常に大きい）。その並列組み合わせはインダクティブに動作する。直列リアクターLとともに、商用周波数直列共振条件（ωL - 1/ωC ≈ 0）を満たす。装置は非常に低いインピーダンスを示し、システム損失が最小となる。
   o 故障状態時： 短絡電流の急激な上昇によりL_Bが急速に飽和する（その等価インダクタンスはL_B2に急激に低下する）。その並列ブランチはキャパシタCを効果的にショートサーキットし、共振条件を破る。この時点で、直列リアクターLと飽和リアクターL_B2が系統に挿入され、短絡電流を効果的に制限する。
   o 故障解除後： 故障が解消されると、電流が減少する。L_Bは自動的に飽和から脱出し、キャパシタが再接続され、回路は共振状態に戻り、外部電源なしで自己トリガリングスイッチングを達成する。
   • パラメータ選択原則：
   o ω²L_B1C >> 1（通常運転時に並列ブランチがインダクティブに動作することを確保）
   o ωL - 1/ωC ≈ 0（通常運転時の共振条件を満たす）
   o ω²L_B2C << 1（故障時に並列ブランチがキャパシティブに動作し、キャパシタを効果的にショートサーキットすることを確保）
2. 電流制限特性シミュレーション分析（EMTP）
   220kVシステム（予想短絡電流ピーク：110kA）での一相接地短絡故障条件下でシミュレーションを行った。主な結論は以下の通りである。

III. ZnOアーレスタを用いた直列共振FCL

1. 回路トポロジーと動作原理
   • トポロジー構造： 飽和リアクターL_BをZnOアーレスタに置き換える。残りの構造（並列C + 直列L）は変わらない。
   • 動作原理： 原理は飽和リアクター型と同じである。通常運転時にはZnOは高抵抗を示し、回路は共振する。故障時にはキャパシタ電圧の上昇によりZnOが導通（低抵抗を示す）し、キャパシタをショートサーキットし、共振を破る。直列リアクターLが電流を制限する。故障が解消された後、システムは自動的に回復する。全体のプロセスはZnOの非線形電圧-アンペア特性を利用して自動スイッチングを行う。
2. 電流制限特性シミュレーション分析
   同じシステム条件でのシミュレーションにより得られた主な結論は以下の通りである。

IV. 二つのFCLスキームの包括的な比較

V. 結論

本研究では、従来の部品に基づく二つの革新的な直列共振故障電流制限装置のソリューションを提案し、従来の超伝導型およびパワーエレクトロニクス型FCLの技術的および経済的ボトルネックを克服した。

1. 飽和リアクターFCL： コアヒステリシスループ特性の緻密な最適化により、飽和インダクタンス値（L_B2）を容抗の約1/3に設定し、キャパシタと直列リアクターのパラメータとの良好な調整を行うことで、キャパシタ過電圧を効果的に抑制し、優れた過渡電流制限性能を達成することができる。特に110kVのような中低電圧レベルの電力網に適している。
2. ZnOアーレスタFCL： ZnOの非線形特性を利用することでキャパシタ過電圧を容易に制限でき、短絡位相角による影響を受けない。ただし、L値が大きすぎると直列リアクター自体の過電圧を引き起こす可能性があるため注意が必要である。キャパシタの安全性に高い要求があり、中程度の電流制限要件がある場合に適している。