(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統に接続されるブリッジ型の整流回路と、このブリッジ型の整流回路における２直列整流器のそれぞれの電気的中間点を互いに接続し、かつ前記電力系統の短絡および地絡事故時に急激に変動する電流を抑制する限流手段とを備えた限流装置において、前記限流手段は、コイルと、このコイルに直列に接続されかつ電流に対して非線形性の電圧特性を有し、事故時過電流が流れると抵抗が増加する非線形素子とを備えたことを特徴とする限流装置。
【請求項２】
請求項１記載の限流装置において、前記非線形素子は、電流に対して非線形性の電圧特性を有する超電導導体であり、前記電力系統の系統事故時に抑制する電流設定値を、前記超電導導体の臨界電流値よりも高い値に設定したことを特徴とする限流装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の限流装置において、前記コイルまたは非線形素子が超電導導体で形成されたことを特徴とする限流装置。
【請求項４】
請求項１記載の限流装置において、前記限流手段は、前記コイルと非線形素子からなるユニットを複数並列および複数直列のいずれかに接続されたことを特徴とする限流装置。
【請求項５】
請求項１記載の限流装置において、前記限流手段は、円筒形状の巻枠にテープ形状の線材を複数枚重ね合わせるとともに巻線して巻線ユニットを構成し、この巻線ユニットを同心円状に複数層配置し、前記巻線ユニット間で、前記線材の重ね合わせる順序が異なるように接続され、前記巻線ユニットのコイルの両端が電極を介して前記整流器に接続されたことを特徴とする限流装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力系統に接続される限流装置に係り、特に事故時に電力系統に流れる短絡電流を所定値以下に抑制するための限流装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力系統に接続され、事故時に電力系統に流れる短絡電流を所定値以下に抑制するための限流装置は、現在実用化されている機器ではないが、将来に向けて期待の高い機器である。また、限流装置は、定常時はゼロに近いインピーダンスであるが、事故時には抵抗的あるいはインダクタンス的なインピーダンスが生じて短絡電流を所定値以下に抑制する作用を有する。
【０００３】
限流装置の適用が期待される設置箇所の一つは、例えば系統連系であり、すなわち系統連系では２つの系統を限流装置で接続し、常時２つの系統の電力を融通しあい、事故時には事故電流を抑制してその後に２系統を切り離すという適用例がある。また、限流装置の他の適用例としては、近年盛んに開発されている超電導送電ケーブルに限流装置を直列に接続して、その超電導送電ケーブルを事故電流から保護する適用例も考えられる。
【０００４】
これまでの限流装置には、さまざまな限流方式が提案されてきており、限流時に生ずるインピーダンスに基づいて抵抗型、インダクタンス型に分類される。また、超電導体を利用する型、利用しない型にも分類することが可能である。本発明に係る限流装置は、整流型限流装置と呼ばれるもので、前述の分類に従うならば、インダクタンス型で、超電導を原理的には使用しない型である。
【０００５】
図１１は従来の限流装置を示す回路図である。
【０００６】
従来の限流装置は、図１１に示すように４アームの整流器２からなるブリッジ型の整流回路１と、この整流回路１のブリッジ中における２直列整流器のそれぞれの電気的中間点を接続するコイル３とから構成されている。定常時、このコイル３には系統の交流電流の波高値相当の直流電流が流れるため、コイル３のインダクタンスが作用しないものの、系統の短絡あるいは地絡事故時には電流を急激に変動させようとする電圧に対してコイル３のインダクタンスが作用して事故電流を抑制する。原理的に、コイル３は超電導導体である必要はないが、定常時の電力損失を低減させるためにコイル３に超電導導体を用いることは有効である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の整流型限流装置には次のような課題があった。すなわち、従来の整流型限流装置は、事故後に整流器ブリッジ内に誘起されている循環電流が残っていることである。これは事故後に制御シーケンスに従って遮断器４を投入した後に、再び事故電流が流れた場合、上記循環電流がバイアス電流として作用するので、十分な限流効果が得られないことになる。その循環電流の減衰の時定数τは、次式で表される。
【０００８】
【数１】
τ＝Ｌ／Ｒ  ……（１）
ここで、Ｌはコイル３のインダクタンスであり、Ｒは整流器ブリッジ内の抵抗である。一般に、抵抗Ｒは整流器のフォーワードドロップに起因する抵抗と考えればよい。この抵抗値を大きくすれば、式（１）に基づいて減衰時定数τを短くすることができる反面、整流器には定常時に系統電流が流れるため定常時の電力損失を増加させることになる。
【０００９】
したがって、従来の整流型限流装置では、事故後に整流器ブリッジ内に誘起されている循環電流が残っているため、事故後に遮断器４を再投入した後の事故に対して、十分な限流効果が得られないという課題があった。
【００１０】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、事故後の整流器ブリッジ内に誘起されている循環電流を短時間で減衰させ、遮断器再投入後にも限流機能を損なうことのない限流装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明では、電力系統に接続されるブリッジ型の整流回路と、このブリッジ型の整流回路における２直列整流器のそれぞれの電気的中間点を互いに接続し、かつ前記電力系統の短絡および地絡事故時に急激に変動する電流を抑制する限流手段とを備えた限流装置において、前記限流手段は、コイルと、このコイルに直列に接続されかつ電流に対して非線形性の電圧特性を有し、事故時過電流が流れると抵抗が増加する非線形素子とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項１記載の発明によれば、限流手段が電流に対して非線形性の電圧特性を有する非線形素子を備えたことにより、事故電流が流れたときに非線形素子に抵抗を発生させることにより、上記（１）式の抵抗項Ｒを増加させて、循環電流の減衰時間を短くすることができる。
【００１３】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の限流装置において、請求項１記載の限流装置において、前記非線形素子は、電流に対して非線形性の電圧特性を有する超電導導体であり、前記電力系統の系統事故時に抑制する電流設定値を、前記超電導導体の臨界電流値よりも高い値に設定したことを特徴とする。
【００１４】
請求項２記載の発明によれば、非線形性の電圧特性を有する導体として、超電導導体を用い、系統事故時に抑制される電流設定値を前記超電導導体の臨界電流値よりも高い値に設定することにより、事故電流が流れたときに超電導導体に常伝導抵抗を発生させることにより、上記（１）式の抵抗項Ｒを増加させて、循環電流の減衰時間を短くすることができる。
【００１５】
請求項３記載の発明では、請求項１または２記載の限流装置において、請求項１または２記載の限流装置において、前記コイルまたは非線形素子が超電導導体で形成されたことを特徴とする。
【００１６】
請求項３記載の発明によれば、請求項２と同様に事故電流が流れたときに超電導導体に常伝導抵抗を発生させることにより、循環電流の減衰時間を短くすることができる。
【００１７】
請求項４記載の発明では、請求項１記載の限流装置において、請求項１記載の限流装置において、前記限流手段は、前記コイルと非線形素子からなるユニットを複数並列および複数直列のいずれかに接続されたことを特徴とする。
【００１８】
請求項４記載の発明によれば、限流手段を複数並列に接続したことにより、一つの限流手段の通電電流の負担を１／Ｎ（正の整数）とし、限流手段を複数直列に接続したことにより、一つの限流手段の耐電圧の負担を１／Ｍ（正の整数）とすることができる。
【００１９】
請求項５記載の発明では、請求項１記載の限流装置において、請求項１記載の限流装置において、前記限流手段は、円筒形状の巻枠にテープ形状の線材を複数枚重ね合わせるとともに巻線して巻線ユニットを構成し、この巻線ユニットを同心円状に複数層配置し、前記巻線ユニット間で、前記線材の重ね合わせる順序が異なるように接続され、前記巻線ユニットのコイルの両端が電極を介して前記整流器に接続されたことを特徴とする。
【００２０】
請求項５記載の発明によれば、巻線ユニット間で、線材の重ね合わせる順序を異なるように接続したことにより、線材間での電流分配の均一化を図ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
［第１実施形態］
図１は本発明に係る限流装置の第１実施形態を示す回路図である。なお、従来の構成と同一または対応する部分には、図１１と同一の符号を用いて説明する。以下の実施形態も同様である。
【００２３】
図１に示すように、整流型限流装置は、電力系統に接続される４アームの整流器２からなるブリッジ型の整流回路１と、この整流回路１のブリッジ中における２直列整流器のそれぞれの電気的中間点を互いに接続する限流手段としての限流器５とから構成されている。
【００２４】
この限流器５は、コイル３と、電流に対して非線形性の電圧特性を有する非線形素子としての非線形抵抗６とを備えている。ここで、図１において非線形抵抗６は、図１に示す回路においてコイル３に直列に接続されているものの、実際上、非線形抵抗６は、コイル３自体が抵抗特性を有する超電導導体を巻線して構成され、臨界電流値を超えたときに発生する非線形抵抗のことである。なお、本実施形態およびその他の実施形態では、非線形抵抗６をこのように構成されたものについて説明する。そして、非線形抵抗６には超電導導体が用いられ、系統事故時に抑制する電流設定値が上記超電導導体の臨界電流値よりも高い値に設定されている。
【００２５】
また、限流器５は、定常時に電力系統の交流電流の波高値相当の直流電流が流れるためコイル３のインダクタンスが作用しないが、電力系統の短絡あるいは地絡事故時には電流を急激に変動させようとする電圧に対してコイル３のインダクタンスが作用して事故電流を抑制する。
【００２６】
図２は図１の非線形抵抗６の系統電流依存性を示す図である。本実施形態では、例えば、定常時の系統電流として３〜６ｋＡ程度を考えている。この範囲では、非線形抵抗６の抵抗値は０である。ところが、非線形抵抗６は、それ以上の過電流が流れると、急激に抵抗が増加する非線形性を示している。
【００２７】
また、非線形性の電圧特性を有する非線形抵抗６には、上記のように超電導導体が用いられ、系統事故時に抑制する電流設定値を上記超電導導体の臨界電流値の１．０〜３．０倍としている。
【００２８】
さらに、非線形抵抗６は、超電導導体として、具体的にＮｂＴｉ、Ｎｂ３Ｓｎなどの金属系超電導導体あるいはＢｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８，Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０，ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ６などの高温超電導導体（酸化物超電導導体）が用いられ、常電導抵抗を用いている。
【００２９】
このように本実施形態によれば、限流器５が電流に対して非線形性の電圧特性、すなわち抵抗特性を有する導体を巻線したコイル３を具備したことにより、事故電流が流れたときにコイル３に抵抗を発生させることにより、上記（１）式の抵抗項Ｒを増加させて、循環電流の減衰時間τを短くすることができる。
【００３０】
また、本実施形態によれば、非線形抵抗６は系統事故時に抑制する電流設定値を上記超電導導体の臨界電流値よりも高い値に設定したことにより、事故電流が流れたときに限流器５のコイル３に超電導導体の常伝導抵抗を発生させることにより、上記（１）式の抵抗項Ｒを増加させて、循環電流の減衰時間τを短くすることができる。
【００３１】
さらに、本実施形態によれば、非線形抵抗６は、超電導導体として、具体的にＮｂＴｉ、Ｎｂ３Ｓｎなどの金属系超電導導体あるいはＢｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８，Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０，ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ６などの高温超電導導体（酸化物超電導導体）を用いたことにより、循環電流の減衰時間を短くすることができる。
【００３２】
［第２実施形態］
図３は本発明に係る限流装置の第２実施形態が適用される冷却装置を示す構成図である。
【００３３】
図３に示すように、外槽容器１０と冷却手段としての低温冷媒１１を収容した内槽容器１２との間には、真空断熱槽１３が設けられ、この真空断熱槽１３により内槽容器１２が外槽容器１０に対して熱的に遮蔽されている。内槽容器１２内の低温冷媒１１中には、非線形性の電圧特性を有する超電導導体からなるコイル３が浸漬され、このコイル３には電流リード部１４が電気的に接続され、この電流リード部１４を通してコイル３に電流が流れる。
【００３４】
したがって、コイル３は、低温冷媒１１中に浸漬して冷却されているので、常電導抵抗発生後に冷却することができる。
【００３５】
また、外槽容器１０および内槽容器１２は蓋体１５により密閉され、この蓋体１５上に冷凍機１６が設置されている。この冷凍機１６は真空断熱槽１７を介して低温冷媒１１中に設置された伝熱板１８を冷却する。そして、内槽容器１２内の上部には固体断熱槽１９が配設されている。
【００３６】
さらに、内槽容器１２内の低温冷媒１１中には、蓋体１５を貫通して冷媒供給配管２０が導入されるとともに、冷媒排出配管２１および圧力調整配管２２がそれぞれ蓋体１５を貫通して伝熱板１８の上部に導かれている。
【００３７】
なお、低温冷媒１１としては、ＬＮＧ（液化天然ガス），メタン，酸素，アルゴン，窒素，ネオン，水素，ヘリウムのいずれか一種あるいはこれらから選択された２種以上の混合液体が用いられる。
【００３８】
図４は第２実施形態の抵抗の電流依存性を示す図である。
【００３９】
超電導導体の電圧・電流特性を示す指標にｎ値と呼ばれる値がある。これは、下式のように電圧が、電流のｎ乗に比例する式として表される。
【００４０】
【数２】
Ｖ＝Ｖ０（Ｉ／Ｉｃ）ｎ  ……（２）
【００４１】
これに従い、抵抗の電流依存性を示したのが図４である。臨界電流値Ｉｃは６ｋＡとした。臨界電流以下では、抵抗はほとんど０であるが、臨界電流値を超えた後は急激な抵抗増加が得られている。
【００４２】
このように本実施形態によれば、コイル３は常電導抵抗発生後に冷却するために低温冷媒１１中に浸漬されているので、循環電流の減衰時間を短く、かつ遮断器の再投入時に超電導導体で構成されるコイル３も十分に冷却することができる。
【００４３】
［第３実施形態］
図５は本発明に係る限流装置の第３実施形態を示す回路図である。
【００４４】
本実施形態では、限流器５が複数（３個）並列に接続されている。したがって、本実施形態では、コイル３の所定インダクタンスのＮ（正の整数）倍のインダクタンスを有するＮ個の限流器５を並列接続することにより、一つの限流器５における通電電流の負担を１／Ｎにすることができる。
【００４５】
［第４実施形態］
図６は本発明に係る限流装置の第４実施形態を示す回路図である。
【００４６】
本実施形態では、限流器５が複数（３個）直列に接続されている。したがって、本実施形態では、コイル３の所定インダクタンスの１／Ｍ（正の整数）倍以下のインダクタンスを有するＭ個の限流器５を直列接続することにより、一つの限流器５における耐電圧の負担を１／Ｍにすることができる。
【００４７】
［第５実施形態］
図７（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る限流装置の第５実施形態のコイルを示す斜視図，平面図である。
【００４８】
図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、電流に対して非線形性の電圧特性を有するコイル３は、円筒形状の巻枠２５にテープ形状の線材２６を複数枚重ねた導体を巻線してできる１層分の巻線部を１つの巻線ユニット２７として構成すると共に、コイル巻線の異なる巻線ユニット２７を複数（本実施形態では３個）用意し、同心円上に複数層（３層）配置して構成する。
【００４９】
本実施形態では、上記のように導体が線材２６を重ね合わせる枚数は３である。３枚の線材２６を外側からａ，ｂ，ｃとして、それぞれ巻線を固定する電極２８を２８ａ，２８ｂ，２８ｃとする。それぞれの巻線ユニット２７には、巻始めと巻終わりの２箇所に電極２８があり、それぞれの電極について線材分の電極２８ａ，２８ｂ，２８ｃが用意される。
そして、本実施形態では、巻線ユニット２７の外側からの電極接続は、２８ａ−２８ｂ−２８ｃ，２８ｂ−２８ｃ−２８ａ，２８ｃ−２８ａ−２８ｂの順に重ね合わせて構成している。最内層に位置する巻線ユニットの片側の電極２８、この場合最内層の電極２８ａ，２８ｂ，２８ｃがコイル５の片端に相当し整流器２に接続される。最外層に位置する巻線ユニットの片側の電極２８、この場合最外層の電極２８ａ，２８ｂ，２８ｃがコイル５のもう一方の片端に相当し非線形抵抗６を介して整流器２に接続される。
したがって、本実施形態によれば、巻線ユニット２７間において、テープ形状の線材２６の重ね合わせる順序が異なるように接続したことにより、線材２６間での電流分配の均一化を図ることができる。
【００５０】
［第６実施形態］
図８は本発明に係る限流装置の第６実施形態のコイルを示す斜視図である。
【００５１】
図８に示すように、電流に対して非線形性の電圧特性を有するコイル３において、３枚のテープ状の線材２６ａ，２６ｂ，２６ｃは、それぞれ四ふっ化エチレン樹脂やポリイミドなどの絶縁材料が被覆されている。これとは別に巻枠２５に３枚のテープ状の線材２６ａ，２６ｂ，２６ｃを巻線する際にエポキシ樹脂などの含浸材料を線材２６ａ，２６ｂ，２６ｃ間に塗布することにより、テープ形状の線材２６ａ，２６ｂ，２６ｃ間をそれぞれ電気的に絶縁するようにしてもよい。
【００５２】
このように本実施形態によれば、３枚のテープ状の線材２６ａ，２６ｂ，２６ｃは、それぞれ四ふっ化エチレン樹脂やポリイミドなどの絶縁材料を被覆するか、または線材２６ａ，２６ｂ，２６ｃを巻線する際にエポキシ樹脂などの含浸材料を線材２６ａ，２６ｂ，２６ｃ間に塗布することにより、テープ形状の線材２６ａ，２６ｂ，２６ｃ間をそれぞれ電気的に絶縁し、線材２６ａ，２６ｂ，２６ｃ同士の結合を防止することができる。
【００５３】
［第７実施形態］
図９に基づいて本発明に係る限流装置の第７実施形態を説明する。
【００５４】
図９は６６ｋＶ系について行った系統解析から得られた結果であり、整流型限流器のコイル３のインダクタンスと事故後１３０ｍｓ後の電流として定義された限流電流との関係を示している。
【００５５】
図９によれば、インダクタンスを０．６Ｈ（６００ｍＨ）以下とすることで、臨界電流とした６ｋＡを超えて常電導抵抗を発生させることができる。なお、０．０１Ｈ（１０ｍＨ）は限流効果を得ることの可能な最小値である。
【００５６】
このように本実施形態によれば、６６ｋＶの系統で使用される際、三相各相に接続されるコイル３のインダクタンスを１０ｍＨ以上６００ｍＨ以下とすることにより、抑制電流を約３０ｋＡ以下にすることができる。
【００５７】
［第８実施形態］
図１０は本発明に係る限流装置の第８実施形態を示す回路図である。
【００５８】
図１０に示すように、本実施形態では、図１に示す回路と直列に開閉スイッチ３２を接続し、かつこれらの回路と並列に第２のコイル３４を接続する。
【００５９】
すなわち、本実施形態では、４アームの整流器２からなるブリッジ型の整流回路１と、この整流回路１の２直列のそれぞれの電気的中間点を互いに接続する限流器５からなる回路に、直列に開閉スイッチ３３を接続し、かつこれらの回路と並列に第２のコイル３４を接続する。
【００６０】
したがって、遮断器４が制御シーケンスによって開くよりも早く、開閉スイッチ３３を開いて、事故電流を第２のコイル３４側に流すようにしている。これにより、コイル３の抵抗発熱による負担を低減させることができる。
【００６１】
また、本実施形態では、コイル３と第２のコイル３４のインダクタンスを、ほぼ等しくすることにより、限流動作をコイル３から第２のコイル３４に引き渡したときの限流効果をスムーズに移行させることができる。さらに、定常時には、インピーダンスを有するコイル３４へ電流は流れない。
【００６２】
このよう本実施形態によれば、ブリッジ型の整流回路１と直列に開閉スイッチ３３を接続し、かつこれらの回路と並列にコイル３４を接続したことにより、超電導コイルが事故時に系統に繋がる時間を短縮し、限流効果を第２のコイル３４に引き渡すことにより、超電導コイル部での発熱を低減させることができる。
【００６３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々の変更が可能である。例えば、上記各実施形態では、非線形抵抗６が抵抗特性を有する超電導導体を巻線してコイル３を構成し、このコイル３が臨界電流値を超えたときに発生する非線形抵抗としたが、これに限らず限流器５が電流に対して非線形性の電圧特性を有する非線形素子を備えてもよく、また限流器５がコイル３に超電導導体からなる非線形抵抗を直列に接続したものでもよい。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、限流手段が電流に対して非線形性の電圧特性を有する非線形素子を備えたことにより、事故後の整流器ブリッジ内に誘起されている循環電流を短時間で減衰させて、遮断器再投入後にも限流機能を損なうことのない限流装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る限流装置の第１実施形態を示す回路図。
【図２】  図１の非線形抵抗の系統電流依存性を示す図。
【図３】  本発明に係る限流装置の第２実施形態が適用される冷却装置を示す構成図。
【図４】  第２実施形態の抵抗の電流依存性を示す図。
【図５】  本発明に係る限流装置の第３実施形態を示す回路図。
【図６】  本発明に係る限流装置の第４実施形態を示す回路図。
【図７】  （Ａ），（Ｂ）は本発明に係る限流装置の第５実施形態のコイルを示す斜視図，平面図。
【図８】  本発明に係る限流装置の第６実施形態のコイルを示す斜視図。
【図９】  本発明の第７実施形態においてコイルのインダクタンスと事故後の電流として定義された限流電流との関係を示す図。
【図１０】  本発明に係る限流装置の第８実施形態を示す回路図。
【図１１】  従来の限流装置を示す回路図。
【符号の説明】
１  ブリッジ型の整流回路
２  整流器
３  コイル
４  遮断器
５  限流器（限流手段）
６  非線形抵抗
１０  外槽容器
１１  低温冷媒
１２  内槽容器
１３  真空断熱槽
１４  電流リード部
１５  蓋体
１６  冷凍機
１７  真空断熱槽
１８  伝熱板
１９  固体断熱槽
２０  冷媒供給配管
２１  冷媒排出配管
２２  圧力調整配管
２５  巻枠
２６  線材
２７  巻線ユニット
２８，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ  電極
３１  抵抗
３２  導電性材料
３３  開閉スイッチ
３４  第２のコイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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