故障電流リミッター

故障電流制限装置（FCL）は故障電流制御装置（FCC）^[1]とも呼ばれ、故障が発生したときに（例えば送電網で）完全な遮断をせずに予想される故障電流を制限する装置である。この用語には超伝導装置、固体装置、誘導装置が含まれる。^[2]

電力配電システムには、障害が発生した場合に電力を遮断するための回路ブレーカーが含まれていますが、信頼性を最大限に高めるために、ネットワークの切断部分をできるだけ小さくする必要があります。つまり、最小の回路ブレーカーとそれに接続するすべての配線でも、大きな障害電流を遮断できなければなりません。^{[引用が必要]}

新たな発電能力の追加や交差接続の追加によって電力供給がアップグレードされると、問題が発生します。これにより供給可能な電力量が増加するため、すべての分岐回路のバスバーと回路ブレーカーをアップグレードして、新しいより高い故障電流制限に対応できるようにする必要があります。^{[引用が必要]}

これは、風力発電所や屋上太陽光発電などの分散型発電を既存の電力網に追加する場合、特に問題となります。システム全体の大規模なアップグレードを行わずに、追加の電源を追加できることが望ましいです。^{[引用が必要]}

簡単な解決策は、回路に電気インピーダンスを追加することです。これにより、電流の増加率が制限され、ブレーカーが開く前に故障電流が上昇できるレベルが制限されます。ただし、これにより、急速に変化する需要を満たす回路の能力も制限されるため、大きな負荷の追加または削除によって電力が不安定になります。^[要出典]

故障電流リミッターは非線形要素であり、通常の電流レベルではインピーダンスが低いが、故障電流レベルではインピーダンスが高くなります。さらに、この変化は非常に急速で、数ミリ秒後に回路遮断器が作動します。(高出力回路遮断器は、アーク放電を最小限に抑えるために交流電流のゼロ交差に同期します。) ^{[引用が必要]}

故障中は電力が不安定になりますが、完全に遮断されるわけではありません。故障した分岐が遮断されると、故障電流制限装置は自動的に通常の動作に戻ります。^[要出典]

超伝導故障電流制限器は、温度、電流密度、磁場の臨界組み合わせを超えると超伝導性が極めて急速に失われる現象（「クエンチング」と呼ばれる）を利用します。通常の動作では、電流は超伝導体を通じて抵抗なく流れ、インピーダンスは無視できます。 ^[要出典]

故障が発生すると、超伝導体は消滅し、抵抗が急激に上昇し、電流は望ましい高インピーダンスの並列回路に流されます。(この構造は、常伝導の超伝導材料の抵抗が十分高くないため、回路遮断器として使用できません。材料を溶かすのに十分な加熱を引き起こすのに十分な抵抗しかありません。) ^{[引用が必要]}

超伝導故障電流制限装置は、抵抗型と誘導型の 2 つの主要なカテゴリのいずれかに分類されます。

抵抗性 FCL では、電流は超伝導体を直接通過します。クエンチすると、抵抗が急激に上昇し、故障電流が本来の故障電流 (予測故障電流) よりも減少します。抵抗性 FCL はDCまたはAC のいずれかです。AC の場合、AC 損失 (超伝導ヒステリシス損失)による安定した電力消費があり、これを極低温システムで除去する必要があります。AC FCL は通常、非誘導的に巻かれたワイヤで作られています。そうでない場合、デバイスのインダクタンスによって、システムに余分な一定の電力損失が発生します。^{[引用が必要]}

誘導性 FCL にはさまざまな種類がありますが、基本的な概念は、二次側として抵抗性 FCL を備えた変圧器です。故障のない動作では、二次側に抵抗がないため、デバイスのインダクタンスは低くなります。故障電流により超伝導体がクエンチされ、二次側が抵抗性になり、デバイス全体のインダクタンスが上昇します。この設計の利点は、電流リード線を通じて超伝導体に熱が侵入しないため、極低温電力負荷が低くなる可能性があることです。ただし、大量の鉄が必要になるため、誘導性 FCL は抵抗性 FCL よりもはるかに大きく、重くなります。このタイプの HTS FCL ^{[ permanent dead link ]}の最初の成功したフィールドテストは、2009 年に Zenergy Power plc の一部門である SC Power Systems によって行われました。

クエンチプロセスは2段階のプロセスです。まず、高電流密度に反応して小さな領域が直接クエンチします。このセクションはジュール熱によって急速に加熱され、温度上昇によって隣接する領域がクエンチされます。^{[プロモーション? ]} GridON Ltdは、配電網および送電網用の最初の商用誘導性FCLを開発しました。超伝導または極低温コンポーネントを必要としない磁束変更の独自の特許取得済みコンセプトを使用して、自己トリガーFCLは故障時にインピーダンスを瞬時に10倍に増加します。故障電流をその全期間にわたって制限し、その後すぐに通常の状態に回復します。この誘導性FCLは、超高電圧定格に拡張可能です。^[3]

FCL は現在も活発に開発が進められています。2007 年には、少なくとも 6 件の国内および国際プロジェクトで二ホウ化マグネシウム線またはYBCOテープが使用され、2 件のプロジェクトではBSCCO -2212 ロッドが使用されました。FCL の開発が活発に行われている国は、ドイツ、英国、米国、韓国、中国です。2007 年、米国エネルギー省は 3 件の FCL 開発プロジェクトに 2,900 万ドルを費やしました。^{[引用が必要]}

実用的な FCL には高温超伝導体が必要です。交流損失により超伝導体内に一定の熱が発生し、低温超伝導体に必要な液体ヘリウム温度での極低温冷却のコストにより、装置全体が不経済になります。^[要出典]

FCL の最初の用途は、中電圧配電システムの制御に使用され、その後、海軍艦艇、潜水艦、クルーズ船などの電気駆動船舶に使用される可能性があります。最終的には、より大型の FCL が高電圧送電システムに導入される可能性があります。^{[引用が必要]}

• 電流制限
• 電力システム保護
• 超伝導
  • 二ホウ化マグネシウム
  • YBCO

• 超伝導故障電流制限装置
• 英国政府による2007年FCL報告書
• 高温超伝導故障電流制限装置：概念、用途、開発状況
• 故障電流制限装置とその種類
• 2012年：YBCOテープFCLがドイツの民間送電網で稼働開始