特表 2024-537268 臨界再閉路時間を推定する機能を有する高圧トリガパルス閉鎖装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-10-10

(54)【発明の名称】臨界再閉路時間を推定する機能を有する高圧トリガパルス閉鎖装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 9/00 20060101AFI20241003BHJP

【ＦＩ】

H02P9/00 B

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024521349

(86)(22)【出願日】2022-07-29

(85)【翻訳文提出日】2024-06-04

(86)【国際出願番号】 US2022038758

(87)【国際公開番号】W WO2023059395

(87)【国際公開日】2023-04-13

(31)【優先権主張番号】63/253,359

(32)【優先日】2021-10-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】505153993

【氏名又は名称】エス アンド シー エレクトリック カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100123869

【弁理士】

【氏名又は名称】押田 良隆

(72)【発明者】

【氏名】カザーレ．エドガー

(72)【発明者】

【氏名】エニス．マイケル．ジー

(72)【発明者】

【氏名】シャロン．ヨアヴ

(72)【発明者】

【氏名】ヤドゥスキー．ウィリアム

【テーマコード（参考）】

5H590

【Ｆターム（参考）】

5H590AA09

5H590CE01

5H590HA02

5H590HA06

5H590HA07

5H590HA09

5H590HA10

5H590KK06

5H590KK08

(57)【要約】

発電機が不安定化しないように、スイッチを開放して故障を除去した後、故障の存在の有無を判断するパルス検査を行う最適時間を決定するシステム及び方法を提供する。当該方法は、故障を検出する工程と、スイッチを開放して故障を除去する工程と、スイッチを開放した後に所定のシステムデータ及びパラメータに基づき故障が継続して存在しているかを判断するパルス検査の実施最適時間を、発電機が不安定化し得る早いタイミングでパルス検査が行われないように決定する工程と、当該最適時間にパルス検査を行い、前記故障の存在の有無を判断する工程を含む。当該最適時間の決定には、先験的知識又はリアルタイム動態など、利用可能なシステムデータ及び情報を利用できる。また当該方法では、前記故障が存在しない場合、再閉路動作を行う所望時間を決定する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力システムにおける故障の継続的な存在を検査し、発電機の不安定化を防ぐ方法であって、
前記故障を検出する工程と、
スイッチを開放して前記故障を除去する工程と、
前記スイッチを開放した後に所定のシステムデータ及びパラメータに基づき前記故障が継続して存在しているかを判断するパルス検査を行う最適時間を、発電機が不安定化し得る早いタイミングで前記パルス検査が行われないように決定する工程と、
前記最適時間に前記パルス検査を行い、前記故障の存在の有無を判断する工程と、
前記故障が存在しない場合、所望の時間で再閉路動作を行う工程と
を含むことを特徴とする方法。

【請求項2】

前記パルス検査を行う最適時間を決定する工程が、システム挙動の先験的知識に基づき、前記パルス検査の時間を決定することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記パルス検査を行う最適時間を決定する工程が、所定のシステムパラメータとそれらの関連から、リモート発電機のロータ角度、バス電圧角度、有効・無効電力潮流、及び周波数を推定することを含む、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記パルス検査を行う最適時間を決定する工程が、リアルタイムで前記パルス検査の時間を決定することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記パルス検査を行う最適時間を決定する工程が、リモート発電機のロータ角度、バス電圧角度、有効・無効電力潮流、及び周波数を検出することを含む、請求項４に記載の方法。

【請求項6】

前記パルス検査で前記故障が未だ存在すると示された場合、前記スイッチによる再閉路動作を防止する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記パルス検査が真空トリガギャップ（ＴＶＧ）装置で行われる、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記電力システムが高圧送電システムである、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

高圧送電システムにおける故障の継続的な存在を検査し、発電機の不安定化を防ぐ方法であって、
前記故障を検出する工程と、
スイッチを開放して前記故障を除去する工程と、
前記スイッチを開放した後に所定のシステムデータ及びパラメータに基づき前記故障が継続して存在しているかを判断するパルス検査を行う最適時間を、発電機が不安定化し得る早いタイミングで前記パルス検査が行われないように決定する工程と、
前記最適時間に真空トリガギャップ（ＴＶＧ）装置を用いて前記パルス検査を行い、前記故障の存在の有無を判断する工程と、
前記パルス検査で前記故障が未だ存在すると示された場合、前記スイッチによる再閉路動作を防止し、前記パルス検査で前記故障が存在しないと示された場合、前記スイッチによる再閉路動作を許可する工程と
を含むことを特徴とする方法。

【請求項10】

前記パルス検査を行う最適時間を決定する工程が、所定のシステムパラメータとそれらの関連から、リモート発電機のロータ角度、バス電圧角度、有効・無効電力潮流、及び周波数を推定することを含む、システム挙動の先験的知識に基づき、前記パルス検査の時間を決定することを含む、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記パルス検査を行う最適時間を決定する工程が、リモート発電機のロータ角度、バス電圧角度、有効・無効電力潮流、及び周波数を検出することを含み、リアルタイムで前記パルス検査の時間を決定することを含む、請求項９に記載の方法。

【請求項12】

電力システムにおける故障の継続的な存在を検査し、発電機の不安定化を防ぐシステムであって、
前記故障を検出する手段と、
スイッチを開放して前記故障を除去する手段と、
前記スイッチを開放した後に所定のシステムデータ及びパラメータに基づき前記故障が継続して存在しているかを判断するパルス検査を行う最適時間を、発電機が不安定化し得る早いタイミングで前記パルス検査が行われないように決定する手段と、
前記最適時間に前記パルス検査を行い、前記故障の存在の有無を判断する手段と、
前記故障が存在しない場合、所望の時間で再閉路動作を行う手段と
を含むことを特徴とするシステム。

【請求項13】

前記パルス検査を行う最適時間を決定する手段が、システム挙動の先験的知識に基づき、前記パルス検査の時間を決定する、請求項１２に記載のシステム。

【請求項14】

前記パルス検査を行う最適時間を決定する手段が、所定のシステムパラメータとそれらの関連から、リモート発電機のロータ角度、バス電圧角度、有効・無効電力潮流、及び周波数を推定する、請求項１２に記載のシステム。

【請求項15】

前記パルス検査を行う最適時間を決定する手段が、リアルタイムで前記パルス検査の時間を決定する、請求項１２に記載のシステム。

【請求項16】

前記パルス検査を行う最適時間を決定する手段が、リモート発電機のロータ角度、バス電圧角度、有効・無効電力潮流、及び周波数を検出する、請求項１２に記載のシステム。

【請求項17】

前記パルス検査で前記故障が未だ存在すると示された場合、前記スイッチによる再閉路動作を防止する手段をさらに含む、請求項１２に記載のシステム。

【請求項18】

前記パルス検査が真空トリガギャップ（ＴＶＧ）装置で行われる、請求項１２に記載のシステム。

【請求項19】

前記電力システムが高圧送電システムである、請求項１２に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年１０月７日に出願された米国仮特許出願第６３／２５３，３５９号に基づく優先権の利益を主張するものであり、その開示全体はその目的を問わず参照により本明細書に明示的に組み込まれる。

【0002】

本発明は、一般に、スイッチを開放して故障を除去した後に故障が回路に存在するか否かを判断するパルス検査の実施最適時間を決定して発電機の不安定化を防止し、且つ故障が存在しなかった場合に回路に再通電する最適時間を決定するシステム及び方法に関する。

【背景技術】

【0003】

電力ネットワークは電力系統と呼ばれることが多く、通常、ガスタービン、原子炉、石炭火力発電機、水力発電ダムなど多くの発電機を有する多数の発電所を含む。発電所は様々な中電圧で電力を供給し、変圧器によって高圧交流信号に昇圧され、通常は地域内にある多数の変電所に電力を供給する高圧送電線に接続され、変圧器によって中電圧に降圧されて配電される。変電所は、様々な配電変圧器や側線接続に中電圧を供給する３本の単相給電線を含む多数の三相給電線に、中圧電力を供給する。多数の三相及び単相の側線は、様々な配電変圧器に中電圧を供給する給電線から分岐され、ここで電圧は低電圧に降圧され、家庭や企業などの負荷に供給される。上記のタイプの電力ネットワークは、通常、ネットワークを介した電力の流れを制御する、スイッチング装置、ブレーカ、再閉路装置、断続器などを含む。

【0004】

動物による電線の接触、落雷、電線上の枝木の落下、車両の電柱衝突など様々な要因で、定期的に電力ネットワークに障害が生じる。このような障害によって短絡が生じ、ネットワークの負荷が増大すると、変電所からの電流の流れが故障経路に沿って大幅に増加し、例えば通常の何倍もの電流が流れることがある。この電流量により、電線が著しく加熱され、場合によっては溶融し、更には変電所やネットワーク内の様々な構成部品に機械的損傷を与える可能性がある。多くの場合、このような故障は、永久故障又はボルテッド故障（ｂｏｌｔｅｄ ｆａｕｌｔ）ではなく、一時的または断続的な故障であり、例えば落雷など、故障の原因となったものが故障発生後短時間で取り除かれ、配電ネットワークはほぼすぐに正常に作動し始める。

【0005】

迅速に故障を除去することは、電力系統の過渡安定度を改善又は維持しながら、同時に機器に損傷を与える可能性のある通過電流（ｌｅｔ－ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｕｒｒｅｎｔ）を制限する最も効果的な技術の１つとして広く受け入れられている。故障が最初に除去された後、できるだけ早く再閉路を行うことは、回路が故障前の構成に戻ることにより、ネットワーク安定性の維持又は回復に有効である。従来の再閉路は故障が除去されている場合に限り最も効果的であるが、そうでない場合は、ハードウェアによる再閉路（ｈａｒｄ－ｒｅｃｌｏｓｅ）が試行されるたびに全故障電流が再適用される。特に利用可能な故障電流が数万アンペアにもなる場合がある高電圧ネットワークでは、永久故障への再閉路により、ネットワークの不安定性が生じたり、悪化したりする可能性がある。このように利用可能な故障電流が大きいと、電力系統機器に即時又は潜在的に損傷を与える可能性もある。高電圧ネットワークのネットワークインピーダンスが特徴的に低いと、利用可能な故障電流が急速に増加することもあり、これは、故障電流が極めて迅速に遮断されない限り瞬く間に損傷を与えるレベルに達することを意味する。

【0006】

極めて迅速に故障を除去するために、下流側で電力の流れを許可又は防止するスイッチを備えた、再閉路装置（ｒｅｃｌｏｓｅｒ）などの故障遮断器がしばしば提供される。再閉路装置は、給電線の電流と電圧を検出して電流の流れを監視し、故障の検出などネットワーク回路上の問題箇所を探す。故障電流が検出されると、それに応じて再閉路装置が開き、その後少し遅れて、故障が未だ存在するか否かを判断するプロセスにおいて閉じる。再閉路装置が閉じた状態のときに故障電流が流れると、再閉路装置は直ぐに開き、その後の開閉動作中に故障電流が再度又は２回以上検出された場合、再閉路装置は開いたままとなり、検査のたびに検査間隔が長くなる場合がある。

【0007】

パルス検査技術を用いた再閉路式の装置が知られており、この装置ではスイッチ接点の開閉がパルス方式で行われ、パルスは通常電流サイクル未満であるため、故障が未だ存在するか否かを再閉路装置が判断する検査を行っている間は、全故障電流がネットワークに印加されない。パルス閉鎖技術（Ｐｕｌｓｅ ｃｌｏｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）は、再閉路装置の検査中にネットワーク機器にかかる故障電流ストレスを大幅に低減することに成功している。しかしながら、このような短いパルス持続時間を生成するために必要なスイッチング装置は、比較的複雑で高価である。例えば、パルスを発生させるために用いられる真空インタラプタは２つの磁気アクチュエータを使用することが多く、１つは接触子同士を閉じるためのものであり、もう１つは開アクチュエータの移動質量を用いて接触子を素早く開き、閉アクチュエータの方向を逆転させるためのものであることは、当業者には十分理解されていよう。

【0008】

パルス検査に使用する、可動部品不要のスイッチング機構として、真空トリガギャップ（ｔｒｉｇｇｅｒｅｄ ｖａｃｕｕｍ ｇａｐ：ＴＶＧ）装置を採用することが提案されている。典型的なＴＶＧ装置は、真空チャンバ内に配置された２つの固定主電極を含み、主真空ギャップがこれらの電極間に画定される。またＴＶＧ装置は、トリガ電極などのトリガ要素を含み、トリガ電極と対応主電極との間に真空トリガギャップが設けられる。トリガギャップは、その破壊電圧が主真空ギャップの破壊電圧よりもはるかに低くなるように、主真空ギャップよりはるかに短い長さで設計される。トリガギャップの破壊電圧をさらに低くするために、セラミックなどの絶縁体でブリッジすることができる。十分に高いトリガ電圧インパルスがトリガギャップを越えて主電極とトリガ電極に印加されると、トリガギャップが破壊される。トリガギャップを越えたこの破壊により、プラズマ雲が発生し、それにより１００万分の１秒にも満たない間に主真空ギャップ内に伝搬して主真空ギャップの破壊が生じる。ＴＶＧ装置のこの状態が、スイッチの閉状態である。ＴＶＧ装置に電流が流れ始めると、電極上の交流電流信号がゼロクロス点を通過するまで流れ続け、この状態になると、プラズマは真空によって消滅し、アークは消弧する。このように真空チャンバ内でプラズマを点火することができるため、ＴＶＧ装置が導通するタイミングを厳密に、即ちマイクロ秒オーダーで制御することができる。さらに、電極の移動がないため、正確な機械的作動は要求されない。

【0009】

ＴＶＧ装置は、主真空ギャップを横切る電圧がわずか数ｋＶという比較的低い電圧でも容易にかつ正確にトリガ可能であるため、スイッチを効果的に閉じるプラズマ雲の生成に伴う遅延を、パルス検査の所望の時点から数マイクロ秒以内に厳密に制御することができる。トリガギャップが電流を導通すると、最初のライン周波ゼロクロス（ｆｉｒｓｔ ｌｉｎｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｚｅｒｏ－ｃｒｏｓｓｉｎｇ）の大電流でも遮断することができ、電流遮断直後に主電極間に高耐電圧をもたらすことができる。当該機能は強力であるが、一般に、パルス電力用途にのみ使用され、同期閉極用途の電力系統には使用されていない。より具体的に、ＴＶＧ装置は、高周波電流を遮断するだけでなく、高周波電流ゼロクロスのライン周波電流も遮断する優れた機能を有している。当該機能は、電力系統のスイッチング動作中に浮遊容量やインダクタンスの充放電によって高周波電流が発生するため重要である。このような高周波過渡電流は通常極めて急速に減衰し、ほとんどの場合、機械式スイッチで閉動作を行う際に気づかれることさえない。しかしながら、ＴＶＧ装置の場合、高周波電流のゼロクロスによってパルス検査中にプラズマアークが早期に消弧されるという望ましくない影響を及ぼす可能性がある。ＴＶＧ装置は、当該装置で電流がパルス生成されてから１００マイクロ秒以内に発生するいくつかの高周波電流ゼロのうちの１つの電流を遮断する可能性が高い。電流遮断は、真空アーク、ｄｉ／ｄｔ、接点材料などの物理的プロセスに依存する統計的事象である。高周波電流のゼロクロスによってプラズマアークが消弧した場合、ＴＶＧ装置を再トリガしなければならないが、高周波過渡電流が再び発生して、ＴＶＧ電流に電流ゼロクロスが発生し、再びＴＶＧ電流が遮断される可能性がある。

【0010】

ＴＶＧ装置のプラズマアークと高周波電流のゼロクロスを通る電流導通が制御された方法で維持することが可能であれば、ＴＶＧ装置により導通が停止されることはないであろう。トリガから数百マイクロ秒後、ＴＶＧ装置のライン周波電流は十分に高くなり、高周波電流は十分に減衰するため、「早期の」電流ゼロクロスは効果的に排除される。つまり、ＴＶＧ装置が、トリガ破壊後約３００マイクロ秒の間、高周波電流のゼロクロスを越えて導通を維持することができれば、配電又は送電系統におけるＴＶＧ装置による閉動作はほぼ成功することになる。

【0011】

高電圧電気ネットワークに一時的な障害が発生した後、再閉路を試みるタイミングが早すぎたり、時間がかかりすぎたりすると、ネットワークが安定した状態に戻る能力が損なわれる可能性があり、また、再閉路事象自体がシステムを妨害するため、再閉路事象のタイミングと深刻度によってネットワークの動態を改善したり、ネットワークの動態に害を及ぼしたりする可能性がある。再閉路はシステムを故障前のトポロジに回復させるが、故障後のトポロジ（アクティブライン、電圧の大きさ、発電機の角度、電力の流れ）は故障前のトポロジとは異なり、両者に互換性がない場合がある。トリガパルス閉鎖は、再閉路前の故障検査と再閉路自体の深刻度を軽減するのに有効であり、またトリガパルス閉鎖によって、ミリ秒単位又はサイクルなど比較的短い時間で正確なポイントオンウェーブ（Ｐｏｉｎｔ－ｏｎ－Ｗａｖｅ）検査とスイッチング動作が行われる。しかしながら、ネットワークの安定性に対する潜在的な影響の観点から見た再閉路事象の最適なタイミングは、通常、数秒又は数十秒といった長い時間にわたるものであり、各ネットワーク固有の特性である。したがって、再閉路は、ネットワーク固有の動態と、ネットワークオペレータの運用又は保護の両者に関し状況に応じて感知して臨界再閉路時間を推定し、それに応じてトリガパルス検査と再閉路の決定を行う必要がある。

【0012】

故障が最初に除去された後、できるだけ早く再閉路を行うことは、回転する発電機が同期を失う前や、温負荷ピックアップ（ｗａｒｍ－ｌｏａｄ ｐｉｃｋ－ｕｐ）対冷負荷ピックアップ（ｃｏｌｄ－ｌｏａｄ ｐｉｃｋ－ｕｐ）など電圧や周波数の変動が負荷に影響を与える前、及び、保護リレーなど他の装置によって故障状態がピックアップされる前に、回路を故障前のトポロジに戻すことによってネットワークの安定性を維持又は回復させるのに有効である。また、迅速に再閉路を行うことで、元の故障回路が使用不可能の間に二次的な回路の機能停止が生じ得るリスクを低減し、且つ電力の流れが別の経路に変更した後に機器が過負荷の状態になり得る時間を短縮することができ、上記のようなリスクはいずれもカスケードトリップ（ｃａｓｃａｄｉｎｇ ｔｒｉｐｓ）につながる場合がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

しかし場合によっては、他のネットワーク要素の応答に対する再閉路方式のタイミングに特別な注意を払わない限り、急速に再閉路を行うことは、そうでなければ新たな安定点へと向かうネットワークを不安定にする可能性がある。また、再閉路のタイミングが早すぎると、イオン化空気を導体の周囲から除去する十分な時間が得られず、再閉路後に故障が再発生する可能性もある。これらの可能性は、臨界再閉路時間の重大な要素の例である。臨界除去時間によって、ネットワークの不安定化を防ぐために故障の除去を行う必要のある時間の間隔が定義付けられるのと同じように、臨界再閉路時間によって、（導体周囲のイオン化を含む）故障除去後にシステムが不安定化せずに再閉路を行うことができる時間の間隔が定義付けられる。

【課題を解決するための手段】

【0014】

以下に、発電機が不安定化しないように、スイッチを開放して故障を除去した後に故障の存在の有無を判断するパルス検査の最適時間を決定するシステム及び方法を開示し説明する。当該方法は、故障を検出する工程と、スイッチを開放して故障を除去する工程と、スイッチを開放した後に所定のシステムデータ及びパラメータに基づき故障が継続して存在しているかを判断するパルス検査の実施最適時間を、発電機が不安定化し得る早いタイミングでパルス検査が行われないように決定する工程と、当該最適時間にパルス検査を行い、前記故障の存在の有無を判断する工程を含む。当該最適時間の決定には、所定のシステムパラメータと、それらの関連からリモート発電機のロータ角度、バス電圧角度、有効・無効電力潮流、及び周波数を推定することを含む、先験的知識（ａ ｐｒｉｏｒｉ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ）又はリアルタイム動態など、利用可能なシステムデータ及び情報が利用できる。また当該方法は、前記故障が存在しない場合、再閉路動作を行う所望時間を決定する。

【0015】

本開示の更なる特徴は、付随の図面と併せて以下の説明及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】高圧送電ネットワークのパルス閉鎖／再閉路装置を含むパルス閉鎖システムのブロック図である。

【図2】図１に示すパルス閉鎖／再閉路装置に使用可能なＴＶＧ装置の断面図である。

【図3】横軸に発電機ロータ角度、縦軸に電力を示し、再閉路を行わない場合の、永久故障によるネットワーク容量の損失に関する発電機ロータ角度への影響を示すグラフである。

【図4】横軸に発電機ロータ角度、縦軸に電力を示し、一時故障によるネットワーク容量の損失に対し、回路の再閉路を行った結果、ネットワーク容量が完全に回復した場合の発電機ロータ角度への影響を示すグラフである。

【図5】横軸に時間、縦軸に発電機電力を示し、パルス検査のタイミングが早すぎてシステムが不安定化したことを示すグラフである。

【図6】横軸に時間、縦軸に発電機電力を示し、パルス検査によりシステムが安定化したことを示すグラフである。

【図7】横軸に時間、縦軸にエネルギーを示し、パルス検査のタイミングが早すぎてシステムが不安定化したことを示すグラフである。

【図8】横軸に時間、縦軸にエネルギーを示し、パルス検査によりシステムが安定化したことを示すグラフである。

【図9】横軸に時間、縦軸にエネルギーを示し、一時故障に対する再閉路の効果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

スイッチを開放して故障を除去した後、回路に故障が存在するか否かを判断するパルス検査の実施最適時間を、発電機が不安定化しないように決定し、故障が存在しなかった場合に回路に再通電する所望時間を決定するためのシステム及び方法に関する、以下に示す開示の実施形態の説明は、本質的に単なる例示であり、本開示、本開示の適用、又は、本開示の使用を限定することを意図するものではない。

【0018】

本開示は、負荷、発電機、保護方式などの他のネットワーク要素のリアルタイム動態に基づき、故障を除去するために開いたスイッチを再び閉じることを予見して、パルス検査を行う最適な時間を決定するシステム及び方法を提案する。当該方法は、パルス検査によって、木の枝などの永続的な故障原因要素の存在又は故障した導体付近のイオン化空気による故障アークの再点火防止、回転発電機の不安定化防止、自動負荷遮断の最小限抑制、分散型発電のオンライン維持を実現する。

【0019】

本システムは、設置されているローカルネットワーク回路の現在及び過去の動態を確認し、クリアイベント又はスイッチングイベントへの自身の関与を状況に応じて認識するパルス閉鎖/再閉路装置を採用する。しかし、臨界パルス検査時間は、パルス閉鎖／再閉路装置が独自のローカルセンサと制御で確認可能なネットワークよりも大きいネットワークの動作状態に依存する場合がある。したがって、臨界パルス検査時間の推定機能は、様々な偶発事象下でのより大きなシステム挙動に関する先験的データ（ａ ｐｒｉｏｒｉ ｄａｔａ）を用いてパルス開閉装置を事前に構成するか、それらの偶発事象がパルス閉鎖／再閉路装置のローカル回路の動態にどのように反映されるか（これはパルス閉鎖／再閉路装置自体が監視する）、及び／又は、比較的程度は低いが、ネットワークの安定性が非回転発電に依存していない限り、発電機のロータ角度、位相器、有効・無効電力潮流（大きさ及び方向）、周波数など広域からのシステムパラメータの高速通信に依存する。また、これらのシステムパラメータの変化率または軌道によって臨界パルス検査間隔推定機能に予測タイマーが提供され、再閉路の試行が不安定性の防止に効果を発揮するまでの残り時間を計算する。以下は、変電所通信設備が、システム全体の測定と制御／状態情報を各再閉路装置に交換するのに必要な十分な帯域幅とデータレートを有していることを前提として述べる。

【0020】

パルス閉鎖／再閉路装置が、当該装置自体のローカルセンサに基づき、より大きなシステム挙動の先験的知識によりパルス検査のタイミングを決定するように事前に設定されている場合、ローカルネットワークを監視し、そのローカルエリアに対する安定性についての考察事項を推測する。つまり、パルス閉鎖／再閉路装置は、そのローカルネットワークの動態とローカルエリア間の事前に計算された関係に基づいて、リモート発電機のロータ角度、バス電圧角度、有効・無効電力潮流（大きさ及び方向）、及び周波数を推定する。

【0021】

リアルタイムのシステムデータがローカルとリモートの両方で利用可能な場合、パルス閉鎖／再閉路装置は、例えば既に電力ネットワークに広く導入されている位相計測装置から入手可能な、発電機のロータ角度、バス電圧角度、有効・無効電力潮流（大きさ及び方向）、周波数などのリモートシステムパラメータの高速交換に依存するように構成される。測定されたこれらのシステムパラメータの変化率によりカウントダウン・タイマーが開始され、パルス検査の試みによる不安定化の防止効果が発揮されるまでの残り時間が推定される。リアルタイムで更新される当該タイマーの最小値が、臨界パルス検査間隔の時間として設定される。

【0022】

臨界パルス検査間隔中のパルス検査により再閉路に十分な条件が示されると、臨界間隔内で再閉路を行うことが可能になる。また、安定性の問題とは別に、所望のシステム動作に応じて、再閉路動作を強化又は無効にするために、他の許容条件を適用することもできる。パルス検査後に再閉路を行うための十分な条件には、故障が存在していないこと、臨界再閉路間隔の時間が超過していないこと、そして、前回のパルス検査に対して観察されたリアルタイムでのシステムパラメータ（ローカル又はリモート、或いはその両方）の応答が、再閉路によって故障前の状態にシステムを復元しても安定性が損なわれないことを示すことが含まれる。

【0023】

図１は高圧送電ネットワークのパルス閉鎖システム１０のブロック図であり、上述したように、スイッチを開放して故障を除去した後に故障が回路に存在するか否かを判断するパルス検査の実施最適時間を、発電機が不安定化しないように決定するために使用可能な構成要素を示す。システム１０は、タービンなどの発電機１８から高圧電力を受け取る、相Ａ、Ｂ、Ｃにそれぞれ設けられた３つの高圧送電線１２、１４、１６を含む。上述したタイプのパルス閉鎖／再閉路装置２０は、高圧送電線１２、１４、１６に連結され、高圧送電線１２に真空遮断器などの再閉路スイッチ２４とパルス検査ＴＶＧ装置２６とを有するスイッチアセンブリ２２を含み、高圧送電線１４に再閉路スイッチ３０とパルス検査ＴＶＧ装置３２とを有するスイッチアセンブリ２８を含み、高圧送電線１６に再閉路スイッチ３６とパルス検査ＴＶＧ装置３８とを有するスイッチアセンブリ３４を含む。パルス閉鎖／再閉路装置２０はまた、故障除去及び再閉路動作中に再閉路スイッチ２４、３０、３６を開閉するアクチュエータ制御４０と、ＴＶＧ装置２６、３２、３８にプラズマアークを発生させるトリガ制御４２とを含む。

【0024】

電圧センサ４８はパルス閉鎖／再閉路装置２０の送電側で高圧送電線１２、１４に連結され、電圧センサ５０はパルス閉鎖／再閉路装置２０の送電側で高圧送電線１４、１６に連結され、高圧送電線の電圧測定を行う。電圧モニタ５２は、電圧センサ４８及び５０から電圧測定値を受信する。電流センサ５４は高圧送電線１２の電流測定を行い、電流センサ５６は高圧送電線１４の電流測定を行い、電流センサ５８は高圧送電線１６の電流測定を行う。電流モニタ６０は、電流センサ５４、５６、５８から電流測定値を受信する。この構成の電圧監視では、電圧センサ４８及び５０からの線間電圧測定を用いる。代替の実施形態では、電圧測定は３つの電圧センサを必要とする対地間（ｌｉｎｅ－ｔｏ－ｇｒｏｕｎｄ）の電圧測定であってもよい。信号プロセッサ６２は、モニタ５２及び６０から電圧及び電流信号を受信し、信号を処理し、処理された信号を故障検出・応答論理制御装置６４に提供する。故障検出・応答論理制御装置６４は、本明細書における説明と一致するように、アクチュエータ制御４０及びトリガ制御４２に、再閉路スイッチ２４、３０、３６及びＴＶＧ装置２６、３２、３８を制御するように命令する。信号プロセッサ６２は、通信装置６６と通信して、ネットワーク内の他の構成要素から電圧・電流信号、ステータス信号などを受信する。

【0025】

ＴＶＧ装置２６、３２、３８は、本明細書で述べる目的に適した任意のＴＶＧ装置でよく、図２は、代表的な一例を示す、電気的にトリガされるＴＶＧ装置７０の例示的な実施形態の断面図である。ＴＶＧ装置７０は、円筒状絶縁体７４と導電性端板７６、７８を有する真空筐体７２を含む。例示的な実施形態では、真空筐体７２は、１０^－６ｍｂａｒ以上、１０^－３ｍｂａｒ未満の真空圧で密閉される。ＴＶＧ装置７０はまた、その間にトリガギャップ８６を画定する一対の対向する導電性電極８２、８４を含む。電極８２は端板７６の密閉孔を通って延在するステム８８に接続され、電極８４は端板７８の密閉孔を通って延在するステム９０に接続され、ステム８８及び９０によってＴＶＧ装置７０は他のスイッチング素子と接続される。絶縁体７４の内面は、円筒形の金属蒸気シールド９２によって導電性堆積物から保護される。

【0026】

パルストリガ回路９４は、トリガギャップ８６に及ぶ十分な高電圧／低電流パルスを生成してプラズマアークを開始し、その後、低電圧／高電流パルスによってプラズマアークが数百マイクロ秒間維持される。例示的な実施形態では、最初の高電圧／低電流パルスの持続時間は数マイクロ秒であり、低電圧／高電流パルスの持続時間は数百マイクロ秒である。トリガ電極とそのターゲット表面との間の配置の幾何学的形状は、初期パルスが電極８２の極めて小さな領域に集束されて、電極表面上のトリガパルスの電力密度が拡大し、電極に伝達される電気トリガエネルギーが、電極材料のほぼ瞬間的な蒸発と、プラズマプルームとして電極７４に向かって膨張する高密度プラズマ雲９６への蒸気の遷移をもたらし、ギャップ８６の電気的絶縁破壊と、電極８２と８４間の真空アークの生成をもたらす。ギャップの絶縁破壊は、プラズマ雲９６が生成された後、電極８２と８４の間の電圧差の大きさに基づいて発生する。電極材料は、真空アーク遮断能力及び真空中の絶縁耐力と併せて、そのトリガ能力、即ちレーザーパルス下でのアブレーション能力に基づいて選択することができる。

【0027】

以下に、発電機を不安定化させることなく高速パルス検査を実行する最適な時間を決定するための分析をさらに説明する。

【0028】

図３は、横軸に発電機ロータ角度、縦軸に電力を示し、永久故障によるネットワーク容量の損失に関する発電機ロータ角度への影響を示すグラフである。グラフ線１００は故障前の発電機ロータ角度、グラフ線１０２は故障中の発電機ロータ角度、グラフ線１０４は故障後の発電機ロータ角度である。発電機ロータ角度は等面積法を用いて計算され、以下の動揺方程式から得られる。

【0029】

【数1】

【0030】

ここで、Ｍは発電機の角運動量、δは発電機のロータとステータの相差角、ΔＰは故障発生後の電力伝送容量の変化を示す。
故障が生じると、発電機１８は定常状態の角度δ_０から角度δ_１まで加速し、その時点で故障が解消される。発電機１８は、領域１０６で得られたエネルギーが領域１０８で吸収され、領域１０６と領域１０８が等しい等面積基準である角度δ_２での変位の限界に達するまでスリップ（ｓｌｉｐ）し続ける。さらに分析を進めると、不安定化することなく再構成されたシステムで相殺可能な値に角度δ_１を保つ臨界除去時間が得られる。除去時間が最大まで延長可能になると、発電機ロータ角度の変動が最大になるのと同様に、除去時間が臨界値未満に短くなると、発電機の変動が低下する。

【0031】

図４は、図３に示した一時的な故障の場合のグラフである。この場合、故障は角度δ_１で除去され、自動再閉路によって故障前の容量が角度δ_２’で回復するまで、システムは、一定時間制限された故障後モードで動作する。容量が回復すると、発電機の変位は角度δ_３に制限され、領域１０６、１０８、１１０は等しくなり、角度δ_１から角度δ_３までの全変位は、角度δ_１から角度δ_２までの全変位よりも小さくなる。直観的には、除去時間が短くなり（領域１０６が小さくなり）、故障前の容量がより早く回復すると（領域１０８が小さくなると）、故障過渡事象の影響がさらに緩和される（領域１１０が小さくなる）ということになる。

【0032】

システム慣性が低下すると、動揺方程式から臨界除去時間も低下するはずであるという結論が導き出される。しかしながら、保護と制御の実施方法を見直して除去時間を強制的に短縮することで、故障による影響を抑えられる可能性があり、故障していない電線をより早く復旧することで、システムがより迅速に自己回復できるようになる。

【0033】

図５は、横軸に時間、縦軸に発電機電力を示し、１．３１秒でのパルス検査でシステムが不安定化したことを示すグラフであり、図６は、１．３８秒でのパルス検査でシステムが不安定化しなかったことを示す同じグラフである。ここで、グラフ線１１２はＰｅｌｅｃ（電力）、グラフ線１１４はＰｍｅｃｈ（機械的電力）であり、故障は１秒の時点で発生している。図５では、パルス検査は発電機１８に十分に摂動を与えて、最終的にオフラインで動作（ｔｒｉｐ）させている。図６では、パルス検査によって発電機１８が不安定化することなくネットワークに障害が生じるようにパルス検査のタイミングが調整されている。動揺方程式によれば、Ｐｅｌｅｃ＞Ｐｍｅｃｈのとき発電機１８は減速しており、Ｐｅｌｅｃ＜Ｐｍｅｃｈのとき、発電機１８はローカル発電機パラメータに十分にアクセスして加速している。動揺方程式を通して、故障と再閉路に対する発電機１８の応答は予測可能である。

【0034】

図７は、横軸に時間、縦軸にエネルギーを示し、１．３１秒でのパルス検査でシステムが不安定化したことを示すグラフであり、図８は、１．３８秒でのパルス検査でシステムが不安定化しなかったことを示す同じグラフである。ここで、グラフ線１２０は累積不均衡（Ｐｍｅｃｈ－Ｐｅｌｅｃ）であり、領域１２２、１２４、１２６は加速エネルギー、領域１２８、１３０は減速エネルギーを示す。予測された発電機の特性により全体的なエネルギーバランス（等面積基準）が得られる場合、発電機はオンラインで維持されるが、そうでない場合はオンラインでなくなる。このことは、加速領域１２２、１２４、１２６と減速領域１２８、１３０による黒色のエネルギーバランスを示す図７及び図８から一目瞭然である。安定化したケースでは、システム内の最終的な正味のアンバランスエネルギーは、時間ｔが約２．１秒でゼロになり、その後、新たな動作点を中心に変動はあるものの、システムは安定したままであり、発電機１８はオンラインに維持される。不安定化したケースでは、エネルギーバランスは加速方向に累積し続ける。時間ｔが約１．７秒付近で変曲した後、発電機は回復不可能になる。

【0035】

図９は、電線（ｌｉｎｅ）にパルスを与えることによって、故障が一時的なものであることが確認された後の再閉路効果を示している。このシナリオでは、再閉路動作よりもシステムの撹乱が少ないことは明らかであるが、問題は図４に示された領域のバランスが達成できるかどうかである。電線は時間ｔが１．３秒の時点で検査が行われ、故障がないことが確認された後すぐに再通電されている。電線の復旧により減速エネルギーが段階的に増加して、図４の予想と一致し、システムは時間ｔが１．４秒までに回復している。その後変動が続くが、最終的に落ち着いている。電線の検査を行い、再通電することは、システムをより迅速に回復させるのに有効ではあるが、それでも、システム・ダイナミクス（ｓｙｓｔｅｍ ｄｙｎａｍｉｃｓ）を変化させ、これにより局所的な電圧偏位（ｖｏｌｔａｇｅ ｅｘｃｕｒｓｉｏｎｓ）が生じる可能性があり、これ自体が発電機１８をオフラインで動作（ｔｒｉｐ）させる要因になる可能性があることに留意されたい。したがって、この可能性も考慮した上で、再通電は、再閉路接続（ｒｅｃｌｏｓｅ ｔｉｅ）を適切に選択するか、保護パラメータを調整してその超過を防ぐことにより決定する必要がある。

【0036】

前途の記述は、本発明の例示的な実施形態を開示及び説明したものにすぎない。当業者であれば、上記記述内容、並びに付随の図面及び特許請求の範囲から、以下の特許請求の範囲に定義される本開示の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更、修正及び変形が可能であることを容易に認識するであろう。

【符号の説明】

【0037】

１０ パルス閉鎖システム
１２、１４、１６ 高圧送電線
１８ 発電機
２０ パルス閉鎖／再閉路装置
２２、２８、３４ スイッチアセンブリ
２４、３０、３６ 再閉路スイッチ
２６、３２、３８ パルス検査ＴＶＧ装置
４０ アクチュエータ制御
４２ トリガ制御
４８、５０ 電圧センサ
５２ 電圧モニタ
５４、５６、５８ 電流センサ
６０ 電流モニタ
６２ 信号プロセッサ
６４ 故障検出・応答論理制御装置
６６ 通信装置
７０ ＴＶＧ装置
７２ 真空筐体
７４ 円筒状絶縁体
７６、７８ 導電性端板
８２、８４ 導電性電極
８６ トリガギャップ
８８、９０ ステム
９２ 金属蒸気シールド
９４ パルストリガ回路
９６ プラズマ雲
１００、１０２、１０４、１１２、１１４、１２０ グラフ線
１０６、１０８、１１０ 領域
１２２、１２４、１２６ （加速）領域
１２８、１３０ （減速）領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【国際調査報告】