コンデンサ投入時の突入電流防止: 信頼性の高い電力システムのための実証済み戦略

コンデンサ投入時の高突入電流を防止するには？

コンデンサ投入時の高突入電流の概要

容量性スイッチングの応用は、容量性電流のみに限定されず、コンデンサバンクの通電プロセス、架空線、ケーブルにも及びます。コンデンサバンクのスイッチングは、遮断器接点間に非常に大きな過渡電圧を生じさせる原因として知られています。

容量性スイッチングは一般に、産業用または公共網における低〜中程度の電流スイッチング、および低い回復電圧上昇率が特徴です。メンテナンスフリーで長寿命の機械的・電気的寿命を謳う新型遮断器（CB）は、このスイッチング任務に最適と思われます。最近開発されたSF6パッファー型は、極あたりの遮断室数を減らしつつ性能向上を図っていますが、理想的なシナリオは達成できません。

遮断器が広く応用される電力システム回路において、遮断器端子間の電圧アンバランスは高突入電流を引き起こすため、容量性電流の遮断はスイッチングデバイスに使用される絶縁体に問題を生じさせます。コンデンサバンク内のコンデンサは、過大な突入電流により損傷する可能性があります。

電力システムには、電圧調整、力率（PF）改善、システム全体の高調波フィルタリングなど、多くの集中コンデンサバンクが存在します。

配電プロセスでは、ケーブルネットワークが容量性負荷を生成します。システムで電流遮断が発生すると、容量性負荷が充電され、このコンデンサの電荷により、誘電体の再着火による回路損傷と高過電圧の発生に晒されます。

大規模な突入電流が変電所を流れ始めると、システムは保護システムへの影響に直面します。また、スイッチング時に線路電圧がわずかに低い周波数で振動し始めると、その大きさが回路内のピーク電圧の2倍に達し、深刻な危険をもたらす可能性があります。本記事では、高突入電流を最小限に抑える方法と、その基本的な推奨事項について説明します。

突入電流を防止するためのコンデンサ配置方法

突入電流を無視できるレベルまで最小化するためのコンデンサ配置には、2つの方法があります。順に説明します。

単一コンデンサバンク回路

第1シナリオ

上図の回路を考えます。これは1相回路で、容量性回路の集中定数要素を持ちます。遮断器が遮断時に接点を閉じ、1つのコンデンサと2つのインダクタが存在し、回路抵抗はほぼゼロ、インダクタL₁の値がL₂より大きいと仮定します。

回路内の遮断器は、回路の遮断を定義するために存在します。この回路形態は孤立コンデンサバンクと呼ばれます。

この場合、電流は回路パラメータと回路の初期状態に依存します。時刻t₀でコンデンサが電圧v₀まで充電されていると仮定します。電流は以下の式で計算できます。

Where:

このシナリオでは減衰により電流が減少し、全体として回路電流が確立されます。

背中合わせコンデンサバンク回路

第2シナリオ:
これはバンク間容量性スイッチングとして知られます。その図を考えます。

この場合、2つのコンデンサと2つのインダクタがあり、遮断器が遮断時に閉じる際、点b-b'（遮断器の2接点間の電圧差）で誘電体破壊が発生すると、電流の式は以下のように計算されます。

Where:

この電流は、回路に存在するピーク電流の約10倍に達する可能性がありますが、この電流は1つのコンデンサ（局所的）にのみ影響し、システムの他の部分は安全です。

高突入電流を防止するステップ

高突入電流を排除するための推奨事項をいくつか示します。

1. 回路に抵抗を挿入する: 抵抗により電流がある程度利用/消費され、突入電流が抑制されます。
2. 追加リアクタンスを配置する: 追加リアクタンスをシステムに配置すると、システム内で追加のエネルギー損失が生じ、コンデンサの影響が低減されます。

同期投入（シンクロナス・スイッチング）

遮断器接点間の誘電体破壊によって高過電圧が生じることは既知です。この問題を恒久的に解決するには、遮断器が遮断状況で閉じる際、接点間に電圧差がゼロになることを保証しなければなりません。

プラスマイナスの要因が常に存在するため、理想的な状況を完全に達成することはできません。そこで同期投入（シンクロナス・スイッチング）が解決策の1つとなります。センサーを用いて任意のバンクを同期投入バンクに変換するSmartCloseコンデンサスイッチというデバイスが製造されています。

SmartCloseスイッチの特長と動作

各遮断室のコンデンサ側と電源側の両方で電圧波形を検出する6つの電圧センサーを備えています。独立したコンデンサバンクコントローラーからクローズコマンドが発行されると、SmartCloseコンデンサスイッチは各遮断室を独立して制御し、各遮断室の両端電圧差がゼロになった時点でクローズします。その後、SC（SmartClose）へのクローズコマンドにより、すべての回路でゼロ電圧クローズが開始されます。

各コンデンサバンクの独立したコントローラーがバンクの必要タイミングを判断し、SmartCloseスイッチがそれを受け取り、同期クローズを自動的に全工程実行します。