永久磁石配置を考慮した磁気式限流器の製作と磁界数値解析による動作解析

金沢大学大学院　自然科学研究科　

電子情報工学専攻北澤　瑞喜

A-6

発表の流れ

研究背景および目的磁気式限流器の動作原理永久磁石配置による偏磁力増強磁気式限流器の製作と特性まとめ

研究背景及び目的

研究背景

社会的要求；　電力の安定供給、電力品質の維持

情報機器の常時接続 分散型電源の導入 短絡容量の増加

限流器（故障電流抑制用装置； Fault Current Limiter)の導入

限流器導入による期待される効果

• 遮断容量まで短絡電流を抑制　→　瞬時に遮断できること• 高容量の遮断器でなくても遮断できる

故障・事故での故障電流による

系統保護系統保護事故拡大の防止事故拡大の防止 故障箇所での電力放出故障箇所での電力放出

限流器の所要性能と適応回路通常時のインピーダンスは低い。故障発生後直ちに所要のインピーダンスを発生し故障電流を抑制する

故障回復後に速やかに通常時の状態に復帰高い信頼性が必要保守負担が少ないこと

理想限流器近似特性限流器挿入回路例

FC

L

FC

L

FC

L

FC

L

FC

L

FC

L

G

LOAD

HVHV

T1 T2

限流器の種類と磁気式限流器の特徴 アーク・抵抗方式・・・通常時抵抗ゼロ、信頼性；低、配電系統向け 超伝導方式・・・通常時抵抗ゼロ、動作復帰に時間を要する、付帯設備を要する、信頼性；高、配電系統向け

半導体方式・・・限流度を自由に設定、信頼性；低，送電・配電系統向け インダクタンス方式・・・瞬時に電流抑制、信頼性；高、通常時電圧降下大、自動動作復帰　　配電系統向け

非線形リアクトル型限流器（磁気式限流器）

磁気式限流器構成図

利点●交流用の完全受動型限流器●磁心の磁気特性を利用するため　　限流開始・動作復帰ともに早い●付帯設備を必要としないためメンテナンスフリー●低圧配電系統、負荷側の機器

利点●交流用の完全受動型限流器●磁心の磁気特性を利用するため　　限流開始・動作復帰ともに早い●付帯設備を必要としないためメンテナンスフリー●低圧配電系統、負荷側の機器

非線形リアクトル型限流器（磁気式限流器）の利点・構造

目的低圧配電系統向け数ｋ VA級の

完全受動型磁気式限流器の設計・製作低圧配電系統向け数ｋ VA級の

完全受動型磁気式限流器の設計・製作

実用的な設計手法の確立

・中央脚に流入する交流磁束によって、生じるうず電流による損失。・磁心飽和磁束密度より低い永久磁石磁束密度による偏磁能力の限界があり、　十分深い位置まで鉄心を飽和できていない可能性。

通常時の限流器負荷が大きい通常時の限流器負荷が大きい

・永久磁石配置を変更して偏磁能力の増強・永久磁石配置を変更して偏磁能力の増強

低圧配電系統向けの磁気式限流器を製作し、定常応答・瞬時応答について性能評価低圧配電系統向けの磁気式限流器を製作し、定常応答・瞬時応答について性能評価

磁気式限流器の動作原理

磁気式限流器の直流偏磁点磁気式限流器は磁心磁気特性を積極的に利用した可変インダクタンス式限流器

直流偏磁点が磁気式限流器の設計に大きな影響

磁心磁気特性と直流偏磁点

磁気特性

飽和領域　 ：インダクタンス小→通常動作不飽和領域；インダクタンス大→限流動作直流偏磁点

磁心を永久磁石によって飽和領域深い位置まで偏磁する

限流開始

磁気式限流器の動作原理

限流時電流波形 理論限流器電圧波形

限流器電圧から状態を確認できる。

理論限流器電圧波形

電流が抑制される

限流器電圧から状態を確認できる。

通常状態 通常状態

限流状態

永久磁石配置の変更による偏磁力増強

永久磁石配置変更による起磁力増強これまでの研究報告より

S 字永久磁石配置型

・中央脚における偏磁起磁力の増大・中央脚上部の磁束密度の増大

期待される効果

改善点；通常時のインピーダンスを小さくする

中央脚全体としての起磁力を増強する

永久磁石配置の変更

永久磁石と鉄心の接する断面積増大

NS

NS

NS

NS

通常永久磁石配置型

S 字永久磁石配置の最適寸法比

5.2a

ah

1a

av

5a

h

5.1a

l

5.2a

ah

最適寸法条件

限流器寸法図

㎜50ha ㎜20va ㎜100h ㎜30l

求められた寸法条件

最適寸法による磁束密度分布

永久磁石を S 字型に配置

1.97T

　・両脚を約 1.97Tまで偏磁　・中央脚上部の磁束密度の増大

永久磁石配置を変更した場合

従来の永久磁石配置の場合

比較位置

1.9T 1.97 T

2ｋ VA級積鉄心型磁気式限流器の製作

コイル； 150turn

ヨーク

製作した磁気式限流器の正面図製作した磁気式限流器の正面図

永久磁石

NS

NS

N S

60

25

0

11030 40 40 30

19

0

5010

11

0

20

製作した限流器寸法図

永久磁石；ネオジム磁石鉄心；ケイ素鋼板

磁気式限流器の定常応答特性

磁気式限流器の定常応答評価回路

磁気式限流器の定常応答検討実験回路

負荷抵抗 RLを変化させて、磁気式限流器の限流動作について評価

V ｆｃｌ

VL

FCL　（ 300 turns)＋

－100V， 60Hz R

-150

-100

-50

0

50

100

150

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030

磁気式限流器の定常動作波形

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

通常動作時各部時間波形 限流動作時各部時間波形

-6.0

-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060

Iline(FCL なし )Iline(FCL あり l) Iline(FCL あり )

Iline(FCL なし l)

VsVfclVs

　　　回路電流（

A)

　　回路電流（

A)

各部電圧（

V)

各部電圧（

V)

Vfcl

VRL

限流器電圧；小回路電流　 ；抑制されていない

VRL

-150

-100

-50

0

50

100

150

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

製作した磁気式限流器が限流動作していることを確認製作した磁気式限流器が限流動作していることを確認

Time（ｓ）Time（ｓ） Time（ｓ）Time（ｓ）

Time（ｓ）Time（ｓ）

限流器電圧；小回路電流　 ；抑制されていない

Time（ｓ）Time（ｓ）

Vol

tage（

V)

Vol

tage（

V)

限流率特性

限流率特性

限流率 λは約 26Aで 5.5まで上昇　　　　限流動作を確認

回路電流（最大値）（ A)

withfcl

nonfcl

I

I

の電流限流器を挿入した場合合の電流限流器が含まれない場

限流率

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

0 5 10 15 20 25 30

限流

率λ

磁気式限流器の瞬時応答特性

磁気式限流器の瞬時動作波形

事故発生時；限流器電圧が電源電圧のほとんどを速やかに負担し回路電流を抑制事故除去後；自動的に限流器電圧は小さくなって回路電流を抑制しない

限流器に求められる性能

系統内に

事故発生；スイッチ投入　　　大電流事故除去；スイッチ開放　　　通常電流

限流器の瞬時応答動作検討実験回路

定常動作についてのみ限流性能の検討

1Ω 負荷に位相を変化させる力率総合負荷の挿入

過渡動作について検討過渡動作について検討

磁気式限流器の過渡動作波形（事故発生時）

- 200

- 150

- 100

- 50

0

50

100

150

200

- 0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

Time (s)

Vol

tage

(V)

- 200

- 150

- 100

- 50

0

50

100

150

200

0.01 0.015 0.02 0.025

Time (s)

Voltag

e

(V)

Vs

Vfcl

Vs

ILine

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

-0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

Time (s)

Vol

tage

(V)

- 40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Cur

rent

(A)

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

0.01 0.015 0.02 0.025

Time (s)

Voltage

(V

)- 40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Curr

ent

(A)

限流器電圧と回路電流の瞬時動作波形（力率総合負荷；進み力率０．２に設定）限流器電圧と回路電流の瞬時動作波形（力率総合負荷；進み力率０．２に設定）

限流器電圧は瞬時に大きくなり、回路電流は大きな故障電流を約 30A付近まで抑制限流器電圧は瞬時に大きくなり、回路電流は大きな故障電流を約 30A付近まで抑制

事故発生時には瞬時に限流動作をしていることを確認事故発生時には瞬時に限流動作をしていることを確認

磁気式限流器の過渡動作波形（事故回復時）

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

-0.01 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

Time (s)

Vol

tage

(V)

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

-0.01 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

Time (s)

Vol

tage

(V

)

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Cur

rent

(A

)

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

0.005 0.010 0.015 0.020

Time (s)

Vol

tage

(V

)

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Cur

rent

(A

)

- 200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

0.005 0.007 0.009 0.011 0.013 0.015 0.017 0.019

Time (s)

Vol

tage

(V)

VsVs

V ｆｃｌV ｆｃｌ

ILineILine

VsVs

事故回復時の限流器電圧と回路電流の瞬時動作波形（力率調整器；進み力率 0.2に設定）

事故回復時の限流器電圧と回路電流の瞬時動作波形（力率調整器；進み力率 0.2に設定）

事故回復時限流器電圧は瞬時に小さくなり回路電流は通常電流に復帰

事故回復時は瞬時に自動動作復帰できることを確認事故回復時は瞬時に自動動作復帰できることを確認

磁気式限流器の過渡電圧，電流位相特性

事故発生・回復時に過渡動作から定常動作へ移行するまでの時間

力率総合負荷の位相とスイッチ投入・開放時の電源電圧の位相について検討

過渡応答時間

電源電圧の位相

瞬時応答動作波形（力率総合負荷；進み 0.2）

定常動作 定常動作

事故発生時の電源電圧の位相に対する過渡応等時間特性

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

Time (s)

Vol

tage

(V

)

- 40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Cur

rent

(A

)

力率総合負荷；進み力率 0.2に設定力率総合負荷；進み力率 0.2に設定

0°0° 90°90°

事故はいつ発生するか不明→事故発生時の電源電圧の位相による過渡応答時間について検討事故はいつ発生するか不明→事故発生時の電源電圧の位相による過渡応答時間について検討

事故が発生し限流動作を開始してから最長でも電源電圧の 1 周期以内に定常動作へ移行できることを確認

事故が発生し限流動作を開始してから最長でも電源電圧の 1 周期以内に定常動作へ移行できることを確認

通常動作時回路電流動作波形通常動作時回路電流動作波形

１１

1/21/2

1/41/4

3/43/4

周期

T (

cycl

e)周期

T (

cycl

e)

スイッチ投入時の電源電圧の位相スイッチ投入時の電源電圧の位相

過渡応答時間特性（力率総合負荷；進み 0.2）過渡応答時間特性（力率総合負荷；進み 0.2）

0 30 60 90

事故回復時の電源電圧の位相に対する過渡応等時間特性

事故回復時電源電圧の位相による過渡応答時間について検討事故回復時電源電圧の位相による過渡応答時間について検討

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

Time (s)

Volta

ge (V

)

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Curre

nt (A

)

0°0° 90°90°

力率総合負荷；進み力率 0.2に設定力率総合負荷；進み力率 0.2に設定

限流動作時回路電流動作波形限流動作時回路電流動作波形

事故が回復後は限流動作を終了してから最長でも電源電圧の２周期以内に定常動作へ移行できることを確認

事故が回復後は限流動作を終了してから最長でも電源電圧の２周期以内に定常動作へ移行できることを確認

１１

00

22

Voltage phase (°）Voltage phase (°）

過渡応答時間特性（力率総合負荷；進み 0.2）過渡応答時間特性（力率総合負荷；進み 0.2）

0 30 60 90

周期

T (

cycl

e)

事故発生・回復時の力率総合負荷の位相に対する過渡応答時間特性

進み遅れ0

0.016

0.032

-90 -60 -30 0 30 60 90

°力率負荷の位相（ ）

2

1

周期（

cycl

e）

力率総合負荷の設定値　

0

0.008

0.016

- 90 - 60 - 30 0 30 60 90

(°力率負荷の位相 ）

1

0.5

周期（

cycl

e）

進み遅れ

力率総合負荷の設定値

負荷によっては大きく位相のずれを生じさせる

力率総合負荷の値を変化させてスイッチ開閉前後の過渡応答時間について検討

０　　　　　　　　　　　１　　　　　　　　　　０

０　　　　　　　　　　　１　　　　　　　　　　０

0 0

力率総合負荷の値による過渡応答時間特性　（スイッチ投入時の電源電圧の位相 90°）力率総合負荷の値による過渡応答時間特性　（スイッチ投入時の電源電圧の位相 90°）

誘導性・容量性負荷などの様々な負荷が挿入されても事故発生時には限流動作を開始してから 1周期以内には定常状態へ移行し、事故回復後は限流動作を終了してから２周期以内には定常状態へ移行できることが確認できた。

誘導性・容量性負荷などの様々な負荷が挿入されても事故発生時には限流動作を開始してから 1周期以内には定常状態へ移行し、事故回復後は限流動作を終了してから２周期以内には定常状態へ移行できることが確認できた。

まとめ（ 1）（ 1）　磁気式限流器の性能向上のために永久磁石配置を変更して、　　　　起磁力の増強について検討

・　偏磁力増強が可能な磁石配置方法が明らかとなった。

・　適切な磁心・磁石寸法比の条件を決定した。

（ 2）　磁気式限流器を製作し、定常限流性能について評価。

限流動作波形、限流率特性から限流動作していることを確認

まとめ（ 2）（ 3）　製作した磁気式限流器過渡限流性能について評価した。

・　どのような負荷であっても速やかに限流器は電源電圧の　　ほとんどを負担し、故障電流を抑制。・　事故発生・回復時にはどのような負荷が挿入されても　　最長でも電源電圧の 2周期以内に定常動作へ移行

磁気式限流器を低圧配電系統へ直列接続し、遮断器と併用することによって更なる系統の安定化を期待

磁気式限流器を低圧配電系統へ直列接続し、遮断器と併用することによって更なる系統の安定化を期待

磁気式限流器の実用化を目指し通常動作時の限流器負荷を小さくする必要

今後の検討事項

磁気式限流器の B-H特性

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000

今回試作した限流器の B-H特性

今回試作した限流器の B-H特性

交流磁束動作波形

- 0.0020

- 0.0015

- 0.0010

- 0.0005

0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.000 0.004 0.008 0.012 0.016

不飽和領域における両脚に流れ込む磁束が小さくなった。

磁心外側の磁路内のギャップの影響で磁気抵抗が大きくなったことから周回する磁束が小さくなり両脚に生じる誘起電圧が小さくなった。

今回試作した磁束時間波形 前回試作した磁束時間波形

磁束（

Wb

)

磁束（

Wb

)

- 0.0025

- 0.0020

- 0.0015

- 0.0010

- 0.0005

0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045

Φ+

Φ-

Φ ｃ

Φ ｃ

Φ-

Φ+

不飽和領域

永久磁石配置の検討

二磁心型磁気式限流器の構成図と直流磁界解析による限流器特性

340 110 40 30 60

30

30

1900

2 30NS

-0.35

-0.3

-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

H A/ m)磁界 （

BT)

磁束

密度（

定常動作までに要する時間と時定数

t

mm eItIi

sin)sin(

10cos 1

R

-200-150-100-50

050

100150200

-0.010 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050

-40-30-20-10010203040

- 200

- 150- 100

- 50

0

50100

150

200

- 0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

各部電圧　（

V)　

電源電圧

Vs　（

V)　

回路電流　

I Lin

e (A

)

AC 100V60 Hz

AC 100V60 Hz

VS

V ｆｃｌ

ILine

VS

- 200

- 150- 100

- 500

50

100150

200

- 0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

- 200- 150- 100- 50

050

100150200

- 0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

- 40- 30- 20- 10010203040

各部電圧　（

V)　

電源電圧

Vs　（

V)　

回路電流　

I Lin

e (A

)

AC 100V60 Hz

AC 100V60 Hz

VSV ｆｃｌ

ILine

VS

進み力率 0.8のときの瞬時動作波形

事故発生時瞬時限流動作波形

事故回復時瞬時限流動作波形