スーパーグリッドサーキットブレーカーを限界まで押し上げる研究室の内部

Jun 17, 2023

ガーディアン紙: KEMA 研究所は、サーキット ブレーカーを極限の条件下でテストし、本当に重要なときに故障しないことを確認しています。

中国中部の灼熱の一日を想像してみてください。あらゆる大都市のすべてのエアコンがフル稼働しているとき。 山西省の人里離れた山間部を通って、超高圧電力を都市に運ぶ主要な送電線が最大容量に近い状態で稼働している。 太陽光と流れる電流によって加熱された送電線は、木のてっぺん近くで危険なほど垂れ下がります。 突然、電流が線から木の枝に飛び移り、最も抵抗の少ない道を見つけて木を通って地面に流れ込みます。 電流が空気をイオン化すると、明るい閃光が生じます。

この短絡中、突然放出される電流は瞬きのうちに通常のレベルの 10 ～ 20 倍に達します。 現在、電力網の保護システムは迅速に動作する必要があります。 保護リレーは数ミリ秒以内に障害を認識し、線路の両端の回路ブレーカーに電流をオフにして、障害のある線路を切り離すように命令する必要があります。 危険は大きい。短絡電流が持続すると、系統全体で故障の連鎖反応が引き起こされ、広範囲にわたる停電を引き起こし、その過程で高価な機器に重大な損傷を与える可能性がある。 2003 年に北アメリカ北東部で発生した停電は、オハイオ州の送電線に樹木が接触したことで始まりました。これにより一連の障害が発生し、260 以上の発電所が停止し、北東部の送電網全体で 60,000 メガワットの流れが止まり、ニューヨークが暗くなりました。市。

私たちが想定する中国の短絡では、すべてが巨大なサーキットブレーカーの動作に基づいています。 家庭用ブレーカーと同様に、これらの産業用ブレーカーはほんの数秒以内に接点を開きますが、システム内には膨大な量のエネルギーが存在するため、接点を切り離しただけでは電流は止まりません。 代わりに、電流によってブレーカー内に電気アークが発生します。 容積わずか数リットルのこの小さな空間には、現在、摂氏数千度の温度に達する可能性がある渦巻くプラズマが存在しています。 ブレーカーはそのプラズマを長時間閉じ込めることができません。 すぐに取り除かないと、恐ろしい爆発が起こるでしょう。

ここで、AC 電流の交流の性質が作用します。AC 電流の方向が変わるたび (中国の 50 ヘルツ システムでは 10 ミリ秒ごと)、電流は一時的にゼロになり、アーク プラズマへのエネルギー供給が一時的に停止します。 故障電流を遮断する必要があるのは、これらの「電流ゼロ」の瞬間です。 その決定的な瞬間に、サーキットブレーカー内の冷却システムがギャップに高圧のガスジェットを噴射し、高温アークプラズマの残留物を吹き飛ばします。

アークが消えて障害が解消されるとすぐに、電力システムは再び立ち上がります。 この回復プロセスでは、ギャップ間の電圧は通常の動作レベルに落ち着く前に 100 万ボルト以上まで急激に上昇します。 したがって、電流がゼロになる前後の数マイクロ秒の間に、接点はアーク プラズマに約 50 キロアンペアの電流を流す状態から 1 メガボルトの電圧に耐える状態に切り替わる必要があります。 この急速な変化により、ブレーカーのコンポーネントに多大な負担がかかります。

ほとんどの高電圧送電システムは、ガス遮断器によって短絡から保護されています。 この簡略化されたアニメーションは、短絡によって発生した危険な大電流をブレーカーが遮断する段階的なプロセスを示しています。アニメーション: Erik Vrielink

しかし、送電線は動作を再開する必要があるため、回路ブレーカーは完璧に動作する必要があります。 たとえ長期間にわたって活動を停止していたとしても、またあらゆる種類の天候を通じて活動しなければなりません。 それでは、中国の例の送電網運営者は、どうすればこれらのブレーカーが仕事をすることを信頼し、巨大都市が暗闇に陥らないようにすることができるのでしょうか? 厳格なテストだけがその安心感を提供します。 私はノルウェーのコンサルティングおよび認証会社 DNV GL のオランダ部門である KEMA Laboratories のイノベーション ディレクターを務めています。 私たちの課題は、極限状態における超高電圧 AC システムのストレスの多い動作条件を模倣することです。 この環境を再現することは工学的に非常に難しい課題ですが、今後数十年のエネルギー需要を満たすためには必ず達成しなければならない課題です。

明日の電力網はおそらく多くの人々は、電力を大量に消費する都市から遠く離れた水力発電所、ソーラーパーク、洋上風力発電所などの大規模な再生可能エネルギー施設に依存しています。 そのエネルギーを長距離に輸送するために、システム運用者は大規模な送電線の計画と建設を行っています。 これらのラインは高電圧である必要があるため、ライン内の抵抗によってエネルギーが失われるのはごく一部だけです。 これらの最先端の高電圧システムの構築にはかなりの費用がかかります。 しかし、多くの電力会社は、膨大な距離を越えて大量のエネルギーを輸送できる能力はコストに見合ったものであると判断しつつある。

高電圧送電システムの構築を選択することが最初のステップです。 次のステップは、DC か AC かを決定することです。 DC 架空送電線は AC 送電線に比べて必要なスペースが少なく、電力損失も少ないため、高電圧 DC 送電システムはますます魅力的な選択肢となっています。 しかし、AC テクノロジーはより成熟しており、世界で最も強力な送電システムは依然として AC 用に設計されています。 最新の AC スーパーグリッドは、少なくとも 1,000 キロボルトの超高圧 (UHV) を使用しますが、これは DC ではまだ実現されていない驚異的なレベルです。 この記事では、AC ネットワークに必要な機器に焦点を当てます。

送電線の確認：中国国家電力網公司は湖北省で超高圧送電線の実験を行っている。写真：Li Jinyong/Xinhua

最初の商業用 UHV-AC 送電網セグメントは、2009 年 1 月に中国で稼働を開始しました。中国国家電力網公司は、この 1,100 kV プロジェクトに 57 億中国元 (約 9 億米ドル) を費やし、この 1,100 kV プロジェクトは、中国の北部と中部の電力網。 それぞれ万里の長城の約 10 倍の高さの合計 1,284 の塔が中国内陸部の風景の上にそびえ立ち、黄河と漢江の両方に電力を送ります。 これらの塔は、5,000 MW を輸送できる 25,000 トンの鋼鉄強化アルミニウム導体を支えています。 このシステムの 3 つの変電所には、最大 63 kA の短絡電流を遮断できる回路ブレーカーが設置されています。 2013 年、国電網は、淮南と上海の間の 650 km に及ぶ同様に印象的な東西 UHV-AC 送電線を委託し、内陸の石炭火力発電所から沿岸都市に電力を供給します。

一方、インドは1,200kVのACスーパーグリッドを建設することで電圧の新記録を樹立しようとしている。 2012 年、インドのパワーグリッド社は自社の UHV 機器の試験ステーションを委託し、400 kV のワルダ - オーランガバード間 350 km の区間が現在 1,200 kV にアップグレードされています。 この国の電力供給の不均衡により、このような UHV プロジェクトは特に有益になります。 ワルダ・オーランガバード線は、国の中心部にある石炭火力発電所から、電力不足に悩むITと製造業の新興拠点であるオーランガバード市に電力を供給することになる。

また、今後数十年のうちに、高電圧の AC 送電網と DC 送電網を組み合わせて「ハイブリッド グリッド」を構築する先駆的なプロジェクトも登場するでしょう。 (IEEE Spectrum は、2015 年 8 月の記事「地球にまたがるスーパーグリッド」でこの可能性を検討しました。) ヨーロッパと中国、そしてそれほどではありませんが米国では、両方のアプローチの利点を活用するハイブリッド システムについての話があります。 たとえば、高電圧海底 DC ケーブルは、遠く離れた北海の風力発電所から効率的にエネルギーを取り出し、AC スーパーグリッドに運ぶことができ、そこでそのエネルギーを必要に応じて簡単に変換し、ヨーロッパ各地に分流することができます。

ストレス テスト: KEMA ラボ内では、テスト用にサーキット ブレーカー (青いシリンダー) が準備されています。 2 つのコンデンサ バンク (前景の背の高い構造) が、必要な超高電圧を提供します。KEMA Laboratories

UHV伝送システムにおいて 、最も重要なテクノロジーはサーキットブレーカーです。 ブレーカーはシステムの守護者です。ブレーカーは常に警戒し、即座に行動する準備ができていなければなりません。 そして、システム全体に大きなストレスがかかるにもかかわらず、あらゆる環境条件下で機能する必要があります。 オランダのアーネムにある KEMA 試験施設では、これらのブレーカーに異常な負荷をかけて、その性能を独立して評価しています。 このサービスには明らかなニーズがあります。ラボに持ち込まれたサーキットブレーカーの約 4 分の 1 がテストに合格しません。

職場でのストレスを研究するためにシミュレーションに頼ってみてはいかがでしょうか? 残念ながら、コンピュータ モデルは、電気回路と非常に高温で化学的に複雑なプラズマとの間のマイクロ秒スケールの相互作用をシミュレートするという作業にはまだ達していません。 CIGRÉ（国際大規模電気システム評議会）が実施した調査では、大手メーカー 7 社が使用しているシミュレーション ツールを評価しました。 まず朗報です。これらのさまざまなツールは、サーキット ブレーカー内の重要な場所の電界を非常に正確かつ一致してモデル化しました。 しかし、これらのツールがブレーカーの故障 (電気的ストレスに屈する時点) をモデル化した場合、ツールは互いに、また実際にテストされた値とは大きく異なる値を生成しました。 これは爪楊枝の曲がりをモデル化するようなものです。内部応力を計算するのは簡単ですが、木材の破壊の瞬間と位置を正確に予測することはできません。

したがって、私たちの研究室では、実際の条件を作成してブレーカーが現場でどのように動作するかを決定します。 もちろん、研究室に入ってくる電力はテストで要求されるものではないため、電流と電圧の両方の強力なサージを放出できるようにするいくつかの賢いトリックを開発する必要がありました。 2 段階のテスト プロセスで、UHV サーキット ブレーカーに対する 2 つの潜在的に壊滅的な電気的ストレスを、正確にタイミングを合わせたシーケンスで模倣します。

災害を模倣するには: 強力な発電機は、今日の最も大規模で高価な送電ネットワークを破壊する可能性がある種類の短絡を再現するために必要な電流を供給します。KEMA 研究所

まず、ブレーカーの接点が分離している間、短絡電流がブレーカーに流れる必要があり、それによって内部に電気アークが発生します。 現在、この電流を 4 台の発電機で生成しています。各発電機には、16.7 ～ 60 Hz の所望の AC 周波数に一致する速度で回転する 54 トンのローターが付いています。 もうすぐ別の 2 つが回転します。 短絡を開始するには、12 個の同期スイッチが回路に通電し、発電機のローターに蓄えられた機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。 各発電機から最大 100 kA の電流を引き出すことができます。これは、世界で最も強力な送電網で見られる 80 ～ 90 kA の短絡電流に匹敵するのに十分です。

これで、短絡の最初の瞬間に見られる破滅的な大電流が再現されました。 しかし、ブレーカーの仕事はまだ終わっていません。 臨界電流ゼロの瞬間にガスのジェットを使用してギャップからアークを除去し、マイクロ秒以内に回路の回復を開始する必要があります。 回復ステップ中、コンポーネントは回路の標準電圧をはるかに超える過渡電圧サージに耐える必要があります。

火災による試験: 実験室でのデモンストレーションで、高電流での短絡が送電線の絶縁体にストレスを与える。KEMA Laboratories

当社が製造する 100 kA の短絡電流は、わずか 17 kV で利用可能です。 6 台の特殊な変圧器はこの電圧を 250 kV まで高めますが、UHV 定格の回路ブレーカーを適切にテストするにはまだ低すぎます。 電圧をさらに上げるために追加の変圧器を使用しても、それに応じて電流が減少するため、意味がありません。 そのため、別の方法を見つける必要がありました。

2 番目のトリックでは、4 階建ての建物と同じくらいの大きさのコンデンサ バンクを使用し、約 700 ～ 800 kV にプリチャージします。 重要な瞬間に、スパークギャップがトリガーされ、コンデンサーが順番に放電されます。 最初のコンデンサ バンクは初期メガボルトを供給し、数百マイクロ秒後に 2 番目のコンデンサ バンクが別のメガボルトを追加します。 このようにして、現場で遭遇する電圧を再現した電圧を UHV ブレーカーに供給します。

2008 年に、パイロット UHV 設備を使用して、中国のスーパーグリッドの仕様に一致する回路ブレーカーをテストしました。これにより、短絡遮断後のミリ秒以内に 2 MV が供給されました。 現在、8,000 万ドルをかけて、UHV サーキットブレーカーと、スーパーグリッドのもう 1 つの重要なコンポーネントである高電圧変圧器の両方をテストできる恒久的な設備を建設中です。 私たちのテストでは、これらの変圧器の約 25 パーセントが、短絡に伴う膨大な電気力学的な力によって内部が損傷していることがわかりました。 これらの変圧器は、ブレーカーが機能するまでの短い時間、内部を流れる短絡電流に耐える必要がありますが、これは簡単な作業ではありません。

一部の電気技術者は驚くかもしれませんこのようなハイテク試験装置は、サーキットブレーカーのような一般的なものに使用されなければならないことを学びました。 私たちはブレーカー技術について知るべきことをすべて数十年前に解明していたのではないでしょうか? 実際、テクノロジーはまだ進化しており、そのパフォーマンスを評価する私たちの能力も進化し続けなければなりません。

20 世紀初頭には、石油ベースのサーキットブレーカーが主流でした。 これらのデバイスでは、接点はオイルで満たされたタンク内にあります。 アークが形成されると、オイルの一部が高圧のガスの泡に変わり、アークが取り囲まれて消えます。 しかし、これらの石油タンクは扱いにくく危険な装置です。 1970 年代には、良好な絶縁特性を持つ不活性ガスである六フッ化硫黄を使用する回路ブレーカーが登場しました。六フッ化硫黄は、アークを消すためにギャップに吹き付けられます。 しかし、SF6 は非常に強力な温室効果ガスであるため、電力業界は現在、代替技術の開発を行っています。

多くの研究者が、真空環境で電流を遮断する一種の回路ブレーカーを研究しています。 ここでの主な困難は、真空中の電界を管理することです。 気体や液体が存在しないため、アーク プラズマは接点自体から金属蒸気を放出してイオン化することで独自の媒体を作成します。 高温のプラズマが接点を燃焼させると、接点の表面が変形し、微細な凹凸が生じます。 接点の表面から突き出た突起は、地表の上にそびえ立つ高い木に似ているため、雷に打たれる可能性が高くなります。 粗くなった接点は、電流を流し続ける必要がないとき、つまりブレーカーがアークを遮断しようとしているときに電流を流し続ける可能性があります。

これらの真空ベースのブレーカーをさらに開発するには、フルパワー条件でテストし、量子力学的トンネル効果によって接点の突起から引き出されるわずか数十マイクロアンペアの電流を研究する必要があります。 これらの微弱な電流は、電気アークの差し迫った再開、つまりブレーカーの故障を示しているのでしょうか? これは科学界で激しく議論されている問題です。 KEMA Labs では、フルストレス下で実際の機器におけるこれらの微小電流の影響を評価することで答えを探しています。

実際、私たちの研究プロジェクトの多くは、考えられる限り最小の規模での研究に取り組んでいます。 驚くべきことに、マイクロスケールで発生する非常に高速なプロセスによって、送電網の大規模なコンポーネントが誤動作するかどうかが決まり、場合によっては都市全体が暗くなるかどうかが決まります。

In With the New: KEMA の新しいラボ拡張を目的とした特殊な変圧器は、設置前にバージ上で検査されます。写真: KEMA Laboratories

たとえば、電流がゼロになる瞬間の周囲の数マイクロ秒間の遮断器内のイベントを研究できなければなりません。 そのわずかな時間内に、ブレーカーは非常に優れた導体からほぼ完璧な絶縁体に変化する必要があります。 最新のツールを使用して、この移行を監視できるようになりました。 当社が開発した高分解能手法の 1 つは、数百キロアンペアで測定される電流を使用する本格的な短絡テスト中に、1 アンペアより小さく、わずか数マイクロ秒継続する電流を検出できます。 アークが完全に消えるはずの電流ゼロの瞬間の後の、これらの微小電流を探します。 それらを見つけた場合、ブレーカーの回復に何か問題があり、そのギャップ内で完全な電気アークが再び燃え上がる可能性があるという兆候が得られます。

21 世紀の電力スーパーグリッドは、大陸にまたがる送電線に沿って番兵のように配置される、これらの回路遮断の守護者に依存することになります。 そして、ブレーカーは、強力な電流を放出してこれらのコンポーネントに最大限のストレスを与えると同時に、ブレーカーの心臓内の親密なプロセスを調査するテストラボのエンジニアに依存します。 このような徹底的なテストによってのみ、機器が最も暑い日でも中国の大都市を涼しく保つことができることが保証されます。

この記事はもともと「スーパーグリッドの保護」として印刷されたものです。