JP2000090788A - 限流装置及び限流遮断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来の限流器や遮断器には短絡故障時の限流、
遮断動作が遅く遮断電流に限界があるため、特に今後の
電力系統の大容量化に対処するには不十分であった。 【解決手段】４個のダイオードＤ１〜Ｄ４がブリッジ形
に接続されたブリッジ型整流器の一方の対向する接続端
子が、それぞれ電源１０及び負荷１２に接続され、該整
流器の他方の対向する接続端子の間に超電導コイル１４
が挿入された超電導限流抵抗体１５と、電源１０と超電
導限流抵抗体１５との間に挿入されたスイッチＳＷ１
と、超電導限流抵抗体１５及び前記スイッチＳＷ１に並
列に接続され、互いに逆並列に接続された１組の電界放
出型冷陰極素子部１１ａ，ｂとを具備してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力系統の短絡故
障電流を抑制する限流抵抗体を具備する限流装置及び限
流遮断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電力系統に短絡等の事故が発生すると数
十ｋＡにも及ぶ事故電流が流れ、電力系統及び電力機器
に大きなダメージを与えてしまう。このような事故電流
を瞬時に検出し抑制する限流装置が電力系統に挿入され
ている。また、事故電の抑制と遮断とを行う限流遮断装
置も存在する。限流遮断装置は、限流装置に遮断器を付
加したものである。

【０００３】これまでの限流装置は、限流リアクトルと
コンデンサとサイリスタと制御回路とを備えて構成され
ている。限流リアクトルとコンデンサは相互に直列に接
続され、電力系統に挿入されている。コンデンサは限流
リアクトルと共振することにより、リアクトルの挿入に
よる電圧降下を補償するために設けられている。また、
コンデンサにサイリスタが並列接続されており、制御回
路により導通、遮断が制御される。

【０００４】制御回路は電力系統の電流値を監視してお
り、短絡故障が発生し、電力系統に規定値以上の電流が
流れると、サイリスタのゲートを駆動しサイリスタを導
通させる。コンデンサがサイリスタにより短絡されて限
流リアクトルに電圧が発生し電力系統の過電流を抑制す
る。

【０００５】しかしながら、上述した限流装置では、短
絡故障の発生時から少なくとも半周期または１周期が経
過した時点からでしか限流動作を行うことが出来ず、長
時間、過電流が流れ続けるため、電力系統大容量化した
際に対処することができないという問題がある。

【０００６】高速な限流動作を行う限流装置として超電
導体のクエンチを利用したものが存在する。しかし、ク
エンチして限流動作を行った後に、故障が復旧しても、
クエンチ状態から超伝導状態に復帰するまでに時間がか
かり、故障が復旧しても電極系統に電流を流すことがで
きないという問題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の限流装置は、短絡故障時の限流動作が遅く、今後の電
力系統の大容量化に対処することが不十分であった。

【０００８】本発明の目的は、短絡故障時の限流動作の
高速化をはかると共に、故障の復旧後の電力系統の復帰
時間の短縮化を図り得る限流装置及び限流遮断装置を提
供する事を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】［構成］本発明は、上記
目的を達成するために以下のように構成されている。

【００１０】（１） 本発明（請求項１）の限流装置
は、電源と負荷との間に挿入され、電流を限流する限流
装置であって、４個の整流素子がブリッジ形に接続され
たブリッジ型整流器の一方の対向する接続端子がそれぞ
れ前記電源及び負荷に接続され、該整流器の他方の対向
する接続端子の間に超電導コイルが挿入された超電導限
流抵抗体と、この超電導限流抵抗体の一方の対向する接
続端子に対して並列に接続され、互いに逆並列に接続さ
れた１組の電界放出型冷陰極素子部とを具備してなるこ
とを特徴とする。

【００１１】（２） 本発明（請求項２）の限流遮断装
置は、電源と負荷との間に挿入され、電流を限流，遮断
する限流遮断装置であって、４個の整流素子がブリッジ
形に接続されたブリッジ型整流器の一方の対向する接続
端子が、それぞれ前記電源及び負荷に接続され、該整流
器の他方の対向する接続端子の間に超電導コイルが挿入
された超電導限流抵抗体と、この超電導限流抵抗体と前
記電源との間、又は該限流抵抗体と負荷との間の少なく
とも一方に挿入されたスイッチと、前記超電導限流抵抗
体及び前記スイッチに並列に接続され、互いに逆並列に
接続された１組の電界放出型冷陰極素子部とを具備して
なることを特徴とする。

【００１２】（３） 本発明（請求項３）の限流遮断装
置は、電源と負荷との間に挿入され、電流を限流，遮断
する限流遮断装置であって、４個の電界放出型冷陰極素
子部がブリッジ型に接続されたブリッジ型整流器の一方
の対向する接続端子がそれぞれ前記電源及び負荷に接続
され、該ブリッジ型整流器の他方の対向する接続端子間
に挿入された超電導コイルとを具備してなることを特徴
とする。

【００１３】本発明の好ましい実施態様を以下に示す。

【００１４】前記超電導コイルが、キャンセル巻きされ
ている。

【００１５】前記１組の電界放出型冷陰極素子部と直列
に限流リアクトルが挿入されている。

【００１６】前記１組の電界放出型冷陰極素子部と直列
に限流抵抗が挿入されている。前記１組の電界放出型冷
陰極素子部と直列に第二の遮断器が挿入されている。

【００１７】［作用］本発明は、上記構成によって以下
の作用・効果を有する。

【００１８】４個の整流素子がブリッジ形に接続された
ブリッジ型整流器の一方の対向する接続端子がそれぞれ
前記電源及び負荷に接続され、該整流器の他方の対向す
る接続端子の間に超電導コイルが介挿された超電導限流
抵抗体に、定常と異なる過大な電流が流れた場合には、
超電導コイルはインダクタンスとして働いて限流動作を
行う。従って、電流の検出を行わずに限流動作を行うの
で、限流動作の高速化をはかることが可能となる。

【００１９】又、超電導限流抵抗体に並列に接続され
た、互いに逆並列に接続された１組の電界放出型冷陰極
素子部を導通させることによって、超電導コイルがクエ
ンチしていても、故障復旧後の電力系統の復帰の短縮化
を図り得る。また、サイリスタ等の大電力用のスイッチ
ング素子は、高耐圧化するとシリーズに接続されるので
占有スペースが大きくなるが、高耐圧化が容易な電界放
出型冷陰極素子部を用いることによって占有スペースを
小さくすることができる。電界放出型冷陰極素子部は、
これまでの遮断器と比べて遮断時に電極間にアークが生
じないので、遮断時間や信頼性の点で優れている。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を以下に図面
を参照して説明する。

【００２１】［第１実施形態］図１は本発明の実施の形
態に係る限流遮断装置の要部を示す図である。この図
は、電力系統の単相分を示しており、例えば三相交流の
場合は各相毎に限流遮断装置が設けられることになる。

【００２２】互いに逆並列に接続された１組の電界放出
型冷陰極素子部１１ａ，ｂに並列に、スイッチＳＷ１と
超電導限流抵抗体１５との直列回路が接続されている。
超電導限流抵抗体１５は、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４
がブリッジ型に接続されたブリッジ型整流器の一方の対
向する接続端子が、スイッチＳＷ１及び負荷１２に接続
され、他方の対向する接続端子間に超電導コイル１４が
挿入されて構成されている。つまり、ブリッジ型整流器
はスイッチＳＷ１を介して電源１０に接続されている。
そして、ゲートコントロール１３が、電力系統の電流値
を監視し、電界放出型冷陰極素子部１１ａ，ｂのゲート
電源Ｇa ，Ｇb を制御する。

【００２３】電界放出型冷陰極素子部１１ａ，ｂの概略
構成を図２に示す。カソード電極２１上に、円錐状のエ
ミッタ２２が複数形成されている。カソード電極２１上
にエミッタ２２を囲むように絶縁層２３が形成されてい
る。絶縁層２３上にゲート電極２４が形成されている。
そして、エミッタ２２に対向してアノード電極２５が離
間配置されている。

【００２４】電界放出型冷陰極素子部１１ａ，ｂは真空
容器の中に収められ、１０^-5Ｔｏｒｒ以下の真空度に保
たれる。また、超電導流器の超電導コイル１４は冷凍器
のなかに納められ、所定の温度以下に冷却されている。
なお、超電導コイル１４もそのままでは強力な磁場を発
生し、危険であるので、いわゆるキャンセル巻でコイル
を作製し磁場の影響が周囲に及ばない工夫が必要であ
る。

【００２５】先ず、本装置の限流動作について説明す
る。定常時の電流の流れは、ダイオードＤ１→超電導コ
イル１４→ダイオードＤ４、またはダイオードＤ３→超
電導コイル１４→ダイオードＤ２の経路で流れている。
このとき、超電導コイル１４には、ブリッジ型に接続さ
れたダイオードＤ１〜Ｄ４による整流と超電導コイル１
４のインダクタンス成分による平滑化とにより、直流成
分の電流が流れている。そのため、超電導コイル１４で
交流損失は生じず、超電導限流抵抗体１５では、高々ダ
イオードＤ１〜Ｄ４の順方向電圧降下分の損失が生じる
だけである。

【００２６】短絡故障時など定常電流を上回る過大な電
流が電力系統に流れた場合には、超電導コイル１４はイ
ンダクタンスとして働いて限流動作を行い、過大な電流
が流れるのを防止する。さらに過大な電流が流れようと
すれば、超電導コイル１４を構成する超電導体がクエン
チして常電導状態になって大きな抵抗成分が生じるの
で、一層強力な限流動作を行う。

【００２７】この時、超電導限流抵抗体１５の限流動作
により、スイッチＳＷ１には、定常電流よりも小さな電
流しか流れないので、容易にスイッチＳＷ１を開き、電
力系統を超電導限流抵抗体１５の部分で遮断することが
出来る。例えば、このスイッチＳＷ１を電磁開閉器とし
て用いて構成し、電磁石の部分を超電導コイル１４と連
動させれば、特別な制御系を設ける事無く、短絡故障時
に超電導コイル１４が限流動作を開始すると同時にスイ
ッチＳＷ１が開き電力系統を遮断するようにすることも
可能である。

【００２８】なお、前述したように超電導コイル１４に
流れる電流成分は直流であるから、直接超電導体に交流
電流を流す場合より、コイルを小型化することができ
る。

【００２９】一方、この超電導限流抵抗体１５と並列に
電力系統に挿入され、互いに逆並列に接続された電界放
出型冷陰極素子部１１ａ，ｂは、例えば、通常はゲート
に適当な電圧を印加することにより遮断状態としてお
く。超電導限流抵抗体は一旦クエンチした後は、復帰に
時間がかかる。この場合、この電界放出型冷陰極素子部
をオンにして通電すれば、電力系統の復帰を早めること
が出来る。

【００３０】無論、通常の遮断器と同様に、定常時にオ
ンしておき、短絡故障が起きた時に超電導限流抵抗体１
５と連動して素子部をオフにして遮断することも可能で
ある。そして、復旧時には、電界放出型冷陰極素子部１
１ａ，ｂをオンして通電させることによって、超電導コ
イル１４がクエンチから復帰していなくても、電力系統
を復帰させることができる。

【００３１】電界放出型冷陰極素子部は、機械的可動部
がないため、高速かつ高信頼な遮断器として利用でき
る。従って、スイッチＳＷ１に、互いに逆並列に接続さ
れた１組の電界放出型冷陰極素子部を用いることも可能
である。

【００３２】図３は、本発明に係る他の実施例である。
この図は、図１の電界放出型冷陰極素子部１１ａ，ｂを
用いた遮断器と直列に限流リアクトル１６を挿入したも
のである。

【００３３】短絡故障時に、超電導限流抵抗体１５の動
作により過電流は限流リアクトル１６側に転流される。
この時、超電導限流抵抗体１５側には過電流は流れてい
ないので、スイッチＳＷ１により容易に電力系統を遮断
することができる。また、限流リアクトル１６側に転流
された過電流も、限流リアクトル１６によって限流さ
れ、抑制される。そのため、容易に電界放出型冷陰極素
子部１１ａ，ｂから構成された、遮断器により電力系統
を遮断できる。

【００３４】図４は、本発明に係る他の実施例である。
この図は電界放出型冷陰極素子部１１ａ，ｂによる遮断
器が何らかの事故、故障により有効に動作しなくなった
場合に備えてスイッチＳＷ２が設けられている。

【００３５】又、図５に示すように、図２における限流
リアクトル１６の代わりに限流抵抗器１７を用いること
も可能である。また、図６に示すように、図４における
限流リアクトル１６の代わりに限流抵抗器１７を用いる
ことも可能である。

【００３６】［第２実施形態］図７は、本発明の第２実
施形態に係わる限流遮断装置の概略構成を示す図であ
る。なお、図７において、図１と同一な部分には同一符
号を付し、その詳細な説明を省略する。

【００３７】電源１０にスイッチＳＷ１を介して、限流
リアクトル１６の一端が接続されている。限流リアクト
ル１６の他端に共振コンデンサ１８を介して、負荷１２
が接続されている。共振コンデンサ１８に並列に互いに
逆並列に接続された１組の電界放出型冷陰極素子部１１
ａ，ｂが接続されている。そして、ゲートコントロール
１３が、電力系統の電流値を監視し、電界放出型冷陰極
素子部１１ａ，ｂのゲート電源Ｇa ，Ｇb を制御する。

【００３８】図７は、従来型の限流遮断装置において、
限流動作時に共振コンデンサ１８を短絡するために使用
されるサイリスタバルブ等の代わりに、電界放出型冷陰
極素子部１１ａ，ｂを用いた例である。

【００３９】通常、サイリスタ等の半導体素子は耐圧に
制限があるために、電力系統に挿入する場合、多段に構
成する必要があるが素子の動作時において、例えば一つ
の素子が他の素子よりも遅れて導通を開始すると、遅れ
た素子に電力系統の電圧が総てかかるために破壊してし
まう。そのためにタイミングを合わせるために制御回路
に複雑な構成が必要となったり、各素子に並列に電圧分
担を均等にするために抵抗を挿入しなければならないな
ど、装置の複雑化、大型化、損失の増加などの問題点が
あった。

【００４０】これに対し、電界放出型冷陰極素子は１段
で所定の耐圧を持たせることができるため、従来の装置
のような問題点が生じない。

【００４１】［第３実施形態］図８は、本発明の第３実
施形態に係わる限流遮断装置の概略構成を示す図であ
る。本装置は、例えば図１においてダイオードで構成さ
れていた整流ブリッジを電界放出型冷陰極素子部により
構成した例である。 定常動作時は、４つの電界放出型
冷陰極素子部１１ａ〜ｄは、エミッタからアノード方向
にのみ電子が移動し、ダイオードと同じ働きをし、第１
実施形態に示した超電導限流抵抗器と同様な動作をす
る。

【００４２】短絡故障時には、超電導コイル１４が限流
動作に入るとともに、過電流を検出するとゲートコント
ロール１３が働き、４つの電界放出型冷陰極素子部１１
ａ〜ｄをオフする。これにより、電力系統から短絡故障
箇所を切り離すことが出来る。

【００４３】このような構成であれば、限流器と遮断器
を一体化して構成できるため、装置の小型化や部品点数
の減少などにより信頼性の向上が見込まれる。

【００４４】過電流の検出には、電力系統や超電導コイ
ルを流れる電流値を検出する他に、短絡故障時に超電導
コイルに生じる電圧を検出したり、超電導コイルが作る
磁場の変化を検出したりする方法がある。

【００４５】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変
形して実施することが可能である。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ブ
リッジ型整流器の他方の対向する接続端子の間に超電導
コイルが挿入された超電導限流抵抗体に並列に、互いに
逆並列に接続された１組の電界放出型冷陰極素子部を接
続することによって、短絡故障時の限流動作の高速化が
図れると共に、故障復旧後に電力系統に速やかに電流を
流すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係わる限流遮断装置の概略構成
を示す図。

【図２】図１の電界放出型冷陰極素子部の概略構成を示
す断面図。

【図３】図１の限流遮断装置の変形例の概略構成を示す
図。

【図４】図１の限流遮断装置の変形例の概略構成を示す
図。

【図５】図１の限流遮断装置の変形例の概略構成を示す
図。

【図６】図１の限流遮断装置の変形例の概略構成を示す
図。

【図７】第２実施形態に係わる限流遮断装置の概略構成
を示す図。

【図８】第３実施形態に係わる限流遮断装置の概略構成
を示す図。

【符号の説明】

１０…電源 １１ａ〜ｄ…電界放出型冷陰極素子部 １２…負荷 １３…ゲートコントロール １４…超電導コイル １５…超電導限流抵抗体 １６…限流リアクトル １７…限流抵抗器 １８…共振コンデンサ ２１…カソード電極 ２２…エミッタ ２３…絶縁層 ２４…ゲート電極 ２５…アノード電極 ＳＷ１…スイッチ Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード Ｇa ，Ｇb …ゲート電源

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源と負荷との間に挿入され、電流を限
   流する限流装置であって、 ４個の整流素子がブリッジ形に接続されたブリッジ型整
   流器の一方の対向する接続端子がそれぞれ前記電源及び
   負荷に接続され、該整流器の他方の対向する接続端子の
   間に超電導コイルが挿入された超電導限流抵抗体と、 この超電導限流抵抗体の一方の対向する接続端子に対し
   て並列に接続され、互いに逆並列に接続された１組の電
   界放出型冷陰極素子部とを具備してなることを特徴とす
   る限流装置。
2. 【請求項２】 電源と負荷との間に挿入され、電流を限
   流，遮断する限流遮断装置であって、 ４個の整流素子がブリッジ形に接続されたブリッジ型整
   流器の一方の対向する接続端子が、それぞれ前記電源及
   び負荷に接続され、該整流器の他方の対向する接続端子
   の間に超電導コイルが挿入された超電導限流抵抗体と、 この超電導限流抵抗体と前記電源との間、又は該限流抵
   抗体と負荷との間の少なくとも一方に挿入されたスイッ
   チと、 前記超電導限流抵抗体及び前記スイッチに並列に接続さ
   れ、互いに逆並列に接続された１組の電界放出型冷陰極
   素子部とを具備してなることを特徴とする限流遮断装
   置。
3. 【請求項３】 電源と負荷との間に挿入され、電流を限
   流，遮断する限流遮断装置であって、 ４個の電界放出型冷陰極素子部がブリッジ型に接続され
   たブリッジ型整流器の一方の対向する接続端子がそれぞ
   れ前記電源及び負荷に接続され、該ブリッジ型整流器の
   他方の対向する接続端子間に挿入された超電導コイルと
   を具備してなることを特徴とする限流遮断装置。