JP2001244108A - 誘導機器の超電導コイル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】短絡事故などの際に加わる過大な電磁力で超電
導線材の破損するのを防護し、併せて短絡電流による超
電導線材の常電導化転移に伴う過大な発熱を巧みに防ぐ
ようにして超電導コイルの信頼性向上を図る。 【解決手段】円筒状の絶縁巻枠４の外周面側に螺旋状の
溝を形成し、この溝に沿ってテープ状の超電導線材５を
巻回してなる超電導コイルにおいて、前記超電導線材に
重ねてその外周側に銅，銅合金，チタン，ステンレス鋼
等の常導電体を用いた金属テープ６を巻き付けて樹脂の
硬化処理などによりバインドし、さらに金属テープを超
電導線材と電気的に並列接続する。これにより、短絡事
故などの際に超電導線材に加わる半径方向の電磁力を外
周側から金属テープで支持し、さらに、過電流によるジ
ュール発熱で超電導線材が常電導化した場合には、電流
の一部を金属テープに分流させて急激な温度上昇による
コイル焼損を防ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、変圧器，インダク
タなどの誘導機器の超電導コイルに関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導コイルは高磁界発生手投として各
種分野で実用化されている。一方、変圧器，インダクタ
などの誘導機器への超電導コイルの適用は、超電導導体
が交流によって損失を発生するという現象があることか
らその実用化が遅れていたが、近年になり、超電導導体
素線の細線化による交流損失の小さな超電導線材の開
発，さらには酸化物超電導体の出現によって、変圧器な
どの誘導機器に適用する超電導コイルの研究，開発が急
速に進められている。

【０００３】次に、超電導変圧器を例に、その変圧器全
体の構成，およびこの変圧器に採用している超電導コイ
ルの従来例の構造を図３〜図６で説明する。まず、図３
において、１は変圧器鉄心（鉄心脚）、２は内側コイ
ル、３は外側コイルであり、内側コイル２，外側コイル
３は鉄心１を包囲して同心に配置し、各コイルの層間に
液体窒素などの冷媒を通流させて超電導コイルを極低温
に冷却し、超電導相状態に維持して運転するようにして
いる。またこの場合に、一般的には内側コイル２を低圧
巻線、外側コイル３を高圧巻線として、その変圧比に対
応した巻回数の多い高圧巻線は、コイルを内外複数層に
分けて多重円筒形構成とするのが一般的であり、図４に
外側コイル（高圧巻線）３を二層に分割して構成した例
を示す。

【０００４】ここで、従来技術による超電導コイルは、
図４，図５で示すようにＦＲＰなどの絶縁材で作られた
円筒状の巻枠４の外周面側に超電導線材５を巻回して構
成している。この場合に、現在開発が進められている酸
化物超電導体の線材５は、厚さ０．２mm程度のテープ状
であることから、この線材幅の寸法に合わせて巻枠４の
外周面側に螺旋状の溝を加工し、この溝に沿ってテープ
状の超電導線材５を一層，ないし複数層に重ねて埋め込
むように巻回するように組立てている。また、超電導線
材５は通電に伴う発熱を効率よく除熱するために、巻枠
４の周面上には図６に示すように前記の螺旋状溝と交差
するように分散して軸方向に液体窒素が通流する冷却ダ
クト４ａを形成している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記した超
電導コイルの従来構造では、実使用面で次記のような問
題点がある。すなわち、変圧器の負荷側に短絡事故など
が発生すると、コイルに大きな短絡電流が流れて一次／
二次コイル間に電流の二乗に比例した過大な電磁力が働
く。この電磁力は、図４に矢印Ｆ1,Ｆ2 で表すように、
内側コイル（低圧巻線）２には半径方向に内向きの電磁
力Ｆ1 が、また外側コイル（高圧巻線）３には半径方向
に外向きの電磁力Ｆ2 が加わることになる。この場合
に、短絡電流の大きさは変圧器の％インピーダンスの逆
数倍となり、例えば％インピーダンスが１０％であれ
ば、定格電流に対し１０倍の短絡電流が流れる。さら
に、衝撃係数や波高値を考慮すると、各コイル２，３に
加わる電磁力Ｆ1,Ｆ2 は短絡電流（実効値）に対して約
２．５倍に見積もってその保護対策を講じる必要があ
る。

【０００６】また、超電導変圧器では、超電導コイルに
流れる電流密度が銅などの常電導線材を使用した通常の
油入変圧器に比べて５〜２０倍にもなる。このために、
前述した短絡電流の通流時には過大な電磁力が内側／外
側コイル間に加わり、超電導線材５が破損する危険性が
非常に高い。この場合に、図４で述べたように内側コイ
ル２には半径方向に内向きの力Ｆ1 が働くので、その巻
枠４で超電導線材５に働く電磁力を内側から支えること
が可能であるが、外側コイル３では半径方向に外向きの
力Ｆ2 が働いて超電導線材５に引張り応力が生じるため
に、コイルを何らかの手段で外周側から支持しないと最
悪の場合に超電導線材５が破断するおそれがある。

【０００７】さらに、前記のように、超電導変圧器では
短絡発生時におけるコイルの電流密度は通常の油入変圧
器に比べて５〜２０倍にもなることから、臨界電流を超
えることにより超電導線材が常電導に転移するととも
に、その温度が急激に上昇して最悪の場合に焼損する危
険性もある。特に、酸化物超電導体で作られた実用超電
導線材は、常電導状態における電気的抵抗が大きく、こ
のために常電導化した際に大電流が流れると、ジュール
発熱により超電導線材の温度が急激に上昇することにな
る。

【０００８】一方、前記した電磁力の問題について、発
明者等は、巻枠の外周側に巻回したテープ状の超電導線
材に対して、その外周側に半硬化状樹脂を含浸させたガ
ラス，ポリエステル繊維などのバインドテープを巻き付
けた上で、樹脂を硬化処理して超電導線材を外側から緊
縛するように構成した超電導コイルを本発明と同一出願
人より特願平１０−３０４９４０号として先に提案して
いる。

【０００９】前記提案の構成によれば、短絡事故などで
超電導線材に加わる過大な電磁力を繊維のバインドテー
プで外周側から支持することが可能であるが、短絡電流
の通電に伴って超電導線材が常電導に転移した際の、急
激な温度上昇を防ぐ機能はない。

【００１０】そこで、本発明は短絡事故などの際に加わ
る過大な電磁力で超電導線材の破損するのを防護し、併
せて短絡電流による超電導線材の常電導化転移に伴う過
大な発熱を巧みに防ぐようにした機械的，熱的に信頼性
の高い誘導機器の超電導コイルを提供することを目的と
する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、絶縁材の円筒状巻枠の外周面側に
螺旋状の溝を形成し、この溝に沿って超電導線材を巻回
してなる超電導コイルにおいて、超電導線材に重ねてそ
の外周側に常導電体の金属テープを巻き付けてバインド
する（請求項１）ものとし、実施態様として次記のよう
に構成する。

【００１２】(1) 金属テープを超電導線材と電気的に並
列接続する（請求項２）。

【００１３】(2) 金属テープの材料として、極低温でも
安全に使用可能な銅，銅合金，チタン，ステンレス鋼の
いずれかを採用する（請求項３）。

【００１４】(3) 金属テープを超電導線材の外周側に巻
き付けた状態で、その周域にエポキシ樹脂材を塗布して
硬化処理する（請求項４）。

【００１５】上記のように、円筒状の巻枠に巻回した超
電導線材に対し、その外周側から金属テープを巻き付け
てバインドすることで、極低温の運転温度にも十分に耐
えて短絡事故などでコイルの超電導線材に加わる半径方
向の過大な電磁力を金属テープが支えて超電導線材の破
断を防止できるとともに、この金属テープが伝熱材とし
て超電導線材に発生したジュール熱を周囲の冷媒に熱放
散させるようにも機能する。また、この金属テープを超
電導線材と電気的に並列接続することにより、短絡時に
超電導線材に流れる過大な電流の一部を金属テープに分
流させて、超電導線材の常電導転移による過大なジュー
ル熱の発生，およびその発熱による線材の焼損を効果的
に防ぐことができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
(a),(b) および図２に示す実施例に基づいて説明する。
なお、実施例の図中で図５，図６に対応する部材には同
じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

【００１７】すなわち、図示実施例の構成においては、
巻枠４の外周面側に巻回したテープ状の超電導線材５に
沿って、その外周側に常電導体の金属テープ６が巻き付
けてある。この金属テープ６には、極低温での使用が可
能な銅または銅合金，チタン，ステンレス鋼などのテー
プを採用し、超電導線材５に重ね合わせて巻枠４の周面
に形成した凹溝内に敷設し、さらにその周域にエポキシ
樹脂などの接着剤を塗布して硬化処理し、強固にバイン
ドするようにしている。この構成により、外側コイル
（高圧巻線）３に加わる半径方向に外向きの力を支持で
きる。

【００１８】また、前記の金属テープ６は、図２のコイ
ル等価回路図で示すように、超電導線材５と電気的に並
列接続している。なお、図示例の超電導巻線では複数層
の超電導線材５を重ね合わせて並列接続しており、各層
の超電導巻線５は偏流を防止するためにその途中箇所で
転位が施されている。これに対して、常電導体の金属テ
ープ６は超電導線材５の最外周側に巻回されていてイン
ダクタンスが大きく、かつ電気抵抗分もあるために超電
導線材３に比してインピーダンス値が大きいため、極低
温での定常運転時においては通電電流の大半は低インピ
ーダンスの超電導線材５を流れる。

【００１９】一方、短絡発生時には、コイルに流れる過
大な短絡電流により、超電導線材５が臨界電流を超える
ことにより超電導から常電導に転移するとともに、酸化
物超電導体で作られた超電導線材５はその電気抵抗が著
しく増大するようになる。これにより、超電導巻線に流
れていた電流の一部が金属テープ６に分流して流れるよ
うになるとともに、金属テープ６が伝熱材として超電導
線材５に発生したジュール熱を周囲に流れる冷媒（液体
窒素など）に放熱させるように機能し、その結果とし
て、超電導線材５のジュール発熱に起因する急激な温度
上昇を抑制できる。すなわち、金属テープ６はコイルに
加わる電磁力に対して超電導線材５を外周側から支える
機能と、電流バイパス導体，放熱体としての機能を兼ね
備えている。

【００２０】なお、金属テープ６としてあまり電気抵抗
の小さい材料を使用すると、インピーダンスが小さくな
って定常運転時における分流電流が大きくなり、その結
果として損失（負荷損）の増大につながるおそれがあ
る。逆に、金属テープ６に電気抵抗の大きい材料を使用
すると、コイル短絡時における金属テープ６ヘの電流分
流が小さくなり、その結果として超電導巻線でのジュー
ル発熱が増大して金属テープ６が十分な効果を発揮でき
ないことがある。そこで、金属テープ６の材料選択に当
たっては、定常運転時における損失と短絡発生時におけ
る電流抑制の兼ね合いから最適な材料を選ぶ必要があ
る。

【００２１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、絶
縁材の円筒状巻枠の外周面側に螺旋状の溝を形成し、こ
の溝に沿って超電導線材を巻回してなる超電導コイルに
おいて、超電導線材に沿いその外周側に常導電体の金属
テープを巻き付けてバインドしたことにより、短絡事故
時に一次／二次コイル間に発生する電磁力で超電導線材
に加わる半径方向の過大な引張り力をその外周面側から
金属テープが支持して超電導線材の破損を防止でき、か
つ金属テープの周域に塗布したエポキシ樹脂などのバイ
ンダを硬化処理することで、電磁力に対する機械的な支
持力をより一層高めることができる。

【００２２】また、前記金属テープを超電導巻線に対し
て電気的に並列に接続することにより、短絡事故時の短
絡電流で超電導線材が常電導に転移した場合には、その
短絡電流の一部を金属テープに分流させて超電導線材の
ジュール発熱による急激な温度上昇，および焼損を防止
することができ、機械的，および熱的にも信頼性の高い
誘導機器の超電導コイルを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による変圧器コイルの構成図で
あり、(a) は縦断側面図、(b)は(a) 図の横断平面図

【図２】図１の等価接続回路図

【図３】超電導変圧器を例にした各コイルの基本的な構
成配置図

【図４】図３の外側コイルを複数層に分けた変圧器の各
超電導コイルの配置図

【図５】図４における超電導コイルの従来技術による詳
細構造を示す断面図

【図６】図５の横断平面図

【符号の説明】

１ 鉄心 ２ 内側コイル ３ 外側コイル ４ 巻枠 ５ 超電導線材 ６ 金属テープ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁材の円筒状巻枠の外周面側に螺旋状の
   溝を形成し、この溝に沿って超電導線材を巻回してなる
   超電導コイルにおいて、超電導線材に重ねてその外周側
   に常導電体の金属テープを巻き付けてバインドしたこと
   を特徴とする誘導機器の超電導コイル。
2. 【請求項２】請求項１記載の誘導機器の超電導コイルに
   おいて、金属テープを超電導線材と電気的に並列接続し
   たことを特徴とする誘導機器の超電導コイル。
3. 【請求項３】請求項１，または２記載の誘導機器の超電
   導コイルにおいて、金属テープの材料が銅，銅合金，チ
   タン，ステンレス鋼のいずれかであることを特徴とする
   誘導機器の超電導コイル。
4. 【請求項４】請求項１，または２記載の誘導機器の超電
   導コイルにおいて、金属テープを超電導線材の外周側に
   巻き付けた状態で、その周域にエポキシ樹脂材を塗布し
   て硬化処理したことを特徴とする誘導機器の超電導コイ
   ル。