JP2001326396A

JP2001326396A - 限流素子および限流器

Info

Publication number: JP2001326396A
Application number: JP2000140196A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Morita; 充森田; Mitsuru Sawamura; 充澤村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-05-12
Filing date: 2000-05-12
Publication date: 2001-11-22
Anticipated expiration: 2020-05-12
Also published as: JP4750925B2

Abstract

(57)【要約】【課題】交流損失が少なく、かつ、高速で動作する超
電導-常伝導転移型酸化物バルク超電導限流素子を有す
る限流器を提供する。【解決手段】少なくとも限流素子と該限流素子に磁場
を印加する機構と、前記限流素子に発生する自己磁界の
板面法線方向にの磁界成分と前記磁場印加機構の磁界成
分の方向を調整する機構を有してなる限流器である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、限流素子及び限流
器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電力回路で短絡事故が発生すると、極め
て大きな短絡電流が流れる。短絡電流は、遮断機によっ
て遮断されるが、数十msは短絡電流が流れてしまうた
め、大きな電磁力と多量のジュール熱が発生し、電力機
器や電路が大きな機械的・熱的損傷を受ける。このよう
な事故発生時の短絡電流を抑えて、遮断機の責務を軽減
する事故時限流器(限流器)の開発が、望まれている。ま
た、このような限流器は、各種送配電系統の安定化に帰
する効果が極めて大きく、系統の複雑化が進む今日、限
流器の早期実現が期待されている。

【０００３】限流器には多くの方式のものが提案されて
いるが、本発明者等も、ミアンダ形状を有する超電導バ
ルク材料を用いた超電導−常伝導転移型で抵抗型の限流
器を提案している。例えば、QMGと呼ばれるY系のバルク
超電導材料をミアンダ形状に加工し、これに限流動作時
のバイパス回路としてNiCrの板を接続すると同時に、異
常電流が流れた瞬間に、超電導材料に磁場を印加するた
めの小型マグネットを取付けた限流器を提案し、性能評
価を行っている(第61回1999年度秋期低温工学・超電導
学会講演概要集P.181)。

【０００４】また、特開2000-32654号公報には、REBa₂C
u₃O_7-x(ここでREはY、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、E
r、Tm、Yb、Luから選ばれる1種類以上の元素を示す)相
中にRE ₂BaCuO₅が微細分散した酸化物超電導体を用いた
超電導−常伝導転移型限流素子のｃ軸方向に、異常電流
検出時に外部磁場を印加し、クエンチを助長すること
で、均質でかつ高速の限流動作が得られる限流器も提案
している。このように、限流素子である超電導材料に磁
場を印加することで、異常電流検出時に、良好な限流特
性が得られることが知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】異常電流検出後の酸化
物超電導材料への磁場印加は、より均質な常伝導転移を
もたらし、素子の損傷を防止する他、より高速の限流動
作を導き、超電導限流器には極めて有効であるが、さら
に有効性を増すために、次のような課題が挙げられる。１）より強い磁場の印加２）磁場の印加速度の高速化３）より効率の高い印加方法４）より損傷を受け難いバイパス回路の付与上記１）と２）は、相矛盾する関係に有る。すなわち、
より強い磁場を発生させるために、コイルの巻き数を増
やすと、インダクタンスが増大し、磁場が立ち上がるま
での時間が長くなってしまう。そこで、より効率のよい
磁場の印加方法や、より損傷を受け難いバイパス回路の
付与が、重要な技術課題となる。

【０００６】本発明は、このような課題を解決し、電流
容量の大きい超電導体を用いた、応答が早く、かつ溶断
せずに、均一にクエンチを発生させる、限流素子及び限
流器を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、(1) REBa₂Cu₃
O_7-x(ここでREはY、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、
Er、Tm、Yb、Luから選ばれる1種類以上の元素を示す)相
中にRE₂BaCuO₅が微細分散した酸化物超電導体からなる
超電導-常伝導転移型限流素子であって、前記酸化物超
電導体表面にAgと非磁性金属との合金からなる皮膜を有
してなることを特徴とする限流素子、(2) 前記限流素子
が実質的にミアンダ形状である(1)記載の限流素子、(3)
前記限流素子の板面法線方向が前記酸化物超電導体の
ｃ軸方向である(1)又は(2)に記載の限流素子、(4) 前記
(1)〜(3)に記載の限流素子を有してなる限流器、(5) 少
なくとも限流素子と該限流素子に磁場を印加する機構
と、前記限流素子に発生する自己磁界の板面法線方向に
の磁界成分と前記磁場印加機構の磁界成分の方向を調整
する機構を有してなる限流器、(6) 前記限流素子が酸化
物超電導体である(5)記載の限流器、(7) 前記磁場印加
機構が電磁石である(5)記載の限流器、(8) 前記電磁石
がヨークと通電コイルを有してなる(7)記載の限流器、
(9) 前記ヨークが積層構造を有してなる(8)記載の限流
器、(10) 前記通電コイルが超電導体からなる(8)記載の
限流器、(11) 前記調整機構が、前記限流素子板面法線
方向の磁界成分と前記磁場印加機構の磁界成分を同一方
向に調整する機構である(5)記載の限流器、(12) 前記調
整機構が、前記限流素子板面法線方向の磁界成分と前記
磁場印加機構の磁界成分を逆方向に調整する機構である
(5)記載の限流器、(13) 前記限流器が、通電電流の電流
量、極性、位相の少なくとも1つを検知する機構を有し
てなる(5)記載の限流器、(14) さらに前記検知機構から
の信号に応じて前記調整機構の磁界成分の方向を反転さ
せる切替機構を有してなる(13)記載の限流器、(15) 前
記限流器が磁場シールド体を有してなる(5)〜(14)の何
れかに記載の限流器、(16) 前記限流素子が(1)〜(3)の
何れか1項に記載の限流素子である(5)〜(15)の何れかに
記載の限流器、である。

【０００８】

【発明の実施の形態】焼損しにくいバイパス回路を限流
素子に付与することは、磁場印加機構と同様に限流器を
設計する上で重要である。 REBa₂Cu₃O_7-x(ここでREは
Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luから
選ばれる１種類以上の元素を示す)相中に、RE₂BaCuO₅が
微細分散した酸化物超電導体を用いた超電導−常伝導転
移型限流素子が、実質的にミアンダ形状であり、かつそ
の板面の法線がREBa₂Cu₃O_7-xのｃ軸方向である限流素子
において、超電導材料の表面にAgを蒸着し、溶断防止の
ためのバイパス回路を付与することの有効性は、前述の
第61回1999年度秋期低温工学・超電導学会講演概要集P.
181、または、特開2000-32654号公報に記載されている
通りである。

【０００９】これに対し本発明においては、超電導材料
の表面に、比抵抗の大きなAgと非磁性金属との合金の皮
膜を作製することで、超電導材料と銀合金との接触抵抗
を十分に低く保つことができる。さらに、常伝導転移し
たときの抵抗値を一定とした場合、純銀製の皮膜に比
べ、比抵抗が大きくなった分だけ、厚くすることができ
る。すなわち、限流動作時に、一定の発熱がバイパス用
皮膜で生じた場合、皮膜内での温度上昇が低くなり、超
電導材料に与える熱衝撃を低減することができる。

【００１０】超電導相であるREBa₂Cu₃O_7-x相のRE元素
は、Yを含む希土類元素中で、超電導相である123結晶相
を１種類で構成する元素として、Y、Pr、Nd、Sm、Eu、G
d、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luに限定される。ただし、他
の金属元素が10at%程度の置換または添加されていたと
しても、123結晶相を構成できる場合があり、このよう
な場合も含まれる。

【００１１】一般に、交流損失は、限流素子である超電
導体の断面の厚さが大きいほど、大きくなってしまう傾
向にある。本発明の限流器は、後述するように、超電導
体の断面形状を厚くしても、自己磁界を打ち消すことが
できるため、特に、限流素子の断面形状に関し、厚さを
低く押さえる必要はなく、任意に選べる。0.5mm以上の
厚さを有する超電導限流素子に銀合金の皮膜をつけて
も、交流損失を低く抑え、その上、熱衝撃低減の効果が
得られる。

【００１２】次に、酸化物超電導体は、一般に、ｃ軸方
向にCu(銅)-O(酸素)からなる面が積層された構造を有し
ており、Cu-O面内に通電電流を流した場合、最も高い臨
界電流密度が得られる。このため、通電方向はCu-O面と
平行になる。また、このような結晶構造上の理由から、
ｃ軸方向への磁場印加が、最も大きな臨界電流密度の低
下をもたらす。すなわち、限流素子である超電導体を常
伝導転移させるには、ｃ軸方向が最も有効な磁場印加方
向と言える。

【００１３】そして、従来の限流器として図１に示され
るものが用いられている。図１では、磁界印加用電磁石
が発生する磁界と超電導材料との位置関係を示し、超電
導体中の通電方向に対する垂直断面を示す。しかしなが
ら、従来行われていたように、一本の通電中の限流素子
にｃ軸方向に磁場を印加した場合、図1のように、Cu-O
面を流れる通電電流によって発生する自己磁界と印加磁
界が相互作用し、通電素子の一方の端部では、印加磁界
が自己磁界によって強められるが、もう一方の端部で
は、印加磁界が自己磁界によって弱められる。自己磁界
が、印加磁界に比べて十分小さい場合は、このことはあ
まり問題にならないが、限流素子の臨界電流密度が大き
くなる条件で限流器を設計すると、当然、自己磁界も大
きくなり、問題となる。また一方、強力磁界を瞬時に印
加することには、前述した通り限界があり、高い電流密
度の超電導体を用いた場合、異常電流の大きさも大きく
なるため、自己磁界と印加磁界の大きさは近づき、通電
素子の一方の端部で、印加磁場が自己磁界によって弱め
られるという問題が起こってくる。

【００１４】酸化物超電導体に磁界を印加する機構を有
する、酸化物超電導体を用いた限流器において、このよ
うな問題を解決し、酸化物超電導体のｃ軸方向の磁界成
分に対し、超電導体の発生する自己磁界と同一方向にな
るように外部磁界を超電導体に印加することは、極めて
有効である。具体的には、図２に示すような磁界を、限
流素子に対し、印加する。これが本発明の主旨である。
図２は、本発明の実施態様の一例であり、磁界印加用電
磁石が発生する磁界と超電導材料との位置関係を示し、
超電導体中の通電方向に対する垂直断面を示す。自己磁
界と印加磁界が強め合う。

【００１５】図２のように磁界を印加するには、通電電
流量が異常なレベルになったかを検知すると同時に、通
電電流(すなわち自己磁界)がどちらの方向(極性)になっ
ているかを、外部磁界磁場を印加する前に検知し、お互
い強め合う方向に磁界を印加する機構を有する必要があ
る。もし、この機構がないと、自己磁界を打ち消す方向
に、外部磁場を印加してしまう場合が生じる。また、場
合によっては、極性が変わる瞬間や、印加磁場の立ち上
がり時間の遅れも考慮して、通電電流の位相も検知して
おくことも有効である。

【００１６】前述のように、事故発生時に起きる大電流
の限流の際には、外部磁界を自己磁界として同一方向に
印加することは有効である。一方、正常通電時には、超
電導体中では、僅かながら交流損失が発生する。設計
上、定格電流近傍で長時間通電した場合、交流損失がか
なり大きくなり、冷却系の負担になる場合が生じる。こ
の交流損失の主たる原因は、自己磁界により発生した量
子化磁束が、超電導体中を出入りすることにある。した
がって、印加磁界により、自己磁界を打ち消すことによ
って、交流損失を低減することが可能となる。このよう
なことは、通電電流量を検知し、極性および位相から判
断して、自己磁界を打ち消すように、外部磁界を印加す
ることで達成される。

【００１７】前述のように、定格近傍の通電容量通電時
に事故が起こる可能性が有ることから、通電電流の大き
さに応じ、超電導体の発生する自己磁界と反対方向から
同一方向に切り替わる機構を有することが必要となる。

【００１８】次に、電磁石の磁界を外部磁界として効果
的に超電導体に印加するために、金属または超電導材の
シールド体を、図３のように、電磁石近傍に配置するこ
とは有効である。図３は、本発明の一実施態様を示す図
で、磁界シールド板と磁界印加用電磁石が発生する磁界
と超電導材料との位置関係を示し、超電導体中の通電方
向に対する垂直断面を示す。

【００１９】電磁石のヨークと通電コイルについては、
ヨークは渦電流損を押さえるため、積層構造が望まし
い。また、コイルに超電導体を用いることによって、磁
界印加時の電磁石中での発熱量を押さえることができ
る。

【００２０】

【実施例】（実施例１）YBa₂Cu₃O_7-x中にY₂BaCuO₅が微
細分散したバルク材料を用い、電流路断面積が1mm²で、
有効長さが約600mmのミアンダ形状を有する限流素子を
作製した。次いで、該限流素子表面に、厚さ約0.5nmのA
g(80wt%)-Au(20wt%)合金の薄膜を蒸着し、酸素気流中
で、一旦600℃まで昇温し、10分保持した後、400℃まで
2時間で降温し、さらに室温まで20時間かけて徐冷し
た。

【００２１】鉄芯と銅線からなる磁界印加装置を作製
し、図２に示す位置に配置することで、最大0.5Tの磁界
を超電導材料のｃ軸成分と平行で、かつ、超電導材料の
両端で自己磁界と外部磁界が強め合うように(または弱
め合うように)限流素子に印加できるようにした。そし
て、950A通電した時点で、外部磁界が限流素子に自己磁
界と強め合うように印加されるように調整した。

【００２２】限流素子および磁界印加用電磁石は、樹脂
で補強され、銅リード線に接続された後、液体窒素中で
冷却された。まず、通常通電として、交流450A(p-p: pe
ak to peak)を通電し、限流素子の端子間電圧が約1.8mV
(p-p)であることを確認した。次に、自己磁界を打ち消
す方向に磁界印加用電磁石に通電したところ、限流素子
の端子間電圧の抵抗成分は、0.3mV(p-p)程度にまで低下
し、交流損失を大幅に低減することができた。

【００２３】続いて、事故時を想定して、限流素子がな
い場合の異常電流を模擬した、図４に示す電流を通電し
た(符号７)。位相が30度のところで、電流が急増してい
る。次に、限流素子を挿入し、同様の通電を行い、限流
特性を試験した。そのときの各位置での電流および印加
磁界の時間変化を図4に示す(符号８)。なお、同図にお
いて、上段には、限流素子がない場合と限流素子に磁場
を印加した場合の電流の時間変化を示した。また、下段
には、磁界を印加する場合のタイミングを示した。

【００２４】図４に示したように電流が950Aに達してか
ら、0.05ms以内に0.5Tが印加され、約3ms以内に限流動
作がほぼ完了していることを確認した。これらの実験か
ら、限流素子への磁界印加により、高速で、かつ大きな
限流効果を達成できることが分かった。

【００２５】（実施例２）DyBa₂Cu₃O_7-x中にDy₂BaCuO₅
が微細分散したバルク材料を用い、電流路断面積が1.5m
m²で、有効長さが約500mmのミアンダ形状を有する限流
素子を作製した。次いで、該限流素子表面に、厚さ約0.
6nmのAg(90wt%)-Pt(10wt%)合金の薄膜を蒸着し、酸素気
流中で、一旦650℃まで昇温し、10分保持した後、450℃
まで2時間で降温し、さらに室温まで20時間かけて徐冷
した。

【００２６】積層鉄芯(パーメンジュール)と銅線および
銅のシールド板からなる磁界印加装置を作製し、図３に
示す位置に配置することで、最大0.55Tの磁界を、超電
導材料のｃ軸成分と平行で、かつ、超電導材料の両端
で、自己磁界と外部磁界が強め合うように(または弱め
合うように)限流素子に印加できるようにした。そし
て、1100A通電した時点で、外部磁界が、限流素子に自
己磁界と強め合うように印加されるように調整した。

【００２７】限流素子および磁界印加用電磁石は、樹脂
で補強され、銅リード線に接続された後、液体窒素中で
冷却された。まず、通常通電として、交流600A(p-p: pe
ak to peak)を通電し、限流素子の端子間電圧が約1.5mV
(p-p)であることを確認した。次に、自己磁界を打ち消
す方向に、磁界印加用電磁石に通電したところ、限流素
子の端子間電圧の抵抗成分は、0.3mV(p-p)程度にまで低
下し、交流損失を大幅に低減することができた。

【００２８】続いて、事故時を想定して、限流素子がな
い場合の異常電流を模擬した、図５に示す電流を通電し
た(符号９)。位相が90度のところで、電流が急増してい
る。次に、限流素子を挿入し、同様の通電を行い、限流
特性を試験した。そのときの各位置での電流および印加
磁場の時間変化を図5に示す(符号１０)。なお、同図に
おいて、上段には、限流素子がない場合と限流素子に磁
場を印加した場合の電流の時間変化を示した。また、下
段には、磁場を印加する場合のタイミングを示した。

【００２９】図５に示したように電流が1100Aに達して
から、0.055ms以内に0.55Tが印加され、約2ms以内に限
流動作がほぼ完了していることを確認した。これらの実
験から、限流素子への磁界印加により、高速で、かつ大
きな限流効果を達成できることが分かった。

【００３０】（実施例３）YBa₂Cu₃O_7-x中にY₂BaCuO₅が
微細分散したバルク材料を用い、電流路断面積が2mm
²で、有効長さが約600mmのミアンダ形状を有する限流素
子を作製した。次いで、該限流素子表面に、厚さ約0.5n
mのAg(92wt%)-Cu(8wt%)合金の薄膜を蒸着し、酸素気流
中で、一旦600℃まで昇温し、10分保持した後、400℃ま
で2時間で降温し、さらに室温まで20時間かけて徐冷し
た。

【００３１】鉄芯と励磁コイルの役割をする超電導材料
からなる磁界印加装置を作製し、図２に示す位置に配置
した。図２中の２が一本の励磁用超電導線に対応する。
これにより、最大0.45Tの磁界を超電導材料のｃ軸成分
と平行で、かつ、超電導材料の両端で、自己磁界と外部
磁界が強め合うように(または弱め合うように)限流素子
に印加できるようにした。そして、1250A通電した時点
で、外部磁場が限流素子に自己磁界と強め合うように印
加されるように調整した。

【００３２】限流素子および磁界印加用電磁石は、樹脂
で補強され、それぞれ銅リード線に接続された後、液体
窒素中で冷却された。まず、通常通電として、交流750A
(p-p: peak to peak)を通電し、限流素子の端子間電圧
が、約2.1mV(p-p)であることを確認した。次に、自己磁
界を打ち消す方向に磁界印加用電磁石に通電したとこ
ろ、限流素子の端子間電圧の抵抗成分は、0.4mV(p-p)程
度にまで低下し、交流損失を大幅に低減することができ
た。

【００３３】続いて、事故時を想定して、限流素子がな
い場合の異常電流を模擬した、図６に示す電流を通電し
た(符号１１)。位相が115度のところで、電流が急増し
ている。次に、限流素子を挿入し、同様の通電を行い、
限流特性を試験した。このとき、通常通電時(1200A以
下)には、自己磁界を打ち消す方向で、励磁電流が流れ
るようにし、事故時(1200A超)には、自己磁界と同じ方
向で、励磁電流が流れるように、半導体スイッチによる
切り替え機構を取り付けた。励磁電流の時間変化を図6
に示す(符号１３)。なお、同図において、上段には、限
流素子がない場合と限流素子に磁場を印加した場合の電
流の時間変化を示した。また、下段には、磁場印加電磁
石の励磁用超電導体への励磁電流の時間変化を示した。

【００３４】限流器を挿入したときの電流の時間変化を
図６に示す(符号１２)。電流が1200Aに達してから、0.0
5ms以内に0.45Tが印加され、約2ms以内に限流動作がほ
ぼ完了していることを確認した。これらの実験から、限
流素子への磁界印加により、高速で、かつ大きな限流効
果を達成できることが分かった。

【００３５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明は、限流素子
の溶断を回避し、かつ迅速な限流動作を行うように設定
できることを特徴とする限流装置を提供するものであ
り、その工業的効果は甚大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の限流器を示した図

【図２】本発明の限流器の一例で、実施例１で用いた位
置関係を示す図

【図３】本発明の限流器の一例で、実施例２で用いた位
置関係を示す図

【図４】実施例１における限流器の限流特性を示した図

【図５】実施例２における限流器の限流特性を示した図

【図６】実施例３における限流器の限流特性を示した図

【符号の説明】

１巻芯を兼ねたヨーク２励磁コイル３超電導限流素子の素線４印加磁界の向き５自己磁界の向き６磁界シールド板７実施例１の限流素子がない場合の電流の変化８実施例１の限流素子に磁界を印加した場合の電流
の変化９実施例２の限流素子がない場合の電流の変化１０実施例２の限流素子に外部磁界を印加した場合
の電流の変化１１実施例３の限流素子がない場合の電流の変化１２実施例３の限流素子に外部磁界を印加した場合
の電流の変化１３実施例３の限流素子に外部磁界を印加した場合
の励磁電流の変化

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 REBa₂Cu₃O_7-x(ここでREはY、La、Pr、N
d、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luから選ばれる
１種類以上の元素を示す)相中にRE₂BaCuO₅が微細分散し
た酸化物超電導体からなる超電導−常伝導転移型限流素
子であって、前記酸化物超電導体表面にAgと非磁性金属
との合金からなる皮膜を有してなることを特徴とする限
流素子。
【請求項２】前記限流素子が実質的にミアンダ形状で
ある請求項１記載の限流素子。
【請求項３】前記限流素子の板面法線方向が前記酸化
物超電導体の結晶のｃ軸方向である請求項１または２に
記載の限流素子。
【請求項４】請求項１〜３の何れか１項に記載の限流
素子を有してなる限流器。
【請求項５】少なくとも限流素子と、該限流素子に磁
場を印加する機構と、前記限流素子に発生する自己磁界
の板面法線方向の磁界成分と前記磁場印加機構の磁界成
分の方向とを調整する調整機構とを有してなる限流器。
【請求項６】前記限流素子が酸化物超電導体である請
求項５記載の限流器。
【請求項７】前記磁場印加機構が電磁石である請求項
５記載の限流器。
【請求項８】前記電磁石がヨークと通電コイルを有し
てなる請求項７記載の限流器。
【請求項９】前記ヨークが積層構造を有してなる請求
項８記載の限流器。
【請求項１０】前記通電コイルが超電導体からなる請
求項８記載の限流器。
【請求項１１】前記調整機構が、前記限流素子板面法
線方向の磁界成分と前記磁場印加機構の磁界成分を同一
方向に調整する機構である請求項５記載の限流器。
【請求項１２】前記調整機構が、前記限流素子板面法
線方向の磁界成分と前記磁場印加機構の磁界成分を逆方
向に調整する機構である請求項５記載の限流器。
【請求項１３】通電電流の電流量、極性、位相の少な
くとも１つを検知する検知機構を有してなる請求項５記
載の限流器。
【請求項１４】前記検知機構からの信号に応じて前記
調整機構の磁界成分の方向を反転させる切替機構を有し
てなる請求項１３記載の限流器。
【請求項１５】磁場シールド体を有してなる請求項５
〜１４の何れか１項に記載の限流器。
【請求項１６】前記限流素子が請求項１〜３の何れか
１項に記載の限流素子である請求項５〜１５の何れか１
項に記載の限流器。