JP2002533040A - 超伝導材料を使用した印刷導体を備える抵抗限流装置 - Google Patents

超伝導材料を使用した印刷導体を備える抵抗限流装置

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JP2002533040A JP2000587389A JP2000587389A JP2002533040A JP 2002533040 A JP2002533040 A JP 2002533040A JP 2000587389 A JP2000587389 A JP 2000587389A JP 2000587389 A JP2000587389 A JP 2000587389A JP 2002533040 A JP2002533040 A JP 2002533040A
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Abstract

(57)【要約】 限流装置（２）は支持体（３）の上に高臨界温度超伝導材からなる印刷導体（４）を備えている。この印刷導体は、その場合、熱伝導度を高める充填材を含む絶縁性合成樹脂からなる外側層（５）を備えている。この外側層の厚さ（ｄ３）は、印刷導体の厚さ（ｄ２）より大きくされている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 この発明は、所定の定格電流に対し設定された少なくとも１つの印刷導体を備
え、該導体が金属酸化物の高臨界温度超伝導材料を含み、支持体上に配置され、
少なくとも大部分が絶縁材料製の外側層を備える抵抗限流装置に関する。この種
装置は、ドイツ特許出願公開第１９５２０２０５号明細書に開示されている。
【０００２】 交流電力供給回路網において、短絡及び電気的閃絡を完全に回避することはで
きない。その場合、交流電流は当該電流回路において非常に速く、即ち最初の半
波で、適切な安全及び／又は遮断手段により遮断される迄に、その定格値の数倍
に上昇する。その結果、線路や母線、遮断器や変圧器のような全回路機器に電流
力による大きな熱的、機械的な負荷が加わる。この短時間の負荷は電流の２乗に
比例するので、短絡電流をより低いピーク値に確実に制限すれば、これら回路機
器の許容電流密度に対する要求を著しく低減できる。これにより、例えば新設の
回路網の設置や既設の回路網の改造時、限流装置の設置によって回路機器をより
高く負荷可能な構成に交換するのを回避して、コストメリットを達成できる。
【０００３】 抵抗型の超伝導限流装置により、それ自体公知の方法で、短絡後の電流上昇を
定格電流の少数倍の値に制限することができる。さらに、このような限流装置は
遮断後短時間で再び動作復帰可能である。この装置は、それ故、急速な自己回復
性の安全装置として機能する。その場合、この装置は、受動的に動作する。即ち
、自律的に短絡を予め検出することなくまた開閉信号によって能動的に作動する
ことなく動作するので、高い動作安定性を保証する。
【０００４】 冒頭に挙げた型の超伝導体を使用した抵抗限流装置は、電流回路に直列に挿入
された超伝導通電区間を形成する。この装置においては、少なくとも１つの超伝
導印刷導体が超伝導材料の転移温度Ｔc以下の実際に無抵抗の低温動作状態から
転移温度Ｔcを越えて常伝導状態に遷移（所謂「クエンチ」）し、その際その印
刷導体に存在する電気抵抗Ｒnが電流を受け入れ可能な高さＩ＝Ｕ／Ｒnに制限す
ることを利用している。転移温度Ｔc以上への加熱は、短絡の後電流密度ｊが超
伝導材料の臨界値ｊcを超えて上昇したとき、この超伝導材料は転移温度Ｔc以下
でも既に有限の電気抵抗を示すので、それにより発生する印刷導体の超伝導体に
おけるジュール熱によって行われる。転移温度Ｔc以上の制限された状態では電
流回路には大幅に減少した残留電流が、この電流回路が例えば付加的な機械的断
路器により完全に遮断される迄の間なお流れる。
【０００５】 公知の金属酸化物の高臨界温度超伝導材料（略称：ＨＴＳ材）はその転移温度
Ｔcが非常に高いので、７７ｋの液体窒素（ＬＮ2）で超伝導動作状態に保持され
る。しかし超伝導材料を備えた超伝導限流装置は、臨界電流密度ｊcを越えると
急激に電気抵抗が増加する。常伝導状態への加熱、従って限流は、その場合、充
分に短い時間で行われ、短絡電流のピーク値は、限流なしの電流の数分の１、凡
そ定格電流の３〜１０倍の値に制限される。その場合超伝導電流路は、臨界電流
密度ｊcを越えた後比較的短時間内に超伝導状態へ再び戻すことのできる冷却媒
体と熱伝導接触しているのがよい。
【０００６】 冒頭に挙げたドイツ特許出願公開公報に記載の限流装置により、これらの要求
は大幅に満たされる。この公知の限流装置は、例えばイットリウムで安定化した
ＺｒＯ2或いはガラスからなり電気的に絶縁性の支持体を備え、その上に直接或
いは中間層を介して金属酸化物のＨＴＳ材が少なくとも１つの印刷導体に構成さ
れた層の形で設けられている。この印刷導体は、その場合、特に蛇行状に形成で
きる（ヨーロッパ特許出願公開第０５２３３７４号明細書参照）。印刷導体はそ
の両端で、限流すべき電流を導入・導出するため他の導体と接触可能である。さ
らに、この公知の限流装置では、ＨＴＳ材を湿度のような環境の影響から保護す
るため、少なくとも超伝導材料をさらに絶縁層で被覆している。
【０００７】 ＨＴＳ材を使用した限流装置として、印刷導体を所謂分路抵抗として機能する
常伝導材料で被覆した構成も公知である（ヨーロッパ特許出願公開第０３４５７
６７４号参照）。
【０００８】 このような限流装置においては、遮断プロセスの間に超伝導層及び／又は金属
層に局所的に蓄積される熱エネルギーの放出に技術的な問題がある。即ち、開閉
位相中の主要熱蓄積体として、この場合、印刷導体を支持する支持体が機能し、
他方、印刷導体の材料から特にＬＮ2のような冷却媒体の溜めへの熱伝導は小さ
く、この熱伝導は、その上、表面にガスフィルムを形成するとさらに悪化する。
また、印刷導体のなお超伝導状態にある部分と既に遷移した、従って冷却媒体温
度から比較的高い温度レベルに加熱された部分との間に、熱拡散が目立って始ま
る前の最初の開閉位相において１００Ｋ／ｍｍ以上の温度勾配が生ずる。その場
合、最終的に、印刷導体の層構成によって局部的に許容可能な温度勾配が、遮断
できる最大電力に対する材料固有の限界を表す。
【０００９】 さらに、液体窒素（ＬＮ2）又は加熱により形成される窒素ガスの膜の耐電圧
もまた、固体に較べて明らかに小さい。耐電圧は、開閉電力の増大に伴って例え
ば蛇行状構成を採る場合のように、個々の印刷導体間の空間を最小にすることで
同時にできるだけ最適に面を利用しようとする場合、特に重要である。
【００１０】 それ故、上述した冷却技術の問題により、従来は、このような限流装置の開閉
能力を比較的低い値に制限することを余儀なくされていた。
【００１１】 この発明の課題は、それ故、最初に挙げた構成を備えた限流装置を、比較的高
い開閉能力に対しても適用できるように構成することにある。
【００１２】 この課題は、この発明によれば、外側層の材料が熱伝導度を高める少なくとも
１つの充填材を含む合成樹脂であり、少なくとも１つの印刷導体の表面に対応す
る外側層部分が、少なくとも印刷導体より大きな厚みを持つことで解決される。
【００１３】 限流装置のこの構成に伴う利点は、特に印刷導体の温度勾配が減少し、かくし
て相移行部の空間的な均質化が行われることにある。更に、限流装置の前面側及
び必要に応じ後面側にある外側層が、全体として機械的安定化に資する。合成樹
脂及び充填材を適当に選択すれば、一層充分に高い耐電圧が保証される。
【００１４】 固体絶縁物であるこの外側層は、遮断動作の間、印刷導体に蓄積された熱エネ
ルギーに対する付加的な熱バッファとして働く。充填された合成樹脂材は、その
上、液状の、特にＬＮ2等のガス状の、乱流として流れる冷却媒体に較べ、著し
く良好な熱伝導、熱蓄積及び熱伝達率を示し、その上、上述の高い機械的安定性
を備える。印刷導体からの、外側層材料製のバッファへの熱放散が改善される結
果、印刷導体の局部的範囲が、遮断動作の最初のミリ秒間に加熱されることは著
しく少ない。即ち、温度勾配はそれに応じ減少する。これにより局所的な抵抗効
果は僅かになり、より大きな電流上昇が、より高い電流密度ｊcをもつ印刷導体
範囲を時間的に早く、比較的小さい公称電圧において抵抗性状態に切り換えるこ
とに利用される。その結果、限流のために必要な抵抗が、超伝導材料の加熱によ
り転移される面積の増大に伴い発生し、それにより層構成に対する熱的並びに機
械的な負荷が小さくなる。
【００１５】 外側層の材料としては、室温において或いは高い温度において硬化可能な、充
填材を備えた絶縁材料、特にエポキシ樹脂をベースとする合成樹脂を選択するの
がよい。このような材料は比較的容易にかつ気泡なしに印刷導体もしくは印刷導
体及び支持体からなる構造の表面に塗着され、そこで硬化される。
【００１６】 合成樹脂中の充填材の組成比は、導電性の充填材を使用するなら、５〜６０容
積％に選ぶのがよい。非導電性の充填材を使用するとき、この割合は８０容積％
迄になる。これにより、外側層とその下にある印刷導体からなる構造の充分な機
械的安定性ばかりか、特に良好な熱放出も保証される。
【００１７】 充填材としては、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌの群、それらの合金、金属酸化物、特にＡ
ｌ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、ＣｕＯの群のいずれか少なくとも１つの材料を選ぶとよい。こ
れらの材料により、低温冷却媒体への特に良好な熱放出が得られる。充分な耐電
圧の観点から、その場合、非導電性材料からなる充填材が特に好適である。
【００１８】 一般に、外側層の平均厚さは１０μｍ〜１ｍｍとされる。これにより、一つに
は、超伝導印刷導体の充分な冷却が可能であり、他方では、機械的安定性の観点
が充分に斟酌される。
【００１９】 外側層及び特に充填材の材料の選択に際しては、外側層の耐電圧が超伝導材料
の使用温度で１５ｋＶ／ｍｍ、特に２０ｋＶ／ｍｍ以上となるように選ぶのがよ
い。通常の充填材及び合成樹脂材で、このような耐電圧値は容易に達成できる。
【００２０】 この発明による限流装置の有利な構成は、関連の従属請求項に記載してある。
【００２１】 以下に、図面を参照してこの発明をさらに説明する。
【００２２】 この発明による限流装置の具体的な構成は、それ自体公知の構成例から出発す
る（ドイツ特許出願公開第１９５２０２０５号及びヨーロッパ特許出願公開第０
５２３３７４号明細書参照）。この限流装置は、それ故基板とも称される少なく
とも１つの支持体と、必要に応じてこの上に形成され、かつバッファ或いは接着
層とも見なされる少なくとも１つの中間層と、この層上に形成されたＨＴＳ材の
層とを備える。支持体としては、それ自体任意の厚さとそれぞれの適用例に対し
て要求される寸法とを備えた金属性或いは電気的に絶縁性の材料からなる板或い
は帯材等が使用される。金属材料としては、このために、ＨＴＳ材に対する支持
体として公知の元素金属或いはこれら金属の合金が挙げられる。例えば、Ｃｕ、
Ａｌ或いはＡｇや、主成分として前記元素の１つを含む合金或いは特別なＮｉＭ
ｏ合金（例えば、「ハステロイ」）のような鋼材が好適である。この種支持体は
、一般に、ＨＴＳ材に対し絶縁膜で被覆しなければならない。支持体用の非金属
で、電気的に絶縁性の材料として、イットリウムで安定化したＺｒＯ2（ “ＹＳ
Ｚ”）、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ3或いは特にガラス材等のセラミックスが挙げられ
る。中間層は、特にＨＴＳ材の集合組織の成長を促進する目的で選択される。そ
れ故、例えば中間層材料としてはＹＳＺ、ＣｅＯ2、ＹＳＺ＋ＣｅＯ2（二重層）
、Ｐｒ6Ｏ11、ＭｇＯ、Ｙ＋ＳＮドープされたＩｎ2Ｏ3（二重層）、ＳｒＴｉＯ3 或いはＬａ1-xＣａxＭｎＯ3が適している。
【００２３】 ＨＴＳ材としては、特に液体窒素（ＬＮ2）による冷却を可能とする公知の金
属酸化物の高臨界温度超伝導材料の全てが挙げられる。これに相当する材料は、
例えばＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x又はＲＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x（Ｒ＝希土類金属）、ＨｇＢａ 2 ＣａＣｕ2Ｏ6+x、ＨｇＢａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ8+x、Ｂｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2Ｏ8+x或い
は（Ｂｉ、Ｐｂ）2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10+xである。これら材料は基本タイプのみ
を表している。その各成分は、それ故、それ自体公知の如く適当な他の成分で部
分的に置換可能である。この材料から形成されたＨＴＳ層が少なくとも１つの印
刷導体を構成する。ＨＴＳ材からなるこの層又は構造は、その他に、分路抵抗と
して役立つ少なくとも１つの金属導電層を備えることができる。適当な分路抵抗
材料は、ＨＴＳ材と望ましくない反応を起こさないような材料である。このため
の例は、Ａｇ及びＡｕ並びに他の合金成分をもつこれらの合金である。さらに印
刷導体は、必要に応じてこのような金属性の分路抵抗を持ち、合成樹脂からなり
、そして充分な厚さをもつ、少なくとも大幅に電気的に絶縁性の少なくとも１つ
の外側層で被覆される。この外側層の厚さは、その場合比較的大きく、対応する
表面範囲において、印刷導体の少なくとも３倍の大きさとされる。この被覆は、
印刷導体の範囲のみに設ける必要はない。むしろ、限流装置の構造の全表面にわ
たり、その片面或いは両面に形成することができる。
【００２４】 限流装置のこれに相当する構造を部分的に図１に示す。全体を２で示すこの限
流装置は、それ故、厚さｄ１の支持体３と、必要に応じてその上に配置される、
図示しない薄い中間又はバッファ層と、その上に設けられ、厚さｄ２のＨＴＳ層
から形成された印刷導体４とを備えている。この導体は、その端部に図示しない
接触面を備え、これに制限すべき電流を導入又は導出するための別の導体が接続
される。少なくとも印刷導体の範囲内で、この絶縁性の外側層は５で示され、厚
さｄ３（印刷導体の範囲内）を持っている。この外側層は、図示の如く構造全体
を覆ってもよい。さらに図から分かるように、この構造の背面にも対応の外側層
５’が形成可能である。支持体をこのように埋め込んでも転移相には殆ど影響せ
ず、第一に更なる機械的安定性に貢献する。限流装置２もしくは少なくともその
印刷導体４は、ＬＮ2のような冷却媒体Ｍによって低温動作温度に保持される。
【００２５】 この発明では、外側層５（及び必要に応じて５’）は、特に少なくとも５容積
％の充填材を添加された絶縁性の合成樹脂からなる。絶縁性合成樹脂として特に
室温或いはそれより高温において硬化可能な、かつ単一或いは複成分接着剤とし
ても使用される合成樹脂、例えばエポキシ樹脂が挙げられる。好適なエポキシ樹
脂は、例えば、Ｗ．Ｒ．グレース、アンド、カンパニー、コネチカット社（米国
、ニューヨーク）の商品名「スティキャスト２８５０ＦＴ青／黒」或いはウフ社
（ドイツ、ビュール）の商品名「ウフ・プラス・エンドフェスト３００」で公知
である。好適材料のその他の例は、ヨーロッパ特許出願公開第０４８８２７５号
明細書或いは米国特許第３２９１２７５８号明細書に載っている。これら合成樹
脂材には、さらに、熱伝導性を高めるため、導電性或いは特に非導電性物質から
なる充填材が添加可能である。高耐圧性を得るため、非導電性充填物質が優先的
に選ばれる。この場合、その組成比は一般に５〜８０容積％である。Ａｌ2Ｏ3が
熱伝導性に優れる点で特に好ましい（例えばヨーロッパ特許第０３８６４７３号
明細書参照）。導電性充填材を使用する場合、その最大組成比は、一般に比較的
低い値、特に５〜６０容積％とする。この種充填材の例はＣｕ、Ａｌ又はＡｇ並
びにその合金である。例えばサファイヤの形の上記非導電性充填材Ａｌ2Ｏ3の他
に、他の金属酸化物、例えばＹ2Ｏ3やＣｕＯも挙げられる。外側層５もしくは５
’の厚さｄ３は、その場合、少なくともその対応の印刷導体４の表面範囲におい
て、その下にある印刷導体の厚さｄ１より少なくとも３倍は大きいように選ばれ
る。
【００２６】 具体的な実施例では、厚さｄ１＝０．４ｍｍのアルミノケイ酸塩のガラス材か
らなる支持体３上に、厚さｄ２＝１μｍのＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-xからなるＨＴＳ印
刷導体が形成される。この構造は、その両側に、１０％の銅粉末を充填した「ウ
フ・プラス・エンドフェスト３００」からなり、厚さ１０μｍの外側層５もしく
は５’を備えている。この層の耐電圧は凡そ２０ｋＶ／ｍｍである。
【００２７】 図２は、支持体３が両側にＨＴＳ印刷導体４もしくは４’を備えたこの発明に
よる限流装置１２の別の実施例を部分的に示す。これに相当する構造は基本的に
公知である（例えば国際特許出願公開９６／１０２６９参照）。この支持体はま
た、例えば両側が薄い、例えば０．３μｍ厚の、ＹＳＺからなるバッファ層１３
、１３’で被覆された特別なガラス材からなる。このバッファ層上に、各々例え
ばＢｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2Ｏ8+x等のＨＴＳ材からなる印刷導体４、４’がある。こ
れら印刷導体は、各々薄い、例えば０．５μｍ厚の、Ａｕ或いはＡｇのような常
伝導材からなる分路抵抗層１４及び１４’により覆われている。この構造は、そ
の両側において各々充填材を含む特に絶縁性の合成樹脂材からなり、例えば１０
μｍ厚の外側層５及び５’で被覆されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明による限流装置の１つの構成例を切り取り断面で示す。
【図２】 この発明による限流装置の他の構成例を切り取り断面で示す。
【符号の説明】
２、１２ 限流装置 ３ 支持体 ４、４’ 印刷導体 ５、５’ 外側層 １３、１３’ バッファ層 １４、１４’ 分路抵抗層

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 所定の定格電流に設定された少なくとも１つの印刷導体を備
    え、該導体が金属酸化物の高臨界温度超伝導材料を含み、支持体上に配置され、
    少なくとも大部分が絶縁性の材料からなる外側層を備えた限流装置において、 外側層（５、５’）の材料が熱伝導性を高める少なくとも１つの充填材を含む
    合成樹脂であり、少なくとも１つの印刷導体（４、４’）の表面に対応する少な
    くとも外側層（５、５’）部分が印刷導体の厚さ（ｄ２）より大きい厚さ（ｄ３
    ）を有することを特徴とする抵抗限流装置。
  2. 【請求項２】 外側層（５、５’）の厚さ（ｄ３）が、これに対応する印刷
    導体（４、４’）の厚さ（ｄ２）の少なくとも３倍であることを特徴とする請求
    項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 外側層の材料が、硬化性で充填された絶縁材である請求項１
    又は２記載の装置。
  4. 【請求項４】 合成樹脂材が合成樹脂、特にエポキシ樹脂をベースにした合
    成樹脂からなることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の装置。
  5. 【請求項５】 充填材がＣｕ、Ａｇ、Ａｌの群、それらの合金、金属酸化物
    、特にＡｌ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3およびＣｕＯの群からの１つの材料からなることを特徴
    とする請求項１から４の１つに記載の装置。
  6. 【請求項６】 合成樹脂材における充填材の組成比が、導電性充填材を使用
    したときには５〜６０容積％、非導電性充填材を使用したときには５〜８０容積
    ％であることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の装置。
  7. 【請求項７】 外側層（５、５’）の平均厚さ（ｄ３）が１０μｍ〜１ｍｍ
    であることを特徴とする請求項１から６の１つに記載の装置。
  8. 【請求項８】 外側層（５、５’）の耐電圧が、超伝導材料の使用温度にお
    いて少なくとも１５ｋＶ／ｍｍ、特に少なくとも２０ｋＶ／ｍｍであることを特
    徴とする請求項１から７の１つに記載の装置。
  9. 【請求項９】 外側層（５、５’）が充填された合成樹脂からなり、支持体
    （３）と少なくとも１つの印刷導体（４，４’）とからなる構造体の両側に配置
    されたことを特徴とする請求項１から８の１つに記載の装置。
JP2000587389A 1998-12-08 1999-11-25 超伝導材料を使用した印刷導体を備える抵抗限流装置 Withdrawn JP2002533040A (ja)

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