JP2004274863A - 限流装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】限流効果が高く、負荷追従性が高く、かつ構成が簡単な限流装置を提供する。
【解決手段】この限流装置は、直流端子Ｔ１，Ｔ２間に接続された可変リアクトル１と、可変リアクトル１に直流電流を流すサイリスタ２，３およびダイオード４，５とを備え、可変リアクトル１は、コイル１１と、超伝導磁気シールド１２と、鉄芯１３とを含む。事故が発生すると磁気シールド１２が常伝導状態に変化し、可変リアクトル１のインダクタンスが増大する。したがって、定電流源が不要であるので、構成の簡単化が図られる。
【選択図】 図１
【解決手段】この限流装置は、直流端子Ｔ１，Ｔ２間に接続された可変リアクトル１と、可変リアクトル１に直流電流を流すサイリスタ２，３およびダイオード４，５とを備え、可変リアクトル１は、コイル１１と、超伝導磁気シールド１２と、鉄芯１３とを含む。事故が発生すると磁気シールド１２が常伝導状態に変化し、可変リアクトル１のインダクタンスが増大する。したがって、定電流源が不要であるので、構成の簡単化が図られる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は限流装置に関し、特に、交流電源と負荷の間に設けられ、負荷側で短絡事故または地絡事故が発生した場合に、交流電源から負荷側に流れる短絡電流を抑制する限流装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、従来の限流装置の構成を示す回路ブロック図である。図１２において、この限流装置は、コイル５１、サイリスタ５２，５３、およびダイオード５４，５５を備える。
【０００３】
コイル５１は、直流端子Ｔ５１，Ｔ５２間に接続される。サイリスタ５２は電力供給源５７と直流端子Ｔ５１の間に接続され、ダイオード５４は直流端子Ｔ５２と負荷５８の間に接続される。ダイオード５５は負荷５８と直流端子Ｔ５１の間に接続され、サイリスタ５３は直流端子Ｔ５２と電力供給源５７との間に接続される。
【０００４】
通常時は、交流電流はサイリスタ５２、コイル５１およびダイオード５４の経路、またはダイオード５５、コイル５１およびサイリスタ５３の経路で流れる。
負荷が一定の場合は、コイル５１に流れる電流の方向および振幅は略一定であり、コイル５１の電圧降下は０になる。
【０００５】
負荷５８側で短絡事故または地絡事故が発生し、電力供給源５７から負荷５８側に過電流が流れようとすると、コイル５１によって電流変化が抑制される。次いでサイリスタ５２，５３が非導通状態に固定されて事故電流が遮断される（たとえば特許文献１参照）。
【０００６】
しかし、このような限流装置では、事故が発生しなくても負荷変動があった場合は常にコイル５１によって電流変化が抑制されるので、負荷変動に対する電源電流の応答性が悪いという問題があった。
【０００７】
また、図１３は、従来の他の限流装置の要部を示す回路図である。図１３を参照して、この限流装置が図１２の限流装置と異なる点は、コイル５１が可飽和リアクトル６０で置換されている点である。
【０００８】
可飽和リアクトル６０は、一次コイル６１、二次コイル６２および可飽和鉄芯６３を含む変圧器６４と、定電流源６５とを備える。一次コイル６１は直流端子Ｔ５１，Ｔ５２間に接続される。定電流源６５は、二次コイル６３に所定電流を流し、可飽和鉄芯６３を飽和状態にする。コイル６１，６３は、共に超伝導体で形成されている。
【０００９】
通常時は、鉄芯６３は飽和状態で動作し、鉄芯６３内の磁束密度は殆ど変化しない。このとき、一次コイル６１のインダクタンスが極めて小さな値になっているので、通常範囲の負荷変動があっても、リアクトル６０によって電流変化が妨げられることがない。
【００１０】
負荷５８側で短絡事故または地絡事故が発生した場合は、一次コイル６１に流れる電流が増加し、可飽和鉄芯６３の動作点が非飽和領域に入る。これにより、可飽和鉄芯６３の磁束密度が低下して一次コイル６１のインダクタンスが増加し、事故電流の増加が抑制される（たとえば特許文献２参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開平９−２８５０１２号公報
【００１２】
【特許文献２】
特開２００２−２９１１５０号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１３の限流装置では、二次コイル６２に常時定電流を流す必要があったので、装置構成が複雑になるという問題あった。
【００１４】
それゆえに、この発明の主たる目的は、限流効果が高く、負荷追従性が高く、かつ構成が簡単な限流装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る限流装置は、交流電源と負荷の間に設けられ、負荷側で短絡事故または地絡事故が発生した場合に、交流電源から負荷側に流れる短絡電流を抑制する限流装置であって、それらの陽極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陰極が共に第１の端子に接続された第１および第２の整流素子と、それらの陰極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陽極が共に第２の端子に接続された第３および第４の整流素子と、第１および第２の端子間に接続され、予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じてそのインピーダンスが増大する可変リアクトルとを備えたものである。ここで、可変リアクトルは、第１および第２の端子間に接続されたコイルと、超伝導体で形成されてコイルの少なくとも一部をシールドし、コイルに予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて常伝導状態になる磁気シールドとを含む。
【００１６】
また、この発明に係る他の限流装置は、交流電源と負荷の間に設けられ、負荷側で短絡事故または地絡事故が発生した場合に、交流電源から負荷側に流れる短絡電流を抑制する限流装置であって、それらの陽極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陰極が共に第１の端子に接続された第１および第２の整流素子と、それらの陰極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陽極が共に第２の端子に接続された第３および第４の整流素子と、第１および第２の端子間に接続され、予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じてそのインピーダンスが増大する可変リアクトルとを備えたものである。ここで、可変リアクトルは、第１および第２の端子間に接続され、超伝導体で形成された第１のコイルと、超伝導体で形成されて第１のコイルの電流に応じた値の電流を流し、第１のコイルに予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて常伝導状態になる第２のコイルとを含む。第１および第２のコイルは、超伝導状態において互いに磁束を打ち消し合うように電磁結合されている。
【００１７】
好ましくは、第２のコイルは、第１および第２の端子間に接続されている。
また好ましくは、可変リアクトルは、さらに、それらの陽極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陰極が共に第３の端子に接続された第５および第６の整流素子と、それらの陰極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陽極が共に第４の端子に接続された第７および第８の整流素子とを含む。第２のコイルは、第３および第４の端子間に接続される。第５および第７の整流素子、および／または第６および第８の整流素子の各々は、第１のコイルに予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて非導通にされる点弧可制御素子を含む。
【００１８】
また好ましくは、第２のコイルの端子間は短絡されている。
また、この発明に係るさらに他の限流装置は、交流電源と負荷の間に設けられ、負荷側で短絡事故または地絡事故が発生した場合に、交流電源から負荷側に流れる短絡電流を抑制する限流装置であって、それらの陽極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陰極が共に第１の端子に接続された第１および第２の整流素子と、それらの陰極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陽極が共に第２の端子に接続された第３および第４の整流素子と、第１および第２の端子間に接続され、予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じてそのインピーダンスが増大する可変リアクトルとを備えたものである。ここで、可変リアクトルは、その一方端子が第１の端子に接続され、超伝導体で形成された第１のコイルと、超伝導体で形成されて第１のコイルの他方端子と第２の端子との間に接続され、予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて常伝導状態になる第２のコイルとを含む。第１および第２のコイルは、超伝導状態において互いに磁束を打ち消し合うように電磁結合されている。
【００１９】
好ましくは、可変リアクトルは、さらに、第２のコイルの他方端子と第２の端子との間に介挿され、第２のコイルに予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて非導通になる第１のスイッチング素子と、第１のコイルの他方端子と第２の端子との間に介挿され、第２のコイルに予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて導通する第２のスイッチング素子とを含む。
【００２０】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による限流装置の構成を示す回路ブロック図である。図１において、この限流装置は、可変リアクトル１、サイリスタ（点弧可制御素子）２，３、ダイオード４，５、電圧センサ６、電流センサ７、および制御回路８を備える。
【００２１】
可変リアクトル１は、図２に示すように、円筒状に巻回されたコイル１１と、コイル１１の内側に挿入された円筒状の超伝導磁気シールド１２と、シールド１２の内側に挿入された円柱状の鉄芯１３とを含む。
【００２２】
コイル１１に電流を流すと、コイル１１の周囲に磁束が発生する。コイル１１のインダクタンスは、磁束のループの大きさに応じて大きくなる。超伝導体は磁界を通さない性質を有するので、通常の負荷電流の範囲ではコイル１１のインダクタンスは極めて小さな値になる。負荷側で短絡事故または地絡事故が発生して、コイル１１に所定のしきい値電流を越える電流が流れると、超伝導体が常伝導状態に転移し、シールド１２が磁界を通すようになる。これにより、コイル１１のインダクタンスが大きな値になり、事故電流が抑制される。なお、鉄芯１３は、磁束のループの大きさを等価的に大きくする効果を有する。可変リアクトル１のコイル１１は、直流端子Ｔ１とＴ２の間に接続される。
【００２３】
サイリスタ２のアノードおよびサイリスタ３のカソードは母線Ｌ１を介して電力供給源９に接続され、サイリスタ２のカソードおよびサイリスタ３のアノードはそれぞれ直流端子Ｔ１，Ｔ２に接続される。
【００２４】
ダイオード４のアノードおよびダイオード５のカソードはそれぞれ直流端子Ｔ２，Ｔ１に接続され、ダイオード４のカソードおよびダイオード５のアノードは配電線Ｌ２を介して負荷１０に接続される。
【００２５】
電圧センサ６は、母線Ｌ１の電圧を検出する。電流センサ７は、配電線Ｌ２の電流を検出する。制御回路８は、電圧センサ６を介して検出した母線Ｌ１の交流電圧に同期してサイリスタ２，３の各々をターンオンさせて電力供給源９からの商用電力を負荷１０に与えるとともに、電流センサ６を介して検出した配電線Ｌ２の電流が所定の電流値を越えた場合にサイリスタ２，３を非導通状態にして事故電流を遮断する。
【００２６】
なお、事故発生からサイリスタ２，３を非導通状態にするまでに商用電力の１周期程度の時間が必要となるので、その間の過電流を可変リアクトル１によって抑制する。また図１では、１相分の回路のみが示されているが、実際には３相分設けられていることは言うまでもない。
【００２７】
次に、この限流装置の動作について説明する。通常時は、商用電圧に同期してサイリスタ２，３の各々がターンオンされ、交流電流は母線Ｌ１、サイリスタ２、可変リアクトル１、ダイオード４および配電線Ｌ２の経路、または配電線Ｌ２、ダイオード５、可変リアクトル１、ダイオード３および母線Ｌ１の経路で流れる。このとき、可変リアクトル１のリアクタンスは極めて小さな値になっているので、通常範囲の負荷変動があってもリアクトル１によって電流変化が妨げられることはない。
【００２８】
負荷１０側で短絡事故または地絡事故が発生した場合は、可変リアクトル１の超伝導磁気シールド１２が常伝導状態に転移し、可変リアクトル１のリアクタンスが大きな値になる。したがって、事故による過大な電流が流れることが防止される。次いでサイリスタ２，３が非導通に固定され、事故電流が遮断されて超伝導磁気シールド１２が超伝導状態に戻される。事故が復帰されると、再びサイリスタ２，３の各々がターンオンされ、負荷１０に電力が供給される。
【００２９】
図３は、図１で示した限流装置のシミュレーション条件を示す回路図である。図３において、電力供給源９は電圧源９ａおよびコイル９ｂを含む。電圧源９ａの出力電圧ｖＳを６．６ｋＶとし、コイル９ｂのインダクタンスＬＳを０．８７５ｍＨとした。可変リアクトル１は、直流端子Ｔ１とＴ２の間に直列接続されたコイル１ａ，１ｂと、コイル１ａ，１ｂ間のノードと直流端子Ｔ２との間に直列接続されたコイル１ｃおよび可変抵抗素子１ｄを含む。コイル１ａ，１ｂ，１ｃのインダクタンスＬａ，Ｌｂ、Ｌｃをそれぞれ１７５μＨ，１７．５ｍＨ，１７５μＨとした。抵抗素子１ｄの抵抗値は、シールド１２が超伝導状態の場合は０になり、シールド１２が常伝導状態の場合は所定値に増大するものとする。負荷１０は、抵抗素子１０ａと、抵抗素子１０ａに並列に直列接続された抵抗素子１０ｂおよびスイッチ１０ｃを含む。抵抗素子１０ａ，１０ｂの抵抗値は、共に１３．２Ωとした。Ｆは、短絡または地絡事故を示している。
【００３０】
図４は、シミュレーション結果を示す波形図である。ある時刻において負荷１０側で短絡または地絡事故Ｆが発生すると、コイル電流ｉＣ、ダイオード電流ｉＤ、負荷電流ｉＬが増大しようとするが、コイル１ａ，１ｂにより抑制されることがわかる。また、スイッチ１０ｃをオンして負荷電流を５０％増大させたときの電圧降下は０．３％であった。
【００３１】
また、可変リアクトル１のサイズおよび巻数を計算した。直径２６０ｍｍ、高さ９５ｍｍ、厚さ２０ｍｍのボビンに１９０ターンのコイルを巻くと、可変リアクトル１のインダクタンスは１７．４ｍＨになった。可変リアクトル１の中央部の磁束密度は０．６２６Ｔになり、電流密度は１ｋＡ時で１００Ａ／ｍｍ２になった。
【００３２】
この実施の形態１では、コイル１１、超伝導磁気シールド１２および鉄芯１３によって可変リアクトル１を構成するので、変圧器６４および定電流源６５によって可飽和リアクトル６０を構成した従来に比べ、構成の簡単化を図ることができる。
【００３３】
なお、この実施の形態１では、超伝導磁気シールド１２の内側に鉄芯１３を設けたが、鉄芯１３の代りに鉄以外の磁性体部材を設けてもよいし、鉄芯１３を設けなくてもよい。
【００３４】
また、この実施の形態１では、電流センサ７の検出結果に基づいてサイリスタ２，３を非導通にしたが、超伝導磁気シールド１２が常伝導状態になったことに応じて生じる物理現象、たとえば直流端子Ｔ１、Ｔ２間の電圧の上昇を検出してサイリスタ２，３を非導通にしてもよい。
【００３５】
また、事故発生が発生した場合でもサイリスタ２，３を導通状態に維持しておき、別途設けられた遮断器で事故電流を遮断してもよい。
【００３６】
［実施の形態２］
図５は、この発明の実施の形態２による限流装置の要部を示す回路図である。図５を参照して、この限流装置が図１の限流装置と異なる点は、可変リアクトル１が可変リアクトル２０で置換されている点である。
【００３７】
可変リアクトル２０はトリガコイル２１、制限コイル２２およびリング状の鉄芯２３を備える。コイル２１，２２は、直流端子Ｔ１とＴ２の間に並列接続され、鉄芯２３に対して互いに逆方向に同じ回数だけ巻回されている。コイル２１，２２は共に超伝導体で形成されている。トリガコイル２１の電流容量は制限コイル２２の電流容量よりも小さな値に設定されており、トリガコイル２１は制限コイル２２よりも小さな電流で常伝導状態に転移するようになっている。
【００３８】
通常時は、２つのコイル２１，２２は共に超伝導状態にあり、トリガコイル２１の電流Ｉ２２と制限コイル２２の電流Ｉ２２は同じ値になっている。このとき、２つのコイル２１，２２による磁束が互いに打ち消し合い、鉄芯２３内の磁束は０になっている。したがって、可変リアクトル２０のインピーダンスは極めて小さな値になっているので、通常範囲の負荷変動があってもリアクトル２０によって電流変化が妨げられることはない。
【００３９】
負荷１０側で短絡事故または地絡事故が発生した場合は、事故電流によってトリガコイル２１が常伝導状態になり、図６に示すように、コイル２１に抵抗値が発生する。図６では、コイル２１の抵抗値は抵抗素子２４で示されている。これにより、トリガコイル２１の電流Ｉ２１が制限コイル２２の電流Ｉ２２よりも小さくなり、鉄芯２３内に磁束が発生する。したがって、可変リアクトル２０のインピーダンスが大きな値になり、事故電流が過大な値になることが抑制される。
【００４０】
この実施の形態２では、コイル２１，２２および鉄芯２３で可変リアクトル２０を構成するので、変圧器６４および定電流源６５によって可飽和リアクトル６０を構成していた従来に比べ、構成の簡単化を図ることができる。
【００４１】
なお、この実施の形態２では、コイル２１，２２に共通に鉄芯２３を設けたが、鉄芯２３の代りに鉄以外の磁性体部材を設けてもよいし、鉄芯２３を設けなくてもよい。
【００４２】
［実施の形態３］
図７は、この発明の実施の形態３による限流装置を示す回路ブロック図である。図７を参照して、この限流装置が図５の限流装置と異なる点は、トリガコイル２１用のサイリスタ２５〜２８が追加されている点である。
【００４３】
サイリスタ２５のアノードおよびサイリスタ２６のカソードは母線Ｌ１に接続され、サイリスタ２５のカソードおよびサイリスタ２６のアノードはそれぞれ直流端子Ｔ１１，Ｔ１２に接続される。
【００４４】
サイリスタ２７のアノードおよびサイリスタ２８のカソードはそれぞれ直流端子Ｔ１２およびＴ１１に接続され、サイリスタ２７のカソードおよびサイリスタ２８のアノードは配電線Ｌ２に接続される。トリガコイル２１は、直流端子Ｔ１１，Ｔ１２間に接続される。
【００４５】
通常時は、商用電圧に同期してサイリスタ２，２５，２７；３，２８，２６がターンオンされ、交流電流は母線Ｌ１、サイリスタ２、コイル２２、ダイオード４および配電線Ｌ２の経路および母線Ｌ１、サイリスタ２５、コイル２１、サイリスタ２７および配電線Ｌ２の経路、または配電線Ｌ２、ダイオード５、コイル２２、サイリスタ３および母線Ｌ１の経路および配電線Ｌ２、サイリスタ２８、コイル２１、サイリスタ２６および母線Ｌ１の経路を流れる。このときコイル２１，２２のインピーダンスは極めて小さな値になっているので、通常範囲の負荷変動があってもコイル２１，２２によって電流変化が妨げられることはない。
【００４６】
負荷１０側で短絡事故または地絡事故が発生した場合は、トリガコイル２１が常伝導状態に転移してコイル２１，２２のインピーダンスが大きな値になり、事故による過大な電流が流れることが防止される。また、サイリスタ２５，２６が迅速に非導通にされ、トリガコイル２１に流れる電流が遮断される。これにより、トリガコイル２１の温度上昇が抑制され、トリガコイル２１の復帰時間が短縮化される。次いでサイリスタ２，３が非導通にされて事故電流が遮断される。
【００４７】
事故が復帰した場合は、まずサイリスタ２，３のみをターンオンさせて電流供給を行なう。このときコイル２２のインピーダンスが大きいので、突入電流が小さく抑えられる。次いでサイリスタ２５，２６もターンオンさせて電力供給を行なう。これにより、通常状態に戻る。
【００４８】
この実施の形態３では、実施の形態２と同じ効果が得られる他、トリガコイル２１の温度上昇が抑制され、トリガコイル２１の復帰時間の短縮化が図られる。
【００４９】
なお、この実施の形態３では、電流センサ７の検出結果に基づいてサイリスタ２，３，２５〜２８を制御したが、端子Ｔ１，Ｔ２間および／または端子Ｔ１１，Ｔ１２間に電流センサを設け、コイル２２および／またはコイル２１に流れる電流の検出結果に基づいてサイリスタ２，３，２５〜２８を制御してもよい。
【００５０】
［実施の形態４］
図８は、この発明の実施の形態４による限流装置の要部を示す回路図である。
図８を参照して、この限流装置が図１の限流装置と異なる点は、可変リアクトル１が可変リアクトル３０で置換されている点である。
【００５１】
可変リアクトル３０は制限コイル３１、トリガコイル３２、リング状の鉄芯３３、およびＧＴＯサイリスタ（点弧・消弧可制御素子）３４，３５を含む。制限コイル３１およびＧＴＯサイリスタ３５は直流端子Ｔ１，Ｔ２間に直列接続され、トリガコイル３２およびＧＴＯサイリスタ３４はＧＴＯサイリスタ３５のアノードと直流端子Ｔ２との間に直列接続される。コイル３１，３２は、共に超伝導体で形成されており、鉄芯３３に対して同方向に同じ回数だけ巻回されている。
トリガコイル３２の電流容量は制限コイル３１の電流容量よりも小さな値に設定されており、トリガコイル３２は制限コイル３１よりも小さな電流で常伝導状態に転移するようにされている。
【００５２】
通常時は、２つのコイル３１，３２が超伝導状態にあり、ＧＴＯサイリスタ３５が非導通にされるとともにＧＴＯサイリスタ３４が導通し、コイル３１，３２およびＧＴＯサイリスタ３４の経路で電流が流れる。このとき、２つのコイル３１，３２による磁束が互いに打ち消し合い、鉄芯３３の磁束が０になっている。
したがって、可変リアクトル３０のリアクタンスは極めて小さな値になっているので、通常範囲の負荷変動があってもリアクトル３０によって電流変化が妨げられることはない。
【００５３】
負荷１０側で短絡事故または地絡事故が発生した場合は、事故電流によってトリガコイル３２が常伝導状態に転移し、トリガコイル３２に抵抗値が発生する。
したがって、事故電流が過大な値になることが抑制される。
【００５４】
次いで、ＧＴＯサイリスタ３５を導通させＧＴＯサイリスタ３４を非導通にすると、コイル３１およびＧＴＯサイリスタ３５の経路で電流が流れる。これにより、トリガコイル３２による磁束がなくなり、磁束３３内に磁束が発生してコイル３１にインピーダンスが発生し、可変リアクトル３０のインピーダンスが継続発生して事故電流が過大な値になることが抑制される。
【００５５】
この実施の形態４でも、実施の形態３と同じ効果が得られる。
なお、この実施の形態４では、コイル３１，３２に共通に鉄芯３３を設けたが、鉄芯３３の代りに鉄以外の磁性体部材を設けてもよいし、鉄芯３３を設けなくてもよい。また、ＧＴＯサイリスタ３４，３５の各々をＩＧＢＴ、ＳＩＴ、ＦＥＴ、パワートランジスタなどで置換してもよい。また、ＧＴＯサイリスタ（点弧・消弧可制御素子）３５を通常のサイリスタ（点弧可制御素子）で置換してもよい。
【００５６】
［実施の形態５］
図９は、この発明の実施の形態５による限流装置の要部を示す回路図である。
図９を参照して、この限流装置が図１の限流装置と異なる点は、可変リアクトル１が可変リアクトル４０で置換されている点である。可変リアクトル４０は、図５の可変リアクトル２０においてトリガコイル２１の端子間を短絡したものである。
【００５７】
通常時は、２つのコイル２１，２２は共に超伝導状態にあり、コイル２１，２２には同じ値の電流が流れ、コイル２１，２２の端子間電圧は共に０Ｖになっている。したがって、可変リアクトル４０のインピーダンスは極めて小さな値になっているので、通常範囲の負荷変動はあってもリアクトル４０によって電流変化が妨げられることはない。
【００５８】
負荷１０側で経路または地絡事故が発生した場合は、事故電流によってトリガコイル２１が常伝導状態に転移し、コイル２１に抵抗値が発生する。したがって、可変リアクトル４０のインピーダンスが大きな値になり、事故電流が過大な値になることが抑制される。
【００５９】
図１０は、図９に示した限流装置の実験条件を示す回路図である。図１０において、電力供給源９は電圧源９ａおよびコイル９ｂを含む。電圧源９ａの出力電圧ｖＳを１００Ｖとし、コイル９ｂのインダクタンスを０．１４５ｍＨとし、負荷電流ｉＬを１０Ａとした。トリガコイル２１は、コイル２１ａおよび可変抵抗素子２１ｂを含む。可変抵抗素子２１ｂの抵抗値は、コイル２１が超伝導状態の場合は０になり、コイル２１が常伝導状態の場合は所定値に増大するものとする。負荷１０は、抵抗素子１０ａと、抵抗素子１０ａに並列に直列接続された抵抗素子１０ｂおよびスイッチ１０ｃを含む。電圧源９ａの出力電圧ｖＳ、制限コイル２２の端子間電圧ｖＣ、制限コイル２２の電流ｉＣ、トリガコイル２１の電流ｉＳ、および負荷電流ｉＬをモニタした。Ｆは、短絡または地絡事故を示している。
【００６０】
図１１に示すように、ある時刻に１サイクル間だけ短絡または地絡事故Ｆを発生させた。事故が発生するとトリガコイル２１の電流ｉＳが急激に増大するが、トリガコイル２１が常伝導状態に転移すると電流ｉＳは急激に減少する。電流ｉＳのピーク値は１０８Ａであった。制限コイル２２の電流ｉＣおよび負荷電流ｉＬは、事故が発生すると増大しようとするが、トリガコイル２１が常伝導状態に転移したことに応じて抑制される。事故期間では、制限コイル２２の端子間電圧ｖＣは、電源電圧ｖＳを全波整流した電圧になった。
【００６１】
この実施の形態５でも、実施の形態２と同じ効果が得られる。
なお、以上の実施の形態１〜５において、ダイオードをサイリスタのような点弧可制御素子やＧＴＯサイリスタのような点弧・消弧可制御素子で置換してもよいし、サイリスタをＧＴＯサイリスタのような点弧・消弧可制御素子で置換してもよい。
【００６２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る限流装置では、それらの陽極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陰極が共に第１の端子に接続された第１および第２の整流素子と、それらの陰極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陽極が共に第２の端子に接続された第３および第４の整流素子と、第１および第２の端子間に接続され、予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じてそのインピーダンスが増大する可変リアクトルとが設けられ、この可変リアクトルは、第１および第２の端子間に接続されたコイルと、超伝導体で形成されてコイルの少なくとも一部をシールドし、コイルに予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて常伝導状態になる磁気シールドとを含む。したがって、通常時は磁気シールドによってコイルの磁束のループが小さく抑えられるので、コイルのインダクタンスが小さくなり、負荷変動に対する応答性が高くなる。事故発生時は、磁気シールドが常伝導状態に転移されてコイルのインダクタンスが大きくなり、事故電流が抑制される。また、定電流源は必要ないので、構成の簡単化が図られる。
【００６４】
また、この発明に係る他の限流装置では、可変リアクトルは、第１および第２の端子間に接続され、超伝導体で形成された第１のコイルと、超伝導体で形成されて第１のコイルの電流に応じた値の電流を流し、第１のコイルに予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて常伝導状態になる第２のコイルとを含む。第１および第２のコイルは、超伝導状態において互いに磁束を打ち消し合うように電磁結合されている。したがって、通常時は第１および第２のコイルは互いに磁束を打ち消すので、第１および第２のコイルのインダクタンスが小さくなり、負荷変動に対する応答性が高くなる。事故発生時は、第１および第２のコイルの磁束はキャンセルされなくなるので、第１および第２のコイルのインダクタンスが大きくなり、事故電流が抑制される。また、定電流源は必要ないので、構成の簡単化が図られる。
【００６５】
好ましくは、第２のコイルは、第１および第２の端子間に接続されている。この場合は、構成の一層の簡単化を図ることができる。
【００６６】
また好ましくは、可変リアクトルは、さらに、それらの陽極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陰極が共に第３の端子に接続された第５および第６の整流素子と、それらの陰極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陽極が共に第４の端子に接続された第７および第８の整流素子を含む。
第２のコイルは、第３および第４の端子間に接続される。第５および第７の整流素子、および／または第６および第８の整流素子の各々は、第１のコイルに予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて非導通にされる点弧可制御素子を含む。この場合は、事故時に第２のコイルが切り離されるので、第２のコイルの温度上昇が抑制され、超伝導状態への復帰時間が短縮化される。
【００６７】
また好ましくは、第２のコイルの端子間は短絡されている。この場合は、構成の一層の簡単化を図ることができる。
【００６８】
また、この発明に係るさらに他の限流装置では、可変リアクトルは、その一方端子が第１の端子に接続され、超伝導体で形成された第１のコイルと、超伝導体で形成されて第１のコイルの他方端子と第２の端子との間に接続され、予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて常伝導状態になる第２のコイルとを含む。第１および第２のコイルは、超伝導状態において互いに磁束を打ち消すように電磁結合されている。したがって、通常時は第１および第２のコイルが互いに磁束を打ち消し合うので、第１および第２のコイルのインダクタンスが小さくなり、負荷変動に対する応答性が高くなる。事故発生時は、第１および第２のコイルの磁束がキャンセルされなくなるので、第１および第２のコイルのインダクタンスが大きくなり、事故電流が抑制される。また、定電流源は必要ないので、構成の簡単化が図られる。
【００６９】
好ましくは、可変リアクトルは、さらに、第２のコイルの他方端子と第２の端子との間に介挿され、第２のコイルに予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて非導通になる第１のスイッチング素子と、第１のコイルの他方端子と第２の端子との間に介挿され、第２のコイルに予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて導通する第２のスイッチング素子とを含む。この場合は、事故時に第２のコイルが切り離されるので、第２のコイルの温度上昇が抑制され、超伝導状態への復帰時間が短縮化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による限流装置の構成を示す回路ブロック図である。
【図２】図１に示した可変リアクトルの構成を示す断面図である。
【図３】図１に示した限流装置のシミュレーション条件を示す回路図である。
【図４】図３で示したシミュレーションの結果を示す波形図である。
【図５】この発明の実施の形態２による限流装置の要部を示す回路図である。
【図６】図５に示した可変リアクトルの動作を示す回路図である。
【図７】この発明の実施の形態３による限流装置の要部を示す回路ブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態４による限流装置の要部を示す回路図である。
【図９】この発明の実施の形態５による限流装置の要部を示す回路図である。
【図１０】図９に示した限流装置の実験条件を示す回路図である。
【図１１】図１０で示した実験の結果を示す波形図である。
【図１２】従来の限流装置の構成を示す回路ブロック図である。
【図１３】従来の他の限流装置の要部を示す回路図である。
【符号の説明】
１，２０，３０，４０ 可変リアクトル、２，３，２５〜２８，５２，５３ サイリスタ、４，５，５４，５５ ダイオード、６ 電圧センサ、７ 電流センサ、８ 制御回路、９，５７ 電力供給源、１０，５８ 負荷、１１，２１，２２，３１，３２，５１，６１，６２ コイル、１２ 超伝導磁気シールド、１３，２３，３３，６３ 鉄芯、３４，３５ ＧＴＯサイリスタ、６０ 可飽和リアクトル、６５ 定電流源。
【発明の属する技術分野】
この発明は限流装置に関し、特に、交流電源と負荷の間に設けられ、負荷側で短絡事故または地絡事故が発生した場合に、交流電源から負荷側に流れる短絡電流を抑制する限流装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、従来の限流装置の構成を示す回路ブロック図である。図１２において、この限流装置は、コイル５１、サイリスタ５２，５３、およびダイオード５４，５５を備える。
【０００３】
コイル５１は、直流端子Ｔ５１，Ｔ５２間に接続される。サイリスタ５２は電力供給源５７と直流端子Ｔ５１の間に接続され、ダイオード５４は直流端子Ｔ５２と負荷５８の間に接続される。ダイオード５５は負荷５８と直流端子Ｔ５１の間に接続され、サイリスタ５３は直流端子Ｔ５２と電力供給源５７との間に接続される。
【０００４】
通常時は、交流電流はサイリスタ５２、コイル５１およびダイオード５４の経路、またはダイオード５５、コイル５１およびサイリスタ５３の経路で流れる。
負荷が一定の場合は、コイル５１に流れる電流の方向および振幅は略一定であり、コイル５１の電圧降下は０になる。
【０００５】
負荷５８側で短絡事故または地絡事故が発生し、電力供給源５７から負荷５８側に過電流が流れようとすると、コイル５１によって電流変化が抑制される。次いでサイリスタ５２，５３が非導通状態に固定されて事故電流が遮断される（たとえば特許文献１参照）。
【０００６】
しかし、このような限流装置では、事故が発生しなくても負荷変動があった場合は常にコイル５１によって電流変化が抑制されるので、負荷変動に対する電源電流の応答性が悪いという問題があった。
【０００７】
また、図１３は、従来の他の限流装置の要部を示す回路図である。図１３を参照して、この限流装置が図１２の限流装置と異なる点は、コイル５１が可飽和リアクトル６０で置換されている点である。
【０００８】
可飽和リアクトル６０は、一次コイル６１、二次コイル６２および可飽和鉄芯６３を含む変圧器６４と、定電流源６５とを備える。一次コイル６１は直流端子Ｔ５１，Ｔ５２間に接続される。定電流源６５は、二次コイル６３に所定電流を流し、可飽和鉄芯６３を飽和状態にする。コイル６１，６３は、共に超伝導体で形成されている。
【０００９】
通常時は、鉄芯６３は飽和状態で動作し、鉄芯６３内の磁束密度は殆ど変化しない。このとき、一次コイル６１のインダクタンスが極めて小さな値になっているので、通常範囲の負荷変動があっても、リアクトル６０によって電流変化が妨げられることがない。
【００１０】
負荷５８側で短絡事故または地絡事故が発生した場合は、一次コイル６１に流れる電流が増加し、可飽和鉄芯６３の動作点が非飽和領域に入る。これにより、可飽和鉄芯６３の磁束密度が低下して一次コイル６１のインダクタンスが増加し、事故電流の増加が抑制される（たとえば特許文献２参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開平９−２８５０１２号公報
【００１２】
【特許文献２】
特開２００２−２９１１５０号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１３の限流装置では、二次コイル６２に常時定電流を流す必要があったので、装置構成が複雑になるという問題あった。
【００１４】
それゆえに、この発明の主たる目的は、限流効果が高く、負荷追従性が高く、かつ構成が簡単な限流装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る限流装置は、交流電源と負荷の間に設けられ、負荷側で短絡事故または地絡事故が発生した場合に、交流電源から負荷側に流れる短絡電流を抑制する限流装置であって、それらの陽極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陰極が共に第１の端子に接続された第１および第２の整流素子と、それらの陰極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陽極が共に第２の端子に接続された第３および第４の整流素子と、第１および第２の端子間に接続され、予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じてそのインピーダンスが増大する可変リアクトルとを備えたものである。ここで、可変リアクトルは、第１および第２の端子間に接続されたコイルと、超伝導体で形成されてコイルの少なくとも一部をシールドし、コイルに予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて常伝導状態になる磁気シールドとを含む。
【００１６】
また、この発明に係る他の限流装置は、交流電源と負荷の間に設けられ、負荷側で短絡事故または地絡事故が発生した場合に、交流電源から負荷側に流れる短絡電流を抑制する限流装置であって、それらの陽極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陰極が共に第１の端子に接続された第１および第２の整流素子と、それらの陰極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陽極が共に第２の端子に接続された第３および第４の整流素子と、第１および第２の端子間に接続され、予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じてそのインピーダンスが増大する可変リアクトルとを備えたものである。ここで、可変リアクトルは、第１および第２の端子間に接続され、超伝導体で形成された第１のコイルと、超伝導体で形成されて第１のコイルの電流に応じた値の電流を流し、第１のコイルに予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて常伝導状態になる第２のコイルとを含む。第１および第２のコイルは、超伝導状態において互いに磁束を打ち消し合うように電磁結合されている。
【００１７】
好ましくは、第２のコイルは、第１および第２の端子間に接続されている。
また好ましくは、可変リアクトルは、さらに、それらの陽極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陰極が共に第３の端子に接続された第５および第６の整流素子と、それらの陰極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陽極が共に第４の端子に接続された第７および第８の整流素子とを含む。第２のコイルは、第３および第４の端子間に接続される。第５および第７の整流素子、および／または第６および第８の整流素子の各々は、第１のコイルに予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて非導通にされる点弧可制御素子を含む。
【００１８】
また好ましくは、第２のコイルの端子間は短絡されている。
また、この発明に係るさらに他の限流装置は、交流電源と負荷の間に設けられ、負荷側で短絡事故または地絡事故が発生した場合に、交流電源から負荷側に流れる短絡電流を抑制する限流装置であって、それらの陽極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陰極が共に第１の端子に接続された第１および第２の整流素子と、それらの陰極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陽極が共に第２の端子に接続された第３および第４の整流素子と、第１および第２の端子間に接続され、予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じてそのインピーダンスが増大する可変リアクトルとを備えたものである。ここで、可変リアクトルは、その一方端子が第１の端子に接続され、超伝導体で形成された第１のコイルと、超伝導体で形成されて第１のコイルの他方端子と第２の端子との間に接続され、予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて常伝導状態になる第２のコイルとを含む。第１および第２のコイルは、超伝導状態において互いに磁束を打ち消し合うように電磁結合されている。
【００１９】
好ましくは、可変リアクトルは、さらに、第２のコイルの他方端子と第２の端子との間に介挿され、第２のコイルに予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて非導通になる第１のスイッチング素子と、第１のコイルの他方端子と第２の端子との間に介挿され、第２のコイルに予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて導通する第２のスイッチング素子とを含む。
【００２０】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による限流装置の構成を示す回路ブロック図である。図１において、この限流装置は、可変リアクトル１、サイリスタ（点弧可制御素子）２，３、ダイオード４，５、電圧センサ６、電流センサ７、および制御回路８を備える。
【００２１】
可変リアクトル１は、図２に示すように、円筒状に巻回されたコイル１１と、コイル１１の内側に挿入された円筒状の超伝導磁気シールド１２と、シールド１２の内側に挿入された円柱状の鉄芯１３とを含む。
【００２２】
コイル１１に電流を流すと、コイル１１の周囲に磁束が発生する。コイル１１のインダクタンスは、磁束のループの大きさに応じて大きくなる。超伝導体は磁界を通さない性質を有するので、通常の負荷電流の範囲ではコイル１１のインダクタンスは極めて小さな値になる。負荷側で短絡事故または地絡事故が発生して、コイル１１に所定のしきい値電流を越える電流が流れると、超伝導体が常伝導状態に転移し、シールド１２が磁界を通すようになる。これにより、コイル１１のインダクタンスが大きな値になり、事故電流が抑制される。なお、鉄芯１３は、磁束のループの大きさを等価的に大きくする効果を有する。可変リアクトル１のコイル１１は、直流端子Ｔ１とＴ２の間に接続される。
【００２３】
サイリスタ２のアノードおよびサイリスタ３のカソードは母線Ｌ１を介して電力供給源９に接続され、サイリスタ２のカソードおよびサイリスタ３のアノードはそれぞれ直流端子Ｔ１，Ｔ２に接続される。
【００２４】
ダイオード４のアノードおよびダイオード５のカソードはそれぞれ直流端子Ｔ２，Ｔ１に接続され、ダイオード４のカソードおよびダイオード５のアノードは配電線Ｌ２を介して負荷１０に接続される。
【００２５】
電圧センサ６は、母線Ｌ１の電圧を検出する。電流センサ７は、配電線Ｌ２の電流を検出する。制御回路８は、電圧センサ６を介して検出した母線Ｌ１の交流電圧に同期してサイリスタ２，３の各々をターンオンさせて電力供給源９からの商用電力を負荷１０に与えるとともに、電流センサ６を介して検出した配電線Ｌ２の電流が所定の電流値を越えた場合にサイリスタ２，３を非導通状態にして事故電流を遮断する。
【００２６】
なお、事故発生からサイリスタ２，３を非導通状態にするまでに商用電力の１周期程度の時間が必要となるので、その間の過電流を可変リアクトル１によって抑制する。また図１では、１相分の回路のみが示されているが、実際には３相分設けられていることは言うまでもない。
【００２７】
次に、この限流装置の動作について説明する。通常時は、商用電圧に同期してサイリスタ２，３の各々がターンオンされ、交流電流は母線Ｌ１、サイリスタ２、可変リアクトル１、ダイオード４および配電線Ｌ２の経路、または配電線Ｌ２、ダイオード５、可変リアクトル１、ダイオード３および母線Ｌ１の経路で流れる。このとき、可変リアクトル１のリアクタンスは極めて小さな値になっているので、通常範囲の負荷変動があってもリアクトル１によって電流変化が妨げられることはない。
【００２８】
負荷１０側で短絡事故または地絡事故が発生した場合は、可変リアクトル１の超伝導磁気シールド１２が常伝導状態に転移し、可変リアクトル１のリアクタンスが大きな値になる。したがって、事故による過大な電流が流れることが防止される。次いでサイリスタ２，３が非導通に固定され、事故電流が遮断されて超伝導磁気シールド１２が超伝導状態に戻される。事故が復帰されると、再びサイリスタ２，３の各々がターンオンされ、負荷１０に電力が供給される。
【００２９】
図３は、図１で示した限流装置のシミュレーション条件を示す回路図である。図３において、電力供給源９は電圧源９ａおよびコイル９ｂを含む。電圧源９ａの出力電圧ｖＳを６．６ｋＶとし、コイル９ｂのインダクタンスＬＳを０．８７５ｍＨとした。可変リアクトル１は、直流端子Ｔ１とＴ２の間に直列接続されたコイル１ａ，１ｂと、コイル１ａ，１ｂ間のノードと直流端子Ｔ２との間に直列接続されたコイル１ｃおよび可変抵抗素子１ｄを含む。コイル１ａ，１ｂ，１ｃのインダクタンスＬａ，Ｌｂ、Ｌｃをそれぞれ１７５μＨ，１７．５ｍＨ，１７５μＨとした。抵抗素子１ｄの抵抗値は、シールド１２が超伝導状態の場合は０になり、シールド１２が常伝導状態の場合は所定値に増大するものとする。負荷１０は、抵抗素子１０ａと、抵抗素子１０ａに並列に直列接続された抵抗素子１０ｂおよびスイッチ１０ｃを含む。抵抗素子１０ａ，１０ｂの抵抗値は、共に１３．２Ωとした。Ｆは、短絡または地絡事故を示している。
【００３０】
図４は、シミュレーション結果を示す波形図である。ある時刻において負荷１０側で短絡または地絡事故Ｆが発生すると、コイル電流ｉＣ、ダイオード電流ｉＤ、負荷電流ｉＬが増大しようとするが、コイル１ａ，１ｂにより抑制されることがわかる。また、スイッチ１０ｃをオンして負荷電流を５０％増大させたときの電圧降下は０．３％であった。
【００３１】
また、可変リアクトル１のサイズおよび巻数を計算した。直径２６０ｍｍ、高さ９５ｍｍ、厚さ２０ｍｍのボビンに１９０ターンのコイルを巻くと、可変リアクトル１のインダクタンスは１７．４ｍＨになった。可変リアクトル１の中央部の磁束密度は０．６２６Ｔになり、電流密度は１ｋＡ時で１００Ａ／ｍｍ２になった。
【００３２】
この実施の形態１では、コイル１１、超伝導磁気シールド１２および鉄芯１３によって可変リアクトル１を構成するので、変圧器６４および定電流源６５によって可飽和リアクトル６０を構成した従来に比べ、構成の簡単化を図ることができる。
【００３３】
なお、この実施の形態１では、超伝導磁気シールド１２の内側に鉄芯１３を設けたが、鉄芯１３の代りに鉄以外の磁性体部材を設けてもよいし、鉄芯１３を設けなくてもよい。
【００３４】
また、この実施の形態１では、電流センサ７の検出結果に基づいてサイリスタ２，３を非導通にしたが、超伝導磁気シールド１２が常伝導状態になったことに応じて生じる物理現象、たとえば直流端子Ｔ１、Ｔ２間の電圧の上昇を検出してサイリスタ２，３を非導通にしてもよい。
【００３５】
また、事故発生が発生した場合でもサイリスタ２，３を導通状態に維持しておき、別途設けられた遮断器で事故電流を遮断してもよい。
【００３６】
［実施の形態２］
図５は、この発明の実施の形態２による限流装置の要部を示す回路図である。図５を参照して、この限流装置が図１の限流装置と異なる点は、可変リアクトル１が可変リアクトル２０で置換されている点である。
【００３７】
可変リアクトル２０はトリガコイル２１、制限コイル２２およびリング状の鉄芯２３を備える。コイル２１，２２は、直流端子Ｔ１とＴ２の間に並列接続され、鉄芯２３に対して互いに逆方向に同じ回数だけ巻回されている。コイル２１，２２は共に超伝導体で形成されている。トリガコイル２１の電流容量は制限コイル２２の電流容量よりも小さな値に設定されており、トリガコイル２１は制限コイル２２よりも小さな電流で常伝導状態に転移するようになっている。
【００３８】
通常時は、２つのコイル２１，２２は共に超伝導状態にあり、トリガコイル２１の電流Ｉ２２と制限コイル２２の電流Ｉ２２は同じ値になっている。このとき、２つのコイル２１，２２による磁束が互いに打ち消し合い、鉄芯２３内の磁束は０になっている。したがって、可変リアクトル２０のインピーダンスは極めて小さな値になっているので、通常範囲の負荷変動があってもリアクトル２０によって電流変化が妨げられることはない。
【００３９】
負荷１０側で短絡事故または地絡事故が発生した場合は、事故電流によってトリガコイル２１が常伝導状態になり、図６に示すように、コイル２１に抵抗値が発生する。図６では、コイル２１の抵抗値は抵抗素子２４で示されている。これにより、トリガコイル２１の電流Ｉ２１が制限コイル２２の電流Ｉ２２よりも小さくなり、鉄芯２３内に磁束が発生する。したがって、可変リアクトル２０のインピーダンスが大きな値になり、事故電流が過大な値になることが抑制される。
【００４０】
この実施の形態２では、コイル２１，２２および鉄芯２３で可変リアクトル２０を構成するので、変圧器６４および定電流源６５によって可飽和リアクトル６０を構成していた従来に比べ、構成の簡単化を図ることができる。
【００４１】
なお、この実施の形態２では、コイル２１，２２に共通に鉄芯２３を設けたが、鉄芯２３の代りに鉄以外の磁性体部材を設けてもよいし、鉄芯２３を設けなくてもよい。
【００４２】
［実施の形態３］
図７は、この発明の実施の形態３による限流装置を示す回路ブロック図である。図７を参照して、この限流装置が図５の限流装置と異なる点は、トリガコイル２１用のサイリスタ２５〜２８が追加されている点である。
【００４３】
サイリスタ２５のアノードおよびサイリスタ２６のカソードは母線Ｌ１に接続され、サイリスタ２５のカソードおよびサイリスタ２６のアノードはそれぞれ直流端子Ｔ１１，Ｔ１２に接続される。
【００４４】
サイリスタ２７のアノードおよびサイリスタ２８のカソードはそれぞれ直流端子Ｔ１２およびＴ１１に接続され、サイリスタ２７のカソードおよびサイリスタ２８のアノードは配電線Ｌ２に接続される。トリガコイル２１は、直流端子Ｔ１１，Ｔ１２間に接続される。
【００４５】
通常時は、商用電圧に同期してサイリスタ２，２５，２７；３，２８，２６がターンオンされ、交流電流は母線Ｌ１、サイリスタ２、コイル２２、ダイオード４および配電線Ｌ２の経路および母線Ｌ１、サイリスタ２５、コイル２１、サイリスタ２７および配電線Ｌ２の経路、または配電線Ｌ２、ダイオード５、コイル２２、サイリスタ３および母線Ｌ１の経路および配電線Ｌ２、サイリスタ２８、コイル２１、サイリスタ２６および母線Ｌ１の経路を流れる。このときコイル２１，２２のインピーダンスは極めて小さな値になっているので、通常範囲の負荷変動があってもコイル２１，２２によって電流変化が妨げられることはない。
【００４６】
負荷１０側で短絡事故または地絡事故が発生した場合は、トリガコイル２１が常伝導状態に転移してコイル２１，２２のインピーダンスが大きな値になり、事故による過大な電流が流れることが防止される。また、サイリスタ２５，２６が迅速に非導通にされ、トリガコイル２１に流れる電流が遮断される。これにより、トリガコイル２１の温度上昇が抑制され、トリガコイル２１の復帰時間が短縮化される。次いでサイリスタ２，３が非導通にされて事故電流が遮断される。
【００４７】
事故が復帰した場合は、まずサイリスタ２，３のみをターンオンさせて電流供給を行なう。このときコイル２２のインピーダンスが大きいので、突入電流が小さく抑えられる。次いでサイリスタ２５，２６もターンオンさせて電力供給を行なう。これにより、通常状態に戻る。
【００４８】
この実施の形態３では、実施の形態２と同じ効果が得られる他、トリガコイル２１の温度上昇が抑制され、トリガコイル２１の復帰時間の短縮化が図られる。
【００４９】
なお、この実施の形態３では、電流センサ７の検出結果に基づいてサイリスタ２，３，２５〜２８を制御したが、端子Ｔ１，Ｔ２間および／または端子Ｔ１１，Ｔ１２間に電流センサを設け、コイル２２および／またはコイル２１に流れる電流の検出結果に基づいてサイリスタ２，３，２５〜２８を制御してもよい。
【００５０】
［実施の形態４］
図８は、この発明の実施の形態４による限流装置の要部を示す回路図である。
図８を参照して、この限流装置が図１の限流装置と異なる点は、可変リアクトル１が可変リアクトル３０で置換されている点である。
【００５１】
可変リアクトル３０は制限コイル３１、トリガコイル３２、リング状の鉄芯３３、およびＧＴＯサイリスタ（点弧・消弧可制御素子）３４，３５を含む。制限コイル３１およびＧＴＯサイリスタ３５は直流端子Ｔ１，Ｔ２間に直列接続され、トリガコイル３２およびＧＴＯサイリスタ３４はＧＴＯサイリスタ３５のアノードと直流端子Ｔ２との間に直列接続される。コイル３１，３２は、共に超伝導体で形成されており、鉄芯３３に対して同方向に同じ回数だけ巻回されている。
トリガコイル３２の電流容量は制限コイル３１の電流容量よりも小さな値に設定されており、トリガコイル３２は制限コイル３１よりも小さな電流で常伝導状態に転移するようにされている。
【００５２】
通常時は、２つのコイル３１，３２が超伝導状態にあり、ＧＴＯサイリスタ３５が非導通にされるとともにＧＴＯサイリスタ３４が導通し、コイル３１，３２およびＧＴＯサイリスタ３４の経路で電流が流れる。このとき、２つのコイル３１，３２による磁束が互いに打ち消し合い、鉄芯３３の磁束が０になっている。
したがって、可変リアクトル３０のリアクタンスは極めて小さな値になっているので、通常範囲の負荷変動があってもリアクトル３０によって電流変化が妨げられることはない。
【００５３】
負荷１０側で短絡事故または地絡事故が発生した場合は、事故電流によってトリガコイル３２が常伝導状態に転移し、トリガコイル３２に抵抗値が発生する。
したがって、事故電流が過大な値になることが抑制される。
【００５４】
次いで、ＧＴＯサイリスタ３５を導通させＧＴＯサイリスタ３４を非導通にすると、コイル３１およびＧＴＯサイリスタ３５の経路で電流が流れる。これにより、トリガコイル３２による磁束がなくなり、磁束３３内に磁束が発生してコイル３１にインピーダンスが発生し、可変リアクトル３０のインピーダンスが継続発生して事故電流が過大な値になることが抑制される。
【００５５】
この実施の形態４でも、実施の形態３と同じ効果が得られる。
なお、この実施の形態４では、コイル３１，３２に共通に鉄芯３３を設けたが、鉄芯３３の代りに鉄以外の磁性体部材を設けてもよいし、鉄芯３３を設けなくてもよい。また、ＧＴＯサイリスタ３４，３５の各々をＩＧＢＴ、ＳＩＴ、ＦＥＴ、パワートランジスタなどで置換してもよい。また、ＧＴＯサイリスタ（点弧・消弧可制御素子）３５を通常のサイリスタ（点弧可制御素子）で置換してもよい。
【００５６】
［実施の形態５］
図９は、この発明の実施の形態５による限流装置の要部を示す回路図である。
図９を参照して、この限流装置が図１の限流装置と異なる点は、可変リアクトル１が可変リアクトル４０で置換されている点である。可変リアクトル４０は、図５の可変リアクトル２０においてトリガコイル２１の端子間を短絡したものである。
【００５７】
通常時は、２つのコイル２１，２２は共に超伝導状態にあり、コイル２１，２２には同じ値の電流が流れ、コイル２１，２２の端子間電圧は共に０Ｖになっている。したがって、可変リアクトル４０のインピーダンスは極めて小さな値になっているので、通常範囲の負荷変動はあってもリアクトル４０によって電流変化が妨げられることはない。
【００５８】
負荷１０側で経路または地絡事故が発生した場合は、事故電流によってトリガコイル２１が常伝導状態に転移し、コイル２１に抵抗値が発生する。したがって、可変リアクトル４０のインピーダンスが大きな値になり、事故電流が過大な値になることが抑制される。
【００５９】
図１０は、図９に示した限流装置の実験条件を示す回路図である。図１０において、電力供給源９は電圧源９ａおよびコイル９ｂを含む。電圧源９ａの出力電圧ｖＳを１００Ｖとし、コイル９ｂのインダクタンスを０．１４５ｍＨとし、負荷電流ｉＬを１０Ａとした。トリガコイル２１は、コイル２１ａおよび可変抵抗素子２１ｂを含む。可変抵抗素子２１ｂの抵抗値は、コイル２１が超伝導状態の場合は０になり、コイル２１が常伝導状態の場合は所定値に増大するものとする。負荷１０は、抵抗素子１０ａと、抵抗素子１０ａに並列に直列接続された抵抗素子１０ｂおよびスイッチ１０ｃを含む。電圧源９ａの出力電圧ｖＳ、制限コイル２２の端子間電圧ｖＣ、制限コイル２２の電流ｉＣ、トリガコイル２１の電流ｉＳ、および負荷電流ｉＬをモニタした。Ｆは、短絡または地絡事故を示している。
【００６０】
図１１に示すように、ある時刻に１サイクル間だけ短絡または地絡事故Ｆを発生させた。事故が発生するとトリガコイル２１の電流ｉＳが急激に増大するが、トリガコイル２１が常伝導状態に転移すると電流ｉＳは急激に減少する。電流ｉＳのピーク値は１０８Ａであった。制限コイル２２の電流ｉＣおよび負荷電流ｉＬは、事故が発生すると増大しようとするが、トリガコイル２１が常伝導状態に転移したことに応じて抑制される。事故期間では、制限コイル２２の端子間電圧ｖＣは、電源電圧ｖＳを全波整流した電圧になった。
【００６１】
この実施の形態５でも、実施の形態２と同じ効果が得られる。
なお、以上の実施の形態１〜５において、ダイオードをサイリスタのような点弧可制御素子やＧＴＯサイリスタのような点弧・消弧可制御素子で置換してもよいし、サイリスタをＧＴＯサイリスタのような点弧・消弧可制御素子で置換してもよい。
【００６２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る限流装置では、それらの陽極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陰極が共に第１の端子に接続された第１および第２の整流素子と、それらの陰極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陽極が共に第２の端子に接続された第３および第４の整流素子と、第１および第２の端子間に接続され、予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じてそのインピーダンスが増大する可変リアクトルとが設けられ、この可変リアクトルは、第１および第２の端子間に接続されたコイルと、超伝導体で形成されてコイルの少なくとも一部をシールドし、コイルに予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて常伝導状態になる磁気シールドとを含む。したがって、通常時は磁気シールドによってコイルの磁束のループが小さく抑えられるので、コイルのインダクタンスが小さくなり、負荷変動に対する応答性が高くなる。事故発生時は、磁気シールドが常伝導状態に転移されてコイルのインダクタンスが大きくなり、事故電流が抑制される。また、定電流源は必要ないので、構成の簡単化が図られる。
【００６４】
また、この発明に係る他の限流装置では、可変リアクトルは、第１および第２の端子間に接続され、超伝導体で形成された第１のコイルと、超伝導体で形成されて第１のコイルの電流に応じた値の電流を流し、第１のコイルに予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて常伝導状態になる第２のコイルとを含む。第１および第２のコイルは、超伝導状態において互いに磁束を打ち消し合うように電磁結合されている。したがって、通常時は第１および第２のコイルは互いに磁束を打ち消すので、第１および第２のコイルのインダクタンスが小さくなり、負荷変動に対する応答性が高くなる。事故発生時は、第１および第２のコイルの磁束はキャンセルされなくなるので、第１および第２のコイルのインダクタンスが大きくなり、事故電流が抑制される。また、定電流源は必要ないので、構成の簡単化が図られる。
【００６５】
好ましくは、第２のコイルは、第１および第２の端子間に接続されている。この場合は、構成の一層の簡単化を図ることができる。
【００６６】
また好ましくは、可変リアクトルは、さらに、それらの陽極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陰極が共に第３の端子に接続された第５および第６の整流素子と、それらの陰極がそれぞれ交流電源および負荷に接続され、それらの陽極が共に第４の端子に接続された第７および第８の整流素子を含む。
第２のコイルは、第３および第４の端子間に接続される。第５および第７の整流素子、および／または第６および第８の整流素子の各々は、第１のコイルに予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて非導通にされる点弧可制御素子を含む。この場合は、事故時に第２のコイルが切り離されるので、第２のコイルの温度上昇が抑制され、超伝導状態への復帰時間が短縮化される。
【００６７】
また好ましくは、第２のコイルの端子間は短絡されている。この場合は、構成の一層の簡単化を図ることができる。
【００６８】
また、この発明に係るさらに他の限流装置では、可変リアクトルは、その一方端子が第１の端子に接続され、超伝導体で形成された第１のコイルと、超伝導体で形成されて第１のコイルの他方端子と第２の端子との間に接続され、予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて常伝導状態になる第２のコイルとを含む。第１および第２のコイルは、超伝導状態において互いに磁束を打ち消すように電磁結合されている。したがって、通常時は第１および第２のコイルが互いに磁束を打ち消し合うので、第１および第２のコイルのインダクタンスが小さくなり、負荷変動に対する応答性が高くなる。事故発生時は、第１および第２のコイルの磁束がキャンセルされなくなるので、第１および第２のコイルのインダクタンスが大きくなり、事故電流が抑制される。また、定電流源は必要ないので、構成の簡単化が図られる。
【００６９】
好ましくは、可変リアクトルは、さらに、第２のコイルの他方端子と第２の端子との間に介挿され、第２のコイルに予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて非導通になる第１のスイッチング素子と、第１のコイルの他方端子と第２の端子との間に介挿され、第２のコイルに予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて導通する第２のスイッチング素子とを含む。この場合は、事故時に第２のコイルが切り離されるので、第２のコイルの温度上昇が抑制され、超伝導状態への復帰時間が短縮化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による限流装置の構成を示す回路ブロック図である。
【図２】図１に示した可変リアクトルの構成を示す断面図である。
【図３】図１に示した限流装置のシミュレーション条件を示す回路図である。
【図４】図３で示したシミュレーションの結果を示す波形図である。
【図５】この発明の実施の形態２による限流装置の要部を示す回路図である。
【図６】図５に示した可変リアクトルの動作を示す回路図である。
【図７】この発明の実施の形態３による限流装置の要部を示す回路ブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態４による限流装置の要部を示す回路図である。
【図９】この発明の実施の形態５による限流装置の要部を示す回路図である。
【図１０】図９に示した限流装置の実験条件を示す回路図である。
【図１１】図１０で示した実験の結果を示す波形図である。
【図１２】従来の限流装置の構成を示す回路ブロック図である。
【図１３】従来の他の限流装置の要部を示す回路図である。
【符号の説明】
１，２０，３０，４０ 可変リアクトル、２，３，２５〜２８，５２，５３ サイリスタ、４，５，５４，５５ ダイオード、６ 電圧センサ、７ 電流センサ、８ 制御回路、９，５７ 電力供給源、１０，５８ 負荷、１１，２１，２２，３１，３２，５１，６１，６２ コイル、１２ 超伝導磁気シールド、１３，２３，３３，６３ 鉄芯、３４，３５ ＧＴＯサイリスタ、６０ 可飽和リアクトル、６５ 定電流源。
Claims (7)
- 交流電源と負荷の間に設けられ、前記負荷側で短絡事故または地絡事故が発生した場合に、前記交流電源から前記負荷側に流れる短絡電流を抑制する限流装置であって、
それらの陽極がそれぞれ前記交流電源および前記負荷に接続され、それらの陰極が共に第１の端子に接続された第１および第２の整流素子、
それらの陰極がそれぞれ前記交流電源および前記負荷に接続され、それらの陽極が共に第２の端子に接続された第３および第４の整流素子、および前記第１および第２の端子間に接続され、予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じてそのインピーダンスが増大する可変リアクトルを備え、
前記可変リアクトルは、
前記第１および第２の端子間に接続されたコイル、および超伝導体で形成されて前記コイルの少なくとも一部をシールドし、前記コイルに前記予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて常伝導状態になる磁気シールドを含む、限流装置。 - 交流電源と負荷の間に設けられ、前記負荷側で短絡事故または地絡事故が発生した場合に、前記交流電源から前記負荷側に流れる短絡電流を抑制する限流装置であって、
それらの陽極がそれぞれ前記交流電源および前記負荷に接続され、それらの陰極が共に第１の端子に接続された第１および第２の整流素子、
それらの陰極がそれぞれ前記交流電源および前記負荷に接続され、それらの陽極が共に第２の端子に接続された第３および第４の整流素子、および前記第１および第２の端子間に接続され、予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じてそのインピーダンスが増大する可変リアクトルを備え、
前記可変リアクトルは、
前記第１および第２の端子間に接続され、超伝導体で形成された第１のコイル、および超伝導体で形成されて前記第１のコイルの電流に応じた値の電流を流し、前記第１のコイルに前記予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて常伝導状態になる第２のコイルを含み、
前記第１および第２のコイルは、超伝導状態において互いに磁束を打ち消し合うように電磁結合されている、限流装置。 - 前記第２のコイルは、前記第１および第２の端子間に接続されている、請求項２に記載の限流装置。
- 前記可変リアクトルは、
さらに、それらの陽極がそれぞれ前記交流電源および前記負荷に接続され、それらの陰極が共に第３の端子に接続された第５および第６の整流素子、およびそれらの陰極がそれぞれ前記交流電源および前記負荷に接続され、それらの陽極が共に第４の端子に接続された第７および第８の整流素子を含み、
前記第２のコイルは、前記第３および第４の端子間に接続され、
前記第５および第７の整流素子、および／または前記第６および第８の整流素子の各々は、前記第１のコイルに前記予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて非導通にされる点弧可制御素子を含む、請求項２に記載の限流装置。 - 前記第２のコイルの端子間は短絡されている、請求項２に記載の限流装置。
- 交流電源と負荷の間に設けられ、前記負荷側で短絡事故または地絡事故が発生した場合に、前記交流電源から前記負荷側に流れる短絡電流を抑制する限流装置であって、
それらの陽極がそれぞれ前記交流電源および前記負荷に接続され、それらの陰極が共に第１の端子に接続された第１および第２の整流素子、
それらの陰極がそれぞれ前記交流電源および前記負荷に接続され、それらの陽極が共に第２の端子に接続された第３および第４の整流素子、および前記第１および第２の端子間に接続され、予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じてそのインピーダンスが増大する可変リアクトルを備え、
前記可変リアクトルは、
その一方端子が前記第１の端子に接続され、超伝導体で形成された第１のコイル、および超伝導体で形成されて前記第１のコイルの他方端子と前記第２の端子との間に接続され、前記予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて常伝導状態になる第２のコイルを含み、
前記第１および第２のコイルは、超伝導状態において互いに磁束を打ち消し合うように電磁結合されている、限流装置。 - 前記可変リアクトルは、
さらに、前記第２のコイルの他方端子と前記第２の端子との間に介挿され、前記第２のコイルに前記予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて非導通になる第１のスイッチング素子、および前記第１のコイルの他方端子と前記第２の端子との間に介挿され、前記第２のコイルに前記予め定められた電流よりも大きな電流が流されたことに応じて導通する第２のスイッチング素子を含む、請求項６に記載の限流装置。
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| JP2004274863A true JP2004274863A (ja) | 2004-09-30 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009267298A (ja) * | 2008-04-30 | 2009-11-12 | Mayekawa Mfg Co Ltd | 超電導限流器 |
| JP2015142450A (ja) * | 2014-01-29 | 2015-08-03 | 住友電気工業株式会社 | 限流器 |
| CN108767833A (zh) * | 2018-07-27 | 2018-11-06 | 国电南瑞科技股份有限公司 | 单相磁约束型故障电流限制器 |
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2003
- 2003-03-07 JP JP2003061321A patent/JP2004274863A/ja not_active Withdrawn
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