JP2004531052A - マトリクス型超伝導障害電流制限器 - Google Patents

Abstract

電気的に導電性の材料である超伝導体と非超伝導体で作られた素子を用いて、電力ネットワークにおいて「可変インピーダンス」装置として機能するモジュール式で拡張性のあるマトリクス型超伝導限流器（ＭＦＣＬ）。障害の検出とそれに続くＭＦＣＬの電流制限インピーダンスの活性化は、能動的な制御機構の助けなしで、内蔵のマトリクス構造によって受動的に行われる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、送配電系統において使用される限流装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
送配電系統においては、障害電流が、電力線への落雷や、樹木や電柱が倒れて電力線が地面と短絡するような事象によって引き起こされることがある。このような事象は、ＥＰＧＳ装置に重大な損傷を与え得る、電力グリッド系統（ＥＧＰＳ）を通る電流サージを引き起す。このような損傷から変電所装置を保護するために開閉装置が配送電変電所内に配置されている。しかしながら、電力需要の引き続く増加と、電力配電網、送電網、および発電源間の相互および／または内部接続の増加により、障害電流レベルは、開閉装置の当初の障害電流遮断能力を超えるレベルにまで増大することがある。限流装置を用いれば、有用な障害電流は開閉装置をすべて交換したり、または新たな変電所を建設したりするといった費用がかる他の手段によらずに、開閉装置がＥＰＧＳに対してその保護機能を実行できるより安全なレベルにまで減少するであろう。
【０００３】
超伝導体、特に高温超伝導（ＨＴＳ）材は、ある動作条件下では「可変インピーダンス」効果を発揮するように操作できる固有の特性を有しているので電流制限装置で使用されるのに好適である。超伝導体は、ある温度および外部磁界の範囲（すなわち、「臨界温度」（Ｔ_C）および「臨界磁界」（Ｈ_C）の範囲）内で動作させられると、超伝導体を流れる電流がある閾値（すなわち、「臨界電流レベル」（Ｊ_C））未満ならば電気抵抗を示さず、したがって「超伝導状態」にあると言われる。
【０００４】
しかし、電流がこの臨界電流レベルを越えると、超伝導体は、その超伝導状態から「通常の抵抗状態」に遷移する。超伝導状態から通常の抵抗状態への超伝導体のこの遷移は「クエンチ」と呼ばれる。クエンチは、３個の要因、すなわち動作温度、外部磁界、電流レベルのいずれか１個またはその任意の組み合わせが、それらの対応する臨界レベルを越えた場合に起こりうる。
【０００５】
図１に示す表面プロットは、典型的な超伝導材料についてこれらの３個の要因（Ｔ_C、Ｈ_C、およびＪ_C）間の相互依存性を示している。図１に示すように、表面プロットは３つの軸Ｔ、Ｈ、およびＪを含み、ここでＴ_Cは、超伝導材料が超伝導状態を維持するためにそれ以下に冷却されなければならない臨界温度、Ｈ_Cは、超伝導材料が超伝導状態を維持するためにそれ以上の磁界に曝すことができない臨界磁界、Ｊ_Cは、超伝導体が超伝導状態を維持するために超えることができない超伝導材料中の臨界電流密度である。
【０００６】
この「臨界Ｊ−Ｈ−Ｔ面」は、材料が外側では超伝導状態にならない外側境界線を示している。したがって、臨界Ｊ−Ｈ−Ｔ面が囲む体積は、超伝導材料の超伝導領域を示している。
【０００７】
いったんクエンチされた超伝導体は、もし熱的または構造的損傷が超伝導体のクエンチ中に発生しなかった場合には、動作環境をその臨界電流、臨界温度、および臨界磁界の境界内に変えることによってその超伝導状態に戻すことが可能である。液体ヘリウム温度（４Ｋ）の近傍で作動する低温超伝導（ＬＴＳ）材料と比較して、ＨＴＳ材料は、液体窒素温度（７７Ｋ）の近傍で動作可能である。ＨＴＳ材料は動作温度範囲が高くかつ広いので、その特性をより容易に操作できる。
【０００８】
通常の抵抗状態への超伝導体のクエンチおよび超伝導状態へのその後の復帰は、「可変インピーダンス」効果に相当する。そのような特性を有する超伝導装置は、電流を制限する用途には理想的である。そのような装置は、正常動作条件下では動作電流レベルが常に超伝導体の臨界電流レベル未満であるように設計でき、したがって、電力損失（Ｉ²Ｒ損失）がその過程で生じることはない。障害が生じた場合には、障害電流レベルが超伝導装置の臨界電流レベルを越え、その結果、クエンチ状態を形成できる。同じ理由で、装置動作温度および／または磁界レベルを変更する機構を、こうした超伝導装置を迅速にクエンチしおよび復帰させるための触媒または補助物のいずれかとして所定の位置に置くことができる。
【０００９】
マックドウガル等（ＭｃＤｏｕｇａｌｌ， ｅｔ ａｌ．）による「電流制限装置（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）」と題する米国特許第６，０４３，７３１号は、超伝導体の臨界電流レベルを調節する能動的な制御機構を使用する超伝導体装置を記述している。正常動作条件下では、磁界が超伝導体に印加されて、その臨界電流レベルをその最大レベルより小さくさせる。臨界電流レベルが障害電流レベル未満となるように、障害下で超伝導体の臨界電流密度を調節する能動的な制御機構が所定の場所に配置されて、超伝導体のクエンチを引き起こし、それによってそれが接続された回路に電流制限インピーダンスを発生させる。この制御機構は、障害電流が抑えられた後、超伝導体の臨界電流レベルを上げて、超伝導体をその超伝導状態に復帰させるために使用される。マックドウガル等（ＭｃＤｏｕｇａｌｌ， ｅｔ ａｌ．）の電流制限装置の欠点は、それが「調整可能なインピーダンス」効果を得るために、構造の複雑さとコストを増大させ、かつ信頼性の問題を発生させる外部電源供給源を組み込んだ能動的な制御機構を必要とする点にある。
【００１０】
サラボラック（Ｓａｒａｖｏｌａｃ）に２０００年１０月２４日に付与され、「抵抗性の超伝導限流器（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｅｒ）」と題された米国特許第６，１３７，３８８号は、超伝導体を超伝導状態に維持するために冷却剤が充填された非金属のクライオスタット（低温保持装置）の内部に配置された超伝導体について述べている。箔巻線が電流リードによって超伝導体と直列に接続され、クライオスタットが巻線の内部に配置されている。正常動作条件下では、箔巻線中の電流は超伝導体の臨界電流レベルより小さい電流と臨界磁界より小さい永久磁界を有する、超伝導体に平行な永久磁界を発生する。障害が発生した場合には、箔巻線中の電流が、超伝導体の臨界磁界を越える磁界を生成するレベルにまで増大し、超伝導体を抵抗状態にする。この発明は実際、超伝導体のクエンチを受動的に引き起こさせるものである。サラボラックの電流制限装置の欠点は、障害中にトリガー磁界を発生する箔巻線によって、超伝導体が正常動作モード中においてもまた永久磁界中に置かれることにある。この永久磁界は、超伝導体の性能を低下させるには十分である。さらに、ローレンツ力（すなわち、磁界Ｂ内で電荷ｑ、速度ｖを有する荷電粒子に働く力（Ｆ）、Ｆ＝ｑｖ×Ｂ）によって生じる機械的ストレスを減少させるためにそのような装置内の一様な磁界領域中に超伝導材料を配置することは非常に難しいであろう。また、箔巻線の誘導性によりこの装置の両端には電圧降下、およびそうした構造に関連した実質的なＩ²Ｒ損失が常に発生するであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明の目的は、正常な動作条件下で、外部磁界のどんな影響も受けない超伝導素子のみから構成される１つまたは複数のパスに電流を通す電流制限器を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、障害電流を検知して制限し、いかなる種類の能動スイッチおよび制御機構を組み込むことなく、その後超伝導状態に自動的に復帰する電流制限器を提供することにある。
【００１３】
本発明のさらに他の目的は、用途および動作に対する拡張性が可能な、種々の配送電網に使用される容易に入手可能なモジュラー素子から構成された電流制限器を提供することである。
【００１４】
本発明のさらに他の目的は、いかなる個々の素子が故障してもそれが装置全体の故障を引き起こさないように設計上の冗長性が組み込まれた高信頼性の電流制限器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、電気的に導電性の超伝導体および非超伝導体の材料から作られた素子を含む限流器である。このいわゆるマトリクス型障害電流制限装置（ＭＦＣＬ）は、「ｍ×ｎ」（列×行）個の電流制限素子を含む電流制限マトリクスに電気的に直列に接続された「１×ｎ」（列×行）個のトリガー素子を有するトリガーマトリクスを含む。トリガーマトリクス内の各トリガー要素は、「１＋ｍ」個の並列に接続された誘導子を含む非超伝導誘導子グループに電気的に並列に接続された１個の非誘導的に配置された超伝導素子を含む。電流制限マトリクス内の各電流制限要素は、１個の非超伝導誘導子に電気的に並列に接続された１個の非誘導的に配置された超伝導素子を含む。
【００１６】
トリガー要素の誘導子グループにある「１＋ｍ」個の誘導子は、両マトリクスで同じ行番号を持つ「１」個のトリガー要素に「ｍ」個の電流制限要素を加えた各超伝導素子の周囲に物理的に巻かれている。
【００１７】
マトリクス中の行数「ｎ」は、本発明のＭＦＣＬを通過する最大正常動作電流レベル（このような電流レベルのあらゆる正常な変動を考慮した）によって決定される。ＭＦＣＬマトリクス中の行数で除算されたこの最大電流レベル（含まれる変動レベルが何であれそれを加算したもの）は、ＭＦＣＬマトリクス（装置が同一の超伝導素子のみを使用すると仮定して）中で使用される各超伝導素子の臨界電流レベルを越えてはならない。設計の冗長性、したがってＭＦＣＬ装置全体の信頼性を向上させるために行をさらに追加することができる。電流制限マトリクス内の列数「ｍ」は、特定の電気回路網に要求される電流制限インピーダンスによって主として決定され、ＭＦＣＬの構造を拡張性が高いものにする。
【００１８】
正常動作条件下では、電流は、ＭＦＣＬ装置内に非誘導的に配置された超伝導素子のみを流れ、その結果、超伝導材料のゼロ電気抵抗性によって装置両端に電圧降下はなく、すなわちＩ²Ｒ損失が発生しない。ところが、障害が発生すると、電気回路網のサージ電流が超伝導素子の臨界電流レベルを越え、超伝導状態から通常の抵抗状態への遷移を生じさせる。
【００１９】
このような遷移によって、トリガーマトリクス要素中の超伝導素子と誘導子グループの間、および電流制限マトリクス要素中の超伝導素子と誘導子の間に分流機構が構築される。トリガーマトリクス要素内の「１＋ｍ」個の誘導子の各々に分流された電流は次に、「１」個のトリガーマトリクス要素および「ｍ」個の電流制限マトリクス要素にある各超伝導素子を取り囲む実質的な磁界を生成する。この磁界は、装置中の超伝導素子の臨界磁界レベルを越えるように構成されていて、したがって、超伝導状態から抵抗状態への超伝導体の遷移をさらに速め、その結果、電気回路網にＭＦＣＬ装置の必要な電流制限インピーダンスを発生する。
【００２０】
３個の要因、すなわち、超伝導素子の臨界電流レベルを越える電流サージ、過電流による発熱に伴なう超伝導体の温度上昇、および分流機構によって生成された外部磁界全てが、ＭＦＣＬ中の超伝導体が超伝導状態から抵抗状態への遷移するのを促進する働きをする。トリガーおよび電流制限の両マトリクス中の並列に接続された誘導子は、通常、障害電流レベルを急激に増加させる過渡電圧サージから超伝導素子を保護する働きをする。サージ電流の一部が誘導子に分岐することも、ＭＦＣＬ動作の電流制限過程において超伝導体が吸収しなければならない熱エネルギーを減少させる働きをする。これによって、ＭＦＣＬ装置が、その超伝導状態へ素早く復帰することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図２は最も簡単な形態の単相ＥＰＧＳを表す交流回路２００を示している。交流回路２００は、インピーダンスＺ_Sourceおよび全体の回線インピーダンスＺ_Lineを有する、三相送配電網における単相電源である交流電源２１０を含む。交流電源２１０は、インピーダンスＺ_Loadを有する負荷２１６に電気を供給する。障害が発生すると、Ｚ_MFCLのインピーダンスを持つＭＦＣＬ２１２装置が、交流電源２１０と負荷２１６の間に従来の回路遮断器２１４と電気的に直列に接続されている。交流回路２００にＭＦＣＬ２１２がない場合、負荷２１６が電気的に接地に短路された時の障害電流レベルは、ｉ₁＝Ｖ_Source／（Ｚ_Source＋Ｚ_Line）で決定される。しかも、交流回路２００にＭＦＣＬ２１２が存在すると、障害電流レベルは、ｉ₂＝Ｖ_Source／（Ｚ_Source＋Ｚ_Line＋Ｚ_MFCL）に制限される。障害が生じたときにＺ_MFCLがゼロでない限り、ｉ₂レベルはｉ₁よりも小さくなり、したがって障害電流制限機能が達成される。ｉ₂が回路遮断器２１４の設計された障害電流遮断性能の範囲に制限されると、回路遮断器２１４は正常に機能し、それによってＥＰＧＳおよび宅内機器を保護することができる。
【００２２】
本発明のＭＦＣＬ２１２は、電気回路網において「可変インピーダンス」として実質的に機能するものである。正常動作条件下では、装置ＭＦＣＬ２１２のインピーダンスは実質的にゼロである。障害の存在によって、回路網に電流サージが突然発生すると、ＭＦＣＬ２１２は、直ちにある設計量のインピーダンスＺ_MFCLを回路網にもたらし、その結果電流制限機能が達成される。前に説明したように、３個の要因、すなわち、通過電流、外部磁界、動作温度のいずれか１個または任意の組み合わせが、それらの対応する「臨界レベル」を越えると、超伝導材料は超伝導無電気抵抗状態から通常の抵抗状態（すなわち、クエンチ）に遷移することができる。超伝導体のクエンチおよびその後の超伝導状態への復帰は、「可変インピーダンス」効果に相当している。ＭＦＣＬ２１２の「可変インピーダンス」機能は、そのような超伝導素子を装置構造に組み込むことにより、そしてそれらの超伝導素子のクエンチを引き起こす３個の要因を操作することにより達成できる。本願明細書に含まれるすべての図においては超伝導素子は可変抵抗記号で表されている。
【００２３】
図２に示すように、ＭＦＣＬ２１２は、ノードＢとノードＣ間に配置された電流制限マトリクス２２０と直列にノードＡとノードＢ間に配置されたトリガーマトリクス２１８を含む。トリガーマトリクス２１８の主要な機能は、障害下において、電流制限マトリクス２２０にある超伝導素子のクエンチを引き起こすに足る十分な追加の磁界を生成することである。電流制限マトリクス２２０の主要な役割は、障害中にＭＦＣＬ２１２中の超伝導素子がいったんその抵抗状態に遷移した際に、必要な総電流制限インピーダンスの大半を提供することである。
【００２４】
図３は「１×ｎ」（列×行）トリガーマトリクス２１８と「ｍ×ｎ」電流制限マトリクス２２０を含むＭＦＣＬ２１２のハイレベルブロック図を示している。トリガーマトリクス２１８は、複数のトリガーマトリクス要素３１０（すなわち、トリガーマトリクス要素３１０−１〜３１０−ｎ）を含み、一方、電流制限マトリクス２２０は、複数の電流制限モジュール３１２（すなわち、モジュール３１２−１〜３１２−ｍ）を含む。各電流制限モジュール３１２は複数の電流制限要素３１４（すなわち、電流制限要素３１４−１〜３１４−ｎ）を含む。各トリガーマトリクス要素３１０は、同一行番号を持つ電流制限要素３１４の「ｍ」個を起動する。例えば、トリガー要素３１０−１は、モジュール３１２−１〜３１２−ｍの全ての電流制限要素３１４−１を起動する。
【００２５】
図４はＭＦＣＬ２１２のノードＡとＢ間に電気的に並列に接続された複数のトリガーマトリクス要素３１０（すなわち、トリガーマトリクス要素３１０−１〜３１０−ｎ）を含むトリガーマトリクス２１８の好ましい実施形態の概略図を示している。各トリガーマトリクス要素３１０は、「ｍ＋１」個の誘導子ＬＬに並列に配置された超伝導体ＲＲをさらに含んでいる。例えば、トリガーマトリクス要素３１０−１は、誘導子ＬＬ₁および複数の誘導子ＬＬ₁₁〜ＬＬ_m1の双方に並列に配置された超伝導体ＲＲ₁を含む。同様に、トリガーマトリクス要素３１０−２は、誘導子ＬＬ２および複数の誘導子ＬＬ₁₂〜ＬＬ_m2の双方に並列に配置された超伝導素子ＲＲ₂を含む。最後の例として、トリガーマトリクス要素３１０−ｎは、誘導子ＬＬ_nおよび複数の誘導子ＬＬ_1n〜ＬＬ_mnの双方に並列に配置された超伝導体ＲＲ_nを含む。
【００２６】
図５はＭＦＣＬ２１２のノードＢとＣ間に電気的に直列に接続された複数の電流制限モジュール３１２（すなわち、モジュール３１２−１〜３１２−ｍ）を含む電流制限マトリクス２２０の好ましい実施形態の概略図を示している。各モジュール３１２は、電気的に並列に接続された複数の電流制限マトリクス要素３１４（すなわち、電流制限マトリクス要素３１４−１〜３１４−ｎ）をさらに含む。したがって、電流制限マトリクス２２０は、「ｍ」個の電流制限モジュール３１２を持つ一方で、これらのモジュールの各々が「ｎ」個の電流制限マトリクス要素３１４を含む「ｍ×ｎ」マトリクスである。各電流制限マトリクス要素３１４は、超伝導体Ｒと誘導子Ｌの電気的に並列な配置を含む。例えば、モジュール３１２−１の電流制限マトリクス要素３１４−１は、誘導子Ｌ₁₁と並列に配置された超伝導体Ｒ₁₁を含む。第２の例として、モジュール３１２−１の電流制限マトリクス要素３１４−ｎは、誘導子Ｌ_1nと並列に配置された超伝導体Ｒ_1nを含む。第３の例として、モジュール３１２−ｍの電流制限マトリクス要素３１４−１は、誘導子Ｌ_m1と並列に配置された超伝導体Ｒ_m1を含む。最後の例として、モジュール３１２−ｍの電流制限マトリクス要素３１４−ｎは、誘導子Ｌ_mnと並列に配置された超伝導体Ｒ_mnを含む。
【００２７】
図６はＭＦＣＬ２１２装置全体に関連してのトリガーマトリクス２１８（図４）と電流制限マトリクス２２０（図５）の概略図に関しより包括的な全体図を示している。
【００２８】
図４、５、および６には、トリガーマトリクス２１８および電流制限マトリクス２２０内の超伝導体と誘導子の物理的相互関係は示されていない。これらの関係は図７に示された単純化された例によって最も良く示されている。
【００２９】
図７は、「１」のトリガーマトリクス要素（すなわち、トリガーマトリクス要素３１０−１）を有するトリガーマトリクス２１８中の１つの行と、モジュール３１２−１〜３１２ｍ内に「ｍ×１」個の電流制限マトリクス要素３１４を有する電流制限マトリクス２２０中のそれと同じ行をそれぞれ示している。トリガーマトリクス要素３１０−１は、１個の超伝導体ＲＲ₁と、１個の誘導子ＬＬ₁と、「ｍ」個の誘導子ＬＬ₁₁〜ＬＬ_m1の他のグループを含む。これらはすべて電気的に並列に接続されている。各電流制限マトリクス要素３１４は、誘導子Ｌ（すなわち、誘導子Ｌ₁₁〜Ｌ_m1）と並列な１個の超伝導体Ｒ（すなわち、超伝導体Ｒ₁₁〜Ｒ_m1）を含む。
【００３０】
誘導子ＬＬ₁は、超伝導体ＲＲ₁のまわりに物理的に巻かれている。誘導子ＬＬ₁₁〜ＬＬ_m1は、それぞれ超伝導体Ｒ₁₁〜Ｒ_m1のまわりに物理的に巻かれている。すなわち、ＬＬ₁₁はＲ₁₁のまわりに、ＬＬ₂₁はＲ₂₁のまわりに・・・巻かれている。
【００３１】
この物理的関係は、トリガーマトリクス２１８中の各行（すなわち、トリガーマトリクス要素３１０−１〜３１０−ｎ）と、電流制限マトリクス２２０の中で同じ行番号を持つそれに対応する行（すなわち、電流制限マトリクス要素３１４−１〜３１４ｎ）に対して繰り返されるべきであり、ノードＢにおいてトリガーマトリクス２１８と電流制限マトリクス２２０間に共通の電気的接続がなされている。
【００３２】
ＭＦＣＬ２１２の超伝導素子はすべて、棒、バー、管、２本巻ソレノイドコイル、または他の非誘導性の形態をとることができる。例えば、ＭＦＣＬ２１２の超伝導素子は、電流リードの用途に使用される周知のＨＴＳ棒または管であってもよい。誘導子は、銅をなどの電気的に導電性の材料の非超伝導体の材料から製作される従来の誘導子であり、螺旋形に巻かれたソレノイドコイル（好ましい）、またはレーストラック型または鞍型コイルとして形成されてもよい。ＭＦＣＬ２１２はそれ自身、液体、ガス、または液体窒素のような２相冷凍材を含むクライオスタット（図示しない）に収容することができ、あるいは冷凍機、または冷却剤と冷凍機の組み合わせのような他の手段によって冷却されてもよい。クライオスタットは、うず電流損を減少させる非金属材料から構成されてもよく、それによって冷却要件を減らすことができる。ＭＦＣＬ２１２の超伝導体は、クライオスタット内の冷却剤、または冷凍機またはその両者を組み合わせたような外部冷却機構のいずれかによる冷却でその臨界温度未満に冷却されることによって超伝導状態に維持される。
【００３３】
ここで、ＭＦＣＬ２１２の動作原理を説明する。ＭＦＣＬ素子の高度のモジュール性および拡張性を達成するために、この好ましい実施形態は、トリガーマトリクス要素３１０がすべて同一で、電流制限マトリクス要素３１４がすべて同じであると仮定している。これは、トリガーマトリクス２１８内では、超伝導体ＲＲ₁〜ＲＲ_nはすべて同一、誘導子ＬＬ₁〜ＬＬ_nはすべて同一、誘導子ＬＬ₁₁〜ＬＬ_mnもまたすべて同じであることを意味している。電流制限マトリクス２２０内では、超伝導素子Ｒ₁₁〜ＲＲ_mnはすべて同一であり、一方誘導子Ｌ₁₁〜Ｌ_mnもすべて同一である。
【００３４】
超伝導体ＲＲおよびＲの臨界電流レベルは、ｎ分の１（１／ｎ、ｎは、電力回路網の最大正常動作交流電流のトリガーマトリクス２１８中と電流マトリクス２２０中の行数）以上であるべきである。この正常動作交流電流レベルは、いかなる電力回路網においても通常存在する電流レベルのどんな適度な変動も考慮に入れるべきである。それは、正常動作条件下では、超伝導体はその超伝導状態においては電気抵抗を示さないので、電流がＭＦＣＬ２１２のマトリクス内の超伝導素子だけを通過するような場合である。超伝導体は非誘導型であるので、ＭＦＣＬ２１２装置のインピーダンスの合計は実質的にゼロとなり、ノードＡとノードＣ間にＩ²Ｒ損失または電圧降下が発生しない。
【００３５】
障害が回路網のトリガーマトリクス２１８内に発生すると（例えば、トリガーマトリクス要素３１０−１を解析することによって）、超伝導体ＲＲ₁を通過する障害電流の一部は、その臨界電流レベルをはるかに超える。これは超伝導体ＲＲ₁をクエンチして抵抗状態にし、その結果、ＲＲ₁に電気抵抗が発生する。これは次に超伝導体ＲＲ₁と誘導子ＬＬ₁およびＬＬ₁₁〜ＬＬ_m1の間に分流機構を生成する。同時に、電流制限マトリクス２２０内では（例えば、モジュール３１２−１の電流制限マトリクス要素３１４−１を調べることによって）、超伝導体Ｒ₁₁もまた、その臨界電流レベルをはるかに越える障害電流サージによって抵抗状態へと起動され、結果として、Ｒ_nmに電気抵抗が発生する。これは次に強制的に電流制限マトリクス要素３１４−１を超伝導体Ｒ₁₁と誘導子Ｌ₁₁間の分流機構にする。
【００３６】
分流機構によってトリガーマトリクス要素３１０−１中の誘導子ＬＬ₁を通過する電流は、誘導子ＬＬ₁₁〜ＬＬ_m1内に追加の磁界を生成する。これらの誘導子は、各超伝導体（すなわち、超伝導体ＲＲ₁上の誘導子ＬＬ₁、超伝導体Ｒ₁₁上の誘導子ＬＬ₁₁、超伝導体Ｒ２１上の誘導子ＬＬ₂₁、．．．、そして超伝導体Ｒ_m1上の誘導子ＬＬ_m1）のまわりに個々に巻かれているので、これはこれらすべての超伝導体を追加の外部磁内におくことになる。この磁界が超伝導体の臨界磁界を越えると、それは超伝導体中のクエンチの速度および均一性をさらに高める別の機構を生成する。並列に接続された誘導子ＬＬ₁およびＬＬ₁₁〜ＬＬ_m1は、この追加の磁界によって引き起こされたクエンチが、含まれるすべての超伝導体に同時に確実に発生するようにする。過度のサージ電流による加熱による温度上昇も超伝導体のクエンチに寄与する。
【００３７】
分流、追加の磁界による起動、および過度の電流の加熱による温度上昇という同じ現象は、ＭＦＣＬ２１２のトリガーマトリクス２１８および電流制限マトリクス２２０中のすべての行において繰り返される。
【００３８】
トリガーマトリクス２１８内のトリガーマトリクス要素３１０が並列に接続されていること、および電流制限マトリクス２２０内の電流制限マトリクス要素３１４が並列に接続されていることによって、いかなる個々のトリガーマトリクス要素３１０または電流制限マトリクス要素３１４の故障もＭＦＣＬ２１２全体の故障につながらないように、ＭＦＣＬ２１２の構造に内蔵の冗長性がもたらされている。より具体的には、個々の要素の故障が発生した場合、障害電流は、全体の動作へ影響を与えることはなく、ＭＦＣＬ２１２内の残りのトリガーマトリクス要素３１０および電流制限マトリクス要素３１４の間に自動的に再分配される。
【００３９】
３つのすべての要因全体、すなわち、超伝導素子の臨界電流レベルを越える電流サージ、過度の電流による加熱に伴なう超伝導体の温度上昇、および分流機構によって生成された外部磁界はすべて、ＭＦＣＬ２１２における超伝導体の超伝導状態から抵抗状態への遷移を促進し、「可変インピーダンス」効果を生成する。
【００４０】
ＭＦＣＬ２１２装置の特徴と構造についてのいくつかの考察をすることができる。
【００４１】
トリガーマトリクス２１８および電流制限マトリクス２２０両方における並列接続された誘導子は超伝導素子を保護する役目をする。サージ電流の一部が誘導子へ分岐することによって、ＭＦＣＬ２１２の動作の電流制限過程において超伝導体が吸収する熱エネルギーが減少する。これによって、ＭＦＣＬ２１２装置をその超伝導状態へ迅速に復帰させることが可能となる。
【００４２】
トリガーマトリクス２１８中の超伝導体に並列に接続された誘導子によって電流制限マトリクス２２０中のすべての超伝導素子を同時に起動することで、電圧は、各超伝導素子の両端に等しく確実に分配される。
【００４３】
螺旋状に巻かれたソレノイド誘導子コイルは、超伝導体が、障害中に分流機構によって生成された均一な磁界領域内に位置するように、十分長くなければならない。これは、超伝導体を均一にクエンチする一方、同時に超伝導体の機械的ストレスを減少させる。
【００４４】
ＭＦＣＬ２１２中の行の数「ｎ」は最大正常動作電流レベルによって決定される。１つまたは少数の超伝導素子が故障した場合に、それが装置全体の故障を引き起こさないように、行を追加して構造の冗長性を高め、ＭＦＣＬ２１２装置の信頼性を向上させることができる。電流制限マトリクス２２０中の列の数「ｍ」は、特定の電気回路網に要求される電流制限インピーダンスによって主として決定され、ＭＦＣＬ２１２構造の拡張性を向上させることが可能である。
【００４５】
障害中のＭＦＣＬ２１２装置のトリガーマトリクス２１８の全体インピーダンスも、装置全体の電流制限インピーダンスＺ_MFCLに寄与する。
【００４６】
障害の検出、電流制限インピーダンスの活性化、およびその後のＭＦＣＬ２１２の超伝導状態への復帰はすべて、いかなる能動的スイッチング構造および／またはいかなる制御機構の助けなしにも、内蔵マトリクスおよび装置構造によって受動的に行われる。能動的な制御装置よりむしろ受動的な素子だけをこのように使用することが、高信頼性にさらに寄与する。
【００４７】
本発明の他の実施形態においては、ＭＦＣＬ２１２は、図９に記載された電流制限マトリクス５００と組み合わせて使用される、図８に記載されたトリガーマトリクス４００を含む。図１０はＭＦＣＬ２１２全体に関連してのこの他の実施形態のトリガーマトリクス４００および電流制限マトリクス５００の概略図のより包括的な全体図を示している。
【００４８】
この他の実施形態において、各トリガーマトリクス要素３１０とモジュール５１２−１〜５１２−ｍ中の「ｍ」個の電流制限マトリクス要素３１４は電気的に直列に接続され、「１」個のトリガーマトリクス要素３１０と「ｍ」個の電流制限マトリクス要素３１４の直列パスを形成している。したがって、この直列パスは、ＭＦＣＬ２１２のノードＡとＣの間で他の直列パスと電気的に並列に接続されている。例えば、ノードＢ₁を介してモジュール５１２−１〜５１２−ｍの電流制限マトリクス要素３１４−１に電流を供給するトリガーマトリクス要素３１０−１によって形成された直列パスは、トリガーマトリクス４００および電流制限マトリクス５００内のノードＢ₂を介してモジュール５１２−１〜５１２−ｍの電流制限マトリクス要素３１４−２に電流を供給するトリガーマトリクス要素３１０−２によって形成された直列パス、および以下同様にノードＢ_nを介してモジュール５１２−１〜５１２−ｍの電流制限マトリクス要素３１４−ｎに電流を供給するトリガーマトリクス要素３１０−ｎによって形成された直列パスと並列に配置されている。この他の実施形態のＭＦＣＬ２１２の、図１０に示す全体回路は、第１の（好ましい）実施形態の「（１＋ｍ）×ｎ」マトリクスに対して、実質的に「１×ｎ」マトリクスとなる。トリガーマトリクス４００および電流制限マトリクス５００の１個の直列パス内の超伝導体と誘導子の物理的相互関係は、図７に記載されたものと同一である。ＭＦＣＬ２１２のこの他の実施形態の限流動作原理も、本発明の第１の（好ましい）実施形態と同一である。
【００４９】
本発明のＭＦＣＬ２１２の他の実施形態では、本発明の好ましい実施形態のトリガーマトリクス２１８および／または電流制限マトリクス２２０内の高精度な素子または素子の厳密な配列の変更を広く含んでよい。例えば、トリガーマトリクス２１８は、並列、または直列と並列接続の組み合わせの代わりに、それぞれ誘導子ＬＬ₁〜ＬＬ_nに直列に配列された超伝導体ＲＲ₁〜ＲＲ_nを含むように変更してもよい。他の例として、電流制限マトリクス２２０のモジュール３１２（すなわち、モジュール３１２−１〜３１２−ｍ）は、並列に接続された誘導子Ｌ₁₁〜Ｌ_1nを取り除いて、超伝導体Ｒ₁₁〜Ｒ_1nだけを含むように変更してもよい。さらに他の例として、電流制限マトリクス２２０は、モジュール３１２（すなわち、モジュール３１２−１〜３１２−ｍ）が「ｎ」個のすべて超伝導体Ｒ₁₁〜Ｒ_1nと並列に接続された１個の誘導子Ｌだけを含むようにも変更できる。また、さらに他の例として、電流制限マトリクス２２０全体と並列に配置された誘電子Ｌが１個だけでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】典型的な超伝導材料の臨界電流レベル、臨界温度、および臨界磁界の相互依存性を示す。
【図２】最も単純な形態の単相ＥＰＧＳを代表する、交流回路において使用されるＭＦＣＬ装置の例を示す。
【図３】「１×ｎ」（列×行）トリガーマトリクスおよび「ｍ×ｎ」電流制限マトリクスを含むＭＦＣＬ装置のハイレベルブロック図を示す。
【図４】電気的に並列に接続された１〜「ｎ」の複数のトリガーマトリクス要素（トリガーマトリクス中の行）を含む、本発明のＭＦＣＬの内のトリガーマトリクスの好ましい実施形態の概略図を示す。
【図５】電気的に直列に接続された１〜「ｍ」の複数の電流制限モジュール（電流制限マトリクス中の列）を含む、本発明の電流制限マトリクスの好ましい実施形態の概略図を示す。
【図６】トリガーおよび電流制限マトリクスの両方を含む、本発明の完全なＭＦＣＬの好ましい実施形態の概略図を示す。
【図７】簡単な「（１＋ｍ）×１」マトリクスとして構成したＭＦＣＬの誘導子と超伝導体間の物理的関係の例とその電気的表現を示す。
【図８】電気的に並列に接続された１〜「ｎ」の複数のトリガーマトリクス要素（トリガーマトリクス中の行）を含む、本発明のＭＦＣＬの内のトリガーマトリクスの他の実施形態の概略図を示す。
【図９】電気的に直列に接続された１〜「ｍ」の複数の電流制限モジュール（電流制限マトリクス中の列）を含む、本発明のＭＦＣＬの内の電流制限マトリクスの他の実施形態の概略図を示す。
【図１０】トリガーおよび電流制限マトリクスの両方を含む、本発明の完全なＭＦＣＬの他の実施形態の概略図を示す。

Claims (10)

1. トリガーマトリクス部と電流制限マトリクス部を有するマトリクス型超伝導障害電流制限器であって、
   前記トリガーマトリクス部と前記電流制限マトリクス部は互いに電気的に直列に接続され、かつ電気的に導電性の超伝導と非超伝導の材料から作られた素子から構成され、
   前記トリガーマトリクス部は、１列×ｎ行のマトリクスに配列されたｎ個（ただし、ｎ？１）のトリガー要素を有し、ｎ個の前記トリガー要素は互いに電気的に並列に接続され、各トリガー要素は、複数の非超伝導素子と電気的に並列に接続された少なくとも１個の非誘導的に配置された超伝導素子を備え、
   前記電流制限マトリクス部は、ｍ列×ｎ行のマトリクスに配列されたｍ個（ただし、ｍ？１）の電流制限要素を有し、ｎ個の前記電流制限要素は互いに電気的に並列に接続されて１個の電流制限モジュールを構成し、ｍ個の前記電流制限モジュールは互いに電気的に直列に接続され、各前記電流制限要素は、少なくとも１個の非超伝導素子と電気的に並列に接続された少なくとも１個の非誘導的に配置され超伝導素子を有するマトリクス型超伝導障害電流制限器。
2. 棒、バー、管、２本巻きのソレノイドコイル、または他の無誘導型の形態の超伝導素子を有する、請求項１記載の障害電流制限器。
3. 前記非超伝導素子は電気的に導電性の材料で作られたコイルであり、かつ螺旋状に巻かれたソレノイドコイル、レーストラックコイル、または鞍型コイルの形態で配置されている、請求項２記載の障害電流制限器。
4. 各トリガー要素中にある非超伝導素子の数は「１＋ｍ」個であり、各非超伝動素子は前記トリガー要素の前記超伝導素子、および前記電流制限マトリクスの前記電流制限要素中の同じ行番号ｎを持つｍ個の前記超伝導素子のまわりに物理的に巻かれている、請求項３記載の障害電流制限器。
5. １個の非超伝導の誘導性または抵抗性の素子が前記電流制限マトリクス部全体と電気的に並列に接続され、かつ前記電流制限要素中の前記超伝導素子と電気的に並列に接続された付加的な非超伝導素子を有し、または有さない、請求項３記載の障害電流制限器。
6. 前記装置の一部は、金属または非金属のクライオスタット内に配置され、液体、ガス、または２相冷却剤によって、または冷凍機またはその両者の組み合わせによって冷却される、請求項３記載の障害電流制限器。
7. ｎは１よりも大きい、請求項１記載の障害電流制限器。
8. ｍは１よりも大きい、請求項１記載の障害電流制限器。
9. 超伝導および非超伝導の電気的に導電性の材料を組み込まれている障害電流制限装置であって、トリガーマトリクス部と電流制限マトリクス部を有し、
   前記両マトリクス中の行の数「ｎ」は、両マトリクス中の行数で除算された最大正常動作電流レベルが、障害電流制限器マトリクス中で使用されるそれぞれの超伝導素子の臨界電流レベルを越えないように、前記最大正常動作電流レベルによって主として決定され、
   前記電流制限マトリクス中の列「ｍ」の数は、前記トリガーマトリクス部のインピーダンスの合計と、超伝導素子がその非超伝導抵抗状態に遷移した後の前記電流制限マトリクス部のインピーダンスの合計との和が、それが接続される特定の電気回路網の最小電流制限インピーダンス要件以上であるように、前記特定の電気回路網の電流制限インピーダンス要件によって主として決定される障害電流制限装置。
10. 正常動作条件下においては、電流は、前記障害電流制限装置内の非誘導的に配置された前記超伝導素子だけを通過し、したがって、超伝導材料のゼロ電気抵抗性により装置両端に電圧降下またはＩ²Ｒ損失を生成せず、障害が生じた場合には、電気回路網中のサージ電流は前記超伝導素子の臨界電流レベルを越えて、超伝導状態から通常の抵抗状態への遷移を引き起こし、それによって、トリガーマトリクス要素中の前記超伝導素子と前記誘導子グループの間、および電流制限マトリクス要素中の前記超伝導素子と前記誘導子の間に電流共有機構を生成し、かつ前記装置中に前記超伝導素子の臨界磁界レベルを越える磁界を生成して、超伝導素子が超伝導状態から通常の抵抗状態へ遷移することをさらに促進する、請求項９記載の障害電流制限装置。

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