JP2006504254A - 超伝導限流装置 - Google Patents

Abstract

磁芯（５０）から分岐する少なくとも第一および第二のアーム（３１、３２）と相互接続している前記磁芯を含む、相互接続した高透磁率構造と、前記磁芯を囲んで前記磁芯にバイアスをかける超伝導コイル（３３、３４）と、前記第一のアームを囲んで交流電源と相互接続している第一の交流コイル（３６、３７）と、前記第二のアームを囲んで交流負荷と相互接続している第二の交流コイル（３８、３９）とを含む超伝導限流装置であって、前記第一および第二の交流コイルが、前記磁芯と磁気的に接続されていて、前記負荷に故障が生じたならば前記限流装置を通過する電流を制限すべく動作する超伝導限流装置（３０）である。

Description

本発明は、超伝導限流装置の分野に関し、特に、分割または一体リム磁芯のいずれかまたは両方の組み合わせを利用して小型化設計された高温超伝導（ＨＴＳ）限流装置（ＦＣＬ）を開示する。

高温超伝導体の発見は、それを利用する各種の用途の発展につながっている。超伝導体は、臨界温度Ｔ_c未満で直流（ＤＣ）抵抗がゼロである特性を有することが知られている。これらはまた、臨界電流Ｉ_cおよび臨界磁場Ｂ_c未満で直流抵抗がゼロである。

ＨＴＳの潜在的な利用法の一つにＦＣＬがある。ＨＴＳは、さまざま仕方でＦＣＬに利用することができ、故障電流の制限にＨＴＳを利用することは、電力網に絶えず存在する短絡の脅威に対する巧妙な解決策である。

ＦＣＬの設計にＨＴＳを組み込むいくつかの異なる方法がある。図１に、直流飽和ＨＴＳＦＣＬの公知な方式による断面図を模式的に示す。図１の構成は、２個の別々の閉じた鉄芯２、３を利用する。各々の磁芯（コア）は、別々の直流ＨＴＳコイル巻き線を有し、第一の巻き線は断面部分５、６を含み、第二の巻き線は断面部分７、８を含んでいる。直流ＨＴＳコイル巻き線の各々はＮ回のターンを含む。

同様に、断面部分１０、１１を有する第一の巻き線、および部分１２、１３を有する第二の巻き線を含む２組の交流（ＡＣ）接続巻き線が提供されており、各々の巻き線がｎ回のターンを有する。

鉄芯構造の各々は、所与の高さｈおよび所与の幅ｗを有する。動作中、各々の磁芯は逆向きの所定磁束密度値φ_dcに飽和しており、逆の向きを標準のドット表記１６、１７により示している。直流電流は正サイクルの飽和磁芯５、６のページ１６から流れ出て、負サイクルの飽和磁芯７、８のページ１７内へ流れ込む。磁芯の直流磁化曲線上のこれらの位置は、各々±Ｂ_dおよび±Ｈ_dcで表わされる。

各ＨＴＳ直流コイル５、６および７、８の必要とされるアンペアターンは、

で与えられる。ここに、Ｎは直流ターン数、ＩはＨＴＳコイル励起直流電流、ｗは図１の用紙の平面内における実効的な磁芯構造の幅、ｈは図１の用紙の平面内における実効的な磁芯構造の高さ、およびＨ_dcは磁芯飽和の設計値である。

交流巻き線１０、１１および１２、１３は次いで、各交流コイルからの微分透磁率μ_diffが、各巻き線の磁芯の磁化方向に逆向きであるように構成される。変数μ_diffは次式により定義される。

ここに、ΔＢおよびΔＨはそれぞれ、直流バイアス点±Ｂ_dcおよび±Ｈ_dcにおける微小なヒステリシスループの最大範囲である。

さらに、相対微分透磁率は次式により定義される。

参考までに、直流コイルに配置された鉄芯の磁気抵抗は、

であり、ここにＲは磁気リラクタンス[Ｈ^-l]、Ｂは磁場[Ｔ]、Ａは鉄芯の断面積（絶縁または消磁領域を一切含まない）[ｍ²]、μは鉄芯の磁気透磁率[Ｈｍ^-1]、ｌは各々の芯の磁気長であって２ｗ＋２ｈ[ｍ] にほぼ等しく、Ｈは磁気誘導（Ｎｌ／ｌ）[Ａｍ^-1]である。

磁芯が直列であるネットワーク線に示される定常状態交流インピーダンスは、フェーザ表記で次式のように表わされる。

ここに、Ｒは交流コイルの抵抗、ｆは動作周波数（すなわち５０Ｈｚ）、ｉは−１の平方根（虚数）、ｎは交流巻き線のターン数である。Ｒは通常、インピーダンスの虚数部分に比べて無視できる程度である。有効ＨＴＳＦＣＬの場合、磁芯の通常の動作インダクタンスは、線の不要な調整または電流に対するインピーダンスを一切生じない程度に小さくなければならない。これは通常、Ｂ_dcが１．５Ｔを上回ることを保証することにより達成される、それにより、ｕ_rdiffが約２であることが保証され、従って装置が空芯インダクタとして有効に機能する。

動作時において、直流場は、ネットワーク・インピーダンスおよびサージ特性により決定される、ピーク値がＩ_fである振動故障電流が、微分透磁率を最大直流値のそれまで増大させるように選択されている。磁芯の大きさ、直流電流、および直流ターンは、故障レベルおよび鉄の透磁率に基づいて次式のように計算できる。

および

ここに、ｎは交流ターン数、ｌは磁気回路の長さ、Ｈ_dcは鉄芯が最大値μ_diffを有する直流磁場強度、Ｈ_dc(sat)は芯を飽和させるのに必要な磁場強度、Ｉ_f(max)はＨＴＳＦＣＬによる制限が求められる最大故障電流、Ｉ_f(min)はＨＴＳＦＣＬによる制限が求められる最小故障電流である。

故障電流の振動特性に起因して、図１に示す２個の別々の磁芯２０、２１は通常、故障電流が本来振動的であるため、交流巻き線への交流コイル電流に対する異なる感度を与えることが求められ、各サイクルの正／負部分の両方を制限することを求められる。この概念を用いて、三相ＨＴＳＦＣＬは６個の飽和磁芯を必要とし、その結果、低温を発生する６本の別々のＨＴＳ直流巻き線が必要となる。このように多数のＨＴＳ直流巻き線は、装置全体のコストを相当に増大させる。

本発明の目的は、超伝導ＦＣＬ設計の改良された方式を提供することである。

本発明の更なる態様に従い、中央磁芯から分岐する少なくとも第一および第二のアームと相互接続している当該中央磁芯を含む相互接続した高透磁率構造と、中央磁芯を囲んで当該中央磁芯にバイアスをかける超伝導コイルと、第一のアームを囲んで交流電源と相互接続している第一の交流コイルと、第二のアームを囲んで交流負荷と相互接続している第二の交流コイルとを含む超伝導限流装置であって、第一および第二の交流コイルが、当該中央磁芯と磁気的に接続されていて、当該負荷に故障が生じたならば当該限流装置を通過する電流を制限すべく動作する超伝導限流装置を提供する。

好適には、第一および第二のアームは実質的に、中央磁芯の第一および第二の終端を相互接続するループを形成する。一実施形態において、各々のループは、ループの一部分を第二の部分から切り離すエアギャップを含んでいてよい。高透磁率構造は、鉄材料から形成することができる。好適には、磁芯を形成している高透磁率材料の断面幅は、アームを形成している高透磁率材料の断面幅のほぼ２倍である。

本発明の第一の態様に従い、高透磁率材料により形成された中央磁芯と、中央磁芯を囲んで当該中央磁芯にバイアスをかける超電導コイルと、交流電源と相互接続している交流コイルとを含み、中央磁芯と磁気的に接続されている超伝導限流装置であって、当該負荷に故障が生じたならば、当該限流装置を通過する電流を制限すべく動作する超伝導限流装置を提供する。

本発明の更なる態様に従い、高透磁率材料により形成された中央磁芯と、中央磁芯を囲んで当該中央磁芯にバイアスをかける超電導コイルと、各々が交流電源の相と相互接続している第一の一連の交流相コイルと、少なくとも１個の交流負荷の相と相互接続している第二の一連の交流コイルとを含む多相超伝導限流装置であって、第一および第二の一連の交流コイルが当該中央磁芯と磁気的に接続されていて、当該負荷に故障が生じたならば、当該限流装置を通過する電流を制限すべく動作する多相超伝導限流装置を提供する。

本発明の更なる態様に従い、第一の超伝導限流装置が過渡故障の第一の部分を限流すべく設計されていて、第二の超伝導限流装置が過渡故障の第二の部分を限流すべく設計されている、少なくとも第一および第二の超伝導限流装置を含む多段超伝導限流装置を提供する。

添付の図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態をここに記述するが、これらは一例に過ぎない。

好適な実施形態において、小型のＨＴＳＦＣＬ構造に関する方法を開示する。単相および三相構成を開示する。

始めに図２を参照するに、分割磁芯単相ＨＴＳＦＣＬ用の初期設計構成３０の断面図を模式的に示している。装置３０は、底面積を大幅に縮小できるように要素３１、３２を備えた分割磁芯（スプリットコア）を含む。装置３０において、直流飽和磁芯巻き線が内部に配置されている３３。交流接続巻き線もまた、一対３６、３８として提供されている。電流の搬送方向は、標準のドット表記４０、４１、４２、および４３で示すとおりである。交流の入力はポート４５で、交流の出力はポート４６で生じるものと仮定する。

装置３０の設計および、特に磁芯５０の寸法は一定の規則に従っている。当該設計は直流電流と、求められる飽和レベルとの間で調整したものである。一例において、中央リム５０は、断面積が外側リムの２倍であるように設計されている。制限すべき故障レベルに応じて、中央リムの最適面積は、外側リム面積の１〜２倍の範囲の値である。通常、以下の式を用いることができる。

および
Ｂ₁Ａ₁ ＝ Ｂ₂Ａ₂ ＋ Ｂ₃Ａ₃ （８）
ここに、Ｂは各リム[Ｔ]の磁束密度、Ａは各リムの断面積[ｍ²]、Φは各リムの磁束[Ｗｂ]である。設計の一例において、Ｂ₂＝Ｂ₃かつＡ₂＝Ａ₃が成り立つ。

交流コイル３６、３９は、図２のドット表記４０、４３に示すように、各コイルの磁束密度が主な直流磁束に関して逆向きであるように交流線に接続されている。中央リムは、独立な正味磁束Φ２、Φ３が各外側リムにおいて設定可能にすべく分割リムである。これにより、Ｂ₂、Ｂ₃の設計強度に応じて、外側リムの正味断面積が異なることになる。

本装置が以下を含む多くの利点を有することに留意されたい。
１．直流巻き線を１個しか必要とせず３３、３４、従って直流コイルのコストが節約できる。
２．直流コイル用の格納容器を１個しか必要とせず、従って装置のコストが節約できる。
３．底面積が縮小され、設置時の利点となる。
４．直流コイルバイアスに要する超伝導体の体積が減少できる。
５．直流コイルの冷却装置を１台しか必要としない。
直流コイルに必要な新たなターン数の関係は、次式の通りである

ここに、Ｎ’は直流コイルのターン数、Ｉ’_dcは直流コイル内の電流、Ｗ’は３リム磁芯の全幅、およびｈ”は３リム磁芯の全高である。

分割リムは一般に、変圧器メーカーが製造、販売している。例えば、磁芯の寸法が大きく、磁芯を効果的に冷却するために油冷却ダクトが必要となる場合に、あるいは、５リム磁芯の場合、磁芯内のコーナー損失を防ぐために中央リムが２分割されている。

三相の場合に対する図２の構成を拡張する一方式を図３に模式的に示す。図３は、三相磁芯の構成およびコイルの上面図を示す。各入力相Ａ、Ｂ、Ｃ６１〜６３は対応する出力相Ａ’、Ｂ’、Ｃ’６４〜６６を有する。これらの相は中央磁芯７０の周囲に配置されていて、中央磁心７０は直流ＨＴＳコイル７１および分割磁芯７２を含んでいる。鉄芯の断面、例えば７５を模式的に図３に、便宜的に正方形で示すが、円形の断面に近似すべく十字形であってもよい。図３は、ある特定の構成を示し、決して唯一の構成ではない。必要ならば、相間に充分な空間がある前提で、６個の下位コイル６１〜６６を互いの近傍に配置して、より狭い構成を形成することができる。

式７、８は、重ね合せの原理により、各相セクションにおいて三相のケースにも当てはまる。図３に示す三相ＦＣＬ設計の利点には以下が含まれる。
１．直流ＨＴＳ磁芯７１には低温システムおよび筐体が一つしか必要でない。
これにより巨大な冷却装置が使用できるため冷却損失が抑えられる。
（冷却効率は通常、低温冷却設備の規模に応じて向上する）。
２．図３の構成では底面積が減少している。
３ 装置６０では、直流バイアスコイル内の超伝導体の体積が小さくて済む。

許された底面積に応じて、長方形に構成された分割磁芯および相コイルの別の構成も可能である。例えば図４に、単純な磁芯構造が利用できるように直線寸法のうち一つを縮小すべく用いられたレーストラックＨＴＳコイルを模式的に示す。図４に示す構成において、２個のコイルが、各々により生じた個々の磁束がもう一方により生じたものと逆向きであるように接続されている。これらのコイルは、直流ＨＴＳレーストラックコイル８９および分割磁芯装置９０を含む中央磁芯の周囲に配置されている。

高圧（ＨＶ）ＦＣＬ設計において、磁芯の適切な構成は図５に示すようなものであってよい。この設計は、個々の相間の絶縁間隔を最大化する。装置１００において、３個の相１０１、１０２、および１０３が提供されている。これらは直流ＨＴＳコイル１０４の周囲に配置されて、直流ＨＴＳコイル１０４は低温保持装置１０５に浸されている。また、鉄芯レッグ要素、例えば１０８も低温保持装置に浸されている。

開示された構成に対して他の多くの改良を加えることができる。例えば、図１の磁芯３１、３２は分割磁芯である必要はない。三相構成において、分割中央磁芯は３相から交流磁束を切り離し、また逆向きの２方向を互いから切り離し、単一の直流コイルが６個の磁芯の全てを飽和させることができるようにする。１つの相での故障は、他のどの磁芯経路のインピーダンスにも影響を及ぼすことなく、磁芯の当該部分だけを不飽和にする。しかし、代替的に、中央磁芯は、全く分割される必要がなく、また限流特性を一切劣化させることなくソリッドコアとして製造されてもよい。例えば、相間故障あるいは相−接地間故障の場合である。

好適には、鉄芯は、通常の変圧器磁芯の場合と同様に、薄い絶縁コーティングにより互いに電気的に絶縁されている低温圧延シリコン鋼変圧器板の薄いラミネーションで構成されている。高増分透磁率領域および低増分透磁率領域の特性を示すのであれば、非晶質磁芯、フェライト磁芯、および１．５Ｔを超える磁束密度で磁気的に飽和することが可能な他の任意の低損失材料が適している。

更に、鉄芯は、ＦＣＬの大きさが縮小できるようにエアギャップを含んでいてよい。鉄芯の磁気長さは、磁芯にバイアスをかけるために必要な超伝導体の量を決定する。鉄芯にエアギャップを含めることで設計者にさらに自由度を与え、必要な超伝導体の数量を減らすことができる。エアギャップは、直流状態で磁芯にバイアスをかけるために必要な鉄の直線寸法を最小化し、従ってより小型かつ軽量の装置を提供する。

更に、代替的な設計では、複数のＦＣＬ装置を用いて、過渡故障に対処することができる。通常、故障電流は、定格電流のピークの数倍もある初期ピークが波周期の前半に来る初期過渡状態からなる。この過渡状態は比較的短い時間の後に減衰するが、回路ブレーカーは初期ピークに対処するようにされなければならない。故障電流はまた、減衰している直流オフセット、および定常状態応答を含んでいる。これら三要素の各々は、ネットワーク特性または保護されている対象に依存する大きさを有する。過渡応答および直流オフセットは、ネットワークのインピーダンスおよび抵抗により決定される時間の後に減衰する。ここで図６を参照するに、複数のＦＣＬ装置１１０の一方式を再び模式的に示している。この構成において、２個のＦＣＬ装置１１１、１１２がジェネレータ１１４と負荷の直列な組１１５の間に配置されている。直列な２個の限流装置を用いて、故障電流の過渡および直流部分と、故障電流の定常状態の部分を独立に扱うことができる。ネットワーク特性として、故障電流の減衰直流成分が顕著かつ過渡ピークと大きさが類似している場合、故障電流のこの部分を制限すべく特別に設計された第三のＦＣＬを用いてもよい。故障電流波形の異なる部分は、より低い定格の回路遮断器が選択されることを可能にするように、または、サブステーションが並列接続されて単一の「ソリッド」バスバーを介して電流を負荷へ供給する複数の変圧器と共に動作することを可能にするように、ＦＣＬ制限されることができる。ＦＣＬ装置１１１、１１２の各々をカスタマイズして入力波形の異なる部分を扱うことができる。例えば、ＦＣＬ１は初期ピーク過渡および直流部分を扱うことができ、ＦＣＬ２は故障電流の定常状態成分を扱うことができる。過渡現象の異なる部分に対して別々のＦＣＬ装置を用いることにより、単一のより大きいＦＣＬを用いる必要がない。波形のあらゆる部分を扱うために単一のＦＣＬを製造することは可能であるが、この種のＦＣＬは不必要に大きく、許容不可能に高い超伝導体を有し、そのため２個のより小さい独立ＦＣＬよりも高価になってしまう。

単相または三相の全体限流装置は従って、上述の方法の任意のものを用いて、電気的に直列接続されていて、各々に異なる仕方でＢ−Ｈ曲線上でバイアスがかけられて故障波形の異なる部分を扱う、直流バイアスがかけられた２個のＦＣＬ１１１、１１２から構成することができる。これにより、故障電流波形の過渡および定常状態部分の制限が可能になる。一般に、波形の過渡部分を扱う必要があるＦＣＬは、銅線接続および超伝導アンペアターンがなるべく少ない、より大きな磁芯面積を必要とする。波形の定常状態部分は、鉄断面積が大幅に減少しながら、より多くの接続ターン数を持つＦＣＬを要求する。波形全体を扱うことができる、単一のバイアスがかけられたＦＣＬは、波形の各部分を扱うように設計されている、より小さい２個のものより大きい。これは、超伝導体ターンが鉄芯を囲まなければならないためであり、従って磁芯が大きいほどより多くの超伝導材料を必要とする。１個の装置で波形の両方の部分を制限しようとすれば、超伝導体の長さが無用に増大する。

ＨＴＳコイルの冷却に液体窒素を使用する際に、超電導コイルの可能な動作温度範囲は６３〜７７Ｋであってよいが、超伝導の臨界温度を超えない限り、超電導コイルの動作温度に制限はない。コイルの冷却に用いる方法は、可能な要件に応じて変更することができる。異なる代替方式として、液体寒剤、例えば窒素への浸漬、気体雰囲気、例えば５〜７７Ｋのヘリウムガスまたは３０〜７７Ｋのネオンへの浸漬、あるいは極低温冷凍器を用いた伝導冷却が含まれる。

更に、ＨＴＳが省かれる場合も当該装置が動作可能であることは、超伝導限流装置の製造に精通する者に明らかである。そのような装置は巨大になりがちであるが、動作原理は同じである。従って、直流コイルは、低温超伝導体または銅線コイルからでも形成できる。

上述の説明は、本発明の好適な実施形態について述べたものである。本発明の範囲から逸脱することなく、当業者には明らかな変更を加えることが可能である。

背景技術について開示されている限流装置を示す模式図である。 好適な実施形態による限流装置の構成の断面図を示す模式図である。 図２の構成を多相に拡張して示す図である。 三相限流装置の代替的構成を示す図である。 高圧限流装置を示す図である。 複数の限流装置を用いて限流装置全体を形成するプロセスを示す図である。

Claims (14)

1. 中央磁芯から分岐する少なくとも第一および第二のアームと相互接続している前記中央磁芯を含む、相互接続した高透磁率構造と、
   前記中央磁芯を囲んで前記中央磁芯にバイアスをかける超伝導コイルと、
   前記第一のアームを囲んで交流電源と相互接続している第一の交流コイルと、
   前記第二のアームを囲んで交流負荷と相互接続している第二の交流コイルと、
   を含む超伝導限流装置であって、
   前記第一および第二の交流コイルが、前記中央磁芯と磁気的に接続されていて、前記負荷に故障状態が生じると、当該限流装置を通過する電流を制限するように動作する超伝導限流装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、
   前記第一および第二のアームの各々が、実質的に、前記中央磁芯の第一および第二の終端を相互接続するループを形成する、装置。
3. 請求項２に記載の装置であって、
   前記ループの各々が、前記ループの一部分を第二の部分から分離するエアギャップを含む、装置。
4. 請求項１に記載の装置であって、
   前記高透磁率構造が、鉄材料から形成されている、装置。
5. 請求項１に記載の装置であって、
   前記磁芯を形成している高透磁率材料の断面幅が、前記アームを形成している高透磁率材料の断面幅のほぼ２倍である、装置。
6. 高透磁率材料により形成された中央磁芯と、
   前記中央磁芯を囲んで前記中央磁芯にバイアスをかける超電導コイルと、
   各々が交流電源の相と相互接続している第一の一連の交流相コイルと、
   少なくとも１つの交流負荷の相と相互接続している第二の一連の交流コイルと、
   を含む多相超伝導限流装置であって、
   前記第一および第二の一連の交流コイルが前記中央磁芯と磁気的に接続されていて、前記電源または負荷に故障状態が生じると、当該限流装置を通過する電流を制限するように動作する多相超伝導限流装置。
7. 少なくとも第１および第２の超伝導限流装置を含む多段超伝導限流装置であって、
   前記第一の超伝導限流装置が、過渡故障の第一の部分を限流するように設計されていて、
   前記第二の超伝導限流装置が、過渡故障の第二の部分を限流するように設計されている、多段超伝導限流装置。
8. 請求項７に記載の装置であって、
   前記第一の部分が前記過渡故障の初期部分を含み、前記第二の部分が前記過渡故障の定常状態部分を含む、装置。
9. 実質的に添付図面中の図２を参照しつつ以下に説明される超伝導限流装置。
10. 実質的に添付図面中の図３〜図５のいずれかを参照しつつ以下に説明される多相超伝導限流装置。
11. 実質的に添付図面中の図６を参照しつつ以下に説明される多段超伝導限流装置。
12. １個の低温保持装置、１個の極低温クーラー、および１個の超電導コイルだけを必要とする多相超伝導限流装置。
13. 前記鉄芯にエアギャップを含む、直流飽和超伝導限流装置。
14. 複数の鉄芯を有し、少なくとも１個が前記鉄芯内にエアギャップを含み、少なくとも１個が連続鉄芯を有する、一連の多相直流飽和超伝導限流装置。
    
    

Images