JP2008109832A - 一体型高速スイッチモジュールを備えた半波非限流型超電導限流器 - Google Patents

Abstract

【課題】一体型高速スイッチモジュールを備えた半波非限流型の超電導限流器を提供する。
【解決手段】超電導素子を最小限に配置した、超電導素子（310）、一体型の高速スイッチモジュール（320）及び限流負荷（330）をハイブリッド方式で回路を構成した超電導限流器で、正常電流時は超電導素子（310）の固有特性を用いて電力供給源（300）から供給する電力を損失なしで系統（350）に供給し、落雷、地絡、短絡などの事故によって過電流が発生する場合は駆動コイル（322）により互に一体に連動する高速スイッチング接点（324）とアーク切換スイッチ（326）により事故電流の半周期以後に過電流を制限することにより、電力系統上の遮断器などの電力機器が正常に動作できるようにする。
【選択図】図３

Description

本発明は高速スイッチモジュールを備えた半波非限流型超電導限流器に関する。

電力系統では落雷、地絡、短絡などの事故時に発生するある閾値以上の過電流が系統に流れないように限流器及び遮断器などを適用する。

限流器の中で、超電導素子を用いた超電導の限流器(Fault Current Limiters:FCLs)は電力供給源から供給される電力を、超電導素子の固有特性によって損失の発生なしに系統に供給し、落雷、地絡、短絡などの事故時に発生するある閾値以上の過電流を制限する。これによりブスバー、碍子、遮断器などの電力機器に加わる機械的、熱的、電気的ストレスを制限する。

一方、遮断器は電力系統上に連結され、ある閾値以上の過電流を感知し、遮断信号を発生する過電流継電器の制御によって系統との接続を切ることによって過電流が系統に流れることを遮断する。

以下、添付した図面に基づき超電導限流器について詳述する。

図１は超電導限流器の電力容量による超電導素子の接続を示す図であり、図２は図１の一部分を詳細に示した図である。

図１を参照すれば、落雷、地絡、短絡などの事故によるある閾値以上の過電流の発生時に各列の直列接続に該当する超電導素子の同時クエンチを誘導するために磁場を発生させて伝達するトリガマトリックス(trigger matrix)１００Ａと、落雷、地絡、短絡などの事故による上記の閾値以上の過電流を制限する限流マトリックス(current-limiting matrix)１００Ｂとからなる。

トリガマトリックス１００Ａは、図２に示したように、超電導素子ＲＲ１とこの超電導素子ＲＲ１を取り囲んだコイルＬＬ１が一つのトリガマトリックス素子(Trigger matrix element)１１０-１を構成したものからなり、電力系統で必要な電流容量によりｎ個のトリガマトリックス素子１１０-１〜１１０-ｎで構成される。

限流マトリックス１００Ｂは、図２に示したように、超電導素子ＲＲ１とこの超電導素子ＲＲ１を取り囲んだコイルＬＬ１、及びこの超電導素子ＲＲ１と超電導素子ＲＲ１を取り囲んだコイルＬＬ１と並列に接続されるコイルＬ１１が一つの限流マトリックス素子(Current-limiting matrix element)１１４-１を構成して、トリガマトリックス素子１１０-１と接続されるｎ個の限流マトリックス素子１１４-１〜１１４-ｎで構成される。また、限流マトリックス１００Ｂは、前記ｎ個の並列に接続された限流マトリックス素子１１４-１〜１１４-ｎが限流モジュール(Current-limiting Module１１２-１)を構成したものからなり、電力系統で必要な電圧耐量によりｍ個の限流モジュール(Module１１２-１〜１１２-ｍ)が直列に接続される。

従って、電力系統で適用される超電導限流器は、電力系統で必要な電流容量によってｎ個のトリガマトリックス素子１１０-１〜１１０-ｎとこのｎ個のトリガマトリックス素子１１０-１〜１１０-ｎに対応するｎ個の限流マトリックス素子１１４-１〜１１４-ｎが接続されて構成され、前記ｎ個の限流マトリックス素子１１４-１〜１１４-ｎが一つの限流モジュール(Module１１２-１)を構成して、電力系統で必要な電圧耐量によってｍ個の限流モジュール(Module１１２-１〜１１２-ｍ)が直列に接続されて構成される。すなわち、電力系統で必要な電力容量によりトリガマトリックス素子及び限流マトリックス素子に備えられる超電導素子は直列及び並列に接続される。

図１の一部分を詳細に示した図２を参照すれば、電力供給源１００から電力が供給される電力線に超電導素子ＲＲ１と超電導素子ＲＲ１を取り囲んだコイルＬＬ１のトリガマトリックス素子１１０-１が接続される。超電導素子Ｒ１１、超電導素子Ｒ１１を取り囲んだコイルＬＬ１１、及びこの超電導素子Ｒ１１、超電導素子Ｒ１１を取り囲んだコイルＬＬ１１と並列に接続されたコイルＬ１１が限流マトリックス素子１１４-１になり、必要な電圧耐量によってｍ個の限流マトリックス素子１１４-１が直列に接続される。電力系統で必要な電流容量によりトリガマトリックス素子１１０-１及びｍ個の限流マトリックス素子１１４-１が並列に接続されマトリックス構造を形成する。

図２を参照して動作を説明すれば、正常電流が流れる場合は超電導素子(ＲＲ１、Ｒ１１、Ｒ２１、…Ｒｍ１)は電力供給源から供給する電力を損失なしで系統に供給する。正常電流時にはそれぞれの超電導素子を取り囲んだコイル(ＬＬ１、ＬＬ１１、ＬＬ２１、…ＬＬｍ１)で生ずるインダクタンス成分が互いに相殺される。

一方、落雷、地絡、短絡などの事故によりある閾値以上の過電流が発生する場合、超電導素子ＲＲ１は常電導状態にクエンチされて高い抵抗値を発生する。

前記の発生した抵抗値により超電導素子ＲＲ１を取り囲んだコイルＬＬ１に過電流が流れて磁場が発生するが、この磁場は、同時に直列に接続されているコイルＬＬ１１〜ＬＬｍ１に印加される。前記磁場により超電導素子Ｒ１１〜Ｒｍ１はクエンチされ、従って高い抵抗値を発生して、それぞれの超電導素子Ｒ１１〜Ｒｍ１と並列に接続されたコイルL１１〜Ｌｍ１に過電流を分流させる。これにより超電導素子Ｒ１１〜Ｒｍ１が過電流により破壊されず、コイルＬ１１〜Ｌｍ１が有するインピーダンス値により過電流は制限されることにより系統１５０に過電流が流れるのを遮断するようになる。

前述したように動作するためにはそれぞれの超電導素子が同じ特性を有するように作製されるべきであり、それぞれの超電導素子は容器内に液体窒素などの冷媒で取り囲まれて冷却されるべきである。

前述したように超電導限流器はある閾値以上の過電流またはある閾値以上の温度によって常伝導状態に遷移して高い抵抗を発生して過電流を制限し、冷却装置を備えて超電導状態になる温度に冷却することにより超電導素子が再び超電導状態に復帰できるようにする。

しかしながら、超電導限流器の超電導素子は単位長さ当たり受容可能な電力容量が小さくて電力系統に適用するためには数多くの超電導素子の直列及び並列接続を必要とし、高圧系統であるほど幾何級数的に超電導素子の直列及び並列接続が増加するようになる。この場合超電導素子の直列及び並列接続による接続ポイントの増加は超電導限流器の不安定を引き起こし、これは安定的な電力が系統に供給されることを妨害する。また、超電導素子の製造工程上の不良や特性差によって超電導限流器が動作しない場合があり、超電導限流器の故障時故障の原因が把握し難くなる。また、超電導素子の直列及び並列接続のための製作費用及び製作技術、超電導素子の超電導状態を保つための冷却費用及び冷却技術によって実際の電力系統に適用し難い。

また、常電導状態から超電導状態に復帰するのに相当な時間がかかるため、現在一般的な電力系統から求められる１秒以内再閉路条件を満たしがたい。

遮断器は過電流継電器の制御によってある閾値以上の過電流の遮断のために所要時間が３〜５周期ほどかかる一方、超電導限流器は超電導素子の固有特性によってある閾値以上の過電流を感知してからすぐその過電流を制限する。これにより超電導限流器が一定値以上の過電流を制限する場合は過電流継電器が正常に作動できなくて系統との接続を遮断する遮断器を制御できなくなる。

本発明は前述した従来の技術の問題点を解決するために案出されたもので、その目的は超電導素子を用いた限流器が短絡事故時に超電導限流器と系統保護機器との協調を円滑にするため、１/２周期間中は完全に短絡電流を制限せず１/２周期後から短絡電流を制限する半波非限流方式を提供することにより、遮断器(CIRCUIT BREAKER)などの系統保護継電要素との相互連携が円滑になされるようにするところにあるが、それは事故電流発生後最初の１/２周期内に事故電流の波高値に達する前に限流する限流器に比べて１/２周期の事故電流を許容する不利な側面があるものの、電力系統の保護継電要素と連携して使用する場合は１/２周期間は事故電流を制限しないことが望ましいからである。

本発明の他の目的は、超電導素子を用いて限流器を構成するにおいて超電導素子を囲んだ周辺の多数のスイッチング素子を一つのメカニズムによって一体型で同時に動作するモジュールで構成することにより、全体構成的な面から超電導素子と高速スイッチモジュール、及び限流負荷の３つの構成要素のみを有する超電導限流器を提供し、よって超電導素子の使用量の低減及び冷却費用の削減による費用節減が図れる超電導限流器を提供するところにある。

本発明のさらに他の目的は、既存の電力系統上で適用されていた保護機器との相互作用及び再閉路問題への対処が可能な超電導限流器を提供するところにあり、ひいては超高圧、大電流容量を受容する電力系統で使用可能な超電導限流器を提供して長期的に信頼性を確保できる超電導限流器を提供するところにある。

前述した目的を達成するための本発明に係る半波非限流型超電導限流器は、電源供給経路上の超電導素子と並列に接続される分流経路上に配されるコイルであって、前記超電導素子のクエンチにより分流された過電流が流れる時それに電磁反発力を発生させて連動手段に前記電磁反発力を印加する駆動コイルと、前記駆動コイルと系統との間に直列に接続され、前記分流経路上の後段に位置する高速スイッチング接点であって、前記連動手段に一体に軸着されそのスイッチの接触した接点が前記連動手段に印加された電磁反発力により離れる高速スイッチング接点と、前記駆動コイルと並列に接続されて限流経路上に配設されるアーク切換スイッチであって、前記連動手段にそのスイッチの一方側が一体に軸着し、前記高速スイッチング接点の移動方向で反対方向に連動して、前記高速スイッチング接点が予め設定された間隔だけ離れる時接点が接して前記過電流を後段に直列に接続された限流負荷に通流させるアーク切換スイッチと、からなる一体型高速スイッチモジュールを含んで構成される。

このような一体型高速スイッチモジュールは機械的には少なくとも一つ以上の複数個を順次に連続配置でき、特に高速スイッチング接点は順次に少なくとも一つ以上連続的に配置でき、望ましくは前記高速スイッチング接点が複数個配される場合、駆動コイルも一つ以上の分流経路上に配置され得る。

以下に述べるように、本発明の半波非限流型超電導限流器は、超電導素子、一体型高速スイッチモジュール及び限流負荷などをハイブリッド方式で構成して、落雷、地絡、短絡などの事故によってある閾値以上の過電流が発生する場合に過電流を半周期以後から制限することにより系統上で電力機器と協調可能なようにする。また、最小の超電導素子を使用することができて製作及び冷却費用が節減され、製作及び冷却技術が容易になる効果がある。これにより、安定的かつ信頼性の高い半波非限流型超電導限流器が具現され、安定的な電力が系統に供給される効果がある。また、既存の検証され適用されてきた限流負荷及び電力機器を使用することによりメンテナンスが容易になる効果がある。

また、大電力系統上にも超電導素子を必要な電流容量によって並列に接続し、遮断器などの電力機器を必要な電圧耐量に合わせて使用することにより本発明を適用できる効果がある。

以下、添付した図面に基づき本発明に係る一体型高速スイッチモジュールを備えた半波非限流型の超電導限流器を説明する。但し、本発明を説明するにおいて、関連した公知の機能あるいは構成に対する具体的な説明が不必要に詳細になり本発明の要旨を不明にする恐れがあると判断される場合、それに対する詳細な説明は省く。

図３は本発明の一実施例による一体型高速スイッチモジュール３２０を備えた半波非限流型超電導限流器を示す図であり、図４は図３において超電導素子の接続を示す図であり、図５は図３の一体型高速スイッチモジュールの動作を詳細に示す図であり、図６は図３を応用した図である。

図３を参照すれば、電力供給源３００から供給される電力の伝達特性を最適化するため所定のインピーダンス値を有する電力線に超電導素子(ＳＣ)３１０が直列に接続される。

超電導素子３１０の後段には点線で示して一つの一体型であることを示す一体型高速スイッチモジュール３２０と、限流負荷(ＣＬＬ)３３０、回路遮断器(ＣＢ)３４０などが接続される。

一体型高速スイッチモジュール３２０は回路的に超電導素子３１０のクエンチ(quench)現象が発生した時事故電流である過電流が分流されるように形成した分流経路上に前記超電導素子と並列に接続される駆動コイル３２２と、常時接点が接して前記駆動コイル３２２と系統３５０との間に直列に接続される高速スイッチング接点３２４、及び限流経路上に常時接点が離れて駆動コイル３２２の両端間に並列に接続されるアーク切換スイッチ３２６で構成され、機械的には図５で点線で示した部分のように駆動コイル３２２により移動する反発板３２８に軸３２７が延設され、この軸の両端には下側に高速スイッチング接点３２４が形成されており、上側端にはアーク切換スイッチ３２６が形成されているが、高速スイッチング接点３２４とアーク切換スイッチ３２６はスイッチのオン/オフ概念上には互いに反対状態になるように配置されており、このような一体型高速スイッチモジュール３２０の動作については、追って図５のａないし図５のｄを参照してさらに詳述する。

超電導素子３１０は臨界電流密度(Critical Current Density:Jc)、臨界磁場(Critical Magnetic Field:Hc)及び臨界温度(Critical Temperature:Tc)などの３種の臨界値以内で電気抵抗が０Ωになる超電導状態になる。

超電導素子３１０は前記超電導状態を用いて電力供給源３００から供給する電力を電力損失なしで系統３５０に供給する。

また、超電導素子３１０は、前記３種の臨界値の一つでも範囲を越えると、超電導状態から急速に常電導状態に転移して、高い抵抗値を発生するクエンチ(Quench)現象が発生する。

超電導素子３１０は、それに落雷、地絡、短絡などである閾値を越える過電流が流れる場合に、瞬間的に高い抵抗値を発生するクエンチ現象が発生して、過電流を他の経路に分流させる。本発明の超電導素子３１０は、過電流発生時に過電流を他の経路に分流させるため、電力系統で必要な電流容量によって複数個が並列に接続されて構成される。例えば、図４に示したように、複数個の超電導素子を並列に接続することができる。

超電導素子３１０は容器内で液体窒素などの冷媒で取り囲まれて冷却される。

高速スイッチモジュール３２０は、超電導素子３１０に落雷、地絡、短絡などのある閾値を越える過電流が流れる場合に、その過電流を用いて超電導素子３１０から過電流を分離し、分離された過電流を限流することができるようにする。高速スイッチモジュール３２０を図５を参照して詳述する。

図５のaに示したように、高速スイッチモジュール３２０は駆動コイル３２２、高速スイッチング接点３２４及びアーク切換スイッチ３２６を含んだ一体型である。高速スイッチモジュール３２０は常時接点が接触している高速スイッチング接点３２４の接点の分離、または常時接点が離れているアーク切換スイッチ３２６の接点の接触が真空中で行われる真空インタラプト(Vacuum Interrupter:VI)構造を有する。

高速スイッチモジュール３２０の駆動コイル３２２は超電導素子３１０と並列に接続される分流経路上に配置され、そこには超電導素子３１０が分離した過電流が流れてその過電流により電磁反発力を発生する。

高速スイッチモジュール３２０の高速スイッチング接点３２４は、前記分流経路上の後段である駆動コイル３２２と系統３５０との間に直列に接続され、常時接点が接触していて駆動コイル３２２が発生するある閾値以上の電磁反発力により接触した接点が離れてアークを発生する。

例えば、図５のｂに示したように、高速スイッチモジュール３２０の駆動コイル３２２に過電流が流れるようになる場合、渦電流が誘導されて互いに押し出す電磁反発力を発生し、臨界値以上の電磁反発力により連動手段である反発板３２８は矢印方向に動く。この反発板３２８は銅やアルミニウムのような導電率の優れた導体を使用して作製することができる。

この際、高速スイッチング接点３２４の接触した接点のうち一方の接触面が反発板３２８と連結され反発板３２８が動くと同時に接触した接点は離れ始めながらアークを発生する。高速スイッチング接点３２４は少なくとも一つ以上を順次直列に連結して使用することができる。

絶縁破壊を引き起こさずに使用できる最高の電圧を意味する絶縁耐力は、例えば図６に示したように、高速スイッチング接点３２４を順次二つ直列に連結することによって増加させることができ、これにより受容される電圧耐量が増加する。すなわち、直列に連結する高速スイッチング接点３２４の個数が多いほど受容される電圧耐量が増加する。

また、図５のｃに示したように、高速スイッチモジュール３２０のアーク切換スイッチ３２６は駆動コイル３２２と並列に接続される限流経路上に配置され、高速スイッチング接点３２４の接触した接点が徐々に離れて予め設定された間隔になる場合に離れた接点が接触する。

参考までに、限流経路の用語は超電導素子でクエンチにより分流された事故電流を限流負荷により限流するための経路を意味し、分流経路とは超電導素子でクエンチ現象により分離された事故電流が流れる経路を指す。

アーク切換スイッチ３２６の離れた接点間隔によってｃ経路が接続される時間が決定されるが、アーク切換スイッチ３２６の接点が接触すると、図３に示したように、インピーダンス成分が低いｃ経路に過電流が流れるようになる。すなわち、アーク切換スイッチ３２６の接点接触を通じて殆んどの過電流を超電導素子３１０から分離して超電導素子３１０が過電流により破壊されることを防止する。一方、アーク切換スイッチ３２４から発生したアークは維持し続け、このアークにより前記過電流が系統３５０に流れるようになる通電経路が生成される。

図５のｄに示したように、高速スイッチング接点３２４から発生したアークは電流の半周期で電流零点になる場合に消弧し、高速スイッチング接点３２４から発生したアークにより生成された通電経路も遮断される。

限流負荷３３０は抵抗、インダクタ、コンデンサなどのインピーダンス素子で構成され算定されたインピーダンス値によって過電流を制限する。前記の限流負荷(Current limit Load:ＣＬＬ)３３０は、高速スイッチング接点３２４から発生したアークが電流の半周期で電流零点になる時に消弧するとそこに過電流が流れるようになり、その過電流を制限する。

遮断器３４０はある閾値以上の過電流時に過電流継電器(図示せず)が発生する遮断信号に応じて系統３５０との接続を遮断する。前記過電流継電器(図示せず)は電力系統上に連結されて上記の閾値以上の過電流を感知し、遮断信号を発して電力機器を過電流から保護する。

系統３５０は電力供給源３００が供給する電力を使用する少なくとも一つ以上の負荷を含む。

前述したように、過電流が流入して電磁反発力を発生する駆動コイル３２２、前記電磁反発力により接触した接点が離れる高速スイッチング接点３２４及び高速スイッチング接点３２４が予め設定された間隔に離れる時に接触するアーク切換スイッチ３２６を含んだ一体型高速スイッチモジュール３２０は電力供給源３００から供給する電流の周波数に該当する半周期以内で前記動作が行われる。これは、一般的に適用される遮断器が３〜５周期内に過電流を遮断することに比べて高速であると言える。

しかしながら、高速スイッチモジュール３２０の高速スイッチング接点３２４を分流経路上の後段に配置することにより、駆動コイル３２２から発生した電磁反発力で高速スイッチング接点３２４の接触した接点が離れながらアークが発生し、この発生したアークにより過電流が系統３５０に流れる通電経路が生成される。

高速スイッチング接点３２４から発生したアーク成分は電流の半周期で電流零点になるときに消弧し、これにより前記の生成された通電経路も遮断され、全ての過電流は限流負荷３３０で限流される。

すなわち、半周期以後に過電流が限流負荷３３０で限流されるように高速スイッチモジュール３２０の高速スイッチング接点３２４を分流経路上の後段に配置したものであり、このような概念が半波非限流型と命名した最も重要な理由である。

これは電力系統上に適用される遮断器３４０のような保護機器が相互に協調して動作できるようにするための本発明の重要な目的である。

つまり、高速スイッチモジュール３２０の高速スイッチング接点３２４を分流経路上の後段に配置することによって本発明の半波非限流型超電導限流器になり得る。

図３を参照して動作を説明すれば、正常電流が流れる場合は超電導素子３１０は電力供給源３００から供給する電力を損失せずにａ経路(電源供給経路)を通ってｄ経路を通じて系統３５０に供給する。

一方、落雷、地絡、短絡などの事故によりある閾値を越える過電流が発生する場合、超電導素子３１０には高い抵抗値を発生するクエンチ(Quench)現象が発生し、発生した抵抗値により過電流は超電導素子３１０と並列に接続されたｂ経路(分流経路)の駆動コイル３２２に流れる。

駆動コイル３２２に流れる過電流により渦電流が誘導され強い電磁反発力が発生し、この電磁反発力により駆動コイル３２２と直列に接続された高速スイッチング接点３２４の接触していた接点が離れるようになる。

高速スイッチング接点３２４の接点は離れながらアークが発生し、発生したアークのアーク抵抗により過電流が所定値に制限されるが、前記アークにより通電経路が生成され過電流はｄ経路を通じて流れる。

高速スイッチング接点３２４の接点が予め設定された間隔に離れる時にアーク切換スイッチ３２６の接点が接触し、ｃ経路(限流経路)に前記過電流が流れる。

前記過電流が電流の半周期で電流零点になる時に接点スイッチ３２４から発生したアークは消弧し、超電導素子３１０も前記過電流から完全に分離される。全ての過電流は高速スイッチング接点３２４と並列に接続された限流負荷３３０に分流し、電流の半周期以後から限流負荷３３０で算定された値に制限される。遮断器３４０は過電流継電器が発生する遮断信号に応じてスイッチを開いて系統３５０との連結を遮断する。前述したように超電導素子３１０は正常電流が流れる場合は電力供給源３００が供給する電力を損失なしで系統３５０に供給し、落雷、地絡、短絡などの事故によってある閾値を越える過電流が発生する場合は高い抵抗値を発生して前記過電流を他の経路に分離する。

また、一体型高速スイッチモジュール３２０は前記過電流を超電導素子３１０から分離して超電導素子３１０を保護し、過電流が電流の半周期以後から限流負荷３３０によって制限できるようにする。
これにより、本発明の超電導素子３１０は電力系統上で必要な電流容量だけに合わせて、図４に示したように、超電導素子３１０を並列に接続して使用する。

すなわち、電力系統上の必要な電圧耐量とは関係なく超電導素子を使い、最小の超電導素子の適用によって、技術及び費用面において容易であり、安定的かつ信頼性の高い半波非限流型超電導限流器を具現できる。

また、半波非限流型超電導限流器は半周期以後に過電流を制限することにより遮断器などの電力機器が動作できるようにするため、電力系統上で電力機器と協調して動作することができる。

そして、半波非限流型超電導限流器は、電力系統上で必要な電流容量によって超電導素子を並列に接続すれば良いので、大電力系統上でも、本発明を適用して超電導素子を並列に接続して必要な電流容量に合わせ、必要な電圧耐量に合わせて遮断器などの電力機器を取り替えると使用できるようになる。

図７は本発明の他の実施例による一体型高速スイッチモジュールを含んだ半波非限流型超電導限流器を示した図である。

図７を参照すれば、電力供給源３００から供給される電力の伝達特性を最適化するため所定のインピーダンス値を有する電力線に超電導素子３１０が直列に接続される。半波非限流型超電導限流器には、常時接点が接触して電源供給経路上に超電導素子３１０と系統３５０との間に直列に接続される第１高速スイッチング接点３２４-１と、第１分流経路上に超電導素子３１０及び第１高速スイッチング接点３２４-１と並列に接続される第１駆動コイル３２２-１と、第２分流経路上に第１駆動コイル３２２-１と並列に接続される第２駆動コイル３２２-２と、常時接点が接触して第２駆動コイル３２２-２と系統３５０との間に直列に接続される第２高速スイッチング接点３２４-２と、限流経路上に常時接点が離されて第２駆動コイル３２２-２と並列に接続されるアーク切換スイッチ３２６とが一体型である高速スイッチモジュール３２０が含まれる。

また、第１駆動コイル３２２-１、第２駆動コイル３２２-２及びアーク切換スイッチ３２６と系統３５０との間に限流負荷３３０が接続されて半波非限流型超電導限流器が構成される。そして、この半波非限流型超電導限流器は遮断器３４０を通じて系統３５０に接続される。

図７を図３と対比してみると、超電導素子３１０に直列に接続される第１高速スイッチング接点３２４-１と第１高速スイッチング接点３２４-１の接点を開く第１駆動コイル３２２-１をさらに含んで、一体型高速スイッチモジュール３２０が構成されることが分かる。

これにより図７の動作を詳述すれば、落雷、地絡、短絡などの事故によって過電流が発生する場合に超電導素子３１０はクエンチして高い抵抗値を発生して、前記過電流は相対的に低いインピーダンスを有するｂ-１経路(第１分流経路)とｂ-２経路(第２分流経路)とに分流する。ｂ-１経路に存在する第１駆動コイル３２２-１は前記過電流により電磁反発力を発生し、発生した電磁反発力により第１高速スイッチング接点３２４-１は接触した接点が離れるが、第１高速スイッチング接点３２４-１は超電導素子３１０と直列に接続され、超電導素子３１０が殆んどの過電流をｂ-１経路とｂ-２経路とに分流するため、比較的小さいアークを発生し、このアークのアーク抵抗によりａ経路(電源供給経路)に残留した過電流は所定値に制限される。

一方、ｂ-２経路に存在する第２駆動コイル３２２-２は前記過電流により電磁反発力を発生し、発生した電磁反発力によって第２高速スイッチング接点３２４-２は接触した接点が離れるが、第２高速スイッチング接点３２４-２は第２駆動コイル３２２-２と直列に接続され第１高速スイッチング接点３２４-１から発生するアークに比べて大きいアークを発生し、このアークのアーク抵抗によりｄ経路の過電流は所定値に制限される。

また、第２高速スイッチング接点３２４-２から発生したアークにより前記過電流が系統３５０に流れるようになる通電経路が生成され、過電流はｄ経路に流れるようになる。第１高速スイッチング接点３２４-１の接触した接点が予め設定された間隔に離れると、アーク切換スイッチ３２６の接点が接触するが、これにより第１高速スイッチング接点３２４-１から発生した小さいアークはｃ経路に分流されながら消弧され、超電導素子３１０は過電流から完全に分離される。

すなわち、電流の半周期内に超電導素子３１０は過電流から分離され超電導状態に復帰できる時間的余裕が生じる。これによって過電流継電器が発する制御信号に応じて系統３５０との連結を遮断してから、設定時間内に再び連結する再閉路遮断器が適用される電力系統で使用できるようになる。

一方、第２高速スイッチング接点３２４-２から発生した大きいアークは電流の半周期で電流零点になる時に消弧され、過電流は限流負荷３３０に流れるようになって限流負荷３３０で制限される。すなわち、 図３のように電流の半周期以後に限流が始まる。

図７の半波非限流型超電導限流器と図３の半波非限流型超電導限流器との相違点は、図３の場合は電流の半周期で電流零点になる場合に高速スイッチング接点３２４から発生したアークが消弧され、これにより超電導素子３１０も半周期以後から過電流から完全に分離されることである。

しかし、図７の場合は第１駆動コイル３２２-１及び第２駆動コイル３２２-２、第１高速スイッチング接点３２４-１及び第２高速スイッチング接点３２４-２、アーク切換スイッチ３２６が一体型である高速スイッチングモジュール３２０により半周期以内に超電導素子３１０から過電流を完全に分離することにより、１秒以内再閉路動作を行なう遮断器３４０を適用する電力系統で遮断器３４０が再び閉路する場合に超電導素子３１０が超電導状態に復帰できる時間をさらに短縮できるようにする。

すなわち、超電導素子３１０は再び超電導状態に復帰するのに所定の時間を必要とするため、さらに迅速に過電流から超電導素子を分離する。

図８は図７において過電流が発生する場合経時的な過電流の変化の推移を示すグラフである。

落雷、地絡、短絡などの事故によってある閾値を越える過電流が発生する場合、超電導素子３１０は常電導状態に転移して高い抵抗値を発生するクエンチ現象が発生し、発生した抵抗値により過電流はインピーダンス成分が低いｂ-１経路(第１分流経路)及びｂ-２経路(第２分流経路)に分流する(Ｐ１時点)。

前記ｂ-１経路の高速スイッチモジュール３２０の第１駆動コイル３２２-１は前記過電流によって電磁反発力を発生し、その電磁反発力によって高速スイッチモジュール３２０の第１高速スイッチング接点３２４-１は接触した接点が離れながら小さいアークを発生する。

前記第ｂ-２経路の高速スイッチモジュール３２０の第２駆動コイル３２２-２は前記過電流によって電磁反発力を発生し、その電磁反発力により高速スイッチモジュール３２０の第２高速スイッチング接点３２４-２は接触していた接点が離れながら第１高速スイッチング接点３２４-１から発生するアークに比べて大きいアークを発生する。

第１高速スイッチング接点３２４-１と第２高速スイッチング接点３２４-２から発生するアークのアーク抵抗によってａ及びｄ経路に残留する過電流は所定値に制限される(Ｐ２時点)。

第１高速スイッチング接点３２４-１の接触した接点が離れながら予め設定された間隔に離れる時アーク切換スイッチ３２６の離れた接点が接触するようになり、ｃ経路(限流経路)が接続されて第１高速スイッチング接点３２４-１から発生した小さいアークは消弧され、超電導素子３１０は過電流から完全に遮断される(Ｐ３時点)。前記アーク切換スイッチの離れた間隔はｃ経路が接続される時間を決定する。

第２高速スイッチング接点３２４-２から発生した大きいアークは電流の半周期において電流零点になる時に消弧され、全ての過電流は限流負荷３３０に分離される(Ｐ４時点)。分離された過電流は限流負荷３３０の算定されたインピーダンス値によって制限される。一方、遮断器３４０は過電流継電器が発生する信号に応じてスイッチを開いて系統３５０との連結を遮断する。

図８に示したグラフのように、落雷、地絡、短絡などの事故により非正常に高い電流、即ち過電流が発生するようになるが、半波非限流型超電導限流器を通じて電力供給源３００から供給する電流の半周期以後に過電流を制限し、過電流継電器が前記過電流を感知して遮断器を制御できるようにする。

これまで本発明を特定の望ましい実施例について示しかつ説明したが、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は前述した実施例について本発明の範疇から逸脱しない限度内で多様に改造及び変化させることができることが容易に分かる。従って、本発明の権利範囲は説明された実施例に限って定められるべきではなく、特許請求の範囲のみならず、本特許請求の範囲と均等なものによって定められるべきである。

超電導限流器において電力容量による超電導素子の接続を示す図である。 図１の一部を詳細に示す図である。 本発明の一実施例による一体型高速スイッチモジュールを備えた半波非限流型超電導限流器を示す図である。 図３において超電導素子の接続を示す図である。 図３の一体型高速スイッチモジュールの動作の詳細を示す図である。 図３を応用した図である。 本発明の他の実施例による一体型高速スイッチモジュールを備えた半波非限流型超電導限流器を示す図である。 図７において過電流が発生する場合の経時的な過電流の変化の推移のグラフを示す図である。

符号の説明

３００ 電力供給源
３１０ 超電導素子
３２０ 一体型高速スイッチモジュール
３２２ 駆動コイル
３２４ 高速スイッチング接点
３２６ アーク切換スイッチ
３２７ 軸
３２２-１ 第１駆動コイル
３２４-１ 第１高速スイッチング接点
３２２-２ 第２駆動コイル
３２４-２ 第２高速スイッチング接点
３３０ 限流負荷

Claims (6)

1. 電源供給経路上の超電導素子と並列に連結される分流経路上に配置されるコイルであって、前記超電導素子のクエンチにより分流された過電流が流れる時電磁反発力を発生して、該電磁反発力を連動手段に印加する駆動コイルと、
   前記駆動コイルと系統との間に直列に連結され、前記分流経路の後段に位置し、前記連動手段に一体に軸着されスイッチの接触した接点が前記連動手段に印加された電磁反発力により離れる高速スイッチング接点と、
   前記駆動コイルと並列に連結されて限流経路上に配置され、前記連動手段に一方側が一体に軸着し前記高速スイッチング接点の移動方向で反対方向に連動して、前記高速スイッチング接点が予め設定された間隔だけ離れる時に接点が接触して前記過電流を後段に直列に連結された限流負荷に流すアーク切換スイッチと、を含んでなる一体型高速スイッチモジュールを備えた半波非限流型超電導限流器。
2. 前記アーク切換スイッチは、接点離隔間隔が前記高速スイッチング接点の接点離隔間隔より小さく、これにより前記アーク切換スイッチの接点は前記高速スイッチング接点が完全に離れる時点より先に接触することを特徴とする請求項１に記載の一体型高速スイッチモジュールを備えた半波非限流型超電導限流器。
3. 前記連動手段は、前記駆動コイルの上側に位置して前記駆動コイルに流れる過電流により発生した電磁反発力で動作する板状の反発板であることを特徴とする請求項１に記載の一体型高速スイッチモジュールを備えた半波非限流型超電導限流器。
4. 前記アーク切換スイッチは前記反発板の上側端に一方の接点が連動するように連結され、
   前記高速スイッチング接点は前記反発板の下側端に一方の接点が連動するように連結されることを特徴とする請求項３に記載の一体型高速スイッチモジュールを備えた半波非限流型超電導限流器。
5. 前記高速スイッチング接点は直列に連結された少なくとも一つ以上の高速スイッチング接点であることを特徴とする請求項１に記載の半波非限流型超電導限流器における一体型高速スイッチモジュール。
6. 電源供給経路上の超電導素子と系統との間に直列に連結される第１高速スイッチング接点と、
   前記超電導素子及び第１高速スイッチング接点と並列に連結され、第１分流経路上に配置され、前記超電導素子によって分離された過電流によって電磁反発力を発生して前記第１高速スイッチング接点の接触した接点を離す第１駆動コイルと、
   前記第１駆動コイルと並列に連結され、第２分流経路上に配置され、前記過電流により電磁反発力を発生する第２駆動コイルと、
   前記第１駆動コイル及び第２駆動コイルと前記系統との間に直列に連結され、前記第１分流経路及び第２分流経路の後段に位置し、前記第２駆動コイルが発生する電磁反発力により接触した接点が離される第２高速スイッチング接点と、
   前記第２駆動コイルと並列に連結され、限流経路上に配置され、前記第１高速スイッチング接点の接点が予め設定された間隔だけ離れる時に接点が接触し前記過電流を後段に直列に連結された限流負荷に流すアーク切換スイッチと、を含んでなる一体型高速スイッチモジュールを備えた半波非限流型超電導限流器。

Images