JP2009100612A - Transformer-type superconducting current limiting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力系統における事故電流を抑制する変圧器型超電導限流器に係り、特に限流動作を行わせるための超電導体の超電導状態から常電導状態への転位を、制御電流により自由に行えるようにした変圧器型超電導限流器に関するものである。 The present invention relates to a transformer-type superconducting fault current limiter that suppresses fault currents in a power system, and in particular, the transition from a superconducting state to a normal conducting state of a superconductor for performing a current limiting operation can be freely performed by a control current. The present invention relates to a transformer type superconducting fault current limiter that can be used.
電力の自由化や分散電源の導入は世界的な傾向であり、消費者にとっては競争原理の導入で、電気料金の低価格化が可能となるので歓迎されている。また、電力の自由化でIPP(Independent Power Producer:個人的電源設備)の大容量化が、さらに、今後普及が予想される自立型の地域電力ネットワークでは、内部に風力や太陽光、燃料電池など様々な分散電源が使われるものと予想される。 The liberalization of electric power and the introduction of distributed power sources are global trends, and consumers are welcomed by introducing the principle of competition and lowering the price of electricity. In addition, the increase in capacity of IPP (Independent Power Producer) due to the liberalization of electric power, and in the self-supporting regional power network that is expected to become popular in the future, wind power, solar power, fuel cells, etc. Various distributed power sources are expected to be used.
しかしながら反面、こういった自立型の地域電力ネットワークが電力会社の送電網に接続されることで生じる種々の危険性が指摘されている。すなわち現在の送電設備は、何処かに故障が発生しても系統の安定度を保つような制御をおこなってはいるが、こういった新電源設備や分散電源で構成される地域ネットワークの接続が増えると、場合によっては制御領域を越えてしまい、電力系統全体の危険性が増して、万一の事故で系統全体が不安定となって大規模な停電に繋がる可能性がある。 On the other hand, however, various dangers have been pointed out when such a self-supporting regional power network is connected to a power company's power grid. In other words, the current power transmission facilities are controlled so that the stability of the system is maintained even if a failure occurs somewhere, but the connection of regional networks composed of such new power facilities and distributed power sources is not possible. If it increases, the control area may be exceeded in some cases, the risk of the entire power system increases, and in the unlikely event of an accident, the entire system may become unstable, leading to a large-scale power outage.
例えば図10に示したように、電力会社の発電所20Ga、21Gbにつながる電力系統に、こういったIPP電源24G0、25G1や、内部にIPP電源26G2を有する自立型の地域電力ネットワークがつながれた場合、25G1や26G2に事故が生じると、その電力系統に繋がれた電力消費地A、Bにも影響が及ぶ。 For example, as shown in FIG. 10, when the power system connected to the power plants 20Ga and 21Gb of the electric power company is connected to such an IPP power supply 24G0 and 25G1 and a self-supporting local power network having the IPP power supply 26G2 inside. When an accident occurs in 25G1 or 26G2, power consumption areas A and B connected to the power system are also affected.
電力系統に事故が生じた場合は事故点の電圧は零に近くなり、発電側からその点へ通常より1桁以上大きい短絡電流、或いは地落電流が流れ込む。この電流によって系統機器が損傷を受けないよう、通常は遮断器で事故点を系統から切り離すが、遮断器は中央指令所からの指令を受けて遮断を終了するまでに略0.1秒の時間が必要であり、短時間の間、故障電流が系統に流れてしまうということと、遮断器には定格電流があって定格以上の電流が流れる場合には使用することができない。従って遮断器を使用する場合、事故電流がその容量を超えてしまわないように機器配置をしなければならない。 When an accident occurs in the power system, the voltage at the accident point is close to zero, and a short-circuit current or ground current that is one digit larger than usual flows from the power generation side to that point. In order to prevent damage to the system equipment due to this current, the fault point is usually separated from the system by a circuit breaker. However, the circuit breaker takes about 0.1 second to complete the circuit shut-off after receiving a command from the central command station. This means that a fault current flows through the system for a short period of time, and the circuit breaker has a rated current and cannot be used when a current exceeding the rating flows. Therefore, when using a circuit breaker, the equipment must be arranged so that the accident current does not exceed its capacity.
こういった問題を回避するため、遮断器技術を今以上に高信頼、高速にする必要があるが、遮断器が対応できない短時間の間、故障電流を抑制する限流器の存在が極めて重要になっている。すなわち、図10に示した系においても、発電所20Ga、21Gbを接続する系統に遮断機と限流器(FCL)103、104を接続したり、IPP電源25G1や26G2を有する自律分散系27に限流器101、102を介して電力系統につながれていれば、故障の影響が全域に及ぶ事がなくなるわけである。
In order to avoid these problems, it is necessary to make the circuit breaker technology more reliable and faster than before, but the existence of a current limiter that suppresses the fault current for a short time that the circuit breaker cannot handle is extremely important. It has become. That is, also in the system shown in FIG. 10, an autonomous distributed system having a circuit breaker and current limiters (FCL) 10 3 , 10 4 connected to a system connecting power plants 20Ga, 21Gb, or having IPP power supplies 25G1 and
しかしながら限流器は、電力会社自体にとっては設置するメリットが小さい。また、直列機器であるため電圧降下が生じ、大電流を制御するため電力用半導体素子が必要となるがそのために機器が高価となり、逆に安価な非半導体素子式の限流器では限流動作を自由に制御できない、などの問題がある。また、限流器に電力用半導体素子を使う場合、素子が高価なので限流器だけの使用例は殆ど無く、通常は位相や周波数、電圧、電流等、あらゆるパラメータを制御する回路と共に用いられるのが一般的である。仮に限流器回路のみをSCR、IGBT、GTOなどの電力用半導体素子で構成する場合、バイパス抵抗を用いて限流動作時に故障電流がパイパス抵抗を流れるようにして抑制する方法になるが、万が一の事故対策にだけ高価な電力用半導体素子を用いるのでは経済性が全く成立しない。 However, the current limiter has little merit for the electric power company itself. In addition, because it is a series device, a voltage drop occurs, and a power semiconductor element is required to control a large current, which makes the device expensive, and conversely, an inexpensive non-semiconductor element type current limiter has a current limiting operation. There are problems such as inability to control freely. Also, when power semiconductor elements are used for current limiters, the elements are expensive, so there are few examples of using current limiters only, and they are usually used with circuits that control all parameters such as phase, frequency, voltage, and current. Is common. If only the current limiter circuit is composed of power semiconductor elements such as SCR, IGBT, GTO, etc., it is a method to suppress the fault current so that it flows through the bypass resistance during current limiting operation using a bypass resistor. If an expensive power semiconductor element is used only for countermeasures against accidents, economic efficiency cannot be established.
そのため、電力用半導体素子を用いない限流器が注目されていて、例えば最も簡単な半導体素子を使わない限流器として、直列接続した数mH程度の値のリアクトルがある。このリアクトルは限流リアクトルとも呼ばれ、磁気飽和が生じないようにヨークにギャップを設けるのが普通である。しかしながら、限流リアクトルは常に電圧降下を生じるため、その分、電源の電圧を上げる必要がある。 Therefore, current limiters that do not use power semiconductor elements are attracting attention. For example, as the current limiters that do not use the simplest semiconductor elements, there are reactors having a value of about several mH connected in series. This reactor is also called a current-limiting reactor, and it is usual to provide a gap in the yoke so that magnetic saturation does not occur. However, since the current-limiting reactor always causes a voltage drop, it is necessary to increase the voltage of the power source accordingly.
正常動作時には電圧降下が生じない限流器としては、アーク駆動式限流器と超電導限流器がある。アーク駆動式限流器は基本的にはバイパス抵抗を有する遮断器であり、故障電流を遮断器で遮断し、その時に発生するアークを消去しながら、電流をバイパス回路に流して故障電流を抑制する方法である。このアーク駆動方式限流器の場合、小型・軽量化が容易であり、しかも常温動作するので既に小規模のものは実用段階にある。しかし機械的な遮断動作があるために不安が残り、万一、遮断動作が不調でも、大事故に繋がらないような系統に利用されていることが多い。 Current limiting devices that do not cause a voltage drop during normal operation include arc-driven current limiting devices and superconducting current limiting devices. An arc-driven current limiter is basically a circuit breaker with a bypass resistance. The fault current is interrupted by the circuit breaker, and the arc generated at that time is erased while the current is passed to the bypass circuit to suppress the fault current. It is a method to do. In the case of this arc drive type current limiting device, it is easy to reduce the size and weight, and since it operates at room temperature, a small-scale one is already in practical use. However, it is often used in systems that do not lead to major accidents even if the shutoff operation is unsatisfactory due to the mechanical shutoff operation.
一方の超電導限流器は超電導体の臨界電流特性を利用し、臨界電流値以下の電流であればゼロ抵抗だが、臨界電流値以上の過大電流が流れると超電導体が常電導に転位することで発生した抵抗が故障電流を抑制する方法である。超電導限流器は、冷却系を含めた装置の何処に不調があっても必ず限流動作状態になるセルフセーフ機能を有しており、信頼性が高いので、これまでにも多種多様な超電導限流器が提案されている。その中で代表的なものは、超電導体に直接電流を流して動作させる抵抗転位型限流器と、変圧器の2次側の超電導体を常電導転位させる変圧器型超電導限流器である。 One superconducting fault current limiter uses the critical current characteristics of superconductors, and is zero resistance if the current is below the critical current value, but if an excessive current above the critical current value flows, the superconductor is transferred to normal conduction. The generated resistance suppresses the fault current. The superconducting fault current limiter has a self-safe function that always operates in a current limiting state regardless of the malfunction of the equipment, including the cooling system, and is highly reliable. A current limiting device has been proposed. Among them, typical ones are a resistance dislocation type current limiter that operates by directly passing a current through the superconductor, and a transformer type superconducting current limiter that causes the superconductor on the secondary side of the transformer to perform normal conduction transition. .
抵抗転位型超電導限流器は構造も原理も簡単だが、超電導体に高電圧が掛かるので、低温電気絶縁の問題が常に最重要課題になる。そこで冷却材には密度が均一な液体窒素冷却が使われる。しかし限流動作時には超電導体の発熱で必ず気液混合状態になるため、セラミックスやFRPなどの固体絶縁体で電気絶縁を確保する必要があり、クライオスタット設計が難しい。変圧器型超電導限流器では超電導体に高電圧が掛からないので、低温電気絶縁の問題は回避できる。 Although the resistance dislocation type superconducting fault current limiter is simple in structure and principle, high voltage is applied to the superconductor, so the problem of low-temperature electrical insulation is always the most important issue. Therefore, liquid nitrogen cooling with a uniform density is used as the coolant. However, during current limiting operation, the superconductor is always in a gas-liquid mixed state due to the heat generated by the superconductor, so it is necessary to ensure electrical insulation with a solid insulator such as ceramics or FRP, making it difficult to design a cryostat. In the transformer type superconducting fault current limiter, a high voltage is not applied to the superconductor, so that the problem of low temperature electrical insulation can be avoided.
超電導限流器はセルフセーフ機能を有して信頼性が高いが、限流動作が超電導体の臨界電流値だけで決まるため、これまでの方式では限流動作設定条件を自由に調整・制御できない不便さがある。空心変圧器の場合、1次コイルと2次コイルの磁気結合を調整して限流動作条件を調製する方法も有り得るが、このような調整法では、相互インピーダンスの影響を完全にキャンセルできないから、正常動作時でも常に電圧降下が発生して超電導限流器の良さを失ってしまう。 The superconducting fault current limiter has a self-safe function and is highly reliable. However, since the current limiting operation is determined only by the critical current value of the superconductor, the current limiting operation setting conditions cannot be freely adjusted and controlled with the conventional methods. There is inconvenience. In the case of an air core transformer, there may be a method of adjusting the current coupling operating condition by adjusting the magnetic coupling of the primary coil and the secondary coil, but with such an adjustment method, the influence of the mutual impedance cannot be completely cancelled. Even during normal operation, a voltage drop always occurs and the superconducting fault current limiter is lost.
こういった変圧器型超電導限流器については、例えば特許文献1に断熱槽内に1次コイルを固定的に設け、2次コイルを2次コイル吊りフランジおよび2次コイル吊り棒で上下移動可能に構成し、2次コイルを冷媒で冷却した状態で1次コイルに対して軸方向に移動させて、限流器としての動作電流を調整する限流器が示されている。
For such a transformer type superconducting fault current limiter, for example, in
また特許文献2に示された変圧器型限流方法及び限流器では、常電導の変圧器を用いて1次側を高電圧に、2次側を低電圧に設定し、この変圧器の2次側に、大面積の絶縁体基板上に作製した高臨界電流密度と常電導時の高抵抗率を有する、高温超電導酸化物薄膜の限流素子を接続して高電圧電気絶縁は常温の変圧器1次側コイルに、超電導限流素子に2次側の低電圧・大電流の制御作用を分担させる。そして事故により1次側の電流が増大することで2次側電流が増大し、2次側超電導体が超電導から常電導に変化することで、1次側に大きなインピーダンスが発生することを利用して限流動作を行わせ、超電導素子の熱負荷を軽減して高価な大面積超電導薄膜を使った限流素子の使用量をできるだけ減らして、高電圧対応可能な低価格の限流器を実現できるとしている。 Further, in the transformer type current limiting method and current limiter disclosed in Patent Document 2, the primary side is set to a high voltage and the secondary side is set to a low voltage using a normally conducting transformer, and the transformer On the secondary side, a high-current superconducting oxide thin-film current-limiting element having a high critical current density and a high resistivity during normal conduction made on a large-area insulator substrate is connected, and high-voltage electrical insulation is performed at room temperature. The transformer primary side coil is assigned the control action of the secondary side low voltage and large current to the superconducting current limiting element. The secondary current increases due to an increase in the primary current due to the accident, and a large impedance is generated on the primary side when the secondary superconductor changes from superconducting to normal conducting. Current limiting operation, reducing the thermal load on the superconducting element and reducing the amount of current limiting element using an expensive large-area superconducting thin film as much as possible, realizing a low-cost current limiter that can handle high voltages I can do it.
また本願出願人は、限流器そのものの構造ではないが特許文献3において、例えば酸化物高温超電導体の臨界電流を大きくするため、超電導限流器の冷却に、液体分と固体分とが混在したスラッシュ冷媒を用いることを提案している。 Further, although the present applicant does not have the structure of the current limiter itself, in Patent Document 3, for example, in order to increase the critical current of the oxide high-temperature superconductor, the liquid component and the solid content are mixed for cooling the superconducting current limiter. It is proposed to use a slush refrigerant.
さらに特許文献4には、超電導材料の相転移によるインピーダンス変化を利用した誘導型の限流器と、所定電圧以下の電圧が印加されたときは比較的高抵抗を示し、前記所定電圧を超えると急激に抵抗値が低下する特性を持つ、例えばバリスタなどの非線形抵抗素子と抵抗との直列回路とを備え、誘導型の限流器と直列回路とが並列接続された故障電流限流器が提案されている。 Furthermore, Patent Document 4 shows an inductive current limiter that utilizes impedance changes due to phase transition of a superconducting material, and a relatively high resistance when a voltage equal to or lower than a predetermined voltage is applied. Proposed a fault current limiter that has a characteristic that the resistance value decreases rapidly, for example, a series circuit of a non-linear resistance element such as a varistor and a resistor, and an inductive current limiter and a series circuit connected in parallel Has been.
しかしながら、特許文献1に示された限流器は、2次コイルを冷媒で冷却した状態で1次コイルに対して軸方向に移動させる機構が必要であり、限流器としての動作電流を調整することは可能であるが、構成がそれだけ複雑になるし、正常動作時の電圧降下もゼロにできなくなる。また特許文献2に示された限流器も、限流動作点を自由に設定・調整することが難しく、また、超電導薄膜に流れる2次側電流は常電導転移直後に小さい値に限流されて焼損することはないが、常電導から超電導に戻すのにはある程度の時間が必要である。
However, the current limiter disclosed in
さらに特許文献3に示された装置は、酸化物高温超電導体の臨界電流を大きくするための超電導限流器の冷却方法に関するもので、限流器の構造に関するものではなく、特許文献4に示された限流器は誘導型の限流器と非線形抵抗素子を組み合わせたもので、限流器そのものの構造に関しての開示はない。 Furthermore, the apparatus disclosed in Patent Document 3 relates to a cooling method for a superconducting current limiter for increasing the critical current of an oxide high-temperature superconductor, and does not relate to the structure of the current limiter. The current limiting device is a combination of an inductive current limiting device and a non-linear resistance element, and there is no disclosure regarding the structure of the current limiting device itself.
そのため本発明においては、簡単、安価な構成で低温電気絶縁の問題を回避でき、かつ、限流動作設定条件を自由に調整・制御できると共に、超電導状態から常電導状態に転移して限流動作が行われた後、超電導体を、常電導状態から超電導状態に短時間で復帰させることもできる変圧器型超電導限流器を提供することが課題である。 Therefore, in the present invention, the problem of low-temperature electrical insulation can be avoided with a simple and inexpensive configuration, and the current limiting operation setting conditions can be freely adjusted and controlled, and the current limiting operation is shifted from the superconducting state to the normal conducting state. It is an object to provide a transformer type superconducting current limiter that can return the superconductor from the normal conducting state to the superconducting state in a short time after the above.
上記課題を解決するため本発明になる変圧器型超電導限流器は、
電力系統に接続された電力用導線で巻回された変圧器1次側と、超電導体線材が巻回された、超電導環境に置かれた変圧器2次側とからなり、前記1次側の異常電流による2次側超電導体線材の超電導状態から常電導状態への転移で生じた1次側インピーダンスで限流動作を行う、変圧器型超電導限流器において、
前記変圧器2次側の超電導体線材はワンターン環状線材とされて互い違いにミアンダ構造に複数巻回され、一のワンターン環状線材に隣接する他のワンターン環状線材との接続点から次のワンターン環状線材に対する接続点までの左右の距離が、略同距離となるようにされていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the transformer type superconducting fault current limiter according to the present invention is:
A primary side of a transformer wound with a power conductor connected to the power system, and a secondary side of a transformer placed in a superconducting environment around which a superconductor wire is wound. In a transformer type superconducting fault current limiter that performs current limiting operation with the primary side impedance generated by the transition from the superconducting state to the normal conducting state of the secondary superconductor wire due to abnormal current,
The superconductor wire on the secondary side of the transformer is a one-turn annular wire, and is alternately wound around a meander structure, and the next one-turn annular wire from the connection point with another one-turn annular wire adjacent to the one-turn annular wire. The distance between the right and left to the connection point with respect to is substantially the same distance.
このように、変圧器2次側の超電導体線材としてワンターン環状線材を用いたことで、変圧器2次回路の環状電流に対してはそれぞれのワンターン環状線材が並列動作し、変圧器動作には影響を与えずに限流動作をおこなわせることができる。 Thus, by using the one-turn annular wire as the superconductor wire on the secondary side of the transformer, each one-turn annular wire operates in parallel with respect to the annular current of the transformer secondary circuit. The current limiting operation can be performed without affecting.
また、前記変圧器型超電導限流器は、前記電力系統の異常を検知して2次側超電導体を常電導状態に転移させる制御電流回路が、前記ミアンダ構造とした複数のワンターン環状線材に直列に接続されていることで、2次側超電導体に制御電流を流すとそれぞれのワンターン環状線材には制御電流が、入力点から他のワンターン環状線材への接続点まで左右略同距離を流れることになるから、変圧器2次回路の環状電流に対して影響を与えることなく、すなわち変圧器動作には影響を与えず、2次側超電導体を常電導状態に転移させることができ、それにより、限流動作点を自由に制御できる変圧器型超電導限流器とすることができる。 The transformer-type superconducting fault current limiter includes a control current circuit that detects an abnormality in the power system and changes the secondary superconductor to a normal conducting state in series with the plurality of one-turn annular wires having the meander structure. When a control current is supplied to the secondary superconductor, the control current flows through each one-turn annular wire from the input point to the connection point to the other one-turn annular wire. Therefore, the secondary superconductor can be transferred to the normal conducting state without affecting the annular current of the transformer secondary circuit, that is, without affecting the transformer operation, The transformer type superconducting current limiter can freely control the current limiting operating point.
そして、前記制御電流回路は前記電力系統の異常を検知する異常電流検出器と、パルス電流供給源と、前記異常電流検出器による前記電力系統の異常電流検出結果によりONし、前記パルス電流供給源からのパルス電流を前記超電導体ワンターン環状線材に送るスイッチ回路とで構成したり、前記制御電流回路は前記電力系統の異常を検知する異常電流検出器と、高周波電流源と、前記異常電流検出器による前記電力系統の異常電流検出結果によりONし、前記高周波電流源からの高周波電流を前記超電導体ワンターン環状線材に送るスイッチ回路することで、非常に簡単な回路で2次側超電導体を常電導状態に転移させることができる。 The control current circuit is turned ON by an abnormal current detector that detects an abnormality of the power system, a pulse current supply source, and an abnormal current detection result of the power system by the abnormal current detector, and the pulse current supply source A switch circuit that sends a pulse current from the superconductor one-turn annular wire, the control current circuit detects an abnormality in the power system, an abnormal current detector, a high-frequency current source, and the abnormal current detector The secondary superconductor is normally conducted with a very simple circuit by switching on the abnormal current detection result of the power system by the switch circuit and sending the high-frequency current from the high-frequency current source to the superconductor one-turn annular wire. It can be transferred to a state.
さらに、前記2次側超電導体線材は、液体分と固体分とが混在したスラッシュ冷媒により超電導状態とすることで、例えば固体・液体・気体が共存するスラッシュ窒素、或いはスラッシュ・アルゴン、スラッシュ・ネオン、スラッシュ・水素などを用いると、例えばスラッシュ窒素では温度が約63kと液体窒素の77kに比べて低温となり、超電導体の臨界電流が液体窒素に比べて50%ほど増加する。超電導体に交流を流すと、あたかも有限な抵抗が存在するかのように超電導体にはヒステリシス損失が発生するが、流す電流が同じならばスラッシュ窒素冷却運転では交流損失を40%程度軽減できる。 Furthermore, the secondary superconductor wire is made in a superconducting state by a slush refrigerant in which a liquid component and a solid component are mixed so that, for example, slush nitrogen, slush / argon, slash / neon coexisting with solid / liquid / gas When slush, hydrogen, etc. are used, for example, slush nitrogen has a temperature of about 63 k, which is lower than that of liquid nitrogen of 77 k, and the critical current of the superconductor increases by about 50% compared to liquid nitrogen. When an alternating current is passed through the superconductor, hysteresis loss occurs in the superconductor as if a finite resistance exists. However, if the flowing current is the same, the AC loss can be reduced by about 40% in the slush nitrogen cooling operation.
そして、前記超電導体は、酸化物高温超電導体であり、前記超電導体は、YBa2Cu3OxまたはBi2Sr2Cu3Oxであることが本発明の好適な実施形態である。 In the preferred embodiment of the present invention, the superconductor is an oxide high temperature superconductor, and the superconductor is YBa 2 Cu 3 O x or Bi 2 Sr 2 Cu 3 O x .
以上記載のごとく本発明になる変圧器型超電導限流器は、変圧器2次側の超電導体線材をワンターン環状線材としたことで、変圧器2次回路の環状電流に対してはそれぞれのワンターン環状線材が並列動作し、変圧器動作には影響を与えずに限流動作をおこなわせることができる。また、複数のワンターン環状線材をミアンダ構造として制御電流回路を接続し、変圧器2次側の超電導体線材を常電導状態に転移させる限流動作点を制御電流により自由に制御できるようにしたから、変圧器動作には影響を与えずに任意に2次側超電導体を常電導状態に転移させることができ、限流動作設定条件を自由に調整・制御できる。 As described above, the transformer-type superconducting fault current limiter according to the present invention uses a one-turn annular wire as the superconductor wire on the secondary side of the transformer. The annular wires operate in parallel, and the current limiting operation can be performed without affecting the transformer operation. In addition, since a plurality of one-turn annular wires have a meander structure and a control current circuit is connected, the current-limiting operating point for transitioning the superconductor wire on the secondary side of the transformer to the normal conducting state can be freely controlled by the control current. The secondary superconductor can be arbitrarily transferred to the normal conducting state without affecting the transformer operation, and the current limiting operation setting conditions can be freely adjusted and controlled.
さらに、変圧器2次側の超電導体線材の冷却に、液体分と固体分とが混在したスラッシュ冷媒を用いるようにしたことで、限流動作が行われた後に常電導状態から超電導状態に復帰させることも短時間で行うことができ、かつ、簡単、安価な構成で低温電気絶縁の問題をも回避した変圧器型超電導限流器を提供することができる。 In addition, by using a slush refrigerant mixed with liquid and solid components to cool the superconductor wire on the secondary side of the transformer, it returns from the normal conducting state to the superconducting state after the current-limiting operation is performed. It is possible to provide a transformer type superconducting fault current limiter that can be performed in a short time, and that avoids the problem of low-temperature electrical insulation with a simple and inexpensive configuration.
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。 Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified, but are merely illustrative examples. Not too much.
図1は、本発明になる変圧器型超電導限流器10の基本構成を示す図、図2は変圧器型超電導限流器10における、磁気ヨーク19に巻回したワンターン環状線材(以下、ワンターンコイルと略称する)13の概念を説明するための図で、(A)は各ワンターンコイル13における電流の流れを説明する便宜上、各ワンターンコイル13をずらして上面から見た図、(B)は同じく電流の流れを説明するためワンターンコイルを斜めから見た図、図3は変圧器型超電導限流器10における、超電導体ワンターンコイル13を常伝導状態に転移させる制御電流回路16の例のブロック図であり、(A)は高周波電流回路で構成した場合、(B)はコンデンサ放電方式で構成した場合である。
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a transformer type superconducting fault
図中、10は本発明になる変圧器型超電導限流器、11は磁気ヨーク19に巻回された2次側ワンターンコイル13を超電導状態におくため、例えばスラッシュ窒素、スラッシュ・アルゴン、スラッシュ・ネオン、スラッシュ・水素などの液体分と固体分とが混在したスラッシュ冷媒12を用いて冷却するクライオスタット、14は変圧器1次側に接続される電力系統、16は本発明になる変圧器型超電導限流器10における2次側ワンターンコイル13を常電導状態に強制転移させるための制御電流回路、17、18はその制御電流の配線である。
In the figure, 10 is a transformer type superconducting fault current limiter according to the present invention, 11 is a secondary side one-
本発明になる変圧器型超電導限流器は、変圧器を構成する磁気ヨーク19における1次側巻線コイル15に電力系統14が接続され、2次側(低電圧側)には図2に示したように、例えばYBa2Cu3O7超電導体のテープ線材(Y系超電導テープ線材)や、Bi2Sr2Ca2Cu3Oxのテープ線材(Bi系超電導テープ線材)等の高温超電導体、あるいは薄膜高温超電導体で作られた複数のワンターンコイル131、132、133、……13n等が巻回されて、制御電流回路16が直列に接続されている。
In the transformer type superconducting fault current limiter according to the present invention, the
変圧器2次側(低電圧側)の複数のワンターンコイル131、132、133、……13nは、各ワンターンコイル13をずらして上面から見た図2(A)、及びワンターンコイル13を斜めから見た図2(B)からわかるように、例えばワンターンコイル131における制御電流回路16への接続点17と隣り合うワンターンコイル132への配線13a、この配線13aと次のワンターンコイル133への配線13b、……がそれぞれ互い違いに略180度ずれた位置、すなわち接続点17から接続点13aまでの左右の距離、配線13aと配線13bまでの左右の距離、……がそれぞれ略等距離となるようにしてミアンダ構造に接続されている。
A plurality of one-turn coils 13 1 , 13 2 , 13 3 ,... 13 n on the secondary side (low-voltage side) of the transformer are shown in FIG. 13 as can be seen from Figure 2 viewed from oblique (B), for example one-
そのため、制御電流回路16から配線17でワンターンコイル131に送り込まれた電流は、ワンターンコイル131の入力端17から左右両側に分かれて配線13aに向け、矢印301で示した経路で流れて次のワンターンコイル132でも、同じく左右両側に分かれて配線13bに向けて矢印302で示した経路で……、という具合に、それぞれのワンターンコイル131、132、133、……13nを左右半周ずつ流れ、配線18から制御電流回路16に戻るようになっている。
Therefore, the current fed from the control
そのため、このワンターンコイル131、132、133、……13nは変圧器の2次巻線としては、図2(B)に31で示した1次側の電流により誘起される環状電流に対し、それぞれのワンターンコイル131、132、133、……13nが並列動作するために変圧器動作には影響を与えず、ワンターンコイル13を構成する超電導体を、制御電流回路16から送られる小さな制御電流で超電導状態から常電導状態へ転移させることができる。
Therefore, the one- turn coils 13 1 , 13 2 , 13 3 ,... 13 n are annular currents induced by the primary current indicated by 31 in FIG. On the other hand, since each one-
いま、変圧器型超電導限流器10における磁気ヨーク19で構成される変圧器を理想変圧器とし、1次側巻線コイル15の1次側自己インダクタンスをL1、導体抵抗をr1、2次側ワンターンコイル13の2次側自己インダクタンスをL2、ワンターンコイル13の常電導時における抵抗をRx、L1、L2の相互インダクタンスをM、磁気結合係数をk、1次、2次側の電流をそれぞれI1、I2、1次側電源電圧をE0、電源周波数をωとすると、次の(1)式が成立する。
ここでdI/dt=jωIと置き換えて上記(1)式を解くと、1次側のインピーダンスZ1は下記(2)式で求めることができる。
ここで2次側が超電導状態であれば、Rx=0なのでZ1=r1となる。一般的にr1は充分小さいので無視するとZ1≒0となり、1次側に電圧降下は生じない。しかし、2次側の超電導ワンターンコイル超電導状態から常導電状態に転移し、Rx≠0となると(3)式のインピーダンスが出現し、1次側にΔV=Z1・I1の電圧降下が生じて故障電流を抑制する。 Here, if the secondary side is in a superconducting state, since Rx = 0, Z 1 = r 1 . In general, r 1 is sufficiently small so that if ignored, Z 1 ≈0 and no voltage drop occurs on the primary side. However, when the secondary side superconducting one-turn coil transitions from the superconducting state to the normal conducting state and Rx ≠ 0, the impedance of equation (3) appears, and a voltage drop of ΔV = Z 1 · I 1 occurs on the primary side. Suppress the fault current.
また、本発明になる変圧器型超電導限流器10は、2次側ワンターンコイル13を超電導状態にするためのクライオスタット11の冷却に、液体分と固体分とが混在したスラッシュ冷媒12、例えばスラッシュ窒素、或いはスラッシュ・アルゴン、スラッシュ・ネオン、スラッシュ・水素などを用いる。このうち通常の液体窒素は77kであるが、このように液体分と固体分とが混在したスラッシュ窒素では3重点状態の63kの液体であり、例えば横軸にエントロピー、縦軸に温度(単位:k)を示した図4のように、固体領域の点aから液体領域の点bまでの融解熱と、蒸発点hcと液化点hbとの(hc−hb)の過冷却エンタルピー量、更にTΔSの蒸発潜熱の全てが使えるので、大きな冷却能力を有している。
Further, the transformer type superconducting fault
変圧器型超電導限流器10では、2次側の超電導体に常に交流電流が流れるが、超電導体に交流を流すと、あたかも有限な抵抗が存在するかのように超電導体にはヒステリシス損失が発生する。このヒステリシス損失は交流損失とも呼ばれ、δを超電導体の厚み、Imを最大電流値、交流損失をPac、臨界電流値をJc、周波数をfとすると、交流損失をPacは下記(4)式で表すことができる。
この(4)式から、交流損失Pacは周波数fと最大電流Imの3乗に比例し、臨界電流値Jcに反比例することがわかるが、上記したようにスラッシュ窒素は63kと液体窒素の77kに比べて低温なので、横軸に臨界電流密度(単位:A/cm2)、縦軸に温度(単位:k)を取り、例えばYBa2Cu3O7薄膜高温超電導体の臨界電流を示した図5に示すように、臨界電流密度が50%ほど増加し、これは電流Imが同じならば、スラッシュ窒素冷却運転で交流損失を40%程度軽減できることを意味する。
From equation (4), AC loss Pac is proportional to the third power of the frequency f and the maximum current I m, but understood to be inversely proportional to the critical current value Jc, slush nitrogen as described above 63k and
しかし逆に、スラッシュ冷媒12を用いて超電導体状態を常伝導状態に転移するための臨界電流値が大きくなると、限流動作を開始するためにそれだけ大きな故障電流が必要となる。そのため本発明の変圧器型超電導限流器10では、故障電流を検出してこの検出信号から超電導ワンターンコイル13を常電導状態に転位させ、限流動作を開始させる制御電流回路16を用いて限流器の動作設定条件を自由に調整できるようにした。
On the contrary, if the critical current value for transferring the superconductor state to the normal state using the slush refrigerant 12 becomes large, a large fault current is required to start the current limiting operation. Therefore, in the transformer type superconducting fault
その回路例が図3であり、(A)はこの制御電流回路16を高周波電流回路で構成した場合、(B)はコンデンサ放電方式で構成した場合である。まず図3(A)において、13は図1、図2に示した2次側ワンターンコイル、14は電力系統からの電流、40は高周波電源、41は例えばサイリスタなどのスイッチングデバイス、42は電力系統の過電流検出器、43は高周波トランス、44はコンデンサ、LH1、LH2は高周波トランス43の1次側、2次側のインピーダンスであり、2次側超電導ワンターンコイル13は、その抵抗をRとしたとき、高周波トランス43における2次側のインピーダンスLH2とCを高周波電源40の周波数に共振させるように設定する。
An example of the circuit is shown in FIG. 3, where (A) shows a case where the control
今、電力系統からの電流14が異常電流となり、それを電力系統の過電流検出器42が検出するとスイッチングデバイス41がONとなり、高周波電源40からの高周波が高周波トランス43を介してコンデンサ44、本発明の変圧器型超電導限流器10におけるミアンダ構造に直列接続された2次側ワンターンコイル13に印加される。
Now, when the current 14 from the power system becomes an abnormal current and is detected by the
すると前記(4)式に示したように、高周波電源40からの高周波の周波数fと最大電流Imの3乗に比例し、臨界電流値Jcに反比例した交流損失Pacが発生し、その熱によってワンターンコイル13は瞬時に常伝導状態に転移し、1次側に前記(3)式によるインピーダンスZ1が出現してΔV=Z1・I1の電圧降下が生じ、故障電流が抑制される。
Then, as shown in the equation (4), is proportional to the cube of the high frequency of f and the maximum current I m from the high
一方、図3(B)のコンデンサ放電方式は、45がDC電源、46が充電抵抗、47がコンデンサ、48が例えばサイリスタなどのスイッチングデバイス、49は電力系統14の過電流検出器、50は電流制限抵抗であり、DC電源45の電圧をE0、コンデンサ47の容量をC、蓄えられた電荷をQ、電流制限抵抗50の抵抗値をR0とすると、ワンターンコイル13に流れる電流i(t)は、Q=C×E0なので下記(5)式になる。
i(t)=(E0/R0)exp(−t/CR0) …………………(5)
そのため、超電導ワンターンコイル13に流れる臨界電流をIcとしたとき、(E0/R0)>2Icとなるように電流制限抵抗50R0を設定すると、超電導ワンターンコイル13は超電導状態から常伝導状態となる。
On the other hand, in the capacitor discharge method of FIG. 3B, 45 is a DC power source, 46 is a charging resistor, 47 is a capacitor, 48 is a switching device such as a thyristor, 49 is an overcurrent detector of the
i (t) = (E 0 / R 0 ) exp (−t / CR 0 ) (5)
Therefore, when the current limiting resistance 50R 0 is set so that (E 0 / R 0 )> 2I c when the critical current flowing in the superconducting one-
いま、電力系統からの電流14が異常電流となってそれを電力系統の過電流検出器49が検出すると、スイッチングデバイス48がONとなってコンデンサ47から電流制限抵抗50を通り、本発明の変圧器型超電導限流器10におけるミアンダ構造に直列接続された2次側ワンターンコイル13に印加される。このとき、電流制限抵抗50R0が上記のように設定されていると、超電導ワンターンコイル13は超電導状態から常伝導状態となり、1次側に前記(3)式によるインピーダンスZ1が出現してΔV=Z1・I1の電圧降下が生じ、故障電流が抑制される。
Now, when the current 14 from the power system becomes an abnormal current and is detected by the
次に、本発明になる変圧器型超電導限流器10を、66kV、100Aの限流器に適用した場合の具体例構成イメージにつき、図6乃至図8を用いて説明する。図6は、本発明の変圧器型超電導限流器10を、66kV、100Aの限流器に適用した場合の具体例構成イメージ図であり、図7は図6に示した本発明になる変圧器型超電導限流器10を用いた試験回路例、図8は本発明になる変圧器型超電導限流器10の動作シミュレーション結果の波形を示した図で、(A)は実線が限流器ありの場合、破線が限流器なしの場合、(B)は制御電流回路16を用いた限流動作シミューレーションで、実線が限流器ありの場合、破線が限流器なしの場合、図9はBi2Sr2Ca2Cu3Oxのテープ線材の交流損失を示したグラフである。
Next, a specific example configuration image when the transformer type superconducting current limiting
まず図6において60は磁気ヨーク、61は1次側高電圧コイル、62は空隙、63は図1に13で示した2次側ワンターンコイルを冷却するためのクライオスタット、64は降圧ブッシングであり、磁気ヨーク60の小直径を例えば601として示したように0.8mとし、高さを4.8m、1次側と2次側の中心間隔を3.6mとする。
First, in FIG. 6, 60 is a magnetic yoke, 61 is a primary high voltage coil, 62 is a gap, 63 is a cryostat for cooling the secondary one-turn coil shown by 13 in FIG. 1, and 64 is a step-down bushing. and 0.8m as shown small diameter of the
前記したように電圧階級を基幹系の66kV、電流を100Aとし、限流器10用の変圧器に磁気ヨーク60を使って鉄損や励磁電流が十分小さく理想変圧器を実現できると仮定すると、限流器10として動作させるために変圧器1次側に高圧線導体でN1=400ターンのコイルを巻き、2次側の超電導のワンターンコイル13として、市販の4mm幅のYBa2Cu3O7テープ線材(以後、Y系テープ線材と略称する)を使う。
As described above, assuming that the voltage class is 66 kV of the basic system, the current is 100 A, and the
磁性体である磁気ヨーク60の非透磁率μsを1000とし、最大飽和磁束値を1.5Tとすると、1次側インダクタンスL1は1.97(H)、2次側インダクタンスL2は12.3(μH)、100%の磁気結合は非現実的なので95%とすると、相互インダクタンスMは46.8(mH)となる。変圧器2次側の巻き数N2はワンターンであるから1であり、1次側の電流をI1(上記の場合100A×21/2(A))とし、2次側超電導ワンターンコイル13の冷却にスラッシュ冷媒の1つであるスラッシュ窒素を用いるとすると、変圧器の基本特性N1I1=N2I2から、変圧器2次側の電流I2は下記(6)式で表される。
I2≒6×104(A) ………………(6)
When the
I 2 ≈6 × 10 4 (A) (6)
そのワンターンコイル13に流れる臨界電流Icが80(A)とすると、このIc値と(6)式とから、変圧器型超電導限流器10として機能させるには、
6×104/80=750(本)
のY系テープ線材が必要になり、2次側巻線の全幅はテープ線材幅が4mmなので750×0.004=3.0(m)となる。このようなY系テープ線材を納めるクライオスタットの高さは、図6に具体的に数値を示したように3.2mとなり、ヨーク60の小直径は前記したように0.8mであるから、クライオスタットの断熱材厚みを考慮してワンターンコイルの直径は0.85m、1周長が2.67mで750本なので全長約2000mのY系テープ線材が必要となる。
Assuming that the critical current I c flowing through the one-
6 × 10 4/80 = 750 ( the)
Y-type tape wire is required, and the total width of the secondary winding is 750 × 0.004 = 3.0 (m) because the tape wire width is 4 mm. The height of the cryostat that accommodates such a Y-based tape wire is 3.2 m as specifically shown in FIG. 6, and the small diameter of the
図7は図6に示した変圧器型超電導限流器10を用いた限流器試験回路例であり、図中、70は電力系統の過電流検出器、71は負荷抵抗(一例として700Ω)、72は限流器10に限流動作を行わせるためのスイッチングデバイス、73は負荷抵抗(一例として100Ω)、74は電流計(CT)である。
FIG. 7 shows an example of a current limiter test circuit using the transformer type superconducting
この図7に示した試験回路において、通常は72で示したスイッチングデバイスが開いているため、66kVの入力電圧は限流器10、電流計(CT)74から71、73で示した負荷抵抗(700+100Ω)を通る。この状態で時刻t=0.5secにおいて、スイッチングデバイス72を閉じて電流が負荷抵抗71(700Ω)を通らないようにして、負荷抵抗が73の100Ωのみに変化した時のシミュレーション結果を示したのが図8(A)である。
In the test circuit shown in FIG. 7, since the switching device indicated by 72 is normally open, the input voltage of 66 kV is the load resistance indicated by the
この図8(A)において横軸は時間(単位:sec)、縦軸は電流(単位:A)、実線は限流器10がある場合、破線は限流器がない場合であり、時刻t=0.5secまではピークが約116Aだった電流が、限流器無し(破線)では0.5secから1000Aを超す故障電流が流れるところ、限流器10がある場合(実線)はそれを400A程度に抑制している。この図8(A)に示した例は大きな事故を想定した場合であり、このような大電流事故では、制御系の動作には無関係に、変圧器型超電導限流器として動作している。
In FIG. 8A, the horizontal axis is time (unit: sec), the vertical axis is current (unit: A), the solid line is when the
また、図8(B)は、同じく時刻t=0.5secで負荷抵抗が800Ωから600Ωに変化した場合のシミュレーション結果であり、この場合、2次側電流が超電導体の臨界電流値を超さないので変圧器型限流器としては動作せず、時刻t=0.6secで電力系統の過電流検出器70が、制御電流を2次側超電導体に送って強制的に常電導状態に転移させて限流動作させた場合である。
FIG. 8B shows the simulation result when the load resistance is changed from 800Ω to 600Ω at the same time t = 0.5 sec. In this case, the secondary current exceeds the critical current value of the superconductor. Therefore, it does not operate as a transformer type current limiter, and at time t = 0.6 sec, the
この図8(B)も(A)の場合と同様、横軸は時間(単位:sec)、縦軸は電流(単位:A)、実線は限流器10がある場合、破線は限流器がない場合であり、時刻t=0.5secまではピークが約116Aだった電流が、限流器無し(破線)では0.5secから150Aを超す故障電流が流れるところ、過電流検出器70が制御電流を2次側超電導体に送り、強制的に常電導状態に転移させて限流動作させたことで約120A程度に抑制している。なお、実際の限流器では、0.1秒の時間遅れは発生しないが、この図8(B)では分かり易くするため時間遅れを設定してある。
In FIG. 8B as well as in FIG. 8A, the horizontal axis is time (unit: sec), the vertical axis is current (unit: A), the solid line is the
このように、本発明になる変圧器型超電導限流器では、限流動作点を自由に設定・調整が可能であり、これまでの超電導限流器が抱える設定調整問題を完全に解決できる事になる。 Thus, in the transformer type superconducting fault current limiter according to the present invention, the current limiting operating point can be freely set and adjusted, and the setting adjustment problem of the conventional superconducting current limiter can be completely solved. become.
なお、前記したように限流器は、もともと遮断器が動作するまでの数サイクルの故障電流を抑制する電力機器であるが、動作時に発熱があるため再起動には冷却時間が必要である。特に、超電導体に高電圧を掛ける抵抗転位型限流器では、数サイクルの限流動作で超電導体は常温まで温度上昇し、万が一、遮断器が動作しない最悪の場合には超電導体は焼損する。温度上昇を抑えるため熱容量の大きな金属ブロックに熱を逃がす方法も考えられるが、電気絶縁上の問題から難しい。 As described above, the current limiter is originally a power device that suppresses a failure current of several cycles until the circuit breaker operates. However, since it generates heat during operation, a cooling time is required for restarting. In particular, in a resistance dislocation type fault current limiter that applies a high voltage to the superconductor, the temperature of the superconductor rises to room temperature with a few cycles of current limiting operation, and in the worst case when the breaker does not operate, the superconductor burns out. . In order to suppress the temperature rise, a method of releasing heat to a metal block having a large heat capacity can be considered, but it is difficult due to a problem in electrical insulation.
一方、本発明のような変圧器型超電導限流器は、例えば前記図6の構成の場合、4mm幅のテープ線材の抵抗が0.75Ωであるとして750本並列なので、全体抵抗はRn=1mΩとなる。冷却系には前記したように循環するスラッシュ窒素冷却システムを想定し、液体窒素の核沸騰現象から予測して、控えめに、β=1.0(W/cm2・k)と仮定する。これより、超電導テープ線材の全表面積はS=2.67×3.=8(m2)なので、熱伝達係数は、α=S×β=80000(W/k)となる。 On the other hand, the transformer type superconducting fault current limiter as in the present invention is parallel to 750 assuming that the resistance of a 4 mm wide tape wire is 0.75Ω in the case of the configuration of FIG. It becomes. As the cooling system, a slush nitrogen cooling system that circulates as described above is assumed, and β = 1.0 (W / cm 2 · k) is conservatively predicted from the nucleate boiling phenomenon of liquid nitrogen. Accordingly, the total surface area of the superconducting tape wire is S = 2.67 × 3. Since = 8 (m 2 ), the heat transfer coefficient is α = S × β = 80000 (W / k).
常電導転移時の発熱量は、Q=Rn×I2 2=Rn×(N1I1)2なので、図8(A)の場合はQ=0.001×(400×100)2=1.6×106(W)[電流のピーク値を使っているので、実際の発熱はこれより小さい]となる。T→∞の温度上昇はΔT=Q/αなので、図8(B)の場合、ΔT=20(k)となる。スラッシュ窒素温度が63kなので、限流動作してもテープ線材は83k程度の温度上昇に収まり、臨界温度以下である。つまり限流器10は、過大電流の原因が除去されると瞬時に再起動することができる。
The calorific value at the normal conduction transition is Q = Rn × I 2 2 = Rn × (N 1 I 1 ) 2, so in the case of FIG. 8A, Q = 0.001 × (400 × 100) 2 = 1. 6 × 10 6 (W) [Because the peak value of the current is used, the actual heat generation is smaller than this]. Since the temperature rise from T → ∞ is ΔT = Q / α, in the case of FIG. 8B, ΔT = 20 (k). Since the slush nitrogen temperature is 63 k, the tape wire stays within a temperature rise of about 83 k even if the current limiting operation is performed, and is below the critical temperature. That is, the
また、図8(A)のような重故障の場合、I1=360Aなので、T→∞でΔT=260(k)となり、常温まで上昇するが焼損する事は無い。つまり遮断器が動作しない最悪の場合であっても、再冷却すれば限流器は再起動できる事になる。一般的に変圧器型の限流器は、抵抗転位型限流器に比べて動作時の温度上昇が小さいが、その理由は同じ限流特性を実現する上で、変圧器型限流器が多くの超電導テープ線材量を必要とするためであり、その結果、冷却表面積が増大して温度上昇が小さくなる。 In the case of a serious failure as shown in FIG. 8A, since I 1 = 360 A, ΔT = 260 (k) from T → ∞, and the temperature rises to room temperature, but does not burn out. In other words, even in the worst case where the circuit breaker does not operate, the current limiting device can be restarted by recooling. Generally, a transformer type current limiter has a smaller temperature rise during operation than a resistance shift type current limiter. The reason for this is that the transformer type current limiter This is because a large amount of the superconducting tape wire is required. As a result, the cooling surface area is increased and the temperature rise is reduced.
最後に前記図6に示した、高電圧66kV、100A級の変圧器型超電導限流器を実際に作製した場合に必要な冷凍機のパワーについて検討する。前記図6に示した変圧器型超電導限流器の場合、熱負荷は外部(常温)からの熱侵入、超電導体の交流損失、電気絶縁材料からの誘電体損失等になる。前記図6に示した変圧器型超電導限流器の場合、超電導体は低電圧動作なので誘電体損失を無視出来る。 Finally, the power of the refrigerator necessary for actually producing the high voltage 66 kV, 100 A class transformer type superconducting fault current limiter shown in FIG. 6 will be discussed. In the case of the transformer type superconducting fault current limiter shown in FIG. 6, the heat load is heat penetration from the outside (at room temperature), AC loss of the superconductor, dielectric loss from the electrically insulating material, and the like. In the case of the transformer type superconducting fault current limiter shown in FIG. 6, the dielectric loss can be ignored because the superconductor operates at a low voltage.
超電導体の交流損失に関しては、臨界電流密度が大きいY系線材を使う場合、Bi線材より小さいと考えられるが、仮にBi線材と同程度とすると、横軸に電流、縦軸に交流損失を取って1cm幅のBiテープ線材の交流損失特性を示した図9のグラフから、電流80Aであれば〜10−3(W/m)程度となる。また、テープ線材の総延長は2000m強なので、図6に示した提案変圧器型超電導限流器の交流損失は数W程度となる。 Regarding the AC loss of superconductors, when using Y-based wires with a high critical current density, it is considered to be smaller than Bi wires. However, assuming the same level as Bi wires, the horizontal axis represents the current and the vertical axis represents the AC loss. From the graph of FIG. 9 showing the AC loss characteristics of the Bi tape wire having a width of 1 cm, the current is about −3 −3 (W / m) when the current is 80 A. Further, since the total length of the tape wire is slightly over 2000 m, the AC loss of the proposed transformer type superconducting fault current limiter shown in FIG.
一方、外部からの熱侵入に関しては、図6に示した変圧器型超電導限流器にはケーブルやマグネットのようなパワーリードが無いので、クライオスタットからの熱侵入のみとなるから、図6に示したクライオスタットが真空断熱構造であるとして、表面はマイラー・シートで遮熱されているとすると、マイラー・シートの熱輻射率を0.01とした場合、全表面積が約20m2なので約50Wとなり、熱負荷の殆どは輻射による熱侵入になる。さらに、例えばスラッシュ窒素冷凍機のCOPを仮に0.05と仮定すると、1kWの動力となり、実際の電力系統は3相交流なので、3個の限流器が必要であるから冷凍機の総合所要動力は3kW程度になる。 On the other hand, regarding the heat intrusion from the outside, the transformer type superconducting fault current limiter shown in FIG. 6 has no power lead such as a cable or a magnet, so only the heat intrusion from the cryostat is shown in FIG. Assuming that the cryostat has a vacuum heat insulation structure, and the surface is shielded by a Mylar sheet, assuming that the thermal emissivity of the Mylar sheet is 0.01, the total surface area is about 20 m 2, so it is about 50 W. Most of the heat load is heat penetration due to radiation. Further, for example, assuming that the COP of the slush nitrogen refrigerator is 0.05, the power is 1 kW, and since the actual power system is a three-phase AC, three current limiters are required, so the total required power of the refrigerator Is about 3kW.
本発明によれば、簡単、安価な構成で限流動作設定条件を自由に調整・制御できる変圧器型超電導限流器を提供でき、自立型の地域電力ネットワークなどの限流器として用いることで、万一の事故で系統全体が不安定となって大規模な停電に繋がる、といったことを未然に防ぐことができる。 According to the present invention, it is possible to provide a transformer type superconducting current limiter that can freely adjust and control the current limiting operation setting conditions with a simple and inexpensive configuration, and can be used as a current limiting device such as a self-supporting local power network. In the unlikely event of an accident, the entire system becomes unstable, leading to a large-scale power outage.
10 変圧器型超電導限流器
11 クライオスタット
12 スラッシュ窒素
13 2次側ワンターンコイル
14 電力系統へ
15 変圧器1次側巻線コイル
16 制御電流回路
17、18 制御電流配線
19 磁気ヨーク
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記変圧器2次側の超電導体線材はワンターン環状線材とされて互い違いにミアンダ構造に複数巻回され、一のワンターン環状線材に隣接する他のワンターン環状線材との接続点から次のワンターン環状線材に対する接続点までの左右の距離が、略同距離となるようにされていることを特徴とする変圧器型超電導限流器。 A primary side of a transformer wound with a power conductor connected to the power system, and a secondary side of a transformer placed in a superconducting environment around which a superconductor wire is wound. In a transformer type superconducting fault current limiter that performs current limiting operation with the primary side impedance generated by the transition from the superconducting state to the normal conducting state of the secondary superconductor wire due to abnormal current,
The superconductor wire on the secondary side of the transformer is a one-turn annular wire, and is alternately wound around a meander structure, and the next one-turn annular wire from the connection point with another one-turn annular wire adjacent to the one-turn annular wire. A transformer-type superconducting fault current limiter, characterized in that the left and right distances to the connection point are substantially the same distance.
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