JP2010251713A - 限流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】限流装置を簡単にする。
【解決手段】互いに同心状に配置され、その間に真空断熱部３が備わる２本の金属管１，２から成り、冷媒が通る空間を取り囲むクライオスタットＫＲ内に配置された、超伝導材料から構成された複数のコンポーネント４，５，６を使用する限流装置である。該複数のコンポーネントは、それぞれ、互いに絶縁され、互いに同心状に配置された、希土類をベースとした超伝導材料ＲｅＢＣＯから構成される３個の相導体７，８，９を含む。ｎ個のコンポーネントが該クライオスタットＫＲ内に配置されており、該コンポーネントの相導体は、各コンポーネント、すなわち第１のコンポーネントの内側相導体７が第２のコンポーネントの中心相導体８に接続され、該中心相導体８が第３のコンポーネントの外側相導体９に接続されるように、周期的に電気的に接続されており、ｎが３または３の倍数である。
【選択図】図１

Description

本発明は、互いに同心状に配置され、その間に真空断熱部を収めた２本の金属管からなり、冷媒が通る空間を囲むクライオスタット内に配置された超伝導材料から構成されるコンポーネントを使用する限流装置に関する（特許文献１）。

例として、超伝導材料は、電力伝送に使用されるケーブル内の導体として使用される。現代の技術において、超伝導材料は、十分に低い温度で超伝導状態に変化する、セラミック材料を含む合成材料からなる。冷却が十分であれば、特定の電流レベル、すなわち臨界電流レベルを超えない限り、このように構成された導体の直流電気抵抗はゼロである。例として、適切なセラミック材料は、希土類元素をベースとした酸化物材料（ＲｅＢＣＯ）、特に、ＹＢＣＯ（イットリウム・バリウム・銅酸化物）またはＢＳＣＣＯ（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物）である。例として、そのような材料を超伝導状態に変化させる十分に低い温度は、６７Ｋ及び１１０Ｋの間である。例として、適切な冷媒は、窒素、ヘリウム、ネオン及び水素またはこれらの物質の混合物である。

上記の限流装置は、ケーブル経路または他の接続装置のような所望の伝送経路に、フューズタイプとして設置することができる。接続装置を経由してまたは接続装置の中において、より大きな電流またはより小さな電流が伝送される。目的は、保護すべき伝送経路に短絡が生じた場合に、保護すべき伝送経路に起こる重大な損害を防止することである。短絡の場合に、限流装置のインピーダンスは、大幅に上昇し、ピーク短絡電流を大きく減少させる。その後、短絡を克服するために、回路遮断機によって伝送経路を遮断することができる。短絡の原因が修正されると、限流装置に変化を与える必要なく、伝送経路を再接続することができる。

上記に引用した特許文献１は、少なくとも一つの限流用の超伝導コンポーネントを有する装置を記載している。該コンポーネントは、その周囲に超伝導導体が巻かれ、超伝導導体と並列に接続された通常導体を備えた、超伝導材料から構成される円筒状支持体を備える。限流器を製造するために、複数のそのようなコンポーネントが、電気的に直列または並列に接続されて配置される。

ＥＰ１６８１７３１Ａ１

本発明は、上記の限流装置を簡単にするという目的に基づいている。

本発明によれば、上記の目的は、
複数のコンポーネントが、それぞれ、互いに絶縁され、互いに同心状に配置された、ＲｅＢＣＯ材料から構成される３個の相導体を含み、
ｎ個のコンポーネントが該クライオスタットＫＲ内に配置されており、該コンポーネントの相導体は、各コンポーネントの内側相導体が第２のコンポーネントの中心相導体に接続され、該中心相導体が第３のコンポーネントの外側相導体に接続されるように、周期的に電気的に接続されており、ｎが３または３の倍数である、ことによって達成される。

ＲｅＢＣＯ材料は、いわゆる第２世代の超伝導材料である。ＲｅＢＣＯ材料から構成される導体は、通常の伝導範囲において、第１世代の材料、たとえば、ＢＳＣＣＯから構成される導体よりもかなり低い電気抵抗を有する。コンポーネントの相導体は、その臨界電流レベルが、それを超えると短絡電流制限が起きることが意図される電流レベルの大きさに対応するように設計するのが都合がよい。この電流レベルに到達すると、相導体の超伝導材料は、通常伝導状態に変化する。この状態において、ＲｅＢＣＯ材料は、電気的に伝導性が低い。その結果、直ちに相導体の抵抗が大幅に増加する。すなわち、コンポーネントの電気インピーダンスが増加する。したがって、装置を流れる短絡電流は、顕著にかつ急速に制限される。短絡電流によってコンポーネントに導入されるエネルギは、コンポーネントを加熱する。短絡電流が制限されると、コンポーネントを急速に冷却するために、装置を伝送経路から伝送経路から切り離すのが都合がよい。このことによって、装置が短絡電流によって損害を受けないことが保証される。短い冷却時間の後であって、伝送経路における短絡の原因が修正された後、いかなる対策を講ずる必要もなく、装置は再び動作できる状態となる。

装置の好ましい実施形態において、超伝導ケーブルの３個のコンポーネントのみが使用される場合に、相導体を接続するために、小さな数の接点しか必要でない。このことは、それぞれの相導体を接続するために、特に、第１世代の超伝導導体、たとえば、ＢＳＣＣＯ導体が使用される場合に、接点による損失を減少させる。装置の３個の異なるコンポーネント内の３個の異なる相導体を周期的に接続することは、このことによって、装置全体が特に一様なインピーダンスを有することとなるので、特に都合がよい。３個のコンポーネントを備えた装置は、非常にコンパクトとなり、クライオスタットも比較的小さい表面積を有し、したがって、熱損失が少ない。通常動作中に、相互補償は、各コンポーネントにおける相導体の同心状の構成の外側に電磁場が生じないことを意味する。したがって、損失にいたる、渦電流がクライオスタットに導入されることはない。

本発明による主題の例示的な実施形態は、図面によって説明されている。

本発明による装置の断面の概要を示す図である。 図１に示した装置の詳細を、拡大して示す図である。 図１に示した装置から変形した装置の実施形態を、同様に概要として示す図である。 装置のコンポーネントの間の電気的な接続のレイアウトを示す図である。

本発明による限流装置は、本明細書において、それぞれが３個の超伝導相導体を有する、３個の（ｎ＝３）コンポーネントとして説明される。適切に設計すれば、それぞれがそのようなコンポーネントを有する、２個以上のユニットを一つのクライオスタットに収納させることもできる。

図１は、互いに同心状に配置された２本の金属管１及び２を備えたクライオスタットＫＲを示す図である。真空断熱部３が金属管１及び２の間に置かれる。金属管１及び２は、長手方向に対して横断するように波形を付してもよい。クライオスタットＫＲは、その中を冷媒が通過する空間ＦＲを囲む。空間ＦＲには３個のコンポーネント４、５及び６が配置され、３個のコンポーネントは、互いに絶縁され、互いに同心状に配置された３個の相導体７、８及び９をそれぞれ有する。

超伝導相導体７、８及び９は、ＲｅＢＣＯ、より正確に好ましくはＹＢＣＯからなる帯を備えるのが有利である。内側相導体７は、支持体１０の周囲に形成される。支持体１０は、図示された例示的な実施形態においては、管の形をしており、グラスファイバー強化プラスチックからなるのが有利である。ストランドを支持体１０として使用することもできる。内側相導体７は、同心状に距離を隔てて中心相導体８によって囲まれている。同様に、中心相導体８は、同心状に距離を隔てて外側相導体９によって囲まれている。相導体の間の同心状のギャップは、内側相導体７と中心相導体８との間の絶縁層１１及び中心相導体８と外側相導体９との間の絶縁層１２である。

絶縁層１１及び１２は、支持体１０が管の形である場合に、装置の動作中に支持体１０を通り抜けるのと同様に、クライオスタット中を通る冷媒が、通ることができるギャップであるのが有利である。このような構成によって、短絡が修理された場合により急速に装置を冷却することが可能となる。相導体が適切に保持されれば、相導体の間のギャップは、その端部において別の補助器具がなくとも保持されうる。しかし、相導体の経路にわたり、数箇所のポイントにおいて、相導体の間に少量の絶縁材料からなるスペーサを取り付けることもできる。スペーサは、相導体の間を通る冷媒に対して、ほとんど障害とはならない。絶縁材料からなる複数の管、たとえば、グラスファイバー強化プラスチックからなる管を、絶縁層１１及び１２として使用することも可能である。

図１に示す実施形態において、３個のコンポーネント４、５及び６が、互いに接触せず、装置の動作中に冷媒がその周囲を流れるように、クライオスタットＫＲ内に該３個のコンポーネントを配置することができる。しかし、図２に示すように、コンポーネント４、５及び６の外側相導体９上に絶縁層１３を取り付けることもできる。

層導体７、８及び９は、ＹＢＣＯ材料が塗布された帯であって、それぞれの下地の周囲に少なくとも２層に巻かれた帯からなるのが有利である。帯を含む層は互いに絶縁されている。個々の層において、複数の帯は互いに並んで配置され、同様に互いに絶縁されており、電気的に並列に接続されている。ＹＢＣＯ材料の長さをできるだけ長くするために、帯は、短い撚りのピッチ（lay）で巻くのが有利である。個々の層の巻きの方向は、逆向きであるのが好ましい。帯の代わりに、ＹＢＣＯ材料が塗布されたワイヤを使用することも可能である。帯の撚りのピッチ長さ及び撚りの方向は、層導体７、８及び９のインダクタンスができるだけ小さくなるように選択される。

図１に見られるように、コンポーネント４、５及び６は、クライオスタットＫＲ内において互いに並んで配置される。この構成によって、装置は軸方向に短くコンパクトになる。しかし、図３に見られるように、コンポーネント４、５及び６は、クライオスタットＫＲ内において、１個が他の後ろになるように取り付けることもでき、このようにして、クライオスタットＫＲの直径を減少させることが可能である。両方の実施形態において、クライオスタットの外側の表面積は比較的小さく、それに対応して熱損失も少ない。

３個のコンポーネント４、５及び６の相導体７、８及び９は、互いに電気的に接続される。ＢＳＣＣＯからなる接続導体１４がこの目的のために使用される。図４に見られるように、装置内のそれぞれの相導体が、３個の可能な位置の各々を占めるように、場所を変えながら周期的に接続が行なわれる。

この意味では、たとえば、コンポーネント４の外側相導体９は、コンポーネント５の内側相導体７に接続され、さらに、コンポーネント６の中心相導体８に接続される。コンポーネント４の中心相導体８は、コンポーネント５の外側相導体９に接続され、さらに、コンポーネント６の内側相導体７に接続される。コンポーネント４の内側相導体７は、同様に、コンポーネント５の中心相導体８に接続され、さらに、コンポーネント６の外側相導体９に接続される。図４において、対応する接続導体１４は、交差する線として示される。

このようにして製造された装置は、使用される際に、電流の伝送経路に接続される。その際、コンポーネント４、５及び６は、この伝送経路の一部となる。電力供給系において短絡が生じた場合に、増加した電流レベルの電流が伝送経路を経由して流れる。この電流レベルが、コンポーネント４、５及び６の相導体７、８及び９における臨界電流レベルよりも高ければ、相導体７、８及び９の電気抵抗は、突然に大幅に増加し、その結果、装置の電気インピーダンスが突然増加する。この現象は、適切な監視回路に記録され、伝送経路が切り離される。これによって、コンポーネント４、５及び６は、直ちに冷却される。短絡の原因が修理されるとすぐに、伝送経路を再接続することができる。

Claims (8)

1. 互いに同心状に配置され、その間に真空断熱部が備わる２本の金属管から成り、冷媒が通る空間を取り囲むクライオスタット内に配置された、超伝導材料から構成された複数のコンポーネントを使用する限流装置であって、
   該複数のコンポーネント（４，５，６）は、それぞれ、互いに絶縁され、互いに同心状に配置された、希土類をベースとした超伝導材料（ＲｅＢＣＯ）から構成される３個の相導体（７，８，９）を含み、
   ｎ個のコンポーネント（４，５，６）が該クライオスタットＫＲ内に配置されており、該コンポーネントの相導体は、各コンポーネント、すなわち第１のコンポーネントの内側相導体（７）が第２のコンポーネントの中心相導体（８）に接続され、該中心相導体（８）が第３のコンポーネントの外側相導体（９）に接続されるように、周期的に電気的に相互に接続されており、ｎが３または３の倍数である、限流装置。
2. 該相導体（７，８，９）は、超伝導材料を支持し、互いに絶縁され、少なくとも２層で支持体の周囲に好ましくは短い撚りのピッチで巻かれた複数の帯を備え、該２層は、互いに絶縁されており、一方が他方の上に配置されている請求項１に記載の限流装置。
3. 該帯の撚りのピッチ長さ及び撚りの方向は、該相導体（７，８，９）のインダクタンスができるだけ小さくなるように定められる請求項２に記載の限流装置。
4. 個々の層の複数の帯は、電気的に並列に接続されている、請求項２または３に記載の限流装置。
5. 該複数のコンポーネント（４，５，６）が物理的に互いに並んで配置される、請求項１から４のいずれかに記載の限流装置。
6. 該複数のコンポーネント（４，５，６）が物理的に軸方向に１個が他方の後ろになるように配置される、請求項１から４のいずれかに記載の限流装置。
7. 該相導体（７，８，９）がＹＢＣＯから構成される、請求項１から６のいずれかに記載の限流装置。
8. ＢＳＣＣＯから構成される超伝導導体が、該複数のコンポーネント（４，５，６）の該相導体（７，８，９）の間の接続導体として使用される、請求項１から７のいずれかに記載の限流装置。

Images