JP2010519679A - 故障電流制限htsケーブルおよびその構成方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2007年2月9日に出願した米国特許出願第11/673,281号の優先権を主張した、2007年3月20に出願した一部継続米国特許出願第11/688,827号の優先権を主張した、2007年3月20日に出願した一部継続米国特許出願第11/688,817号の優先権を主張した、2007年3月20日に出願した一部継続米国特許出願第11/688,802号の優先権を主張するものである。
概説
図1を参照すると、電力公益事業電力格子10の一部は、高温超伝導体(HTS)ケーブル12を備えることができる。HTSケーブル12は、数百メートルまたは数千メートルの長さにすることができ、また、発電所(図示せず)から電力を引き渡すための、あるいは遠隔の電力公益事業(図示せず)から電力を引き入れるための、電流が比較的大きく/抵抗が比較的小さい電気経路を提供することができる。
もう一度図1を参照すると、格子セクション10内の故障電流によって、HTSケーブル12を通って流れる電流が従来の遮断器34、36の制限を超えて大きくなる場合、HTS FCLデバイス42(仮想線で示されている)または従来のリアクトル技術(図示せず)を格子セクション10内に組み込むことができ、それにより、HTSケーブル12を通って流れる故障電流の大きさを従来の遮断器34、36が遮断することができるレベルに制限することができる。通常の状態の下で公称電流レベルが格子セクション10に流入する場合、電力潮流に直列に接続されるHTS FCLデバイス42は、極めて小さいインピーダンスが格子に導入されるように設計することができる(他の格子インピーダンスと比較して)。しかしながら、故障電流が格子セクション10に出現すると、その電流によってHTS FCL42内の超伝導体が瞬時に「通常」すなわち非超伝導状態(つまり抵抗性)になり、そのために極めて大きいインピーダンスが格子セクション10に追加されることになる。HTS FCL42は、故障電流を従来の遮断器34、36の遮断能力の範囲内である所定のレベルに制限するように設計することができる。
以下でより詳細に説明するように、可撓性長距離HTSケーブル150の様々なパラメータ(例えばケーブル150内のHTSワイヤの電気抵抗率およびスタビライザ厚さ)を制御することにより、同時に1)ケーブル中の故障電流の著しい低減を達成するために必要な正味抵抗を提供し、かつ、2)故障電流によってHTSケーブル150全体に誘導される温度上昇を、ケーブル内を循環する液体窒素冷媒の泡立ちを防止する最大値未満のレベルに維持するHTSケーブルを実現することができる。上で説明したように、液体窒素のガス状「気泡」が形成されると、HTSケーブル150の誘電体層の絶縁耐力が低下し、ひいては電圧破壊によってHTSケーブル150が破壊されることになる。
HTSワイヤは、HTSワイヤの熱容量が大きく、また、HTSワイヤの電気抵抗率が最適レベルにある場合、故障電流制限器として最も有効かつ経済的に機能する。スタビライザ層252は、これらの特性を達成するためには場合によっては不可欠である。スタビライザ層252に場合によってはとりわけ適した合金の例は、例えばZnの範囲が3〜40重量%である低合金黄銅(例えばCu−Zn)ならびに場合によっては例えばCu−Sn合金系に基づく他の黄銅合金である。抵抗率の範囲が0.8〜15マイクロオームcmである合金の場合、場合によっては77〜110Kの範囲の温度が最適である。特定の黄銅合金には、それらに限定されないが、黄銅210(95Cu−5Zn)、220(90Cu−10Zn)および230(85Cu−15Zn)、240(80Cu−20Zn)および260(70Cu−30Zn)を含むことができる。他の銅ベース合金には、例えば、上で説明した範囲の抵抗率を提供することもできるモネルシリーズ(Cu−Ni)を含むことができる。磁気移行の範囲が70〜110KのCu−Ni合金または他の合金を使用することができ、また、この温度範囲における比熱ピークが大きい追加利点を有することができる。しかしながら、これらの合金を使用する場合、保磁度を最小化することによって磁気AC損失を最小化するよう注意しなければならない。
安定化HTSワイヤの周囲に付着し、あるいは安定化HTSワイヤを覆っている、安定化HTSワイヤをカプセル封じするための、導電性に乏しい「絶縁体」層を任意選択で追加することによって追加比熱を提供することができる。導電性に乏しいこの絶縁体層は、カプセル封じ剤264と呼ぶことができる。カプセル封じ剤264は、熱伝達係数が概ね制限された液体不浸透層を形成することができ、それにより周囲の液体冷媒(例えば液体窒素)への熱の導入を遅延させ、ひいてはHTSワイヤの温度を熱化させる、つまりHTSワイヤの断面全体をより一様になるようにすることができ、したがってホットスポットの発生を最少化し、また、液体冷媒中のガス気泡の形成を最少化することができる。また、HTSワイヤの表面を最適化し(例えば表面特徴および界面化学を使用して)、液体冷媒の泡立ちまたは沸騰の発生を抑制することも可能である。
上で説明したHTSワイヤ設計基準(つまりスタビライザ層がより分厚いこと、抵抗率の値が中間であること、カプセル封じ剤を備えていること)は、第1世代のHTSワイヤを使用し、また、導電率が大きい(77Kの温度範囲で<0.5マイクロオーム−cm)銀のマトリックスを備えたマルチフィラメンタリ複合物を使用している従来の故障電流保護HTSケーブルの基準とは基本的に異なっている。このような従来の故障電流保護HTSケーブルの場合、その目的は、可能な限り導電率が大きい材料をHTSワイヤに使用するか、あるいは大量の銅をケーブル内に含んだHTSケーブル構造に使用することであった。また、FCLケーブルに使用するためのHTSワイヤ設計も、短距離モジュールにおける大きい抵抗を保証するために抵抗率が極めて大きい材料が使用され、かつ、すべてのスタビライザ層が可能な限り薄い状態に維持される独立型FCLまたはSUPERPOLI母線のための設計基準とは基本的に異なっている。詳細には、独立型FCLまたはSUPERPOLI母線の場合、バルク超伝導体(これらのバルク超伝導体は、それらがそれらの通常の状態つまり抵抗性の状態まで急冷されると、90〜110Kの温度範囲で100マイクロオーム−cmの抵抗率を有することができる)か、あるいはコーティングが施された導体ワイヤのいずれかが、ステンレス鋼のように抵抗が大きい基板と共に使用される。これらの基板は、20マイクロオーム−cmを超える抵抗率を有することができ、いくつかのケースでは、77Kの温度範囲で70マイクロオーム−cm程度の大きい抵抗率を有することができる。
また、図6を参照すると、電力公益事業電力格子300のコンテキスト内における故障電流制限HTSケーブル150の動作が示されている。この特定の実施例の場合、図に示されている電力公益事業電力格子300は、765kV母線302、69kV母線304および34.5kV母線306を備えている。さらに、図に示されている電力公益事業電力格子300は、3つの138kV変電所20、308、310を備えており、それらの各々は、3つの69kV変電所24、312、314を介して69kV母線304に電力を提供している。3つの34.5kV変電所316、318、320は、69kV母線304から34.5kV母線306に電力を提供することができる。図に示されている故障電流制限HTSケーブル150は、変電所20と24の間に結合されている。
故障電流制限HTSケーブル150を設計する場合、故障電流が流れている間にHTSケーブル150内に生じるあらゆる温度上昇(ΔT)が最大温度上昇(つまりΔTmax)より低いレベルになるように、HTSケーブル150の1つまたは複数の設計特性を構成することができる(ΔTmaxを超えると、場合によってはガス状の窒素気泡が形成されることになるため)。上で説明したように、ガス状の窒素気泡が生成されると、場合によっては誘電体層の絶縁耐力が低下し、ひいては電圧破壊によってHTSケーブル150が損傷することになる。また、それと同時に、HTSケーブル150は、故障電流を制限するための適切な抵抗を提供するために、HTSケーブル150内のHTSワイヤがその通常の状態(つまり抵抗性の状態)に駆動されると適切な長さになるように(つまり最短の長さより長くなるように)設計することができる。
Lmin=(Vpeak)(t)/(f)(Ic、w)(ρ)[式1]
である。
Lmin=(1.414×7348V)(0.035cm)/(2)(350A/cm)(0.000004Ωcm)
Lmin=1,300m
である。
ΔT=ρ(fIc、w/t)2τ/2C[式2]
Claims (27)
- 低温冷却HTSケーブルであって、当該低温冷却HTSケーブルがない場合に生じることになる最大故障電流を有する電力公益事業電力格子内に含まれるように構成され、
液体冷媒を循環させるための連続液体低温冷媒経路と、
前記最大故障電流を少なくとも10%減衰させるインピーダンス特性を有するHTSワイヤの連続可撓性構造であって、最大故障状態が発生している間、前記HTSワイヤ内の最大温度上昇が、前記液体冷媒中のガス気泡の形成を防止するだけの十分に小さい状態で前記低温冷却HTSケーブルを動作させることができるように構成されたHTSワイヤの連続可撓性構造と
を備えた低温冷却HTSケーブル。 - 連続可撓性巻線支持構造をさらに備え、前記複数のHTSワイヤのうちの1つまたは複数が前記連続可撓性巻線支持構造に対して同軸で配置された、請求項1に記載の低温冷却HTSケーブル。
- 前記連続可撓性巻線支持構造が軸方向の中空コアを備えた、請求項2に記載の低温冷却HTSケーブル。
- 前記連続可撓性巻線支持構造が波形ステンレス鋼管を備えた、請求項2に記載の低温冷却HTSケーブル。
- 連続可撓性巻線支持構造に対して同軸で配置された遮蔽層と、
前記連続可撓性巻線支持構造に対して同軸で配置され、かつ、1つまたは複数の導電層と前記遮蔽層の間に配置された絶縁層と
をさらに備えた、請求項2に記載の低温冷却HTSケーブル。 - 前記液体冷媒が液体窒素である、請求項1に記載の低温冷却HTSケーブル。
- 前記液体窒素が大気圧より高い圧力に加圧され、かつ、77K未満に過冷される、請求項6に記載の低温冷却HTSケーブル。
- 前記液体冷媒が液体水素である、請求項1に記載の低温冷却HTSケーブル。
- 前記低温冷却HTSケーブルが1つまたは複数のHTSワイヤを備えた、請求項1に記載の低温冷却HTSケーブル。
- 前記複数のHTSワイヤのうちの少なくとも1つが、イットリウムすなわち希土類・バリウム・銅・酸化物、タリウム・バリウム・カルシウム・銅・酸化物、ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸化物、水銀・バリウム・カルシウム・銅・酸化物およびマグネシウム・ジボライドからなるグループから選択されるHTS材料で構築される、請求項5に記載の低温冷却HTSケーブル。
- 前記1つまたは複数のHTSワイヤのうちの少なくとも1つが、100〜600マイクロメートルの範囲内の総合スタビライザ厚さと、90°Kで0.8〜15.0マイクロオーム−cmの範囲内の抵抗率とを有する少なくとも1つのスタビライザ層を備えた、請求項1に記載の低温冷却HTSケーブル。
- 前記1つまたは複数のHTSワイヤのうちの少なくとも1つが、200〜500マイクロメートルの範囲内の総合スタビライザ厚さと、90°Kで1〜10.0マイクロオーム−cmの範囲内の抵抗率とを有する少なくとも1つのスタビライザ層を備えた、請求項1に記載の低温冷却HTSケーブル。
- 故障状態の間のインピーダンス特性および最大温度上昇が、前記複数のHTSワイヤのうちの1つまたは複数の1つまたは複数の設計パラメータを構成することによって画定される、請求項1に記載の低温冷却HTSケーブル。
- 前記1つまたは複数の設計パラメータが、スタビライザ抵抗率係数、スタビライザ厚さ係数、ワイヤ比熱係数および動作臨界電流密度係数のうちの1つまたは複数を含む、請求項13に記載の低温冷却HTSケーブル。
- 前記低温冷却HTSケーブルに直列に結合された1つまたは複数の高速スイッチをさらに備え、前記1つまたは複数の高速スイッチが、故障状態が発生した後に開くように構成される、請求項1に記載の低温冷却HTSケーブル。
- 前記低温冷却HTSケーブルが、複数の変電所をリンクするバス・タイアプリケーションに使用されるように構成される、請求項1に記載の低温冷却HTSケーブル。
- 低温冷却HTSケーブルを構成する方法であって、
前記低温冷却HTSケーブルのための最大許容動作温度を決定する処理であって、前記低温冷却HTSケーブルが可撓性巻線支持構造を備え、前記可撓性巻線支持構造が、前記可撓性巻線支持構造に対して同軸で配置された超伝導材料の1つまたは複数の導電層を支持するように構成された、最大許容動作温度を決定する処理と、
最大故障状態が生じている間、前記低温冷却HTS超伝導ケーブルの実際の動作温度が前記最大許容動作温度未満のレベルに維持され、最大故障電流が少なくとも10%小さくなるように、前記低温冷却HTSケーブルの1つまたは複数の設計パラメータを構成する処理と
を含む方法。 - 前記最大許容動作温度が、本質的に、前記低温冷却HTSケーブルの少なくとも一部の中を循環する冷媒が液体の状態からガス状の状態に変化する温度に対応する、請求項17に記載の方法。
- 前記冷媒が加圧液体窒素である、請求項18に記載の方法。
- 前記1つまたは複数の設計パラメータが、ワイヤ抵抗率係数、スタビライザ厚さ係数、比熱係数、故障電流継続期間係数および単位幅当たりのワイヤ動作臨界電流係数のうちの1つまたは複数を含む、請求項17に記載の方法。
- 前記低温冷却HTSケーブルの前記実際の動作温度を決定する処理をさらに含む、請求項17に記載の方法。
- 前記低温冷却HTSケーブルの前記実際の動作温度を前記低温冷却HTSケーブルのための前記最大許容動作温度と比較する処理をさらに含む、請求項21に記載の方法。
- 1つまたは複数の設計パラメータを構成する処理が、前記低温冷却HTSケーブルのインピーダンスを調整することを含む、請求項17に記載の方法。
- 前記低温冷却HTS超伝導ケーブルの前記インピーダンスを調整する処理が、
最短値より長い前記低温冷却HTSケーブルの長さを調整する処理と、
前記低温冷却HTSケーブルの抵抗率を調整する処理と、
前記低温冷却HTSケーブル内のHTSワイヤに結合されたスタビライザ層の厚さを調整する処理と、
前記低温冷却HTSケーブル内のカプセル封じ剤によってHTSワイヤの比熱を調整する処理と、
前記低温冷却HTSケーブル内に含まれているHTSワイヤの動作臨界電流密度を調整する処理
とのうちの1つまたは複数を含む、請求項21に記載の方法。 - 前記スタビライザ層が少なくとも部分的に黄銅材料で構築される、請求項24に記載の方法。
- 前記低温冷却HTS超伝導ケーブルが1つまたは複数のHTSワイヤを備え、前記複数のHTSワイヤのうちの少なくとも1つが、イットリウムすなわち希土類・バリウム・銅・酸化物、タリウム・バリウム・カルシウム・銅・酸化物、ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸化物、水銀・バリウム・カルシウム・銅・酸化物およびマグネシウム・ジボライドからなるグループから選択される材料で構築される、請求項17に記載の方法。
- 前記低温冷却HTS超伝導ケーブルが、電圧源インピーダンスを有する電圧源に結合され、前記方法が、
前記電圧源の前記電圧源インピーダンスを決定する処理
をさらに含む、請求項17に記載の方法。
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