JP2011171641A

JP2011171641A - 誘導機器の超電導コイル

Info

Publication number: JP2011171641A
Application number: JP2010035957A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Bono; 敬昭坊野
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2011-09-01

Abstract

【課題】巻枠に巻回した多並列導体の配置構造を改良して、通電に伴う超電導線材のジュール発熱を効率よく冷却できるようにした誘導機器の超電導コイルを提供する。
【解決手段】円筒状の絶縁製巻枠４の外周面に螺旋状溝４ａを形成し、その溝内に沿ってテープ状の高温酸化物超電導線材５を多並列導体として巻回してなる超電導コイルにおいて、前記の多並列導体を複数の導体グループに分けて螺旋状溝４ａに多層並列配置し、かつその重ね方向で各グループの相互間に冷媒が通流する冷却ダクト８を画成するようにし、具体的にはコイルの半径方向で内外周に並ぶ導体グループの相互間にダクトピース７を分散介挿して冷却ダクト８を画成し、外周側からバインドテープ６で固定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、超電導変圧器，超電導リアクトルなどを対象とする超電導誘導機器に適用する超電導コイルに関する。

超電導コイルは、高磁界発生手段として頭記した超電導機器に適用されている。ところで、変圧器などの交流誘導機器に適用する超電導コイルは、超電導導体に交流損失が発生するという現象があることからその実用化が遅れていたが、近年になり超電導導体素線の細線化による交流損失の小さな超電導線材の開発，実用化に合わせて、変圧器などの誘導機器に適用する超電導コイルの研究，開発が急速に進められている。

次に、超電導変圧器を例に、その変圧器に使用する超電導コイルの従来構造（例えば、特許文献１参照）を図３（ａ），（ｂ）および図４で説明する。まず、図３（ａ）において、１は変圧器鉄心（鉄心脚）、２，３は円筒形の内側コイル，外側コイルであり、内側コイル２，外側コイル３は鉄心１を包囲して同心配置し、各コイルの層間に液体窒素などの冷媒を通流させて超電導コイルを極低温に冷却し、超電導状態に維持して運転するようにしている。また、一般的には内側コイル２を低圧巻線、外側コイル３を高圧巻線として、その変圧比に対応した巻回数の多い高圧巻線は、コイルを内外複数層に分けて多重円筒形として構成しており、外側コイル（高圧巻線）３を内外２層に分割して構成した例の超電導コイルを図３（ｂ）および図４示す。

この超電導コイルは、ＦＲＰなどの絶縁材で作られた円筒状の巻枠４の外周面側に先記したテープ状の酸化物超電導線材５を巻回し、電磁力支持や短絡電流抑制のために超電導線材５の外周側にガラスバインドテープ，あるいは金属テープのバインドテープ６を巻き付けて超電導線材５を保持している。

また、現在開発が進められている酸化物超電導線材５は、厚さ０．２mm程度のテープ状であることから、この線材幅の寸法に合わせて巻枠４の外周面に螺旋状溝４ａを加工しておき、この螺旋状溝４ａの溝内に沿ってテープ状の超電導線材５とバインドテープ６を一層，ないし複数層に重ねて巻回するように組立てている。さらに、超電導線材５の通電に伴うジュール発熱をその線材の内周側からも効率よく除熱するために、図４で示すように巻枠４の外周面側には螺旋状溝４ａと交差する軸方向に冷却ダクト溝４ｂを分散形成し、この冷却ダクト溝４ｂに冷媒（例えば、液体窒素）を通流して超電導線材５を内周側から冷却するようにしている。なお、図３（ａ）における内側コイル（２次側）２についても、前記と同様に超電導線材５を巻枠４の外周面側に形成した螺旋状溝４ａの溝内に沿って巻回し、その外周にバインド線６を巻き付けて組み立てている。

上記の超電導コイルにおいて、内側コイル２，外側コイル３は冷媒（液体窒素）を満たしたクライオスタットに収容し、クライオスタットに接続したサブクールシステムにより冷媒を循環して超電導コイルを極低温状態に冷却することは周知の通りである。

ところで、超電導変圧器については、配電変電所クラスの容量を持つ変圧器、例えば高圧側電圧が６６〜７７ｋＶ、低圧側電圧が６．６〜６．９ｋＶ、容量が数十ＭＶＡである大容量変圧器の開発が現在進められている。この超電導変圧器では、低圧側コイル（２次側）の通電電流は数ｋＡとなる。

一方、現在開発されている酸化物超電導線材の臨界電流値は１００〜１５０Ａクラスである。したがって、前記２次電流の通電に対応する超電導コイルを製作するには、多数本の超電導線材を並列化して電流容量を増加させる必要がある。例えば、１次電圧が６６ｋＶ、２次電圧が６．９ｋＶ、変圧器容量を２０ＭＶＡとすると、２次コイル電流は１６７４Ａとなる。したがって、この２次コイルを超電導線材で構成するには、酸化物超電導線材を２０〜３０本並列化する必要がある。この場合に、数十本もの超電導線材を全て半径方向に重ねて巻枠に一括巻回することは困難であることから多並列導体を次記のような多層並列配置とし、例えば並列導体の本数が２４本である場合には、導体を１２本ずつ重ねて２列にグループ分け（この配置を「１２重ね２並べ」と略称する）し、３２本並列の場合は導体を８本ずつ重ねて４列にグループ分け（「８重ね４並べ」）するなどして並列導体の「重ね」と「並べ」を併用した多層並列配置として巻枠に巻回するようにしている。なお、前記２４本あるいは３２本の素線は各々外表面が絶縁被覆処理され、巻線時に転位を施すことにより各素線間の電流分流を極力均一化する構成となっている。

特開２０００−１３３５１５号公報（図１０−図１１）

ところで、変圧器などの交流機器では、通電に伴い超電導線材に発生した交流損失によるジュール発熱を効率よく徐熱する必要があることは前記した通りである。この場合に、並列導体を例えば「１２重ね２並べ」，「８重ね４並べ」などの多層並列配置とした構成では、その内周，外周に並ぶ層の超電導線材は、図３，図４で述べたように巻枠４の冷却ダクト溝４ｂ，およびコイル組立体の周囲に通流する冷媒（液体窒素）で効率よく冷却されるが、その間に挟まれた中間層の超電導線材は冷媒による直接的な冷却が行われず、内周側，外周側の層の超電導線材を伝熱して冷媒側に放熱することになる。このために、多並列導体内部の温度が上昇し、この温度上昇により臨界電流（臨界電流は温度依存性がある）が低下して超電導から常電導に転移し、最悪の場合にはジュール発熱によりコイルが焼損するおそれがある。

この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、巻枠に巻回した多並列導体の配置構造を改良し、通電に伴う超電導線材のジュール発熱を効率よく冷却できるようにした熱的に信頼性の高い誘導機器の超電導コイルを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、この発明によれば、円筒状の絶縁製巻枠の外周面に螺旋状の溝を形成し、その溝内に沿ってテープ状の高温酸化物超電導線材を多並列導体として巻回してなる超電導コイルにおいて、
前記の多並列導体を複数の導体グループに分けて螺旋状溝内に多層並列配置し、かつその重ね方向で各グループの相互間に冷媒が通流する冷却ダクトを画成するものとし（請求項１）、具体的には次記のような態様で構成する。
（１）コイルの半径方向で内外周に並ぶ導体グループの相互間にダクトピースを分散介挿して冷却ダクトを画成する（請求項２）。
（２）前記巻枠の外周にガラステープないし金属テープのバインドテープを巻き付けて、多並列導体の各グループ，およびその相互間に介挿して冷却ダクトを画成するダクトピースを螺旋状溝内に拘束保持する（請求項３）。
（３）巻枠形成した螺旋状溝の内周側には、巻枠の軸方向に沿って螺旋状溝と交差する向きに冷却ダクト溝を周方向に分散形成する（請求項４）。

上記構成によれば、巻枠に巻回した多並列導体を複数のグループに分けて多層並列配置とし、かつその重ね方向でグループ相互間に画成した冷却ダクトに冷媒を通流させるようにしたことにより、多並列導体内部の中間層の導体を前記冷却ダクトに通流する冷媒で効率よく冷却することができ、これにより従来構造で問題となっていた多並列導体内部の過度な温度上昇を抑制して、安定した通電が可能な誘導機器の超電導コイルを提供できる。

この発明の実施例による超電導コイルの組立構造を表す図で、巻枠の中心軸と垂直な横断面図である。図１の矢視Ｘ−Ｘに沿った超電導コイルの縦断面図である。超電導変圧器に適用した特許文献１に開示されている超電導コイルの構成図であって、（ａ）変圧器全体の略示構成図、（ｂ）は（ａ）における外側コイルの縦断側面図である。図３（ｂ）に対応する超電導コイルの横断面図である。

以下、この発明の実施の形態を図１，図２に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図３，図４に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。

図１，図２の実施例は、図３（ａ）に示した超電導変圧器の内側コイル（２次側）２に対応する超電導コイルであり、その巻枠４の外周面側に形成した螺旋状溝４ａの溝内に沿って巻回した超電導線材５は一例として並列本数を２４本とし、「１２重ね２並べ」に配置した多並列導体をさらに「重ね」方向で３等分にグループ分けし、「４重ね２並べ」×３グループの多層並列配置としている。なお、前記２４並列導体を構成する素線は全て絶縁被覆処理されている。また、「４重ね２並べ」の各導体グループの相互間には、図１のようにダクトピース７を周方向に沿って分散配置して内外周に並ぶグループ相互間に冷却ダクト８を画成している。そのほか、図４の従来構造と同様に、巻枠４には巻枠の軸方向に沿って螺旋状溝４ａと交差する方向に冷媒（液体窒素）が通流する冷却ダクト溝４ｂを形成し、さらに螺旋状溝４ａの外周にはバインドテープ６を巻き付けて溝内に巻回した多層並列配置の導体グループ，および各導体グループの相互間に介挿配備したダクトピース７を所定位置に拘束保持するようにしている。

なお、図示の超電導コイルは、一例として２４本の並列導体を「１２重ね２並べ」として径方向に３グループに分けているがこれに限定されるものではなく、「重ね」，「並べ」数、およびグループ分けの分割数を適宜に変更して組み合わせてもよい。また、図示例ではダクトピース７を導体の「重ね」方向に介挿して多並列導体の内部に冷却ダクト８を画成しているが、「並べ」数が多くなる場合には、前記のダクトピース７のほかに、「並べ」方向でも導体グループ間にダクトピースを介挿配置して冷却ダクトを形成することができる。

上記構成によれば、巻枠4に巻回した多並列導体に対して、その内部に画成した冷却ダクトに冷媒を通流することで、多並列導体内部の中間層の導体を冷媒で直接効率よく冷却することができ、これにより従来構造で問題となっていた多並列導体内部の過度な温度上昇を抑制して、コイル全体で安定した通電が可能となる。

１：鉄心
２：内側コイル(低圧巻線)
３：外側コイル(高圧巻線)
４：巻枠
４ａ：螺旋状溝
４ｂ：冷却ダクト溝
５：超電導線材
６：バインドテープ
７：ダクトピース
８：冷却ダクト

Claims

円筒状の絶縁製巻枠の外周面に螺旋状の溝を形成し、その溝内に沿ってテープ状の高温酸化物超電導線材を多並列導体として巻回した超電導コイルにおいて、
前記の多並列導体を複数の導体グループに分けて螺旋状溝内に多層並列配置し、かつその重ね方向で各導体グループの相互間に冷媒が通流する冷却ダクトを画成したことを特徴とする誘導機器の超電導コイル。
請求項１に記載の超電導コイルにおいて、コイルの半径方向で内外周に並ぶ導体グループの相互間にダクトピースを分散介挿して冷却ダクトを画成したことを特徴とする誘導機器の超電導コイル。
請求項１または２に記載の超電導コイルにおいて、巻枠の外周にガラステープないし金属テープのバインドテープを巻き付けて、多並列導体の各グループ，およびその相互間に介挿して冷却ダクトを画成するダクトピースを螺旋状溝内に拘束保持したことを特徴とする誘導機器の超電導コイル。
請求項１ないし３のいずれかの項に記載の超電導コイルにおいて、巻枠形成した螺旋状溝の内周側には、巻枠の軸方向に沿って螺旋状溝と交差する向きに冷却ダクト溝が周方向に分散形成されていることを特徴とする誘導機器の超電導コイル。