JP2011505112A - 浸漬型位相コイルを有する高電圧故障電流制限器 - Google Patents

Abstract

強磁性体材料で形成され、少なくとも第１のリムと第２のリムと、を含む強磁性体回路と、強磁性体材料を磁気飽和させるために、リムを取り囲む飽和機構と、第２のリムの周りに巻回された、位相コイルと、位相コイルを取り囲む、誘電体流体と、飽和機構を取り囲む、ガス雰囲気と、を含む、故障電流制限器が提供される。

Description

本発明は、高電圧故障電流制限器の分野に関し、特に、高電圧飽和コア型故障電流制限器に関する。

飽和コア型の故障電流制限器（ＦＣＬ）は、よく知られている。超電導故障電流制限装置の例は、ダーマン（Ｄａｒｍａｎｎ）らの米国特許第７１９３８２５号明細書、ユアン（Ｙｕａｎ）らの米国特許第６８０９９１０号明細書、ボーニック（Ｂｏｅｎｉｇ）らの米国特許第７１９３８２５号明細書、ウォーカ（Ｗａｌｋｅｒ）らの米国特許出願公開第２００２／００１８３２７号明細書に見られる。

上記の故障電流制限器は、通常、乾式の銅コイル構成での使用にのみ適している。実際に、上記の構成は恐らく、主たる絶縁媒体として空気を用いた、直流飽和型ＦＣＬにのみに適したものである。つまり、多相ＦＣＬにおける交流位相コイル同士の間、及び、交流位相コイルとスチールコア、直流コイル、クライオスタット（低温保持装置）、主構造体との間の主たる静的絶縁媒体は、適正な間隔の空気で与えられている。このことがＦＣＬを実質的に「乾式」絶縁技術に限定している。乾式技術というのは、通常、電気的に絶縁された銅線コイルを使用し、それ以外の絶縁材料としては、静止した空気と分離された固体絶縁バリア材料だけを用いるような、変圧器構成技術を指している。一般的に、高電圧側と、スチールのフレーム構造やケースなどのような装置の接地部品との間の絶縁物質の大半は、空気で構成される。

乾式絶縁技術の利用は、交流ライン電圧が約３９ｋＶ程度までの低い電圧範囲の設計に限られる。乾式の変圧器やリアクトルは、約３９ｋＶの電圧レベルのものまでしか市販品としては入手できない。その結果、直流飽和型ＦＣＬ用の現行技術は、高電圧用途への展開には適さない。高電圧に対処する場合、乾式技術では、空気を絶縁媒体とする現実的な小型サイズの構造体の設計は、不可能となる。ＦＣＬの主要な実用的マーケットの１つは、中電圧から高電圧（３３ｋＶ〜１６６ｋＶ）及び超高電圧（１６６ｋＶ〜７５０ｋＶ）の範囲である。このような電圧領域では、今述べたような、また文献で述べられているような直流飽和型ＦＣＬ技術は、恐らく現実的ではないであろう。その主な理由は、静的電圧設計項目によるものである。例えば、高電圧銅線コイルとクライオスタット、スチールコア、又は直流コイルとの間の空気絶縁媒体の絶縁破壊である。中電圧から高電圧（３９ｋＶ超）の高電圧位相コイルは、絶縁性ガス（ＳＦ６、窒素など）、真空（１０−３ミリバールより高真空）、又は合成シリコーンオイル、植物性オイル、又はその他の中電圧、高電圧及び超高電圧変圧器及びリアクトル用技術に、一般的に用いられる絶縁オイルなどの液体への浸漬が必要とされることが多い。高電圧装置がそのような絶縁媒体に浸漬される場合、その媒体は、しばしば「バルク絶縁媒体」又は「誘電体」と呼ばれる。この誘電体は、比誘電率が１である真空を除いて、典型的には２〜４程度の比誘電率を持つ。これらのいわゆる誘電絶縁媒体には、静電破壊強度という特性があり、固体絶縁バリア間の最大距離を限定し、特定の液体や気体の誘電体の絶縁破壊特性に関する充填誘電体距離を最適化して適正に使用すれば、大気中の空気の静電破壊強度よりもはるかに優れた特性を有する。

一般に入手可能なバルク絶縁用のガスや液体は、代表的な絶縁破壊強度が１０〜２０ｋＶ／ｍｍ程度であるが、通常は平均電界負荷が約６〜１０ｋＶ／ｍｍを超えないように使用される。平均的な静電界負荷が６〜１０ｋＶ／ｍｍであるとしても、平衡電界ラインに沿った静電界負荷のピーク強度は、さまざまな静電界の増加効果のために平均の２〜３倍になり得ることから、この絶縁破壊負荷に対する安全幅が必要とされる。

一般に、変圧器、リアクトル、故障電流制限器などのケース付き設備で用いられる高電圧用バルク絶縁仕様の誘電体液体又は気体に対して、５つの望まれる要求仕様がある。
・誘電体が非常に高抵抗であること。
・誘電損失が非常に小さいこと。
・液体は、固体絶縁物（例えば、巻線間の絶縁物であるエポキシ）を劣化させずに収容できること。
・絶縁破壊強度が高いこと。
・媒体は熱エネルギ損失を排除できること。

変圧器、リアクトル、故障電流制限器などのケース付き装置に対する、中電圧から高電圧（即ち、＞３９ｋＶ）における固体絶縁技術はまだ一般的にはない。固体絶縁技術の欠点は、固体絶縁物本体の内部、又はコイル絶縁層と他の固体絶縁材料のような異種材料の表面同士の間における空洞の存在が避けられないことである。固体絶縁物内の空洞が高電圧に曝されると、電界の増幅効果により空洞内に非常に大きな電気ストレスが生成されることはよく知られている。このために、部分放電が生じて周囲の材料を物理的に破壊し、結果としてトラッキング、更には、完全な装置故障に至ることがある。

前述した従来技術において開示されているような、スチールコアを飽和させるのに単一又は複数の直流コイルを使用する直流飽和型故障電流制限器は、銅の交流位相コイルがもはや「乾式」構造でない場合や、全体装置の主絶縁媒体が空気でない場合には、基本的な問題が生じることがわかるであろう。そのような構成の重大な問題点は、直流ＨＴＳ（高温超電導）コイルを冷却するためのスチール製クライオスタットや、直流ＨＴＳコイルそのものの存在である。交流位相コイルに対して、クライオスタット、コイル、スチールコアは基本的に接地電位である。

副次的な問題であるが、すべての高電圧施設及び設備に対して絶縁要求を強化するものとして、所定の期間に亘り、さまざまなタイプの過電圧や雷インパルスに対する耐性をテストするある種の電気工学基準があり、基本的な絶縁設計は、通常これを満たさなければならない。例として、オーストラリアでは以下のような基準がある。
・ＡＳ２３７４パート３：変圧器全体に対する電源周波数（ＰＦ）と雷インパルス（ＬＩ）テストを含む、絶縁水準及び誘電性テスト
・ＡＳ２３７４パート３．１：空気中の外部離間距離に関する絶縁水準及び誘電性テスト
・ＡＳ２３７４パート５：短絡に対する耐久力

これらの基準は、高電圧電気設備が満たすべき基準の膨大なリストとはなっていない。それぞれの国は、ここに挙げたものと同じ設計分野を包含したその国独自の基準を有しており、各国の基準を参照することは、必ずしも他国の基準を除外することにならない。理想的には、装置が複数の国の基準を満たすように構成される。

これらの基準を遵守することは、装置のＢＩＬ（基準絶縁強度）及び、通常、基本交流線間電圧の数倍となっているＤＩＬ（設計絶縁強度）を維持することになる。例えば、６６ｋＶの中電圧変圧器、又はＦＣＬなどその他のケース入り装置は、２２０ｋＶのＢＩＬを有する。この基準を満たすために、交流線間電圧だけを考慮するよりも現実的には更に厳しい、静的電圧設計を取ることになる。この適用基準及び要求は、現実の電気的設備の設置状況においては、複雑な配電網の中で、例えば雷の過電圧や開閉サージなどで設備や装置には一時的な過電圧が起きるという事実に基づいている。従って、配電網の中にあるすべての設備は、予想される最悪の過渡電圧に相応するＢＩＬやＤＩＬを有している。

高電圧直流飽和型故障電流制限器に対する静的設計課題を検討すると、先ず、高電圧の交流銅コイルだけを適切な電気絶縁性の気体か液体で覆うことによって課題が容易に解決できるという結論が得られる。しかし、この技術の問題は、気体や液体を保持する容器をスチールコアが貫通しなければならないということにある。長期間の使用に耐えるこのようなインタフェースの設計は、機械的に困難である。しかしより重要なのは、静電気的にこのインタフェースの課題を解決することが、更に複雑であり、どのような解決策もうまくいきそうになく、また経済的でもないことである。問題は、誘電体液体を含む容器と高透磁率コアとの間に、シールを設けねばならないことである。

別の可能性は、位相間、及び位相とスチールコア、クライオスタットとの間に、乾式固体の高電圧バリアを用いるか、又は、銅の位相コイルの周りに高電圧絶縁層を設け、誘電体液体や気体を併用しないで、位相コイルを密着させて使用する方法である。しかし、液体誘電体や気体誘電体を用いない方法は、重大な有害な副作用をもたらす。空気と比誘電率の大きい他の材料とが共存する静電場においては、誘電率の低い方の材料又は流体（即ち、空気）の中の電場が、常に増幅される結果となることが知られている。例として、普通の絶縁層がコイルのターン間絶縁を行っている、銅の導電性円筒を、式１により考察してみればよい。

ここで、
・Ｕｍは、グランドに対する交流相の電圧、
・Ｒは、外部絶縁を含む銅円筒の半径（ｍｍ）、
・ｒは、銅円筒そのものの半径（ｍｍ）、
・ｄは、銅円筒の中心から、直近の接地面までの距離（ｍｍ）、
・ε２は、円筒を覆う絶縁層の比誘電率、
・ε１は、円筒が浸漬されているバルク誘電体の比誘電率（空気の場合は１）、
・ｘは、円筒の中心から、円筒の外部のある１点までの距離（ｍｍ）、
・Ｅｘは、点ｘにおける静電場の勾配（ｋＶ／ｍｍ）。

電場の増幅効果は、因子ε_２／ε_１で表され、比誘電率が１である真空を利用する場合を除いて、一般的な日常材料に対しては２〜４の程度である。従って、追加の固体、即ち他の（空気よりも誘電率の高い）絶縁材を与えることにより、ＦＣＬのバルク空気絶縁における静電ストレスが増大される。高電圧絶縁の品質が良ければそれだけ、電場の増幅効果が大きくなる。

従って、誘電体液体や気体に浸漬しないで、固体の誘電体絶縁バリアのみを使用し、その他は空気絶縁とするＦＣＬは、３９ｋＶより高い高電圧用ＦＣＬとして技術的に望ましい選択ではない。実際に、例えば３９ｋＶより高い電圧における高電圧乾式変圧器に、この技術が使用された例はない。事実、今日まで非常に好適な技術は、見つかっておらず、従って、３９ｋＶより上の高電圧変圧器は、誘電体液体又は気体で絶縁されている。

上に述べたことが、ケース付き高電圧電気設備がしばしば絶縁用の誘電体流体又は気体に完全に浸漬されている理由である。即ち、変圧器やリアクトルの絶縁された銅コイルとスチールコアが容器内に収納され、次にその容器が流体の誘電体媒体で完全に充填される。こうすれば、上の議論で詳細を説明した、静電気の電圧設計の課題を実質的になくすことができる。絶縁媒体（例えば、オイル、真空、ＳＦ６）がすべての空洞を埋め、また、高電圧部品と、基本的に接地又は中立電位にある部品との間のバルク距離を埋める。この場合、バルクの絶縁性誘電体の中に固体の絶縁バリアが組み込まれてもよい。オイルのような液体の多くのものに対しては、大きな距離を固体絶縁物で分割すれば、誘電体流体の絶縁破壊電界強度が向上して、全体としての静電的絶縁品質が向上する。これは、オイルと固体絶縁物との比誘電率が相互に非常に近いためであり（従って空気の場合に比べて電界増加効果は軽減される）、また、絶縁バリア間の距離が小さいほど、バルク誘電体媒体の破壊電圧（ｋＶ／ｍｍで表わされる）が改善される。

しかし、完全浸漬法の問題点は、直流飽和要素として超電導コイルを組み込んだ直流飽和型ＦＣＬ設計又はその他の装置に対して、簡単には適用できないことである。これは、超電導コイルと、そのクライオスタット又は真空容器が、誘電体流体に浸漬する必要のあるＦＣＬ部品であるからである。

本明細書での先行技術に関するいかなる議論も、かかる先行技術が周知である、又は当分野における一般的な常識の一部を成している、ということを認めるとみなされるべきではない。

本発明の目的は、高電圧故障電流制限器の改良された構造を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、強磁性体材料で形成され、少なくとも第１のリムと第２のリムとを含む強磁性体回路と、強磁性体材料を磁気飽和させるための、第１のリムを取り囲む飽和機構（ｓｔａｔｕｒａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）と、第２のリムの周りに巻回された位相コイルと、位相コイルを取り囲む誘電体流体と、飽和機構を取り囲むガス雰囲気と、を含む、故障電流制限器が提供される。

ある実施態様では、飽和機構は、直流電源に接続された冷却された超電導コイルを備えることができる。超電導コイルは、クライオスタットの中にあってよい。

制限器は、制限器部品を収納する外部容器と、外部容器に取り付けられた一連の端子と、を更に含み、位相コイルは、好ましくは端子の所定のものに接続された交流入力リードと交流出力リードとを含むことができる。制限器は、また、飽和機構に接続された、低温冷却供給ホースを含むことができる。

制限器は、多相電源において供給電力の個別の位相を限流するために利用されてもよい。ある実施形態においては、多相電源の各位相の強磁性体回路を単一の飽和機構が取り囲んでいる。飽和機構と位相コイルとは、好ましくは同一の強誘電体材料の細長部分の周りに形成されている。飽和機構は細長部分の近位端の周りに形成され、位相コイルは細長部分の遠位端の周りに形成されてもよい。強磁性体回路は、強誘電体材料の単一の細長部分から成ってもよい。

ある実施形態においては、強磁性体回路が、好ましくは相互に平行な第１と第２と第３のリムを有し、位相コイルの部分が第１と第２のリムの周りに巻回され、飽和機構が第３のリムの周りに巻回されている。

本発明の更なる態様によれば、強磁性体材料で形成され、少なくとも第１のリムと第２のリムと第３のリムと第４のリムとを含む強磁性体回路と、強磁性体材料を磁気飽和させるための、リムを取り囲む飽和機構と、第２のリムの周りに巻回された第１の位相コイルと第３のリムの周りに被包された第２の位相コイルと第４のリムの周りに被包された第３の位相コイルと、位相コイルを取り囲む誘電体流体と、飽和機構を取り囲むガス雰囲気と、を含む故障電流制限器が提供される。飽和機構は、クライオスタットの中の第１のリムの周りに巻回された超電導コイルから成ることができる。

本発明の更なる態様によれば、強磁性体材料で形成され、少なくとも第１のリムと第２のリムとを含む強磁性体回路と、非故障状態において強磁性体材料を磁気飽和させるための、第１のリムを取り囲む飽和機構と、第２のリムの周りに巻回された少なくとも１つの位相コイルと、位相コイルを取り囲む誘電体流体と、を含む、故障電流制限器が提供される。ある実施形態においては、第１及び第２のリムとは、好ましくは、相互に隣接し、飽和機構と位相コイルとは、好ましくは、実質的に同一の寸法又は大きさである。

次に、本発明の好適な実施形態を、添付の図面を参照しながら例示として説明する。

第１の実施形態における、単相高電圧直流飽和型故障電流制限器の側面透視図である。 第２の実施形態における、単相高電圧直流飽和故障電流制限器の側面透視図である。 第１の３相高電圧直流飽和型故障電流制限器の側面透視図である。 冷媒の供給口を有する、更なる３相高電圧直流飽和型故障電流制限器の側面透視図である。 水平コイルを有する、３相高電圧直流飽和型故障電流制限器の側面透視図である。 位相コイルが超電導コイルに非常に近接した、更に変形された実施形態の側面透視図である。 各位相コイルに対し１つの細長のスチールコアを含む、更に変形された実施形態の側面透視図である。 更に変形された実施形態である。

好適な実施形態において、上記のバルク絶縁の問題が実質的になくなる、高電圧の直流飽和型ＦＣＬが提供される。交流位相コイルが高圧交流源に接続される。直流コイルは、直流電源で駆動される比較的低電圧のコイルであり、コアを飽和させるために利用される。

まず、図１を参照すると、第１の単相の高電圧故障電流制限器１の切り欠き断面の側面透視図が示されている。この制限器は、ダーマン（Ｄａｒｍａｎｎ）らの米国特許第７１９３８２５号明細書の動作教示に従って、実質的に動作するように設計されている。これにより、その内容を高電圧動作への拡張を含めて、相互参照により組み込むものとする。制限器１は、２つの四角形のスチール製コアループ（例、２）を含み、その上部には超電導コイル３が巻回されている。コイル３は、冷却用のクライオスタットの中に配置され、正常運転時にコアループ２を磁気的に飽和させるように作用する。

それぞれのコアの周りには、交流位相コイル５、６が巻回されている。コイルは、例えば１３の固体絶縁付きの導体を介して、例えば７、８の高電圧用ブッシング付き端子に相互接続されている。コアの下部は、誘電体の液体又は気体１０に浸漬されている。

超電導コイル３には、外部電源用の例えば１１のブッシングに相互接続された電流リード１２がある。

好適な実施形態においては、交流位相コイル５、６は、逆方向に巻回されて、直列に直接接続されている。

直流飽和通電コイル３は、例えば２つの高透磁率コアの飽和機構として作用し、コアのリムを取り囲む。好適な実施形態においては、通電コイル３は、超電導コイルであり、複数層の断熱材９で囲まれて、真空容器のクライオスタット４中に配置されている。クライオスタットの所要真空レベルは、効果的な熱遮蔽に適する程度でよく、静電遮蔽に必要なまでの真空度である必要はない。真空容器のクライオスタット４は、ステンレススチール、プラスチック、ガラス繊維強化プラスチック、又は、その他の真空を保持するのに好適な材料で製造されている。

故障電流波形の両方の半サイクルで、故障電流を効果的に制限するために、１つの相毎にコイル対５、６が必要である。

ダーマン（Ｄａｒｍａｎｎ）らの米国特許第７１９３８２５号明細書で記述された直流飽和型故障電流制限器の基本理論は、ここでも当てはまる。即ち、スチールコア全体は、交流位相ブッシングにおける終端インピーダンスが最小化されるような磁界の大きさにまで飽和される。例えば、Ｍ６ラミネーションを用いるスチール積層コアに対しては、飽和のレベルは、２．０５テスラである。この飽和レベルでは、スチールコアの比透磁率は、約１．６である。ＦＣＬの位相終端インピーダンスは、次の式２で与えられる。

Ｘ＝［２πｆ・ｎ^２Ａ／Ｌ］μ_ｒ・μ_ｏ ［単位：Ω］ 式２

ここで、
・Ｘは、故障電流事象がない場合の、電力網から見たＦＣＬの交流定常状態終端インピーダンスである。
・ｆは、周波数。
・ｎは、それぞれの位相巻線の交流ターン数。
・Ａは、高透磁率コアの断面積。
・Ｌは、位相毎の高透磁率コアの磁路長。
・μ_ｏは、自由空間の誘電率。
・μ_ｒは、飽和状態における高透磁率コアの比誘電率。

図１に示した設計を用いると、任意の交流相電圧に対する装置の設置面積は、最小となる。これは、都市の中心に近い所に位置する変電所には、重要なことである。ＦＣＬの市場のかなりの部分は、既存の変電所やその他の設備の改装である。既存の変圧器設置場所の間には、最小の設置面積しかないことがしばしばである。

図２を参照すると、単層電流制限器の別の実施形態２０が示されている。この改造された構成２０においては、２つの高電圧交流位相コイル２２、２３がリム２５、２６に取り付けられ、これらのリムは、スチールコア２１に更に統合して接続されている。スチールコア２１は、更に水平方向に取り付けられた超電導コイル２７を貫通するリムを含んでいる。超電導コイルは、複数層の断熱材３０を有し、１枚壁のクライオスタット３１に囲まれている。クライオスタットには、ホース２８、２９を介してヘリウムガスが供給される。

設計２０は、設置面積が小さいことが特に有利な点である。これは２つの位相コイル２２、２３が、スチールコア２１に接続された同じような高透磁率コアヨーク上に配置されているからである。構成１のもう１つの利点は、低電圧の超電導バイアス巻線２７を、高電圧交流位相コイル２２、１３から物理的に離間できることである。これは、高電圧エンジニアにとって静電設計を単純化できる。

有利なことに、高電圧巻線コイルに適用される従来技術及び手法を、従来の位相コイルの製造に適用できる。実際、位相コイルは、紙で絶縁した銅コイルであってよく、誘電体は合成シリコーンオイルであってよいので、ＦＣＬの下部を従来のリアクトル又は開放回路変圧器と、本質的に同じ構成とすることができる。

図１及び図２の構成の別の利点は、クライオスタットと（電流、冷媒、センサ、真空ポートなどのための）フィードスルー要素とを、液体誘電体に浸漬する必要がないことと、全体容器の上からアクセスできることである。このことにより、クライオスタットへの一般的な修繕、交換、及び、改修を行わなければならない、公共電力用途に対して、この構成は、より実用的なものとなる。

更に、構成の本質として、装置全体のアスペクト比を特定のものに制限したり誘導したりするものは、何もない。スペースがありさえすれば設置面積を増大して任意の設計とすることが可能であり、また必要な場合には、頭上からの入力高圧線用の場所を確保するために、ＦＣＬの高さを必要なだけ低くすることが可能である。

理想的には、図２の構成において、下側のリム２５、２６が小さい断面積となっている。これは位相コイルが載っているすべてのリムを含む、コア全体に適切な飽和を確保するためである。

好適な実施形態においては、直流飽和コイルは、超電導巻線である。直流超電導コイルの冷却は、強制低温ガス（例えば、２０Ｋのヘリウムガス、又は、３０Ｋのネオンガス）、又はその他の好適な熱容量を持つ好適な冷却ガスによって達成される。冷却ガスそのものは、ヘリウムガスを冷媒、又は、作用ガスとして利用する冷凍機で、熱交換することにより、冷却される。熱交換器／冷凍機は、故障電流制限器から、例えば最大５ｍまで離れた外部で、交流ブッシングの電圧に応じた距離に配置することができる。冷凍機／熱交換器を隔離して配置することができるので、定期保守処理、修繕作業、点検、及び交換をＦＣＬの稼働中に行うことができる。

更に、分離した、別部材の冷凍機／熱交換器を用いて、超電導コイル冷却液を冷却することにより、固有の作り込まれた堅牢性を達成できる。これは変電所やその他の重要な給電設備において、故障電流制限器を実際に利用する上で必要であると同時に、魅力的でもある。

別の実施形態では、所要程度の冷却の堅牢性と高いレベルの信頼性を、液体窒素、液体ネオン、又は、液体ヘリウムなどの液体冷媒を用いて達成することができる。液体冷却の超電導コイルをＦＣＬ設計に実用的に統合するために、最も実用的なのは、２重壁面のクライオスタットである。これは、大気環境から低温環境への電気のフィードスルー設計を容易にするためである。これらの電気フィードスルーは、低電圧／低電流であるので、セラマシール（Ｃｅｒａｍａｓｅａｌ）社、Ｋｕｒｔ Ｊ Ｌｅｓｋｅｒ社、ライボルト（Ｌｅｙｂｏｌｄ）社、ＩＳＩ社などのいくつかの販社から在庫を入手できる。

公共電力供給における好適な実施形態で液体冷媒を利用する利点の１つは、装置の機械的故障の影響を受け難く、冷却剤を離間した格納容器に保存でき、クライオスタットそのものの中に固有のバッファを設計できることである。

わかりやすくするために図１には示してないが、スチールコアと交流位相コイルとの間、位相の異なる交流位相コイル同士の間、及びすべての位相コイルと基本的に接地電位である格納容器との間、には、円筒形又は所望形状をした静電位相バリアがある。これらの要素の設計及び導入は、高電圧変圧器設計の当業者にはよく知られている。このクライオスタットを本提案のスチールコア構造の中に統合することは、簡単な事柄であり、高電圧位相バリアを誘電体流体と組み合わせてうまく利用することで、高電圧ＦＣＬ用の実際に実現可能な設計とすることができる。

超高電圧設計においては、実用的な静電設計を容易にするために、位相コイルは相互に更に距離を置くことがある。そのような構成では、スチール位相コアとコイルとを大きく離間させ、高電圧設計者が、その間に必要な静電絶縁位相バリアを追加して嵌めこむことができるようにする。これにより、誘電体絶縁用の液体又は気体が、さらなるチャネルへ細かく分割される。そして、使用される特定の誘電体流体に対する、電気ストレス及び電気的破壊ストレス設計の最適化にかなりの余地が与えられる。

ここで考慮しているすべての設計の変形において何らかの理由で直流飽和要素が故障した場合、故障電流制限器は、本質的にスチールコアのリアクトルとして作用し、うまく設計されていればＦＣＬ構造体を操業中止にする必要がないことは、当業者であれば分かるであろう。可能性のある故障の機構には、電源、超電導コイル、冷凍機、真空容器が含まれる。

誘電体流体と通常外気との界面は電気ストレスが高く、電界増大効果を示しやすいことは、高電圧設計の当業者であれば周知の事柄である。増大の程度は、誘電体流体と空気との誘電率の比に比例する。ここで説明している高電圧及び超高電圧故障電流制限器では、高電圧設計技術者が、この効果に対処するために好適な静電バリアと成形クリープストレス絶縁物（ｃｒｅｅｐ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）とを設計できる余地がかなりある。それに加えて、クライオスタット（これは接地電位になっている）と誘電体流体表面との距離を、予想される電界のストレスに対処するのに必要なだけ大きくすることができる。

勿論、従来技術において周知のように、クライオスタット（接地電位）の下面と誘電体表面との間に適正設計された固体タイプの電気ストレス絶縁バリアを用いてもよい。そのようなバリアは、クリープ電圧及び最大ストレスが、選択した材料の許容範囲内にあるように設計する必要がある。

更に、従来の高電圧変圧器に通常行われているように、液体誘電体と全体を囲んでいる容器との間の空間に、乾燥した不活性ガスを充填してもよい。例えば高電圧変圧器の液体誘電体（例；合成オイル）の表面と格納容器の上蓋との間には、窒素ガスが利用されるのが一般的である。これにより静電設計の利点が与えられる。位相コイル導体をうまく配線することが、高電圧技術者にとって設計上で更に考慮すべき点である。各ペアのコイルの位相導体とブッシング（ｂｕｓｈｉｎｇ）とは、それが本質的に同一電位にあるので、相対的に近接して配置される。しかし、各ペアの導体と静電絶縁バリアとの間の距離は、使用する誘電体流体と両立できるように、設計されなければならない。

高電圧変圧器とは違って、高電圧ブッシングの容器側は、誘電体流体に至るまでの全部の間の高電圧導体を、好適な電気ストレスバリアで囲む必要があることもわかるであろう。

説明した構成の更なる利点は、本設計で用いられる高電圧位相ブッシングの上部部分は、標準の高電圧ブッシングであってよい。このことによって、特注等、真空フィードスルーや低温フィードスルー用の仕様を必要としない。唯一特注を要するのは、誘電体側の導体の電気ストレスバリアの延長部分である。この延長部分は、セラミック又はその他の好適な材料であってよい。電気ストレスバリアは、誘電体流体中に延在する場合もあり、従って、その場合その流体と相容れるものでなければならないが、これは必要不可欠なわけではない。

周知のように、ここで説明したような技術におけるあらゆる高電圧設備においては、鋭角のコーナは、避けるべきである。従って、設計電圧（即ちＢＩＬ（基準衝撃絶縁強度））、用いる誘電体流体、及び位相コイルと選択されたクライオスタットとの特定の幾何配置、に対して適切な半径を有する導体で位相導体が製造されなければならない。更には、クライオスタットの外殻が、ステンレススチールや他の類似の電導性材料からできている場合、位相電圧とＢＩＬと対象の距離とに対して適切な最小半径を持つ丸みのあるコーナを持つように製造されなければならない。

クライオスタットがＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、プラスチック、又は、その他の実質的に非導電性材料からできている場合、クライオスタット表面のクリープ電圧が絶縁物／誘電体界面における設計許容範囲内にあるように、静電場の分布を準備、設計しなければならない。

クライオスタットが組み合わせ技術でできている場合、例えば、外殻がステンレスでできていて、内殻がＧＦＲＰ、又はその他の非導電性材料でできている場合、静電場設計は、以下を含むすべての適切な静電効果に対して然るべき考慮を払ったものでなければならない。ただし、これに限定するものではない。高電圧導体とクライオスタットの導電性部分との間に適当な静電クリアランスをもつこと；クライオスタットの金属部分に鋭角なコーナを持たないようにすること；クライオスタットの電気的絶縁部分でのクリープ電圧が、用いられている誘電体と絶縁材料に対して適正となるように、固体絶縁材料を適切に配置すること。

開示した構成は、直流飽和型の高電圧ＦＣＬ製造の高電圧技術に、高電圧設計技術者が従来技術の使用を可能とするような、高電圧ＦＣＬを提供する。ここで提示された設計は、既存の高電圧設計技術が、直流飽和巻線をもつ高電圧ＦＣＬ設計実現に直接使用できるので有利である。高電圧ＦＣＬの製造に、市販部品が容易に用いられる設計とすることができる。

また、この構成は、必要があればより低電圧のシステムに展開可能であることは明らかであろう。更に、この好適な実施形態は、以下で述べる複数位相構成への展開が可能である。

図３は、実際に利用される複数位相構成の一形態の側面透視図を示す。この構成４０においては、６つの位相コイル４０〜４６が与えられ、各位相に入力位相コイルと出力位相コイルとがある。それぞれの位相コイルは、高電圧交流導線（例えば、４８）を介して対応する高電圧ブッシング付き端子（例えば、４９）に相互接続されている。それぞれの位相コイルは対応するコア（例えば、５１）の周りに巻回されている。直流バイアスコイル５２は、クライオスタット５３の内部に形成される。コイル５２は、端子５６、５７により給電され、また液体窒素がホース５８、５９を介して、クライオスタットに供給される。

位相コイル４１〜４６は、誘電体流体媒体６０の中に保持され、クライオスタットは、誘電体流体媒体６０の上に保持される。

図４は、図３のものと類似の構成を示すが、この構成ではクライオスタット７０は、図４の構成に示すように冷媒ガスホースを介してではなく、冷媒供給ポート７１を介して充填される。

次に図５を参照すると、更に変形された実施形態８１が示されており、ここでは位相コイル（例えば、８２）は、コアの下側のリムの周りに配置されている。この構成は、交流コイルを完全にカバーするのに必要な誘電体流体８３の量が可能性として少なくて済む利点があり、従ってよりコンパクトな構成が達成される。

勿論、当業者には分かるように、この構成の静電設計の詳細は、本明細書で既に述べた構成とは異なる。

さらなる変形をした実施形態が可能である。変形した実施形態の例を、図６を参照して次に説明する。この実施形態９０は、高透磁率構造を通じての磁束密度の損失を最小化することを目指したものである。ロスは、通常、２つの主要な効果による。
１．直流バイアスコイルの周りの磁場のフリンジング及び、純粋に空気をパスとするリターン。
２．上部ヨークに入るが、完全に高透磁率パスを通らないで空気パスを経由してリターンする、部分的な空気／コアの磁束リターン。

予備的な検討により、以下の構造に対してＦＥＡ（有限要素法）解析を行った。ウィンドウ寸法：幅４５０ｍｍ、高さ６５０ｍｍ、材料：Ｍ６積層スチールコア、コア構成に用いたラミネーション：０．３５ｍｍステップの積層コア構造、コアの最終断面積：１００ｍｍｘ１００ｍｍ、全コア高さ＝８５０ｍｍ、全コア幅＝６５０ｍｍ。

このようなシミュレーション構造を用いて、遠隔のリム及びヨークにおいて以下のような磁束密度の損失があることがわかった。内側リムの磁束密度＝２．３５テスラ、ヨークの磁束密度＝１．９７テスラ、外側リムの磁束密度＝１．９５テスラ。

この効果を克服する１つの方法は、追加のアンペアターンを与えて、外側リム部のバイアスを、ＦＣＬ運転を満足できるレベル（例、１．９５テスラ）とすることである。しかし、このアプローチ（つまりバイアスのアンペアターンをより大きくする方法）の代わりに、図６に示すように、交流コイル（例えば、９３）をバイアスコイル９１に近い側のリム上に配置することが現実的である。こうすると、交流コイルの直下のリム内での磁束密度は、直流コイルの直下の密度と、実質的に同じとなる。この技術のもう１つの利点は、限流の過渡時に交流コイルからの磁束がコア中の磁束を、より効果的に打ち消すことである。これは、設置面積が小さいことや、コア全体の効果的な飽和に必要なバイアスをコアに掛ける導体が少なくて済む、などのいくつかのメリットを有する。

更に変形した実施形態では、部分的なコア構成での中心リムだけを有する構造で、実際的な飽和型コアＦＣＬを構成することもできる。部分コアの実施形態においては、それぞれのスチールコアのヨークや外側リムを削除してもよい。

図７には、更に変形された実施形態が示されており、スチールコア（例えば、１０１）が、Ｍ６ラミネーションを用いた１本の細長の積層コアで形成されている。それぞれのコアの一端には、高電圧交流位相コイル（例えば、１０２）が形成されている。６本のコアのそれぞれは、直流超電導コイル１０３でできた飽和コイルを貫通する。超電導コイル１０３がコアを飽和状態に維持する。

この更に変形された実施形態は、ヨークや外側リムを持たないので質量が小さくなり、設置面積もより小さくなり、建設コストも小さくなるという付加的な利点も有する。

図７は、別の複数位相の実施形態１０９を示す。ここでは、交流位相コイル（例えば、１１１）と共に直流コイルのクライオスタット１１０も完全に浸漬されている。この好適な実施形態では、交流コイルは、直流リム及び交流リムそれぞれの最大の長さに亘って延在する。これにより、故障時に透磁性コア材料の最大容積が不飽和化され、交流コイルがコアウィンドウの枠内で実際に可能な最大高さまでの長さを持たない場合に比べて、より優れた故障の切り落とし（ｃｌｉｐｐｉｎｇ）性能を示す。

以上、本発明の好適な特徴を説明した。本発明の範囲を逸脱することなしに、当業者にとって明白な変更を行うことができる。

Claims (16)

1. 強磁性体材料で形成され、少なくとも第１のリムと第２のリムとを含む強磁性体回路と、
   前記強磁性体材料を磁気飽和させるために、第１のリムを取り囲む、飽和機構と、
   第２のリムの周りに巻回された、位相コイルと、
   前記位相コイルを取り囲む、誘電体流体と、
   前記飽和機構を取り囲む、ガス雰囲気と、
   を含む、故障電流制限器。
2. 前記飽和機構は、直流電源に接続された、冷却された超電導コイルから成る、請求項１に記載の制限器。
3. 前記超電導コイルは、クライオスタットの中にある、請求項２に記載の制限器。
4. 前記制限器部品を収納する外部容器と、
   前記外部容器に取り付けられた一連の端子と、
   を更に含み、
   前記位相コイルは、前記端子の所定のものに接続された交流入力リードと交流出力リードと、
   を含む、請求項１に記載の制限器。
5. 前記飽和機構に接続された、低温冷却供給ホースと、を更に含む、請求項４に記載の制限器。
6. 前記制限器は、供給電力の個別の位相を限流するために、多相電源中に利用される、請求項１に記載の制限器。
7. 単一の飽和機構が、前記多相電源の各位相の強磁性体回路を取り囲む、請求項６に記載の制限器。
8. 前記飽和機構と前記位相コイルとは、同一の強誘電体材料の細長部分の周りに形成されている、請求項１に記載の故障電流制限器。
9. 前記飽和機構は、前記細長部分の近位端の周りに形成され、
   前記位相コイルは、前記細長部分の遠位端の周りに形成されている、
   請求項８に記載の故障電流制限器。
10. 前記強磁性体回路は、強誘電体材料の単一の細長部分から成る、請求項８に記載の故障電流制限器。
11. 前記強磁性体回路が、相互に平行な第１と第２と第３のリムとを有し、
    前記位相コイルの部分が、前記第１と第２のリムの周りに巻回され、
    前記飽和機構が前記第３のリムの周りに巻回されている、
    請求項１に記載の故障電流制限器。
12. 強磁性体材料で形成され、少なくとも第１のリムと第２のリムと第３のリムと第４のリムと、を含む、強磁性体回路と、
    前記強磁性体材料を磁気飽和させるために、前記リムを取り囲む、飽和機構と、
    前記第２のリムの周りに巻回された、第１の位相コイルと、
    前記第３のリムの周りに被包された、第２の位相コイルと、
    前記第４のリムの周りに被包された、第３の位相コイルと、
    前記位相コイルを取り囲む、誘電体流体と、
    前記飽和機構を取り囲む、ガス雰囲気と、
    を含む、故障電流制限器。
13. 前記飽和機構は、クライオスタットの中の前記第１のリムの周りに巻回された超電導コイルから成る、請求項１２に記載の制限器。
14. 強磁性体材料で形成され、少なくとも第１のリムと第２のリムとを含む、強磁性体回路と、
    非故障状態において、前記強磁性体材料を磁気飽和させるための、第１のリムを取り囲む、飽和機構と、
    第２のリムの周りに巻回された、少なくとも１つの位相コイルと、
    前記位相コイルを取り囲む、誘電体流体と、
    を含む、故障電流制限器。
15. 前記第１と第２のリムとは、相互に隣接され、
    前記飽和機構と前記位相コイルとは、実質的に同一の寸法又は大きさである、
    請求項１４に記載の故障電流制限器。
16. 実質的に３３ｋＶから７５０ｋＶの正常動作範囲を更に有する、請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の故障電流制限器。

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