JP2013038333A - 超電導限流器 - Google Patents

Abstract

【課題】クエンチ部への過電圧印加を抑制してその負担を軽減し、信頼性の高い超電導限流器を提供する。
【解決手段】限流コイル１１を構成する第１及び第２コイル１２，１３は、複数のコイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄがそれぞれ直列に接続されるとともに無誘導巻きで対となる各コイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄ毎に並列に接続され、その並列接続される組が複数組で構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、無誘導巻きの超電導限流コイルを有する超電導限流器に関する。

従来より、電路上に生じた過電流を限流する限流器が知られており、例えば地絡や落雷等により電力系統で生じた過電流の限流を行って、電力線や電力機器への負担を低減する限流器等が知られている。

このような限流器の一種に、例えば特許文献１の第９図にて示されるように、超電導線にて巻回される一対の第１及び第２コイルを無誘導巻きで並列接続とした超電導限流コイルを用いたものがある。この限流コイルの第１及び第２コイルは、それぞれ直列接続された４つのコイル部にて構成されている。

このような限流コイルを用いるものでは、通常時（臨界電流値以下）の超電導状態において超電導線自体の電気抵抗が極めて低く、しかも無誘導巻きをなす第１及び第２コイルは相互で磁界を打ち消すため、限流コイルとしてのインダクタンスも極めて小さい。つまり、通常時では、限流コイルのインピーダンスが小さく、限流器での電圧降下は非常に小さい。

一方、電路上に過電流が生じ限流コイルへの入力電流の増大を検出器で検知すると、片方のコイルに直列接続されたスイッチを閉から開状態に切り換えることにより電流を一方のコイルのみに流して無誘導状態を崩す。これにより、限流コイルのインピーダンスが急増するため、限流コイルに入力される過電流の限流が行われるようになっている。

特開２０１０−６８５６３号公報

ところで、第１及び第２コイルを構成する各コイル部には、特性バラツキによってクエンチの生じ易い部位があり、例えばその部位からクエンチが始まると、クエンチは次第にコイル全体に進展していく。一方、クエンチ部には、コイルの両端電圧の２倍程度の過電圧が瞬時に印加されるため、クエンチの進展速度よりもクエンチ部の電圧上昇が速いと、クエンチが限定箇所で生じるクエンチ初期等では、クエンチした小部分にその過電圧が印加されることとなり、絶縁破壊や焼損等の事象が発生してしまうことが懸念される。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、クエンチ部への過電圧印加を抑制してその負担を軽減し、信頼性の高い超電導限流器を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、少なくとも一方に超電導線を用いた一対の第１及び第２コイルを有し、各コイルが無誘導巻きにて構成された超電導限流コイルを備え、その超電導限流コイルのクエンチ現象を用いて入力電流が過電流となった際の限流を行う超電導限流器であって、前記超電導限流コイルを構成する前記第１及び第２コイルは、複数のコイル部がそれぞれ直列に接続されるとともに前記無誘導巻きで対となる各コイル部毎に並列に接続され、その並列接続される組が複数組で構成されたことをその要旨とする。

この発明では、限流コイルを構成する第１及び第２コイルは、複数のコイル部がそれぞれ直列に接続されるとともに無誘導巻きで対となる各コイル部毎に並列に接続され、その並列接続される組が複数組で構成される。ここで、例えば第２コイルの一部にクエンチが生じると、クエンチが生じた第２コイルのコイル部の下流側にコイル部がある場合、本構成では対のコイル部毎に並列接続されていることから、クエンチが生じた第２コイルのコイル部とは反対側の第１コイルのコイル部に集約した電流がその下流側で再び第２コイルのコイル部側にも分岐する。そのため、クエンチが生じた第２コイルのコイル部の両端電圧の急激な上昇が抑えられるため、クエンチ初期に生じた小範囲のクエンチ部に過電圧が印加されるよりも前にクエンチが第２コイルの全体に進展する。結果、初期に生じた小範囲のクエンチ部に過電圧が印加されることが抑制される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超電導限流器において、前記並列接続される組のコイル部は、前記第１及び第２コイルのコイル部のそれぞれに対応する２本の導線を径方向に並べた状態で径方向外側から内側に向かって平面渦巻状に巻回して１層目の巻回を行った後、２層目に渡り径方向に並べた状態の各導線を径方向内側から外側に向かって平面渦巻状に巻回して２層目の巻回を行い、前記コイル部の両端の端末線同士が互いに接続されて構成されたことをその要旨とする。

この発明では、並列接続される組のコイル部は、第１及び第２コイルのコイル部に対応する２本の導線が径方向に並んだ状態で径方向外側から内側に向かって平面渦巻状に巻回されて１層目が構成され、そこから２層目に渡り径方向に並んだ状態の各導線が径方向内側から外側に向かって平面渦巻状に巻回されて２層目が構成される。そのコイル部の両端の端末線同士は互いに接続され、第１及び第２コイルの対をなすコイル部同士が無誘導巻き並列接続とされる。つまり、第１及び第２コイルの対をなすコイル部同士の無誘導巻きを容易に構成できる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の超電導限流器において、前記並列接続される組のコイル部は、前記第１及び第２コイルのコイル部に対応する各導線の並びが１層目と２層目とで入れ替えられ、１層目の前記第１コイルのコイル部と２層目の前記第２コイルのコイル部とが対向し、１層目の前記第２コイルのコイル部と２層目の前記第１コイルのコイル部とが対向するように構成されたことをその要旨とする。

この発明では、並列接続される組のコイル部は、１層目と２層目とで第１及び第２コイルのコイル部に対応する各導線の並びが入れ替えられ、１層目の第１コイルのコイル部と２層目の第２コイルのコイル部とが対向し、１層目の第２コイルのコイル部と２層目の第１コイルのコイル部とが対向するように構成される。これにより、１層目と２層目との間においても第１及び第２コイルの各コイル部にて発生する磁界を打ち消すことになるため、一層無誘導化を図ることが可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導限流器において、前記第１及び第２コイルは、前記並列接続される組毎に同一構成をなしていることをその要旨とする。

この発明では、第１及び第２コイルにおいて、並列接続される組毎に同一構成としたため、第１及び第２コイル（限流コイル）を構成する部品種類を少なくでき、容易に構成できる。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の超電導限流器において、前記第１及び第２コイルを構成する前記各コイル部は、そのいずれか一方が径方向内側、他方が径方向外側となるように同軸の円筒巻きにて構成されるものであり、前記並列接続される組毎に前記第１及び第２コイルの各コイル部の径方向位置が入れ替えられて構成されたことをその要旨とする。

この発明では、第１及び第２コイルを構成する各コイル部は、並列接続される組毎に第１及び第２コイルの各コイル部の径方向位置が入れ替えられて同軸円筒巻きにて構成される。これにより、コイル部の径方向位置の違いで発生する磁束量が異なるが、並列接続される組毎にコイル部の径方向位置を入れ替えることで第１及び第２コイルの各コイル部間で磁束量が均等化されるため、一層無誘導化を図ることが可能となる。

本発明によれば、クエンチ部への過電圧印加を抑制してその負担を軽減し、信頼性の高い超電導限流器を提供することができる。

本実施形態の限流器の限流コイルを示す構成図である。 （ａ）は限流器の限流コイルの結線状態を示す回路図であり、（ｂ）はクエンチ時の電流の流れを説明するための説明図である。 （ａ）（ｂ）は別例における限流器の限流コイルを示す構成図である。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態の超電導限流器１０に備えられる超電導限流コイル１１は、互いに巻回方向を逆とした無誘導巻きの第１及び第２コイル１２，１３を備えている。第１及び第２コイル１２，１３は、それぞれ４つ（４組）のコイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄを備え、１組目がコイル部１２ａ，１３ａにて構成、２組目がコイル部１２ｂ，１３ｂにて構成、３組目がコイル部１２ｃ，１３ｃにて構成、４組目がコイル部１２ｄ，１３ｄにて構成されている。これらコイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄは、各組毎に更に並列接続されている。また、コイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄは、各組毎に同一構成で２層構造をなし、２本の超電導線１４ａ，１４ｂを用いた巻回により構成されている。

第１及び第２コイル１２，１３を構成する１組目のコイル部１２ａ，１３ａは、その１層目において、それぞれに対応する超電導線１４ａ，１４ｂの２本を径方向に並べて径方向外側から内側に向かって同一方向に平面渦巻状に巻回、本実施形態では４周巻回される。次いで、内側端部で各超電導線１４ａ，１４ｂの位置が入れ替わるように一度捻られつつ軸方向に渡り、２層目に移行する。次いで、２層目において、互いに位置が入れ替わった超電導線１４ａ，１４ｂの２本を同様に径方向に並べて径方向内側から外側に向かって１層目と同一方向に平面渦巻状に巻回、本実施形態では同じく４周巻回され、１層目と２層目の巻き径が同じとなるようにして軸方向に重ねられる。そして、コイル部１２ａ，１３ａを構成する超電導線１４ａ，１４ｂの巻き始め（１層目）の端末線１４ｘ同士が互いに接続され、巻き終わり（２層目）の端末線１４ｙ同士も互いに接続される。これにより、個々のコイル部１２ａ，１３ａについても並列接続で、且つ無誘導巻きにて構成されている。

また、２組目以降のコイル部１２ｂ〜１２ｄ，１３ｂ〜１３ｄについても１組目のコイル部１２ａ，１３ａと同一構成とされている。そして、１組目のコイル部１２ａ，１３ａから延びる超電導線１４ａ，１４ｂの端末線１４ｙが２組目のコイル部１２ｂ，１３ｂから延びる超電導線１４ａ，１４ｂの端末線１４ｘと接続され、これを３，４組目も同様に繰り返される。１組目の端末線１４ｘと４組目の端末線１４ｙは、外部との接続に用いられる。

尚、図１において、第１コイル１２のコイル部１２ａ〜１２ｄのターン数（番号）は通常の数字にて示され、第２コイル１３のコイル部１３ａ〜１３ｄのターン数（番号）は丸数字にて示される。上記したように、各組で１層目と２層目で超電導線１４ａ，１４ｂの位置が入れ替えられることから、１層目の第１コイル１２と２層目の第２コイル１３とが軸方向に対向し、１層目の第２コイル１３と２層目の第１コイル１２とが軸方向に対向している。

こうして限流コイル１１は、図２（ａ）に示すように、第１及び第２コイル１２，１３を構成するコイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄがそれぞれ直列接続をなし、また各コイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄは各組毎で誘導巻き並列接続をなして構成されている。

因みに、本実施形態では、尚、第１コイル１２を構成する超電導線１４ａと第２コイル１３を構成する超電導線１４ｂとは、クエンチに至る臨界電流値が２倍以上異なるように（例えば、同一超電導材料で線径を相違させる等）、積極的に相違させている。また、このような超電導材料を用いる限流コイル１１は、通常時において超電導状態に維持するために、例えば液体窒素中に浸してケース内に封入する等してなる冷却装置（図示略）にて所定の低温状態に維持される。

そして、このような限流器１０は、例えば電力系統の電力線に接続されて使用される。通常時（臨界電流値以下）では超電導線１４ａ，１４ｂが超電導状態にあることから、限流コイル１１は極めて低インピーダンスとなり、加えて限流コイル１１を無誘導巻きの第１及び第２コイル１２，１３にて構成していることから、各コイル１２，１３にて発生する僅かな磁界をも相互に打ち消しあい、限流コイル１１を一層低インピーダンスとする。そのため、この通常時においては、限流コイル１１での電圧降下が極めて小さい高効率な電力伝送が可能である。

また、電力系統にて短絡・落雷等にて過電流が生じた際には、限流コイル１１への入力電流の増大に基づいて、臨界電流値の低い側、例えば第２コイル１３側が臨界電流値の低い設定とすると、第２コイル１３の一部でクエンチが生じる。このとき、例えば第２コイル１３の２組目のコイル部１３ｂでクエンチが発生したとすると、コイル部１３ｂの電気抵抗の上昇に伴って、図２（ｂ）に示すような電流の流れとなる。即ち、１組目のコイル部１２ａ，１３ａで分岐していた電流が２組目で第１コイル１２のコイル部１２ｂに集約されるが、３組目から再びコイル部１２ｃ，１３ｃに分岐する。これにより、クエンチが生じた第２コイル１３の２組目のコイル部１３ｂの両端電圧の急激な上昇が抑えられるため、クエンチ初期に生じた小範囲のクエンチ部に過電圧が印加されるよりも前にクエンチが第２コイル１３の全体に進展する。そのため、初期に生じた小範囲のクエンチ部に過電圧が印加されることが抑制される。

そして、このように第２コイル１３のクエンチに連動して第１コイル１２の無誘導状態が崩れて、コイル１２のインダクタンスが増大する。これにより、限流コイル１１のインピーダンスが増大して、限流コイル１１に入力される過電流が限流される。このような限流器１０の動作によって、過電流から電力線や電力機器等の保護が行われるようになっている。

次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）限流コイル１１を構成する第１及び第２コイル１２，１３は、複数のコイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄがそれぞれ直列に接続されるとともに無誘導巻きで対となる各コイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄ毎に並列に接続（この場合、常時接続）され、その並列接続される組が複数組で構成されている。つまり、対のコイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄ毎に並列接続としたことで、クエンチが生じたコイル部（この場合、臨界電流値の低い側のコイル部１３ａ〜１３ｄのいずれか）の両端電圧の急激な上昇が抑えられるため、クエンチ初期に生じた小範囲のクエンチ部に過電圧が印加されるよりも前にクエンチが臨界電流値の低い側の第２コイル１３の全体に進展する。結果、初期に生じた小範囲のクエンチ部に過電圧が印加されることを抑制でき、絶縁破壊や焼損等の事象の発生を未然に防止することができる。

（２）コイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄは、２本の超電導線１４ａ，１４ｂが径方向に並んだ状態で径方向外側から内側に向かって平面渦巻状に巻回されて１層目が構成され、そこから２層目に渡り径方向に並んだ状態の各超電導線１４ａ，１４ｂが径方向内側から外側に向かって平面渦巻状に巻回されて２層目が構成されている。そして、そのコイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄの両端の端末線１４ｘ，１４ｙ同士は互いに接続され、対をなすコイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄ同士が無誘導巻き並列接続とされる。つまり、第１及び第２コイル１２，１３の対をなすコイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄ同士の無誘導巻きを容易に構成することができる。

また、コイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄを２層構造として各コイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄの両端の端末線１４ｘ，１４ｙがコイル本体の径方向外側に導出可能なため、端末線１４ｘ，１４ｙの接続をコイル本体の径方向外側部分で行うことができる。つまり、接続抵抗による発熱でクエンチが生じ易い端末線１４ｘ，１４ｙの接続部が熱の篭もらないコイル本体の外側に位置するため、通常時に超電導状態を維持するための冷却装置（図示略）にて十分に冷却でき、端末線１４ｘ，１４ｙの接続部にてクエンチが集中して生じる事象を低減することができる。

（３）コイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄは、１層目と２層目とで超電導線１４ａ，１４ｂの並びが入れ替えられ、１層目の第１コイル１２のコイル部１２ａ〜１２ｄと２層目の第２コイル１３のコイル部１３ａ〜１３ｄとが対向し、１層目の第２コイル１３のコイル部１３ａ〜１３ｄと２層目の第１コイル１２のコイル部１２ａ〜１２ｄとが対向するように構成されている。これにより、１層目と２層目との間においても第１及び第２コイル１２，１３の各コイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄにて発生する磁界を打ち消すことになるため、一層無誘導化を図ることができる。

（４）第１及び第２コイル１２，１３において、並列接続される組毎に同一構成としたため、第１及び第２コイル１２，１３（限流コイル１１）を構成する部品種類を少なくすることができ、容易に構成することができる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、対をなすコイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄの一層の無誘導化を図るべく超電導線１４ａ，１４ｂの並びを１層目と２層目とで入れ替えたが、入れ替えない構成としてもよい。また、各態様のものを混在させてもよい。

・上記実施形態では、コイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄを２層の平面渦巻状に構成したが、１層又は３層以上であってもよい。また、コイル部の形状は平面渦巻状以外の形状としてもよい。

例えば図３（ａ）に示す超電導限流コイル１１ａは、超電導線１４ａ，１４ｂの円筒巻きよりなるコイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄが複数（４個）直列に接続されるとともに、無誘導巻きの対毎に端末線１４ｙ，１４ｘが接続されて並列接続とされる。また、この限流コイル１１ａは、第１コイル１２のコイル部１２ａ〜１２ｄが径方向内側に、第２コイル１３のコイル部１３ａ〜１３ｄが径方向外側となるように同軸円筒巻きの無誘導巻きにて構成される。このような円筒巻きの限流コイル１１ａであってもよい。

また図３（ｂ）に示す超電導限流コイル１１ｂは、並列接続される組毎（無誘導巻きの対毎）にコイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄの径方向位置が入れ替えられて構成される。このようにすれば、コイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄの径方向位置の違いで発生する磁束量が異なるが、本形態のように径方向位置を交互に入れ替えることで、第１及び第２コイル１２，１３の各コイル部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄ間で磁束量が均等化され、一層無誘導化を図ることができる。

・上記実施形態では、各超電導線１４ａ，１４ｂの臨界電流値を互いに２倍以上異なるように設定したが、この数値に限らず、適宜変更してもよい。尚、同一超電導材料で線径を相違させてもよいが、材料そのものを相違させてもよい。また、各臨界電流値を積極的に相違させたが、製造バラツキ等により自然に相違させる態様でもよい。また、一方に超電導線、他方に常電導線を用いて限流コイルを構成してもよい。

・上記実施形態の限流器１０は、電力系統への設置のみならず、他の電気装置に設置するものであってもよい。

１０…超電導限流器、１１，１１ａ，１１ｂ…超電導限流コイル、１２…第１コイル、１２ａ〜１２ｄ…コイル部、１３…第２コイル、１３ａ〜１３ｄ…コイル部、１４ａ，１４ｂ…超電導線（導線）、１４ｘ，１４ｙ…端末線。

Claims (5)

1. 少なくとも一方に超電導線を用いた一対の第１及び第２コイルを有し、各コイルが無誘導巻きにて構成された超電導限流コイルを備え、その超電導限流コイルのクエンチ現象を用いて入力電流が過電流となった際の限流を行う超電導限流器であって、
   前記超電導限流コイルを構成する前記第１及び第２コイルは、複数のコイル部がそれぞれ直列に接続されるとともに前記無誘導巻きで対となる各コイル部毎に並列に接続され、その並列接続される組が複数組で構成されたことを特徴とする超電導限流器。
2. 請求項１に記載の超電導限流器において、
   前記並列接続される組のコイル部は、前記第１及び第２コイルのコイル部のそれぞれに対応する２本の導線を径方向に並べた状態で径方向外側から内側に向かって平面渦巻状に巻回して１層目の巻回を行った後、２層目に渡り径方向に並べた状態の各導線を径方向内側から外側に向かって平面渦巻状に巻回して２層目の巻回を行い、前記コイル部の両端の端末線同士が互いに接続されて構成されたことを特徴とする超電導限流器。
3. 請求項２に記載の超電導限流器において、
   前記並列接続される組のコイル部は、前記第１及び第２コイルのコイル部のそれぞれに対応する各導線の並びが１層目と２層目とで入れ替えられ、１層目の前記第１コイルのコイル部と２層目の前記第２コイルのコイル部とが対向し、１層目の前記第２コイルのコイル部と２層目の前記第１コイルのコイル部とが対向するように構成されたことを特徴とする超電導限流器。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導限流器において、
   前記第１及び第２コイルは、前記並列接続される組毎に同一構成をなしていることを特徴とする超電導限流器。
5. 請求項１に記載の超電導限流器において、
   前記第１及び第２コイルを構成する前記各コイル部は、そのいずれか一方が径方向内側、他方が径方向外側となるように同軸の円筒巻きにて構成されるものであり、前記並列接続される組毎に前記第１及び第２コイルの各コイル部の径方向位置が入れ替えられて構成されたことを特徴とする超電導限流器。

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