JP2013247733A - 超電導限流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】限流動作時において絶縁性能の低下を抑制できる超電導限流装置を提供する。
【解決手段】円筒状の絶縁性巻枠３の外周面上でその巻枠の軸線方向に沿って超電導線材２が重層することなく複数巻回された超電導コイル５を巻枠３の外径を変えて複数用意し、これらを外径の寸法順に同心円状に所定の絶縁空間だけ離間配置して限流素子１とし、冷媒８で充填した断熱容器９内に配置した超電導限流装置１０において、隣接する１組の超電導コイル５は、相互に臨界電流値が異なる超電導線材が用いられ、かつ相互に巻回方向が逆方向となるように巻回され、無誘導巻きコイルとされる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、臨界電流により超電導体が常電導体に相転移するクエンチ現象を利用して過電流を抑制する超電導限流装置に関する。

限流装置は、事故電流にてインピーダンスを発生し、事故電流を抑制する機器である。近年、大電流を流せる高温超電導体が線材として実用化されるようになり、高温超電導体を限流装置に適用することが検討され始めてきた。

高温超電導体を用いた抵抗型超電導限流装置では、巻枠の外周に超電導体を巻回して形成した超電導コイルを線路に直列に接続し、かつ超電導転移温度以下の温度に保つために冷媒中に浸漬される。この超電導限流装置の超電導コイルに流れる線路電流が超電導体の臨界電流を超えた時、超電導体のクエンチ（常電導転移）に伴う急激な抵抗値増加により、限流装置としての機能が生じる。

このような超電導限流装置では、限流動作時に超電導体が発熱し、上記冷媒が気化してコイル近傍が気液混合状態になる。気泡はコイルの絶縁性能を低下させてしまうので、限流装置に気泡が発生しても絶縁性能が低下しにくいコイルの構造とすることが不可欠になる。

特開２００７−２７４７５４号公報

しかしながら、上記のような抵抗型超電導限流装置の構造では、限流動作時に発生する気泡がコイル巻線間（ターン間）を橋絡するために、高い絶縁性能を維持することが出来ないという課題があった。

本発明の実施形態は、上記課題に鑑みてなされたものであり、限流動作時において絶縁性能の低下を抑制できる超電導限流装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態は、円筒状の絶縁性巻枠の外周面上でその巻枠の軸線方向に沿って超電導線材が重層することなく複数巻回された超電導コイルを前記巻枠の外径を変えて複数用意し、これらを外径の寸法順に同心円状に所定の絶縁空間だけ離間配置して限流素子とし、当該限流素子を冷媒で充填した断熱容器内に配置した超電導限流装置において、前記限流素子は、相互に臨界電流値が異なる前記超電導線材を巻回方向が逆方向となるように巻回した無誘導巻きコイルを含んでいることを特徴とする。

第１の実施形態に係る超電導限流装置の構成を示す概略図である。 第１の実施形態に係る超電導限流装置における超電導コイルの配置を示す断面図である。 第２の実施形態に係る超電導限流装置における超電導コイルの構成を示す概略図である。 第３の実施形態に係る超電導限流装置の構成を示す断面図である。 第４の実施形態に係る超電導限流装置における超電導コイルの構成を示す概略図である。 第５の実施形態に係る超電導限流装置の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。

［第１の実施形態］
（全体構成）
図１は、第１の実施形態に係る超電導限流装置の構成を示す概略図である。本実施形態の超電導限流装置１０は、限流素子１を冷媒８で満たされたクライオ容器９に収納して構成されている。

限流素子１は、複数の超電導コイル５…からなり、例えば、最外層コイル５−１、中間層コイル５−ｎ／２、最内層コイル５−ｎというように、外径の異なる複数個の超電導コイル５…を同心円状に所定の絶縁空間を設けて配置して形成される。

任意の超電導コイル５は、絶縁体で円筒状の巻枠３の外周面上でその巻枠３の軸線方向に沿って、超電導線材２を螺旋状に、かつ重ね巻きをせずに多数巻回して形成されている。上記超電導線材２は、断面矩形状の薄膜超電導体を積層して形成される。また、巻枠３に巻回された超電導線材２の両端部には、超電導線材２の角部に集中する電界を緩和するために、電界緩和シールド電極７が配設される。

（超電導コイル５の配置例）
図２は、第１の実施形態に係る超電導限流装置における超電導コイルの配置を示す断面図である。限流素子１は、図２に示すように、偶数個の超電導コイル５…で構成されている。超電導コイル５…の端部から順に隣り合う２個の超電導コイル（例えば、５−１と５−２）は、インダクタンス値が同じで、それぞれのコイルを構成する超電導線材２の臨界電流値が異なり、かつ互いに巻き方向が逆になる配置となっている。なお、図２中のアルファベット記号はコイルの巻回方向を示し、Ｒは右巻き、Ｌは左巻きを示している。

上記配置によって、隣り合う２個の超電導コイル５は無誘導巻き構成とされる。さらに、隣り合う２個の超電導コイル５で構成する無誘導巻きコイル６ａ，６ｂ，・・・において、隣接する無誘導巻きコイル同士が直列に接続されている。

（作用・効果）
第１の実施形態の超電導限流装置１０では、臨界電流値の異なる超電導線材２で構成した隣接する２個の超電導コイルの巻回方向を逆にして、インダクタンスが非常に小さい無誘導巻きコイル６ａ，６ｂ，・・・としたので、系統に直列に接続しても、エネルギー消費の非常に小さいものとなる。

従って、本実施形態の超電導限流装置１０によれば、限流動作時に超電導体の発熱を抑制でき、これにより冷媒８の気化による気泡の発生を抑え、絶縁性能の低下を抑制することができる。

［第２の実施形態］
（構成）
次に、第１の実施形態の変形例としての第２の実施形態について説明する。

図３は、第２の実施形態に係る超電導限流装置における超電導コイルの構成を示す概略図である。図３に示すように、この超電導コイル５’は、１つの巻枠３に、まず臨界電流値の高い超電導線材１１を巻回した後、臨界電流値の低い超電導線材１３をその外側に巻回して、無誘導巻きに構成したものである。また、超電導線材１１と超電導線材１３との接触部分には、絶縁体１５が配置されている。

（作用・効果）
本実施形態の超電導限流装置では、事故時の短絡電流により臨界電流値の低い超電導線材１３がクエンチして抵抗が発生し、無誘導巻きを構成している一方の超電導線材１３が抵抗値をもつようになる。これにより、無誘導特性が崩れて他方の超電導線材１１がインダクタンス成分を持つようになる。従って、超電導コイルのクエンチで生じた抵抗成分と超電導状態のコイルインダクタンス成分の両方のインピーダンスで短絡電流を抑制する働きをする。これにより、超電導体に流れる電流が減少し、発熱による気泡発生を抑制できる。

従って、本実施形態の超電導限流装置によれば、限流動作差動時に冷媒８の気化による気泡の発生を抑え、絶縁性能の低下を抑制することができる。

また、臨界電流値の高い超電導線材１１が臨界電流値の低い超電導線材１３で固定されているので、短絡電流が超電導線材１１を流れたときに大きな電磁力が発生しても超電導線材１１が巻枠３から外れることを防止することができる。

［第３の実施形態］
（構成）
次に、第３の実施形態について説明する。なお、本実施形態の超電導限流装置の構成のうち第１の実施形態と同一部分には同一の符号を付して説明を省略する。

図４は、第３の実施形態に係る超電導限流装置の構成を示す断面図である。本実施形態の超電導限流装置２０では、並列に接続された隣接する２個の超電導コイル（例えば、２１ａ，２１ｂ）において、インダクタンス値が同じで、それぞれのコイルを構成する超電導線材２の臨界電流値が異なり、かつ互いに巻き方向が逆になる配置となっている点は、第１の実施形態と同様である。

本実施形態の超電導限流装置３０は、このような隣接する１組の超電導コイル（例えば、２１ａ，２１ｂ）に、さらに同軸で円筒形状の常電導体コイル（例えば、２１ｃ）を並列に接続したものを１組の複合コイル２３として、これらを複数個同心円状に配置して直列に接続し、冷媒８で満たされた断熱容器であるクライオ容器９に収納したものである。

（作用・効果）
本実施形態の超電導限流装置２０によれば、常電導コイルと超電導コイルを並列に接続したコイル構成としているので、通常運転時は超電導コイル（例えば、２１ａ，２１ｂ）に電流が流れるため、機器としてのインピーダンスは非常に小さい。

事故時に短絡電流が流れると超電導コイルはクエンチして抵抗を発生するため、常電導コイル（例えば、２１ｃ）にも電流が流れるようになる。常電導コイルは電流が流れるとインダクタンスの効果が現れるので、超電導コイルで発生した抵抗と常電導コイルのインダクタンスによる両者のインピーダンスで効率よく短絡電流を抑制することができる。

短絡電流は超電導コイル及び常電導コイルに双方に分流するが、超電導コイルの抵抗値が上昇すると常電導コイルの電流値が大きくなり、超電導コイルに流れる電流が減少し、超電導体からの発熱による気泡発生が低減でき、絶縁性能が向上する。

従って、本実施形態の超電導限流装置２０によれば、限流動作差動時に冷媒８の気化による気泡の発生を抑え、絶縁性能の低下を抑制することができる。

［第４の実施形態］
（構成）
次に、第１又は３の実施形態の変形例としての第４の実施形態について説明する。
図５は、第４の実施形態に係る超電導限流装置における超電導コイルの構成を示す概略図である。

本実施形態の超電導限流装置は、図２に示すような無誘導巻きコイル６ａ，６ｂ，・・・を構成する一方の超電導コイル５に代えて、図５に示すように、巻枠３に超電導線材３１と常電導線材３３を交互に同じ巻回方向に巻いて超電導コイル５’’とし、他方のコイルと無誘導コイルを構成したものである。

（作用・効果）
この超電導限流装置では、事故時の短絡電流により超電導線材３１がクエンチして抵抗が発生すると常電導線材３３にも電流が流れるようになり、常電導コイルのインダクタンスでも限流効果が現れるようになる。このため、超電導コイルのクエンチで生じた抵抗成分と常電導コイルのインダクタンス成分の両方のインピーダンスで短絡電流を抑制し、超電導コイル５’’からの発熱による気泡発生を低減できる。

従って、本実施形態の超電導限流装置によれば、限流動作差動時に冷媒８の気化による気泡の発生を抑え、絶縁性能の低下を抑制することができる。

［第５の実施形態］
（構成）
次に、第３の実施形態の変形例としての第５の実施形態について説明する。
図６は、第５の実施形態に係る超電導限流装置の構成を示す断面図である。本実施形態の超電導限流装置３０は、第３の実施形態に係る超電導限流装置２０の超電導コイル（例えば、２１ａ，２１ｂ）と常電導コイル（例えば、２１ｃ）間を高速スイッチ２５で接続したものである。

（作用・効果）
第５の実施形態の超電導限流装置３０では、事故時の短絡電流により超電導コイル２１ａ，２１ｂがクエンチして抵抗が発生すると、高速スイッチ２５を閉じることで常電導コイル２１ｃにも電流が流れるようになる。このため、常電導コイル２１ｃのインダクタンスでも限流効果が現れるようになる。

従って、超電導コイル２１ａ，２１ｂのクエンチで生じた抵抗成分と常電導コイル２１ｃのインダクタンス成分の両方のインピーダンスで短絡電流を抑制する働きをする。

従って、本実施形態の超電導限流装置３０によれば、限流動作差動時に冷媒８の気化による気泡の発生を抑え、絶縁性能の低下を抑制することができる。

[他の実施形態]
（１）第１の実施形態（図２）の無誘導巻きコイル６ａ，６ｂ，・・・において、隣接する無誘導巻きコイル間の隣接側の超電導コイル５同士の巻き方向を異なる方向としたが（例えば、無誘導巻きコイル６ａの６ｂ隣接側の超電導コイルはＬ方向、無誘導巻きコイル６ｂの６ａ隣接側の超電導コイルはＲ方向）、同じ方向同士を隣接させても良い。すなわち、超電導コイル５を端部から順に、Ｒ、Ｌ、Ｌ、Ｒ、Ｒ、Ｌ・・・の順に配置することもできる。

（２）第３の実施形態（図４）では、Ｌ方向に巻回した超電導コイル（例えば、２１ｂ）の隣に、Ｌ方向に巻回した常電導コイル（例えば、２１ｃ）を並列に接続したが、Ｒ方向に巻回した超電導コイル（例えば、２１ａ）の隣に、Ｒ方向に巻回した常電導コイルを並列に接続しても良い。

（３）第４の実施形態（図５）では、超電導線材３１と常電導線材３３とを共にＲ方向に巻回する例を示したが、共にＬ方向に巻回しても良い。

（４）以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…限流素子
２…超電導線材
３…巻枠
５，５’，５’’…超電導コイル
５−１…最外層コイル
５−ｎ／２…中間層コイル
５−ｎ…最内層コイル
６、６ａ、６ｂ、６ｃ…無誘導巻きコイル
７…電界緩和シールド電極
８…冷媒
９…クライオ容器
１０、２０、３０…超電導限流装置
１１…（臨界電流値の高い）超電導コイル
１３…（臨界電流値の低い）超電導コイル
１５…絶縁体
２１ａ，２１ｂ…超電導コイル
２１ｃ…常電導コイル
２３…複合コイル
２５…高速スイッチ
３１…超電導線材
３３…常電導線材

Claims (6)

1. 円筒状の絶縁性巻枠の外周面上でその巻枠の軸線方向に沿って超電導線材が重層することなく複数巻回された超電導コイルを前記巻枠の外径を変えて複数用意し、これらを外径の寸法順に同心円状に所定の絶縁空間だけ離間配置して限流素子とし、当該限流素子を冷媒で充填した断熱容器内に配置した超電導限流装置において、
   前記限流素子は、相互に臨界電流値が異なる前記超電導線材を巻回方向が逆方向となるように巻回した無誘導巻きコイルを含んでいることを特徴とする超電導限流装置。
2. 前記限流素子において隣接する１組の前記超電導コイルは、相互に臨界電流値が異なる超電導線材が用いられ、かつ相互に巻回方向が逆方向となるように巻回され、前記無誘導巻きコイルとされていることを特徴とする請求項１記載の超電導限流装置。
3. 前記無誘導巻きコイルは、１つの前記巻枠に臨界電流値が異なる超電導線材を互いに巻回方向が逆となるように無誘導巻きし、かつ前記超電導線材同士が重なり合う部分を絶縁体で絶縁することにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の超電導限流装置。
4. 前記隣接する１組の超電導コイルからなる前記無誘導巻きコイルに、さらに常電導コイルを並列に接続したことを特徴とする請求項２記載の超電導限流装置。
5. 前記無誘導巻きコイルを構成している一方の超電導コイルに代えて、円筒状の絶縁性巻枠の外周面上でその巻枠の軸線方向に沿って超電導線材及び常電導線材を重層することなく同一方向に複数巻回させた超電導コイルを用いたことを特徴とする請求項２記載の超電導限流装置。
6. 前記無誘導巻きコイルと前記常電導コイルとの間に、開閉スイッチを設けたことを特徴とする請求項４記載の超電導限流装置。

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