JP2014165431A - 超電導コイル及び超電導変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁強度がより向上した超電導コイル及びこの超電導コイルを用いた超電導変圧器を提供すること。
【解決手段】電気的絶縁材からなる筒状の巻枠４に沿って超電導線材５が巻回されてなる超電導コイルにおいて、巻枠４の両端部に形成された溝８に導体からなる電界緩和リング３が設けられているとともに、電界緩和リング３の外周にシート状絶縁材を巻き回してなる絶縁層１０が形成されている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導コイル及びこの超電導コイルを用いた超電導変圧器に関する。

超電導コイルは高磁界発生手段として種々の分野で実用されている。一方、変圧器のような交流機器への超電導コイルの適用は、超電導導体が交流によって損失を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、さらには高温超電導体とも呼ばれる酸化物超電導体の出現によって、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。

近年では、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６６ｋＶ〜７７ｋＶ、低圧側電圧が６．６ｋＶ〜６．９ｋＶ、変圧器容量が数十ＭＶＡというような大容量変圧器の開発が行われている。超電導変圧器は、電気的絶縁材からなる巻枠や一般の油入変圧器に使用されている絶縁油と同程度の絶縁性能を持つ液体窒素により絶縁は保たれている。しかしながら、使用する超電導導体は矩形の断面形状を有しており、超電導導体の断面の縦横比が大きく、超電導導体の端部に電界が集中する可能性があり、雷インパルスなど過電圧が生じた場合、巻線ターン間の短絡や１次側巻線と２次側巻線との間の短絡のような絶縁破壊が生じる可能性がある。このため、絶縁強度を維持するため電界緩和を行う必要がある。

超電導変圧器に組み込まれるコイルの電界緩和対策として、例えば、断面が矩形状の通電導体が電気的絶縁材からなる円筒形状の巻枠の外周面に螺旋状に巻回されてなるコイルにおいて、巻枠における通電導体よりも軸方向に１ターン分だけ端部側の部分に電界緩和リングを設置し、これにより電界緩和を図ることが提案されている（例えば特許文献１参照）。

図４は、従来技術による超電導変圧器の構成例を示す模式的部分断面図である。図４において、超電導変圧器１０１を構成する鉄心５１、内側コイル２、外側コイル１は、それぞれ鉄心５１の中心軸を軸心として同心状に配置されており、前記中心軸は図４における鉄心５１の左側にある。従って、鉄心５１の中心軸部の外径側に内側コイル２、更にその外径側に外側コイル１が配置されていることを示している。なお、変圧器では、一般的に内側コイルを低圧巻線（２次側巻線）、外側コイルを高圧巻線（１次側巻線）としている。

変圧器の場合、前記した低圧巻線と高圧巻線との巻回数の比は、ほぼ変圧比に比例する。例えば、変圧比２の変圧器の場合、高圧巻線の巻回数は低圧巻線の巻回数のほぼ２倍となる。この場合、例えば低圧巻線が１層の場合には、高圧巻線を２層構造として構成するのが一般的である。図４は、変圧比２の場合であって、内側コイル（低圧巻線）２を１層、外側コイル（高圧巻線）１を内径側巻線１１と外径側巻線１２との２層とした場合の構成例を示している。

また、図４において、超電導線材５として高温超電導体を使用した場合、内側コイル２および外側コイル１は、図示しない冷却容器内に収納支持され、液体窒素に浸漬冷却されている。さらに、同心状に配置される各コイルの位置合わせを行なって、各コイルを支持するために、軸方向両端部には、図示しない巻線支持部材が設けられている。

図４に示されているように、内側コイル２（２次側巻線）、外側コイル１（１次側巻線）の内径側巻線１１および外径側巻線１２は、いずれも、電気的絶縁材からなる円筒状の巻枠４の外径側に設けられた溝７に沿って矩形断面を持つ超電導線材５が巻回されてなる超電導コイルとして構成されている。巻枠４の軸方向の両端部の外径側、すなわち、超電導線材５よりも軸方向に１タ−ン分だけ端部側の部分に設けられた矩形断面を持つ溝８に沿って導体からなる円形断面を持つ電界緩和リング３が巻回されている。

特開２００６−２３７２２１号公報

図４に示した従来技術による超電導変圧器１０１を構成する各超電導コイルでは、上述のように、巻枠４の軸方向の両端部の外径側、すなわち、超電導線材５よりも軸方向に１タ−ン分だけ端部側の部分に設けられた矩形断面を持つ溝８に沿って円形断面を持つ電界緩和リング３を巻回しているが、電界緩和リング３と溝８との断面形状の違いから、電界緩和リング３と溝８との間にギャップ部が生じる。このギャップ部の大きさ、形状によっては、ギャップ部における電界集中が大きくなって、矩形断面を持つ超電導線材５の端部への電界集中が電界緩和リング３により緩和される効果が損なわれ、十分な電界緩和を行うことができなくなる可能性がある。

図５は従来技術による超電導変圧器の構成例における超電導コイル巻枠端部の拡大断面図である。図５において、電界緩和リング３と溝８との断面形状の違いから、電界緩和リング３の外周面と溝８の底面および両側面との間にそれぞれギャップ部３１，３２，３３が生じている。

そして、電界緩和リング３と溝８の底面とが対向するギャップ部３１では、電界緩和リング３の外周面が溝８の底面と当接しているとともに、この当接箇所のコイル軸方向の両側に楔状のギャップが生じており、この楔状のギャップで電界集中が大きくなる可能性が有る。なお、図５では図示されていないが、巻枠４、超電導線材５および電界緩和リング３の外周面に接するようにして例えば液体窒素などの冷媒が存在しており、電界緩和リング３と溝８との間の空間も上記冷媒で満たされている。

また、図５に示されるように電界緩和リング３の外周面が溝８の両側面とも当接するようにした構成では、ギャップ部３２，３３でも電界緩和リング３の外周面が溝８の両側面と当接するとともに、この当接箇所のコイル半径方向の両側に楔状のギャップが生じるので、この楔状のギャップでも電界集中が大きくなる可能性が有る。

本発明は、このような問題点を解決して、超電導線材の端部への電界集中がより緩和され、絶縁強度がより向上した超電導コイル及びこの超電導コイルを用いた超電導変圧器を提供することを目的とする。

本発明は、上記のような目的を達成するために、電気的絶縁材からなる筒状の巻枠に沿って超電導線材が巻回されてなる超電導コイルにおいて、前記巻枠部の両端部に形成された溝に導体からなる電界緩和リングが設けられているとともに、この電界緩和リングの外周にシート状絶縁材を巻き回してなる絶縁層が形成されている構成とする（請求項１の発明）。

また、上記請求項１に記載の超電導コイルにおいて、前記溝は、矩形断面を持つ構成とすることができる（請求項２の発明）。
また、上記請求項１または２に記載の超電導コイルにおいて、前記シート状絶縁材は、絶縁紙からなる構成とすることができる（請求項３の発明）。

さらに、上記請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超電導コイルを用いて超電導変圧器を構成するとよい（請求項４の発明）。
また、上記請求項４に記載の超電導変圧器において、１次側巻線および２次側巻線のうち少なくとも１次側巻線を、上記請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超電導コイルにより構成するとよい（請求項５の発明）。

本発明によれば、超電導コイルにおける巻枠の両端部に形成された溝に設けられる電界緩和リングの外周にシート状絶縁材を巻き回してなる絶縁層が形成されている。電界緩和リングの外周に絶縁層が形成されていることにより、電界緩和リングと溝の内面とが対向するギャップ部において電界緩和リングは溝の内面に対して少なくとも絶縁層の厚さ分だけ間隔を空けて対向することになり、電界緩和リングの外周面が溝の内面に当接することはなくなる。このため、本発明では、電界緩和リングに絶縁層が形成されていない従来の構成におけるような楔状のギャップが生じることを防ぐことができる。

しかしながら、電界緩和リングと溝の内面とが絶縁層の厚さ分だけ間隔を空けて対向するギャップ部であっても、その間隔寸法、すなわち絶縁層の厚さ寸法が十分に大きくない場合は、このギャップ部における電界集中を十分に小さくすることができないため、矩形断面を持つ超電導線材の端部への電界集中が電界緩和リングにより緩和される効果が損なわれ、十分な電界緩和を行うことができなくなる可能性がある。

一方、電界緩和リングの外周に形成される絶縁層の厚さを不必要に厚くした場合、電界緩和リングを配設するための溝の深さ寸法（コイル半径方向寸法）及び幅寸法（コイル軸方向寸法）が不必要に大きくなるため、超電導コイルを極力コンパクトな構造とする上で不適当なものとなる。

このため、電界緩和リングの外周に形成される絶縁層の厚さについて、ギャップ部における電界集中を十分に小さくできるような厚さ条件を設計値として求めた上で、絶縁層の厚さが上記設計値になっているように精度良く管理することが重要である。

この点において、本発明では、絶縁層が特にシート状絶縁材を巻き回してなるものであって、絶縁層の厚さはシート状絶縁材の巻き回し回数で調整することができるので、シート状絶縁材として十分な厚さ精度を有する素材を用いれば、電界緩和リングの外周に形成される絶縁層の厚さを精度良く管理することができ、これにより、超電導線材の端部への電界集中が電界緩和リングにより緩和される効果が損なわれることを確実に防ぐことができる。

このように、本発明によれば、超電導線材の端部への電界集中が電界緩和リングにより緩和される効果が損なわれることを確実に防ぐことができ、これにより、超電導線材の端部への電界集中をより緩和して、超電導コイルの絶縁強度をより向上させることができる。

さらに、上記超電導コイルを用いて超電導変圧器を構成すること、より具体的には例えば超電導変圧器における１次側巻線および２次側巻線のうち少なくとも１次側巻線を上記超電導コイルにより構成することにより、超電導変圧器における１次側巻線と２次側巻線との距離をより短くすることが可能となり、超電導変圧器の小型化に寄与する。

本発明の実施形態による超電導変圧器の構成例を示す模式的部分断面図である。 本発明の実施形態による超電導変圧器の構成例における超電導コイル巻枠端部の拡大断面図である。 本発明の実施形態における電界強度と絶縁層の厚みとの関係を示す図である。 従来技術による超電導変圧器の構成例を示す模式的部分断面図である。 従来技術による超電導変圧器の構成例における超電導コイル巻枠端部の拡大断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。

図１は本発明の実施形態による超電導変圧器の構成例を示す模式的部分断面図である。図１において、超電導変圧器１０１ａを構成する鉄心５１、内側コイル２ａ、外側コイル１ａは、それぞれ鉄心５１の中心軸を軸心として同心状に配置されており、前記中心軸は図１における鉄心５１の左側にある。従って、鉄心５１の中心軸部の外径側に内側コイル２ａ、更にその外径側に外側コイル１ａが配置されていることを示している。なお、上述のように、変圧器の場合、一般的に内側コイルを低圧巻線（２次側巻線）、外側コイルを高圧巻線（１次側巻線）としている。

図１は、図４と同様に、変圧比２の場合であって、内側コイル（低圧巻線）２ａを１層、外側コイル（高圧巻線）１ａを内径側巻線１１ａと外径側巻線１２ａとの２層とした場合の構成例を示している。

また、図１において、図２と同様に、超電導線材５として高温超電導体を使用した場合、内側コイル２ａおよび外側コイル１ａは、図示しない冷却容器内に収納支持され、液体窒素に浸漬冷却されている。さらに、同心状に配置される各コイルの位置合わせを行なって、各コイルを支持するために、軸方向両端部には、図示しない巻線支持部材が設けられている。

図１に示されているように、内側コイル２ａ（２次側巻線）、外側コイル１ａ（１次側巻線）の内径側巻線１１ａおよび外径側巻線１２ａは、いずれも、電気的絶縁材からなる円筒状の巻枠４の外径側に設けられた溝７に沿って矩形断面を持つ超電導線材５が巻回されてなる超電導コイルとして構成されている。巻枠４の軸方向の両端部の外径側、すなわち、超電導線材５よりも軸方向に１タ−ン分だけ端部側の部分に設けられた矩形断面を持つ溝８に沿って導体からなる円形断面を持つ電界緩和リング３が巻回されている。

さらに、図１では、電界緩和リング３の外周にシート状絶縁材を巻き回してなる絶縁層１０が形成されている。シート状絶縁材としては例えばアラミド絶縁紙などの絶縁紙を用いることができるが、これに限定されるものではない。絶縁層１０が特にシート状絶縁材を巻き回してなるものであることにより、電界緩和リング３の外周上の全周にわたって厚さが均一な絶縁層１０を確実、かつ、容易に形成することができる。

また、絶縁層１０の厚さにより電界緩和リング３と巻枠４の溝８の底面との間隔寸法を調整することができる。そして、本発明においては絶縁層１０の厚さはシート状絶縁材の巻き回し回数で調整することができるので、電界緩和リング３と巻枠４の溝８の底面との間隔寸法の調整は容易である。また、シート状絶縁材として十分な厚さ精度を有する素材を用いることにより、絶縁層１０の厚さ精度も十分なものとすることができる。

図２は本発明の実施形態による超電導変圧器の構成例における超電導コイル巻枠端部の拡大断面図である。図２において、電界緩和リング３と溝８の底面とが対向する箇所をギャップ部３１Ａとし、電界緩和リング３と溝８の一方の側面とが対向する箇所をギャップ部３２Ａとし、電界緩和リング３と溝８の他方の側面とが対向する箇所をギャップ部３３Ａとしている。そして、ギャップ部３１Ａにおける電界緩和リング３と溝８の底面との間隔ｄ１は、電界緩和リング３の外周上の絶縁層１０のギャップ部３１Ａにおける厚さに相当するものとなっている。また、図２に示されるように電界緩和リング３の外周に形成された絶縁層１０の外周面が溝８の両側面と当接するようにした構成では、ギャップ部３２Ａ，３３Ａにおける電界緩和リング３と溝８の両側面との間隔ｄ１，ｄ２も、それぞれ絶縁層１０のギャップ部３２Ａ，３３Ａにおける厚さに相当するものとなる。

図２に示されるように、本発明では、電界緩和リング３の外周に絶縁層１０が形成されていることにより、電界緩和リング３と溝８の底面とが対向するギャップ部３１Ａにおいて、電界緩和リング３は溝８の底面に対して絶縁層１０の厚さ分だけの間隔ｄ１を空けて対向しているので、電界緩和リング３の外周面が溝８の底面に当接することはなくなる。また、図２に示されるように、電界緩和リング３と溝８の両側面とが対向するギャップ部３２Ａ，３３Ａにおいても、電界緩和リング３は溝８の両側面に対して絶縁層１０の厚さ分だけの間隔ｄ２，ｄ３を空けて対向しているので、電界緩和リング３の外周面が溝８の両側面に当接することはなくなる。

このため、本発明では、図５に示した電界緩和リング３に絶縁層１０が形成されていない従来の構成におけるような楔状のギャップが生じることを防ぐことができる。
しかしながら、図２におけるギャップ部３１Ａにおいて、その間隔寸法ｄ１、すなわち絶縁層１０の厚さ寸法が十分に大きくない場合は、このギャップ部３１Ａにおける電界集中を十分に小さくすることができないため、矩形断面を持つ超電導線材５の端部への電界集中が電界緩和リング３により緩和される効果が損なわれ、十分な電界緩和を行うことができなくなる可能性がある。この点はギャップ部３２Ａ，３３Ａでも同様である。

このため、ギャップ部３１Ａ、さらにはギャップ部３２Ａ，３３Ａにおける電界集中を十分に小さくできるような絶縁層１０の厚さ条件を設計値として求めた上で、絶縁層１０の厚さが上記設計値になっているように精度良く管理することが重要であるが、この点において、本発明では、上述のように、絶縁層１０が特にシート状絶縁材を巻き回してなるものであることにより、絶縁層１０の厚さを精度良く管理することができるので、超電導線材５の端部への電界集中が電界緩和リングにより緩和される効果が損なわれることを確実に防ぐことができる。

このように、本発明では、超電導線材５の端部への電界集中が電界緩和リング３により緩和される効果が損なわれることを確実に防ぐことができ、これにより、超電導線材５の端部への電界集中をより緩和して、超電導コイルの絶縁強度をより向上させることができる。

次に、本発明の実施形態の具体的な内容を以下の実施例で説明する。
＜実施例１＞
本実施例１では、上述の図１で示しているように、超電導変圧器１０１ａにおける内側コイル２ａ、外側コイル１ａの内径側巻線１１ａおよび外径側巻線１２ａの各超電導コイルにおいて、幅５．２ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの超電導素線の４重ね２並べで構成した超電導線材５を、巻枠４の外径側に設けられた矩形断面を持つ溝７に沿って４ターン巻回している。

また、矩形断面を持つ超電導線線材５の端部に集中する電界を緩和するため、φ４ｍｍの円形断面を持つ導体よりなる電界緩和リング３を巻枠４の軸方向の両端部の外径側、すなわち超電導線材５よりも軸方向に１タ−ン分だけ端部側の部分に設けられた矩形断面を持つ溝８に沿って巻回している。なお、巻枠４の軸方向の上側および下側の端部に設けられた各電界緩和リング３は、コイル導体である超電導線材５の巻き始め側の端部（図１では上側から１ターン目の超電導線材５の巻き始め端）および巻き終わり側の端部（図１では上側から４ターン目の超電導線材５の巻き終わり端）にそれぞれ導電接続されている。

さらに、電界緩和リング３の外周にはアラミド絶縁紙からなるシート状絶縁材を巻き回している。後述するように、シート状絶縁材を巻き回して形成する絶縁層１０の厚さは０．３ｍｍ以上が好ましい。

本発明における電界緩和リングによる電界緩和効果について図３に示す。この電界緩和効果は汎用の解析ソフトウェアを用いて解析した。図３には、本実施例１のようなφ４ｍｍの円形断面を持つ電界緩和リング３を設けた構成において、１００ｋＶｒｍｓの過電圧を印加した時の矩形断面を持つ超電導線線材５の端部での電界強度（縦軸）と絶縁紙により形成される絶縁層１０の厚み（横軸）との関係を示している。なお、電界強度は電界緩和リング無しの場合の電界強度で正規化している。

図３に示される解析結果から、電界緩和リング３による電界緩和効果が現れるのが、絶縁紙により形成される絶縁層１０の厚みが０．３ｍｍ以上の場合、すなわち、電界緩和リング３と巻枠４の溝８の底面との間隔寸法ｄ１が０．３ｍｍ以上の場合であるため、超電導線材５の端部への電界集中が電界緩和リング３により緩和される効果が損なわれることを防ぐため、シート状絶縁材を巻き回して形成する絶縁層１０の厚さは０．３ｍｍ以上が好ましい。

なお、本発明における超電導線材５を構成する超電導素線の幅、厚さの断面寸法、超電導線材５における超電導素線の分割数や並列数、および、超電導線材５の巻回ターン数は、本実施例１で述べた上記構成例に限定されるものではない。

また、本発明における電界緩和リング３の断面形状は、図１〜２に示したような真円に限定されるものではなく、例えば楕円であってもよい。
また、本発明における溝８の断面形状は、図１〜２に示したような矩形断面に限定されるものではなく、電界緩和リング３の断面形状とは異なるために電界緩和リング３と溝８の内面との間にギャップ部が形成されるような断面形状を持つ溝８を備えた構成であれば、本発明を効果的に適用することができる。

また、上述の図１では、超電導変圧器１０１ａにおける１次側巻線（高圧巻線）である外側コイル１ａと、２次側巻線（低圧巻線）である内側コイル２ａとの両方に電界緩和リング３を設ける構成を示したが、本発明は上記構成に限定されるものではなく、電界緩和リング３を１次側巻線（高圧巻線）だけに設ける構成であってもよい。

１，１ａ：外側コイル
２，２ａ：内側コイル
３：電界緩和リング
４：巻枠
５：超電導線材
７：溝
８：溝
１０：絶縁層
１１，１１ａ：外径側巻線
１２，１２ａ：内径側巻線
３１，３１Ａ，３２，３２Ａ，３３，３３Ａ：ギャップ部
５１：鉄心
１０１，１０１ａ：超電導変圧器

Claims (5)

1. 電気的絶縁材からなる筒状の巻枠に沿って超電導線材が巻回されてなる超電導コイルにおいて、前記巻枠の両端部に形成された溝に導体からなる電界緩和リングが設けられているとともに、
   この電界緩和リングの外周にシート状絶縁材を巻き回してなる絶縁層が形成されていることを特徴とする超電導コイル。
2. 請求項１に記載の超電導コイルにおいて、
   前記溝は、矩形断面を持つことを特徴とする超電導コイル。
3. 請求項１または２に記載の超電導コイルにおいて、
   前記シート状絶縁材は、絶縁紙からなることを特徴とする超電導コイル。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超電導コイルを用いたことを特徴とする超電導変圧器。
5. 請求項４に記載の超電導変圧器において、１次側巻線および２次側巻線のうち少なくとも１次側巻線を、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超電導コイルにより構成したことを特徴とする超電導変圧器。