JP2016515376A - 超電導障害電流制限器システム - Google Patents

Abstract

電流制限器システムは超電導障害電流制限器（ＳＣＦＣＬ）を有し、これは該ＳＣＦＣＬが超電導状態にある通常動作状態中、負荷電流を流すように動作する。電流制限器システムはまた、ＳＣＦＣＬに電気的に並列接続され、通常動作状態においてＳＣＦＬよりも少ない電流を流すように構成された分路リアクターと、ＳＣＦＣＬ及び分路リアクターと電気的に直列接続され、障害電流が閾値電流値を超えた後の障害状態中、所定の時間、負荷電流経路からＳＣＦＣＬを切断するように構成された保護スイッチとを有する。

Description

本発明は電流制御デバイス、より詳細には障害電流を制限する装置に関するものである。

障害電流制限器は、例えば、送電ネットワークで過電流からの保護を提供するために使用される。超電導障害電流制限器（ＳＣＦＣＬ）は極低温で動作し、典型的には、高電圧及び高電流にさらされる送電線又は配電線で使用される類のデバイスである。抵抗型ＳＣＦＣＬでは、電流がＳＣＦＣＬの超電導部品を流れて高い障害電流が発生すると、超電導体はクエンチする。すなわち抵抗が急激に上昇すると超電導体は通常の導体となる。

ＳＣＦＣＬデバイスのコアは、電力を分散させて極低温熱負荷を増加させる非超電導コネクタを使用して直列及び並列に相互に接続された、いくつかの超電導素子から構成することができる。通常の動作モードでは、テープなどの超電導素子を超電導状態にするために、ＳＣＦＬデバイスは極低温に冷却される。送電線に過電流が発生すると電流はＳＣＦＣＬに流入し、その時点で超電導素子を流れる。過電流が超電導テープ内の電流密度の臨界値を超えると、超電導材料は通常の導体へと変化する（すなわちクエンチ）。一旦通常の電導状態になると、超電導材料は電流に対する有限抵抗を得て、これによってＳＣＦＣＬを流れる電流が許容可能なレベルに制限され、送電線を流れる電流を調節することができる。

従来のＳＣＦＣＬシステムでは、通常動作中、ＳＣＦＣＬは電流負荷に対してほぼゼロのインピーダンスを与え、例えば短絡のような障害状態の場合、大きな制限インピーダンスを挿入して障害電流を低減させる。ＳＣＦＣＬを適切に動作させるための更なる要求事項は、障害状態が解消された後、ＳＣＦＣＬを元の超電導状態に数秒以内で迅速に回復させ、起こり得る別の障害事象で電流を制限することである。

現在のその他の大きな課題は、回復期間中にＳＣＦＣＬを負荷電流が流れる際の、ＳＣＦＣＬの回復能力である。現在積極的に開発が行われているＳＣＦＣＬには、特に、ニホウ化マグネシウムワイヤ、イットリウムバリウム銅酸化物（ＹＢＣＯ）テープ、又はビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物（ＢＳＳＣＯ）材料を使用したシステムがあり、これらは設計通りに機能させるために、それぞれの超電導転移温度（Ｔ_ｃ）未満に冷却される。ＹＢＣＯ及びＢＳＳＣＯ系デバイスは魅力的である、というのも、典型的な市販材料のＴ_ｃは９０°〜１０５°Ｋの範囲であり、ＳＣＦＣＬデバイスを比較的安価な液体窒素又は沸騰窒素冷却を使用して動作させることが可能になるからである。しかしながら、ＹＢＣＯ又はＢＳＳＣＯシステムなどのＳＣＦＣＬがクエンチし、障害中に有限抵抗状態になると、ＳＣＦＣＬなどに引き込まれる負荷電流の持続が問題となる。具体的には、有限抵抗を持つＹＢＣＯ又はＢＳＳＣＯ（又はその他の）素子に引き込まれる負荷電流は、超電導素子を不必要に熱してしまう。ＳＣＦＣＬに引き込まれる電流が少量であっても、超電導材料のその超電導状態への回復を遅らせ、それによって障害制限システムの性能が損なわれてしまう。最悪の場合、ＳＣＦＣＬシステムは全く回復せず、ＳＣＦＣＬの超電導素子は通常状態の導体のままとなる。従って既知のＳＣＦＣＬシステムに改善が必要なことは明らかである。

この「発明の概要」は、以下の「発明を実施するための形態」で詳細に説明する概念を選択し、これらを簡易的に紹介するために提供するものである。この「発明を実施するための形態」は請求項に記載された対象の主要特徴又は本質的特徴を特定するためのものではなく、請求項に記載された対象の範囲を決定するための補助となるものである。

一実施形態において、電流制限器システムは超電導障害電流制限器（ＳＣＦＣＬ）を含み、これはＳＣＦＣＬが超電導状態である通常の動作状態中、負荷電流が流れるように動作する。電流制限器システムはまた、ＳＣＦＣＬに電気的に並列接続され、通常の動作状態においてＳＣＦＬよりも少ない電流を流すように構成された分路リアクターと、ＳＣＦＣＬ及び分路リアクターと電気的に直列接続され、障害電流が閾値電流値を超えた後の障害状態中、所定の期間、負荷電流経路からＳＣＦＣＬを切断するように構成された保護スイッチとを含む。

追加の実施形態において、電気回路に配置された超電導障害電流制限器（ＳＣＦＣＬ）システムは、ＳＣＦＣＬが超電導状態である通常の動作状態中、負荷電流を流すように構成されたＳＣＦＣＬを含む第１電気経路と、第１電気経路と電気的に並列接続され、通常の動作状態中、ＳＣＦＬよりも少ない電流を流すように構成された分路リアクターを含む第２電気経路と、ＳＣＦＣＬを含む第１電気経路及び分路リアクターを含む第２電気経路と直列接続を形成するように構成された保護部品とを含み、保護スイッチは電流が閾値電流値を超えるとＳＣＦＣＬを含む第１電気経路に沿って、所定の期間、開回路を形成するようにさらに構成され、この時負荷電流はＳＣＦＣＬを流れない。

一実施形態による電流制限システムを示す図である。 別の実施形態による電流制限システムを示す図である。 電流制限システムで使用する例示的保護スイッチを示す図である。 図３Ａの保護スイッチの動作の更なる詳細を示す図である。 更なる実施形態による電流制限システムの一使用例を示す図である。 図４Ａの電流制限システムの別の使用例を示す図である。 図４Ａの電流制限システムの更なる使用例を示す図である。 図４Ａの電流制限システムの更にもう一つの使用例を示す図である。 更なる実施形態による更なる電流制限システムを示す図である。 更なる実施形態による別の更なる電流制限システムを示す図である。 本実施形態によるＳＣＦＣＬシステムの例示的電流曲線を示す図である。 回復電磁スイッチの詳細な機構を示す図である。

本発明の実施形態を示す添付の図面を参照して本発明を以下に詳述する。しかしながら本発明は多くの種々の形態で具現化することができ、本明細書に示す実施形態に限定されると解釈してはならない。むしろこれらの実施形態は、この開示が十分かつ完全となり、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。図面において、同一の番号は全体を通して同一の要素を指す。

上述のＳＣＦＣＬの欠点のうちのいくつかに取り組むために、ＳＣＦＣＬの改善された構造及び性能を提供する実施形態を本明細書に記載する。上述の様に、従来のＳＣＦＣＬシステムにおいて、ＳＣＦＣＬは通常の動作中電流負荷に対してほぼゼロのインピーダンスを与え、ＳＣＦＣＬが超電導状態でなくなる障害状態中、電流に対してかなり大きなインピーダンスを与える。しかしながら障害事象が解消された後の障害回復期間中、従来のＳＣＦＣＬシステムにおいて、ＳＣＦＣＬを流れる持続負荷電流はＳＣＦＣＬが超電導状態へ回復するのを妨げる。

この状況に取り組むために、本実施形態は回復期間中に負荷電流からＳＣＦＣＬを切断する、ＳＣＦＣＬと直列接続された保護スイッチ又は遮断器などの保護システムを提供する。有利には、これによって有限抵抗状態にあるＳＣＦＣＬの超電導素子は超電導状態に戻る転移をより迅速に行うことができる。「有限抵抗状態（finite resistance state及びfinite resistivity state）」という用語は非超電導状態にある超電導材料の状態を指し、金属、半金属又は半導体の抵抗特性によって特徴付けることができる。超電導材料は、超電導材料が超電導の臨界温度Ｔ_ｃを超える温度を有する、及び／又は超電導材料を通る電流が臨界電流を超える場合、有限抵抗状態である。

更に有利には、保護システムは負荷又は障害電流を利用して保護回路に電力を供給することができる。より具体的には、保護システムが負荷又は障害電流によって駆動されるように構成することができ、これによって回路の複雑化の必要性が避けられる。この配置によるその他の利点は、ＳＣＦＣＬシステム全体の設計の複雑性を低減することができることと、ＳＣＦＣＬ素子に必要な超電導材料の量を低減することができることである。

図１は本開示の実施形態に従うＳＣＦＣＬシステム１００の一般構造を示している。ＳＣＦＣＬシステム１００はＳＣＦＣＬ１０２を備え、これは、従うべき記載が本明細書に特にない限り、従来のＳＣＦＣＬであってもよい。ＳＣＦＣＬシステムは分路リアクター１０４を更に備え、これは従来の分路リアクター、絶縁システム１０６及び保護素子１０８であってもよい。

動作において、ＳＣＦＣＬシステム１００は入口点１１０と出口点１１２との間を通る障害電流（別途表示せず）を制限することによって障害電流保護を提供する（図１において「入口点」及び「出口点」の指定は任意である）。通常の動作モード中、負荷電流は周期的、時々、又は連続的にＳＣＦＣＬシステムを流れる。通常動作モードの負荷電流は、超電導素子１２０が超電導状態のままとなる、すなわち、負荷電流がＳＣＦＣＬ１０２を通過する際、抵抗ゼロで負荷電流が超電導素子１２０を通って送られるような電流レベルを示す。その結果、負荷電流は通常状態の金属を含む抵抗点及び接続点を含むＳＣＦＣＬを比較的低い抵抗で流れる。過度の障害電流がすぐに発生する障害状態中、超電導素子１２０は超電導状態から、過度の障害電流に大きな全体的インピーダンスが加えられる有限抵抗状態へと変化することによって過度の障害電流に反応し、これによって障害状態中の障害電流が制限される。次に保護素子１０８などの保護素子を用いて、超電導素子１２０は超電導状態に戻り、今後の障害事象の際に電流を制限することによって電流を調節する。

図１に更に示す様に、ＳＣＦＣＬシステム１００は、入口点１１０と出口点１１２との間で分岐する、２つの平行する電気経路１１４及び１１６を形成する。その結果、ＳＣＦＣＬ１０２及び分路リアクター１０４はそれぞれの電気経路１１４及び１１６に沿ってＳＣＦＣＬシステム１００内で電気的に並列に配置される。通常動作モードにおいて、電気経路１１６は、ＳＣＦＣＬシステム１００がＳＣＦＣＬ１０２に負荷電流のおよそ１００％を引き込み、分路リアクター１０４に負荷電流のおよそ０％を引き込むように構成されるような負荷電流経路を表している。しかしながら、障害状態又は障害事象が発生すると、分路リアクターに障害電流の大部分を引き込み、それによってＳＣＦＣＬを流れる電流が制限されるように構成される。

図１に更に示す様に、保護素子１０８はＳＣＦＣＬ１０２及び分路リアクター１０４のどちらとも電気的に直列に配置されている。従来のＳＣＦＣＬシステムにおけるＳＣＦＣＬ回復動作とは異なり、保護素子１０８は障害状態から回復する間、負荷電流がＳＣＦＣＬ１０２に流れないように構成される。これは先行技術のＳＣＦＣＬシステムよりも有利である、というのも、従来の分路リアクターは障害によって負荷電流が急に高まる間、ＳＣＦＣＬを流れる電流を減少させるが、回復中わずかな電流は依然としてＳＣＦＣＬを流れるのである。具体的には、ＳＣＦＣＬ１０２を流れる電流が閾値電流を超えると、典型的な障害電流が閾値電流を超えるように設定され、保護素子１０８は負荷電流経路、すなわち電気経路１１６に沿って「開」を形成し、全ての電流が電気経路１１４に沿って分路リアクターを流れるように構成されるからである。これによって有限抵抗状態になった超電導素子１２０はより迅速に超電導状態へと回復できるようになる。種々の実施形態において、保護素子１０８は以下に詳細を示すように駆動する電磁スイッチ又は回路遮断器である。

図２は保護素子が保護スイッチ２０２であるＳＣＦＣＬシステム２００の実施形態を示している。保護スイッチ２０２はＳＣＦＣＬシステム２００の通常動作モード中、電気経路１１６に電流を流すように構成され、電気経路１１６を開いて障害状態中の過電流に反応し、ＳＣＦＣＬ１０２に電流が流れないように更に構成されている。図２の実施形態において、保護スイッチ２０２は電磁スイッチであり、入口点１１０と出口点１１２との間を流れる電流が電磁スイッチ内の電磁コイルに電力を供給するために使用され、スイッチの位置が制御される。この詳細を図３に示す。ＳＣＦＣＬシステム２００は冷却システム２０４も含み、代替実施形態において、これは低温保持装置又は液体窒素タンクであってもよい。冷却システム２０４は超電導素子１２０をＴ_ｃ以下の温度に保つために使用される。ＳＣＦＣＬシステム２００は地面２０８からＳＣＦＣＬ１０２及び保護スイッチ２０２を電気的に絶縁するために、高圧絶縁体２０６を更に備える。

図３Ａは筐体３００、中央磁性部品３０２、接点３０４および一連の電磁コイル３０８を備える保護スイッチ２０２の詳細図である。図３Ａの実施形態において、中央磁性部品３０２は一連の電磁コイルによって生成された磁場の強さに従って３０６の方向に沿って移動するように構成された磁気プランジャーである。一連の電磁コイル３０８は、電気経路１１６に沿ってＳＣＦＣＬ１０２と直列接続された電磁コイル３１０と、電気経路１１４に沿って分路リアクター１０４と直列接続された電磁コイル３１２とを備える。具体的には、ＳＣＦＣＬ１０２と電気接続された電磁コイル３１２も中央磁性部品３０２と電気的に接続されている。接点３０２及び３０４は、空気、真空、不活性ガス、ＳＦ６、油などの誘電媒体、又は開接点若しくは閉接点動作中に生成されるアークによって生じる接点材料の腐食を除去、又は最小限に抑えることで知られる任意の媒体内に設置又は封入される。

図３Ｂは中央磁性部品３０２の動作を示している。図に示す様に、中央磁性部品３０２は位置Ｐ１と位置Ｐ２との間を３０６の方向に沿って移動するように構成されている。ゼロの負荷電流又は低い負荷電流が一連の電磁コイル３０８を流れると、保護スイッチ２０２は中央磁性部品３０２と接点３０４との間が電気的に接続される位置Ｐ１の閉位置に中央磁性部品３０２が配置されるように構成される。この閉位置では入口点１１０と出口点１１２との間の電気経路１１６が閉じており、電流はＳＣＦＣＬ１０２を流れることができる。具体的には、電流は入口点１１０からＳＣＦＣＬ１０２へと流れ、それから電磁コイル３１０、中央磁性部品３０２、接点３０４、出口点１１２へと流れる。

通常動作モード中、例えば負荷電流が存在する場合、ほとんど全ての負荷電流は電気経路１１６を通って流れ、電気経路１１４を流れる負荷電流はほとんどない。その結果、一連の電磁コイル３０８を通るほとんど全ての電流は電磁コイル３１０を流れる。しかしながら、保護スイッチ２０２は、この負荷電流が中央磁性部品３０２と接点３０４との間の接触を遮断する磁力を生成するには不十分であるように構成される。ＳＣＦＣＬ１０２が通常の動作状態において経験する典型的な負荷電流はゼロ〜２０００Ａであり、一例では、保護スイッチ２０２のバネ３１４を、最大３ｋＡが一連の電磁コイル３０８を流れる際、接点３０４に対して中央磁性部品３０２が維持されるように構成することができる。

本開示のいくつかの実施形態において、監視デバイスを含む器具類を電磁コイル３１０に接続し、電磁コイル３１０によって生成された電圧で動作させることもできる。

また、図２を参照すると、障害事象の始まりにおける本開示の種々の実施形態において、ＳＣＦＣＬシステム２００は、障害電流の８０％超が電気経路１１４に沿って分路リアクター１０４を流れ、障害電流の２０％未満が電気経路１１６に沿って流れるように構成される。従って、初期の障害中、すなわち障害事象の初期の期間中、電流の大部分が電磁コイル３１２を通って流れ、僅かな電流が電磁コイル３１０を通って流れる。

上述の様に、障害事象中に障害電流が閾値電流を超えると、保護スイッチ２０２は電気経路１１６に沿って開回路を生成し、電気経路１１６に沿って入口点１１０と出口点１１２との間に電流が流れないように構成される。具体的には、一連の電磁コイル３０８は、障害電流が閾値電流を超えると、中央磁性部品３０２を閉位置から開位置へと移動させるのに有効な力を及ぼすように構成される。これは、中央磁性部品３０２と接点３０４との間の電気的接触が遮断されるように、中央磁性部品３０２を接点３０４から離すのに十分な磁場を生成することによって達成される。中央磁性部品３０２を接点３０４から分離させる磁場は、一連の電磁コイル３０８を通って流れる障害電流に比例する。一連の電磁コイル３０８に引き込まれる電力が増えるとより大きな磁場が生成され、この磁場は中央磁性部品３０２に、中央磁性部品３０２が接点３０４から離されるように磁力をかけるように作用する。この磁力はバネ３１４の復元力による抵抗を受け、復元力は所望の閾値電流を超えるまで中央磁性部品３０２と接点３０４との間の接触を維持するように設定することができる。電磁力の大きさは接触分離の速度を変化させるという別の役割を果たす。障害電流の増大と共に電磁力が高まるにつれて接触分離の速度が速くなり、これによってスイッチは障害電流をより短時間で遮断することができる。この「障害除去」時間の短縮によって超電導体に吸収されるエネルギーが少なくなり、その結果、超電導体の過熱が低減される。この機構によってＳＣＦＣＬ設計で使用される超電導体の量を低減することができる。種々の実施形態において、閾値電流の値はＳＣＦＣＬのアプリケーションによって変化するが、いくつかの実施形態では２．５ｋＡ以上である。

図３Ｂの例では、閾値電流を超える所定の値を有する障害電流が存在すると、中央磁性部品３０２は接点３０４から離されて位置Ｐ２へと追いやられる。その後、障害事象が解消して負荷電流が弱まると、電磁コイル３１２を流れる電流は、バネ３１４が中央磁性部品３０２を位置Ｐ１まで戻し、中央磁性部品３０２と接点３０４との間の接触が回復する程度まで減少する。本開示の種々の実施形態に従い、バネ３１４のバネ反応（spring response）を、中央磁性部品３０２と接点３０４との間の接触を回復させるために必要な時間が１〜２０秒となるように設定することができる。特定の実施形態ではこの時間を１〜６秒と設定してもよい。バネ反応は、電流がＳＣＦＣＬ１０２を流れる前に超電導素子１２０が十分時間をかけて超電導状態に回復することができるように設定することができる。これにより、超電導素子が有限抵抗状態である場合、障害状態が解消した後、電流が超電導素子１２０に引き込まれる際に発生する、超電導素子１２０の回復の遅れを回避することができる。このような状況において、超電導素子１２０に引き込まれる負荷電流は、超電導素子が超電導状態に転移するのを遅らせる、又は転移させないようにする抵抗加熱又はその他の悪影響を誘発する可能性がある。

図４Ａ〜図４Ｄは、本開示の実施形態に従うＳＣＦＣＬシステム２００の様々な動作の段階を更に示すものである。特に図４Ａはいわゆる通常動作モード中のＳＣＦＣＬシステム２００の使用例を示している。図示する様に、負荷電流４０２は電気経路１１６に沿ってＳＣＦＣＬ１０２及び電磁コイル３１０を流れる。負荷電流は中央磁性部品３０２を接点３０４及び電気経路１１６から離すには十分ではないので、電気経路１１６はそのままである。同時に、分路リアクター１０４及びＳＣＦＣＬは電気経路１１４に電流が全く引き込まれない、又は僅かしか引き込まれないように構成される。

図４Ｂは、過電流がＳＣＦＣＬシステム２００に引き込まれる障害事象の初期段階のＳＣＦＣＬシステム２００の一例を示す。上述の様に、ＳＣＦＣＬシステム２００は、電気経路１１６に沿って流れる電流に大きなインピーダンスを生じさせる有限抵抗状態に転移する超電導素子１２０を使用することによって障害事象中に電流を制限するように構成されている。同時に、ＳＣＦＣＬシステム２００は、電気経路１１４に沿って分路リアクター１０４に引き込まれる障害電流４１４がＳＣＦＣＬ１０２に引き込まれる障害電流４１２よりも大きくなるように構成されている。いくつかの実施形態において、障害電流が約５ｋＡよりも大きい初期の障害状態中、ＳＣＦＣＬによって引き込まれる障害電流の一部は障害電流全体の２０％未満である。一例では、ＳＣＦＣＬ１０２は通常の動作において、負荷電流１２００Ａ、１３８ｋＶのＳＣＦＣＬとして構成することができ、障害中、全体で２５ｋＡの障害電流のうちの約５ｋＡの障害電流をＳＣＦＣＬ１０２に引き込むことができる。

図４Ｂの例では、障害電流４１４及び４１２は磁場を発生させ、この磁場によって中央磁性部品３０２が接点３０４から離される、方向４１６に沿った力が与えられる。障害電流４１４及び４１２が共に十分大きい、つまりこれらが閾値電流を超える場合、保護スイッチ２０２は中央磁性部品３０２に接点３０４との接触を遮断させる。代替実施形態において、障害電流４１４又は４１２の何れか（両方ではない）を、中央磁性部品と接点３０４との接触を遮断するために使用することができる。この構成ではコイルを１つのみ巻いて使用することができる。

図４Ｃは、過電流が一時的に生じる障害事象に応じて中央磁性部品３０２と接点３０４との間の接触が遮断された、図４Ａ及び図４Ｂに示された例の続きを更に示したものである。それに基づいて、保護スイッチ２０２はＳＣＦＣＬ１０２と電気的に直列に接続されているので、電気経路１１６に電流は引き込まれない。図４Ｃに示す場合、障害事象によって発生した過電流は、電気経路１１６に引き込まれた障害電流４２２が障害事象の初期段階において存在する障害電流４１２と比べて少なくなるように減少している。電磁コイル３１２を通るこの障害電流４１２の減少のため、バネ３１４の復元力は一連の電磁コイル３０８によって生成される磁場によって生じる力よりも大きくなり、その結果、中央磁性部品３０２は接点３０４の方に移動する。

種々の実施形態において、上述の様に、バネ３１４のバネ定数は、障害状態の解消後、電気経路１１６を通る負荷電流が小さな値又はゼロに降下してから１〜２０秒後に中央磁性部品３０２が戻って接点３０４に当接するように設定される。その間、図４Ｃの状態において、超電導素子１２０は超電導状態に戻り始める。電流は超電導素子１２０を通過することができないので、この有限抵抗状態から超電導状態への転移は更に迅速に生じる。

図４Ｄは図４Ａ〜図４Ｃに示す例に従い、図４Ｃに続いて発生する例を示す。この例において、ＳＣＦＣＬシステム２００は障害状態から回復し、中央磁性部品３０２は接点３０４と再度接触している。図示する様に、少量の負荷電流４３２が電気経路１１６を流れ、電気経路１１４を流れる電流はほとんどない、あるいは全くない。

図７は本実施形態に係るＳＣＦＣＬシステムの機能の動作を更に示す例示的電流曲線である。図７には電気経路１１６及び１１４に沿ってそれぞれ引き込まれた電流の２つの例示的電流曲線７０２及び７０４が示されている。初期の通常動作期間７０６中、ＳＣＦＣＬ１０２（図２参照のこと）に流される電流の電流レベルは比較的低く、例えば数千アンペア未満である。分路リアクター１０４に引き込まれる電流はごく僅か又はゼロである。時間Ｔ１で障害状態が発生し、電流曲線７０２によって示す様に、ＳＣＦＣＬ１０２に引き込まれる電流が急速に上昇する。しかしながらこれによって同時に超電導素子１２０の有限抵抗状態への転移が生じ、これによって電気経路１１６に沿ったインピーダンスが大幅に増加し、電流曲線７０２の電流レベルの増加が制限される。場合によっては最大値が数千アンペアとなることがある。同時に、障害期間７０８中、分路リアクター１０４は障害電流を引き込むように構成され、電気経路１１４に沿って引き込まれる電流レベルは比較的高くなる。

時間Ｔ２では、電流曲線７０２及び７０４によって表される全電流が閾値を超え、これによって保護スイッチ２０２が開き、電流曲線７０２は即座にゼロへと減少している。続く回復期７１０中、電気経路１１６を流れる電流はないが、電流曲線７０４によって示される様に、障害電流は減衰し、有限電流は電気経路１１４内に持続する。数秒以上続く回復期７１０では、超電導素子１２０は電流の引き込みを経験せず、超電導状態への回復が容易になる。時間Ｔ３でバネ３１４が保護スイッチ２０２を閉じ、ＳＣＦＣＬシステム２００の通常動作に続く期間７１２において、電気経路１１６に新たに電流が引き込まれることとなる。いくつかの実施形態において、保護スイッチ２０２は、超電導素子１２０の超電導状態へと完全に回復するための時間が十分に与えられるように構成することができる。

尚、時間Ｔ２及びＴ３の間に保護スイッチを開いたままにしておく期間は、ＳＣＦＣＬシステムの性能を最適化するように設定することができる。例えば、電気経路１１６が開く、ＳＣＦＣＬ１０２の「オフライン」となる時間を最小限にすることが望ましい。このような場合、電流負荷のない状態で、全ての超電導素子１２０の完全な回復に平均して４秒が必要となることが予想されても、保護スイッチ２０２を、例えば、３秒間のみ開いたままとするように設計してもよい。

図５は本開示の追加実施形態に従う追加の電流制限システムを示している。本実施形態において、ＳＣＦＣＬシステム５００は一般に、以下に説明するものを除いてＳＣＦＣＬシステム２００に関して先述したものと同じ部品を備える。具体的には、ＳＣＦＣＬシステム５００は高圧絶縁体２０６を含まない、いわゆる「デッドタンク（dead tank）」と呼ばれる構成体に配置される。デッドタンク構成体とは接地された低温保持装置５０２又はその他の冷却システムを有するＳＣＦＣＬデバイスのことを指し、低温保持装置内には高圧絶縁体がある。図１〜４の実施形態の特徴であるライブタンク（live tank）ＳＣＦＣＬ設計において、冷却システム２０４は接地されておらず（浮いている）、周囲の空気及び支持構造体には高圧絶縁体２０６が必要である。同様に、種々の実施形態において、電磁スイッチ、保護スイッチ、回路遮断器デバイスなどの保護部品をライブタンク又はデッドタンク構成体に配置してもよい（図２〜図４Ｄの保護スイッチ２０２はライブタンク構成体を示す）。

図６は更なる実施形態に従う更に別の追加の電流制限システムを示している。ＳＣＦＣＬシステム６００は、電磁スイッチの代わりに回路遮断器６０２が設けられている点を除いて、上述のＳＣＦＣＬシステム２００と同様の部品を備えている。それに基づいて、過電流が入口点１１０と出口点１１２との間に最初に引き込まれる障害状態中、超電導素子１２０は有限抵抗状態に転移して電流を制限する。電気経路１１６内に依然として存在する電流６０４が閾値を超えると回路遮断器６０２が電気経路１１６を開くように構成される。続く回復期間中、負荷電流６０６は電気経路１１４に沿って分路リアクター１０４を流れる。この期間中、超電導素子１２０は回路遮断器６０２がリセットされるまで電流のない状態で超電導状態に回復することができる。

図８はさらに別の追加の電磁スイッチの実施形態を示しており、接触の分離と回復時間を制御する調整エアシリンダ及びバネを含む機構の詳細を示している。回生スイッチrecovery switch）８００が設けられ、これはバネ８０４、ロック機構８０２及びそのバネ８０３と連結された調整エアシリンダ８０１と、プレトラベル調整器８０６とを備え、接触器８０７の分離速度及び回復時間を決定する。レバーアーム８０８はそのロック機構８０２及び真空遮断器８０７との接続によって回路の回復を制御する。レバーアームはＰ１とＰ２（図３Ｂ参照）との間の接触分離距離を制御する。接触分離距離は保護システムの動作電圧を決定する主要機構である。保護システム８００はコイルの巻数を使って電磁力を変化させる可変コイル構成体８０９を備えることもできる。

動作中、本明細書に示す回生スイッチ８００により、電源が遮断することなく通常の電流がスイッチを流れることができる。障害が起こると、ソレノイド８０５の磁場がプランジャー８１０を引き寄せるように電流が増大する。このため、シャフトはロック機構８０２になる。これによって真空遮断器８０７が開回路位置にロックされ、超電導材料は電流負荷なしで回復することができる。回路のリセットによる時間の遅れは調整エアシリンダ８０１及び圧縮バネ８０３によって制御される。ロック機構８０２のロックが解除されると、全ての部品はそれらの元の位置にリセットされ、電気回路が完成する。

要約すれば、本実施形態は、従来のシステムのような、従来では超電導障害電流制限システム内を流れる電流を使用して自動電流制限機能を利用可能とする保護システムを、ＳＣＦＣＬ部品の回復を加速させる機構と共に提供する。このため複雑な回路の使用が回避され、障害状態から迅速に回復する能力の向上により、ＳＣＦＣＬシステムで使用される超電導材料の量を減らすことも可能になる。

本実施形態及び保護システムの使用又はアプリケーションは一般にＳＣＦＣＬの保護に限定されない。例えば、本実施形態は、ソリッドステートＦＣＬ，飽和鉄ＦＣＬなどの任意のタイプの障害電流制限（ＦＣＬ）デバイスに使用することができる。実施形態は障害解消動作の速度を上げるために従来の回路遮断器の補助として使用してもよい。複雑な障害解消又はリレー協調システムを必要としないいくつかのアプリケーションにおいて、これらの本実施形態によって提供されるこのシンプルな保護システムは、自動遮断若しくは自動閉スイッチ又は接触器として使用することができる。

本開示の範囲は、本明細書に記載する特定の実施形態によって制限されるものではない。上述の記載及び添付の図面から、本明細書に記載したものに加え、本開示に対するその他の種々の実施形態や変形例が当業者には明らかであろう。従ってそのような他の実施形態や変形例は本開示の範囲に該当するように意図されている。更に本開示は特定の目的のために、特定の環境において特定の実施に照らして本明細書に記載しているが、当業者であればその実用性はそれらに限定されず、本開示は様々な目的のために様々な環境において有益に実行されることを理解するだろう。よって以下に掲げる請求項を、本明細書に記載する本開示の全容及び趣旨に鑑みて解釈されたい。

Claims (15)

1. 超電導障害電流制限器（ＳＣＦＣＬ）であって、該ＳＣＦＣＬが超電導状態である通常動作状態中に負荷電流を流すように構成された超電導障害電流制限器（ＳＣＦＣＬ）と、
   前記ＳＣＦＣＬに電気的に並列に接続され、前記通常動作状態中に前記ＳＣＦＬよりも少ない電流を流すように構成された分路リアクターと、
   前記ＳＣＦＣＬ及び分路リアクターと接続され、障害電流が閾値電流値を超えた後の障害状態中、前記ＳＣＦＣＬを負荷電流経路から所定の時間、切断するように構成された保護スイッチと
   を備える電流制限器システム。
2. 前記通常動作状態中、前記ＳＣＦＣＬが負荷電流の約８０％以上を流すように構成され、前記分路リアクターが負荷電流の約２０％以下を流すように構成される請求項１に記載の電流制限器システム。
3. 障害電流が前記閾値電流値を超えた時、かつ、前記ＳＣＦＣＬが前記負荷電流経路から切断される前の初期障害期間中、前記ＳＣＦＣＬは障害電流の２０％未満を流すように構成され、前記分路リアクターは障害電流の８０％超を流すように構成される請求項１に記載の電流制限器システム。
4. 前記ＳＣＦＣＬが前記負荷電流から切断され、前記負荷電流が前記閾値電流値を下回った後の回復期中、前記ＳＣＦＣＬは負荷電流の０％を流すように構成され、前記分路リアクターは負荷電流の１００％を流すように構成される請求項１に記載の電流制限器システム。
5. 前記保護スイッチが、
   第１位置に前記ＳＣＦＣＬを含む第１電気経路を完成させるように構成される中央磁性部品と、
   前記中央磁性部品の周りに配置され、前記障害電流が前記閾値電流を超えると、前記中央磁性部品を前記第１位置から前記第１電気経路が開回路を形成する第２位置へと移動させるのに有効な力を及ぼすように構成される一連の電磁コイルと
   を備える請求項１に記載の電流制限器システム。
6. 前記一連の電磁コイルが前記ＳＣＦＣＬに直列接続された第１コイルと、前記分路リアクターに直列接続された第２コイルとを備える請求項５に記載の電流制限器システム。
7. 前記中央磁性部品に接続され、前記障害状態に続いて障害電流が前記閾値電流を下回った後、１〜２０秒の回復期内に前記中央磁性部品を前記第２位置から前記第１位置へと移動させるように構成されるバネ時定数を有するバネを更に備える請求項５に記載の電流制限器システム。
8. 前記中央磁性部品に接続され、前記障害状態に続いて障害電流が前記閾値電流を下回った後、１〜２０秒の回復期内に前記中央磁性部品を前記第２位置から前記第１位置へと移動させるように構成される回復時間遅延定数を有するエアシリンダ、バネ及びロック機構を更に備える請求項５に記載の電流制限器システム。
9. 前記中央磁性部品に接続され、障害状態が始まった後、４〜１００ミリ秒を含む起動時間内に、最初の速い時間に、前記中央磁性部品を前記第１位置から前記第２位置へと移動させるように構成されるレバーアームを更に備える請求項５に記載の電流制限器システム。
10. 第２コイルは、前記中央磁性部品が前記第２位置にある時、前記負荷電流を送るように構成される請求項５に記載の電流制限器システム。
11. 前記第１及び／又は第２コイルに引き込まれた電流から電力を受信するように構成される監視システムを更に備える請求項６に記載の電流制限器システム。
12. 電気回路に配置された超電導障害電流制限器（ＳＣＦＣＬ）システムであって、
    前記ＳＣＦＣＬが超電導状態にある通常動作状態中に負荷電流を流すように構成されるＳＣＦＣＬを含む第１電気経路と、
    前記第１電気経路に電気的に並列接続され、前記通常動作状態において前記ＳＣＦＬよりも少ない電流を流すように構成される分路リアクターを含む第２電気経路と、
    前記ＳＣＦＣＬを含む前記第１電気経路及び前記分路リアクターを含む前記第２電気経路と直列接続を形成するように構成される保護部品であって、該保護スイッチが、前記ＳＣＦＣＬ内を電流が流れない、障害電流が閾値電流値を超える障害状態中、所定の時間、前記ＳＣＦＣＬを含む前記第１電気経路に沿って開回路を生成するようにさらに構成される保護部品と
    を備える超電導障害電流制限器（ＳＣＦＣＬ）システム。
13. 前記保護部品が、
    前記第１電気経路を完成させるために第１位置に構成される中央磁性部品と、
    前記中央磁性部品の周囲に配置され、前記中央磁性部品を前記第１位置から、前記障害電流が前記閾値電流を超えた場合に前記第１電気経路が開回路を形成する第２位置へと、移動させるのに有効な力を及ぼすように構成される一連の電磁コイルと
    を備える請求項１２に記載のＳＣＦＣＬシステム。
    前記一連の電磁コイルが前記ＳＣＦＣＬに直列接続された第１コイルと、前記分路リアクターに直列接続された第２コイルとを備える請求項１５に記載のＳＣＦＣＬシステム。
14. 全負荷電流が２０００Ａ未満の場合、前記通常動作状態中、前記ＳＣＦＣＬが負荷電流の約１００％を流すように構成され、前記分路リアクターが負荷電流の約０％を流すように構成される請求項１２に記載のＳＣＦＣＬシステム。
15. 負荷電流が５ｋＡを超え、前記ＳＣＦＣＬが負荷電流経路から切断される前の初期障害時間中、前記ＳＣＦＣＬが障害電流の２０％未満を流すように構成され、前記分路リアクターが障害電流の８０％超を流すように構成される請求項１２に記載のＳＣＦＣＬシステム。
    

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