JP2016524810A

JP2016524810A - 限流器の超電導限流素子および限流器の超電導限流素子を作製する方法

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Publication number: JP2016524810A
Application number: JP2016511692A
Authority: JP
Inventors: ソンウンヤン、; ヘリムキム、; ウソクキム、; スンドクユ、; ヒソンキム、; ジヨンイ、; ビョンジュンパク、; ヨンヒハン、; サンジンハン、
Original assignee: Korea Electric Rower Corp
Current assignee: Korea Electric Rower Corp
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2014-07-18
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2034-07-18
Also published as: KR101535272B1; US10020437B2; KR20150037270A; WO2015046727A1; JP6139023B2; US20160087427A1

Abstract

本発明は、直線状の超電導線材を積層して限流素子を直列に構成するか、または同一層において少なくとも１つ以上の超電導線材が備えられるように積層して限流素子を並列に構成することが可能で、限流素子を直列および並列に容易に構成することができ、限流素子の構成時に巻線機を必要としない限流器の超電導限流素子および限流器の超電導限流素子を作製する方法に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、直線状の超電導線材を積層して限流素子を直列に構成するか、または同一層において少なくとも１つ以上の超電導線材が備えられるように積層して限流素子を並列に構成することが可能で、限流素子を直列および並列に容易に構成することができ、限流素子の構成時に巻線機を必要としない限流器の超電導限流素子および限流器の超電導限流素子を作製する方法に関する。

本発明は、２０１３年９月３０日付で出願された韓国特許出願第１０−２０１３−０１１６７４０号の出願日の利益を主張し、その内容のすべては本明細書に組み込まれる。

最近、韓国の電力系統は、持続的に増加する電力負荷によって系統の予想事故電流はますます増加する傾向にあり、また、韓国の系統の場合に、相対的に国土が狭小で系統線路の長さが相対的に短く、保守の柔軟性のために系統を互いに連携して使用しているため、事故電流はさらに増加する傾向にある。

したがって、韓国国内の送電線路に既設の一部遮断器を新しい遮断器に取り替えたり線路を分離しなければならない状況であり、このような問題を解決するために、電力系統の事故電流を既設の遮断器の遮断容量以下に低減あるいは制限可能な新しい電力機器の限流器が提案されている。

電力系統における限流器の役割は、系統事故による故障電流の発生時、ブスバー、碍子、遮断器などに加えられる機械的、熱的、電気的ストレスを制限することであって、系統故障電流の持続的な上昇とこれに応える電力機器の開発が困難であることによって、前述のように、故障電流の制御が可能な限流素子に対する要求が急増している。

しかし、実際に系統に適用可能な限流技術の開発は、技術的な困難と商業化の難しさによって遅延されてきたが、高温超電導体が発見されるに伴い、この新たな素子の非線形的な電圧−電流特性を適用した限流器の開発の可能性が台頭し、１９８７年から液体窒素を冷媒として用いる高温超電導限流器の開発が本格的に始まった。

そして、前述した超電導限流器に用いられる超電導素子は、近年に入って超電導巻線を用いた抵抗型超電導限流器に発展して用いられているが、すなわち、磁石形態の巻線をしてモジュール化した後、該モジュールを直並列に連結して構成される形態に発展したが、前述したモジュールの形態は、巻線する方法によって、大きく、ソレノイド（ｓｏｌｅｎｏｉｄ）形態とパンケーキ（ｐａｎｃａｋｅ）形態に大別される。

そして、前述した抵抗型限流器および限流モジュールは、超電導体の特殊性のため冷却をしなければならないが、すなわち、一定温度以下になってはじめて超電導体は損失のない状態となり、前記限流器に用いられる超電導体の場合、事故電流の発生時に非常に大きな値を有する電流が流れるようになる。

ここで、この電流は、臨界電流以上になるクエンチ（Ｑｕｅｎｃｈ）電流と呼ばれ、定常運転時の抵抗がほとんど無視されていながら瞬間的に大きな抵抗を帯びてジュール熱（ｊｏｕｌｅｈｅａｔ）を生じさせるが、このように生じたジュール熱は周辺の冷却媒体によって排出され、超電導限流素子を電気的／熱的に変化なく安定的に動作させる。

従来の超電導磁石および限流器モジュール用ダブルパンケーキ形態の構成は、パンケーキ状に巻線された超電導素材の中間に絶縁体を置いて直接巻線し、このモジュールを直列に連結して大きな磁束密度が発生するように作製した。

また、電流の方向も同じ方向になるようにして、常に超電導巻線モジュールに大きな外部機械力が作用し、安定度にネックとして作用した。

運転中の局所的なジュール熱の発生を効果的に阻止するための冷却チャネルが存在せず、単に巻線された上部面および下部面からのみ冷媒が熱を放出し、内部は伝導によって冷却するように作製された。

しかし、前述のように、パンケーキ状に巻線して作製された超電導巻線は、上方に複数のモジュールを積み重ねて相互の端部分を連結させ、電流の方向が同じ方向に流れるように作製された。

また、同じ方向の電流によって発生した各モジュールの磁場は互いに重畳して内部に一定方向の磁界を形成し、無誘導性巻線のためには、各モジュールを互いに異なる方向に接合して電流の方向が互いに反対となるように位置させた。

これは、１つのモジュールで発生する同じ大きさの磁場を反対方向になるようにして相互の磁界を相殺させる結果につながり、誘導性成分が減少し、内部の磁束は無くなって無誘導巻線となる。

前記のような構造を有する超電導磁石および限流器モジュール用ダブルパンケーキ形態の構成は、パンケーキ状の巻線を上方に積み重ねる方式であり、冷却チャネルなしに巻線の内部はすべて伝導によって熱を放出させるように設計されており、前記超電導テープの鋭い両端部分のみが冷媒に露出して熱を冷媒として放出させる構造となっている。

それによって、前述した超電導磁石および限流器モジュール用ダブルパンケーキ形態の構成は、事故電流によって生じた熱エネルギーを円滑に放出することができない問題と、定常運転のための回復特性が低下する問題がある。

また、定常状態運転時の機械的な衝撃による安定度確保のために、エポキシのような熱伝導度に劣る物質を表面に含浸しなければならないことによって、前述のような熱エネルギーの放出をさらに困難にする問題がある。

これに関連する先行技術として、韓国公開特許公報第２００７−００６８９２９号（超電導限流器の限流モジュール、２００７年７月２日公開）がある。

本発明は、一直線に延設されたバー状の超電導線材を用いることにより、巻線機を必要とせずに限流素子を構成することができる限流器の超電導限流素子を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、バー状の超電導線材を複数積層することにより、限流素子を直列に拡張しやすくすることである。

本発明のさらに他の目的は、接続ブロックおよび絶縁ブロックの厚さを拡張または縮小することにより、積層された超電導線材の間隔調節を容易にすることである。

本発明のさらに他の目的は、接続ブロックおよび絶縁ブロックの面積を拡張または縮小することにより、各層に１つ以上の超電導線材を並列に配置して限流素子を並列に拡張しやすくすることである。

上記の課題を解決するために、本発明は、一直線に延設され、少なくとも１つ以上積層される超電導線材と、前記積層された超電導線材の間において超電導線材の両側末端部にそれぞれ配置されるが、各層ごとに相互の位置が交差するように配置される接続ブロックおよび絶縁ブロックと、前記積層された超電導線材のうち、最上層に配置される超電導線材の一側端部と、最下層に配置される超電導線材の一側端部とにそれぞれ備えられるターミナルとを含む。

前記超電導線材は、一直線に延設された基板の一側面に超電導体が備えられるバー（ｂａｒ）形状であることを特徴とする。

前記接続ブロックは、前記超電導線材と接する両側面で陥没し、前記超電導線材の両側末端部の載置される載置溝が形成される。

前記接続ブロックは、前記載置溝の周りに沿って段付を形成するように前記載置溝より小さい深さに陥没する第１装着溝と、前記第１装着溝に装着され、前記載置溝に載置される超電導線材をカバーする接続キャップとを含む。

前記絶縁ブロックは、前記絶縁ブロックの両側面で陥没し、前記絶縁ブロックのうちのいずれか１つの上部および下部に配置される前記接続ブロックの載置される第２装着溝が備えられる。

前記載置溝に載置される超電導線材の末端部の一側面と前記載置溝との間と、前記超電導線材の末端部の一側面に対向する他側面と前記接続キャップとの間とにそれぞれソルダーが備えられ、前記超電導線材と接続ブロックとが接合される。

前記ソルダーは、工程温度が０℃超過１００℃未満であることを特徴とする。

前記積層された超電導線材のうち、最上層に配置される超電導線材の両側部と、最下層に配置される超電導線材の両側部とに備えられる一対のクランプと、両側末端部が前記一対のクランプにそれぞれ結合される支持バーとをさらに含む。

前記支持バーは、前記支持バーの両側末端部が前記一対のクランプを貫通し、前記クランプを貫通して突出した支持バーの末端部には、前記一対のクランプが互いに密着する方向にクランプを弾支する弾性部材がさらに備えられる。

前記超電導線材が積層された高さ方向に延設され、延びる方向に沿って一定間隔で貫通孔の形成されたホルダが前記積層された超電導線材の両側部に一対で配置され、前記貫通孔に貫挿され、前記一対のホルダに両側末端部が支持されるスペーサがさらに備えられる。

前記ホルダは、前記ホルダが延びた方向に沿って陥没し、その内側に前記貫通孔の形成される凹溝が形成され、前記凹溝には接着剤が充填される。

前記積層された超電導線材は、各層において少なくとも１つ以上の超電導線材が同一の接続ブロックおよび絶縁ブロックに接するように並列に連結可能である。

前記クランプおよび支持バーは、前記載置溝に載置される超電導線材の末端部の一側面と前記載置溝との間と、前記超電導線材の末端部の一側面に対向する他側面と前記接続キャップとの間とにそれぞれ備えられるソルダーを用いて、前記超電導線材と接続ブロックとの接合工程が完了した後、前記超電導線材から取り外す。

前記のような限流器と超電導限流素子を作製する方法は、バー状の超電導線材の両側末端部に接続ブロックおよび絶縁ブロックをそれぞれ配置するが、前記接続ブロックおよび絶縁ブロックの位置が相互交差するようにしながら、前記超電導線材と接続ブロックおよび絶縁ブロックを積層する積層ステップと、前記積層された超電導線材のうち、最上層の超電導線材および最下層の超電導線材の両側側部にそれぞれクランプを結合し、同じ列をなす一対のクランプを支持バーで結合させて、積層された超電導線材に圧力を加える締結ステップと、前記積層された超電導線材の間に前記超電導線材の長さ方向に垂直に複数のスペーサを貫通させ、互いに異なる層で同じ列をなすスペーサの両側末端部をホルダに結合させる間隔保持ステップと、前記超電導線材と接続ブロックおよび絶縁ブロックを接合する接合ステップとを含む。

前記積層ステップは、前記接続ブロックが超電導線材と接する両側面で陥没した載置溝にソルダーを備え、前記超電導線材の末端部を載置させる第１過程と、前記載置溝に載置された超電導線材の末端部にさらに他の前記ソルダーを備え、前記載置溝の周りに沿って段付を形成するように前記載置溝より小さい深さに陥没する第１装着溝に接続キャップを装着する第２過程と、前記絶縁ブロックの両側面で陥没した第２装着溝に前記接続キャップが装着された接続ブロックの一面を載置させる第３過程と、前記第３過程の後、最上層に配置される超電導線材と、最下層に配置される超電導線材とにそれぞれターミナルを装着する第４過程とを含む。

前記接合ステップは、前記積層された超電導線材をオーブンに入れて加熱する。

前記接合ステップは、前記オーブン内で０℃超過１００℃未満で加熱する。

前記締結ステップにおいて、前記支持バーの両側末端部に備えられ、単一の支持バーによって結合された一対のクランプが互いに密着する方向に弾支する弾性部材が備えられる。

前記積層ステップは、同一層において少なくとも１つ以上の超電導線材を並列に配置して積層可能である。

上記のような課題の解決手段により、本発明は、一直線に延設されたバー状の超電導線材を用いることにより、巻線機を必要としない効果がある。

そして、バー状の超電導線材を複数積層することにより、限流素子を直列に拡張しやすく、このように直列に拡張しても電流方向に応じたターン間電圧が常に一定である効果がある。

これによって、限流素子を直列に拡張しても追加の絶縁を必要としない効果がある。

そして、接続ブロックおよび絶縁ブロックの厚さを拡張または縮小することにより、積層された超電導線材の間隔調節が容易で、各層の超電導線材において互いに反対方向に流れる電流の交流損失と冷却性能のうちの重要な要素によって適した設計を行える効果がある。

また、接続ブロックおよび絶縁ブロックの面積を拡張または縮小することにより、各層に１つ以上の超電導線材を並列に配置して限流素子を並列に拡張しやすい効果もある。

本発明に係る限流素子の構成を概略的に示す図である。図１の限流素子を示す側面図である。図１の限流素子を示す側面図である。本発明に係る接続ブロックを示す図である。本発明に係る接続ブロックに超電導線材を載置させる一実施形態を示す図である。本発明に係る接続ブロックに超電導線材を載置させる多様な実施形態を示す図である。本発明に係る接続ブロックに超電導線材を載置させる多様な実施形態を示す図である。本発明に係る接続ブロックに超電導線材を載置させる多様な実施形態を示す図である。本発明に係る接続ブロックに超電導線材を載置させる多様な実施形態を示す図である。図４のＡ−Ａ断面を示す図である。本発明に係る絶縁ブロックを示す図である。本発明に係る超電導線材と接続ブロックおよび絶縁ブロックを結合する構成を示す図である。本発明に係る限流素子を接合するための実施形態を示す図である。本発明に係るホルダとスペーサを示す図である。本発明に係る限流素子を示す斜視図である。本発明に係る限流器の超電導限流素子を作製する方法を示すフローチャートである。図１２の積層ステップを示すフローチャートである。常電導抵抗を含めて臨界電流を測定したグラフを示す図である。常電導抵抗を除去して臨界電流を測定したグラフを示す図である。各層の超電導線材のターン間の間隔に応じた交流損失の程度のグラフを示す図である。本発明に係る限流素子の交流損失の程度のグラフを示す図である。図１７のＢ領域を拡大して示す図である。本発明に係る限流素子の故障電流に対する短絡特性を示す図である。図１９における時間に応じた電圧の変化を示す図である。

以下、本発明を添付した図面を参照して詳細に説明する。ここで、繰り返される説明と本発明の要旨を不必要にあいまいにする可能性がある公知の機能および構成に関する詳細な説明は省略する。そして、本発明の実施形態は、当業界における平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状および大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。

図１は、本発明に係る限流素子の構成を概略的に示す図であり、図２Ａおよび図２Ｂは、図１の限流素子を示す側面図である。

図１、図２Ａおよび図２Ｂを参照して、本発明に係る限流器の超電導限流素子を説明すれば、一直線に延設され、少なくとも１つ以上積層される超電導線材１００と、前記積層された超電導線材１００の間において超電導線材１００の両側末端部にそれぞれ配置されるが、各層ごとに相互の位置が交差するように配置される接続ブロック２００および絶縁ブロック３００と、前記積層された超電導線材１００のうち、最上層に配置される超電導線材１００の一側端部と、最下層に配置される超電導線材１００の一側端部とにそれぞれ備えられるターミナル５００とを含む。

図２Ａおよび図２Ｂを参照して、前記構成による限流素子において電流が流れる例を説明すれば、上部に位置したターミナル５００を介して電流が流入すると、最上層の超電導線材１００に沿ってターミナル５００の反対側に電流が流れ、その下部の接続ブロック２００を介して真下層の超電導線材１００に流入する。そして、接続ブロック２００の反対側に電流が流れて再びその下部に備えられた接続ブロック２００を介して真下層の超電導線材１００に沿って電流が流れるようになる。

前記ターミナル５００は、図２Ａと図２Ｂにそれぞれ示されているように、本発明に係る限流素子の設計によって自由な位置に装着が可能である。

この時、前記接続ブロック２００の反対側には前記絶縁ブロック３００が備えられることにより、電流が上部に備えられたターミナル５００から下部に備えられたターミナル５００へ直接流れるのではなく、積層された超電導線材１００に沿ってジグザグに流れるようにするのである。

本発明において、前記超電導線材１００は、一直線に延設された基板１１０の一側面に超電導体１２０が備えられるバー（ｂａｒ）形状であることを技術的特徴とする。

図３は、本発明に係る接続ブロック２００を示す図であり、図４は、本発明に係る接続ブロック２００に超電導線材１００を載置させる一実施形態を示す図である。

前記接続ブロック２００は、積層された超電導線材１００の間において各層の超電導線材１００に電流の流れるようにするもので、本発明では、伝導率に優れた銅を用いて作製した。

前記接続ブロック２００は、超電導線材１００と接する両側面で陥没し、前記超電導線材１００の両側末端部の載置される載置溝２１０が形成される。

図４をみると、前記載置溝２１０の一方に超電導線材１００が載置されており、その横にさらに他の超電導線材１００を載置させると、電流が流れ得る超電導線材１００の面積が２倍に増加し、このように前記接続ブロック２００と載置溝２１０の面積を増大させることにより、本発明に係る限流素子の並列拡張が容易であるという利点がある。

上述のように、前記超電導線材は、一面に基板１１０が備えられ、その反対面には超電導線材１００が備えられるが、このような構造によって、図１および図２のように前記超電導線材１００を積層する場合、前記接続ブロック２００の両側面に形成される載置溝２１０のうちのいずれか１つには前記超電導線材１００の基板１１０が接するようになる。

これによって、前記超電導線材１００の基板１１０と接する接続ブロック２００の間では、それだけ抵抗が増加して電流の損失が発生する。

これを解決するために、本発明では、前記接続ブロック２００に、前記載置溝２１０の周りに沿って段付を形成するように前記載置溝２１０より小さい深さに陥没する第１装着溝２２０と、前記第１装着溝２２０に装着され、前記載置溝２１０に載置される超電導線材１００をカバーする接続キャップ２３０とを含む。

前記第１装着溝２２０は、前記載置溝２１０の周りに沿ってより小さい深さに陥没して帯をなし、前記接続キャップ２３０の周縁が接することで、前記接続キャップ２３０と超電導線材１００の超電導体１２０を介して流れる電流が、接続キャップ２３０を介して接続ブロック２００に印加できるようにする。

図５Ａ〜図５Ｄは、本発明に係る接続ブロック２００に超電導線材１００を載置させる多様な実施形態を示す図である。

図５Ａ〜図５Ｄは、基板１１０と超電導体１２０とからなる超電導線材１００の接合面による抵抗を測定した例であって、図５Ａの場合には、接合抵抗約０．３μΩの抵抗が発生し、図５Ｂの場合には、接合抵抗が大きく増加して約７μΩの抵抗が発生した。

バー状の超電導線材１００を用いた基本接合である図５Ｃの場合には、その中間の約３．７μΩの接合抵抗が発生し、本発明で前記接続キャップ２３０を備えることにより好ましい実施形態が示された図５Ｄは、接合抵抗が０．４７μΩとなり、接合抵抗が最も小さい図５Ａに近接した結果が導出された。

このような図５Ｄのような方法によって接合抵抗を最小化した例として、図６は、図４のＡ−Ａ断面を示す図である。

すなわち、本発明に係る超電導限流素子は、バー状の超電導線材１００を用いて限流素子を直列に拡張しても電流の流れ方向が切り替えられるターン間電圧が増加せず常に一定にできるので、追加の絶縁をしなくても直列拡張が容易であるという利点がある。

図７は、本発明に係る絶縁ブロック３００を示す図である。

前記絶縁ブロック３００は、その両側面で陥没し、前記超電導線材１００を挟んで前記絶縁ブロック３００のうちのいずれか１つの上部およびその下部に配置される前記接続ブロック２００の載置される第２装着溝３１０が備えられる。

したがって、前記絶縁ブロック３００は、前記接続ブロック２００よりも大きな面積に形成される。

図８は、本発明に係る超電導線材と接続ブロック２００および絶縁ブロック３００を結合する構成を示す図である。

図８を参照すれば、前記接続ブロック２００を基準としてその両側面にはそれぞれ超電導線材１００が配置される。

超電導線材１００の末端部は、一面は基板１１０、その反対面は超電導体１２０がそれぞれ露出しており、残りの部分は絶縁材で被覆されている。

前記超電導線材１００において外部に露出した基板１１０と超電導体１２０の各上面には、シート状のソルダー４００を備える。

前記ソルダー４００は、熱を加えることにより、前記超電導線材１００と接続ブロック２００とを結合する。

前記ソルダー４００によって、両側面にカバーされた超電導線材１００の末端部を接続ブロック２００の載置溝２１０にそれぞれ載置させ、再び第１装着溝２２０に前記接続キャップ２３０を装着する。

前記接続キャップ２３０が完全に装着された接続ブロック２００の両側面には、前記絶縁ブロック３００をそれぞれ配置して、前記第２装着溝３１０に接続ブロック２００が載置されるようにする。

ここで、図８に示されていないが、前記２つの超電導線材１００の間に配置される接続ブロック２００の反対側には前記絶縁ブロック３００が配置されるように絶縁ブロック３００と接続ブロック２００を互いにジグザグに配置する。

図９は、本発明に係る限流素子を接合するための実施形態を示す図である。

前記ソルダー４００は、熱を加えると融解して、前記超電導線材１００を前記接続ブロック２００および接続キャップ２３０と結合できるようにするためのもので、図９に示されているように、図８に示された方法で限流素子の構成が完了すると、これをオーブンに入れて熱を加える。

この時、各層の超電導線材１００が互いに離隔して限流素子に不良が発生しないように積層された超電導線材１００を強固に固定させるために、本発明では、前記積層された超電導線材１００のうち、最上層に配置される超電導線材１００の両側部と、最下層に配置された超電導線材１００の両側部とに備えられる一対のクランプ１０と、両側末端部が前記一対のクランプ１０にそれぞれ結合される支持バーとを含む。

前記一対のクランプ１０は、積層された超電導線材１００の上部および下部にそれぞれ配置され、均一な圧力のために、前記超電導線材１００の両側面にそれぞれ一対のクランプ１０を備えることが好ましい。

前記クランプ１０は、超電導線材１００の長さに沿って複数備えられてもよい。

前記支持バー２０は、前記超電導線材１００が積層された高さ方向に直立して前記超電導線材１００の上部および下部にそれぞれ備えられたクランプ１０が互いに強固に固定されるようにする。

前記ソルダー４００は、超電導線材１００がオーブン内で熱によって破損するのを防止するために、その工程温度が０℃超過１００℃未満のものを用いることが好ましい。

前記オーブンに限流素子を入れて熱を加えると前記ソルダー４００が溶けるが、この時、前記ソルダー４００が溶けることによって、前記超電導線材１００と接続ブロック２００および接続キャップ２３０の間が離隔することがあり、これは限流素子の不良の原因となる。

これを防止するために、前記支持バー２０は、両側末端部がこれに結合される一対のクランプ１０をそれぞれ貫通し、前記クランプ１０を貫通して突出した支持バー２０の末端部には、前記一対のクランプ１０が互いに密着する方向にクランプ１０を弾支する弾性部材が備えられることにより、前記ソルダー４００が溶ける時、前記接続キャップ２３０と載置溝２１０との間において超電導線材１００との離隔を防止する。

本発明では、前記弾性部材として、前記支持バー２０とクランプ１０との結合時にスプリングナット（図示せず）を用いた。

一方、前記クランプ１０と支持バー２０によって積層された超電導線材１００は互いに圧縮力が加えられるが、前記超電導線材１００の中央部分に反りが発生することがある。

これを防止するために、本発明は、前記超電導線材１００の間にスペーサ４０を備え、前記スペーサ４０の両側に結合されてスペーサ４０を固定するホルダ３０を含む。

図１０は、本発明に係るホルダ３０とスペーサ４０を示す図である。

前記ホルダ３０は、図９に示されているように、前記超電導線材１００が積層された高さ方向に延設され、延びる方向に沿って一定間隔で貫通孔３１が形成されて、積層された超電導線材１００の両側部に一対で配置される。

前記スペーサ４０は、積層された超電導線材１００の間に貫挿され、超電導線材１００の両側部に備えられる一対のホルダ３０によって支持される。

上述によれば、本発明の限流素子の超電導線材１００の間の間隔は、前記接続ブロック２００および絶縁ブロック３００の厚さを調節して容易に設定できるが、これに合わせて前記複数の貫通孔３１のうちの適した所にスペーサ４０を装着することができる。

特に、前記ホルダ３０は、その延びた方向に沿って陥没し、前記貫通孔３１が陥没した内側に形成される凹溝３２が備えられ、前記ホルダ３０とスペーサ４０とを結合した後に、前記凹溝３２に接着剤を充填してホルダ３０とスペーサ４０とを強固に結合させる。

前記クランプ１０と支持バー２０の場合には、前記オーブンでソルダー４００の工程作業後に解体するが、前記ホルダ３０とスペーサ４０は、図１１に示された本発明に係る限流素子から確認されるように、限流素子に装着された状態で利用され、極低温の温度においても前記接着剤の接着力が低下しないように前記接着剤としてエポキシを用いることが好ましい。

上述のような本発明に係る限流器の超電導限流素子は、次のような作製方法によって作製される。

図１２は、本発明に係る限流器の超電導限流素子を作製する方法を示すフローチャートであり、図１３は、図１２の積層ステップを示すフローチャートである。

図１２および図１３を参照すれば、バー状の超電導線材１００の両側末端部に接続ブロック２００および絶縁ブロック３００をそれぞれ配置するが、前記接続ブロック２００および絶縁ブロック３００の位置が相互交差するようにしながら、前記超電導線材１００と接続ブロック２００および絶縁ブロック３００を積層する積層ステップＳ１００と、前記積層された超電導線材１００のうち、最上層の超電導線材１００および最下層の超電導線材１００の両側側部にそれぞれクランプ１０を結合し、同じ列をなす一対のクランプ１０を支持バー２０で結合させて、積層された超電導線材１００に圧力を加える締結ステップＳ２００と、前記積層された超電導線材１００の間に前記超電導線材１００の長さ方向に垂直に複数のスペーサ４０を貫通させ、互いに異なる層で同じ列をなすスペーサ４０の両側末端部をホルダ３０に結合させる間隔保持ステップＳ３００と、前記超電導線材１００と接続ブロック２００および絶縁ブロック３００を接合する接合ステップＳ４００とを含む。

前記積層ステップＳ１００は、前記接続ブロック２００が超電導線材１００と接する両側面で陥没した載置溝２１０にソルダー４００を備えて前記超電導線材１００の末端部を載置させ（Ｓ１１０）、前記載置溝２１０に載置された超電導線材１００の末端部にさらに他の前記ソルダー４００を備え、前記載置溝２１０の周りに沿って段付を形成するように前記載置溝２１０より小さい深さに陥没する第１装着溝２２０に接続キャップ２３０を装着（Ｓ１２０）する。

そして、前記絶縁ブロック３００の両側面で陥没した第２装着溝３１０に前記接続キャップ２３０が装着された接続ブロック２００の一面を載置（Ｓ１３０）させた後、最上層に配置される超電導線材１００と、最下層に配置される超電導線材１００とにそれぞれターミナル５００を装着（Ｓ１４０）する過程により、超電導線材１００と接続ブロック２００および絶縁ブロック３００を積層してモジュール化された限流素子を構成する。

前記接合ステップＳ４００が完了すると、前記超電導線材１００からクランプ１０と支持バー２０を解体して取り外すことにより、本発明に係る限流素子の作製が完了する。

図１４は、常電導抵抗を含めて臨界電流を測定したグラフを示す図であり、図１５は、常電導抵抗を除去して臨界電流を測定したグラフを示す図である。

本発明に係る限流素子を用いて臨界電流を測定するために、図１４は、接合抵抗と銅材質の接続ブロック２００で発生する抵抗を含む常電導抵抗を含めた臨界電流を測定したものであり、図１５は、前記常電導抵抗を人為的に除去して臨界電流を測定したものであって、１μＶ／ｃｍを基準として臨界電流を判断する図１４および図１５のグラフから確認されるように、絶対温度７７Ｋでの臨界電流は約５５０Ａであり、７１Ｋでは約９４５Ａとほぼ同一であることが分かる。

図１６は、各層の超電導線材１００のターン間の間隔に応じた交流損失の程度のグラフを示す図である。

本発明に係る限流素子は、積層された超電導線材１００において流れる電流の方向が切り替えられるターン間の間隔を柔軟に調節することができ、これによって冷却効果とターン間絶縁電圧の許容状態で最小化できるという利点がある。

前記超電導線材１００の長さを１ｍに設計した場合、ターン間に発生する最大電圧は約１５０Ｖｒｍｓ（実効値）未満である。これは、前記超電導限流素子を冷却するための液体窒素の絶縁耐力を考慮すれば絶縁は問題にならない水準である。

しかし、液体窒素の循環のためにチャネルを形成すればターン間距離は問題にならない。

図１６に示されているように、ターン間距離が減少するほど交流損失の大きさが減少することが分かり、２ｍｍ程度の時は損失の減少幅が大きいことを確認することができる。

図１６において、「ｓｉｎｇｌｅ」は単一の超電導線材１００の交流損失であり、「Ｎｏｒｒｉｓ＿ｅｌｌｉｐｔｉｃ」はノリスが提示したＥｌｌｉｐｔｉｃ（楕円形）モデルの交流損失であり、「Ｎｏｒｒｉｓ＿ｓｔｒｉｐ」はノリスが提示したＳｔｒｉｐ（線形）モデルの交流損失であり、０〜１０ｍｍは長さが１ｍの超電導線材１００のターン間の間隔がそれぞれ０〜１０ｍｍの場合の交流損失を指す。

図１７は、本発明に係る限流素子の交流損失の程度のグラフを示す図であり、図１８は、図１７のＢ領域を拡大して示す図である。

図１７は、単一の超電導線材１００を対象に交流損失の程度を測定した図１６とは異なり、複数の超電導線材１００を積層してモジュール化された限流素子の交流損失のグラフ（図１７および図１８中の「Ｍｅａｓｕｒｅｄ」に該当）を示すもので、図１７と図１７のＢ領域を拡大して示す図１８から確認されるように、単一の線材を対象にした図１６と比較すると、臨界電流を予測するＮｏｒｒｉｓ式に対比して、楕円形モデルおよび線形モデルの場合よりも損失がさらに小さいことが分かる。

図１９は、本発明に係る限流素子の故障電流に対する短絡特性を示す図であり、図２０は、図１９における時間に応じた電圧の変化を示す図である。

図１９と図２０は、超電導限流素子において最も重要な故障電流制限特性を実験した結果であって、定常電流が通電している時には、インピーダンス成分がなくて電圧が０であることが分かる。

図１９において、「Ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｖｅ」は限流素子がない時の故障電流の波形を示すもので、一般的に回路にインダクタンス成分があれば非対称の電流波形を描くようになる。

「Ｌｉｍｉｔｅｄ」は前記限流素子が設けられて故障電流を制限するグラフで、このように本発明に係る限流素子によって故障電流が制限されると対称に電流が発生し、時間が０．００の時を起点として故障電流が通電して故障電流の大きさが超電導線材１００の臨界電流値を超えると、前記超電導線材１００の相転移が発生しながら短絡電流を制限することを確認することができる。

上述のように、本発明に係る限流素子は、バー状の超電導素子を積層して限流素子の直列拡張が容易であり、また、同一層の接続ブロック２００および絶縁ブロック３００に複数の超電導線材１００を配置して限流素子の並列拡張が容易である効果がある。

そして、限流素子の構成のための超電導線材１００がバー形状であるので、巻線のための別途の巻線機を必要とせず、限流素子の直列拡張時にターン間電圧が一定で追加の絶縁を必要としない効果もある。

また、接続ブロック２００および絶縁ブロック３００の厚さを拡張または縮小することにより、積層された超電導線材１００の間隔調節が容易で、各層の超電導線材１００において互いに反対方向に流れる電流の交流損失と冷却性能のうちの重要な要素によって適した設計を行える効果もある。

以上、本発明の特定の実施形態を図示および説明したが、本発明の技術思想は添付した図面と上記の説明内容に限定せず、本発明の思想を逸脱しない範囲内で多様な形態の変形が可能であることはこの分野における通常の知識を有する者にとっては自明であり、このような形態の変形は本発明の精神に反しない範囲内で本発明の特許請求の範囲に属する。

１０：クランプ
２０：支持バー
３０：ホルダ
３１：貫通孔
３２：凹溝
４０：スペーサ
１００：超電導線材
１１０：基板
１２０：超電導体
２００：接続ブロック
２１０：載置溝
２２０：第１装着溝
２３０：接続キャップ
３００：絶縁ブロック
３１０：第２装着溝
４００：ソルダー
５００：ターミナル

本発明に係る限流素子の構成を概略的に示す図である。図１の限流素子を示す側面図である。図１の限流素子を示す側面図である。本発明に係る接続ブロックを示す図である。本発明に係る接続ブロックに超電導線材を載置させる一実施形態を示す図である。本発明に係る接続ブロックに超電導線材を載置させる多様な実施形態を示す図である。本発明に係る接続ブロックに超電導線材を載置させる多様な実施形態を示す図である。本発明に係る接続ブロックに超電導線材を載置させる多様な実施形態を示す図である。本発明に係る接続ブロックに超電導線材を載置させる多様な実施形態を示す図である。図５ＤのＡ−Ａ断面を示す図である。本発明に係る絶縁ブロックを示す図である。本発明に係る超電導線材と接続ブロックおよび絶縁ブロックを結合する構成を示す図である。本発明に係る限流素子を接合するための実施形態を示す図である。本発明に係るホルダとスペーサを示す図である。本発明に係る限流素子を示す斜視図である。本発明に係る限流器の超電導限流素子を作製する方法を示すフローチャートである。図１２の積層ステップを示すフローチャートである。常電導抵抗を含めて臨界電流を測定したグラフを示す図である。常電導抵抗を除去して臨界電流を測定したグラフを示す図である。各層の超電導線材のターン間の間隔に応じた交流損失の程度のグラフを示す図である。本発明に係る限流素子の交流損失の程度のグラフを示す図である。図１７のＢ領域を拡大して示す図である。本発明に係る限流素子の故障電流に対する短絡特性を示す図である。図１９における時間に応じた電圧の変化を示す図である。

上述のように、前記超電導線材は、一面に基板１１０が備えられ、その反対面には超電導体１２０が備えられるが、このような構造によって、図１および図２のように前記超電導線材１００を積層する場合、前記接続ブロック２００の両側面に形成される載置溝２１０のうちのいずれか１つには前記超電導線材１００の基板１１０が接するようになる。

このような図５Ｄのような方法によって接合抵抗を最小化した例として、図６は、図５ＤのＡ−Ａ断面を示す図である。

Claims

一直線に延設され、少なくとも１つ以上積層される超電導線材と、
前記積層された超電導線材の間において超電導線材の両側末端部にそれぞれ配置されるが、各層ごとに相互の位置が交差するように配置される接続ブロックおよび絶縁ブロックと、
前記積層された超電導線材のうち、最上層に配置される超電導線材の一側端部と、最下層に配置される超電導線材の一側端部とにそれぞれ備えられるターミナルとを含むことを特徴とする限流器の超電導限流素子。
前記超電導線材は、
一直線に延設された基板の一側面に超電導体が備えられるバー（ｂａｒ）形状であることを特徴とする請求項１に記載の限流器の超電導限流素子。
前記接続ブロックは、
前記超電導線材と接する両側面で陥没し、前記超電導線材の両側末端部の載置される載置溝が形成されることを特徴とする請求項１に記載の限流器の超電導限流素子。
前記接続ブロックは、
前記載置溝の周りに沿って段付を形成するように前記載置溝より小さい深さに陥没する第１装着溝と、
前記第１装着溝に装着され、前記載置溝に載置される超電導線材をカバーする接続キャップとを含むことを特徴とする請求項３に記載の限流器の超電導限流素子。
前記絶縁ブロックは、
前記絶縁ブロックの両側面で陥没し、前記絶縁ブロックのうちのいずれか１つの上部および下部に配置される前記接続ブロックの載置される第２装着溝が備えられることを特徴とする請求項４に記載の限流器の超電導限流素子。
前記載置溝に載置される超電導線材の末端部の一側面と前記載置溝との間と、前記超電導線材の末端部の一側面に対向する他側面と前記接続キャップとの間とにそれぞれソルダーが備えられ、前記超電導線材と接続ブロックとが接合されることを特徴とする請求項４に記載の限流器の限流素子。
前記ソルダーは、工程温度が０℃超過１００℃未満であることを特徴とする請求項６に記載の限流器の限流素子。
前記積層された超電導線材のうち、最上層に配置される超電導線材の両側部と、最下層に配置される超電導線材の両側部とに備えられる一対のクランプと、
両側末端部が前記一対のクランプにそれぞれ結合される支持バーとをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の限流器の限流素子。
前記支持バーは、
前記支持バーの両側末端部が前記一対のクランプを貫通し、前記クランプを貫通して突出した支持バーの末端部には、前記一対のクランプが互いに密着する方向にクランプを弾支する弾性部材がさらに備えられることを特徴とする請求項８に記載の限流器の限流素子。
前記超電導線材が積層された高さ方向に延設され、延びる方向に沿って一定間隔で貫通孔の形成されたホルダが前記積層された超電導線材の両側部に一対で配置され、前記貫通孔に貫挿され、前記一対のホルダに両側末端部が支持されるスペーサがさらに備えられることを特徴とする請求項１に記載の限流器の限流素子。
前記ホルダは、
前記ホルダが延びた方向に沿って陥没し、その内側に前記貫通孔の形成される凹溝が形成され、前記凹溝には接着剤が充填されることを特徴とする請求項９に記載の限流器の限流素子。
前記積層された超電導線材は、
各層において少なくとも１つ以上の超電導線材が同一の接続ブロックおよび絶縁ブロックに接するように並列に連結可能であることを特徴とする請求項１に記載の限流器の限流素子。
前記クランプおよび支持バーは、
前記載置溝に載置される超電導線材の末端部の一側面と前記載置溝との間と、前記超電導線材の末端部の一側面に対向する他側面と前記接続キャップとの間とにそれぞれ備えられるソルダーを用いて、前記超電導線材と接続ブロックとの接合工程が完了した後、前記超電導線材から取り外すことを特徴とする請求項８に記載の限流器の限流素子。
バー状の超電導線材の両側末端部に接続ブロックおよび絶縁ブロックをそれぞれ配置するが、前記接続ブロックおよび絶縁ブロックの位置が相互交差するようにしながら、前記超電導線材と接続ブロックおよび絶縁ブロックを積層する積層ステップと、
前記積層された超電導線材のうち、最上層の超電導線材および最下層の超電導線材の両側側部にそれぞれクランプを結合し、同じ列をなす一対のクランプを支持バーで結合させて、積層された超電導線材に圧力を加える締結ステップと、
前記積層された超電導線材の間に前記超電導線材の長さ方向に垂直に複数のスペーサを貫通させ、互いに異なる層で同じ列をなすスペーサの両側末端部をホルダに結合させる間隔保持ステップと、
前記超電導線材と接続ブロックおよび絶縁ブロックを接合する接合ステップとを含むことを特徴とする限流器の超電導限流素子を作製する方法。
前記積層ステップは、
前記接続ブロックが超電導線材と接する両側面で陥没した載置溝にソルダーを備え、前記超電導線材の末端部を載置させる第１過程と、
前記載置溝に載置された超電導線材の末端部にさらに他の前記ソルダーを備え、前記載置溝の周りに沿って段付を形成するように前記載置溝より小さい深さに陥没する第１装着溝に接続キャップを装着する第２過程と、
前記絶縁ブロックの両側面で陥没した第２装着溝に前記接続キャップが装着された接続ブロックの一面を載置させる第３過程と、
前記第３過程の後、最上層に配置される超電導線材と、最下層に配置される超電導線材とにそれぞれターミナルを装着する第４過程とを含むことを特徴とする請求項１４に記載の限流器の超電導限流素子を作製する方法。
前記接合ステップは、
前記積層された超電導線材をオーブンに入れて加熱することを特徴とする請求項１４に記載の限流器の超電導限流素子を作製する方法。
前記接合ステップは、
前記オーブン内で０℃超過１００℃未満で加熱することを特徴とする請求項１６に記載の限流器の超電導限流素子を作製する方法。
前記締結ステップにおいて、
前記支持バーの両側末端部に備えられ、単一の支持バーによって結合された一対のクランプが互いに密着する方向に弾支する弾性部材が備えられることを特徴とする請求項１４に記載の限流器の限流素子を作製する方法。
前記積層ステップは、
同一層において少なくとも１つ以上の超電導線材を並列に配置して積層可能であることを特徴とする請求項１４に記載の限流器の限流素子を作製する方法。