JP2716789B2 - 限流装置 - Google Patents

限流装置

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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

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  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) この発明は、交流電路における過電流を電磁的に抑制
する限流装置に関するものである。
(従来の技術) この種の従来の装置として、例えば、特開昭60−7493
2号公報に開示されたものがある。第4図はこの限流装
置の構成を示す回路図である。同図において、鉄芯33に
は起磁力が略等しくなるようにコイル34とコイル35とが
巻装されると共に、磁束の向きが逆になるようにイル34
およびコイル35の各一端が電源側の電路31に接続されて
おり、コイル34の他端がスイッチ38を介して負荷側の電
路32に接続され、さらに、コイル35の他端が同じく負荷
側の電路32に接続されている。また、コイル34にはサー
ジアブゾーバ36が並列接続され、スイッチ38には電流制
限抵抗37が並列接続されている。一方、電路32に変流器
39が設けられ、過電流を検出したときスイッチ38をトリ
ップさせるようになっている。
ここで、スイッチ38を閉成した状態で通常レベルの電
流(以下通常電流という)が電路31および32を通して流
れると、この電流がコイル34と35とに分流するが、これ
らのコイルに発生する磁束が相殺されるため、電流はイ
ンダクタンスL1,L2の影響を受けないことになる。従っ
て、漏れ磁束による僅かの損失を除き、高効率で負荷に
電力を供給することができる。
一方、負荷の短絡等により電路31,32に過大電流が流
れると、変流器39がこれを検出してスイッチ38を開放さ
せ、コイル34の回路に抵抗37を挿入する。これにより、
コイル34の電流が減少すると同時にコイル35の電流が増
大し、鉄心33の磁束はコイル35によるものが支配的とな
る。従って、コイル35のインダクタンスが作用して、す
なわち、リアクトル作用により事故電流を限流する。
(発明が解決しようとする課題) 上述した限流装置には定常時、数百〜数千アンペアの
電流が流れるため、コイル34,35の断面積を大きくしな
ければならず、しかも、限流インピーダンスを大きくす
るべく巻数も多くしなければならないため、装置が大型
化すると同時に、熱による多量の電力損失も避けられな
いという問題点があった。
また、上述した限流装置にあっては、スイッチ38とし
て機械的なものが用いられることが多く、過電流を検出
してからスイッチ38を開放して限流動作を行うまで、1
〜3サイクル分の時間を必要とし、この間、線路の保護
が困難になるという問題点もあった。
なお、この対策として、スイッチ38にサイリスタ等の
半導体スイッチを用いることもできるが、この場合には
サイリスタの順方向における電圧降下によって電力損失
を生じ、装置がさらに大型化すると共に、複雑化するた
めその採用は難しかった。
この発明は上記の問題点を解決するためになされたも
ので、装置の小型化および確実な線路保護を図り得ると
共に、熱に伴う電力損失を極めて低く抑えることのでき
る限流装置を得ることを目的とする。
(課題を解決するための手段) 本発明は上記課題を解決するための手段として、交流
電源と負荷との間の線路に設けられ、所定の臨界電流値
を有すると共に無誘導巻きされた第1の超電導コイル
と、前記第1の超電導コイルに直列接続されたスイッチ
手段と、前記スイッチ手段に取付けられた可動鉄心部
材、及び該可動鉄心部材に対向して配設された固定鉄心
部材より成り、所定強さの磁界内で該可動鉄心部材を該
固定鉄心部材に吸着させることにより、前記スイッチ手
段をオフ状態に駆動するスイッチ駆動手段と、前記第1
の超電導コイルよりも高い臨界電流値を有すると共に、
前記直列接続された第1の超電流コイル及びスイッチ手
段に対して並列接続された第2の超電導コイルと、を備
え、前記負荷に流れる電流の増大により前記第1の超電
導コイルが超電導状態から常電導状態へ移行したとき
に、該第1の超電導コイルに流れていた電流を前記第2
の超電導コイルに転流させ、該転流した電流で発生する
磁界によって、前記スイッチ駆動手段が前記スイッチ手
段をオフ状態に駆動するようにした構成としてある。
(作 用) 負荷に事故等が発生していない場合、電流は無誘導巻
きされた第1の超電導コイル及びスイッチ手段を経由し
て流れる。このとき、第1の超電導コイルは無誘導巻き
されているのでインダクタンスの影響を受けず高効率で
負荷に電流を供給する。また磁界が発生しないため、ス
イッチ手段がオフ状態になることはない。
しかし、負荷に事故等が発生し、電路を流れる電流が
増大すると、第1の超電導コイルは超電導状態から常電
導状態に移行し、その抵抗値も増大する。したがって、
それまで第1の超電導コイルを流れていた電流は、第2
の超電導コイルに転流し、そのインダクタンスにより負
荷に流れる電流の増大は抑制される。そして、このとき
転流した電流で発生した磁界により、可動鉄心部材が固
定鉄心部材に吸着され、スイッチ駆動手段がスイッチ手
段をオフ状態にする。そのため、常電導状態に移行して
いる第1の超電導コイルの発熱は阻止される。
(実施例) 以下、本発明の実施例を第1図乃至第3図に基き説明
する。
第1図において、交流電源1には開閉器2が接続され
ている。開閉器2には限流装置3の一端側が接続されて
おり、限流装置3の他端側には負荷8が接続されてい
る。
この限流装置3の構成を説明すると、まず、スプール
4に、所定の臨界電流値Ic1を有する超電導線で形成さ
れた第1の超電導コイル5(以下、トリガコイルと称
す)が配設され、さらに、その内側にはIc1よりも高い
臨界電流値Ic2を有する超電導線で形成された第2の超
電導コイル6(以下、限流コイルと称す)が同芯上に配
設されている。このトリガコイル5は、例えばAP巻き
(エアトン・ペリー巻き)のような無誘導巻きがなされ
たものである。
スプール4の中心部には、スイッチ手段としての真空
スイッチ7が配設されている。この真空スイッチ7は、
接点部7aが取付けられた固定ロッド7b及び可動ロッド7c
を有している。そして、これら固定ロッド7b及び可動ロ
ッド7cの内側には、接点部7aに接続されて電路を形成す
る超電導体7dが組込まれている。ここで超電導体7dを用
いたのはジュール熱損失を無くすためである。
また、可動ロッド7cにはバネ受け7eを介してコイルバ
ネ7fが取付けられており、このコイルバネ7fによって、
可動ロッド7cは常時接点部7aが閉成する方向に弾撥付勢
されている。
可動ロッド7cには、さらに可動鉄心9aが取付けられて
おり、可動鉄心9aに対向して固定鉄心9bが配設されてい
る。すなわち、可動鉄心9a及び固定鉄心9bによりスイッ
チ駆動手段9が構成されている。この可動鉄心9aは、限
流コイル6に電流が流れたときに生ずる強磁界により、
固定鉄心9bに吸着保持されるようになっている。なお、
固定鉄心9bにはシム9cが取付けられているが、これはス
イッチの復帰特性を調整するための非磁性スペーサであ
る。
このようなトリガコイル5と真空スイッチ7とは直列
接続されており、さらに、直列接続されたトリガコイル
5及び真空スイッチ7に、限流コイル6が並列接続され
ている。第2図は、これらトリガコイル5、限流コイル
6及び真空スイッチ7の接続状態と、各コイルを流れる
電流方向とを示す説明図である。
次に、上記のように構成される本実施例の動作につい
て説明する。
第3図は、第1図に示した限流装置3の定常動作時及
び限流動作時における各電流値とインピーダンスの変化
を示す特性図である。第3図(a)において、全電流i0
はトリガコイル5に流れる電流i1と限流コイル6に流れ
る電流i2との和として表される。なお、ifは限流装置が
ない場合における負荷短絡時電流(推定短絡電流)を示
すものである。また、第3図(b)において、Zscは限
流装置3の定常動作時インピーダンス、Z′scは限流装
置3の限流動作時インピーダンス、Zlは線路のインピー
ダンスを示すものである。
まず、定常動作時には、全電流ioの殆んどが無誘導巻
きかれたトリガコイル5の方に流れる。このとき、トリ
ガコイル5のインダクタンス、抵抗はほぼゼロとなって
おり、インピーダンスZscはインピーダンスZlに対して
非常に小さなものとなっている。したがって、交流電源
1から負荷8に対して高効率で電流が供給されている。
また、トリガコイル5を流れる電流i1及び限流コイル6
を流れる電流i2によっては、殆んど磁界が発生しないた
め、可動鉄心9aが固定鉄心9bに吸着されることはなく、
したがって真空スイッチ7がオフ状態となることはな
い。
次いで、第3図(a),(b)において、時刻t1に負
荷8の短絡事故が発生したとする。すると、トリガコイ
ル5を流れる電流i1は臨界電流値Ic1を越え、トリガコ
イル5は超電導状態から常電導状態に移行する。これに
より、トリガコイル5は高抵抗となるため、それまでト
リガコイル5の方に流れていた全電流i0の殆んどは、今
度は限流コイル6の方に転流する(i1<<i2,i0
i2)。
限流コイル6は電流i2によって大きな磁束を発生し、
そのリアクトル作用によって時刻t1以後に増大しようと
する短絡電流を制御するように働く。なお、このとき限
流コイル6は超電導状態を維持しているため発熱は生じ
ない。
そして、限流コイル6の電流i2で発生した磁束は可動
鉄心9a及び固定鉄心9bを貫通し、これらの付近には大き
な磁界が発生する。したがって、可動鉄心9aはコイルバ
ネ7fの付勢力に抗して固定鉄心9bに吸着され、接点部7a
はオフになって、常電導状態のトリガコイル5を流れる
電流i1は遮断される。
これにより限流装置3内での発熱部は全く無くなり、
以後無制限に限流動作を維持することができる。また、
トリガコイル5は、真空スイッチ7がオフ状態になった
後直ちに冷却されて超電導状態に復帰するため、短絡原
因を除去した後の再通電に対して速かに応答できる。
なお、真空スイッチ7がトリガコイル5の電流i1を遮
断する動作を行う場合、トリガコイル5の高抵抗化によ
り電流i1は極めて小さくなっており、また、トリガコイ
ル回路の力率がほぼ1に等しくなっている(純抵抗回
路)ため、その遮断動作は極めて容易に行うことができ
る。
上記のような限流装置3ではトリガコイル5及び限流
コイル6に超電導材を用いているためコイルの断面積を
小さなものにすることができ、冷却装置(図示せず)以
外の構成要素を小型化することができる。
冷却装置についても、真空スイッチ7をトリガコイル
5に直列接続してスプール4に内蔵し、電流リード数を
2本/相として最少にしたのでコンパクト化することが
できる。
そして、トリガコイル5を過電流センサとして使用
し、限流コイル6による発生磁界を用いて真空スイッチ
7を駆動するようにしているので、装置構成を簡単化で
きると共に、その限流動作を高速且つ確実に行うことが
できる。
また、熱発生による電力損失も、定常動作時の真空ス
イッチ7における接触抵抗によるジュール熱損失と、第
3図(a)の時刻t1から時刻t2までの短時間におけるジ
ュール熱損失のみで非常に小さなものである。
さらに、本限流装置のインピーダンス調整について
も、限流コイル6のコイル巻回数Nあるいはコイル直径
Dなどを変えることにより、広範且つ容易に行うことが
できる。
なお、上記実施例では、トリガコイル5の内周側に限
流コイル6を配置する構成としてあるが、これらの装置
関係を逆にする構成としてもよい。
また、真空スイッチ7を限流コイル6の内側に配設し
て縦磁界効果を得るようにしてあるが、接点部7aに相当
する部材を偏平形状として、これを限流コイル6の外側
に位置させるようにすれば、ロッド部材の長さを短くす
ることができる。
〔発明の効果〕
以上のように、本発明によれば、所定の臨界電流値を
有し無誘導巻きされた第1の超電導コイルを交流電源と
負荷との間に設け、この第1の超電導コイルにスイッチ
手段を直列接続し、可動鉄心部材が固定鉄心部材に吸着
することによってスイッチ手段をオフ状態に駆動するス
イッチ駆動手段を設け、さらに、直列接続された第1の
超電導コイル及びスイッチ手段に、第1の超電導コイル
よりも高い臨界電流値を有する第2の超電導コイルを並
列接続し、負荷電流が増大して第1の超電導コイルが超
電導状態から常電動状態に移行したときには、それまで
第1の超電導コイルに流れていた電流が第2の超電導コ
イルに流入するようにし、この第2の超電導コイルで発
生する磁界によりスイッチ駆動手段がスイッチ手段をオ
フ状態にする構成としたので、装置を小型化,簡単化す
ることができると共に、限流動作を高速且つ確実に行う
ことができ、熱発生による電力損失を極めて小さなもの
とすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例の構成を示す断面図、第2図は
第1図におけるコイルの接続状態を示す説明図、第3図
(a),(b)は第1図の動作を説明するための特性
図、第4図は従来例を示す構成図である。 1……交流電源、3……限流装置、5……第1の超電導
コイル(トリガコイル)、6……第2の超電導コイル
(限流コイル)、7……スイッチ手段(真空スイッ
チ)、8……負荷、9……スイッチ駆動手段、9a……可
動鉄心部材、9b……固定鉄心部材。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−239876(JP,A) 特開 平1−185127(JP,A) 特開 昭56−141732(JP,A) 特開 昭64−21836(JP,A) 特開 平2−202320(JP,A) 実開 昭58−43125(JP,U) 実開 昭50−66130(JP,U) 実開 昭55−94071(JP,U) 特公 昭48−2038(JP,B1)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】交流電源と負荷との間の線路に設けられ、
    所定の臨界電流値を有すると共に無誘導巻きされた第1
    の超電導コイルと、 前記第1の超電導コイルに直列接続されたスイッチ手段
    と、 前記スイッチ手段に取付けられた可動鉄心部材、及び該
    可動鉄心部材に対向して配設された固定鉄心部材より成
    り、所定強さの磁界内で該可動鉄心部材を該固定鉄心部
    材に吸着させることにより、前記スイッチ手段をオフ状
    態に駆動するスイッチ駆動手段と、 前記第1の超電導コイルよりも高い臨界電流値を有する
    と共に、前記直列接続された第1の超電導コイル及びス
    イッチ手段に対して並列接続された第2の超電導コイル
    と、 を備え、 前記負荷に流れる電流の増大により前記第1の超電導コ
    イルが超電導状態から常電導状態へ移行したときに、該
    第1の超電導コイルに流れていた電流を前記第2の超電
    導コイルに転流させ、該転流した電流で発生する磁界に
    よって、前記スイッチ駆動手段が前記スイッチ手段をオ
    フ状態に駆動するようにしたことを特徴とする限流装
    置。
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