JP2935235B2 - 電流制限器 - Google Patents

電流制限器

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JP2935235B2
JP2935235B2 JP63174251A JP17425188A JP2935235B2 JP 2935235 B2 JP2935235 B2 JP 2935235B2 JP 63174251 A JP63174251 A JP 63174251A JP 17425188 A JP17425188 A JP 17425188A JP 2935235 B2 JP2935235 B2 JP 2935235B2
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    • H02H9/00Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current
    • H02H9/023Current limitation using superconducting elements
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N60/00Superconducting devices
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00Superconducting magnets; Superconducting coils
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    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

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  • Power Engineering (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) 本発明は電流を制限し、特に超電導状態において過電
流が流れたときの抵抗値の増大を利用した電流制限器に
関する。
(従来の技術) 従来、電気機器に過電流が流れたときに、電気機器を
過電流から保護するためには過電流に対して時間の遅れ
がなく、瞬時に過電流の流れを制限する必要がある。こ
の過電流を制限するための一例として第7図に示すよう
な超電導体を利用した電流制限体1がある。この電流制
限体1は超電導材料を矩形波状に成形したのであり、第
8図に示すように電源2、遮断器3、線路インピーダン
ス4、および負荷5の回路に直列に接続されている。こ
のような回路構成において、電流i0が電流制限体1を通
り負荷5に流れているときは、電流制限体1を超電導状
態にする。このように回路が正常なときの電流制限体1
に流れる電流値は、第9図に示すように臨界電流値Jc1
よりも小さい範囲にある。今、電流制限体1に臨界電流
Jc1が流れたとすると、電流制限体1はクエンチを生
じ、急速に常電導に転移する。この時、電流制限体1の
抵抗が急激に固有抵抗値に増加し、この高い抵抗値によ
り電流制限体1を通して負荷5に流れる電流を制限す
る。このように電流制限体1にクエンチが生じたときの
電流制限体1の抵抗値Rは次式によって表される。
R=ρ(l/A) …(1) すなわち、電流制限体1の抵抗値Rは、固有抵抗ρ
(μΩ−cm)と電流制限体1の長さl(cm)との積に比
例し、電流制限体1の断面積A(cm2)に反比例するも
のである。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら上記のように(1)式に基づいて十分な
長さl(cm)を得るために電流制限体を矩形波状に形成
したが、超電導体のうち良く知られているNb・Ti系の臨
界電流密度は、1〜3(kA/cm2)と非常に大きい半面、
常電導時の固有抵抗は20〜50(μΩ−cm)と小さいため
に上記のように矩形波状に形成したものでは、断面積A
(cm2)が大きく、長さl(cm)が十分でないために超
伝導体がクエンチのとき十分に高い抵抗値が得られな
い。高い抵抗値を得るために超電導体を、さらに細く、
そして長くしたコイル状のものが考えられるが、コイル
状にするとインダクタンスを持つことになるので無駄な
電力を消費し、クエンチのときにインダクタンスがある
と、インダクタンス分による遅れによって電流の制限が
確実に行われない。また、クエンチのときは超電導体に
高電圧がかかるので十分な耐電圧値を得るためにコイル
間の寸法を大きく取らなくてはならないという問題点が
あった。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであ
り、クエンチのときに電流を制限できるように十分な高
抵抗値を得ることができ、かつ電流の制限を確実に行な
うことができ、正常なときはインダクタンスによって無
駄な電力消費を生じることがなく、超電導コイル体を小
形にできる電流制限器を提供することを目的とする。
〔発明の構成〕
(課題を解決するための手段) 上記目的を達成するために本発明に係る電流制限器
は、 絶縁芯の外周に巻回され、所定の臨界電流値を有する
第1超電導コイルと、 絶縁芯の外周に第1超電導コイルと同心に逆方向に巻
回され、第1超電導コイルとほぼ同一の臨界電流値を有
する第2超電導コイルと、 絶縁芯の両端面に対向して設けられ、第1超電導コイル
および第2超電導コイルのそれぞれの両端が固着される
端子板と、 端子板に渡って取り付けられ、絶縁芯、端子板と共に真
空室を形成し、この真空室に第1及び第2の超電導コイ
ルを収容する外周壁と、 を備えたことを特徴としている。
(作 用) 上記のように構成された電流制限器においては、第1
超電導コイルと第2超電導コイルに定常電流が流れてい
るとき、これらの超電導コイルは超電導状態にある。ま
た、第1超電導コイルと第2超電導コイルに流れる電流
に起因するそれぞれの磁束は互いに打消し合うので、イ
ンダクタンスによって無駄な電力消費を生じることはな
い。一方、第1超電導コイルと第2超電導コイルに臨界
電流値に等しいか、またはそれ以上の過電流が流れる
と、第1超電導コイルと第2超電導コイルはクエンチと
なり、このとき生じた高抵抗値によって第1超電導コイ
ルおよび第2超電導コイルに流れる電流が制限される。
また、第1超電導コイルおよび第2超電導コイルは常に
真空に保たれているので、クエンチ時の耐電圧値を高く
することができ、超電導コイル体を小形にできる。
さらに、絶縁芯の両端面に対向して設けられた端子板
に第1超電導コイルおよび第2超電導コイルのそれぞれ
の両端を固着し、これらの端子板に渡って外周壁を取り
付ける構成によって超電導コイル体を収容する真空室を
容易に形成することができる。
(実施例) 以下に本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。第1図は本発明に係る電流制限器の一実施例を示し
ている。この電流制限器6について説明すると、まず、
絶縁芯としては碍子管7を使用する。この碍子管7の外
周面の一端部から他端部にかけて、第2図に示すよう
に、第1超導電コイル8が所定の間隔をおいて所定の巻
数に巻回されている。さらに第1超電導コイル8に重ね
て第1超電導コイル8の巻回方向とは逆方向に、同じ巻
数の第2超電導コイル9が巻回されている。このように
して超電導コイル体10が形成される。また、碍子管7の
両端の開口部には、挿入部11と大径部12とからなり、挿
入部11が碍子管7の開口部にそれぞれ挿入された導電性
の端子板14aを有している。この端子板14aの大径部12は
超電導コイル体10の外径よりも大きく形成されている。
大径部12のそれぞれの外周端の一方から他方には、超電
導コイル体10の外周部と間隔をおいて外周壁22が取付け
られている。この外周壁22の取付けについて説明する
と、外周壁22の端面には外周壁22よりも薄いシール部材
23の周縁が環状に固着され、このシール部材23の他の周
縁を大径部12に環状に固着することによって取付けられ
る。このようにして碍子管7、端子板14aおよび外周壁2
2によってコイル体10を収容する真空室24が形成され
る。上記の端子板14aには第1超電導コイル8と第2超
電導コイル9のそれぞれの両端が平行に固着されてい
る。シール部材23と外周壁22が異なった厚さに形成され
ている理由は、シール部材23と外周壁22とが受ける変位
を異なったものとすることによって大径部12と外周壁22
との間の破壊を防止するためである。そして、端子板14
aのそれぞれの軸心部の外側に、行き止まり形のねじ孔2
5が形成され、例えばボルトを介して、端子板14aに他の
導体が接続される。
上記のように構成された電流制限器6を使用した動作
例を第3図ないし第6図に基づいて説明する。第3図は
従来の技術の項で説明した回路構成と同じであるから、
同じ符号を付し詳細な説明は省略する。
まず、第3図に示す回路において、この回路が正常に
動作しているときは所定の電流i0が電流制限器6を通し
て負荷5に流れる。この電流i0は電圧Eと全インピーダ
ンスZによって決まる。この全インピーダンスZは電流
制限器6のインピーダンスZsc、線路インピーダンス
Zl、および負荷インピーダンスZLの和である。この時、
電流制限器6は超電導状態にあり、電流i0は臨界電流J
c1よりも低い範囲の値である。電流i0は第1超電導コイ
ル8と第2超電導コイル9にそれぞれ電流iL1および電
流iL2として分流される。それぞれの電流iL1および電流
iL2は、第1超電導コイル8および第2超電導コイル9
の巻数が同じいで、鎖交磁束数も同じで、かつ互いに重
ねて巻回されているので近似した値である。第1超電導
コイル8と第2超電導コイル9には電流iL1およびiL2
基づいて互いに逆方向で、かつほぼ同じ強度の起磁力が
作用し、この起磁力に応じてほぼ同じ値の磁束φおよ
びφを生ずる。しかし、それぞれの磁束φおよびφ
は逆方向なので互いに打消しあい、第1超電導コイル
8と第2超電導コイル9のそれぞれのインダクタンスは
漏れ磁束分程度による極めて小さいものとなる。したが
って、電流制限器6は第4図に示すように漏れ磁束分に
よるインダクタンスをLとすると、抵抗分が零でリアク
タンス分は微小のωL/2となるので、電圧降下を生ずる
ことはない。この時の状態を第6図(a)および(b)
の「正常動作時」に示している。即ち、電流制限器6の
インピーダンスZsc、線路インピーダンスZl、および負
荷インピーダンスZL(図示省略)に基づいて電流i0が決
まり、この電流i0が第1超電導コイル8および第2超電
導コイル9によって電圧降下を受けることなく負荷5に
供給される。
次に、負荷5に短絡が生じたときの状態を第6図
(a)および(b)に示された「クエンチ時」に基づい
て説明する。回路に短絡が生ずると、E/Zlによって与え
られる短絡電流ifが流れる。しかし、この短絡電流if
臨界電流Jc1を越えた瞬間に、第1超電流コイル8およ
び第2超電導コイル9はクエンチとなる。即ち、第1超
電導コイル8および第2超電導コイル9は常電導状態と
なるとともに第1超電導コイル8および第2超電導コイ
ル9のそれぞれの抵抗は抵抗値Rcに急速に高くなる。こ
の抵抗値Rcは上記したように第1超電導コイル8および
第2超電導コイル9の固有抵抗ρ(μΩ−cm)と長さl
(cm)との積に比例し、断面積A(cm2)に反比例する
値である。抵抗が抵抗値Rcに急速に高くなることによっ
て、電流制限器6のインピーダンスZsc′が高くなる。
この状態の等価回路を第5図に示している。この等価回
路について説明すると、急速に高くなったそれぞれの抵
抗値RCに応じて第1超電導コイル8および第2超電導コ
イル9のインピーダンスZsc′は次式に示す極めて大き
な値となる。
この時、増加した抵抗値Rcに基づいて第1超電導コイ
ル8および第2超電導コイル9に流れる電流は第6図
(a)に示すように電流iT1およびiT2のように臨界電流
Jc1に近い値に制限される。なお、短絡電流ifが第1超
電導コイル8および第2超電導コイル9に分流したとき
にそれぞれの磁束は打消し合うが、インダクタンスL′
はこのときに生ずる僅かな漏れ磁束分によるものであ
る。したがって、インダクタンスL′は極めて小さいも
のとなるので、時定数も極めて小さくなり、急速に増加
した抵抗値Rcによって第1超電導コイル8および第2超
電導コイル9に流れる電流の時間の遅れがないように電
流iT1およびiT2に制限する。
また、本実施例にあっては第1超電導コイル8および
第2超電導コイル9が真空に保たれている。クエンチが
生じたときは第1超電導コイル8と第2超電導コイル9
に高電圧がかかるが、第1超電導コイル8と第2超電導
コイル9は真空中にあるので、空気中でクエンチが生じ
たときよりも高電圧に対する耐電圧値が高くなる。
また、本実施例では第1超電導コイル8および第2超
電導コイル9のそれぞれの素材、巻数、および線径を選
択することによってクエンチ時のインピーダンスZsc
および電流iT1、iT2を自由に選択できるので広範囲にわ
たる電流の制限ができ、また、正常時にはインダクタン
スLを極めて小さくでき、かつインピーダンスZscを広
範囲に設定できるので無接点スイッチの実現が可能とな
る。
なお、上記した実施例では絶縁芯として碍子管7を使
用したが耐熱性を有する他の絶縁材料でもよい。
〔発明の効果〕
以上述べたことから本発明の電流制限器では絶縁芯の
両端面に対向して設けられた端子板に第1超電導コイル
および第2超電導コイルのそれぞれの両端を固着し、こ
れらの端子板に渡って外周壁を取り付けることにより、
簡易な構成によって超電導コイル体を収容する真空室を
容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の電流制限器の一実施例を示す断面図、
第2図は超電導コイル体を示す斜視図、第3図は電流制
限器の使用例を示す回路図、第4図は電流制限器の正常
なときの状態を示す等価回路図、第5図は電流制限器の
クエンチのときの状態を示す等価回路図、第6図は電流
制限器の正常時とクエンチ時の状態を示すグラフ、第7
図は従来の電流制限体を示す斜視図、第8図は従来の電
流制限体の使用例を示す回路図、第9図は超電導体の臨
界電流と固有抵抗との関係を示すグラフである。 6……電流制限器、7……絶縁芯(碍子管)、8……第
1超電導コイル、9……第2超電導コイル、10……超電
導コイル体、11……挿入部、12……大径部、14a……端
子板、22……外周壁、23……シール部材、24……真空
室、25……ねじ孔。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 増田 義久 東京都府中市東芝町1 株式会社東芝府 中工場内 (56)参考文献 特開 昭48−23391(JP,A) 特開 昭63−27004(JP,A) 特開 昭63−239876(JP,A) 特開 昭63−292611(JP,A) 実開 昭57−88901(JP,U) 実開 昭57−124102(JP,U) 実開 昭55−94071(JP,U) 特公 昭60−16081(JP,B2) 特公 昭48−2038(JP,B1)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】絶縁芯の外周に巻回され、所定の臨界電流
    値を有する第1超電導コイルと、 前記絶縁芯の外周に前記第1超電導コイルと同心に逆方
    向に巻回され、前記第1超電導コイルとほぼ同一の臨界
    電流値を有する第2超電導コイルと、 前記絶縁芯の両端面に対向して設けられ、前記第1超電
    導コイルおよび前記第2超電導コイルのそれぞれの両端
    が固着される端子板と、 前記端子板に渡って取り付けられ、前記絶縁芯、端子板
    と共に真空室を形成し、この真空室に前記第1及び第2
    の超電導コイルを収容する外周壁と、 を備えたことを特徴とする電流制限器。
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