JP3280609B2 - 事故電流を制限する限流機器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空隙(Air Gap)を
導入した超伝導限流機器(Superconducting Current Lim
iting Device)に関し、外部に制御装置を設けることな
く、超伝導体の特性を利用し、特に、ダンピングコイル
を使用して限流性能を改善した事故電流を制限する限流
機器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】磁性素子、インダクタ及び変圧器は多く
の電気デバイスの中でも特に必須不可欠な要素であり、
従来から多用されている。このような電気デバイスの材
料の磁気的、電気的な性質は、インダクタや電気機器の
設計と製作に重要な影響を及ぼす。つまり、磁気的性質
を用いるいろいろな部品は価格、体積、重さ、そして、
製作の難易度などいろいろの要素を考慮してデザインさ
れる。それ故に、磁性素子の特性を支配する原理に基づ
いた効果的なデザインが必要である。

【０００３】磁性素子の一種類であると言える超伝導限
流機器は、良質の電力の供給と、高い事故電流または過
渡電流(TRANSIENT CURRENT)が電力システムの電気素子
に流れることを防止することを目的に開発され、提案さ
れたものである。理想的な超伝導限流機器は、正常状態
時における電力システムに影響が少なくなければなら
ず、一方、事故時にあっては事故電流を制限できる程度
の十分なインピダンスの増加を必要とする。しかし、磁
性材料を用いる高温超伝導限流機器の幾つかのプロトタ
イプ(Proto types)ではマグネチックコア(Magnetic Cor
e)の飽和でインピ−ダンスが減少する結果が現われてい
る。一般的に、そのような飽和問題は正常状態のインダ
クタの鎖交磁束を２倍に設計すれば解決することができ
る。しかし、これは超伝導限流機器（またはインダク
タ）の大きさと重さ、そして価格の増加を生じる問題が
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、電気
機器及び超伝導限流機器における制御インピダンスの減
少を防ぐことができる新たなインダクタを提供すること
にある。すなわち、効果的な空隙の導入及びダンピング
コイル、具体的には短絡された超伝導体あるいは短絡さ
れた一般導体のような鉄心の適切な設計とすることによ
りコアの飽和を防止できるようにすることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、電気回路における事故電流を制限する限流
機器において、磁気的に飽和可能であり、空隙が形成さ
れた少なくとも１つの脚部と空隙のない少なくとも２つ
の脚部を備え空隙を含まない第１閉磁路と空隙を含む第
２閉磁路を構成する鉄心と、前記空隙のない脚部に位置
し、前記鉄心を磁気的に前記電気回路に連結させ、電流
を通過させ前記鉄心に磁束が生成されるようにする１次
巻線と、前記空隙が形成された少なくとも１つの脚部に
設けられたダンピングコイルを含み、事故時に前記ダン
ピングコイルで前記空隙を含む第２閉磁路を通して流れ
る磁束を相殺させ前記鉄心が飽和されないようにするこ
とを基本的特徴とするものである。この構成により、本
発明の事故電流を制限する限流機器は、低い動作電圧、
電流では空隙のない磁路のインダクタンスによって事故
電流を制限し、高い動作電圧や電流では空隙のある磁路
のインダクタンスによって事故電流を制限させることが
可能となる。

【０００６】一般的に、空隙のない鉄心を使用する場
合、飽和が生じないようにするためには設計条件として
最大エネルギを４倍増加させなければならないのでイン
ダクタの体積も４倍増加することになる。

【０００７】これを解消するために本発明は、２個の磁
気回路を並列接続させるようにするものである。勿論、
空隙のある脚部と空隙のない脚部の個数は複数個可能な
ようにし、このいろいろの組合も可能でありダンピング
コイルも複数個組合わせ可能である。このように並列連
結させた磁気回路を有する変圧器とインダクタはより幅
広い動作電圧を有することができるようになる。これの
特性及び原理は超伝導限流機器の特性と同じであるが、
これの特性を改善するために、本発明は空隙のある脚部
に短絡された超伝導体（巻線ないしダンピングコイル）
あるいは短絡された一般導体（巻線ないしダンピングコ
イル）を設置するものである。上記においてダンピング
コイルは短絡された導体であると定義することができ、
これが設置されたインダクタまたは変圧器は、インダク
タンスがほとんど変化されなくなり、このような形態で
変圧器の２次側コイルを開放させるとインダクタとして
動作することになるのである。

【０００８】本発明は、さらに具体的には、１次側巻線
（一般導体巻線または超伝導体（巻線））と２次側巻線
（短絡された超伝導体（巻線）または開放された一般導
体巻線あるいは開放された超伝導体巻線）を３個の脚部
を有した鉄心で磁気回路的に並列連結させたものであ
る。また、空隙が形成された少なくとも１つの脚部にダ
ンピングコイルが設けられる。上記において、１つの脚
部は巻線が位置する脚部であり、中央の脚部は空隙が導
入されている。回路素子を保護するために１次側巻線が
電力線に直列連結されている。正常状態時は、超伝導体
に誘導された電流によって磁束相殺が発生されるように
することによってインピダンスが非常に低くなり、１次
側巻線抵抗と漏洩インダクタンスに依存されるようにな
る。事故時に、超伝導体が臨界電流を超過するようにな
れば、超伝導体にフラックスフロー(Flux flow)抵抗が
発生して鉄心内の磁束が急激に増加することになる。も
し、磁気飽和が発生すれば、空隙が含まれていない磁路
の磁気抵抗より空隙が含まれている磁路の方の磁気抵抗
がずっと小さくなる。従って、磁束は磁気抵抗が小さい
側である空隙側に流れるようになり、飽和時に急激なイ
ンピダンスの減少を防止することになるので、限流効果
を大きく増大させることができる。本発明において、鉄
心構造について説明すると、空隙のない鉄心である場合
には磁化曲線（Ｂ−Ｈ）上で飽和が早く起きることにな
るが、鉄心に空隙が形成されると、短絡された磁路と空
隙磁路が並列連結されて磁化曲線上には緩慢な曲線をな
すことになるので、飽和が遅く起こることになる。従っ
て、磁化制御範囲を大きく改善することができるように
なり、この空隙にダンピングコイルを設置して、さらに
効果を高める。

【０００９】本発明はさまざまな形態を含んでいる。そ
の例を挙げると次のとおりである。 １）１次巻線と短絡された超伝導体は、異なる脚部にそ
れぞれ巻回される場合と、同一の脚部に前記１次巻線を
内側に巻回し、その外側に前記超伝導体を巻回される場
合と、同一の脚部に前記超伝導体を内側に巻回し、その
外側に前記１次巻線が巻回される場合と、同一の脚部に
前記１次巻線と前記超伝導体と交互配列して巻回される
場合のいずれをも含む。 ２）また、空隙を鉄心の外側に形成させるようにし、一
側脚部の内側には１次巻線を、外側には短絡された超伝
導体を設置してもよい。 ３）１次巻線による磁路以外の並列磁路に短絡された導
体あるいは短絡された超伝導体を位置させて構成しても
よい。 ４）空隙を鉄心の外側に形成させるようにし、１次巻線
による磁路以外の並列磁路に短絡された導体あるいは短
絡された超伝導体を位置させてもよい。 ５）並列に連結された磁気回路を複数個組合わせするた
めに空隙を複数個組み合わせ、ダンピングコイルも複数
個組み合わせてもよい。 ６）空隙を有する鉄心の一側脚部の内側には開放された
超伝導体あるいは開放された一般導体巻線あるいは巻線
なしに、外側には一般導体巻線または超伝導体となった
１次巻線を設置して１次巻線による磁路以外の並列磁路
に短絡された一般導体巻線あるいは短絡された超伝導体
を設置してインダクタとして使用するようにしてもよ
い。 ７）空隙を有する鉄心の一側脚部の内側には２次側とし
て開放された超伝導体あるいは開放された一般導体巻線
を、外側には一般導体巻線または超伝導体となった１次
巻線を設置して１次巻線が設置できる磁路以外の並列磁
路に短絡された一般導体巻線あるいは短絡された超伝導
体を設置して変圧器として使用することもできる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例を図１〜図６
によって具体的に説明する。 ［第１の実施例］＝図３ 図３は空隙Ａを有する鉄心１の一側脚部１Ａに対して、
内側に２次巻線として短絡された超伝導体２を巻回し、
その外側には１次巻線３を巻回している。前記超伝導体
２と１次巻線３の巻回により、一般的な磁路としての短
絡された磁路４と、空隙Ａが含まれた磁路５を上記１次
巻線３に対して磁気回路的に並列連結させて超伝導限流
機器１０を構成する。なお、前記超伝導体２として、線
状体、板状体等の任意の形態のものが利用される。線状
体と板状体はそれぞれ粉状のものを成形したものを含ん
でいる。

【００１１】上記空隙Ａはこの実施例では単一である
が、複数個を組み合わすこともでき、並列に連結された
磁気回路を複数個組み合わせることもでき、さらにはダ
ンピングコイルも複数個組み合わせることができる。さ
らには、１次巻線３と超伝導体（巻線）２は、その内側
と外側の位置を変更してもよく、あるいは上下に分離設
置して交互配置としても良く、さらに脚部１Ａと脚部１
Ｃにそれぞれ分離設置することができる。上記におい
て、主磁路４は１次巻線３を通過する磁路であり、並列
磁路５は数個の空隙Ａ、または数個の脚部（１次巻線３
を設置してる脚部以外の）を通過する磁路である。即
ち、主磁路４を脚部１Ａを通る磁路とすれば並列磁路５
は脚部１Ｂまたは脚部１Ｃを通過する磁路である。ま
た、空隙Ａの長さ、磁路の長さと磁路の断面積は磁気抵
抗を調節するために適当に変更することができる。ま
た、ダンピングコイル６の位置は並列磁路の中１個また
は数個設置することができる。上記において、１次巻線
３は超伝導体と一般的な導体巻線のうち、いずれを使用
しても構わなく、電気回路などを保護するために電気回
路に超伝導限流機器１０を直列連結させる。また、２次
巻線２は短絡された超伝導体（巻線）を使用する。

【００１２】いずれにしてもこのように構成された超伝
導限流機器１０は、図２に図示したように、電力系統の
回路に適用させて事故電流の流入時に外部のどのような
制御装置の助けがなくても自ら事故電流を感知して、事
故電流を制限することができるようになるものである。

【００１３】次にその具体的な作用について説明する。
電流が電力系統の回路に正常状態で供給されている場合
には、図１に示したように超伝導体２が臨界値以内にあ
るということである。即ち、外部で作ってくれた磁界Ｈ
に対して上記磁界Ｈをなくそうとする方向に電流が発生
することになるので内部の磁界−Ｈにより磁界はほぼ０
（ゼロ）になる。従って、インダクタンスもほぼ０にな
って電圧降下がなくなり、電流の流れに何の妨害も与え
ないようになる。それ故に、正常状態時には超伝導体２
の磁束相殺効果あるいは磁気遮蔽効果によって鉄心１に
磁束が侵入できなくなり、この時のインピダンスはただ
漏洩インピダンスと１次巻線３による抵抗のみであるこ
とから、正常的に電力系統の回路に電流が流れるように
なる。

【００１４】もし、事故電流が流れる場合には図２の負
荷抵抗（ＲＬ）が０となって電流が増加することになる
ので、１次巻線３の電流が増加することになって２次側
巻線である超伝導体２に誘導され、これにより超伝導体
２の臨界値を超過して抵抗が発生する。このため、図１
での磁界−Ｈが発生されず、インダクタンスＬは増大す
ることになる。従って、インダクタンスＬの増大により
電圧降下が発生することになるので、事故電流を制限す
るインピダンスが極短時間に発生して事故電流を別途の
制御装置を必要とすることなく超伝導特性を用いて電流
を制限するスイッチング機能を有するようになるのであ
る。即ち、事故時には超伝導体２に誘導された電流が超
伝導体の臨界電流を超過して超伝導体が持つ磁束相殺あ
るいは磁気遮蔽効果がなくなるので磁束が鉄心１を通過
することになってインピダンスの増大を生じるようにな
るのである。

【００１５】このように鉄心１を通過した磁束が鉄心１
の最大磁束密度に到達すれば、磁束は短絡された磁路４
を通じることなく空隙Ａが含まれた磁路５を通じること
になる。これは飽和が起こる時点で短絡された磁路４側
の磁気抵抗が、空隙Ａが含まれた磁路５側の磁気抵抗よ
り大きくなるので磁束は空隙Ａが含まれた磁路５側を選
ぶことによる。即ち、空隙Ａが含まれた鉄心１は空隙が
ない鉄心より飽和が遅く発生されるばかりでなく、高い
電流で飽和が起こることになるので次のような関係が成
立する。 空隙Ａが含まれていない鉄心が飽和されない
場合には、磁気抵抗（空隙を含む）〉磁気抵抗（空隙を
含まない）になる。空隙が含まれていない鉄心が飽和さ
れた場合には、磁気抵抗（空隙をふくむ）〈磁気抵抗
（空隙を含まない）になる。このように、空隙Ａが含ま
れた磁路５側に磁束の流れを移動させることにより飽和
が防止され、これによってインピダンスの減少を防止す
ることになるので事故電流をもっと容易に制限できるこ
とになるのである。

【００１６】［第２の実施例］＝図４ 本実施例は図４で図示すように、鉄心１における空隙Ａ
の位置を中央でなく外側の脚部１Ｂに変更させると同時
に、前記脚部１Ｂと反対側の一側脚部１Ａに対して、内
側に１次巻線３を巻回し、外側に短絡された超伝導体２
を巻回している。 その他は第１の実施例と同様であ
り、同じ部分に同じ符号を付し、また、作用も同一なの
で説明は省略する。

【００１７】［第３の実施例］＝図５ 本実施例は、図５に図示したように、空隙Ａがある中央
の脚部１Ｂにダンピングコイル、即ち、短絡された一般
導体巻線または短絡された超伝導体または短絡された超
伝導体巻線６を位置させて磁束相殺効果によって飽和が
発生されないようにするものである。即ち、空隙Ａがあ
る鉄心１であるといえども、磁界の強さが大きくなれば
飽和が起こるのが当然であるが、上記空隙Ａ部位の脚部
１Ｂに超伝導体６を位置させるようにすることにより、
超伝導体６の磁束相殺効果によって空隙Ａ内の磁束がほ
ぼ０に維持され、飽和も防止し、十分な量だけの磁束を
通過させて電流制限効果をさらに増進させることができ
るようになるのである。なお、一側の脚部１Ａには、内
側に２次巻線として短絡された超伝導体２を巻回し、そ
の外側には１次巻線３を巻回している。もちろんこれに
代えて、内側に１次巻線３を巻回し、外側に短絡された
超伝導体２を巻回してもよい。

【００１８】［第４の実施例］＝図６ 本実施例は、図６に図示したように、空隙Ａがある脚部
１Ｂの位置を鉄心１の外側に位置させると共に、上記脚
部１Ｂに短絡された一般導体巻線または短絡された超伝
導体または短絡された超伝導体巻線６を位置させてい
る。そして、反対側の脚部１Ａに、短絡された超伝導体
２と１次巻線３を巻回している。前記の短絡された超伝
導体２と１次巻線３は、図示するものでは内側が１次巻
線３、外側が超伝導体２であるが、これは逆であっても
よい。この第４実施例のその作用は第３の実施例と同一
なので同じ部分に同じ符号を付し、説明は省略する。

【００１９】［第５の実施例］ 本実施例は本発明をインダクタ（ＩＮＤＵＣＴＯＲ）と
して使用する場合である。即ち、図３の第１の実施例で
示すように空隙Ａを有する鉄心１の一側脚部１Ａに内側
には開放された超伝導体（巻線）または開放された一般
導体巻線２または巻線を巻回することなしに、外側には
一般導体巻線または超伝導体になった１次巻線３を設置
させるようにしてインダクタとして使用させるようにす
るものであって、その作用は第１の実施例と同一であ
る。しかし、インダクタとしてはこれに限らず、第３、
４の実施例（図５及び図６）で空隙Ａがある脚部１Ｂに
短絡された一般導体巻線または短絡された超伝導体を設
置する場合を含む。

【００２０】［第６の実施例］ 本実施例は本発明を変圧器として使用する場合である。
即ち、図３のような第１の実施例で空隙Ａを有する鉄心
１の一側脚部１Ａに内側には開放された超伝導体または
開放された一般導体巻線２を２次負荷側として、外側に
は一般導体巻線または超伝導体になった１次巻線３を設
置させるようにして変圧器として使用させるようにする
ものであって、その作用は第１の実施例と同一である。
本実施例はもちろんこれに限定されず、第３、４の実施
例（図５及び図６）のように、空隙Ａのある脚部１Ｂに
短絡された一般導体巻線あるいは短絡された超伝導体を
設置する場合を含む。

【００２１】

【発明の効果】以上説明した本発明の請求項１によれ
ば、電気回路における事故電流を制限する限流機器にお
いて、磁気的に飽和可能であり、空隙(A)が形成された
少なくとも１つの脚部と空隙のない少なくとも２つの脚
部を備え、空隙を含まない第１閉磁路(４)と空隙を含む
第２閉磁路(５)を構成する鉄心(1)と、前記空隙(A)のな
い脚部に位置し、前記鉄心(1)を磁気的に前記電気回路
に連結させ、電流を通過させ前記鉄心(1)に磁束が生成
されるようにする１次巻線(3)と、前記空隙(A)が形成さ
れた少なくとも１つの脚部に設けられたダンピングコイ
ル(6)を含み、事故時に前記ダンピングコイル(6)で前記
空隙を含む第２閉磁路(5)を通して流れる磁束を相殺さ
せ前記鉄心(1)が飽和されないようにしたので、インピ
ダンスの増加によって事故電流を効率的に制限すること
ができる。しかも、本発明は外部のどのような制御装置
の助けもなしに、自ら事故電流を感知して事故電流を制
限することができるので、複雑な電子的回路設計及びこ
れによる費用などを大きく節減することができ、また、
既存の電力系統の交替なく電力系統間を積極的に連繋す
ることが可能であり、電力系統の容量を増加させること
ができるので電力需要増加に容易に対処できるなどのす
ぐれた効果が得られる。また、本発明は飽和が起こらな
いように空隙が含まれた磁路と一般的な磁路とで飽和を
防止すると共に、空隙が含まれた磁路での飽和を防止す
るために短絡された超伝導体あるいは短絡された一般導
体を用いることができるので、磁束相殺効果で限流効果
をさらに増加することができるというすぐれた効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】超伝導体の磁束相殺効果の説明図である。

【図２】本発明の限流機器を適用させた電力系統を例示
した回路図である。

【図３】本発明の限流機器の第１実施例を模式的に示す
構成図である。

【図４】本発明の限流機器の第２実施例を模式的に示す
構成図である。

【図５】本発明の限流機器の第３実施例を模式的に示す
構成図である。

【図６】本発明の限流機器の第４実施例を模式的に示す
構成図である。

【符号の説明】

Ａ 空隙 １ 鉄心 １Ａ 一側脚部 １Ｂ 空隙を有する脚部 １Ｃ 脚部 ２ ２次巻線 ３ １次巻線 ４、５ 閉磁路 ６ ダンピングコイル １０ 限流機器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 朱▲敏▼皙 大韓民国ソウル特別市江南区三成洞123 −10 (72)発明者 高太國 大韓民国ソウル特別市陽川区木洞903番 地木洞新市街地アパート303棟303号 (56)参考文献 実開 平１−90291（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭46−37134（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01F 5/08,36/00 H02H 9/02 H01L 39/16

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電気回路における事故電流を制限する限流
   機器において、磁気的に飽和可能であり、空隙(A)が形
   成された少なくとも１つの脚部と空隙のない少なくとも
   ２つの脚部を備え、空隙を含まない第１閉磁路(４)と空
   隙を含む第２閉磁路(５)を構成する鉄心(1)と、前記空
   隙(A)のない脚部に位置し、前記鉄心(1)を磁気的に前記
   電気回路に連結させ、電流を通過させ前記鉄心(1)に磁
   束が生成されるようにする１次巻線(3)と、前記空隙(A)
   が形成された少なくとも１つの脚部に設けられたダンピ
   ングコイル(6)を含み、事故時に前記ダンピングコイル
   (6)で前記空隙を含む第２閉磁路(5)を通して流れる磁束
   を相殺させ前記鉄心(1)が飽和されないようにすること
   を特徴とする事故電流を制限する限流機器。
2. 【請求項２】前記１次巻線(3)を通して流れる電流が臨
   界電流値と同一か又は小さい場合に超伝導状態になり前
   記鉄心(1)に生成された磁束の大部分を相殺し、前記電
   流が臨界電流値を越える場合は抵抗状態になり前記限流
   機器のインピダンスを増加させる２次巻線(2)が前記第
   １閉磁路(4)の脚部に位置していることを特徴とする請
   求項１に記載の事故電流を制限する限流機器。
3. 【請求項３】前記２次巻線(2)は線状又は板状の短絡さ
   れた超伝導体であることを特徴とする請求項２に記載の
   事故電流を制限する限流機器。
4. 【請求項４】前記第１閉磁路(4)上に位置する２次巻線
   (2)を更に含み、２次巻線(2)は２次負荷側になることを
   特徴とする請求項１に記載の事故電流を制限する限流機
   器。
5. 【請求項５】前記２次巻線(2)は開放された超伝導体又
   は開放された一般導体巻線であることを特徴とする請求
   項４に記載の事故電流を制限する限流機器。
6. 【請求項６】前記ダンピングコイル(6)は線状又は板状
   の短絡された超伝導体、又は短絡されたコイル状の一般
   導体であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求
   項３、請求項４又は請求項５に記載の事故電流を制限す
   る限流機器。