JP3861263B2

JP3861263B2 - 超電導限流器および超電導限流器システム

Info

Publication number: JP3861263B2
Application number: JP2002281877A
Authority: JP
Inventors: 裕之門; 路晴市川; 正豊渋谷; 洋隆清水; 年郎松村; 旦三仁田
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2022-09-26
Also published as: JP2004120913A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超電導限流器および超電導限流器システムに関する。さらに詳しくは、本発明は、高温超電導体の磁束排除特性を応用した超電導限流器と、これを利用した超電導限流器システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
限流器は、例えば、配電系統では変電所からの各回線に設置することにより、配電線でおきた事故や故障による過電流を抑制し、健全回線での電圧降下を抑制することが可能となる。また、限流器を、例えば基幹系統の連系線に設置した場合、事故や故障時に発生する過電流が、設置されている遮断器の遮断容量を超えるときにその過電流を抑制し、現用遮断器における遮断が可能となる。さらに、限流器を、例えば超電導ケーブルを用いたケーブルの両側に設置することにより、事故や故障により超電導ケーブルに過電流が流れた時その過電流を抑制し、超電導ケーブルの常電導転移を防止することが可能となる。
【０００３】
従来、高温超電導体を利用した超電導限流器として特開平６−１４４５３号（特許第３１３１９０９号）公報に開示されたものがある。かかる超電導限流器では、図１６に示すように、高温超電導体を筒状に成形し、この筒状超電導体１０１の外側には一次コイル１０２が巻装されている。また、筒状超電導体１０１の内部には制御コイル１０３が設けられており、この制御コイル１０３に制御用インピーダンス１０４を接続し、この制御用インピーダンス１０４の値を調整することにより、所望の限流リアクタンス値、即ち限流電流値を得るようにしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−１４４５３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の超電導限流器では、高温超電導体を円筒形状に成形しているため、その製造が難しかった。特に、大きな筒状超電導体１０１の製造は困難であり、製造コストを増加させていた。また、高温超電導体の円筒形状への成形が難しいことから、その形状にばらつきが生じやすく、限流器としての性能に不均一ができやすく、品質を維持し信頼性を確保し難かった。
【０００６】
本発明は、製造が容易な超電導限流器と、これを利用した超電導限流器システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために請求項１記載の超電導限流器は、系統に直列に接続される円盤状の一次コイルと、一次コイルと同軸上に配置されて遮蔽電流が閉ループとして流れる平板状の高温超電導体を備え、一次コイルに過電流が流れた場合に高温超電導体が常電導状態に転移して一次コイル側からみたリアクタンスを増加させるものである。
【０００８】
円筒形状等の高温超電導体を製造するのは比較的困難であるが、平板形状の高温超電導体を製造するのは比較的容易である。本発明では、高温超電導体を平板状にしているので、製造が容易である。なお、平板形状には、薄膜形状、厚膜形状、バルク体形状等を含んでいる。
【０００９】
この場合、請求項２記載の超電導限流器のように、高温超電導体は、円板形状もしくはリング形状を成していることが好ましい。
【００１０】
また、請求項３記載の超電導限流器は、一次コイルと高温超電導体を複数組み合わせたものである。したがって、高温超電導体の電流容量を大きくすることができる。
【００１１】
また、請求項４記載の超電導限流器は、一次コイルと高温超電導体を挟み込む磁性体を備えるものである。したがって、一次コイルで発生した磁束が磁性体によって導かれる。即ち、外部に漏れる磁束が減少し、超電導限流器の漏れリアクタンスが減少する。
【００１２】
また、請求項５記載の超電導限流器は、閉磁路を形成する磁性体を備えるものである。したがって、一次コイルで発生した磁束が磁性体に導かれ閉磁路となる。即ち、磁束の漏れが防止され、超電導限流器の漏れリアクタンスが減少する。
【００１３】
また、請求項６記載の超電導限流器は、閉磁路にギャップを設け、そのギャップ長を調整することで、高温超電導体が超電導状態のときのリアクタンスと常電導状態のときのリアクタンスとの比を変化させるものである。
【００１４】
閉磁路のギャップ長を変化させると、閉磁路の磁気抵抗が変化し、インピーダンスが変化する。このため、超電導限流器のリアクタンスも変化する。即ち、高温超電導体が超電導状態のときの超電導限流器のリアクタンスと常電導状態のときの超電導限流器のリアクタンスとの比（リアクタンス比）を調整することができる。
【００１５】
さらに、請求項７記載の超電導限流器システムは、請求項１から請求項６のいずれかに記載の超電導限流器を複数組み合わせたものである。したがって、高温超電導体の電流容量、超電導限流器の定格電圧を大きくすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１及び図２に、本発明を適用した超電導限流器の実施形態の一例を示す。また、図３に、超電導限流器を接続した系統を示す。
【００１８】
超電導限流器１は、系統２に直列に接続される円盤状の一次コイル３と、一次コイル３と同軸上に配置されて遮蔽電流が閉ループとして流れる平板状の高温超電導体４を備え、一次コイル３に過電流が流れた場合に高温超電導体４が常電導状態に転移して一次コイル３側からみたリアクタンスを増加させるものである。本実施形態の超電導限流器１は、一次コイル３と高温超電導体４を挟み込む磁性体５を備えている。
【００１９】
高温超電導体４は、例えばイットリウム系の高温超電導体４で、円板形状もしくはリング形状を成している。ただし、高温超電導体４は、イットリウム系の高温超電導体４に限るものではなく、ビスマス系の高温超電導体４であっても良く、その他の高温超電導体４であっても良い。また、高温超電導体４の形状は、円板形状やリング形状に限るものではなく、四角形状、多角形状等、超電導の環状電流が流れることができる形状であれば良い。高温超電導体４は、超電導状態になるように図示しない冷却手段によって冷却されている。また、高温超電導体４としては、薄肉の平板でも良く、厚肉の平板でも良い。また、バルク体でも良い。
【００２０】
一次コイル３は、絶縁被覆された線材を渦巻き状に巻いたものである。本実施形態では、一次コイル３を高温超電導体４に密着させて配置している。ただし、一次コイル３と高温超電導体４とが磁気的に結合できるのであれば、一次コイル３と高温超電導体４との間にスペーサを介在させても良い。一次コイル３と高温超電導体４は同軸上に配置されている。なお、上述の超電導限流器１では芯棒を備えていないが、図１及び図２に破線で示すように、一次コイル３と高温超電導体４の中心に芯棒６を貫通させても良く、この場合には、磁束を導くことができて磁束の漏れをより一層防止することができる。
【００２１】
磁性体５は、例えば円板形状を成している。この磁性体５は、例えば２枚設けられており、一次コイル３と高温超電導体４を軸方向両側から挟み込んでいる。
【００２２】
次に、超電導限流器１の作動について説明する。
【００２３】
一次コイル３に高温超電導体４の臨界電流値よりも小さい値の電流が流れている状態では、高温超電導体４は超電導状態になっており、高温超電導体４には遮蔽電流が閉ループとして流れるので、一次コイル３で発生した磁束は高温超電導体４によって遮蔽される。この状態では、超電導限流器１のリアクタンスは著しく小さい。したがって、系統２を流れる電流の妨げとならない。
【００２４】
一方、系統２に過電流が流れ、一次コイル３の作る磁界が高温超電導体４の臨界磁界を越えた場合、即ち高温超電導体４が磁束を排除するために生じる表面電流（遮蔽電流）の値が高温超電導体４の臨界電流値を越えた場合には、高温超電導体４はもはや超電導状態を保つことができずに高温超電導体４に生ずる磁束跳躍現象により常電導状態に急激に転移する。この転移により高温超電導体４は磁束の排除作用を失う。このため一次コイル３によって生じた磁束は高温超電導体４を貫く。即ち、一次コイル３と高温超電導体４と一対の磁性体５を通る磁束が生じる。このため、超電導限流器１のリアクタンスは、磁束が遮蔽されていた状態、即ち一次コイル３を流れる電流の値が、高温超電導体４の臨界電流を上廻らない場合のリアクタンスに比べて瞬間的に著しく大になる。したがって、系統２の過電流を瞬間的に限流することができる。
【００２５】
例えば図３のように超電導限流器１の一次コイル３を、変圧器１０を介して送配電系統１１に接続された各需要家回路１２に接続すれば、需要家回路１２に短絡故障１３が発生したとき、送配電系統１１から故障点へ流れこむ過大な電流を限流して、事故の拡大や変圧器１０の破損などを防ぎうる。
【００２６】
しかもこの原理によるものは高温超電導体４の電流容量を大きくすることにより限流すべき電流値を大きくしうることから、系統容量の増大に容易に対処することができ、需要の増大に対応できる。
【００２７】
この超電導限流器１では、高温超電導体４を容易に作成できる平板形状としているので、高温超電導体４の製造が容易であり、製造コストを安くすることができる。また、高温超電導体４の製造が容易であることから、高温超電導体４を高精度に製造するのが容易であり、限流器としての品質を確保し信頼性を向上させることができる。また、高温超電導体４を平板形状にしているので、超電導限流器１をコンパクトにすることができる。
【００２８】
さらに、一次コイル３を円盤状にし、高温超電導体４を平板状にし、一次コイル３と高温超電導体４を軸方向に配置しているので、超電導限流器１をより一層コンパクトにすることができる。そして、一次コイル３と高温超電導体４とを密着させて配置した場合には、超電導限流器１をさらにコンパクトにすることができる。
【００２９】
また、二次側に１ターンの超電導体をもつ構造な為、超電導体自身の絶縁確保が容易である。
【００３０】
また、高温超電導体４を平板形状にしているので、高温超電導体４の冷却面積が増加し、常電導状態から超電導状態への復帰が高速化される。このため、超電導限流器１による再度の限流動作の確保を迅速に行うことができる。
【００３１】
また、磁束の漏れを制御する磁性体５を用いて磁路を調整することにより漏れリアクタンスを減少させることができ、さらに小型化が可能である。
【００３２】
また、一次コイル３と高温超電導体４を２枚の磁性体５で挟み込んでいるので、一次コイル３の漏れリアクタンスを減少させることができる。
【００３３】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、図４に示すように、一次コイル３と高温超電導体４を複数組み合わせても良い。一次コイル３と高温超電導体４を複数組み合わせることで、高温超電導体４の電流容量を大きくすることができる。なお、図４では、一次コイル３と高温超電導体４を２組、組み合わせているが、３組以上の一次コイル３と高温超電導体４を組み合わせるようにしても良い。
【００３４】
また、図５に示すように、閉磁路７を形成する磁性体５を備えても良い。閉磁路７を形成する磁性体５を備えることで、一次コイル３の作る磁束を磁性体５のループにより完全に閉磁路とすることができ、磁束の漏れを防止して超電導限流器１の漏れリアクタンスを減少させることができる。
【００３５】
また、図６に示すように、閉磁路７を形成する磁性体５を備えても良い。磁性体５によって一次コイル３と高温超電導体４の全体を包み込むことで、一次コイル３の作る磁束を磁性体５のループにより完全に閉磁路とすることができ、磁束の漏れを防止して超電導限流器１の漏れリアクタンスを減少させることができる。なお、一次コイル３のリード線は、磁性体５に孔を形成しておき、当該孔から引き出すようにする。
【００３６】
また、図７に示すように、閉磁路７にギャップ８を設け、そのギャップ長Ｌを調整することでインピーダンス比、即ち、高温超電導体４が超電導状態のときのリアクタンスと常電導状態のときのリアクタンス３との比を変化させるようにしても良い。ギャップ長Ｌを変化させることで磁気抵抗が変化してインピーダンスを変化させることができ、リアクタンス比を調整することができる。
【００３７】
また、一次コイル３を高温超電導材料の線材によって形成しても良い。
【００３８】
さらに、図８や図９に示すように、超電導限流器１を複数組み合わせて超電導限流器システム９を構成しても良い。超電導限流器１全体を複数組み合わせることで、並列にした場合には超電導限流器システム９全体の電流容量を大きくすることができ、直列にした場合には超電導限流器システム９全体の定格電圧を大きくすることができる。なお、図１では超電導限流器１を直列に接続しており、図９では超電導限流器１を並列に接続している。また、図８及び図９では、超電導限流器１を２つ組み合わせていたが、３つ以上の超電導限流器１を組み合わせても良い。
【００３９】
【実施例】
（実施例１）
本発明の超電導限流器１を評価するために、図１０に示す原理モデルを製作した。また、超電導限流器１の等価回路を図１１に示す。
【００４０】
例えば、一次コイル３の％自己インダクタンスは適用系統２の２０〜５０％とする。必要に応じ強磁性体（磁性体５）で一次コイル３と高温超電導体４の磁気結合を強化する。
【００４１】
定常時の一次コイル３側からのインダクタンスは高温超電導体４の作用で漏れインダクタンスの０．１〜１％となる。系統２に渦電流が流れると高温超電導体４が常電導状態に転移し、一次コイル３からの％インピーダンスは２０〜５０％で、事故電流を定格電流の２〜５倍に限流する。本発明の超電導限流器１は高温超電導体４を低電圧下で過電圧レスのスイッチとして使用する。このため、絶縁確保が容易で高温超電導体４のエネルギー処理量が少ない。一次コイル３を常電導体とすれば確立されたコイル技術が適用でき、超電導体とすれば低損失でコンパクトにできる。また、高温超電導体４を平板状にしたことで、その製作は容易で、低コスト化可能で、現用のＢｉ系、Ｙ系超電導体等の製造技術がそのまま利用することができる。
【００４２】
図１０に示す原理モデルでは、２ｍｍφの銅線を２３ターン巻いた１層の一次コイル３と、外径２００ｍｍφ、内径１００ｍｍφのドーナッツ状で厚みが５ｍｍの円板状Ｂｉ−２２２３バルク超電導体（高温超電導体４）との間に、厚さ３ｍｍのスペーサ１４を挟み込んだ構造である。また、一次コイル３、スペーサ１４、高温超電導体４を固定板（ベークライト、厚さ１０ｍｍ）１５で挟み付け固定している。
【００４３】
一次コイル３からみたリアクタンス（６０Ｈｚ）を測定した結果、高温超電導体４の温度が液体窒素温度７７Ｋで７．４ｍΩ、３００Ｋで３２．６ｍΩであり、限流動作時にリアクタンスが４．４倍に増加可能なことを確認した。
【００４４】
図１０の原理モデルは一次コイル３と高温超電導体４をベークライトの固定板１５で挟み付ける構成にしたため、超電導状態での超電導限流器１の漏れリアクタンスが比較的大きく、超電導状態と常電導状態のリアクタンス比が極端に大きいとは言えない。しかし、一次コイル３と高温超電導体４の磁気結合を強くすることで、これらを改善することができる。一例として、図１０の原理モデルの上下の固定板１５を磁性体（ケイ素鋼板）５とした場合の解析結果を図１２に示す。超電導状態のＦＣＬのリアクタンスに対して、１ｍΩ程度の高温超電導体４の抵抗の発生の時のリアクタンスは１０倍以上となり、リアクタンス比の向上を確認できた。
【００４５】
（実施例２）
本発明者は、渦巻き状に巻いた一次コイル３と、超電導体の例としてＹ系（ＹＢＣＯ）の超電導薄膜（高温超電導体４）、磁性体５として鉄（ＳＳ４１）を用いて超電導限流器１のモデル器を作製した。そして、液体窒素で冷却した超電導状態におけるリアクタンスと超電導が破壊された常電導状態におけるリアクタンスを測定し、リアクタンスで４倍の変化があることを実験により検証した。
【００４６】
超電導限流器１のモデル器を図１３に示す。銅コイル（一次コイル３）は、平角銅（１×１０）コイルで、内径２８ｍｍ、外径８６ｍｍ、厚さ１０ｍｍで、ターン数を２０ターンとした。これは絶縁紙巻きしたものである。また、高温超電導体４は、サファイア基板ＹＢＣＯ（ＴＨＥＶＡ社製）、内径１インチ、外径３インチ、厚み３００ｎｍ、Ｊｃ＝２．５ＭＡ／ｃｍ^２、Ｔｃ＝８７Ｋであった。また、磁性体５は、ＳＳ４１製で、横断面を８０×８０ｍｍ、長さを１２ｍｍとした。また、磁性体５の軸心に直径２６ｍｍの孔が設けられている。芯棒６はＳＳ４１製で、一次コイル３と高温超電導体４の中心に挿入されている。
【００４７】
そして、図１４に示すように、超電導限流器１のモデル器全体をＬＮ_２につけて測定を行った。また、室温（摂氏２７℃程度）でも測定を行った。即ち、一次コイル３に電流を流して電圧を測定し、その電圧値からインピーダンスを求め、リアクタンスを計算した。常温の場合（常電導状態）のリアクタンスは、０．０９８ｍＨ、ＬＮ_２で冷却した場合（超電導状態）のリアクタンスは、０．０２４ｍＨであった。これらの結果から、超電導状態に対して常電導状態では、リアクタンスが３．９５倍になることを確認できた。
【００４８】
（実施例３）
また、磁性体５により閉磁路７を作ることによりリアクタンス比が１６倍になることを実験的に検証した。
【００４９】
即ち、図１５に示すように、３分割した磁性体（方向性ケイ素鋼板）５を図示しないバンドで締め付けて固定し、閉磁路７を構成した。一次コイル３と高温超電導体４は、上述の実施例２で使用したものと同じものを使用した。また、実施例２と同様に、図１４に示す手段で冷却を行った。
【００５０】
実施例２と同様に、超電導限流器１のモデル器全体を図１４に示すようにＬＮ_２につけて測定を行うと共に、室温でも測定を行った。即ち、一次コイル３に電流を流して電圧を測定し、その電圧値からインピーダンスを求め、リアクタンスを計算した。室温の場合（常電導状態）のリアクタンスは、０．３ｍＨ、ＬＮ_２で冷却した場合（超電導状態）のリアクタンスは、０．０１８ｍＨであった。これらの結果から、超電導状態に対して常電導状態では、リアクタンスが１６．７倍になることを確認できた。
【００５１】
そして、実施例２と実施例３の検証により、本発明の超電導限流器１が限流器として機能することが確認できた。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の超電導限流器では、系統に直列に接続される円盤状の一次コイルと、一次コイルと同軸上に配置されて遮蔽電流が閉ループとして流れる平板状の高温超電導体を備え、一次コイルに過電流が流れた場合に高温超電導体が常電導状態に転移して一次コイル側からみたリアクタンスを増加させるので、高温超電導体の製造が容易であり、製造コストを下げることができる。また、高温超電導体の加工精度を向上させることができ、品質を安定化することができると共に信頼性を向上させることができる。また、１ターンの高温超電導体を用いているので、超電導体自身の絶縁確保が容易である。さらに、高温超電導体を平板状にすることで、超電導体の冷却面積が増加し、常電導状態に転移した場合の超電導状態への復帰が高速化され、再限流動作が迅速に可能となる。また、磁束の漏れを制御する磁性体を用いて磁路を調整することにより漏れリアクタンスを減少させることができ、限流レベルの調整が可能となるとともに、さらなる小型化が可能である。
【００５３】
この場合、請求項２記載の超電導限流器のように、高温超電導体は、円板形状もしくはリング形状を成していることが好ましい。
【００５４】
また、請求項３記載の超電導限流器では、一次コイルと高温超電導体を複数組み合わせているので、高温超電導体の電流容量を大きくすることができる。
【００５５】
また、請求項４記載の超電導限流器では、一次コイルと高温超電導体を挟み込む磁性体を備えているので、超電導限流器の漏れリアクタンスを減少させることができる。
【００５６】
また、請求項５記載の超電導限流器では、閉磁路を形成する磁性体を備えているので、超電導限流器の漏れリアクタンスを減少させることができ、限流時のリアクタンス比を大きくすることができる。
【００５７】
また、請求項６記載の超電導限流器では、閉磁路にギャップを設け、そのギャップ長を調整することで、高温超電導体が超電導状態のときのリアクタンスと常電導状態のときのリアクタンスとの比を変化させるようにしているので、ギャップ長の調整により、限流時のリアクタンス比を所望値に調整することができる。
【００５８】
さらに、請求項７記載の超電導限流器システムでは、請求項１から請求項６のいずれかに記載の超電導限流器を複数組み合わせているので、簡単に高温超電導体の電流容量を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した超電導限流器の第１の実施形態を概念的に示す断面図である。
【図２】同超電導限流器を概念的に示す分解斜視図である。
【図３】同超電導限流器を使用した系統を概念的に示す図である。
【図４】同超電導限流器の第２の実施形態を概念的に示す断面図である。
【図５】同超電導限流器の第３の実施形態を概念的に示す断面図である。
【図６】同超電導限流器の第４の実施形態を概念的に示す断面図である。
【図７】同超電導限流器の第５の実施形態を概念的に示す断面図である。
【図８】本発明を適用した超電導限流器システムの第１の実施形態を概念的に示す断面図である。
【図９】本発明を適用した超電導限流器システムの第２の実施形態を概念的に示す断面図である。
【図１０】本発明の超電導限流器を評価するために製作した原理モデルの断面図である。
【図１１】本発明を適用した超電導限流器の等価回路図である。
【図１２】図１０の原理モデルの固定板を磁性体に代えた場合の解析結果を示す図である。
【図１３】実験の為に製作した超電導限流器のモデル器を概念的に示す断面図である。
【図１４】実験に使用した冷却手段の概念図である。
【図１５】実験の為に製作した超電導限流器のモデル器を概念的に示す断面図である。
【図１６】従来の超電導限流器の概念図である。
【符号の説明】
１超電導限流器
２系統
３一次コイル
４高温超電導体
５磁性体
７閉磁路
８ギャップ
９超電導限流器システム

Claims

系統に直列に接続される円盤状の一次コイルと、前記一次コイルと同軸上に配置されて遮蔽電流が閉ループとして流れる平板状の高温超電導体を備え、前記一次コイルに過電流が流れた場合に前記高温超電導体が常電導状態に転移して前記一次コイル側からみたリアクタンスを増加させることを特徴とする超電導限流器。
前記高温超電導体は、円板形状もしくはリング形状を成していることを特徴とする請求項１記載の超電導限流器。
前記一次コイルと高温超電導体を複数組み合わせたことを特徴とする請求項１又は２記載の超電導限流器。
前記一次コイルと高温超電導体を挟み込む磁性体を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超電導限流器。
閉磁路を形成する磁性体を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超電導限流器。
前記閉磁路にギャップを設け、そのギャップ長を調整することで、前記高温超電導体が超電導状態のときのリアクタンスと常電導状態のときのリアクタンスとの比を変化させることを特徴とする請求項５記載の超電導限流器。
請求項１から請求項６のいずれかに記載の超電導限流器を複数組み合わせたことを特徴とする超電導限流器システム。