JP4000084B2

JP4000084B2 - Superconducting fault current limiter

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Publication number: JP4000084B2
Application number: JP2003092355A
Authority: JP
Inventors: 宏久保田; 久士芳野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP2004303811A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導体の超電導／常伝導転移を利用して電力系統に流れる短絡電流などの過大な電流を瞬時に抑制する超電導限流器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力輸送に用いる送電線や配電線は、一部に地中に埋設されているものもあるが、その多くが鉄塔や電柱に架け渡されて空中に配置されている。そのため、落雷や倒木などの原因により、電線が電気的に大地に接触したり、電線どうしが接触したりするといった事故がしばしば発生する。このような事故が発生すると電線に非常に大きな事故電流が流れ、その電力系統に接続されている変圧器、ケーブルなどの電力機器に対し温度上昇などの悪影響を及ぼす。
【０００３】
現状では、このような事故電流から電力系統を保護するために遮断器を設け、事故発生から数〜数十サイクル後に事故が発生した回線を遮断するシステムが構築されている。
【０００４】
しかし、最近では、電力の効率的な運用のために系統連係が進められていることや、電力自由化の影響により分散発電システムが増加していることなどにより、事故電流は徐々に増加しており、このままでは遮断器の定格容量を越えてしまうことが懸念され始めている。
【０００５】
そこで、このような事故電流の増加を抑制するために、通常通電時にはほとんどインピーダンスを持っておらず、事故電流などが流れた場合にだけ大きなインピーダンスを発生し、高速に事故電流を抑制できる限流器の開発が強く望まれている。なかでも超電導体が超電導状態から常伝導状態へと変化する際の大きな抵抗変化を利用した過電流抑制素子を用いて構成した超電導限流器は、限流動作開始のための制御装置が不要で、かつ電力系統に直列に接続するという単純な構成のために信頼性が高く、その実現が期待されている機器である。
【０００６】
しかし、いわゆる金属系超電導体は超電導状態になる温度が１０Ｋ程度と非常に低いため、これを用いた場合には超電導限流素子を動作させるための冷却コストが高く、経済的に見合った価格での限流器作製が困難であった。そこで最近では金属系超電導体よりも超電導転移温度が高く、冷却コストを大幅に低減できる液体窒素温度でも超電導状態となる、酸化物超電導体を用いた限流素子の研究が進められている。
【０００７】
超電導限流器では、超電導体を含む過電流抑制部を冷却するために、過電流抑制部を液体窒素などの低温液体中に浸漬することが検討されている（たとえば特許文献１参照）。しかし、このように過電流抑制部を直接、低温液体で冷却した場合、限流動作時に低温液体が加熱されて発生する気体をどのように処理するかという問題が生じる。
【０００８】
例として、配電系統に対応する６．６ｋＶ／２ｋＡの単相限流素子が液体窒素中で冷却されている状況を考え、動作時にどれくらいの気体が発生するか検討する。いま、短絡事故が発生し、推定で２０ｋＡ程度の事故電流が流れ、限流器が動作して電流を４ｋＡまで抑制したとする。すると、過電流抑制部で発生するジュール熱は大雑把にいって、（配電系統の電圧）×４ｋＡ×（事故継続時間）と表すことができる。このとき、配電系統の典型的な遮断時間を０．３秒とすると、過電流抑制部で発生する熱量は約６６００×４０００×０．３＝７．９ＭＪと見積もることができる。ここで、液体窒素については、蒸発潜熱：２００ｋＪ／ｋｇ〜１６０ＭＪ／ｍ³、気体／液体密度比：１７５．３（ａｔ７７Ｋ）とする。このとき、限流動作時に上記の熱量が液体窒素に伝わると、消費される液体窒素は７．９／１６０＝０．０４９ｍ³、発生する窒素ガスは８．７ｍ³と見積もることができる。
【０００９】
ここで、６．６ｋＶ／２ｋＡ級の限流器を構成するために必要な素子部分の体積は０．０５ｍ³以下と想定されている（非特許文献１参照）。したがって、素子部分を実装するために必要な容積は、周囲との電気絶縁を考えても０．１ｍ³程度で十分である。
【００１０】
しかし、限流器が限流動作した際に発生する気体を限流器の内部に閉じ込めようとすると、仮に２気圧で閉じ込めたとしても、バッファーとして必要な体積は約８．７ｍ³となる。このように発生する気体を閉じ込めるのに必要なバッファー容積のために、限流器の大きさが非常に大きくなることがわかる。
【００１１】
一方、発生した気体を大気中に放出する構造にした場合、上で見積もったような大量な気体が発生するため、例えば気体の放出口近傍に人がいた場合には窒息のおそれがあり、大変危険で現実的ではない。
【００１２】
また、電力系統に事故が発生した場合には、いったん事故回線を遮断した後に再び通電を開始する。このため、限流器は再通電が予定されている時間内にインピーダンスの小さい状態となっていなければならない。この再通電までの時間は、限流器を用いる電力系統に依存して適切に設定されるが、早いものでは１秒以内という電力系統もある。しかし、このような短時間で、一度動作して温度上昇した超電導体を超電導状態に復帰させることは難しい。しかも、電力系統間の系統連係点などに限流素子を設置する場合、事故除去用の遮断器が開いても健全回線に電力を供給するために系統連係点では電流を流し続けるため、過電流抑制部がいったん常伝導状態となるとその後は常に発熱し続けることになり、再び超電導状態にすることは困難になる。
【００１３】
上記の説明から理解できるように、超電導限流器において限流動作後に高速の再通電を可能にするためには何らかの対策をとる必要がある。たとえば、限流動作後に過電流抑制部の両端を低抵抗のバイパス回路によって接続して、電力系統からみた限流器のインピーダンスを小さくすることが考えられる。ただし、まれではあるが、再通電時にまだ事故が除去できておらず、再通電を開始したとたんに再び大きな事故電流が流れる場合があり、このような場合には再び限流動作を行う必要がある。しかし、電力系統がバイパス回路によって接続されていると再度の限流動作を行うことができないため、この方法を採用することはできない。
【００１４】
【特許文献１】
特許第２８９５６１６号
【００１５】
【非特許文献１】
第６４回２００１年度春季低温工学・超電導学会講演概要集Ｄ２−１３表１
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、限流動作時に気体が大量に発生しつづけるのを抑制することができ、コンパクトな超電導限流器を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る超電導限流器は、クライオスタットと、電力系統に接続された状態で前記クライオスタット内に配置され、超電導体の超電導／常伝導転移を利用して大電流の通電を抑制する限流動作を行う過電流抑制部と、前記クライオスタット内に設けられ、その内部に前記過電流抑制部が配置される、下部が開口した蓋状の仕切り板と、前記クライオスタット内に収容され、通常通電時に前記過電流抑制部を浸漬させて冷却する液体窒素と、前記蓋状の仕切り板内を冷却するコールドヘッドとを有し、前記過電流抑制部の常伝導転移時に、前記液体窒素が加熱されて発生した気体の圧力によって前記仕切り板内から前記液体窒素を排除させ、前記液体窒素が前記過電流抑制部に接触しないようにすることを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る超電導限流器は、複数の過電流抑制部と、複数の過電流抑制部を切り替えて電力系統に接続するためのスイッチング機構とを有することが好ましい。
【００２０】
本発明に係る超電導限流器は、さらに、超電導限流器を流れる電流を検出する電流検出回路と、超電導限流器が発生する電圧を検出する電圧検出回路とを有し、前記スイッチング機構は、超電導限流器が発生する電圧が設定電圧値以上に達した後、超電導限流器を流れる電流が設定電流値以下になったときに、限流動作を行った過電流抑制部と超電導状態にある過電流抑制部とを切り替えるようになっていることが好ましい。この場合、前記スイッチング機構は、超電導限流器内部で電力系統を遮断させることなく過電流抑制部を切り替えることが好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る超電導限流器では、超電導体からなる過電流抑制部が過電流により抵抗を発生した場合、大量のジュール熱が発生し、この発熱により限流器の温度が上昇する。超電導体としてＢｉ系シース線材などを用いた場合には、始めに線材自体の温度が上昇する。超電導体としてサファイア基板上に成膜したＹＢＣＯのような超電導薄膜を用いた場合には、始めに超電導薄膜と基板の温度が上昇する。次に、過電流抑制部の熱が、固液接触面を通して液体窒素などの低温液体に伝えられ、その結果として低温液体が気化するとともに過電流抑制部が冷却される。
【００２２】
これまでの実験結果から、限流動作時に過電流抑制部で発生した熱量が液体窒素に伝わる典型的な時間スケールは１０秒〜３０秒程度であることがわかっている。超電導限流器が限流動作を行った（過電流抑制部が常伝導転移した）ことにより発生したジュール熱は、低温液体の気化熱として消費される。したがって、上記の時間スケールより早い時間で低温液体が過電流抑制部に接触しないようにする手段を設けることにより、気体が発生しつづけるのを抑制することができる。すなわち、本発明の実施形態に係る超電導限流器は、限流動作時に発生する気体を閉じ込めるための大きなバッファー空間を必要とせず、コンパクトにすることができる。
【００２３】
本発明の一実施形態においては、クライオスタット内に下部が開口した蓋状の仕切り板を設け、通常通電時に過電流抑制部を低温液体に浸漬された状態で仕切り板内に設置するという簡単な構成によって、限流動作時（過電流抑制部の常伝導転移時）に、低温液体が加熱されて発生した気体の圧力によって仕切り板内から低温液体を排除させ、低温液体が過電流抑制部に接触しないようにすることができる。
【００２４】
また、本発明の他の実施形態では、複数の過電流抑制部と、複数の過電流抑制部を切り替えて電力系統に接続するためのスイッチング機構とを設けることにより、限流動作後に高速に再通電できるようになる。ただし、限流器により抑制している事故電流の値は一般に通常通電電流値より大きい。したがって、事故が除去される前の状態で過電流抑制部の切り替えを行うと、新たに電力系統に挿入された過電流抑制部が超電導／常伝導転移を起こし、再通電を行うことができなくなる。つまり、過電流抑制部の切り替えは事故が除去されてから行うことが重要になる。
【００２５】
そこで、本発明の他の実施形態に係る超電導限流器のように、超電導限流器を流れる電流を検出する電流検出回路と超電導限流器が発生する電圧を検出する電圧検出回路とを設けてモニターし、超電導限流器が発生する電圧が設定電圧値以上に達して事故が発生したと判断された後、さらに超電導限流器を流れる電流が設定電流値以下になってから過電流抑制部を切り替えればよい。
【００２６】
また、母線系統連係点などに限流器を設置した場合、事故が発生した電力系統のみを遮断器により遮断し、その他の健全な電力系統には系統連係点を通じて電力を供給し続けるという運用をする場合もある。このような運用形態を可能とするためには、電力系統を遮断させることなく過電流抑制部を切り替えるようにする。
【００２７】
【実施例】
実施例１
図１（ａ）〜（ｃ）に実施例において過電流抑制部として用いた超電導限流モジュールの構成を示す。
【００２８】
長さ１５ｃｍ、幅１ｃｍ、厚さ１ｍｍのサファイア基板上に膜厚１５０ｎｍのＹＢＣＯ薄膜を成膜した超電導限流素子１を多数用意した。ＹＢＣＯ薄膜の液体窒素温度での臨界電流値Ｉｃは、個々の超電導限流素子で多少ばらつきがあるものの、ほぼ８０Ａであった。このような超電導限流素子を用い、図１（ａ）〜（ｃ）のようにして超電導限流モジュールを作製した。
【００２９】
図１（ａ）に示すように、ＦＲＰ板２の上に超電導限流素子１を４枚配置し、２直列２並列となるように電気的に接続した。図１（ｂ）に示すように、ＦＲＰ支持体３の表裏両面に、（ａ）で得られたＦＲＰ板２を２０枚ずつ配置し、片面で４直列×２０並列、両面で４直列×４０並列となるように電気的に接続した。図１（ｃ）に示すように、（ｂ）で得られたＦＲＰ支持体３を５枚直列に接続して超電導限流モジュール５を作製した（なお、図１（ｃ）ではＦＲＰ支持体３を３枚だけを図示している）。このようにして作製した超電導限流モジュール５の大きさは縦横が約６０ｃｍ、高さが約４０ｃｍの直方体形状である。
【００３０】
この超電導限流モジュール５は、超電導限流素子１の接続が２０直列×４０並列となっているため、予想される臨界電流は３２００Ａである。この超電導限流モジュール５を液体窒素中で冷却し、実効値２０００Ａである５０Ｈｚの交流電流を１０分間通電した。その結果、素子の温度上昇は認められず、２０００Ａの連続通電が可能であることが確認された。
【００３１】
図２（ａ）および（ｂ）に、上記の超電導限流モジュール（過電流抑制部）を用いて作製した本実施例の超電導限流器の縦断面図および横断面図を示す。図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿って切断した横断面図であり、通常通電時の状態を示している。
【００３２】
円筒状のクライオスタット１１上に冷凍機１２が設けられている。クライオスタット１１内には仕切り板１３が設けられている。この仕切り板１３は、上面と二側面とを有し、残りの二側面としてクライオスタット１１の側壁を利用することにより、下面が開口した蓋体状をなしている。この仕切り板１３の内側に超電導限流モジュール（過電流抑制部）５が設置される。クライオスタット１１内には、仕切り板１３の上面近傍まで液体窒素（低温液体）１４が収容され、仕切り板１３の内部では超電導限流モジュール５は完全に液体窒素１４に浸漬されている。仕切り板１３の上面より上のクライオスタット１１内部は気体閉じ込め用のバッファー空間１５となっている。冷凍機１２からは、クライオスタット１１上面、バッファー空間１５、仕切り板１３上面を貫通して仕切り板１３内に達する冷媒配管が設けられ、冷媒配管の下端にコールドヘッド１６が接続されている。通常通電時にも、外部から侵入する熱や超電導限流モジュール５で発生するわずかなジュール発熱のために少量ではあるが気体が発生する可能性があるが、コールドヘッド１６で超電導限流モジュール５の周囲の液体窒素１４を効率的に冷却することによって、超電導限流モジュール５が液体窒素１４の液面より上に出ないようにしている。クライオスタット１１の側面上部には観察用光学窓１７が設けられている。超電導限流モジュール５の両端には電流取出し用碍子６が接続され、電流取出し用碍子６はクライオスタット１１の側壁を貫通して外部へ延長されている。
【００３３】
クライオスタット１１は、内径が約１００ｃｍ、全高が約２ｍである。液体窒素１４はクライオスタット１１の床面から８０ｃｍの高さまで充填されており、液体窒素量は約０．６ｍ³である。クライオスタット１１上部のバッファー空間１５の高さは８０ｃｍである。クライオスタット１１内は１気圧、７７Ｋ（１気圧での液体窒素の沸点）に保たれている。
【００３４】
図２（ａ）に示したように、通常通電時には、超電導限流モジュール５は液体窒素１４に浸漬されて冷却されている。
【００３５】
しかし、事故電流が発生し、超電導限流モジュール５が常伝導状態に転移して限流動作を行うと、超電導限流モジュール５の周囲の液体窒素１４が加熱され、窒素ガスが発生して仕切り板１３内部の上部空間にたまる。その結果、図３に示すように、発生した窒素ガスの圧力によって仕切り板１３の内部から液体窒素１４が排除されて液面が下に押し下げられ、液体窒素１４が超電導限流モジュール５に接触しなくなる。
【００３６】
本実施例の超電導限流器に対し、６．６ｋＶの交流電源による限流試験を行った。この試験は、２ｋＡの通電を１０秒間行った後、電流零点で短絡事故が発生したことを模擬し、限流器がない場合には２０ｋＡの電流が流れるように設定して行った。過電流を流すための電圧を印加してから、０．３秒後に遮断器により電流を遮断した。
【００３７】
この限流試験の結果、超電導限流器の限流動作によって、過電流のピーク値を７ｋＡに抑制することに成功した。超電導限流器の抵抗値は時間とともに変化するが、０．３秒後には約２Ωの抵抗値を示すものと推定された。このときのクライオスタット内部の様子を観察用光学窓１７からビデオ撮影することにより解析した。その結果、限流動作の開始から４秒後に図３に示した状態となり、液体窒素１４が超電導限流モジュール５と接触しなくなったことが確認された。１分間後に、クライオスタット１１上部で圧力を測定したところ約１．８気圧であった。
【００３８】
このとき、超電導限流モジュール５が液体窒素１４に直接触れていないが、超電導限流モジュール５から窒素ガスへと熱が伝わり、さらに気液界面を通じて液体窒素１４へと熱が伝わる。しかし、クライオスタット１１内の圧力が１．８気圧となっているため、液体窒素の沸点が７７Ｋ（１気圧）から約８２．５Ｋに上昇している。このため、７７Ｋの液体窒素に熱が加えられた場合と異なり、少々の熱は液体窒素の温度を上げることに費やされ、窒素ガスを発生させることはないと考えられる。圧力上昇が止まったのは、このような理由によるものと考えられる。
【００３９】
比較のため、図４に示す従来の超電導限流器を作製した。この超電導限流器はクライオスタット１１内に超電導限流モジュール５を覆う蓋体状の仕切り板１３を設けていない点で、上記実施例の超電導限流器と異なる。図４に示す従来の超電導限流器では、限流動作時に発生する窒素ガスを閉じこめるように５ｍ³のバッファー空間を形成するために、バッファー空間の高さを６．４ｍ、クライオスタットの全高を７．５ｍに設計した。
【００４０】
図４に示す従来の超電導限流器に対し、上記と同じ条件で限流試験を行った。その結果、大きなバッファー空間を準備していたにもかかわらず、限流動作時に発生した窒素ガスのために、３０秒後には２．３気圧以上に圧力が上昇した。
【００４１】
以上のように、比較例の超電導限流器では全高７．５ｍのクライオスタットを用いても発生する窒素ガスの圧力が２気圧以上に達するのに対し、実施例の超電導限流器では全高２ｍというコンパクトなクライオスタットを用いて発生する窒素ガスの圧力を２気圧以下に抑えることが可能である。
【００４２】
実施例２
図５に本実施例の超電導限流器の縦断面図を示す。図５に示されるように、本実施例の超電導限流器は、超電導限流モジュール（過電流抑制部）５、仕切り板１３およびコールドヘッド１６の組を２組有する。クライオスタット１１の構造は実施例１と同様であるが、実施例１よりも大きな半径を有する。これらの２組の超電導限流モジュール５ａ、５ｂは切り替え可能になっている。
【００４３】
図６に本実施例の超電導限流器の外観図を示し、図７に回路構成を示す。クライオスタット１１の外側にスイッチング機構２１が設けられている。スイッチング機構２１内には、超電導限流モジュール５ａ、５ｂに対応して、２組の遮断器２２ａ、２２ｂが設けられている。超電導限流モジュール５ａ、５ｂおよび遮断器２２ａ、２２ｂは電流ケーブル２３により並列に接続されている。
【００４４】
表１に本実施例の超伝導限流器の遮断器２２ａ、２２ｂによる切替動作の方法を示す。表１に示されるように、通常通電時に遮断器２２ｂのみを開にしていた状態から、初期の切替動作１で２つの遮断器２２ａ、２２ｂの両方を開とし、その後の切替動作２で遮断器２２ａを開、遮断器２２ｂを閉とする。このような切替動作を行うことにより、限流動作後にすばやく再通電を行うことができるようになる。
【００４５】
【表１】

【００４６】
実施例２の超電導限流器に対し、実施例１と同様の限流試験を行い、０．３秒後に無電圧状態とした後、さらに１秒後に通常通電に対応する２０００Ａの通電を開始した。このとき、０．５秒後に切替動作１を行うことにより１秒後の通常通電（切替動作２）を支障なしに行うことができた。なお、切替動作１、２に要した時間は約０．１秒である。
【００４７】
比較のために、図４に示した従来の超電導限流器を用いて、実施例１と同様の限流試験を行い、０．３秒後に無電圧状態とした後、１秒後の再通電を試みた。その結果、超電導限流モジュール５はまだ超電導復帰しておらず、通常通電を再開することができなかった。
【００４８】
実施例３
図８に本実施例の超電導限流器の縦断面図を示す。図８に示されるように、本実施例の超電導限流器では、２つの超電導限流モジュール（過電流抑制部）５ａ、５ｂを仕切り板１３の内部で上下に配置している。この場合、クライオスタット１１の内径は実施例１と同様に１００ｃｍであるが、液体窒素１４の液面をクライオスタット１１床面から１１０ｃｍ、その上のバッファー空間１５の高さを１００ｃｍとしている。
【００４９】
実施例２の場合と同様に、これらの２組の超電導限流モジュール５ａ、５ｂは切り替え可能になっている。本実施例では、通常通電時に上側の超電導限流モジュール５ａを使用し、超電導限流モジュール５ａが限流動作した場合には下側の超電導限流モジュール５ｂに切り替えるようになっている。その他のスイッチング機構の構造および動作は実施例２の場合と同じである。
【００５０】
本実施例の超電導限流器に対して実施例２と同様の限流試験を行ったところ、実施例２と同様の結果を得ることができた。
【００５１】
実施例４
図９に本実施例の超電導限流器の外観図を示す。図９に示されるように、本実施例の超電導限流器は、スイッチング機構２１に加えて、超電導限流器を流れる電流を検出する電流検出回路と、超電導限流器が発生する電圧を検出する電圧検出回路とを有する電流・電圧検出回路２４を設けている点で実施例３と異なる。電流・電圧検出回路２４とスイッチング機構２１は制御ケーブル２５で接続されている。そして、超電導限流器が発生する電圧が設定電圧値以上に達した後、超電導限流器を流れる電流が設定電流値以下になったときに、スイッチング機構２１が限流動作を行った超電導限流モジュール（過電流抑制部）５ａと超電導状態にある超電導限流モジュール（過電流抑制部）５ｂとを切り替えるように、論理回路が組まれている。
【００５２】
本実施例では、通常通電時のインピーダンスは抵抗成分が０．１ｍΩ、インダクタンス成分が１０μＨあり、２０００Ａ実効値の５０Ｈｚ交流通電時には超電導限流器を挟んで７Ｖ程度の電圧が発生する。ここでは、上記の１０倍すなわち７０Ｖの電圧が発生した場合に事故が発生したと判断するように設定した。
【００５３】
実験では遮断器を開くことにより電流が零となる系統を模擬し、電圧測定により事故が発生したと判断された後、電流が零となった時点で過電流抑制部の切り替え指令を出すように回路を組んでいる。電流測定にはＣＴコイルを用い、電圧測定は抵抗分圧により１０００：１に降圧した電圧を測定している。
【００５４】
実施例３では事故が発生してから０．５秒後に切替動作を開始させたが、電力系統の遮断器が開となる時間は系統によって異なっており、必ずしも一定していない。そこで、本実施例では、下記表２のような３通りのケースについて再通電まで含めて限流試験を行った。なお、事故電流や系統電圧、電流値については実施例１と同じ条件を用いている。
【００５５】
【表２】

【００５６】
本実施例の超電導限流器では、表２の何れのケースでも事故電流が零となってから約０．１５秒後に切り替え指令が出され、表１の動作が行われた。その結果、事故電流が零となってから０．２５秒後には過電流抑制部の切り替えが完了し、再通電に成功した。
【００５７】
実施例５
図１０に本実施例の超電導限流器の外観図を示す。図１０に示されるように、本実施例の超電導限流器は、クライオスタット１１内部の超電導限流モジュール（過電流抑制部）とスイッチング機構２１とが３本の電流ケーブル２３で接続されている点で実施例４と異なる。図１１に本実施例の超電導限流器の回路構成を示す。
【００５８】
このように電流ケーブル２３を３本のみとした理由は以下のとおりである。一般に、クライオスタット１１への熱侵入は電流ケーブル２３を経由するものが支配的である。したがって、通常通電時の冷凍機１２への負荷を減らすには、高温部と低温部とを直接結ぶ電流ケーブル２３および碍子６の本数を減らすことが効果的である。
【００５９】
表３に本実施例の超電導限流器の遮断器２２ａ、２２ｂによる切替動作の方法を示す。また、理解を助けるために、図１２（ａ）〜（ｃ）に表３の切替動作を図示する。
【００６０】
【表３】

【００６１】
本実施例の超電導限流器に対し実施例１と同様の限流試験を行った。ただし、０．３秒後に無電圧とする代わりに、通常通電時の電流値の半分に相当する１０００Ａの電流を通電した。その１秒後に電流値を通常通電に対応する２０００Ａに増加させた。０．５秒後に過電流抑制部を切り替えることにより１秒後の再通電を支障なしに行うことができた。この間、電流が遮断されることはなかった。
【００６２】
なお、上述した実施例２のスイッチング機構（図７図示）でも下記表４に示す切替動作を行えば、電力系統を遮断することなく過電流抑制部を切り替えることができる。
【００６３】
【表４】

【００６４】
しかし、表４のように系統を切り替えると、切替動作１を行うことにより過電流抑制部が短絡した状態が生じる。したがって、仮に切替動作１の状態で、事故除去用に開いていた遮断器を投入し、かつ、まだ事故が除去できていないといった最悪の場合、過電流を抑制することができなくなってしまう。
【００６５】
これに対して、実施例５の場合には過電流抑制部が直列に接続されているために、上記のような最悪の場合でも過電流を抑制できる。したがって、電力系統を遮断せずに過電流抑制部を切り替えるためには、実施例５のように過電流抑制部を直列に接続した状態を介して切り替えることが好ましい。
【００６６】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００６７】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、限流動作時に気体が発生しつづけるのを抑制することができ、コンパクトな超電導限流器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における超電導限流モジュール（過電流抑制部）の構成を示す図。
【図２】本発明の実施例１における超電導限流器（通常通電時）の縦断面図および横断面図。
【図３】本発明の実施例１における超電導限流器（限流動作時）の縦断面図。
【図４】従来の超電導限流器の縦断面図。
【図５】本発明の実施例２における超電導限流器の縦断面図。
【図６】本発明の実施例２における超電導限流器の外観図。
【図７】本発明の実施例２における超電導限流器の回路構成図。
【図８】本発明の実施例３における超電導限流器の縦断面図。
【図９】本発明の実施例４における超電導限流器の外観図。
【図１０】本発明の実施例４における超電導限流器の外観図。
【図１１】本発明の実施例４における超電導限流器の回路構成図。
【図１２】本発明の実施例４における超電導限流器の切替動作を説明するための回路構成図。
【符号の説明】
１…超電導限流素子、２…ＦＲＰ板、３…ＦＲＰ支持体、５…超電導限流モジュール（過電流抑制部）、６…電流取出し用碍子、１１…クライオスタット、１２…冷凍機、１３…仕切り板、１４…液体窒素、１５…バッファー空間、１６…コールドヘッド、１７…観察用光学窓、２１…スイッチング機構、２２…遮断器、２３…電流ケーブル、２４…電流・電圧検出回路、１５…制御ケーブル。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a superconducting fault current limiter that instantaneously suppresses an excessive current such as a short circuit current flowing in an electric power system by utilizing a superconducting / normal conducting transition of a superconductor.
[0002]
[Prior art]
Some of the transmission lines and distribution lines used for power transportation are buried in the ground, but most of them are bridged over steel towers and utility poles and placed in the air. For this reason, accidents such as lightning or falling trees often cause electrical wires to come into contact with the ground or between wires. When such an accident occurs, a very large accident current flows through the electric wire, which adversely affects the power equipment such as a transformer and a cable connected to the electric power system, such as a temperature rise.
[0003]
At present, a circuit breaker is provided to protect the electric power system from such an accident current, and a system for interrupting the line where the accident occurred several to several tens of cycles after the occurrence of the accident has been constructed.
[0004]
Recently, however, accident currents have gradually increased due to grid coordination being promoted for the efficient operation of electric power and the increase in distributed power generation systems due to the effects of power liberalization. However, it is beginning to be concerned that the rated capacity of the circuit breaker will be exceeded if this is the case.
[0005]
Therefore, in order to suppress such an increase in the accident current, there is almost no impedance during normal energization, a large impedance is generated only when the accident current etc. flows, and a current limiting current that can suppress the accident current at high speed. Development of the vessel is strongly desired. In particular, a superconducting fault current limiter that uses an overcurrent suppression element that uses a large resistance change when the superconductor changes from the superconducting state to the normal conducting state does not require a control device to start current limiting operation. In addition, it is a highly reliable device due to its simple configuration of being connected in series to the power system and is expected to be realized.
[0006]
However, since the temperature at which a so-called metallic superconductor is in a superconducting state is as low as about 10 K, the cooling cost for operating the superconducting current limiting element is high when using this, and the price is economically reasonable. It was difficult to make a current limiter. Recently, research into current limiting devices using oxide superconductors, which have a superconducting transition temperature higher than that of metal-based superconductors and are in a superconducting state even at liquid nitrogen temperatures that can significantly reduce cooling costs, has been promoted.
[0007]
In the superconducting fault current limiter, in order to cool the overcurrent suppressing part including the superconductor, it has been studied to immerse the overcurrent suppressing part in a low-temperature liquid such as liquid nitrogen (for example, see Patent Document 1). However, when the overcurrent suppressing unit is directly cooled with the low temperature liquid in this way, there arises a problem of how to process the gas generated by heating the low temperature liquid during the current limiting operation.
[0008]
As an example, consider a situation where a single-phase current limiting element of 6.6 kV / 2 kA corresponding to a power distribution system is cooled in liquid nitrogen, and consider how much gas is generated during operation. Now, it is assumed that a short circuit accident occurs, an estimated fault current of about 20 kA flows, and the current limiter operates to suppress the current to 4 kA. Then, the Joule heat generated in the overcurrent suppressing portion can be roughly expressed as (distribution system voltage) × 4 kA × (accident duration). At this time, if the typical interruption time of the power distribution system is 0.3 seconds, the amount of heat generated in the overcurrent suppressing unit can be estimated to be about 6600 × 4000 × 0.3 = 7.9 MJ. Here, for liquid nitrogen, the latent heat of vaporization: 200 kJ / kg to 160 MJ / m ^Three The gas / liquid density ratio is 175.3 (at 77K). At this time, if the amount of heat is transmitted to the liquid nitrogen during the current limiting operation, the consumed liquid nitrogen is 7.9 / 160 = 0.049 m. ^Three The generated nitrogen gas is 8.7m ^Three Can be estimated.
[0009]
Here, the volume of the element portion necessary for constituting a 6.6 kV / 2 kA class current limiter is 0.05 m. ^Three The following is assumed (see Non-Patent Document 1). Therefore, the volume necessary for mounting the element portion is 0.1 m even considering electric insulation from the surroundings. ^Three The degree is sufficient.
[0010]
However, if the gas generated when the current limiter performs a current limiting operation is confined inside the current limiter, even if it is confined at 2 atm, the volume required for the buffer is about 8.7 m. ^Three It becomes. It can be seen that the size of the current limiter is very large due to the buffer volume required to confine the gas thus generated.
[0011]
On the other hand, when the generated gas is released into the atmosphere, a large amount of gas is generated as estimated above. For example, if there is a person near the gas outlet, there is a risk of suffocation. Dangerous and unrealistic.
[0012]
If an accident occurs in the power system, the accident line is interrupted and then power is turned on again. For this reason, the current limiter must be in a state of low impedance within the time when re-energization is scheduled. The time until re-energization is appropriately set depending on the power system using the current limiter, but there is also a power system of less than 1 second at an early time. However, it is difficult to return a superconductor whose temperature has been increased once operating in such a short time to a superconducting state. In addition, when a current limiting element is installed at the grid connection point between power grids, even if the circuit breaker for accident removal is opened, current continues to flow at the grid link point to supply power to the healthy line. Once the suppressor is in the normal conduction state, it will continue to generate heat thereafter, making it difficult to reenter the superconducting state.
[0013]
As can be understood from the above description, it is necessary to take some measures to enable high-speed re-energization after the current-limiting operation in the superconducting fault current limiter. For example, it is conceivable to connect the both ends of the overcurrent suppressing unit with a low resistance bypass circuit after the current limiting operation to reduce the impedance of the current limiting device viewed from the power system. However, although rarely, the accident has not been removed at the time of re-energization, and a large accident current may flow again as soon as re-energization is started. In such a case, it is necessary to perform current-limiting operation again. There is. However, if the power system is connected by a bypass circuit, the current limiting operation cannot be performed again, so this method cannot be employed.
[0014]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2895616
[0015]
[Non-Patent Document 1]
64th 2001 Spring Cryogenic Engineering and Superconductivity Society Presentation Summary D2-13 Table 1
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a compact superconducting fault current limiter that can suppress the generation of a large amount of gas during a current limiting operation.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
A superconducting fault current limiter according to an aspect of the present invention is disposed in the cryostat in a state of being connected to a cryostat and a power system, and suppresses energization of a large current using a superconducting / normal conducting transition of the superconductor. An overcurrent suppressor that performs current limiting operation; A lid-like partition plate provided in the cryostat, in which the overcurrent suppressing portion is disposed, and having a lower opening; It is housed in the cryostat and is cooled by immersing the overcurrent suppressing portion during normal energization. Liquid nitrogen When, A cold head that cools the inside of the lid-shaped partition plate, and at the time of normal conduction transition of the overcurrent suppression unit, the liquid nitrogen is heated from the partition plate by the pressure of the gas generated by heating the liquid nitrogen. To prevent the liquid nitrogen from coming into contact with the overcurrent suppression unit It is characterized by that.
[0019]
The superconducting fault current limiter according to the present invention preferably includes a plurality of overcurrent suppression units and a switching mechanism for switching the plurality of overcurrent suppression units to connect to the power system.
[0020]
The superconducting fault current limiter according to the present invention further includes a current detection circuit that detects a current flowing through the superconducting current limiter, and a voltage detection circuit that detects a voltage generated by the superconducting current limiter. After the voltage generated by the superconducting fault current limiter reaches or exceeds the set voltage value, when the current flowing through the superconducting current limiter falls below the set current value, the overcurrent suppressing unit and the superconducting state that performed the current limiting operation It is preferable that the overcurrent suppressing unit in the switch is switched. In this case, it is preferable that the switching mechanism switches the overcurrent suppressing unit without interrupting the power system inside the superconducting fault current limiter.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the superconducting fault current limiter according to the embodiment of the present invention, when the overcurrent suppression unit made of a superconductor generates resistance due to overcurrent, a large amount of Joule heat is generated, and the temperature of the current limiter rises due to this heat generation. . When a Bi-based sheath wire or the like is used as the superconductor, the temperature of the wire itself first increases. When a superconducting thin film such as YBCO formed on a sapphire substrate is used as the superconductor, first the temperature of the superconducting thin film and the substrate rises. Next, the heat of the overcurrent suppressing unit is transferred to the low temperature liquid such as liquid nitrogen through the solid-liquid contact surface. As a result, the low temperature liquid is vaporized and the overcurrent suppressing unit is cooled.
[0022]
From the experimental results so far, it is known that a typical time scale in which the amount of heat generated in the overcurrent suppressing unit during current limiting operation is transferred to liquid nitrogen is about 10 to 30 seconds. Joule heat generated by the superconducting fault current limiter performing a current limiting operation (the overcurrent suppression unit has transitioned to normal conduction) is consumed as the vaporization heat of the low temperature liquid. Therefore, by providing means for preventing the low temperature liquid from coming into contact with the overcurrent suppressing portion in a time earlier than the above time scale, it is possible to suppress the gas from continuing to be generated. That is, the superconducting fault current limiter according to the embodiment of the present invention does not require a large buffer space for confining the gas generated during the current limiting operation, and can be made compact.
[0023]
In one embodiment of the present invention, a simple configuration is provided in which a lid-like partition plate having a lower opening is provided in a cryostat, and the overcurrent suppression unit is installed in the partition plate while being immersed in a low-temperature liquid during normal energization. Due to the current limiting operation (at the time of normal current transition of the overcurrent suppression unit), the cryogenic liquid is removed from the partition plate by the pressure of the gas generated by heating the low temperature liquid, and the low temperature liquid contacts the overcurrent suppression unit You can avoid it.
[0024]
In another embodiment of the present invention, a plurality of overcurrent suppression units and a switching mechanism for switching the plurality of overcurrent suppression units to connect to the power system are provided, so that the high-speed operation can be resumed after the current limiting operation. It becomes possible to energize. However, the value of the fault current suppressed by the current limiter is generally larger than the normal energization current value. Therefore, if the overcurrent suppression unit is switched before the accident is removed, the overcurrent suppression unit newly inserted in the power system causes a superconducting / normal conduction transition and cannot be re-energized. . That is, it is important to switch the overcurrent suppressing unit after the accident is removed.
[0025]
Therefore, like a superconducting current limiter according to another embodiment of the present invention, a current detection circuit that detects a current flowing through the superconducting current limiter and a voltage detection circuit that detects a voltage generated by the superconducting current limiter are provided. After monitoring that the voltage generated by the superconducting fault current limiter has exceeded the set voltage value and determined that an accident has occurred, the current flowing through the superconducting fault current limiter falls below the set current value, and overcurrent suppression is performed. What is necessary is just to switch a part.
[0026]
In addition, when a fault current limiter is installed at the bus system connection point, etc., only the power system where the accident occurred is interrupted by the circuit breaker, and power is continuously supplied to the other healthy power systems through the system connection point. There is also a case. In order to enable such an operation mode, the overcurrent suppressing unit is switched without interrupting the power system.
[0027]
【Example】
Example 1
1A to 1C show a configuration of a superconducting current limiting module used as an overcurrent suppressing unit in the embodiment.
[0028]
A number of superconducting current limiting elements 1 were prepared in which a YBCO thin film having a thickness of 150 nm was formed on a sapphire substrate having a length of 15 cm, a width of 1 cm, and a thickness of 1 mm. The critical current value Ic at the liquid nitrogen temperature of the YBCO thin film was approximately 80 A, although there was some variation among individual superconducting current limiting elements. Using such a superconducting current limiting element, a superconducting current limiting module was produced as shown in FIGS.
[0029]
As shown in FIG. 1A, four superconducting current limiting elements 1 are arranged on the FRP plate 2 and are electrically connected so as to be in 2 series and 2 parallel. As shown in FIG. 1 (b), 20 FRP plates 2 obtained in (a) are arranged on both the front and back sides of the FRP support 3, and 4 series × 20 parallel on one side and 4 series × 40 on both sides. Electrical connection was made in parallel. As shown in FIG. 1 (c), five FRP supports 3 obtained in (b) were connected in series to produce a superconducting current limiting module 5 (in FIG. 1 (c), the FRP support 3 Only 3 are shown). The size of the superconducting current limiting module 5 produced in this way is a rectangular parallelepiped shape having a length and width of about 60 cm and a height of about 40 cm.
[0030]
In this superconducting current limiting module 5, since the connection of the superconducting current limiting element 1 is 20 series × 40 parallel, the expected critical current is 3200 A. The superconducting current limiting module 5 was cooled in liquid nitrogen, and a 50 Hz alternating current having an effective value of 2000 A was applied for 10 minutes. As a result, no increase in the temperature of the element was observed, and it was confirmed that continuous energization of 2000 A was possible.
[0031]
FIGS. 2A and 2B are a longitudinal sectional view and a transverse sectional view of the superconducting fault current limiter of this embodiment, which is manufactured using the superconducting current limiting module (overcurrent suppressing unit) described above. FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG. 2A, and shows a state during normal energization.
[0032]
A refrigerator 12 is provided on a cylindrical cryostat 11. A partition plate 13 is provided in the cryostat 11. The partition plate 13 has an upper surface and two side surfaces, and uses a side wall of the cryostat 11 as the remaining two side surfaces, thereby forming a lid shape with an open lower surface. A superconducting current limiting module (overcurrent suppressing unit) 5 is installed inside the partition plate 13. In the cryostat 11, liquid nitrogen (low temperature liquid) 14 is accommodated up to the vicinity of the upper surface of the partition plate 13, and the superconducting current limiting module 5 is completely immersed in the liquid nitrogen 14 inside the partition plate 13. Inside the cryostat 11 above the upper surface of the partition plate 13 is a buffer space 15 for gas confinement. The refrigerator 12 is provided with a refrigerant pipe that penetrates the upper surface of the cryostat 11, the buffer space 15, and the upper surface of the partition plate 13 and reaches the partition plate 13, and a cold head 16 is connected to the lower end of the refrigerant tube. Even during normal energization, a small amount of gas may be generated due to heat entering from the outside or slight Joule heat generated in the superconducting current limiting module 5. By efficiently cooling the surrounding liquid nitrogen 14, the superconducting current limiting module 5 is prevented from coming out above the liquid surface of the liquid nitrogen 14. An observation optical window 17 is provided on the upper side of the cryostat 11. A current extracting insulator 6 is connected to both ends of the superconducting current limiting module 5, and the current extracting insulator 6 extends through the side wall of the cryostat 11 to the outside.
[0033]
The cryostat 11 has an inner diameter of about 100 cm and an overall height of about 2 m. The liquid nitrogen 14 is filled up to a height of 80 cm from the floor surface of the cryostat 11, and the amount of liquid nitrogen is about 0.6 m. ^Three It is. The height of the buffer space 15 above the cryostat 11 is 80 cm. The inside of the cryostat 11 is maintained at 1 atm and 77K (the boiling point of liquid nitrogen at 1 atm).
[0034]
As shown in FIG. 2A, during normal energization, the superconducting current limiting module 5 is immersed in liquid nitrogen 14 and cooled.
[0035]
However, when an accidental current occurs and the superconducting current limiting module 5 transitions to a normal state and performs a current limiting operation, the liquid nitrogen 14 around the superconducting current limiting module 5 is heated and nitrogen gas is generated and partitioned. It accumulates in the upper space inside the plate 13. As a result, as shown in FIG. 3, the liquid nitrogen 14 is excluded from the inside of the partition plate 13 by the pressure of the generated nitrogen gas, the liquid level is pushed down, and the liquid nitrogen 14 comes into contact with the superconducting current limiting module 5. Disappear.
[0036]
A current limiting test using a 6.6 kV AC power source was performed on the superconducting current limiting device of this example. This test was carried out by simulating the occurrence of a short-circuit accident at a current zero point after energization at 2 kA for 10 seconds, and setting so that a current of 20 kA would flow when there was no current limiter. After applying a voltage for flowing an overcurrent, the current was interrupted by a circuit breaker 0.3 seconds later.
[0037]
As a result of the current limiting test, the peak value of the overcurrent was successfully suppressed to 7 kA by the current limiting operation of the superconducting current limiting device. Although the resistance value of the superconducting fault current limiter changed with time, it was estimated that the resistance value was about 2Ω after 0.3 seconds. The state inside the cryostat at this time was analyzed by taking a video from the observation optical window 17. As a result, 4 seconds after the start of the current limiting operation, the state shown in FIG. 3 was obtained, and it was confirmed that the liquid nitrogen 14 did not contact the superconducting current limiting module 5. After 1 minute, when the pressure was measured at the top of the cryostat 11, it was about 1.8 atm.
[0038]
At this time, although the superconducting current limiting module 5 does not touch the liquid nitrogen 14 directly, heat is transmitted from the superconducting current limiting module 5 to the nitrogen gas, and further, heat is transmitted to the liquid nitrogen 14 through the gas-liquid interface. However, since the pressure in the cryostat 11 is 1.8 atm, the boiling point of liquid nitrogen is increased from 77K (1 atm) to about 82.5K. For this reason, unlike the case where heat is applied to 77K liquid nitrogen, it is considered that a little heat is consumed for raising the temperature of liquid nitrogen and does not generate nitrogen gas. The reason why the pressure increase stopped is considered to be due to this reason.
[0039]
For comparison, a conventional superconducting fault current limiter shown in FIG. 4 was produced. This superconducting current limiting device is different from the superconducting current limiting device of the above embodiment in that the lid-like partition plate 13 that covers the superconducting current limiting module 5 is not provided in the cryostat 11. In the conventional superconducting fault current limiter shown in FIG. 4, it is 5 m so as to confine nitrogen gas generated during current limiting operation. ^Three In order to form a buffer space, the height of the buffer space was designed to be 6.4 m and the total height of the cryostat was 7.5 m.
[0040]
A current limiting test was performed on the conventional superconducting current limiting device shown in FIG. 4 under the same conditions as described above. As a result, although the large buffer space was prepared, the pressure increased to 2.3 atm or more after 30 seconds due to the nitrogen gas generated during the current limiting operation.
[0041]
As described above, in the superconducting fault current limiter of the comparative example, the pressure of the generated nitrogen gas reaches 2 atm or more even when using a cryostat with a total height of 7.5 m, whereas in the superconducting fault current limiter of the example, the total height is 2 m. The pressure of nitrogen gas generated using a compact cryostat can be suppressed to 2 atmospheres or less.
[0042]
Example 2
FIG. 5 shows a longitudinal sectional view of the superconducting fault current limiter of this embodiment. As shown in FIG. 5, the superconducting fault current limiter of this embodiment has two sets of a superconducting current limiting module (overcurrent suppressing unit) 5, a partition plate 13, and a cold head 16. The structure of the cryostat 11 is the same as that of the first embodiment, but has a larger radius than that of the first embodiment. These two sets of superconducting current limiting

modules

5a and 5b can be switched.
[0043]
FIG. 6 shows an external view of the superconducting fault current limiter of this embodiment, and FIG. 7 shows a circuit configuration. A switching mechanism 21 is provided outside the cryostat 11. In the switching mechanism 21, two sets of

circuit breakers

22a and 22b are provided corresponding to the superconducting current limiting

modules

5a and 5b. Superconducting current limiting

modules

5a, 5b and

circuit breakers

22a, 22b are connected in parallel by current cable 23.
[0044]
Table 1 shows a method of switching operation by the

circuit breakers

22a and 22b of the superconducting fault current limiter of this embodiment. As shown in Table 1, from the state where only the circuit breaker 22b is opened during normal energization, both the two

circuit breakers

22a and 22b are opened in the initial switching operation 1, and the circuit breaker is operated in the subsequent switching operation 2. 22a is opened and the circuit breaker 22b is closed. By performing such a switching operation, re-energization can be performed quickly after the current limiting operation.
[0045]
[Table 1]

[0046]
The superconducting fault current limiter of Example 2 was subjected to a current-limiting test similar to that of Example 1, and after entering a non-voltage state after 0.3 seconds, energization of 2000 A corresponding to normal energization was started after another 1 second. . At this time, normal operation (switching operation 2) after 1 second could be performed without any trouble by performing switching operation 1 after 0.5 seconds. The time required for the switching operations 1 and 2 is about 0.1 seconds.
[0047]
For comparison, a current limiting test similar to Example 1 was performed using the conventional superconducting current limiting device shown in FIG. Tried. As a result, the superconducting current limiting module 5 has not yet resumed superconducting, and normal energization could not be resumed.
[0048]
Example 3
FIG. 8 shows a longitudinal sectional view of the superconducting fault current limiter of this embodiment. As shown in FIG. 8, in the superconducting fault current limiter of the present embodiment, two superconducting current limiting modules (overcurrent suppressing units) 5 a and 5 b are arranged vertically inside the partition plate 13. In this case, the inner diameter of the cryostat 11 is 100 cm as in the first embodiment, but the liquid surface of the liquid nitrogen 14 is 110 cm from the floor surface of the cryostat 11 and the height of the buffer space 15 above is 100 cm.
[0049]
As in the case of the second embodiment, these two sets of superconducting current limiting

modules

5a and 5b can be switched. In this embodiment, the upper superconducting current limiting module 5a is used during normal energization, and when the superconducting current limiting module 5a performs a current limiting operation, the upper superconducting current limiting module 5b is switched. Other structures and operations of the switching mechanism are the same as those in the second embodiment.
[0050]
When a current limiting test similar to that of Example 2 was performed on the superconducting fault current limiter of this example, the same result as that of Example 2 could be obtained.
[0051]
Example 4
FIG. 9 shows an external view of the superconducting fault current limiter of this embodiment. As shown in FIG. 9, in addition to the switching mechanism 21, the superconducting fault current limiter according to the present embodiment detects a current detection circuit that detects a current flowing through the superconducting fault limiter, and a voltage generated by the superconducting fault limiter. The third embodiment is different from the third embodiment in that a current / voltage detection circuit 24 having a voltage detection circuit is provided. The current / voltage detection circuit 24 and the switching mechanism 21 are connected by a control cable 25. Then, after the voltage generated by the superconducting current limiter reaches or exceeds the set voltage value, when the current flowing through the superconducting current limiter becomes equal to or less than the set current value, the superconducting limit in which the switching mechanism 21 performs the current limiting operation. The logic circuit is assembled so as to switch between the current module (overcurrent suppressing unit) 5a and the superconducting current limiting module (overcurrent suppressing unit) 5b in the superconducting state.
[0052]
In the present embodiment, the impedance component during normal energization has a resistance component of 0.1 mΩ and an inductance component of 10 μH, and a voltage of about 7 V is generated across the superconducting current limiter when a 2000 Hz effective value of 50 Hz alternating current is energized. Here, it was set to determine that an accident occurred when a voltage of 10 times, that is, 70 V, was generated.
[0053]
In the experiment, a system in which the current is zero by simulating the circuit breaker is simulated, and after it is determined that an accident has occurred by voltage measurement, a switching command for the overcurrent suppression unit is issued when the current becomes zero. The circuit is assembled. A CT coil is used for current measurement, and the voltage is measured by reducing the voltage to 1000: 1 by resistance voltage division.
[0054]
In the third embodiment, the switching operation is started 0.5 seconds after the accident occurs. However, the time for which the breaker of the power system is opened differs depending on the system and is not necessarily constant. Therefore, in this example, a current limiting test was performed for the three cases shown in Table 2 below, including re-energization. The same conditions as in Example 1 are used for the accident current, the system voltage, and the current value.
[0055]
[Table 2]

[0056]
In the superconducting fault current limiter of this example, in any case of Table 2, a switching command was issued about 0.15 seconds after the accident current became zero, and the operation of Table 1 was performed. As a result, the switching of the overcurrent suppression unit was completed 0.25 seconds after the accident current became zero, and re-energization was successful.
[0057]
Example 5
FIG. 10 shows an external view of the superconducting fault current limiter of this embodiment. As shown in FIG. 10, the superconducting fault current limiter of the present embodiment is such that the superconducting current limiting module (overcurrent suppressing unit) inside the cryostat 11 and the switching mechanism 21 are connected by three current cables 23. This is different from the fourth embodiment. FIG. 11 shows the circuit configuration of the superconducting fault current limiter of this embodiment.
[0058]
The reason for using only three current cables 23 in this way is as follows. In general, the heat intrusion into the cryostat 11 is dominant via the current cable 23. Therefore, in order to reduce the load on the refrigerator 12 during normal energization, it is effective to reduce the number of current cables 23 and insulators 6 that directly connect the high temperature part and the low temperature part.
[0059]
Table 3 shows a method of switching operation by the

circuit breakers

22a and 22b of the superconducting fault current limiter of this embodiment. In order to help understanding, the switching operation of Table 3 is illustrated in FIGS.
[0060]
[Table 3]

[0061]
The current limiting test similar to Example 1 was done with respect to the superconducting fault current limiter of this example. However, a current of 1000 A corresponding to half of the current value at the time of normal energization was energized instead of no voltage after 0.3 seconds. One second later, the current value was increased to 2000 A corresponding to normal energization. By switching the overcurrent suppressor after 0.5 seconds, re-energization after 1 second could be performed without any trouble. During this time, the current was not interrupted.
[0062]
In addition, if the switching operation shown in the following Table 4 is also performed in the switching mechanism of the second embodiment described above (shown in FIG. 7), the overcurrent suppressing unit can be switched without interrupting the power system.
[0063]
[Table 4]

[0064]
However, when the system is switched as shown in Table 4, a state in which the overcurrent suppressing unit is short-circuited by performing the switching operation 1 occurs. Therefore, in the worst case where the circuit breaker opened for accident removal is turned on in the state of the switching operation 1 and the accident has not yet been removed, the overcurrent cannot be suppressed.
[0065]
On the other hand, in the case of Example 5, since the overcurrent suppressing unit is connected in series, the overcurrent can be suppressed even in the worst case as described above. Therefore, in order to switch the overcurrent suppression unit without interrupting the power system, it is preferable to switch over the state in which the overcurrent suppression unit is connected in series as in the fifth embodiment.
[0066]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
[0067]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to suppress the generation of gas during the current limiting operation, and it is possible to provide a compact superconducting current limiting device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a superconducting current limiting module (overcurrent suppressing unit) in Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view and a transverse sectional view of a superconducting fault current limiter (normally energized) in Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a superconducting fault current limiter (at the time of current limiting operation) in Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of a conventional superconducting fault current limiter.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of a superconducting fault current limiter in Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 6 is an external view of a superconducting fault current limiter in Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 7 is a circuit configuration diagram of a superconducting fault current limiter in Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 8 is a longitudinal sectional view of a superconducting fault current limiter in Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 9 is an external view of a superconducting fault current limiter in Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 10 is an external view of a superconducting fault current limiter in Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 11 is a circuit configuration diagram of a superconducting fault current limiter according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 12 is a circuit configuration diagram for explaining the switching operation of the superconducting fault current limiter in Embodiment 4 of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Superconducting current limiting element, 2 ... FRP board, 3 ... FRP support body, 5 ... Superconducting current limiting module (overcurrent suppression part), 6 ... Current extraction insulator, 11 ... Cryostat, 12 ... Refrigerator, 13 ... Partition Plate: 14 ... Liquid nitrogen, 15 ... Buffer space, 16 ... Cold head, 17 ... Optical window for observation, 21 ... Switching mechanism, 22 ... Circuit breaker, 23 ... Current cable, 24 ... Current / voltage detection circuit, 15 ... Control cable.

Claims

With cryostat,
An overcurrent suppression unit that is disposed in the cryostat in a state connected to an electric power system, and performs a current-limiting operation that suppresses energization of a large current using a superconducting / normal conduction transition of the superconductor;
A lid-like partition plate provided in the cryostat, in which the overcurrent suppressing portion is disposed, and having a lower opening;
Liquid nitrogen contained in the cryostat and cooled by immersing the overcurrent suppressing portion during normal energization,
A cold head for cooling the lid-like partition plate;
The liquid nitrogen is excluded from the partition plate by the pressure of the gas generated by heating the liquid nitrogen during the normal conduction transition of the overcurrent suppressing unit, and the liquid nitrogen is supplied to the overcurrent suppressing unit. A superconducting fault current limiter characterized by preventing contact .

The superconducting fault current limiter according to claim 1, comprising a plurality of overcurrent suppressing units and a switching mechanism for switching the plurality of overcurrent suppressing units to connect to the power system.

And a current detection circuit for detecting a current flowing through the superconducting current limiter and a voltage detection circuit for detecting a voltage generated by the superconducting current limiter, wherein the switching mechanism has a voltage generated by the superconducting current limiter. When the current flowing through the superconducting current limiter falls below the set current value after reaching the set voltage value or higher, switching between the overcurrent suppression unit that performed the current limiting operation and the overcurrent suppression unit in the superconducting state The superconducting fault current limiter according to claim 2 .

The superconducting fault current limiter according to claim 3 , wherein the switching mechanism switches the overcurrent suppressing unit without interrupting the power system inside the superconducting current limiter.