JP4081911B2

JP4081911B2 - 限流器

Info

Publication number: JP4081911B2
Application number: JP09167999A
Authority: JP
Inventors: 健吾大倉
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JP2000287356A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、限流器に関し、特に酸化物超電導体等の高温超電導体を用いた磁場遮蔽型限流器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力回路において短絡故障により発生した過大電流を制限するための機器が限流器である。近年、超電導体を用いた限流器が開発されてきた。この超電導限流器は、短絡事故時に超電導体を超電導状態から常電導状態へ転移させる機構を利用している。
【０００３】
超電導限流器には、大きくわけて、金属系超電導体を用いるものと、高温超電導体を用いるものの２種類がある。高温超電導体を用いる方式は、より高い温度で運転できるので、その開発が期待されている。
【０００４】
高温超電導限流器には、主に遮蔽型と抵抗型の２種類がある。遮蔽型限流器は、たとえばIEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY,VOL.5,NO.2,JUNE 1995 に記載されている。図１２に示すように、トランス構造を有するこの遮蔽型限流器１２０は、同心円状に配置された銅コイル１２１、高温超電導チューブ１２２および鉄心１２３からなっている。銅コイル１２１は系統とつながれる。その内側に配置される超電導チューブ１２２は、銅コイル１２１による磁束が鉄心１２３に入らないよう磁束を遮蔽する。コイル１２１に過大電流が流れると、遮蔽が破れ、磁束が鉄心に入り、その結果コイルのインダクタンスが急激に増加して限流がなされる。抵抗型限流器において超電導体は系統に直列に接続される。事故時に、過大電流が流れると、超電導体はクエンチし、高い抵抗を発生させる。この発生した抵抗により、限流がなされる。抵抗型限流器には磁場印加式のものもある（エレクトロニクス１９９１年３月号，ｐｐ４９−５３）。
【０００５】
図１３は磁場印加式抵抗型限流器を模式的に示している。限流器１３０において、コイル１３１の内部空間に超電導体１３２が配置される。過大な電流が検出されると、コイル１３１は、通電され、超電導体１３２に臨界磁界を超える磁界を印加する。その結果、超電導体１３２はクエンチさせられ、発生した抵抗により短絡電流は制限される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の超電導限流器は、いずれも欠点を有している。従来の遮蔽型限流器では、高いインダクタンスを得るため大型のコイルが必要であり、コイルのために使用される線材の量は大きなものになる。また、従来の遮蔽型限流器では、限流作用時に遷移した常電導状態を超電導状態に復帰させるため比較的時間がかかる。
【０００７】
従来の抵抗型限流器の場合、超電導体からなる限流素子が劣化しやすい。事故電流の大部分は限流素子のジュール発熱により消費される。このとき、素子の急激な温度上昇がおこり、その結果、素子が焼損したり、超電導体とそれを支持する基材との間の熱膨張差に起因して素子が劣化する可能性がある。
【０００８】
本発明の目的は、より高速で限流作用をもたらすことのできる遮蔽型限流器を提供することにある。
【０００９】
本発明のさらなる目的は、事故後の復帰が比較的速い遮蔽型限流器を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による限流器は、保護すべき線路に接続されるべき第１の巻線と、第１の巻線の内側に第１の巻線と同心円状に配置される第２の巻線と、第２の巻線の両端の間に配置される超電導膜と、第２の巻線を冷却するための手段と、第２の巻線とは個別に冷却するために超電導膜を収容するパッケージと、第２の巻線の内側と第１の巻線の外側との間に形成される磁気回路とを備える。第２の巻線は超電導線材からなる。第２の巻線の両端は、該超電導膜を介して連結されている。常電導状態の該超電導膜は、第２の巻線を構成する超電導線材の常電導状態に比べて高い比抵抗を有する。この限流器において、正常時には、冷却手段によって冷却される第２の巻線および超電導膜が、超電導状態を維持し、それにより、第１の巻線による磁場の磁気回路への侵入が実質的に遮断される。一方、第１の巻線が接続される線路に異常電流が流れるときには、該超電導膜が超電導状態から常電導状態に遷移し、それにより、第１の巻線による磁場の磁気回路への侵入が促進される。
【００１１】
本発明において、超電導膜は酸化物超電導体等の高温超電導体からなることが好ましい。
【００１２】
また、本発明において、第２の巻線は、酸化物超電導体等の高温超電導体が安定化材で覆われた高温超電導線材からなることができる。
【００１３】
本発明において、冷却手段は７７Ｋ以下の温度の冷媒を循環させてもよく、第２の巻線および超電導膜は、該循環される冷媒により冷却することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明をより詳細に説明する。図１は、本発明による限流器の一具体例を模式的に示す。限流器１０は、変圧器の構造を有する磁場遮蔽型限流器である。限流器１０において、鉄心１３に２つの巻線１１および１２が巻き付けられている。鉄心１３は、中心部１３ａおよびヨーク１３ｂからなる。鉄心１３は、外鉄心の形をとる。鉄心１３は、限流器１０において巻線１２の内側と巻線１１の外側を通過する磁気回路を形成する。中心部１３ａに対して、同心円状に、１次巻線１１および２次巻線１２が配置される。１次巻線１１は、保護すべき線路に接続される。２次巻線１２は、１次巻線１１の内側に設けられ、冷媒１４を保持するドーナツ形状の容器１５に収容される。図３は、容器１５の形状を示している。
【００１５】
１次巻線１１は、電気抵抗の小さい常電導線、たとえば、銅線、銅合金線等によって形成することができる。２次巻線１２は、超電導線によって形成される。超電導線として、酸化物超電導線等の高温超電導線を用いることができる。酸化物超電導線には、２２２３相または２２１２相のビスマス系酸化物超電導体が銀または銀合金の安定化材で覆われた超電導線等がある。超電導線は、テープ線でもよいし、丸線でもよい。２次巻線１２は、たとえば図２（ａ）に示すように、隣り合う超電導体同士の間に隙間ができないよう、超電導線が稠密に巻かれたソレノイドコイルとすることができる。２次巻線１２において、超電導線はＦＲＰ等の絶縁材からなる巻枠に巻くことができる。
【００１６】
図２（ａ）および（ｂ）に示すように、２次巻線１２の両端１２ａと１２ｂとの間には、超電導薄膜部材４０が設けられる。超電導薄膜部材４０を介して、端部１２ａと１２ｂとは連結される。たとえば図４に示すように、超電導薄膜部材４０は、基板４１およびその上に堆積された超電導薄膜４２を有する。２次巻線１２の端部１２ａおよび１２ｂは、それぞれ薄膜４２に接続される。２次巻線がたとえば銀シース酸化物超電導線である場合、両端部の銀シースが剥がされ、露出された酸化物超電導体が超電導薄膜に接続されている。接続は、焼結による接合等により行なうことができる。薄膜４２は、たとえば酸化物超電導体等の高温超電導体からなる。薄膜４２のための酸化物超電導体にはＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7‐Xのイットリウム系酸化物超電導体、（Ｂｉ，Ｐｂ）₂Ｂａ₂Ｓｒ₂Ｃｕ₃Ｏ_10‐X、（Ｂｉ，Ｐｂ）₂Ｂａ₂Ｓｒ₁Ｃｕ₂Ｏ_8‐X等のビスマス系酸化物超電導体等が好ましく用いられる。薄膜４２の厚みはたとえば１〜５μｍである。基板４１には、イットリア安定化ジルコニア、酸化マグネシウム、ハステロイ等が用いられる。通常の方法に従って、超電導薄膜は、スパッタリング、レーザーアブレーション等によって、基板上に蒸着することができる。
【００１７】
超電導薄膜の厚み、形状および面積は、１次巻線および２次巻線の仕様によって変わってくる。これらのパラメータを適当に設定することによって、正常時には十分な超電導状態を維持し、かつ異常時にはすみやかに超電導状態から常電導状態に遷移して十分な電気抵抗をもたらす超電導薄膜が得られる。超電導薄膜は、図５に示すように特定の領域を均一に覆うものであってもよいし、図６に示すように所定のパターンを有するものであってもよい。図６に示すようなミアンダ構造の超電導薄膜は、超電導から常電導に転移する時、コンパクトな形状で高い電気抵抗をもたらすことができる。
【００１８】
本発明による限流器において、２次巻線および超電導薄膜部材は、超電導状態を維持するため冷却される。本発明において、限流素子は、強制的に流動されている冷媒によって冷却してもよい。この強制的な流動により、冷媒は、その凝固点以下の温度で流動状態に維持され得る。冷却手段は、冷媒、冷媒を保持するための容器類、冷媒を供給するための配管系およびポンプ、ならびに冷媒温度を制御するための冷凍機等を備えることができる。図７に示すように、２次巻線を収容するための容器１５に保持される冷媒１４は、配管７１ａおよび７１ｂを介して、ポンプ（図示せず）により循環させることが好ましい。２次巻線および超電導薄膜部材は、循環冷媒により強制的に冷却される。また、図８に示すように、２次巻線の端部１２ａと１２ｂとの間に設けられる超電導薄膜部材を別途収容するパッケージ８０を設けてもよい。パッケージ８０に配管８１ａおよび８１ｂを介して冷媒を供給し、超電導薄膜部材を独立して冷却することができる。この場合、２次巻線とは別に、循環冷媒により超電導薄膜部材を強制的に冷却することができる。また、冷却の制御のため、薄膜部材および２次巻線を収容する容器、または薄膜部材を収容するパッケージに、温度測定のための熱電対、温度制御用のヒータ等を設けてもよい。
【００１９】
冷媒には、２次巻線および薄膜の超電導状態を十分に維持できる温度を示す材料が用いられる。具体的に冷媒として、液体ヘリウム、液体窒素、液体空気、液体窒素と液体酸素との混合物等を使用することができる。酸化物超電導薄膜等の高温超電導薄膜を用いる場合、７７Ｋ以下の温度を維持できる冷媒、たとえば液体窒素、液体空気、液体窒素と液体酸素との混合物等が好ましく用いられる。
【００２０】
以下、図１および図２に示す限流器の機構について説明する。１次巻線１１は、保護すべき系統または線路に接続される。正常時、超電導薄膜部材４０が結合された２次巻線１２は、冷媒１４中での冷却により超電導状態を維持し、それにより、１次巻線による磁束は、鉄心１３に入らないよう遮蔽される。一方、１次巻線１１に過大電流が流れると、１次巻線による増大した磁場により、２次巻線による磁場の遮蔽が破れていく。そして該磁場により薄膜部材４０は超電導状態から常電導状態に転移する。薄膜は、２次巻線を構成する超電導線より高い比抵抗を有しており、この転移によって顕著に高い電気抵抗をもたらす。薄膜部材４０に生じた高い抵抗により、２次巻線に流れる電流は減少し、その結果、磁束遮蔽の破れがすみやかに進む。磁束は、鉄心１４に入り、その結果１次巻線１１のインダクタンスが急激に増加して限流がなされる。
【００２１】
図９は、図１に示す限流器の等価回路を示している。本発明による限流器によれば、１次側に短絡電流が流れたとき、２次側で超電導膜を常電導に転移させ、保護すべき系統に対する等価インピーダンスを高めることができる。図１０および図１１は、以下の条件において膜が常電導に転移した際の等価インピーダンス（Ｚ）の変化をシミュレーションした結果を示している：Ｌ₁＝０．０１Ｈ、Ｌ₂＝０．００５Ｈ、Ｍ₁₂＝０．００３Ｈ、ｆ＝６０Ｈｚ、Ｅ₁＝３８１０Ｖ。図１０に示すように、膜の抵抗値（Ｒ）が急激に増加するに従い、インピーダンスの実数部（Ｒｅ（Ｚ））（抵抗成分）がすみやかに増加する。これにより、すみやかなインピーダンスの上昇が得られる。一方、図１１に示すように、インピーダンスの虚数部（Ｉｍ（Ｚ））は増加するが、その増加は、実数部ほど急激ではない。膜におけるクエンチエネルギーは、時定数Ｌ／Ｒに従い、徐々に消費される。
【００２２】
本発明による限流器では、限流時に膜において発熱が起こる。膜と冷却手段（冷媒）との間の熱交換率は高いため、生じた熱は冷却によってすみやかに取り除くことができる。高温超電導薄膜を用いる場合、７７Ｋ以下の循環冷媒で薄膜を強制的に冷却して発生する熱をすみやかに取り除くことができる。冷却により、薄膜の焼損または劣化は防止される。かくして、事故時の短絡電流をすみやかに減少させた後、膜の常電導状態を冷却によってすみやかに超電導状態に戻すことができる。薄膜の使用は、正常状態への復帰が容易で速い限流器をもたらす。また、常電導状態の膜は高い抵抗を有するため、２次側のコイルインダクタンスは小さくてもよい。このことは、コンパクトな２次巻線の使用が可能になることを意味する。また、常電導状態の膜は高い抵抗を有するため、比較的抵抗の低い銀シース酸化物超電導線等の、高温超電導体が安定化材で覆われた線材を２次巻線に用いても、好ましい限流作用を得ることができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、限流作用のため、高いインピーダンスをすみやかに発生させることができる。本発明による限流器において、膜に発生する熱は冷却によってすみやかに除去され、速い復帰をもたらすことができる。また、本発明によればよりコンパクトな限流器を提供し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による限流器の一具体例を示す模式図である。
【図２】図１に示す限流器に使用される２次巻線の一具体例を示す斜視図である。
【図３】２次巻線を収容する容器の一具体例を示す斜視図である。
【図４】本発明による限流器に使用される超電導膜部材の一具体例を模式的に示す断面図である。
【図５】超電導膜部材における超電導膜の形状の一例を示す平面図である。
【図６】超電導膜部材における超電導膜の形状のもう一つの例を示す平面図である。
【図７】２次巻線を収容する容器に循環冷媒を供給するための手段を説明するための斜視図である。
【図８】超電導膜部材を冷却するための手段を示す斜視図である。
【図９】図１に示す限流器の等価回路図である。
【図１０】限流作用をシミュレーションした結果をインピーダンスの実数部について示す図である。
【図１１】限流作用をシミュレーションした結果をインピーダンスの虚数部について示す図である。
【図１２】従来の磁場遮蔽型限流器を示す模式図である。
【図１３】従来の抵抗型限流器を示す模式図である。
【符号の説明】
１０限流器
１１１次巻線
１２２次巻線
１３鉄心
１４冷媒
１５容器
４０超電導薄膜部材
４１基板
４２超電導薄膜

Claims

保護すべき系統または線路に接続されるべき第１の巻線と、
前記第１の巻線の内側に、前記第１の巻線と同心円状に配置される第２の巻線と、
前記第２の巻線の両端の間に配置される超電導膜と、
前記第２の巻線を冷却するための手段と、
前記第２の巻線とは個別に冷却するために前記超電導膜を収容するパッケージと、
前記第２の巻線の内側と前記第１の巻線の外側との間に形成される磁気回路とを備え、
前記第２の巻線は超電導線材からなり、
前記第２の巻線の前記両端は、前記超電導膜を介して連結されており、
常電導状態の前記超電導膜の比抵抗は、常電導状態の前記超電導線材の比抵抗よりも高く、
正常時には、前記冷却手段によって冷却される前記第２の巻線および前記超電導膜が、超電導状態を維持し、それにより、前記第１の巻線による磁場の前記磁気回路への侵入が実質的に遮断され、
前記線路に異常電流が流れるときには、前記超電導膜が超電導状態から常電導状態に遷移し、それにより、前記第１の巻線による磁場の前記磁気回路への侵入が促進されることを特徴とする、限流器。
前記超電導膜が高温超電導体からなることを特徴とする、請求項１に記載の限流器。
前記第２の巻線は、高温超電導体が安定化材で覆われた超電導線材からなることを特徴とする、請求項１または２に記載の限流器。
前記冷却手段は７７Ｋ以下の温度の冷媒を循環させており、前記第２の巻線および前記超電導膜は、前記循環される冷媒により冷却されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の限流器。