JP4088017B2 - 超電導限流装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電路に生じる事故電流を抑制するための超電導限流装置に係り、特に超電導線を限流素子として用いる超電導限流装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、配電線路等の交流電路に短絡事故や地絡事故が発生すると、数１０kAにもおよぶ事故電流が流れる。この事故電流は、系統や機器の設備費を増大させる。
【０００３】
このようなことから、事故電流の最大値を一定以下に抑制するための限流装置を配電線路に挿設することが注目され、各研究機関で研究が行なわれている。
【０００４】
従来、このような限流装置には種々の提案があり、そのうちの一つで最近提案された超電導技術を応用した超電導限流装置がある。これは、超電導線はそれ自身に臨界電流を越える電流が流れようとすると、瞬時に常伝導転移(クエンチ)し、その抵抗値が増大する、いわゆる抵抗値増加現象を利用し、超電導線そのものを限流素子として用いるものである。
【０００５】
超電導線が常伝導転移した時の抵抗値は、超電導線の長さに比例する。例えば配電系統用の限流素子を設計する場合は、数１０メートルから数1００メートルの超電導線を用いる必要がある。
【０００６】
以上のような目的で使用される限流素子の抵抗値は、限流装置が挿設される系統によって異なる値が必要となる。一般に系統の事故電流が増大し、この系統に設置されている遮断器の遮断容量以下の電流に抑制するため、限流素子の抵抗値が決定される。限流素子の抵抗値を発生させるように、限流素子に用いられる超電導線の長さが決定されている。
【０００７】
さらに、このように長い超電導線を必要としているため、通常は超電導線を複数回巻回した超電導巻線を限流素子として組み込むことによって、限流装置の小型化を図るようにしている。
【０００８】
この超電導巻線からなる限流素子は、限流時の温度上昇によって、超電導線や巻枠などの構成材料の熱膨張率の差によって、特性が変化する可能性があり、限流時の平均上昇温度上限を１００〜３００K程度となるように設計されることが多い。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような温度上限を設定しても、限流時に超電導体の一部分の温度上昇が３００K以上となることがあり、部分的に限流素子が劣化することがあった。
【００１０】
また、近年研究が盛んに行なわれている、いわゆる高温超電導線では、超電導線が酸化物であるため、それ自身の熱伝導が悪く、前述のような局部的な温度上昇が簡単に生じてしまい、超電導線の一部が温度上昇により断線することも少なくない。
【００１１】
一方、超電導限流装置を系統に挿設する場合、特に架空線系統ではその運用方法から、高速再閉路すなわち、事故電流を検知して電路を遮断した後、チェックのため再度電路を回復させ、事故電流の確認を行なう。この動作を数回繰り返すことによって、事故を確認するという方法が取られている。この高速再閉路時間は５００kVなどの基幹系統では、秒オーダーで行わ れる。
【００１２】
このため、超電導線の常伝導転移を利用した限流素子では、この時間内で再度超電導状態へ復帰している必要がある。
【００１３】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、限流時に生じる限流エネルギーによって劣化することなく、さらに再閉路時間以内に超電導状態に復帰する超電導限流装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、限流素子として所定長さの超電導線を複数回巻回してなる超電導巻線を用いた超電導限流装置において、前記超電導線の長さを、
前記超電導限流装置を挿入する系統の電圧 V 、限流電流 Ilim 、前記超電導限流装置に用いる導体の等価抵抗率ρ e 、マトリックス比 1/ λ、臨界電流密度 Jc としたときに、 lCB=V/( ρ e ×λ Jc) × Ic/Ilim から求められる前記超電導限流装置を挿入する系統の事故電流を限流するために必要な抵抗値を発生するための長さlCBと、
前記超電導限流装置を挿入する系統の電圧 V 、限流後の限流素子の温度上昇によるエンタルピー変化をΔ h 、遮断時間をτ、前記超電導限流装置に用いる導体の等価抵抗率ρ e としたときに、 lTMP 2 >V 2 ×τ /( Δ h ×ρ e) から求められる限流時に前記限流素子で消費されるエネルギーによって前記超電導線の温度上昇が限流素子の劣化温度以下とするために必要となる線材量から決定される長さlTMP と、のうち、長い方の長さ以上となるように構成したことを特徴とする超電導限流装置である。
【００１５】
請求項２記載の発明は、 限流素子として所定長さの超電導線を複数回巻回してなる超電導巻線を用いた超電導限流装置において、前記超電導線の長さを、
前記超電導限流装置を挿入する系統の電圧 V 、限流電流 Ilim 、前記超電導限流装置に用いる導体の等価抵抗率ρ e 、マトリックス比 1/ λ、臨界電流密度 Jc としたときに、
lCB=V/( ρ e ×λ Jc) × Ic/Ilim から求められる、前記超電導限流装置を挿入する系統の事故電流を限流するために必要な抵抗値を発生するための長さlCBと、
前記超電導限流装置を挿入する系統の電圧 V 、限流後の限流素子の温度上昇によるエンタルピー変化をΔ h 、遮断時間をτ、前記超電導限流装置に用いる導体の等価抵抗率ρ e としたときに、 lTMP 2 >V 2 ×τ /( Δ h ×ρ e) から求められる、限流時に前記限流素子で消費されるエネルギーによって前記超電導線の温度上昇が限流素子の劣化温度以下とするために必要となる線材量から決定される長さlTMP と、
前記超電導限流装置を挿入する系統の電圧 V 、遮断時間をτ CB 、前記超電導限流装置に用いる導体の断面積をｓ、等価抵抗率ρ e 、限流による温度上昇を冷却する際の冷媒の臨界熱流束を Pmhf 、導体表面積と導体長さとの比例関係を表わす定数をα、復帰までの時間をτ rec としたときに、 lrec 2 >V 2 ×τ CB × s/( ρ e × Pmhf ×α×τ rec) から求められる、限流時に前記限流素子で消費されるエネルギーが、冷媒の臨界熱流束と線材の冷却表面積から決定される定常運転温度まで冷却される時間を系統の再閉路時間以下とするために必要な長さ lrec と、のうち最も長い長さ以上となるように構成したことを特徴とする超電導限流装置である。
【００１７】
請求項１または請求項２に記載の発明によれば、限流素子の特性劣化を防止し、系統の要求する時間以内に復帰することが可能な超電導限流装置とすることができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の限流素子の劣化温度が、前記限流素子を構成する超電導線の一部または全部の劣化温度であることを特徴とする超電導限流装置である。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の前記限流素子の劣化温度が、前記限流素子を構成する超電導線の熱暴走温度であることを特徴とする超電導限流装置である。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の前記限流素子の劣化温度が、前記限流素子を冷却する冷媒の核沸騰領域の限界熱流束に相当する温度上昇であることを特徴とする超電導限流装置である。
【００２１】
請求項３〜請求項５のいずれかに記載の発明によれば、限流素子の特性劣化を防止した超電導限流装置を提供することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１は、本発明の第１の実施の形態を示す図であり、本実施の形態の超電導限流装置は概略以下のように構成したものである。所定長さの超電導線１を複数回巻回してなる超電導巻線（超電導コイル）からなる限流素子２は、冷媒３例えば液体ヘリウムを貯蔵する冷媒容器４に貯蔵された冷媒３中に浸漬されて超電導状態を実現する温度以下に冷却されている。
【００２４】
冷媒容器４は常温からの熱浸入を低減する目的で真空断熱層を介して熱シールド槽１１に収納されている。
【００２５】
限流素子２へは電流リード５例えば銅リードにより常温状態で電力が供給され、電流リード５の中間に第１の冷凍機７例えばＧＭ（ギフォード・マクマホン）式冷凍機で冷却されたサーマルアンカ９によって、冷却されており、さらにここから低温用電流リード１０例えば酸化物電流リードを通して、真空槽から冷媒中へ導入する真空導入端子６を介して限流素子２へ電力が供給される。第１の冷凍機７は同時に、熱シールド槽１１の冷却のため伝熱媒体８例えばヒートパイプを通して冷却を行なっている。これによって、冷媒３の貯蔵されている冷媒容器４への熱侵入を低減している。
【００２６】
第２の冷凍機１２例えばＧＭ（ギフォード・マクマホン）／ＪＴ（ジュール・トムソン）式冷凍機は、冷媒容器４内の冷媒３を冷却するためのもので、前述の熱侵入と限流素子２の定常交流損失及び限流時ジュール損失によって冷媒３が気化してガス冷媒となるが、これを冷却して液体冷媒に戻すためのものである。
【００２７】
以上のように構成された超電導巻線からなる限流素子２を用いた超電導限流装置において、超電導線１の長さが、超電導限流装置を挿入する系統の事故電流を限流するために必要な抵抗値を発生するための長さと、限流時に限流素子で消費されるエネルギーによって超電導線１の温度上昇が限流素子の劣化温度以下とするために必要となる線材量から決定される長さのうち、長い方の長さ以上となるように構成したものである。
【００２８】
図１において、限流素子２は冷媒３中に設置されることによって超電導状態が保たれている。
【００２９】
系統構成によって決定される、超電導限流装置のない場合の事故電流、すなわち規約短絡電流値と、主として遮断器容量で決定される系統構成機器の容量から期待される超電導限流装置によって抑制された事故電流値、すなわち限流電流との比が限流率となる。
【００３０】
ここで、系統電圧V、限流電流Ilimとすると、事故時に超電導限流装置が発生するべき抵抗値Rnは(1)式のように示される。
【００３１】
Rn=V/Ilim (1)
また、一般に導体の抵抗値Rnは、その等価抵抗率ρe、断面積s、導体の長さlCBを用いて、
Rn=ρe×lCB/s (2)
と表わされる。
【００３２】
さらに、超電導線に流れる臨界電流値Icは、マトリックス比1/λ、臨界電流密度Jcを用いて
Ic=λJc×s (3)
と表わすことができる。
【００３３】
従って、(1)、(2)および(3)式より導体の長さlCBは
lCB=V/(ρe×λJc)×Ic/Ilim (4)
となる。
【００３４】
一方、限流時に発生した抵抗により限流エネルギーを消費するため、限流後に限流素子の温度が上昇する。この限流素子の温度上昇によるエンタルピー変化をΔhとすると、限流エネルギーQlim、遮断時間τ、導体の長さlTMPとして、
Qlim=V２×τ/Rn (5)
Qlim/(s×lTMP)<Δh (6)
と表わされる。
【００３５】
ここで示した(5)式は厳密には、特定の系統についての系統解析によって 求められるものであり、あくまでも０次近似値として用いた。この(5)，(6)式より導体の長さlTMPは
lTMP 2 >V 2 ×τ /( Δ h ×ρ e) (7)
となる。
【００３６】
超電導限流装置を地下送電ケーブルに適用するような場合には、高速再閉路の要求はないため、以上の(4)式および(7)式の2つの長さの長い方よりも超電導線を長くすることによって、十分な限流効果と限流による限流素子もしくは限流装置の特性劣化を防止し、系統の要求する時間以内に復帰することが可能な超電導限流装置とすることができる。
【００３７】
図１において用いられている限流素子２を構成する超電導線１は、例えば線材のNbTi導体で長さが４５０mのものを用いている。これにより、６６kV、３kAの容量を持つ超電導限流装置としての機能を発揮した。
【００３８】
以上述べた実施形態は、限流素子２が超電導線を複数回巻回したものであるが、これを図２に示すように、限流素子２として所定長さの超電導薄膜テープ１３からなる超電導薄膜体を用いた場合も同様な作用効果が得られる。
【００３９】
図２は、図１の第１及び第２の冷凍機７，１２および熱シールド槽１１を除去し、図１の運転温度よりも高温での運転を想定し、例えば超電導線に酸化物超電導体を用いた超電導限流装置であり、これ以外の構成は図１と同一である。
【００４０】
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施形態は、前述の第１の実施形態に、高速再閉路の要求される系統に適用する場合に、冷却時間を考慮に入れたものである。具体的には、超電導線１又は超電導薄膜テープ１３の長さが、超電導限流装置を挿入する系統の事故電流を限流するために必要な抵抗値を発生するための長さと、限流時に限流素子２で消費されるエネルギーによって超電導線１又は超電導薄膜テープ１３の温度上昇が限流素子の劣化温度以下とするために必要となる線材量から決定される長さと、限流時に限流素子２で消費されるエネルギーが冷媒の臨界熱流束で定常運転温度まで冷却される時間が系統の再閉路時間以下となるために必要な線材の冷却表面積から決定される長さのうち最も長い長さ以上となるように構成したものである。
【００４１】
ここで、限流素子の劣化温度とは、ある特定の温度以上となると再度冷却しても特性が戻らない温度のことである。
【００４２】
この場合、限流による温度上昇後に冷媒の臨界熱流束で冷却されると仮定すると、臨界熱流束Pmhf、復帰時間τrec、導体表面積Ssを用いて、
Qlim<Pmhf×Ss×τrec (8)
となる。
【００４３】
一方、導体表面積Ssは導体長さlrecに比例するため、以下のように表わされる。
【００４４】
Ss=α×lrec (9)
なお、αは比例定数である。
【００４５】
上記(8)および(9)式より再閉路条件を満たすのに必要な導体の長さlrecは、
lrec2>V2×τCB×s/(ρe×Pmhf×α×τrec) (10)
と表わされる。
【００４６】
従って、前述の(4)、(7)式および(10)式の3つの長さの長い方よりも超電導線を長くすることによって、十分な限流効果と限流による限流素子もしくは限流装置の特性劣化を防止し、系統の要求する時間以内に復帰することが可能な超電導限流装置とすることができる。
【００４７】
図４は、６６kV、３kAの限流素子に用いる導体長（線材の長さ）［ｍ］を、線材を構成する超電導体のマトリックス抵抗率の関数として表わした図であり、図中Ｃは温度上昇からの要求長を示し、またＤは限流電流からの要求長を示し、更にＥは再閉路時間からの要求長を示している。
【００４８】
図３は、前述した図２に示す超電導薄膜テープ１３を用いた限流素子２の部分詳細図である。超電導薄膜テープ１３は金属基板２２の上に蒸着等の手法により固着されている。ここで、通常時には超電導薄膜テープ１３上に電流が流れ、限流時には金属基板２２上を電流が流れると共に、この金属基板２２が抵抗体としての機能を果たす。よって、限流素子２としては金属基板２２の抵抗率が10-7Ωmの場合には約3km、同様に抵抗率が10-8Ωmの場合には約15kmの長さが必要である。
【００４９】
次に、第３の実施の形態について説明する。限流素子２は、冷凍機７，１２もしくは極低温に保持された部位より伝導によって冷却され、超電導状態を保つ構成である。
【００５０】
具体的には、超電導線１又は超電導薄膜テープ１３の長さが、超電導限流装置を挿入する系統の事故電流を限流するために必要な抵抗値を発生するための長さと、限流時に限流素子で消費されるエネルギーによって超電導線１又は超電導薄膜テープ１３の温度上昇が限流素子の劣化温度以下とするために必要となる線材量から決定される長さと、限流時に限流素子で消費されるエネルギーが冷凍機の冷凍能力によって定常運転温度まで冷却される時間が系統の再閉路時間以下となるために必要な線材の冷却表面積から決定される長さのうち最も長い長さ以上を用いる。これにより限流素子の特性劣化を防止し、系統の要求する時間以内に復帰することが可能な超電導限流装置とすることができる。
【００５１】
次に、第４の実施の形態について説明する。前述の第１から第３の実施の形態において、上昇温度上限として、限流素子２を構成する材料の一部または全部の劣化温度を用いたことである。
【００５２】
本発明の第４の実施の形態にかかる限流素子は、超電導線、当該超電導線を固定する巻枠などの固定部、電極部、場合によっては超電導線を固定するための含浸剤などから構成されている。これらの材料は温度上昇と共に特性が変化するが、特にある特定の温度以上となると再度冷却しても特性が戻らない温度（劣化温度）が存在する。従って、少なくともこれらの温度以下保持されるようにすることによって温度上昇による特性劣化を防ぐことができる。
【００５３】
次に、第５の実施の形態について説明する。前述の第１から第３の実施の形態において、上昇温度上限として、限流素子２を構成する超電導体の熱暴走温度を用いたものである。
【００５４】
この場合、超電導線１又は超電導薄膜テープ１３に特有の電流値以上の電流が流れると、超電導状態が破壊される。この電流値が更に大きくなると超電導状態が破壊され生じた常伝導状態の部分もしくは当初より常伝導である部位へ電流が流れ、ジュール発熱によって温度上昇が起こる。電流値が大きくなるとこの現象は雪崩的に生じ、温度の急上昇が起こる。この温度まで上昇すると、温度制御が困難となり、結果的に材料の劣化する温度まで上昇する可能性がある。従って、劣化を未然に防ぐため、熱暴走温度以下に設定することによって、限流素子の特性劣化を防止することができる。
【００５５】
次に、第６の実施の形態について説明する。前述の第１から第３の実施の形態において、用いた上昇温度の上限として、限流素子２を冷却する冷媒の核沸騰領域の限界熱流束に相当する温度上昇を使用したものである。
【００５６】
本発明者らは種々の検討解析を行なった結果、前記熱暴走現象は、その前駆的現象として、超電導体付近の冷媒の温度上昇が、その冷媒の核沸騰領域の限界熱流束に相当する温度上昇に達することであるという事実を解明した。そこで、この温度上昇以下に設定することによって、限流素子の特性劣化を防止することができることを見出した。
【００５７】
ここで、核沸騰領域とは、伝熱面表面での発生気泡により伝熱が支配される領域のことである。又、発生気泡とは伝熱面過熱度を準定常的に増大していくと、ある過熱度において伝熱面表面から気泡が生成されることである。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、限流時に生じる限流エネルギーによって劣化することなく、さらに再閉路時間以内に超電導状態に復帰する超電導限流装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超電導装置の第１の形態を示す構成図である。
【図２】本発明に係る超電導装置の第２の形態を示す構成図である。
【図３】上記図２における超電導線材長のマトリックス抵抗率依存性を示す図である。
【図４】上記図２における線材の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…超電導線
２…限流素子
３…冷媒
４…冷媒容器
５…電流リード
６…真空導入端子
７…第１の冷凍機
８…伝熱媒体
９…サーマルアンカ
１０…低温用電流リード
１１…熱シールド槽
１２…第２の冷凍機
１３…超電導薄膜テープ
２２…金属基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電路に生じる事故電流を抑制するための超電導限流装置に係り、特に超電導線を限流素子として用いる超電導限流装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、配電線路等の交流電路に短絡事故や地絡事故が発生すると、数１０kAにもおよぶ事故電流が流れる。この事故電流は、系統や機器の設備費を増大させる。
【０００３】
このようなことから、事故電流の最大値を一定以下に抑制するための限流装置を配電線路に挿設することが注目され、各研究機関で研究が行なわれている。
【０００４】
従来、このような限流装置には種々の提案があり、そのうちの一つで最近提案された超電導技術を応用した超電導限流装置がある。これは、超電導線はそれ自身に臨界電流を越える電流が流れようとすると、瞬時に常伝導転移(クエンチ)し、その抵抗値が増大する、いわゆる抵抗値増加現象を利用し、超電導線そのものを限流素子として用いるものである。
【０００５】
超電導線が常伝導転移した時の抵抗値は、超電導線の長さに比例する。例えば配電系統用の限流素子を設計する場合は、数１０メートルから数1００メートルの超電導線を用いる必要がある。
【０００６】
以上のような目的で使用される限流素子の抵抗値は、限流装置が挿設される系統によって異なる値が必要となる。一般に系統の事故電流が増大し、この系統に設置されている遮断器の遮断容量以下の電流に抑制するため、限流素子の抵抗値が決定される。限流素子の抵抗値を発生させるように、限流素子に用いられる超電導線の長さが決定されている。
【０００７】
さらに、このように長い超電導線を必要としているため、通常は超電導線を複数回巻回した超電導巻線を限流素子として組み込むことによって、限流装置の小型化を図るようにしている。
【０００８】
この超電導巻線からなる限流素子は、限流時の温度上昇によって、超電導線や巻枠などの構成材料の熱膨張率の差によって、特性が変化する可能性があり、限流時の平均上昇温度上限を１００〜３００K程度となるように設計されることが多い。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような温度上限を設定しても、限流時に超電導体の一部分の温度上昇が３００K以上となることがあり、部分的に限流素子が劣化することがあった。
【００１０】
また、近年研究が盛んに行なわれている、いわゆる高温超電導線では、超電導線が酸化物であるため、それ自身の熱伝導が悪く、前述のような局部的な温度上昇が簡単に生じてしまい、超電導線の一部が温度上昇により断線することも少なくない。
【００１１】
一方、超電導限流装置を系統に挿設する場合、特に架空線系統ではその運用方法から、高速再閉路すなわち、事故電流を検知して電路を遮断した後、チェックのため再度電路を回復させ、事故電流の確認を行なう。この動作を数回繰り返すことによって、事故を確認するという方法が取られている。この高速再閉路時間は５００kVなどの基幹系統では、秒オーダーで行わ れる。
【００１２】
このため、超電導線の常伝導転移を利用した限流素子では、この時間内で再度超電導状態へ復帰している必要がある。
【００１３】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、限流時に生じる限流エネルギーによって劣化することなく、さらに再閉路時間以内に超電導状態に復帰する超電導限流装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、限流素子として所定長さの超電導線を複数回巻回してなる超電導巻線を用いた超電導限流装置において、前記超電導線の長さを、
前記超電導限流装置を挿入する系統の電圧 V 、限流電流 Ilim 、前記超電導限流装置に用いる導体の等価抵抗率ρ e 、マトリックス比 1/ λ、臨界電流密度 Jc としたときに、 lCB=V/( ρ e ×λ Jc) × Ic/Ilim から求められる前記超電導限流装置を挿入する系統の事故電流を限流するために必要な抵抗値を発生するための長さlCBと、
前記超電導限流装置を挿入する系統の電圧 V 、限流後の限流素子の温度上昇によるエンタルピー変化をΔ h 、遮断時間をτ、前記超電導限流装置に用いる導体の等価抵抗率ρ e としたときに、 lTMP 2 >V 2 ×τ /( Δ h ×ρ e) から求められる限流時に前記限流素子で消費されるエネルギーによって前記超電導線の温度上昇が限流素子の劣化温度以下とするために必要となる線材量から決定される長さlTMP と、のうち、長い方の長さ以上となるように構成したことを特徴とする超電導限流装置である。
【００１５】
請求項２記載の発明は、 限流素子として所定長さの超電導線を複数回巻回してなる超電導巻線を用いた超電導限流装置において、前記超電導線の長さを、
前記超電導限流装置を挿入する系統の電圧 V 、限流電流 Ilim 、前記超電導限流装置に用いる導体の等価抵抗率ρ e 、マトリックス比 1/ λ、臨界電流密度 Jc としたときに、
lCB=V/( ρ e ×λ Jc) × Ic/Ilim から求められる、前記超電導限流装置を挿入する系統の事故電流を限流するために必要な抵抗値を発生するための長さlCBと、
前記超電導限流装置を挿入する系統の電圧 V 、限流後の限流素子の温度上昇によるエンタルピー変化をΔ h 、遮断時間をτ、前記超電導限流装置に用いる導体の等価抵抗率ρ e としたときに、 lTMP 2 >V 2 ×τ /( Δ h ×ρ e) から求められる、限流時に前記限流素子で消費されるエネルギーによって前記超電導線の温度上昇が限流素子の劣化温度以下とするために必要となる線材量から決定される長さlTMP と、
前記超電導限流装置を挿入する系統の電圧 V 、遮断時間をτ CB 、前記超電導限流装置に用いる導体の断面積をｓ、等価抵抗率ρ e 、限流による温度上昇を冷却する際の冷媒の臨界熱流束を Pmhf 、導体表面積と導体長さとの比例関係を表わす定数をα、復帰までの時間をτ rec としたときに、 lrec 2 >V 2 ×τ CB × s/( ρ e × Pmhf ×α×τ rec) から求められる、限流時に前記限流素子で消費されるエネルギーが、冷媒の臨界熱流束と線材の冷却表面積から決定される定常運転温度まで冷却される時間を系統の再閉路時間以下とするために必要な長さ lrec と、のうち最も長い長さ以上となるように構成したことを特徴とする超電導限流装置である。
【００１７】
請求項１または請求項２に記載の発明によれば、限流素子の特性劣化を防止し、系統の要求する時間以内に復帰することが可能な超電導限流装置とすることができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の限流素子の劣化温度が、前記限流素子を構成する超電導線の一部または全部の劣化温度であることを特徴とする超電導限流装置である。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の前記限流素子の劣化温度が、前記限流素子を構成する超電導線の熱暴走温度であることを特徴とする超電導限流装置である。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の前記限流素子の劣化温度が、前記限流素子を冷却する冷媒の核沸騰領域の限界熱流束に相当する温度上昇であることを特徴とする超電導限流装置である。
【００２１】
請求項３〜請求項５のいずれかに記載の発明によれば、限流素子の特性劣化を防止した超電導限流装置を提供することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１は、本発明の第１の実施の形態を示す図であり、本実施の形態の超電導限流装置は概略以下のように構成したものである。所定長さの超電導線１を複数回巻回してなる超電導巻線（超電導コイル）からなる限流素子２は、冷媒３例えば液体ヘリウムを貯蔵する冷媒容器４に貯蔵された冷媒３中に浸漬されて超電導状態を実現する温度以下に冷却されている。
【００２４】
冷媒容器４は常温からの熱浸入を低減する目的で真空断熱層を介して熱シールド槽１１に収納されている。
【００２５】
限流素子２へは電流リード５例えば銅リードにより常温状態で電力が供給され、電流リード５の中間に第１の冷凍機７例えばＧＭ（ギフォード・マクマホン）式冷凍機で冷却されたサーマルアンカ９によって、冷却されており、さらにここから低温用電流リード１０例えば酸化物電流リードを通して、真空槽から冷媒中へ導入する真空導入端子６を介して限流素子２へ電力が供給される。第１の冷凍機７は同時に、熱シールド槽１１の冷却のため伝熱媒体８例えばヒートパイプを通して冷却を行なっている。これによって、冷媒３の貯蔵されている冷媒容器４への熱侵入を低減している。
【００２６】
第２の冷凍機１２例えばＧＭ（ギフォード・マクマホン）／ＪＴ（ジュール・トムソン）式冷凍機は、冷媒容器４内の冷媒３を冷却するためのもので、前述の熱侵入と限流素子２の定常交流損失及び限流時ジュール損失によって冷媒３が気化してガス冷媒となるが、これを冷却して液体冷媒に戻すためのものである。
【００２７】
以上のように構成された超電導巻線からなる限流素子２を用いた超電導限流装置において、超電導線１の長さが、超電導限流装置を挿入する系統の事故電流を限流するために必要な抵抗値を発生するための長さと、限流時に限流素子で消費されるエネルギーによって超電導線１の温度上昇が限流素子の劣化温度以下とするために必要となる線材量から決定される長さのうち、長い方の長さ以上となるように構成したものである。
【００２８】
図１において、限流素子２は冷媒３中に設置されることによって超電導状態が保たれている。
【００２９】
系統構成によって決定される、超電導限流装置のない場合の事故電流、すなわち規約短絡電流値と、主として遮断器容量で決定される系統構成機器の容量から期待される超電導限流装置によって抑制された事故電流値、すなわち限流電流との比が限流率となる。
【００３０】
ここで、系統電圧V、限流電流Ilimとすると、事故時に超電導限流装置が発生するべき抵抗値Rnは(1)式のように示される。
【００３１】
Rn=V/Ilim (1)
また、一般に導体の抵抗値Rnは、その等価抵抗率ρe、断面積s、導体の長さlCBを用いて、
Rn=ρe×lCB/s (2)
と表わされる。
【００３２】
さらに、超電導線に流れる臨界電流値Icは、マトリックス比1/λ、臨界電流密度Jcを用いて
Ic=λJc×s (3)
と表わすことができる。
【００３３】
従って、(1)、(2)および(3)式より導体の長さlCBは
lCB=V/(ρe×λJc)×Ic/Ilim (4)
となる。
【００３４】
一方、限流時に発生した抵抗により限流エネルギーを消費するため、限流後に限流素子の温度が上昇する。この限流素子の温度上昇によるエンタルピー変化をΔhとすると、限流エネルギーQlim、遮断時間τ、導体の長さlTMPとして、
Qlim=V２×τ/Rn (5)
Qlim/(s×lTMP)<Δh (6)
と表わされる。
【００３５】
ここで示した(5)式は厳密には、特定の系統についての系統解析によって 求められるものであり、あくまでも０次近似値として用いた。この(5)，(6)式より導体の長さlTMPは
lTMP 2 >V 2 ×τ /( Δ h ×ρ e) (7)
となる。
【００３６】
超電導限流装置を地下送電ケーブルに適用するような場合には、高速再閉路の要求はないため、以上の(4)式および(7)式の2つの長さの長い方よりも超電導線を長くすることによって、十分な限流効果と限流による限流素子もしくは限流装置の特性劣化を防止し、系統の要求する時間以内に復帰することが可能な超電導限流装置とすることができる。
【００３７】
図１において用いられている限流素子２を構成する超電導線１は、例えば線材のNbTi導体で長さが４５０mのものを用いている。これにより、６６kV、３kAの容量を持つ超電導限流装置としての機能を発揮した。
【００３８】
以上述べた実施形態は、限流素子２が超電導線を複数回巻回したものであるが、これを図２に示すように、限流素子２として所定長さの超電導薄膜テープ１３からなる超電導薄膜体を用いた場合も同様な作用効果が得られる。
【００３９】
図２は、図１の第１及び第２の冷凍機７，１２および熱シールド槽１１を除去し、図１の運転温度よりも高温での運転を想定し、例えば超電導線に酸化物超電導体を用いた超電導限流装置であり、これ以外の構成は図１と同一である。
【００４０】
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施形態は、前述の第１の実施形態に、高速再閉路の要求される系統に適用する場合に、冷却時間を考慮に入れたものである。具体的には、超電導線１又は超電導薄膜テープ１３の長さが、超電導限流装置を挿入する系統の事故電流を限流するために必要な抵抗値を発生するための長さと、限流時に限流素子２で消費されるエネルギーによって超電導線１又は超電導薄膜テープ１３の温度上昇が限流素子の劣化温度以下とするために必要となる線材量から決定される長さと、限流時に限流素子２で消費されるエネルギーが冷媒の臨界熱流束で定常運転温度まで冷却される時間が系統の再閉路時間以下となるために必要な線材の冷却表面積から決定される長さのうち最も長い長さ以上となるように構成したものである。
【００４１】
ここで、限流素子の劣化温度とは、ある特定の温度以上となると再度冷却しても特性が戻らない温度のことである。
【００４２】
この場合、限流による温度上昇後に冷媒の臨界熱流束で冷却されると仮定すると、臨界熱流束Pmhf、復帰時間τrec、導体表面積Ssを用いて、
Qlim<Pmhf×Ss×τrec (8)
となる。
【００４３】
一方、導体表面積Ssは導体長さlrecに比例するため、以下のように表わされる。
【００４４】
Ss=α×lrec (9)
なお、αは比例定数である。
【００４５】
上記(8)および(9)式より再閉路条件を満たすのに必要な導体の長さlrecは、
lrec2>V2×τCB×s/(ρe×Pmhf×α×τrec) (10)
と表わされる。
【００４６】
従って、前述の(4)、(7)式および(10)式の3つの長さの長い方よりも超電導線を長くすることによって、十分な限流効果と限流による限流素子もしくは限流装置の特性劣化を防止し、系統の要求する時間以内に復帰することが可能な超電導限流装置とすることができる。
【００４７】
図４は、６６kV、３kAの限流素子に用いる導体長（線材の長さ）［ｍ］を、線材を構成する超電導体のマトリックス抵抗率の関数として表わした図であり、図中Ｃは温度上昇からの要求長を示し、またＤは限流電流からの要求長を示し、更にＥは再閉路時間からの要求長を示している。
【００４８】
図３は、前述した図２に示す超電導薄膜テープ１３を用いた限流素子２の部分詳細図である。超電導薄膜テープ１３は金属基板２２の上に蒸着等の手法により固着されている。ここで、通常時には超電導薄膜テープ１３上に電流が流れ、限流時には金属基板２２上を電流が流れると共に、この金属基板２２が抵抗体としての機能を果たす。よって、限流素子２としては金属基板２２の抵抗率が10-7Ωmの場合には約3km、同様に抵抗率が10-8Ωmの場合には約15kmの長さが必要である。
【００４９】
次に、第３の実施の形態について説明する。限流素子２は、冷凍機７，１２もしくは極低温に保持された部位より伝導によって冷却され、超電導状態を保つ構成である。
【００５０】
具体的には、超電導線１又は超電導薄膜テープ１３の長さが、超電導限流装置を挿入する系統の事故電流を限流するために必要な抵抗値を発生するための長さと、限流時に限流素子で消費されるエネルギーによって超電導線１又は超電導薄膜テープ１３の温度上昇が限流素子の劣化温度以下とするために必要となる線材量から決定される長さと、限流時に限流素子で消費されるエネルギーが冷凍機の冷凍能力によって定常運転温度まで冷却される時間が系統の再閉路時間以下となるために必要な線材の冷却表面積から決定される長さのうち最も長い長さ以上を用いる。これにより限流素子の特性劣化を防止し、系統の要求する時間以内に復帰することが可能な超電導限流装置とすることができる。
【００５１】
次に、第４の実施の形態について説明する。前述の第１から第３の実施の形態において、上昇温度上限として、限流素子２を構成する材料の一部または全部の劣化温度を用いたことである。
【００５２】
本発明の第４の実施の形態にかかる限流素子は、超電導線、当該超電導線を固定する巻枠などの固定部、電極部、場合によっては超電導線を固定するための含浸剤などから構成されている。これらの材料は温度上昇と共に特性が変化するが、特にある特定の温度以上となると再度冷却しても特性が戻らない温度（劣化温度）が存在する。従って、少なくともこれらの温度以下保持されるようにすることによって温度上昇による特性劣化を防ぐことができる。
【００５３】
次に、第５の実施の形態について説明する。前述の第１から第３の実施の形態において、上昇温度上限として、限流素子２を構成する超電導体の熱暴走温度を用いたものである。
【００５４】
この場合、超電導線１又は超電導薄膜テープ１３に特有の電流値以上の電流が流れると、超電導状態が破壊される。この電流値が更に大きくなると超電導状態が破壊され生じた常伝導状態の部分もしくは当初より常伝導である部位へ電流が流れ、ジュール発熱によって温度上昇が起こる。電流値が大きくなるとこの現象は雪崩的に生じ、温度の急上昇が起こる。この温度まで上昇すると、温度制御が困難となり、結果的に材料の劣化する温度まで上昇する可能性がある。従って、劣化を未然に防ぐため、熱暴走温度以下に設定することによって、限流素子の特性劣化を防止することができる。
【００５５】
次に、第６の実施の形態について説明する。前述の第１から第３の実施の形態において、用いた上昇温度の上限として、限流素子２を冷却する冷媒の核沸騰領域の限界熱流束に相当する温度上昇を使用したものである。
【００５６】
本発明者らは種々の検討解析を行なった結果、前記熱暴走現象は、その前駆的現象として、超電導体付近の冷媒の温度上昇が、その冷媒の核沸騰領域の限界熱流束に相当する温度上昇に達することであるという事実を解明した。そこで、この温度上昇以下に設定することによって、限流素子の特性劣化を防止することができることを見出した。
【００５７】
ここで、核沸騰領域とは、伝熱面表面での発生気泡により伝熱が支配される領域のことである。又、発生気泡とは伝熱面過熱度を準定常的に増大していくと、ある過熱度において伝熱面表面から気泡が生成されることである。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、限流時に生じる限流エネルギーによって劣化することなく、さらに再閉路時間以内に超電導状態に復帰する超電導限流装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超電導装置の第１の形態を示す構成図である。
【図２】本発明に係る超電導装置の第２の形態を示す構成図である。
【図３】上記図２における超電導線材長のマトリックス抵抗率依存性を示す図である。
【図４】上記図２における線材の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…超電導線
２…限流素子
３…冷媒
４…冷媒容器
５…電流リード
６…真空導入端子
７…第１の冷凍機
８…伝熱媒体
９…サーマルアンカ
１０…低温用電流リード
１１…熱シールド槽
１２…第２の冷凍機
１３…超電導薄膜テープ
２２…金属基板
Claims (5)
- 限流素子として所定長さの超電導線を複数回巻回してなる超電導巻線を用いた超電導限流装置において、
前記超電導線の長さを、
前記超電導限流装置を挿入する系統の電圧 V 、限流電流 Ilim 、前記超電導限流装置に用いる導体の等価抵抗率ρ e 、マトリックス比 1/ λ、臨界電流密度 Jc としたときに、
lCB=V/( ρ e ×λ Jc) × Ic/Ilim
から求められる、前記超電導限流装置を挿入する系統の事故電流を限流するために必要な抵抗値を発生するための長さlCBと、
前記超電導限流装置を挿入する系統の電圧 V 、限流後の限流素子の温度上昇によるエンタルピー変化をΔ h 、遮断時間をτ、前記超電導限流装置に用いる導体の等価抵抗率ρ e としたときに、
lTMP 2 >V 2 ×τ /( Δ h ×ρ e)
から求められる限流時に前記限流素子で消費されるエネルギーによって前記超電導線の温度上昇が限流素子の劣化温度以下とするために必要となる線材量から決定される長さlTMP と、
のうち、長い方の長さ以上となるように構成したことを特徴とする超電導限流装置。 - 限流素子として所定長さの超電導線を複数回巻回してなる超電導巻線を用いた超電導限流装置において、
前記超電導線の長さを、
前記超電導限流装置を挿入する系統の電圧 V 、限流電流 Ilim 、前記超電導限流装置に用いる導体の等価抵抗率ρ e 、マトリックス比 1/ λ、臨界電流密度 Jc としたときに、
lCB=V/( ρ e ×λ Jc) × Ic/Ilim
から求められる、前記超電導限流装置を挿入する系統の事故電流を限流するために必要な抵抗値を発生するための長さlCBと、
前記超電導限流装置を挿入する系統の電圧 V 、限流後の限流素子の温度上昇によるエンタルピー変化をΔ h 、遮断時間をτ、前記超電導限流装置に用いる導体の等価抵抗率ρ e としたときに、
lTMP 2 >V 2 ×τ /( Δ h ×ρ e)
から求められる、限流時に前記限流素子で消費されるエネルギーによって前記超電導線の温度上昇が限流素子の劣化温度以下とするために必要となる線材量から決定される長さlTMP と、
前記超電導限流装置を挿入する系統の電圧 V 、遮断時間をτ CB 、前記超電導限流装置に用いる導体の断面積をｓ、等価抵抗率ρ e 、限流による温度上昇を冷却する際の冷媒の臨界熱流束を Pmhf 、導体表面積と導体長さとの比例関係を表わす定数をα、復帰までの時間をτ rec としたときに、
lrec 2 >V 2 ×τ CB × s/( ρ e × Pmhf ×α×τ rec)
から求められる、限流時に前記限流素子で消費されるエネルギーが、冷媒の臨界熱流束と線材の冷却表面積から決定される定常運転温度まで冷却される時間を系統の再閉路時間以下とするために必要な長さ lrec と、
のうち最も長い長さ以上となるように構成したことを特徴とする超電導限流装置。 - 前記限流素子の劣化温度が、前記限流素子を構成する超電導線の一部または全部の劣化温度であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超電導限流装置。
- 前記限流素子の劣化温度が、前記限流素子を構成する超電導線の熱暴走温度であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超電導限流装置。
- 前記限流素子の劣化温度が、前記限流素子を冷却する冷媒の核沸騰領域の限界熱流束に 相当する温度上昇であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超電導限流装置。
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