JP4096488B2

JP4096488B2 - Current limiter

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Publication number: JP4096488B2
Application number: JP2000055261A
Authority: JP
Inventors: 徹岡崎
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2000-03-01
Filing date: 2000-03-01
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2020-03-01
Also published as: JP2001251757A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は限流器に関し、特に超電導コイルを用いた限流器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電力回路において短絡等の故障や事故により発生した過大な電流を瞬時に制限するために限流器が用いられる。近年、超電導体を用いた限流器が開発されてきている。この超電導体を用いた限流器は、短絡等の事故のとき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】
【発明が解決しようとする課題】
発明者は、上記のような超電導体を用いた限流器として、たとえば特願平１１−２３７７３６号に記載されている限流器を提案している。特願平１１−２３７７３６号に記載された限流器は、本発明の基礎となる限流器であって、超電導線の巻線からなる第１と第２の超電導コイルを備える。第２の超電導コイル（２次コイル）は短絡されている。第２の超電導コイルは、第１の超電導コイル（１次コイル）に発生する磁界の方向とは逆方向の磁界を発生させるように配置されている。具体的には、第１の超電導コイルと第２の超電導コイルとが互い違いに配置され、かつ、第１および第２の超電導コイルのコイル軸が直線を形成するように配置されている。第１および第２の超電導コイルとしては、絶縁基板表面に渦巻き状に超電導体を配置したコイルを用いる。この限流器の動作を簡単に説明する。
【０００４】
１次コイルとしての第１の超電導コイルは電源ラインに接続されている。そして、超電導状態に保持されている第１の超電導コイルに電源電流が流れる場合、この第１の超電導コイルが磁界を発生させる。この第１の超電導コイルが発生させた磁界を打消すような方向に磁界を形成するように、超電導状態に保持されている第２の超電導コイルに電流が誘起される。ここで、漏れ磁束などの影響により第１および第２の超電導コイルにおけるアンペアターンは完全に同一とはならない。この第１および第２の超電導コイルでは、わずかに自己磁界が形成される。この自己磁界は、第１および第２の超電導コイルにおける超電導体の表面に対して平行であり、かつ第１および第２の超電導コイルのいずれの部分においてもほぼ同じ強度となっている。このように、強度が小さくかつ超電導体の表面に対して平行な自己磁界が形成されている場合、第１および第２の超電導体の臨界電流値は大きくなることが知られている。
【０００５】
事故時に電源ラインにおいて過大な電流が発生する場合、第１の超電導コイルに流れる電流の増加に伴って、第２の超電導コイルに誘起される電流値が増大する。この第２の超電導コイルの臨界電流値を第１の超電導コイルの臨界電流値より小さくしておけば、先に第２の超電導コイルがクエンチして、この第２の超電導コイルの抵抗値が増加する。すると、第１の超電導コイルと第２の超電導コイルとに流れる電流値が異なることになり、磁界のキャンセル条件が崩れる。このため、第１および第２の超電導コイルのコイル軸方向に通常運転時より強い磁界が分布することになる。この結果、第１および第２の超電導コイルにおける超電導体の表面に垂直な磁界が分布する。
【０００６】
そして、第１の超電導コイルにおける超電導体の表面に対して垂直かつ十分な強度の磁界が分布することになるので、第１の超電導コイルにおいて臨界電流値が急激に低下する。なお、超電導体の表面に対して垂直な磁界が分布する場合、超電導体の臨界電流値が低下することが知られている。このように臨界電流値が低下することで、第１の超電導コイルにおける超電導体も一気にクエンチし、第１の超電導コイルにおいて抵抗が発生する。第１の超電導コイルは電源ラインに接続されているため、第２の超電導コイルのように電流値が急激に低下せず、一定の電流が流れ続ける。このため、第１および第２の超電導コイルにおける超電導体の表面に垂直な磁界が継続して発生することになる。このようにして、第１の超電導コイルのクエンチ（常電導転移）による抵抗（クエンチ抵抗）によって、電源ラインからの過大な電流を制限する限流動作を行うことができる。
【０００７】
しかしながら、上記のような超電導コイルを利用した限流器には、以下のように限流動作時に超電導体の抵抗が十分ではなくなるという問題があった。簡単に説明するため、第１の超電導コイルである１次コイルと、第２の超電導コイルである２次コイルとを互い違いに配置して、コイル軸が直線を形成するように、すなわちソレノイド型にコイルを配置した場合を考える。この場合、ソレノイド型に配置された１次コイルと２次コイルとは、図８に示すような厚肉ソレノイドコイル１１４とみなすことができる。図８は、厚肉ソレノイドコイルを示す模式図である。
【０００８】
限流器の限流動作時には、１次コイルに流れる電流により上述のように２次コイルの超電導体の表面に垂直な磁界が形成される。この磁界は図８の厚肉ソレノイドコイルによる磁界と等価な分布を示す。そしてこの磁界の強度は、図８に示す厚肉ソレノイドコイル１１４の中心から、図９に示すように、半径方向（Ｘ軸）の外周側になるにしたがって小さくなる。図９は、厚肉ソレノイドコイルの半径方向での位置と磁界の強さ（強度）との関係を示すグラフである。図９のＸ軸は図８に示したＸ軸に対応する。図８および９を参照して、限流動作時に発生する２次コイルの超電導体の表面に垂直な磁界の強度は、２次コイルの周辺部で小さくなる。この結果、２次コイルの周辺部においては超電導体の表面に対して垂直方向の磁界の強度が十分ではなくなるため、限流動作時に発生する超電導体の抵抗値が十分な大きさにならない場合があった。すなわち、上述のように超電導体に垂直方向の磁界が印加されることによって、超電導体の臨界電流値は低下する。この臨界電流値の低下によって超電導体全体でのクエンチを確実に発生させることができる。しかし、この垂直方向の磁場の強度が不充分な場合、上記のようなクエンチを確実に起こすことができず、限流動作を確実に起こすことができない場合があった。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、確実に限流動作を実施することが可能な限流器の構成を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明の１の局面における限流器は、超電導体を含む導電線を平面に沿って渦巻き形状に配置した第１および第２のコイルを備える。第２のコイルは、第１のコイルに発生する磁界の方向とは逆方向の磁界を発生させるように配置され、第１および第２のコイルの導電線は、導電線が配置された領域において、中央部に位置する超電導体と、この超電導体より外周側に位置する常電導体とを含む。第２のコイルは短絡されている。
【００１２】
このように、限流動作時に磁界の強度が大きくなる第１および第２のコイルの中央部に超電導体を配置するので、限流動作時、超電導体の表面に対して垂直でかつ十分な強度の磁界を超電導体に印加することができる。また、限流動作時、磁界の強度が相対的に小さくなる第１および第２コイルの外周側の領域には、限流動作に関与しない常電導体を配置するので、コイルの外周部における磁界の強度は限流動作になんら影響をあたえない。
【００１３】
また、導電線が渦巻き状に配置された領域の中央部にのみ高価な超電導体を用いることになるので、従来より超電導体の使用量を削減できる。このため、限流器の製造コストを低減できる。
【００１４】
また、本発明による限流器は、通常運転時、第１のコイルに電源電流が流れる場合、この第１のコイルが磁界を発生させる。この第１のコイルが発生させた磁界を打消すような方向（逆方向）の磁界を第２のコイルが発生させる。このため、通常運転時には磁界のキャンセル条件がほぼ成立する。そして、第２のコイルにおける超電導体の臨界電流値を第１のコイルにおける超電導体の臨界電流値よりも小さくしておけば、事故時に過大な電流が発生するときに、第２のコイルが先にクエンチし、その抵抗値が増加する。これにより、第１と第２のコイルに流れる電流値が異なることになり、磁界のキャンセル条件が崩れる。このため、第１および第２のコイルのコイル軸方向に磁界が分布することになる。この結果、超電導体の表面に垂直な磁界が分布することになるので、クエンチした第２のコイルの抵抗値がさらに増加する。そして、超電導体の表面に垂直に分布する磁界によって、第１のコイルにおいて臨界電流値が急激に低下する。このため、第１のコイルの超電導体も常電導状態に転移する。このようにして、第１のコイルは、コイルに流れる電流とその磁界とにより大きなクエンチ抵抗を有することになる。この結果、鉄芯を用いないで、事故時の過大な電流を制限するための全体インピーダンスを第１のコイルの超電導体のクエンチ抵抗値によって決定することができる。
【００１５】
この発明のもう一つの局面における限流器は、超電導体を含む導電線を平面に沿って渦巻き形状に配置した第１および第２のコイルを備える。第２のコイルは、第１のコイルに発生する磁界の方向とは逆方向の磁界を発生させるように配置され、第１および第２のコイルの導電線は、導電線が配置された領域において、中央部に位置する第１の超電導体と、この第１の超電導体より外周側に位置し、第１の超電導体とは材質の異なる第２の超電導体とを含む。第２のコイルは短絡されている。
【００１６】
このように、限流動作時に磁界の強度が大きくなる第１および第２のコイルの中央部に超電導体を配置するので、限流動作時、超電導体の表面に対して垂直でかつ十分な強度の磁界を超電導体に印加することができる。そして、このコイルの中央部の第１の超電導体によって限流動作に必要なクエンチ抵抗値を得られるようにしておけば、コイルの外周側に位置する上記他の超電導体において限流動作時必ずしもクエンチを起こす必要はない。このため、コイルの中央部に配置された第１の超電導体より低コストの超電導体を上記第２の超電導体として使用できる。
【００１７】
また、通常運転時には、第１および第２のコイルの導電線が中央部およびその外周側においても超電導体により構成されていることから、実質的に導電線の抵抗値をほぼゼロにすることができる。この結果、通常運転時でのコイルにおける通電ロスや通電に伴う発熱を低減できる。
【００１８】
また、第２のコイルにおける第１の超電導体の臨界電流値を第１のコイルにおける第１の超電導体の臨界電流値よりも小さくしておけば、事故時に過大な電流が発生するときに、第２のコイルが先にクエンチし、その抵抗値が増加する。これにより、第１と第２のコイルに流れる電流値が異なることになり、磁界のキャンセル条件が崩れる。この結果、第１の超電導体の表面に垂直な磁界が分布することになるので、クエンチした第２のコイルの抵抗値がさらに増加する。そして、第１の超電導体の表面に垂直に分布する磁界によって、第1のコイルにおいて第1の超電導体の臨界電流値が急激に低下する。このため、第１のコイルにおける第１の超電導体も常電導状態に転移する。このようにして、第１のコイルは、コイルに流れる電流とその磁界とにより大きなクエンチ抵抗を有することになる。この結果、鉄芯を用いないで、事故時の過大な電流を制限するための全体インピーダンスをコイルの超電導体のクエンチ抵抗値によって決定することができる。
【００１９】
上記１の局面またはもう一つの局面における限流器では、第１のコイルは、第２のコイルに直列に電気的に接続されていてもよい。第１および第２のコイルは、電流が流れることにより、互いに逆方向の磁界を発生させるものであることが好ましい。また、上記１のまたはもう一つの局面における限流器は、第２のコイルに電気的に並列に接続された、抵抗体およびインダクタからなる群から選択される少なくとも一つの要素を備えることが好ましい。
【００２０】
この場合、この発明による限流器においては、通常運転時、第１のコイルと第２のコイルとが互いに逆方向の磁界を発生させるので、コイル軸方向の磁界はキャンセルされる。事故時に過大な電流が発生するときには、第１と第２のコイルのうち、一方のコイルの超電導体がクエンチし、その抵抗値が増加する。このとき、一方のコイルに電気的に並列に接続された抵抗体またはインダクタに電流が分かれて流れる。これにより、第１と第２のコイルに流れる電流値が異なり、磁界のキャンセル条件が崩れる。この結果、コイル軸方向に磁界が分布する。この結果、第１および第２のコイルの超電導体の表面に垂直な磁界が分布することになり、クエンチした一方のコイルにおける超電導体の抵抗値がさらに増加する。そして、超電導体の表面に垂直に分布する磁界により、他方のコイルの超電導体の臨界電流値が急激に低下するため、この他方のコイルも常電導状態に転移する。このため、コイルに流れる電流とその磁界とにより、大きなクエンチ抵抗を実現できる。したがって、上記のように、鉄芯を用いないで、事故時の過大な電流を制限するための全体インピーダンスを超電導コイルのクエンチ抵抗値によって決定することができる。さらに、この発明の限流器では、第１のコイルは、第２のコイルに直列に電気的に接続されているため、通常運転時では、正確に同量の磁界をコイル軸方向に発生することができ、厳密に磁界のキャンセル条件を完全にすることができる。なお、超電導体は磁界がゼロの状態で最も大きな臨界電流値を示すことはよく知られた事実である。さらに、第１および第２のコイルが電気的に直列に接続されているため、直流通電時でも磁界のキャンセル条件を実現することができる。
【００２２】
また、上記１のまたはもう一つの局面に従った限流器では、電源に接続されるのは基本的に第１のコイルのみであり、またさらに抵抗体またはインダクタなどは備えていないことから、事故時の高電圧が発生する部位も限られることになる。このため、事故時に発生する過大な電圧を確実に絶縁するための厳重な絶縁設計を行なう必要のある部位が減少するので、限流器の設計の自由度が向上する。また、限流器の装置構成自体も単純化することが可能となる。
【００４８】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に従った限流器の実施の形態を示す模式図である。図１を参照して、限流器を説明する。
【００４９】
図１を参照して、限流器は超電導体を含む導電線の巻線からなる第１および第２のコイルとしての平板状の第１の超電導コイル１ａ〜１ｄと第２の超電導コイル２ａ〜２ｃとを備える。第１の超電導コイル１ａ〜１ｄは電源ライン３と電気的に接続されている。第２の超電導コイル２ａ〜２ｃはそれぞれが独立に短絡された回路５ａ〜５ｃを構成している。この第２の超電導コイル２ａ〜２ｃは、第１の超電導コイル１ａ〜１ｄに発生する磁界の方向とは逆方向の磁界を発生させるように第１の超電導コイル１ａ〜１ｄと対向して配置されている。また、第２の超電導コイル２ａ〜２ｃは、第１の超電導コイル１ａ〜１ｄと並列に接続された並列回路４とそれぞれ１ヶ所で接続されている。この並列回路４には、第２の超電導コイル２ａ〜２ｃの電位を固定するための抵抗体Ｒ1〜Ｒ4が配置されている。
【００５０】
第１および第２の超電導コイル１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｃとしては、図２および３に示したような平板状の超電導コイルを用いる。ここで、図２は、限流器において用いられる超電導コイルの平面模式図であり、図３は、図２に示した線分１００−１００における超電導コイルの断面模式図である。
【００５１】
図２および３を参照して、超電導コイルはディスクとしての絶縁基板７と導電線とを備える。絶縁基板７の表面上および裏面上においては、導電線が渦巻き形状に配置されている。導電線は主限流動作部である超電導体としての超電導体膜１０と副限流動作部である常電導体としての常電導体膜８とを含む。この絶縁基板７の表面上および裏面上に形成された表面導電線および裏面導電線としてのそれぞれの導電線では、超電導体膜１０間が接続部としての表裏面回路接続部材９を介して電気的に接続されている。そして、この導電線の端部には端子６ａ、６ｂが形成されている。
【００５２】
ここで、図１に示した限流器の作用について説明する。電源ライン３に電流が流れる場合、第１の超電導コイル１ａ〜１ｄに磁界が発生する。そして、この第１の超電導コイル１ａ〜１ｄに発生した磁界を打消すような方向に磁界を形成するように、第２の超電導コイル２ａ〜２ｃに電流が誘起される。ここで、漏れ磁束などの影響により第１および第２の超電導コイル１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｃにおけるアンペアターンは完全に同一とはならない。しかし、第１および第２の超電導コイル間の距離、例えば第１の超電導コイル１ａと第２の超電導コイル２ａとの間隔をできるだけ小さくするなどの対応により、両者のアンペアターンを同一に近づけることは可能である。そして、第１の超電導コイル１ａ〜１ｄに流れる電流による磁界を完全にはキャンセルできなくても、上記のようにアンペアターンをほぼ同一と見なせる程度にまですることができれば、第２の超電導コイル２ａ〜２ｃによって第１の超電導コイル１ａ〜１ｄの磁界をほぼキャンセルすることができる。この結果、通常運転時においては、限流器の磁界は最小となる。そして、このとき第１および第２の超電導コイル１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｃには、それぞれのコイルの超電導体の表面に平行な自己磁界がわずかだが発生している。このように、強度が小さくかつ超電導体膜１０の表面に対して平行な自己磁界が形成されている場合、第１および第２の超電導コイル１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｃの超電導体膜１０の臨界電流値は大きくなる。なお、上記のような通常運転時では、第１および第２の超電導コイル１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｃはともに超電導状態であり、インピーダンスも最小となっている。
【００５３】
一方、事故時に過大な電流が第１の超電導コイル１ａ〜１ｄに流れると、それに伴って第２の超電導コイル２ａ〜２ｃに大電流が誘起される。そして、第１の超電導コイル１ａ〜１ｄよりも第２の超電導コイル２ａ〜２ｃの臨界電流値を若干小さくしておくことによって、第２の超電導コイル２ａ〜２ｃが先にクエンチし、常電導状態へと転移する。この場合、第２の超電導コイル２ａ〜２ｃの抵抗値は超電導状態における抵抗値よりも大変高くなり、第１の超電導コイル１ａ〜１ｄにより形成される磁界をキャンセルするために必要な電流を流すことができない。このため、磁界のキャンセル条件が崩れることになる。この結果、第１および第２の超電導コイル１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｃのコイル軸方向、すなわち超電導体膜１０（図２および３参照）の表面に垂直な方向に磁界が発生する。
【００５４】
超電導体の表面に対して垂直な磁界が分布する場合、超電導体の臨界電流値が低下するため、この磁界により第１の超電導コイル１ａ〜１ｄの超電導体膜１０の臨界電流値は急激に低下する。この結果、第１の超電導コイル１ａ〜１ｄも一気にクエンチすることにより、第１の超電導コイル１ａ〜１ｄにおいて抵抗が発生する。このようにして、一気に限流動作が行なわれる。磁界は局部的な熱発生とは異なり広い面積に瞬間的に印加され得る。この磁界の印加により、超電導体を全体的に一気に常電導状態に転移させることができるので、超電導体の不均一性は問題とはならない。このようにして、第１の超電導コイル１ａ〜１ｄのクエンチ抵抗値により事故時の過大な電流を制限するための限流器のインピーダンスを確保することができる。このため、従来の限流器とは異なり、インピーダンスを確保するための鉄芯を用いる必要がないので、限流器の重量を小さくし、コンパクトにすることができる。
【００５５】
また、第１の超電導コイル１ａ〜１ｄは、コイルに流れる電流とその磁界とにより大きなクエンチ抵抗を有することになる。このため、鉄芯を用いないで、事故時の過大な電流を制限するための全体インピーダンスを第１の超電導コイル１ａ〜１ｄのクエンチ抵抗値によって決定することができる。
【００５６】
また、図１に示した限流器において、限流器が動作して第１および第２の超電導コイル１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｃの超電導体膜１０がクエンチした場合、限流器は単純なソレノイドコイルと等価になる。この場合、磁界強度はコイルの導電線の巻数に比例する。そして、図２および３に示したように渦巻き形状に導電線が配置されている場合、コイルの中央部が導電線の巻数の最も多い領域となる。このため、第1および第2の超電導コイル１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｃの中央部において最も磁界強度が大きくなる。図２および３に示すように、限流動作時に磁界の強度が大きくなるコイルの中央部に超電導体膜１０を配置して、この超電導体膜１０を主限流動作部としているので、限流動作時、超電導体膜１０の表面に対して垂直でかつ十分な強度の磁界を印加することができる。この結果、限流動作を確実に起こすことが出来る。また、限流動作時、磁界の強度が相対的に小さくなる第１および第２の超電導コイル１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｃの外周側には、副限流動作部としての常電導体膜８を配置している。このため、第１および第２の超電導コイル１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｃの外周部における磁界の強度がコイル中央部より相対的に小さいことは限流動作に悪影響を及ぼさない。
【００５７】
また、超電導体膜１０と常電導体膜８とからなる導電線が渦巻き状に配置された領域において、中央部の主限流動作部にのみ高価な超電導体を用いることになるので、従来より超電導体の使用量を削減できるとともに、コイルの外周側には安価な常電導体膜８を使用できる。このため、コイルおよび限流器の製造コストを低減できる。
【００５８】
また、図２および３を参照して、上述のように一つのディスクとしての絶縁基板７の表面と裏面とに超電導体膜１０と常電導体膜８とからなる表面導電線および裏面導電線としての導電線を配置するので、絶縁基板７の表面のみに上記導電線を形成した場合より、少ない絶縁基板を用いて限流動作に必要な量の導電線を確保できる。この結果、限流器のサイズを小さくできる。
【００５９】
なお、このような常電導体膜８からなる副限流動作部と超電導体膜１０からなる主限流動作部とを備えるコイルを限流器に用いても、通常運転時の磁場強度は従来の超電導コイルを用いた限流器での通常運転時の磁場強度とほとんど変わらない。図４を参照してこの理由を説明する。
【００６０】
図４は、限流器の通常運転時におけるコイルの磁界を示す断面模式図であり、幅がａの薄膜超電導体である超電導体膜１１ａと、幅が２×ａ（幅ａの２倍）の薄膜超電導体である超電導体膜１１ｂとが、それぞれ同じ内径を有する円板状に配置されたコイルの断面を示している。超電導体膜１１ａからなるコイルを図１に示した限流器の超電導コイルとして用いた場合を考える。限流器の通常運転時、図１のコイル軸方向の磁界は上述のようにキャンセルされ、発生する磁界は図４に示すように自己磁界１２ａだけである。この自己磁界１２ａは超電導体膜１１ａの表面に対して平行となる。また、同様に超電導体膜１１ｂからなるコイルを図１に示した限流器の超電導コイルとして用いた場合にも、限流器の通常運転時、発生する磁界は図４に示すように自己磁界１２ｂだけである。そして、自己磁界１２ｂは超電導体膜１１ｂの表面に対して平行となる。
【００６１】
この自己磁界１２ａ、１２ｂの強度を考える。超電導体膜１１ａに流せる電流量をＩ１とする。薄膜超電導体では通電可能な電流量は薄膜の幅に比例する。そして、超電導体膜１１ｂの幅は超電導体膜１１ａの幅の２倍であるので、超電導体膜１１ｂに流せる電流量は２×Ｉ１となる。一方、磁界強度は近似的に（コイルに流れる電流量）／（超電導体膜の周囲長）で表すことができる。超電導体膜１１ａの幅ａが上記内径より充分大きい場合、超電導体膜１１ｂの周囲長は超電導体膜１１ａの周囲長の約２倍となる。つまり、超電導体膜１１ｂでは、超電導体膜１１ａと比べて流せる電流量は２倍となっている一方で、その周囲長も約２倍となる。この結果、限流器の通常運転時における超電導体膜１１ａと超電導体膜１１ｂとの磁界強度はほぼ等しくなる。上述のように常電導体膜８からなる副限流動作部と超電導体膜１０からなる主限流動作部とを備える本発明によるコイルを限流器に用いる場合、超電導体膜８が配置された領域の大きさは、同じ外径サイズの従来の超電導コイルでの超電導体膜が配置された領域の大きさより小さくなる。しかし、このように本発明によるコイルを用いる場合でも、通常運転時の磁界強度は従来の超電導コイルを用いた限流器での通常運転時の磁界強度とほとんど変わらないことになる。
【００６２】
また、図１を参照して、電源ライン３から供給される電流は限流用コイルである第１の超電導コイル１ａ〜１ｄのみを流れ、磁界キャンセル用コイルである第２の超電導コイル２ａ〜２ｃには流れない。第２の超電導コイル２ａ〜２ｃは短絡された回路５ａ〜５ｃを形成しているので、第１の超電導コイル１ａ〜１ｄに電源ライン３から供給される電流が流れることにより発生する誘導電流は第２の超電導コイル２ａ〜２ｃのそれぞれについてこの短絡した回路５ａ〜５ｃ内を流れる。第１の超電導コイル１ａ〜１ｄと第２の超電導コイル２ａ〜２ｃとは誘導的に結合されているが、上述のように励磁電流や漏れ磁束の存在によりアンペアターンが両者間で完全に一致する状態にはなっていない。しかし、第１および第２の超電導コイル１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｃの配置を調整することにより、実用上ほぼ問題のないレベルにまで磁界のキャンセル状態を実現することができる。
【００６３】
また、第２の超電導コイル２ａ〜２ｃには、上述のように電源ラインからの電流は直接流れていない。このため、事故発生時に限流器に高電圧が印加される場合、第２の超電導コイル２ａ〜２ｂに電源ラインからの電流が流れる場合より、高電圧が印加される箇所の数を削減することができる。この結果、限流器の絶縁設計が容易になる、また限流器の設計の自由度が向上するというメリットがある。また、限流器の構造も単純化することができる。
【００６４】
また、第２の超電導コイル２ａ〜２ｃは、電位固定用の高抵抗体である抵抗体Ｒ1〜Ｒ4を介して電源ライン３と接続されているので、限流器に印加される電圧に対して第２の超電導コイル２ａ〜２ｃはそれぞれこの抵抗体Ｒ1〜Ｒ4によって決定される電位へと固定される。このため、事故発生時などの高電圧が印加されるような場合に第２の超電導コイル２ａ〜２ｃに浮遊電荷が集積して電界が集中することを防止できる。この結果、第２の超電導コイル２ａ〜２ｃが電圧破壊などを起こすといった問題の発生を防止できる。
【００６５】
また、この電位固定用の抵抗体Ｒ1〜Ｒ4の抵抗を変更することにより、第２の超電導コイル２ａ〜２ｃの固定電位を任意に調整することができる。
【００６６】
なお、この電位固定用の抵抗体Ｒ1〜Ｒ4は、単に第２の超電導コイル２ａ〜２ｃの電位を固定するためのものであるため大電流を流す必要はない。このため、これらの抵抗体Ｒ1〜Ｒ4については高い抵抗値を有する抵抗体を用いることができる。
【００６７】
図５は、図２および３に示した超電導コイルの第１の変形例を示す断面模式図である。図５は図３に対応する。図５を参照して、超電導コイルは基本的に図２および３に示した超電導コイルと同様の構造を備えるが、表裏面回路接続部材９に隣接する第１の部分としての超電導体部分１３は、表裏面の両方において、第２の部分および第４の部分としてのその他の主限流動作部である超電導体膜１０より膜厚が厚くなっている。
【００６８】
ここで、絶縁基板７の表面に形成された上記超電導体部分１３と裏面に形成された第３の部分としての超電導体部分１３とは表裏面回路接続部材９によって接続されている。この超電導体部分１３と接続部材９との接続部では、材質が不連続となるため完全な超電導接続は困難である。そのため、限流器の通常運転時においても、この接続部近傍は局所的に常電導状態となり、通電に伴って発熱する。そのため、限流動作時に接続部近傍の超電導体膜がクエンチし、常電導状態となってさらに発熱すると、接続部の温度が必要以上に上昇することになる。しかし、上記のように接続部に隣接する超電導体部分１３および裏面の超電導体部分１３の膜厚を厚くしておけば、この部分の臨界電流値を大きくできる。この結果、限流動作時にこの超電導体部分１３および裏面の超電導体部分１３がクエンチすることを防止できる。すなわち、この超電導体部分１３を非限流動作部分とすることができるので、上記のような過加熱による限流器の損傷を防止できる。
【００６９】
図６は、図２および３に示した超電導コイルの第２の変形例を示す断面模式図である。図５は図３に対応する。図５を参照して、超電導コイルは基本的に図２および３に示した超電導コイルと同様の構造を備えるが、副限流動作部の導電線である常電導体膜８の線幅および線間のピッチが、主限流動作部の導電線である超電導体膜１０の線幅および線間のピッチと異なっている。また、常電導体膜８の膜厚を超電導体膜１０の膜厚とは異なる膜厚としてもよい。
【００７０】
このように、使用する超電導体膜１０や副限流動作部を構成する常電導体膜８の特性を考慮して、超電導体膜１０および常電導体膜８の幅などを変更することにより、限流器の設計の自由度を高めることができる。
【００７１】
図１〜３、４および５において示した限流器では、第1および第2の超電導コイル１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｃにおける副限流動作部に常電導体膜８を用いているが、この常電導体膜８に代えて主限流動作部を構成する第１の超電導体としての超電導体膜１０とは材質の異なる、より安価な第２の超電導体としての超電導体膜を用いてもよい。この結果、主限流動作部に用いる超電導体膜１０を構成する材料で全導電線を形成する場合より、第１および第２の超電導コイル１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｃの製造コストを低減できる。これにより、限流器の製造コストも結果的に低減できる。
【００７２】
また、この場合、限流器の通常運転時には、第１および第２の超電導コイル１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｃの導電線が、コイルの中央部としての主限流動作部およびその外周側である副限流動作部の両方において超電導体により構成される。このため、実質的に導電線の抵抗値をほぼゼロにすることができる。この結果、図１〜３、５および６に示した限流器および超電導コイルによって得られる効果に加えて、通常運転時の第１および第２の超電導コイル１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｃにおける通電ロスや通電に伴う発熱を低減できる。
【００７３】
図７は、図１に示した本発明による限流器の変形例を示す模式図である。図７を参照して、限流器は基本的には図１に示した限流器と同様の構造を備えるが、第２の超電導コイル２ａ〜２ｃは、電源ライン３とは電気的に接続されていない。限流器が低電圧用の限流器などである場合には、このような構成の限流器を適用できる。
【００７４】
また、ここでは、第１および第２の超電導コイル１ａ〜１ｅ、２ａ〜２ｄをそのコイル軸が直線を形成するように円筒状に配置しているが、第１および第２の超電導コイル１ａ〜１ｅ、２ａ〜２ｄのコイル軸が曲線を形成するように配置してもよく、このコイル軸が円を形成するように配置してもよい。
【００７５】
以上の開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に従った超電導限流器の実施の形態を示す模式図である。
【図２】限流器において用いられる超電導コイルの平面模式図である。
【図３】図２に示した線分１００−１００における超電導コイルの断面模式図である。
【図４】限流器の通常運転時におけるコイルの磁界を示す断面模式図である。
【図５】図２および３に示した超電導コイルの第１の変形例を示す断面模式図である。
【図６】図２および３に示した超電導コイルの第２の変形例を示す断面模式図である。
【図７】図１に示した本発明による限流器の変形例を示す模式図である。
【図８】厚肉ソレノイドコイルを示す模式図である。
【図９】厚肉ソレノイドコイルの半径方向での位置と磁界の強さ（強度）との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ａ〜１ｄ第１の超電導コイル、２ａ〜２ｃ第２の超電導コイル、３電源ライン、４並列回路、５ａ〜５ｃ回路、６ａ，６ｂ端子、７絶縁基板、８常電導体膜、９表裏面回路の接続部材、１０超電導体膜、１１ａ，１１ｂ超電導体膜、１２ａ，１２ｂ磁界、１３超電導体部分、Ｒ1〜Ｒ4 抵抗体。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  This invention is current limitingIn a vesselIn particular, current limiting using superconducting coilsIn a vesselIt is related.
[0002]
[Prior art]
A current limiter is used to instantaneously limit an excessive current generated by a failure such as a short circuit or an accident in the power circuit. In recent years, current limiters using superconductors have been developed. This fault current limiter using a superconductor utilizes a mechanism for transferring the superconductor from a superconducting state to a normal conducting state in the event of an accident such as a short circuit.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The inventor has proposed, for example, a current limiting device described in Japanese Patent Application No. 11-237736 as a current limiting device using the above superconductor. The current limiting device described in Japanese Patent Application No. 11-237736 is a current limiting device that is the basis of the present invention, and includes first and second superconducting coils each formed of a winding of a superconducting wire. The second superconducting coil (secondary coil) is short-circuited. The second superconducting coil is arranged to generate a magnetic field in a direction opposite to the direction of the magnetic field generated in the first superconducting coil (primary coil). Specifically, the first superconducting coil and the second superconducting coil are alternately arranged, and the coil axes of the first and second superconducting coils are arranged to form a straight line. As the first and second superconducting coils, coils in which superconductors are spirally arranged on the surface of the insulating substrate are used. The operation of this current limiter will be briefly described.
[0004]
The first superconducting coil as the primary coil is connected to the power supply line. When a power supply current flows through the first superconducting coil held in the superconducting state, the first superconducting coil generates a magnetic field. A current is induced in the second superconducting coil held in the superconducting state so as to form a magnetic field in a direction that cancels the magnetic field generated by the first superconducting coil. Here, the ampere turns in the first and second superconducting coils are not completely the same due to the influence of leakage magnetic flux and the like. In the first and second superconducting coils, a slight self magnetic field is formed. The self magnetic field is parallel to the surface of the superconductor in the first and second superconducting coils, and has substantially the same strength in any part of the first and second superconducting coils. As described above, it is known that the critical current values of the first and second superconductors increase when the strength is small and a self-magnetic field parallel to the surface of the superconductor is formed.
[0005]
When an excessive current is generated in the power supply line at the time of an accident, the current value induced in the second superconducting coil increases as the current flowing in the first superconducting coil increases. If the critical current value of the second superconducting coil is made smaller than the critical current value of the first superconducting coil, the second superconducting coil is quenched first, and the resistance value of the second superconducting coil increases. To do. Then, the current values flowing through the first superconducting coil and the second superconducting coil are different, and the magnetic field cancellation condition is lost. For this reason, a stronger magnetic field is distributed in the coil axis directions of the first and second superconducting coils than in normal operation. As a result, a magnetic field perpendicular to the surface of the superconductor in the first and second superconducting coils is distributed.
[0006]
Then, since a magnetic field perpendicular to the surface of the superconductor in the first superconducting coil and having a sufficient strength is distributed, the critical current value rapidly decreases in the first superconducting coil. It is known that the critical current value of a superconductor is reduced when a magnetic field perpendicular to the surface of the superconductor is distributed. As the critical current value decreases in this way, the superconductor in the first superconducting coil is also quenched at once, and resistance is generated in the first superconducting coil. Since the first superconducting coil is connected to the power supply line, the current value does not rapidly decrease unlike the second superconducting coil, and a constant current continues to flow. For this reason, a magnetic field perpendicular to the surface of the superconductor in the first and second superconducting coils is continuously generated. In this way, a current-limiting operation for limiting an excessive current from the power supply line can be performed by resistance (quenching resistance) due to quenching (normal conduction transition) of the first superconducting coil.
[0007]
However, the current limiter using the superconducting coil as described above has a problem that the resistance of the superconductor is not sufficient during the current limiting operation as described below. For the sake of simplicity, the primary coil that is the first superconducting coil and the secondary coil that is the second superconducting coil are alternately arranged so that the coil axis forms a straight line, that is, a solenoid type. Consider the case where a coil is placed. In this case, the primary coil and the secondary coil arranged in the solenoid type can be regarded as a thick solenoid coil 114 as shown in FIG. FIG. 8 is a schematic view showing a thick solenoid coil.
[0008]
During the current limiting operation of the current limiter, a magnetic field perpendicular to the surface of the superconductor of the secondary coil is formed as described above by the current flowing through the primary coil. This magnetic field shows a distribution equivalent to the magnetic field generated by the thick solenoid coil of FIG. The intensity of the magnetic field decreases from the center of the thick solenoid coil 114 shown in FIG. 8 toward the outer peripheral side in the radial direction (X axis) as shown in FIG. FIG. 9 is a graph showing the relationship between the radial position of the thick solenoid coil and the strength (strength) of the magnetic field. The X axis in FIG. 9 corresponds to the X axis shown in FIG. Referring to FIGS. 8 and 9, the intensity of the magnetic field perpendicular to the surface of the secondary coil superconductor generated during the current limiting operation is reduced at the periphery of the secondary coil. As a result, the strength of the magnetic field in the direction perpendicular to the surface of the superconductor is not sufficient at the periphery of the secondary coil, and the resistance value of the superconductor generated during the current limiting operation may not be sufficiently large. there were. That is, as described above, when the magnetic field in the vertical direction is applied to the superconductor, the critical current value of the superconductor decreases. The decrease in the critical current value can surely cause quenching in the entire superconductor. However, when the strength of the magnetic field in the vertical direction is insufficient, the quenching as described above cannot be surely caused, and the current limiting operation may not be reliably caused.
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a configuration of a current limiting device capable of surely performing a current limiting operation.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
  The current limiter in one aspect of the present invention includes first and second coils in which conductive wires including a superconductor are arranged in a spiral shape along a plane. The second coil is arranged to generate a magnetic field in a direction opposite to the direction of the magnetic field generated in the first coil, and the conductive wires of the first and second coils are in the region where the conductive wires are arranged. Includes a superconductor located in the center and a normal conductor located on the outer peripheral side of the superconductor.Mu The second coil is short-circuited.
[0012]
As described above, since the superconductor is disposed in the central portion of the first and second coils where the strength of the magnetic field becomes large during the current limiting operation, it is perpendicular to the surface of the superconductor and has sufficient strength during the current limiting operation. This magnetic field can be applied to the superconductor. In addition, since a normal conductor that does not participate in the current limiting operation is disposed in the outer peripheral region of the first and second coils where the strength of the magnetic field becomes relatively small during the current limiting operation, the magnetic field in the outer peripheral portion of the coil is arranged. The strength of has no effect on the current limiting action.
[0013]
In addition, since an expensive superconductor is used only in the central portion of the region where the conductive wires are arranged in a spiral shape, the amount of superconductor used can be reduced as compared with the prior art. For this reason, the manufacturing cost of a fault current limiter can be reduced.
[0014]
The current limiter according to the present invention generates a magnetic field when a power supply current flows through the first coil during normal operation. The second coil generates a magnetic field in a direction (reverse direction) that cancels the magnetic field generated by the first coil. For this reason, the magnetic field cancellation condition is substantially satisfied during normal operation. If the critical current value of the superconductor in the second coil is set to be smaller than the critical current value of the superconductor in the first coil, the second coil can be used first when an excessive current is generated in the event of an accident. The resistance value increases. As a result, the values of the currents flowing through the first and second coils are different, and the magnetic field cancellation condition is lost. For this reason, a magnetic field is distributed in the coil axial direction of the first and second coils. As a result, since a magnetic field perpendicular to the surface of the superconductor is distributed, the resistance value of the quenched second coil is further increased. Then, the critical current value rapidly decreases in the first coil due to the magnetic field distributed perpendicularly to the surface of the superconductor. For this reason, the superconductor of the first coil also shifts to the normal conducting state. In this way, the first coil has a large quench resistance due to the current flowing through the coil and its magnetic field. As a result, the overall impedance for limiting an excessive current at the time of the accident can be determined by the quench resistance value of the superconductor of the first coil without using an iron core.
[0015]
  A current limiting device according to another aspect of the present invention includes first and second coils in which conductive wires including a superconductor are arranged in a spiral shape along a plane. The second coil is arranged to generate a magnetic field in a direction opposite to the direction of the magnetic field generated in the first coil, and the conductive wires of the first and second coils are in the region where the conductive wires are arranged. A first superconductor located in the central portion and a second superconductor located on the outer peripheral side of the first superconductor and made of a material different from that of the first superconductor.Mu The second coil is short-circuited.
[0016]
As described above, since the superconductor is disposed in the central portion of the first and second coils where the strength of the magnetic field becomes large during the current limiting operation, it is perpendicular to the surface of the superconductor and has sufficient strength during the current limiting operation. This magnetic field can be applied to the superconductor. If the quench resistance value necessary for the current limiting operation can be obtained by the first superconductor in the central portion of the coil, the other superconductor located on the outer peripheral side of the coil is not necessarily in the current limiting operation. There is no need to cause a quench. For this reason, a superconductor having a lower cost than the first superconductor disposed in the central portion of the coil can be used as the second superconductor.
[0017]
Further, during normal operation, the conductive wires of the first and second coils are made of superconductors at the central portion and the outer periphery thereof, so that the resistance value of the conductive wires can be made substantially zero. it can. As a result, it is possible to reduce energization loss and heat generation due to energization in the coil during normal operation.
[0018]
Also, if the critical current value of the first superconductor in the second coil is made smaller than the critical current value of the first superconductor in the first coil, when an excessive current is generated at the time of an accident, The second coil is quenched first and its resistance value increases. As a result, the values of the currents flowing through the first and second coils are different, and the magnetic field cancellation condition is lost. As a result, a magnetic field perpendicular to the surface of the first superconductor is distributed, so that the resistance value of the quenched second coil is further increased. The critical current value of the first superconductor in the first coil is abruptly lowered by the magnetic field distributed perpendicularly to the surface of the first superconductor. For this reason, the 1st superconductor in the 1st coil also changes to a normal conduction state. In this way, the first coil has a large quench resistance due to the current flowing through the coil and its magnetic field. As a result, the overall impedance for limiting an excessive current at the time of an accident can be determined by the quench resistance value of the superconductor of the coil without using an iron core.
[0019]
In the current limiting device according to the first aspect or the other aspect, the first coil may be electrically connected in series to the second coil. It is preferable that the first and second coils generate magnetic fields in opposite directions when current flows. In addition, the current limiter according to the first aspect or the other aspect preferably includes at least one element selected from the group consisting of a resistor and an inductor electrically connected in parallel to the second coil. .
[0020]
In this case, in the current limiter according to the present invention, the magnetic field in the coil axis direction is canceled because the first coil and the second coil generate magnetic fields in opposite directions during normal operation. When an excessive current is generated at the time of an accident, the superconductor of one of the first and second coils is quenched and its resistance value increases. At this time, a current flows separately to a resistor or an inductor electrically connected to one coil in parallel. As a result, the values of the currents flowing through the first and second coils are different, and the magnetic field cancellation condition is broken. As a result, a magnetic field is distributed in the coil axis direction. As a result, a magnetic field perpendicular to the surfaces of the superconductors of the first and second coils is distributed, and the resistance value of the superconductor in one of the quenched coils is further increased. The critical current value of the superconductor of the other coil is abruptly lowered by the magnetic field distributed perpendicularly to the surface of the superconductor, so that the other coil is also transferred to the normal conducting state. For this reason, a large quench resistance can be realized by the current flowing through the coil and its magnetic field. Therefore, as described above, the overall impedance for limiting an excessive current at the time of an accident can be determined by the quench resistance value of the superconducting coil without using an iron core. Furthermore, in the current limiter of the present invention, the first coil is electrically connected in series to the second coil, so that the same amount of magnetic field is generated in the coil axis direction during normal operation. It is possible to strictly complete the canceling condition of the magnetic field. It is well known that a superconductor exhibits the largest critical current value when the magnetic field is zero. Furthermore, since the first and second coils are electrically connected in series, the magnetic field canceling condition can be realized even during direct current energization.
[0022]
  AlsoIn the current limiter according to the above-mentioned one or another aspect, only the first coil is basically connected to the power source, and further, no resistor or inductor is provided. The part where the high voltage is generated is also limited. For this reason, since the site | part which needs to carry out the strict insulation design for isolating the excessive voltage which generate | occur | produces at the time of an accident reduces, the freedom degree of the design of a fault current limiter improves. In addition, the device configuration itself of the current limiting device can be simplified.
[0048]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of a current limiting device according to the present invention. The current limiter will be described with reference to FIG.
[0049]
Referring to FIG. 1, the current limiter is a first superconducting coil 1a to 1d and a second superconducting coil 2a to 2 as flat and first coils composed of windings of conductive wires including superconductors. 2c. The first superconducting coils 1 a to 1 d are electrically connected to the power supply line 3. The second superconducting coils 2a to 2c constitute circuits 5a to 5c that are independently short-circuited. The second superconducting coils 2a to 2c are arranged to face the first superconducting coils 1a to 1d so as to generate a magnetic field opposite to the direction of the magnetic field generated in the first superconducting coils 1a to 1d. ing. The second superconducting coils 2a to 2c are respectively connected to the parallel circuit 4 connected in parallel with the first superconducting coils 1a to 1d at one location. In this parallel circuit 4, resistors R1 to R4 for fixing the potentials of the second superconducting coils 2a to 2c are arranged.
[0050]
As the first and second superconducting coils 1a to 1d and 2a to 2c, flat superconducting coils as shown in FIGS. 2 and 3 are used. Here, FIG. 2 is a schematic plan view of a superconducting coil used in the current limiter, and FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the superconducting coil taken along line 100-100 shown in FIG.
[0051]
2 and 3, the superconducting coil includes an insulating substrate 7 as a disk and a conductive wire. On the front surface and the back surface of the insulating substrate 7, the conductive wires are arranged in a spiral shape. The conductive wire includes a superconductor film 10 as a superconductor serving as a main current limiting operation part and a normal conductor film 8 serving as a normal conductor serving as a sub current limiting operation part. In each of the conductive wires as the surface conductive line and the back conductive line formed on the front surface and the back surface of the insulating substrate 7, the space between the superconductor films 10 is electrically connected via the front and back circuit connection member 9 as a connection portion. It is connected to the. And the terminal 6a, 6b is formed in the edge part of this conductive wire.
[0052]
Here, the operation of the current limiting device shown in FIG. 1 will be described. When a current flows through the power supply line 3, a magnetic field is generated in the first superconducting coils 1a to 1d. Then, a current is induced in the second superconducting coils 2a to 2c so as to form a magnetic field in a direction that cancels the magnetic field generated in the first superconducting coils 1a to 1d. Here, the ampere turns in the first and second superconducting coils 1a to 1d and 2a to 2c are not completely the same due to the influence of leakage magnetic flux and the like. However, it is not possible to make the ampere turns close to the same by reducing the distance between the first and second superconducting coils, for example, the distance between the first superconducting coil 1a and the second superconducting coil 2a as much as possible. Is possible. Even if the magnetic field due to the current flowing through the first superconducting coils 1a to 1d cannot be completely canceled, the second superconducting coil 2a can be obtained as long as the ampere turn can be regarded as substantially the same as described above. ˜2c can substantially cancel the magnetic field of the first superconducting coils 1a-1d. As a result, the magnetic field of the current limiter is minimized during normal operation. At this time, the first and second superconducting coils 1a to 1d and 2a to 2c have a small amount of self-magnetic field parallel to the surface of the superconductor of each coil. As described above, when a self-magnetic field that is low in strength and parallel to the surface of the superconductor film 10 is formed, the criticality of the superconductor films 10 of the first and second superconducting coils 1a to 1d and 2a to 2c. The current value increases. In the normal operation as described above, the first and second superconducting coils 1a to 1d and 2a to 2c are both in a superconducting state and have a minimum impedance.
[0053]
On the other hand, when an excessive current flows through the first superconducting coils 1a to 1d at the time of an accident, a large current is induced in the second superconducting coils 2a to 2c. The second superconducting coils 2a to 2c are quenched first by setting the critical current values of the second superconducting coils 2a to 2c slightly smaller than those of the first superconducting coils 1a to 1d. Transition to. In this case, the resistance value of the second superconducting coils 2a to 2c is much higher than the resistance value in the superconducting state, and a current necessary for canceling the magnetic field formed by the first superconducting coils 1a to 1d is passed. I can't. For this reason, the cancellation condition of a magnetic field will collapse. As a result, a magnetic field is generated in the coil axis directions of the first and second superconducting coils 1a to 1d and 2a to 2c, that is, in the direction perpendicular to the surface of the superconductor film 10 (see FIGS. 2 and 3).
[0054]
When a magnetic field perpendicular to the surface of the superconductor is distributed, the critical current value of the superconductor is lowered. Therefore, the critical current value of the superconductor film 10 of the first superconducting coils 1a to 1d is rapidly lowered by this magnetic field. To do. As a result, the first superconducting coils 1a to 1d are also quenched at a stretch, whereby resistance is generated in the first superconducting coils 1a to 1d. In this way, the current limiting operation is performed at once. Unlike local heat generation, the magnetic field can be applied instantaneously over a large area. By applying this magnetic field, the superconductor can be transferred to the normal conducting state all at once, so the nonuniformity of the superconductor is not a problem. In this manner, the impedance of the current limiter for limiting an excessive current at the time of the accident can be ensured by the quench resistance values of the first superconducting coils 1a to 1d. For this reason, unlike a conventional current limiter, it is not necessary to use an iron core for ensuring impedance, so that the weight of the current limiter can be reduced and made compact.
[0055]
Further, the first superconducting coils 1a to 1d have a large quench resistance due to the current flowing through the coil and the magnetic field thereof. For this reason, the overall impedance for limiting an excessive current at the time of an accident can be determined by the quench resistance values of the first superconducting coils 1a to 1d without using an iron core.
[0056]
Further, in the current limiter shown in FIG. 1, when the current limiter operates and the superconductor films 10 of the first and second superconducting coils 1a to 1d and 2a to 2c are quenched, the current limiter is simple. Equivalent to solenoid coil. In this case, the magnetic field strength is proportional to the number of turns of the conductive wire of the coil. When the conductive wires are arranged in a spiral shape as shown in FIGS. 2 and 3, the central portion of the coil is the region with the largest number of turns of the conductive wires. For this reason, the magnetic field strength becomes the highest in the central part of the first and second superconducting coils 1a to 1d and 2a to 2c. As shown in FIGS. 2 and 3, the superconductor film 10 is disposed in the central portion of the coil where the strength of the magnetic field increases during the current limiting operation, and this superconductor film 10 is used as the main current limiting operation part. In operation, a magnetic field perpendicular to the surface of the superconductor film 10 and having a sufficient strength can be applied. As a result, the current limiting operation can surely occur. In addition, a normal conductor film 8 as a sub current limiting operation part is provided on the outer peripheral sides of the first and second superconducting coils 1a to 1d and 2a to 2c in which the strength of the magnetic field becomes relatively small during the current limiting operation. It is arranged. For this reason, the fact that the strength of the magnetic field in the outer peripheral portions of the first and second superconducting coils 1a to 1d and 2a to 2c is relatively smaller than the coil central portion does not adversely affect the current limiting operation.
[0057]
In addition, in the region where the conductive wires composed of the superconductor film 10 and the normal conductor film 8 are arranged in a spiral shape, an expensive superconductor is used only for the main current-limiting operation portion in the central portion. The amount of superconductor used can be reduced, and an inexpensive normal conductor film 8 can be used on the outer peripheral side of the coil. For this reason, the manufacturing cost of a coil and a fault current limiter can be reduced.
[0058]
2 and 3, as described above, the surface conductive lines and the back conductive lines made of the superconductor film 10 and the normal conductor film 8 are formed on the front and back surfaces of the insulating substrate 7 as one disk. Therefore, it is possible to secure an amount of conductive wires necessary for the current-limiting operation using a smaller number of insulating substrates than when the conductive wires are formed only on the surface of the insulating substrate 7. As a result, the size of the current limiter can be reduced.
[0059]
Even if a coil having such a subcurrent limiting operation unit made of the normal conductor film 8 and a main current limiting operation unit made of the superconductor film 10 is used for the current limiter, the magnetic field strength during normal operation is the conventional value. This is almost the same as the magnetic field strength during normal operation with a current limiter using a superconducting coil. The reason will be described with reference to FIG.
[0060]
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the magnetic field of the coil during normal operation of the current limiter, a superconductor film 11a which is a thin film superconductor having a width a, and a width of 2 × a (twice the width a). A superconductor film 11b which is a thin film superconductor is shown in a cross section of a coil arranged in a disk shape having the same inner diameter. Consider a case where a coil made of the superconducting film 11a is used as the superconducting coil of the current limiting device shown in FIG. During normal operation of the current limiter, the magnetic field in the coil axis direction of FIG. 1 is canceled as described above, and the generated magnetic field is only the self magnetic field 12a as shown in FIG. The self magnetic field 12a is parallel to the surface of the superconductor film 11a. Similarly, when a coil made of the superconductor film 11b is used as the superconducting coil of the current limiter shown in FIG. 1, the magnetic field generated during normal operation of the current limiter is a self-magnetic field as shown in FIG. Only 12b. The self magnetic field 12b is parallel to the surface of the superconductor film 11b.
[0061]
Consider the strength of the self-magnetic fields 12a and 12b. The amount of current that can be passed through the superconductor film 11a is I1. In a thin film superconductor, the amount of current that can be passed is proportional to the width of the thin film. Since the width of the superconductor film 11b is twice that of the superconductor film 11a, the amount of current that can be passed through the superconductor film 11b is 2 × I1. On the other hand, the magnetic field strength can be approximately expressed by (amount of current flowing through the coil) / (peripheral length of the superconductor film). When the width a of the superconductor film 11a is sufficiently larger than the inner diameter, the peripheral length of the superconductor film 11b is about twice the peripheral length of the superconductor film 11a. That is, in the superconductor film 11b, the amount of current that can be passed is doubled as compared to the superconductor film 11a, but the perimeter of the superconductor film 11b is also doubled. As a result, the magnetic field strengths of the superconductor film 11a and the superconductor film 11b during the normal operation of the current limiter are substantially equal. As described above, when the coil according to the present invention including the sub-current-limiting operation part made of the normal conductor film 8 and the main current-limiting action part made of the superconductor film 10 is used for the current limiter, the superconductor film 8 is arranged. The size of the region is smaller than the size of the region where the superconductor film is disposed in the conventional superconducting coil having the same outer diameter. However, even when the coil according to the present invention is used as described above, the magnetic field strength during normal operation is almost the same as the magnetic field strength during normal operation with a current limiting device using a conventional superconducting coil.
[0062]
Referring to FIG. 1, the current supplied from the power supply line 3 flows only through the first superconducting coils 1a to 1d, which are current limiting coils, and flows into the second superconducting coils 2a to 2c, which are magnetic field canceling coils. Does not flow. Since the second superconducting coils 2a to 2c form short-circuited circuits 5a to 5c, the induced current generated when the current supplied from the power supply line 3 flows to the first superconducting coils 1a to 1d is the first. Each of the two superconducting coils 2a to 2c flows in the short-circuited circuits 5a to 5c. The first superconducting coils 1a to 1d and the second superconducting coils 2a to 2c are inductively coupled to each other, but the ampere turns completely coincide with each other due to the presence of exciting current and leakage magnetic flux as described above. It is not in a state. However, by adjusting the arrangement of the first and second superconducting coils 1a to 1d and 2a to 2c, the canceling state of the magnetic field can be realized to a level where there is almost no problem in practice.
[0063]
In addition, the current from the power supply line does not flow directly through the second superconducting coils 2a to 2c as described above. For this reason, when a high voltage is applied to the current limiter in the event of an accident, the number of locations where the high voltage is applied is reduced compared to the case where the current from the power supply line flows through the second superconducting coils 2a to 2b. Can do. As a result, there is an advantage that the insulation design of the current limiter becomes easy and the degree of freedom in designing the current limiter is improved. In addition, the structure of the current limiting device can be simplified.
[0064]
In addition, since the second superconducting coils 2a to 2c are connected to the power supply line 3 via the resistors R1 to R4, which are high-resistance resistors for fixing the potential, the second superconducting coils 2a to 2c are connected to the voltage applied to the current limiter. Second superconducting coils 2a to 2c are fixed to potentials determined by resistors R1 to R4, respectively. For this reason, when a high voltage is applied, such as when an accident occurs, it is possible to prevent floating electric charges from accumulating in the second superconducting coils 2a to 2c and concentrating the electric field. As a result, it is possible to prevent a problem that the second superconducting coils 2a to 2c cause voltage breakdown or the like.
[0065]
Moreover, the fixed potential of the second superconducting coils 2a to 2c can be arbitrarily adjusted by changing the resistances of the potential fixing resistors R1 to R4.
[0066]
The potential fixing resistors R1 to R4 are merely for fixing the potentials of the second superconducting coils 2a to 2c, so that it is not necessary to pass a large current. For this reason, a resistor having a high resistance value can be used for these resistors R1 to R4.
[0067]
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a first modification of the superconducting coil shown in FIGS. FIG. 5 corresponds to FIG. Referring to FIG. 5, the superconducting coil basically has the same structure as the superconducting coil shown in FIGS. 2 and 3, but the superconductor portion 13 as the first portion adjacent to the front and back circuit connecting member 9 is In both the front and back surfaces, the film thickness is thicker than the superconductor film 10 which is the other main current-limiting operation part as the second part and the fourth part.
[0068]
Here, the superconductor portion 13 formed on the surface of the insulating substrate 7 and the superconductor portion 13 as the third portion formed on the back surface are connected by the front and back circuit connecting member 9. In the connection portion between the superconductor portion 13 and the connection member 9, the material becomes discontinuous, so that complete superconducting connection is difficult. For this reason, even in the normal operation of the current limiter, the vicinity of the connecting portion is locally in a normal conducting state and generates heat when energized. Therefore, when the superconductor film in the vicinity of the connecting portion is quenched during the current limiting operation and becomes in a normal conducting state and further generates heat, the temperature of the connecting portion rises more than necessary. However, if the thickness of the superconductor portion 13 adjacent to the connecting portion and the superconductor portion 13 on the back surface is increased as described above, the critical current value of this portion can be increased. As a result, it is possible to prevent the superconductor portion 13 and the superconductor portion 13 on the back surface from being quenched during the current limiting operation. That is, since the superconductor portion 13 can be used as a non-current-limiting operation portion, damage to the current limiter due to overheating as described above can be prevented.
[0069]
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a second modification of the superconducting coil shown in FIGS. FIG. 5 corresponds to FIG. Referring to FIG. 5, the superconducting coil basically has the same structure as that of the superconducting coil shown in FIGS. 2 and 3, but the line width and line of normal conductor film 8 which is a conductive wire of the subcurrent limiting unit. The pitch between the two is different from the line width and the pitch between the lines of the superconducting film 10 which is the conductive wire of the main current limiting operation part. The normal conductor film 8 may have a film thickness different from that of the superconductor film 10.
[0070]
In this way, by considering the characteristics of the superconductor film 10 to be used and the characteristics of the normal conductor film 8 constituting the subcurrent limiting operation unit, the widths of the superconductor film 10 and the normal conductor film 8 are changed, The degree of freedom in designing the current limiting device can be increased.
[0071]
In the current limiting device shown in FIGS. 1-3, 4 and 5, the normal conductor film 8 is used for the subcurrent limiting operation part in the first and second superconducting coils 1a to 1d and 2a to 2c. Instead of the normal conductor film 8, a superconductor film as a second superconductor, which is different from the material of the superconductor film 10 as the first superconductor constituting the main current limiting operation portion, may be used. Good. As a result, the manufacturing cost of the first and second superconducting coils 1a to 1d and 2a to 2c can be reduced as compared with the case where all the conductive wires are formed of the material constituting the superconductor film 10 used for the main current limiting operation unit. As a result, the manufacturing cost of the current limiting device can be reduced as a result.
[0072]
Further, in this case, during normal operation of the current limiter, the conductive wires of the first and second superconducting coils 1a to 1d and 2a to 2c are the main current limiting operation unit as the central portion of the coil and the outer peripheral side thereof. It is composed of a superconductor in both of the sub current limiting operation units. For this reason, the resistance value of the conductive wire can be made substantially zero. As a result, in addition to the effects obtained by the current limiting device and the superconducting coil shown in FIGS. 1 to 3, 5 and 6, the energization loss in the first and second superconducting coils 1 a to 1 d and 2 a to 2 c during normal operation And heat generation due to energization can be reduced.
[0073]
FIG. 7 is a schematic view showing a modification of the current limiter according to the present invention shown in FIG. Referring to FIG. 7, the current limiter basically has the same structure as the current limiter shown in FIG. 1, but the second superconducting coils 2 a to 2 c are electrically connected to the power supply line 3. It has not been. When the current limiter is a low voltage current limiter or the like, the current limiter having such a configuration can be applied.
[0074]
Here, the first and second superconducting coils 1a to 1e and 2a to 2d are arranged in a cylindrical shape so that their coil axes form a straight line, but the first and second superconducting coils 1a to 1d are arranged. The coil axes 1e, 2a to 2d may be arranged to form a curve, or the coil axes may be arranged to form a circle.
[0075]
The above disclosed embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above embodiments but by the scope of claims, and includes all modifications and variations within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of a superconducting fault current limiter according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view of a superconducting coil used in a current limiting device.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a superconducting coil along line 100-100 shown in FIG.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a magnetic field of a coil during normal operation of the current limiter.
5 is a schematic cross-sectional view showing a first modification of the superconducting coil shown in FIGS. 2 and 3. FIG.
6 is a schematic cross-sectional view showing a second modification of the superconducting coil shown in FIGS. 2 and 3. FIG.
7 is a schematic view showing a modification of the current limiting device according to the present invention shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 8 is a schematic view showing a thick solenoid coil.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the position of the thick solenoid coil in the radial direction and the strength (strength) of the magnetic field.
[Explanation of symbols]
1a to 1d 1st superconducting coil, 2a to 2c 2nd superconducting coil, 3 power supply line, 4 parallel circuit, 5a to 5c circuit, 6a, 6b terminal, 7 insulating substrate, 8 normal conductor film, 9 front and back circuit Connecting member, 10 superconductor film, 11a, 11b superconductor film, 12a, 12b magnetic field, 13 superconductor portion, R1-R4 resistor.

Claims

Comprising first and second coils in which conductive wires including a superconductor are spirally arranged along a plane;
The second coil is arranged to generate a magnetic field in a direction opposite to the direction of the magnetic field generated in the first coil;
Conductive lines of said first and second coils, in the conductive wire is disposed regions, the superconductor is located in the central part, seen containing a normal conductor is located on the outer peripheral side of the superconductor,
A current limiting device, wherein the second coil is short-circuited .

Comprising first and second coils in which conductive wires including a superconductor are spirally arranged along a plane;
The second coil is arranged to generate a magnetic field in a direction opposite to the direction of the magnetic field generated in the first coil;
The conductive wires of the first and second coils are located on the outer peripheral side of the first superconductor and the first superconductor located in the center in the region where the conductive wires are disposed, 1 seen including a second superconductor made of different materials than the superconductor,
A current limiting device, wherein the second coil is short-circuited .