JP4131769B2 - 超電導限流ヒューズおよびこれを用いた過電流制御システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流供給路に流れる短絡電流等の過大な電流から電力需要側の機器等を保護するために電流を限流する超電導ヒューズおよびこの超電導限流ヒューズを用いた超電導制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、電流供給路（電路）で短絡事故や地絡事故等が発生した場合、電力ケーブルやこの電流供給路に接続されている電力機器を保護するために、事故電流を高速で限流または遮断する必要がある。このような電力機器等の保護を目的として、過大な電流が流れた場合に素子の一部が溶断して回路を開くヒューズが用いられることが多い。しかしながら通常のヒューズは溶断部分に常電導体を用いているために、通常の通電時においても常に発熱している。したがって、通常の通電電流値はヒューズの溶断電流値よりもかなり小さく、例えば１０分の１程度にしておかなければ、通常通電時にヒューズの温度が上昇してしまうことになる。
【０００３】
換言すると、溶断電流の大きさは通常の通電電流値よりもかなり大きく設定しなければならず、この結果、事故電流は抑制されるものの、一部は非常に大きな事故電流が流れてしまう。そこで、通常通電時は溶断部分に電流を流さず、過電流が流れた場合のみ電流を溶断部分に転流させることにより、通常通電電流値の数倍程度でも電流供給路を遮断する方法も提案されている（特公平７−７３０２４号公報参照）。
【０００４】
しかしながら、この方法によれば過電流が流れたことを検出する検出手段が必要となり、また電流を転流させるための手段も必要となるなど装置構成が複雑になるという問題点があった。そのため、ヒューズの溶断部分を超電導体により構成して過電流が流れた場合に超電導体がクエンチする現象を利用したヒューズが幾つか提案されている（特開平８−２３６８２２号公報、特開平８−８７９４８号公報）。この明細書において、「クエンチ」とは超電導体が部分的に常電動状態に転移することをいう。
【０００５】
上記の先行技術文献に記載されている超電導体を用いたヒューズによれば、通常通電時の発熱は殆ど無視することができ、さらに超電導体の臨界電流値を超える電流が流れると、超電導体は速やかに常電導状態へと転移（クエンチ）するため多量のジュール熱が発生し始め、超電導体は断線し回路は開極されることになる。つまり、超電導体を用いたヒューズにおいては、通常通電電流と超電導体の臨界電流値を同程度の値に設定することにより、通常通電電流の数倍の過電流が流れると、超電導体が断線し、回路が開極するようなヒューズを非常に簡単な構成により得ることが可能となる。
【０００６】
このように、従来の超電導ヒューズは超電導体を電路に直列に接続することにより構成されているので、電路に過電流が流れた場合に超電導体が溶断・破壊されて電路が遮断される。したがって、通常の通電時には超電導体のいわゆる交流損失以外の損失が発生せず温度も殆ど上昇しない。また、通常の通電電流値と超電導体の臨界電流値が近い場合には通常の通電電流より大きい過電流が流れると超電導体には速やかに発熱が生じ、過度の温度上昇や熱衝撃などにより超電導体が溶断または破壊されて回路は開極される。
【０００７】
このような超電導限流ヒューズを用いる電力配電系統においては、短絡事故などにより過電流が流れるのを交流の半波（１／４サイクル）程度の時間内で阻止することが強く望まれている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の超電導限流ヒューズを用いた過電流制御システムにおいては、短絡事故などにより過電流が流れた場合に、交流の半波（１／４サイクル）程度の時間内で阻止することが強く望まれているにも拘わらず、この程度の時間内でシステムを開くことができなかったできなかった。このような短絡事故によりヒューズが即時に切断されるようにするためには、通常のヒューズによれば定格容量に対してぎりぎりの容量にしておく必要があり、この場合には通常通電時にかなりの発熱を伴うことになる。この通常通電時の発熱を防止するために断面積の大きなヒューズを用いると、定格電流よりも遙かに大きな電流が流れなければヒューズは切断されないばかりでなく、半波程度の時間内では到底切断されないという問題がある。
【０００９】
このため、電力配電系統の電路に用いられる限流ヒューズを超電導体により構成すると、通常の通電電流値が超電導体の臨界電流値以下であれば発熱はなく、それ以上の電流が電力配電系統に流れると急激に大きな抵抗が発生するため短時間で切断される。ただし、限流ヒューズに用いられる超電導体が焼結体である場合には、この超電導体の臨界電流密度は小さくなっており、この超電導体に大電流を流すために体積を大きくして構成すると、半波程度の時間内で限流ヒューズが溶断されることはなく、上記問題は解決されないことになる。したがって、半波時間内でヒューズが溶断される程度には臨界電流密度の大きい超電導体により限流ヒューズを構成する必要がある。
【００１０】
本発明は上述した種々の問題を解決するためになされたものであり、電力配電系統おいて用いられた場合でも充分な臨界電流密度により半波程度の極めて短い時間内に確実に電路を開放することのできる超電導限流ヒューズおよびこれを用いた過電流制御システムを提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る超電導限流ヒューズは、電力需要側に電力供給源から必要な電力を供給する電力供給線に介挿され、前記電力供給源、電力供給線および電力需要側を含む電力系統に所定値以上の過電流が流れたときに切断される超電導部材と、この超電導部材が切断されたときに超電導部材の切断箇所を迂回して電流を供給するように前記電力供給線または超電導部材に接続された転流用の導電性部材と、を備え、前記超電導部材は、電気的絶縁性を有する絶縁基板上に積層された酸化物超電導膜により形成されており、前記酸化物超伝導膜に対してのみ液体窒素を接触させ、前記酸化物超伝導膜に臨界電流以上の電流が流れたとき前記酸化物超伝導膜は常電導に転移して発熱し、前記発熱した熱の熱衝撃及び前記熱により沸騰して気化した前記液体窒素の圧力で前記超電導部材が割れて切断されることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項２に係る過電流制御システムは、電力供給源と、電力需要側と、これら電力供給源および電力需要側の間に設けられる電力供給線と、前記電力供給源、電力供給線および電力供給側を含む電力系統に所定値以上の過電流が流れたときに前記電力供給線を遮断するように設けられた限流ヒューズとを備えるものであって、前記限流ヒューズは、前記電力供給線および電力需要側を含む電力系統に所定値以上の過電流が流れたときに切断される超電導部材と、この超電導部材が切断されたときに超電導部材の切断箇所を迂回して電流を供給するように前記電力供給線または超電導部材に接続された転流用の導電性部材と、を備え、前記超電導部材は、電気的絶縁性を有する絶縁基板上に積層された酸化物超電導膜により形成されており、前記酸化物超伝導膜に対してのみ液体窒素を接触させ、前記酸化物超伝導膜に臨界電流以上の電流が流れたとき前記酸化物超伝導膜は常電導に転移して発熱し、前記発熱した熱の熱衝撃及び前記熱により沸騰して気化した前記液体窒素の圧力で前記超電導部材が割れて切断される超電導限流ヒューズであることを特徴としている。
【００２２】
また、請求項１又は請求項２の構成によれば、超電導部材が切断されたときに超電導材料の切断箇所を迂回して電流を供給するように前記電力供給線または超電導部材に接続された転流用の導電性部材を備えているため、電力供給線（電路）に過大電流が一時的に流れて超電導部材が切断された場合であっても、事故電流は超電導部材を迂回して例えば並列に接続されている転流用の導電性部材に流れるので、超電導限流ヒューズが設けられた配電系統を流れる電力は時間的な遅れを経ずに直ちに転流されることになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る超電導限流ヒューズの実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。個別的な実施例を説明する前に、本発明の基本的な構成を示す第１実施形態の超電導限流ヒューズについて図１を用いて説明する。図１は第１実施形態に係る超電導限流ヒューズの構成を示す断面図である。
【００２４】
図１において、超電導限流ヒューズ３０は、絶縁性支持基材３１上に電極３２，３２を設け、この電極３２間に絶縁基板３３と超電導薄膜３４とを積層させて載置し、超電導薄膜３４の縁部分に銀箔層３５を介してインジウム片３６をあてがった後、このインジウム片３６の外端側を締め付け部材３７のクランプにより固定して構成されている。
【００２５】
図１においては、厚さが５ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ以下のＳｒＴｉＯ3 ，ＬａＡｌＯ3 ，ＹＳＺ（Y stabilized Zilconia），Ａｌ2 Ｏ3 などの単結晶あるいは多結晶基板３３上に直接あるいは基板と超電導体薄膜３４との反応を防ぐバッファ層を介して成膜する。超電導薄膜３４の幅および厚さは電流容量によって決まる。例えば、通常通電容量が１００Ａの時は臨界電流密度Ｊｃが１×１０6 Ａ／ｃｍ2 であれば１ｃｍ、厚さ１μｍで良い。また、Ｊｃが低いと厚さを増やす必要があるが通常２μｍ程度を超えて厚くしても臨界電流Ｉｃはふえない。したがって、膜の幅を広くするｌｐｔｐが必要になるが、基板が効果になる上に動作時に破壊されにくくなり好ましくない。、よって、臨界電流密度Ｊｃは１×１０5Ａ／ｃｍ2 以上であることが望ましいことになる。幅１ｃｍ長さ１０ｃｍの基板に１μｍのＹＢＣＯを成膜した後、両端１ｃｍずつの箇所に銀箔（Ａｇ）などの超電導体と接触抵抗が低い金属を１００ｎｍから５００ｎｍ成膜し１気圧酸素中、４００℃から５００℃で１時間アニールした。これにより更に接触抵抗を低くすることができる。
【００２６】
上記超電導部材は、図１に示すように、電気絶縁性支持基材３１上に乗せてインジウム（Ｉｎ）などの導電性が高く展性に富んだ材料からなるワイヤー、箔あるいは板などを用いて電極３２に接続する。このようにした部材に臨界電流以上の電流が流れると常伝導に転移し発熱する。その熱衝撃および周囲の液体窒素が沸騰するときの体膨張により本発明の部材は基板が薄いため割れる。
【００２７】
次に、図２に示す第２実施形態に係る超電導限流ヒューズを説明する。第１実施形態と同様にして作成した超電導部材を図２に示すようにＹＢＣＯを成膜した基板３３および薄膜３４の両端だけを電極３２により支持し、液体窒素中に浸漬する。このように基板３３および薄膜３４の中間を支えずに使用した場合、薄膜に臨界電流以上の電流が流れ常電動に転移して発生した熱により沸騰して気化した液体窒素の圧力で基板が割れる。以上説明したように基板ごと部材の一部がなくなるため電圧のかかっている間に十分な距離ができることおよび液体窒素中であるためアーク放電が生じにくくなり、半波時間程度の短時間でのヒューズの溶断が可能となる。
【００２８】
図３に示す第３実施形態は、ＹＢＣＯ膜３４上に設けた銀箔（Ａｇ）３５に直接あるいはＩｎの箔などを介してボルト３８を接触させて電流を流す。この場合は基板３３の両端を上下でしっかり固定しているため動作時に、より破壊しやすい。なお、ボルト３８は電極ブロックよりも熱膨張率の小さい材料を用いると冷却時の熱収縮により、さらに強く接触することになるので、より好ましい効果が得られる。
【００２９】
その他の使用方法を以下に示す。なお、以下の実施形態においては図１と同一符号を付すことにより同一構成要素を示すものとして、重複説明を省略する。図４に示す第４実施形態においては、部材を第３実施形態とは裏表逆に取り付けることで電極ブロック３２と超電導薄膜３４との接触面積を大きくすることができる。
【００３０】
また、図５に示す第５実施形態においては、セラミクス、硬質プラスチックなど剛性の高い絶縁体３１を、基板３３および超電導薄膜３４よりなる部材の下面に一定の距離をおいて対向させる。離間させる距離は０．１ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、１ｍｍ以上２０ｍｍ以下であればさらに好ましい。この構成によれば気化した窒素の圧力をより効果的に使うことができ破壊力はより高くなる。
【００３１】
図６に示す第６実施形態においては、一部に凹部３９を設けた絶縁性支持材３１上に凹部３９をふさぐようにＹＢＣＯ薄膜３４の膜面を下にして基板３３よりなる部材を取り付ける。ＹＢＣＯ薄膜３４の発熱により凹部３９内のの液体窒素が気化して導電性部材３３を破壊する。
【００３２】
次に、本発明に係る超電導限流ヒューズのより実用的な実施形態として第７実施形態について説明する。超電導ヒューズは、現在のところ常温では超電導状態を維持することが難しいため、何らかの冷却機構を設ける必要がある。したがって、図７に示される第７実施形態においては、図１に示す第１実施形態に係る超電導ヒューズ３０を気密可能な真空容器４０内に封入し、絶縁基板３１上に載置する。
【００３３】
真空容器４０内では、コールドヘッド４１を介して容器の外部より冷凍機４２により冷却する。このような構成とすることにより、液体窒素を補給する必要がなくなる。コールドヘッド４１がクライオポンプの役割を果たすので１０−６Ｔｏｒｒ以上の真空が保たれるためＹＢＣＯ薄膜の劣化がなく、また動作時に放電しにくくなり、その結果、高速動作が可能になるというこの第７実施形態に特有の効果を奏する。
【００３４】
図８に示す第８実施形態に係る超電導限流ヒューズにおいては、真空容器４０を図示省略して、コールドヘッド４１および超電導ヒューズ３０のみを示している。すなわち、コールドヘッド４１上にＡｌＮ，ＢＮなどの熱伝導率が大きな絶縁体３１を介して２つの電極ブロック３２を２ｍｍ以上１００ｍｍ以下の距離だけ離間させて対向配置している。このような所望の距離だけ離間させて電極ブロック３２を対向させることにより、超電導薄膜の冷却を充分に行なうことができると共に、アークの発生を防止することもできる。
【００３５】
なお、上記第８実施形態においては、電極ブロック３２の離間距離を２ｍｍ以上１００ｍｍ以下として説明したが、この数値には特に限定されず、超電導薄膜３４を積層した絶縁基板３の長さの０．５倍以下としても良い。この場合、例えば絶縁基板３３の長さ好ましくは絶縁基板３３の長さが３００ｍｍ以上であるときには電極ブロック３２の離間距離は１５０ｍｍ以下となる。さらに好ましくは、絶縁基板３３の長さの０．２倍以下の距離をおいて載置するようにしても良い。電極ブロック３２の離間距離がこれらの範囲から外れた場合には、上述したように、狭いときはアークが飛ぶことになり、また、広いときには超電導薄膜３４の冷却が不充分になる。
【００３６】
図８に示すように構成することにより、超電導薄膜３３の中間部分の温度が僅かに高くなるが、過電流が流れた場合は必ずその温度の高い箇所が破壊されるという特有の効果がある。また、図８に図示のものの絶縁基板３３の両面に超電導薄膜３４を成膜することにより、電流容量を２倍にすることができる。
【００３７】
次に、図９に示す第９実施形態に係る超電導限流ヒューズは、真空容器４０およびコールドヘッド４１共に図示省略されているが、電極３２のブロックと２つの導電性部材３３，３３とそれぞれの外側の面に積層された超電導薄膜３４とによりヒューズの本体を構成し、このままの状態で図示されないコールドヘッド上に載置した場合を平面図により表している。勿論コールドヘッドとヒューズ本体との間には絶縁体が介挿されている。このような図９に示す第９実施形態に係る超電導限流ヒューズを適用することによっても電流容量を２倍にすることが可能となる。
【００３８】
図１０に示す第１０実施形態においては、超電導薄膜３４の膜面同士を向き合わせるように、２つの導電性部材３３のそれぞれ内側に設けるようにしている。その他の構成は図９に示す第９実施形態と同様である。このような構成の第１０実施形態に係る超電導ヒューズによっても、超電導薄膜３４と電極ブロック３２との接触面積が増え、動作的に超電導薄膜が蒸発しても基板３３間に挟まれているため大きなアークが飛ばないという特有の効果を奏する。
【００３９】
また、図１１に示す第１１実施形態に係る超電導ヒューズは、図９および図１０にそれぞれ示された第９および第１０実施形態の超電導ヒューズを組み合わせた構成を有しており、導電性の基板３３の両面にそれぞれ超電導薄膜３４を成膜することにより電流容量は、図１０に示される超電導ヒューズの２倍にすることができる。超電導限流ヒューズを大容量化するためには、このようなユニットを複数コールドヘッド上に乗せ、並列に接続すれば良い。
【００４０】
次に、図１２ないし図１４を用いて、本発明の第１２実施形態に係る超電導限流ヒューズについて説明する。この第１２実施形態は、後述する過電流制御システムに用いられることに鑑みて、超電導ヒューズの構成をより実用化し易い構成として具体的な構成を提案するものであり、第１例ないし第３例を例示した。
【００４１】
図１２に示した第１２実施形態の第１例は、超電導部材３４を介してビスマス（Ｂｉ）系の銀シース超電導線６１が接続されている。液体窒素等の超電導線６１の冷媒６２を部材３４の冷却に使用でき、これにより短絡事故による過電流でケーブル全体がクエンチすることがなくなった。
【００４２】
図１３に示す第１２実施形態の第２例は第１例のものに対して仕切り６３を設け、冷媒６２をしきり６３の両側で別々に対流させるようにしたものである。シースに包まれたビスマス系の超電導体６１の中心側の中空により供給された冷媒６２は超電導体６１の外周側へと循環している。このような構成によっても、超電導部材３４とビスマス系超電導体６１との冷却を１つの冷却機構により行なうことができる。
【００４３】
図１４に示す第１２実施形態の第３例は、超電導ヒューズを幾つかの部材６４に分割してこれをクランプ部材６５によりクランプして長尺な電力供給路を一体的に形成している。図中斜線を付した絶縁部材６６により所定の箇所が絶縁されており、矢印に示されるような経路により冷媒が循環されている。符号６７は銀シースを有する超電導線である。
【００４４】
以上のような構成により第１２実施形態に係る第１例ないし第３例の超電導ヒューズにより超電導部材３４の冷却とビスマス系超電導線との冷却を液体窒素により行なうことができる。このような構成により超電導ヒューズおよびこれを用いた過電流制御システムの実施化を一層容易にすることができ、上述した実施形態に適用することによって一層効果的なものとなる。
【００４５】
なお、本発明に係る超電導限流ヒューズにおいては、短絡事故により過電流が流れて超電導部材が溶断・破壊されて電路が遮断された後、事故が回復したか否かを瞬時に確認し、再閉路することが必要であるが、このような課題を達成するためには、本出願人は以下のような構成を有する過電流制御システムにより電力の供給を行なうことを提案する。
【００４６】
すなわち、このような過電流制御システムは、電力供給源と電力需要側との間に介挿されて定格電流以上の過電流が流れるのを阻止するものにおいて、前記定格電流以上の過電流が流れるのを阻止する超電導限流ヒューズが複数セット設けられると共に、電力需要側の機器における短絡の有無を検知する検知機構からの信号に基づいて、前記複数セットの超電導限流ヒューズが切替可能に設けられていることを特徴としている。
【００４７】
このような基本的な構成を有する過電流制御システムの具体的な実施形態について、以下に説明する。まず、図１５は第１３実施形態に係る過電流制御システムの回路構成を示す回路図である。図１５において、過電流制御システム５０は電源５１と負荷５８の間に開閉器５２，５３を介して２組の超電導ヒューズ５４および５５が接続されている。また、負荷５８と並列に開閉器５６を介して電源５１よりも電圧の低い小型の電源５７が接続されている。
【００４８】
通常は、開閉器５２のみがＯＮとなっており、負荷５８が短絡すると過電流が流れようとする。この過電流が流れると、１／４サイクル以内の時間で超電導部ヒューズ５４は切断される。その後、開閉器５２はＯＦＦになるが、この開閉器５２をＯＦＦとした信号に基づいて、開閉器５６が負荷５８の回路を閉路する。このとき、図示されない電流計などの測定装置を用いて負荷のインピーダンスを測定し、負荷５８の短絡が回復している場合には開閉器５６をＯＦＦにして開閉器５３をＯＮにする。
【００４９】
このようにして、回路全体としては再閉路して、その間に切断された超電導ヒューズ５４を交換することができる。以上のように構成することにより、この第１７実施形態に係る過電流制御システムによれば、回路を高速で再閉路することが可能になり、停電時間を短くすることができる。
【００５０】
次に、図１６を参照しながら第１４実施形態に係る過電流制御システムについて説明する。図１６において、第１４実施形態に係る過電流制御システム５０の超電導ヒューズ５４，５５のそれぞれには、抵抗値Ｒ１およびＲ２をそれぞれ有する抵抗５９および６０がそれぞれ並列に接続されている。通常は、開閉器５２が閉路しているので超電導部材５４にだけ電流が流れており、過電流が流れると抵抗５９（Ｒ１）に電流が分流する前に超電導ヒューズ５４の超電導部材が切断される。その後、直ちに開閉器５２がＯＦＦになるが、再度ＯＮし抵抗に流れる電流を図示しない電流計で測定し定格以内である場合には、開閉器５２をＯＦＦし開閉器５３をＯＮにする。この場合、抵抗５９（Ｒ１）と外部負荷５８との間には以下のような関係が成り立つことが望ましい。
【００５１】
0．５Ｒ≦Ｒ１≦５Ｒ
これより、抵抗値が小さいと開閉器の容量内に収まらない可能性が生じ、これよりも抵抗値が大きいと短絡が回復したか否かの判断がしにくくなるので好ましくない。
【００５２】
次に、図１７に示す第１５実施形態に係る過電流制御システムについて説明する。図１７において、通常は開閉器５２がＯＮとなり、開閉器５３がＯＦＦとなっている。負荷（図１７には図示せず）側の事故により超電導ヒューズ５４の超電導部材が切断された後、開閉器５２は一旦ＯＦＦになるが、再度ＯＮとなって抵抗５９（Ｒ１）を介して電流を流す。このとき、電流値が定格以内であればＯＮになるが、定格以上の場合にはその電流による電磁力の反発でＯＮにならないような開閉器５３を接続しておくと良い。これにより事故が復帰していれば超電導ヒューズ５５を介して電流を供給することができ、その間に超電導ヒューズ５４を交換することができる。超電導ヒューズ５４が交換された後に、外部信号により開閉器５３をＯＦＦにする。
【００５３】
最後に、本発明に係る超電導限流ヒューズを用いた過電流制御装置の第１６ないし第２１実施形態を図１８ないし図２３を用いて説明する。これら第１６ないし第２１実施形態に係る過電流制御システムは、何れも電力供給源としての発電装置７１と、超電導限流ヒューズ７２と、負荷７３と、を少なくとも有する構成となっている。
【００５４】
本発明に係る超電導限流ヒューズ７２は、自己発電装置７１からなる配電システムに用いると連結機器の事故で過電流が流れようとした場合に、自己発電装置７１を守ることができる。すなわち、通常では定格を大きく上まわる過電流が急激に流れた場合、発電装置７１の負荷７３が急激に変動することにより発電装置７１が破壊されてしまうことがあるからである。図１８に示す第１６実施形態のように、発電装置７１から本発明に係る超電導ヒューズ７２を介して複数の配電系統（負荷）７３に分岐している場合には、定格を大きく上まわる電流が流れることは無い。
【００５５】
また、図１９に示す第１７実施形態のように、各配電系統（負荷）７３に各々本発明による超電導ヒューズ７２を挿入しておくと、事故が発生した特定の負荷７３の系統だけを遮断することができ、システム全体を停止させることがなくなって、より好ましい結果が得られる。また各超電導ヒューズ７２の通電容量はそれぞれ小さくて済むことになる。
【００５６】
さらに、システムでの使用電力に時間的変動があり、それに伴う過不足を系統の商用電力７４と接続し受電あるいは売電することで対応している場合、図２０に示す第１８実施形態のように、発電装置７１と系統の商用電力７４を本発明による超電導ヒューズ７２を介して接続しておくと、商用電力７４側で事故が起こった場合にも自己発電装置７１を守ることができるので好ましい。
【００５７】
また、図２１に示す第１９実施形態のように、システム内の負荷７３と商用電力７４の間にも超電導ヒューズ７５を挿入しておくと、負荷７３側で事故が起こった場合に商用電力７４側に影響を及ばさなくて済み、事故発電装置７１にたいしても商用電力７４に対しても好ましい効果がある。。
【００５８】
また、図２２および図２３にそれぞれ示す第２０および第２１実施形態のような接続方法でも同様の効果が期待できる。図２２に示す第２０実施形態に係る過電流制御システムは、商用電力７４と発電装置７１との間には超電導ヒューズ７５が介挿されており、商用電力７４と負荷７３とのそれぞれの間には超電導ヒューズ７２がそれぞれ設けられている。また、図２３に示す第２１実施形態に係る過電流制御システムは、図１９に示す第１７実施形態のシステムに対して超電導ユー図７５を介して商用電力７４が接続されたような構成を有している。
【００５９】
特に、図２３に示す第２１実施形態のように接続した場合には、各超電導ヒューズ７２および７５の容量も小さくて済み、負荷７３側、商用電力７４側の何れにおいて事故が発生しても、他の負荷７３や発電装置７１，商用電力７４等に与える影響が少なくなる。なお、図２３に示す第２１実施形態を例にとると、通電容量には以下の関係が成り立つことが望ましい。
【００６０】
負荷１：Ｉ１
負荷２：Ｉ２
負荷３：Ｉ３
負荷ｎ：Ｉｎ
システム−商用電力間：Ｉ
最大負荷：Ｉｍａｘとすると、
Ｉｍａｘ≦Ｉ≦Ｉ１＋Ｉ２＋１３＋…＋Ｉｎ
となる。
【００６１】
なお、上述した第１ないし第２１実施形態の超電導限流ヒューズおよびこれを用いた過電流制御システムにおいては、超電導体が過電流により発熱を始めてから破壊されるまでの時間は、一般に極めて小さくこのプロセスにより電路は瞬時に開極される。このため、超電導体の断線部分には回路電圧のみならず大きなサージ電圧が重畳されることになる。また、一般に過電流により超電導体の断線は局所的に発生するために断線部分の電界強度は著しく大きな値となり、超電導体断線に伴いこの部分に大規模なアークが発生することになる。ひとたび大規模なアークが発生すると、この部分での電圧降下はほとんど期待されず、電流が零となる迄大きな事故電流が流れ続けてしまうことになる。
【００６２】
つまり、上述の実施形態に係る超電導限流ヒューズは、従来構成の超電導限流ヒューズと同様に、ヒューズの動作開始電流値を小さく設定することができるとはいえ、１度は大きな事故電流が流れてしまう虞がある。したがって、超電導体を用いたヒューズが高速で電流を限流または遮断し、過大な事故電流を１度でも流さないようにするためには、超電導体が破壊された場合でも過大な電圧が発生せず、大規模なアーク放電を防ぐための機能が付与されていることが望ましい。以下に説明する実施形態は、このようなアーク放電を防止する機能を付加した超電導限流ヒューズに関するものである。
【００６３】
図２４において、超電導限流ヒューズ１は、図示されない電力供給線に接続されている端子２と、これら端子２の対向する部分に並列に接続された超電導部材３および転流用導電性部材４と、超電導部材３および導電性部材４の対向する側面を接続する橋絡用の導電性部材５と、を備え、橋絡用の導電性部材５は、複数の電気的絶縁線６により各々がブリッジと呼ばれる複数部分、図２４および図２５では５つのブリッジ５ａないし５ｅに電気的に分離されている。超電導部材３および導電性部材４，５は、図２４の平面図に示されるように第２２実施形態においては薄膜状に形成されており、通常の通電電流７は図２４の点線により示される経路を流れている。
【００６４】
超電導体の一部分が破壊された場合に大きなサージ電圧を発生させないためには事故電流を急激には零としないことが必要であり、このため、第２２実施形態に係る超電導限流ヒューズにおいては、図２４に示されるように、超電導部材１と導電性部材２により構成され、これらが導電性のブリッジ５ａないし５ｅにより並列に接続されていることが必要である。このように構成されたヒューズが超電導体の転移温度以下に冷却されており、端子２より電流を流した場合、通常の通電電流７は図２４の点線により示したように超電導体３を通して流れるためにほとんど発熱しない。
【００６５】
一方、過大な電流が電路を流れることにより超電導部材３の一部の領域８が局所的に常伝導状態に転移（クエンチ）すると、ジュール熱が発生し始めて、これによりこの領域８の超電導体が溶断または破壊されたときには、過大電流は直ちに導電性部材４および５側に転流するようにヒューズを構成する。具体的には、図２５に示すように、超電導部材３の溶断部分である領域８を迂回するブリッジ５ｂと５ｄとを介して迂回電流路９が図２５の点線で示すように形成されることになる。
【００６６】
ただし、事故電流が導電性材料に転流したことにより急激に抑制されるように導電性材料の抵抗を設定するとやはり過大な電圧が発生する。したがって、転流により電流を抑制しても、抑制の度合いを大きくし過ぎないように設定しなければならない。このとき発生する電圧の許容範囲は電源電圧が一つの目安となる。電力機器内部や機器のアースに対する耐電圧などは一般にこの機器に電力を供給する電源の電圧を大きく超えるものではないために、仮にヒューズ内部でアークが発生しなくてもそれ以外の場所で機器の耐電圧を超えてしまう可能性があるからである。
【００６７】
一方、超電導体と導線性材料がそれぞれの両端のみで接続されている場合には超電導体が一個所でも断線すると転流電流は導電性材料の端から端まで流れることになる。したがって上に記した条件を科すと導電性材料の全抵抗は過電流が流れたときでも電源電圧程度の電圧しか発生させることができない。これは逆に言えばこのヒューズでは過電流を抑制できないことを意味する。以上のことより分かるように超電導体と導電性材料は少なくとも３ケ所以上で接続されるかまたは超電導体の表面が後述する実施形態のように面接触により導電性材料と電気的に接続されている必要がある。
【００６８】
このような構成においては超電導体のどこか一個所が断線した場合、図２５に示すように、過電流が導電性材料の一部の領域８を迂回して流れるように転流する。上述のように、この領域８だけでは抵抗を発生しないが、さらに過電流が流れ続けることにより、他の領域でも超電導体が断線しはじめる。これらの領域の導電性材料の抵抗分を足し上げることにより最終的には過電流を限流するのに充分な抵抗が発生するのである。以上のように超電導体のクエンチ現象を利用した限流ヒューズの場合、複数個所で超電導体が断線することが重要であるが超電導体として薄膜超電導体を用いた場合には基板との熱膨張係数の違いなどのためにバルク材を用いた場合に比べて比較的短時間で複数個所を断線させることが容易であり、ヒューズに用いる超電導体としてはより優れているといえる。
【００６９】
また、超電導体表面に例えばシース等の固体絶縁を施しておくことにより、超電導体が伝導冷却されていたり冷媒の中に直接浸けられていたりして超電導体の表面が真空中または気体中に晒されている場合と比べて、よりアークの発生を防ぐことができる。
【００７０】
次に、上述した第２２実施形態に係る超電導限流ヒューズのより詳細な構成を有する第２３実施形態に係る超電導限流ヒューズについて図２６ないし図３０を参照しながら説明する。図２６は第２３実施形態に係る超電導限流ヒューズを示す平面図、図２７および図２８は図２６におけるＩ−Ｉ線、II−II線でそれぞれ切断した断面図である。図２９および図３０は第２実施形態に係る超電導ヒューズの作用・効果を説明するための特性図である。
【００７１】
図２６ないし図２８において、超電導ヒューズ１０は、多結晶ＹＳＺ基板（Y Stabilized Zilconia） により形成さえた基板１１と、この基板１１上に形成されたニッケル等の薄膜１２と、ラジウム・酸化アルミニウム（ＬａＡｌＯ3 ）等の単結晶基板１３と、この単結晶基板１３上に積層形成された超電導部材としての超電導薄膜１４と、これら全体の表面に形成された転流用の導電性部材としてのインジウム（Ｉｎ）線１５と、ヒューズ１０の両端に設けられた端子１６と、を備えている。
【００７２】
この超電導ヒューズとしては、幅１０ｍｍ、長さ１２０ｍｍのＬａＡｌＯ３ 単結晶基板１３上にレーザー蒸着法等により形成した超電導（ＹＢＣＯ）薄膜１４は、厚さが約１μｍであり液体窒素中での臨界電流値は１５０Ａであった。また過電流分流用の導電性部材としては、長さ１２０ｍｍ、幅５０ｍｍの多結晶ＹＳＺ基板１１上にスパッタ法により形成した厚さ１００ｍｍのＮｉ薄膜１２を使用した。この膜厚は後述するように、長さ２ｃｍあたりの抵抗が１Ωとなるように決定された値である。次に、Ｎｉ薄膜１２およびＹＢＣＯ薄膜１４が形成された面を上にして、ＬａＡｌＯ3 基板１１を置き、約２ｃｍ間隔でＩｎ線１５を押し付けることによりＹＢＣＯ薄膜１４とＮｉ薄膜１２とを電気的に接続した。また両端の１ｃｍ程の領域は電流端子１６として用いている。
【００７３】
図２６ないし図２８より分かるように、この構造の超電導ヒューズ１０はＹＢＣＯ薄膜１４が過電流により局所的に断線した場合、ＹＢＣＯ薄膜１４を挟むように設けられているＩｎ線１５を通って長さ約２ｃｍの領域のＮｉ薄膜１２に過電流が流れる。一方、ここで使用しているＹＢＣＯ薄膜１４と同じ方法で作成し、同じ臨界電流値を持つＹＢＣＯ薄膜は約４００Ａの過電流が流れると局所的にクエンチして断線した。したがって、この長さ２ｃｍのＮｉ薄膜１２への転流により回路電圧程度の電圧しか発生させないためには最大回路電圧をＶとしたときに長さ２ｃｍのＮｉ薄膜１２の抵抗は最大でもＶ／４００Ω程度にしなければならない。
【００７４】
この第２３実施形態に係る超電導ヒューズ１０の場合、最大電圧１０００Ｖの交流電源と１Ωの回路抵抗を用いることにより５０Ｈｚの電圧を半サイクル印加する実験をおこなった。したがって第２実施形態において作成したＮｉ薄膜１２の抵抗は２ｃｍ当たり約１Ωとなるように設定している。このようにして構成した超電導ヒューズを液体窒素中で冷却し５０Ｈｚ、１５０Ａピークの連続通電を１時間行なったが、超電導ヒューズ１０の温度上昇は観測されなかった。一方、過電流を通電した場合の電流波形を図２９に示す。超電導体は電流が約４００Ａで局所的に断線し始め、その後アーク放電を発生することなしに電流を限流することに成功している。
【００７５】
実験終了後にヒューズを観測したところ、ＹＢＣＯ薄膜１４はＩｎ線１５により挟まれた領域すべてで断線していた。一方、同様の超電導特性を持つＹＢＣＯ薄膜を用い、Ｎｉ薄膜１２と電気的に接続する構成以外は同じ方法で作成したヒューズを用いて過電流を通電した場合の電流波形を図３０に示す。これより分かるように過電流が４００Ａ程度になると一度電流は抑制されるがすぐに電流は増大し、ヒューズを用いない場合とほぼ同程度の電流が流れ続けた。ヒューズが動作した際に大きなアーク放電が発生しており過電流はこのアークを介して流れ続けたものと考えられる。
【００７６】
以上の第２３実施形態に係る超電導ヒューズ１０においては、ＹＢＣＯ薄膜１４と導電性材料としてのニッケル薄膜１２とは、Ｉｎ線１５を用いて電気的に接続された構成となっていたが、迂回させるための導電線の橋絡部分の構成はこのインジウム線１５に限定されない。例えば、図３１および図３２に示す第２４実施形態に係る超電導ヒューズ１０Ａにおいては、ＹＢＣＯ薄膜１４の下側の表面に銀ペースト１７を塗布し、この面をＮｉ薄膜１２に密着させ熱処理することにより電気的に接続させている。ただし、この第２４実施形態の場合、超電導（ＹＢＣＯ）薄膜１４を作成した面をＮｉ薄膜１２側にしているので、電流端子１６を作成するためには、図３１の平面図に示すように、Ｎｉ薄膜１２を作成するためのＹＳＺ基板１１が１０ｃｍとなり、ＹＢＣＯ薄膜１４よりも短くしている。図３２は、図３１に示された超電導限流ヒューズをIII−III線で切断した断面図である。電流端子１６はＮｉ薄膜１２よりはみ出したＹＢＣＯ薄膜１４の両端とＮｉ薄膜１２の両端１ｃｍの領域に銀を厚さ２０μｍでペースト状に蒸着して形成した。このようにして作成した第３実施形態に係る超電導ヒューズ１０Ａも、第２実施形態と同じ電源を用いて試験をした結果、図２９および図３０に示された第２３実施形態のヒューズ１０の特性とほぼ類似の電流波形を示し、またアークも発生しなかった。
【００７７】
次に、図３３を用いて、本発明の第２５実施形態に係る超電導限流ヒューズについて説明する。第２５実施形態の超電導限流ヒューズの構成は、図２６ないし図２８に示す第２３実施形態に係る超電導限流ヒューズの構成と略同一である。第２３実施形態の場合、導電性薄膜としてのニッケル薄膜１２の抵抗を２ｃｍあたり１０００／４００Ωすなわち２．５Ωに高めても過電流分流の際のサージ電圧はあまり大きくないと推定される。
【００７８】
そこで、第２３実施形態の超電導限流ヒューズと導電性薄膜の抵抗が２ｃｍあたり２．５Ωであること以外には同じ構造をしたヒューズを作成して実験を行なったところ、ＹＢＣＯ薄膜１４の表面にアーク放電が発生した。その際の電流は、図３０に示す電流波形と同様の波形を示した。これは過電流が流れた際に超電導体が破壊され始める領域が狭く、サージ電圧が発生しなくても系統の電圧程度の電圧印加でも電界集中が大きくなり、アークが発生したためと考えられる。
【００７９】
すなわち、過電流を転流することにより過大なサージ電圧の発生を防ぐことにより限流ヒューズの特性は大幅に向上するがその表面の絶縁特性を向上することによりさらに特性の改善が図れることが分かる。一方、酸化物超電導体の冷却には一般に液体窒素が用いられているが、この実験の場合も同様であるが、電界集中が発生した場合には固体絶縁の方が耐電圧が高いことが知られている。したがって、導電性材料によりサージ電圧を防止すると共に、超電導体表面を絶縁性の固体によりコーティングすることにより、さらにアークの発生を抑制することができる。
【００８０】
そこで、第２５実施形態においては、図示説明は控えるが、導電性薄膜の抵抗が２ｃｍあたり２．５Ωであること以外は、第２３実施形態のヒューズと同様の構造の超電導限流ヒューズを作成し、さらにＹＢＣＯ薄膜表面を絶縁ワニスによりコーティングしたヒューズを作成した。さらに、この上にグリースを厚さ５ｍｍ程度塗布した。このグリースは、液体窒素温度では固化している。このようにして作成したヒューズを第２３実施形態の場合と同じ電源により実験を行った際の特性を図３３に示す。図３３より理解できるように、動作時にアークは発生せず過電流は充分に限流されることを確認した。この特性は限流開始電流値は第２実施形態の超電導ヒューズと同じであるが、動作後の通過電流はほぼ半分となっており電流抑制効果が大きく改善されていることが分かる。
【００８１】
次に、第２６実施形態に係る超電導限流ヒューズについて、図３４ないし図３６を参照しながら詳細に説明する。この第２６実施形態に係る超電導ヒューズ２０は全体の形状としては図３６に示すように円筒形状を有しており、芯となる超電導円柱２３の外周に所定の距離ずつ離隔させて銀線２４を巻回させ、円柱２３の外周側を導電性部材としての半円筒２１を２つ合わせて包囲する構成となっている。半円筒２１の前記銀線２４に対応する箇所には層状にニッケル薄膜２２が介挿されている。
【００８２】
この第２６実施形態においては、図３５に示すように、液体窒素中の臨界電流値が５００Ａ（アンペア）の実効値を有し、かつ、直径０．３ｃｍ、長さ１５ｃｍの円筒形状を有するビスマス系のバルク材より構成された超電導体２３を用いている。また、図３４に示すように、転流用導電性部材としては、図３５に示された円筒状の超電導体２３を中に入れることのできる寸法である外径５ｃｍ、内径直径０．４ｃｍ、長さ１３ｃｍのセラミック材料よりなる円筒体を縦に２分し、内側に転流用の金属線が入る溝が形成された導電性半円筒部材２１を用い、その表面にスパッタ法により介挿されたＮｉ薄膜２２が挟み込まれている。
【００８３】
本第２６実施形態のヒューズ２０は、Ｎｉ薄膜を作成した部材を２つ用いて超電導体を包み込むように構成した。この際セラミック材利用の表面にあるＮｉ薄膜と中心にある超電導体とを電気的に接続するために、まず、図３５に示すように約２ｃｍ間隔で銀線２４を超電導体の周りに設け、さらに熱処理によって接触抵抗を低減したものを半円筒状のセラミック性の部材２つで挟み込みさらに余った銀線をＮｉ薄膜を作製したセラミック性材料の表面に巻き付け、再度熱処理により電気的に接続した。このヒューズの外観は図３６に示すようになっている。ただし、実際に作成されたヒューズ２０は、その両端２ｃｍの領域にも銀により電流端子２５が形成されている。
【００８４】
転流用Ｎｉ薄膜２２の直径が超電導体と比べて非常に大きいのは転流時の温度上昇で金属薄膜自身が損傷しないように面積当たりの熱負荷を低減する目的で全体の面積を増加させたためである。この第２６実施形態に係る超電導限流ヒューズ２０を最大電圧１０００Ｖ、回路抵抗が０．２Ωの回路に装着して試験を行なったところ、過電流が１．５ｋとなったときに超電導体は断線したがその後アークを発生することもなく電流を抑制することに成功した。
【００８５】
なお、この超電導体２３と同様の超電導体は約１．５ｋＡで断線することが分かっているので、長さ２ｃｍあたりのＮｉ薄膜２２の抵抗は１０００／１５００Ωより小さくしておくことが重要であり、実際に作成したヒューズの場合には約０．５Ωとしている。このように設定しておくことにより、超電導体２３が多くの箇所で破損した場合には３Ω程度の抵抗が発生することが期待されるのに対して、実際の実験において発生した抵抗は２．８Ωであり、ほぼ予想どおりの抵抗が発生した。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の超電導限流ヒューズによれば電力系統に過電流が流れても絶縁基板に設けられた超電導薄膜が瞬時に溶断され、絶縁基板も同時に破壊されるので、過電流により超電導体が断線した際に交流の半波（１／４サイクル）時間程度の時間で電路を直ちに遮断することができる。また、瞬間的に電路が開かれるために大きなサージ電圧や局所的な電界集中が発生せず、その結果アークを生じさせることなく過電流を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の超電導限流ヒューズを示す断面図。
【図２】本発明の第２実施形態の超電導限流ヒューズを示す断面図。
【図３】本発明の第３実施形態の超電導限流ヒューズを示す断面図。
【図４】本発明の第４実施形態の超電導限流ヒューズを示す断面図。
【図５】本発明の第５実施形態の超電導限流ヒューズを示す断面図。
【図６】本発明の第６実施形態の超電導限流ヒューズを示す斜視図。
【図７】本発明の第７実施形態の超電導限流ヒューズを示す断面図。
【図８】本発明の第８実施形態の超電導限流ヒューズを示す断面図。
【図９】本発明の第９実施形態の超電導限流ヒューズを示す断面図。
【図１０】本発明の第１０実施形態の超電導限流ヒューズを示す断面図。
【図１１】本発明の第１１実施形態の超電導限流ヒューズを示す断面図。
【図１２】本発明の第１２実施形態の超電導限流ヒューズの第１例を示す断面図。
【図１３】本発明の第１２実施形態の超電導限流ヒューズの第２例を示す断面図。
【図１４】本発明の第１２実施形態の超電導限流ヒューズの第３例を示す断面図。
【図１５】本発明の第１３実施形態の過電流制御システムを示す回路図。
【図１６】本発明の第１４実施形態の過電流制御システムを示す回路図。
【図１７】本発明の第１５実施形態の過電流制御システムを示す回路図。
【図１８】本発明の第１６実施形態の過電流制御システムを示すブロック図。
【図１９】本発明の第１７実施形態の過電流制御システムを示すブロック図。
【図２０】本発明の第１８実施形態の過電流制御システムを示すブロック図。
【図２１】本発明の第１９実施形態の過電流制御システムを示すブロック図。
【図２２】本発明の第２０実施形態の過電流制御システムを示すブロック図。
【図２３】本発明の第２１実施形態の過電流制御システムを示すブロック図。
【図２４】本発明の第２２実施形態に係る超電導限流ヒューズを示す平面図。
【図２５】図２４に示す第２２実施形態において過電流が流れた際の転流を示す平面図。
【図２６】本発明の第２３実施形態に係る超電導限流ヒューズを示す平面図。
【図２７】図２６に示された超電導ヒューズをＩ−Ｉ線により切断した断面図。
【図２８】図２６に示された超電導ヒューズをII−II線により切断した断面図。
【図２９】本発明の第２３実施形態の超電導限流ヒューズの電流特性を示す波形図。
【図３０】第２３実施形態との比較のために作成した転流部分を有しないヒューズの電流特性を示す波形図。
【図３１】本発明の第２４実施形態の超電導限流ヒューズを示す平面図。
【図３２】図３１に示された超電導ヒューズをIII−III線により切断した断面図。
【図３３】本発明の第２５実施形態の限流ヒューズの特性を示す電流特性を示す波形図。
【図３４】第２６実施形態に係る超電導ヒューズのセラミック基板を示す斜視図。
【図３５】第２６実施形態に用いられる超電導体を示す斜視図。
【図３６】第２６実施形態の超電導限流ヒューズを組立てた状態を示す斜視図。
【符号の説明】
１ 超電導限流ヒューズ
３ 超電導部材（超電導薄膜）
４ 導電性部材
５ 転流用導電性部材（ブリッジ）
７ 通常通電路
８ 溶断領域
９ 溶断時通電路
１０ 超電導限流ヒューズ
１１ 多結晶化合物基板
１２ 導電性部材（ニッケル薄膜）
１３ 単結晶基板
１４ 超電導部材（薄膜）
１５ 転流用導電性部材（インジウム線）
１６ 端子
１７ 銀ペースト
２０ 超電導限流ヒューズ
２１ 半円筒導電性部材
２２ ニッケル薄膜
２３ 超電導部材（円柱）
２４ 銀線
２５ 銀電流端子
３０ 超電導限流ヒューズ
３２ 電極
３３ 絶縁基板
３４ 超電導薄膜
３５ 銀ペースト
３６ インジウム線
４０ 真空容器
４１ コールドヘッド
４２ 冷却装置
５０ 過電流制御システム
５１ 電直供給源
５２，５３ 開閉器
５４，５５超電導限流ヒューズ
５８ 電力需要側（負荷）
６１ 超電導線
７１ 電力供給源（発電装置）
７２ 超電導限流ヒューズ
７３ 電力需要側（負荷）
７４ 電力供給源（商用電力）
７５ 超電導限流ヒューズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流供給路に流れる短絡電流等の過大な電流から電力需要側の機器等を保護するために電流を限流する超電導ヒューズおよびこの超電導限流ヒューズを用いた超電導制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、電流供給路（電路）で短絡事故や地絡事故等が発生した場合、電力ケーブルやこの電流供給路に接続されている電力機器を保護するために、事故電流を高速で限流または遮断する必要がある。このような電力機器等の保護を目的として、過大な電流が流れた場合に素子の一部が溶断して回路を開くヒューズが用いられることが多い。しかしながら通常のヒューズは溶断部分に常電導体を用いているために、通常の通電時においても常に発熱している。したがって、通常の通電電流値はヒューズの溶断電流値よりもかなり小さく、例えば１０分の１程度にしておかなければ、通常通電時にヒューズの温度が上昇してしまうことになる。
【０００３】
換言すると、溶断電流の大きさは通常の通電電流値よりもかなり大きく設定しなければならず、この結果、事故電流は抑制されるものの、一部は非常に大きな事故電流が流れてしまう。そこで、通常通電時は溶断部分に電流を流さず、過電流が流れた場合のみ電流を溶断部分に転流させることにより、通常通電電流値の数倍程度でも電流供給路を遮断する方法も提案されている（特公平７−７３０２４号公報参照）。
【０００４】
しかしながら、この方法によれば過電流が流れたことを検出する検出手段が必要となり、また電流を転流させるための手段も必要となるなど装置構成が複雑になるという問題点があった。そのため、ヒューズの溶断部分を超電導体により構成して過電流が流れた場合に超電導体がクエンチする現象を利用したヒューズが幾つか提案されている（特開平８−２３６８２２号公報、特開平８−８７９４８号公報）。この明細書において、「クエンチ」とは超電導体が部分的に常電動状態に転移することをいう。
【０００５】
上記の先行技術文献に記載されている超電導体を用いたヒューズによれば、通常通電時の発熱は殆ど無視することができ、さらに超電導体の臨界電流値を超える電流が流れると、超電導体は速やかに常電導状態へと転移（クエンチ）するため多量のジュール熱が発生し始め、超電導体は断線し回路は開極されることになる。つまり、超電導体を用いたヒューズにおいては、通常通電電流と超電導体の臨界電流値を同程度の値に設定することにより、通常通電電流の数倍の過電流が流れると、超電導体が断線し、回路が開極するようなヒューズを非常に簡単な構成により得ることが可能となる。
【０００６】
このように、従来の超電導ヒューズは超電導体を電路に直列に接続することにより構成されているので、電路に過電流が流れた場合に超電導体が溶断・破壊されて電路が遮断される。したがって、通常の通電時には超電導体のいわゆる交流損失以外の損失が発生せず温度も殆ど上昇しない。また、通常の通電電流値と超電導体の臨界電流値が近い場合には通常の通電電流より大きい過電流が流れると超電導体には速やかに発熱が生じ、過度の温度上昇や熱衝撃などにより超電導体が溶断または破壊されて回路は開極される。
【０００７】
このような超電導限流ヒューズを用いる電力配電系統においては、短絡事故などにより過電流が流れるのを交流の半波（１／４サイクル）程度の時間内で阻止することが強く望まれている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の超電導限流ヒューズを用いた過電流制御システムにおいては、短絡事故などにより過電流が流れた場合に、交流の半波（１／４サイクル）程度の時間内で阻止することが強く望まれているにも拘わらず、この程度の時間内でシステムを開くことができなかったできなかった。このような短絡事故によりヒューズが即時に切断されるようにするためには、通常のヒューズによれば定格容量に対してぎりぎりの容量にしておく必要があり、この場合には通常通電時にかなりの発熱を伴うことになる。この通常通電時の発熱を防止するために断面積の大きなヒューズを用いると、定格電流よりも遙かに大きな電流が流れなければヒューズは切断されないばかりでなく、半波程度の時間内では到底切断されないという問題がある。
【０００９】
このため、電力配電系統の電路に用いられる限流ヒューズを超電導体により構成すると、通常の通電電流値が超電導体の臨界電流値以下であれば発熱はなく、それ以上の電流が電力配電系統に流れると急激に大きな抵抗が発生するため短時間で切断される。ただし、限流ヒューズに用いられる超電導体が焼結体である場合には、この超電導体の臨界電流密度は小さくなっており、この超電導体に大電流を流すために体積を大きくして構成すると、半波程度の時間内で限流ヒューズが溶断されることはなく、上記問題は解決されないことになる。したがって、半波時間内でヒューズが溶断される程度には臨界電流密度の大きい超電導体により限流ヒューズを構成する必要がある。
【００１０】
本発明は上述した種々の問題を解決するためになされたものであり、電力配電系統おいて用いられた場合でも充分な臨界電流密度により半波程度の極めて短い時間内に確実に電路を開放することのできる超電導限流ヒューズおよびこれを用いた過電流制御システムを提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る超電導限流ヒューズは、電力需要側に電力供給源から必要な電力を供給する電力供給線に介挿され、前記電力供給源、電力供給線および電力需要側を含む電力系統に所定値以上の過電流が流れたときに切断される超電導部材と、この超電導部材が切断されたときに超電導部材の切断箇所を迂回して電流を供給するように前記電力供給線または超電導部材に接続された転流用の導電性部材と、を備え、前記超電導部材は、電気的絶縁性を有する絶縁基板上に積層された酸化物超電導膜により形成されており、前記酸化物超伝導膜に対してのみ液体窒素を接触させ、前記酸化物超伝導膜に臨界電流以上の電流が流れたとき前記酸化物超伝導膜は常電導に転移して発熱し、前記発熱した熱の熱衝撃及び前記熱により沸騰して気化した前記液体窒素の圧力で前記超電導部材が割れて切断されることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項２に係る過電流制御システムは、電力供給源と、電力需要側と、これら電力供給源および電力需要側の間に設けられる電力供給線と、前記電力供給源、電力供給線および電力供給側を含む電力系統に所定値以上の過電流が流れたときに前記電力供給線を遮断するように設けられた限流ヒューズとを備えるものであって、前記限流ヒューズは、前記電力供給線および電力需要側を含む電力系統に所定値以上の過電流が流れたときに切断される超電導部材と、この超電導部材が切断されたときに超電導部材の切断箇所を迂回して電流を供給するように前記電力供給線または超電導部材に接続された転流用の導電性部材と、を備え、前記超電導部材は、電気的絶縁性を有する絶縁基板上に積層された酸化物超電導膜により形成されており、前記酸化物超伝導膜に対してのみ液体窒素を接触させ、前記酸化物超伝導膜に臨界電流以上の電流が流れたとき前記酸化物超伝導膜は常電導に転移して発熱し、前記発熱した熱の熱衝撃及び前記熱により沸騰して気化した前記液体窒素の圧力で前記超電導部材が割れて切断される超電導限流ヒューズであることを特徴としている。
【００２２】
また、請求項１又は請求項２の構成によれば、超電導部材が切断されたときに超電導材料の切断箇所を迂回して電流を供給するように前記電力供給線または超電導部材に接続された転流用の導電性部材を備えているため、電力供給線（電路）に過大電流が一時的に流れて超電導部材が切断された場合であっても、事故電流は超電導部材を迂回して例えば並列に接続されている転流用の導電性部材に流れるので、超電導限流ヒューズが設けられた配電系統を流れる電力は時間的な遅れを経ずに直ちに転流されることになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る超電導限流ヒューズの実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。個別的な実施例を説明する前に、本発明の基本的な構成を示す第１実施形態の超電導限流ヒューズについて図１を用いて説明する。図１は第１実施形態に係る超電導限流ヒューズの構成を示す断面図である。
【００２４】
図１において、超電導限流ヒューズ３０は、絶縁性支持基材３１上に電極３２，３２を設け、この電極３２間に絶縁基板３３と超電導薄膜３４とを積層させて載置し、超電導薄膜３４の縁部分に銀箔層３５を介してインジウム片３６をあてがった後、このインジウム片３６の外端側を締め付け部材３７のクランプにより固定して構成されている。
【００２５】
図１においては、厚さが５ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ以下のＳｒＴｉＯ3 ，ＬａＡｌＯ3 ，ＹＳＺ（Y stabilized Zilconia），Ａｌ2 Ｏ3 などの単結晶あるいは多結晶基板３３上に直接あるいは基板と超電導体薄膜３４との反応を防ぐバッファ層を介して成膜する。超電導薄膜３４の幅および厚さは電流容量によって決まる。例えば、通常通電容量が１００Ａの時は臨界電流密度Ｊｃが１×１０6 Ａ／ｃｍ2 であれば１ｃｍ、厚さ１μｍで良い。また、Ｊｃが低いと厚さを増やす必要があるが通常２μｍ程度を超えて厚くしても臨界電流Ｉｃはふえない。したがって、膜の幅を広くするｌｐｔｐが必要になるが、基板が効果になる上に動作時に破壊されにくくなり好ましくない。、よって、臨界電流密度Ｊｃは１×１０5Ａ／ｃｍ2 以上であることが望ましいことになる。幅１ｃｍ長さ１０ｃｍの基板に１μｍのＹＢＣＯを成膜した後、両端１ｃｍずつの箇所に銀箔（Ａｇ）などの超電導体と接触抵抗が低い金属を１００ｎｍから５００ｎｍ成膜し１気圧酸素中、４００℃から５００℃で１時間アニールした。これにより更に接触抵抗を低くすることができる。
【００２６】
上記超電導部材は、図１に示すように、電気絶縁性支持基材３１上に乗せてインジウム（Ｉｎ）などの導電性が高く展性に富んだ材料からなるワイヤー、箔あるいは板などを用いて電極３２に接続する。このようにした部材に臨界電流以上の電流が流れると常伝導に転移し発熱する。その熱衝撃および周囲の液体窒素が沸騰するときの体膨張により本発明の部材は基板が薄いため割れる。
【００２７】
次に、図２に示す第２実施形態に係る超電導限流ヒューズを説明する。第１実施形態と同様にして作成した超電導部材を図２に示すようにＹＢＣＯを成膜した基板３３および薄膜３４の両端だけを電極３２により支持し、液体窒素中に浸漬する。このように基板３３および薄膜３４の中間を支えずに使用した場合、薄膜に臨界電流以上の電流が流れ常電動に転移して発生した熱により沸騰して気化した液体窒素の圧力で基板が割れる。以上説明したように基板ごと部材の一部がなくなるため電圧のかかっている間に十分な距離ができることおよび液体窒素中であるためアーク放電が生じにくくなり、半波時間程度の短時間でのヒューズの溶断が可能となる。
【００２８】
図３に示す第３実施形態は、ＹＢＣＯ膜３４上に設けた銀箔（Ａｇ）３５に直接あるいはＩｎの箔などを介してボルト３８を接触させて電流を流す。この場合は基板３３の両端を上下でしっかり固定しているため動作時に、より破壊しやすい。なお、ボルト３８は電極ブロックよりも熱膨張率の小さい材料を用いると冷却時の熱収縮により、さらに強く接触することになるので、より好ましい効果が得られる。
【００２９】
その他の使用方法を以下に示す。なお、以下の実施形態においては図１と同一符号を付すことにより同一構成要素を示すものとして、重複説明を省略する。図４に示す第４実施形態においては、部材を第３実施形態とは裏表逆に取り付けることで電極ブロック３２と超電導薄膜３４との接触面積を大きくすることができる。
【００３０】
また、図５に示す第５実施形態においては、セラミクス、硬質プラスチックなど剛性の高い絶縁体３１を、基板３３および超電導薄膜３４よりなる部材の下面に一定の距離をおいて対向させる。離間させる距離は０．１ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、１ｍｍ以上２０ｍｍ以下であればさらに好ましい。この構成によれば気化した窒素の圧力をより効果的に使うことができ破壊力はより高くなる。
【００３１】
図６に示す第６実施形態においては、一部に凹部３９を設けた絶縁性支持材３１上に凹部３９をふさぐようにＹＢＣＯ薄膜３４の膜面を下にして基板３３よりなる部材を取り付ける。ＹＢＣＯ薄膜３４の発熱により凹部３９内のの液体窒素が気化して導電性部材３３を破壊する。
【００３２】
次に、本発明に係る超電導限流ヒューズのより実用的な実施形態として第７実施形態について説明する。超電導ヒューズは、現在のところ常温では超電導状態を維持することが難しいため、何らかの冷却機構を設ける必要がある。したがって、図７に示される第７実施形態においては、図１に示す第１実施形態に係る超電導ヒューズ３０を気密可能な真空容器４０内に封入し、絶縁基板３１上に載置する。
【００３３】
真空容器４０内では、コールドヘッド４１を介して容器の外部より冷凍機４２により冷却する。このような構成とすることにより、液体窒素を補給する必要がなくなる。コールドヘッド４１がクライオポンプの役割を果たすので１０−６Ｔｏｒｒ以上の真空が保たれるためＹＢＣＯ薄膜の劣化がなく、また動作時に放電しにくくなり、その結果、高速動作が可能になるというこの第７実施形態に特有の効果を奏する。
【００３４】
図８に示す第８実施形態に係る超電導限流ヒューズにおいては、真空容器４０を図示省略して、コールドヘッド４１および超電導ヒューズ３０のみを示している。すなわち、コールドヘッド４１上にＡｌＮ，ＢＮなどの熱伝導率が大きな絶縁体３１を介して２つの電極ブロック３２を２ｍｍ以上１００ｍｍ以下の距離だけ離間させて対向配置している。このような所望の距離だけ離間させて電極ブロック３２を対向させることにより、超電導薄膜の冷却を充分に行なうことができると共に、アークの発生を防止することもできる。
【００３５】
なお、上記第８実施形態においては、電極ブロック３２の離間距離を２ｍｍ以上１００ｍｍ以下として説明したが、この数値には特に限定されず、超電導薄膜３４を積層した絶縁基板３の長さの０．５倍以下としても良い。この場合、例えば絶縁基板３３の長さ好ましくは絶縁基板３３の長さが３００ｍｍ以上であるときには電極ブロック３２の離間距離は１５０ｍｍ以下となる。さらに好ましくは、絶縁基板３３の長さの０．２倍以下の距離をおいて載置するようにしても良い。電極ブロック３２の離間距離がこれらの範囲から外れた場合には、上述したように、狭いときはアークが飛ぶことになり、また、広いときには超電導薄膜３４の冷却が不充分になる。
【００３６】
図８に示すように構成することにより、超電導薄膜３３の中間部分の温度が僅かに高くなるが、過電流が流れた場合は必ずその温度の高い箇所が破壊されるという特有の効果がある。また、図８に図示のものの絶縁基板３３の両面に超電導薄膜３４を成膜することにより、電流容量を２倍にすることができる。
【００３７】
次に、図９に示す第９実施形態に係る超電導限流ヒューズは、真空容器４０およびコールドヘッド４１共に図示省略されているが、電極３２のブロックと２つの導電性部材３３，３３とそれぞれの外側の面に積層された超電導薄膜３４とによりヒューズの本体を構成し、このままの状態で図示されないコールドヘッド上に載置した場合を平面図により表している。勿論コールドヘッドとヒューズ本体との間には絶縁体が介挿されている。このような図９に示す第９実施形態に係る超電導限流ヒューズを適用することによっても電流容量を２倍にすることが可能となる。
【００３８】
図１０に示す第１０実施形態においては、超電導薄膜３４の膜面同士を向き合わせるように、２つの導電性部材３３のそれぞれ内側に設けるようにしている。その他の構成は図９に示す第９実施形態と同様である。このような構成の第１０実施形態に係る超電導ヒューズによっても、超電導薄膜３４と電極ブロック３２との接触面積が増え、動作的に超電導薄膜が蒸発しても基板３３間に挟まれているため大きなアークが飛ばないという特有の効果を奏する。
【００３９】
また、図１１に示す第１１実施形態に係る超電導ヒューズは、図９および図１０にそれぞれ示された第９および第１０実施形態の超電導ヒューズを組み合わせた構成を有しており、導電性の基板３３の両面にそれぞれ超電導薄膜３４を成膜することにより電流容量は、図１０に示される超電導ヒューズの２倍にすることができる。超電導限流ヒューズを大容量化するためには、このようなユニットを複数コールドヘッド上に乗せ、並列に接続すれば良い。
【００４０】
次に、図１２ないし図１４を用いて、本発明の第１２実施形態に係る超電導限流ヒューズについて説明する。この第１２実施形態は、後述する過電流制御システムに用いられることに鑑みて、超電導ヒューズの構成をより実用化し易い構成として具体的な構成を提案するものであり、第１例ないし第３例を例示した。
【００４１】
図１２に示した第１２実施形態の第１例は、超電導部材３４を介してビスマス（Ｂｉ）系の銀シース超電導線６１が接続されている。液体窒素等の超電導線６１の冷媒６２を部材３４の冷却に使用でき、これにより短絡事故による過電流でケーブル全体がクエンチすることがなくなった。
【００４２】
図１３に示す第１２実施形態の第２例は第１例のものに対して仕切り６３を設け、冷媒６２をしきり６３の両側で別々に対流させるようにしたものである。シースに包まれたビスマス系の超電導体６１の中心側の中空により供給された冷媒６２は超電導体６１の外周側へと循環している。このような構成によっても、超電導部材３４とビスマス系超電導体６１との冷却を１つの冷却機構により行なうことができる。
【００４３】
図１４に示す第１２実施形態の第３例は、超電導ヒューズを幾つかの部材６４に分割してこれをクランプ部材６５によりクランプして長尺な電力供給路を一体的に形成している。図中斜線を付した絶縁部材６６により所定の箇所が絶縁されており、矢印に示されるような経路により冷媒が循環されている。符号６７は銀シースを有する超電導線である。
【００４４】
以上のような構成により第１２実施形態に係る第１例ないし第３例の超電導ヒューズにより超電導部材３４の冷却とビスマス系超電導線との冷却を液体窒素により行なうことができる。このような構成により超電導ヒューズおよびこれを用いた過電流制御システムの実施化を一層容易にすることができ、上述した実施形態に適用することによって一層効果的なものとなる。
【００４５】
なお、本発明に係る超電導限流ヒューズにおいては、短絡事故により過電流が流れて超電導部材が溶断・破壊されて電路が遮断された後、事故が回復したか否かを瞬時に確認し、再閉路することが必要であるが、このような課題を達成するためには、本出願人は以下のような構成を有する過電流制御システムにより電力の供給を行なうことを提案する。
【００４６】
すなわち、このような過電流制御システムは、電力供給源と電力需要側との間に介挿されて定格電流以上の過電流が流れるのを阻止するものにおいて、前記定格電流以上の過電流が流れるのを阻止する超電導限流ヒューズが複数セット設けられると共に、電力需要側の機器における短絡の有無を検知する検知機構からの信号に基づいて、前記複数セットの超電導限流ヒューズが切替可能に設けられていることを特徴としている。
【００４７】
このような基本的な構成を有する過電流制御システムの具体的な実施形態について、以下に説明する。まず、図１５は第１３実施形態に係る過電流制御システムの回路構成を示す回路図である。図１５において、過電流制御システム５０は電源５１と負荷５８の間に開閉器５２，５３を介して２組の超電導ヒューズ５４および５５が接続されている。また、負荷５８と並列に開閉器５６を介して電源５１よりも電圧の低い小型の電源５７が接続されている。
【００４８】
通常は、開閉器５２のみがＯＮとなっており、負荷５８が短絡すると過電流が流れようとする。この過電流が流れると、１／４サイクル以内の時間で超電導部ヒューズ５４は切断される。その後、開閉器５２はＯＦＦになるが、この開閉器５２をＯＦＦとした信号に基づいて、開閉器５６が負荷５８の回路を閉路する。このとき、図示されない電流計などの測定装置を用いて負荷のインピーダンスを測定し、負荷５８の短絡が回復している場合には開閉器５６をＯＦＦにして開閉器５３をＯＮにする。
【００４９】
このようにして、回路全体としては再閉路して、その間に切断された超電導ヒューズ５４を交換することができる。以上のように構成することにより、この第１７実施形態に係る過電流制御システムによれば、回路を高速で再閉路することが可能になり、停電時間を短くすることができる。
【００５０】
次に、図１６を参照しながら第１４実施形態に係る過電流制御システムについて説明する。図１６において、第１４実施形態に係る過電流制御システム５０の超電導ヒューズ５４，５５のそれぞれには、抵抗値Ｒ１およびＲ２をそれぞれ有する抵抗５９および６０がそれぞれ並列に接続されている。通常は、開閉器５２が閉路しているので超電導部材５４にだけ電流が流れており、過電流が流れると抵抗５９（Ｒ１）に電流が分流する前に超電導ヒューズ５４の超電導部材が切断される。その後、直ちに開閉器５２がＯＦＦになるが、再度ＯＮし抵抗に流れる電流を図示しない電流計で測定し定格以内である場合には、開閉器５２をＯＦＦし開閉器５３をＯＮにする。この場合、抵抗５９（Ｒ１）と外部負荷５８との間には以下のような関係が成り立つことが望ましい。
【００５１】
0．５Ｒ≦Ｒ１≦５Ｒ
これより、抵抗値が小さいと開閉器の容量内に収まらない可能性が生じ、これよりも抵抗値が大きいと短絡が回復したか否かの判断がしにくくなるので好ましくない。
【００５２】
次に、図１７に示す第１５実施形態に係る過電流制御システムについて説明する。図１７において、通常は開閉器５２がＯＮとなり、開閉器５３がＯＦＦとなっている。負荷（図１７には図示せず）側の事故により超電導ヒューズ５４の超電導部材が切断された後、開閉器５２は一旦ＯＦＦになるが、再度ＯＮとなって抵抗５９（Ｒ１）を介して電流を流す。このとき、電流値が定格以内であればＯＮになるが、定格以上の場合にはその電流による電磁力の反発でＯＮにならないような開閉器５３を接続しておくと良い。これにより事故が復帰していれば超電導ヒューズ５５を介して電流を供給することができ、その間に超電導ヒューズ５４を交換することができる。超電導ヒューズ５４が交換された後に、外部信号により開閉器５３をＯＦＦにする。
【００５３】
最後に、本発明に係る超電導限流ヒューズを用いた過電流制御装置の第１６ないし第２１実施形態を図１８ないし図２３を用いて説明する。これら第１６ないし第２１実施形態に係る過電流制御システムは、何れも電力供給源としての発電装置７１と、超電導限流ヒューズ７２と、負荷７３と、を少なくとも有する構成となっている。
【００５４】
本発明に係る超電導限流ヒューズ７２は、自己発電装置７１からなる配電システムに用いると連結機器の事故で過電流が流れようとした場合に、自己発電装置７１を守ることができる。すなわち、通常では定格を大きく上まわる過電流が急激に流れた場合、発電装置７１の負荷７３が急激に変動することにより発電装置７１が破壊されてしまうことがあるからである。図１８に示す第１６実施形態のように、発電装置７１から本発明に係る超電導ヒューズ７２を介して複数の配電系統（負荷）７３に分岐している場合には、定格を大きく上まわる電流が流れることは無い。
【００５５】
また、図１９に示す第１７実施形態のように、各配電系統（負荷）７３に各々本発明による超電導ヒューズ７２を挿入しておくと、事故が発生した特定の負荷７３の系統だけを遮断することができ、システム全体を停止させることがなくなって、より好ましい結果が得られる。また各超電導ヒューズ７２の通電容量はそれぞれ小さくて済むことになる。
【００５６】
さらに、システムでの使用電力に時間的変動があり、それに伴う過不足を系統の商用電力７４と接続し受電あるいは売電することで対応している場合、図２０に示す第１８実施形態のように、発電装置７１と系統の商用電力７４を本発明による超電導ヒューズ７２を介して接続しておくと、商用電力７４側で事故が起こった場合にも自己発電装置７１を守ることができるので好ましい。
【００５７】
また、図２１に示す第１９実施形態のように、システム内の負荷７３と商用電力７４の間にも超電導ヒューズ７５を挿入しておくと、負荷７３側で事故が起こった場合に商用電力７４側に影響を及ばさなくて済み、事故発電装置７１にたいしても商用電力７４に対しても好ましい効果がある。。
【００５８】
また、図２２および図２３にそれぞれ示す第２０および第２１実施形態のような接続方法でも同様の効果が期待できる。図２２に示す第２０実施形態に係る過電流制御システムは、商用電力７４と発電装置７１との間には超電導ヒューズ７５が介挿されており、商用電力７４と負荷７３とのそれぞれの間には超電導ヒューズ７２がそれぞれ設けられている。また、図２３に示す第２１実施形態に係る過電流制御システムは、図１９に示す第１７実施形態のシステムに対して超電導ユー図７５を介して商用電力７４が接続されたような構成を有している。
【００５９】
特に、図２３に示す第２１実施形態のように接続した場合には、各超電導ヒューズ７２および７５の容量も小さくて済み、負荷７３側、商用電力７４側の何れにおいて事故が発生しても、他の負荷７３や発電装置７１，商用電力７４等に与える影響が少なくなる。なお、図２３に示す第２１実施形態を例にとると、通電容量には以下の関係が成り立つことが望ましい。
【００６０】
負荷１：Ｉ１
負荷２：Ｉ２
負荷３：Ｉ３
負荷ｎ：Ｉｎ
システム−商用電力間：Ｉ
最大負荷：Ｉｍａｘとすると、
Ｉｍａｘ≦Ｉ≦Ｉ１＋Ｉ２＋１３＋…＋Ｉｎ
となる。
【００６１】
なお、上述した第１ないし第２１実施形態の超電導限流ヒューズおよびこれを用いた過電流制御システムにおいては、超電導体が過電流により発熱を始めてから破壊されるまでの時間は、一般に極めて小さくこのプロセスにより電路は瞬時に開極される。このため、超電導体の断線部分には回路電圧のみならず大きなサージ電圧が重畳されることになる。また、一般に過電流により超電導体の断線は局所的に発生するために断線部分の電界強度は著しく大きな値となり、超電導体断線に伴いこの部分に大規模なアークが発生することになる。ひとたび大規模なアークが発生すると、この部分での電圧降下はほとんど期待されず、電流が零となる迄大きな事故電流が流れ続けてしまうことになる。
【００６２】
つまり、上述の実施形態に係る超電導限流ヒューズは、従来構成の超電導限流ヒューズと同様に、ヒューズの動作開始電流値を小さく設定することができるとはいえ、１度は大きな事故電流が流れてしまう虞がある。したがって、超電導体を用いたヒューズが高速で電流を限流または遮断し、過大な事故電流を１度でも流さないようにするためには、超電導体が破壊された場合でも過大な電圧が発生せず、大規模なアーク放電を防ぐための機能が付与されていることが望ましい。以下に説明する実施形態は、このようなアーク放電を防止する機能を付加した超電導限流ヒューズに関するものである。
【００６３】
図２４において、超電導限流ヒューズ１は、図示されない電力供給線に接続されている端子２と、これら端子２の対向する部分に並列に接続された超電導部材３および転流用導電性部材４と、超電導部材３および導電性部材４の対向する側面を接続する橋絡用の導電性部材５と、を備え、橋絡用の導電性部材５は、複数の電気的絶縁線６により各々がブリッジと呼ばれる複数部分、図２４および図２５では５つのブリッジ５ａないし５ｅに電気的に分離されている。超電導部材３および導電性部材４，５は、図２４の平面図に示されるように第２２実施形態においては薄膜状に形成されており、通常の通電電流７は図２４の点線により示される経路を流れている。
【００６４】
超電導体の一部分が破壊された場合に大きなサージ電圧を発生させないためには事故電流を急激には零としないことが必要であり、このため、第２２実施形態に係る超電導限流ヒューズにおいては、図２４に示されるように、超電導部材１と導電性部材２により構成され、これらが導電性のブリッジ５ａないし５ｅにより並列に接続されていることが必要である。このように構成されたヒューズが超電導体の転移温度以下に冷却されており、端子２より電流を流した場合、通常の通電電流７は図２４の点線により示したように超電導体３を通して流れるためにほとんど発熱しない。
【００６５】
一方、過大な電流が電路を流れることにより超電導部材３の一部の領域８が局所的に常伝導状態に転移（クエンチ）すると、ジュール熱が発生し始めて、これによりこの領域８の超電導体が溶断または破壊されたときには、過大電流は直ちに導電性部材４および５側に転流するようにヒューズを構成する。具体的には、図２５に示すように、超電導部材３の溶断部分である領域８を迂回するブリッジ５ｂと５ｄとを介して迂回電流路９が図２５の点線で示すように形成されることになる。
【００６６】
ただし、事故電流が導電性材料に転流したことにより急激に抑制されるように導電性材料の抵抗を設定するとやはり過大な電圧が発生する。したがって、転流により電流を抑制しても、抑制の度合いを大きくし過ぎないように設定しなければならない。このとき発生する電圧の許容範囲は電源電圧が一つの目安となる。電力機器内部や機器のアースに対する耐電圧などは一般にこの機器に電力を供給する電源の電圧を大きく超えるものではないために、仮にヒューズ内部でアークが発生しなくてもそれ以外の場所で機器の耐電圧を超えてしまう可能性があるからである。
【００６７】
一方、超電導体と導線性材料がそれぞれの両端のみで接続されている場合には超電導体が一個所でも断線すると転流電流は導電性材料の端から端まで流れることになる。したがって上に記した条件を科すと導電性材料の全抵抗は過電流が流れたときでも電源電圧程度の電圧しか発生させることができない。これは逆に言えばこのヒューズでは過電流を抑制できないことを意味する。以上のことより分かるように超電導体と導電性材料は少なくとも３ケ所以上で接続されるかまたは超電導体の表面が後述する実施形態のように面接触により導電性材料と電気的に接続されている必要がある。
【００６８】
このような構成においては超電導体のどこか一個所が断線した場合、図２５に示すように、過電流が導電性材料の一部の領域８を迂回して流れるように転流する。上述のように、この領域８だけでは抵抗を発生しないが、さらに過電流が流れ続けることにより、他の領域でも超電導体が断線しはじめる。これらの領域の導電性材料の抵抗分を足し上げることにより最終的には過電流を限流するのに充分な抵抗が発生するのである。以上のように超電導体のクエンチ現象を利用した限流ヒューズの場合、複数個所で超電導体が断線することが重要であるが超電導体として薄膜超電導体を用いた場合には基板との熱膨張係数の違いなどのためにバルク材を用いた場合に比べて比較的短時間で複数個所を断線させることが容易であり、ヒューズに用いる超電導体としてはより優れているといえる。
【００６９】
また、超電導体表面に例えばシース等の固体絶縁を施しておくことにより、超電導体が伝導冷却されていたり冷媒の中に直接浸けられていたりして超電導体の表面が真空中または気体中に晒されている場合と比べて、よりアークの発生を防ぐことができる。
【００７０】
次に、上述した第２２実施形態に係る超電導限流ヒューズのより詳細な構成を有する第２３実施形態に係る超電導限流ヒューズについて図２６ないし図３０を参照しながら説明する。図２６は第２３実施形態に係る超電導限流ヒューズを示す平面図、図２７および図２８は図２６におけるＩ−Ｉ線、II−II線でそれぞれ切断した断面図である。図２９および図３０は第２実施形態に係る超電導ヒューズの作用・効果を説明するための特性図である。
【００７１】
図２６ないし図２８において、超電導ヒューズ１０は、多結晶ＹＳＺ基板（Y Stabilized Zilconia） により形成さえた基板１１と、この基板１１上に形成されたニッケル等の薄膜１２と、ラジウム・酸化アルミニウム（ＬａＡｌＯ3 ）等の単結晶基板１３と、この単結晶基板１３上に積層形成された超電導部材としての超電導薄膜１４と、これら全体の表面に形成された転流用の導電性部材としてのインジウム（Ｉｎ）線１５と、ヒューズ１０の両端に設けられた端子１６と、を備えている。
【００７２】
この超電導ヒューズとしては、幅１０ｍｍ、長さ１２０ｍｍのＬａＡｌＯ３ 単結晶基板１３上にレーザー蒸着法等により形成した超電導（ＹＢＣＯ）薄膜１４は、厚さが約１μｍであり液体窒素中での臨界電流値は１５０Ａであった。また過電流分流用の導電性部材としては、長さ１２０ｍｍ、幅５０ｍｍの多結晶ＹＳＺ基板１１上にスパッタ法により形成した厚さ１００ｍｍのＮｉ薄膜１２を使用した。この膜厚は後述するように、長さ２ｃｍあたりの抵抗が１Ωとなるように決定された値である。次に、Ｎｉ薄膜１２およびＹＢＣＯ薄膜１４が形成された面を上にして、ＬａＡｌＯ3 基板１１を置き、約２ｃｍ間隔でＩｎ線１５を押し付けることによりＹＢＣＯ薄膜１４とＮｉ薄膜１２とを電気的に接続した。また両端の１ｃｍ程の領域は電流端子１６として用いている。
【００７３】
図２６ないし図２８より分かるように、この構造の超電導ヒューズ１０はＹＢＣＯ薄膜１４が過電流により局所的に断線した場合、ＹＢＣＯ薄膜１４を挟むように設けられているＩｎ線１５を通って長さ約２ｃｍの領域のＮｉ薄膜１２に過電流が流れる。一方、ここで使用しているＹＢＣＯ薄膜１４と同じ方法で作成し、同じ臨界電流値を持つＹＢＣＯ薄膜は約４００Ａの過電流が流れると局所的にクエンチして断線した。したがって、この長さ２ｃｍのＮｉ薄膜１２への転流により回路電圧程度の電圧しか発生させないためには最大回路電圧をＶとしたときに長さ２ｃｍのＮｉ薄膜１２の抵抗は最大でもＶ／４００Ω程度にしなければならない。
【００７４】
この第２３実施形態に係る超電導ヒューズ１０の場合、最大電圧１０００Ｖの交流電源と１Ωの回路抵抗を用いることにより５０Ｈｚの電圧を半サイクル印加する実験をおこなった。したがって第２実施形態において作成したＮｉ薄膜１２の抵抗は２ｃｍ当たり約１Ωとなるように設定している。このようにして構成した超電導ヒューズを液体窒素中で冷却し５０Ｈｚ、１５０Ａピークの連続通電を１時間行なったが、超電導ヒューズ１０の温度上昇は観測されなかった。一方、過電流を通電した場合の電流波形を図２９に示す。超電導体は電流が約４００Ａで局所的に断線し始め、その後アーク放電を発生することなしに電流を限流することに成功している。
【００７５】
実験終了後にヒューズを観測したところ、ＹＢＣＯ薄膜１４はＩｎ線１５により挟まれた領域すべてで断線していた。一方、同様の超電導特性を持つＹＢＣＯ薄膜を用い、Ｎｉ薄膜１２と電気的に接続する構成以外は同じ方法で作成したヒューズを用いて過電流を通電した場合の電流波形を図３０に示す。これより分かるように過電流が４００Ａ程度になると一度電流は抑制されるがすぐに電流は増大し、ヒューズを用いない場合とほぼ同程度の電流が流れ続けた。ヒューズが動作した際に大きなアーク放電が発生しており過電流はこのアークを介して流れ続けたものと考えられる。
【００７６】
以上の第２３実施形態に係る超電導ヒューズ１０においては、ＹＢＣＯ薄膜１４と導電性材料としてのニッケル薄膜１２とは、Ｉｎ線１５を用いて電気的に接続された構成となっていたが、迂回させるための導電線の橋絡部分の構成はこのインジウム線１５に限定されない。例えば、図３１および図３２に示す第２４実施形態に係る超電導ヒューズ１０Ａにおいては、ＹＢＣＯ薄膜１４の下側の表面に銀ペースト１７を塗布し、この面をＮｉ薄膜１２に密着させ熱処理することにより電気的に接続させている。ただし、この第２４実施形態の場合、超電導（ＹＢＣＯ）薄膜１４を作成した面をＮｉ薄膜１２側にしているので、電流端子１６を作成するためには、図３１の平面図に示すように、Ｎｉ薄膜１２を作成するためのＹＳＺ基板１１が１０ｃｍとなり、ＹＢＣＯ薄膜１４よりも短くしている。図３２は、図３１に示された超電導限流ヒューズをIII−III線で切断した断面図である。電流端子１６はＮｉ薄膜１２よりはみ出したＹＢＣＯ薄膜１４の両端とＮｉ薄膜１２の両端１ｃｍの領域に銀を厚さ２０μｍでペースト状に蒸着して形成した。このようにして作成した第３実施形態に係る超電導ヒューズ１０Ａも、第２実施形態と同じ電源を用いて試験をした結果、図２９および図３０に示された第２３実施形態のヒューズ１０の特性とほぼ類似の電流波形を示し、またアークも発生しなかった。
【００７７】
次に、図３３を用いて、本発明の第２５実施形態に係る超電導限流ヒューズについて説明する。第２５実施形態の超電導限流ヒューズの構成は、図２６ないし図２８に示す第２３実施形態に係る超電導限流ヒューズの構成と略同一である。第２３実施形態の場合、導電性薄膜としてのニッケル薄膜１２の抵抗を２ｃｍあたり１０００／４００Ωすなわち２．５Ωに高めても過電流分流の際のサージ電圧はあまり大きくないと推定される。
【００７８】
そこで、第２３実施形態の超電導限流ヒューズと導電性薄膜の抵抗が２ｃｍあたり２．５Ωであること以外には同じ構造をしたヒューズを作成して実験を行なったところ、ＹＢＣＯ薄膜１４の表面にアーク放電が発生した。その際の電流は、図３０に示す電流波形と同様の波形を示した。これは過電流が流れた際に超電導体が破壊され始める領域が狭く、サージ電圧が発生しなくても系統の電圧程度の電圧印加でも電界集中が大きくなり、アークが発生したためと考えられる。
【００７９】
すなわち、過電流を転流することにより過大なサージ電圧の発生を防ぐことにより限流ヒューズの特性は大幅に向上するがその表面の絶縁特性を向上することによりさらに特性の改善が図れることが分かる。一方、酸化物超電導体の冷却には一般に液体窒素が用いられているが、この実験の場合も同様であるが、電界集中が発生した場合には固体絶縁の方が耐電圧が高いことが知られている。したがって、導電性材料によりサージ電圧を防止すると共に、超電導体表面を絶縁性の固体によりコーティングすることにより、さらにアークの発生を抑制することができる。
【００８０】
そこで、第２５実施形態においては、図示説明は控えるが、導電性薄膜の抵抗が２ｃｍあたり２．５Ωであること以外は、第２３実施形態のヒューズと同様の構造の超電導限流ヒューズを作成し、さらにＹＢＣＯ薄膜表面を絶縁ワニスによりコーティングしたヒューズを作成した。さらに、この上にグリースを厚さ５ｍｍ程度塗布した。このグリースは、液体窒素温度では固化している。このようにして作成したヒューズを第２３実施形態の場合と同じ電源により実験を行った際の特性を図３３に示す。図３３より理解できるように、動作時にアークは発生せず過電流は充分に限流されることを確認した。この特性は限流開始電流値は第２実施形態の超電導ヒューズと同じであるが、動作後の通過電流はほぼ半分となっており電流抑制効果が大きく改善されていることが分かる。
【００８１】
次に、第２６実施形態に係る超電導限流ヒューズについて、図３４ないし図３６を参照しながら詳細に説明する。この第２６実施形態に係る超電導ヒューズ２０は全体の形状としては図３６に示すように円筒形状を有しており、芯となる超電導円柱２３の外周に所定の距離ずつ離隔させて銀線２４を巻回させ、円柱２３の外周側を導電性部材としての半円筒２１を２つ合わせて包囲する構成となっている。半円筒２１の前記銀線２４に対応する箇所には層状にニッケル薄膜２２が介挿されている。
【００８２】
この第２６実施形態においては、図３５に示すように、液体窒素中の臨界電流値が５００Ａ（アンペア）の実効値を有し、かつ、直径０．３ｃｍ、長さ１５ｃｍの円筒形状を有するビスマス系のバルク材より構成された超電導体２３を用いている。また、図３４に示すように、転流用導電性部材としては、図３５に示された円筒状の超電導体２３を中に入れることのできる寸法である外径５ｃｍ、内径直径０．４ｃｍ、長さ１３ｃｍのセラミック材料よりなる円筒体を縦に２分し、内側に転流用の金属線が入る溝が形成された導電性半円筒部材２１を用い、その表面にスパッタ法により介挿されたＮｉ薄膜２２が挟み込まれている。
【００８３】
本第２６実施形態のヒューズ２０は、Ｎｉ薄膜を作成した部材を２つ用いて超電導体を包み込むように構成した。この際セラミック材利用の表面にあるＮｉ薄膜と中心にある超電導体とを電気的に接続するために、まず、図３５に示すように約２ｃｍ間隔で銀線２４を超電導体の周りに設け、さらに熱処理によって接触抵抗を低減したものを半円筒状のセラミック性の部材２つで挟み込みさらに余った銀線をＮｉ薄膜を作製したセラミック性材料の表面に巻き付け、再度熱処理により電気的に接続した。このヒューズの外観は図３６に示すようになっている。ただし、実際に作成されたヒューズ２０は、その両端２ｃｍの領域にも銀により電流端子２５が形成されている。
【００８４】
転流用Ｎｉ薄膜２２の直径が超電導体と比べて非常に大きいのは転流時の温度上昇で金属薄膜自身が損傷しないように面積当たりの熱負荷を低減する目的で全体の面積を増加させたためである。この第２６実施形態に係る超電導限流ヒューズ２０を最大電圧１０００Ｖ、回路抵抗が０．２Ωの回路に装着して試験を行なったところ、過電流が１．５ｋとなったときに超電導体は断線したがその後アークを発生することもなく電流を抑制することに成功した。
【００８５】
なお、この超電導体２３と同様の超電導体は約１．５ｋＡで断線することが分かっているので、長さ２ｃｍあたりのＮｉ薄膜２２の抵抗は１０００／１５００Ωより小さくしておくことが重要であり、実際に作成したヒューズの場合には約０．５Ωとしている。このように設定しておくことにより、超電導体２３が多くの箇所で破損した場合には３Ω程度の抵抗が発生することが期待されるのに対して、実際の実験において発生した抵抗は２．８Ωであり、ほぼ予想どおりの抵抗が発生した。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の超電導限流ヒューズによれば電力系統に過電流が流れても絶縁基板に設けられた超電導薄膜が瞬時に溶断され、絶縁基板も同時に破壊されるので、過電流により超電導体が断線した際に交流の半波（１／４サイクル）時間程度の時間で電路を直ちに遮断することができる。また、瞬間的に電路が開かれるために大きなサージ電圧や局所的な電界集中が発生せず、その結果アークを生じさせることなく過電流を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の超電導限流ヒューズを示す断面図。
【図２】本発明の第２実施形態の超電導限流ヒューズを示す断面図。
【図３】本発明の第３実施形態の超電導限流ヒューズを示す断面図。
【図４】本発明の第４実施形態の超電導限流ヒューズを示す断面図。
【図５】本発明の第５実施形態の超電導限流ヒューズを示す断面図。
【図６】本発明の第６実施形態の超電導限流ヒューズを示す斜視図。
【図７】本発明の第７実施形態の超電導限流ヒューズを示す断面図。
【図８】本発明の第８実施形態の超電導限流ヒューズを示す断面図。
【図９】本発明の第９実施形態の超電導限流ヒューズを示す断面図。
【図１０】本発明の第１０実施形態の超電導限流ヒューズを示す断面図。
【図１１】本発明の第１１実施形態の超電導限流ヒューズを示す断面図。
【図１２】本発明の第１２実施形態の超電導限流ヒューズの第１例を示す断面図。
【図１３】本発明の第１２実施形態の超電導限流ヒューズの第２例を示す断面図。
【図１４】本発明の第１２実施形態の超電導限流ヒューズの第３例を示す断面図。
【図１５】本発明の第１３実施形態の過電流制御システムを示す回路図。
【図１６】本発明の第１４実施形態の過電流制御システムを示す回路図。
【図１７】本発明の第１５実施形態の過電流制御システムを示す回路図。
【図１８】本発明の第１６実施形態の過電流制御システムを示すブロック図。
【図１９】本発明の第１７実施形態の過電流制御システムを示すブロック図。
【図２０】本発明の第１８実施形態の過電流制御システムを示すブロック図。
【図２１】本発明の第１９実施形態の過電流制御システムを示すブロック図。
【図２２】本発明の第２０実施形態の過電流制御システムを示すブロック図。
【図２３】本発明の第２１実施形態の過電流制御システムを示すブロック図。
【図２４】本発明の第２２実施形態に係る超電導限流ヒューズを示す平面図。
【図２５】図２４に示す第２２実施形態において過電流が流れた際の転流を示す平面図。
【図２６】本発明の第２３実施形態に係る超電導限流ヒューズを示す平面図。
【図２７】図２６に示された超電導ヒューズをＩ−Ｉ線により切断した断面図。
【図２８】図２６に示された超電導ヒューズをII−II線により切断した断面図。
【図２９】本発明の第２３実施形態の超電導限流ヒューズの電流特性を示す波形図。
【図３０】第２３実施形態との比較のために作成した転流部分を有しないヒューズの電流特性を示す波形図。
【図３１】本発明の第２４実施形態の超電導限流ヒューズを示す平面図。
【図３２】図３１に示された超電導ヒューズをIII−III線により切断した断面図。
【図３３】本発明の第２５実施形態の限流ヒューズの特性を示す電流特性を示す波形図。
【図３４】第２６実施形態に係る超電導ヒューズのセラミック基板を示す斜視図。
【図３５】第２６実施形態に用いられる超電導体を示す斜視図。
【図３６】第２６実施形態の超電導限流ヒューズを組立てた状態を示す斜視図。
【符号の説明】
１ 超電導限流ヒューズ
３ 超電導部材（超電導薄膜）
４ 導電性部材
５ 転流用導電性部材（ブリッジ）
７ 通常通電路
８ 溶断領域
９ 溶断時通電路
１０ 超電導限流ヒューズ
１１ 多結晶化合物基板
１２ 導電性部材（ニッケル薄膜）
１３ 単結晶基板
１４ 超電導部材（薄膜）
１５ 転流用導電性部材（インジウム線）
１６ 端子
１７ 銀ペースト
２０ 超電導限流ヒューズ
２１ 半円筒導電性部材
２２ ニッケル薄膜
２３ 超電導部材（円柱）
２４ 銀線
２５ 銀電流端子
３０ 超電導限流ヒューズ
３２ 電極
３３ 絶縁基板
３４ 超電導薄膜
３５ 銀ペースト
３６ インジウム線
４０ 真空容器
４１ コールドヘッド
４２ 冷却装置
５０ 過電流制御システム
５１ 電直供給源
５２，５３ 開閉器
５４，５５超電導限流ヒューズ
５８ 電力需要側（負荷）
６１ 超電導線
７１ 電力供給源（発電装置）
７２ 超電導限流ヒューズ
７３ 電力需要側（負荷）
７４ 電力供給源（商用電力）
７５ 超電導限流ヒューズ
Claims (4)
- 電力需要側に電力供給源から必要な電力を供給する電力供給線に介挿され、前記電力供給源、電力供給線および電力需要側を含む電力系統に所定値以上の過電流が流れたときに切断される超電導部材と、この超電導部材が切断されたときに超電導部材の切断箇所を迂回して電流を供給するように前記電力供給線または超電導部材に接続された転流用の導電性部材と、を備え、前記超電導部材は、電気的絶縁性を有する絶縁基板上に積層された酸化物超電導膜により形成されており、前記酸化物超伝導膜に対してのみ液体窒素を接触させ、前記酸化物超伝導膜に臨界電流以上の電流が流れたとき前記酸化物超伝導膜は常電導に転移して発熱し、前記発熱した熱の熱衝撃及び前記熱により沸騰して気化した前記液体窒素の圧力で前記超電導部材が割れて切断されることを特徴とする超電導限流ヒューズ。
- 前記酸化物超伝導膜は、前記絶縁基板の前記液体窒素と接触する一表面の前面に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導限流ヒューズ。
- 電力供給源と、電力需要側と、これら電力供給源および電力需要側の間に設けられる電力供給線と、前記電力供給源、電力供給線および電力供給側を含む電力系統に所定値以上の過電流が流れたときに前記電力供給線を遮断するように設けられた限流ヒューズと、を備える過電流制御システムであって、前記限流ヒューズは、前記電力供給線および電力需要側を含む電力系統に所定値以上の過電流が流れたときに切断される超電導部材と、この超電導部材が切断されたときに超電導部材の切断箇所を迂回して電流を供給するように前記電力供給線または超電導部材に接続された転流用の導電性部材と、を備え、前記超電導部材は、電気的絶縁性を有する絶縁基板上に積層された酸化物超電導膜により形成されており、前記酸化物超伝導膜に対してのみ液体窒素を接触させ、前記酸化物超伝導膜に臨界電流以上の電流が流れたとき前記酸化物超伝導膜は常電導に転移して発熱し、前記発熱した熱の熱衝撃及び前記熱により沸騰して気化した前記液体窒素の圧力で前記超電導部材が割れて切断される超電導限流ヒューズであることを特徴とする超電導限流ヒューズを用いた過電流制御システム。
- 前記酸化物超伝導膜は、前記絶縁基板の前記液体窒素と接触する一表面の前面に積層されていることを特徴とする請求項３に記載の超電導限流ヒューズを用いた過電流制御システム。
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