JP4148440B2 - 高Ｔｃ超伝導体材料製導体路構造物を備えた抵抗式短絡電流制限器ならびに電流制限器の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、少なくとも部分的に電気絶縁性材料から構成された支持体と、支持体に配置され高Ｔｃ超伝導体材料を持つ少なくとも１つの導体路構造物と、導体路構造物を接続導体に接続する端部片とを備え、導体路構造物がほぼ直線状に延びる複数の第１導体路片と非直線状に延びる複数の第２導体路片とを有する少なくとも１つの導体路を含んでいる抵抗式短絡電流制限器に関する。本発明はさらにこのような短絡電流制限器の製造方法に関する。相応する短絡電流制限器ならびにその製造方法はヨーロッパ特許出願公開第０５２３３７４号明細書に記載されている。
【０００２】
交流電流給電網においては短絡及びフラッシオーバは安全装置を用いても回避できない。その場合、当該電流回路の交流電流は非常に急速にすなわち電流の最初の半波でその定格電流の何倍もの大きさに増大し、適切なヒューズ及び／又はスイッチング手段によって中断される。その結果、導線、ブスバー、開閉器又は変圧器のような当該給電網の全ての構成要素が電流による相当な熱的及び機械的負荷を発生する。この短時間の負荷は電流の二乗で増大するので、短絡電流を低いピーク値へ確実に制限することはこの給電網構成要素の負荷容量に対する要求を相当低減させる。これによって、電流制限器を組込むことにより給電網構成要素を高い負荷可能な構成のものと交換することが回避できるので、新規の給電網を構成する際にも既存の給電網を拡張する際にもコスト的な利点が得られる。
【０００３】
抵抗式超伝導短絡電流制限器を用いると、電流増大は短時間後に定格電流の僅かな倍数の値に制限できる。さらに、この制限器は電流遮断後短時間で再び作動可能になる。すなわち、抵抗式超伝導短絡電流制限器は急速な自復ヒューズとして作用する。しかも、抵抗式超伝導短絡電流制限器は受動的に作用するので、すなわち短絡電流の事前検出とスイッチング信号による能動的なトリップとを要することなく自動的に動作するので、高い作動安全性を保障する。
【０００４】
冒頭で述べた種類の抵抗式超伝導短絡電流制限器は電流回路内に直列に挿入される超伝導スイッチング区間を形成している。その際、この制限器の超伝導導体路構造物が使用された超伝導体材料の転移温度Ｔｃ以下における実質的に抵抗のない冷たい作動状態からＴｃ以上における常伝導状態へ転移（いわゆる相転移）することが利用される。その場合、導体路構造物の現存する電気抵抗Ｒｎが電流を許容可能な大きさＩ＝Ｖ／Ｒｎに制限する。短絡後に電流密度ｉが超伝導体材料の臨界値ｉ_c以上に増大した場合、転移温度Ｔｃ以上への加熱が導体路構造物自身の超伝導体材料内のジュール熱によって生じる。なお、材料は転移温度Ｔｃ以下でも有限の電気抵抗を有している。転移温度Ｔｃ以上の制限状態において、短絡電流制限器を含んでいる電流回路内を残留電流が流れ、補助的な機械式断路器が電流を完全に遮断する。
【０００５】
７７Ｋの液体窒素で超伝導状態に保持しなければならない程転移温度Ｔｃが高い公知の金属酸化物製高Ｔｃ超伝導体材料（短縮してＨＴＳ材料）を備えた超伝導短絡電流制限器は、臨界電流密度ｉ_cを上回られると電気抵抗の急速な増大を示す。常伝導状態への転移時での加熱、従って電流制限は比較的短時間で生じ、それゆえ短絡電流のピーク値は制限されない場合の電流の一部すなわち定格電流の３〜１０倍に制限される。短絡電流制限器の超伝導電流路は冷却手段に接触している。この冷却手段は臨界電流密度ｉ_cを上回られた後に比較的短時間で短絡電流制限器を超伝導状態に戻すことができる。
【０００６】
冒頭で述べたヨーロッパ特許出願公開明細書に記載され同様に動作する抵抗式短絡電流制限器は、蛇行状に形成されたＨＴＳ材料製導体の形の導体路構造物を有している。ＨＴＳ材料製導体は５ｍｍの厚みのＨＴＳ材料製板に両側からスリットを切込むことによって作られている。従って、導体は実質的に直線状に延び互いに平行な複数の第１導体路片と、これに直角に延びこの直線状の導体路片を結合する複数の導体路片とから構成されている。直線状の第１導体路片の端部における両側の結合範囲において、導体は屈曲したすなわち折曲げられた導体路を形成しており、この導体路を非直線状に延びる第２導体路片と見なすことができる。導体全体は自己支持形に形成されている。しかし、導体は機械的安定性を高めるために支持体上にも配置され得る。導体の端部片は接触片として形成されており、この端部片に外部接続導体が制限されるべき電流を供給するために接続される。
【０００７】
この種の超伝導短絡電流制限器においては、直線状に延びる（第１）導体路片とこれに直角に延びその直線状の導体路片を結合する導体路片との間の導体路屈曲部に電流制限時に電流分布、従って熱負荷が不均一に生じる欠点がある。従って、従来では、公知の短絡電流制限器の導体路を相応に低いスイッチングパワー用としてのみに使用せざるを得ないか、又は非直線状の（第２）導体路片が不所望なパワー制限機能を持たないようにその非直線状の（第２）導体路片を過大設計しなければならなかった。しかしながら、この場合、支持体表面の面積利用率が相応に好ましくなかった。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、導体路片の過大設計を必要とすることなく、比較的高い最大スイッチングパワーが可能であるように、冒頭で述べた種類の短絡電流制限器を形成することにある。さらに、その制限器のできるだけ簡単な製造方法が提供されるべきである。
【０００９】
短絡電流制限器に関する課題は、本発明によれば、非直線状に延びる全ての第２導体路片が２．５〜７の半径比ｖ＝ｒ_a／ｒ_i（ｒ_aはそれぞれの円弧状の導体路片の外半径、ｒ_iはその内半径）でもって円弧状に形成されていることによって解決される。少なくとも１つの導体路の端部において接続導体に接続するための移行片又は端部片を、最大半径比の本発明による設定に一緒に含ませてはいけない。
【００１０】
短絡電流制限器のこの構成によってもたらされる利点は特に、円弧状の第２導体路片に対して与えられた形状的な基準を守ると、面積利用率を著しく悪化させることなく、不均一な局所的負荷が許容可能な大きさに減少させられる点にある。つまり、相応する導体路片のスイッチング動作時における外半径に比較した内半径での温度上昇Ｔ（ｒ_i）／Ｔ（ｒ_a）は最大ｖ²に制限される。
【００１１】
最大半径比ｖ＝ｒ_a／ｒ_iが６、特に５に選定されていると好ましい。この値の場合、通常の導体路幅の際の不所望な温度上昇の虞れが実質的に排除される。
【００１２】
良好な面積利用率の理由から、円弧状の全ての第２導体路片が少なくとも２．５、好ましくは少なくとも３の（最小）半径比ｖを有すると、特に好都合である。より小さい値ｖ、従ってより大きな内半径は確かに温度上昇を減少させるが、しかし面積利用率も悪化させる。
【００１３】
同じ理由から、円弧状の全ての第２導体路片が直線状の第１導体路片と少なくともほぼ同じ導体路幅を有していると有利である。
【００１４】
全ての第２導体路片の半径比ｖ＝３〜６の範囲は従って温度上昇と面積利用率との間の良好な妥協を表している。
【００１５】
特に大面積の構成が扱われる場合、本発明による短絡電流制限器用として、特殊なガラス材料から成る支持体が選定されると有利である。
【００１６】
本発明による短絡電流制限器の有利な製造方法は、少なくとも１つの導体路が支持体に直接的又は間接的に被着された少なくとも１つの高Ｔｃ超伝導体材料製層を構造化することによって形成されることを特徴とする。公知の物理的又は機械的な構造化プロセスを用いて、個々の導体路片が比較的簡単に形成される。
【００１７】
本発明による短絡電流制限器もしくはその製造方法の他の有利な実施態様はそれぞれの従属請求項に記載されている。
【００１８】
本発明による短絡電流制限器の導体路構造物の実施例を以下において図面に基いて詳細に説明する。
図１はその短絡電流制限器の一部の断面図を示す。
図２〜４はその短絡電流制限器の導体路構造物の異なる例の平面図をそれぞれ示す。
図において同一部分には同一符号が付されている。
【００１９】
本発明による短絡電流制限器においては、この制限器の公知の構成（例えば、冒頭で述べたヨーロッパ特許出願公開明細書又はドイツ特許出願公開第１９５２０２０５号明細書参照）から出発する。制限器の原理構造はこの制限器の主要部の一部が断面図で図１に示されている。全体に２を付された制限器のこの構造は厚みｄ₁の支持体３と、場合によってはこの上に設けられた厚みｄ₂の少なくとも１つの中間層４とを有している。この中間層４は以下においては支持体の一部と見なされている。中間層上には厚みｄ₃のＨＴＳ材料製層５が被着もしくは堆積されている。ＨＴＳ材料製層は例えば保護層又は好ましくは分路抵抗として使用される層６のような少なくとも１つの別の被覆層によって被覆されている。金属から成る分路抵抗層は特に絶縁支持体が使用される場合の電流制限器用として特に有利である。
【００２０】
支持体３は平坦状物体、又は場合によっては例えば管状物体のような湾曲状物体によって形成されている。この支持体は少なくとも部分的に電気絶縁性材料から構成されている。これに適する材料は例えばＭｇＯ，ＳｒＴｉＯ₃，Ａｌ₂Ｏ₃又はＹで安定化されたＺｒＯ₂（短縮してＹＳＺ）のようなセラミックスがある。特に大面積の導体路構造物が使用される場合、特殊ガラス材料から成る支持体が設けられると有利である。特殊な板ガラスから成る相応の板は例えば数ミリメータの厚みｄ₁を持つことができる。その他に、金属材料とこの上に配置された電気絶縁材料とから構成された支持体も適している。特に支持体として金属部品が使用される場合、電気絶縁材料から成る中間層４が必要である。このような中間層は、一方ではその上に被着されたＨＴＳ材料と支持体材料との間の相互作用を阻止し、他方では被着されるべきＨＴＳ材料の組織化を促進するために、いわゆる緩衝層として必要である。一般に０．１〜２μｍの厚みｄ₂で被着される公知の緩衝層材料には、ＹＳＺ，ＹＳＺ＋ＣｅＯ₂（二重の層として），ＹＳＺ＋ＳｎをドープされたＩｎ₂Ｏ₃（二重の層として），ＣｅＯ₂，Ｐｒ₆Ｏ₁₁，ＭｇＯ，ＳｒＴｉＯ₃又はＬａ_1-xＣａ_xＭｎｏ₃がある。
【００２１】
層５用のＨＴＳ材料としては、特にＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-XもしくはＲＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇―_X（Ｒ＝希土類金属）、ＴｌＢａ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_9+x，ＨｇＢａ₂ＣａＣｕ₂Ｏ_6+X，Ｂｉ₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ_8+X又は（Ｂｉ，Ｐｂ）₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_11-Xのような全ての公知の金属酸化物製高Ｔｃ超伝導体材料が用いられる。勿論、これらの材料は個々に又は複数の成分を他の元素によって公知の方法で一部又は全部を置換できる。ＨＴＳ材料製層は公知の方法で支持体３もしくはそれを被覆する中間層４上に数μｍ以下の厚みｄ₃で被着される。
【００２２】
図１にさらに示されているように、少なくとも１つのＨＴＳ材料製層５は特殊な方法で導体路構造物１０に形成されねばならない。このために全ての公知の物理的又は化学的な構造化法が用いられる。例えば構造化はレーザによって行うことができる。
【００２３】
導体路構造物１０の形状が図２に平面図で示されている。この導体路構造物は、少なくとも十分に直線状に延びる第１導体路片１１ｇと円弧状に形成された第２導体路片１１ｂとから構成された蛇行状導体路１１によって形成されている。導体路の端部は接続導体に接続される端部片１２，１３として形成されている。
【００２４】
本発明において、全ての円弧状の導体路片１１ｂは特別な形状的な基準を満たさねばならない。この基準は最大半径比ｖ＝ｒ_a／ｒ_iによって定義される。但し、ｒ_aはそれぞれの円弧状の導体路片の外半径、ｒ_iはその内半径である。すなわち、各円弧状の導体路片はたかだか上述の最大値である（又はそれ以下である）値の半径比ｖを有さねばならない。導体路１１の円弧状の導体路片１１ｂの範囲が直線状の導体路片１１ｇの範囲と少なくともほぼ同じ、好ましくは同じ幅ｂを有し、ｒ_a―ｒ_i＝ｂであると有利である。導体路幅ｂが予め与えられている場合、ｖ＝１＋ｂ／ｒ_i,minであるので、基準は最小内半径ｒ_i,minの採用と同義である。この基準は、円弧状の導体路片のスイッチング動作時に外半径ｒ_aに比較した内半径ｒ_iでの温度上昇Ｔ（ｒ_i）／Ｔ（ｒ_a）が最大ｖ²に制限されることを保証する。その際、確かにｖのより小さい値、従ってより大きな内半径が温度上昇を減少させるが、しかし超伝導体材料による支持体３表面の被覆の面積利用率も悪化させる。２．５〜７、特に３〜６のｖ値は温度上昇と面積利用率との良好な妥協を示すことが判明している。この理由から、本発明においては、最大半径比としての値ｖ＝７が上回られず、好ましくは最大６、特に最大５のｖ値が選定される。小さいｖ値２，５は円弧状の全ての第２導体路片に対してあまり有効ではない。導体路構造物１０の図２に示された実施例においてはｖ＝３である。
【００２５】
導体路構造物１５もしくは１７の図３，４に示された実施例においても、その導体路１６もしくは１８の円弧状の導体路片１６ｂもしくは１８ｂに対して、最大半径比ｖ＝３が用いられている。図３による導体路１６は中央端部片１２と外側に位置する端部片１３とを備え外側から内側へ向けて延びる螺旋形に形成されている。図４に示された導体路１８は外側から内側へ向け再び外側へ戻される螺旋形に形成されており、それゆえその端部片１２，１３はそれぞれ外側に位置している。
【００２６】
本発明に基く短絡電流制限器の図に基いて説明した実施例においては、その導体路構造物はそれぞれ支持体の片面のみに設けられることから出発している。当然のことながら、支持体の両面に単一又は複数の導体路構造物を設けることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 短絡電流制限器の一部の断面図。
【図２】 短絡電流制限器の導体路構造物の一例の平面図
【図３】 短絡電流制限器の導体路構造物の他の例の平面図
【図４】 短絡電流制限器の導体路構造物の別の例の平面図
【符号の説明】
２ 制限器
３ 支持体
４ 中間層
５ ＨＴＳ材料製層
６ 被覆層
１０ 導体路構造物
１１ 蛇行状導体路
１１ｇ 直線状の第１導体路片
１１ｂ 円弧状の第２導体路片
１２，１３ 端部片

Claims (12)

1. 少なくとも部分的に電気絶縁性材料から構成された支持体と、支持体に配置され高Ｔｃ超伝導体材料を持つ少なくとも１つの導体路構造物と、導体路構造物を接続導体に接続する端部片とを備え、導体路構造物がほぼ直線状に延びる複数の第１導体路片と非直線状に延びる複数の第２導体路片とを有する少なくとも１つの導体路を含んでいる抵抗式短絡電流制限器において、非直線状に延びる全ての第２導体路片（１１ｂ，１６ｂ，１８ｂ）が２．５〜７の半径比ｖ＝ｒ_a／ｒ_i（ｒ_aはそれぞれの円弧状の導体路片の外半径、ｒ_iはその内半径）でもって円弧状に形成されていることを特徴とする抵抗式短絡電流制限器。
2. 全ての第２導体路片（１１ｂ，１６ｂ，１８ｂ）の最大半径比ｖが５であることを特徴とする請求項１記載の抵抗式短絡電流制限器。
3. 全ての第２導体路片（１１ｂ，１６ｂ，１８ｂ）の最小半径比ｖが３であることを特徴とする請求項１又は２記載の抵抗式短絡電流制限器。
4. 全ての第２導体路片（１１ｂ，１６ｂ，１８ｂ）の半径比ｖが３〜６であることを特徴とする請求項１記載の抵抗式短絡電流制限器。
5. 全ての第２導体路片（１１ｂ，１６ｂ，１８ｂ）が第１導体路片（１１ｇ）と少なくともほぼ同じ導体路幅（ｂ）を有していることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の抵抗式短絡電流制限器。
6. 支持体（３）がセラミック材料又はガラス材料から構成されていることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の抵抗式短絡電流制限器。
7. 支持体（３）が導体路構造物（１０，１５，１７）の下敷きとして少なくとも１つの中間層（４）を備えていることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の抵抗式短絡電流制限器。
8. 導体路構造物（１０）が少なくとも１つの別の層（６）によって被覆されていることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の抵抗式短絡電流制限器。
9. 被覆層（６）が分路抵抗として作用する金属層であることを特徴とする請求項８記載の抵抗式短絡電流制限器。
10. 支持体（３）の両面に少なくとも１つの導体路構造物が設けられていることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の抵抗式短絡電流制限器。
11. 少なくとも１つの導体路（１１，１６，１８）が支持体（３）に直接的又は間接的に被着された少なくとも１つの高Ｔｃ超伝導体材料製層（５）を構造化することによって形成されることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の電流制限器の製造方法。
12. 構造化のために物理的又は化学的な構造化プロセスが用いられることを特徴とする請求項１１記載の方法。

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