JP4620637B2

JP4620637B2 - 抵抗型超電導限流器

Info

Publication number: JP4620637B2
Application number: JP2006181710A
Authority: JP
Inventors: バン−ウークリー; クォン−ベパーク
Original assignee: LSIS Co Ltd; LS Electric Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2026-06-30
Also published as: ES2322216B2; CN1976161A; US20070127171A1; ES2322216A1; US7558030B2; KR100662754B1; JP2007158292A; CN100514791C

Description

本発明は、抵抗型超電導限流器に関し、特に、正常電流が流れるとき、自己磁界と外部からの磁界による超電導限流素子の電流損失を低減し、短絡電流などの事故電流が流れるとき、超電導限流素子を均一にクエンチできる抵抗型超電導限流器に関する。

電力系統における限流器は、短絡、地絡、落雷などの系統事故による事故電流発生時、系統の母線、碍子、遮断器などに加えられる機械的、熱的、電気的ストレスを制限する役割を果たす。

超電導限流器は、超電導体が臨界電流値を超過する事故電流によりクエンチされる特性、すなわち、超電導体が超電導特性を失って所定の電気的抵抗を有する状態に遷移する特性を利用したものである。

電力系統事故により超電導限流素子に事故電流が導通すると、超電導限流素子が高インピーダンスを有する抵抗体に遷移して事故電流を抑制する。

一般に、超電導状態で比抵抗がゼロである超電導体は、電流又は磁界の存在、及び温度特性によって、比抵抗がゼロでない状態、すなわち、常電導状態に遷移する。このように超電導体が超電導特性を失う現象をクエンチという。

このような超電導限流器は、大きく誘導型と抵抗型とに分けられるが、抵抗型超電導限流器は、超電導体が事故電流の感知−抵抗体への状態遷移−限流の動作を全て担当するので、誘導型超電導限流器に比べて、構造が簡単であり、重量が軽くて、安価に製作できるという利点を有する。

以下、このような従来の抵抗型超電導限流器の構成について図１０を参照して説明する。

図１０に示すように、従来の抵抗型超電導限流器は、非金属材で形成され、液体窒素などの冷媒が充填される低温容器１４と、低温容器１４内の冷媒中に浸るように収容されて超電導状態に維持される超電導素子１２と、低温容器１４の外側に低温容器１４を囲むように設けられて超電導素子１２に水平磁界を均一に印加するために、銅やアルミニウムで形成された箔コイル１６と、超電導素子１２と箔コイル１６とを直列に接続する電流リード１３、１５と、超電導素子１２と箔コイル１６の直列回路に並列に接続され、前記直列回路に過渡的に発生する過電圧を抑制するバリスタ１７とを含み、前記抵抗型超電導限流器は、電力系統の電力線路に接続される。

このように構成された従来の抵抗型超電導限流器においては、事故電流が流入すると、箔コイル１６から超電導素子１２に強い水平磁界が均一に印加される。すると、超電導素子１２は、臨界電流値密度及び臨界磁界密度を超過する状態となり、抵抗を有する常電導体に遷移し、これにより、事故電流は限流される。

このような従来の抵抗型超電導限流器においては、流入した大きな事故電流により、箔コイル１６が超電導素子１２に強い磁界を印加して、超電導素子１２を均一かつ迅速にクエンチできるという利点がある。

しかし、このような従来の抵抗型超電導限流器においては、電力系統に定格電流以下の正常電流が流れるときも、箔コイル１６が超電導素子１２に磁界を印加すると共に超電導素子１２も自己磁界を発生して、これら磁界により超電導素子１２の電流損失が大きくなる。従って、このような電流損失を補償して超電導素子１２が通電する電流量を増加させるために、超電導素子１２の個数を増加させなければならず、これにより、箔コイル１６の大きさ及び巻回数も比例して増加するという問題があった。これは、超電導限流器が適用される電力系統の定格電圧が高電圧であるほど、さらに大きな問題になる。

また、電流損失は放熱として現れるため、一般に、超電導素子を超電導状態に維持するのに要求される温度である６５Ｋ〜７７Ｋを維持するためには、より大きい低温容器などの冷却装置が要求されるという問題があった。

さらに、箔コイル１６に常に電流が流れるため、加熱された箔コイル１６の熱放射に対する低温容器１４の熱遮断手段が必要であるという問題があった。

さらに、前述した従来技術においては、箔コイル１６により発生した磁界を超電導素子１２に水平方向に印加して超電導素子１２の均一な同時クエンチを誘導していたが、ＢＩＳＣＣＯ系の超電導素子を使用した場合はこのような作用効果を得ることができるが、ＹＢＣＯ系の超電導素子を使用した場合は、水平磁界印加時に必要な磁界が垂直磁界印加時より数十倍大きいため、このように大きな磁界を発生するために箔コイル１６の巻回数及び大きさが増加するので、超電導限流器全体の大型化による設置空間の確保、メンテナンスの困難、製造コストの上昇により実用性が低いという問題があった。

本発明は、このような従来技術の問題を解決するためになされたもので、正常電流が流れるとき、超電導素子の自己磁界と外部素子からの磁界による電流損失を最小化し、事故電流が流れるとき、超電導限流素子が均一にクエンチされるように誘導でき、超電導限流素子の高電圧耐性（high voltage tolerance）を向上できる抵抗型超電導限流器を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、高電圧耐性を向上させることにより、超電導限流器の個数を最小化して全体のサイズを小型化でき、製作コストが低い抵抗型超電導限流器を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器は、正常電流が流れるときは超電導状態であり、予め決定された臨界電流値以上の事故電流が流れるときは予め決定された抵抗を有する常電導状態に変化する超電導限流素子と、前記超電導限流素子と電流の流れ方向が逆になって磁界が相殺されて電流損失が最小化するように、前記超電導限流素子に対向するように前記超電導限流素子に直列に接続され、前記超電導限流素子の臨界電流値より予め決定された割合で大きい臨界電流値を有する超電導直列コイルと、事故電流が流れるとき、前記超電導限流素子を流れる電流を分流して前記超電導限流素子の過熱が防止されるように保護すると共に、磁界を発生させて前記超電導限流素子の均一なクエンチを助けるために、前記超電導限流素子に並列に接続され、事故電流が流れるとき、前記超電導限流素子が有する前記抵抗より小さな、予め決定された抵抗を有する常電導体並列コイルとを含むことを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明の他の実施形態による抵抗型超電導限流器は、正常電流が流れるときは超電導状態であり、予め決定された臨界電流値以上の事故電流が流れるときは予め決定された抵抗を有する常電導状態に変化する超電導限流素子と、正常電流が流れるとき、前記超電導限流素子と電流の流れ方向が逆になって磁界が相殺されて電流損失が最小化するように、前記超電導限流素子に対向するように前記超電導限流素子に直列に接続され、事故電流が流れるとき、前記超電導限流素子より先にクエンチされるように、前記超電導限流素子のｎ値より予め決定された割合で大きいｎ値を有する超電導直列コイルと、事故電流が流れるとき、前記超電導限流素子を流れる電流を分流して前記超電導限流素子の過熱が防止されるように保護すると共に、磁界を発生させて前記超電導限流素子の均一なクエンチを助けるために、前記超電導限流素子に並列に接続され、事故電流が流れるとき、前記超電導限流素子が有する前記抵抗より小さな、予め決定された抵抗を有する第１常電導体並列コイルと、事故電流が流れるとき、前記超電導直列コイルを流れる電流を分流して前記超電導直列コイルの過熱が防止されるように保護すると共に、磁界を発生させて前記超電導限流素子を均一にクエンチするために、前記超電導直列コイルに並列に接続され、事故電流が流れるとき、前記超電導直列コイルが有する抵抗より小さな、予め決定された抵抗を有する第２常電導体並列コイルとを含むことを特徴とする。

本発明による抵抗型超電導限流器は、正常電流が流れるとき、自己磁界による電流損失を大幅に減少させることができ、電流損失により発生した熱を冷却させるための冷凍機のサイズと個数を減らして小型化できるという効果がある。

また、本発明による抵抗型超電導限流器は、事故電流が流れるとき、超電導素子が均一にクエンチされて高電圧耐性が高いため、高電圧の電力系統への適用時、超電導限流器の接続個数を最小化でき、超電導限流器を経済的に製作できるという効果がある。

以下、添付の図面を参照して本発明による抵抗型超電導限流器の好ましい実施形態について説明する。

まず、本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器の構造について図１を参照して説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器は、水平断面において、最も内側に設けられる超電導限流素子２１と、超電導限流素子２１を囲むように最も外側に設けられる超電導直列コイル２２と、超電導限流素子２１と超電導直列コイル２２との間に設けられる常電導体並列コイル２３とを含む。

常電導体並列コイル２３は、ソレノイド状コイルであり、図１に示す実施形態のように、超電導限流素子２１と超電導直列コイル２２との間に設けてもよく、他の実施形態として、超電導直列コイル２２の外側に設けてもよい。

このような本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器は、超電導限流素子２１と常電導体並列コイル２３との間、及び常電導体並列コイル２３と超電導直列コイル２２との間に充填される電気的絶縁層２４をさらに含むことができる。

ここで、電気的絶縁層２４の材料としては、導体部、すなわち、超電導限流素子２１、常電導体並列コイル２３、及び超電導直列コイル２２と熱膨張率が同一又は類似の材料を選択して使用して、冷却及び過熱時に熱的ストレスを回避して表面が剥離することを防止しなければならない。また、超電導限流素子２１の外側にはクエンチ時に強い電磁気力が発生して大量の熱が発生するため、これを迅速に冷媒側に伝導できる物質を使用しなければならない。このために、電気的絶縁層２４の材料は、機械的には、電磁気力に耐える物質でなければならず、熱的には、熱伝導度に優れた低温絶縁物質でなければならず、その厚さは、１ｍｍ以下であることが好ましい。

電気的絶縁層２４の材料は、エポキシ樹脂又はガラス繊維強化プラスチック（Fiber Glass Reinforced Plastic；通常、ＦＲＰと略称する）であることが好ましい。

以下、本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器の電気的構成について、図２を参照して説明する。

図２に示すように、本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器は、超電導限流素子２１と、超電導限流素子２１に対向するように超電導限流素子２１に直列に接続される超電導直列コイル２２と、超電導限流素子２１に並列に接続される常電導体並列コイル２３とを含む。

超電導限流素子２１は、正常電流が流れるときは電気的抵抗がゼロである超電導状態である。また、予め決定された臨界電流値以上の事故電流、例えば、定格電流の数倍〜数十倍の事故電流が流れるとき、超電導限流素子２１は、予め決定された抵抗、例えば、数十ミリオーム（ｍΩ）〜数オーム（Ω）を有する常電導状態に遷移するが、これをクエンチという。

超電導直列コイル２２は、超電導限流素子２１に対向するように超電導限流素子２１に直列に接続され、超電導直列コイル２２と超電導限流素子２１とは電流の流れ方向が逆であるので、超電導直列コイル２２から発生した磁界と超電導限流素子２１から発生した磁界が相殺されて、磁界による電流損失が最小化される。ここで、磁界による電流損失とは、より具体的には、磁界により発生する渦電流による通電電流の損失を意味する。

このような磁界の相殺効果は、超電導直列コイル２２と超電導限流素子２１を同じ螺旋状の超電導コイルで構成することによりさらに上昇し、また、超電導直列コイル２２と超電導限流素子２１との巻回方向と巻回数を同一に構成することによりさらに上昇する。

好ましくは、超電導直列コイル２２の臨界電流値は、超電導限流素子２１の臨界電流値の１．１〜２．０倍である。従って、事故電流が流れると、超電導限流素子２１が超電導直列コイル２２より先にクエンチされる。このとき、超電導直列コイル２２から発生した磁界と超電導限流素子２１から発生した磁界の相殺状態が変化して、超電導限流素子２１が超電導直列コイル２２からの強い磁界により均一にクエンチされる。従って、超電導限流素子２１の高電圧耐性が向上する。

超電導直列コイル２２及び超電導限流素子２１は、それぞれＢｉ２２１２超電導バルク（Bi2212 super conducting bulk）、Ｂｉ２２２３線材（Bi2223 super conducting wire）、ＹＢＣＯ被覆された超電導体（YBCO coated super conductor）のいずれか１つの材料で形成できる。

事故電流が流れてクエンチされるとき、超電導限流素子２１が数十ミリオーム（ｍΩ）〜数オーム（Ω）の抵抗を有するので、常電導体並列コイル２３としては、常温でそれより小さな抵抗、例えば、数ミリオーム（ｍΩ）の抵抗を有する電気的導体が用いられる。このような常電導体並列コイル２３に用いられる電気的導体は、銅、黄銅、ＣｕＮｉ、又はＮｉ合金から選択されることが好ましい。

事故電流が流れて超電導限流素子２１がクエンチされるとき、常電導体並列コイル２３は、電流の他の通電経路、すなわち、分流経路を形成して、全て超電導限流素子２１に流れていた電流が大部分常電導体並列コイル２３に分流されて流れる。従って、事故電流の通電時、超電導限流素子２１が過熱されることを防止できる。また、事故電流が大部分常電導体並列コイル２３に分流されて流れるとき、常電導体並列コイル２３から発生した磁界が超電導限流素子２１に印加されて、超電導限流素子２１の均一なクエンチを助ける。

超電導限流素子２１の均一なクエンチに及ぼす影響は、常電導体並列コイル２３より超電導直列コイル２２の方が大きい。ここで、超電導限流素子２１の均一なクエンチとは、より具体的には、超電導限流素子２１の全領域が同時に常電導体に遷移することを意味する。

以下、本発明による抵抗型超電導限流器の構成と動作について図３及び図４を参照して説明する。

図３は、正常電流が流れるとき、本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器の等価回路図であり、図４は、正常電流が流れるとき、本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器の電流及び磁界を説明するための部分断面図である。

定格電流以下の正常電流が流れるときは、臨界電流値未満の電流が流れるので、超電導限流素子２１及び超電導直列コイル２２はそれぞれ抵抗がゼロであり、これにより、予め決定された抵抗を有する常電導体並列コイル２３には電流が全く流れないため意味がない。従って、本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器の電気的回路は図３の等価回路図のように表示される。

図３から分かるように、超電導限流素子２１と超電導直列コイル２２とは、対向するように直列に接続され、同じ巻回数と巻回方向を有するコイルであり、超電導限流素子２１に流れる電流の方向と超電導直列コイル２２に流れる電流の方向とは逆方向である（矢印参照）。図３において、大きい矢印４００は、それぞれ本発明の超電導限流器に引き込まれるか、又は超電導限流器から引き出され、超電導限流器に流れる電力系統の電流を意味する。

超電導限流素子２１と超電導直列コイル２２とに流れる電流の方向が逆方向であるので、これらの周囲にそれぞれ形成される磁界の方向も逆方向になって相殺される。

図３において、両端に矢印が付いた円弧は、超電導限流素子２１と超電導直列コイル２２からのそれぞれの磁界であって、互いに影響を及ぼすことを示している。

図４に示すように、本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器において、超電導限流素子２１及び超電導直列コイル２２は、それぞれ薄厚かつ幅広の面２１ａ、２２ａを有するテープ状のＢＩＳＣＣＯ系又はＹＢＣＯ系の超電導体を巻回して形成した超電導コイルであり、それぞれ全体として円筒状をなす。超電導限流素子２１は内側に、超電導直列コイル２２は超電導限流素子２１を囲むように外側に設けられる。

超電導限流素子２１の幅広の面２１ａと超電導直列コイル２２の幅広の面２２ａとは、互いに磁界を印加するのに適するように対向して設けられる。

電力系統の電力線路に定格電流以下の正常電流が流れるとき、図４に示すように、本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器において、電流は、超電導直列コイル２２に入る方向（ＥＮ）と超電導限流素子２１から出る方向（ＥＸ）とのように逆方向に流れる。従って、超電導限流素子２１の内部の磁界と超電導直列コイル２２の外部の磁界も逆方向に形成されて相殺され、超電導限流素子２１と超電導直列コイル２２との間に微少な磁界だけが残る。このような構成と作用により、本発明による抵抗型超電導限流器は、超電導限流素子だけ存在する場合に比べて電流損失が１／３以下に減少するという効果を有する。

以下、本発明の実施形態の構成について具体例を挙げて説明する。

例えば、電力系統の正常通電電流が３００Ａ（アンペア）の場合、超電導限流素子２１としては、Ｂｉ２２１２のチューブ又はバルク素子を螺旋コイル構造で２０回巻回して臨界電流値が４２０Ａになるようにし、超電導限流素子２１の外側には、絶縁のために、熱伝導率がよく、絶縁特性に優れた低温絶縁物質を１ｍｍ以下で塗布する。前記低温絶縁物質上に、常電導体並列コイル２３として０．１６ｍｍの銅コイルを利用して約１５０回巻回し、超電導限流素子２１とは電気的に並列に接続する。常電導体並列コイル２３の外側に、ガラス繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）チューブなどの絶縁チューブを位置させ、前記絶縁チューブ上に超電導直列コイル２２を巻回する。このとき、超電導直列コイル２２は、臨界電流値が３００ＡであるＹＢＣＯ被覆された２つの導体を２層構造に積層し、超電導限流素子２１と同じ方向に２０回巻回し、超電導限流素子２１とは電気的に直列に接続する。

一方、正常電流の数倍〜数十倍以上の事故電流が電力系統の線路上を流れるとき、本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器の構成と動作について図５及び図６を参照して説明する。

図５は、事故電流が流れるとき、本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器の等価回路図であり、図６は、事故電流が流れるとき、本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器の電流及び磁界を説明するための図である。

事故電流が図５の下方を向いた大きい矢印４００のように、本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器に流入すると、事故電流が超電導限流素子２１の予め決定された臨界電流値以上の場合、超電導限流素子２１は、クエンチされて抵抗がゼロである超電導状態から抵抗が数十ミリオーム〜数オームまで増加した常電導状態に遷移する。従って、本発明による抵抗型超電導限流器に流れる事故電流は、超電導限流素子２１と常電導体並列コイル２３に分流されて流れる。ここで、常電導体並列コイル２３は、クエンチされた超電導限流素子２１の抵抗値より小さい抵抗値を有するため、事故電流は大部分常電導体並列コイル２３に流れる。図５において、小さい矢印４１０及び４２０は、それぞれ超電導限流素子２１に分流されて流れる事故電流、及び常電導体並列コイル２３に分流されて流れる事故電流を意味する。

図５に示すように事故電流が流れるとき、常電導体並列コイル２３の電流方向と超電導直列コイル２２の電流方向とは同一であり、それぞれ同じ方向の磁界を発生させる。

図５において、両端に矢印が付いた円弧は、超電導限流素子２１と超電導直列コイル２２からのそれぞれの磁界であって、互いに影響を及ぼすことを示している。

ここで、超電導限流素子２１に流れる電流と超電導直列コイル２２に流れる電流とは同一でなく、超電導直列コイル２２に流れる電流が超電導限流素子２１に流れる電流より非常に大きいため、図６に示すように磁界が形成される。

すなわち、超電導直列コイル２２に流れる電流が超電導限流素子２１に流れる電流より非常に大きいため、超電導限流素子２１内の磁界は相殺されず、超電導直列コイル２２により、図６の下方を向いた矢印のように、超電導限流素子２１の内部と外部に垂直磁界が形成される。また、常電導体並列コイル２３に流れる電流の方向も超電導直列コイル２２に流れる電流の方向と同一であるので、超電導直列コイル２２により発生した前記垂直磁界よりは小さいが、常電導体並列コイル２３に流れる電流による磁界も、超電導直列コイル２２により発生した前記垂直磁界と同じ方向に発生して、超電導限流素子２１の均一なクエンチをさらに助ける。従って、事故電流が流れるとき、超電導限流素子２１の内部と外部に同時に磁界が存在して、超電導限流素子２１が均一にクエンチされる。これにより、超電導限流素子２１の高電圧耐性が増加し、従って、電力系統を安定化できる。

その後、超電導直列コイル２２も臨界電流値以上の事故電流の通電によりクエンチされる。しかし、超電導直列コイル２２は、超電導限流素子２１に比べて、臨界電流値も大きくて、クエンチ時の抵抗値も非常に低く設定されるため、超電導直列コイル２２の限流機能はほとんどない。

一方、本発明の他の実施形態による抵抗型超電導限流器の構成と動作について図７及び図８を参照して説明する。

図７は、事故電流が流れるとき、本発明の他の実施形態による抵抗型超電導限流器の等価回路図であり、図８は、事故電流が流れるとき、本発明の他の実施形態による抵抗型超電導限流器の電流及び磁界を説明するための図である。

図７に示すように、本発明の他の実施形態による抵抗型超電導限流器は、正常電流が流れるときは超電導状態であり、予め決定された臨界電流値以上の事故電流が流れるときは予め決定された抵抗を有する常電導状態に変化する超電導限流素子２１と、超電導限流素子２１に直列に接続される超電導直列コイル２２と、超電導限流素子２１に並列に接続される第１常電導体並列コイル２３ａと、超電導直列コイル２２に並列に接続される第２常電導体並列コイル２３ｂとを含む。

超電導限流素子２１は、全体的に螺旋コイル状を有する超電導体である。

正常電流が流れるとき、超電導限流素子２１と電流の流れ方向が逆になって磁界が相殺されて電流損失が最小化するように、超電導直列コイル２２は、超電導限流素子２１に対向するように超電導限流素子２１に直列に接続される。また、事故電流が流れるとき、超電導限流素子２１より先にクエンチされるように、超電導直列コイル２２は、超電導限流素子２１のｎ値より予め決定された割合で大きいｎ値を有する。ここで、ｎ値は超電導体から常電導体に遷移する急速度を示す急速指数（transition exponent）を意味するもので、臨界電流値が同じ場合、ｎ値が大きいほどより迅速に超電導体から常電導体に遷移する。

超電導直列コイル２２のｎ値は、超電導限流素子２１のｎ値より１．５〜４．０倍の割合で大きい値を有するようにその素材が選択されることが好ましい。

正常電流が流れるときに磁界が相殺されて電流損失が最小化するように、超電導限流素子２１に直列に接続される超電導直列コイル２２は、螺旋コイル状の超電導体であり、超電導限流素子２１を囲むように配置され、超電導限流素子２１の巻回数と同じ巻回数を有する。

好ましくは、超電導直列コイル２２及び超電導限流素子２１は、それぞれ薄厚かつ幅広の面を有するテープ状のＢＩＳＣＣＯ系（例えば、Ｂｉ２２１２、Ｂｉ２２２３）又はＹＢＣＯ被覆された超電導体を巻回して形成した超電導コイルである。

また、超電導直列コイル２２と超電導限流素子２１とは、前記幅広の面が対向するように配置される。

さらに、超電導直列コイル２２と超電導限流素子２１とは、差が３％以下の類似した臨界電流値を有するように選択される。

事故電流が流れるとき、前記超電導限流素子を流れる電流を分流して前記超電導限流素子の過熱が防止されるように保護すると共に、磁界を発生させて前記超電導限流素子の均一なクエンチを助けるために、第１常電導体並列コイル２３ａは、超電導限流素子２１に並列に接続され、事故電流が流れるとき、前記超電導限流素子が有する前記抵抗より小さな、予め決定された抵抗を有する。

また、第２常電導体並列コイル２３ｂは、事故電流が流れるとき、超電導直列コイル２２が有する抵抗より小さな、予め決定された抵抗を有する。

さらに、第２常電導体並列コイル２３ｂは、事故電流が流れるとき、超電導直列コイル２２を流れる電流を分流して超電導直列コイル２２の過熱が防止されるように保護すると共に、磁界を発生させて超電導限流素子２１に印加することにより、超電導限流素子２１を均一にクエンチする。

超電導直列コイル２２が超電導限流素子２１より先にクエンチされるため、超電導限流素子２１の均一なクエンチに及ぼす影響は、第２常電導体並列コイル２３ｂからの磁界による影響が第１常電導体並列コイル２３ａからの磁界による影響より大きくて迅速であり、非常に効果的である。

第１常電導体並列コイル２３ａと第２常電導体並列コイル２３ｂの両方とも、超電導直列コイル２２の電流方向又は超電導限流素子２１の電流方向のいずれか一方と同じ電流方向を有する。

第１常電導体並列コイル２３ａ及び第２常電導体並列コイル２３ｂは、ソレノイド状コイルであり、第１常電導体並列コイル２３ａは、超電導限流素子２１と超電導直列コイル２２との間に位置し、第２常電導体並列コイル２３ｂは、超電導直列コイル２２の外側に位置する。

超電導直列コイル２２及び超電導限流素子２１としては、それぞれＢｉ２２１２超電導バルク、Ｂｉ２２２３線材、ＹＢＣＯ被覆された超電導体のいずれか１つの材料で形成されたものが選択される。

また、第１及び第２常電導体並列コイル２３ａ、２３ｂの材料は、銅、黄銅、ＣｕＮｉ、又はＮｉ合金のいずれか１つである。

このような本発明の他の実施形態による抵抗型超電導限流器は、超電導限流素子２１と第１常電導体並列コイル２３ａとの間、第１常電導体並列コイル２３ａと超電導直列コイル２２との間、及び第２常電導体並列コイル２３ｂと超電導直列コイル２２との間に充填される電気的絶縁層をさらに含むことができる。ここで、前記電気的絶縁層は、エポキシ樹脂又はガラス繊維強化プラスチックの層であることが好ましい。

以下、このように構成された本発明の他の実施形態による抵抗型超電導限流器の動作を説明する。

電力系統の電力線路に定格電流以下の正常電流が流れるとき、本発明の他の実施形態による抵抗型超電導限流器の動作は、前述した本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器の正常電流通電時の動作と同様である。すなわち、正常電流が流れるとき、超電導限流素子２１と超電導直列コイル２２がそれぞれ有する臨界電流値より正常電流値が小さいため、超電導限流素子２１と超電導直列コイル２２は超電導状態を維持する。従って、図７に示すような抵抗型超電導限流器の回路のうち、第１常電導体並列コイル２３ａと第２常電導体並列コイル２３ｂには電流が流れないため、図７に示すような本発明の他の実施形態による抵抗型超電導限流器は、図３の回路と等価である。図３の回路による動作は、前述した本発明の一実施形態の説明と同様であるので詳細な説明は省略する。

事故電流が図７の下方を向いた大きい矢印４００のように、本発明の他の実施形態による抵抗型超電導限流器に流入すると、事故電流が超電導限流素子２１と超電導直列コイル２２の予め決定された臨界電流値以上の場合、ｎ値が大きい超電導直列コイル２２が先にクエンチされて抵抗がゼロである超電導状態から抵抗が数十ミリオーム〜数オームまで増加した常電導状態に遷移する。従って、本発明による抵抗型超電導限流器に流れる事故電流は、超電導直列コイル２２と第２常電導体並列コイル２３ｂに分流されて流れる。ここで、第２常電導体並列コイル２３ｂは、クエンチされた超電導直列コイル２２の抵抗値より小さい抵抗値を有するため、事故電流は大部分第２常電導体並列コイル２３ｂに流れる。図７において、小さい矢印４１０及び４２０は、それぞれ超電導直列コイル２２に分流されて流れる事故電流、及び第２常電導体並列コイル２３ｂに分流されて流れる事故電流を意味する。すると、クエンチされた超電導直列コイル２２に並列に接続された第２常電導体並列コイル２３ｂに分流電流が流れることによって、クエンチされた超電導直列コイル２２の過熱が防止される。これと同時に、第２常電導体並列コイル２３ｂは、分流電流により磁界を発生させ、超電導限流素子２１がクエンチされる前にその磁界を超電導限流素子２１に印加することにより、以後、事故電流により超電導限流素子２１がクエンチされるとき、超電導限流素子２１の均一なクエンチに大きな影響を与える。図７において、符号４３０及び４４０は、それぞれ超電導限流素子２１に流れる分流電流、及び第１常電導体並列コイル２３ａに流れる分流電流を意味する。

図７において、両端に矢印が付いた円弧は、超電導限流素子２１と超電導直列コイル２２からのそれぞれの磁界であって、互いに影響を及ぼすことを示している。

その後、超電導限流素子２１がクエンチされると、第１常電導体並列コイル２３ａに分流電流が流れて超電導限流素子２１の過熱が防止される。

超電導限流素子２１がクエンチされた後に第１常電導体並列コイル２３ａに分流電流４４０が流れるため、第１常電導体並列コイル２３ａの磁界による超電導限流素子２１の均一なクエンチ効果は、第２常電導体並列コイル２３ｂからの磁界による効果より非常に少ない。

図７に示すような本発明の他の実施形態による抵抗型超電導限流器に事故電流が流れると、図８に示すように磁界が形成される。

すなわち、第２常電導体並列コイル２３ｂに流れる分流電流が超電導限流素子２１に流れる電流より非常に大きいため、超電導限流素子２１内の磁界は相殺されず、第２常電導体並列コイル２３ｂにより、図８の下方を向いた矢印のように、超電導限流素子２１の内部と外部に垂直磁界が形成される。また、第１常電導体並列コイル２３ａに流れる電流の方向も第２常電導体並列コイル２３ｂに流れる電流の方向と同一であるので、第１常電導体並列コイル２３ａに流れる電流による磁界も、第２常電導体並列コイル２３ｂにより発生した前記垂直磁界と同じ方向に発生する（すなわち、下方を向いた垂直磁界が形成される）。

図７及び図８に示す本発明の他の実施形態は次のような利点を有する。

第１に、正常電流が流れるとき、超電導限流素子２１と超電導直列コイル２２とは、電流の方向が逆方向であり、対向する構造であるので、発生した自己磁界が相殺されて交流損失を低減できるという利点がある。

第２に、事故電流が流れるとき、超電導直列コイル２２のｎ値が超電導限流素子２１より非常に大きいため先にクエンチされ、その分流電流４２０により、超電導限流素子２１のクエンチ時点より早く超電導限流素子２１に磁界が印加されて、超電導限流素子２１の均一なクエンチに非常に大きい効果があるという利点がある。

前述した本発明の各実施形態による抵抗型超電導限流器は、超電導限流素子がクエンチされたとき、超電導限流素子に並列に接続された常電導体コイルの磁力により駆動されるスイッチ、及びそのスイッチによりトリップ駆動される別途の高圧又は超高圧用の遮断器と連動するように構成することにより、事故電流発生時に電力系統の回路を完全に遮断するように構成して使用できる。

一方、高い電圧の電力系統に接続して使用できる本発明の構成例を図９を参照して説明する。

図９は、高電圧耐性を有するように、本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器を直列に複数接続した構成例を示す等価回路図である。

高電圧耐性を向上させるために、前述した本発明の一実施形態又は他の実施形態による抵抗型超電導限流器を必要個数だけ直列に接続して、本発明による抵抗型超電導限流器システムを構成できる。

ここで、直列接続によりシステムを構成する限流器の個数は、適用される電力系統の取り扱い電圧レベルによって決定される。例えば、１つの限流器が１ｋＶの電圧耐性特性を有する場合、単相１４ｋＶ配電用電力系統においては、１４個の限流器を直列に接続すればよい。このように、本発明により１つの限流器が耐えられる電圧耐性を増加させることにより、同一電圧レベルの限流器の製作に必要な限流器の個数を減らすことができ、全体システムを小型化でき、コストが低いという利点がある。

本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器の水平断面構造を示す水平断面図である。本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器の等価回路図である。正常電流が流れるとき、本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器の等価回路図である。正常電流が流れるとき、本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器の電流及び磁界を説明するための図である。事故電流が流れるとき、本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器の等価回路図である。事故電流が流れるとき、本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器の電流及び磁界を説明するための図である。事故電流が流れるとき、本発明の他の実施形態による抵抗型超電導限流器の等価回路図である。事故電流が流れるとき、本発明の他の実施形態による抵抗型超電導限流器の電流及び磁界を説明するための図である。高電圧耐性を有するように、本発明の一実施形態による抵抗型超電導限流器を直列に複数接続した構成例を示す等価回路図である。従来の抵抗型超電導限流器の構成図である。

Claims

正常電流が流れるときは超電導状態であり、予め決定された臨界電流値以上の事故電流が流れるときは予め決定された抵抗を有する常電導状態に変化する超電導限流素子と、
正常電流が流れるとき、前記超電導限流素子と電流の流れ方向が逆になって磁界が相殺されて電流損失が最小化するように、前記超電導限流素子に対向するように前記超電導限流素子に直列に接続され、事故電流が流れるとき、前記超電導限流素子より先にクエンチされるように、前記超電導限流素子のｎ値より予め決定された割合で大きいｎ値を有する超電導直列コイルと、
事故電流が流れるとき、前記超電導限流素子を流れる電流を分流して前記超電導限流素子の過熱が防止されるように保護すると共に、磁界を発生させて前記超電導限流素子の均一なクエンチを助けるために、前記超電導限流素子に並列に接続され、事故電流が流れるとき、前記超電導限流素子が有する前記抵抗より小さな、予め決定された抵抗を有する第１常電導体並列コイルと、
事故電流が流れるとき、前記超電導直列コイルを流れる電流を分流して前記超電導直列コイルの過熱が防止されるように保護すると共に、磁界を発生させて前記超電導限流素子を均一にクエンチするために、前記超電導直列コイルに並列に接続され、事故電流が流れるとき、前記超電導直列コイルが有する抵抗より小さな、予め決定された抵抗を有する第２常電導体並列コイルと、
を含むことを特徴とする抵抗型超電導限流器。
前記超電導限流素子は、全体的形状が螺旋コイル状の超電導体であることを特徴とする請求項１に記載の抵抗型超電導限流器。
正常電流が流れるとき、磁界が相殺されて電流損失が最小化するように、前記超電導限流素子に直列に接続される前記超電導直列コイルが、螺旋コイル状の超電導体であり、前記超電導限流素子を囲むように配置され、前記超電導限流素子の巻回数と同じ巻回数を有することを特徴とする請求項１に記載の抵抗型超電導限流器。
前記超電導直列コイル及び前記超電導限流素子が、それぞれ薄厚かつ幅広の面を有するテープ状のＢＩＳＣＣＯ系又はＹＢＣＯ系の超電導体を巻回して形成した超電導コイルであることを特徴とする請求項１に記載の抵抗型超電導限流器。
前記超電導直列コイルと前記超電導限流素子とは、前記幅広の面が対向するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の抵抗型超電導限流器。
前記超電導直列コイルと前記超電導限流素子とは、臨界電流値の差が３％以下であることを特徴とする請求項１に記載の抵抗型超電導限流器。
前記超電導直列コイルのｎ値が、前記超電導限流素子のｎ値より１．５〜４．０倍の割合で大きい値であることを特徴とする請求項１に記載の抵抗型超電導限流器。
前記第１常電導体並列コイルと前記第２常電導体並列コイルの両方が、前記超電導直列コイルの電流方向又は前記超電導限流素子の電流方向のいずれか一方と同じ電流方向を有することを特徴とする請求項１に記載の抵抗型超電導限流器。
前記第１常電導体並列コイル及び前記第２常電導体並列コイルが、ソレノイド状コイルであり、前記第１常電導体並列コイルが、前記超電導限流素子と前記超電導直列コイルとの間に位置し、前記第２常電導体並列コイルが、前記超電導直列コイルの外側に位置することを特徴とする請求項１に記載の抵抗型超電導限流器。
前記超電導直列コイル及び前記超電導限流素子が、それぞれＢｉ２２１２超電導バルク、Ｂｉ２２２３線材、ＹＢＣＯ被覆された超電導体のいずれか１つの材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の抵抗型超電導限流器。
前記超電導限流素子と前記第１常電導体並列コイルとの間、前記第１常電導体並列コイルと前記超電導直列コイルとの間、及び前記第２常電導体並列コイルと前記超電導直列コイルとの間に充填される電気的絶縁層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の抵抗型超電導限流器。
前記電気的絶縁層が、エポキシ樹脂又はガラス繊維強化プラスチックの層であることを特徴とする請求項１に記載の抵抗型超電導限流器。
前記第１常電導体並列コイル及び前記第２常電導体並列コイルの材料が、銅、黄銅、ＣｕＮｉ、Ｎｉ合金のいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の抵抗型超電導限流器。
前記抵抗型超電導限流器が、高電圧耐性を向上させるために直列に複数接続されることを特徴とする請求項１に記載の抵抗型超電導限流器。