JP4805688B2 - 超電導線材およびこれを用いた超電導装置 - Google Patents

Description

本発明は超電導線材およびこれを用いた超電導装置に係り、特に電力系統等に接続され、系統事故により生じる過大電流を抑制、限流する機能を備えた超電導線材およびこれを用いた超電導装置に関する。

超電導転移温度が低温から高温の範囲にあり、金属基板上に超電導層を形成してなる超電導線材がある。

一般に超電導層は、イットリウム・バリウム・銅酸化物であり、高温超電導線材あるいは酸化物超電導線材と呼ばれる超電導線材の一種である。

図９に示すように、超電導線材６１の金属基板層６２は、Ｎｉ合金等を材料としている。この金属基板層６２上に超電導層６３が生成されるが、この際には中間層６４を介在させるのが一般的である。超電導層６３はイットリウム・バリウム・銅酸化物であり、中間層６４は酸化セリウム、イットリウム安定化ジルコニアなどの絶縁体が用いられる。超電導層６３の上にさらに安定化金属層６５が形成される。超電導層６３の超電導が破れ常電導転移したときに電流を安定化金属層６５に転流し、超電導層の焼損を防止する目的で用意されている。この安定化金属層６５は、銀や銅の電気良導体が一般的である（特許文献１、２、非特許文献１）。

このような従来の超電導線材は過電流が流れ、超電導層６３の超電導が破れ常電導転移したときの対策として、安定化金属層６５が用意されているが、単純ではない側面もある。

この超電導線材を用いた超電導機器として、電力応用機器を想定すると、電力側の系統において短絡事故が起きたとき、超電導機器両端に系統電圧が印加される事故を想定する必要がある。この時流れる電流は、印加電圧に比例し、発生抵抗に反比例する。また超電導機器の消費エネルギーは、印加電圧の二乗に比例し発生抵抗に反比例する。重要なことは、電流、消費エネルギーともに発生抵抗に反比例することである。すなわち、安定化金属層に、銀や銅の電気良導体を用いた場合には、大電流、大消費エネルギーを招き、むしろ焼損の可能性もあるという問題点があった。
特開２００１−２３６８３４号公報 特開２００４−３６２７８４号公報 米田出版「超伝導材料」図３．５０（ｐ．１６３）

事故電流が流れたときに徐々に抵抗が増大することによる一部発熱の抑制、偏った電圧分担による絶縁破壊を防止できる超電導線材及びこれを用いた超電導装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る超電導線材は、金属基板上に超電導層が形成され、かつこの超電導層の表面に金属層が被着された超電導線材において、前記金属基板と前記金属層はそれぞれ電気抵抗温度特性の異なる金属であり、かつ両者のいずれかは室温における電気抵抗率が１×１０−７Ωｍ以上１×１０−５Ωｍ以下であり、両者はこの両者の少なくとも片縁周面に沿って線状の接続端子により電気的に接続されてなり、前記金属基板と前記金属層は熱絶縁層によって包括されていることを特徴とする。

また、本発明に係る超電導装置は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超電導線材を基材に取着し、超電導線材を冷却する冷却手段を備えてなることを特徴とする。
また、本発明に係る超電導装置は、前記超電導線材の熱絶縁層は樹脂を含浸することを特徴とする。

本発明によれば、事故電流が流れたときに徐々に抵抗が増大することによる一部発熱の抑制、偏った電圧分担による絶縁破壊を防止できる。

以下、本発明に係る超電導線材およびこれを用いた超電導装置の実施形態について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１実施形態に係る超電導線材の概念図であり、図２はその側面を示す概念図である。

図１及び図２に示すように、本第１実施形態の超電導線材１は、細長く断面が扁平長方形状の金属基板２と、この金属基板２上に中間層３を介して形成された超電導層４と、この超電導層４の表面に被着された金属層５から構成され、金属基板２と金属層５は接続手段としての接続端子６により電気的に接続される。

金属基板層２上に超電導層４が形成されるが、中間層３を介在させるのが一般的である。

超電導層４はイットリウム・バリウム・銅酸化物等であり、中間層３は酸化セリウム、イットリウム安定化ジルコニアなどの絶縁体が用いられ、金属層５は安定化金属層をなす。

接続端子６は超電導線材１の両端部間に設けられ、金属基板２と接する金属端子６ａと、金属層５と接する金属端子６ｂからなる断面略ｙ字状をなし、金属基板２と金属層５を電気的に接続する。

また、金属基板２及び金属層５は、それぞれ電気抵抗温度特性の異なる金属であり、金属基板２及び金属層５のいずれかは、室温における電気抵抗率が１×１０^−７Ωｍ以上１×１０^−５Ωｍ以下である。電気抵抗率が１×１０^−７Ωｍ未満であると、事故電流を抑制できず、また、消費エネルギーの抑制効果がない。

さらに、金属基板２及び金属層５のうちの一方は、室温での電気抵抗率と使用時の温度例えば、超電導装置での使用時にあっては運転温度での電気抵抗率との比が２以下であり、他の一方は、その比が２以上であるのが好ましい。

金属基板２及び金属層５の材質としては、例えば、金属基板２がＮｉ−Ｗ合金（電気抵抗率比が２以上）、金属層５がステンレス（電気抵抗率比が２以下）が好ましい。これにより、短絡事故等が起き過電流が流れたとき、電流はまずは抵抗の低い電気抵抗率比が２以上の金属板側（この場合は金属基板２側）に流れる。大電流を生ずるが、もう一方側の電気抵抗率比が２以下の金属板側（この場合は金属層５側）が熱容量として寄与するので、温度上昇を抑制できる。さらに、温度上昇とともに抵抗が上昇することも有効な特徴である。事故初期に、大抵抗が発生してしまうと急激に電流を抑制して、線材長手方向の一部に発熱部を招く危険がある。本実施形態の構成は、徐々に抵抗を増大することでこれを防止している。また、本構成には線材長手方向一様の抵抗発生により、偏った電圧分担による絶縁破壊防止効果もあり、さらに、線材の抵抗監視により、超電導装置の温度モニターの効果もある。

また、金属基板２と金属層５の合成電気抵抗において、室温での合成電気抵抗と使用時の温度での合成電気抵抗との比が２以上であるのが好ましい。

これにより、上記と同様、事故電流が流れたときに徐々に抵抗を増大することによる一部発熱の抑制、偏った電圧分担による絶縁破壊防止、および超電導装置の温度モニターの効果がある。室温と使用時の温度での合成電気抵抗比が２未満であると、一部発熱の発生、偏った電圧分担による絶縁破壊が生じる。

このような高抵抗金属を安定化金属層に用いた場合、事故電流を抑制し、消費エネルギーの抑制効果が生じる。

図３は、本超電導線材１の事故電流促成効果を示し、金属基板がＮｉ−Ｗ合金（電気抵抗率比が２以上）、安定化金属層としての金属層がステンレス（電気抵抗率比が２以下）の例である。超電導線材の限流効果がなければ、約４ｋＡ流れる事故電流を、第１波より３００Ａ程度に抑制していることがわかる。また、図中には発生抵抗をプロットしたが、徐々に抵抗が増大する過程も見られる。

次に本実施形態の超電導線材を用いた超電導装置について説明する。

図４は本実施形態の超電導線材を用いた超電導装置の概念図であり、本超電導装置１１は、巻枠１２に接続端子６を備えた本超電導線材１を複数層取着例えば巻回し、冷却手段によって冷却される。

この冷却手段としては、図示しない液体窒素槽が用いられ、巻枠及びこれに巻回された超電導線材を液体窒素槽の液体窒素中に浸漬させることによって行われる。

なお、本超電導線材は基材に巻回して用いるのが好ましいが、基材を用いず単にコイル状に巻回して用いることもでき、また、必ずしもコイル状に巻回して用いる必要はない。

上記のように本実施形態に係る超電導線材及びこれを用いた超電導装置によれば、事故電流が流れたときに徐々に抵抗を増大することによる一部発熱の抑制、偏った電圧分担による絶縁破壊を防止することができる超電導線材及び超電導装置が実現される。

また、本発明に係る超電導線材の第２実施形態について説明する。

本第２実施形態は、第１実施形態が接続手段として断面略ｙ字状の接続端子を用いるのに対して、断面略コ字状の接続端子を用いる。

例えば、図５に示すように、本第２実施形態の超電導線材２１の両端部あるいは線材長手方向一部には、金属基板２及び金属層５と接する断面略コ字状の接続端子２３が取り付けられ、接続端子２３により金属基板２と金属層５を電気的に接続する。これにより、第１実施形態と同様の効果が得られる。超電導装置として用いる場合には、巻枠に本超電導線材を複数層巻回して使用する。なお、他の構成は図１に示す超電導線材と異ならないので、同一符号を付して説明は省略する。

さらに、本発明に係る超電導線材の第３実施形態について説明する。

本第３実施形態は、第１実施形態が接続手段として断面略ｙ字状の接続端子を用いるのに対して、接続端子としてシャント金属を用いる。

例えば、図６に示すように、本第３実施形態の超電導線材３１には、金属基板２、中間層３及び超電導層の少なくとも片縁周面にシャント金属３３が電気的に接続するように設けられ、これが接続端子の機能をなす。超電導装置として用いる場合には、巻枠に本超電導線材を複数層巻回して使用する。これにより、第１実施形態と同様の効果が得られる。

また、本発明に係る超電導線材の第４実施形態について説明する。

本第４実施形態は、第３実施形態の超電導線材全体を絶縁被覆層で覆うものである。

例えば、図７に示すように、本第４実施形態の超電導線材４１には、金属基板２、中間層３及び超電導層４の少なくとも片縁周面に沿って、断面形状が略正方形で線状のシャント金属３３（接続端子）が設けられ、これら全体が絶縁被覆層４２により被覆されている。超電導装置として用いる場合には、巻枠に本超電導線材を複数層巻回して使用する。これにより、事故時の過電流による発熱過程で、線材から線材を冷却する冷媒への排熱が絶縁被覆層により抑制されるため、線材内の温度均一を図る効果が得られる。すなわち、線材内の温度均一が得られることにより、線材断面で一様の抵抗発生が得られ、一部発熱による焼損等が抑制される。

また、本発明に係る超電導装置の他の実施形態について説明する。

本実施形態の超電導装置は、第４実施形態の超電導線材が超電導線材単位で絶縁被覆層を覆うのに対して、コイル状に巻回された超電導線全体を一括して覆うものである。

例えば、図８に示すように、本実施形態の超電導装置５１は、図７に示すと同様に金属基板、中間層及び超電導層の少なくとも片縁周面に沿って、断面形状が略正方形で線状の接続端子が設けられてなる超電導線材５２が、巻枠１２にコイル状に複数層巻回され、これら全体が絶縁被覆層例えばエポキシ樹脂５３により被覆されている。これにより、コイル巻線の周囲をエポキシ樹脂層により含浸する構成としている。この構成により、事故時の過電流による発熱過程で、線材から冷媒への排熱がエポキシ樹脂層により抑制されるため、線材内の温度均一を図る効果が得られる。線材内の温度均一が得られることにより、線材断面で一様の抵抗発生が得られ、一部発熱による焼損等が抑制される。

なお、図７及び図８の構成において、絶縁被覆層４２あるいはエポキシ樹脂層５３の厚さの限定が可能である。ある時間τの熱拡散距離ｌは次の式で与えられる。
［数１］
ｌ＝（π^２Ｄτ／４）^０．５
Ｄ＝λ／ρＣ
ここで、Ｄは熱拡散係数、λは熱伝導率、ρは密度、Ｃは重量当りの比熱である。

絶縁被覆やエポキシ樹脂の室温付近での典型的な値として、下記を使用する。
［数２］
λ＝０．３Ｗ／ｍＫ、ρ＝１．２×１０^３ｋｇ／ｍ^３、Ｃ＝１×１０^３Ｊ／ｋｇＫ
時間τとして、電気系統の遮断時間程度である０．１ｓを使用すると、熱拡散距離としてｌ＝０．２５ｍｍが得られる。

この値以上を絶縁被覆層４２あるいはエポキシ樹脂層５２の厚さを限定することで、線材内の温度均一が得られる確度が増加する。熱絶縁層の厚さが０．２５ｍｍより小さいと、線材内の温度均一が得られない。

本発明の第１実施形態に係る超電導線材の斜視図。 本発明の第１実施形態に係る超電導線材の断面図。 本発明の第１実施形態に係る超電導線材の事故電流促進効果を示す線図。 本発明の第１実施形態に係る超電導線材を用いた超電導装置の概念図。 本発明の第２実施形態に係る超電導線材の断面図。 本発明の第３実施形態に係る超電導線材の断面図。 本発明の第４実施形態に係る超電導線材の断面図。 本発明の他の実施形態に係る超電導装置の断面図。 従来の超電導線材の断面図。

符号の説明

１ 超電導線材
２ 金属基板
３ 中間層
４ 超電導層
５ 金属層
６ 接続端子

Claims (6)

1. 金属基板上に超電導層が形成され、かつこの超電導層の表面に金属層が被着された超電導線材において、前記金属基板と前記金属層はそれぞれ電気抵抗温度特性の異なる金属であり、かつ両者のいずれかは室温における電気抵抗率が１×１０−７Ωｍ以上１×１０−５Ωｍ以下であり、両者はこの両者の少なくとも片縁周面に沿って線状の接続端子により電気的に接続されてなり、前記金属基板と前記金属層は熱絶縁層によって包括されていることを特徴とする超電導線材。
2. 前記金属基板と前記金属層のうちの一方は、室温での電気抵抗率と使用時の温度での電気抵抗率との比が２以下であり、他の一方は、その比が２以上であることを特徴とする請求項１に記載の超電導線材。
3. 前記金属基板と前記金属層の合成電気抵抗において、室温での合成電気抵抗と使用時の温度での合成電気抵抗との比が２以上であることを特徴とする請求項１に記載の超電導線材。
4. 前記熱絶縁層の厚さは、０．２５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の超電導線材。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超電導線材を基材に取着し、超電導線材を冷却する冷却手段を備えてなることを特徴とする超電導装置。
6. 前記超電導線材の熱絶縁層は樹脂を含浸することを特徴とする請求項５に記載の超電導装置。

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