JP5921874B2 - Superconducting coil for power induction equipment - Google Patents
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Description
本発明は、液体窒素を冷媒として、その冷媒中に浸漬して冷却するようにした超電導限流器,超電導変圧器などの電力用誘導機器に適用する縦置き形の超電導コイルに関する。 The present invention relates to a vertical superconducting coil applied to a power induction device such as a superconducting fault current limiter or a superconducting transformer which is cooled by immersing liquid nitrogen in the refrigerant.
昨今では、液体窒素温度(大気圧下での沸点:77K)以上で超電導の臨界温度をもつ高温酸化物超電導体の出現に伴い、この高温超電導線材を使用して構成した頭記の超電導誘導機器を液体窒素の冷媒中に浸漬して冷却し、通電中に超電導線材を臨界温度以下に保持するようにした超電導機器,およびその冷却システムの開発が進んでいる。 Recently, with the advent of high-temperature oxide superconductors having a superconducting critical temperature above the liquid nitrogen temperature (boiling point under atmospheric pressure: 77K), the superconducting induction equipment described above is constructed using this high-temperature superconducting wire. Development of a superconducting device and a cooling system for the superconducting wire that keeps the superconducting wire below the critical temperature while energized is cooled by immersing it in a liquid nitrogen refrigerant.
次に、超電導変圧器を例に、そのコイル導体に前記した高温超電導線材を用いた超電導コイル,および超電導変圧器の従来構造例を図4〜図6に示し、また超電導機器を冷却する液体窒素冷却システムの一例を図7に示す。 Next, taking a superconducting transformer as an example, a superconducting coil using the above-described high-temperature superconducting wire as its coil conductor, and conventional structural examples of the superconducting transformer are shown in FIGS. 4 to 6, and liquid nitrogen for cooling the superconducting equipment is shown. An example of the cooling system is shown in FIG.
まず、図4,および図5(b),(c)は、従来技術の例として特許文献1,特許文献2に開示されている超電導コイルの構成図であり、各図において1は変圧器の鉄心、2は低圧コイル層、3は低圧コイル層2の外周側に配置した高圧コイル層であり、低圧コイル層2,高圧コイル層3は鉄心1の脚部(縦向き)を包囲して同心配置し、各コイル層の間には後述のように液体窒素などの冷媒を通流して極低温に冷却し、その超電導コイルを臨界温度以下の超電導状態に維持して運転するようにしている。
First, FIG. 4 and FIG. 5B and FIG. 5C are configuration diagrams of superconducting coils disclosed in
ここで、従来技術による超電導コイルは、図5(a)〜(c)で示すようにFRPなどの絶縁材で作られた円筒状の巻枠4の外周面側に前記の高温酸化物超電導体で作られた超電導線材5を巻回して構成している。また、現在開発が進められている高温超電導線材は、厚さ0.1mm,幅5mm程度のテープ状であることから、この超電導線材5のテ
ープ幅寸法に合わせて巻枠4の外周面には螺旋状のコイル溝4aをあらかじめ加工しておき、このコイル溝4aに沿って超電導線材5を一条,ないし複数条重ねて溝内に巻回した上で、さらに超電導線材5の外周面にガラスバインドテープ6、あるいは常温導電体の金属テープを巻き付け、過電流が流れた際に超電導線材5に加わる半径方向の電磁力を外周側から支持するようにしている。また、巻枠4の外周面上には前記の螺旋状コイル溝4aと交差するよう縦軸方向に延在する冷却ダクト4bを周上に分散形成し、この冷却ダクト4bに液体窒素を通流して超電導線材5の通電に伴う発熱を内径側から除熱するようにしている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。
Here, as shown in FIGS. 5A to 5C, the superconducting coil according to the prior art has a high temperature oxide superconductor on the outer peripheral surface side of a
また、図6で示すように超電導変圧器のコイル組立体は、前記の低圧コイル層2を内側,高圧コイル層3を外側に配置して各コイル層の巻枠4をその上下に配したコイル支持部材(円盤状フランジ)7の間に挟持し、かつ低圧コイル層2と高圧コイル層3との間に所定の絶縁距離dを設定した上で、上下のコイル支持部材7の間を図示されてないスタッドボルトで締結して支持するようにしている。なお、図6の構成例では低圧コイル層を2層,高圧コイル層3を4層に分けて多重円筒形構成としている。また、図には表してないが、前記のコイル支持部材7にはそのフランジ板面に冷媒通過穴を適宜に分散穿孔しておき、コイル組立体を冷媒容器に収容して液体窒素中に浸漬した状態で、冷媒容器内で対流する液体窒素が各コイル層間に通流するようにしている。
Further, as shown in FIG. 6, the coil assembly of the superconducting transformer is a coil in which the low
次に、液体窒素を冷媒として超電導変圧器などの超伝導機器を冷却する液体窒素冷却システムの一例(例えば、非特許文献1参照)を図7に示す。この冷却システムは、超伝導誘導機器8(例えば、超電導変圧器)を収容した冷媒容器(クライオスタット)9と、極低温冷凍機10を装備した冷凍機ユニット11とに分けた上で、送液ポンプ12,送液管路13を介して冷凍機ユニット11に収容した液体窒素14を冷媒容器9との間に循環送流し、超伝導誘導機器8の運転時には通電に伴う熱負荷を液体窒素14で除熱するようしている。また、この冷凍機ユニット11では、極低温冷凍機10により液体窒素14をサブクール状態の過冷却液体窒素(例えば、65K)に冷却した上で、冷媒容器9に送液するようにしている。なお、図中の8aは超電導機器のコイルに接続して容器外方に引出した電流リード(ブッシング)、14aは液体窒素14の液面上のガス空間を満たしている窒素ガスである。
Next, FIG. 7 shows an example of a liquid nitrogen cooling system that cools superconducting equipment such as a superconducting transformer using liquid nitrogen as a refrigerant (see, for example, Non-Patent Document 1). This cooling system is divided into a refrigerant container (cryostat) 9 containing a superconducting induction device 8 (for example, a superconducting transformer) and a
前記のように液体窒素中に浸漬して使用する超電導機器(超電導変圧器)の定常運転状態では、超電導コイルが臨界温度以下の超電導状態に保持されるので、超電導線はジュール発熱せず液体窒素温度と同程度の温度を保持する。しかしながら、励磁突入や短絡事故発生などにより超電導コイルに想定を超える過大な電流が流れた場合は、臨界電流を超えて超電導から常電導状態に転移(クエンチ)して超電導線材に抵抗が生じ、そのジュール発熱によって超電導線材の温度が急激に上昇するようになる。 In the normal operation state of the superconducting equipment (superconducting transformer) used by being immersed in liquid nitrogen as described above, the superconducting coil is maintained in the superconducting state below the critical temperature, so the superconducting wire does not generate Joule heat and is in liquid nitrogen. Keep the same temperature as the temperature. However, if an excessive current exceeding the expected value flows in the superconducting coil due to an excitation rush or a short circuit accident, the superconducting wire rod becomes resistive by causing a transition from the superconducting state to the normal conducting state (quenching) exceeding the critical current. The temperature of the superconducting wire suddenly rises due to Joule heat generation.
このために、冷媒にサブクール状態の過冷却液体窒素を用いたとしても、超電導線材の表面に接する部分では液体窒素が沸点(77K)を超え、液体窒素中に沸騰が生成して気泡が発生することが想定される。この場合に、液体窒素は元来良好な絶縁媒体であるが、気化することでその絶縁耐力が大きく低下することから、超電導機器を収容した冷媒容器(接地電位)内で超電導コイルの周域、および高圧/低圧コイル層の層間に多量の気泡が発生した状態になると、超電導コイル,高圧/低圧コイル層の層間,および電流リードなどに対する耐電圧が低下して絶縁破壊を引き起こすおそれがある。 For this reason, even when subcooled supercooled liquid nitrogen is used as the refrigerant, the liquid nitrogen exceeds the boiling point (77 K) at the portion in contact with the surface of the superconducting wire, and boiling occurs in the liquid nitrogen to generate bubbles. It is assumed that In this case, liquid nitrogen is originally a good insulating medium, but since its dielectric strength is greatly reduced by vaporization, the surrounding area of the superconducting coil in the refrigerant container (ground potential) containing the superconducting equipment, If a large amount of bubbles are generated between the high-voltage / low-voltage coil layers, the withstand voltage against the superconducting coil, the high-voltage / low-voltage coil layers, the current leads, etc. may be reduced, causing dielectric breakdown.
そこで、超電導機器の稼働中に過電流の通電により液体窒素中に発生した気泡を速やかに消滅させて所定の絶縁性能を保持するための対策として、冷媒容器内に発生した気泡を積極的に回収して容器外に排出する、あるいは容器内を浮上する気泡を捕集するような気泡消滅手段を備えた超電導機器装置が知られている(例えば、特許文献3参照)。 Therefore, as a measure to quickly eliminate the bubbles generated in the liquid nitrogen due to overcurrent during operation of the superconducting equipment and maintain the specified insulation performance, the bubbles generated in the refrigerant container are actively collected. Then, a superconducting device apparatus is known that is equipped with a bubble extinguishing means that discharges out of the container or collects bubbles that float inside the container (see, for example, Patent Document 3).
ところで、近年では配電変電所クラスの容量を持つ変圧器、例えば高圧側電圧が66〜77KV、低圧側電圧が6.6〜6.9KV、変圧器容量が数MVA〜数十MVAにもおよぶ大容量の超電導変圧器の開発が進められている。ここで、液体窒素の絶縁性能は、油入変圧器の絶縁油と同程度であるが、液体窒素中に気泡が存在すると絶縁性能は著しく低下することから、超電導変圧器を浸漬した液体窒素中に気泡が発生するのを極力抑制するために、一般的には液体窒素を66K〜70K程度のサブクール状態に過冷却して超電導コイルを冷却するようにしている。 By the way, in recent years, a transformer having a capacity of a distribution substation class, for example, a high-voltage side voltage of 66 to 77 KV, a low-voltage side voltage of 6.6 to 6.9 KV, and a transformer capacity of several MVA to several tens of MVA Development of superconducting transformers with capacity is underway. Here, the insulation performance of liquid nitrogen is similar to the insulation oil of oil-filled transformers, but if there are bubbles in the liquid nitrogen, the insulation performance will be significantly reduced, so in the liquid nitrogen in which the superconducting transformer is immersed. In order to suppress the generation of bubbles as much as possible, in general, the superconducting coil is cooled by supercooling liquid nitrogen to a subcooling state of about 66K to 70K.
しかしながら、励磁突入や短絡事故発生などに起因する過電流通電により、超電導コイルが超電導から常電導状態に転移した場合には、超電導コイルを冷却する冷媒として前記のようにサブクール状態の液体窒素を用い、さらに特許文献3に開示されているような気泡消滅手段を併用したとしても、先記のように超電導線材のジュール発熱により高温度に上昇した超電導コイルからの伝熱を受けて液体窒素中に気泡が発生するようになり、また前記の気泡消滅手段(特許文献3)も実用的にはその能力に限界があって気泡発生に起因する超電導機器の絶縁性能低下を根本的に防ぐ解決策にはならない。
However, when the superconducting coil is changed from the superconducting state to the normal conducting state due to the overcurrent energization caused by the inrush of excitation or the occurrence of a short-circuit accident, the subcooled liquid nitrogen is used as the refrigerant for cooling the superconducting coil as described above. Furthermore, even if the bubble extinguishing means disclosed in
また、図6に示した超電導変圧器のコイル組立体のように、低圧コイル層2,高圧コイル層3の巻枠4その上下に配した円盤状のコイル支持部材7で支持した構成では、次のような問題も生じる。すなわち、高温超電導線材5の発熱に伴ってコイル層の外周面に連続して発生した気泡が液体窒素中を拡散しながら浮上移動する過程で、巻枠4の上端側に配したコイル支持部材7のフランジ下面側に到達して低圧コイル層2と高圧コイル層3との間に気泡のブリッジを形成するような状態になると、低圧コイル層2と高圧コイル層3との間にあらかじめ所定の絶縁距離dを設定したとしても、この気泡ブリッジを通じて層間の耐電圧が低下して絶縁破壊が生じる懸念がある。
Further, as in the coil assembly of the superconducting transformer shown in FIG. 6, in the configuration supported by the disk-shaped coil support members 7 arranged above and below the
なお、発明者等が図5の超電導コイルを模擬してサブクール状態の液体窒素に浸漬したコイルモデルについて、超電導コイルに短絡電流を模擬した過電流を流した際に液体窒素中に発生する気泡の挙動を高速カメラで観察したところによれば、過電流の通電開始直後から超電導線材の表面に接する部分に液体窒素の沸騰が生成して気泡が連続的に発生し、この気泡が超電導コイルの巻枠外周面に沿って上方に浮上していく様子が観察されている。 Regarding the coil model in which the inventors simulated the superconducting coil of FIG. 5 and immersed in liquid nitrogen in a subcooled state, bubbles generated in liquid nitrogen when an overcurrent simulating a short-circuit current was passed through the superconducting coil. According to observation of the behavior with a high-speed camera, boil of liquid nitrogen is generated at the part in contact with the surface of the superconducting wire immediately after the start of overcurrent, and bubbles are continuously generated. It has been observed that it floats upward along the outer peripheral surface of the frame.
この場合に、超電導コイルの下部,あるいは中部に巻回されている超電導線材の表面に発生した気泡は、液体窒素中に浮上移動する途上で再液化して消滅するようになるが、巻枠の上部域に巻回されている超電導線材の表面部位に発生した気泡は再液化する以前に巻枠の上端まで達して周囲に流出することが確認されている。 In this case, the bubbles generated on the surface of the superconducting wire wound around the lower or middle part of the superconducting coil are liquefied and disappeared while floating on the liquid nitrogen. It has been confirmed that bubbles generated at the surface portion of the superconducting wire wound around the upper region reach the upper end of the winding frame and flow out to the surroundings before being reliquefied.
そこで、本発明は、液体窒素中に浸漬して冷却する超電導変圧器などの電力用誘導機器に適用する超電導コイルについて、液体窒素による高い除熱,冷却性能を確保しつつ、超電導コイルの外周面側に気泡が発生するのを極力抑制して過大電流の通電時でも気泡に起因する絶縁耐力の低下を確実に防止して所定の絶縁性能を保持できるように改良した電力用誘導機器の超電導コイルを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention relates to a superconducting coil applied to a power induction device such as a superconducting transformer that is immersed in liquid nitrogen to cool it, while ensuring high heat removal and cooling performance with liquid nitrogen, and the outer peripheral surface of the superconducting coil. Superconducting coil for power induction equipment improved so that the generation of bubbles on the side is suppressed as much as possible to prevent the decrease in dielectric strength caused by bubbles even when energized with an excessive current and to maintain a predetermined insulation performance The purpose is to provide.
前記目的を達成するために、本発明によれば、液体窒素を冷媒として該冷媒に浸漬され冷却される電力用誘導機器の超電導コイルであって、絶縁材からなる円筒状巻枠の外径側周面に螺旋状のコイル溝が形成され、該コイル溝に沿ってその溝内にテープ状の高温超電導線材が巻回されたものにおいて、
前記の螺旋状コイル溝に沿ってその内径側に、該コイル溝より狭小な溝幅に設定された螺旋状の冷却ダクトを有し、前記超電導線材を包含して前記巻枠の外周面域を密閉状に覆うように気液不透過性の絶縁テープが巻枠周面に巻装され、前記螺旋状の冷却ダクトは、上下両端を円筒状巻枠の上下端面に開放して外方に連通している(請求項1)。
In order to achieve the above object, according to the present invention, a superconducting coil of a power induction device that is immersed and cooled in liquid nitrogen as a refrigerant, the outer diameter side of a cylindrical winding frame made of an insulating material A spiral coil groove is formed on the peripheral surface, and a tape-like high-temperature superconducting wire is wound in the groove along the coil groove.
A spiral cooling duct having a narrower groove width than the coil groove is formed on the inner diameter side along the spiral coil groove, and the outer peripheral surface area of the winding frame is included including the superconducting wire. Gas-liquid impervious insulating tape is wound around the winding frame so as to cover hermetically, and the spiral cooling duct opens to the upper and lower ends of the cylindrical winding frame and communicates outward. are (claim 1).
また、本発明は前記構成を基本として、超電導コイルを次記のような態様で構成することもできる。
(1)円筒状巻枠の外径側には、前記の螺旋状コイル溝および冷却ダクトと交差して巻枠の縦軸方向に延在する冷却ダクトが巻枠の周上に分散して形成されている(請求項2)。
(2)前記縦軸方向の冷却ダクトは、冷媒通路の上下両端が開口して前記液体窒素が冷却ダクト内を流入、流出可能に構成されている(請求項3)。
(3)前記螺旋状の冷却ダクトと前記縦軸方向の冷却ダクトとが連通している(請求項4)。
(4)前記縦軸方向の冷却ダクトは、前記螺旋状の冷却ダクトよりも深さが大である(請求項5)。
Further, according to the present invention, the superconducting coil can be configured in the following manner based on the above configuration.
(1) On the outer diameter side of the cylindrical winding frame, cooling ducts extending in the longitudinal direction of the winding frame intersecting with the helical coil groove and the cooling duct are dispersed on the circumference of the winding frame. is (claim 2).
(2) The cooling duct in the vertical axis direction is configured such that the upper and lower ends of the refrigerant passage are open so that the liquid nitrogen can flow into and out of the cooling duct .
(3) The spiral cooling duct and the longitudinal cooling duct communicate with each other (claim 4).
(4) The cooling duct in the longitudinal axis direction has a depth larger than that of the spiral cooling duct .
前記構成になる超電導コイルによれば、液体窒素による高い除熱,冷却性能を確保しつつ、超電導コイルの外周面側に液体窒素の気泡が発生するのを極力抑制して過大電流の通電時でも絶縁耐力の低下を防止して高い絶縁性能を確保することができる。すなわち、
(1)螺旋状コイル溝に沿ってその内径側に、該コイル溝より狭小な溝幅に設定した螺旋状の冷却ダクトを形成するとともに、前記超電導線材を包含して前記巻枠の外周面域を密閉状に覆うように、半硬化状のエポキシ樹脂を含浸させた絶縁テープを巻枠の周面に巻装して熱硬化処理を施すことにより、巻枠の螺旋状コイル溝に沿ってその溝内に巻回した超電導線材は、前記コイル溝の内径側に沿って形成した螺旋状の冷却ダクトに通流する液体窒素との間で熱交換して除熱,冷却される。一方、前記コイル溝に沿って巻回した超電導線材を含めて巻枠の外周面域が、エポキシ樹脂を含浸,硬化させた気液不透過性の絶縁テープで密閉状に覆われているので、超電導線材の外周側が液体窒素に接することがなく、かつこの絶縁テープが断熱層となってコイル外周面側には気泡の発生が抑制される。
According to the superconducting coil configured as described above, while ensuring high heat removal and cooling performance with liquid nitrogen, the occurrence of liquid nitrogen bubbles on the outer peripheral surface side of the superconducting coil is suppressed as much as possible, even when an excessive current is applied. It is possible to ensure high insulation performance by preventing a decrease in dielectric strength. That is,
(1) A spiral cooling duct having a narrower groove width than the coil groove is formed on the inner diameter side along the spiral coil groove, and the outer peripheral surface area of the winding frame includes the superconducting wire. The insulating tape impregnated with a semi-cured epoxy resin is wound around the peripheral surface of the winding frame so as to cover it in a hermetically sealed manner and subjected to a thermosetting treatment, so that the spiral tape groove along the winding frame The superconducting wire wound in the groove is subjected to heat exchange with liquid nitrogen flowing through a helical cooling duct formed along the inner diameter side of the coil groove, and the heat is removed and cooled. On the other hand, since the outer peripheral surface area of the winding frame including the superconducting wire wound along the coil groove is covered with a gas-liquid impermeable insulating tape impregnated and cured with an epoxy resin, The outer peripheral side of the superconducting wire does not come into contact with liquid nitrogen, and this insulating tape serves as a heat insulating layer to suppress the generation of bubbles on the outer peripheral surface side of the coil.
したがって、短絡事故時などによる過電流の通電を想定しても、ジュール発熱した超電導線材はその内径側の冷却ダクトを通流する液体窒素と熱交換して効果的に除熱,冷却されるので、絶縁テープで覆われたコイル層の外周面側では気泡の発生が抑止される。なお、過電流の値によっては前記冷却ダクトを通流する液体窒素中に気泡が発生することも予測されるが、この冷却ダクトは巻枠とその外周面に巻装した絶縁テープで密閉状に覆われているので、冷却ダクト内に発生した気泡が超電導コイルの外周面側に漏出することがなく、かつ気泡は螺旋状の冷却ダクト内を上方に浮上移動する途上でダクト内を通流する液体窒素で冷却されるので、巻枠の上端に達する以前に殆どが再液化して消滅する。これにより、超電導コイルとして所定の絶縁性能を保持できる。
(2)また、前記の螺旋状冷却ダクトに加えて円筒状巻枠には、前記の螺旋状コイル溝および冷却ダクトと交差して巻枠の縦軸方向に延在する冷却ダクトを巻枠の周上に分散形成した上で、巻枠の周面を絶縁テープで密閉状に覆ったことにより、巻枠に巻回した超電導線材はその内周側に形成した周方向,および軸方向に延在する双方の冷却ダクトに通流する液体窒素と直接熱交換して除熱,冷却されることになる。したがって、この構成では超電導線材とこれに接して通流する液体窒素との間の熱伝達面積が大きくなるので、過電流の通電時に発熱した超電導線材を高い効率で冷却できるとともに、螺旋方向の冷却ダクトと交差する縦軸方向の冷却ダクトを追加形成することで冷却ダクトに通流する液体窒素の流れ性も向上する。
(3)さらに、前記巻枠の上端側には、その周面に巻回した超電導線材の上端からさらに上方に延在する延長部を形成し、かつ該延長部の軸方長距離を100mm以上,200
mm以下に設定することにより、超電導線材との熱交換により発生した気泡が前記冷却ダ
クト内を浮上移動する過程で再液化するための十分な距離を確保できる。これにより、冷却ダクト内に発生した気泡は巻枠の上端まで浮上到達する以前にダクト内で確実に再液化するようになるので、気泡が超電導コイルの巻枠上端から周囲の液体窒素中に流出するのを防止して絶縁性能に及ぼす影響が回避される。
(4)そのほか、超電導コイルを冷却する冷媒にサブクール状態の液体窒素(例えば、66K)を使用することで、飽和液体窒素(77K)と比べて超電導線材の臨界電流が高まるほか、過電流の通電に伴う気泡の発生も少なくなる。
Therefore, even if an overcurrent is energized due to a short circuit accident, etc., the superconducting wire that generates Joule heat is effectively removed and cooled by exchanging heat with liquid nitrogen flowing through the cooling duct on the inner diameter side. On the outer peripheral surface side of the coil layer covered with the insulating tape, the generation of bubbles is suppressed. Depending on the value of the overcurrent, it is predicted that bubbles will be generated in the liquid nitrogen flowing through the cooling duct, but this cooling duct is hermetically sealed with an insulating tape wound around the reel and its outer peripheral surface. Since it is covered, bubbles generated in the cooling duct do not leak to the outer peripheral surface side of the superconducting coil, and the bubbles flow through the duct on the way to rise upward in the spiral cooling duct. Since it is cooled with liquid nitrogen, most of it reliquefies and disappears before reaching the upper end of the reel. Thereby, a predetermined insulation performance can be maintained as a superconducting coil.
(2) Further, in addition to the helical cooling duct, the cylindrical winding frame includes a cooling duct extending in the longitudinal direction of the winding frame so as to intersect the helical coil groove and the cooling duct. The superconducting wire wound around the winding frame extends in the circumferential direction and the axial direction formed on the inner circumference side by covering the circumferential surface of the winding frame with an insulating tape in a hermetically sealed manner. Heat is removed and cooled by directly exchanging heat with liquid nitrogen flowing through both existing cooling ducts. Therefore, in this configuration, since the heat transfer area between the superconducting wire and the liquid nitrogen flowing in contact with the superconducting wire becomes large, the superconducting wire that generates heat when energized with overcurrent can be cooled with high efficiency, and cooling in the spiral direction can be performed. By additionally forming a longitudinal cooling duct intersecting the duct, the flowability of liquid nitrogen flowing through the cooling duct is also improved.
(3) Furthermore, an extension portion extending further upward from the upper end of the superconducting wire wound on the peripheral surface is formed on the upper end side of the winding frame, and the axial long distance of the extension portion is 100 mm or more. , 200
By setting it to mm or less, it is possible to secure a sufficient distance for air bubbles generated by heat exchange with the superconducting wire to be liquefied in the process of rising and moving in the cooling duct. As a result, the bubbles generated in the cooling duct are surely reliquefied in the duct before reaching the upper end of the reel, so that the bubbles flow out from the upper end of the superconducting coil into the surrounding liquid nitrogen. This prevents the influence on the insulation performance.
(4) In addition, the use of subcooled liquid nitrogen (for example, 66K) as a refrigerant for cooling the superconducting coil increases the critical current of the superconducting wire compared to saturated liquid nitrogen (77K), and overcurrent energization. The generation of bubbles associated with is reduced.
以下、この発明による電力用誘導機器の超電導コイルの実施の形態を図1〜図3に示す各実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図5に対応する同一部材には同じ符号を付してその説明は省略する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of superconducting coils for power induction devices according to the present invention will be described below based on the respective embodiments shown in FIGS. In addition, in the figure of an Example, the same code | symbol is attached | subjected to the same member corresponding to FIG. 5, and the description is abbreviate | omitted.
先ず、本発明の第1実施例に係わる超電導コイルの構成を図1(a),(b)に示す。この実施例においては、FRPなどの絶縁材で作られた円筒状の巻枠4には、その外周面に図4で示した従来構造と同様な螺旋状のコイル溝4aを加工して超電導線材5を巻回するようにするとともに、螺旋状コイル溝4aに沿ってその内径側には、該コイル溝4aより狭小な溝幅に設定した螺旋状の冷却ダクト4cを刻設形成している。なお、図示例では、前記のコイル溝4aに8本の超電導線材5を4重×2列に並べて巻回するようにしているが、超電導線材5の本数,配列はこれに限定されるものではない。また、図示してないが前記の螺旋状冷却ダクト4cは、その上下両端を円筒状巻枠4の上下端面に開放して外方に連通するようにしている。
First, FIGS. 1A and 1B show the configuration of a superconducting coil according to the first embodiment of the present invention. In this embodiment, the cylindrical winding
そして、前記コイル溝4aに沿って巻枠4に超電導線材5を巻回した上で、この超電導線材5を包含して巻枠4の外周面全域を密閉状に覆うように、樹脂を含浸させた気液不透過性の絶縁テープ15を巻枠4の周面に巻き付けて超電導コイルを構成している。
Then, after winding the
ここで、前記の絶縁テープ15は、引張強度の高いガラス繊維で編んだクロスに半硬化状のエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグテープを巻枠4に巻き付けて熱硬化処理するようにしている。この絶縁テープ15は液体,気体の透過性はなく、かつ高い断熱性も有し、また超電導線材5に働く半径方向の電磁力を保持するバインドテープの役目も果たしている。
Here, the insulating
そして、上記構成のコイル組立体を図7に示した液体窒素冷却システムの冷媒容器に収納して液体窒素に浸漬した通電状態では、巻枠4の螺旋状コイル溝4aに巻回した超電導線材5は、前記コイル溝4aの内径側に沿って形成した螺旋状の冷却ダクト4cに通流する液体窒素により除熱,冷却される。一方、コイル溝4aに沿って巻回した超電導線材5を含めて巻枠4の外周面域は、エポキシ樹脂を含浸,硬化させた気液不透過性の絶縁テープ15で密閉状に覆われていているので超電導線材5の外周側が液体窒素に接することがなく、かつこの絶縁テープ15が断熱層となってコイル外周面側には気泡の発生が抑制される。
In the energized state in which the coil assembly configured as described above is housed in the refrigerant container of the liquid nitrogen cooling system shown in FIG. 7 and immersed in liquid nitrogen, the
したがって、短絡事故時などによる過電流の通電を想定しても、ジュール発熱した超電導線材5はその内径側の冷却ダクト4cを通流する液体窒素と熱交換して効果的に除熱,冷却されるので、絶縁テープ15で覆われたコイル層の外周面側には気泡の発生が抑止される。なお、この場合に過電流の値によっては前記冷却ダクト4cを通流する液体窒素中に気泡が発生することも予測されるが、この冷却ダクト4cは巻枠4とその外周面に巻装した絶縁テープ15で密閉状に覆われているので、冷却ダクト内に発生した気泡が超電導コイルの外周面側に漏出することがなく、かつ気泡は螺旋状の冷却ダクト4c内を上方に浮上移動する途上でダクト内を通流する液体窒素で冷却されるので、巻枠4の上端に達する以前に殆どが再液化して消滅する。したがって、超電導コイルを浸漬した液体窒素中に気泡が発生することが抑止され、これにより所定の絶縁性能を保持できる。また、この場合に超電導コイルを浸漬する冷媒として、サブクール状態に過冷却した液体窒素(例えば66K)を用いることにより、冷却性能がより一層向上する。
Therefore, even if energization of an overcurrent due to a short circuit accident or the like is assumed, the Joule-
次に本発明の請求項3に係わる実施例の構成を図2(a)〜(c)に示す。この実施例では、円筒状巻枠4の外径側に先記の実施例1で述べた螺旋状のコイル溝4a,および冷却ダクト4cのほかに、前記の螺旋状コイル溝4a,および冷却ダクト4cと交差して巻枠4の縦軸方向に延在する冷却ダクト4bを巻枠4の周上に分散して形成した上で、さらに実施例1と同様に巻枠4の外周面に絶縁テープ15で密閉状に巻き付けて超電導コイルを構成している。なお、縦軸方向の冷却ダクト4bは、その溝深さが螺旋状のコイル溝4aと冷却ダクト4cよりも大で、かつその冷媒通路の上下両端が巻枠4の上下端面に開口して液体窒素が冷却ダクト内を自由に流入,流出するようにしている。
Next, the construction of an embodiment according to
この構成によれば、巻枠4のコイル溝4aに沿って巻回した超電導線材5は、その内周側に形成した縦軸方向,および螺旋方向の双方の冷却ダクト4bと4cに通流する液体窒素と熱交換して冷却されるようになる。
According to this configuration, the
これにより、先記の実施例1と比べて超電導線材5と冷却ダクトを通流する液体窒素との間の熱伝達面積が大きくなるので、過電流の通電で発熱した超電導線材5を効率よく冷却できる。また、螺旋状の冷却ダクト4cに交差,連通する縦軸方向の冷却ダクト4bを巻枠4の周上に分散して追加形成することで、超電導線材5に沿って形成した螺旋状の冷却ダクト4cを通流する液体窒素の流れもさらに向上する。
As a result, the heat transfer area between the
次に、本発明の請求項4に係わる実施例を図3で説明する。図3は、本発明の第3実施例に係わる超電導コイルの巻枠上端側部分における縦軸方向の冷却ダクトが配設されている周方向位置での縦断面図であって、先記実施例2に示した超電導コイルに対して、巻枠の上端側に該巻枠の周面に巻回した超電導線材の巻回域上端からさらに上方に延在する延長部を形成した構成を示すものである。
Next, an embodiment according to
先記実施例2に示した超電導コイルでは、巻枠4の軸方向に沿った下部,ないし中央部にて超電導線材5との熱交換により冷却ダクト4b,4cに発生した気泡はダクト内を上方に浮上移動する途上で再液化され、巻枠4の上方に気泡が流出することはないが、超電導コイルに通電する過電流の電流値によっては、巻枠4の上部に巻回されている超電導線材5との熱交換で発生した気泡は、再液化される以前に巻枠4の上端に達して超電導コイルの上方に流出する懸念がある。
In the superconducting coil shown in Example 2, the bubbles generated in the
そこで、この実施例3においては、円筒状巻枠4の上端側に、該巻枠4に巻回した超電導線材5の巻回域上端からさらに上方に延在する延長部4dを形成し、かつこの延長部4dには軸方向の長さが100mm以上,200mm以下である距離Lを設定するように
している。
Therefore, in Example 3, an extension 4d extending further upward from the upper end of the winding area of the
この構成により、巻枠4の上部に巻回されている超電導線材5の伝熱を受けて冷却ダクト内に発生した気泡に対しても、その気泡発生地点と巻枠4の上端との間には気泡を再液化するための十分な距離が確保される。したがって、前記冷却ダクト4b,4cの冷媒通路中に発生した気泡は、その発生地点の位置(巻枠4の上部,中部,下部)に左右されることなく、冷却ダクト中に発生した気泡は全て巻枠4の上端に到達する以前に再液化して消滅するようになる。
With this configuration, even with respect to the bubbles generated in the cooling duct due to the heat conduction of the
なお、発明者等が、超電導コイルをサブクール状態の液体窒素に浸漬したコイルモデルについて、超電導コイルに短絡電流を模擬した過電流を流した際に液体窒素中に発生する気泡の挙動を観察した実験では、液体窒素中に発生した気泡はその発生地点から上方に大凡60mm程度の距離を浮上移動すると再液化して殆ど消滅することが検証されて
いる。そこで、前記のように円筒状巻枠4の上端側に延長部4dを形成した上で、該延長部4dの軸方向長さ距離Lを前記実験で検証した距離60mmよりも長い距離(100
〜200mm)を設定しておけば、過電流の通電でジュール発熱した超電導線材5からの
伝熱を受けて前記の冷却ダクト4b,4c内に発生した気泡を、巻枠4の上端に到達する以前に全て再液化させて消滅することができる。また、その延長部4dの距離Lを最大でも200mm以下に抑えて設定することで、容量が数MVAの超電導変圧器(全体高
さが5m以上にも及ぶ)に対しても、その超電導コイルの巻枠高さ寸法を僅か延長するだけで、その巻枠4に形成した冷却ダクト内に発生した気泡がコイル上方の液体窒素中に流出するのを確実に防止して高い絶縁性能を確保できてその効果は極めて大である。
In addition, regarding the coil model in which the inventors immersed a superconducting coil in liquid nitrogen in a subcooled state, an experiment was conducted to observe the behavior of bubbles generated in liquid nitrogen when an overcurrent simulating a short-circuit current was passed through the superconducting coil. Then, it has been verified that bubbles generated in liquid nitrogen re-liquefy and almost disappear when they move upwardly by a distance of about 60 mm from the generation point. Therefore, after forming the extension 4d on the upper end side of the cylindrical winding
If set to 200 mm), the bubbles generated in the
1 変圧器鉄心
2 低圧コイル層
3 高圧コイル層
4 巻枠
4a コイル溝
4b 縦軸方向の冷却ダクト
4c 螺旋状の冷却ダクト
4d 巻枠の延長部
5 高温超電導線材
7 コイル支持部材
14 液体窒素
15 絶縁テープ
L 延長部の長さ距離
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記の螺旋状コイル溝に沿ってその内径側に、該コイル溝より狭小な溝幅に設定された螺旋状の冷却ダクトを有し、前記超電導線材を包含して前記巻枠の外周面域を密閉状に覆うように気液不透過性の絶縁テープが巻枠周面に巻装され、
前記螺旋状の冷却ダクトは、上下両端を円筒状巻枠の上下端面に開放して外方に連通していることを特徴とする電力用誘導機器の超電導コイル。 Liquid nitrogen to a superconducting coil of the inductive devices for power that will be immersed in the refrigerant as the refrigerant cooling spiral coil grooves are formed on the outer diameter side circumferential surface of a cylindrical bobbin made of an insulating material, the coil in that tape-shaped high-temperature superconducting wire is wound into the groove along the groove,
On its inner diameter side along said helical coil groove has a helical cooling duct which is set to narrow the groove width than the coil groove, the outer circumferential surface region of the winding frame encompasses said superconducting wire A gas-liquid impermeable insulating tape is wound around the winding frame so as to cover hermetically ,
A superconducting coil of a power induction device, wherein the spiral cooling duct has an upper and lower ends opened to upper and lower end surfaces of a cylindrical winding frame and communicates outward .
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