JP6262550B2

JP6262550B2 - 限流器

Info

Publication number: JP6262550B2
Application number: JP2014014397A
Authority: JP
Inventors: 康之白井; 健太山邉; 直樹米村; 慎一小林; 昌也小西; 永石　竜起; 竜起永石
Original assignee: Kyoto University; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Kyoto University; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2014-01-29
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2018-01-17
Anticipated expiration: 2034-01-29
Also published as: JP2015142450A

Description

この発明は、限流器に関し、より特定的には超電導線材を用いた限流器に関する。

従来、故障電流の増大問題を解決する電力機器として限流器が知られている。また、この限流器に超電導線材を適用した超電導限流器が提案されている（たとえば、特開２００１−６９６６５号公報参照）。また、超電導限流器の１種として、変圧器磁気遮蔽型の超電導限流器が提案されている。

変圧器磁気遮蔽型の超電導限流器は、同軸に２つの超電導コイルを配置し、一次コイルを系統に接続し、二次コイルを短絡した構成を有する。平常時は一次側も二次側の超電導状態にあり、二次側に誘導電流が流れて一次コイルによる磁束は打ち消され、限流インピーダンスはほぼゼロとなる。故障電流が流れると、まず二次側コイルが常電導状態に転移し、一次コイルによる磁束を打ち消すのに十分な誘導電流が流れなくなる。この結果、限流インピーダンスとしてリアクタンス成分が現れる。さらに故障電流が大きくなると、一次コイルも常電導状態に転移し、限流インピーダンスとして抵抗成分が加わる。

特開２００１−６９６６５号公報

このような限流動作を行なった後、限流器には早期に平常状態に復帰することが求められる。しかし、上述のように限流動作時に一次コイルおよび二次コイルが常電導状態に転移した場合、この常電導状態への転移に起因する発熱によってコイルの温度が上昇し、迅速に平常状態（超電導状態）へ復帰することが難しかった。

この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、復帰時間を従来よりも短縮することが可能な限流器を提供することである。

この発明に従った限流器は、一次コイルと、二次コイルとを備える。二次コイルは、一次コイルの中心軸を囲むとともに一次コイルと重なるように配置され、両端部が短絡されている。一次コイルは第１の超電導線材により構成されている。二次コイルは、第２の超電導線材により構成されている。このとき、限流インピーダンスにおけるリアクタンス成分はω｛Ｌ₁−ω²Ｍ²Ｌ₂／（Ｒ₂ ²＋（ωＬ₂）²）｝で表される。ここで、Ｌ₁は一次コイルのインダクタンス、Ｌ₂は二次コイルのインダクタンス、Ｒ₂は二次コイルの常電導抵抗である。つまり、二次コイルの常電導抵抗値を大きくすることで、発熱量が比較的小さいリアクタンス成分によって限流が可能である。この発明に従った限流器では、第２の超電導線材における非超電導時の電気抵抗値は、第１の超電導線材における非超電導時での電気抵抗値より高い。

このようにすれば、限流動作時における二次コイルでのジュール熱の発生を抑制できるので、通常状態（超電導状態）への復帰時間を短縮することができる。

本発明の一実施形態である限流器を示す模式図である。図１に示した限流器の構成例を示す断面模式図である。図２に示した限流器の二次コイルを構成する超電導線材の断面模式図である。図１に示した限流器の他の構成例を示す断面模式図である。図４に示した構成の限流器の作用を説明するための模式図である。実験例１において作成した限流器の模式図である。図６の領域ＶＩＩにおける限流器の部分断面模式図である。図６に示した限流器のインピーダンス特性を示すグラフである。二次コイルの抵抗値と電流値との関係を示すグラフである。二次コイルのジュール熱と電流値との関係を示すグラフである。実験例２において作成した限流器の模式図である。図１１の領域ＸＩＩにおける限流器の部分断面模式図である。図１１に示した限流器のインピーダンス特性を示すグラフである。実験例３において用いた模擬送電系統を示す模式図である。実験例３における実験結果を示すグラフである。

[本願発明の実施形態の説明]
図１に示す、この発明の実施形態に係る限流器１０は、一次コイル１１と、二次コイル１２とを備える。二次コイル１２は、一次コイル１１の中心軸を囲むとともに一次コイル１１と重なるように配置され、両端部が短絡されている。一次コイル１１は第１の超電導線材により構成されている。二次コイル１２は、第２の超電導線材により構成されている。第２の超電導線材における非超電導時の電気抵抗値は、第１の超電導線材における非超電導時での電気抵抗値より高い。

このようにすれば、二次コイル１２において一次コイル１１と同じ特性の超電導線材を用いる場合より、限流動作時での二次コイル１２における発熱を低減できるため、結果的に定常状態（超電導状態）への復帰時間を短縮することが可能な限流器１０を実現できる。

上記限流器１０において、第１の超電導線材はビスマス系の超電導導体を含んでいてもよく、第２の超電導線材はイットリウム系の超電導導体を含んでいてもよい。ここで、ビスマス系の超電導導体とは、Ｂｉ（ビスマス）−Ｓｒ（ストロンチウム）−Ｃａ（カルシウム）−Ｃｕ（銅）−Ｏ（酸素）で構成される酸化物超電導体であり、たとえば（Ｂｉ，Ｐｂ）_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_Ｘという化学式で表わされる酸化物超電導体をいう。また、イットリウム系の超電導導体とは、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘという化学式で表わされる酸化物超電導体を言う。なお、第２の超電導線材としては、ＨｏＢＣＯ（ホルミウム系超電導材料；ＨｏＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_Ｘ）、ＧｄＢＣＯ（ガドリニウム系超電導材料：ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_Ｘ）などのレア・アース系酸化物超電導材料を用いてもよい。このようにすれば、入手が可能な超電導導体を用いて本実施形態に係る限流器１０を構成することができる。この構成の場合、イットリウム系超電導体の常電導転移における抵抗値の時間変化がビスマス系超電導体の常電導転移における抵抗値の時間変化よりも速いためＲ₂が急激に大きくなり、限流速度も速くなる。

上記限流器１０は、図４に示すように、第１の支持部材１３ａと第２の支持部材１３ｂとを備えていてもよい。第１の支持部材１３ａは、中心軸１５に沿った方向に延びるように構成されていてもよい。第２の支持部材１３ｂは、中心軸１５から見て第１の支持部材１３ａの外周を囲むように配置され、筒状の形状を有していてもよい。第１の超電導線材は、第１および第２の支持部材１３ａ、１３ｂの外周上にそれぞれ巻回されることで一次コイル１１ａ、１１ｂを構成してもよい。第２の超電導線材は、第１および第２の支持部材１３ａ、１３ｂの外周上であって第１の超電導線材と重なるようにそれぞれ巻回されることで二次コイル１２ａ、１２ｂを構成してもよい。第１の支持部材１３ａの外周上における第１および第２の超電導線材の巻回方向は、第２の支持部材１３ｂの外周上における第１および第２の超電導線材の巻回方向と逆であってもよい。

この場合、第１の支持部材１３ａの外周上に位置する超電導線材に電流が流れることにより発生する磁束の向きと、第２の支持部材１３ｂの外周上に位置する超電導線材に電流が流れることにより発生する磁束の向きとは逆方向となる。そのため、第１の支持部材１３ａの内周側では、これらの逆方向の磁束が互いに打ち消しあう。この結果、第１の支持部材１３ａの内周側に、さらに別の限流器を配置するといったことが可能になる。たとえば、３相の電流成分のそれぞれに対して第１〜第３の限流器を適用する場合、これらの限流器をそれぞれ上記のような構成とすることで、第１の限流器の内周側に第２の限流器を配置し、第２の限流器の内周側にさらに第３の限流器を配置する、といった構成を実現できる。このため、限流器をコンパクト化することができる。

[本願発明の実施形態の詳細]
以下、本発明の実施形態の詳細を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

図１は、本発明の実施形態である限流器１０を示す模式図である。図１を参照して、本発明による限流器１０を説明する。

図１を参照して、本発明の実施形態である限流器１０は、電源１や負荷２などを含む系統側の回路に接続された一次コイル１１と、一次コイル１１と同軸に配置された二次コイル１２とを備える。二次コイル１２の両端部は短絡されている。一次コイル１１および二次コイル１２は共に超電導線材を巻回することにより構成されている。但し、二次コイル１２を構成する超電導線材の非超電導時における電気抵抗値は、一次コイル１１を構成する超電導線材における非超電導時での電気抵抗値より高くなっている。この結果、二次コイル１２において、限流器１０が動作したときに流れる電流値は、一次コイル１１を構成する超電導線材と同じ線材を用いて二次コイル１２を形成した場合と比べて小さくなるため、ジュール熱の発生量を相対的に少なくすることができる。この結果、一次コイル１１を構成する超電導線材と同じ超電導線材を二次コイル１２に用いた場合に比べて、限流動作からの復帰をより迅速に行なうことができる。

一次コイル１１を構成する超電導線材としては、たとえばビスマス系の超電導導体を用いることができる。また、二次コイル１２を構成する超電導線材としては、イットリウム系の超電導導体を含む線材を用いることができる。

図２には、限流器１０（図１参照）における一次コイル１１と二次コイル１２とを配置する場合の構成例を示す。図２を参照して、限流器１０においては、筒状の支持部材１３の外周表面上に一次コイル１１と二次コイル１２とが配置されている。具体的には、筒状の支持部材１３の外周表面上に一次コイル１１が配置されている。異なる観点から言えば、支持部材１３の中心軸と一次コイル１１の中心軸はともに図２の中心軸１５となっている。また、支持部材１３の外周表面上を中心軸１５を中心として周回するように超電導線材が巻回されることにより一次コイル１１が構成されている。一次コイル１１には外部系統と接続するための端子１４が接続されている。２つの端子１４は、それぞれ一次コイル１１の一方端部または他方端部に接続されている。

そして、一次コイル１１の外周上に超電導線材を巻回することにより二次コイル１２が配置されている。二次コイル１２を構成する超電導線材の両端部は図示しないが短絡されている。このような構成により、図１に示した限流器１０を実現できる。

ここで、一次コイル１１を構成する超電導線材としては、ビスマス系の超電導線材を用いることができる。たとえば、一次コイル１１を構成する超電導線材として、たとえば住友電気工業株式会社製のＤＩ−ＢＳＣＣＯ（登録商標）ＴｙｐｅＨといった超電導線材を用いることができる。このようなビスマス系の超電導線材としては、銀または銀ベース合金のシース材料中にビスマス系の超電導体からなるフィラメントが複数本配置されたテープ状の超電導線材を用いることができる。

また、二次コイル１２を構成する超電導線材としては、たとえばイットリウム系の超電導線材を用いることができる。このようなイットリウム系の超電導線材としては、たとえば図３に示すように配向性基板３１と、当該配向性基板３１の上に形成された中間層３２と、この中間層３２上に形成された超電導層３３と、この超電導層３３上に配置された安定化層３４と、これらの配向性基板３１、中間層３２、超電導層３３および安定化層３４の外周を囲むように配置された絶縁膜３５とからなる超電導線材を用いることができる。

配向性基板３１としては、たとえば配向性を有する金属基板や、無配向性の金属基板表面に配向性を示す表面を有する配向層を形成したものなど任意の構造の基板を用いることができる。中間層３２としては、たとえばＡｌ₂Ｏ₃などの酸化物を単層あるいは複数層形成してもよい。また、超電導層３３としては、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-xといった超電導層を用いてもよい。

安定化層３４としては、たとえば銀や銅などの金属層を形成してもよい。この安定化層３４は、図３に示すように超電導層３３の上部表面上にのみ形成してもよいが、超電導層３３、中間層３２および配向性基板３１の外周を覆うように安定化層３４を形成してもよい。そして、絶縁膜３５としては、ポリイミドなどの任意の樹脂を用いることができる。

上述した限流器１０の変形例として、図４に示すように支持部材として第１の支持部材１３ａと第２の支持部材１３ｂとを用いてもよい。具体的には、中心軸１５に沿って延びる筒状の第１の支持部材１３ａを準備する。この第１の支持部材１３ａの外周側に配置するための、第１の支持部材１３ａの外径よりも大きな内径を有する筒状の第２の支持部材１３ｂを準備する。そして、一次コイルを構成する超電導線材を第１の支持部材１３ａの外周上に巻回することにより内周側の一次コイル１１ａを形成する。また、第２の支持部材の外周上に一次コイルを構成する超電導線材を巻回することにより、外周側の一次コイル１１ｂを形成する。内周側の一次コイル１１ａと外周側の一次コイル１１ｂとは電気的に接続されている。この内周側の一次コイル１１ａおよび外周側の一次コイル１１ｂのそれぞれには端子１４が接続されている。

そして、内周側の一次コイル１１ａの外周上には、二次コイルを構成する超電導線材を巻回することにより内周側の二次コイル１２ａが形成されている。同様に、外周側の一次コイル１１ｂ上には、超電導線材を巻回することにより外周側の二次コイル１２ｂが形成されている。内周側の二次コイル１２ａと外周側の二次コイル１２ｂとは閉回路を構成するように両端部同士が短絡されている。

このような構造の限流器によっても、図１および図２に示した限流器と同様の効果を得ることができる。さらに、第１の支持部材１３ａの外周上における超電導線材の巻回方向と、第２の支持部材１３ｂの外周表面上におよび超電導線材の巻回方向とは逆方向になっている。このため、図５に示すように、第１の支持部材１３ａの外周表面上におけるコイルを流れる電流の向きと、第２の支持部材１３ｂの外周表面上におけるコイルを流れる電流の向きとは逆方向になっている。したがって、第１の支持部材１３ａの内周側の領域２３においては、第１の支持部材１３ａの外周上におけるコイルを流れる電流によって発生する磁束の向き（矢印２１により示される方向）と第２の支持部材１３ｂの外周上におけるコイルを流れる電流によって発生する磁束の向き（矢印２２により示される方向）とが逆方向になる。このため、領域２３ではこれらの磁束が互いに打ち消される。従って、たとえば三相交流などの電流のそれぞれの相に対応した限流器を同軸構造とするといった構成が可能になる。

（実験例１）
本発明の実施形態である限流器の効果を検討するため、二次側コイルを構成する超電導線材が異なる小型ソレノイド構造の変圧器磁気遮蔽型限流器を２種類作製し基礎特性を検討した。

＜試料＞
図６および図７に示すように、樹脂製の支持部材１３の外周に一次コイル１１と二次コイル１２とを配置した小型ソレノイド構造の変圧器磁気遮蔽型限流器を２種類（本発明の実施例と比較例）作製した。図６の右側が比較例の限流器であり、左側が実施例の限流器である。図７に示すように、これらの限流器において支持部材１３の断面形状における中心軸から外周表面までの距離（半径）は５５ｍｍであった。２つの限流器において、一次コイル１１を構成する超電導線材としては、ビスマス系の超電導線材（住友電気工業株式会社製ＤＩ−ＢＳＣＣＯ（登録商標）ＴｙｐｅＨｔｉ−ＣＡ）を用いた。このビスマス系の超電導線材の温度７７Ｋにおける１μＶ／ｃｍ基準の平均臨界電流Ｉｃは１４０Ａであった。実施例としての限流器においては、二次コイルを構成する超電導線材としてイットリウム系の超電導線材を用いた。このイットリウム系の超電導線材の温度７７Ｋにおける１μＶ／ｃｍ基準の平均臨界電流Ｉｃは１６０Ａであった。一方、比較例としての限流器について、二次コイルを構成する超電導線材は、一次コイル１１を構成する超電導線材と同様にビスマス系の超電導線材を用いた。以下、表１にビスマス系の超電導線材のデータを、表２にイットリウム系の超電導線材のデータを示す。

なお、表１のＣＡとは銅合金を意味する。ＣＡはビスマス系の超電導線材の両面に半田で取り付け、線材強度を強くする機能を有する。また、表２のＳＵＳ３１６Ｌｌａｙｅｒはイットリウム系の超電導線材の母材であり、その上に形成する配向層の強度を維持する機能を有する。また、Ｃｏｐｐｅｒｌａｙｅｒは、ＳＵＳ３１６Ｌｌａｙｅｒ上の配向形成層であり、Ｎｉｃｋｅｌｌａｙｅｒは、配向を維持しながらＣｏｐｐｅｒｌａｙｅｒの酸化を防止する。Ｓｉｌｖｅｒｌａｙｅｒは超電導層の保護層であり、Ｃｏｐｐｅｒｌａｙｅｒは過電流通電時の電流をバイパスさせるための安定化層である。

支持部材１３の中心軸１５に沿った方向の長さは４００ｍｍとし、一次コイル１１および二次コイル１２の中心軸１５に沿った方向の長さを３００ｍｍとした。また、これらの限流器の比較例（限流器１）および実施例（限流器２）のデータを表３に示す。

＜実験内容＞
実験では、ボルトスライダー（６０Ｈｚ）、電磁スイッチ、上述した限流器（ＦＣＬ）、負荷リアクトルからなる回路において、電磁スイッチを閉じることで故障電流を流した。スライダックの電圧を徐々に増加させて故障電流を増大させつつ、ＦＣＬ端子端電圧、ＦＣＬに流れる電流を計測した。

そして、各実験についてＦｏｕｒｉｅｒ解析により基本波を計算すれば、概ねの限流インピーダンスを求めることができる。Ｆｏｕｒｉｅｒ解析する範囲は電磁スイッチを閉じて３サイクル目としたが、若干温度上昇の影響があると考えられる。また、このとき二次コイルの抵抗およびジュール熱についても評価した。

＜結果＞
図８に、実施例および比較例の限流器におけるインピーダンス特性（限流インピーダンス特性）を示す。図８のグラフの横軸は電流値を示し、縦軸はインピーダンスを示す。図８の白丸が実施例の限流器のリアクタンスを示し、白抜き三角が実施例の限流器のレジスタンスを示す。また、図８の黒丸が比較例の限流器のリアクタンスを示し、黒三角が比較例の限流器のレジスタンスを示す。図８からもわかるように本発明の実施例の限流器の方が大きなリアクタンス成分が得られることがわかる。

次に、実施例および比較例のそれぞれの限流器における二次コイルの抵抗およびジュール熱についての測定結果を図９および図１０に示す。図９および図１０において横軸は電流値を示し、図９の縦軸は抵抗値を、図１０の縦軸はジュール熱を示す。図９および図１０のそれぞれでは、白丸が実施例の限流器のデータを示し、黒丸が比較例の限流器のデータを示す。図９および図１０からわかるように、二次コイルにおける抵抗値は本発明の実施例における限流器（すなわちイットリウム系の超電導線材を用いた二次コイル）の方が大きくなっている。すなわち、本発明の実施例における限流器の方が、リアクタンス成分が発生しやすい一方、図１０に示すようにジュール熱の発生は比較例に比べて抑制されている。したがって、同じ限流動作を行なった後の復帰動作において、本発明の実施例による限流器の方がより迅速に復帰できると考えられる。

（実験例２）
図３に示した限流器と同様の構造を有する変圧器磁気遮蔽型限流器を作製し、そのインピーダンス特性を測定した。

＜試料＞
図１１および図１２に示すような構造の限流器を作製した。この限流器において、一次コイルは実施例１における実施例の限流器と同様にビスマス系の超電導線材を用い、二次コイルについてはイットリウム系の超電導線材を用いた。中心軸から、内周側に位置する第１の支持部材１３ａの外周表面までの半径は図１２に示すように１４１．５ｍｍであり、第２の支持部材１３ｂの外周表面までの半径は１５５ｍｍとした。第１の支持部材１３ａおよび第２の支持部材１３ｂの中心軸１５に沿った方向における長さは４００ｍｍである。また、これらの第１および第２の支持部材１３ａ、１３ｂ上に配置されている一次コイル１１ａ、１１ｂおよび二次コイル１２ａ、１２ｂの中心軸１５に沿った方向での長さは３００ｍｍである。第１の支持部材１３ａの外周表面上における超電導線材の巻回方向と、第２の支持部材１３ｂの外周表面上における超電導線材の巻回方向とは互いに逆向きになっている。

作製した限流器のデータを表４に示す。

＜実験内容＞
上述した限流器について、実験例１と同様にインピーダンス測定を行なった。

＜結果＞
図１３に示すように、限流器のインピーダンス特性が得られた。図１３の横軸は電流値を示し、縦軸はインピーダンスを示している。図１３から分かるように、電流値が２００Ａ程度まではリアクタンス成分による限流が支配的であるが、それより大きな故障電流に対しては抵抗（レジスタンス）成分による限流が支配的になっている。

（実験例３）
上述した実験例２において用いた限流器について、限流動作実験を行ないその特性を確認した。

＜実験内容＞
図１４に示す一機無限大母線二回線送電模擬電力系統において、実験例２において作製した限流器を適用し限流動作実験を行なった。具体的には、事故相（Ａ相）にのみ上述した限流器を設置し、健全相（Ｂ相、Ｃ相）には、限流器の漏れリアクタンスと同等のリアクトルを設置した。発電機は出力が６ｋＷ程度となるように設定した。また、この実験では限流器を発電機の隣に設置し、遮断器動作中も電流が流れ続ける状態で復帰するようにした。

実験の結果を図１５に示す。図１５のグラフが事故相であるＡ相のデータを示す。左側のグラフが限流器に流れる電流の時間変化を示しており、右側のグラフは発電機の電圧の時間変化を示す。グラフの横軸は時間を示し、左側のグラフの縦軸は限流器に流れる電流値を示す。また、右側のグラフの縦軸は発電機の電圧を示す。図１５の左側のグラフからわかるように、事故相であるＡ相の事故後第１波に着目すると、限流器がない場合には電流値が５０７Ａであったが、限流器を設置することにより第１波の電流値を２９２Ａまで限流できていることがわかる。一方、中段および下段に示された健全相の電流は若干平常時よりも大きな電流が流れるが発電機電圧の大きさは殆ど変化していなかった。

今回開示された実施の形態および実験例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実験例ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、変圧器磁気遮蔽型の超電導限流器に特に有利に適用される。

１電源
２負荷
１０限流器
１１，１１ａ，１１ｂ一次コイル
１２，１２ａ，１２ｂ二次コイル
１３支持部材
１３ａ第１の支持部材
１３ｂ第２の支持部材
１４端子
１５中心軸
２１，２２矢印
２３領域
３１配向性基板
３２中間層
３３超電導層
３４安定化層
３５絶縁膜

Claims

一次コイルと、
前記一次コイルの中心軸を囲むとともに前記一次コイルと重なるように配置され、両端部が短絡された二次コイルとを備え、
前記一次コイルは第１の超電導線材により構成されており、
前記二次コイルは、第２の超電導線材により構成されており、
前記第２の超電導線材を構成する材料の非超電導時の電気抵抗値は、前記第１の超電導線材を構成する材料の非超電導時での電気抵抗値より高い、限流器。
前記第１の超電導線材は、ビスマス系の超電導導体を含み、
前記第２の超電導線材は、イットリウム系の超電導導体を含む、請求項１に記載の限流器。
前記中心軸に沿った方向に延びる第１の支持部材と、
前記中心軸から見て前記第１の支持部材の外周を囲むように配置され、筒状の形状を有する第２の支持部材とを備え、
前記第１の超電導線材は、前記第１および第２の支持部材の外周上にそれぞれ巻回されることで前記一次コイルを構成し、
前記第２の超電導線材は、前記第１および第２の支持部材の外周上であって前記第１の超電導線材と重なるようにそれぞれ巻回されることで前記二次コイルを構成し、
前記第１の支持部材の外周上における前記第１および第２の超電導線材の巻回方向は、前記第２の支持部材の外周上における前記第１および第２の超電導線材の巻回方向と逆である、請求項１または請求項２に記載の限流器。