JP6312567B2 - 機械式限流器 - Google Patents

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Description

本発明は、直流電力を送電する送電経路上に設置される機械式限流器の技術分野に関する。
極低温領域において電気抵抗値が略ゼロになる優れた導電性を発揮する超電導技術の応用分野の一つとして、直流電力を送電する送電経路である送電ケーブルが知られている。例えば鉄道用送電ケーブルは、送電電圧が1500(V)と比較的低く、更に、直流電力が用いられるため、交流損失が無く、長距離化が容易であることから、実用化に最も近い超電導機器の一つとされている。例えば鉄道の饋電線を超電導化した場合、送電時の電力損失の軽減に加えて、電車の減速時に発生する回生制動を確実にできるため鉄道電力システム全体の省エネルギー性能を向上させ、更に電気抵抗がゼロであることによって電蝕問題も解決できるなど、様々な利点が期待されている。
超電導を用いた送電ケーブルでは、何らかの要因によって臨界電流を越える過大電流が流れると、ケーブル全域が常電導相に転位(クエンチ)し、危険な事故を引き起こすおそれがある。特に、鉄道用饋電線は鉄道の基幹系であるため、事故の影響は大きく、これに対処する技術の確立が求められている。
この種の事故防止対策の一つとして、送電ケーブルに保護抵抗を導入することが考えられる。しかしながら、保護抵抗の導入は常時の電力損失を伴うため、送電効率に優れた超電導送電ケーブルのメリットを少なからず損なってしまう。そこで正常時には電気抵抗が略ゼロであり、且つ、異常発生時にのみ大きな抵抗値を示し、更に、異常の解消後は自動的に正常状態に復帰を行う限流器の利用が有効であると考えられている。
尚、類似の事故防止対策としては、異常発生時に遮断器を動作させる、あるいはヒューズも考えられる。しかしながら、これらのデバイスは、異常の解消後に人手による復帰作業が必要となる点が問題である。
限流器については、様々な方式が提案・開発されている。機能的に分類すると、抵抗式とリアクトル式限流器に大別される。図10は従来の超電導薄膜抵抗式限流器50の基本構成の一例を示す模式図である。超電導薄膜抵抗式限流器50は主電流Iが流れる送電経路52上に設けられた超電導薄膜限流素子54と、該限流素子54に対して並列に接続された分流抵抗Rとを備えて構成される。図10では特に、限流素子54として超電導薄膜限流素子が設けられており、送電経路52を流れる主電流Iが限流素子54の臨界電流Icrit未満である場合には、主電流Iは電気抵抗が略ゼロである限流素子54を流れ、分流抵抗Rには流れない。一方、主電流Iが急増して臨界電流Icrit以上になると、限流素子54の超電導状態が常伝導状態に転移することによって、主電流Iは分流抵抗Rに流れて消費される。
例えば特許文献1には、抵抗式限流器50において超電導体を限流素子として使用した一例が開示されている。
一方、図11は従来のリアクトル型限流器60の基本構成の一例を示す模式図である。限流器60は送電経路62上に、4個のダイオードD1−D4から構成されるブリッジ回路64内に、リアクトルL及び定電流源66が設けられることによって構成されている。図11において、定電流源66から供給された電流はILc1、ILc2のループ電流を形成し、例えば主電流IがダイオードD、定電流源66、リアクトルL、ダイオードDを流れるとすると、主電流Iがループ電流の合計値ILc1+ILc2以下であれば、何らの抵抗を受けずに通過できる。しかし主電流IがILc1+ILc2以上になると、増加分の電流がリアクトルLに誘導起電力L(dI/dt)の電圧を発生させ、電流増大を阻止し、限流器として動作する。
特開2010−238943号公報
超電導薄膜抵抗式限流器50は、使用される超電導限流素子54の素子単価が高く、更に、超電導限流素子54を冷却するための冷凍機などの設備が不可欠であり、また、超電導薄膜のコストが高いという問題点がある。リアクトル式限流器60もまた、ダイオードなどの半導体素子を多数用いるため、コストが高いという問題点がある。
また超電導薄膜抵抗式限流器においては、過大電流の抑制動作を開始する限流動作開始電流値は限流器を構成する素子によって固定されている。そのため限流器を設置する際には、限流対象である送電ケーブル等の仕様に応じて細かな再設計を行わなければならないという問題点がある。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、コンパクト、安価、常温動作が可能で、限流動作開始電流値を柔軟に変更可能な機械式限流器を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る機械式限流器は上記課題を解決するために、直流電力を送電する送電経路上に設置される機械式限流器であって、励磁コイルが巻回された上部磁気ヨークと、該上部磁気ヨークとは電気的に隔離された異なる位置に設けられ、且つ、前記送電経路の入出力側にそれぞれ接続された上部接点とを備える上部電磁石と、前記上部接点に並列に設けられた分流抵抗と、前記励磁コイルに励磁電流を供給する第1の直流電源と、前記送電経路の一部が巻回された巻回部を有する下部磁気ヨークを備える下部電磁石と、前記上部電磁石及び前記下部電磁石間に配置され、前記上部電磁石側に磁性体から形成される上部接触部材と、前記下部電磁石側に磁性体から形成される下部接触部材とが、非磁性体から形成される接続部によって連結されて構成される可動部材とを備え、前記送電経路を流れる電流値が限流動作開始電流値未満である正常状態において、前記可動部材が前記上部電磁石に接触することにより、前記送電経路を流れる電流は、前記上部接触部材上に形成された上部導電層によって短絡された前記上部接点間を介して流れ、前記送電経路を流れる電流値が前記限流動作開始電流値以上になった異常状態においては、前記可動部材が前記下部電磁石に吸引され前記上部接点が切断されることにより、前記送電経路を流れる電流は、前記分流抵抗を介して流れることを特徴とする。
本態様によれば、上部電磁石及び下部電磁石からの電磁力を用いて可動部材を移動することにより、送電経路を流れる電流が過大になって、送電経路や該送電経路に接続された機器の損傷を効果的に回避することができる。特に上部電磁石による電磁力は第1の直流電源によって制御可能であるから、限流動作を開始する限流動作開始電流値を柔軟且つ容易に調整することができる。
また、前記上部磁気ヨークには、第2の直流電源によって直流電流が供給される制御用コイルが巻回されており、前記第2の直流電源は、前記異常状態から前記正常状態に復帰する復帰電流値が、前記限流動作開始電流値に一致するように、前記制御用コイルに流れる電流値を調整してもよい。
図1の参考技術に係る機械式限流器の基本的構成では、可動部材の位置が変化することにより、正常状態から異常状態に変化する際の電流値である限流動作開始電流値と、異常状態から正常状態に変化する際の電流値である復帰電流値とが異なる、いわゆるヒステリシス特性を有する。本発明に係る限流器では、上部磁気ヨークに制御用コイルを巻回して第2の直流電源によって電流を印加することにより、限流動作開始電流値と復帰電流値とを一致させてヒステリシス特性を解消することができる。特に、第1の直流電源と第2の直流電源とを独立に制御可能とすることにより、限流動作開始電流値を幅広い範囲に亘って柔軟に設定しつつ、ヒステリシス特性を解消することができる。
また、前記下部磁気ヨークは、前記第2の直流電源の両端にそれぞれ接続された下部接点を電気的に隔離された異なる位置に有しており、前記下部接点は、前記可動部材が前記下部電磁石に接触した際に、前記第2の直流電源からの電流が、前記下部接触部材上に形成された下部導電層を介して、前記制御用コイルに流れるように構成されていてもよい。
この態様によれば、異常状態から正常状態に復帰動作する際に、可動部材の下部電磁石への移動に伴って、制御用コイルに対してヒステリシス特性の解消用の制御電流を自動的に流すことができる。すなわち、制御用コイルにおける電流制御を可動部材の機械的動作によって実施できるので、複雑な電流制御機構を設ける必要がなく、低コストで信頼性の高い限流器を実現することができる。
尚、前記下部電磁石のコイルは、巻数を少ない方が良い。巻数を多くするとコイルのアンペア・ターンが増えるので大きな電磁力を発生し小さな異常電流でも限流器を動作できるが、限流器は大きな故障電流に対してのみ動作する機器であり小電流の動作では、限流器として都合が悪い。また、前記下部電磁石コイルの巻数を多くすると、コイルのインダクタンスが増加し限流器として素早い応答ができなくなる欠点もある。無論、単純なリアクトル型限流器は電流が素早く動けない欠点を利用する方法だが、事故状態を除去しない限り故障電流は徐々に増加し続けるので必ず遮断器の動作が必要になる欠点がある。
また前記第1の直流電源及び前記第2の直流電源は、共通の直流電源からの出力電流を分流することによって構成されていてもよい。
この態様によれば、単一の直流電源からの出力電流を分流することで、第1の直流電源及び第2の直流電源を構成することで、単純な構成で上記限流器を実現することができる。すなわち、低コストで信頼性の高い限流器を実現することができる。
また前記上部電磁石は超電導マグネットから構成されていてもよい。
上述するように可動部材に対して電磁力を印加するために上部電磁石に電流を流すと、励磁コイルを通常の導電性材料で形成すると、少なからず電気的損失を伴う。この態様では、上部電磁石を超電導マグネットから構成することによって、電気的損失を略ゼロにすることができる点で有利である。特に、本発明に係る限流器は直流電力を送電する超電導送電経路上に設けるため、寒冷である液体窒素は必ずそばに存在し利用可能の場合が考えられ、直流送電系なので交流損失もなく、電気的損失を効果的に抑えることができる。
また、前記送電経路は鉄道用の饋電系であるとよい。
鉄道用の饋電系では、送電電圧が約1500(V)と比較的低く、更に、直流電力で送電が行われるため上記用途に特に適している。
本発明によれば、上部電磁石及び下部電磁石からの電磁力を用いて可動部材を移動することにより、送電経路を流れる電流が過大になって、送電経路や該送電経路に接続された機器の損傷を効果的に回避することができる。特に上部電磁石による電磁力は第1の直流電源によって制御可能であるから、限流動作を開始する限流動作開始電流値を柔軟且つ容易に調整することができる。
参考技術に係る機械式限流器の基本的構成を示す模式図である。 本実施形態に係る機械式限流器の基本的構成を示す模式図である。 図2に示す機械式限流器の上部接点近傍を拡大して示す断面図である。 本実施形態に係る機械式限流器における制御用コイルに電流を流さない場合における限流動作開始電流値及び復帰電流値を示すグラフである。 上部電磁石の電流とヒステリシス特性を解消するために必要な制御電流との関係を示すグラフである。 図3に示すギャップ長を用いて、上部電磁石及び下部電磁石の磁束密度を計算した結果を示すグラフ図である。 本実施形態に係る機械式限流器を用いた鉄道饋電システムの構成を示す模式図である。 図7に示す饋電システムにおける限流器の応答特性を示すグラフであり、 図7に示す饋電システムにおける限流器で制御用コイルに制御電流を流さなかった場合における応答特性を示すグラフである。 従来技術に係る超電導薄膜抵抗式限流器の基本的構成を示す模式図である。 従来技術に係るリアクトル式限流器の基本的構成を示す模式図である。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
(参考技術)
はじめに、本発明に係る機械式限流器(以下、適宜、単に「限流器」と称することとする)を発案する前提となった参考技術について説明する。図1は参考技術に係る限流器70の基本的構成を示す模式図であり、図1(a)は送電経路72に流れる主電流Iが限流動作開始電流値I未満である正常状態における限流器70の様子を示しており、図1は送電経路72に流れる主電流Iが限流動作開始電流値I以下である正常状態における限流器70の様子を示している。
限流器70は機械式限流器であり、送電経路72の一部が巻回された巻回部74を有する磁気ヨークからなる電磁石76と、該電磁石76と対向配置された可動部材78とを有する。電磁石76を構成する磁気ヨークは磁性体から形成されており、巻回部74に流れる主電流Iによる電磁誘導作用によって、磁性体からなる可動部材78に対して電磁力Fを与える。可動部材78は電磁石76から電磁力Fを受ける一方で、付勢部材であるコイルバネ80によって付勢力fで固定台82に接続されている。
ここで電磁石76の断面積をS、巻回部74の巻数をN、固定部材電磁石76及び可動部材78間におけるギャップをδとした場合に、ギャップδが十分に小さく、電磁石76及び固定部材78によって構成される磁気回路における外部への漏洩磁束が殆ど無いと仮定すると、電磁力Fは次式により求められる。

Figure 0006312567
尚、μは真空中の透磁率(μ=4×π×10−7)である。
例えば電磁石76の断面積S=0.1×0.1=10−2(m)、巻回部74の巻数N=2、ギャップδ=0.8(cm)=0.008(m)、主電流I=3000(A)の場合、電磁力Fは(1)から2256(N)と求められる。また、この際に発生する最大磁場BMaxは次式により求められる。

Figure 0006312567
磁気回路における磁気飽和を回避するため、電磁石76及び可動部材8は最大磁束密度が大きな磁性材料を用いることが好ましい。(2)式のように最大磁場BMax=0.52(T)であれば、通常のケイ素鋼板を用いることができる。
コイルバネ80は可動部材78の重量と電磁力Fの両方に対抗する必要がある。本実施形態では、可動部材78は電磁石76と同じ断面積S=0.01(m)を有しており、長さが0.3(m)であると仮定すると、可動部材78の重量は約25(kg)である。従って、仮に限流開始電流値Iを3000(A)に設定する場合、コイルバネ80のバネ定数kは次式により得られる。

Figure 0006312567
分流抵抗(保護抵抗)Rは、異常状態が生じたときに流れる過大電流を消費可能な範囲において適宜設定することができる。但し、分流抵抗Rの設定値が大き過ぎると、主電流Iを過度に抑制することで電磁力Fを極端に低下させてしまい、可動部材78が電磁石76に対して近づいたり離れたりすることを繰り返す、いわゆるバンシング現象を引き起こしてしまうおそれがある。逆に分流抵抗Rを小さくし過ぎると、電磁石76が磁気飽和してしまうおそれがある。分流抵抗値は、このような要因を考慮して適切に設定するとよい。
例えば、送電経路の電位が1500(V)であり、主電流が6000(A)である場合には、R=1500(V)/6000(A)=0.25(Ω)のように設定するとよい。
主電流Iが限流動作開始電流値I未満である正常状態では、電磁力Fは付勢力fに比べて小さくなるように調整されている。そのため、図1に示すように、可動部材78は電磁石76からギャップδを介して離れている一方で、可動部材78の表面に設けられた導電層84によって、送電経路72の入出力配線86a及び86b間が短絡されることにより、主電流は接点88a及び88bを介して流れる。
一方、主電流Iが限流動作開始電流値I以上となる異常状態では、巻回部74に流れる主電流Iの増加に伴って電磁力Fが付勢力fに比べて大きくなり、可動部材78が電磁石76により吸引されるので接点88a及び88bは導電層84から離れる。このとき、可動部材78は入出力配線86a及び86b間を切断するので、主電流Iは分流抵抗Rを流れる。分流抵抗Rは過大となった主電流Iを消費して熱エネルギーに変換することにより、送電経路72や該送電経路72に接続された各種機器類を損傷から保護する。
その後、主電流Iが復帰電流I未満に減少して異常状態が解消されると、巻回部74に流れる主電流Iも減少し、電磁力Fは付勢力fより小さくなる。その結果、可動部材76は再び図1に示すように固定台82側に移動し、自動的に正常状態に復帰する。
図1に示す限流器70は機械式限流器であり、その構造が単純且つコンパクトである上、コストも安価である。しかしながら、以下に説明する問題点がある。
まず、可動部材76がコイルバネ80によって支持されているので、限流器70はノーマリオン動作(平常時に動通状態にある)を行う。つまり限流器70では、例えば地震のような自然災害や限流器が破損するような事故の発生時においても、コイルバネ80が可動部材76を引き寄せ続けることによって導通状態を維持してしまい、セルフ・セーフ機能に欠けている。
また、可動部材76はコイルバネ80が機械的に有する付勢力によって支持されるため、限流開始電流値Iを保護対象である送電経路70の仕様に応じて柔軟に調整することが難しい。
また、限流器70は正常状態と異常状態ではそれぞれ可動部材76の位置が異なる(図3(a)及び(b)を参照)。そのため、正常状態から異常状態に移行する閾値である限流動作開始電流値Iと、異常状態から正常状態に復帰する復帰電流値Iとが異なる、いわゆるヒステリシス特性を有してしまい、スムーズな復帰動作が困難であるという問題がある。
(実施例)
これらの問題点は、以下に説明する本実施形態に係る限流器10によって解消される。図2は本実施形態に係る限流器10の基本的構成を示す模式図であり、図3は図2に示す限流器10の上部接点28b近傍を拡大して示す断面図である。尚、図3(a)は送電経路11に流れる主電流Iが限流動作開始電流値I未満である正常状態における様子を示しており、図3(b)は送電経路11に流れる主電流Iが限流動作開始電流値I以上である異常状態における様子を示している。
まず図2に示すように、限流器10は機械式限流器であり、上部電磁石12と、下部電磁石14と、上部電磁石12及び下部電磁石14間に介在するように配置された可動部材16によって構成される磁気回路を備える。上部電磁石12は磁性体材料から形成された磁気ヨークであり、上部電磁石電源18に接続された配線が巻回されることによって上部電磁コイルL1が形成されている。上部電磁コイルL1には、上部電磁石電源18から供給される電流Iが流れ、上部電磁石12は可動部材16に対して電磁力F1を及ぼす。
下部電磁石14は、図1に示す参考技術における電磁石76と同様に、送電経路11の一部が巻回された巻回部22を有する磁気ヨークである。下部電磁石14もまた磁性体材料から形成されており、巻回部22に流れる主電流Iによる磁気相互作用により、可動部材16に対して電磁力F2を及ぼす。
可動部材16は非磁性体材料から形成される本体部16aを有しており、該本体部16aに対して上部電磁石12側には、上部電磁石12と共に磁気回路を構成する磁性体材料からなる上部接触部材16bと、該本体部16aに対して下部電磁石14側には下部電磁石14と共に磁気回路を構成する磁性体材料からなる下部接触部材16cとが設けられている。これにより、可動部材16は上部電磁石12から電磁力F1を受けると共に下部電磁石14から電磁力F2を受けることにより、電磁力F1及びF2の大小に応じて、上部電磁石12及び下部電磁石14間の空間を移動可能に構成されている。
磁気回路の観点から、上部電磁石12及び上部接触部材16bによって構成される磁気回路と、下部電磁石14及び下部接触部材16cによって構成される磁気回路とは、非磁性体材料から構成される本体部16aによって磁気的な干渉が生じないように分離されながら、機械的に結合されている。
上部電磁石12は略U字形状を有しており、可動部材16に対向する両端には送電経路11の入出力配線24a及び24bが接続されている。一方、可動部材16のうち上部電磁石12に対向する表面上には上部導電層26が設けられている。主電流Iが限流動作開始電流値I未満である場合、図3(a)に示すように、可動部材16は上部電磁石12に引き寄せられる。この場合、送電経路11の入出力配線24a及び24bは、上部接点28a及び28b間において上部導電層26により短絡され、主電流Iは、分流抵抗Rを通ることなく、上部接点28a及び28bを介して流れる。
一方、主電流Iが限流動作開始電流値I以上になると、図3(b)に示すように、可動部材16は下部電磁石14に引き寄せられる。この場合、送電経路11の入出力配線24a及び24bは隔離されているため、主電流Iは分流抵抗Rに流れ、消費される。
上部電磁石12には、巻回部の両側に制御用コイル30a及び30bが巻回されており、制御用コイル30a及び30bは制御コイル直流電源32に対して直列接続されている。制御用コイル30a及び30bを制御コイル直流電源32に接続する配線は、略U字形状を有する下部電磁石14の両端に接続されており、図2に示すように限流器10が異常状態にある場合に、可動部材16の下部電磁石14に対向する表面上に設けられた下部導電層34との下部接点36a及び36bを介して導通するように構成されている。一方、図2に示すように、限流器10が正常状態にある場合には、制御用コイル30a及び30bを制御コイル直流電源32に接続する配線は、可動部材16が下部電磁石14から離れているため、導通しない。
限流器10が異常状態にある際に制御用コイル30a及び30bに流れる電流値Iは、制御コイル直流電源32によって調整可能であり、後述するように、異常状態から正常状態に復帰する復帰電流値Iが、限流動作開始電流値Iに一致するように調整される。
尚、上部電磁石電源18及び制御コイル直流電源32は、限流器動作点の調整手段38によって出力電流値を調整可能に構成されている。特に、限流器動作点の調整手段38は、共通の直流電源(不図示)からの出力電流を分流回路にて分流する構成を有することによって、単純な構成で、独立に制御可能な上部電磁石電源18及び制御コイル直流電源32を実現することができ、低コスト化を図ることができる。
ここで、具体的な設計例として、鉄の最大磁束密度をB=2(T)と仮定し、更に、限流器10の対応可能な最大電流(主電流)を10000(A)に設定する。また略U字形状を有する上部電磁石12及び下部電磁石14のヨーク寸法は、断面積をS=10×10(cm)=0.01(m)、ヨーク長を100(m)=1(m)とし、可動部材16のヨーク寸法は、断面積を0.01(m)、ヨーク長を30(cm)=0.3(m)とする。また上部接点28bは、上部電磁石12及び可動部材16を構成するヨーク上に、それぞれ、絶縁材層と、該絶縁材層上に銀あるいは銅板の導電層を設け接触抵抗を下げる必要がある。この場合、必要なギャップδは吸引時(図3(a)を参照)に8(mm)、解放時(図3(b)を参照)に15(mm)となる。
尚、可動部材16の重量は、上部接触部材16b及び下部接触部材16cを非磁性体からなる本体部16aで強固に固定すると、全体で約50(kg)になる。
上部電磁石12の巻線数をN、電流をI、制御コイル30a及び30bの巻線数をN、電流をI、下部電磁石14の巻線数をN、電流をI(=主電流I)とすると、力のバランス式から各電流の間には以下の関係が成立する。

Figure 0006312567
但し、Wは可動部材16の重さ、gは重力加速度である。
図4は本実施形態に係る限流器10における制御用コイル30a及び30bに電流を流さない場合における限流動作開始電流値I(実線)及び復帰電流値I(点線)を示すグラフであり、上式(4)に基づいて得たものをプロットした結果である(尚、図4では、N=5000、N=2、N=5000として求めた値である)。
図4にて、実線は限流動作開始電流値Iを示しており、限流器10にて限流動作と復帰動作を実現するためには、上部電磁石12に流れる電流I1が、条件I>0.64(A)を満足する必要があることが示されている。つまり、I≦0.64(A)では、上部電磁石12による電磁力F1が可動部材16を持ち上げることができないからである。一方、図4にて点線は復帰電流Iを示しており、実線で示す限流動作開始電流値Iとの間にヒステリシス特性があることが示されている。
このようなヒステリシス特性は、制御用コイル30a及び30bに制御電流Iを印加することによって解消することができる。図5は上部電磁石12の電流Iとヒステリシス特性を解消するために必要な制御電流Iとの関係を示すグラフである。すなわち、図5に示す特性に従った制御電流Iになるように制御コイル直流電源32を調整することによって、限流動作開始電流値Iが復帰電流値Iに一致させ、ヒステリシス特性を解消することができる。
制御電流Iは、図2を参照して上述したように、可動部材16と下部電磁石14との間に設けられた下部接点のON/OFFに伴い、限流動作時(異常状態)にのみ流れる。例えば、上部電磁石電流をI=0.67(A)、限流動作開始電流値をI=1000(A)に設定した場合、制御電流をI=1.06(A)に設定すれば、異常状態が解消された際に限流動作開始電流値Iと同じ復帰電流値I=1000(A)にて、自動的に復帰することができる。
このように本実施形態に係る限流器10では、上述した参考技術で用いたコイルバネ80による付勢力に代えて、上部電磁石12による電磁力Fの大きさを、上部電磁コイルL1に供給される上部電磁石電源18からの電流Iを制御することにより可変、且つ、制御電流Iを制御することによりヒステリシス特性を解消可能に構成されている。これにより、送電経路11の仕様に応じて、限流動作開始電流値Iや復帰電流値Iを柔軟に調整することができる。
尚、上部電磁石12及び下部電磁石14で使用するギャップヨークは一般的に磁気飽和を起こし難い構造であるが、過大電流が流れれば磁気飽和現象を引き起こすおそれがある。本実施形態に係る限流器10では2か所の空間ギャップを有し、該空間ギャップでの磁束の広がりを無視できると仮定すると、上部電磁石12及び下部電磁石14が経験する磁束密度B,Bは、概ね次式のように表される。

Figure 0006312567
上部電磁石12及び下部電磁石14における磁束密度B,Bは磁気ギャップを与える可動部材16の位置に依存する。限流動作時は可動部材16が落下状態にあり、正常動作時は上方に吸引された状態である。ここでは、図6は図3に示すギャップ長δを用いて、上部電磁石12及び下部電磁石14の磁束密度B,Bを計算した結果を示すグラフ図である。
ここで限流動作開始電流値をI=10(kA)とすると、図4から上部電磁石電流をI=2.25(A)に設定する必要がある。この時、最も磁束密度が大きくなるのは限流動作時の上部電磁石ヨークでありB=2.0(T)となる。尤も、この値は限流動作電流をI=10000(A)としてヨークの飽和磁束密度がBsat=2(T)になるようにギャップ長を設計した結果であり、当然の結果である。尚、より低い磁場で限流器を動作させる場合には、ギャップ長を設計し直すとよい。
以上、本実施形態に係る限流器10の基本構成に基づいて静的特性を中心に説明した。続いて、限流器10の動的特性について、シミュレーションを用いた具体的な設計例に基づいて説明する。図7は本実施形態に係る限流器10を用いた鉄道饋電システム100の構成を示す模式図である。鉄道饋電システム100では、饋電線である送電経路11に、車両事故が発生することによって過大電流が発生することによって異常状態が発生した場合をケースに説明する。
尚、以下の説明では、上述した基本構成を有することを前提とし、重複する説明は適宜省略することとする。
饋電システム100では、電力供給源である変電所102から車両駆動用の電力として1500(V)の直流電力が供給される。変電所102には電源としてDC電源104が設置されており、安全装置たる遮断機106を備えている。電力供給先である車両の抵抗値RLは、正常状態で0.5(Ω)であるが、車両事故発生時には0.20(Ω)に低下することによって、正常状態では1500(V)/0.5(Ω)=3000(A)であった主電流Iが1500(V)/0.2(Ω)≒7500(A)に増加し、異常状態が生じる。異常状態は約5秒間継続した後、正常状態に戻るとする。
尚、本実施形態では、分流抵抗をR=0.25(Ω)とすると共に、電車や架線系は単純な純抵抗ではないため、インダクタンス成分L=5(mH)を含むと仮定する。
制御コイル直流電源32は、変電所102内に設置されたDC電源104とは独立に設けられており、10(V)のDC電源が用いるとする。制御コイル直流電源32には制御コイル30a及び30bに流れる制御電流Iを調整するための可変抵抗Rが接続されているとする。限流器10の応答性を評価するにあたっては、限流動作時に電流をON/OFFする制御コイル30a及び30bのインダクタンスが重要となる。上部電磁石12のギャップヨークに巻かれた制御コイル30a及び30bに通電されるのは、限流動作時のみである。このとき、制御コイル30a及び30bの自己インダクタンスLc=μSN /(2δ)は、空間ギャップδ=δ2=15(mm)、μ=4π×10−7、S=0.01(m)、δ=0.015(m)、N=5000ターンとして、L=10.5(H)となる。
尚、この自己インダクタンスの計算では、主電流用の下部電磁石14は巻数が2ターンと小さく1(μH)以下であり、系統のインダクタンス5(mH)に含まれるとして無視した。
また本シミュレーションでは、上部接点28a及び28b、下部接点36a及び36bのON/OFFは十分に短い時間で行われると仮定する。厳密には、図3に示すように、可動部材16の接合面には上部導電層26及び下部導電層34があるので、可動部材16が上部導電層26及び下部導電層34の厚み距離を移動するに必要な時間がかかる。ここで、上部導電層26及び下部導電層34の厚さを10(μm)とし自然落下を考えると、接点が離れる時間は1.4(msec)程度必要である。限流器10が動作する際には、可動部材16に数千Nの力が掛かり大きな加速度が発生するので切断時間は0.1(msec)以下となる。また電気系の時間遅れは応答の速い主電流回路でτ=0.005/0.22=23(msec)であることから、接点のON/OFFは十分に短い時間で行われると仮定しても影響は少ない。
図8は図7に示す饋電システム100における限流器10の応答特性を示すグラフであり、図9は図7に示す饋電システム100における限流器10で制御用コイル30a及び30bに制御電流Iを流さなかった場合における応答特性を示すグラフである。
尚、図8及び図9は、限流動作開始電流をI=5000(A)に設定し、ヒステリシス解消回路の制御用コイル電源32内の電流制限抵抗(不図示)をR=6.58(Ω)に調整し、主電流がI=5000(A)以下になれば直ちに限流器10が復帰できるように設定した条件下において模擬試験を行った結果である。
図8及び図9において点線は仮に同じ饋電系に限流器10が存在しない場合の応答特性を示しており、車両事故により異常状態が発生すると、負荷抵抗が低下することに伴い、主電流(架線電流)がI=7500(A)に急増することを示している。一方、図8において実線で示すように、限流器10が存在することによって、限流動作開始電流Iである5000(A)まで一瞬増加するものの、直ちに1500(V)/(0.25+0.02)(Ω)≒3300(A)まで減少し、過大電流を抑制している様子が表わされている。
これに対し、図9はヒステリシス解消用の制御コイル30a及び30bを起動させなかった場合の結果を示している。この場合、制御電流Iがゼロでは、自己復帰するには主電流(架線電流)Iを800(A)以下にする必要がある。しかし本事例では、異常状態が解除されると負荷抵抗が0.5(Ω)に戻るため、架線電流が1500/(0.25+0.5)=2000(A)までしか下がらず、自己復帰することができない。このように、本シミュレーションによって、制御コイル30a及び30bによるヒステリシス特性解消が有用であることが立証できた。
尚、本実施形態に係る限流器10は、上部接点28a及び28b、下部接点36a及び36bにおけるON/OFF切替動作を利用した装置であるため、これらの接点における接触抵抗の影響を検討する必要がある。本実施形態では各接点における接触面積を10×10(cm)とし、1000(N)以上の非常に大きな電磁力を加えるので、接触抵抗は略一定の値にあると考えることができる。例えば、図3を参考にして、接点表面にも6(μm)の銀メッキをすれば、接触抵抗を1(μΩ)程度にすることができる。この場合、接点に10000(A)の電流が流れると、接点部分で100(W)の発熱が生じる。本実施形態では図2に示すように、主電流に対して接点が2か所存在するので合計で最大200(W)の発熱が生じると見積もることができる。この程度の発熱であれば、通風に配慮した限流器設計をすれば特段の問題は無いと考えられる。
また上記限流器10は、ごく稀に起きる異常状態に対する安全装置であるため、頻繁なON/OFF動作を前提する継電器とは異なり、接点の摩耗を気にする必要はないと考えられる。いわば限流器10の動作事態が異常であり、限流器10が少数回(例えば2〜3回)動作すれば接点部分を全部交換することが好ましい。
また本実施形態に係る限流器10の使用用途としては、図7に示すような電気鉄道に特に適している。これは、本実施形態に係る限流器10は、(1)直流動作を想定した機器であり交流電力機器に向いていないこと、また、(2)電気接点間の距離が短く(先の計算ではδ=8mm)、高電圧を前提とする電力用限流器には適していないためである。
尚、本実施形態に係る限流器10は、参考技術に係る機械式限流器70(図1を参照)が抱えていた問題を解決するために、上部電磁石12に常時DC電流を流す必要がある。そのため、上部電磁石12では少なからず電気的損失が生じることとなる。上記例では、上部電磁石12のコイル巻数がN=5000回で、断面積がS=10×10(cm)のヨークに巻かれ、電流を最大2(A)程度としたので、コイル導線に0.5(mmφ)の丸形状銅線を使うとすると、コイルの巻線抵抗は30〜40(Ω)となる。従って、このコイルに2(A)の電流を流すと120〜160(W)の損失が発生すると考えられる。
このような電気的損失を解消するためには、上部電磁石12のコイル巻線として太い線を用いることも考えられるが、コイル寸法が大きくなり限流器10をコンパクトにできなくなる可能性もある。そこで、上部電磁石12を超電導コイルとして構成することが有望な解決策の一つとして考えられる。上部電磁石12に流れる電流は直流電流であることから、超電導コイルで問題となる交流損失も発生しないため、良好な特性を期待できる。但し、超電導コイルを用いる場合には、超電導コイルを冷却する液体窒素が近傍に有り、かつ、冷凍機にも十分な余裕があることが好ましい。
以上説明したように、本実施形態に係る限流器によれば、上部電磁石及び下部電磁石からの電磁力を用いて可動部材を移動することにより、送電経路を流れる電流が過大になって、送電経路や該送電経路に接続された機器の損傷を効果的に回避することができる。特に上部電磁石による電磁力は第1の直流電源によって制御可能であるから、限流動作を開始する限流動作開始電流値を柔軟且つ容易に調整することができる。
本発明は、直流電力を送電する送電経路上に設置される限流器に利用可能である。
10 限流器
11 送電経路
12 上部電磁石
14 下部電磁石
16 可動部材
18 上部電磁石電源
22 巻回部
24 上部接点
26 上部導電層
30 制御用コイル
32 制御用コイル直流電源
34 下部導電層
36 下部接点
38 調整手段
100 饋電システム
102 変電所
104 DC電源
106 遮断機

Claims (6)

  1. 直流電力を送電する送電経路上に設置される機械式限流器であって、
    励磁コイルが巻回された上部磁気ヨークと、該上部磁気ヨークの電気的に隔離された異なる位置に設けられ、且つ、前記送電経路の入出力側にそれぞれ接続された上部接点とを備える上部電磁石と、
    前記上部接点に並列に設けられた分流抵抗と、
    前記励磁コイルに励磁電流を供給する第1の直流電源と、
    前記送電経路の一部が巻回された巻回部を有する下部磁気ヨークを備える下部電磁石と、
    前記上部電磁石及び前記下部電磁石間に配置され、前記上部電磁石側に磁性体から形成される上部接触部材と、前記下部電磁石側に磁性体から形成される下部接触部材とが、非磁性体から形成される接続部によって連結されて構成される可動部材と
    を備え、
    前記送電経路を流れる電流値が限流動作開始電流値未満である正常状態において、前記可動部材が前記上部電磁石に接触することにより、前記送電経路を流れる電流は、前記上部接触部材上に形成された上部導電層によって短絡された前記上部接点間を介して流れ、
    前記送電経路を流れる電流値が前記限流動作開始電流値以上になった異常状態においては、前記可動部材が前記下部電磁石に吸引され前記上部接点が切断されることにより、前記送電経路を流れる電流は、前記分流抵抗を介して流れることを特徴とする機械式限流器。
  2. 前記上部磁気ヨークには、第2の直流電源によって直流電流が供給される制御用コイルが巻回されており、
    前記第2の直流電源は、前記異常状態から前記正常状態に復帰する復帰電流値が、前記限流動作開始電流値に一致するように、前記制御用コイルに流れる電流値を調整することを特徴とする請求項1に記載の機械式限流器。
  3. 前記下部磁気ヨークは、前記第2の直流電源の両端にそれぞれ接続された下部接点を電気的に隔離された異なる位置に有しており、
    前記下部接点は、前記可動部材が前記下部電磁石に接触した際に、前記第2の直流電源からの電流が、前記下部接触部材上に形成された下部導電層を介して、前記制御用コイルに流れるように構成されていることを特徴とする請求項2に記載の機械式限流器。
  4. 前記第1の直流電源及び前記第2の直流電源は、共通の直流電源からの出力電流を分流することによって構成されていることを特徴とする請求項2に記載の機械式限流器。
  5. 前記上部電磁石は超電導マグネットから構成されていることを特徴とする請求項1に記載の機械式限流器。
  6. 前記送電経路は鉄道用の饋電系であることを特徴とする請求項1に記載の機械式限流器。
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