JPH0359564B2

JPH0359564B2 -

Info

Publication number: JPH0359564B2
Application number: JP55059554A
Authority: JP
Inventors: Jeemusu Kaa Junia Uorutaa
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1979-05-07
Filing date: 1980-05-07
Publication date: 1991-09-11
Also published as: US4470090A; DE3071717D1; NO801326L; EP0018854B1; EP0018854A1; JPS55151317A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、一般に超電導巻線を有する電気誘導
装置に関し、特に超電導巻線を有する電気誘導装
置の巻線に生ずる動作損失を減少させる手段に関
する。

従来、電気誘導装置に超電導巻線を用いること
は、或る種の制約があること並びに過渡状態及び
故障電流に対する許容度が低いことにより制限さ
れていた。配電系統中の電気誘導装置は短絡電流
のような故障電流には特に弱い装置である。

超電導体に固有の特性は、電流密度と磁界のど
ちらか一方もしくは両方の或る臨界値において超
電導導線が「正常な」状態になる、即ち抵抗をも
つようになる、ということである。低温の冷却流
体を用いた超電導巻線が或る臨界値を超過する過
渡電流又は磁界などにより「正常」状態になり得
る場合、多量の熱が発生する。このように発生し
た熱は、超電導体を冷却する低温液体を爆発的な
速度で蒸発させたり、コイルを焼損させたりす
る。更に超電導体に発生した熱を除去するために
低温液体に対してなすべき仕事は、装置から除去
すべき実際のエネルギー量の500倍のオーダーで
ある。

設計上の見地からは、動作損失を最小に保つの
に充分な程度に装置を小形にすべきであり、他方
では、装置に典型的な故障電流又は他の短絡電流
が流れた時の上述した不所望の結果を最小とする
のに充分な容量を確実にもち得る程度に、大形の
装置としなければならない。

従来技術においては、各別のフイラメントの銅
クラツデイングが用いられ、超電導臨界電流密度
が超過されて超電導体が正常状態に移行し始めた
時に余分の電路を提供することにより、温度変動
に基づく小領域の正常化に対して超電導導線を安
定にする。これにより、導線が再び臨界点以下に
冷却されるまで銅層中に電流が短時間流れ得るよ
うになる。

大きな故障電流に対して従来技術は、典型的な
故障電流を通電する能力をもつ超電導巻線を設計
すること、即ち正常動作電流を通電するのに必要
な値の約10倍に超電導導線の大きさを定めること
である。しかし、本発明において関心がもたれる
代表的な条件の下では、経時変化する磁界の作用
を受ける超電導導線のヒステリシス損失は、導線
の容積に比例する。最近の大形変成器は高効率で
あり、巻線の抵抗損失は伝送される全電力の必ず
0.5％以下である。従つて慣用の変成器の巻線に
関連する抵抗損失を減少させてこれらを交流損失
即ち超電動巻線のヒステリシス損失に代えること
に大きな利点はない。

故障電流をなお通電している巻線の超電導体量
を少くするために超電導巻線と並列に補助銅巻線
を接続することは既知である。実際に、上述した
超電導導線の銅クラツデイングは、補助銅巻線の
一形式、即ち超電導巻線から電流を伝達する余分
の電路である。しかし、この方法には、全て超電
導体から成る通常の巻線と同様に、可能な利益を
帳消しにする望ましくない面がある。銅巻線はか
さばる。超電導巻線の電流密度能力は、銅巻線の
電流密度能力の1000倍ないし10000倍である。定
格電流の10倍のオーダーの故障電流を通電する大
きさとする必要があるのは補助巻線であるから、
この場合補助銅巻線は標準的な電力変成器の普通
の銅巻線とほぼ同じ物理的な大きさになるであろ
う。このため超電導巻線により得られるはずの大
きさ及び重量の減少は得られない。補助銅巻線の
別の望ましくない結果は、補助銅巻線に電流が流
れる時にはいつでも変成器装置が抵抗損失を経験
することであり、この電流は故障状態の下では相
当長い期間流れることがある。

従つて、経時変化する磁界の作用とそれによる
ヒステリシス損失とを受ける超電導巻線の容積を
減少させることにより超電導巻線の動作損失を最
小にすることが要望されている。また正常動作中
に大きなヒステリシス損失を受けないようにし
た、故障電流通電手段を設けることも同様に要望
されている。

本発明は、広義には、複数巻の超電導々線から
成る主巻線及び矢張り複数巻の超電導々線から成
る補助巻線を含む少なくとも１対の超電導巻線を
備えた電気誘導装置であつて、上記超電導々線は
その一部が超電導材料で作られ、上記補助巻線は
上記主巻線と並列に接続され、上記補助巻線は上
記主巻線が付勢される時に存在する比較的磁界の
無い領域中で上記主巻線の外周の近くにかつこの
外周と同心的に配置され、上記主巻線は上記電気
誘導装置の通常動作電流を通電する大きさであ
り、上記補助巻線は上記超電導々線の超電導材料
部分に所定の故障電流および過負荷電流を通電す
る大きさであることを特徴とする電気誘導装置に
ある。

一例として、２巻線変成器に向けられた本発明
の好ましい一実施例によれば、超電導補助巻線
は、主巻線の磁界がほとんど存在しない領域に配
設されている。変成器には２つのほとんど磁界の
ない領域が存在する。ほとんど磁界のない領域に
おかれた補助巻線は、補助巻線に電流が流れてい
なければ、測定できない程度のヒステリシス損失
を経験しない。故障電流がない時補助巻そ電流を
零に等しいか又はほぼ等しくするというこの条件
は、２つの方法により達成し得る。補助導線に電
流が流れるのを阻止する１つの方法は、過負荷時
以外は開放しているスイツチを用いることであ
る。これは故障電流検出器によりスイツチが作動
されるようにすることにより達成できる。補助巻
線中の電流を制限する第２の好ましい方法は、超
電導主巻線よりも高インピーダンスの電路を補助
巻線が提供するように、巻線層間の間隔を選定
し、正常な動作状態の下で補助巻線にほとんど電
流を流さないようにすることにある。

本発明をよりよく理解できるようにするため、
図面に示した本発明の好ましい実施例について以
下に本発明を一層詳細に説明する。

図面特に第１図には、本発明を用いて構成され
得る超電導性電気誘導装置１０が示されている。
この電気誘導装置１０は超電導性の主巻線１２及
び補助巻線１４を有し、これらの巻線は超電導変
成器の１次巻線、超電導磁石の巻線、超電導リア
クトルの巻線その他を形成し得る。低温液体例え
ば液体ヘリウムを満たしたタンク即ちハウジング
１６は、主巻線１２及び補助巻線１４を囲む一点
鎖線により表わされている。

本発明の第１実施例によれば、超電導性の補助
巻線１４は、スイツチ、接触器又は回路遮断器１
８を介して超電導性の主巻線１２に並列に接続さ
れ、この主巻線１２は交流電源２０に接続されて
いる。変流器２４及びレベル検出器２６から成る
ように電流検出装置２２は、主巻線１２中に流れ
る電流を検出するために用いられる。レベル検出
器２６は一例として、整流器及び演算増幅器式レ
ベル検出器としてもよい。レベル検出器２６は、
主巻線１２が正常な状態に移行し始める臨界レベ
ルに電流値が到達した時に、スイツチ１８を閉成
する信号を送出するようにセツトされる。

本発明の別の実施例ではスイツチ１８と電流検
出装置２２とが除かれて一層簡単な構成が提供さ
れる。この実施例で補助巻線１４は主巻線１２と
並列に固定配線されている。電気誘導装置１０の
通常作動中に補助巻線１４に流れる電流が実質的
に零になることは、主巻線１２に対して補助巻線
１４を適切に配列し、主巻線１２が正常な状態に
移行し始めるまで主巻線１２が補助巻線１４より
も低インピーダンスの電路を提供するようにすれ
ば達成できる。補助巻線１４は主巻線１２のイン
ピーダンスの増大により電流を通電し始めるであ
ろう。後述するように、主巻線１２に近接した比
較的磁界のない領域に補助巻線１４を位置させる
ことが重要である。

第２図は本発明の第２実施例の理解を助けるた
めのグラフである。第２図は超電導導線の電圧
（即ちIR電圧）と電流Ｉとの関係を表わしてい
る。電圧降下は実際に非常に零に誓いため、超電
導導線の抵抗率がある程度大きくなる臨界値I_cに
超電導導線の電流が近付くまでは電圧降下は無視
できる。補助巻線１４はなお零に近い抵抗率をも
つため、第２実施例においてはこの点で主巻線１
２から補助巻線１４に電流が分流し始める。

第３図及び第４図には、第１図に示した超電導
性電気誘導装置１０が概略的に図示され、ここに
使用される補助巻線１４は大体において主巻線１
２の磁界のない場所に位置されている。第３図は
電気誘導装置１０の断面図、第４図は矢印−
に沿つた第３図の電気誘導装置の断面図である。

一般に第３図及び第４図に示した実施例は、超
電導導線を慣用のコイル形態に巻回することによ
り超電導性の主巻線１２、補助巻線１４を形成す
るどんな電気誘導装置にも適用される。このよう
な超電導導線はマルチフイラメント、固体超電導
テープ、又は当該技術において知られる他の適当
な超電導導線としてもよい。主巻線１２と補助巻
線１４とは中心線２８の周りに同心的に配列し、
使用時にはこの中心線のところに磁心を位置させ
得る。両巻線は液体ヘリウム又は他の適当な低温
液体を満たした熱絶縁材料製ハウジングに収容さ
れる。補助巻線１４は巻線の太さ“ｔ”の普通は
約10倍の半径方向間隔“ｄ”をもつて主巻線１２
の外周に沿つて一様に分布されている。補助巻線
１４は、主巻線１２の流さが直径の少くとも３倍
である場合、主巻線１２の外周に沿つて存在する
ほとんど磁界のない領域に位置される。ここに磁
界が実質的に存在しないのは、理論上は、主巻線
１２に流れる流により生じたどんな磁束も、その
他端に戻るための大きな空間をもつからである。
実際には、漂遊磁束にしても、補助巻線１２から
の磁束にしても、多少の磁束がこの領域に存在す
るが、この量はわずかである。そのため、磁界が
ほとんどない領域が主巻線１２のすぐ外側に存在
する。一例として間隔“ｄ”が巻線の太さ“ｔ”
の約10倍になるように補助巻線１４を隔てること
によつて、巻線の太さを無視でき、同じ巻回方向
において並列に結線した時の主巻線１２及び補助
巻線１４に流れる電流を定め得る。

同じ長さと巻数とをもつ２本の無抵抗同心コイ
ルについて考察する。２本のコイルを並列に結線
して交流で励磁した場合、各コイルに誘起される
電圧は同一でなければならない。従つて、内側コ
イルと外側コイルとの間の領域での平均磁束密度
は、この磁束が外側コイルのみによつて結合され
ているため消失する。コイルの太さは無視する。
コイル間の磁束は、外側コイルの電流I₂に比例す
る部分K₂₂I₂と、内側コイルの電流I₁に比例する
部分K₂₁I₁とを有する。一般にK₂₁はK₂₂より小さ
い。この外に外部励磁源からの平均磁束φ₀が両
コイル間に存在していると、 K₂₂I₂＋K₂₁I₁＋φ₀＝０である。

φ＝０であつたら（これは、コイル１，２以外
に磁界源がない場合に起こる）、明らかに、比
I₂／I₁は−K₂₁／K₂₂により与えられる。長いコイ
ル即ち長さが直径の約３倍よりも大きなコイルの
場合、上記の比の値は１／10以下になることが証
明できる。従つて電流はほとんど内側コイルに流
れる。

従つて、単に主巻線１２と補助巻線１４とを上
述したように位置させるだけで、通常の電流が確
実に内側の主巻線１２に流れるようにできる。こ
の内側の主巻線１２は、電気誘導装置１０の通常
の動作電流を通電する大きさの巻線である。これ
により、典型的な過電流又は故障電流を通電する
大きさとした巻線に比べて、容積が減少し、これ
に対応してヒステリシス損失も減少する。外側の
巻線即ち補助巻線１４は、通常動作中ほぼ零電流
を通電し、更に主巻線１２の周りに存在すること
がわかつているほぼ無磁束の領域に位置されてい
るため、無視できる程度のヒステリシス損失を受
ける。今、過渡電流又は磁界の変化が配電系統中
に生ずると、主巻線１２の電流が臨界値に到達し
た後、主巻線１２のインピーダンスが増大し始
め、残りの電流は補助巻線１４へと向けられる。

補助巻線１４は、上述したように、別の方法と
して、スイツチ１８を補助巻線１４の回路に接続
することにより、電気誘導装置１０の通常作動中
に導通しなくすることができる。スイツチ１８は
名目上開放しているが、電流検出装置と磁界検出
装置のどちらか一方もしくは両方により制御さ
れ、この検出装置は過負荷を検出した時にスイツ
チ１８を閉じる。

第５図に、本発明に従つて構成し得る超電導巻
線を有する変成器３０を概略的に示す。変成器３
０は、１次主巻線３４及び１次補助巻線３６を有
する１次部分と、２次主巻線３８及び２次補助巻
線４０を有する２次部分とを備えている。低温液
体例えば液体ヘリウムを満たしたタンク即ちハウ
ジングは、これらの巻線の周りの一点鎖線により
表わされている。磁気鉄心４２と誘導関係におか
れ得る１次部分及び２次部分は交流電源４４と負
荷４６とにそれぞれ接続されている。図示した変
成器３０において１次主巻線３４と１次補助巻線
３６との間及び２次主巻線３８と２次補助巻線４
０との間は直接に金属接続されており、これは本
発明の好ましい一美施態様を表わしている。しか
し第１図について上述したように、過負荷が検出
されるまで主巻線から補助巻線をスイツチにより
隔離することもできる。

第６図は、第５図に概略的に示した超電導変成
器３０の諸巻線を示す。ここに１次主巻線３４は
１次補助巻線３６と並列に結線され、２次主巻線
３８は２次補助巻線４０と並列に結線されてい
る。各巻線は第６図に示すように長手方向軸線４
８の周りに対称に位置されている。第６図では１
次主巻線３４と１次補助巻線３６は２次主巻線３
８と２次補助巻線４０の外側に位置されている
が、これは不可欠ではない。１次主巻線３４と２
次主巻線３８が互に隣接しておかれそして１次補
助巻線３６と２次補助巻線４０がそれぞれ１次主
巻線３４の外周と２次主巻線３８の内周に近接し
て位置される限り、巻線の長さを減少させるため
直列接続された複数層に巻線を分割する変成器製
造技術に従つて、各巻線を積重ねたり、各巻線の
位置を上記の位置と逆にしたりすることもでき
る。

一般に変成器の１次巻線と２次巻線は大きさが
等しく方向が反対の磁界を発生する。変成器の同
心配置された１次巻線及び２次巻線の無磁界領域
は、内側巻線の内側及び外側巻線の外側に存在す
る。大体においてＨ＝0.4NI／エルステツド
（Ｉはアンペア、はcmでそれぞれ表わす）の強
さの磁界が１次巻線と２次巻線との間に存在す
る。第１図の実施例について上述した理由によ
り、最も外側の主巻線即ち第６図において１次主
巻線３４と１次補助巻線３６との間の電流分担が
生ずる。内側の２次主巻線３８及び２次補助巻線
４０も一見して外側の１次主巻線３４及び１次補
助巻線３６と同一の電流分担をもつように思われ
るかもしれないが、そうはならない。内側の２次
主巻線３８及び２次補助巻線４０がこれと反対の
電流分担をもつことは次の考察から理解されよ
う。

並列に接続された内側の２次主巻線３８と２次
補助巻線４０との間のスペースにある正味磁束は
０でなければならない（もしこれが０でないとす
ると、並列に接続された２次主巻線３８、２次補
助巻線４０により形成されるループに電圧が誘起
され、このループが超電導短絡回路であるため、
無限大の電流を生ずる）。理想ソレノイドの場合、
全電流が２次主巻線３８に流れると、そのように
なる。この場合、２次主巻線３８と２次補助巻線
４０の巻線対の内部（２次主巻線３８の内周）に
ある磁界は、２次主巻線３８の磁界が２次補助巻
線４０の磁界により消去されるため零になる。理
想巻線以外の巻線及び漂遊磁界については、下方
の１次主巻線３４と１次補助巻線３６を結合する
正味磁束を零にする方向の少量の電流がこれらの
１次主巻線３４、１次補助巻線３６を通つて循環
しなければならない。この循環電流は、２次主巻
線３８と１次主巻線３４との間の磁界に比べて漂
遊磁界が小さい限り、１次主巻線３４に流れる正
味電流に比べて小さく、これは並列の２次主巻線
３８、２次補助巻線４０の内の外側の巻線即ち２
次主導線３８に主に電流が流れることを示してい
る。

以上を要約すると、本発明による超電導電気誘
導装置の主巻線は、電気誘導装置の通常動作電流
のみを通電する大きさとすることができる。超電
導補助巻線は、主巻線に並列に接続され、かつ無
磁界領域におかれるもので、過渡電流及び過負荷
電流を通電する大きさとすることができる。これ
らの超電導補助巻線は電気誘導装置の無磁界領域
におかれ、隔置又は開路により通常不導通である
ため、もちろん過負荷電流が流れるまでは低ヒス
テリシス損失を経験する。その結果として、電気
誘導装置の動作損失が全体的に減少する。

本発明は上述した実施例のほかにもいろいろ変
更して実施でき、上述した特定の構成は単なる例
示であつて、本発明を限定するものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は教示に従う構成を有する超電導巻線を
用いた本発明の電気誘導装置の回路略図、第２図
は超電導巻線における電流密度対電圧又は電界の
変化を示す曲線図、第３図は補助巻線を主巻線の
周囲に位置させた本発明の一実施例に従う構成を
有する電気誘導装置の断面図、第４図は各巻線の
相対位置を示すため第３図の−線に沿つた断
面図、第５図は本発明に従つて構成され得る、超
電導補助巻線を有する２巻線変成器の回路略図、
第６図は１次巻線と２次巻線が並列に接続された
主巻線及び補助巻線を各々有する本発明の一実施
例に従う超電導変成器の巻線の断面図である。１０……電気誘導装置、１２……主巻線、１４
……補助巻線、１８……スイツチ、２２……電流
検出装置、ｄ……半径方向間隔（所定距離）、ｔ
……巻線の太さ、３０……変成器、３４……１次
主巻線、３６…１次補助巻線、３８……２次主巻
線、４０……２次補助巻線、４４……交流電源、
４６……負荷である。

Claims

【特許請求の範囲】１複数巻の超電導々線から成る主巻線及び矢張
り複数巻の超電導々線から成る補助巻線を含む少
なくとも１対の超電導巻線を備えた電気誘導装置
であつて、上記超電導々線はその一部が超電導材
料で作られ、上記補助巻線は上記主巻線と並列に
接続され、上記補助巻線は上記主巻線が付勢され
る時に存在する比較的磁界の無い領域中で上記主
巻線の外周の近くにかつこの外周と同心的に配置
され、上記主巻線は上記電気誘導装置の通常動作
電流を通電する大きさであり、上記補助巻線は上
記超電導々線の超電導材料部分に所定の故障電流
及び過負荷電流を通電する大きさであり、上記主
巻線に流入する電流に応答する電流検出装置と、
この電流検出装置に応答して、上記主巻線中の電
流が或る所定レベル以下の時上記補助巻線を開路
するが、上記主巻線中の電流が上記所定レベルを
超過した時上記補助巻線を閉路する手段とを更に
備えたことを特徴とする電気誘導装置。２補助巻線が主巻線と同じ長さ及び巻数を有す
るようにした特許請求の範囲第１項記載の電気誘
導装置。３複数巻の超電導々線から成る主巻線及び矢張
り複数巻の超電導々線から成る補助巻線を含む少
なくとも１対の超電動巻線を備えた電気誘導装置
であつて、上記超電導々線はその一部が超電導材
料で作られ、上記補助巻線は上記主巻線と並列に
接続され、上記補助巻線は上記主巻線が付勢され
る時に存在する比較的磁界の無い領域中で上記主
巻線の外周の近くにかつこの外周と同心的に配置
され、上記主巻線は上記電気誘導装置の通常動作
電流を通電する大きさであり、上記補助巻線は上
記超電導々線の超電導材料部分に所定の故障電流
及び過負荷電流を通電する大きさであり、上記主
巻線が上記補助巻線よりも低いインピーダンス路
を提供するように上記主巻線と上記補助巻線が半
径方向に隔置され、その結果として、上記主巻線
に上記所定レベルを超過する電流が流れて上記主
巻線のインピーダンスを増大させかつ上記補助巻
線に電流が流れ始めるまで、上記補助巻線にほと
んど電流が流れないようにしたことを特徴とする
電流誘導装置。４補助巻線が主巻線と同じ長さ及び巻数を有す
るようにした特許請求の範囲第３項記載の電気誘
導装置。５複数巻の超電導々線から成り使用時に外部励
磁源に接続される１次主巻線と、矢張り複数巻の
超電導々線から成り使用時に外部負荷に接続され
る２次主巻線とを備え、これら１次主巻線と２次
主巻線は互いに隣接してかつ同心的に配置されて
いて、上記１次主巻線及び上記２次主巻線が励磁
された時に最も内側の巻線の内部に１つと、最も
外側の巻線の外部に１つの、合計２つの実質的に
無磁界の領域が形成されるようになつており、こ
の他に、上記２つの無磁界の領域の内の一方の領
域の内部において複数巻の超電導々線から成り上
記１次主巻線の外周の近くにこれと同心的に配置
された１次補助巻線と、上記２つの無磁界の領域
の他方の領域の内部において矢張り複数巻の超電
導々線から成り上記２次主巻線の内周の近くにこ
れと同心的に配置された２次補助巻線とを備え、
上記１次主巻線及び上記２次主巻線は超電導変成
器の通常動作電流を通電するのに十分な断面積を
有し、上記１次補助巻線及び上記２次補助巻線は
上記超電導変成器の所定の故障電流又は過負荷電
流を通電するのに充分な断面積を有し、上記１次
補助巻線は上記１次主巻線と並列に電気接続さ
れ、上記２次補助巻線は上記２次主巻線と並列に
電気接続されるようにした超電導変成器。６１次補助巻線及び２次補助巻線がそれぞれ１
次主巻線及び２次主巻線との間に所定の半径方向
間隔を有し、これらの半径方向間隔は、上記１次
主巻線及び上記２次主巻線において電流が或る所
定値を超過するまで上記１次補助巻線及び上記２
次補助巻線に無視できる電流が流れるように、異
なるインピーダンスの電路を提供するよう選定さ
れ、電流が上記所定値を超過する時点で上記１次
主巻線及び上記２次主巻線のインピーダンスが増
大して上記１次補助巻線及び上記２次補助巻線に
過電流を通電させるようにした特許請求の範囲第
５項記載の超電導変成器。７１次主巻線と２次主巻線との内少なくとも一
方に流れる電流の値を検出する電流検出装置と、
この電流検出装置に応答して、検出された電流が
或る所定レベル以下の時に１次補助巻線及び２次
補助巻線を開路するが、検出された電流が上記所
定レベルを超過した時に上記１次補助巻線及び上
記２次補助巻線を閉路するための手段とを備えた
特許請求の範囲第５項記載の超電動変成器。８１次補助巻線が１次主巻線と同じ長さ及び巻
数を有し、２次補助巻線が２次主巻線と同じ長さ
及び巻数を有する特許請求の範囲第５項記載の超
電導変成器。