JPH04312717A - 超電導限流器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の目的］

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超電導スイッチを応用し
た超電導限流器に係り、特に超電導スイッチの作動時（
クエンチ）損失を抑制する為の超電導回路遮断スイッチ
の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超電導限流器の構成図を図３に示
す。図３において、通常電流は超電導で無誘導のトリガ
コイル３ｂ，３ｃを流れ、正常に負荷４に対し給電を行
う。一方、短絡電流等の事故電流に対しては、所定の電
流値に達した所でトリガコイル３ｂ，３ｃの超電導性が
破れ（以下クエンチと言う）、トリガコイル３ｂ，３ｃ
が高抵抗体に相転移し過電流を抑制する。その結果、回
路電流はトリガコイル３ｂ，３ｃと並列に接続された限
流コイル３ａ側へ転流し、限流コイル３ａのインピーダ
ンスによって所定値に限流される。クエンチセンサ３ｇ
はこの時の限流コイル３ａの両端電圧の急激な上昇から
トリガコイルのクエンチを検出して、直ちにスイッチ３
ｄを開極させる。このスイッチの開極によって、抵抗体
（発熱源）となったトリガコイル３ｂ，３ｃの発熱を無
くして冷媒の消費量を抑制する。ところで、このような
超電導限流器においては、トリガコイル３ｂ，３ｃの発
生熱量、すなわち冷媒の消費量を如何に小さな値に抑制
出来るかが重要な技術課題となっている。すなわち、限
流作動時の損失が大きいと多量の冷媒が一気に気化して
、冷媒及びトリガコイル３ｂ，３ｃを収納している図示
しないクライオスタット（低温容器）の内圧を爆発的に
上昇させることになり、場合によっては、クライオスタ
ットの変形・破裂に至ることもある。

【０００３】この内圧上昇による弊害を防止するために
は、その圧力を吸収するサージタンクを別個に備えるか
、安全弁により気化した冷媒を大気中に放出する以外に
方法が無い。前者を採用すれば装置が大型化し、後者の
場合には作動頻度に応じて失われた分の冷媒を定期的に
補充する必要がある。この様な不合理を無くす方法の一
つとして、トリガスイッチ３ｄに高速遮断機能を付加す
ることが考えられる。そのためのスイッチとしては、サ
イリスタ等を用いた半導体スイッチか真空或いは気体中
で接点を開閉するメカニカルスイッチの２種類が考えら
れる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前者の半導体スイッチ
の場合、遮断速度は数十μ秒と極めて速くその面では目
標値を満たしている。しかし、この種の超電導限流器と
しては、数ｋＶで数ｋＡ級の定格のものが要求され、半
導体スイッチではその順方向ドロップによって膨大な損
失が常時生じてしまうため、その冷却に大きなスペース
を要するのと同時に大容量の素子が必要なことからコス
ト的にも高いものとなる欠点がある。また、後者のメカ
ニカルなスイッチを適用した場合においては、常時通電
面での損失は無視できるものの遮断速度の面で課題を抱
えている。メカニカルスイッチは周知の通り操作機構に
よって接点の一方を動かして電路の開閉を行なうもので
あり、遮断速度の面からは、接点の開極時間と開極後の
アーク時間の２つが問題となる。開極時間については、
一般的には１０〜３０ｍｓｅｃの開極時間を要するもの
の、電磁反発形開極機構を応用したものにおいて、種々
の改良が成され現在では１ｍｓｅｃ以下で開極出来る機
構が開発され実用に供されている。しかしながらもう一
方のアーク時間に関しては、最も絶縁回復の良い真空ス
イッチを採用したとしても、接点開極後の電流零点近傍
でようやくアーク電流が遮断されることになる。つまり
従来のメカニカルスイッチにおいては、如何に高速の開
極機構が実現できたとしても、半サイクル間は実質的に
電流が流れてしまうことになり、その間トリガコイルの
発熱が継続してしまう。

【０００５】本発明の目的は、超電導限流器のトリガコ
イルクエンチ後の電流遮断時間を極力短くして抵抗体と
なったトリガコイルの発生損失を抑制し、且つ低コスト
でコンパクトな超電導限流器を提供することにある。 ［発明の構成］

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、所定の臨界電流値を有する超電導無誘導コ
イルからなるトリガコイルと、トリガコイルに並列に接
続され過電流を抑制する限流手段からなる超電導限流器
において、トリガコイルの両端電圧が所定値以上になる
と開極信号を出力する電圧検出手段と、トリガコイルに
直列に接続され開極信号により開動作を行なう第１のス
イッチ手段と、第１のスイッチ手段に流れる電流が所定
値以下になると制御信号を出力する電流検出手段と、第
１のスイッチ手段に並列に接続されトリガコイルの両端
電圧が所定値以上になったときに導通し制御信号により
不導通となる第２のスイッチ手段とで構成する。

【０００７】

【作用】このような構成において、異常時にトリガコイ
ルがクエンチして電圧検出手段がトリガコイルの両端電
圧が所定値以上になったのを検出すると第１のスイッチ
手段は開動作を行い、このとき生じる電流を第２のスイ
ッチ手段に転流させるとともに、電流検出手段がこの電
流値が所定値以下になったのを検出すると第２のスイッ
チ手段は不導通になるようにしたので、トリガコイルの
発熱が抑制されるだけでなく低コストでコンパクトにす
ることができる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【０００９】図１は、本発明の超電導限流器の構成図で
ある。図１において、１はトリガコイル、２は限流素子
、３はトリガスイッチ、３ａはトリガスイッチ用の高速
遮断機構、４はトリガコイルのクエンチを検出するため
のクエンチセンサ、５はトリガスイッチ回路の電流を検
出するための電流センサ、５ａはその変換器、６はＧＴ
Ｏスイッチ、６ａはそのゲート制御ユニット、１１は電
源、１２は遮断器、１３は負荷を表す。トリガコイル１
は超電導体で構成され所定の臨界電流値“ＩＣ”をもっ
ており、トリガコイル１を流れる電流値が臨界電流値を
超えるとトリガコイル１はクエンチして瞬時に１００Ω
程度の高抵抗体に転移する。限流素子２は超電導リアク
トル若しくは通常のインピーダンス素子から成り、限流
時の回路電流値を所定値に抑制するためのものである。 トリガスイッチ３は高速開極機構３ａを備えたメカニカ
ルスイッチであり、本実施例では真空スイッチを使用し
ている。高速開極機構３ａは前述の電磁反発形開極機構
に類するもので、開極指令に応答して１ｍｓｅｃ以内に
前記トリガスイッチ接点を開極できるよう構成されてい
るものとする。クエンチセンサ４はトリガコイル１のク
エンチを検出するためのものである。具体的には、電圧
センサとその電圧レベルが所定値以上に上昇した場合に
のみ高速開極機構３ａを駆動するトリップ信号出力回路
から構成されている。すなわち、トリガコイル１の両端
電圧からトリガコイル１がクエンチしたことを検出し、
高速開極機構３ａを介してトリガスイッチ３を開極する
。電流センサ５はトリガスイッチ３を流れる電流を検出
するためのもので、一般的に変流器が用いられる。 変換器５ａは主としてトリガスイッチ３の開極時アーク
電流の裁断タイミングを検出するためのもので、電流セ
ンサ５の出力からトリガスイッチ３のアーク電流が消滅
したあと、後述するＧＴＯスイッチ６のゲート制御ユニ
ット６ａにオフ指令を与えるように構成されている。Ｇ
ＴＯスイッチ６はトリガスイッチ３と並列に接続され、
トリガスイッチ３が開極し且つそのアーク電流が消滅し
てトリガスイッチ３の極間の絶縁が完全に回復した後に
ターンオフするよう構成されている。

【００１０】図２に本超電導限流器の動作を説明するた
めに、回路の作用と電流の時間的な変化特性を示す。図
２において、Ｒはトリガコイル１の抵抗値、ＩＴＥはト
リガコイル１の全電流、ＩＴＳはトリガスイッチ３を流
れる電流、ＩＧＴＯ　はＧＴＯスイッチ６を流れる電流
、ＶＤはクエンチセンサ４の高速開極機構操作信号、Ｔ
Ｓはトリガスイッチ３の接点のオンオフ状態を示すチャ
ート、ＧＣＵはＧＴＯスイッチゲート制御ユニット６ａ
の出力チャート、ＧＴＯはＧＴＯスイッチ６のオン−オ
フ状態を示すチャートとなっている。

【００１１】定常時において、トリガコイル１は超電導
状態（インピーダンスが零）、遮断器１２とトリガスイ
ッチ３は閉入状態にあり、電源１１からの電力は支障無
く負荷１３へ給電される。この時ＧＴＯスイッチ６はオ
ン状態でもオフ状態でもよいが、仮にゲート制御ユニッ
ト６ａがオン状態に制御していたとしてもＧＴＯスイッ
チ６へは電流は流れない。この理由としては、ＧＴＯの
順方向ドロップに対して並列に構成されるトリガスイッ
チ３の抵抗が極めて小さい（数＋μΩ）ため、仮に数千
Ａの電流が流れてもトリガスイッチ３の端子間（ＧＴＯ
のアノードーカソード間）にＧＴＯをターンオンさせる
ような電圧（２〜４Ｖ）が生じないことによる。また、
同様にトリガコイル１の定常インピーダンスに対して限
流素子２のインピーダンスは極めて大きな値をもってい
るため、回路の全電流ＩＯ　の殆どがトリガコイルを流
れることになる。このように、定常時においては、トリ
ガコイル１とトリガスイッチ３を通して正常に負荷給電
される。（図２Ａ〜Ｂ点）。次に、負荷１２の短絡事故
などによって電路に事故電流が流れた場合の作用につい
て説明する。今、負荷短絡が“Ｃ”点で発生したとする
と数＋ｋＡの波高値を有する短絡電流“Ｉｆ”が流れよ
うとする。しかしその値がトリガコイル１の臨界電流値
“ＩＣ”を超えた瞬間にトリガコイル１はクエンチして
高抵抗体に転移する（Ｄ点）。一例としてＮｂ−Ｔｉ系
の超電導体で構成されたトリガコイルの場合、この抵抗
値の上昇速度は約１００μｓｅｃと非常に速く、短絡電
流のような極めて大きなｄｉ／ｄｔ値をもつ電流に対し
ても瞬時にそのピークを抑制できる。従って、短絡電流
は限流素子２側に転流し、そのインピーダンスに応じて
所定値に限流される。また、トリガコイル１のクエンチ
によって生じる抵抗作用によって、トリガコイル自身を
流れる電流値も、数＋Ａ程度の小さな値に限流される（
Ｅ点）。しかし、この電流によってＲｏ（Ω）の抵抗体
となったトリガコイル２には、ｉ２　・Ｒ・ｔ（Ｊ）な
るジュール損失が発生する。この損失の大きさに応じて
、トリガコイル１を超電導温度に冷却している冷媒（例
えば液体ヘリウム）の気化量が決定されるため、本発明
では以下の作用により、このトリガコイル電流ＩＴＥを
高速に遮断する。トリガコイル１がクエンチするとその
両端には電源電圧に近い高い電圧が生じる。クエンチセ
ンサ４は、このコイル両端電圧の変化からトリガコイル
１のクエンチを検出してトリガスイッチ３の高速開極機
構３ａを駆動させる（Ｆ点）。トリガスイッチ３は、こ
の高速開極機構によって操作され、極めて短時間の内に
開極動作を完了する（Ｇ点）。トリガスイッチ３の開極
と同時にその接点間にはアークが発生するが、そのアー
ク抵抗によって、トリガスイッチ３を流れていた電流Ｉ
ＴＳの殆どが、既にオン状態にセットされているＧＴＯ
スイッチ６側へ転流する（Ｈ点）。その結果、トリガス
イッチ３を流れるアーク電流が急激に減少してアークを
維持できなくなり、その時点でアークは消滅する（以下
、電流裁断といい、Ｋ点で示す）。電流センサ５は、こ
のトリガスイッチ３のアーク電流の変化を検出して変換
器５ａに出力する。変換器５ａは、トリガスイッチ３の
電流裁断タイミングすなわちトリガスイッチ３を流れる
電流が零となった瞬間を検出して、ＧＴＯスイッチ６の
ゲート制御ユニット６ａにＧＴＯスイッチオフ信号を出
力する（Ｌ点）。その結果、ＧＴＯスイッチ６がオフし
てトリガコイル電流ＩＴＥは遮断される（Ｍ点）。

【００１２】以上の作用により、トリガコイルクエンチ
後の回路電流ＩＴＥは、従来のように電流零点を持つこ
と無く最短の時間内に遮断されるため、その発熱量も遮
断時間に比例して減少する。従って、定常の負荷電流は
低抵抗のトリガスイッチを介して低損失に通電できる。 また、事故電流に対してはトリガコイル１がクエンチし
て限流した後、トリガスイッチ３を開極してトリガスイ
ッチ３に生じるアーク電流をＧＴＯスイッチ６側へ転流
させ、電流零点を持つこと無く高速にトリガコイル電流
を遮断できる機構が実現できる。これに伴って短時間に
超電導復帰が可能となる。

【００１３】

【発明の効果】以上のように本発明は、所定の臨界電流
値を有する超電導無誘導コイルからなるトリガコイルと
、トリガコイルに並列に接続され過電流を抑制する限流
手段からなる超電導限流器において、トリガコイルの両
端電圧が所定値以上になると開極信号を出力する電圧検
出手段と、トリガコイルに直列に接続され開極信号によ
り開動作を行う第１のスイッチ手段と、第１のスイッチ
手段に流れる電流が所定値以下になると制御信号を出力
する電流検出手段と、第１のスイッチ手段に並列に接続
されトリガコイルの両端電圧が所定値以上になったとき
に導通し制御信号により不導通となる第２のスイッチ手
段とで構成したのでトリガコイルの発生損失を抑制でき
、さらに冷却機構の小形化に伴って低コストでコンパク
トな超電動限流器を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の超電導限流器の構成図。

【図２】　　本発明の超電導限流器の動作を示す図。

【図３】　　従来の超電導限流器の構成図。

【符号の説明】

１……トリガコイル、３……トリガスイッチ、４……ク
エンチセンサ、５……電流センサ、６……ＧＴＯスイッ
チ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　所定の臨界電流値を有する超電導無誘
   導コイルからなるトリガコイルと、このトリガコイルに
   並列に接続され過電流を抑制する限流手段からなる超電
   導限流器において、前記トリガコイルの両端電圧が所定
   値以上になると開極信号を出力する電圧検出手段と、前
   記トリガコイルに直列に接続され前記開極信号により開
   動作を行う第１のスイッチ手段と、この第１のスイッチ
   手段に流れる電流が所定値以下になると制御信号を出力
   する電流検出手段と、前記第１のスイッチ手段に並列に
   接続され前記トリガコイルの両端電圧が所定値以上にな
   ったときに導通し前記制御信号により不導通となる第２
   のスイッチ手段とを有する超電導限流器。