JPH0458724A - 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〕 （産業上の利用分野） 本発明は、超電導体のクエンチ現象を利用して交流電路
の過電流を抑制する超電導限流器に関し、更に詳しくは
、クエンチした素子の超電導復帰を適確に検出する超電
導限流器に関する。

（従来の技術） 配電線等の交流電路に３相短絡や地絡事故が発生すると
、数十〜数百ｋＡにも及ぶ事故電流が流れ、配電系統お
よび機器に大きなダメージが与えられる。このような事
故電流を瞬間に検出して抑制するための限流技術の１つ
に最近超電導を利用したものが提案されている。

第３図はこのような超電導を利用した従来の超電導限流
器の回路図である。同図において、１は電源、２は遮断
器、３は限流器、３ａは超電導限流コイル、３ｂ、３ｃ
は超電導トリガコイル、３ｄはトリガスイッチ、３ｇは
クエンチセンサ、４は負荷にである。

第４図は前記限流コイル３ａおよびトリガコイル３ｂ、
３ｃからなる限流器３の内部構成を示す図である。限流
器３は、同図に示すように、同一の共通磁芯５１の上に
前記限流コイル３ａおよびトリガコイル３ｂ、３ｃが巻
回されるとともに、限流コイル３ａの内側に２つのトリ
ガコイル３ｂ。

３ｃが互いに逆方向に結線されて巻回され、更にトリガ
コイル３ｂ、３ｃは両端が互いに結線され、一端は限流
コイル３ａの一端に接続されている。

そして、限流コイル３ａは所定のりアクタンスを有する
超電導リアクトルを構成し、トリガコイル３ｂ、３ｃは
所定の電流値でクエンチするように設定された無誘導に
近い超電導スイッチ機能を有するように構成されている
。すなわち、第５図に示すように、限流コイル３ａおよ
びトリガコイル３ｂ　　３ｃのそれぞれ発生磁束φ１．
φ５．φ、は相互に鎖交し合っているとともに、トリガ
コイル３ｂ　　３ｃによる発生磁束φゎおよびφゎは互
いに打ち消し合うように構成されている。

このように構成された従来の超電導限流器において、定
常時には、電源１からの電流ｉ。は、遮断器２を通った
後、殆どの電流が無誘導の超電導トリガコイル３ｂ、３
ｃをほぼ均等に流れ、限流コイル３ａには殆ど流れない
。従って、限流コイル３ａの両端の電圧は極めて小さく
なり、限流コイル３ａの両端の電圧を監視しているクエ
ンチセンサ３ｇは作動しない。そして、このような状態
において、例えば負荷４に短絡事故または地絡事故が発
生し、これにより過大な事故電流が負荷４に流れたとす
ると、この電流はトリガコイル３ｂ。

３ｃにも流れ、トリガコイル３ｂ、３ｃは事故電流が該
トリガコイルの臨界電流値に達するとクエンチし、高抵
抗体に転移する。トリガコイル３ｂ。

３Ｃがクエンチして、高抵抗体になると、トリガコイル
３ｂ、３ｃに流れていた回路電流は瞬時に限流コイル３
ａ側に転流する。この結果、限流コイル３ａのリアクト
ル作用により回路電流は所定の電流値に制限される。そ
して、限流コイル３ａの両端には、この制限電流と限流
コイル３ａのインピーダンスとの積に比例した電圧か発
生する。

この限流コイル３ａの両端の電圧は、クエンチセンサ３
ｇで検出され、これによりクエンチセンサ３ｇはトリガ
スイッチ３ｄを開放し、トリガコイル３ｂ、３ｃに流れ
るトリガコイル回路電流ｉ工。

を遮断し、トリガコイル３ｂ、３ｃのジュール熱を零に
し、超電導復帰を助ける。

ところで、トリガコイル３ｂ、３ｃがクエンチした後、
超電導復帰するには、一般に数秒要する。

従って、超電導限流器を定常復帰させるには、トリガコ
イル３ｂ、３ｃの超電導復帰を検出して確認した後にト
リガスイッチ３ｄを閉成することが必要である。この場
合、トリガコイルの超電導復帰が完全でなく、トリガコ
イルの極く一部にでも常電導の領域か存在すると、トリ
ガスイッチ３ｄか閉成した場合にトリガコイル３ｂ、３
ｃの再クエンチ（以下、ミスクエンチと称する）が発生
してしまう。このミスクエンチは事故電流による上述し
たクエンチと様相を全く異にし、トリガコイル自身の劣
化や冷媒である液体ヘリウムの大量消費につながる。す
なわち、通常のクエンチにおいては、トリガコイルのク
エンチが瞬時にコイルの大部分の領域に及ぶので、クエ
ンチ抵抗か非常に大きくなり、トリガコイルに生じるジ
ュール損は比較的小さな値に抑制されるのに対して、ミ
スクエンチの場合には、トリガコイルのクエンチ伝播速
度は通常のクエンチに比較してきわめて遅いため、トリ
ガコイル電流の減衰時間が長くなり、結果としてコイル
に生じるジュール損が著しく増大する。従って、液体ヘ
リウムの気化量が増大したり、場合によってトリガコイ
ル素線が焼損する危険性がある。

上述したように、超電導限流器においては、トリガコイ
ルの超電導復帰を確実かつ遅れなく検出することが極め
て重要な技術要素であるが、トリガコイルの超電導復帰
を検出する方法として、現状においては（１）種々の実
験データからトリガコイルの超電導復帰時間を求め、こ
の時間内てのトリガコイルの閉成動作を防止する方法、
および（２）別電源によりトリガコイルに微小電流を流
し、トリガコイルのインピーダンス変化から超電導復帰
を検出する方法の２つの方法がある。

（発明が解決しようとする課題） 上述した方法（１ンのように時間によって超電導復帰を
推測する方法においては、確実性を高める程、無駄な冷
却時間を長くする必要かあり、仮に超電導線の一部に超
電導復帰可能な劣化が発生した場合、この方法ではチエ
ツクすることができず、ミスクエンチを完全に防止する
ことができないという問題がある。

別電源による方法（２）においては、限流動作状態の限
流コイルの発生磁束により各トリガコイルか一種の電源
となるが、このため外部電源の交流電流をトリガコイル
に注入するには、電圧位相をトリガコイルの誘起電圧に
揃えることが必要であるとともに、別電源は主回路から
絶縁することが必要であるため、装置が大形化するとと
もに、高価なものとなるという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的とす
るところは、トリガコイルの超電導復帰を時間遅れなく
、かつ別電源も必要とすることなく、適確に検出でき、
コンパクトで経済的な超電導限流器を提供することにあ
る。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明の超電導限流器は、交
流電路の過電流を制限する超電導リアクトルからなる限
流コイルおよび該限流コイルと共通の磁芯を有し、所定
の電流値てクエンチするように互いに逆方向に巻回され
るとともに、両端が互いに接続された超電導無誘導コイ
ルからなるトリガコイルを有する超電導限流器であって
、前記トリガコイルの両端の電圧位相を検出する電圧位
相検出手段と、前記トリガコイル内を循環するループ電
流の位相を検出する電流位相検出手段と、前記電圧位相
検出手段で検出した電圧位相と前記電流位相検出手段て
検■した電流の位相との位相差を検出し、該位相差に基
づいて前記トリガコイルの超電導度を判定する位相差検
出手段とを有することを要旨とする。

（作用） 本発明の超電導限流器では、トリがコイルの両端の電圧
位相およびトリガコイル内を循環するループ電流の位相
を検出し、両位相差に基づいてトリガコイルの超電導度
を判定している。

（実施例） 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わる超電導限流器の回路
図である。同図に示す実施例においては、第３図に示す
回路の構成要素と同じ構成要素には同じ符号が付され、
その構成および機能は同じであり、その説明は省略する
。

第１図においては、遮断器２に直列に全電流検出用変流
器１１が設けられ、これにより回路の全電流を検出して
いる。該全電流検出用変流器１１で検出された回路の全
電流は電源回路１３に供給され、該電源回路１３からの
電圧はループ電流位相検出器１４およびトリガコイル電
圧位相検出器１６に作動電圧として供給されている。該
ループ電流位相検出器１４は、一方のトリガコイル３ｃ
に直列に接続されたループ電流検出用変流器１２に接続
され、該ループ電流検出用変流器１２で検出したトリガ
フィル３ｂ、３ｃのループ電流を供給され、該ループ電
流の位相を検出するようになっている。また、トリがコ
イル電圧位相検出器１６は、一方の入力が制御スイッチ
１５を介しｓトリガコイル３ｂ、３ｃとトリガスイッチ
３ｄとの接続点に接続され、他方の入力が遮断器２に接
続された限流器３の入力側に接続され、これにより制御
スイッチ〕５を介してトリガコイル３ｂ、３Ｃの両端の
電圧を供給され、トリガコイルの両端の電圧の位相を検
出するようになっている。また、前記ループ電流位相検
出器１４およびトリガコイル電圧位相検出器１６でそれ
ぞれ検出されたループ電流の位相とトリガコイルの両端
電圧の位相とは位相比較器１７に供給され、該位相比較
器］７において両者の位相差が検出されている。

ところで、前述したように、負荷４に例えば短絡状態等
が発生し、これによりトリガコイル３ｂ。

３ｃに流れる電流か臨界電流値を超えて、トリガコイル
３ｂ、３ｃがクエンチし、高抵抗状態に転移し、回路電
流が限流コイル３ａに転流した限流動作状態においては
、限流コイル３ａから発生する交番磁束φａかトリガコ
イル３ｂ、３ｃを貫通するとともに、トリガスイッチ３
ｄの開放によりフローティング状態にあるトリガコイル
３ｂ、３Ｃには磁束φａを打ち消すように第２図（ａ）
に示すような誘起電圧ｅｔｃが発生する。この誘起電圧
ｅＴＣは、トリガコイル３ｂ、３ｃが無誘導に近くなる
ように構成されているため、各トリガコイル３ｂ、３ｃ
の発生電圧が加算されることになる。

一方、トリガコイル３ｂ、３ｃのクエンチ直後の内部イ
ンピーダンスＺＬはトリガコイル３ｂ、３Ｃの常電導化
によって生じた超電導線のクエンチ抵抗とトリガコイル
３ｂ、３ｃの漏れインダクタンスとのベクトル和となる
。従って、トリガコイル３ｂ、Ｂｃ内には、ｅＴｃ／Ｚ
Ｌなるループ電流ｉ　ＴＣＬ、が第２図（ｂ）に示すよ
うに発生する。このループ電流の位相は、クエンチ直後
は回路力率か１に近いため、トリガコイルの誘起電圧ｅ
□。と同相となるが、トリガコイルの超電導復帰が進む
につれて、回路力率はゼロ、すなわち電圧ｅＴｃに対し
て９０″の遅れ位相に近づいていく。

従って、上述したループ電流位相検出器］４およびトリ
ガコイル電圧位相検出器１６てそれぞれトリガコイルの
ループ電流ｉ　ＴＣＬの位相およびトリガコイルｅＴＣ
の誘起電圧の位相を検出し、この両位相を位相比較器１
７で比較して、その位相差が９０°になった時を検出す
れば、トリガコイル３ｂ、３ｃの完全超電導復帰タイミ
ングを検出することができるものである。そして、位相
比較器１７は、トリガコイルの誘起電圧ｅＴｃに対して
ルプ電流ｉ　ＴＣＬが９０°遅れた位相を検出した時、
その出力信号ｅＳが「１」となるようになっている。

次に、作用を説明する。

超電導限流器が定常状態にある時に、負荷４に短絡状態
等が発生し、これによりトリガコイル３ｂ、３ｃがクエ
ンチし、限流コイル３ａに事故電流が転流し、限流動作
状態になると、限流コイル３ａは定常時と比較して非常
に大きな磁束φａを発生する。一方、トリガコイル３ｂ
’、３ｃは、トリガスイッチ３ｄの開放により電流ｉＴ
ｃが遮断され、トリガコイルが発生する磁束φ、および
φ。

はゼロになる。しかしながら、限流コイル３ａからの発
生磁束φ、の一部はトリガコイル３ｂ、３Ｃと鎖交する
ため、トリガコイル３ｂ、３ｃはそれぞれその鎖交磁束
を打ち消すように起電力を発生する。従って、この起電
力の方向は、トリガコイル３ｂが電源と逆向きとなり、
トリガコイル３Ｃは電源と同方向となり、トリガコイル
電圧ｅ’ｒｃはこれらの和になる。また、トリガコイル
３ｂ３ｃのループインピーダンスＺＬはトリガコイル３
ｂ、３ｃのクエンチ抵抗と内部リアクタンスの直列合成
値となり、そのインピーダンス特性は、第２図の（ｄ）
に示すようにクエンチ時に最大となり、時間とともに、
すなわちトリガコイルの超電導復帰が進につれて、低下
していく。そして、時間ｔｏにおいて、トリガコイル３
ｂ、３ｃが完全に超電導復帰すると、そのループインピ
ーダンスＺＬはコイルの内部リアクタンス分のみとなる
。

この結果、ループ電流位相は、第２図（ｄ）に点線ψで
示すようにトリガコイル電圧ｅＴＣに対して９０°の遅
れとなって収束する。

そして、このようなループ電流ｉ　ＴＣＬの位相とトリ
ガコイル電圧ｅｔｃの位相は、それぞれループ電流位相
検出器１４およびトリガコイル電圧位相検出器１６で検
出され、位相比較器１７に供給される。位相比較器１７
は、常にトリガコイル電圧ｅｔｃとループ電流ｉ　ＴＣ
Ｌとの位相差を検出し、その差が９０＠の遅れになると
、出力信号ｅｓをｒｌＪとし、これによりトリガスイッ
チ３ｄを閉成する。そして、ミスクエンチを発生するこ
となく、定常状態に復帰させることができるのである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、トリガコイルの
両端の電圧位相およびトリガコイル内を循環するループ
電流の位相を検出し、側位相差に基づいてトリガコイル
の超電導度を判定しているので、きわめて高い信頼性を
もって適確にかつ遅延することなく、またコンパクトで
経済的にトリガコイルの超電導復帰を検出することがで
きる。

また、トリガコイルの劣化または部分的永久常電導化や
断線等の異常もチエツクすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる超電導限流器の回路
図、第２図は第１図の超電導限流器のトリガコイル電圧
とループ電流の波形および位相比較器の出力信号波形を
示す図、第３図は従来の超電導限流器の回路図、第４図
は限流器素子の構成を示す図、第５図は第４図の限流器
素子の各コイルの磁力線の方向を示す図である。 ３・・・限流器、 ３ａ・　・限流コイル、 ３ｂ、３ｃ・　　・トリガコイル、 ３ｄ−−・トリガスイッチ、 １４・・・ループ電流位相検出器、 １５・　・制御スイッチ、 １６・・・トリガコイル電圧位相検出器、１７・　・位
相比較器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 交流電路の過電流を制限する超電導リアクトルからなる
   限流コイルおよび該限流コイルと共通の磁芯を有し、所
   定の電流値でクエンチするように互いに逆方向に巻回さ
   れるとともに、両端が互いに接続された超電導無誘導コ
   イルからなるトリガコイルを有する超電導限流器であっ
   て、前記トリガコイルの両端の電圧位相を検出する電圧
   位相検出手段と、前記トリガコイル内を循環するループ
   電流の位相を検出する電流位相検出手段と、前記電圧位
   相検出手段で検出した電圧位相と前記電流位相検出手段
   で検出した電流の位相との位相差を検出し、該位相差に
   基づいて前記トリガコイルの超電導度を判定する位相差
   検出手段とを有することを特徴とする超電導限流器。