JPH05176450A - 超電導限流器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 限流作動電流値を広く可変し得るとともに通
電能力を増大し得る超電導限流器を提供する。 【構成】 電流路に直接に接続され、臨界電流値以上の
過電流が流れることによりクエンチ現象を発生して、過
電流を抑制する超電導線からなる一対の無誘導トリガコ
イル３ｂ，３ｃと、該トリガコイル３ｂ，３ｃに直流バ
イアス磁界を印加する直流磁界発生用マグネット３ｅ
と、該直流磁界発生用マグネット３ｅが発生する直流バ
イアス磁界の強度を調整するように直流磁界発生用マグ
ネット３ｅに供給される電流を制御するマグネット励磁
用電源５とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導体を利用して交
流電流路に流れる例えば短絡電流等の過電流を抑制する
超電導限流器に関する。

【０００２】

【従来の技術】配電線等の交流電流路に３相短絡、地絡
事故等によって発生する数十ｋＡにも及ぶ過電流を瞬時
に検出し抑制する限流技術の１つに超電導を利用した超
電導限流器が開発されている。

【０００３】図５は、このような従来の超電導限流器の
回路構成を示す図である。図５において、１は交流電
源、２は遮断器、３は超電導限流部であり、該超電導限
流部３は超電導限流コイル３ａ、無誘導状態に巻装され
るとともに、両端が接続されてループを構成している交
流超電導コイルからなる一対のトリガコイル３ｂ，３
ｃ、該一対のトリガコイルからなるループの電流を検出
する変流器１２から構成されている。また、３ｄはトリ
ガコイル３ｂ，３ｃに直列に接続されたスイッチ、３ｇ
はクエンチセンサ、４は負荷、１１は回路の全電流を検
出するための変流器、１３は制御電源、１４はループ電
流位相検出回路、１６はトリガコイル電圧位相検出回
路、１５は該トリガコイル電圧位相検出回路１６を超電
導限流部３に接離するためのスイッチ、１７は前記ルー
プ電流位相検出回路１４で検出したトリガコイルの電流
の位相と前記トリガコイル電圧位相検出回路１６で検出
したトリガコイルの電圧の位相との差を比較検出する位
相検出器である。

【０００４】このように構成される従来の超電導限流器
において、定常時には交流電源１からの回路電流は無誘
導で超電導状態、すなわち抵抗零のトリガコイル３ｂ，
３ｃを流れ、負荷４に正常に供給され続ける。ここで、
負荷４が例えば短絡し、過大な事故電流が回路に流れ、
その電流値がトリガコイル３ｂ，３ｃを構成している超
電導線の臨界電流値に達すると、トリガコイル３ｂ，３
ｃがクエンチし、高抵抗体に転移する。この結果、事故
電流は抑制され、トリガコイル３ｂ，３ｃよりもインピ
ーダンスの低い超電導限流コイル３ａに転流していく。
この間、トリガコイル３ｂ，３ｃは常電導体となってい
るので、トリガコイル３ｂ，３ｃは発熱し、トリガコイ
ル３ｂ，３ｃを構成している超電導線を冷却している冷
媒は消費され続けると同時に超電導線の温度も上昇する
ことになる。

【０００５】電流がトリガコイル３ｂ，３ｃから超電導
限流コイル３ａに転流し終わると、トリガコイル３ｂ，
３ｃに直列に接続されているスイッチ３ｄが開放し、こ
れにより冷媒の蒸発を抑制すると同時に、トリガコイル
３ｂ，３ｃの冷却速度を早めて、次の事故発生に対応で
きるようにトリガコイル３ｂ，３ｃの超電導復帰を補助
する。

【０００６】トリガコイル３ｂ，３ｃの超電導復帰は、
ループ電流位相検出回路１４、トリガコイル電圧位相検
出回路１６および位相検出器１７によって検出され、系
統の事故が復旧したことおよびトリガコイル３ｂ，３ｃ
が超電導復帰したことが確認されると、スイッチ３ｄが
閉成し、これにより回路は定常状態に復帰することがで
きる。

【０００７】上述した超電導限流器は、動作速度が極め
て速く、短絡電流のような急峻な立ち上がりを有する過
電流に対しても第１波から限流できる優れた特徴を有
し、配電線等の交流電路における事故電流の抑制に有効
である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の超電導
限流器は、超電導体をクエンチさせる方式のため、限流
動作（クエンチ）時にかなりのジュール損失Ｐｊが発生
する。このジュール損失Ｐｊの値は電源電圧Ｖが一定で
あれば、次式に示すようにトリガコイル３ｂ，３ｃのク
エンチ抵抗値Ｒｑに反比例する。

【０００９】Ｐｊ＝（Ｖ² ／Ｒｑ）・ｔ （Ｊ） ここで、ｔはクエンチ発生後の通電時間（秒）である。

【００１０】従って、クエンチ抵抗値Ｒｑが大きい程、
超電導体を冷却している冷媒の消費（気化）は少なくな
り、経済的となる。

【００１１】このクエンチ抵抗Ｒｑを大きくする方法と
して、超電導線のマトリクス（安定化材）を高抵抗化す
る方法と超電導線の臨界電流密度Ｊｃを向上させること
により小さい断面積で所定の通電容量を得る方法があ
る。

【００１２】前者のクエンチ抵抗を大きくする方法は、
マトリクスを銅ニッケル（Ｃｕ−Ｎｉ）だけにして、高
抵抗化することが行われている。また、後者の方法は、
フィラメント直径を最適化して、極力大きな臨界電流値
Ｉｃを得る努力が払われている。これらの具体的例と現
状の特性について図６および図７を参照して説明する。

【００１３】図６は、超電導マグネット等のように一般
的に使用されている銅（Ｃｕ）をマトリクスとする超電
導線とこの種トリガコイルに使用されるＣｕ−Ｎｉ（３
０％）マトリクス超電導線の臨界温度以上の領域におけ
る固有抵抗値の温度特性比較図である。同図からわかる
ように、Ｃｕ−Ｎｉ（３０％）マトリクス超電導線の固
有抵抗値はＣｕマトリクス超電導線の固有抵抗値に対し
て常温において約２５倍、１０Ｋにおいて１０００倍以
上にもなる。

【００１４】従って、トリガコイルにＣｕ−Ｎｉ（３０
％）マトリクス超電導線を適用することにより、大きな
クエンチ抵抗が得られ、限流時の冷媒消費を格段に抑制
することができる。しかしながら、マトリクスを高抵抗
化することによって交流の臨界電流値がかなり低下する
とともに、外部磁界によって特異な変化を有することが
わかり、その対策として超電導フィラメントの直径を最
適化する試みが行われている。

【００１５】図７は、直径０．２ｍｍの交流用Ｎｂ−Ｔ
ｉ極細多心線（Ｃｕ−Ｎｉ（３０％）マトリクス）でフ
ィラメント直径（ｄｆ）を０．３μｍと０．１３μｍと
に相違させ、これらの超電導線に外部から直流磁界
（Ｂ）を印加したときの交流クエンチ電流（Ｉｑ）の測
定結果である。同図からわかるように、外部印加磁界
（Ｂ）が２．０（Ｔ）以上の領域では、両者のＩｑに差
はないが、これ以下の磁界中ではフィラメント径の細い
方の線が大きなクエンチ電流を有しており、フィラメン
ト径を最適化することによって、より小さい線径で所定
の通電容量を達成でき、クエンチ時の高抵抗化に一応の
効果が得られる。

【００１６】しかしながら、図７の結果を詳細に観察す
ると、両線とも外部磁界が０．５（Ｔ）付近でクエンチ
電流が最大となる特性を有し、その磁界より強くても弱
くてもクエンチ電流Ｉｑは低下している。特に、フィラ
メント径が０．１３μｍの線では、０．５（Ｔ）でのク
エンチ電流が６２Ａであるのに対して、０（Ｔ）では４
１Ａに低下し、最大電流値の６６％程度になっている。
この低磁場でのクエンチ電流値の逆転現象は超電導体の
ヒステリシス特性に起因していると考えられる。

【００１７】すなわち、超電導体の磁化特性は、図８に
示すように、バイアス磁場が低くなるほど、大きなルー
プ（面積）を描く。詳しくは、超電導体に一様に±１
（Ｔ）の交番磁界を与えたとしても、その時のバイアス
磁界が０（Ｔ）の時と０．５（Ｔ）の時とでは、０
（Ｔ）、すなわち低磁界ほどヒステリシス損失は大きく
なる。この結果、超電導体の温度上昇も低磁界になるほ
ど、高くなり、その分臨界電流値が低下する。

【００１８】なお、バイアス磁界が０．５（Ｔ）の時、
臨界電流値がピークとなり、それ以上になると、ヒステ
リシス損失が小さくなっていくにも関わらず、臨界電流
値が低下する原因はバイアス磁界によって超電導体のピ
ンニング力が低下することによる。

【００１９】上述したように、低磁界において臨界電流
値が低下する現象は、超電導体の本質にかかわる問題で
あり、その解決は極めて困難といえる。

【００２０】しかも、この種の超電導限流器には、通常
外部磁界が殆どかからないため、トリガコイルを構成す
る超電導線の臨界電流値は０（Ｔ）における値となり、
結果として超電導線の最大能力の６６％で使用せざるを
得ず、非効率的であるという問題がある。

【００２１】また、この種超電導限流器の限流作動電流
値は、トリガコイルの臨界電流値によって決まるため、
予め設計された値しか持ち得ないとともに、実際の作動
電流も設計値通りに組み上げられるとは限らず、場合に
よっては無視できないエラーが発生することも考えられ
る。すなわち、様々な系統を連係したり、フィーダーを
選択的に保護するには、個々のトリガコイルの限流作動
電流値を微妙に相違させることも必要となるが、従来の
トリガコイルはこのようなフレキシビリティがないた
め、定格電流または限流作動電流値の種類に応じて品種
を多くして対応するほかなく、標準化が比較的困難であ
るとともに、また組立後、作動電流値が適正に出ない場
合、製品そのものの不良となり、大きな損失を生むこと
にもなりかねないという問題がある。

【００２２】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、限流作動電流値を広く可変し
得るとともに通電能力を増大し得る超電導限流器を提供
することにある。

【００２３】

【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、電流路に直列に接続さ
れ、臨界電流値以上の過電流が流れることによりクエン
チ現象を発生して、過電流を抑制する超電導線からなる
一対の無誘導トリガコイルと、該トリガコイルに直流バ
イアス磁界を印加する超電導マグネットと、該超電導マ
グネットが発生する直流バイアス磁界の強度を調整する
ように超電導マグネットに供給される電流を制御する電
流制御手段とを有することを要旨とする。

【００２４】

【作用】本発明の超電導限流器では、超電導マグネット
によって無誘導トリガコイルに直流バイアス磁界を印加
するとともに、超電導マグネットに供給される電流を制
御し、直流バイアス磁界の強度を調整している。

【００２５】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。

【００２６】図１は、本発明の一実施例に係わる超電導
限流器の回路構成を示す図である。同図に示す超電導限
流器は、交流電源１と負荷４との間に遮断器２を介して
超電導限流部３３が接続されている。

【００２７】この超電導限流部３３は、図５に示した従
来の超電導限流部３と同様に、超電導限流コイル３ａ，
無誘導状態に巻装されるとともに、両端が接続されてル
ープを構成している交流超電導コイルからなる一対のト
リガコイル３ｂ，３ｃを有することに加えて、トリガコ
イル３ｂ，３ｃの外側に該トリガコイル３ｂ，３ｃと同
軸に直流磁界発生用マグネット３ｅおよび該マグネット
３ｅの端子間に接続された永久電流スイッチ３ｆを新た
に有するように構成されている。また、直流磁界発生用
マグネット３ｅの端子間にはマグネット励磁用電源５の
電圧が印加されており、この電圧によって直流磁界発生
用マグネット３ｅは励磁されて、直流磁界を発生し、こ
の直流磁界をトリガコイル３ｂ，３ｃに印加するように
なっている。更に、このマグネット励磁用電源５の電圧
を可変することにより、直流磁界発生用マグネット３ｅ
が発生する直流磁界の強度が可変するようになってい
る。直流磁界発生用マグネット３ｅの一端には電流セン
サ６が設けられ、これにより直流磁界発生用マグネット
３ｅの励磁電流を検知し得るようになっている。そし
て、該電流センサ６が検知した励磁電流が所定の設定値
よりも低い場合には、マグネット励磁用電源５に対して
「増」指令を供給し、高い場合には、「減」指令を供給
するようになっている。

【００２８】また、図１に示す超電導限流器は、図５と
同様に、トリガコイル３ｂ，３ｃに直列に接続されたス
イッチ３ｄおよび超電導限流コイル３ａの両端間に並列
に接続されたクエンチセンサ３ｇを有する。

【００２９】図２は、図１に示した超電導限流器に使用
されているトリガコイル３ｂ，３ｃおよび直流磁界発生
用マグネット３ｅの具体的構成を示す図である。同図に
示すように、直流磁界発生用マグネット３ｅは絶縁性の
コイルボビン５１に巻装され、このコイルボビン５１の
内側に設けられたコイルボビン５２にはトリガコイル３
ｂ，３ｃが同軸に巻装されている。ＴＡ１，ＴＡ２，Ｔ
Ｂ１，ＴＢ２はトリガコイル３ｂ，３ｃおよび直流磁界
発生用マグネット３ｅの端子であり、具体的には図３に
示すように内部接続されている。

【００３０】以上のように構成される超電導限流器にお
いては、トリガコイル３ｂ，３ｃは直流磁界発生用マグ
ネット３ｅが発生する直流磁界、すなわち直流バイアス
磁界の中に常時置かれ、この直流磁界発生用マグネット
３ｅが発生する磁界強度をマグネット励磁用電源５によ
って調整することにより、トリガコイル３ｂ，３ｃのク
エンチ電流値を制御することができる。

【００３１】また、永久電流スイッチ３ｆはマグネット
励磁用電源５による直流磁界発生用マグネット３ｅへの
励磁制御が行われている間は「オフ」状態になり、励磁
制御が完了した後は「オン」状態になるように制御され
ている。そして、一旦、励磁電流が設定完了した後は、
永久電流モードとなり、マグネット励磁用電源５からの
電流の供給なしで、長期間にわたって所定磁界強度を維
持し続けることができる。

【００３２】トリガコイル３ｂ，３ｃ用の導体として、
図７で説明した超電導線、すなわち外部磁界０のとき、
４１Ａの交流電流を流すことができ、外部磁界０．５
（Ｔ）のとき、６２Ａの交流電流を流すことができる素
線３６本をより線した交流超電導線を使用し、また直流
磁界発生用マグネット３ｅ用の導体として、トリガコイ
ル３ｂ，３ｃが設けられている空間の磁界強度を０．５
（Ｔ）以上にすることができる超電導線を使用している
ものとする。

【００３３】なお、０．５（Ｔ）の磁界を発生させるに
は、直径Ｄｍ＝０．２（ｍｍ）、長さＬ＝０．５
（ｍ）、巻回数ｎ＝１０００（ターン）の空心コイルと
し、この直流磁界発生用マグネット３ｅに２５０Ａの電
流を通電することにより、実現可能である。この条件
（２５０Ｔ−０．５Ｔ）を満たす超電導線としては、直
径０．５ｍｍ程度のＮｂ−Ｔｉ線が入手できるので、
０．５ｍの巻長さのコイルの場合、図２に示すように１
層巻（５００ｍｍ／０．５ｍｍ＝１０００ターン）で対
応できる。

【００３４】図４は前記トリガコイル３ｂ，３ｃに使用
した超電導線の交流クエンチ電流の直流磁場依存性を示
している。図２からもわかるように、トリガコイル３
ｂ，３ｃは直流磁界発生用マグネット３ｅによる磁界下
にあり、該直流磁界発生用マグネット３ｅの磁界の値が
０（Ｔ）である場合には、回路電流が２９５２Ａ（４１
×３６＝１４７６Ａ×２並列＝２９５２Ａ）を超える
と、クエンチして限流動作を行い、また直流磁界発生用
マグネット３ｅによる磁界が０．５（Ｔ）である場合
に、４４６４Ａ（６２×３６＝２２３２Ａ×２並列＝４
４６４Ａ）までの回路電流に対して超電導状態を維持
し、この電流値以上になると、クエンチすることにな
る。

【００３５】図１に戻って、遮断器２が閉路すると、交
流電源１からの回路電流が遮断器２、超電導限流部３３
のほぼ無誘導のトリガコイル３ｂ，３ｃを介して負荷４
に供給される。このような状態において、負荷４に例え
ば短絡事故が発生し、短絡電流が流れたとする。この場
合、直流磁界発生用マグネット３ｅの発生磁界が０
（Ｔ）に設定してある場合には、短絡電流は約３０００
Ａに達すると、トリガコイル３ｂ，３ｃはクエンチし、
該短絡電流を所定値に限流する。

【００３６】また、直流磁界発生用マグネット３ｅの発
生磁界が０．５（Ｔ）に設定してある場合には、短絡電
流が約４５００Ａまで上昇すると、トリガコイル３ｂ，
３ｃはクエンチし、短絡電流を所定値に限流する。

【００３７】このように、本超電導限流器では、直流磁
界発生用マグネット３ｅの発生磁界、すなわち直流磁界
発生用マグネット３ｅに対する励磁電流を調整すること
により、トリガコイル３ｂ，３ｃの限流作動電流値を例
えば３０００Ａから４５００Ａまで任意に制御すること
ができるのである。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
超電導マグネットによって無誘導トリガコイルに直流バ
イアス磁界を印加するとともに、超電導マグネットに供
給される電流を制御し、直流バイアス磁界の強度を調整
しているので、トリガコイルの限流動作を該直流バイア
ス磁界の強度で任意に可変制御できるため、限流作動電
流値を広範囲に容易に可変することができ、トリガコイ
ルの電流定格からくる種類を低減し、標準化を行うこと
ができる。また、定常通電時におけるトリガコイルの交
流損失を低減することもできる。すなわち、この種の超
電導線の損失の殆どは交流磁化によるヒステリシス損失
であることが知られているが、交流超電導コイルに直流
バイアス磁界を印加することにより、ヒステリシス損失
を低減することができ、例えば冷凍機に使用される場合
等、コンパクト化や省電力化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる超電導限流器の回路
構成を示す図である。

【図２】図１の超電導限流器に使用されるトリガコイル
および直流磁界発生用マグネットの構造を示す図であ
る。

【図３】図２に示すトリガコイルおよび直流磁界発生用
マグネットの起磁力方向と磁気的な関連を示す図であ
る。

【図４】図１に示す超電導限流器のトリガコイルに使用
される超電導線の外部磁場下におけるクエンチ電流特性
を示すグラフである。

【図５】従来の超電導限流器の回路構成を示す図であ
る。

【図６】超電導体のマトリクスとなる銅（Ｃｕ）と銅ニ
ッケル（Ｃｕ−Ｎｉ）の電気抵抗の温度特性を示すグラ
フである。

【図７】Ｃｕ−Ｎｉ（３０％ＷＴ）をマトリクスとする
Ｎｂ−Ｔｉ極細多心線の交流５０Ｈｚにおけるクエンチ
電流の外部磁界依存性を示す図である。

【図８】Ｃｕ−Ｎｉ（３０％ＷＴ）をマトリクスとする
Ｎｂ−Ｔｉ極細多心線の一般的な磁化特性と直流バイア
ス磁界印加によるヒステリシスループの変化を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ 交流電源 ３ａ 超電導限流コイル ３ｂ，３ｃ トリガコイル３ ３ｅ 直流磁界発生用マグネット ４ 負荷 ５ マグネット励磁用電源 ６ 電流センサ ３３ 超電導限流部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲つる▼永 和行 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 伊藤 大佐 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝総合研究所内 (72)発明者 多田 孝光 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電流路に直列に接続され、臨界電流値以
   上の過電流が流れることによりクエンチ現象を発生し
   て、過電流を抑制する超電導線からなる一対の無誘導ト
   リガコイルと、該トリガコイルに直流バイアス磁界を印
   加する超電導マグネットと、該超電導マグネットが発生
   する直流バイアス磁界の強度を調整するように超電導マ
   グネットに供給される電流を制御する電流制御手段とを
   有することを特徴とする超電導限流器。