JPH05327039A - 超電導限流装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 極力低次数の撚線を用いて通電電流密度の高
い大容量の超電導トリガコイルを得るとともに、特性の
劣化を防止すべく短絡電流による多重クエンチを防止し
得る超電導限流装置を提供する。 【構成】 超電導トリガコイルを構成する複数の超電導
コイル３１，３２は互いに負の相互インダクタンスを有
するとともに、互いに無誘導となるように直並列接続さ
れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、交流電路に生じる事故
電流等の過電流を抑制する超電導限流装置に関し、更に
詳しくは、臨界電流により超電導体が突然常電導体に相
転移する超電導体のクエンチ現象を利用した交流超電導
スイッチである超電導トリガコイルの通電電流密度を増
大させて、限流時のジュール損失を低減し得る超電導限
流装置に関する。

【０００２】

【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ｋＡにも及ぶ事故電流が流れ、系
統及び機器に大きなダメージを与えてしまう。この様な
事故電流を瞬時に検出し抑制する為の限流技術の一つ
に、最近超電導を応用したものが考案されている。

【０００３】図４は、その代表的従来の超電導限流器の
回路例を示したもので、既に特開平２−１６８５２５号
にて公開されているものである。本例において、１は電
源、２は遮断器、３は限流器、３ａは超電導限流コイル
（以下、限流コイルと称す）、３ｂ，３ｃはトリガコイ
ル、３ｄはスイッチ、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、１２
はトリガコイル３ｂ，３ｃのループ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
器、１５はループ電流位相検出回路を主回路に接離する
ためのスイッチ、１６はトリガコイルの両端電圧の位相
を検出するトリガコイル電圧位相検出器、１７はトリガ
コイルの電流および電圧の位相差を比較検出する位相比
較器を示している。

【０００４】この超電導限流器の動作について、簡単に
説明する。定常時、回路電流は無誘導で超電導（抵抗
零）のトリガコイル３ｂ，３ｃ側を流れ、正常に負荷４
へ給電されつづける。次に負荷４が短絡するなどして、
過大な事故電流が回路に流れ、その値がトリガコイル３
ｂ，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，３ｃがクエンチして高抵抗体に
転移する。その結果、事故電流は抑制され、トリガコイ
ル３ｂ，３ｃよりインピーダンスの低い限流コイル３ａ
側へ転流していく。この間、トリガコイル３ｂ，３ｃは
常電導体となっているので、発熱して冷媒を消費しつづ
けるのと同時に超電導線の温度も上昇することになる。
スイッチ３ｄは、トリガコイル３ｂ，３ｃに流れていた
電流が限流コイル３ａ側へ転流した直後に開放して、冷
媒の蒸発を抑制すると同時に、トリガコイル３ｂ，３ｃ
の冷却速度を速めて次の事故発生に対応できるようトリ
ガコイル３ｂ，３ｃの超電導復帰を助ける。トリガコイ
ル３ｂ，３ｃの超電導復帰は、各位相検出器１４，１６
とその比較器１７によって検出され、系統の事故が復旧
したことおよび前記トリガコイル３ｂ，３ｃが超電導復
帰したことの２条件が揃うとスイッチ３ｄが閉成して定
常状態に復帰できる。

【０００５】上述した従来の超電導限流器は、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持
つ過電流に対しても、第１波から限流できる優れた特徴
を有する反面、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。その値は電源電圧Ｖが一定であれば、次式に
示すようにトリガコイルのクエンチ抵抗値Ｒｑに反比例
する。

【０００６】Ｐｊ＝（Ｖ² ／Ｒｑ）・ｔ （Ｊ） ｔ：クエンチ発生後の通電時間（ｓｅｃ） 従って、クエンチ抵抗値Ｒｑが大きいほど、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
な装置とすることができる。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が考えられる。

【０００７】図５は、超電導マグネットなどに一般的に
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（３０
％）マトリクス超電導線の固有抵抗値の温度特性比較図
である。同図から分かるとおり、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においては１０００倍以上にも達する。

【０００８】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。しかしその反面、マトリクスを高抵
抗化することによって安定性が低下し、擾乱に対して弱
くなることから、通電電流密度が低下することも分かっ
てきた。

【０００９】一般に超電導導体の通電容量を上げるに
は、通常の電線と同様に、撚線にする方法が用いられ
る。しかし、前述のように高抵抗マトリクスで比較的安
定度の低い超電導線において撚線構成を採用した場合、
交流通電時の電磁力などによって、撚線内部に微小な素
線の動きが生じ、その時の摩擦熱によりクエンチするケ
ースが出てくる。

【００１０】図６は、直径φ０．２mmの交流用Ｎｂ−Ｔ
ｉ極細多心線（Ｃｕ−Ｎｉ（３０％）マトリクス）を撚
線（１次及び２次）したときの素線あたりの交流クエン
チ電流値Ｉｑの減少傾向を電流の時間変化ｄｉ／ｄｔに
対して示す図である。同図から分かるとおり、超電導導
体のクエンチ電流値は電流の時間変化（ｄｉ／ｄｔ）値
によっても多少変化するが、高いｄｉ／ｄｔ領域ではほ
ぼ一定となる。この飽和領域での撚線によるクエンチ電
流値を比較すると、撚次数が増大する毎に超電導導体を
構成している素線一本あたりのクエンチ電流値が低下し
ている。すなわち、素線では約１００Ａの通電容量があ
る線でも１次撚線にすると６７〜７５Ａに、さらに２次
撚線にすると２３〜３０Ａまで低下する。撚線にしてク
エンチ電流値が低下したり不規則にばらつくのは超電導
線に機械的な動きが起きていることによるものと考えら
れる。

【００１１】従って、トリガコイルの通電電流密度を向
上させるためには、撚次数の低い導体でコイルを作り、
それらコイルを並列に構成した方が効果的と思える。

【００１２】図７および図８はこのような考えに基いて
製作したトリガコイルの構成とその内部接続を示す図で
ある。両図において、トリガコイルは内側の無誘導コイ
ル３ｂ，３ｃと外側の無誘導コイル３ｄ，３ｅの２組か
ら構成されており、各コイルの導体には前述の２次撚線
が用いられている。同種の超電導導体を用いて全コイル
同時にクエンチさせようとしても、クエンチ電流値は前
述した超電導導体自身の不安定性や、コイル内部の磁界
分布、さらにはコイル巻枠との整合の程度などによって
同一とはならない場合が多い。このようなコイルを用い
て短絡試験を行ったところ数回の試験で動作電流が低下
していく劣化が発生した。

【００１３】図９はこのコイルの特性劣化後の短絡試験
結果であり、コイル３ｂ，３ｃ側を流れる電流Ｉ３１と
コイル３ｄ，３ｅ側電流Ｉ３２との間に複雑な電流のや
り取り（転流／再転流）が見られる（図中のＥはトリガ
コイルの両端電圧）。この複雑な電流変化は、無誘導コ
イルを並列化したことに起因しておりこの様なコイル特
性のため劣化が生じたと考えられる。

【００１４】すなわち、各々の無誘導コイル間には相互
誘導が無く独立したインピーダンス素子となっており、
クエンチ後のインピーダンス成分は殆ど抵抗性である。
従って、短絡電流が流れ始めると、まずクエンチ電流値
が小さい方のコイル、例えば３ｂ，３ｃが最初にクエン
チ（”Ａ”点）するが、この時のクエンチは極めて狭い
範囲に留まる可能性がある。何故ならクエンチした側の
回路電流は発生抵抗が極僅かであっても、相手コイルの
インピーダンスがより小さいと、その上昇が抑制さ
れ（”Ｂ”点）、まだクエンチしていない相手コイル３
ｄ，３ｅ側へ電流が転流していくからである。

【００１５】一方、相手コイル３ｄ，３ｅにはコイル３
ｂ，３ｃからの転流電流と自身を流れていた電流が重畳
するため、前述した電流Ｉ３１より大きなｄｉ／ｄｔ値
を有する電流が流れることになる。この種コイルには、
印加電流のｄｉ／ｄｔ値が大きいほどクエンチ領域も広
い範囲に及ぶ傾向がある。

【００１６】クエンチ領域が広い範囲に起こると、コイ
ル３ｄ，３ｅのクエンチ抵抗値も大きなものとなり、急
激な再転流電流が部分的にクエンチしているコイル３
ｂ，３ｃ側へ流れる（”Ｃ”点）。この再転流電流によ
って、既にクエンチしているコイル３ｂ，３ｃの常電導
部には大きなジュール損失が発生して温度が上昇し、熱
劣化や焼損が生じることになる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の技術においては、トリガコイルの通電電流密度と通電
容量を増大させようとする場合において、使用する超電
導導体の撚次数を上げる方法では素線の動きによって通
電効率が低下し、また低次数の撚線を用いてコイルをた
だ単に並列化する方法ではトリガコイルに多重クエンチ
が生じてコイル特性が劣化する問題がある。

【００１８】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、極力低次数の撚線を用いて通
電電流密度の高い大容量の超電導トリガコイルを得ると
ともに、特性の劣化を防止すべく短絡電流による多重ク
エンチを防止し得る超電導限流装置を提供することにあ
る。

【００１９】

【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装置は、超電導体の臨界電流値
によるクエンチ現象を利用して交流電路に生じる過電流
を抑制する超電導トリガコイルを有する超電導限流装置
であって、前記超電導トリガコイルは、各々所定の条
数、所定の巻方向および所定の巻回数を有し、互いに負
の相互インダクタンスを有するように同軸に設けられる
とともに、互いに無誘導となるように直並列接続された
複数の超電導コイルから構成されることを要旨とする。

【００２０】

【作用】本発明の超電導限流装置では、超電導トリガコ
イルを構成する複数の超電導コイルは互いに負の相互イ
ンダクタンスを有するとともに、互いに無誘導となるよ
うに直並列接続されている。

【００２１】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。

【００２２】図１は、本発明の一実施例に係わる超電導
限流装置に適用される超電導トリガコイルの構成を示す
斜視図である。同図に示す超電導トリガコイルは、第１
の超電導コイルである内側コイル３１および該内側コイ
ル３１に対して同軸的に外側に巻装された第２の超電導
コイルである外側コイル３２から構成されている。

【００２３】図２は、図１に示す超電導トリガコイルの
内部接続を示す回路図であるが、図１，２に示すよう
に、内側コイル３１は右巻きの超電導コイル３１ａ，３
１ｂ，３１ｃが３条に巻装され、外側コイル３２は左巻
きの超電導コイル３２ａ，３２ｂ，３２ｃが同様に３条
に巻装されている。また、内側コイル３１の両側端子３
１ｄ，３１ｅおよび外側コイル３２の両側端子３２ｄ，
３２ｅは、図２に示すように、３条のコイルが２並列に
なるように接続されている。

【００２４】従って、本実施例の超電導限流装置に適用
される超電導トリガコイルは、従来の超電導トリガコイ
ルのような１層１条の巻線構成でなく、１層のコイル巻
枠に複数条（本実施例では３条）のねじ溝加工を施し、
３条の超電導コイルを巻装したことを特徴としている。
すなわち、通電効率が高くて比較的直径の細い１次撚線
を１層３条に巻装し、この３条コイルの両端を互いに接
続することにより１次撚線を３並列に構成した超電導コ
イルを得ている。

【００２５】更に、この３条巻コイルを少なくとも２個
（１組）同軸に近接して構成し、これらのコイルの巻方
向を互いに超磁力が打ち消し合うように逆巻に巻装し、
２個のコイルの両端を互いに短絡接続することにより、
６条の超電導コイルが並列かつ電磁気的に無誘導となる
ように密に結合された超電導トリガコイルを構成してい
るのである。

【００２６】以上のように構成される超電導トリガコイ
ルを利用した超電導限流装置では、超電導トリガコイル
が３条２並列のコイルとなっているので、１次撚線の通
電容量の６倍に相当する連続通電容量を得ることができ
る。

【００２７】図３（ａ）は、上述した超電導トリガコイ
ルの動作状態の電気的等価回路図である。同図に示す超
電導トリガコイルは、内側コイル３１および外側コイル
３２がそれぞれ自己インダクタンスＬ３１，Ｌ３２を有
して示され、定常電流に対しては両コイル３１，３２と
も超電導状態を維持し、互いの自己インダクタンスＬ３
１，Ｌ３２を互いに打ち消すように負に磁気結合（−
Ｍ）しているため、図３（ｂ）に示すように該超電導ト
リガコイルのインピーダンスはほぼゼロになっている。

【００２８】また、短絡電流等の過電流が流れて、超電
導コイル３１，３２のいずれか一方の例えば内側コイル
３１がクエンチした時の状態が図３（ｃ）に示されてい
るが、この状態ではクエンチした方の内側コイル３１に
クエンチ抵抗Ｒ３１が発生して、コイル電流Ｉ３１を減
衰（限流）させる。このように内側コイル３１の電流が
低減すると、内側コイル３１の発生磁束も減少するた
め、コイル３１，３２の間の無誘導状態が崩れ、まだク
エンチしていない方の外側コイル３２にはリアクトル作
用が発生する。

【００２９】このコイル間の相互誘導による限流動作
は、電磁気的な現象であるので、短絡電流のような急峻
な上昇電流に対しても遅れなく応答する。また、この作
用は常に内側コイル３１と外側コイル３２との間の分流
アンバランスを解消するように作用するので、一方のコ
イルのみがクエンチした時、または図３（ｄ）に示すよ
うに両コイルが共にクエンチし、かつそのクエンチ抵抗
値が大きく相違したとしても、従来のコイルのようにコ
イル間で短絡電流のやりとりを生じて、コイルが劣化し
たり焼損することがなくなる。

【００３０】以上のように、本超電導トリガコイルは、
内側コイル３１と外側コイル３２とが磁気的に密に結合
しているので、種々の回路条件下でもいずれか一方のコ
イルにクエンチが発生すると、ほぼ同時かつ均等に短絡
電流を分担して限流動作を行うことができる。

【００３１】次に、図１に示す超電導トリガコイルの具
体的構成の一例として、トリガコイル用導体に上述した
図７で示した１次撚線、すなわち交流クエンチ電流が６
７Ａ〜７５Ａ／素線のものを用いた場合について説明す
る。

【００３２】１次撚線は線径が２次撚線の１／３以下と
細く、またターン間に発生する電磁力（通電電流の２乗
に比例）も１／４となるので、その分巻線ピッチを狭く
できる。従って、コイル外形が従来のコイルと同じであ
れば、１条当りの導体の長さは従来の１条巻コイルと同
等にすることができる。

【００３３】従来のコイルは素線３６本からなる２次撚
線を用いて並列無誘導コイルを構成しているので、７２
本の超電導素線が並列に使用されていることになる。

【００３４】この従来のコイルの連続通電容量は２次撚
線における素線容量の７２倍、すなわち２３Ａ×７２＝
１６５６Ａとなる。

【００３５】これに対して、本実施例の超電導トリガコ
イルは、素線６本が撚り合わされた１次撚を６本並列接
続しているので、超電導素線の数量は３６本となり、従
来のコイルの１／２の導体断面積となっている。しかし
ながら、連続通電容量は１次撚における素線通電容量の
３６倍、すなわち６７Ａ×３６＝２４１２Ａとなり、従
来のコイルの約１．５倍の通電容量が得られる。

【００３６】このように本実施例の超電導トリガコイル
は、従来のコイルと比較して、１／２の通電断面積で約
１．５倍の通電容量を有するとともに、約２４００Ａま
での回路電流に対して安定して、インピーダンスがほぼ
ゼロの超電導状態を維持し、これ以上の電流が流れる
と、クエンチして限流作用を行う。

【００３７】次に、このようなトリガコイル３１，３２
を図４に示す回路にトリガコイル３ｂ，３ｃの代りに適
用した場合の作用について説明する。

【００３８】まず、遮断器２が閉路して負荷４への通電
が開始されると、回路電流は、図３（ｂ）に示すように
超電導でほぼ無誘導のトリガコイル３１，３２を通って
正常に負荷４へ給電される。次に、例えば負荷４に短絡
事故が発生して、短絡電流が流れ、この短絡電流の波高
値が２４００Ａを超え、トリガコイル３１の方にクエン
チが発生すると、トリガコイル３１には抵抗Ｒ３１が生
じてトリガコイル３１の回路電流を限流する。トリガコ
イル３１の回路電流が減少すると、コイル３２には前述
したようなインピーダンス作用が生じてトリガコイル３
２側の回路電流もほぼ同時に限流される（図３
（ｃ））。

【００３９】この場合、短絡電流はトリガコイル３１の
抵抗分とコイル３２のリアクタンス分によって限流され
るが、短絡電流の上昇が著しい場合には、トリガコイル
３１がクエンチした後も回路電流は上昇を続け、その値
がコイル３２のクエンチ電流値を超えると、コイル３２
にもクエンチが生じる。その結果、短絡電流は、両コイ
ル３１，３２のクエンチ抵抗値とそれらコイル電流のア
ンバランス度に応じて生じるリアクタンス分によって所
定値に限流される（図３（ｄ））。

【００４０】なお、上記実施例では、一次撚線で３条巻
きしたコイルについて説明したが、本発明はこれに限定
されるものでなく、このようなコイルに適用される超電
導導体の撚次数および巻条数は任意のものでよい。ま
た、コイルの組み合せも本実施例のように１組の２並列
無誘導コイルで説明したものに限定されず、複数並列ま
たは直並列で複数組のコイル構成にしても同様に作用効
果を得ることができる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
超電導トリガコイルを構成する複数の超電導コイルは互
いに負の相互インダクタンスを有するとともに、互いに
無誘導となるように直並列接続されているので、低い次
数の撚線で大容量の超電導トリガコイルを構成でき、１
条当りの巻線の長さも従来のコイルと同等にすることが
でき、通電断面積が小さくなった分クエンチ抵抗を増大
することができる。また、種々の短絡条件下やトリガコ
イルのクエンチ電流にばらつきがあっても、超電導コイ
ル間の相互誘導作用により多重クエンチによるトリガコ
イルの特性劣化を防止することができる。更に、超電導
トリガコイルの超電導線の損失は導体体積に比例し、通
電電流密度が向上した分、使用する超電導導体の体積が
減少するので、その交流損失も減少し、超電導トリガコ
イルを冷却する冷凍機のコンパクト化および省電力化を
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装置に適
用される超電導トリガコイルの構成を示す斜視図であ
る。

【図２】図１に示す超電導トリガコイルの内部接続を示
す回路図である。

【図３】図１に示す超電導トリガコイルの動作状態の電
気的等価回路図である。

【図４】従来の超電導限流装置の回路図である。

【図５】超電導体のマトリクスとなる銅および銅ニッケ
ルの電気抵抗の温度特性を示す図である。

【図６】銅ニッケルをマトリクスとするＮｂ−Ｔｉ極細
多心線クエンチ電流の撚線次数による低下特性を示す図
である。

【図７】通電容量を増大するための従来の一般的なコイ
ル構成を示す図である。

【図８】図７のコイルの内部接続および電流とコイル起
磁力方向との関係を示す図である。

【図９】図７に示すコイルの短絡試験における電圧電流
波形を示す図であり、横軸は時間変化を示し、縦軸のＥ
はトリガコイルの両端電圧波形、Ｉ３１は内層コイル３
ｂ，３ｃの合成電流の変化、Ｉ３２は外層コイル３ｄ，
３ｅの合成電流の変化を示している。

【符号の説明】

３１ 内側コイル ３２ 外側コイル ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ 内側コイルの超電導コイル ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ 外側コイルの超電導コイル

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 米田 えり子 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

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超電導体の臨界電流値によるクエンチ現
   象を利用して交流電路に生じる過電流を抑制する超電導
   トリガコイルを有する超電導限流装置であって、前記超
   電導トリガコイルは、各々所定の条数、所定の巻方向お
   よび所定の巻回数を有し、互いに負の相互インダクタン
   スを有するように同軸に設けられるとともに、互いに無
   誘導となるように直並列接続された複数の超電導コイル
   から構成されることを特徴とする超電導限流装置。