JPH07272960A

JPH07272960A - 超電導限流器

Info

Publication number: JPH07272960A
Application number: JP6059508A
Authority: JP
Inventors: Mayuko Awata; 真由子粟田; Takashi Ohashi; 隆大橋; Shuichiro Motoyama; 修一郎本山
Original assignee: NGK Insulators Ltd; Chubu Electric Power Co Inc
Current assignee: NGK Insulators Ltd; Chubu Electric Power Co Inc
Priority date: 1994-03-29
Filing date: 1994-03-29
Publication date: 1995-10-20

Abstract

(57)【要約】【目的】超電導体を薄くし、或いは全長を短くするこ
とで超電導筒体の抵抗値を向上させるとともに、それに
伴う超電導筒体の強度劣化や性能劣化を極力抑制した超
電導限流器を提供するものである。【構成】超電導円環体３と絶縁円環体４を組み合わせ
てなる筒体２の内周又は外周に送電系統と直列に接続さ
れたコイル６を配設するようにした。これにより、超電
導円環体３の抵抗値が向上し、結果としてクエンチ時の
コイル６のインピーダンスを大きくすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超電導体が臨界電
流値を超えることによって超電導状態から常電導状態へ
とクエンチ（転移）する性質を利用した超電導限流器に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、送電系統においては事故電
流を限流する限流器を配置することが提案されている。
限流器は過電流が流れた場合にインピーダンスを発生す
ることにより、その過電流を抑制し、遮断器及び変圧器
にかかる過電流を所定レベル以下に抑制する働きをす
る。限流器の方式としては種々の技術が提案されている
が、近年、超電導体を用いて限流する限流器が提案され
ている。そのような限流器として例えば特開平２−２０
５４０２号公報に開示されるようなものがある。

【０００３】超電導限流器は超電導体のマイスナー効果
と磁束スイッチング効果を利用したものであり、超電導
体の外周に電力系統と直列に接続されたコイルが巻回さ
れて構成されている。コイルは通電されると自己インダ
クタンスによりインピーダンスを生ずる。しかし、超電
導限流器が超電導状態にある場合は通常送電時にはマイ
スナー効果により理論上コイルの自己インダクタンスは
消失する。即ち、インピーダンスが極めて小さくなるた
め定常時の送電電流の損失は少くなる。

【０００４】一方、送電系に落雷等の事故が生じ、大き
な過電流が流れると、コイルに生じる磁界が大きくな
り、臨界磁場（臨界磁場に誘導された臨界電流で理論付
けることも可能である）を超える結果、超電導体のマイ
スナー効果は消失し、超電導体は常電導状態へと転換
（クエンチ）する。すると、コイルに生じる磁束は超電
導体に錯交し、コイルのインダクタンスは増大する。そ
のため超電導限流器のインピーダンスが極めて大きくな
って事故時に限流器として働くことができる。

【０００５】ここに、超電導体はその抵抗値が大きいほ
どクエンチ時の限流効果が大きくなる。図７はクエンチ
時における超電導限流器の回路インピーダンスＺと超電
導体の抵抗値Ｒとの関係を表すグラフである。本グラフ
におけるコイルは内径１００ｍｍ，長さ２００ｍｍ，直
径１ｍｍのエナメル単線を８００ターン巻回して構成し
たものである。同コイル３３を使用した場合の超電導限
流器による理論上のインピーダンスは１０Ωである。

【０００６】例えば、図７に示すように超電導体の抵抗
値Ｒが１×１０^-6とすると超電導限流器の回路全体とし
てのインピーダンスＺはわずか３．４Ω程度である。し
かし、このグラフの上昇カーブは急であって、例えば抵
抗値Ｒを５×１０^-10まで上げることができたならばイ
ンピーダンスＺは６．４Ωまで上昇可能である。

【０００７】このように、超電導体の抵抗値Ｒを上げる
ことにより超電導限流器の限流性能を向上させることが
可能である。ここに、図８に示すように超電導体よりな
る円筒体３０の抵抗値は次のように表すことができる。

【０００８】超電導体の抵抗値Ｒ＝２・ρ・φ・π／Ｍ・Ｌ ρ：超電導体のクエンチ時の抵抗率，φ：半径，π：円
周率，Ｍ：半径方向における厚さ，Ｌ：軸方向における
長さすなわち、超電導体を薄くするか、或いは短くすればよ
り超電導体の抵抗値Ｒは大きくなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、超電導体
はクエンチ時においてローレンツ力による大きな圧縮応
力を受けるため、強度保持の観点から余り薄くすること
はできなかった。また、ローレンツ力の考慮以外にも、
薄くしすぎるとそれだけ強度が低下するため取り扱いに
必要以上に注意を要することとなる。従って実用上、あ
る程度の厚みは確保する必要があった。また、全長を短
くする場合では、コイルのインピーダンスを確保するた
めに、コイルの巻き密度を大きくしなければならない。
するとそのために短小化した円筒体３０に何重にも密に
巻く必要があるが、臨界電流値が下がってしまい、クエ
ンチし易くなってしまう。その場合、他の条件として超
電導体のクエンチ時の抵抗率ρを向上させて超電導体全
体としての抵抗値Ｒを稼ぐことも考えられる。しかし、
抵抗率ρは超電導体自体の性質に関するため新たな条件
で超電導体を製造する必要があり、現実的には困難であ
った。更に直径φを大きくすることも考えられるが、径
が大きくなることは超電導限流器自体の大型化を招来
し、機械の設置スペースが余分に必要となってしまう。
また、径を大きくすることは製造上でも均一の製品を作
る技術的困難を伴い、焼成釜が大型化する等の問題もあ
った。

【００１０】本発明の目的は、超電導体を薄くし、或い
は全長を短くすることで超電導筒体の抵抗値を向上させ
るとともに、それに伴う超電導筒体の強度劣化や性能劣
化を極力抑制した超電導限流器を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
めに本発明の発明者は、請求項１の発明では、超電導体
と絶縁体とを組み合わせてなる筒体の内周又は外周に送
電系統と直列に接続されたコイルを配設したことを要旨
とする。請求項２の発明では、請求項１の発明におい
て、前記筒体を超電導環体と絶縁環体とを組み合わせて
筒状に形成したことを要旨とする。また請求項３の発明
では、請求項１の発明において、前記筒体を超電導筒体
の内周面又は外周面に絶縁筒体を配設したことを要旨と
する。また請求項４の発明では、請求項２の発明におい
て、前記筒体を超電導環体と絶縁環体とを交互に重ね合
わせて筒状に形成したことを要旨とする。また請求項５
の発明では、請求項２の発明において、前記筒体を超電
導環体と絶縁環体の長さを中央付近から両端方向にかけ
て徐々に短くなるように構成したことを要旨とする。

【００１２】

【作用】上記のような構成によれば、請求項１の発明
においては、超電導体と絶縁体とを組み合わせるため、
超電導体単独で同形状、同サイズの筒体を形成する場合
と比較して筒体の抵抗値が向上して、クエンチ時のコイ
ルのインピーダンスが大きくなる。請求項２の発明にお
いては、請求項１の発明の作用に加えて、超電導環体と
絶縁環体とを組み合わせるため、請求項１の発明と同様
にクエンチ時のコイルのインピーダンスが大きくなる。
また、請求項３の発明では請求項１の発明の作用に加え
て、超電導筒体の内周又は外周に絶縁筒体を配設したた
め、超電導体単独で同形状、同サイズの筒体を構成する
場合と比較して筒体の抵抗値が向上するため、クエンチ
時のコイルのインピーダンスが大きくなり、また、絶縁
筒体が内周側又は外周側より補強するため、厚みを薄く
しても問題はない。また、請求項４の発明では請求項２
の発明の作用に加えて、超電導環体と絶縁環体とを交互
に重ね合わせて筒状にしたため、請求項２の発明と同様
にクエンチ時のコイルのインピーダンスが大きくなる。
また、請求項５の発明では請求項２の発明の作用に加え
て、超電導環体と絶縁環体との長さが中央付近から両端
にかけて徐々に短くなるようにし、端部の遮蔽能力を向
上させるためクエンチする電流値が大きくなる。

【００１３】

【実施例】以下、この発明の試験例である超電導限流
器について、図１〜図５に基づいて詳細に説明する。

【００１４】（試験例１）図１は試作した超電導限流器
１である。同図に示すように筒体たる円筒体２は外径９
０ｍｍ，内径７０ｍｍ，長さ２００ｍｍに形成された筒
状体である。円筒体２は超電導環体たる超電導円環体３
と絶縁環体たる絶縁円環体４とが交互に軸方向に配置さ
れて形成されている。各超電導円環体３はビスマス系酸
化物超電導物質により構成された幅（長さ）５ｍｍの環
状体である。本試作例の超電導円環体３はビスマス系の
超電導物質であるＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系を使用
し、Ｂｉ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝２：２：１：２となるよ
うにＢｉ₂Ｏ₃，ＣｕＯ，ＳｒＣＯ₃の各粉末を調合し
た。また、臨界温度（クエンチする温度）は７７Ｋ以上
の高温超電導体であり、臨界電流密度（Ｊｃ）＝１００
０Ａ／ｃｍ²，臨界磁場（Ｂｃ）＝５０ガウス等の特性
を示す。

【００１５】絶縁円環体４は繊維強化プラスチック（Ｆ
ＲＰ）製の環状体であり、超電導円環体３と同一形状、
同一サイズに形成されている。絶縁円環体４の構成材料
としてはＦＲＰの他、エポキシ樹脂、塩化ビニール又は
シリコーンゴム等の耐低温性の絶縁樹脂を使用すること
も可能である。尚、超電導円環体３と絶縁円環体４とは
図示しない耐低温性の接着テープにより接合されてい
る。

【００１６】円筒体２は冷却容器５内で液体窒素に浸漬
された状態で封入されている。冷却容器５には図示しな
い導入口及び導出口が形成され、これらの口を介して冷
却容器５への液体窒素の供給及び排出が行われるように
なっている。

【００１７】図１に示すように円筒体２の外周にはコイ
ル６が巻回されている。コイル６は本試験例では直径１
ｍｍのエナメル単線が８００ターン巻回されて構成され
たものであり、内径１００ｍｍ，長さ２００ｍｍとされ
電力線７と直列に接続されている。同コイル６を使用し
た場合の超電導限流器１による理論上のインピーダンス
は１０Ωである。

【００１８】次に本実施例の作用について説明する。通
常送電時においてはコイル６を流れる送電電流によりコ
イル６には磁束が生ずる。この磁束はマイスナー効果に
より打ち消され、結果的にコイル６のインピーダンスが
減縮されるため通常送電電流の損失が抑えられることと
なる。もちろん、絶縁環体部分においてはコイル６の磁
束は打ち消されないため、同部分ではコイル６のインピ
ーダンスが発現する。この漏れインピーダンスにより通
常送電時のコイル６のインピーダンスは僅かに上昇す
る。

【００１９】一方、一旦短絡電流が発生すると、コイル
に生じる磁界が大きくなり、臨界磁場を超える結果、超
電導体のマイスナー効果は消失し、コイル６の磁束を打
ち消す逆方向の磁束の流れが遮断される。すなわち、コ
イル６の磁束が打ち消されなくなるためコイル６にイン
ピーダンスが再び発生し、短絡電流を限流することがで
きることとなる。この場合、同形状、同サイズの超電導
体のみで構成した筒体と比較して超電導体たる本実施例
の超電導円環体３は全長が短くなるため抵抗値が増加す
る。従って、クエンチ時のコイル６のインピーダンス値
が大きくなる。

【００２０】このように構成することにより、本試験例
１の超電導限流器１は次のような効果を奏する。（１）本例では円筒体２が超電導円環体３と絶縁円環体
４とを交互に配置して形成した。従って、円筒体２と同
形状、同サイズの円筒体を超電導体だけで形成した場合
と比較して、超電導体たる超電導円環体３全長は短くな
るため超電導体の抵抗値の式に基づいてその抵抗値が増
加する。すると、クエンチ時のコイル６のインピーダン
ス値が大きくなるので限流効果が増大する。

【００２１】（２）超電導円環体３の全長が半分になる
ため、同形状、同サイズの円筒体を形成する場合と比較
して、超電導体たる超電導円環体３の使用量が半分です
むため低コストで円筒体２を形成することができる。

【００２２】（３）超電導円環体３を一体物として焼成
するのは技術的に困難であり、歪み、ひび等の欠陥品の
生じる割合も高くなる。また、焼成釜も大型のものが必
要となる。しかし、本例では小ピース化された超電導円
環体３として焼成すればよいのでそのような問題が解決
される。

【００２３】（４）超電導円環体３と絶縁円環体４とを
交互に配置しているため、ランダムに配置した場合と比
較して磁束の漏れや磁気遮蔽効果に偏りが生ずることが
なく、円筒体２の部分的な劣化が防止される。

【００２４】（試験例２）図３は試験例１における円筒
体２の両端に超電導円環体３を集中させた別試験例であ
る。両端の超電導円環体３の長さがそれぞれ１５ｍｍと
されている外は前記実施例と同様である。このように構
成すれば、磁束の集中する両端において漏れ磁束を効果
的に遮蔽することができるため、試験例１と同様の効果
に加えて通常送電時のコイルのインピーダンスが極力低
減されるため通常送電時の電力損失がより少なくなる。

【００２５】さて、図２は本限流器１を使用した試験回
路である。限流器１のコイル６は並列に配置された２Ω
の抵抗Ｒ１と４０Ωの抵抗Ｒ２に接続されている。抵抗
Ｒ１にはスイッチＳＷが直列に接続されている。限流器
１のコイル６は両抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して交流電源（周
波数ｆ＝６０ＨＺ）１０に接続されている。試験はスイ
ッチＳＷの開成時を通常送電時と、スイッチＳＷの閉成
時を短絡事故発生時と見立てた。そして、回路内に電流
計を配置し、電流値の変化を測定し、また、コイル６両
端に電圧計を配置し、電圧値の変化を測定した。

【００２６】表１にその結果を示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】試験Ｎｏ１は比較例としての従来例であ
り、円筒体として外径９０ｍｍ，内径７０ｍｍ，長さ２
００ｍｍのすべて超電導体だけで構成したものを用い
た。試験Ｎｏ２は上記試験例１である。また、試験Ｎｏ
３は上記試験例２である。

【００２９】さて、試験Ｎｏ１の臨界電流値Ｉｃは１５
Ａであって、通常送電時の電圧値は１１．０Ａ、電流値
は３．５Ａ、回路のインピーダンスは３．１Ωであっ
た。一方、短絡事故発生時（スイッチＳＷの閉成時）に
は電圧値は９７．２Ｖ、電流値は２２．２Ａとなり、回
路のインピーダンスは４．４Ωとなった。また、試験Ｎ
ｏ２の臨界電流値Ｉｃは８Ａであって、通常送電時の電
圧値は１１．５Ｖ、電流値は３．３Ａ、回路のインピー
ダンスは３．５Ωであった。一方、短絡事故発生時（ス
イッチＳＷの閉成時）には電圧値は１１４Ｖ、電流値は
２０．３Ａとなり、回路のインピーダンスは５．６Ωと
なり、試験Ｎｏ１と比較して明らかに限流効果が大きく
なったのが分かる。また、試験Ｎｏ３の臨界電流値Ｉｃ
は１０Ａであって、通常送電時の電圧値は１１．２Ｖ、
電流値は３．４Ａ、回路のインピーダンスは３．３Ωで
あった。一方、短絡事故発生時（スイッチＳＷの閉成
時）には電圧値は１１２．８Ｖ、電流値は２０．５Ａと
なり、回路のインピーダンスは５．５Ωとなり、やはり
試験Ｎｏ１と比較して明らかに限流効果が大きくなった
のが分かる。

【００３０】以上、本発明の試験例について詳述した
が、本発明は次のような態様に変更して実施することも
可能である。（１）図４に示すように円筒体２を構成する超電導円環
体３と絶縁円環体４とを交互に配置するとともに、超電
導円環体３と絶縁円環体４との長さが中央付近から両端
方向にかけて徐々に短くなるようにすること。このよう
にすれば、上記試験例と同様の効果に加えて、特に磁束
の集中する両端部において漏れ磁束を効果的に遮蔽する
ことができるため、通常送電時のコイル６のインピーダ
ンスが極力低減されるため通常送電時の電力損失がより
少なくなる。同様に図５では特に両端寄りに超電導円環
体３を集中させた場合である。このようにすれば、上記
の効果に加えて更に漏れ磁束が遮断されることとなる。

【００３１】（２）図６に示すように、超電導筒体たる
超電導外円筒１２の内周側に絶縁筒体たる絶縁内円筒１
３を配置させて円筒体２を構成するようにしてもよい。
超電導外円筒１２及び絶縁内円筒１３は上記試験例１の
超電導円環体３及び絶縁円環体４に対応する材質で形成
されている。ここに、超電導体の抵抗値の式より超電導
体の抵抗値は厚さを薄くすることにより向上させること
ができる。従って、本別例においては超電導体のみで円
筒体２と同形状、同サイズの円筒体を構成した場合と比
較すると、その抵抗値が向上するため、上記試験例１と
同様の効果に加えてクエンチ時のコイル６のインピーダ
ンス値が大きくなり限流効果が増大する。

【００３２】また、超電導外円筒１２の内周側に絶縁内
円筒１３を配置したため、超電導外円筒１２を薄く形成
したとしても、円筒体２の強度を保つことができ、クエ
ンチ時のローレンツ力により超電導外円筒１２に応力が
集中しても割れる等の不具合も生じ難くなる。

【００３３】（３）上記試験例１では超電導円環体３と
絶縁円環体４とを交互に配置していたが、これをランダ
ムに配置するようにしてもよい。絶縁円環体４が軸方向
に組み合わされている限り超電導円環体３の全長が短く
なるためその抵抗値が向上するからである。また、上記
（２）で述べた別例においては超電導外円筒１２の内周
側に絶縁内円筒１３を配置しが、これを逆に超電導筒体
の外側に絶縁筒体を配置するようにしてもよい。更に超
電導円筒を内側と外側から絶縁円筒によりサンドイッチ
状に挟持するようにしてもよい。絶縁筒体を超電導筒体
の外側に配置することによりコイル６から加わる応力を
軽減することができるからである。また、試験例２にお
いては両端の超電導円環体３の長さがそれぞれ１５ｍｍ
とされ、３つの超電導円環体３を連続して配置したのだ
ったが、これを一体的に構成するようにしてもよい。更
に、上記試験例はいずれも空芯の超電導限流器である
が、高抵抗磁性体、例えばフェライト、アモルファスか
らなる鉄心を円筒体３に挿通するようにすることも自由
である。また筒体は必ずしも円筒状でなく断面多角形状
の筒体であってもよい。

【００３４】（４）ビスマス系の高温超電導体としては
Ｂｉ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ：Ｏ＝２：２：１：２以外の配
合で実施してもよい。また、ビスマス系以外の例えばイ
ットリウム系の超電導体を使用することも可能である。

【００３５】その他、本発明はその主旨を逸脱しない範
囲で変更して実施することは自由である。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明
においては超電導体と絶縁体を組み合わせたため、超電
導体の抵抗値が向上し、結果としてクエンチ時の限流器
のインピーダンスを大きくすることができる。また、請
求項２の発明においては請求項１の発明の効果に加えて
小ピース状の超電導環体を使用するため、コストの低減
となる。また、請求項３の発明においては請求項１の発
明の効果に加えて、絶縁筒体により超電導筒体が補強さ
れることとなる。請求項４の発明においては請求項２の
発明の効果に加えて、超電導環体と絶縁環体とを交互に
重ね合わせるため、磁束の漏れや磁気遮蔽効果に偏りが
生ずることがない。また請求項５の発明においては請求
項２の発明の効果に加えて、端部ほど超電導環体と絶縁
環体との長さを短くしたためクエンチ電流をより大きく
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる超電導限流器の斜視図であ
る。

【図２】同じ試験例１における超電導限流器の試験回
路の回路図である。

【図３】他の試験例２における超電導限流器の筒体た
る円筒体の側面図である。

【図４】他の実施例における超電導限流器の筒体たる
円筒体の側面図である。

【図５】他の実施例における超電導限流器の筒体たる
円筒体の側面図である。

【図６】他の実施例における超電導限流器の斜視図で
ある。

【図７】超電導体の抵抗値Ｒと超電導限流器の回路イ
ンピーダンスＺとの相関関係を説明するグラフである。

【図８】従来の超電導限流器の斜視図である。

【符号の説明】

１…超電導限流器、２…筒体たる円筒体、３…超電導環
体たる超電導円環体、４…絶縁環体たる絶縁円環体、６
…コイル、１２…超電導筒体たる超電導外円筒、１３…
絶縁筒体たる絶縁内円筒。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者本山修一郎名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超電導体と絶縁体とを組み合わせてなる
筒体の内周又は外周に送電系統と直列に接続されたコイ
ルを配設したことを特徴とする超電導限流器。
【請求項２】前記筒体は超電導環体と絶縁環体とを組
み合わせて筒状に形成したことを特徴とする請求項１に
記載の超電導限流器。
【請求項３】前記筒体は超電導筒体の内周面又は外周
面に絶縁筒体を配設したことを特徴とする請求項１に記
載の超電導限流器。
【請求項４】前記筒体は超電導環体と絶縁環体とを交
互に重ね合わせて筒状に形成したことを特徴とする請求
項２に記載の超電導限流器。
【請求項５】前記筒体は超電導環体と絶縁環体の長さ
が中央付近から両端方向にかけて徐々に短くなるように
したことを特徴とする請求項２に記載の超電導限流器。