JPH08223790A

JPH08223790A - 超電導限流器

Info

Publication number: JPH08223790A
Application number: JP7020603A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Tsurunaga; 和行鶴永; Jun Matsuzaki; 順松崎; Junji Fujiwara; 純二藤原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-02-08
Filing date: 1995-02-08
Publication date: 1996-08-30

Abstract

(57)【要約】【目的】超電導限流素子の局部的温度上昇を防ぐ。【構成】ヒータ１ｃに絶縁基板１ｂを載せ、この絶縁基
板１ｂの上に超電導体１ａの被膜を形成する。超電導体
１ａの電源側の端部とヒータ１ｃの電源側の端部は、短
絡板１ｄで接続する。ヒータ１ｃの負荷側には、変流器
22ｂと半導体のスイッチ22を直列に接続した後、超電導
体１ａの負荷側に接続する。超電導体１ａには、クエン
チセンサ22ａを並列に接続し、超電導体１ａがクエンチ
すると、スイッチ22を投入し、過電流をヒータ１ｃに分
流させる。ヒータ１ｃの温度が上がると、このヒータの
熱によって超電導体１ａを均一に加熱して、超電導体１
ａ全体を均一に加熱して、局部的過熱を防ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電路に流れる短絡電流
を限流する超電導限流器に関する。

【０００２】

【従来の技術】送電線路や配電線路に相間短絡や地絡事
故が発生すると、数十ｋＡにも及ぶ事故電流が流れて、
系統及び機器に大きな損傷を与えてしまう。このような
事故電流を瞬時に検出するとともに、この事故電流を抑
制するための限流技術の一つに、最近超電導を応用した
ものが提案されている。

【０００３】なかでも、酸化物超電導体の常電導への転
移（以下、クエンチという）を応用した超電導限流器
は、冷却コストが安価で、外形を小形化することができ
るため、近年実用化に向けた研究が進められている。

【０００４】例えば、酸化物超電導体の限流素子を電源
と負荷の間に接続する方法である。すなわち、事故電流
が限流素子の臨界電流値（Ｉｑ）以下であれば、限流素
子は超電導状態（インピーダンスゼロ）を維持して、熱
損失は発生せず電圧降下もない。

【０００５】しかし、前述した相間短絡や接地事故が発
生して、線路に接続された限流素子の臨界電流値以上の
電流が流れると、限流素子がクエンチして抵抗体に転移
し、事故電流を抑制する。

【０００６】図11は、このような酸化物超電導体を用い
た限流素子の一例を示す外観斜視図で、特開昭64-89922
号公報に開示されている。この限流素子では、酸化物超
電導体22を薄膜化してその臨界電流密度を上げるととも
に、通電経路を円筒状基板21の外周に螺旋状に蒸着さ
せ、薄膜の長さを延ばすことで、クエンチ後の抵抗の増
加による事故電流の限流を図っている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このように
構成された酸化物超電導限流器においては、限流素子の
クエンチ電流値のばらつきによる局部発熱（焼損）や復
帰時間（限流素子冷却時間）が問題となる。

【０００８】なぜならば、酸化物超電導体は、金属系超
電導体に比べて、臨界電流密度のばらつきが大きく、か
つ、熱伝導率も低い。したがって、線路に流れる過電流
に対して酸化物超電導体22は局所的にクエンチし、その
結果、事故電流が限流されると、その後は熱伝導によっ
てクエンチ領域が広がっていく。

【０００９】しかも、酸化物超電導体やそのベースとな
るセラミックス製の円筒状基板21の熱伝導率は一般に低
く、超電導状態を維持している部分の熱的クエンチ伝播
（広がり）速度が極めて遅いので、限流動作時の素子抵
抗値の増加速度も遅い。

【００１０】したがって、従来の酸化物超電導限流素子
においては、限流素子全体がクエンチしないことから、
クエンチ後の全体の抵抗値が低く、事故電流値が大きく
通電時間が長くなって、限流時の損失（Ｐｃ）が式
（１）に示すように増加する（限流時の損失は素子クエ
ンチ抵抗値に反比例）。

【００１１】

【数１】ここで、Ｅ（ｔ）：回路電圧（Ｖ）Ｒｅ（ｔ）：限流素子の抵抗値（Ω）ｔ：限流時間（ｓｅｃ）

【００１２】限流素子の限流時の損失が増えると、超電
導体の温度上昇も増え、素子が焼損するおそれがあるだ
けでなく、限流動作後に冷凍機によって冷却（熱交換）
される限流素子の冷却時間が長くなり、それだけ限流装
置の復帰も遅くなる。そこで、本発明は、超電導限流素
子の局部的温度上昇を抑制するとともに、復帰時間を短
縮することのできる超電導限流器を得ることを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の超電導限流器
は、超電導被膜が片側に形成され超電導被膜と並列に接
続される電熱板が他側に隣接された絶縁板を備えたこと
を特徴とする。なお、超電導被膜のクエンチによって投
入されるスイッチを電熱板に直列に接続してもよく、電
熱板にコンデンサを直列に接続してもよい。

【００１４】また、超電導被膜に並列抵抗器を接続し、
この並列抵抗器と超電導被膜との並列回路の電源側に遮
断器を直列に接続してもよい。また、超電導被膜に並列
に接続されこの超電導被膜のクエンチを検出し超電導被
膜のクエンチによりスイッチをオンするクエンチ検出器
と、電熱板に流れる電流を検出しこの電流があらかじめ
設定した値を超えるとスイッチをオフする電流検出器を
設けてもよい。

【００１５】また、絶縁板の片側に超電導被膜の組織を
整えるバッファ層を形成してもよく、電熱板に流れる電
流を蛇行させる複数条の溝を電熱板に形成してもよい。
さらに、超電導被膜を酸化物超電導材で形成し、複数の
超電導被膜が並列接続され複数の電熱板が直列接続され
た複数のユニットを直列に接続し、これらのユニットの
電熱板群を直列に接続してもよく、冷凍機で冷却される
冷却板を絶縁層を介して超電導被膜の外面に隣接しても
よい。

【００１６】

【作用】このような手段による超電導限流器において
は、過電流が超電導被膜に流れてこの超電導被膜がクエ
ンチすると、このクエンチにより電熱板に分流した電流
によって、電熱板は均一に温度が上昇し、この電熱板で
発生した熱は、超電導被膜全体に絶縁板を介して均一に
伝達されて、超電導被膜は全体に亘って均一にクエンチ
する。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の超電導限流器の一実施例を図
面を参照して説明する。図１は、本発明の超電導限流器
の第１の実施例を示す接続図で、図２は、図１の限流素
子の構成図を示す。

【００１８】図１及び図２において、符号１は図２で後
述する限流素子、符号１ａは後述する超電導体、符号１
ｂは同じく絶縁基板、符号１ｃはヒータ、符号１ｄは短
絡板である。

【００１９】また、符号22はＧＴＯ素子を使った高速動
作の双投形のスイッチ、符号22ａはクエンチセンサ、符
号22ｂは変流器、符号22ｃはスイッチ制御ユニット、符
号23は並列抵抗、符号11は電源、符号12は真空遮断器、
符号13は負荷、符号14は線路抵抗を示す。ただし、後述
する表１で示すように、図２で示す超電導体１ａ及び絶
縁基板１ｂとヒータ１ｃの厚みは幅と長さに比べて誇張
して示している。さらに、符号Ｔｅは超電導体１ａの負
荷側の端子、符号Ｔｈ₁，Ｔｈ₂はヒータ１ｃの端子、
符号Ｔｓ₁，Ｔｓ₂はスイッチ22の端子を示す。

【００２０】図１で示す回路のように、電源11から供給
される電力は、真空遮断器12を経て限流素子１の電源側
に供給され、この限流素子１の負荷側を経て負荷13に供
給される。

【００２１】また、限流素子１の内部は、超電導体１ａ
の電源側とヒータ端子Ｔｈ₁とが短絡板１ｄによって短
絡され、超電導体端子Ｔｅとスイッチ端子Ｔｓ₂及びヒ
ータ端子Ｔｈ₂とスイッチ端子Ｔｓ₁も各々接続されて
いる。さらに、限流素子１の両端には、並列抵抗33が並
列に接続されている。

【００２２】図１において、クエンチセンサ22ａが超電
導体１ａのクエンチを検知すると、クエンチセンサ22ａ
からの指令でスイッチ22はオンされるとともに、ヒータ
１ｃの限流時の発生熱量が所定の値に達すると、スイッ
チ制御ユニット22ｃによってスイッチ22はオフされる。

【００２３】そのため、クエンチセンサ22ａには、超電
導体１ａにクエンチが生じたときの超電導体１ａの端子
電圧の値が予め基準値として内部回路に記憶されてお
り、その値を超える変化が実際に生じた場合に、超電導
体１ａのクエンチ信号を出力する。クエンチセンサ22ａ
は、このようにして超電導体１ａのクエンチを検知する
と、スイッチ22に対して瞬時にオン指令を出力するとと
もに、真空遮断器12に対してオフ指令を出力する。

【００２４】スイッチ22がオンすると、ヒータ１ｃにも
事故電流が転流するが、このヒータ電流の値は、変流器
22ｂによって検出され、スイッチ制御ユニット22ｃに出
力される。このスイッチ制御ユニット22ｃの内部には、
ヒータ電流からヒータ１ｃの発熱量を演算する回路があ
らかじめ組み込まれており、ヒータ１ｃの発熱量が所定
の値に達すると、スイッチ制御ユニット22ｃはスイッチ
22をオフする。

【００２５】図２は、限流素子１の具体的構造の一例を
示す図で、このうち、（ａ）は（ｄ）のＡ矢視図、
（ｂ）は（ｄ）のＢ矢視図、（ｃ）は（ｄ）のＣ矢視図
である。まず、図２（ｄ）において、図２（ｃ）で示す
ヒータ１ｃの上面には、図２（ｂ）で示す短冊状の絶縁
基板１ｂが重ねられ、この絶縁基板１ｂの上部には、図
２（ａ）で示す同じく短冊状の後述する酸化物の超電導
体１ａの被膜が形成されている。

【００２６】この酸化物超電導体１ａの左端は、Ｚ字形
の短絡板１ｄでヒータ１ｃに接続され、超電導体１ａの
右端には、Ｌ字形の端子Ｔｅが接続されている。ヒータ
１ｃの両端には、端子Ｔｈ₁，Ｔｈ₂が図２（ｃ）に示
すように設けられている。

【００２７】このように構成された超電導限流器におい
ては、定常時において、電力は抵抗ゼロの超電導体１ａ
を通って負荷13に損失なく給電される。一方、負荷13に
短絡などの事故が発生して回路に過電流が流れると、超
電導体１ａがクエンチして高抵抗体となり、事故電流を
抑制する。

【００２８】ただし、超電導体１ａのクエンチ領域は臨
界電流値の低い部分のみとなり、超電導体の全体には及
ばない。限流素子１に部分的なクエンチが発生すると、
前述したようにクエンチセンサ22ａがそれを検出し、直
ちにスイッチ22に対してはオン指令を、また真空遮断器
12に対してはオフ指令を出力する。

【００２９】クエンチセンサ22ａの指令により、スイッ
チ22は数十μｓｅｃでオン状態となるが、真空遮断器12
は引外機構が動作する時間だけ遅れるので、実際に回路
電流が遮断されるのは１／２〜１サイクル後となる。ス
イッチ22がオンすると、事故電流はヒータ１ｃ及び並列
抵抗23側にも分流し、このヒータ１ｃ及び並列抵抗23は
全体に亘って一様に発熱する。

【００３０】ここで、ヒータ１ｃの発熱量は、変流器22
ｂとスイッチ制御ユニット22ｃ内のヒータ発熱量演算回
路で演算され、その値が所定値（超電導体１ａの温度を
オンセット温度以上に上昇し得る値以上の発熱量）に達
すると、スイッチ制御ユニットはスイッチ22をオフ状態
に戻す。

【００３１】このように制御されるヒータ１ｃの発熱に
よって、超電導体１ａの全体の温度は、部分クエンチ発
生後、極めて短時間のうちにオンセット温度まで上昇
し、超電導体１ａは全長に亘ってクエンチし、その結果
抵抗値が上昇する。

【００３２】したがって、超電導体１ａを流れる事故電
流値は、極めて小さな値に抑制されるとともに、スイッ
チ22のオフ動作によりヒータ１ｃを流れる電流とそれに
よる発熱もゼロとなり、冷凍機によって冷却される極低
温領域での発生損失が大幅に減少する。以上の作用によ
り、事故電流の殆どが常温領域に配置された並列抵抗23
に転流し、この並列抵抗23によって最適な電流値に限流
される。

【００３３】クエンチセンサ22ａのクエンチ信号を受け
て遮断動作に入っていた真空遮断器12は、このように事
故電流が自己の遮断容量に対応した所定の値に限流され
た状態となった直後に回路を遮断する。

【００３４】真空遮断器12による遮断が完了すると、超
電導体１ａ及び並列抵抗23の発熱は消滅し、これらの限
流素子は図示しない冷凍機や常温下で各々冷却され、初
期の温度（定常状態）に復帰する。

【００３５】以下、図１及び図２で示した各構成要素の
材料特性を示す表１を含めて更に詳細に説明する。超電
導体１ａは、表１に示すように、幅１cm，長さ25cm，厚
さ１μｍのＹＢＣＯ（イットリウム）系超電導体薄膜で
構成されている。

【００３６】

【表１】

【００３７】図３は、超電導体１ａの臨界電流密度の温
度依存性とばらつきを示すグラフである。この超電導体
１ａの臨界温度（Ｔｃ）は87Ｋで、77Ｋ冷却時における
臨界電流密度Ｊｃの最大値Ｊcmaxは１×10⁶Ａ／cm²、
最小値Ｊcminは５×10⁵Ａ／cm²となっている。

【００３８】すなわち、この超電導体１ａが流すことの
できる電流密度の最大値は１×10⁶Ａ／cm²、最小値は
５×10⁵Ａ／cm²であり、この臨界電流密度のばらつき
はランダムに分布している。また、超電導体１ａの臨界
電流密度は、超電導体１ａの温度に逆比例し、図３に示
すように冷却温度が低くなるほど上昇する。

【００３９】図４は、超電導体１ａの温度による固有抵
抗の変化を示すグラフである。超電導体１ａの温度が臨
界温度（Ｔｃ）の87Ｋを超えると、超電導性を喪失して
常電導体となり、抵抗が発生する。

【００４０】この超電導体１ａの固有抵抗値の変化率
は、超電導体１ａの温度によって異り、87Ｋから90Ｋま
では図４に示すように急激に上昇するが、その後は常温
領域にかけて緩やかに上昇する。この固有抵抗の温度特
性の分岐点をここではオンセット温度Ｔ_ONと表し、その
ときの固有抵抗率をオンセット抵抗率（ρ_ON）と呼ぶ。

【００４１】本実施例による超電導体１ａのオンセット
温度は、図４に示すように90Ｋ、オンセット抵抗率は
0.5ｍΩ−cmとなっている。超電導体１ａのその他の特
性としては、表１に示すように、熱伝導率λｅは12Ｗ／
ｍ・Ｋ、比熱Ｃｅは 0.063Ｊ／cm³・Ｋ、熱容量ＨＣｅ
は 1.5×10^-4Ｊ／Ｋとなっている。

【００４２】次に、絶縁基板１ｂは、幅 1.4cm，長さ27
cm，厚さ１mmの窒化アルミニウム（ＡＬＮ）を母材と
し、前述の超電導体１ａを蒸着する面には、超電導体１
ａの膜の組織性の規則性を維持するバッファ層として、
厚さが数μｍ以下のイットリア安定化ジルコニア（ＹＳ
Ｚ）セラミックス層が形成されている。この絶縁基板１
ｂの特性は、表１に示すように、熱伝導率λｂは 200Ｗ
／ｍ・Ｋ、比熱Ｃｂは 0.2Ｊ／cm³・Ｋ、熱容量ＨＣｂ
は 0.5Ｊ／Ｋとなっている。

【００４３】ヒータ１ｃは、幅１cm、長さ27cm、厚さ
0.01cm で、前述した図２（ｃ）で示すように、通電経
路が蛇行して長くなるように両側から溝が等間隔に加工
された高固有抵抗金属（コンスタンタン）が用いられて
いる。

【００４４】このヒータ１ｃの特性は、表１に示すよう
に、抵抗率ρ_hは43μΩ−cm、抵抗値Ｒ_hは 0.325Ω、
熱伝導率λ_hは20Ｗ／ｍ・Ｋ、比熱Ｃ_hは１Ｊ／cm³・
Ｋ、熱容量ＨＣ_hは 0.25 Ｊ／Ｋとなっている。

【００４５】なお、このようなシート状酸化物の超電導
体１ａは、レーザーアブレーション法と称する製法で製
作される。また、ヒータ１ｃを基板１ｂ（窒化アルミニ
ウム）へ接合し任意のパターンを形成することも、熱拡
散接合法など既存技術により形成されるが、ここでは詳
細な説明を省く。

【００４６】次に、このように構成された超電導限流素
子を、図１に示す回路に組み込んだ超電導限流器の作用
について説明する。図１において、電源11の電圧は、表
１にも示すようにＡＣ 400Ｖ−50Hz、負荷13の抵抗値Ｒ
は12Ω、線路14の抵抗値Ｒ_Lは 0.01 Ω、並列抵抗22の
抵抗値は 1.2Ωとする。

【００４７】本発明の超電導限流器が運転状態に入るに
は、限流素子を図示しない冷凍機によって常温から77Ｋ
まで冷却する過程が必要となるが、この冷却過程で、セ
ラミックスである絶縁基板１ｂと金属製のヒータ１ｃ間
に熱膨張係数の差による応力が発生する。すなわち、ヒ
ータ１ｃの収縮量が絶縁基板１ｂの収縮量よりも大きい
ため、絶縁基板１ｂを湾曲させようとする応力が生じ
る。

【００４８】ヒータ１ｃに施された溝１ｃ₁の第１の作
用は、ヒータの熱収縮時応力を極度に低下させること
で、絶縁基板１ｂに変形や歪を生じさせないことにあ
る。冷凍機によって限流素子１が77Ｋまで冷却される
と、超電導限流器への通電が可能となる。

【００４９】図５は、定常時及び短絡事故時における本
発明の第１の実施例の作用を示すグラフである。真空遮
断器12が定常時に投入されると、回路には最大値が回路
電圧の最大値Ｅｍと回路の全抵抗Ｒ_Oとの比で決まる負
荷電流が流れる。

【００５０】限流素子１の合成抵抗値は、超電導体１ａ
が超電導状態にあるから０Ωとなっており、回路には負
荷13の抵抗分（Ｒ）と線路抵抗14の抵抗分（Ｒ_L）だけ
が存在する。したがって、このときの回路電流の最大値
は式（２）に示すように、ｉ＝Ｅｍ／Ｒ_O ・・・（２）＝Ｅｍ／（Ｒ＋Ｒ_L）＝ 566／12.01 ＝47Ａとなり、超電導体１ａの最小臨界電流値（50Ａ）以下に
なることから、この限流素子は、図５（ｅ）に示すよう
に、超電導状態（抵抗ゼロ）を維持し、図５（ａ）に示
すように、正常に負荷13に電流を供給し続ける。

【００５１】このような定常状態において問題となるの
が、ヒータ１ｃに流れる渦電流による損失で発生する熱
である。ヒータ１ｃに形成された溝１ｃ₁の第２の作用
は、この渦電流による損失の低減である。すなわち、超
電導体１ａに流れる電流で発生する磁束線は、ヒータ１
ｃ内を貫通することから、その磁束線を打ち消す方向に
ヒータ１ｃ内に渦電流が流れる。

【００５２】この渦電流による損失の値Ｐｅは、式
（３）に示すように、ヒータ貫通磁束線量とその時間変
化割合とヒータの抵抗値によって決まる。Ｐｃ＝Ｅｅ²／Ｒｈ（Ｗ）・・・（３）ここで、Ｅｅ：超電導体電流によりヒータに誘起される電圧Ｅｅ＝ｄφ／ｄｔ（Ｖ）ｄφ：超電導体電流により生じ、且つ、ヒータの断面を
貫通する単位時間当たりの磁束線の量ｄｔ：上記磁束線の時間変化率Ｒｈ：ヒータの抵抗値（Ω）したがって、ヒータ１ｃに形成された溝により、ヒータ
の抵抗値を溝なしの場合の数倍〜数十倍に大きくできる
ので、それだけ、渦電流損失を低減できる。

【００５３】次に、負荷13に短絡事故が発生した場合の
限流素子の作用について説明する。今、回路の電圧及び
電流の位相が同相で負荷13に短絡事故が発生したとする
と、そのときの事故電流値は、電源電圧の最大値Ｅｍを
線路抵抗Ｒ_Lで除した値、すなわち、 566／ 0.01 ＝5
6,600（Ａ）に上昇しようとする。事故電流が超電導体
１ａの最小臨界電流値50Ａを超えると、超電導体１ａは
クエンチして図５（ｅ）に示すように瞬時に所定の抵抗
値に上昇する。

【００５４】このときの超電導体１ａの抵抗値は、超電
導体１ａの特性のばらつきにもよるが、全体の約10％
（実験値），12.5Ω程度となり、これにより事故電流は
図５（ａ）の曲線Ｉ₁に示すように限流される。

【００５５】クエンチセンサ22ａは、この超電導体１ａ
のクエンチを瞬時に検出してスイッチ22をオンにする。
スイッチ22は、先述したゲートターンオフサイリスタ
（ＧＴＯ）を使用した高速動作の双方向スイッチで、超
電導体１ａのクエンチが生じてから数十μｓｅｃ以内に
図５（ｂ）に示すようにオフ状態からオンする。この結
果、事故電流は図５（ｃ）に示すように並列に接続され
たヒータ１ｃにも分流する。この分流の実効値は式
（４）により求められる。

【００５６】

【数２】ここで、ｉｈ：ヒータ電流実効値（Ａｒｍｓ）ｔ：通電時間（ｓｅｃ）Ｉｍ：ヒータ電流の最大値（Ａ）Ｉｍ＝Ｅｍ／Ｒｈ＝ 566／ 0.325 ＝1742 Ａ ω ：電流の角速度 ω＝２・π・ｆ＝ 100・π （ｒａｄ／ｓｅｃ）ヒータ１ｃは 0.325Ωの抵抗体となっており、式（５）
に示すように転流した電流の実効値ｉ_hの２乗に比例し
たジュール発熱Ｐ_hを生じる。

【００５７】

【数３】Ｒｈ：ヒータ抵抗値（Ω）このヒータ１ｃによるジュール発熱Ｐｈによって、ヒー
タ１ｃ自身は勿論、絶縁基板１ｂと超電導体１ａの温度
は式（６）に示すように上昇する。

【００５８】

【数４】ＨＣ：ヒータ及び絶縁基板と超電導体の熱容量の合計
（Ｊ／Ｋ）ここで、ヒータ１ｃの発熱が超電導体１ａに伝導伝熱し
て超電導体１ａの温度が上昇する場合の熱時定数τは、
式（７）に示すとおりとなる。

【００５９】 τ＝ＨＣ・ＨＲ（ｓｅｃ）・・・（７）ＨＲ：超電導体１ａとヒータ間の熱抵抗（Ｋ／Ｗ）すなわち、超電導体１ａの最終温度上昇値は式（６）に
よって決定され、温度上昇の時間的速さは式（７）によ
り概略求められる。

【００６０】以下、以上の式（４），（５），（６），
（７）から、超電導体１ａの温度上昇値とその時間的な
速さを試算する。試算条件としては、短絡発生位相は０
度で、瞬時に超電導体１ａがクエンチし、スイッチ22も
瞬時（ほぼ、位相０度）にオン状態に制御されてヒータ
１ｃの発熱が開始、その後１ｍｓｅｃでスイッチがオフ
状態に制御されるものとする。

【００６１】まず、ヒータ１ｃへの転流電流の実効値を
式（４）により求めると、

【数５】

【００６２】次に、このときヒータ１ｃに生じるジュー
ル発熱Ｐ_hを式（５）により求めると、

【数６】但し、ｔ＝０．００１ｓｅｃこのヒータ１ｃのジュール発熱Ｐｈによる超電導体１ａ
の温度上昇値を式（６）により求めると、

【００６３】

【数７】但し、ｔ＝０．００１ｓｅｃで放熱はゼロと仮定ここで、ＨＣｅ：超電導体１ａの熱容量 0.00015（Ｊ／Ｋ）ＨＣｂ：絶縁基板１ｂの熱容量 0.5 （Ｊ／Ｋ）ＨＣｈ：ヒータ１ｃの熱容量 0.25 （Ｊ／Ｋ）

【００６４】超電導体１ａの温度上昇時熱時定数τは、
式（７）と式（８）から求められる。

【００６５】τ＝ＨＣ・ＨＲ＝ 0.75015・ 2.033×10^-3 ＝ 0.0015 （ｓｅｃ）ここで、ＨＲ＝１／（λａ・Ｓａ／Ｌａ）＋１／（λｂ・Ｓｂ／Ｌｂ）・・（８）＝１／（12・ 2.5×10^-3／１×10^-6）＋１／（ 200・ 2.5×10^-3／１×10^-3）＝ 2.033×10^-3 （Ｋ／Ｗ）

【００６６】また、 λａ：超電導体の熱伝導率：12 （Ｗ／ｍ・Ｋ）Ｓａ：超電導体の伝熱方向断面積： 2.5×10^-3（Ｗ／ｍ²）Ｌａ：超電導体の伝熱方向距離：１×10^-6 （ｍ） λｂ：絶縁ベースの熱伝導率： 200 （Ｗ／ｍ・Ｋ）Ｓｂ：絶縁ベースの伝熱方向断面積： 2.5×10^-3（Ｗ／ｍ²）Ｌｂ：絶縁ベースの伝熱方向距離：１×10^-3 （ｍ）

【００６７】次に、スイッチ22がオンした後、超電導体
１ａの温度が定常冷却時温度（77Ｋ）からオンセット温
度（90Ｋ）まで上昇するのに要する時間ｔを式（９）に
より求めると、以下のとおりとなる。

【００６８】ｔ＝−τ・ｌｏｇ_e（１−θ_ON／θｍ）・・・（９）＝− 1.2×10^-3・ｌｏｇ_e（１−13／43）＝ 0.00043 （ｓｅｃ）以上の結果をまとめると、回路に事故電流が流れると、
超電導体１ａは局部的にクエンチして図５（ｅ）に示す
ように12.5Ωの抵抗体となる。

【００６９】この超電導体１ａのクエンチ発生が検知さ
れると、スイッチ22が図５（ｂ）に示すように瞬時にオ
ンし、ヒータ１ｃにも図５（ｃ）に示すように事故電流
が分流する。すると、ヒータ１ｃは事故電流の転流によ
って発熱し、図５（ｄ）に示すように 0.43 ｍｓｅｃで
超電導体１ａの全体の温度をオンセット温度90Ｋまで上
昇させる。

【００７０】これにより、超電導体１ａの抵抗値は、図
５（ｅ）に示すように 125Ωまで上昇し、超電導体１ａ
の内部を流れる事故電流は部分クエンチ時（12.5Ω）の
約１／10に減少する。スイッチ22は、図５（ｂ）に示す
ように、オン動作してから約１ｍｓｅｃ後にスイッチ制
御ユニット22ａによってオフ状態に戻され、ヒータ１ｃ
の発熱はこの時点で停止する。

【００７１】以上の作用により、限流素子１を通過する
事故電流のピーク値は、事故発生後約１ｍｓｅｃを経過
した時点の超電導体１ａとヒータ１ｃを流れる電流の和
となり、次式に示すように 553Ａに限流される。

【００７２】ｉｅ(t) ＝Ｅｍ・Ｓｉｎωｔ／Ｒｅ(t) ＝ 566・Ｓｉｎ（２・π・50・ 0.001）／12.5 ＝ 175／12.5 ＝14 Ａ・・・（10）ｉｈ(t) ＝Ｅｍ・Ｓｉｎωｔ／Ｒｈ(t) ＝ 566・Ｓｉｎ（２・π・50・ 0.001）／ 0.325 ＝ 175／ 0.325 ＝ 539 Ａ・・・（11）ｉｏ(t) ＝ｉｅ(t) ＋ｉｈ(t) ＝14＋ 539 ＝ 553 Ａ・・・（12）

【００７３】この値は、限流素子１が接続されていない
場合の事故電流（ピーク値）56.6kAの約１／ 100とな
り、極めて大きな限流効果が得られる。これにより、超
電導体１ａを流れる事故電流Ｉ₁の値は、図５（ａ）に
示すようにさらに抑制され、超電導体１ａにかかる熱ス
トレスが軽減される。

【００７４】なお、並列抵抗23は、必ずしも必要ではな
いが、回路に誘導性負荷が接続されていた場合には、ス
イッチ22がオフしたときの急激な回路電流の減少による
サージ電圧の発生を抑制する。

【００７５】すなわち、並列抵抗23を省いた場合には、
スイッチ22がオフすると、事故電流は限流素子１によっ
て殆ど遮断状態となり、回路が誘導性の場合、高いサー
ジ電圧が発生する。並列抵抗33はこのような現象を防ぐ
とともに、事故発生後の最終限流電流ピーク値を 472Ａ
（ 566Ｖ／ 1.2Ω）に抑制する。

【００７６】また、同様の作用と効果を奏する手段とし
て、サージサプレッサ用非直線抵抗体やコンデンサと抵
抗を組み合わせたＣＲサプレッサなどを用いてもよい。
また、この実施例においては、スイッチ22も必ずしも必
要ではなく、ヒータ１ｃの定格を最適に設定することに
より並列抵抗23と同様に省略できる。

【００７７】このように事故電流が抑制された後、クエ
ンチセンサ22ｂの指令により遮断動作に入っていた真空
遮断器12の主接点が開極して、回路は完全に遮断され、
その後、限流素子１は図示しない冷凍機により冷却さ
れ、超電導状態に復帰する。

【００７８】したがって、このように構成された超電導
限流器においては、限流素子１に発生する損失を大幅に
減らすことができるので、この損失による温度上昇を抑
えることができる。

【００７９】すなわち、ヒータや並列抵抗が接続されて
いない従来の限流素子では、限流時のクエンチ抵抗値が
12.5Ωに留まることから、ＡＣ 400Ｖｒｍｓ−50Hzの回
路に適用し、真空遮断器が動作するまでの１／２サイク
ルの間限流を継続した場合の限流素子の損失は、式（1
3）に示すように 128Ｊとなる。Ｐｅ＝（Ｅ²／Ｒｅ）・ｔ＝（ 400²／12.5）・ 0.01 ＝ 128 （Ｊ）・・・（13）

【００８０】一方、超電導体１ａのクエンチ部分の発熱
を吸収する絶縁基板１ｂの実効熱容量は、クエンチ領域
の長さに比例することから、 0.05 Ｊ／Ｋ（10％長さ）
となる。このときの従来の限流素子のクエンチ部分の温
度上昇値は、式（14）に示すように2560Ｋにも達し、こ
のような場合、限流素子はクエンチ部分から確実に焼損
もしくは溶断する。 θｅ＝Ｐｅ／ＨＣ＝ 128／ 0.05 ＝2560 （Ｋ）・・・（14）

【００８１】これに対して、本発明の超電導限流器の限
流素子１の限流時の発生熱量は、式(15)，(16)，(17)に
示すように超電導体１ａが約13Ｊ，ヒータ１ｃが前述の
ように34Ｊとなり、合計45Ｊとなる。Ｐｅ＝（Ｅ²／Ｒｅ）・ｔ＝（ 400²／ 125）・ 0.01 ＝13 （Ｊ）・・・（15）Ｐｈ＝_０ ^ｔ（ｉｈ_(t) ²・Ｒｈ_(t)）ｄｔ＝ 312²・ 0.325・ 0.001 ＝32 （Ｊ）・・（16）但し、ｔ＝ 0.001ｓｅｃＰｏ＝Ｐｅ＋Ｐｈ＝45 ・・（17）

【００８２】この発熱は限流素子１の全体で吸収され、
その熱容量は 0.75015Ｊ／Ｋとなっている。したがっ
て、限流素子１の限流時の温度上昇値は、式（18）に示
すように約60Ｋとなり、限流素子１の特性劣化につなが
るようなストレスを与えるおそれはない。 θｅ＝Ｐｅ／ＨＣ＝45／ 0.75015 ＝60 （Ｋ）・・・（18）

【００８３】本発明の超電導限流素子の第２の効果は、
限流動作後の復帰時間が短縮することである。この種の
超電導限流器は、限流動作後に回路を遮断し、超電導体
１ａの発熱をゼロにした後、冷凍機で冷却され超電導状
態に復帰される。したがって、復帰時間の速さは、限流
時の限流素子の発生損失が少ないほど、また、冷却する
冷凍機の冷凍能力が大きいほど速くなる。

【００８４】仮に、限流素子の超電導復帰時間を１ｓｅ
ｃと規定すると、従来の限流素子では 256Ｗの冷凍機容
量が必要となるのに対して、本発明の超電導限流器で
は、60Ｗ（すなわち、４分の１以下）の冷凍機容量で対
応可能となる。

【００８５】したがって、本実施例によれば、冷凍機容
量の大幅な低減によって定常時の運転電力を節減できる
とともに、冷凍機の定格の低下による超電導限流装置の
小形化を図ることができる。

【００８６】前述した実施例では、ＡＣ 400Ｖ−50Ａ−
50Hz定格の限流素子単体の構成と作用について述べた
が、この限流素子を複数個、直列もしくは並列に組み合
わせることで、以下に述べるように、容易に高電圧で大
容量の超電導限流器を得ることができる。

【００８７】図６は、限流素子の通電容量を３倍にした
場合の超電導体１ａ、絶縁基板１ｂ及びヒータ１ｃの分
解図と組立図を示し、図２に対応する図である。また、
図７は、図６（ｄ）の組立図で示した限流素子の接続図
である。

【００８８】図６及び図７において、符号１ａは図２と
同様に超電導体、符号１ｂは同じく絶縁基板、符号１ｃ
は同じくヒータ、符号４ａは短絡板、符号４ｂは電極、
符号４ｃは絶縁層、符号４ｄは冷却板、符号Ｔｅ１，Ｔ
ｅ２は端子、符号Ｔｈ１，Ｔｈ２はヒータ端子、符号５
は冷凍機のコールドヘッドを示す。

【００８９】この実施例では、例えば、冷凍機のコール
ドヘッド５で冷却されるアルミニウム材から成る冷却板
４ｄの片面をポリイミド樹脂などの絶縁層４ｃで覆い、
この絶縁層４ｃの両側の位置に電極４ｂを埋設してあ
る。

【００９０】このように、共通の基板となる絶縁基板１
ｂの上に、３個の超電導体１ａを図６（ｄ）の矢視図を
示す図６（ｃ）に示すように平行かつ対象的に載置し、
これらの超電導体１ａの両端を電極４ｂに各々はんだ付
けすることで、３条の超電導体１ａを並列に接続する。

【００９１】その一方で、各ヒータ１ｃは、図６（ｄ）
のＤ矢視図を示す図６（ａ）に示すように短絡板４ａに
よって、直列となるよう接続する。したがって、本実施
例の超電導限流器では、図７に示すように接続すること
で、超電導体の通電容量とヒータの抵抗値を第１の実施
例の３倍とする。

【００９２】また、３個の超電導体１ａが事故電流によ
り部分的にクエンチした場合には、３個のヒータ１ｃが
同時に発熱して温度上昇し、各超電導体のクエンチ抵抗
値を最大にする。

【００９３】ここで、ヒータを直列にする理由は、前述
したように超電導限流器の適用電圧を高くした場合のた
めである。すなわち、超電導限流器が適用される回路の
電圧が上ると、限流動作時におけるヒータ消費エネルギ
は電圧の２乗に、また、ヒータ電流値は電圧に比例して
増える。

【００９４】したがって、超電導限流器の適用電圧の範
囲を広げるためには、超電導体のクエンチ抵抗値を高め
る必要があるだけでなく、ヒータ抵抗値の値も高めて限
流時におけるヒータの消費エネルギとヒータの電流値
（通過事故電流波高値）を適度に抑制する必要がある。

【００９５】この目的を奏する手段の一つが本実施例で
あり、ヒータの材料の固有抵抗値やヒータ断面積（板
厚）の限界を超えて、限流素子の適用電圧の範囲を広げ
ることができる。

【００９６】ヒータを直列に構成する他の目的は、適用
電圧がさらに高くなって、複数の超電導限流器のユニッ
トを、直列に構成する必要が生じた場合における各限流
器のユニットのクエンチの発生タイミングを極力揃える
ことである。

【００９７】図８（ａ）は、図６に示した限流器ユニッ
トを３個直列に構成した第３の実施例である。図８
（ａ）において、（ａ）はスイッチ22を使用しないで限
流器ユニットを直列構成した例であり、符号ＣＬＤ１〜
ＣＬＤ３は限流器ユニットのデバイス番号、符号１ａは
超電導体、符号１ｃはヒータを表す。

【００９８】この実施例では、各々臨界電流値の異なる
複数の限流器ユニットＣＬＤ１〜ＣＬＤ３が直列に接続
されており、各ユニットの臨界電流の値は、電源側に接
続された限流器ユニットＣＬＤ１が最小で、負荷側に接
続された限流器ユニットＣＬＤ３が最大となっている。

【００９９】今、図８（ａ）で示す回路に対して、限流
器ユニットの定格を超えた事故電流が流れると、最も臨
界電流値の低い限流器ユニットＣＬＤ１の各超電導体１
ａのみが、まずクエンチして事故電流を僅かに限流す
る。

【０１００】その結果、事故電流は各ヒータ１ｃにそれ
ぞれ転流するが、このときの転流電流値の合成値は、限
流器ユニットＣＬＤ２，ＣＬＤ３の臨界電流値以上とな
るように、ヒータ１ｃの抵抗値が定められていることか
ら、限流器ユニットＣＬＤ２が所定の時間遅れをもって
クエンチし、次いで、限流器ユニットＣＬＤ３もクエン
チに至る。

【０１０１】すなわち、どのような条件の部分にクエン
チが生じた場合においても、ヒータに分流する電流値の
最大値が、構成されるすべての超電導体の臨界電流値の
最大値以上となるようにヒータの抵抗値を決定しておく
ことで、すべての限流器ユニットは時間遅れを伴いなが
らも、順次クエンチする。なお、図８（ａ）に示した限
流器ユニットＣＬＤ１，ＣＬＤ２，ＣＬＤ３の配置は、
臨界電流が最小の限流器ユニットＣＬＤ１を電源側とし
たが、順序はランダムでもよい。

【０１０２】次に、第４の実施例について図８（ｂ）を
参照して説明する。本実施例では、各限流器ユニットの
超電導体のみ、或いはヒータのみを各々直列に接続し、
両端で超電導体回路とヒータ回路を並列に接続してい
る。

【０１０３】今、この回路に事故電流が流れると、最も
臨界電流値の小さい限流器ユニットＣＬＤ１の各超電導
体１ａのみが最初にクエンチする。このクエンチにより
超電導体回路を流れていた事故電流は急激に抑制され、
他の限流器ユニットＣＬＤ２，ＣＬＤ３の超電導体は超
電導状態を維持する。

【０１０４】しかし、限流器ユニットＣＬＤ１のクエン
チ発生と同時に、これと並列に接続されているヒータ回
路にも事故電流が分流することから、すべてのヒータが
同時発熱して、瞬時にすべての超電導体の大部分の領域
をクエンチさせる。

【０１０５】これにより、超電導体中を流れる事故電流
の値は極めて小さいものとなり、限流時損失の低減と限
流素子の劣化や焼損を防止することができる。ヒータ電
流は、このような作用を行った後、スイッチ22によって
遮断される。

【０１０６】なお、スイッチ22は図８（ｂ）に示したよ
うに、すべてのヒータ回路に１個用いる方法でも、ま
た、限流器ユニット毎に、或いは直列数や適用電圧に応
じて任意の数を用いてもよい。

【０１０７】この実施例では、冷却板の材料を金属板と
したが、必要によって冷却板に任意パターンのスリット
加工を施したり、素材をセラミックもしくは樹脂などの
絶縁材料にして、定常通電時における渦電流損失の低減
を図るとともに、絶縁強度を高めてもよい。

【０１０８】次に、第５の実施例を図９の接続図を参照
して説明する。図９において、図１と異なるところは、
ヒータ１ｃの負荷側に対してコンデンサ32が直列に接続
されており、図１に示したクエンチセンサ22ａ，22ｂ、
制御ユニット22ｃ、並列抵抗23は接続されていない。な
お、超電導体１ａ，絶縁基板１ｂとヒータ１ｃの組立及
び短絡板１ｄによる接続構造は、図２で示した第１の実
施例と同一である。

【０１０９】このように構成された超電導限流器におい
ても、第１の実施例と同様に、定常時において、回路電
流は抵抗ゼロの超電導体１ａを経て負荷13に損失なく給
電される一方、負荷短絡などの事故が発生して回路に過
電流が流れると、超電導体１ａがクエンチして高抵抗体
となり、事故電流を抑制する。

【０１１０】その際、超電導体１ａのクエンチ領域は臨
界電流値の低い部分のみとなり、超電導体全体には及ば
ない。しかし、超電導体１ａのクエンチによって超電導
体の両端には抵抗に比例した電圧降下が生じ、事故電流
は、図10（ｂ）に示すようにヒータ１ｃとコンデンサ22
の直列回路側にも転流する。

【０１１１】この転流電流によって、ヒータ１ｃは全体
に亘って一様に発熱する。ヒータ１ｃの発熱によって、
超電導体１ａの全体温度は短時間の内に図10（ｃ）に示
すようにオンセット温度まで上昇し、超電導体はその全
長に亘ってクエンチしてさらに抵抗値が上昇する。

【０１１２】その結果、超電導体１ａを流れる事故電流
値は、図10（ａ）の実線で示すように極めて小さな値に
抑制される。真空遮断器12は、限流器の作動を受けて、
所定の値に限流された状態の回路を遮断する。

【０１１３】真空遮断器12による遮断が完了すると、超
電導体１ａ及びヒータ１ｃの発熱は消滅し、これらの素
子は図示しない冷凍機によって冷却され、初期温度（定
常状態）に復帰する。この図９において、超電導体１ａ
に流れる過電流の値は、式（19）に示すように超電導体
１ａのクエンチ発生位相と回路条件により決まる。

【０１１４】ｉｈ＝ｉｍｓｉｎ（ωｔ＋θ＋φ）＋｛Ｉｍ′ｓｉｎθ−Ｉｍｓｉｎ（θ＋φ）｝・ε^-t/(rC)…(19) ここで、Ｉｍ：最大定常電流Ｉｍ＝Ｖｍ／ｒ²＋（１／εＣ）² （Ａ）Ｖｍ：回路の最大電圧 ω ：電流の角周波数 ω＝２πｆ（ｒａｄ／ｓｅｃ）ｆ：周波数ｒ：ヒータ抵抗値（Ω）Ｃ：コンデンサ容量（Ｆ） θ ：クエンチ発生瞬時の回路電圧位相角 φ ：電圧に対する電流の位相差（回路力率） φ＝ｔａｎ^-1（１／ωＣ・ｒ）Ｉｍ′：最大過渡電流Ｉｍ′＝Ｖｍ／ｒ（Ａ） ε ：自然対数の底 ε＝ 2.718

【０１１５】ヒータ１ｃは抵抗体となっており、第１の
実施例で示した式（５）に示すように、転流電流の実効
値ｉ_hの２乗に比例したジュール熱Ｐ_hを生じる。ここ
でコンデンサ22は、超電導体１ａが部分クエンチした直
後のヒータ電流値のピーク値を高めて超電導体の温度上
昇を速める作用と、超電導体全体がクエンチした後のヒ
ータ回路のインピーダンスを高めることで、ヒータの不
必要な発熱を抑制する。また、ヒータ１ｃとコンデンサ
32の直列回路は、超電導体１ａがクエンチして限流作用
を行う際に生じる過電圧を抑制するサージサプレッサと
しても作用する。

【０１１６】

【発明の効果】以上、本発明によれば、過電流が通電さ
れる超電導被膜が片側に形成され超電導被膜と並列に接
続される電熱板が他側に隣接された絶縁板を備えること
で、過電流が超電導被膜に流れてこの超電導被膜がクエ
ンチすると、このクエンチにより電熱板に分流した電流
によって、電熱板の温度を均一に上昇させ、この電熱板
で発生した熱を、超電導被膜全体に絶縁板を介して均一
に伝達させ、超電導被膜を全体に亘って均一にクエンチ
させたので、過電流による超電導限流素子の局部的な温
度上昇を防ぎ、復帰時間を短縮することのできる超電導
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第１の実施例を示す接
続図。

【図２】図１の超電導限流器に組み込まれる限流素子を
示す図で、（ａ）は超電導体、（ｂ）は絶縁基板、
（ｃ）はヒータ、（ｄ）は限流素子の全体組立図を示
す。

【図３】本発明の超電導限流器に採用した超電導体の温
度と臨界電流密度との関係を示すグラフ。

【図４】本発明の超電導限流器に採用した超電導体の温
度に対する固有抵抗の変化を示すグラフ。

【図５】本発明の第１の実施例の作用を示すグラフ。

【図６】本発明の超電導限流器の第２の実施例に組み込
まれる限流素子を示す図で、（ａ）はヒータ、（ｂ）は
絶縁基板、（ｃ）は限流素子の部分組立図、（ｄ）は限
流素子の全体組立図。

【図７】本発明の超電導限流器の第２の実施例を示す部
分接続図。

【図８】（ａ）は本発明の超電導限流器の第３の実施例
を示す部分接続図、（ｂ）は本発明の超電導限流器の第
４の実施例を示す部分接続図。

【図９】本発明の超電導限流器の第５の実施例を示す接
続図。

【図１０】本発明の超電導限流器の第５の実施例の作用
を示すグラフ。

【図１１】従来の超電導限流器の一例を示す斜視図。

【符号の説明】

１…限流素子、１ａ…超電導体、１ｂ…絶縁基板、１ｃ
…ヒータ、１ｄ…短絡板、５…コールドヘッド、11…電
源、12…真空遮断器、13…負荷、14…線路抵抗、22…半
導体スイッチ、22ａ…クエンチセンサ、22ｂ…変流器、
22ｃ…スイッチ制御ユニット、23…並列抵抗。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超電導被膜が片側に形成され前記超電導
被膜と並列に接続される電熱板が他側に隣接された絶縁
板を備えた超電導限流器。
【請求項２】超電導被膜のクエンチによって投入され
るスイッチを電熱板に直列に接続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】電熱板にコンデンサを直列に接続したこ
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】超電導被膜に並列抵抗器を接続し、この
並列抵抗器と前記超電導被膜との並列回路の電源側に遮
断器を直列に接続したことを特徴とする請求項１，２又
は請求項３に記載の超電導限流器。
【請求項５】超電導被膜に並列に接続されこの超電導
被膜のクエンチを検出し前記超電導被膜のクエンチによ
りスイッチをオンするクエンチ検出器と、電熱板に流れ
る電流を検出しこの電流があらかじめ設定した値を超え
ると前記スイッチをオフする電流検出器を備えた請求項
２又は請求項４に記載の超電導限流器。
【請求項６】絶縁板の片側に、超電導被膜の組織を整
えるバッファ層を形成したことを特徴とする請求項１乃
至５のいずれかに記載の超電導限流器。
【請求項７】電熱板に流れる電流を蛇行させる複数条
の溝を電熱板に形成したことを特徴とする請求項１乃至
６のいずれかに記載の超電導限流器。
【請求項８】超電導被膜を酸化物超電導材で形成した
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の超
電導限流器。
【請求項９】複数の超電導被膜が並列接続され複数の
電熱板が直列接続された複数のユニットを直列に接続
し、このユニットの電熱板群を直列に接続したことを特
徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の超電導限流
器。
【請求項１０】冷凍機で冷却される冷却板を絶縁層を
介して超電導被膜の外面に隣接したことを特徴とする請
求項１乃至９のいずれかに記載の超電導限流器。