JPH09233691A - 過電流保護装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 常電導コイルを用い、定常時においては無誘
導コイルとして動作させ、過電流が流れる異常時には自
己インダクタンスを発生させてリアクトルとして動作さ
せて、電路に流れる過電流を制限して過電流から電路を
保護する。 【解決手段】 電路Ｌに直列に接続されて所定の起磁力
を発生する第１のコイル１２ａと、この第１のコイルが
発生した起磁力と同程度で逆方向の起磁力を発生する第
２のコイル１２ｂと、第１のコイル１２ａと電路Ｌとの
間に直列に接続される正の抵抗温度係数を有する素子
（ＰＴＣ素子）１１とを備え、このＰＴＣ素子１１と第
１のコイル１２ａとの直列回路に並列に第２のコイル１
２ｂを接続する。ＰＴＣ素子１１に過電流が流れると、
ＰＴＣ素子１１の温度が上昇して抵抗値が増大し、各コ
イル１２ａ、１２ｂに生じる磁束のバランスが崩れて自
己インダクタンスを生じ、リアクトル動作して過電流を
防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、過電流保護装置に
係わり、特に送配電系統等の電路に流れる短絡電流ある
いは過負荷電流等の過電流から送配電系統を保護する過
電流保護装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、送配電系統に流れる短絡電流ある
いは過負荷電流等の過電流から送配電系統を保護するた
めに、超電導状態から常電導状態に転移する現象（クエ
ンチ現象）を利用した超電導限流器が提案されるように
なった。例えば、図６に示すように、所定の臨界電流値
を有する第１の超電導コイル６１と、第１の超電導コイ
ル６１よりも高い臨界電流値を有しかつ第１の超電導コ
イル６１とほぼ同程度で逆方向の起磁力を生じる第２の
超電導コイル６２とを備え、第１の超電導コイル６１に
対して第２の超電導コイル６２を並列に接続して超電導
限流器６０を構成している。

【０００３】このように超電導限流器６０を構成する
と、第１の超電導コイル６１および第２の超電導コイル
６２にそれぞれ流れる電流によってそれぞれのコイル６
１、６２に生じる磁束は相殺し合って無誘導状態とな
り、抵抗が零となって定常時の動作を行う。また、短絡
等の事故により電路に定格電流以上の過電流が流れる異
常発生時においては、臨界電流値が小さい第１の超電導
コイル６１は常電導転移（クエンチ）して高速に高抵抗
体となる。これによって全電流のほとんどは第２の超電
導コイル６２側に転流し、第２の超電導コイル６２は自
己インダクタンスを発生してリアクトルとして動作する
ようになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ように構成した超電導限流器においては、超電導状態と
するために液体窒素、液体ヘリウム等の冷却媒体を使用
して、超電導コイルを極めて低温に維持する低温維持装
置を設ける必要がある。このような低温維持装置を設け
ると、この種限流器が大型になるとともにその構造が複
雑になり、かつ高価になるという問題がある。そこで、
本発明は上記した問題点を解決するために、常電導コイ
ルを用いても、定常時においては無誘導コイルとして動
作させ、過電流が流れる異常時には自己インダクタンス
を発生させてリアクトルとして動作させ、電路に流れる
過電流を制限して過電流から電路を保護できるようにす
ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は電路に流れる過
電流を制限する過電流保護装置であって、上記課題を解
決するために、請求項１に記載の発明においては、電路
に直列に接続されて所定の起磁力を発生する第１のコイ
ルと、この第１のコイルが発生した起磁力と同程度で逆
方向の起磁力を発生する第２のコイルと、第１のコイル
と電路との間に直列に接続される正の抵抗温度係数を有
する素子とを備え、この正の抵抗温度係数を有する素子
と第１のコイルとの直列回路に並列に第２のコイルを接
続している。

【０００６】このように構成することにより、定常時に
おいては、正の抵抗温度係数を有する素子の常温での抵
抗値は小さいため、第１のコイルおよび第２のコイルの
それぞれに流れる電流によってそれぞれのコイルに生じ
る磁束は相殺し合って無誘導状態となる。一方、短絡等
の事故により定格電流以上の過電流が正の抵抗温度係数
を有する素子に流れる異常時には、過電流が流れたとき
に生じるジュール熱により素子の温度が上昇してこの素
子の抵抗値が増大し、この素子に直列に接続された第１
のコイルに流れる電流は抑制されて第２のコイルに流れ
る電流が増大する。すると、第１のコイルが発生する磁
束と第２のコイルが発生する磁束のバランスが崩れて自
己インダクタンスを発生し、リアクトルとして動作して
電路に流れる過電流を抑制（限流）することができる。

【０００７】また、請求項２に記載の発明においては、
上述の正の抵抗温度係数を有する素子としてＶ₂Ｏ₃系セ
ラミックスをハニカム構造に形成したものを用いるの
で、この素子に過電流が流れて素子の温度が上昇して
も、ハニカム構造は放熱面積が大きいために急速に放熱
して早期に常温の抵抗に戻ることとなり、限流動作後の
復帰が速くなる。

【０００８】さらに、請求項３に記載の発明において
は、上述のＶ₂Ｏ₃系セラミックスは常温抵抗率に対する
抵抗上昇率が２〜３桁であるＶ₂Ｏ₃−Ｃｒ₂Ｏ₃セラミッ
クスをハニカム構造に形成したものを用いるので、この
素子に定格電流以上の過電流が流れても、ＮＴＣ（負の
抵抗温度係数）領域に至るまでに温度上昇することがな
く、急激にその抵抗値が増大して、確実に第１のコイル
に流れる電流は抑制されて第２のコイルに流れる電流が
増大するようになる。

【０００９】

【発明の効果】請求項１に記載の発明においては、正の
抵抗温度係数を有する素子の常温での抵抗値は小さいた
め、この素子を電路に直接接続しても抵抗損失は小さ
く、定常時の電力損失を最小限にすることができ、電力
損失を伴うことなく過電流を防止することができるよう
になる。また、超電導コイルを用いないので、この種過
電流保護装置を小型にかつその構造を簡単に製造するこ
とができるようになるとともに、安価に製造することが
できるようになる。

【００１０】また、請求項２に記載の発明のように、Ｖ
₂Ｏ₃系セラミックスを用いれば、Ｖ₂Ｏ₃系セラミックス
はＢａＴｉＯ₃系セラミックスと比較して抵抗値が小さ
いため、断面積を小さくすることが可能となり、小型の
素子を使用することができて、この種過電流保護装置の
小型化が可能となる。また、ハニカム構造であるので、
冷却効率が向上し、この素子に大電流が流れて温度上昇
しても早期に冷却されて復帰動作が速くなり、この種過
電流保護装置の復帰性が向上する。

【００１１】さらに、請求項３に記載の発明のように、
常温抵抗率に対する抵抗上昇率が２〜３桁であるＶ₂Ｏ₃
−Ｃｒ₂Ｏ₃セラミックスをハニカム構造に形成したもの
用いれば、この素子に定格電流以上の過電流が流れて
も、ＮＴＣ（負の抵抗温度係数）領域に至るまでに温度
上昇をすることないため、温度上昇に基づく素子の破壊
を防止することができるようになる。また、過電流が流
れると確実にその抵抗値が増大するので、限流動作の応
答性が向上し、この種過電流保護装置の応答性が向上す
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に、図に基づいて本発明の過
電流保護装置の実施の形態を説明する。図１は本発明の
過電流保護装置を送配電系統の電路に直接接続して、こ
の電路に流れる過電流を制限する場合の一例を示す図で
ある。図１に示すように、本実施の形態の過電流保護装
置１０は電路Ｌを介して交流電源２０と負荷３０との間
に接続される。

【００１３】過電流保護装置１０は、温度が上昇するこ
とにより抵抗値が増大する正の抵抗温度係数を有する素
子（ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サー
ミスタ、以下、ＰＴＣ素子という）１１と、このＰＴＣ
素子１１に直列に接続される第１のコイル１２ａと、Ｐ
ＴＣ素子１１と第１のコイル１２ａとの直列回路に並列
に接続される第２のコイル１２ｂとからなる。第１のコ
イル１２ａと第２のコイル１２ｂはほぼ同一の強度の起
磁力を生じるように設定し、第１のコイル１２ａは第１
の方向（例えば、図１の左から右に右向きの方向）に巻
回し、第２のコイル１２ｂは第２の方向（例えば、図１
の左から右に左向きの方向）に巻回して、巻回方向が互
いに逆向きになるように配設して、起磁力の方向が互い
に逆向きとなるようにしている。これにより、第１のコ
イル１２ａと第２のコイル１２ｂとで無誘導コイル１２
が構成される。

【００１４】ＰＴＣ素子１１としては、その比抵抗が急
激に増大する温度（一般的には相転移温度という）が８
０℃〜２００℃程度のもので、常温での抵抗値が小さく
かつ相転移温度になると急激に抵抗値が増大するものを
用いることが好ましい。ここで、ＰＴＣ素子としては、
一般的には、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）系セラ
ミックスを用いることが知られているが、表１に示すよ
うに、Ｖ₂Ｏ₃系セラミックスはＢａＴｉＯ₃系セラミッ
クスより、常温抵抗率、抵抗上昇、機械的強度等の点で
ＰＴＣ素子として優れた特性を有することが明らかとな
ったので、本発明においてはＰＴＣ素子として、Ｖ₂Ｏ₃
系セラミックス、特にＶ₂Ｏ₃−Ｃｒ₂Ｏ₃セラミックスを
用いる。

【００１５】

【表１】

【００１６】このＶ₂Ｏ₃−Ｃｒ₂Ｏ₃系セラミックスから
なるＰＴＣ素子１１は、図２に示すように、その内部に
蜂の巣のように多くの空隙１１ａを有するハニカム構造
に形成したものを使用する。このようにハニカム構造に
形成したＶ₂Ｏ₃−Ｃｒ₂Ｏ₃セラミックスからなるＰＴＣ
素子１１の一例としては、図３の温度−比抵抗特性に示
すように、１３０℃程度の相転移温度で急激に比抵抗が
増大するＰＴＣ素子１１が得られる。

【００１７】ついで、上述のように構成した過電流保護
装置１０の動作を説明する。電路Ｌに定格電流以下の電
流が流れる定常時においては、ＰＴＣ素子１１の常温で
の抵抗値は小さいため、無誘導コイル１２の第１のコイ
ル１２ａおよび第２のコイル１２ｂにそれぞれＩ₁およ
びＩ₂の電流が流れる。これらのＩ₁およびＩ₂によって
それぞれのコイル１２ａおよび１２ｂに生じる磁束は相
殺し合って無誘導状態となる。このとき、ＰＴＣ素子１
１の抵抗値は小さいため、ＰＴＣ素子１１に流れる電流
により生じる電力損失は小さい。

【００１８】一方、短絡等の事故により定格電流以上の
過電流が電路Ｌに流れて、第１のコイル１２ａおよび第
２のコイル１２ｂにそれぞれ流れるＩ₁およびＩ₂の電流
が大きくなると、ジュール熱によりＰＴＣ素子１１は発
熱して温度が上昇する。ＰＴＣ素子１１の温度が上昇し
て、その温度が１３０℃を超すとＰＴＣ素子１１の比抵
抗は図３に示すように増大する。即ち、ＰＴＣ素子１１
の抵抗値が急激に増大することとなるので、ＰＴＣ素子
１１に直列に接続された第１のコイル１２ａに流れる電
流Ｉ₁は抑制されて第２のコイル１２ｂに流れる電流Ｉ₂
が増大する。これにより、第１のコイル１２ａが発生す
る磁束と第２のコイル１２ｂが発生する磁束のバランス
が崩れて、無誘導コイル１２は自己インダクタンスを発
生し、リアクトルとして動作するようになる。無誘導コ
イル１２がリアクトルとして動作するようになると、電
路Ｌに流れる過電流を抑制（限流）することができるよ
うになる。

【００１９】このとき、ＰＴＣ素子１１は上述の表１に
示すように、常温抵抗率に対する抵抗上昇が２〜３桁で
あってもハニカム構造に形成しており、過電流が第２の
コイル１２ｂに流れることにより、ＰＴＣ素子１１は負
の抵抗温度係数（ＮＴＣ（Negative Temperature Coeff
icient））領域に至るまでに温度上昇することがなり、
定格電流以上の過電流によりＰＴＣ素子１１が破壊され
ることがなくなる。このようにして無誘導コイル１２が
限流動作した後においては、過電流が第２のコイル１２
ｂに流れることや、ＰＴＣ素子１１が図２に示すような
空隙１１ａを有するハニカム構造となっているので、こ
の空隙１１ａを介してＰＴＣ素子１１は冷却されて、急
速に放熱して常温の抵抗値に戻ることとなる。したがっ
て、限流動作後の復帰が速くなる。

【００２０】図４は上述のように構成した過電流保護装
置１０を送配電系統の中性点Ｎと接地点との間の電路に
直接接続して、この電路に流れる過電流を制限する場合
の一例を示す図である。図４に示すように、送配電系統
のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の中性点Ｎと接地点との間の電路に
直接過電流保護装置１０を接続している。Ｕ相、Ｖ相、
Ｗ相のいずれかの相に短絡等の事故を生じた場合、これ
らの各相が不平衡になって中性点Ｎと接地点との間の電
路に過電流が流れる。しかしながら、中性点Ｎと接地点
との間の電路に直接過電流保護装置１０を接続している
と、上述したように、第１のコイル１２ａが発生する磁
束と第２のコイル１２ｂが発生する磁束のバランスが崩
れて、無誘導コイル１２は自己インダクタンスを発生
し、リアクトルとして動作するようになる。無誘導コイ
ル１２がリアクトルとして動作するようになると、中性
点Ｎと接地点との間の電路に流れる過電流を限流するこ
とができるようになる。

【００２１】図５は上述のように構成した過電流保護装
置１０を変圧器の並行運転での接続点間の電路に直接接
続して、事故点に流れる過電流を制限する場合の一例を
示す図である。この場合、図５に示すように、第１の電
路Ｌ₁より変圧器Ｔ₁を接続し、第２の電路Ｌ₂より変圧
器Ｔ₂を接続し、変圧器Ｔ₁の二次側のＡ点と変圧器Ｔ₂
の二次側のＢ点とを過電流保護装置１０介して接続して
いる。このように接続することにより、第１の電路Ｌ₁
より変圧器Ｔ₁を介して負荷４０、５０に電力が供給さ
れ、あるいは第２の電路Ｌ₂より変圧器Ｔ₂を介して負荷
４０、５０に電力が供給されて、負荷４０、５０への電
力の融通が図られることとなり、変圧器Ｔ₁、Ｔ₂の効率
的な運用がなされるようになる。

【００２２】ここで、Ａ点と負荷４０の間の点Ｃで短絡
事故が発生した場合、Ａ点とＢ点との間の電路に過電流
保護装置１０を設けない場合は事故点ＣにＩ₁＋Ｉ₂の短
絡電流が流れることとなるが、本発明の過電流保護装置
１０をＡ点とＢ点との間の電路に設けることにより、短
絡電流Ｉ₂は限流されるため、事故点Ｃには短絡電流Ｉ₁
のみ電流が流れ、事故点Ｃに流れる過電流を限流できる
ようになる。

【００２３】上述のように構成した本実施の形態におい
ては、ＰＴＣ素子１１として常温での抵抗値が小さいＶ
₂Ｏ₃−Ｃｒ₂Ｏ₃セラミックスを用いているため、このＰ
ＴＣ素子１１を電路に直接接続しても抵抗損失は小さく
なる。そのため、定常時の電力損失を最小限にすること
ができ、電力損失を伴うことなく過電流を防止すること
ができるようになる。また、超電導コイルを用いないの
で、この種過電流保護装置を小型にかつその構造を簡単
に製造することができるようになるとともに、安価に製
造することができるようになる。

【００２４】また、Ｖ₂Ｏ₃系セラミックスはＢａＴｉＯ
₃系セラミックスと比較して抵抗が小さいため、断面積
を小さくすることが可能となり、小型のＰＴＣ素子１１
を使用することができて、この種の過電流保護装置の小
型化が可能になるとともに、熱容量が小さく限流応答性
も良くなる。また、ハニカム構造であるので、冷却効率
が向上し、ＰＴＣ素子１１に大電流が流れてＰＴＣ素子
１１が温度上昇しても、ＮＴＣ領域に入ることを防ぐと
ともに早期に冷却されて常温に復帰するので、この種の
過電流保護装置の復帰性が向上する。さらに、過電流が
流れると確実にその抵抗値が増大するので、限流動作の
応答性が向上し、この種の過電流保護装置の応答性が向
上する。

【００２５】なお、上述の実施の形態においては、無誘
導コイル１２の第１のコイル１２ａおよび第２のコイル
１２ｂに鉄心を設けない例について説明したが、これら
の各コイル１２ａおよび１２ｂに鉄心を設けるようにす
ると、ＰＴＣ素子１１に過電流が流れて無誘導コイル１
２に自己インダクタンスが発生した場合に、大きな自己
インダクタンスが発生してリアクトル動作が向上するよ
うになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の過電流保護装置を送配電系統の電路
に直接接続する一例を示す図である。

【図２】 ハニカム構造に形成した本発明のＰＴＣ素子
を示す図である。

【図３】 本発明のＰＴＣ素子の温度−比抵抗特性を示
す図である。

【図４】 本発明の過電流保護装置を送配電系統の中性
点と接地点との電路に直接接続する一例を示す図であ
る。

【図５】 本発明の過電流保護装置を変圧器の並行運転
での接続点の電路に直接接続する一例を示す図である。

【図６】 従来例の超電導限流器を示す図である。

【符号の説明】

１０…過電流保護装置、１１…ＰＴＣ素子（正の抵抗温
度係数を有する素子）、１２…無誘導コイル、１２ａ…
第１のコイル、１２ｂ…第２のコイル、２０…負荷、３
０…電源

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電路に流れる過電流を制限する過電流保
   護装置であって、 前記電路に直列に接続されて所定の起磁力を発生する第
   １のコイルと、 同第１のコイルが発生した起磁力と同程度で逆方向の起
   磁力を発生する第２のコイルと、 前記第１のコイルと前記電路との間に直列に接続されて
   正の抵抗温度係数を有する素子とを備え、 前記正の抵抗温度係数を有する素子と前記第１のコイル
   との直列回路に並列に前記第２のコイルを接続したこと
   を特徴とする過電流保護装置。
2. 【請求項２】 前記正の抵抗温度係数を有する素子はＶ
   ₂Ｏ₃系セラミックスをハニカム構造に形成したものであ
   ることを特徴とする請求項１に記載の過電流保護装置。
3. 【請求項３】 前記Ｖ₂Ｏ₃系セラミックスは常温抵抗率
   に対する抵抗上昇率が２〜３桁であるＶ₂Ｏ₃−Ｃｒ₂Ｏ₃
   セラミックスをハニカム構造に形成したものであること
   を特徴とする請求項２に記載の過電流保護装置。