JPH09252147A

JPH09252147A - 限流装置

Info

Publication number: JPH09252147A
Application number: JP8057961A
Authority: JP
Inventors: Chikushi Hara; 築志原; Takeshi Okuma; 武大熊; Masahiko Nakade; 雅彦中出; Kenji Tazaki; 賢司田崎; Takashi Yazawa; 孝矢澤; Shiyunji Nomura; 俊自野村; Hideaki Maeda; 秀明前田; 和行 ▲鶴▼永; Kazuyuki Tsurunaga
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 1997-09-22

Abstract

(57)【要約】【課題】限流動作時に発生するジュール発熱を低減でき
るとともに定常運転時における交流損失を低減でき、超
電導線のクエンチ現象を利用したことによる特徴を最大
限に発揮できる限流装置を提供する。【解決手段】巻枠２３，２７に超電導線２５，２９を無
誘導巻構成に巻回してなる超電導コイル２１を備えた限
流装置において、超電導コイルを構成する超電導線２
５，２９が熱バリア層３１で被覆されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、交流電路の事故電
流を抑制する限流装置に係り、特に超電導線のクエンチ
現象を利用した限流装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、超電導線は、その線材固
有の臨界電流値を越える電流が流れようとすると、ほと
んど瞬時に常電導状態に転移（クエンチ）する。このよ
うに常電導状態に転移すると、今までの抵抗零の状態か
ら高抵抗状態へと切換わる。

【０００３】このような超電導線特有の現象に着目し、
この現象を電力系統で用いられる限流装置へ応用する試
みがなされている。超電導線のクエンチ現象を利用した
限流装置には、無誘導巻構成の超電導コイルを限流素子
として直接使用する抵抗動作型と、無誘導巻構成の超電
導コイルをトリガコイルとして用い、このトリガコイル
と並列に設けられたリアクトル等の限流素子に転流させ
て限流する転流動作型とがある。いずれのタイプも定常
状態においては電力系統の電流を無誘導巻構成の超電導
コイルに直接流す方式が採用される。

【０００４】図７には転流動作型の限流装置を実回路に
設けた例が示されている。交流電源１の両端間に、遮断
器２、限流装置本体３を介して負荷４が接続される。

【０００５】限流装置本体３は、たとえば超電導コイル
によって形成された限流コイル５と、この限流コイル５
の両端間に直列に接続された無誘導巻構成の超電導コイ
ル（以後、トリガコイルと呼称する）６およびスイッチ
７とで構成されている。トリガコイル６は、たとえば同
心円状に配置された２個の巻枠にそれぞれ巻方向を逆に
して超電導線を同一回数巻回してなる超電導コイル８
ａ，８ｂを並列に接続した構成となっている。限流コイ
ル５およびトリガコイル６は図示しないクライオスタッ
ト内に液体ヘリウムで代表される極低温冷媒液と一緒に
収容されている。

【０００６】なお、図中、９はクエンチセンサ、１１は
全電流を検出するための変流器、１２はトリガコイル６
のループ電流を検出するための変流器、１３は整流器、
１４はループ電流位相検出回路、１５は次に述べるトリ
ガコイル電圧位相検出回路を主回路に接離するためのス
イッチ、１６はトリガコイル電圧位相検出回路、１７は
トリガコイル６の電流および電圧の位相差を比較検出す
る位相比較器である。これらは限流装置の構成要素とし
て後述する関係に機能する。

【０００７】このような回路構成において、限流動作は
次のようにして行われる。まず、定常時における負荷電
流は、無誘導巻構成（インダクタンスが零）で抵抗が零
の状態にあるトリガコイル６を通して流れる。負荷４に
短絡などの事故が発生すると、過大な事故電流が回路に
流れようとする。電流のレベルが卜リガコイル６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６がクエンチして高抵抗体に切換わる。その結果、事
故電流が抑制され、トリガコイル６よりインピーダンス
の低い限流コイル５側へと電流が流れる。このとき、ト
リガコイル６の超電導線は常電導体となっているので、
発熱して冷媒を消費し続けると同時に、超電導線の温度
も上昇する。スイッチ７は、クエンチセンサ９の出力に
応動して電流がトリガコイル６から限流コイル５へ転流
した直後に開き、冷媒の蒸発を抑制すると同時に、トリ
ガコイル６の冷却速度を速めて超電導状態への復帰を助
ける。トリガコイル６の系統への再接続は、各位相検出
器１４、１６と比較器１７とによって判断され、系統の
事故が復旧したことおよびトリガコイル６を構成してい
る超電導線が超電導状態に復帰したことの２条件が揃っ
た時点でスイッチ７の投入によって行われる。

【０００８】超電導線のクエンチ現象を利用した限流装
置は、動作速度が１ミリ秒以下と極めて速く、短絡電流
のような急峻な立上がりをも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している。しかし、反
面、次のような課題も併せ持っている。

【０００９】すなわち、この種の限流装置は、超電導線
をクエンチさせる方式であるため、限流動作時に大きな
ジユール発熱Ｐj が生じる。その値は、電源電圧Ｖがー
定であるとすると、限流動作時にトリガコイル６に発生
する常電導抵抗（以下、クエンチ抵抗と呼称する）Ｒq
に反比例し、次式のように表される。

【００１０】Ｐj ＝（Ｖ² ／Ｒq ）ｔ［Ｊ］ …(1) ここで、ｔはクエンチ発生後の通電時間（sec)である。
上記(1) 式から判るように、クエンチ抵抗Ｒq が大きい
ほど、限流動作時における冷媒の消費量を抑えることが
でき、経済性を向上させることができる。

【００１１】クエンチ抵抗Ｒq を増大させるには、トリ
ガコイル６を構成している超電導線の長さを長くすれば
よい。しかし、定常運転しているときの交流損失はトリ
ガコイル６を構成している超電導線の長さに比例する。
このため、トリガコイル６を構成している超電導線の長
さを長くすることは、定常運転時における電力損失を少
なくする観点から好ましいことではない。したがって、
限流動作時の抵抗発生効率をできるだけ向上させ、トリ
ガコイル６を構成している超電導線を短くする工夫が必
要である。このような要望を満たすには、トリガコイル
６を構成している超電導線に流れる電流のレベルが臨界
電流値を越えようとしたとき、超電導線全体がクエンチ
して大きなクエンチ抵抗を発生させる必要がある。

【００１２】しかしながら、従来の限流装置にあって
は、トリガコイル６を構成している超電導線に流れる電
流のレベルが臨界電流値を越えようとしたとき、クエン
チする領域がトリガコイル６の一部にとどまり、トリガ
コイル全体が瞬時にクエンチすることは希であった。こ
のため、従来の限流装置では、限流動作時に必要なクエ
ンチ抵抗を確保するために、限流動作時における非クエ
ンチ部の長さを見越して、必要最小限の超電導線長（ト
リガコイル全体がクエンチしたときのクエンチ抵抗が必
要なレベルを満たす超電導線長）以上の長さの超電導線
でトリガコイル６を形成しており、この余分な長さの超
電導線が余分な交流損失を発生するという問題があっ
た。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、超電導線
のクエンチ現象を利用した従来の限流装置にあっては、
限流動作時に無誘導巻構成の超電導コイルにおいて必要
なクエンチ抵抗を発生させるために、本来必要としてい
る長さ以上の長さの超電導線を用いて無誘導巻構成の超
電導コイルを形成しているため、定常運転時における交
流損失が多いという問題があった。

【００１４】そこで本発明は、限流動作時に発生するジ
ュール発熱を低減できるとともに定常運転時における交
流損失を低減でき、超電導線のクエンチ現象を利用した
ことによる特徴を最大限に発揮できる限流装置を提供す
ることを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、巻枠に超電導線を無誘導巻構成に巻回し
てなる超電導コイルを備えた限流装置において、前記超
電導コイルを構成する前記超電導線が熱バリア層で被覆
されていることを特徴としている。

【００１６】なお、前記熱バリア層は、樹脂を主体に構
成されていることが好ましい。また、上記目的を達成す
るために、本発明は、巻枠に超電導線を無誘導巻構成に
巻回してなる超電導コイルを備えた限流装置において、
前記巻枠の少なくとも前記超電導線に接触する部分に、
使用温度下において熱容量あるいは熱伝導率の高い物質
を含む層が形成されていることを特徴としている。

【００１７】先に説明したように、超電導線のクエンチ
現象を利用した限流装置は、無誘導巻構成の超電導コイ
ルに流れる電流のレベルが超電導コイルを構成している
超電導線の臨界電流値を越えたときに動作し、その際に
発生する常電導抵抗で事故電流を限流させる。

【００１８】無誘導巻構成の超電導コイルが同一の超電
導線で巻かれている場合、この超電導線には臨界電流値
の分布がほとんど存在しないので、臨界電流値を越えた
ときには超電導線全体が同時にクエンチするはずであ
る。しかし、実際には、超電導線全体が同時にクエンチ
することは希で、ー部が局所的にクエンチする場合が多
い。

【００１９】この原因を調べた結果、次のようなことが
判明した。すなわち、無誘導巻構成の超電導コイルは、
通常、巻枠に超電導線を巻回した構成となっている。こ
のような無誘導巻構成の超電導コイルに過電流が流れよ
うとすると、この電流のレベルが超電導線の臨界電流値
に達する前に電磁力で超電導線が動き、そのときに巻枠
との間あるいは超電導線間に摩擦発熱が生じる。一般に
液体ヘリウム温度のような極低温下では物質の比熱は極
めて小さい。このため、僅かな摩擦発熱でも超電導線の
温度を常電導転移させる臨界温度まで上昇させてしま
う。このように、電磁力による超電導線の機械的な動き
（機械的擾乱）に伴う摩擦発熱が原因して超電導線の温
度を上昇させ、局部的にクエンチを起こさせることが判
った。

【００２０】本発明に係る限流装置では、無誘導巻構成
の超電導コイルを構成する超電導線が熱バリア層で被覆
されているので、この熱バリア層によって機械的擾乱部
で発生した熱が超電導線、具体的には超電導線内の超電
導フイラメントに拡散するまでの時間（熱拡散時間）を
引延ばすことができる。したがって、短絡事故開始から
限流動作開始までの時間（１ミリ秒以下）より熱バリア
層の熱拡散時間を長くすることによって、臨界電流値に
到達する前に局所的にクエンチが発生するのを防止で
き、常に臨界電流値で全体をクエンチさせることができ
る。

【００２１】すなわち、機械的擾乱によって超電導線と
巻枠との間に摩擦発熱が生じると、超電導線の表面が部
分的に加熱される。超電導線の表面に発生した熱は、超
電導フィラメントが存在する超電導線内部へ拡散する。
超電導フィラメントは拡散してくる熱により徐々に温度
上昇し、やがて超電導フィラメントの温度が、その臨界
温度を越えると、超電導線がクエンチする。機械的擾乱
が発生してから、超電導線がクエンチするまでには、熱
拡散で規定される有限の時間（熱拡散時間）が費やされ
る。熱拡散時間内では超電導線は超電導状態にあるた
め、限流動作は開始せず、電路に流れる事故電流のレベ
ルは上昇を続ける。したがって、熱拡散時間が長ければ
長いほど、上昇する短絡電流のレベルは大きくなる。熱
拡散時間が十分に長い場合、機械的擾乱に伴う発熱の熱
拡散によって超電導線がクエンチする以前に、事故電流
のレベルが超電導線の臨界電流値を越え、結局、超電導
線全体が同時にクエンチする。したがって、必要最小限
の超電導線長で最大の限流抵抗を得ることができる。

【００２２】熱拡散時間を長くするには、無誘導巻構成
の超電導コイルを構成する巻枠の少なくとも超電導線に
接触する部分に、使用温度下において熱容量あるいは熱
伝導率の高い物質を含む層を設けることによっても実現
できる。すなわち、機械的擾乱で発生した熱は、上記層
に含む熱容量あるいは熱伝導率の高い物質へと拡散し易
く、超電導線側へは拡散し難い。したがって、結果的に
超電導線側への熱拡散時間を長くすることができ、機械
的擾乱に伴う発熱で超電導線がクエンチするのを遅らせ
ることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施形態を説明する。図１には本発明の一実施形態に係
る限流装置における要部、ここには転流動作型の限流装
置に組込まれる無誘導巻構成のトリガコイル２１だけが
示されている。

【００２４】図中、２２は軸方向両端部にフランジ部を
有した巻枠本体を示している。この巻枠本体２２の外周
には第１の巻枠２３が装着されている。この第１の巻枠
２３の外周面には螺旋溝２４が所定ピッチに設けてあ
り、この螺旋溝２４によって保持されるように超電導線
２５が所定の張力で巻回されて内側コイル２６が形成さ
れている。

【００２５】内側コイル２６の外側には内側コイル２６
と同心円的に第２の巻枠２７が配置されている。この第
２の巻枠２７の外周面には溝２４とは螺旋の方向を逆に
した螺旋溝２８が所定ピッチに設けてあり、この螺旋溝
２８によって保持されるように超電導線２９が所定の張
力で巻回されて外側コイル３０が形成されている。

【００２６】そして、内側コイル２６と外側コイル３０
とは両端が短絡され、両コイル２６，３０に電流を流し
たとき、互いに発生する磁界を打ち消しあうような構成
になっている。

【００２７】ここで、内側コイル２６および外側コイル
３０を構成している超電導線２５，２９としては、臨界
温度、臨界電流等の特性が等しく、図２に拡大して示す
ように厚さ20μｍ以上の熱バリア層３１で被覆されたも
のが用いられている。熱バリア層３１は、たとえばポリ
エステル樹脂、エポキシ樹脂などのように極低温、たと
えば液体ヘリウム温度において熱拡散抵抗が比較的大き
い有機樹脂を超電導線の外表面に上記の厚みまで塗布し
半硬化させ、この状態で超電導線を巻枠に巻いた後に硬
化させることによって形成されている。

【００２８】このように構成されたトリガコイル２１
は、液体ヘリウムで代表される極低温冷媒液で浸漬冷却
された状態で図７に示すように結線されて使用される。
このように、内側コイル２６および外側コイル３０を構
成している超電導線２５，２９を熱バリア層３１で被覆
しているので、短絡事故に伴って電流レベルが上昇した
ときに超電導線２５，２９が電磁力によって動き、超電
導線２５，２９と第１および第２の巻枠２３，２７との
間に摩擦発熱が生じても、この熱は超電導線２５，２９
に直ぐには伝わらず、熱バリア層３１の熱拡散時間τを
経過した後に伝わる。

【００２９】この熱拡散時間τは、熱バリア層３１の熱
拡散係数をＤとし、熱バリア層３１の厚みをａとする
と、 τ＝（ 4ａ² ）／π² Ｄ …(2) で表される。

【００３０】したがって、今、短絡事故が発生した時点
から事故電流のレベルが超電導線２５，２９の臨界電流
値に達するまでの時間を100 μsec とし、上述した有機
樹脂の液体ヘリウム温度での熱拡散係数をＤ＝1.7 ×10
^-6（m ² ／sec)とすると、ａ＝( π² Ｄτ／4 ）^0.5 …(3) ＝20（μｍ）となる。

【００３１】つまり、熱バリア層３１の厚みａを20（μ
ｍ）以上にしておけば、機械的擾乱に起因して超電導線
２５，２９が局部的にクエンチする以前に、事故電流の
レベルを超電導線２５，２９の臨界電流値まで上昇させ
ることができ、臨界電流値に達した時点で超電導線２
５，２９の全体を同時にクエンチさせることができる。
なお、熱バリア層３１の厚みの最適値は、熱バリアの材
料や事故発生から臨界電流に達するまでの時間によって
変化するので、20（μｍ）に限定されるものではない。

【００３２】このように、内側コイル２６および外側コ
イル３０を構成している超電導線２５，２９の長さを必
要最小限（トリガコイル全体がクエンチしたときのクエ
ンチ抵抗が必要なレベルを満たす超電導線長）に抑えた
状態で効率よく必要なクエンチ抵抗を発生させることが
でき、限流動作時における冷媒消費量を抑制できるとと
もに定常運転時における交流損失を最少に抑えることが
できる。

【００３３】上述した例では、有機樹脂だけで熱バリア
層３１を形成しているが、図３に示すように超電導線２
５（２９）の外周にエポキシ樹脂とガラス繊維などから
なるプリプレグのテープ３２を半ラップに巻いて半硬化
させ、この状態で超電導線２５（２９）を各巻枠２３，
２７に巻いた後に硬化させることにより、上記テープ３
２で熱バリア層を形成してもよい。勿論、半ラップ巻き
に限定されるものではない。

【００３４】また、上述した構造では最終的に超電導線
の表面のエポキシ樹脂やフェノ一ル樹脂が巻枠と超電導
線とに接着した状態となるが、この接着部分が電磁力に
よって剥離し、この剥離が原因となってクエンチが生じ
るのを防ぐために、図４に示すように巻枠２３（２７）
の表面で超電導線２５（２９）に接触する部分に四弗化
エチレンなどからなる接着阻止層３３を設けてもよい。

【００３５】また、上述した各例は巻枠に巻き溝を設け
ているが、巻き溝のない場合にも適用できることは勿論
である。また、図５に示すように撚線構造の超電導線２
５ａ（２９ａ）を用いる場合には、超電導素線３４同士
の間に生じる電磁力によって素線３４が動き、この動き
で生じる発熱が原因となって局所的なクエンチが発生す
るのを防止するために、各素線３４を熱バリア層３１ａ
で被覆してもよい。熱バリア層３１ａとしては、フォル
マール、エステルイミドなどの被覆材や、エポキシ樹
脂、フェノール樹脂などの樹脂類の塗布層が好ましい。

【００３６】このように各素線３４を熱バリア層３１ａ
で被覆することによって、素線３４同士の摩擦によって
起こる発熱が素線３４の超電導フィラメントに伝わるま
での時間、つまり熱拡散時間を引き延ばすことができ
る。

【００３７】なお、図５に示す例では、各素線３４だけ
を熱バリア層３１ａで被覆しているが、これに加えて図
２に示すように超電導線２５ａ（２９ａ）全体をプリプ
レグテープなどで被覆してもよい。

【００３８】さらに、上述した各例では、超電導線を熱
バリア層で被覆し、これによって機械的擾乱に伴う発熱
の熱拡散時間を長くしているが、図６に示すように、巻
枠２３（２７）の少なくとも超電導線２５（２９）に接
触する部分に、使用温度下、たとえば液体ヘリウム温度
において熱容量の大きい物質３５、たとえばＥｒ₃ Ｎｉ
の粒などを含んだ有機樹脂層３６を設けてもよい。

【００３９】このような構成であると、機械的擾乱で発
生した熱は、有機樹脂層３６に含まれている熱容量の大
きな物質３５へ熱拡散し易く、超電導線２５（２９）側
へは拡散し難い。したがって、超電導線２５（２９）側
への熱拡散時間を長くすることができ、上述した各例と
同じ効果を発揮させることができる。

【００４０】なお、物質３５を銅やアルミニウムや窒化
アルミなどの熱伝導率の高い物質に代えても同様の効果
を発揮させることができる。また、上述した各例は、本
発明を転流動作型の限流装置におけるトリガコイルに適
用した例であるが、本発明は抵抗動作型の限流装置にも
適用できることは勿論である。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
無誘導巻構成の超電導コイルを必要最小限の長さの超電
導線で構成して必要なクエンチ抵抗を効率よく発生させ
ることができので、限流動作時における冷媒消費量を抑
制できるとともに定常時における交流損失を最少に抑え
ることができる。したがって、無誘導巻構成の超電導コ
イルを冷却する冷凍系のコンパクト化や省電力化に寄与
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る限流装置の要部
である無誘導巻構成の超電導コイルの縦断面図

【図２】同超電導コイルにおける巻枠と超電導線との接
触部を拡大して示す図

【図３】熱バリア層の別の形成形態を説明するための図

【図４】本発明の第２の実施形態に係る限流装置の要部
である無誘導巻構成の超電導コイルにおける巻枠と超電
導線との接触部を拡大して示す図

【図５】超電導線として撚線構造のものを用いる場合の
熱バリア層の形成形態の一例を説明するための図

【図６】本発明の第３の実施形態に係る限流装置の要部
である無誘導巻構成の超電導コイルにおける巻枠と超電
導線との接触部を拡大して示す図

【図７】転流動作型の限流装置を実回路に設けたときの
構成例を示す図

【符号の説明】

２１…無誘導巻構成のトリガコイル（超電導コイル）２３…第１の巻枠２４，２８…螺旋溝２５，２９，２５ａ，２９ａ…超電導線２６…内側コイル２７…第２の巻枠３０…外側コイル３１，３１ａ…熱バリア層３２…熱バリア層を形成するプリプレグテープ３３…接着阻止層３４…素線３５…熱容量の大きい物質３６…有機樹脂層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中出雅彦東京都千代田区内幸町一丁目１番３号東京電力株式会社内 (72)発明者田崎賢司神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者矢澤孝神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者野村俊自神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者前田秀明神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 ▲鶴▼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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】巻枠に超電導線を無誘導巻構成に巻回して
なる超電導コイルを備えた限流装置において、前記超電
導コイルを構成する前記超電導線が熱バリア層で被覆さ
れていることを特徴とする限流装置。
【請求項２】前記熱バリア層は、樹脂を主体に構成され
ていることを特徴とする請求項１に記載の限流装置。
【請求項３】巻枠に超電導線を無誘導巻構成に巻回して
なる超電導コイルを備えた限流装置において、前記巻枠
の少なくとも前記超電導線に接触する部分に、使用温度
下において熱容量あるいは熱伝導率の高い物質を含む層
が形成されていることを特徴とする限流装置。