JPH10285792A - 限流装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】限流時において断熱槽内の圧力上昇を招かず、
しかも再閉路責務を十分に果たせる限流装置を提供す
る。 【解決手段】三相電力線路の各相Ｕ，Ｖ，Ｗに対応させ
て一相について３個ずつ３組に組分けされ、それぞれ臨
界電流を越える電流が流れたときに常電導転移する超電
導体３１を機能素子として組込んで構成された複数の限
流回路と、限流回路に１対１の関係に設けられた極低温
冷凍機３４と、固体伝熱路で構成され、対応関係にある
極低温冷凍機３４の冷却ステージと超電導体３１とを熱
的に接続して超電導体を臨界温度以下に冷却する伝熱路
と、各組に属する限流回路のうちの電力線路の各相に介
挿されている限流回路が限流動作を行ったとき、その限
流回路を電力線路から切り離し、各組毎に別の限流回路
を電力線路の対応する各相に介挿させる切換接続手段２
４，３０ａ，３０ｂ，３０ｃとを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、限流装置に係り、
特に、臨界電流を越える電流が流れたときに常電導転移
する超電導体の特性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、超電導体は、その材料固
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】このような超電導体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。超電導体の常電導転移現象を利用し
た限流装置は、抵抗動作型とリアクトル動作型とに分類
される。

【０００４】抵抗動作型では、電力線路に直列に所定の
長さの超電導体を挿設し、事故に起因して超電導体に臨
界電流値を越える電流が流れようとしたときに超電導体
を常電導転移させて抵抗を発生させ、この発生抵抗で事
故電流を抑制する。一方、リアクトル動作型では、電力
線路に直列にリアクトルを挿設するとともに、このリア
クトルと磁気的良結合状態に閉回路構成の超電導体を配
置する。そして、定常時には、リアクトルの作る磁束を
閉回路構成の超電導体に流れる遮蔽電流が作る磁束で打
ち消すことによってリアクトルを低インピーダンス化さ
せておき、事故に起因して超電導体に臨界電流値を越え
る電流が流れようとしたときに超電導体を常電導転移さ
せて抵抗を発生させ、この発生抵抗で遮蔽効果を低減さ
せてリアクトルを高インピーダンス化させ、この高イン
ピーダンスで事故電流を抑制する。

【０００５】ところで、このような従来の限流装置の主
要部は図８および図９に示すように構成されている。図
８には抵抗動作型を採用した従来の限流装置の主要部が
示されている。この抵抗動作型では超電導線を無誘導巻
した超電導コイル１そのものが限流回路、つまり限流素
子となる。この超電導コイル１が冷媒槽２に収容され、
冷媒３によって浸潰冷却される。超電導線としてＮｂＴ
ｉ、Ｎｂ₃ Ｓｎなどの金属系超電導線を用いた場合に
は、冷媒３として通常液体へリウムが使用される。ま
た、超電導線として臨界温度の高い酸化物超電導線を用
いた場合には、冷媒３として液体窒素等が使用される。
冷媒槽２は真空槽４内に収容されており、この状態で極
低温冷凍機５の冷却ステージによって冷却されて定常時
の熱負荷が補償される。すなわち、冷媒３の再注液の必
要性をなくしている。超電導コイル１の両端は、一対の
電流リード６の一端側にそれぞれ接続されており、これ
ら電流リード６の他端側は真空槽４の槽壁を絶縁状態に
貫通して外部に導かれ、図示しない電力線路に接続され
る。

【０００６】なお、図８に示す装置では、超電導線とし
てＮｂＴｉ、Ｎｂ₃ Ｓｎなどの金属系超電導線を用いて
おり、冷媒３として液体へリウムを用いている。このタ
イプでは、通常、電流リード６の途中を中間冷却ポート
７に熱的に接続し、この中間冷却ポート７を極低温冷凍
機５より到達温度の高い冷凍機８で冷却する方式を採用
している。また、冷媒槽２と真空槽４との間に熱シール
ド板９を配置し、この熱シールド板９も中間冷却ポート
７で冷却している。

【０００７】図９にはリアクトル動作型を採用した従来
の限流装置の主要部が示されている。このリアクトル動
作型では、電流リード１０を介して電力系統に直列に介
挿されるリアクトル１１と、このリアクトル１１に磁気
的良結合状態に配置されるとともに両端を短絡した誘導
巻構成の超電導コイル１２とで限流回路が構成される。
超電導コイル１２は冷媒槽１３に収容され、冷媒１４に
よって浸潰冷却される。超電導線としてＮｂＴｉ、Ｎｂ
₃ Ｓｎなどの金属系超電導線を用いた場合には、冷媒１
４として液体へリウムが使用される。また、超電導線と
して臨界温度の高い酸化物超電導線を用いた場合には、
冷媒１４として液体窒素等が使用される。冷媒槽１３は
真空槽１５内に収容されており、この状態で極低温冷凍
機１６の冷却ステージによって冷却されて定常時の熱負
荷が補償される。

【０００８】なお、図中１７は極低温冷凍機１６の中間
冷却ステージによって冷却される熱シールド板を示し、
１８は限流時にリアクトル１１のインピーダンスを高め
るための鉄心を示している。超電導体として酸化物超電
導体を用いる場合には、超電導コイル１２の代わりにバ
ルクの円筒を用いることもできる。

【０００９】しかしながら、主要部が上記のように構成
された従来の限流装置にあっては次のような問題があっ
た。すなわち、図８および図９に示す装置では、いずれ
のものも超電導コイル１（１２）に流れる電流のレベル
がコイルを構成している線材の臨界電流値を越えようと
したときに超電導コイル１（１２）が常電導転移して抵
抗を発生し、この発生抵抗によって限流動作が行われ
る。この常電導転移に際して、超電導コイル１（１２）
は莫大なエネルギを消費する。たとえば、抵抗動作型で
は、おおよそ次式で表されるなエネルギ消費量Ｑ_(J) と
なる。

【００１０】 Ｑ_(J) ＝Ｖ² ・τ／Ｒ …(1) ただし、Ｖは印加電圧、Ｒはクエンチ後の抵抗、τはク
エンチ発生から遮断器が開動作するまでの時間である。

【００１１】したがって、印加電圧を配電系の６．６ｋ
Ｖとし、抵抗Ｒを数Ω程度とし、τを１０ｍｓとして
も、消費エネルギは数１０ｋＪになる。この消費エネル
ギによって、たとえば冷媒３（１４）が液体ヘリウムの
場合には、２０リットル以上の液分が蒸発する。このよ
うに気化するときの体積膨張は約１０倍であるから、冷
媒槽２（１３）が密閉構造の場合には、大きな内圧上昇
が生じ、冷媒槽２（１３）内は数気圧の圧力に達する。

【００１２】このようなことから、従来の装置にあって
は、耐圧力性に富んだ強固な冷媒槽２（１３）、つまり
断熱容器を必要とする問題があった。この問題は、印加
電圧が高くなるほど、すなわち限流装置の適用箇所を幹
線に近い上流側にするほど深刻となる。

【００１３】また、上記問題に加えて、一旦、常電導転
移した超電導体が再び超電導状態へ戻るまでの復帰時間
が問題となる。電力系統に設けられる限流装置には、限
流動作後に系統へ再挿設されて次の限流動作に備える責
務（再閉路責務）がある。限流動作時点から再閉路する
までの時間は、配電系統では１分、基幹系統ではO.5秒
程度と極めて短い時間に設定される。したがって、常電
導に転移した超電導体が上記時間内に超電導状態に復帰
している必要がある。しかし、冷媒槽２（１３）内が数
気圧の状態というのは、たとえばヘリウムの場合を例に
とると、臨界温度をはるかに超えた状態である。このた
め、極低温冷凍機の冷却能力では、上述した時間内に超
電導状態に復帰させることが極めて困難である。

【００１４】そこで、復帰時間の短縮化を図るために、
抵抗動作型では冷媒槽２を大きしたり、あるいはクエン
チ後の発生抵抗を大きくして消費エネルギを抑えるため
に超電導線を長くしたりする方式が採用されているが、
装置の大型化を招くばかりか、製作コストの増加を招く
問題があった。一方、リアクトル動作型の場合には、限
流時のエネルギを真空槽１５の外側に位置している系統
や鉄心で消費させ得るので、冷媒槽１３内でのエネルギ
ー消費を抵抗動作型に比べて抑えることが可能である。
しかし、印加電圧が高くなれば、問題となることは同様
であった。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、超電導体
を冷媒槽内で浸潰冷却する構造の限流装置では、抵抗動
作型は勿論のこと、リアクトル動作型にあっても限流時
に消費する大きなエネルギで冷媒槽内の圧力上昇を招
き、高耐圧の冷媒槽を必要とするばかりか、このときの
温度上昇で限流装置としての再閉路責務を果たせないと
いう問題があった。そこで本発明は、限流時において断
熱槽内の圧力上昇を招かず、しかも再閉路責務を十分に
果たせる限流装置を提供することを目的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る限流装置では、臨界電流を越える電
流が流れたときに常電導転移する超電導体を機能素子と
して組込んで構成された限流回路と、極低温冷凍機と、
固体伝熱路もしくはヒートパイプで構成され、前記極低
温冷凍機の冷却ステージと前記超電導体とを熱的に接続
して上記超電導体を臨界温度以下に冷却する伝熱路とを
備えている。

【００１７】また、上記目的を達成するために、請求項
２に係る限流装置では、三相電力線路の各相に対応させ
て一相について複数ずつ３組に組分けされ、それぞれ臨
界電流を越える電流が流れたときに常電導転移する超電
導体を機能素子として組込んで構成された複数の限流回
路と、これら限流回路に１対１の関係に複数設けられた
極低温冷凍機と、固体伝熱路もしくはヒートパイプで構
成され、対応関係にある前記極低温冷凍機の冷却ステー
ジと前記超電導体とを熱的に接続して上記超電導体を臨
界温度以下に冷却する伝熱路と、前記各組に属する限流
回路のうちの前記三相電力線路の各相に介挿されている
限流回路が限流動作を行ったときにはこれら限流回路を
上記三相電力線路から切り離し、各組毎に別の限流回路
を上記三相電力線路の対応する各相に介挿させる切換接
続手段とを備えている。

【００１８】また、上記目的を達成するために、請求項
３に係る限流装置では、三相電力線路の三相分に対応さ
せて３つずつ複数組に組分けされ、それぞれ臨界電流を
越える電流が流れたときに常電導転移する超電導体を機
能素子として組込んで構成された複数の限流回路と、前
記各組に対応させて設けられた複数の極低温冷凍機と、
固体伝熱路もしくはヒートパイプで構成され、対応関係
にある前記極低温冷凍機の冷却ステージと３つの超電導
体とを熱的に接続して上記各超電導体を臨界温度以下に
冷却する伝熱路と、前記複数組のうちの前記三相電力線
路の各相に限流回路を１つずつ介挿している組の上記限
流回路が限流動作を行ったときには該組に属する限流回
路を上記三相電力線路から切り離し、別の組に属する３
つの限流回路を上記三相電力線路の各相に介挿させる切
換接続手段とを備えている。

【００１９】なお、請求項２または３の限流装置におい
て、前記限流回路が前記電力線路に介挿されているとき
と、介挿されていないスタンドバイ状態にあるときとで
前記極低温冷凍機の冷凍能力を変える冷凍能力可変手段
をさらに備えていることが好ましい。

【００２０】また、前記限流回路は、前記電力線路に直
列に介挿される前記超電導体の無誘導巻要素を含んでい
るものでもよい。また、前記限流回路は、前記電力線路
に直列に介挿されるリアクトルと、このリアクトルと磁
気的結合状態に配置された閉回路構成の超電導体とを含
んでいるものでもよい。

【００２１】また、前記超電導体は、金属系超電導体、
ビスマス系酸化物超電導体、イットリウム系酸化物超電
導体のいずれかで形成されていてもよい。請求項１，
２，３に係る限流装置は、いずれのものも限流回路に機
能素子として組込まれた超電導体を冷媒によって浸漬冷
却するのではなく、超電導体と極低温冷凍機の冷却ステ
ージとを固体伝熱路もしくはヒートパイプで構成された
伝熱路で熱的に接続して超電導体を臨界温度以下に冷却
する方式を採用している。つまり、冷媒槽をなくして冷
凍機直冷方式で超電導体を冷却している。このように、
限流時において(1) 式で表されるエネルギを冷媒の蒸発
潜熱で消費してはいないので、限流時に断熱容器内の圧
力上昇を招くことはない。

【００２２】ただし、(1) 式で表されるエネルギは、ほ
とんど超電導体のエンタルピで消費される。このため、
超電導体が臨界温度を越えてしまい、このままでは再閉
路責務を果たすことはできない。

【００２３】そこで、請求項２の限流装置では、三相電
力線路の各相に対応させて一相について複数ずつ３組に
組分けされた複数の限流回路を用意しておき、各組に属
する限流回路のうちの三相電力線路の各相に介挿されて
いる限流回路が限流動作を行ったときにはこれら限流回
路を三相電力線路から切り離し、各組毎に別の限流回路
を三相電力線路の対応する各相に介挿させるようにして
いる。また、請求項３の限流装置では、三相電力線路の
三相分に対応させて３つずつ複数組に組分けされた複数
の限流回路を用意しておき、三相電力線路の各相に限流
回路を１つずつ介挿している組の限流回路が限流動作を
行ったときには該組に属する限流回路を三相電力線路か
ら切り離し、別の組に属する３つの限流回路を三相電力
線路の各相に介挿させるようにしている。したがって、
限流動作が行われると、この限流動作を行った限流回路
が電力線路から切り離され、スタンドバイ状態にある別
の限流回路が電力線路に介挿されることになるので、限
流動作が行われた時点から短時間に再閉路責務を果たす
ことが可能となる。なお、電力線路から切り離された限
流回路に組込まれている超電導体は大きく温度上昇して
いるが、極低温冷凍機により再冷却され、やがて臨界温
度以下となってスタンドバイ状態に入る。このスタンド
バイ状態にある限流回路は、ほとんど熱負荷がないの
で、極低温冷凍機の冷凍能力を抑えておくことが有利で
ある。

【００２４】

【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、ここには三相電力系統を対象にした限流装
置のブロック構成図が示されている。

【００２５】すなわち、図中２１，２２，２３は、三相
電力系統を構成しているＵ相線路，Ｖ相線路，Ｗ相線路
を示している。これらＵ相線路２１，Ｖ相線路２２，Ｗ
相線路２３には、遮断器２４の各接点２５，２６，２７
が直列に介挿されている。なお、遮断器２４の投入動作
および遮断動作は、後述する制御装置４１からの指令に
よって行われる。

【００２６】各線路２１，２２，２３の接点２５，２
６，２７より下流側（負荷側）にはそれぞれ限流要素群
２８ａ，２８ｂ，２８ｃが介挿されている。限流要素群
２８ａ，２８ｂ，２８ｃは、それぞれ同一構成に形成さ
れており、限流要素群２８ａを例にとって説明すると、
次のように構成されている。すなわち、限流要素群２８
ａは、この例の場合、３つの限流装置ユニット２９ａ，
２９ｂ，２９ｃにそれぞれ直列に断路器３０ａ，３０
ｂ，３０ｃを接続し、これら３つの直列回路を並列に接
続したものとなっている。そして、後述する制御装置４
１からの指令によって断路器３０ａ，３０ｂ，３０ｃの
いずれか１つが“閉”、残りの２つが“開”に制御さ
れ、これによって“閉”状態にある断路器と直列に接続
されている限流装置ユニットが電力線路に直列に介挿さ
れる。

【００２７】限流装置ユニット２９ａ，２９ｂ，２９ｃ
は、それぞれ同一構成に形成されており、具体的には、
図２に示すように構成されている。この例に係る限流装
置ユニット２９ａ（２９ｂ，２９ｃ）は、抵抗動作型に
構成されている。すなわち、この抵抗動作型ではＮｂＴ
ｉ、Ｎｂ₃ Ｓｎなどの金属系超電導線やビスマス系酸化
物超電導線やイットリウム系酸化物超電導線を無誘導巻
した超電導コイル３１そのものが限流回路、つまり限流
素子となる。超電導コイル３１を構成している超電導線
としては、臨界電流値が系統の定格電流波高値の４倍程
度で、常電導転移したときに必要な抵抗を発生するのに
十分な長さのものが用いられている。なお、抵抗値が満
たされれば、コイル形状である必要はない。この超電導
コイル３１が断熱容器として機能する真空槽３２内に配
置されている。

【００２８】超電導コイル３１の外周面および端面に
は、伝熱路として機能する伝熱材３３が熱接触の良い状
態に装着されている。伝熱材３３を構成する材料として
は、熱伝導性の良好な銅、アルミニウムなどの金属でも
よいが、渦電流発熱を抑えるとともに絶縁処理の容易化
を図る意味から窒化アルミニウムやサファイアなどの電
気絶縁性の高いものがよい。

【００２９】一方、真空槽３２の上壁にはＧＭ冷凍機等
で構成された極低温冷凍機３４がその冷却ステージ３５
を真空槽３２内に位置させて取付けられている。そし
て、冷却ステージ３５と伝熱材３３とが機械的にも熱的
にも接続されている。なお、極低温冷凍機３４には、冷
却ステージ３５あるいは中間冷却ステージの温度Ｔを常
に監視し、この温度Ｔから現在必要な冷却能力を算出
し、算出された冷却能力が得られるように極低温冷凍機
３４の入力をインバータ等で制御する冷凍能力可変装置
４０が付設されている。

【００３０】超電導コイル３１の両端は、一対の電流リ
ード３６の一端側にそれぞれ接続されており、これら電
流リード３６の他端側は真空槽３２の槽壁を絶縁状態に
貫通して外部に導かれて電力線路に接続される。

【００３１】なお、この例では、電流リード３６の途中
位置を窒化アルミニウム等で形成された中間冷却ポート
３７に熱的に接続し、この中間冷却ポート３７を極低温
冷凍機３４より到達温度の高い冷凍機３８で冷却して電
流リード３６を介して侵入する熱を吸収する方式を採用
している。また、超電導コイル３１と真空槽３２との間
に熱シールド板３９を配置し、この熱シールド板３９を
中間冷却ポート３７で冷却する方式も採用している。

【００３２】遮断器２４の投入・遮断動作および各限流
要素群２８ａ，２８ｂ，２８ｃにおける断路器３０ａ，
３０ｂ，３０ｃの開閉動作は制御装置４１によって制御
される。この制御装置４１は、線路電流Ｉおよび線路電
圧Ｖの変化から短絡事故の発生を検知する。そして、検
知した時点からたとえば２０ｍｓ後に遮断器２４を遮断
動作させる。続いて、その時に線路に介挿されている限
流装置ユニットと直列に接続されている断路器を“開”
に制御することによって、線路に介挿されているその限
流装置ユニットを線路から切り離す。次に、別の限流装
置ユニットと直列に接続されている断路器を“閉”に制
御することによって、その別の限流装置ユニットを線路
に介挿し、この状態で遮断器２４を再投入させる。

【００３３】すなわち、この例では、三相電力線路の各
相に対応させて一相について３個ずつ３組に組分けされ
た合計９個の限流装置ユニットを用意しており、各組に
属する限流装置ユニットのうちの三相電力線路の各相に
介挿されている限流装置ユニットが限流動作を行ったと
きにはこれら限流装置ユニットを三相電力線路から切り
離し、各組毎に別の限流装置ユニットを三相電力線路の
対応する各相に介挿するようにしている。

【００３４】このような構成であると、限流要素群２８
ａ，２８ｂ，２８ｃに属する限流装置ユニット２９ａ，
２９ｂ，２９ｃの各超電導コイル３１は、１対１の関係
に設けられた極低温冷凍機３４によって臨界温度以下の
温度に冷却される。

【００３５】今、Ｕ相線路２１，Ｖ相線路２２，Ｗ相線
路２３に、限流要素群２８ａ，２８ｂ，２８ｃから選ば
れた各限流装置ユニット２９ａが各断路器３０ａを介し
てそれぞれ直列に介挿されているものとする。このと
き、限流要素群２８ａ，２８ｂ，２８ｃに属する他の限
流装置ユニット２９ｂ，２９ｃは、断路器３０ｂ，３０
ｃの“開”によって線路から切り離された状態に保持さ
れる。

【００３６】遮断器２４を投入すると、各線路電流は各
断路器３０ａおよび各限流装置ユニット２９ａを直列に
介して流れる。限流回路を構成している各超電導コイル
３１は、定常状態においてインピーダンスが零の状態を
維持する。このとき、真空槽３２内に侵入する熱は超電
導線の交流損失および電流リード３６からの侵入熱であ
り、これらは極低温冷凍機３４および冷凍機３８によっ
て取り除かれる。一方、線路から切り離されている限流
装置ユニット３０ｂ，３０ｃでは、交流損失がなく、単
に電流リード３６からの熱侵入だけである。したがっ
て、これらについては各冷凍能力可変装置４０の作用に
よって超電導コイル３１を臨界温度以下に保持できる最
小の入力条件となるように極低温冷凍機３４が運転制御
させる。

【００３７】電力系統に短絡事故が発生し、この事故電
流の波高値が超電導コイル３１を構成している線材の臨
界電流値を越えようとすると、超電導コイル３１がほと
んど瞬時に常電導に転移する。この常電導転移によって
各超電導コイル３１に大きな抵抗が発生し、この発生抵
抗によって事故電流が限流される。

【００３８】このように短絡事故が発生すると、線路電
流Ｉおよび線路電圧Ｖが変化する。制御装置４１は、線
路電流Ｉおよび線路電圧Ｖの変化から短絡事故の発生を
検知する。そして、制御装置４１は検知した時点から２
０ｍｓ後に遮断器２４を遮断動作させる。続いて、その
ときに各線路に介挿されている各限流装置ユニット２９
ａと直列に接続されている断路器３０ａを“開”に制御
し、各限流装置ユニット２９ａを各線路から切り離す。
次に、制御装置４１は限流装置ユニット２９ｂと直列に
接続されている断路器３０ｂを“閉”に制御し、続いて
遮断器２４を再投入させる。したがって、今度は各線路
に各限流装置ユニット２９ｂが直列に介挿され、再閉路
責務を果たすことになる。

【００３９】ここで、各線路から切り離された各限流装
置ユニット２９ａの超電導コイル３１は温度上昇してい
るが、極低温冷凍機３４により再冷却され、やがて臨界
温度以下となりスタンドバイ状態に入る。

【００４０】なお、アークによる短絡事故の場合には、
多くの場合、限流動作を伴う１回の遮断動作で線路を正
常状態に復帰させることことができる。しかし、固体に
よる短絡事故の場合には、限流動作を伴う遮断動作を何
回繰り返しても線路を正常状態に復帰させることことは
できない。そこで、制御装置４１は、３回の遮断動作を
限度にし、３回目の遮断動作を終了した時点で警報を出
力するとともに、遮断器２４の再投入を禁止している。

【００４１】このように、限流回路を構成している超電
導コイル３１を冷媒によって浸漬冷却するのではなく、
超電導コイル３１と極低温冷凍機３４の冷却ステージ３
５とを固体伝熱路である伝熱材３３で熱的に接続して超
電導コイル３１を臨界温度以下に冷却するようにしてい
る。すなわち、冷媒槽をなくして冷凍機直冷方式で超電
導コイル３１を冷却している。このように、(1) 式で表
されるエネルギを限流時に冷媒の蒸発潜熱で消費する構
成ではないので、真空槽３２内の圧力上昇を招くことは
なく、断熱容器の小型軽量化を図ることができる。

【００４２】また、限流時に(1) 式で表されるエネルギ
のほとんどを超電導コイル３１のエンタルピで消費させ
ることによる不利な面、すなわち超電導コイル３１が臨
界温度を越えてしまい、このままでは再閉路責務を果た
すことはできない点をスタンドバイ状態にある別の超電
導コイル３１に切換え接続する手法で解決している。し
たがって、限流動作が行われた時点から短時間にスタン
ドバイ状態にある別の超電導コイル３１を線路に介挿す
ることができるので、再閉路責務を十分に果たすことが
できる。

【００４３】なお、上述した例では、抵抗動作型の限流
装置ユニットを用いているが、これに代えて図３に示す
リアクトル動作型の限流装置ユニット５１を用いてもよ
い。このリアクトル動作型の限流装置ユニット５１は、
電流リード５２および前述した断路器を介して電力線路
に直列に介挿されるリアクトル５３と、このリアクトル
５３に磁気的良結合状態に配置されるとともに両端を短
絡した誘導巻構成の超電導コイル５４とで限流回路が構
成されている。

【００４４】超電導コイル５４の内周面および両端面に
は、伝熱路として機能する伝熱材５５が熱接触の良い状
態に装着されている。この伝熱材５５は、窒化アルミニ
ウムやサファイアなどのように電気絶縁性が高く、かつ
熱伝導性のよいもので形成されている。なお、超電導体
として酸化物超電導体を用いる場合には、超電導コイル
５４の代わりにバルクの円筒を用いることもできる。

【００４５】このように形成された超電導コイル５４が
断熱容器としての真空槽５６内に配置されている。真空
槽５６の図中上壁には冷却ステージ５７を真空槽５６内
に位置させる関係にＧＭ冷凍機等で構成された極低温冷
凍機５８が配置されている。そして、冷却ステージ５７
と伝熱材５５とが機械的、熱的に接続されている。な
お、極低温冷凍機５８には、冷却ステージ５７あるいは
中間冷却ステージの温度Ｔを常に監視し、この温度Ｔか
ら現在必要な冷却能力を算出し、算出された冷却能力が
得られるように極低温冷凍機５８の入力をインバータ等
で制御する図示しない冷凍能力可変装置が付設されてい
る。図中５９は熱シールド板を示し、この熱シールド板
５９は極低温冷凍機５８の中間冷却ステージに熱的に接
続されている。また、図中６０は限流時にリアクトル５
３のインピーダンスを高めるための鉄心を示している。

【００４６】このように構成されたリアクトル動作型の
限流装置ユニット５１を用いても、図２に示した抵抗動
作型の限流装置ユニットを用いた場合と全く効果を得る
ことができる。

【００４７】また、図１〜図３に示した例では、三相電
力線路の各相に対応させて一相について３個ずつ３組に
組分けされた限流装置ユニットを用意しておき、各組に
属する限流装置ユニットのうちの三相電力線路の各相に
介挿されている限流装置ユニットが限流動作を行ったと
きにはこれら限流装置ユニットを三相電力線路から切り
離し、各組毎に別の限流装置ユニットを三相電力線路の
対応する各相に介挿させるようにしていが、図４に示す
ように、三相電力線路の三相分を一単位とする限流装置
ユニット６１を複数用意しておき、三相電力線路に介挿
している限流装置ユニット６１が限流動作を行ったとき
には、該限流装置ユニット６１を三相電力線路から切り
離し、スタンドバイ状態にある別の限流装置ユニット６
１を三相電力線路に介挿させるようにしてよい。

【００４８】図４に示される限流装置ユニット６１は抵
抗動作型に構成されている。この例では、真空槽６２内
にそれぞれ無誘導巻構成のＵ相用超電導コイル６３，Ｖ
相用超電導コイル６４，Ｗ相用超電導コイル６５が配置
されている。これらの超電導コイル６３，６４，６５の
外周面および両端面には、固体伝熱路として機能する伝
熱材６６が熱接触の良い状態に装着されている。この伝
熱材６６は、窒化アルミニウムやサファイアなどのよう
に電気絶縁性が高く、かつ熱伝導性のよいもので形成さ
れている。そして、各伝熱材６６は、同じく固体伝熱路
として機能する伝熱材６７に機械的、熱的に接続されて
いる。

【００４９】真空槽６２の図中上壁には冷却ステージ６
８を真空槽６２内に位置させる関係にＧＭ冷凍機等で構
成された極低温冷凍機６９が配置されている。そして、
冷却ステージ６８と伝熱材６７とが機械的、熱的に接続
されている。なお、極低温冷凍機６９には、冷却ステー
ジ６７あるいは中間冷却ステージの温度Ｔを常に監視
し、この温度Ｔから現在必要な冷却能力を算出し、算出
された冷却能力が得られるように極低温冷凍機６９の入
力をインバータ等で制御する図示しない冷凍能力可変装
置が付設されている。

【００５０】超電導コイル６３，６４，６５の両端は、
それぞれ一対の電流リード７０の一端側に接続されてお
り、これら電流リード７０の他端側は真空槽６２の槽壁
を絶縁状態に貫通して外部に導かれて三相電力線路の各
相に接続される。

【００５１】この例では、各電流リード７０の途中位置
を窒化アルミニウム等で形成された中間冷却ポート７１
に熱的に接続し、この中間冷却ポート７１を極低温冷凍
機６９より到達温度の高い冷凍機７２で冷却して電流リ
ード７０を介して侵入する熱を吸収する方式を採用して
いる。また、各超電導コイル６３，６４，６５と真空槽
６２との間に熱シールド板７３を配置し、この熱シール
ド板７３を中間冷却ポート７１で冷却している。

【００５２】この例では１つの真空槽６２内に三相分の
超電導コイル６３，６４，６５を配置し、これらの超電
導コイルを１つの極低温冷凍機６９で臨界温度以下に冷
却する構成を一単位としているが、１つの真空槽を共用
し、この真空槽内に複数単位の要素を収容するようにし
てもよい。

【００５３】また、固体伝熱路の設け方としては、図２
および図４に示す例に限らず、図５に抵抗動作型の例で
示すように、外周面に巻溝が形成された巻枠８１，８２
に超電導線８３，８４を互いに逆向きに巻き、これらを
同心的に配置するとともに、並列接続して無誘導構成の
超電導コイル８５を構成し、さらに巻枠８１の内周面、
巻枠８１の外周面および巻枠８２の外周面に窒化アルミ
ニウムやサファイアなどのように電気絶縁性に富み、か
つ熱伝導性のよい材料で円筒状に形成された伝熱材８
６，８７，８８を当てがい、これらと巻枠との間に樹脂
を含浸して両者間の熱抵抗を低下させる構成を採用して
もよい。

【００５４】また、図６に示すように、超電導線８３，
８４の巻回された巻枠８１，８２の外周面をそれぞれ樹
脂層８９，９０で被覆し、これら樹脂層８９，９０中に
ループ型細管ヒートパイプ９１，９２を埋め込んで冷却
するようにしてもよい。なお、ループ型細管ヒートパイ
プ９１，９２は、極低温冷凍機の冷却ステージに熱的に
接続される。このループ型細管ヒートパイプ９１，９２
に代えて冷凍機のＪＴループなどの冷却回路配管そのも
のを埋め込んでもよい。いずれの場合にも、超電導コイ
ルから離れた箇所に電気絶縁継ぎ手を介在させることが
望ましい。また、図７に示すように、中心にループ型細
管ヒートパイプ等の冷却配管９３を有する超電導線８３
ａ，８４ａを用いてもよい。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
限流回路に機能素子として組込まれた超電導体を冷媒に
よって浸漬冷却するのではなく、超電導体と極低温冷凍
機の冷却ステージとを固体伝熱路もしくはヒートパイプ
で構成された伝熱路で熱的に接続して超電導体を臨界温
度以下に冷却する方式を採用している。したがって、限
流時のエネルギを冷媒の蒸発潜熱で消費する構成ではな
いので、断熱容器内の圧力上昇を招くことはなく、断熱
容器の小型軽量化を図ることができる。

【００５６】また、限流時におけるエネルギのほとんど
を超電導体のエンタルピで消費させることによる不利な
面、すなわち超電導体が臨界温度を越えてしまい、この
ままでは再閉路責務を果たすことはできない点をスタン
ドバイ状態にある別の超電導体に切換え接続する手法で
解決している。したがって、限流動作が行われた時点か
ら短時間にスタンドバイ状態にある別の超電導体を線路
に介挿することができるので、再閉路責務を十分に果た
すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る限流装置のブロック
構成図

【図２】同装置に組込まれた限流装置ユニットの概略構
成図

【図３】限流装置ユニットの変形例の概略構成図

【図４】限流装置ユニットのさらに別の変形例の概略構
成図

【図５】超電導コイルと極低温冷凍機の冷却ステージと
を熱的に接続する伝熱路の変形例を説明するための図

【図６】超電導コイルと極低温冷凍機の冷却ステージと
を熱的に接続する伝熱路のさらに別の変形例を説明する
ための図

【図７】超電導コイルと極低温冷凍機の冷却ステージと
を熱的に接続する伝熱路のさらに別の変形例を説明する
ための図

【図８】従来の限流装置の概略構成図

【図９】従来の別の限流装置の概略構成図

【符号の説明】

２１…Ｕ相線路 ２２…Ｖ相線路 ２３…Ｗ相線路 ２４…遮断器 ２５，２６，２７…接点 ２８ａ，２８ｂ，２８ｃ…限流要素群 ２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，５１，６１…限流装置ユニッ
ト ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ…断路器 ３１，６３，６４，６５，８５…無誘導巻の超電導コイ
ル ３２，５６，６２…真空槽 ３３，５５，６６，６７，８６，８７，８８…固体の伝
熱材 ３４，５８，６９…極低温冷凍機 ３５，６８…冷却ステージ ３６，５２，７０…電流リード ３７，７１…中間冷却ポート ３８，７２…冷凍機 ３９，５９，７３…熱シールド ４０…冷凍能力可変装置 ４１…制御装置 ８１，８２…巻枠 ８３，８３ａ，８４，８４ａ…超電導線 ８９，９０…樹脂層 ９１．９２…ループ型細管ヒートパイプ ９３…冷却配管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大熊 武 神奈川県横浜市鶴見区江ケ崎町４番１号 東京電力株式会社電力技術研究所内 (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 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 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 浦田 昌身 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】臨界電流を越える電流が流れたときに常電
   導転移する超電導体を機能素子として組込んで構成され
   た限流回路と、極低温冷凍機と、固体伝熱路もしくはヒ
   ートパイプで構成され、前記極低温冷凍機の冷却ステー
   ジと前記超電導体とを熱的に接続して上記超電導体を臨
   界温度以下に冷却する伝熱路とを具備してなることを特
   徴とする限流装置。
2. 【請求項２】三相電力線路の各相に対応させて一相につ
   いて複数ずつ３組に組分けされ、それぞれ臨界電流を越
   える電流が流れたときに常電導転移する超電導体を機能
   素子として組込んで構成された複数の限流回路と、これ
   ら限流回路に１対１の関係に複数設けられた極低温冷凍
   機と、固体伝熱路もしくはヒートパイプで構成され、対
   応関係にある前記極低温冷凍機の冷却ステージと前記超
   電導体とを熱的に接続して上記超電導体を臨界温度以下
   に冷却する伝熱路と、前記各組に属する限流回路のうち
   の前記三相電力線路の各相に介挿されている限流回路が
   限流動作を行ったときにはこれら限流回路を上記三相電
   力線路から切り離し、各組毎に別の限流回路を上記三相
   電力線路の対応する各相に介挿させる切換接続手段とを
   具備してなることを特徴とする限流装置。
3. 【請求項３】三相電力線路の三相分に対応させて３つず
   つ複数組に組分けされ、それぞれ臨界電流を越える電流
   が流れたときに常電導転移する超電導体を機能素子とし
   て組込んで構成された複数の限流回路と、前記各組に対
   応させて設けられた複数の極低温冷凍機と、固体伝熱路
   もしくはヒートパイプで構成され、対応関係にある前記
   極低温冷凍機の冷却ステージと３つの超電導体とを熱的
   に接続して上記各超電導体を臨界温度以下に冷却する伝
   熱路と、前記複数組のうちの前記三相電力線路の各相に
   限流回路を１つずつ介挿している組の上記限流回路が限
   流動作を行ったときには該組に属する限流回路を上記三
   相電力線路から切り離し、別の組に属する３つの限流回
   路を上記三相電力線路の各相に介挿させる切換接続手段
   とを具備してなることを特徴とする限流装置。
4. 【請求項４】前記限流回路が前記電力線路に介挿されて
   いるときと、介挿されていないスタンドバイ状態にある
   ときとで前記極低温冷凍機の冷凍能力を変える冷凍能力
   可変手段をさらに備えていることを特徴とする請求項２
   または３に記載の限流装置。
5. 【請求項５】前記限流回路は、前記電力線路に直列に介
   挿される前記超電導体の無誘導巻要素を含んでいること
   を特徴とする請求項１，２，３のいずれか１項に記載の
   限流装置。
6. 【請求項６】前記限流回路は、前記電力線路に直列に介
   挿されるリアクトルと、このリアクトルと磁気的結合状
   態に配置された閉回路構成の超電導体とを含んでいるこ
   とを特徴とする請求項１，２，３のいずれか１項に記載
   の限流装置。
7. 【請求項７】前記超電導体は、金属系超電導体、ビスマ
   ス系酸化物超電導体、イットリウム系酸化物超電導体の
   いずれかで形成されていることを特徴とする請求項１，
   ２，３，５，６のいずれか１項に記載の限流装置。