JPH11146555A - 超電導限流装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、サイズやコストを増大させずに、
臨界電流値のばらつきによる部分クエンチを無くし、限
流素子の劣化や焼損の防止を図る。 【解決手段】 電源と負荷との間に直列に接続されて用
いられ、複数の限流素子を備えた超電導限流装置におい
て、各限流素子１４ａ〜１４ｄからなる回路に並列接続
され、サイリスタスイッチ１５、コンデンサ１６及びリ
アクトル１７からなるＬＣ直列共振回路と、コンデンサ
を常時充電するための充電器と、各限流素子からなる回
路の通過電流を検出し、この検出結果が所定値を超える
と、瞬時にサイリスタスイッチを所定時間ターンオンさ
せる過電流検出器１８とを設け、各限流素子の通過電流
が所定値を越えると、サイリスタスイッチのターンオン
により、予め充電されたコンデンサからＬＣ共振電流を
各限流素子に所定時間通電する超電導限流装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大電流電路に生じ
る事故電流を限流するための超電導限流装置に係り、特
に、抵抗作動形超電導限流素子のクエンチ制御を行なう
超電導限流装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】配電線等の交流電路では、３相短絡や地
絡事故が発生した場合、数十ｋＡにも及ぶ事故電流が流
れてしまう。この種の事故電流は、電力系統や機器に大
きなダメージを与えるため、可能な限り瞬時に抑制され
ることが望まれる。具体的な事故電流の抑制技術として
は、例えば特開昭６３−１０９１２９号公報に開示され
た超電導限流装置がある。

【０００３】図５は係る超電導限流装置の構成を示す模
式図である。この超電導限流装置は、電気的に直列又は
並列に接続された複数の酸化物超電導限流素子１（以
下、限流素子という）が絶縁スペーサ２により保持され
た構造を有し、例えば電源としての電力系統と、負荷と
しての機器との間に挿入されて用いられる。

【０００４】これにより、超電導限流装置は、限流素子
１の臨界電流値以下の電流に対しては零抵抗の超電導状
態を維持する一方、臨界電流値を超える過電流が流れる
と、限流素子１がクエンチして高抵抗体に転移し、過電
流を抑制する。なお、クエンチ後の抵抗の時間的上昇率
が急峻であるほど、優れた限流特性が得られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら以上のよ
うな超電導限流装置では、複数の限流素子間の臨界電流
値のばらつきにより、部分クエンチが発生する問題があ
る。なお、臨界電流値のばらつきとしては、例えば超電
導膜厚や熱処理条件などに起因する限流素子内部のばら
つきと、同一仕様で製造したロット内での限流素子個々
のばらつきとの２種類がある。

【０００６】超電導限流装置は電力系統や機器などを含
む大電流高電圧回路に適用されるため、限流素子の臨界
電流値のばらつきが大きいほど部分クエンチが激しくな
り、１素子にかかる限流時損失を増大させ、劣化や焼損
の可能性を増大させる問題が生じる。

【０００７】この問題を回避する観点から、限流素子の
並列数や直列数を増やして１素子にかかる限流時損失を
低減させる方法か、あるいは臨界電流値の均一な複数の
限流素子を選択して組合せる方法が考えられる。

【０００８】しかしながら前者の方法は余分な限流素子
を設けるため、装置全体のサイズを増大させる問題があ
る。また、後者の方法は製作歩留りを低下させるため、
コストを増大させる問題がある。

【０００９】本発明は上記実情を考慮してなされたもの
で、サイズやコストを増大させずに、臨界電流値のばら
つきによる部分クエンチを無くすことができ、もって、
限流素子の劣化や焼損を防止し得る超電導限流装置を提
供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、過電流
を検出した瞬間に全ての限流素子を強制的にフラックス
フロー状態に転移させ、もって、臨界電流値のばらつき
に伴う部分クエンチを無くすことにある。

【００１１】以上のような本発明の骨子に基づいて具体
的には以下のような手段が講じられる。請求項１に対応
する発明は、電源と負荷との間に直列に接続されて用い
られ、複数の限流素子を備えた超電導限流装置におい
て、前記各限流素子からなる回路に並列接続され、サイ
リスタスイッチ、コンデンサ及びリアクトルからなるＬ
Ｃ直列共振回路と、前記コンデンサを常時充電するため
の充電器と、前記各限流素子からなる回路の通過電流を
検出し、この検出結果が所定値を超えると、瞬時に前記
サイリスタスイッチを所定時間ターンオンさせる過電流
検出器とを設け、前記各限流素子の通過電流が所定値を
越えると、前記サイリスタスイッチのターンオンによ
り、予め充電された前記コンデンサからＬＣ共振電流を
前記各限流素子に所定時間通電する超電導限流装置であ
る。

【００１２】また、請求項２に対応する発明は、請求項
１に対応する超電導限流装置において、前記各限流素子
からなる回路は、直列又は並列回路である超電導限流装
置である。

【００１３】さらに、請求項３に対応する発明は、請求
項１に対応する超電導限流装置において、前記過電流検
出器に代えて、前記各限流素子からなる回路の端子間電
圧に基づいて、いずれかの限流素子が少なくともフラッ
クスフロー状態に転移したか否かを判別し、この判別結
果が転移した旨を示すとき、瞬時に前記サイリスタスイ
ッチを所定時間ターンオンさせるクエンチ検出器を備え
た超電導限流装置である。

【００１４】また、請求項４に対応する発明は、請求項
１乃至請求項３のいずれか１項に対応する超電導限流装
置において、前記ＬＣ共振電流としては、その波形、波
高値、周波数及び通電時間に対応したエネルギーが、全
ての限流素子のうちの最大値のフラックスフロー転移エ
ネルギー以上である超電導限流装置である。 （作用）従って、請求項１に対応する発明は以上のよう
な手段を講じたことにより、過電流検出器が、各限流素
子からなる回路の通過電流を検出し、この検出結果が所
定値を超えると、瞬時にサイリスタスイッチを所定時間
ターンオンさせ、サイリスタスイッチのターンオンによ
り、予め充電器により充電されたコンデンサからはリア
クトルを介してＬＣ共振電流が各限流素子に所定時間通
電され、全ての限流素子が強制的にフラックスフロー状
態に転移され、ほぼ同時にクエンチ状態に移行するの
で、サイズやコストを増大させずに、臨界電流値のばら
つきによる部分クエンチを無くすことができ、もって、
限流素子の劣化や焼損を防止することができる。

【００１５】また、請求項２に対応する発明は、各限流
素子からなる回路が直列又は並列回路であるので、請求
項１に対応する作用に加え、優れた汎用性を実現させる
ことができる。

【００１６】さらに、請求項３に対応する発明は、上記
過電流検出器に代えて、クエンチ検出器が、各限流素子
からなる回路の端子間電圧に基づいて、いずれかの限流
素子が少なくともフラックスフロー状態に転移したか否
かを判別し、この判別結果が転移した旨を示すとき、瞬
時にサイリスタスイッチを所定時間ターンオンさせるの
で、請求項１に対応する作用と同様の作用に加え、冷凍
機の異常により限流素子がクエンチ状態になった場合で
も通電を一旦停止できるので、信頼性の向上を図ること
ができる。

【００１７】また、請求項４に対応する発明は、ＬＣ共
振電流の波形、波高値、周波数及び通電時間に対応した
エネルギーが、全ての限流素子のうちの最大値のフラッ
クスフロー転移エネルギー以上であるように回路の条件
が設定されているので、請求項１乃至請求項３のいずれ
かに対応する作用を容易且つ確実に奏することができ
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施形態につい
て図面を参照して説明する。 （第１の実施形態）図１は本発明の第１の実施形態に係
る超電導限流装置を適用した高電圧大電流回路の構成を
示す模式図である。この回路は、電源１１と負荷１２と
の間に遮断器１３及び超電導限流装置が直列に接続され
ている。

【００１９】超電導限流装置は、４つの限流素子１４ａ
〜１４ｄの直列回路と、この直列回路に並列接続され、
サイリスタスイッチ１５、コンデンサ１６及びリアクト
ル１７からなるＬＣ直列共振回路と、回路の過電流（以
下、事故電流という）を検出してサイリスタスイッチ１
５をターンオンさせるための過電流検出器１８とを備え
ている。

【００２０】ここで、電源１１は、交流電源であり、例
えばＡＣ４００Ｖ、５０Ｈｚ、２００Ａ定格で内部イン
ピーダンス２％のものが使用される。なお、電源１１
は、交流電源に限らず、パルス電源や直流電源など、種
々の電流波形のものが使用可能である。

【００２１】負荷１２は、インピーダンス２Ωの抵抗負
荷となっており、定常電流値は２００Ａとなるよう構成
されている。遮断器１３は、超電導限流装置が事故電流
を限流した後、回路を遮断するものであり、ここでは、
事故電流を２サイクルで遮断可能な真空遮断器となって
いる。

【００２２】各限流素子１４ａ〜１４ｄは、図２に示す
ように、所定の臨界電流値Ｉ_crを超える電流が流れる
と、超電導状態からフラックスフロー状態（混合状態）
を経て、高抵抗のクエンチ状態（常電導状態）に転移し
て限流作用を生じるものである。ここで、フラックスフ
ロー状態は、超電導体中の磁束が動き、微小な損失が生
じている状態をいい、クエンチ状態の１／１０００オー
ダーの抵抗率を有している。なお、この微小損失によ
り、超電導体温度が上昇して臨界温度を超えると、限流
素子１４ａ〜１４ｄは常電導化し高抵抗体となって事故
電流を限流する。すなわち、限流素子１４ａ〜１４ｄは
所定の臨界電流値Ｉ_crで超電導状態が破れ、フラックス
フロー状態という時間遅れを経て限流作用を生じるもの
である。

【００２３】ここでは、各限流素子１４ａ〜１４ｄは、
互いに同一仕様で作成されたものであるが、臨界電流値
Ｉ_crが各々Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄの如きばらつきを有
している。なお、各臨界電流値はＩａ＜Ｉｂ＜Ｉｃ＜Ｉ
ｄの関係にあるものとする。但し、臨界電流値の大小関
係の順と、各限流素子１４ａ〜１４ｄの配列順とは関係
は無い。

【００２４】具体的には各限流素子１４ａ〜１４ｄは、
例えば定格電流３００Ａ、常電導抵抗４Ωの素子であ
り、各々の臨界電流値は波高値で順にＩａ＝４００Ａ，
Ｉｂ＝４５０Ａ，Ｉｃ＝５００Ａ，Ｉｄ＝５５０Ａとば
らつきがある。

【００２５】サイリスタスイッチ１５は、過電流検出器
１８から入力される指令により、オン状態又はオフ状態
となる双方向のスイッチであり、限流素子をフラックス
フロー状態に転移させ得るサイクル数だけオンするよう
制御される。

【００２６】コンデンサ１６は、例えば１００μＦの静
電容量を有し、常時図示しない充電器により、約４００
Ｖの電圧に充電されている。リアクトル１７は、例えば
約１０μＨのインダクタンスを有し、コンデンサ１６と
共にＬＣ直列共振回路を構成している。なお、ＬＣ直列
共振回路はその両端が短絡されたとき、波高値１２００
Ａで５ｋＨｚのＬＣ共振電流を生じる。また、ＬＣ共振
電流は、その波形、波高値、周波数及び通電時間に対応
したエネルギーが、全ての限流素子１４ａ〜１４ｄのう
ちの最大値のフラックスフロー転移エネルギー以上とな
っている。ここではＬＣ共振電流は、全ての限流素子１
４ａ〜１４ｄのうちの最大の臨界電流値Ｉｄ以上の値と
なるよう、限流素子の特性に合わせて設定されている。
また、リアクトル１７は、回路の残留インダクタンスの
調整で代用してもよい。

【００２７】過電流検出器１８は、回路を流れる電流の
絶対値もしくはｄｉ／ｄｔ値に基づいて、事故電流か否
かを判別して検出する機能を有し、事故電流と判別した
とき、瞬時にサイリスタスイッチ１５を所定サイクル数
ターンオンさせる機能をもっている。具体的には過電流
検出器１８は、波高値３００Ａ以上の回路電流を事故電
流として判別し、瞬時にオン指令をサイリスタスイッチ
１５に与えるものである。

【００２８】次に、以上のような超電導限流装置の動作
を図３のタイムチャートを用いて説明する。定常時、遮
断器１３はオン状態にあり、負荷１２には電源１１から
２００Ａの定常電流Ｉ_S が供給されている（時刻ｔ
０）。ここで、負荷１２に短絡事故が発生し、回路に短
絡電流が流れる場合について述べる。負荷１２に短絡事
故が発生すると（時刻ｔ１）、回路に流れる短絡電流
は、図３に破線で示すように、定格電流の約５０倍（波
高値１４ｋＡ）まで上昇しようとする。

【００２９】過電流検出器１８は、回路を流れる電流が
３００Ａまで上昇してしきい値を超えると短絡電流を検
出し、サイリスタスイッチ１５にオン指令を入力する
（時刻ｔ２）。サイリスタスイッチ１５は、このオン指
令によりターンオンする。

【００３０】サイリスタスイッチ１５のオン動作によ
り、コンデンサ１６からはリアクトル１７を介して波高
値１２００Ａで５ｋＨｚのＬＣ共振電流Ｉ_LCが短絡電流
に重畳して限流素子１４ａ〜１４ｄ中を流れる（時刻ｔ
３）。

【００３１】このＬＣ共振電流Ｉ_LCの波高値１２００Ａ
は、最も高い臨界電流値を有する限流素子の臨界電流値
Ｉｄ（＝５５０Ａ）以上に設定されており、全ての限流
素子１４ａ〜１４ｄはこのＬＣ共振電流Ｉ_LCによってフ
ラックスフロー状態に転移する。なお、ＬＣ共振電流Ｉ
_LCは、所定サイクル数、限流素子中を流れた後、サイリ
スタスイッチ１５のターンオフによって遮断される。

【００３２】ただし、全ての限流素子１４ａ〜１４ｄに
は、短絡電流が流れ続ける。このため、短絡電流による
発熱が生じ、全ての限流素子１４ａ〜１４ｄは、フラッ
クスフロー状態からほぼ同時に臨界温度に達してクエン
チ状態に転移し、短絡電流を限流する（時刻ｔ４）。

【００３３】限流された短絡電流は、遮断器１３によっ
て遮断される。なお、回路電流が遮断されると、各限流
素子１４ａ〜１４ｄは冷凍機によって冷却され、超電導
状態に復帰する。

【００３４】上述したように本実施形態によれば、過電
流検出器１８が、各限流素子１４ａ〜１４ｄからなる回
路の通過電流を検出し、この検出結果が所定値を超える
と、瞬時にサイリスタスイッチ１５を所定時間ターンオ
ンさせ、サイリスタスイッチ１５のターンオンにより、
予め充電器により充電されたコンデンサ１６からはリア
クトル１７を介してＬＣ共振電流Ｉ_LCが各限流素子１４
ａ〜１４ｄに所定時間通電され、一様に全ての限流素子
１４ａ〜１４ｄが強制的にフラックスフロー状態に転移
され、ほぼ同時にクエンチ状態に移行するので、サイズ
やコストを増大させずに、臨界電流値Ｉａ〜Ｉｄのばら
つきによる部分クエンチを無くすことができ、もって、
限流時損失を均等かつ低く抑制することができ、限流素
子の部分劣化や焼損を防止することができる。

【００３５】また、各限流素子１４ａ〜１４ｄは直列回
路としたが、並列回路又は直並列回路としても本発明を
同様に実施できるので、優れた汎用性を実現させること
ができる。

【００３６】さらに、ＬＣ共振電流Ｉ_LCの波形、波高
値、周波数及び通電時間に対応したエネルギーが、全て
の限流素子１４ａ〜１４ｄのうちの最大値のフラックス
フロー転移エネルギー以上であるように回路の条件が設
定されているので、これらの効果を容易且つ確実に奏す
ることができる。

【００３７】また、定常電流Ｉ_S は、限流素子１４ａ〜
１４ｄを流れるために通電損失や電圧降下をきたさず
に、負荷への給電が可能となる。また、短絡電流が十分
小さいときに短絡電流を限流して遮断できるため、系統
の事故電流による電磁力や短時間耐量を低く設計するこ
とが可能となり、もって、電力系統間の自由な連系や遮
断器、ケーブル等の電力機器のコンパクト化とコスト低
減とを図ることができる。

【００３８】経済面からは、限流素子における臨界電流
値のばらつきの許容範囲が広くなるため、歩留りを向上
させて相対的なコスト低減に寄与することができる。 （第２の実施形態）図４は本発明の第２の実施形態に係
る超電導限流装置を適用した高電圧大電流回路の構成を
示す模式図であり、図１と同一部分には同一符号を付し
てその詳しい説明を省略し、ここでは異なる部分につい
てのみ述べる。

【００３９】すなわち、本実施形態は、図１に示す構成
の変形形態であり、具体的には図４に示すように、過電
流検出器１８に代えて、各限流素子１４ａ〜１４ｄの直
列回路の端子間電圧と電流とに基づいて、サイリスタス
イッチ１５をオンオフ制御するクエンチ検出器１９を備
えている。

【００４０】なお、本実施形態は、短絡電流（事故電
流）の検知手段として限流素子の転移に伴う信号を利用
している。すなわち、過電流に対して高速に応答する限
流素子のセンサ機能を用いることで過電流検出器を不要
としたものである。

【００４１】ここで、クエンチ検出器１９は、各限流素
子１４ａ〜１４ｄの直列回路の端子間電圧及び電流の夫
々の位相に基づいて、全ての限流素子１４ａ〜１４ｄが
超電導状態か否かを判別し、少なくとも１つの限流素子
１４ａがその内部に部分的にフラックスフローやクエン
チを生じた，いわゆる混合状態に転移したとき、この混
合状態を検出し、瞬時にサイリスタスイッチにオン指令
を入力する機能をもっている。なお、混合状態に限ら
ず、クエンチ状態であっても検出することは言うまでも
ない。

【００４２】具体的にはクエンチ検出器１９は、限流素
子１４ａ〜１４ｄの直列回路の端子間電圧の位相と電流
の位相との比較に基づいて、限流素子１４ａ〜１４ｄの
抵抗発生を検知するものである。すなわちクエンチ検出
器１９は、限流素子１４ａ〜１４ｄの直列回路の端子間
電圧に対して電流の位相遅れが９０度のときには超電導
状態と判別し、電流の位相遅れが９０度より小さいとき
には少なくとも混合状態（クエンチ状態の場合もある）
と判別する。

【００４３】また、クエンチ検出器１９は、限流素子１
４ａ〜１４ｄの端子間電圧の絶対値で超電導状態又は混
合状態を判別する検出方法を用いてもよい。この検出方
法は、電源１１が直流電源の場合、前述した位相差を比
較する方法を使えないので特に有効である。なお、限流
素子１４ａ〜１４ｄの端子間電圧は、超電導状態から混
合状態、クエンチ状態へと移行するに従って大きい値が
測定される。

【００４４】いずれにしても、以上のような構造によ
り、クエンチ検出器１９は混合状態を検出するとサイリ
スタスイッチ１５にオン指令を入力する。これにより、
前述同様に、全ての限流素子１４ａ〜１４ｄにＬＣ共振
電流が流れて、全ての限流素子１４ａ〜１４ｄがほぼ同
時にクエンチ状態に転移され、もって、短絡電流が限流
される。

【００４５】上述したように本実施形態によれば、第１
の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、ク
エンチ検出器１９は、万一、冷凍機等の故障に伴い、限
流素子１４ａ〜１４ｄのいずれかが正常な通電機能を消
失した場合にも前述の動作を行なって通電を一旦停止す
ることができるので、信頼性の向上を図ることができ
る。 （他の実施形態）なお、上記各実施形態は、電源１１と
して交流電源を用いた場合について説明したが、これに
限らず、パルス電源や直流電源など、種々の電流波形の
ものを適宜使用しても、本発明を同様に実施して同様の
効果を得ることができる。

【００４６】また、上記各実施形態は、４つの限流素子
１４ａ〜１４ｄを直列接続した場合について説明した
が、これに限らず、任意の個数の限流素子を並列接続又
は直並列接続しても、各限流素子の接続に対応し、最大
の臨界電流値以上のＬＣ共振電流を流すように回路の条
件を設定することにより、本発明を同様に実施して同様
の効果を得ることができる。

【００４７】さらに、コンデンサ１６の静電容量やリア
クトル１７のインダクタンスについても、ＬＣ共振条件
を満たす範囲で任意に変更できることは言うまでもな
い。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々
変形して実施できる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、サ
イズやコストを増大させずに、臨界電流値のばらつきに
よる部分クエンチを無くすことができ、もって、限流素
子の劣化や焼損を防止し得る超電導限流装置を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る超電導限流装置
を適用した高電圧大電流回路の構成を示す模式図

【図２】同実施形態における限流素子の性質を説明する
ための図

【図３】同実施形態における動作を説明するためのタイ
ムチャート

【図４】図４は本発明の第２の実施形態に係る超電導限
流装置を適用した高電圧大電流回路の構成を示す模式図

【図５】従来の超電導限流装置の構成を示す模式図

【符号の説明】

１１…電源 １２…負荷 １３…遮断器 １４ａ〜１４ｄ…限流素子 １５…サイリスタスイッチ １６…コンデンサ １７…リアクトル １８…過電流検出器 １９…クエンチ検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久保田 宏 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

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源と負荷との間に直列に接続されて用
   いられ、複数の限流素子を備えた超電導限流装置におい
   て、 前記各限流素子からなる回路に並列接続され、サイリス
   タスイッチ、コンデンサ及びリアクトルからなるＬＣ直
   列共振回路と、 前記コンデンサを常時充電するための充電器と、 前記各限流素子からなる回路の通過電流を検出し、この
   検出結果が所定値を超えると、瞬時に前記サイリスタス
   イッチを所定時間ターンオンさせる過電流検出器とを設
   け、 前記各限流素子の通過電流が所定値を越えると、前記サ
   イリスタスイッチのターンオンにより、予め充電された
   前記コンデンサからＬＣ共振電流を前記各限流素子に所
   定時間通電することを特徴とする超電導限流装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の超電導限流装置におい
   て、 前記各限流素子からなる回路は、直列又は並列回路であ
   ることを特徴とする超電導限流装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の超電導限流装置におい
   て、 前記過電流検出器に代えて、 前記各限流素子からなる回路の端子間電圧に基づいて、
   いずれかの限流素子が少なくともフラックスフロー状態
   に転移したか否かを判別し、この判別結果が転移した旨
   を示すとき、瞬時に前記サイリスタスイッチを所定時間
   ターンオンさせるクエンチ検出器を備えたことを特徴と
   する超電導限流装置。
4. 【請求項４】 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に
   記載の超電導限流装置において、 前記ＬＣ共振電流は、その波形、波高値、周波数及び通
   電時間に対応したエネルギーが、全ての限流素子のうち
   の最大値のフラックスフロー転移エネルギー以上である
   ことを特徴とする超電導限流装置。