JP2002262450A - 超伝導薄膜を用いた変圧器型限流方法及び限流器 - Google Patents
超伝導薄膜を用いた変圧器型限流方法及び限流器Info
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- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本願発明は、ＳＮ転移抵抗型超伝導限流器に
おける極低温における高電圧電気絶縁と超伝導薄膜素子
の熱負荷の問題を解決するため、高電圧電気絶縁を常温
で行い、高価な大面積超伝導薄膜を使った限流素子の使
用量をできるだけ減らす方式を提案するものである。 【解決手段】 極低温における高電圧の電気絶縁問題を
回避するために（常伝導の）変圧器を導入し、１次側を
高電圧、２次側を低電圧に設定する。この変圧器の２次
側に、大面積の絶縁体基板上に作製した、高臨界電流密
度と常伝導時の高抵抗率を有する高温超伝導酸化物薄膜
の限流素子を接続する。高電圧電気絶縁は常温の変圧器
１次側コイルに分担させ、超伝導限流素子には２次側の
低電圧・大電流の制御作用を分担させることにより、超
伝導素子の熱負荷を軽減できるため、高電圧対応可能で
低価格の限流器を実現できる。
おける極低温における高電圧電気絶縁と超伝導薄膜素子
の熱負荷の問題を解決するため、高電圧電気絶縁を常温
で行い、高価な大面積超伝導薄膜を使った限流素子の使
用量をできるだけ減らす方式を提案するものである。 【解決手段】 極低温における高電圧の電気絶縁問題を
回避するために（常伝導の）変圧器を導入し、１次側を
高電圧、２次側を低電圧に設定する。この変圧器の２次
側に、大面積の絶縁体基板上に作製した、高臨界電流密
度と常伝導時の高抵抗率を有する高温超伝導酸化物薄膜
の限流素子を接続する。高電圧電気絶縁は常温の変圧器
１次側コイルに分担させ、超伝導限流素子には２次側の
低電圧・大電流の制御作用を分担させることにより、超
伝導素子の熱負荷を軽減できるため、高電圧対応可能で
低価格の限流器を実現できる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】着実な電力需要の増大に対
し、電力系統の増強・拡大が図られているが、この系統
規模の拡大・複雑化に伴って、電力系統に発生する事故
電流は年々増大している。この事故電流の増大対策とし
て、事故時に瞬時に事故電流を抑制でき、かつ、常時に
おける損失の少ない超伝導限流器の実用化が望まれてい
る。本発明は、そのような超伝導限流器に関するもので
ある。
し、電力系統の増強・拡大が図られているが、この系統
規模の拡大・複雑化に伴って、電力系統に発生する事故
電流は年々増大している。この事故電流の増大対策とし
て、事故時に瞬時に事故電流を抑制でき、かつ、常時に
おける損失の少ない超伝導限流器の実用化が望まれてい
る。本発明は、そのような超伝導限流器に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】従来の超伝導限流器として、大面積のサ
ファイア等の絶縁体基板上に成膜した高温超伝導酸化物
薄膜を利用する限流システムがある。これは、液体窒素
温度（66〜77 K）で動作する超伝導限流素子を直接、系
統に直列接続し、事故電流の増大とともに薄膜を超伝導
状態（Ｓ）から常伝導状態（Ｎ）に転移させ、その常伝
導抵抗によって系統電流を抑制するＳＮ転移抵抗方式が
用いられている（図２参照）。この方式の限流器は、
コンパクトであり、過電流に対して瞬時に応答すること
ができ、また、常時発生する交流損失が小さいなど、多
くの優れた点があり、電力用限流器としての実用化が期
待されている。
ファイア等の絶縁体基板上に成膜した高温超伝導酸化物
薄膜を利用する限流システムがある。これは、液体窒素
温度（66〜77 K）で動作する超伝導限流素子を直接、系
統に直列接続し、事故電流の増大とともに薄膜を超伝導
状態（Ｓ）から常伝導状態（Ｎ）に転移させ、その常伝
導抵抗によって系統電流を抑制するＳＮ転移抵抗方式が
用いられている（図２参照）。この方式の限流器は、
コンパクトであり、過電流に対して瞬時に応答すること
ができ、また、常時発生する交流損失が小さいなど、多
くの優れた点があり、電力用限流器としての実用化が期
待されている。
【０００３】しかしながら、この方式においては、超伝
導限流素子に直接高電圧が印加され極低温での高電圧絶
縁技術が必要である。また臨界電流のばらつきのため、
臨界電流の小さい部分がまず常伝導転移して温度が上昇
し、最悪の場合には、焼損してしまうと言うホットスポ
ットの形成が問題になっている。このホットスポット現
象を防止するため、金や銀などの常伝導金属を超伝導薄
膜の上に重ねて分流層として用いるのが一般的な解決策
であるが(1)、分流層の付加は、限流素子の電気抵抗を
下げるため、要求される限流容量を達成するためには、
高価な超伝導薄膜を大量に使用しなければならず、これ
が実用化を阻む大きな障害となっている。
導限流素子に直接高電圧が印加され極低温での高電圧絶
縁技術が必要である。また臨界電流のばらつきのため、
臨界電流の小さい部分がまず常伝導転移して温度が上昇
し、最悪の場合には、焼損してしまうと言うホットスポ
ットの形成が問題になっている。このホットスポット現
象を防止するため、金や銀などの常伝導金属を超伝導薄
膜の上に重ねて分流層として用いるのが一般的な解決策
であるが(1)、分流層の付加は、限流素子の電気抵抗を
下げるため、要求される限流容量を達成するためには、
高価な超伝導薄膜を大量に使用しなければならず、これ
が実用化を阻む大きな障害となっている。
【０００４】別法として、できるだけ分流層の抵抗値を
高くするために、分流金属層を別基板の上に設けて、発
生するジュール熱を効果的に逃がすようにした方式もあ
るが (2)、この場合も、例えば、 6.6 kV/600 A 級限流
素子に必要なサファイア基板上超伝導薄膜の面積は約
0.4 m2 と大きく(3)、コスト増大の最大の要因である。
また、限流容量が常伝導転移時の発熱で決まるため、超
伝導薄膜の臨界電流の向上等の材料特性の改善だけでは
コストダウンに結びつかないという欠点がある。
高くするために、分流金属層を別基板の上に設けて、発
生するジュール熱を効果的に逃がすようにした方式もあ
るが (2)、この場合も、例えば、 6.6 kV/600 A 級限流
素子に必要なサファイア基板上超伝導薄膜の面積は約
0.4 m2 と大きく(3)、コスト増大の最大の要因である。
また、限流容量が常伝導転移時の発熱で決まるため、超
伝導薄膜の臨界電流の向上等の材料特性の改善だけでは
コストダウンに結びつかないという欠点がある。
【０００５】ＳＮ転移抵抗方式以外の超伝導限流器とし
ては、超伝導リング（コイル）を用いた磁気遮へい（変
圧器）型、ダイオードブリッジを用いた整流器型があ
る。磁気遮へい型限流器とは、交流電流の流れる１次コ
イルの内側に超伝導リングと鉄心を配置し、定常時は１
次コイルの作る磁界を遮へいすることによって系のイン
ダクタンスをゼロとするが、１次コイルに事故電流が流
れると、超伝導層がクエンチすることによってインピー
ダンスを発生するものである(4)。既に 1.2 MVA級の３
相限流器が開発されているが、超伝導リングを用いる限
り、さらなる大容量化の展望は開けない。
ては、超伝導リング（コイル）を用いた磁気遮へい（変
圧器）型、ダイオードブリッジを用いた整流器型があ
る。磁気遮へい型限流器とは、交流電流の流れる１次コ
イルの内側に超伝導リングと鉄心を配置し、定常時は１
次コイルの作る磁界を遮へいすることによって系のイン
ダクタンスをゼロとするが、１次コイルに事故電流が流
れると、超伝導層がクエンチすることによってインピー
ダンスを発生するものである(4)。既に 1.2 MVA級の３
相限流器が開発されているが、超伝導リングを用いる限
り、さらなる大容量化の展望は開けない。
【０００６】また、同じ原理で超伝導リングのかわりに
超伝導線材を巻いたコイルを用いる変圧器型もあるが
(5)、現在まで、限流素子として必要な特性を有する長
尺・大容量の高温超伝導線材が得られないため、液体ヘ
リウム（4.2 K）を必要とする低温超伝導コイルの利用
以外に大容量化の展望が無く、変圧器の１次コイル・２
次コイルともに極低温の冷媒中に配置されているため、
極低温における高圧電気絶縁の問題が未解決である。
超伝導線材を巻いたコイルを用いる変圧器型もあるが
(5)、現在まで、限流素子として必要な特性を有する長
尺・大容量の高温超伝導線材が得られないため、液体ヘ
リウム（4.2 K）を必要とする低温超伝導コイルの利用
以外に大容量化の展望が無く、変圧器の１次コイル・２
次コイルともに極低温の冷媒中に配置されているため、
極低温における高圧電気絶縁の問題が未解決である。
【０００７】整流器型限流器とは、ダイオードのブリッ
ジ回路（全波整流回路）に整流コイル（超伝導マグネッ
ト）と直流電源が接続されたものである。定常時には交
流電流はダイオードを通して流れ、整流コイルに流れる
電流は直流であるが、事故時には整流コイルに流れる電
流が急激に大きくなり、そのインダクタンスによって限
流するものである(6)。しかしながら、この方式は、通
常時の半導体部分における損失があまりにも大きすぎる
欠点が存在する。
ジ回路（全波整流回路）に整流コイル（超伝導マグネッ
ト）と直流電源が接続されたものである。定常時には交
流電流はダイオードを通して流れ、整流コイルに流れる
電流は直流であるが、事故時には整流コイルに流れる電
流が急激に大きくなり、そのインダクタンスによって限
流するものである(6)。しかしながら、この方式は、通
常時の半導体部分における損失があまりにも大きすぎる
欠点が存在する。
【０００８】上記記述において、肩括弧に示した数字に
対応する文献は、以下のとおりである。 (1) B. Gromoll et al., "Resistive fault current li
miters with YBCO films――100 kVA functional mode
l", IEEE Trans. Appl. Supercond. 9 (1999) 656−659 (2) H. Kubota, Y. K. Arai, M. Yamazaki, H. Yoshino
and H. Nagamura, "A new model of fault current li
miter using YBCO thin film", IEEE Trans. Appl. Sup
ercond. 9 (1999) 1365−1368 (3) 久保田、工藤、芳野、長村：「YBCO 薄膜限流器の
概念設計」、第 61 回 1999 年度秋季低温工学・超電導
学会予稿集、p. 20 (4) W. Paul, Th. Baumann, J. Rhyner and F. Platte
r, "Tests of 100 kW high−Tc superconducting fault
current limiter", IEEE Trans. Appl. Supercond. 5
(1995) 1059−1062 (5) 柴田、新田：「限流器」、公開特許公報、特開平 1
1−89085 (1999) (6) E. M. Leung, "Development of superconducting f
ault current limiter",in Ex. Abstracts of the 1998
Int. Workshop Supercond., July 12−15, 1998, Okin
awa, Japan (1998) 25−28
対応する文献は、以下のとおりである。 (1) B. Gromoll et al., "Resistive fault current li
miters with YBCO films――100 kVA functional mode
l", IEEE Trans. Appl. Supercond. 9 (1999) 656−659 (2) H. Kubota, Y. K. Arai, M. Yamazaki, H. Yoshino
and H. Nagamura, "A new model of fault current li
miter using YBCO thin film", IEEE Trans. Appl. Sup
ercond. 9 (1999) 1365−1368 (3) 久保田、工藤、芳野、長村：「YBCO 薄膜限流器の
概念設計」、第 61 回 1999 年度秋季低温工学・超電導
学会予稿集、p. 20 (4) W. Paul, Th. Baumann, J. Rhyner and F. Platte
r, "Tests of 100 kW high−Tc superconducting fault
current limiter", IEEE Trans. Appl. Supercond. 5
(1995) 1059−1062 (5) 柴田、新田：「限流器」、公開特許公報、特開平 1
1−89085 (1999) (6) E. M. Leung, "Development of superconducting f
ault current limiter",in Ex. Abstracts of the 1998
Int. Workshop Supercond., July 12−15, 1998, Okin
awa, Japan (1998) 25−28
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】限流器は、故障電流を
抑制する機器なので系統に直列に接続する必要があり、
限流素子には系統電圧がかかる。これまでの薄膜超伝導
体を使ったＳＮ転移抵抗型超伝導限流器においては、限
流素子を液体窒素温度以下で動作させるため、高電圧の
電気絶縁を極低温で行わなければならなかった。しかし
極低温の高電圧電気絶縁技術が未だ完成されていないた
め、極めて高い信頼性の要求される電力系統には上記超
伝導限流素子を導入することは憚られてきた。また薄膜
限流素子は、大面積のサファイア基板（アルミナ単結晶
基板）などの絶縁体基板上に YBa2Cu3O7 等の高温超伝
導酸化物の薄膜を作製したもので、超伝導の高臨界電流
密度（106 A/cm2 以上）と常伝導時の高抵抗率（ρ〜0.
6 μΩm）と言う特性を有するものであるが、基板や薄
膜作製装置が高価で、未だ薄膜の生産性が低い（製造速
度が小さい）ため、限流素子が高額になる事も導入・普
及を阻害する大きな要因となっている。本願発明は、こ
れらの問題を解決するため、高電圧電気絶縁を常温で行
い、高価な大面積超伝導薄膜を使った限流素子の使用量
をできるだけ減らす方式を提案するものである。
抑制する機器なので系統に直列に接続する必要があり、
限流素子には系統電圧がかかる。これまでの薄膜超伝導
体を使ったＳＮ転移抵抗型超伝導限流器においては、限
流素子を液体窒素温度以下で動作させるため、高電圧の
電気絶縁を極低温で行わなければならなかった。しかし
極低温の高電圧電気絶縁技術が未だ完成されていないた
め、極めて高い信頼性の要求される電力系統には上記超
伝導限流素子を導入することは憚られてきた。また薄膜
限流素子は、大面積のサファイア基板（アルミナ単結晶
基板）などの絶縁体基板上に YBa2Cu3O7 等の高温超伝
導酸化物の薄膜を作製したもので、超伝導の高臨界電流
密度（106 A/cm2 以上）と常伝導時の高抵抗率（ρ〜0.
6 μΩm）と言う特性を有するものであるが、基板や薄
膜作製装置が高価で、未だ薄膜の生産性が低い（製造速
度が小さい）ため、限流素子が高額になる事も導入・普
及を阻害する大きな要因となっている。本願発明は、こ
れらの問題を解決するため、高電圧電気絶縁を常温で行
い、高価な大面積超伝導薄膜を使った限流素子の使用量
をできるだけ減らす方式を提案するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】極低温における高電圧の
電気絶縁問題を回避するために（常伝導の）変圧器を導
入し、１次側を高電圧、２次側を低電圧に設定する。こ
の変圧器の２次側に、大面積の絶縁体基板上に作製し
た、高臨界電流密度と常伝導時の高抵抗率を有する高温
超伝導酸化物薄膜の限流素子を接続する。高電圧電気絶
縁は常温の変圧器１次側コイルに分担させ、極低温の超
伝導限流素子には２次側の低電圧・大電流の制御作用を
分担させるため、高電圧対応可能な限流器を実現でき
る。この方式は変圧器と限流素子とを組み合わせている
ので、ハイブリッド超伝導限流器と呼ぶべきものであ
る。
電気絶縁問題を回避するために（常伝導の）変圧器を導
入し、１次側を高電圧、２次側を低電圧に設定する。こ
の変圧器の２次側に、大面積の絶縁体基板上に作製し
た、高臨界電流密度と常伝導時の高抵抗率を有する高温
超伝導酸化物薄膜の限流素子を接続する。高電圧電気絶
縁は常温の変圧器１次側コイルに分担させ、極低温の超
伝導限流素子には２次側の低電圧・大電流の制御作用を
分担させるため、高電圧対応可能な限流器を実現でき
る。この方式は変圧器と限流素子とを組み合わせている
ので、ハイブリッド超伝導限流器と呼ぶべきものであ
る。
【００１１】このハイブリッド限流器は極低温の高電圧
電気絶縁問題を回避できるのみならず、超伝導限流素子
の熱的な負担を軽減できる。系統に短絡事故が生じ１次
側電流が増大すると、２次側に接続された薄膜限流素子
は、超伝導から常伝導に転移し抵抗を発生する。この抵
抗値が変圧器２次側コイルのリアクタンスより十分大き
ければ、変圧器の１次側には大きなインピーダンスが発
生し故障電流を抑制できる。この時、変圧器の基本動作
は依然維持されるので、１次側電流が減少すると２次側
に接続された薄膜素子の電流も減少する。その結果、超
伝導薄膜素子の発熱が小さくなり素子への熱的な負担が
軽減するので、高温超伝導酸化物薄膜素子の焼損防止の
ための分流層を設ける必要がなくなる。このことは、超
伝導薄膜単位面積当りの限流容量を大きくでき、高価な
薄膜素子の使用量を少なくできるため、限流器のコスト
ダウンが実現できる。
電気絶縁問題を回避できるのみならず、超伝導限流素子
の熱的な負担を軽減できる。系統に短絡事故が生じ１次
側電流が増大すると、２次側に接続された薄膜限流素子
は、超伝導から常伝導に転移し抵抗を発生する。この抵
抗値が変圧器２次側コイルのリアクタンスより十分大き
ければ、変圧器の１次側には大きなインピーダンスが発
生し故障電流を抑制できる。この時、変圧器の基本動作
は依然維持されるので、１次側電流が減少すると２次側
に接続された薄膜素子の電流も減少する。その結果、超
伝導薄膜素子の発熱が小さくなり素子への熱的な負担が
軽減するので、高温超伝導酸化物薄膜素子の焼損防止の
ための分流層を設ける必要がなくなる。このことは、超
伝導薄膜単位面積当りの限流容量を大きくでき、高価な
薄膜素子の使用量を少なくできるため、限流器のコスト
ダウンが実現できる。
【００１２】なお、低温超伝導コイルと常伝導変圧器と
を組み合わせた「ハイブリッド超伝導限流器」の提案が
既になされている（P. Tixador, "Experimental result
s onan hybrid superconduting current limiter", IEE
E Trans. Appl. Supercond.5 (1995) 1055−1058)。し
かし、そのシステムは、変圧器の２次側を高電圧・低電
流となるように設計して、液体ヘリウムを用いる低温超
伝導ケーブルの大電流化に伴う諸問題を回避することが
主目的であるので、本発明とは全く異なるものである。
を組み合わせた「ハイブリッド超伝導限流器」の提案が
既になされている（P. Tixador, "Experimental result
s onan hybrid superconduting current limiter", IEE
E Trans. Appl. Supercond.5 (1995) 1055−1058)。し
かし、そのシステムは、変圧器の２次側を高電圧・低電
流となるように設計して、液体ヘリウムを用いる低温超
伝導ケーブルの大電流化に伴う諸問題を回避することが
主目的であるので、本発明とは全く異なるものである。
【００１３】
【作用】（１）本願発明に係る限流器は、変圧器の２次
側に高臨界電流密度と常伝導時の高抵抗率を有する大面
積の高温超伝導酸化物薄膜を接続している（図１参
照）。通常時は、超伝導薄膜で２次側を短絡しているた
め、１次コイルの両端の電圧低下は極めて小さく、理想
的にはゼロである。 （２）電力系統に短絡事故が生じた時、１次側電流の急
増に伴って２次側電流も急増するが、２次側電流が超伝
導薄膜の臨界電流を越えると超伝導薄膜は常伝導に転移
し、温度上昇とともに大きな電気抵抗Ｒを発生する（図
３，４参照）。発生する抵抗Ｒが変圧器２次側のリアク
タンスＬ２ω（ω= ２πｆ、東日本ではｆ＝５０Ｈｚ）
に比べて十分大きければ、変圧器１次側のインダクタン
スをＬ1とすると、変圧器１次側にほぼ iＬ1ω（i は虚
数単位）のインピーダンスが現われる事になり、系統電
流の増加を抑制する。
側に高臨界電流密度と常伝導時の高抵抗率を有する大面
積の高温超伝導酸化物薄膜を接続している（図１参
照）。通常時は、超伝導薄膜で２次側を短絡しているた
め、１次コイルの両端の電圧低下は極めて小さく、理想
的にはゼロである。 （２）電力系統に短絡事故が生じた時、１次側電流の急
増に伴って２次側電流も急増するが、２次側電流が超伝
導薄膜の臨界電流を越えると超伝導薄膜は常伝導に転移
し、温度上昇とともに大きな電気抵抗Ｒを発生する（図
３，４参照）。発生する抵抗Ｒが変圧器２次側のリアク
タンスＬ２ω（ω= ２πｆ、東日本ではｆ＝５０Ｈｚ）
に比べて十分大きければ、変圧器１次側のインダクタン
スをＬ1とすると、変圧器１次側にほぼ iＬ1ω（i は虚
数単位）のインピーダンスが現われる事になり、系統電
流の増加を抑制する。
【００１４】
【実施例】（１）図５は、本願発明による６．６ｋＶ／
６Ａｒｍｓ 級限流ユニットの設計例である。図におい
て、長方形（長辺４０ｃｍ、短辺２０ｃｍ、磁路長１．
２ｍ）の鉄心（断面が直径１９．５ｃｍの円形）を用
い、１次側は、銅線を５００回巻き、２次側には銅線を
５０回巻いている。この鉄心は、ギャップ間距離δ= 5
mmのギャップ・ヨークとする。２次側の銅線は、超伝導
限流素子の両端に接続されている。この限流器には３×
１０６Ａ／ｃｍ２の高臨界電流密度と常伝導時の高抵抗
率（１００Ｋ でρ〜０．６μΩｍ）を有する超伝導薄
膜（１ｃｍ×１０ｃｍで厚さ２ｍｍのサファイア基板上
に成膜、膜厚 ３００ｎｍ で臨界電流 ９０Ａ）を１枚
用いている。このユニットを１００個並列に並べて６．
６ｋＶ／６００Ａｒｍｓ 級の限流器となる。なお、要
求される電流・電圧の容量に従って、複数個の超伝導薄
膜素子、あるいは図５のような限流ユニットを直列・並
列接続することができる。 （２）上記設計に基づく限流ユニットのシミュレーショ
ン結果を図６に示す。この図から明らかなように、限流
器が無い場合の電流は、事故前においては、8.5Ａ（ピ
ーク値）であったものが、事故後には186.6Ａまでに上
昇してしまう。これに対し、本願発明に係る限流器が設
けられている場合には、8.5Ａが27.6Ａに上昇するに過
ぎない。一方、２次側の電流は、事故前にはほとんど抵
抗がないので８５Ａであり、事故後の極めて短時間に臨
界電流値（90 A）以上に増加するが、常伝導転移で抵抗
が生じてすぐに約25 Ａに低下する。このため、超伝導
薄膜の温度は、事故後すぐに 150 K 程度に上昇する
が、その後は徐々に上昇するに過ぎない。このように、
本願発明による限流器により、限流器が無い場合には18
6.6Ａ（ピーク値）となるものを27.6Ａ（ピーク値） に
限流している。超伝導薄膜に流れる２次側電流は、常伝
導転移の直後に小さい値に限流されており、薄膜の焼損
が防がれている。
６Ａｒｍｓ 級限流ユニットの設計例である。図におい
て、長方形（長辺４０ｃｍ、短辺２０ｃｍ、磁路長１．
２ｍ）の鉄心（断面が直径１９．５ｃｍの円形）を用
い、１次側は、銅線を５００回巻き、２次側には銅線を
５０回巻いている。この鉄心は、ギャップ間距離δ= 5
mmのギャップ・ヨークとする。２次側の銅線は、超伝導
限流素子の両端に接続されている。この限流器には３×
１０６Ａ／ｃｍ２の高臨界電流密度と常伝導時の高抵抗
率（１００Ｋ でρ〜０．６μΩｍ）を有する超伝導薄
膜（１ｃｍ×１０ｃｍで厚さ２ｍｍのサファイア基板上
に成膜、膜厚 ３００ｎｍ で臨界電流 ９０Ａ）を１枚
用いている。このユニットを１００個並列に並べて６．
６ｋＶ／６００Ａｒｍｓ 級の限流器となる。なお、要
求される電流・電圧の容量に従って、複数個の超伝導薄
膜素子、あるいは図５のような限流ユニットを直列・並
列接続することができる。 （２）上記設計に基づく限流ユニットのシミュレーショ
ン結果を図６に示す。この図から明らかなように、限流
器が無い場合の電流は、事故前においては、8.5Ａ（ピ
ーク値）であったものが、事故後には186.6Ａまでに上
昇してしまう。これに対し、本願発明に係る限流器が設
けられている場合には、8.5Ａが27.6Ａに上昇するに過
ぎない。一方、２次側の電流は、事故前にはほとんど抵
抗がないので８５Ａであり、事故後の極めて短時間に臨
界電流値（90 A）以上に増加するが、常伝導転移で抵抗
が生じてすぐに約25 Ａに低下する。このため、超伝導
薄膜の温度は、事故後すぐに 150 K 程度に上昇する
が、その後は徐々に上昇するに過ぎない。このように、
本願発明による限流器により、限流器が無い場合には18
6.6Ａ（ピーク値）となるものを27.6Ａ（ピーク値） に
限流している。超伝導薄膜に流れる２次側電流は、常伝
導転移の直後に小さい値に限流されており、薄膜の焼損
が防がれている。
【００１５】
【発明の効果】本願発明によれば、電気絶縁は常温動作
する変圧器１次側コイルが対応するので超高圧の 500 k
V 電力系統にも基本的に対応可能である。またコスト的
な面では、既に開発が進んでいる 6.6 kV/600 A 級限流
器を想定すると、本方式では限流素子に使われる超伝導
薄膜の必要面積は 0.1 m2 であり、同じ限流容量のＳＮ
転移抵抗型限流素子の場合、焼損を防ぐ分流層の存在の
ため約 0.4 m2 になるので、４分の１の面積で良い事に
なる。したがって、大きなコストダウンが実現できる。
する変圧器１次側コイルが対応するので超高圧の 500 k
V 電力系統にも基本的に対応可能である。またコスト的
な面では、既に開発が進んでいる 6.6 kV/600 A 級限流
器を想定すると、本方式では限流素子に使われる超伝導
薄膜の必要面積は 0.1 m2 であり、同じ限流容量のＳＮ
転移抵抗型限流素子の場合、焼損を防ぐ分流層の存在の
ため約 0.4 m2 になるので、４分の１の面積で良い事に
なる。したがって、大きなコストダウンが実現できる。
【図１】高電流密度超伝導薄膜を用いた、本願発明のハ
イブリッド変圧器型限流器の概念図。
イブリッド変圧器型限流器の概念図。
【図２】高電流密度超伝導薄膜を用いた、従来型のＳＮ
転移抵抗型限流器の概念図。
転移抵抗型限流器の概念図。
【図３】超伝導薄膜限流素子（１ｃｍ×１０ｃｍ、膜厚
３００ｎｍ）の抵抗の温度特性図
３００ｎｍ）の抵抗の温度特性図
【図４】超伝導薄膜限流素子（臨界電流 ９０Ａ）の抵
抗の電流特性図
抗の電流特性図
【図５】6.6 kV/6 A 級限流ユニットの設計図
【図６】限流器の系統事故時のシミュレーション図
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山崎 裕文 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 経済産 業省産業技術総合研究所電子技術総合研究 所内 (72)発明者 玉田 紀治 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 経済産 業省産業技術総合研究所電子技術総合研究 所内 Ｆターム(参考） 5G013 AA01 AA04 BA01 CA02
Claims (4)
- 【請求項１】 超伝導時の高臨界電流密度と常伝導時の
高抵抗率を有する高温超伝導酸化物薄膜と変圧器とを組
み合わせ、電力系統の短絡事故時において誘導成分を主
体とした大きなインピーダンスを生じさせることによっ
て事故電流を抑制する変圧器型限流方法。 - 【請求項２】 超伝導時の高臨界電流密度と常伝導時の
高抵抗率を有する高温超伝導酸化物薄膜と変圧器とを組
み合わせ、電力系統の短絡事故時において誘導成分を主
体とした大きなインピーダンスを生じさせることによっ
て事故電流を抑制する変圧器型限流器。 - 【請求項３】 上記薄膜は、大面積の絶縁体基板上に作
製したことを特徴とする請求項２記載の変圧器型限流
器。 - 【請求項４】 一つの上記変圧器に対し、複数の上記薄
膜が設けられていることを特徴とする請求項２又は請求
項３記載の変圧器型限流器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001056930A JP2002262450A (ja) | 2001-03-01 | 2001-03-01 | 超伝導薄膜を用いた変圧器型限流方法及び限流器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001056930A JP2002262450A (ja) | 2001-03-01 | 2001-03-01 | 超伝導薄膜を用いた変圧器型限流方法及び限流器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002262450A true JP2002262450A (ja) | 2002-09-13 |
Family
ID=18916879
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001056930A Pending JP2002262450A (ja) | 2001-03-01 | 2001-03-01 | 超伝導薄膜を用いた変圧器型限流方法及び限流器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002262450A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007189228A (ja) * | 2006-01-13 | 2007-07-26 | European High Temperature Superconductors Gmbh & Co Kg | 電流調整用の電気デバイス |
| JP2013521753A (ja) * | 2010-03-03 | 2013-06-10 | ファウンデーション オブ スンシル ユニヴァーシティー−インダストリー コーポレーション | 電力系統のバス電圧降下を抑制する超伝導電流制限器 |
| CN110912390A (zh) * | 2019-12-02 | 2020-03-24 | 上海联影医疗科技有限公司 | 打火电流抑制方法、电路及打火电流抑制电路的控制方法 |
-
2001
- 2001-03-01 JP JP2001056930A patent/JP2002262450A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007189228A (ja) * | 2006-01-13 | 2007-07-26 | European High Temperature Superconductors Gmbh & Co Kg | 電流調整用の電気デバイス |
| EP1830446A1 (en) * | 2006-01-13 | 2007-09-05 | European High Temperature Superconductors GmbH & Co. KG | Electrical device for current conditioning |
| US7586717B2 (en) | 2006-01-13 | 2009-09-08 | European High Temperature Superconductors Gmbh & Co. Kg | Electrical device for current conditioning |
| JP2013521753A (ja) * | 2010-03-03 | 2013-06-10 | ファウンデーション オブ スンシル ユニヴァーシティー−インダストリー コーポレーション | 電力系統のバス電圧降下を抑制する超伝導電流制限器 |
| CN110912390A (zh) * | 2019-12-02 | 2020-03-24 | 上海联影医疗科技有限公司 | 打火电流抑制方法、电路及打火电流抑制电路的控制方法 |
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