JP2016521431A - 極低温用高電圧ブッシング - Google Patents

Abstract

極低温用途に使用される高電圧電気ブッシングが開示される。このブッシングは、第１及び第２のブッシング部分と、前記第１及び第２のブッシング部分内に軸方向に配置された電気導体とを含む。前記電気導体は、前記第１のブッシング部分から延出する第１の端子及び前記第２のブッシング部分から延出する第２の端子を有する。前記第１の端子は周囲温度にある第１の電気要素に結合するように構成され、前記第２の端子は極低温温度にある第２の電気要素に結合するように構成される。前記第１及び第２のブッシング部分はベース絶縁体材料を備えるが、前記第１のブッシング部分は前記ベース絶縁体部分上に配置された環境保護層を更に備える。

Description

本発明の実施形態は、概して高電圧ブッシングに関し、より詳しくは超伝導装置を含む極低温用途に使用される高電圧ブッシングに関する。

超伝導障害電流制限器（ＳＣＦＣＬ）は、極低温で動作するクラスの装置であり、多くの場合高電圧及び高電流を受ける送電線又は配電線で使用される。ＳＣＦＣＬは多くの場合、例えば電力伝送網において電流サージから保護するために使用される。

ＳＣＦＣＬは極低温で動作するため、ＳＣＦＣＬの超伝導要素とそれに接続された外部装置との間に大きな温度差が経験されることが多い。例えば、極低温温度は約−２００℃になり得るが、外部装置は一般に周囲温度である。従って、熱損失も最小にしながら、温度転移を調整するために超伝導要素と外部装置との間に接続構造を設けなければならない。

従来の高電圧ブッシングは、超伝導温度で使用されるとき、故障し得る。その主な故障メカニズムは周囲温度と極低温温度との間の大きな温度差による熱応力である。ＳＣＦＣＬ、変圧器、発電機、電動機、エネルギー貯蔵装置等を含む超伝導装置の成功のためには信頼できる高電圧ブッシングが重要である。従って、極低温用の改良された高電圧ブッシングが必要とされている。

この概要は、発明の実施形態の形態において以下で更に説明されるコンセプトの選択を簡略化した形で導入するために与えられる。この概要は請求の範囲に記載される発明の要旨の重要な特徴又は本質的な特徴を特定することを意図するものでなく、請求の範囲に記載される発明の要旨を特定するのに役立つことを意図するものでもない。

電気ブッシングが開示される。この電気ブッシングは、第１のブッシング部分及び第２のブッシング部分と、前記第１及び第２のブッシング部分内に軸方向に配置された電気導体とを含む。前記電気導体は、前記第１のブッシング部分から延出する第１の端子及び前記第２のブッシング部分から延出する第２の端子を有する。前記第１の端子は周囲温度にある第１の電気要素に結合することができ、前記第２の端子は極低温温度にある第２の電気要素に結合することができる。前記第１及び第２のブッシング部分はベース絶縁体部分を備える。前記第１のブッシング部分は前記ベース絶縁体部分上に配置された環境保護層を更に備える。

電気ブッシングが開示され、この電気ブッシングは、第１及び第２のブッシング部分と、前記第１及び第２のブッシング部分内に配置された電気導体とを備える。前記電気導体は、前記第１のブッシング部分から延出し、周囲温度にある電気要素に結合する第１の端子を有する。前記電気導体は、前記第２のブッシング部分から延出し極低温温度にある超伝導要素に結合する第２の端子を有する。前記第１及び第２のブッシング部分はベース絶縁体を備えるとともに、前記第１のブッシング部分は前記ベース絶縁体上のみに配置された環境保護層を更に備える。

電気ブッシングが開示され、この電気ブッシングは、第１及び第２のブッシング部分と、それらの中に配置された電気導体とを備える。前記電気導体は、前記第１のブッシング部分に隣接した位置に第１の電気要素に結合するための第１の端子及び前記第２のブッシング部分に隣接した位置に第２の電気要素に結合するための第２の端子を有する。前記第１の電気要素は周囲温度にあるものとすることができ、前記第２の電気要素は極低温温度にある超伝導障害電流制限器とすることができる。前記第１及び第２のブッシング部分は単一ベース絶縁体を備えるが、前記第１のブッシング部分は前記ベース絶縁体の上にのみ配置された環境保護層を更に備えることができる。

添付図面は、本発明の原理の実用化のために考案された開示の方法の好ましい実施形態を示す。

開示のブッシングの一実施形態を組み込んだ代表的な電流制限システムを示す。 複数の開示のブッシングを用いた代表的な超伝導障害電流制限器の一部分の等角断面図である。 図２の代表的な超伝導障害電流制限器の、図２の３−３線上の、断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は開示のブッシングの一実施形態を製造する一連のステップを示す。

以下において、本発明の実施形態を示す添付の図面を参照して本発明をより詳細に説明する。しかしながら、本発明は多くの異なる形態に実施することが可能であり、本明細書に記載する実施形態にのみ限定されるものと解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示を徹底的且つ完全なものとし、本発明の要旨を当業者に十分に伝えるために設けられている。図面において、同等の番号は全図を通して同等の要素を示す。

上述したブッシングの欠陥のいくつかに対処するために、一端が極低温環境内で動作し、他端が周囲環境内で動作する高電圧ブッシングについて記載する。このブッシングは周囲温度と極低温温度との間の大きな温度差により生じる熱応力を受け入れることができる。このブッシングはまた、周囲又は屋外用途においても確実に動作し、気象変化（雨、雪、砂）や他の自然及び人工環境の障害などの環境ストレスに耐えることができる。

図１を参照すると、開示のブッシング２の一実施形態を使用する代表的なＳＣＦＣＬシステムの一般的な構造が示されている。ブッシング２は代表的なＳＣＦＣＬに対する用途に関して説明するが、その使用はこのような用途に限定されない点に注意されたい。むしろ、開示のブッシング２は、電流搬送構成要素間に大きな温度差が経験される様々な用途の何れかに使用することができる。

図示のＳＣＦＣＬシステム１は、ＳＣＦＣＬ４と、分路リアクタ６と、絶縁システム８とを含み、分路リアクタ６は通常の分路リアクタとすることができる。動作状態において、ＳＣＦＣＬシステム１は、入力点１２と出力点１４の間を流れる電流を制限することで障害電流保護をもたらす。正常動作モードにおいて、負荷電流は、周期的に、時々、又は連続的にＳＣＦＣＬシステム１を経て流れ得る。正常動作モードにおける負荷電流は、超伝導要素１６が超伝導状態に維持される電流レベルを示すため、負荷電流はＳＣＦＣＬ４を通過する際ゼロ抵抗値の超伝導要素を通過する。過大な負荷電流が急速に発生する障害状態時には、超伝導要素１６は過大な負荷電流に応答して超伝導状態から有限抵抗状態に変化し、過大な負荷電流に大きな総合インピーダンスを与え、それによって障害状態時の負荷電流を制限する。その後、超伝導要素１６は超伝導状態に戻り、将来の障害発生時に電流を制限して電流負荷を調整することができる。

図に示すように、ＳＣＦＣＬシステム１は、入力点１２と出力点１４との間で分岐する２つの並列の電気通路１８、２０を形成する。従って、ＳＣＦＣＬ４及び分路リアクタ６はＳＣＦＣＬシステム１内においてそれぞれの電気通路１８及び２０に沿って電気的に並列に配置される。正常動作モード下では、ＳＣＦＣＬシステムは、負荷電流のほぼ１００パーセントをＳＣＦＣＬ４を経て流し、ほぼゼロパーセントを分路リアクタ６を経て流すように構成される。しかしながら、障害状態又は障害イベントの発生時には、分路リアクタ６が負荷電流の大部分を流し、それによってＳＣＦＣＬ４を通過する電流を制限するように構成される。

ＳＣＦＣＬの超伝導要素１６は一般的に極低温媒体内に沈められ、超伝導要素に隣接するブッシング２の少なくとも一部分は、ＳＣＦＣＬが取り付けられる外部電気装置より（約２００℃だけ）低い温度にさらされる。図２は、低温保持容器２２の外部に配置された第１のブッシング部分２ａ及び低温保持容器２２の内部に配置された第１のブッシング部分２ｂを有する複数のブッシング２を含む図１のＳＣＦＣＬの一部分を示す。

一実施形態では、低温保持容器２２は超伝導要素１６にふさわしい温度を維持するように温度及び圧力制御され、特に極低温に冷却される。この温度は液体窒素又は他の適切な液体寒剤で維持することができることは理解されよう。一般的に、ブッシング２は外部の電力発生、伝送及び配電装置に電気的に結合されるが、低温保持容器２２の内部ではブッシング２は超伝導要素１６に電気的に結合する。ブッシング２の各々は、図１と関連して記載したように、ＳＣＦＣＬの超伝導要素１６（極低温温度にある）を外部装置（周囲温度にある）に結合する導体２４を包囲する。導体２４は銅、アルミニウム、又は他の適切な材料とすることができる。低温保持容器２２は、動作中、第１のブッシング部分２ａは周囲環境にさらされるが、第２のブッシング部分２ｂは極低温温度にさらされるように、この容器の内部極低温部分を外部周囲環境から分離する上部フランジ２６を含む。このブッシング２は、超伝導要素１６を冷却する低温液体の沸騰及び／又は超伝導要素の冷却コストの増加を避けるために、熱伝導による損失が小さくなるようにしながら、上述した温度転移を受け入れるように構成すべきである。

図３は、液体窒素低温媒体などの低温媒体２８を含む低温保持容器２２と関連する図２のブッシング２の一つの内部構造を示す。上述したように、ブッシング２の第１の部分２ａは周囲（即ち、外部）環境にさらされるが、ブッシング２の第２の部分２ｂは少なくとも部分的に低温媒体内に沈められる。ブッシング２は、前述したように、ブッシングの全長を貫通してＳＣＦＣＬの超伝導要素１６を外部装置に結合する導体２４を包囲する。

図に示すように、ブッシング２は、低温保持容器２２を満たす低温媒体２８と適合するベース絶縁体部分３０を含む。一実施形態では、ベース絶縁体部分３０は極低温セラミック材料とすることができる。ベース絶縁体部分３０の他の適切な材料の非限定的な代表例としては、グラスファイバ、テフロン、デルリン、又は極低温温度及び媒体と適合する他の任意の誘電体材料が含まれる。ブッシング２の第１の部分２ａには環境保護カバー３２を設けることができる。この環境保護カバー３２はブッシング２を雨や雪や日光等の過酷な屋外環境から保護することができる。一実施形態では、環境保護カバー３２はシリコンゴム化合物よりなる。環境保護カバー３２の他の適切な材料の非限定的な代表例としては、磁器、ガラス、ゴム、又はブッシング用に一般に使用されている他の任意の材料が含まれる。ブッシング２の第２の部分２ｂは、ベース絶縁体部分３０が低温保持容器内の極低温媒体２８に直接さらされるように、環境保護カバー３２は含まない。

ブッシング２は、その第１の部分２ａが低温保持容器２２の外部に配置され、第２の部分２ｂが低温保持容器２２の内部に配置されるように、低温保持容器２２の上部フランジ２６にその中点又はその近くで結合される。ブッシング２は、上部フランジ２６に溶接又は他の方法で固定されるシーリングフランジ３４によって上部フランジ２６に気密に結合される。シーリングフランジ３４は上面３６を有し、その上にブッシング２の肩部３８が載る。それらの両面を密閉するために上面３６と肩部３８との間に第１のシール４０を配置することができる。シーリングフランジ３４の円周内表面４４とブッシングの対向外表面４６との間に第２のシール４２を配置することができる。第１及び第２のシール４０、４２は、シーリングフランジ３４及び／又はブッシング２に形成した適切な凹部に配置されるＯリング又はガスケットとすることができる。一つ以上のロック板４８をブッシング２の対応する半径方向溝５０内に配置することができる。ロック板４８はソケットヘッドキャップネジ等の留め具２によりシーリングフランジ３４に固定することができる。このように配置されたシーリングフランジ３４はブッシングの肩部３８とロック板４８との間に挟持され、ブッシングを低温保持容器２２の上部フランジ２６に固定し、密閉する。

先に述べたように、導体２４はＳＣＦＣＬの超伝導要素１６を図１に関連して記載した外部装置に結合する。従って、導体２４はブッシングの第１の部分２ａから延出する第１の端子２４ａ及びブッシングの第２の部分２ｂから延出する第２の端子２４ｂを有する。図示の実施形態では、第２の端子２４ｂは低温保持容器２２内に配置され、ＳＣＦＣＬの超伝導要素１６に結合する。導体２４の第１の端子２４ａに隣接する部分はブッシング２の第１の部分２ａに固定し、封止することができる。一実施形態では、グランドシール５４によりブッシングの第１の部分２ａを導体２４に固定し封止することができる。グランドシール５４はグランドナット５６と、ガスケット又はＯリングなどのシール５８とを含むことができる。グランドナット５６は、グランドナット５６を締め付けると、シール５８が導体をブッシングに固定し封止するように、ブッシング２の端凹部６０に螺合することができる。この構成は導体とブッシングの伸縮差を許容してシステムコンポーネントに及ぼされる応力を最小にすることもできる。

図４Ａ−４Ｃは開示のブッシング２を製造する製造工程を示す。最初に、ベース絶縁体材料３０をモールド成形、機械加工又は他の適切な技術によって製造する（図４Ａ）。先に述べたように、ベース絶縁体材料３０は極低温流体と適合し、極低温温度に耐えることができる極低温セラミック材料とすることができる。第１及び第２の部分２ａ，２ｂは単一ピースとして形成することができる。代わりに、第１及び第２の部分は別個のピースを互いに結合してなるものとすることもできる。次に、ブッシングの第１の部分２ａ（即ち、周囲（屋外）環境にさらされる部分）は外表面６２を粗面にするために化学的表面処理を施すことができる（図４Ｂ）。次に、環境保護カバー３２を第１の部分２ａの用意された表面に被着することができる。一実施形態では、環境保護カバーは、ブッシング２の第１の部分２ａのエッチングされた外表面６２にキャスティング、モールディング又は他の方法で被着することができるシリコンゴム材料である。一実施形態では、ブッシング２が約４５ｋＶで動作するように構成される場合、完成した第１の部分２ａは約８インチの外径を有するが、完成した第２の部分２ｂは約６インチの外径を有するものとし得る。しかしながら、完成寸法、比率及び材料はブッシングの個々の装置により決まることは理解されよう。

本発明を特定の実施形態を参照して開示したが、添付の請求の範囲で特定される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、開示の実施形態に対する多くの改変、変更及び変形が可能である。従って、本発明は開示の実施形態に限定されず、添付の請求の範囲の語句で特定される全範囲及びその均等範囲も含むことが意図されている。

Claims (13)

1. 第１及び第２のブッシング部分と、
   前記第１及び第２のブッシング部分内に配置された電気導体と、を備え、前記電気導体は、周囲温度にある電気要素に結合するための、前記第１のブッシング部分から延出する第１の端子及び極低温温度にある超伝導要素に結合するための、前記第２のブッシング部分から延出する第２の端子を有し、
   前記第１及び第２のブッシング部分はベース絶縁体を備え、前記第１のブッシング部分は前記ベース絶縁体の上にのみ配置された環境保護層を更に備える、電気ブッシング。
2. 前記第１のブッシング部分と係合され、前記電気導体を前記第１のブッシング部分に固定するグランドシールを更に備える、請求項１記載のブッシング。
3. 前記ブッシングを低温保持容器に結合するためのシーリングフランジであって、前記ブッシングの下位肩部と係合する上部表面を有するシーリングフランジと、
   前記ブッシング内の半径方向溝内に配置されたロック板であって、前記シーリングフランジに留め具で固定し得るロック板と、を更に備え、
   前記ブッシングを前記シーリングフランジに固定するために前記シーリングフランジが前記ブッシングの肩部と前記ロック板との間に挟持される、請求項１記載のブッシング。
4. 前記シーリングフランジの前記上部表面と前記ブッシングの前記下位肩部との間に配置された第１のシールと、前記シーリングフランジの内部円周表面と前記ブッシングの対向外表面との間に配置された第２のシールとを更に備える、請求項３記載のブッシング。
5. 前記第１及び第２のシールは前記シーリングフランジと前記ブッシングの少なくとも一つに形成された対応する凹部内に配置される、請求項４記載のブッシング。
6. 前記第１及び第２のブッシング部分は前記ベース絶縁体の別個のピースを備える、請求項１記載のブッシング。
7. 前記第１及び第２のブッシング部分は前記ベース絶縁体の単一ピースを備える、請求項１記載のブッシング。
8. 第１及び第２のブッシング部分とそれらの中に配置された電気導体とを備え、
   前記電気導体は、前記第１のブッシング部分に隣接した位置に前記第１の電気要素に結合するための第１の端子と、前記第２のブッシング部分から延出する第２の電気要素に結合するための第２の端子とを含み、
   前記第１の電気要素は周囲温度にあり、前記第２の電気要素は極低温温度にある超伝導障害電流制限器であり、
   前記第１及び第２のブッシング部分は単一ベース絶縁体を備え、前記第１のブッシング部分は前記ベース絶縁体の上にのみ配置された環境保護層を更に備える、電気ブッシング。
9. 前記第１のブッシング部分と係合され、前記電気導体を前記第１のブッシング部分に固定するグランドシールを更に備える、請求項８記載のブッシング。
10. 前記ブッシングを低温保持容器に結合するためのシーリングフランジであって、前記ブッシングの下位肩部と係合する上部表面を有するシーリングフランジと、
    前記ブッシング内の半径方向溝内に配置されたロック板であって、前記シーリングフランジに留め具で固定し得るロック板と、を更に備え、
    前記ブッシングを前記シーリングフランジに固定するために前記シーリングフランジが前記ブッシングの肩部と前記ロック板との間に挟持される、請求項８記載のブッシング。
11. 前記シーリングフランジの前記上部表面と前記ブッシングの前記下位肩部との間に配置された第１のシールと、前記シーリングフランジの内部円周表面と前記ブッシングの対向外表面との間に配置された第２のシールとを更に備える、請求項１０記載のブッシング。
12. 前記第１及び第２のシールはＯリングを備える、請求項１１記載のブッシング。
13. 前記第１及び第２のブッシング部分は前記ベース絶縁体の単一ピースを備える、請求項８記載のブッシング。

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