JP2947927B2 - 超電導限流装置 - Google Patents

超電導限流装置

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JP2947927B2 JP2330365A JP33036590A JP2947927B2 JP 2947927 B2 JP2947927 B2 JP 2947927B2 JP 2330365 A JP2330365 A JP 2330365A JP 33036590 A JP33036590 A JP 33036590A JP 2947927 B2 JP2947927 B2 JP 2947927B2
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潔 岡庭
和行 ▲つる▼永
大佐 伊藤
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    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) この発明は超電導限流装置に関し、特に、超電導体の
クエンチ現象を利用した交流電路の過電流抑制装置に於
いて、特に過電流抑制素子のクエンチ時抵抗を瞬時に上
昇させるための技術に関するものである。
(従来の技術) 配電線等の交流電路に3相短絡や地絡事故が発生する
と数十kAにも及ぶ事故電流が流れ、電力系統や機器に大
きなダメージを与えてしまう。この様な事故電流を瞬時
に検出し抑制するための過電流抑制(以後限流という)
技術の一つに、最近超電導を応用したものが提案されて
いる。この種の装置としては、特願昭63−109129号公報
に記載のものが従来知られている。
第7図は従来の過電流抑制装置(以下、限流器或いは
限流素子という)の構成を示すものである。この限流器
では複数の酸化物超電導限流素子71が絶縁スペーサ72に
より支持されると共に、各限流素子71は直列または並列
に接続されて電路に挿入される。この限流素子71と作用
としては、自己の臨界電流地(IC)以下の電流に対して
は抵抗0の状態を維持する一方、臨界電流地を越える過
電流が流れると自らがクエンチして高抵抗体に転移して
それを抑制する。この様な原理の限流素子71において
は、クエンチ後の抵抗の時間的上昇率が急峻であるほど
優れた限流性能が得られることになるが、現実の超電導
体にはこれを阻害するような特性が内在している。
その第1は、抵抗率の温度依存性であり、第2は超電
導体内部の特性のばらつきである。一般的な酸化物超電
導体の温度依存性は第8図に示すように温度上昇に対し
て抵抗率も緩やかに上昇していく傾向を持っている。こ
の事は、所定サイズの限流素子を製作した場合におい
て、過電流の値によって作動抵抗値が大きく変化する事
を意味している。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、クエンチ時の抵抗値上昇の大半を決定
する限流素子の温度上昇値は、素子発熱量から冷却媒体
の蒸発潜熱を減じた値と限流素子の熱容量との比で決定
されることから、条件の最適化が困難であり、場合によ
っては数サイクル間の時間を経てようやく最大クエンチ
抵抗値に達するような素子とならざるを得ない。従っ
て、従来技術においては、源流作動後のクエンチ抵抗の
立ち上がり速度が鈍く急峻な源流特性が得られないこ
と、及び作動後も抵抗限流方式のため、冷媒の消費が著
しく、連続限流が困難という問題点があった。
この発明は以上のような事情に鑑み成されたもので、
臨界電流値を越える過電流が流れて限流素子が作動した
後の抵抗値上昇速度を高めると共に、作動後の限流イン
ピーダンスを任意に設定するようにして、作動後の連続
限流を可能にした超電導限流装置の提供を目的とする。
〔発明の構成〕
(課題を解決するための手段) 前記目的を達成する本発明の超電導限流装置の第1の
形態の構成が第1図(a)に示される。この形態の超電
導限流装置は、電路の過電流を抑制するための限流装置
であって、所定の臨界電流値を有する超電導体から成る
トリガ素子1と、任意臨界電流値とインダクタンスを有
する超電導コイル3およびコンデンサ5からなる直列回
路とが並列に接続され、超電導コイル3とによってトリ
ガ素子1に磁界が印加されるようになっていることを特
徴としている。
第1図(b)は本発明の超電導限流装置の第2の形態
の超電導限流装置を示すものであって、第1の形態の超
電導限流装置におけるトリガ素子1に、このトリガ素子
1のクエンチと同時に開極操作されるスイッチ2が直列
に挿入されていることを特徴としている。
(作用) この発明の超電導限流装置では、トリガ素子は定常状
態においてはトリガ素子及び限流コイルの双方共超電導
状態にあり、スイッチは閉路されている。従って、回路
電流の殆どは無誘電で超電導状態のトリガ回路(トリガ
素子に直列にスイッチが接続された回路)を流れ、正常
に負荷給電される。しかし、負荷短絡等が発生し回路に
過電流が流れると、トリガ素子がクエンチして中抵抗体
に転移する。その結果、電流は限流コイル側へも分流し
トリガ素子は限流コイルの発生する磁界にさらされる。
トリガ素子は外部磁界を受けると抵抗率が上昇するため
にさらに高抵抗となり、過電流を抑制すると同時に、限
流コイル側への事故電流を促進し、その後スイッチによ
りトリガ回路が遮断される。従って、事故電流は限流コ
イルのリアクトル作用によって損失(熱)を生じること
無く限流し続けると同時に、その間トリガ素子は冷却さ
れて超電導を回復する。この結果、事故解除後は、スイ
ッチを閉路操作することにより容易に定常状態へ復帰す
ることが可能となる。
(実施例) 以下、この発明を実施例により図面を参照しつつ詳細
に説明する。
第2図(a)はこの発明の一実施例の超電導限流装置
10の構成を示すものである。図において、1はトリガ素
子、2はスイッチ、3は所定のインダクタンス値を有す
る超電導限流コイル(以下、限流コイルと言う)、4は
ボビンを示している。この実施例においてトリガ素子1
は所定の臨界電流値を有する複数の棒状超電導体から成
り、絶縁体であるボビン4に極力無誘導に近くなるよう
に装着される。限流コイル3はこのボビン4に巻装さ
れ、トリガ素子1が限流コイル3の磁界中に配置されて
いる。また、各トリガ素子1とスイッチ2とは直列に接
続されトリガ回路を構成している。
第2図(b)は第2図(a)のように構成された超電
導限流装置10を電気的に模式化した図であり、限流コイ
ル3の磁界内にトリガ素子1が配されていること、スイ
ッチ2がトリガ素子1に直列に接続されている状態を示
している。
第3図はこのトリガ素子1を構成する超電導体の抵抗
率ρの温度及び外部磁界Bの依存性を示すものであり、
トリガ素子1は温度一定のもとでは外部磁界Bが強くな
るほど抵抗率ρが増大することを示している。尚、スイ
ッチ2は図示しない操作機構によりトリガ素子1のクエ
ンチ発生と同時に開極操作されるよう構成されている。
限流コイル3は限流作動時にもクエンチしない程度の臨
界電流値を有する超電導線から成り、ボビン4、即ちト
リガ素子1の外周部に所定のインダクタンス値を有する
よう巻装されている。
第4図は以上のように構成された超電導限流装置10の
実際の回路への適用例を示す回路図であり、11は電源、
12は遮断器、13は負荷を示している。そして、電源11、
遮断器12、および負荷13は全て超電導限流装置10に直列
に接続されている。
第5図は、第4図に於ける定常及び負荷短絡発生時の
回路電流波形と前述のトリガ素子1の抵抗変化を示す線
図であり、iTCがトリガ回路電流、iLCが限流コイル電
流、RTCがトリガ素子の抵抗値を示している。ここで、
これらの図を用いてこの実施例の超電導限流装置10の作
用について説明する。
今、遮断器12が閉路し、負荷13も正常状態にある場
合、トリガ素子1は超電導状態にあるため回路電流の殆
どが無誘導で超電導(インピーダンス0)のトリガ回路
を流れる。次に、例えば負荷13に短絡が第5図“a"点で
発生して事故電流(図中の記載は規約短絡電流)が流
れ、その値がトリガ素子1の臨界電流値ICIを超える
と、トリガ素子1はクエンチして中抵抗体に転移する。
この時のトリガ素子1の抵抗RTCの上昇率は、第3図に
示す通り超電導体の温度上昇値に比例して増加するた
め、条件にもよるが第5図“b"〜“c"点に示すように比
較的穏やかな上昇カーブとなる。
ところが、このトリガ素子1のクエンチによりトリガ
素子1の両端には電圧が生じこの電圧に対して90゜の送
れ位相をもった電流iLCが限流コイル3に流れる。この
限流コイル電流iLCにより限流コイル3内にはそのター
ン数に応じた磁界が生じる(例えば、巻き数8Tの場合B
(8T))ため、トリガ素子1の抵抗率ρは第3図に示す
ように素子温度に関係なく瞬時に最大値迄上昇する。即
ち、トリガ素子1の抵抗値が第5図“c"以降に示す通り
に急激に増大するため、事故電流の殆どが限流コイル3
側へ転流し、この後、トリガ回路はスイッチ2によって
遮断される(第5図“e"点)。
以上の作用により、事故電流は超電導限流コイル3に
よって任意時間、所定の値に限流され続ける。尚、超電
導体は冷却されると比較的短時間の内に超電導復帰す
る。従って、トリガ素子1の完全冷却の後、スイッチ2
を閉路すればこの実施例の超電導限流装置は定常状態
(インピーダンス0)に復帰することが可能となる。
以上のように、この実施例によれば、従来は温度上昇
特性に左右されていたトリガ素子1のクエンチ抵抗上昇
特定を、磁気的な制御を付加することで事故発生後半サ
イクル以内に確実に最大クエンチ抵抗値まで高めること
が可能となり、応答の高速化が図れる。また、並列に超
電導限流コイル3を配したので、事故電流を任意の値
に、且つ任意の時間、無損失で限流し続けることが可能
となる。
ところで、前述の実施例においては、限流コイル3の
磁界発生がトリガ素子電流、即ち事故電流に対して90゜
の送れ位相となるため、その分、限流動作も送れてしま
うことが懸念される。すなわち、この種の限流装置にお
いては、トリガ素子1のクエンチ発生と同時に素子低値
を最大値まで上昇させることが理想である。これを実現
する方法としては限流コイル3に直列にコンデンサを付
加する方法がある。
第6図はこの発明の他の実施例を示すものであり、第
5図の実施例の限流コイル3に、進相用コンデンサ5を
直列に挿入したものである。このコンデンサ5は限流コ
イル回路をトリガ回路により進み電流要素とし、且つ、
事故電流に対して所定のインピーダンスを有する作用を
もつ。即ちこの実施例によれば、事故電流が生じてトリ
ガ素子1がクエンチすると、瞬時に限流コイル回路に事
故電流が転流する。その結果、限流コイル3による磁界
がトリガ素子1のクエンチと同期して発生することにな
りトリガ素子1はそれにより最大クエンチ抵抗値にまで
瞬時に上昇する。
従って、第6図の実施例によれば、第4図の実施例の
超電導限流装置により更に急峻な限流特性を有する超電
導限流装置を得ることができる。
〔発明の効果〕
以上説明したようにこの発明によれば、従来困難とさ
れていた事故電流の第1波限流が可能となり、更に超電
導リアクトルおよびコンデンサによる限流方式としたた
め損失が極めて小さく、連続限流も可能となる等の効果
が得られる。また、進相コンテンザを付加したので、ト
リガ素子作動時に生じるサージ電圧の抑制効果も期待で
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は本発明の超電導限流装置の第1の形態の
原理構成図、 第1図(b)は本発明の超電導限流装置の第2の形態の
原理構成図、 第2図(a)はこの発明の一実施例の超電導限流装置の
構成を示す斜視図、 第2図(b)は第2図(a)の超電導限流装置の電気的
模式図、 第3図はこの発明の超電導限流装置を構成するトリガ素
子の温度−抵抗率特性の一例を示す線図、 第4図は超電導限流装置の実際の回路への適用例を示す
回路図、 第5図は第4図の回路における限流装置の動作特性を示
す波形図、 第6図は第4図の超電導限流装置の変形実施例を示す
図、 第7図は従来の限流器構成を示す斜視図、 第8図は従来の一般的な酸化物超電導体の抵抗率の温度
依存性を示す温度−抵抗率特性の線図である。 1……トリガ素子、 2……スイッチ、 3……限流コイル、 4……ボビン、 10……限流器、 11……電源、 12……遮断器、 13……負荷を表す、 15……進相コンデンサ、 71……限流素子、 72……絶縁スペーサ、 ICI……トリガ素子の臨界電流値、 iTC……トリガ回路電流、 iLC……限流コイルを流れる電流、 RTC……トリガ素子の抵抗値を表す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲つる▼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 (72)発明者 伊藤 大佐 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式 会社東芝総合研究所内 (72)発明者 杉山 喜之 東京都港区芝浦1丁目1番1号 株式会 社東芝本社事務所内 (72)発明者 奥村 博行 東京都府中市東芝町1番地 株式会社東 芝府中工場内 (56)参考文献 特開 平2−202320(JP,A) 特開 平1−190219(JP,A) 特開 昭51−136156(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H02H 9/02

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電路の過電流を抑制するための限流装置で
    あって、所定の臨界電流値を有する超電導体から成るト
    リガ素子(1)と、任意臨界電流値とインダクタンスを
    有する超電導コイル(3)およびコンデンサ(5)から
    なる直列回路とを並列に接続し、この超電導コイル
    (3)によって前記トリガ素子(1)に磁界を印加する
    ように構成したことを特徴とする超電導限流装置。
  2. 【請求項2】前記トリガ素子(1)に、このトリガ素子
    (1)のクエンチと同時に開極操作されるスイッチ
    (2)を直列に挿入したことを特徴とする請求項1に記
    載の超電導限流装置。
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US20160013635A1 (en) * 2013-04-01 2016-01-14 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Current-limiting device
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