JP4153920B2

JP4153920B2 - 超電導限流器

Info

Publication number: JP4153920B2
Application number: JP2005095374A
Authority: JP
Inventors: 宏久保田; 由紀工藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2025-03-29
Also published as: JP2006278135A

Description

本発明は、超伝導体の超電導／常伝導転移を用いて短絡電流などの過大な電流を瞬時に抑制する超電導限流器に関する。

１９９５年から段階的に進められてきている電力自由化の影響で、電力の効率的な運用やエネルギーコスト削減が急務となっている。このため、工場などの比較的大規模な電力需要者が電力会社から電力供給を受けながら、必要な電力の一部を需要者側で設置した分散電源を用いて発電するという形態が急速に増加している。特に、分散電源として天然ガスなどを利用したコジェネレーションシステムを用いた場合には、発電に伴って発生する廃熱も熱資源として有効に利用するため、総合エネルギー効率が高く、さらにはＣＯ₂やＮＯｘの削減といった環境問題にも有効なため、積極的な導入が国レベルで進められている。

しかしながら、一般にこのように分散電源と電力系統側が連系された状態となると、電力系統側で電線が電気的に大地に接触したり、電線どうしが接触したりするといった事故が発生した場合、分散電源側から電力系統側へと電流が流れだし、事故電流の増加を引き起こすこととなる。そのため、このままでは現状の電力系統保護システムに設置してある遮断器による事故除去が困難となり、早急に何らかの対応策を講じなければならなくなっている。

そこでこれまで、いくつもの方法が検討されてきた。例えば、既設の遮断器を今より遮断容量の大きな機器に取り替える方法や、限流リアクトルを挿入する方法などである。前者は、増大した事故電流を遮断器の能力向上により対応するというものである。後者は、増加しようとする事故電流をインダクタンス成分により抑制しようとするものである。

しかしながら、電力系統には沢山の遮断器が設けられており、これらの遮断器を取り替えるには、多額の費用がかかる、また、該当する系統のケーブル容量が小さい場合には、ケーブルの容量増加も合わせて行わなければならないという問題もある。

一方、限流リアクトルを用いる場合にはそのインダクタンスの大きさは、発電機容量や系統条件などにより決定される。ただし、あまり大きなインダクタンスが要求された場合には、通常時における電圧降下の問題などが生じ、適用することができない。

このように既存の技術だけでは、今後予想される事故電流増大への対応が難しい。このため、最近では、通常通電時にはほとんどインピーダンス成分を持たず、大電流が流れようとすると高速でインピーダンスを発生し、事故電流を抑制することのできる限流器の開発が進められている。このような機器を導入すれば、通常時の電圧低下を引き起こすことなく、事故電流の増大を抑制できるため、既設の遮断器による事故除去が可能となる。

現在開発が検討されている限流器は、用いる電流抑制原理や使用する材料などから、半導体を用いるもの、アーク放電を利用するものなどいくつかのタイプに分けることができる。なかでも超電導薄膜の超電導／常伝導転移を利用した限流器は通常時の消費エネルギーが少なく、５ミリ秒程度と高速で電流を抑制できる。さらに、限流動作開始のためのトリガー回路などが不必要なため、信頼性が高く、その開発が特に期待されているものの一つである。

しかしながら、超電導限流器はその機能を発揮させるために超電導体を冷却する必要がある。そのため、いわゆる高温超電導体を用いた場合でも、液体窒素などの低温の液体中で超電導体を冷却することが検討されている（特許文献１）。ただし、超電導体が大電流により常伝導転移することを利用して過電流を抑制する超電導限流器の場合、常伝導転移とともに超電導体中で大きなジュール発熱を生じることから、限流動作時には超電導体の温度は臨界温度よりも大幅に上昇してしまう。したがって、これが冷却するまで、この超電導体には再通電することができない。そのため、再通電用の限流素子部分を低温容器内に用意しておいて、事故発生後、系統が無電圧時間になったときに接続されている素子部分を切り替えて再通電に備えることが検討されている（特許文献２）。
特許第２８９５６１６号公報特開２０００−２９４０６８号公報

限流器を配電用フィーダー線の遮断器より下流に設置すれば、事故遮断のために電路を開放すると限流器を流れる電流は零となり、その間に超電導限流素子の接続切り替えを行うことができる。

しかしながら、瞬時電圧低下現象の場合には、系統側の電線には無停電時間がないことがほとんどである。すなわち、瞬時電圧低下現象の原因となる電力事故は、一般に瞬時電圧低下が発生している地点よりかなり遠方で生じたものであるか、または上位電圧階級の電線などで生じたものである。このため、電力事故を遮断する目的で電路を開極しても瞬時電圧低下の発生した領域は無電圧状態にならない。

さらに、分散電源により必要な電力の一部しか供給できない場合、系統側から電力供給がなくとも通常発生する瞬時電圧低下の継続時間である０．１秒程度の間であれば電圧を維持することができるが、電力系統側からの電力供給までに要する時間が長くなると需要者側で深刻な電力不足が発生する。これは、分散電源でなくとも、例えばコンデンサーなどにより一瞬だけ電力を供給するようなシステムを設けている場合でも同様である。

このように、分散電源側と電力系統側の連系点に用いる限流器には、過電流抑制効果が必要であるが、超電導限流器を流れる電流を遮断することは望ましくない。したがって、従来の超電導限流器のように、無電圧時間が必要とされる構造の限流器を適用するのは現実的ではない。

一方、系統側で再度事故が起きることを想定すると、再通電用の超電導限流モジュールの早期接続が求められるが、この際に最初の事故が継続していると再接続用の超電導限流モジュールも同一事故により常伝導転移して、再通電用の限流モジュールがなくなることもありうる。さらに、上述したように分散電源と電力系統との連系点では、限流モジュールが動作した場合でも継続して電流が流れていることが多い。したがって、動作した超電導限流モジュールの切り離しを確実に行わないと、超電導限流モジュールの温度が過度に上昇し、モジュールが破壊される。特に、低温液体により素子を冷却している場合には、動作した限流モジュールの切り離しを確実に行わないと、低温液体の蒸発により低温容器内の圧力が上昇し続けることになり、容器が爆発するなどの事故が生じることになる。動作した超電導限流モジュールの切り離しには、外部電源を使用したスイッチング機構などが必要になるため、より信頼性の高いスイッチング機構が要求されている。

本発明の目的は、限流動作時にも系統連系を遮断することがない超電導限流器を提供することにある。

本発明の一態様に係る超電導限流器は、第１の超電導限流モジュール、および通常動作時に閉、限流動作時に開となる第１のスイッチを含む第１の直列回路と；第２の超電導限流モジュール、および通常動作時に開、限流動作時に閉となる第２のスイッチを含み、前記第１の直列回路に並列接続された第２の直列回路と；前記第１の直列回路および前記第２の直列回路に並列接続された外部抵抗と；前記第１の超電導限流モジュールの限流動作後に、前記第２のスイッチを閉じることによって前記第２の超電導限流モジュールに流れる電流値を推定する検出手段と；前記検出手段により推定された電流値が前記第２の超電導限流モジュールの臨界電流値以下である場合に前記第２のスイッチを閉じる指令を発するトリガー回路を具備し、前記第１のスイッチは、筐体と、筐体内に設けられ前記第１の超電導限流モジュールの２つの電流端子のうち一方が引き込まれる接続ブロックと、前記接続ブロックに挿入され前記接続ブロックに引き込まれた電流端子との接続または非接続により第１のスイッチを閉または開にする可動導体と、前記可動導体と前記筐体との間に設けられた形状記憶合金からなるバネと、前記バネの両端と前記第１の超電導限流モジュールの２つの電流端子との間を接続するケーブルを含み、前記形状記憶合金からなるバネが前記第１の超電導限流モジュールの限流動作によってその２つの電流端子間に生じる電位差に伴う温度上昇により復元力を発生して可動導体を駆動し第１のスイッチを開にすることを特徴とする。

本発明の実施形態に係る超電導限流器によれば、限流動作時にも電力系統側と電力需要者側との連系が常に確保される。

本発明の実施形態に係る超電導限流器は、第１の超電導限流モジュールおよび第１のスイッチを含む第１の直列回路と、第２の超電導限流モジュールおよび第２のスイッチを含む第２の直列回路と、第１の直列回路および第２の直列回路に並列接続された外部抵抗とを有するので、第１の超電導限流モジュールが限流動作した後には超電導限流モジュール間に電位差が発生し、並列接続された外部抵抗にも電流が流れるため、電力系統側と電力需要者側との連系点での超電導限流器の電気的接続が継続される。

本発明の実施形態に係る超電導限流器においては、第１の超電導限流モジュールの限流動作後に、第２のスイッチを閉じることによって第２の超電導限流モジュールに流れると予測される電流値を推定する検出手段と、検出手段により推定された電流値が第２の超電導限流モジュールの臨界電流値以下である場合に第２のスイッチを閉じる指令を発するトリガー回路を設けることが好ましい。検出手段としては例えば電流計および電圧計を用いることができる。この超電導限流器を用いれば、第２の超電導限流モジュールへ通電したときに臨界電流値に達するのを防止して、第２の超電導限流モジュールが常伝導転移するのを防止できる。

また、本発明の実施形態に係る超電導限流器が動作すると、超電導限流器の電流端子間に必ず電位差が発生する。そこで、この電位差により動作してスイッチを開にする可動導体を設ければ、外部電源などを使用することなく信頼性の高いスイッチングを実現できる。

また、本発明の実施形態に係る超電導限流器が動作すると、その冷却液体から発生する蒸気により圧力の上昇が得られる。そこで、この電位差により動作してスイッチを開にする可動導体を設ければ、外部電源などを使用することなく信頼性の高いスイッチングを実現できる。

実施例１
図１に本実施例における超電導限流器の構成図を示す。この超電導限流器は電路５０の途中に設けられ、第１の超電導限流モジュール１および第１のスイッチ３を含む第１の直列回路と、第２の超電導限流モジュール２および第２のスイッチ４を含み第１の直列回路に並列接続された第２の直列回路と、第１の直列回路および第２の直列回路に並列接続された外部抵抗５とを有する。第１のスイッチ３は通常動作時に閉、限流動作時に開となる。第２のスイッチ４は通常動作時に開、限流動作時に閉となる。

通常動作時には、第１のスイッチ３は閉、第２のスイッチ４は開となっているため、電流は第１の超電導限流モジュール１を流れている。過電流が流れると、第１の超電導限流モジュール１は常伝導状態へと転移し、抵抗を発生し過電流を抑制する。これにより、超電導限流モジュール間に電位差が発生するため、外部抵抗５にも電流が流れる。その後、第２のスイッチ４を閉、第１のスイッチ３を開とする。この際、例えば第２のスイッチ４を閉じる前に第１のスイッチ３を開くというように、どのようなスイッチ手順であっても、外部抵抗５が並列接続されているため、連系点での超電導限流器の電気的接続は継続されている。

実施例２
図２に本実施例における超電導限流器の構成図を示す。この超電導限流器は、図１の構成に加えて、第１のスイッチ３および第２のスイッチ４に接続されたトリガー回路１１、超電導限流器よりも上流の電路５０に設けられた電流計１２、トリガー回路１１と上流の電路５０との間およびトリガー回路１１と下流の電路５０との間にそれぞれ接続された電圧計１３、１３を具備している。

この超電導限流器でも、過電流が流れると第１の超電導限流モジュール１は常伝導状態へと転移し抵抗を発生して過電流を抑制し、外部抵抗５にも電流が流れる。その後、電流計１２および電圧計１３での測定結果から、第２の超電導限流モジュール２に通電した場合に流れる電流値を推定し、この電流値が第２の超電導限流モジュール２の臨界電流値以下であった場合にトリガー回路１１により第２のスイッチ４を閉じる指令を出すように設定している。これにより、第２のスイッチ４を閉じたときに再度超電導限流モジュールが動作して再通電用の超電導限流モジュールが常伝導状態へと転移する、という事態を防止できる。

本実施例では、以下のような超電導限流器を作製し、その動作特性を評価した。幅１ｃｍ、長さ２０ｃｍ、厚さ１ｍｍのサファイア基板の上に作製したＹＢＣＯ薄膜を用いて作製した限流素子を、８並列×２０直列とすることで４００Ａ／６．６ｋＶ級の第１の超電導限流モジュール１および第２の超電導限流モジュール２を作製した。これらのモジュールの臨界電流値はそれぞれ２４０Ａ、２５０Ａであった。第１のスイッチ３および第２のスイッチ４としては、市販の真空遮断器を使用した。

図３に、本実施例の超電導限流器の動作特性を調べるための回路図を示す。図３において、本実施例の超電導限流器２０は、電源としての短絡発電機２１、系統インピーダンス２２、負荷インピーダンス２３を含む閉回路に組み込まれている。また、負荷インピーダンス２３に対して事故発生用遮断器２４および事故除去用遮断器２５が並列接続されている。

通常電流は負荷インピーダンス２１により２００Ａになるように設定した。事故時の過電流は系統インピーダンス２２により１２．５ｋＡになるように設定した。事故発生用遮断器２４を投入することにより電力事故を模擬し、事故除去用遮断器２５を開くことにより事故除去を模擬するようにした。なお、事故発生用遮断器２４は０秒で投入され、０．１秒後に事故除去用遮断器２５が開くようにシークエンスを組んで試験を行った。

まず、超電導限流器２６を用いずに事故を発生させた場合の回路電流を測定した。図４にその結果を示す。実際に測定した電流値は交流電流であるため振動しているが、図４では平均実効値を示している。また、電流位相とは無関係に事故を発生させたため、事故電流には直流重畳分が含まれるが、図４ではこれを差し引いた値を計算して示している。図４に示されるように、この回路は予定した事故の様相を示している。

次に、事故を発生させたときに超電導限流器２６を動作させて回路電流を測定した。図５にその結果を示す。図５から以下のことがわかる。事故発生直後に過電流は８００Ａ程度まで増大するが、その後は抑制されている。また、超電導限流モジュールの温度がしだいに上昇するため、時間とともに抵抗が増大し過電流の値は徐々に小さくなる。０．０８秒後に電流が小さくなっている理由は、この時刻に図２に示したトリガー回路１１が第１のスイッチ３へ開指令を発し、第１のスイッチ３が開き、これに伴い超電導限流器の抵抗が瞬時に増大したためである。さらに、０．１秒後には事故は除去されたが、この時点ではまだ第２の超電導限流モジュール２は接続されていない。このため、回路インピーダンスが通常よりも超電導限流器の発生する抵抗分だけ大きく、回路電流は通常時よりも小さい値となる。この時点で、図２に示した電流計１２および電圧計１３の測定結果から、第２の超電導限流モジュール２への通電により流れる電流値が、第２の超電導限流モジュール２の臨界電流値である２５０Ａを下回ることが推定されたため、トリガー回路１１が第２のスイッチ４へ閉指令を発し、０．１１秒後に第２のスイッチ４が閉じ、回路電流が通常値に復帰した。この特性評価からわかるように、本実施例の超電導限流器では、系統連系点を遮断することなく限流動作を行い、さらに新たな超電導限流モジュールを接続したときにそのモジュールが同一事故によって限流動作するのを防止できる。

実施例３
図６に本実施例の超電導限流器に含まれる超電導限流モジュールに接続されるスイッチの構成図を示す。以下においては、第１の超電導限流モジュール１および第１のスイッチ３について説明するが、第２の超電導限流モジュール２および第２のスイッチ４にも同様な構成を採用することができる。

図６において、第１の超電導限流モジュール１は低温容器３０の内部に保持され、液体窒素のような低温液体４０により冷却されている。第１の超電導限流モジュール１の両端の電流端子３１、３２のうち一方に第１のスイッチ３が設けられている。電流端子３１、３２の間にはケーブル３３が接続されており、このケーブル３３は第１のスイッチ３を開閉する機構に接続されている。

図７に第１のスイッチ３の内部構造を示す。電流端子３１、３２は接続ブロック３４内に引き込まれており、この接続ブロック３４内に挿入された上下動可能な可動導体３５によってスイッチの開閉がなされる。スイッチの筐体と可動導体３５のフランジ部との間には形状記憶合金からなるバネ３６が設けられている。ケーブル３３はバネ３６の両端に接続されている。

この第１のスイッチ３の動作を説明する。通常通電時には、第１の超電導限流モジュール１の両端間にほとんど電位差が生じないため、ケーブル３３には電流が流れない。一方、第１の超電導限流モジュール１が限流動作すると、その両端間に数ｋＶにおよぶ電位差が生じ、ケーブル３３およびバネ３６に大電流が流れる。この結果、バネ３６は瞬時に温度上昇し復元力を発生して可動導体３５を駆動し、第１のスイッチ３を開極する。これにより、第１の超電導限流モジュール１への通電が遮断されるとともに、ケーブル３３への電流も遮断される。

なお、スイッチとして電磁反発スイッチを用いてもよい。ただし、形状記憶合金からなるバネ３６は、いったん温度上昇すれば、電流が遮断されても駆動力が持続するのに対し、電磁反発スイッチでは電流が遮断されると駆動力もなくなる。このため、電磁反発スイッチを用いた場合に図６と同様に接続すると、スイッチング動作の信頼性を確保することが困難になる。

図８に本実施例の超電導限流器に含まれる超電導限流モジュールに接続されるスイッチとして電磁反発スイッチを用いた場合に好適な構成図を示す。図８では、ケーブル３３は、第１のスイッチ３よりも上流の一方の電流端子３１と他方の電極端子３２との間で、第１のスイッチ３を経由して接続されている。この場合、第１のスイッチ３が限流動作した後にもケーブル３３には電流が流れ続けるため、電磁反発スイッチの動作の信頼性が向上する。

実施例４
図９および図１０に本実施例の超電導限流器に含まれる超電導限流モジュールに接続されるスイッチの構成図を示す。以下においては、第１の超電導限流モジュール１および第１のスイッチ３について説明するが、第２の超電導限流モジュール２および第２のスイッチ４にも同様な構成を採用することができる。

図９において、第１の超電導限流モジュール１は低温容器３０の内部に保持され、低温液体４０により冷却されている。第１の超電導限流モジュール１の両端の電流端子３１、３２のうち一方に第１のスイッチ３が設けられている。低温容器３０の上部にはシリンダー３７が設けられ、このシリンダー３７内に低温容器３０内の圧力により稼動するピストン３８およびこのピストン３８に取り付けられた可動導体３９が設けられている。可動導体３９は第１のスイッチ３の筐体内に挿入されている。

図１０に示すように、第１の超電導限流モジュール１が限流動作すると、低温液体４０の一部が瞬時に蒸発し、発生した蒸気の圧力によりピストン３８および可動導体３９が上昇して、第１のスイッチ３が開となり、超電導限流モジュール１への通電を遮断することができる。このような構造を採用すると、低温容器３０内の過度の圧力上昇を防止することができ、スイッチ機構の信頼性の高めることができる。

実施例１における超電導限流器の構成図。実施例２における超電導限流器の構成図。実施例２の超電導限流器の動作特性を調べるための回路図。実施例２において超電導限流器を用いずに事故を発生させた場合の回路電流を示す図。実施例２において事故を発生させて超電導限流器を動作させて場合の回路電流を示す図。実施例３の超電導限流器に含まれる超電導限流モジュールに接続されるスイッチの構成図。実施例３におけるスイッチの内部構造を示す構成図。実施例３の超電導限流器に含まれる超電導限流モジュールに接続される他のスイッチの構成図。実施例４の超電導限流器に含まれる超電導限流モジュールに接続されるスイッチの構成図。実施例４の超電導限流器に含まれる超電導限流モジュールに接続されるスイッチの構成図。

符号の説明

１…第１の超電導限流モジュール、２…第２の超電導限流モジュール、３…第１のスイッチ、４…第２のスイッチ、５…外部抵抗、１１…トリガー回路、１２…電流計、１３…電圧計、２０…超電導限流器２０は、２１…短絡発電機、２２…系統インピーダンス、２３…負荷インピーダンス、２４…事故発生用遮断器、２５…事故除去用遮断器、３０…低温容器、３１、３２…電流端子、３３…ケーブル、３４…接続ブロック、３５…可動導体、３６…形状記憶合金からなるバネ、３７…シリンダー、３８…ピストン、３９…可動導体、４０…低温液体、５０…電路。

Claims

第１の超電導限流モジュール、および通常動作時に閉、限流動作時に開となる第１のスイッチを含む第１の直列回路と、
第２の超電導限流モジュール、および通常動作時に開、限流動作時に閉となる第２のスイッチを含み、前記第１の直列回路に並列接続された第２の直列回路と、
前記第１の直列回路および前記第２の直列回路に並列接続された外部抵抗と、
前記第１の超電導限流モジュールの限流動作後に、前記第２のスイッチを閉じることによって前記第２の超電導限流モジュールに流れる電流値を推定する検出手段と、
前記検出手段により推定された電流値が前記第２の超電導限流モジュールの臨界電流値以下である場合に前記第２のスイッチを閉じる指令を発するトリガー回路を具備し、
前記第１のスイッチは、筐体と、筐体内に設けられ前記第１の超電導限流モジュールの２つの電流端子のうち一方が引き込まれる接続ブロックと、前記接続ブロックに挿入され前記接続ブロックに引き込まれた電流端子との接続または非接続により第１のスイッチを閉または開にする可動導体と、前記可動導体と前記筐体との間に設けられた形状記憶合金からなるバネと、前記バネの両端と前記第１の超電導限流モジュールの２つの電流端子との間を接続するケーブルを含み、前記形状記憶合金からなるバネが前記第１の超電導限流モジュールの限流動作によってその２つの電流端子間に生じる電位差に伴う温度上昇により復元力を発生して可動導体を駆動し第１のスイッチを開にすることを特徴とする超電導限流器。