JP4533433B2 - ハイブリッド超電導限流器 - Google Patents

Description

本発明はハイブリッド超電導限流器に係り、さらに詳細には、超電導体、高速スイッチ及び限流部で構成されたハイブリッド超電導限流器において、事故電流が流入される時超電導体によって感知された事故電流を、高速スイッチが限流部に伝達される間、発生し得る遮断機のアーク電流を確実に除去してハイブリッド超電導限流器の動作信頼度を向上させる方法に関する。

超電導体は正常状態では抵抗が０の状態であり、事故電流が流入する場合、超電導体がクエンチされることにより抵抗が発生し事故電流を制限する。しかし、この場合、超電導体に発生した抵抗によって限流器に多量のエネルギーが集中する。従って、超電導体に印加される電圧が大きいほど、超電導体に発生するインピーダンスによる事故電流制限によって超電導体に流入されるエネルギーが大きくなる。従って、このような超電導体のエネルギー分担を減少させるために、超電導体を製作するときに多くの量の超電導体を使用しなければならない。

しかし、現在超電導体の価格は高価であり、多量の超電導体を使用する場合、嵩の増加で設置費用及び冷却費用が増加する。このような問題を克服するために、少ない量の超電導体と既存の遮断技術を用いたハイブリッド限流器（韓国特許出願第２００６−７７５２０，対応する日本公開公報番号：特開２００８−４８５８８号公報）が出願された。

図１は前記既出願されたハイブリッド限流器の構造を示す回路図である。

図１の限流器は、遮断機２ａ、駆動コイル２ｂ、電磁反発板２ｃ、短絡接点２ｄで構成された高速スイッチ２、高速スイッチ２の遮断機２ａと直列結線された超電導体１からなる主回路、及び事故電流を限流させるための限流素子３からなる補助回路で構成されている。前記高速スイッチ２は遮断機２ａ、電磁反発板２ｃ、及び短絡接点２ｄが互いに機械的に連結されており、駆動コイル２ｂに電流が印加される場合電磁反発板２ｃに渦電流が印加され遮断機２ａと短絡接点２ｄが共に駆動する。前記限流素子３は電力用ヒューズ、抵抗、リアクター、超電導体、半導体素子などで事故電流を制限することができるようにインピダンスを有する素子である。

図２は前記ハイブリッド超電導限流器の試験結果グラフであり、図３は試験結果によるハイブリッド超電導限流器の動作時点を表示したグラフである。図２と図３の限流素子は限流ヒューズと抵抗を並列結線して設置された。

図１ないし図３を参照すると、事故のない正常通電中には電流Ｉ_ｔｏｔは閉められている遮断機２ａと超電導体１を通じて通電するのでＩ_ｍａｉｎ抵抗発生による損失が殆ど発生しない。しかし、図３に示されたように電流が流入される場合、超電導体１は非常に早い速度でクエンチされ（６−１）、超電導体１で発生した抵抗によって事故電流は駆動コイル２ｂに迂回する。この際、超電導体に発生したインピーダンスは非常に低く発生するように設計されるので、瞬間的に低い電圧のみが誘起され、少ない量の超電導体を使用することができるという長所がある。この瞬間、駆動コイル２ｂに流入される電流によって磁気場が発生し、駆動コイルの上部に位置した電磁反発板２ｃに反磁性成分の渦電流が誘導される。それにより電磁反発板２ｃが早い速度で移動して電磁反発板２ｃと機械的に連結された遮断機２ａの接点を分離させ、超電導体１側に通電される事故電流を遮断する（６−２）。しかし、分離された瞬間遮断機２ａの接点ではアーク電流が発生して超電導体１側に電流通電を維持しようとする。それに遮断機２ａの接点が分離される瞬間遮断機接点で発生するアークを消去するために電磁反発板２ｃと機械的に連結された短絡接点２ｄが閉められるように設計されている（６−３）。短絡接点２ｄの役割は超電導体１と直列に結線された遮断機２ａ接点のアーク電流の消去と事故電流流入による駆動コイルの保護を目的とする。結果的に、全体事故電流は短絡接点２ｄを介して補助回路に伝達され遮断機両端のアークは消去され（６−４）、直後事故電流は補助回路に位置した限流素子３を介して限流される（６−５）。ここで、限流素子３は超電導体１及び高速スイッチ２より遅れて動作するように設計される。

ところで、図４及び図５に示すように、前記のような事故電流制限動作過程で超電導体及び高速スイッチで構成された主回路と、限流器能を担当した補助回路と間のインピーダンスの差異に起因して、超電導体１と直列に結線されている遮断機２ａ接点両端のアークが補助回路の限流素子３の動作が遂行される前に十分に消去されず（７−１）、それにより、主回路と補助回路とのインピーダンス差異によって遮断機接点両端のアークが再発生し（７−２）、アークインピダンスが減少する。この場合、事故電流は主回路である超電導体１と、遮断機２ａの方に再度通電される。この際、常電導体に転移された超電導体１に電圧が集中し、それによって事故エネルギーが超電導体に集中し、超電導体１が損傷するという問題点がある。

本発明はハイブリッド超電導限流器において、遮断機のアークが完全に消去されない問題点を解決するために案出されたもので、本発明が達成しようとする技術的課題は、遮断機の残存アーク電流を完璧に除去するか遮断機を無負荷動作させハイブリッド超電導限流器の誤動作可能性を除去して動作信頼性を向上させることにある。

前述した技術的課題を達成するために本発明は、超電導体と遮断機とが直列回路で結線され、駆動コイル及び電磁反発板で構成された駆動部と短絡接点とが並列回路で結線され、前記駆動部及び短絡接点で構成された並列回路と限流素子とが直列に結線され、前記超電導体及び遮断機で構成された直列回路と、前記駆動コイル、短絡接点、及び限流素子で構成された回路とが並列に結線されてなる事故電流の迅速な限流のためのハイブリッド超電導限流器において、前記超電導体及び遮断機で構成された直列回路に直列に結線され、常時にはオン状態を維持し前記事故電流流入によって生成された事故感知信号によって駆動された時にはオフ状態になる電力用半導体素子スイッチを含むことを特徴とするハイブリッド超電導限流器を提供する。

本発明のハイブリッド超電導限流器は、前記電力用半導体素子スイッチによって発生する逆電圧を防止するために、前記並列回路及び前記限流素子で構成された回路に直列に結線される電力用ダイオードをさらに含むことができ、同一の目的で前記駆動コイルと直列に結線される電力量ダイオードをさらに含むことができる。

前記電力用半導体素子スイッチの駆動は、前記超電導体のクエンチ発生による電圧を絶縁変圧器を介して得た信号によって開始されるか、前記事故電流流入による駆動コイルの磁気場発生に起因する電磁反発板の動きを感知する動作センサの信号によって開始されることができる。また、前記事故電流流入による駆動コイルの磁気場発生信号によって開始されか、前記事故電流流入による電磁反発板の動作によって行われる短絡接点の両接点の接触により発生する信号に応じて開始されることができる。

前記超電導体は、薄膜型超電導体または薄膜ワイヤー型超電導体であることが望ましく、特に、前記超電導体は、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系列高温超電導体またはＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系列高温超電導体であることが望ましい。ただ、これに限定されるのではない。

前記限流素子は、前記事故電流遮断のための事故電流遮断装置及び負荷抵抗体が並列に結線された回路で構成される。ここで、前記事故電流遮断装置は、代表的に電力ヒューズ、非線形可変導体及び超電導体からなる群から選択されることができる。ただ、これに限定されるのではない。

前記電力用半導体素子スイッチは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＧＴＯ(Gate Turn-off Thyristor：ゲートターンオフサイリスタ)、ＩＧＣＴ(Integrated Gate Commutated Thyristor)及びサイリスタからなる群から選択されることができる。ただ、これに限定されるのではない。

本発明は、前記本発明によるハイブリッド超電導体限流器を用いた事故電流の限流方法を提供する。

以下、図面を参照して本発明の望ましい一実施例を図面を参照してより詳細に説明する。

図６は本発明の第１実施例による電力用半導体素子スイッチを適用したハイブリッド超電導限流器を概略的に示す回路図である。

図６を参照すると、本発明によるハイブリッド超電導限流器は超電導体１、高速スイッチ２、限流素子３、及び電力用半導体素子スイッチ５を含んでなる。

前記超電導体１は、クエンチの際抵抗が高速に増加する薄膜型超電導体、及び薄膜ワイヤー型超電導体などからなることができる。望ましくは、前記超電導体１はＹ-Ｂａ-Ｃｕ-Ｏ系列の高温超電導体またはＢｉ-Ｓｒ-Ｃａ-Ｃｕ-Ｏ系列の高温超電導体からなることができる。ただ、これに限定されない。

前記高速スイッチ２は、２つの分離された接点で構成された短絡接点２ｄ、電磁反発板（electromagnetic repeller）２ｃ、通電電流によって電磁気力を発生する駆動コイル２ｂ、及び遮断機２ａを含む。ここで、前記電磁反発板２ｃは反磁性成分の渦電流を誘導し易いように軽くて電機伝導度のよい金属材からなることが望ましい。

前記限流器３として、電力ヒューズのような事故電流遮断装置と迂回された電流を限流するための負荷抵抗体とが並列に連結されたものがあげられる。望ましくは、前記事故電流遮断装置は、電力ヒューズ、非線形可変導体、及び超電導体からなる群のうちから選択されることができる。ただ、これに限定されない。

前記電力用半導体素子スイッチ５は、常時にはオン状態を維持するが、事故電流流入によって生成された事故感知信号によって駆動された時にはオフ状態になる。これにより、超電導体１に流れる電流を完全に除去することができる。即ち、本発明のハイブリッド超電導限流器によると、高電流である事故電流を超電導体１が遮断し、この過程で残留するアーク電流を電力用半導体素子スイッチ５を用いて除去することで、超電導体１にエネルギーが集中して超電導体１が損傷する問題点を解決できる。ここで、前記電力量半導体素子スイッチ５は、代表的には、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、ＩＧＣＴ、及びサイリスタからなる群から選択されることができる。

以下、電力用半導体素子スイッチを用いた本発明の一実施例によるハイブリッド超電導限流器の動作過程を説明する。

ハイブリッド超電導限流器が正常状態で動作するとき、極低温状態にある超電導体１では抵抗が発生せず、電力量半導体素子スイッチ５はオン状態にあり、電流は超電導体１とこれと直列で連結されている電力用半導体素子スイッチ５及び遮断機２ａの閉められた接点を通過するので、線路の損失発生なしに安定的に運転している状態を維持する。

しかし、超電導体１にそれの臨界電流を超過する電流が印加されると超電導性を失うことになり、常電導状態に変化し抵抗が急激に増加する。従って、ハイブリッド限流器に事故電流が流入されるとき、超電導体１には非常に早い速度で抵抗が発生して事故電流は駆動コイル２ｂに迂回するようになるが、この際、発生した電磁気力によって駆動コイルに位置した電磁反発板２ｃがとても早い速度で移動して機械的に共に連結された遮断機２ａと短絡接点２ｄが動く。このような動作の結果、遮断機２ａの接点が開放され、超電導体１側に通電されていた電流が遮断され同時に上端の短絡接点２ｄが閉まるようになるので駆動コイル２ｂに通電される事故電流は迂回するようになる。従って、結果的に全体事故電流は短絡された短絡接点２ｃを介して補助回路である限流素子３に伝達され、限流素子３の動作によって事故電流が制限される。

補助回路の限流装置が事故電流を制限する前に発生した抵抗のない場合には、ハイブリッド限流器が図２及び図３のように安定的に動作することができる。しかし、図４及び図５のように事故電流の大きさが増加し、補助回路の限流装置の初期抵抗が存在する場合には高速スイッチに位置する遮断機２ａの両端接点の間に発生するアーク電流の消去時間が長くなる(７−１)。結局、遮断機２ａ両端のアークが再発生し（７−２）、遮断機と超電導体を含む主回路に事故電流が再投入され、それにより、超電導体１には高い電圧が印加され超電導限流器全体が破損される深刻な事故を招くことになる。

このような状況を避けるためには限流素子の初期抵抗を完全に除去するか、超電導体の抵抗を高く維持して遮断機２ａの接点が開けられる途中発生するアーク電流７−１をできる限り早く消去する必要がある。これのために、本発明においては、図６に示すように、電力用半導体素子スイッチ５を主回路に直列で挿入した。電力用半導体素子スイッチ５は平常時にはオン状態を維持するが事故感知信号を受ける即時それに対応してオフ状態になるので、遮断機２ａ両接点で発生するアーク電流がより早くて完全に消去され遮断機２ａを無負荷動作にし、線路変更することによりハイブリッド限流器の動作信頼度を向上できる。

ここで、前記電力用半導体素子スイッチ５の駆動は、望ましくは、超電導体１のクエンチ発生の際、超電導体１と並列に設置された絶縁変圧器に誘導された電気信号によって開始されるか、前記事故電流流入に起因する駆動コイルの磁気場発生による電磁反発板の動きを感知する動作センサの信号によって開始されることができる。また、前記事故電流流入による駆動コイルの磁気場発生信号によって開始されるか、前記事故電流流入による電磁反発板の動作によって行われる短絡接点の両接点の接触によって発生する信号によって開始されることができる。ただ、これに限定されるのではない。

上述したように、事故電流に対する限流動作が終わった後事故電流が遮断されると、超電導体が超電導性を回復しながら電力用半導体素子スイッチもオン状態に戻され再度限流動作を準備するようになる。

図７及び図８はそれぞれ本発明の第２及び第３実施例による電力用半導体素子スイッチを適用したハイブリッド超電導限流器を概略的に示した回路図である。図７は事故電流発生直後電力用半導体素子スイッチの動作で発生し得る逆電圧を防止するために補助回路である限流素子３に直列で電力用ダイオードを設置した実施例である。しかし、図７の電力用ダイオードは限流された事故電流が継続通電されるべきであるので大容量のダイオードを利用しなけれならない短所がある。しかし、図８のように逆電圧を防止するための電力用ダイオード６を駆動コイル２ｂと直列結線させる場合事故電流発生初期に逆電圧を遮断した後短絡接点２ｄが閉められた後（逆電圧防止以後）には通電されないので図７の場合より通電容量の少ない電力用ダイオードを使用することのできる長所がある。

図９は本発明を通じて具現された電力用半導体素子スイッチを用いたハイブリッド超電導限流器の試験結果グラフである。試験回路は図７のように構成し、使用された超電導体１はＹＢＣＯ（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）薄膜であり、電力用半導体素子スイッチ５はＩＧＢＴ素子であり、限流ヒューズと抵抗素子が並列に結線された限流素子３を用いた。また、電力用半導体素子スイッチ５の駆動信号は短絡接点２ｄが機械的に閉められる瞬間を信号とし別途の回路を通じて電力用半導体素子スイッチが駆動できるようにした。図９に示されたように、事故発生直後Ｉ_mainは超電導体がクエンチ（９−１）されると同時に駆動コイル２ｂに事故電流は迂回し（９−２）、この際、発生する磁気場に起因して電磁反発板２ｃが駆動され短絡接点２ｄが閉められ（９−３）、同時に遮断機２ａ接点は分離されながら遮断機２ａ両端にはアーク電流が残る（９−４）。これと同時に短絡接点２ｄが閉められる瞬間電力用半導体素子スイッチ５を駆動するための信号が発生し（９−５）、この信号によって電力用半導体素子スイッチ５が動作して（９−６）高インピーダンスを発生することで遮断機両端がアークを消去するようになる。以後、事故電流は補助回路である限流素子３に迂回し、事故発生の後３．７ｍｓ時点に限流素子３の限流ヒューズが動作することで事故電流を制限するようになる。

本発明は超電導体と遮断機で構成された直列回路に、事故電流流入によって生成された事故感知信号によって駆動されオフ状態になる電力用半導体素子スイッチを導入することによって、限流器が動作するとき超電導体によって事故電流が１次限流され電流大部分が限流部に迂回された後遮断機の動作を前後して電力用半導体素子スイッチが事故電流を完全に遮断して無負荷動作させることで、遮断機のアーク発生による遮断遅延可能性を完全に除去することで動作信頼度を向上させる。

以上、本発明の実施例によって詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正または変更できる。

従来のハイブリッド超電導限流器の構造を示す回路図である。 図１のハイブリッド超電導限流器の試験結果を示すグラフである。 図２の試験結果によるハイブリッド超電導限流器の動作時点を示すグラフである。 図１のハイブリッド超電導限流器の主回路アーク遮断失敗による試験結果グラフである。 図１のハイブリッド超電導限流器の主回路アーク遮断失敗によるＩ_main試験結果を示すグラフである。 本発明の第１実施例による電力用半導体素子スイッチを適用したハイブリッド超電導限流器を概略的に示す回路図である。 本発明の第２実施例による電力用半導体素子スイッチを適用したハイブリッド超電導限流器を概略的に示した回路図である。 本発明の第３実施例による電力用半導体素子スイッチを適用したハイブリッド超電導限流器を概略的に示した回路図である。 本発明の通じて具現された電力用半導体素子スイッチを用いたハイブリッド超電導限流器の試験結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 超電導体
２ 高速スイッチ
２ａ 遮断機
２ｂ 駆動コイル
２ｃ 電磁反発板
２ｄ 短絡接点
３ 限流素子
５ 電力用半導体素子スイッチ
６ 電力用ダイオード

Claims (13)

1. 超電導体と遮断機とが直列回路で結線され、駆動コイル及び電磁反発板で構成された駆動部と短絡接点とが並列回路で結線され、前記駆動部及び短絡接点で構成された並列回路と限流素子とが直列に結線され、前記超電導体及び遮断機で構成された直列回路と、前記駆動コイル、短絡接点、及び限流素子で構成された回路とが並列に結線されてなる事故電流の迅速な限流のためのハイブリッド超電導限流器であって、
   前記超電導体及び遮断機で構成された直列回路に直列に結線され、常時にはオン状態を維持し、前記事故電流流入によって生成された事故感知信号によって駆動された時にはオフ状態になる電力用半導体素子スイッチを含むことを特徴とするハイブリッド超電導限流器。
2. 前記電力用半導体素子スイッチによって発生する逆電圧を防止するために、前記並列回路及び前記限流素子で構成された回路に直列に結線される電力用ダイオードをさらに含むことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド超電導限流器。
3. 前記電力用半導体素子スイッチによって発生する逆電圧を防止するために、前記駆動コイルと直列に結線される電力用ダイオードをさらに含むことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド超電導限流器。
4. 前記電力用半導体素子スイッチの駆動が、前記超電導体のクエンチ発生の際、前記超電導体と並列に設置された絶縁変圧器に誘導された電気信号によって開始されることを特徴とする請求項１ないし請求項３から選択されたいずれか一つに記載のハイブリッド超電導限流器。
5. 前記電力用半導体素子スイッチの駆動が、前記事故電流流入による前記駆動コイルの磁気場発生に起因する前記電磁反発板の動きを感知する動作センサの信号によって開始されることを特徴とする請求項１ないし請求項３から選択されたいずれか一つに記載のハイブリッド超電導限流器。
6. 前記電力用半導体素子スイッチの駆動が、前記事故電流流入による前記駆動コイルの磁気場発生信号によって開始されることを特徴とする請求項１ないし請求項３から選択されたいずれか一つに記載のハイブリッド超電導限流器。
7. 前記電力用半導体素子スイッチの駆動が、前記事故電流流入による前記電磁反発板の動作によって行われる前記短絡接点の両接点の接触により発生する信号に応じて開始されることを特徴とする請求項１ないし請求項３から選択されたいずれか一つに記載のハイブリッド超電導限流器。
8. 前記超電導体は、薄膜型超電導体または薄膜ワイヤー型超電導体であることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド超電導限流器。
9. 前記超電導体は、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系列高温超電導体またはＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系列高温超電導体であることを特徴とする請求項１または請求項８に記載のハイブリッド超電導限流器。
10. 前記限流素子は、前記事故電流を遮断するための事故電流遮断装置及び負荷抵抗体が並列に結線された回路であることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド超電導限流器。
11. 前記事故電流遮断装置は、電力ヒューズ、非線形可変導体及び超電導体からなる群から選択されることを特徴とする請求項１０記載のハイブリッド超電導限流器。
12. 前記電力用半導体素子スイッチは、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、ＩＧＣＴ及びサイリスタからなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド超電導限流器。
13. 請求項１に記載のハイブリッド超電導限流器を用いた事故電流の限流方法。

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