JPH10501120A - 電流制限装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電流制限装置は、電気回路に取り付けられる電気的超伝導体(1)であって、付与磁界と共に変化する臨界電流密度を有する材料で作られた超伝導体を備えている。磁界発生手段(4)は、超伝導体(1)が曝される磁界を発生し、通常の作用状態のもとでは、付与磁界が臨界電流密度を最大臨界電流密度よりも低くさせる。制御装置(5)は、臨界電流密度を調整するためのもので、超伝導体(1)により搬送される電流が臨界電流密度を越え、超伝導体が抵抗性の状態へ変化した後に、この制御手段が臨界電流密度を増加するように作動されて、超伝導体に流れる電流を終わらせることなく超伝導体が超伝導状態に復帰できるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】 電流制限装置発明の分野 本発明は、電流制限装置に係る。先行技術の説明 電流制限装置は、安全限界以上の電流サージが生じたときに事故状態を取り扱 うために種々様々な分野で使用されている。電源ライン等の大電流用途において は、鉄枠の脚の周りに設けたコイルに電流を通すことがこれまで知られている。 鉄枠の別の脚は、鉄枠を飽和状態に保持するよう作動される超伝導コイルのコア を備えている。従って、通常の状態のもとでは、鉄が飽和され、従って、電流を 搬送するコイルは、実際上は、空心を見ることになる。事故が生じると、電流が 上昇するのに伴い、コイルにより発生される磁界が増加し、これは、超伝導コイ ルによる磁界に対抗する。これは、鉄心の透磁率を増加し、電流搬送コイルにか かる電圧を増加して、搬送電流を制限する。 この電流事故制限器は有効ではあるが、鉄心を設ける必要があるために非常に 高価であると共に、超伝導コイルを液体ヘリウムの温度に冷却する必要があるた めに複雑でもある。 最近、超伝導スイッチを使用することが提案されている。この場合に、ある長 さの高温（ＨＴｃ）超伝導体が電流搬送回路に入れられる。このＨＴｃ材料は、 比較的高い（通常は液体窒素の温度と同等の）臨界温度を有すると共に、付与さ れた磁界とは逆に変化する臨界電流（厳密には電流密度）を有する。超伝導体に 搬送される電流が臨界電流を越えた場合には、超伝導体の材料が抵抗性状態へと 移行し、搬送電流を制限するように作用する。この移行が生じるときの臨界電流 値は、付与磁界を変えることにより変更することができる。 この形式の超伝導スイッチに伴う主たる問題は、回路をリセットするために、 電気回路を完全に切断して超伝導体を回復できるようにする必要があることであ る。これは、たとえ電流が臨界値より下がっても、抵抗性材料に流れる電流が温 度を高く保つために超伝導状態へ戻る移行が生じないことを意味するヒステリシ ス効果によるものである。この逆移行のためには、電流を実質的にゼロに減少し なければならない。回路の切断は、特に望ましからぬことである。というのは、 多くの用途では、このような切断を許容できないからである。発明の要旨 本発明によれば、電流制限装置は、電気回路に取り付けられる電気的超伝導体 であって、付与磁界と共に変化する臨界電流密度を有する材料で作られた超伝導 体と；超伝導体が曝される磁界を発生するための磁界発生手段であって、通常の 作用状態のもとで、臨界電流密度を最大臨界電流密度より低くさせる磁界が付与 されるようにする磁界発生手段と；臨界電流密度を調整するための制御手段であ って、超伝導体により搬送される電流が臨界電流密度を越え、超伝導体が抵抗性 の状態へ変化した後に、この制御手段が臨界電流密度を増加するように作動され て、超伝導体に流れる電流を終わらせることなく超伝導体が超伝導状態に復帰で きるようにする制御手段とを備えている。 上記制御手段は、付与磁界を減少するか、超伝導体の温度を減少するか、又は その両方により、臨界電流密度を増加することができる。 ある超伝導体、特にＨＴｃ超伝導体は、低いが一定の磁界レベルにおいて、磁 界が減少するにつれて著しく増加するような磁界に伴う臨界電流の変化を示す。 それ故、付与磁界を短い時間中ゼロに向けて又はゼロに減少することにより臨界 電流密度を一時的に著しく増加させ、超伝導体が電流を搬送し続けながらその超 伝導状態に回復できるようにし、ひいては、従来の超伝導スイッチの問題を回避 することができる。 又、超伝導体の温度を下げることにより臨界電流密度を上げることもできる。 ある場合には、磁界発生手段は、電気コイルにより発生される磁界に超伝導体 が曝されるように超伝導体に対して配置された電気コイルに接続された電源を備 えている。 しかしながら、磁界発生手段は、付加的な電源の必要なく簡単な形態で実施す ることもできる。それ故、好ましくは、磁界発生手段は、超伝導体に並列に接続 された電気的分路コイルを備え、超伝導体が抵抗性の状態に変化するときに、超 伝導体が曝される磁界を発生するコイルに電流が流れるようにし、そして制御手 段は、分路コイルの両端を短絡するためのスイッチを備えるようにする。通常、 分路コイルは、超伝導体の周りに配置される。 分路コイルを使用するこの好ましい構成においては、超伝導体の電流が上昇す るときに、臨界電流密度は下降し、過剰な電流が分路コイル（又はインダクタン ス）へ流出(shed)される。これは、事故電流に対してインピーダンスを与えると 共に、超伝導体の自己磁界に対して付加的な磁界を発生し、超伝導体を回復でき る前に事故をクリアしなければならないようにする。分路コイルを短絡すること により、磁界が除去され、臨界電流を増加させ、これにより、超伝導体がその超 伝導状態に復帰できるようにする。次いで、短絡を除去する。 一般に、超伝導材料は、比較的高い温度の超伝導体（例えば、７７Ｋ又はそれ 以上で超伝導状態になる）で形成される。本発明の好ましい超伝導体は、温度と 共に抵抗率が増加する半導体又は好ましくは高抵抗合金のような半導体基板上に 高温超伝導材料の薄膜を備えている。更に、通常状態の抵抗をできるだけ高く、 しかも、保護及び安定化に適合するように選択することにより、事故電流状態中 に超伝導体における電力消費を最小にし、ひいては、冷却を容易にすると共に、 回復も容易にする。又、高温超伝導体の非常に高い通常状態抵抗は、局部的な保 護として分路電流路を形成するのに比較的高抵抗の導体を使用できることを意味 する。 ある環境において生じ得る問題は、超伝導体が抵抗性の状態へ変化した後に生 じる。この状態においては、導体に電流が流れることにより熱が発生し、これが 臨界電流密度に影響を及ぼす。超伝導体は、その超伝導状態を得るために通常は 冷却されるが、これは、超伝導体が抵抗性に変わるときに熱サージを取り扱うの に充分なものではない。それ故、装置は、更に、超伝導体が抵抗性の状態にある ときに熱を除去するための冷却装置を備えているのが好ましい。 冷却装置は、超伝導体を取り巻く大きな熱質量のような受動的な装置であって もよいし、或いは超伝導体を取り巻く液体フレオンのような冷却媒体を冷却する ための低温冷却機のような要素を含む能動的な装置であってもよい。 ある用途においては、電気的超伝導体が電気回路に直列に接続される。他の用 途においては、電気的超伝導体が変圧器の二次側を形成し、短絡される。一次側 は、電気回路に接続される。図面の簡単な説明 以下、添付図面を参照し、本発明の電流制限装置の幾つかの例を詳細に説明す る。 図１は、装置の第１の例のブロック回路図である。 図２は、典型的な高温超伝導体の種々の温度における磁界に伴う臨界電流密度 の変化を示す図である。 図３は、２つの異なる電界Ｅ₁及びＥ₂に対して（Ｂ−Ｔ−Ｊ）空間における一 定電界（又は電圧）の面を示す図である。 図４は、第２の例のブロック回路図である。好ましい実施形態の詳細な説明 図１に示す事故電流制限装置は、電気回路（図示せず）のケーブル２及び３間 に延びるＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇のような高温超伝導体のワイヤ１を備えている。この 超伝導体１は、分路インピーダンス（図示せず）に接続され、そして超伝導体の 温度をその臨界温度（７７Ｋ）より低く維持するために液体窒素のような冷却媒 体を含むクライオスタット６により取り巻かれる。超伝導体１の周りには磁石４ が配置されそして電源及び制御装置５に接続される。 図１に示す形式の超伝導体は、付与磁界と共に変化する臨界電流密度を有する ことが知られている。この臨界電流密度Ｊ_cは、それより上では超伝導体がその 抵抗性の状態へ変化しそしてそれより下では超伝導体がその持続的な状態即ち超 伝導状態で存在するような電流密度を定義するものである。図２は、典型的な高 温超伝導体の７７Ｋ又はそれより低い幾つかの温度における磁界に伴う臨界電流 密度の変化を示している。臨界電流密度は、低い磁界においては比較的高くそし て高い磁界においてはほぼゼロまで減少することが明らかである。又、臨界電流 も温度と共に変化することが明らかであり、これは、一定電界の面を示した図３ に明確に示されている。 通常の動作においては、制御装置５は、磁石４が一定磁界Ｆ₁（図２）を発生 するように磁石４に電流を生じさせるよう制御され、これは、臨界電流密度Ｊ₁ を定義する。超伝導体１に流れる電流を臨界電流密度Ｊ₁より低くすると、超伝 導体１は、その超伝導状態に保持される。しかしながら、事故が発生して電流サ ージを生じた場合は、電流が臨界電流密度Ｊ₁よりも上昇して、例えば、値Ｊ₃に 達し、超伝導体１をその抵抗性の状態へ戻す。この状態においては、超伝導体は 、必要に応じて電流を制限するように働く。 超伝導体１をその超伝導状態に復帰することが所望されるときは、導通される 電流が通常のレベルＪ₄に戻ったときに、制御装置５は、付与磁界をゼロ又は低 い値Ｆ₂へ減少するように命令される。図２から明らかなように、これは、臨界 電流を値Ｊ₂へと急激に増加させる。このレベルにおいて、超伝導体１に流れる 電流Ｊ₄は、超伝導体１をその超伝導状態へ戻す臨界電流に対して充分低いもの である。次いで、磁界は、その通常のレベルＦ₁に戻るように制御装置５により 制御される。 臨界電流密度をこのように調整する必要性は、超伝導体１が、その抵抗性状態 において超伝導体に流れる電流により生じる温度上昇のためにヒステリシス効果 を呈するからである。従って、いったん抵抗性状態に移行すると、臨界電流密度 Ｊ₁より低く電流を低下させるのはあまり簡単ではない。このレベルより低くな ると、超伝導体１は、抵抗性の状態に留まり、電流が実際に非常に低いレベルに 減少した場合しか超伝導状態に復帰しない。しかしながら、臨界電流密度自体を 相当な量で上昇させることにより、電流を減少させる必要なく、超伝導体をその 超伝導状態に戻すことができる。 図３から明らかなように、Ｊ_cは磁界及び温度と共に変化し、従って、超伝導 体の温度が充分上昇しないように確保し、付与磁界の減少それ自体で電流を新た な臨界電流密度より著しく低くするに充分とならないようにすることも重要であ る。従って、超伝導体の温度を比較的一定に維持することが重要となる。 しかしながら、臨界電流密度の温度依存性を、超伝導状態を再確立するための 磁界の調整に加えて又はそれに代わって使用することができる。従って、クライ オスタット６の温度を減少することにより、臨界電流密度を増加することができ る。 図４は、事故電流制限装置の第２の例を示す。この場合に、超伝導体は、半導 体基板、例えば、高抵抗合金１０を備え、その上に、高温超伝導材料の薄膜１１ が設けられる。前記のように、ケーブル２、３は超伝導体に接続され、超伝導体 は、液体窒素を含むクライオスタット６で取り巻かれる。超伝導体には分路コイ ル１２が巻き付けられ、超伝導体と電気的に並列に接続される。更に、分路コイ ル１２は、常開スイッチ１３に接続される。水又はフレオンのような付加的な冷 却媒体がコンジット１４を経て基板１０の中央に供給される。 この例では、電流が増加するにつれて、超伝導体の電流による自己磁界が臨界 電流密度を低下させ、超伝導体が電流をコイル１２に流出するようにする。この 流出電流は、コイル１２（これは抵抗性である）に流れて、磁界を発生し、これ に超伝導体が曝されることにより、臨界電流密度を更に減少させる。前記したよ うに、超伝導体及び分路コイルが高いインピーダンスを形成する抵抗性の状態に 超伝導体が変化するポイントに達する。必要な電流がその通常のレベルに復帰す ると、超伝導体は、スイッチ１３を短い時間中閉じて磁界を取り除くことにより その超伝導状態に戻ることができる。 自己磁界効果を使用する場合には、超伝導素子を通常状態に迅速に戻すために 電流を付加的に感知する必要がある。その理由は、次の通りである。 本質的にラインと直列の高温超伝導素子より成るＦＣＬについて考える。この 素子は、充分に長いものであって、通常の状態においてその抵抗値が、それに流 れる電流を低い値に制限するに充分なほど高いものである。超伝導状態において 電力を消費せずに値Ｉｃまで電流を搬送することができる。 実際に、超伝導素子は、均一ではなく、ある部分は、他の部分よりも臨界電流 密度が低い。電流がＩｃを大幅に越える短絡のような事故が生じた場合には、こ れは問題とならず、全ての素子は通常の通りとなり、高い抵抗値を有し、電流を 安全な値に制限する。 短絡ではなくて、事故により僅かな過負荷が生じ、事故電流がほぼＩｃの値と なる場合には、素子の非均一性により、超伝導体のある部分は通常の状態となる が、そのほとんどは、超伝導状態に留まる。抵抗値は最初は非常に小さく、そし て電流は制限されない。抵抗性領域は加熱し、熱伝導により素子に沿って伝播す る。伝播速度は、ほぼ次の通りである。 但し、Ｊは電流密度であり、ｒｈｏは抵抗率であり、ｋは熱伝導率であり、Ｔｓ は超伝導臨界温度であり、Ｔｏは初期温度であり、そしてＣは体積比熱である。 （ブルーム及びロデリック、Ｂ Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ、１１、２９２、１９ ６０年） ７７Ｋの典型的な高温超伝導体及び１０００ＭＡ／ｓｑ ｍの電流密度の場合 に、この速度は、０．１ｍ／秒程度となる。素子の長さは、１０ｍ程度であり、 従って、素子が抵抗性となるに要する時間は数分となる。 高い電流密度により、抵抗性部分の温度は急激に上昇し、数十ミリ秒以内に電 流を減少できなければ、素子は焼け切れてしまう。 この理由で、抵抗値の出現を感知し、全ての素子の臨界電流を事故電流よりも 急激に下げることが望ましい。 例１： 直列接続された事故電流制限装置（ＦＣＬ）の特定の例について以下に説明す る。これは、厚みｔ、巾ｂ及び長さＬを特徴とする超伝導体のバーより成る。 巾ｂの面は、液体窒素に接触することにより冷却されると仮定する。 超伝導状態においては、 Ｉ_max＝Ｊ_c ｂｔである。 但し、Ｉ_maxは、非事故状態のもとで装置が搬送しなければならない最大電流で あり、そしてＪ_cは、臨界電流密度である。 事故状態（抵抗性状態）のもとでは、 Ｉ_fault＝Ｖｂｔ／φＬ 熱伝達Ｗ＝Ｖ²ｔ／φＬ² 但し、Ｖは電圧定格である。電源システムがゼロ出力インピーダンスを有しそし て最悪の場合の事故が短絡であると仮定すれば、Ｖは、装置にまたがって現れる 一定電圧である。φは通常状態の抵抗率である。Ｗは単位面積当たりの熱伝達量 （ワット／平方メータ）である。 それ故、所与の熱伝達に対し、分離（β）は、量Ｊ_c√φにより決定される。 この分離は、Ｊ_c√φ及びｔの関数として次のように作表される。 但し、ｒｈｏは、超伝導素子の通常状態の抵抗率（Ω−ｍ）である。 ２つの分離値に対するＦＣＬの大きさは次の通りである。 Ｂ＝０．１ 電力＝１．５１Ｅ＋０６ Ｂ＝０．０１ 電力＝１．５１Ｅ＋０５ 例２： これは、一次側が負荷に直列でありそして二次側が超伝導体の短絡巻回より成 る変圧器である。 巻回比をαとし、負荷インピーダンスをＺ_Lとすれば、二次側が超伝導状態で あるときに、電流（アンペア）は、次のようになる。 Ｉ₁＝Ｖ／Ｚ_L Ｉ₂＝αＶ／Ｚ₁ 但し、Ｉ₁は、一次回路（直結巻線）の電流であり、Ｉ₂は、二次回路（超伝導短 絡巻回）の電流である。 事故状態のもとで、Ｚ_L＝０そして二次側が抵抗Ｒを有するときには、次のよ うになる。 但し、Ｌ₁は一次巻線のインダクタンス（ヘンリー）である。 それ故、事故電流の大きさは、次のようになる。 超伝導の二次側に対して次の２つの構成が考えられる。 ａ）Ｎ個の円盤のスタック − 実際上並列にＮ巻回 ｂ）円筒 − 単一巻回 先ず初めに、ａ）について考える。 但し、ａ₁及びａ₂は、円盤の内径及び外径である。ピーク熱伝達（内径において 生じる）については、次のようになる。 これは、２つのファクタを除いて、例１の「直列抵抗」の場合と本質的に同じで ある。最終的なファクタは、原理的には、充分に大きなインダクタンスで、１に 接近させることができる。他のファクタ、ｌｎ（ｘ）／（ｘ−１）は、狭い環に ついては約１であり、次の値を有する。 ケースｂについては、二次側が、半径ａ、厚みｔ及び長さＬの円筒の形態をと る。表面は冷却される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハンリー ピーター イギリス グロースターシャー ジーエル 15 ４ジェイキュー リドニー パーケン ド ウェスターン ロッジ （番地なし)

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電気回路に取り付けられる電気的超伝導体であって、付与磁界と共に変化 する臨界電流密度を有する材料で作られた超伝導体と；超伝導体が曝される磁界 を発生するための磁界発生手段であって、通常の作用状態のもとでは、付与磁界 が臨界電流密度を最大臨界電流密度より低くさせるような磁界発生手段と；臨界 電流密度を調整するための制御手段であって、超伝導体により搬送される電流が 臨界電流密度を越え、超伝導体が抵抗性の状態へ変化した後に、この制御手段が 臨界電流密度を増加するように作動されて、超伝導体に流れる電流を終わらせる ことなく超伝導体が超伝導状態に復帰できるようにする制御手段とを備えたこと を特徴とする電流制限装置。 ２．上記超伝導体は、比較的高温の超伝導体である請求項１に記載の装置。 ３．上記超伝導体は、同軸導体である請求項１又は２に記載の装置。 ４．上記磁界発生手段は、電気コイルにより発生される磁界に超伝導体が曝さ れるように超伝導体に対して配置された電気コイルに接続された電源を含む請求 項の前記いずれかに記載の装置。 ５．上記制御手段は、臨界電流密度を増加するように上記磁界発生手段を制御 する請求項の前記いずれかに記載の装置。 ６．上記磁界発生手段は、超伝導体に並列に接続された電気的分路コイルを備 え、超伝導体が抵抗性の状態に変化するときに、コイルに電流が流れて、超伝導 体が曝される磁界を発生し、そして制御手段は、分路コイルの両端を短絡するた めのスイッチを備えている請求項５に記載の装置。 ７．上記分路コイルは、超伝導体の周りに配置される請求項６に記載の装置。 ８．超伝導体が抵抗性の状態にあるときに熱を除去するための冷却手段を更に 備えた請求項の前記いずれかに記載の装置。 ９．上記冷却装置は、冷却媒体を含む請求項８に記載の装置。 １０．上記冷却媒体は、フレオンガスである請求項９に記載の装置。 １１．請求項の前記いずれかに記載の電流制限装置を備えた電気回路。 １２．上記電流制限装置の電気的超伝導体は変圧器の二次側を形成しそして短 絡され、その一次側は、電気回路に接続される請求項１１に記載の回路。