JP2013038999A - 超電導限流器 - Google Patents

Abstract

【課題】限流コイルにおけるクエンチの発生箇所の偏りが小さく、クエンチ後の復帰特性に優れた超電導限流器を提供する。
【解決手段】超電導限流コイル１１は、第１及び第２コイル１２ａ，１２ｂのそれぞれに対応する２本の超電導線１３ａ，１３ｂを径方向に並べた状態で径方向外側から内側に向かって平面渦巻状に巻回して１層目の巻回を行った後、２層目に渡り径方向に並べた状態の各超電導線１３ａ，１３ｂを径方向内側から外側に向かって平面渦巻状に巻回して２層目の巻回を行い、第１及び第２コイル１２ａ，１２ｂの両端の端末線のいずれか一方同士が接続部１５にて接続されて構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、無誘導巻きの超電導限流コイルを有する超電導限流器に関する。

従来より、電路上に生じた過電流を限流する限流器が知られており、例えば地絡や落雷等により電力系統で生じた過電流の限流を行って、電力線や電力機器への負担を低減する限流器等が知られている。

このような限流器の一種に、例えば特許文献１にて示されるように、超電導線を平面渦巻状に巻回した一対の第１及び第２コイルを有し、各コイルを互いに逆方向に巻回し無誘導巻きとした超電導限流コイルを用いたものがある。

このような限流コイルを用いるものでは、通常時（臨界電流値以下）の超電導状態において超電導線自体の電気抵抗が極めて低く、しかも無誘導巻きをなす第１及び第２コイルは相互で磁界を打ち消すため、限流コイルとしてのインダクタンスも極めて小さい。つまり、通常時では、限流コイルのインピーダンスが小さく、限流器での電圧降下は非常に小さい。

一方、電路上に過電流が生じ限流コイルへの入力電流が増大すると、第１及び第２コイルの各臨界電流値が自然に相違、若しくは積極的に相違させることで、臨界電流値の小さい側のコイルが先に超電導状態から常電導状態に転移する所謂クエンチが生じ、そのコイルのインダクタンスが増大する。すると、そのインダクタンスの急増に連動してもう一方のコイルもクエンチし、同様にインダクタンスが増大する。これにより、限流コイルのインピーダンスが急増するため、限流コイルに入力される過電流の限流が行われるようになっている。

特開２００１−２５１７５７号公報

ところで、超電導材料を用いる限流器においては、その超電導材料が冷却装置にて十分な低温状態とされ、臨界電流値以下で超電導状態に維持されるようになっている。
特許文献１の限流コイルは、超電導線を用い互いに逆巻きをなす第１及び第２コイルを重ね合わせ、径方向内側端部が互いに半田付け等にて接合される構造をなしている。そのため、径方向内側の接合部分はその接合による接続抵抗にて通電時に発熱するが、発熱する接合部分は渦巻状の内側であるため、熱が篭もり易い。つまり、接合部分のある径方向内側部分は、超電導状態に維持する好適温度より高い温度になり易いため、他の部分よりもクエンチが生じ易く、またクエンチ後の復帰に時間を要する構造であった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、限流コイルにおけるクエンチの発生箇所の偏りが小さく、クエンチ後の復帰特性に優れた超電導限流器を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、超電導線を平面渦巻状に巻回した一対の第１及び第２コイルを有し、各コイルが無誘導巻きにて構成された超電導限流コイルを備え、その超電導限流コイルのクエンチ現象を用いて入力電流が過電流となった際の限流を行う超電導限流器であって、前記超電導限流コイルは、前記第１及び第２コイルのそれぞれに対応する２本の超電導線を径方向に並べた状態で径方向外側から内側に向かって平面渦巻状に巻回して１層目の巻回を行った後、２層目に渡り径方向に並べた状態の各超電導線を径方向内側から外側に向かって平面渦巻状に巻回して２層目の巻回を行い、前記第１及び第２コイルの両端の端末線のいずれか一方同士が接続部にて接続されて構成されたことをその要旨とする。

この発明では、第１及び第２コイルに対応する２本の超電導線が径方向に並んだ状態で径方向外側から内側に向かって平面渦巻状に巻回されて１層目が構成され、そこから２層目に渡り径方向に並んだ状態の各超電導線が径方向内側から外側に向かって平面渦巻状に巻回されて２層目が構成される。第１及び第２コイルの両端の端末線は、そのいずれか一方同士が接続部にて接続される。このようにして無誘導巻き２層構造の第１及び第２コイルが構成、即ち超電導限流コイルが構成される。つまり、無誘導巻き第１及び第２コイルを２層構造として各コイル（各超電導線）の両端の端末線のいずれもコイル本体の径方向外側にて導出する構成としたことで、その端末線の接続をコイル本体の径方向外側部分で行うことが可能となる。そのため、接続抵抗による発熱でクエンチが生じ易い端末線の接続部を熱の篭もらないコイル本体の外側に位置させることで、通常時に超電導状態を維持するための冷却装置にて十分に冷却されるため、接続部から先にクエンチが生じる事象を低減でき、クエンチの発生箇所の偏りを小さくできる。また、接続部が十分に冷却されることから、仮に接続部にてクエンチが生じた後の復帰時間が短時間となり、クエンチ後の復帰特性は優れたものとなる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超電導限流器において、前記超電導限流コイルは、前記第１及び第２コイルを構成する各超電導線の並びが１層目と２層目とで入れ替えられ、１層目の前記第１コイルと２層目の前記第２コイルとが対向し、１層目の前記第２コイルと２層目の前記第１コイルとが対向するように構成されたことをその要旨とする。

この発明では、第１及び第２コイルの各超電導線の並びが１層目と２層目とで入れ替えられ、１層目の第１コイルと２層目の第２コイルとが対向し、１層目の第２コイルと２層目の第１コイルとが対向するように構成される。これにより、１層目と２層目との間においても第１及び第２コイルにて発生する磁界を打ち消すことになるため、一層無誘導化を図ることが可能となる。

本発明によれば、限流コイルにおけるクエンチの発生箇所の偏りが小さく、クエンチ後の復帰特性に優れた超電導限流器を提供することができる。

（ａ）（ｂ）は本実施形態の限流器の限流コイルを示す構成図である。 別例における限流器の限流コイルを示す構成図である。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１（ａ）に示すように、本実施形態の超電導限流器１０に備えられる超電導限流コイル１１は、互いに巻回方向を逆とした無誘導巻きの第１及び第２コイル１２ａ，１２ｂが直列に接続されて構成されている。また、第１及び第２コイル１２ａ，１２ｂは、２層構造をなし、２本の超電導線１３ａ，１３ｂを用いた巻回により構成されている。

具体的には、限流コイル１１を構成する第１及び第２コイル１２ａ，１２ｂは、１層目において、それぞれに対応する超電導線１３ａ，１３ｂの２本を径方向に並べて径方向外側から内側に向かって同一方向に平面渦巻状に巻回、本実施形態では４周巻回される。次いで、内側端部で各超電導線１３ａ，１３ｂの位置が入れ替わるように一度捻られつつ軸方向に渡り、２層目に移行する。次いで、２層目において、互いに位置が入れ替わった超電導線１３ａ，１３ｂの２本を同様に径方向に並べて径方向内側から外側に向かって１層目と同一方向に平面渦巻状に巻回、本実施形態では同じく４周巻回され、１層目と２層目の巻き径が同じとなるようにして軸方向に重ねられる。そして、超電導線１３ａ，１３ｂの巻き始めの端末線を他との接続を図るための接続端子１４ａ，１４ｂにそれぞれ接続した場合、超電導線１３ａ，１３ｂの巻き終わりの端末線は半田付け等による接続部１５にて互いに接続されて、第１及び第２コイル１２ａ，１２ｂが直接接続された限流コイル１１が構成される。またこのように巻回することで、第１及び第２コイル１２ａ，１２ｂとは互いに巻回方向が逆となる無誘導巻きとなる。

図１（ａ）において、第１コイル１２ａのターン数（番号）は通常の数字にて示され、第２コイル１２ｂのターン数（番号）は丸数字にて示される。即ち、一方の接続端子１４ａから見て、第１コイル１２ａは１層目において径方向外側から内側に向かって渦巻状をなし、内側端部において２層目に渡り、そこから再び径方向外側に向かって渦巻状をなして接続部１５に至る。接続部１５から第２コイル１２ｂとなり、２層目において径方向外側から内側に向かって渦巻状をなし、内側端部において１層目に渡り、そこから再び径方向外側に向かって渦巻状をなして他方の接続端子１４ｂに至る。また、１層目と２層目の間で各超電導線１３ａ，１３ｂの並びが入れ替わるように捻られることで、１層目の第１コイル１２ａと２層目の第２コイル１２ｂとが対向し、１層目の第２コイル１２ｂと２層目の第１コイル１２ａとが対向する。尚、第１コイル１２ａを構成する超電導線１３ａと第２コイル１２ｂを構成する超電導線１３ｂとは、クエンチに至る臨界電流値が自然に相違、若しくは積極的に相違（例えば、同一超電導材料で線径を相違させる）させるものである。

このように超電導材料よりなる限流コイル１１は、通常時において超電導状態に維持するために、例えば液体窒素中に浸してケース内に封入する等してなる冷却装置（図示略）にて所定の低温状態に維持されている。本実施形態の限流コイル１１の特徴として、２本で対をなす超電導線１３ａ，１３ｂを径方向外側から内側に向かって巻回して１層目を構成し、２層目に渡って径方向内側から外側に向かって巻回して接続部１５にて接続する構成としている。つまり、接続部１５の設置位置を熱の発散が容易なコイル１１本体の径方向外側としたことから、接続部１５における接続抵抗は生じるものの、先の冷却装置にて接続部１５が十分に冷却されるようになる。そのため、接続部１５にクエンチの発生が偏ることが抑制される。

そして、このような限流器１０は、例えば電力系統の電路上に介装、即ち限流コイル１１の各接続端子１４ａ，１４ｂが対応する電力線にそれぞれ接続されて使用される。通常時（臨界電流値以下）では超電導線１３ａ，１３ｂが超電導状態にあることから、限流コイル１１は極めて低インピーダンスとなり、加えて限流コイル１１を無誘導巻きの第１及び第２コイル１２ａ，１２ｂにて構成していることから、各コイル１２ａ，１２ｂにて発生する僅かな磁界をも相互に打ち消しあい、限流コイル１１を一層低インピーダンスとする。そのため、この通常時においては、限流コイル１１での電圧降下が極めて小さい高効率な電力伝送が可能である。

また、電力系統にて短絡・落雷等にて過電流が生じた際には、限流コイル１１への入力電流の増大に基づいて、臨界電流値の異なる第１及び第２コイル１２ａ，１２ｂのいずれかが先にクエンチして超電導状態から常電導状態に転移する。これにより、先にクエンチした第１及び第２コイル１２ａ，１２ｂのいずれか一方のインダクタンスが増大し、これに連動してもう一方のコイル１２ａ，１２ｂもクエンチし、同様にインダクタンスが増大する。これにより、限流コイル１１のインピーダンスが急増して、限流コイル１１に入力される過電流が限流される。このような限流器１０の動作によって、過電流から電力線や電力機器等の保護が行われるようになっている。

因みに図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す限流コイル１１を最小単位として４組直列接続して構成された超電導限流コイル２１である。即ち、限流コイル２１は、図１（ａ）の限流コイル１１を軸方向に４組積層し、隣接する一方の組の接続端子１４ｂと他方の組の接続端子１４ａとを互いに接続することで、４組の限流コイル１１を直列接続した限流コイル２１が構成される。この場合も、各組間の接続端子１４ａ，１４ｂによる接続部分がコイル１１本体の径方向外側に配置可能なことから、冷却装置にて十分に冷却され、接続端子１４ａ，１４ｂによる接続部分にクエンチの発生が偏ることが抑制される。尚、用途に合わせて限流コイル１１の組数を適宜変更することで、様々な限流コイルとして構成することが可能である。

次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）無誘導巻き第１及び第２コイル１２ａ，１２ｂを２層構造として各コイル１２ａ，１２ｂ（各超電導線１３ａ，１３ｂ）の両端の端末線のいずれもコイル１１本体の径方向外側にて導出する構成としたことで、その端末線の接続はコイル１１本体の径方向外側部分で行われる。そのため、接続抵抗による発熱でクエンチが生じ易い端末線の接続部１５が熱の篭もらないコイル１１本体の外側に位置するため、通常時に超電導状態を維持するための冷却装置（図示略）にて十分に冷却され、接続部１５から先にクエンチが生じる事象を低減でき、限流コイル１１におけるクエンチの発生箇所の偏りを小さくすることができる。また、接続部１５が十分に冷却されることから、仮に接続部１５にてクエンチが生じた後の復帰時間が短時間となり、限流コイル１１のクエンチ後の復帰特性を優れたものとすることができる。

（２）第１及び第２コイル１２ａ，１２ｂの各超電導線１３ａ，１３ｂの並びが１層目と２層目とで入れ替えられ、１層目の第１コイル１２ａと２層目の第２コイル１２ｂとが対向し、１層目の第２コイル１２ｂと２層目の第１コイル１２ａとが対向するように構成されている。これにより、１層目と２層目との間においても第１及び第２コイル１２ａ，１２ｂにて発生する磁界を打ち消すことになるため、限流コイル１１の一層無誘導化を図ることができる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、限流コイル１１の一層の無誘導化を図るべく超電導線１３ａ，１３ｂの並びを１層目と２層目とで入れ替えたが、図２に示す超電導限流コイル３１のように、入れ替えない構成としてもよい。この限流コイル３１では、１層目と２層目で第１コイル１２ａの超電導線１３ａ同士、第２コイル１２ｂの超電導線１３ｂ同士が対向する。このようにすれば、１層目と２層目で超電導線１３ａ，１３ｂの入れ替え（捻り）を行う必要がなくなる。

因みに、図２に示す限流コイル３１を最小単位とした複数組の限流コイルを図１（ｂ）と同様に構成することもできる。また、図１（ａ）の限流コイル１１と図２の限流コイル３１とを混在させた複数組の限流コイルを構成することもできる。

・上記実施形態の限流器１０は、電力系統への設置のみならず、他の電気装置に設置するものであってもよい。

１０…超電導限流器、１１，２１，３１…超電導限流コイル、１２ａ…第１コイル、１２ｂ…第２コイル、１３ａ，１３ｂ…超電導線、１５…接続部。

Claims (2)

1. 超電導線を平面渦巻状に巻回した一対の第１及び第２コイルを有し、各コイルが無誘導巻きにて構成された超電導限流コイルを備え、その超電導限流コイルのクエンチ現象を用いて入力電流が過電流となった際の限流を行う超電導限流器であって、
   前記超電導限流コイルは、前記第１及び第２コイルのそれぞれに対応する２本の超電導線を径方向に並べた状態で径方向外側から内側に向かって平面渦巻状に巻回して１層目の巻回を行った後、２層目に渡り径方向に並べた状態の各超電導線を径方向内側から外側に向かって平面渦巻状に巻回して２層目の巻回を行い、前記第１及び第２コイルの両端の端末線のいずれか一方同士が接続部にて接続されて構成されたことを特徴とする超電導限流器。
2. 請求項１に記載の超電導限流器において、
   前記超電導限流コイルは、前記第１及び第２コイルを構成する各超電導線の並びが１層目と２層目とで入れ替えられ、１層目の前記第１コイルと２層目の前記第２コイルとが対向し、１層目の前記第２コイルと２層目の前記第１コイルとが対向するように構成されたことを特徴とする超電導限流器。

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