JP2003289621A - 超電導限流モジュールおよび超電導限流ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 通常通電時には複数の超電導限流素子に対し
均一に電流を流すことができ、限流動作開始時の素子損
傷を抑制できる超電導限流モジュール、および複数の超
電導限流モジュールを直列接続しても均一に電流を流せ
る超電導限流ユニットを提供する。 【解決手段】 絶縁基板とその上に形成された超電導薄
膜とを有する超電導限流素子（１）の１つまたは直列接
続した複数を一部品として用い、複数の前記部品を並列
接続した超電導限流モジュールであって、前記部品に含
まれる超電導限流素子（１）はある中心軸（３）の周り
に放射状に配置され、かつ各超電導限流素子（１）に設
けられた通電用の２つの電流パッドが前記中心軸（３）
から異なる距離に位置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の超電導限流
素子を用いて電路に流れる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モジュールおよび複数の超電
導限流モジュールを電気的に接続した超電導限流ユニッ
トに関する。

【０００２】

【従来の技術】落雷や倒木などにより送電線や配電線な
どの電線が電気的に大地に接触したり、また電線どうし
が接触したりするといった事故が発生すると非常に大き
な事故電流が流れ、この電力系統に接続してある変圧
器、ケーブルなどの電力機器に対し温度上昇などの悪影
響を及ぼすことになる。そこで、このような事故電流か
ら電力システムを保護するため、高速で事故電流を抑制
することのできる機器（限流器）の研究がすすめられて
いる。事故電流を抑制する手段としては、ＧＴＯなどの
パワー半導体を利用するもの、アーク放電現象を利用す
るもの、またはダイオードブリッジを使用したものなど
いろいろな種類が検討されている。そのなかでも、超電
導体に臨界電流（以下、Ｉｃと記す）を大きく超える電
流が流れるとその超電導体が瞬時に超電導状態から常電
導状態へ変化し抵抗を発生する現象を利用した素子（以
下、超電導限流素子と略記）は、限流動作開始のための
制御装置が不要で、かつ電力系統に直列に接続するとい
う単純な構成のために信頼性が高く実現が期待されてい
る機器である。

【０００３】しかし、いわゆる金属系超電導体は超電導
状態になる温度が１０Ｋ程度と非常に低いため、これを
用いた場合には超電導限流素子を動作させるための冷却
コストが高く、経済的に見合った価格での限流器作製が
困難であった。そこで、最近では、金属系超電導体より
も超電導転移温度が高く、安価な値段で使用できる液体
窒素による冷却でも超電導状態となる、いわゆる酸化物
超電導体を用いた超電導限流素子の研究が進められてい
る。また、超電導限流素子を小型に作製するためには臨
界電流密度が大きいことが重要であるが、一般にバルク
超電導体よりも単結晶基板などのように絶縁基板の上に
成膜した超電導薄膜の方が高い臨界電流密度を持つこと
から超電導限流素子開発は主に超電導薄膜を用いて行わ
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】高特性の超電導薄膜は
基板や製造方法などにより大きさの制限を受け、超電導
限流素子の作製に適した超電導薄膜の幅は現状では１ｃ
ｍ程度である。このような超電導薄膜を液体窒素で冷却
した場合、臨界電流の値は約５０−１００Ａ程度とな
る。また、１つの超電導限流素子に印加できる電圧は１
００−１ｋＶ程度である。一方、限流器を必要とする送
電線や配電線を流れる典型的な電流は１ｋＡ以上であ
り、また電圧は最も低い配電系統でも６．６ｋＶであ
る。したがって、限流器を構成するためには電流容量を
増やす必要があり、複数の超電導限流素子を使用して電
気的に並列に接続しなければならない。また、印加可能
電圧も大きくする必要があり、そのためには超電導限流
素子を直列に接続した超電導限流モジュールの作製、ま
たは超電導限流モジュールをさらに複数枚接続した超電
導限流ユニットを構成することが考えられている。

【０００５】しかし、超電導限流素子を電気的に並列に
接続した場合には通常通電時および限流動作開始時に以
下のような問題が発生することが知られている。

【０００６】（ａ）通常通電時の損失の増大 並列に接続した超電導体に交流電流を流した場合、一般
に電流は各超電導体を均一には流れず、超電導限流素子
によって流れる電流の値が異なる。これにより発生電圧
はすべての超電導限流素子に均一に電流が流れた場合よ
りも大きな値となってしまう。そのために並列接続超電
導体の通常通電損失は、一枚の超電導限流素子に交流通
電を行った場合の損失を枚数分足し上げたものよりも増
大してしまうという問題が発生する。また、仮に各超電
導限流素子に均一に電流が流れたとしても超電導限流素
子を複数枚接続することにより通電時の電流が大きくな
り、その結果、各超電導限流素子に印加される自己磁界
は、素子の並列数を増やすと大きくなる。この印加磁界
増大の影響によって超電導体の臨界電流値は低下し、並
列化素子の臨界電流値は１素子の場合よりも小さくなっ
てしまう。一方、超電導体の交流損失の一種であるヒス
テリシス損失は（通電電流／臨界電流）の値が大きいほ
ど大きくなる。すなわち、１素子に通電した場合と並列
化素子に通電した場合とでヒステリシス損失を比較する
と、並列化素子を流れる電流がすべて１素子の通電と等
しい場合でも臨界電流値の低下の影響でヒステリシス損
失は増大し、その結果限流器の効率は低下してしまう。

【０００７】（ｂ）限流開始時のクエンチ現象 超電導薄膜内部を局所的に観測した場合、現状の成膜技
術においては完全に均質な膜を得ることはできず、ある
程度の特性ばらつきが生じてしまう。これに起因して超
電導限流素子が過電流により常伝導状態へと転移する際
には全素子のうち最もＩｃの小さい領域から転移が始ま
ることになる。これにより電流は他の超電導限流素子へ
と転流する。次に、転流によって急に電流が増えた超電
導限流素子が局所的に常伝導転移を始め、さらに元の超
電導限流素子または他の超電導限流素子へと電流を転流
するという現象が発生する。並列化した超電導限流素子
はこのようなことを繰り替えしながら常伝導領域を拡大
していき、最終的に大きな抵抗を発生するわけである。
このような現象は以前より実験的に知られている（例え
ば平成１０年電気学会全国大会講演論文集１２１１中の
図２．２参照）。一方、このような現象が発生すると、
電流は振動することになり、１素子の場合には流れなか
った大きな電流が１素子に集中し、これにもとづく過大
な発熱により限流開始時に超電導限流素子が損傷してし
まうといった現象がしばしば発生する。

【０００８】（ｃ）直列化に伴う課題 さらに直列化により印加可能電圧を向上していった場合
には電気絶縁の問題や、あらたに直列化による超電導限
流素子間の電流分布の不均一が生じる。一般に電力系統
に事故が発生し限流器が動作した場合、限流器の両端間
には系統電圧に匹敵する電圧またはサージ電圧などによ
りそれ以上の電圧が印加される。この電圧に対する電気
絶縁設計をするためには限流器動作時に内部で発生する
電圧はなるべく一方向に変化していくことが望ましい。
金属系超電導体を用いた場合には超電導線材をコイル形
状に巻くことでこの実現が可能であった。すなわち、超
電導線がコイルの１ターンで発生する電圧は系統電圧と
比較して小さいので発生する電圧はコイルの軸方向に沿
って変化するわけである。一方、絶縁基板を用いた超電
導限流素子は曲げることができないため、金属系超電導
体で可能であったようにコイル状に巻くことによりコン
パクトな空間に収めることが困難である。また、複数の
超電導限流モジュールを接続部分で折り曲げてコンパク
トな空間に収納することも考えられる。しかし、仮に１
つの超電導限流モジュールだけを考えていた場合には均
一に電流を流せるとしても、直列接続により折り曲げら
れて配置された次の超電導限流モジュールの発生する磁
界はその前の超電導限流モジュールに対して均一には印
加されない。その結果、直列化により電流分布が不均一
になってしまう。

【０００９】本発明の目的は、通常通電時には複数の超
電導限流素子に対し均一に電流を流すことができ、限流
動作開始時の素子損傷を抑制できる超電導限流モジュー
ルを提供するとともに、複数の超電導限流モジュールを
直列接続しても均一に電流を流せる超電導限流ユニット
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の一態様に係る超
電導限流モジュールは、絶縁基板とその上に形成された
超電導薄膜とを有する超電導限流素子の１つまたは直列
接続した複数を一部品として用い、複数の前記部品を並
列接続した超電導限流モジュールであって、前記部品に
含まれる超電導限流素子はある中心軸の周りに放射状に
配置され、かつ各超電導限流素子に設けられた通電用の
２つの電流パッドが前記中心軸から異なる距離に位置す
ることを特徴とする。

【００１１】本発明の他の態様に係る超電導限流ユニッ
トは、上記の超電導限流モジュールの複数を、各超電導
限流モジュールの中心軸を一致させて配置して、直列に
接続したことを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態に係る超
電導限流モジュールおよび超電導限流ユニットについて
説明する。

【００１３】本発明の実施形態に係る超電導限流モジュ
ールは、並列接続された複数の超電導限流素子（または
複数の超電導限流素子を直列接続した部品を用いてもよ
い）を含む。

【００１４】ここで、並列に接続された電気伝導体に交
流電流を流す場合、電流は各々の電気伝導体の抵抗と各
々の電気伝導体の自己インダクタンスおよび並列接続さ
れた電気伝導体相互の位置関係により決まる相互インダ
クタンスの大きさにより決定される。

【００１５】通常の金属で形成された電気伝導体（電
線）はその抵抗値が比較的大きいため、商用周波数程度
の交流通電の場合には並列に接続した各電線を流れる電
流はほとんど抵抗成分により決定される。したがって、
並列接続された通常の電線に電流を流す場合には、抵抗
値の等しい電線を用いることにより比較的簡単に電流値
を均一にすることができる。

【００１６】これに対し、ほとんど抵抗成分を持たない
超電導体の並列回路を流れる交流電流は主にインダクタ
ンス成分により決まる。このような場合、以下のような
考察から並列接続された超電導体には電流が均一に流れ
ない理由がわかる。

【００１７】いま、図１に示すように、Ｎ個の超電導素
子の並列回路に交流電圧Ｖを印加した場合を考える。そ
れぞれの超電導素子に１からＮの番号をつけ、それぞれ
の超電導素子を流れる電流をＩ₁、Ｉ₂、・・・、Ｉ_Nと
する。また、電源を含み超電導素子ｉを通る閉回路をＣ
_iとおく。このときの回路方程式は、各超電導素子の抵
抗成分Ｒ_i、回路Ｃ_iの自己インダクタンスＬ_i、回路Ｃ_i
と回路Ｃ_jとの相互インダクタンスＭ_i,jを用いて、式
（１）で表すことができる（ここでは、超電導素子以外
の抵抗成分はないものと仮定している）。

【００１８】

【数１】

【００１９】一方、式（１）の左辺の２項、３項の和は
閉回路Ｃ_iを貫く磁束Φ_iの時間微分となっている。した
がって式（１）は式（２）に書き直すことができる。

【００２０】

【数２】

【００２１】式（２）は電流Ｉ_iについての回路方程式
である。この式（２）からＩ_jについての回路方程式を
引くと式（３）が得られる。

【００２２】

【数３】

【００２３】したがって、超電導体に臨界電流値以下の
電流を流したときのようにＲ_i＝０と近似できる場合に
は式（４）が得られる。

【００２４】

【数４】

【００２５】この式（４）よりΦ_i−Φ_jは時間によらな
い定数であることが導かれるが、この定数は零と考えて
も一般性を失わないために以下の議論では式（５）のよ
うにこの定数は零とおいた。

【００２６】

【数５】

【００２７】一方、図２に示すように、Φ_i−Φ_jは電流
Ｉ_iの流れる線路と電流Ｉ_jの流れる線路とが作る閉ルー
プを貫く磁束である。式（５）から、複数の超電導素子
を並列に接続した場合には、２つの超電導素子が作る閉
ループに磁束が貫かないように電流が流れることがわか
る。これが超電導素子を並列に接続した場合の大きな特
徴である。

【００２８】このとき、並列素子間で電流が均一に流れ
ないことを、図３を参照して検討する。図３には、並列
に接続された３つの超電導素子を示している。まず、
（ａ）仮に各超電導素子に均一に電流が流れたとする。
この場合、（ｂ）領域Ｘについて考えると、超電導素子
１ａと超電導素子１ｂとが作る磁束が完全打ち消しあ
う。したがって領域Ｘでは超電導素子１ｃが作る磁束が
貫く。（ｃ）このような状態は式（５）を満たさない。
したがって（ｄ）超電導素子１ａと超電導素子１ｂの作
る磁束の差で超電導素子１ｃの作る磁束を打ち消しあう
必要がある。そこで最終的に（ｅ）超電導素子１ａの方
が超電導素子１ｂよりも電流が多く流れる。すなわち、
複数の超電導素子を並列に接続した場合に一般に電流が
均一に流れない理由は、均一に電流が流れるとすると複
数の超電導素子が作る閉ループを貫く磁束が生じるため
であると考えてもよい。

【００２９】以上の考察より、各超電導素子を流れる電
流を均一にするためには、仮に均一に電流が流れるとし
たときに各超電導素子間に形成される閉ループを貫く磁
束がなるべく少なくなるように各超電導素子の空間的配
置を決めればよいことがわかる。

【００３０】この観点から再度前記の例を考えると電流
が均一に流れない理由は、閉ループの左右にある超電導
素子の数が異なることが原因であることがわかる。した
がって、超電導素子に流れる電流を均一にしたい場合に
は、２つの超電導素子が作る閉ループの左右にある素子
数がどの閉ループについてもあまり異ならないようにす
ればよい。このためには超電導素子を並列接続する場合
に、図３のように端がある配置は避けなければならず、
超電導素子をある中心軸の周りに放射状に配置すること
が有効である。

【００３１】図４（ａ）および（ｂ）に、本発明の一実
施形態に係る超電導限流モジュールの平面図および斜視
図を示す。図４（ａ）および（ｂ）においては、絶縁基
板とその上に形成された超電導薄膜とを有する超電導限
流素子１を一部品として用いている。そして、部品とし
ての超電導限流素子１の複数を中心軸３の周りに放射状
に配置し、複数の超電導限流素子１の中心部および周辺
部にそれぞれ並列接続用のブリッジ２、２を設けること
により、これらの超電導限流素子１を並列接続してい
る。ブリッジ２、２の超電導限流素子１との接続点が各
超電導限流素子１への通電用の２つの電流パッドとな
り、これらは中心軸３から異なる距離に位置する。

【００３２】図４（ｂ）は、この超電導限流モジュール
に対して、中心から外側に向かって電流を流した場合に
発生する磁界１０を示す。すなわち、複数の超電導限流
素子１を放射状に配列することにより、複数の超電導限
流素子１の作る閉ループを貫く磁束を低減することがで
き、その結果、超電導限流素子１に流れる電流を均一に
することができる。

【００３３】さらに、より厳密に複数の超電導限流素子
に流れる電流の均一性を高めるためには、複数の超電導
限流素子をある中心軸の周りに配置し、かつ任意の２つ
の超電導限流素子が中心軸の周りでの回転によって、超
電導限流モジュール全体の空間的配置を変えずに移り変
われる対称性を有することが好ましい。図５に、本発明
の他の実施形態に係る対称性の高い配置を持つ超電導限
流モジュールの平面図を示す。この場合に各超電導限流
素子に電流が均一に流れる理由を以下に示す。

【００３４】上述したように、それぞれの超電導素子に
１からＮの番号をつけた場合、ｉ番目の超電導素子に流
れる電流Ｉ_iは、式（１）より式（６）と表すことがで
きる（ここでは、既に抵抗成分は十分に小さいと考えて
０とおいた）。

【００３５】

【数６】

【００３６】また、この図５の超電導限流モジュールで
は中心軸の周りでの回転により、部品である超電導限流
素子の位置が移り変わることができ、かつ全体の幾何学
的配置が変化しない。そこで、このような回転の１つに
より、それぞれの部品の位置が、 部品１→部品１’、部品２→部品２’、・・・、部品Ｎ→部品Ｎ’ と変わるものとする。

【００３７】このとき１’の位置にある超電導限流素子
をあらためて１、２’の位置にある超電導限流素子をあ
らためて２、Ｎ’の位置にある部品をあらためてＮとす
る別の番号付けを考える。すると、この番号付けによる
ｉ番目の超電導限流素子は前の番号付けでｉ番目だった
超電導限流素子とは異なるため、一般にはその自己イン
ダクタンス値が変化し、Ｌ’_iとなる。同様に相互イン
ダクタンスもＭ_i,jからＭ’_i,jへと変わる。したがっ
て、あらたな番号付けによる回路方程式は式（７）で与
えられる。

【００３８】

【数７】

【００３９】しかし、一般に超電導限流素子の自己イン
ダクタンスの大部分は、並列接続のために電線が分岐す
る前の回路部分により決まるため、超電導限流素子間で
あまり異ならず、Ｌ_iとＬ’_iはほぼ等しいと考えてよ
い。また、Ｍ’_i,jはあらたな番号付けによるｉ番目の
電流経路Ｃ_iとｊ番目の電流経路Ｃ_jとが作る相互インダ
クタンスであるが、回転によって全体の配置が変化しな
いので、あらたな番号付けによる超電導限流素子ｉと超
電導限流素子ｊとの相互の位置関係は、元の番号付けに
よるｉ番目の超電導限流素子とｊ番目の超電導限流素子
との相互の位置関係と等しくなっている。したがって、
相互の位置関係によって決まる相互インダクタンスは等
しくなる。これを式で表すとＭ’_i,j＝Ｍ_i,jとなる。以
上のことより式（７）は式（８）と表すことができる。

【００４０】

【数８】

【００４１】この式（８）は式（６）と同じ形をしてい
る。すなわち、式（８）のＩ_iと式（６）のＩ_iとは同じ
値となる。一方、式（８）のｉ番目の超電導限流素子は
元の番号付けではｉ’の超電導限流素子である。以上の
ことより、Ｉ_i＝Ｉ’_iとなることがわかる。また、図５
の超電導限流モジュールでは、任意の部品間を移し変え
る回転が存在することから、結局すべての電流値が等し
いことが導かれる。

【００４２】一方、上記のように各超電導限流素子間に
形成される閉ループを貫く磁束が少なくなるような空間
的配置は、たとえば図６（ａ）のように、複数の超電導
限流素子１を正多角形柱の側面に配置することによって
も実現することができる。しかし、このような構造で
は、多角形柱の内部に使用することのできない空間が生
じてしまい、コンパクトな超電導限流モジュールを作製
するには障害となる。さらに、図６（ｂ）に示すよう
に、印加可能電圧の向上を目指して、複数の超電導限流
モジュールを直列接続用のブリッジ４を介して直列化し
た場合、その全長は直列数に比例して長くなり、コンパ
クトな限流器を作製することが困難となる。また、コン
パクトな空間に収納するためには、図６（ｃ）に示すよ
うに、直列接続用のブリッジ４の一部を折り曲げて接続
することが考えられる。しかし、この構造では、１つの
超電導限流モジュール内では複数の超電導限流素子が幾
何学的に等しい位置にあっても、たとえば図６（ｃ）の
超電導限流素子１ａと超電導限流素子１ｂとでは、他の
線路からの影響に差がでるため、均等に電流を流すこと
ができなくなる。

【００４３】ここで、先に考察したように並列化超電導
限流素子どうしが作る閉ループ間には磁束が貫かないと
いう性質は、磁界がどのような電流によって発生してい
るのかに依存しない。したがって、直列接続された他の
超電導限流モジュールが発生する磁界が、ある超電導限
流モジュールを構成する並列素子の作る閉ループを貫こ
うとするとき、これを遮蔽するように電流分布が変化す
る。すなわち、他の超電導限流モジュールの発生する磁
界がある超電導限流モジュールに不均一に印加される場
合には、１つの超電導限流モジュールでは均一に電流が
流せたとしても、複数の超電導限流モジュールを直列化
した超電導限流ユニットでは電流が不均一となる。

【００４４】これに対し、本発明の他の実施形態におい
ては、たとえば図７（ａ）の斜視図に示すように、上記
の超電導限流モジュールを複数用い、その中心軸を一致
させて配置し、互いに直列接続した超電導限流ユニット
を提供することにより上記の問題を解消する。図７
（ｂ）は、図７（ａ）の超電導限流ユニットを、中心軸
を含む平面で切断した断面図である。この図に示される
ように、複数の超電導限流モジュールは、ブリッジ４に
よって直列に接続されている。このような超電導限流ユ
ニットでは、１つの超電導限流モジュールに含まれる超
電導限流素子に対して、他の超電導限流モジュールの作
る磁界の影響を均一化でき、どの超電導限流素子に対し
ても均一電流を流すことができるようになる。

【００４５】図８に、本発明の実施形態に係る超電導限
流モジュールを、中心軸を含む平面で切断した断面図を
示す。この図に示されるように、ある中心軸の周りに超
電導限流素子を配置し、１つの超電導限流素子１に設け
られる通電用の２つの電流パッド６が中心軸から異なっ
た距離に位置するようにすれば、素子長７よりも超電導
限流モジュールの厚さ８を小さくすることができ、均一
に電流が流せる直並列接続とコンパクト性の両方を実現
することができる。

【００４６】また、図４（ｂ）に示したように、超電導
限流素子に電流が流れることにより発生する自己磁界の
大部分は膜面に平行になる。しかし、厳密にいえば、並
列接続された超電導限流素子間に隙間があるために、小
さいとはいえ超電導薄膜の膜面に対し垂直な磁界が印加
される。図９にこの様子を示す。この図は、本発明の実
施形態に係る超電導限流モジュールの部品である超電導
限流素子１の端部を拡大した斜視図である。各超電導限
流素子１に電流Ｉが流れることにより超電導限流モジュ
ールで発生する主要な磁界成分はＨで表している。この
図に示されるように、超電導限流素子１間に隙間がある
ために、個々の超電導限流素子１に電流が流れることに
よって個々の超電導限流素子１が磁界成分Ｈ₁を発生
し、超電導限流素子１の膜面垂直に小さな磁界成分Ｈ_p
が印加される。一般に超電導体は磁界を印加するとＩｃ
などの値が低下し通電損失が増大するため、このような
垂直磁界がなるべく印加されないようにすることが望ま
しい。

【００４７】この問題を解消するためには、板状支持体
の両面にそれぞれ保持された複数の超電導限流素子を有
し、板状支持体の表面および裏面の超電導限流素子を、
互いに逆方向の電流が流れるように直列接続した部品を
用いて、超電導限流モジュールを作製することが好まし
い。図１０に、このような超電導限流モジュールに用い
られる部品の端部の斜視図を示す。板状支持体の両面に
それぞれ保持された複数の超電導限流素子１を直列接続
するには、たとえば図１１（ａ）および図１１（ｂ）に
示したように、板状支持体５の周辺部または中心部に直
列接続用のブリッジ２を設け、板状支持体５の表裏の超
電導限流素子どうしを接続すればよい。

【００４８】図１０からわかるように、互いに逆方向に
電流が流れる超電導限流素子１が板状支持体（図１０に
は図示せず）を介して上下に近接して配置されている
と、表面の超電導限流素子による磁界成分Ｈ₁と裏面の
超電導限流素子による磁界成分Ｈ_1'とが互いに打ち消し
あうため、超電導限流素子１の膜面垂直に磁界成分が印
加されるのを抑制することができる。この効果は上下の
超電導限流素子間の距離が近いほど大きいので、一面の
みに超電導限流素子が形成されている２つの超電導限流
モジュールを直列接続する場合と比較すると、板状支持
体の両面に超電導限流素子を配置して直列接続する場合
の方が望ましいといえる。

【００４９】また、板状支持体の両面に超電導限流素子
を配置すれば、上記のように外部への発生磁界を小さく
することができるので、複数の超電導限流モジュールを
直列接続して作製された超電導限流ユニット全体の電流
均一化にも効果がある。すなわち、図１０に示した超電
導限流モジュールの複数を、図７（ａ）のように配置し
て直列接続することにより超電導限流ユニットを作製す
ると、各超電導限流素子に印加される膜面垂直磁界を低
減できることに加えて、個々の超電導限流モジュールが
外部へ発生する磁界を小さくできるので、互いの影響を
さらに小さくすることができ、超電導限流ユニット全体
で電流を均一化できる。したがって、図１０に示した超
電導限流モジュールは特性の向上にも寄与できる。

【００５０】図１２の断面図に示すように、一般的な超
電導限流素子は絶縁基板１７の片面（表面）に超電導薄
膜１６を有する。このような超電導限流素子を板状支持
体の両面に設けるために板状支持体に対して絶縁基板側
を接着した場合、複数の超電導限流モジュールを直列接
続する際に、互いに近接する超電導限流モジュール間で
超電導限流素素子が向かいあうことになり、電気的な絶
縁が課題となる。

【００５１】この問題を解消するためには、図１３に断
面図で示す超電導限流ユニットのように、超電導限流モ
ジュール１間に固体の絶縁体１１を挟んで電気絶縁を確
保することが好ましい。

【００５２】次に、並列接続した超電導限流素子が過電
流により限流動作する際に、超電導限流素子間で電流が
振動する理由について説明する。

【００５３】いま、図１４のように２つの超電導限流素
子１ａ、１ｂが並列に接続されている場合を考える。こ
のとき超電導限流素子１ａの常伝導転移する電流値が小
さく、ある電流値で局所的に常伝導転移を始め、抵抗を
発生したとする。このとき超電導限流素子１ｂはまだ抵
抗成分を持たないために、電流は超電導限流素子１ａか
ら超電導限流素子１ｂに転流しようとする。しかし、回
路のインダクタンスＬがあるため、電流は超電導限流素
子１ｂに急激に転流することはできず、少しの時間遅れ
を生じて超電導限流素子１ｂへと転流（転流電流Ｉ_t）
する。このあいだ超電導限流素子１ａでは常伝導領域の
拡大や温度上昇の影響で発生電圧が大きくなり、発生電
圧から決まる転流しなければならない電流量が増大す
る。その後、超電導限流素子１ｂの電流が増大し、局所
的に常伝導転移して超電導限流素子１ａと同じ電圧を発
生しても、電流が急激に零になることはなく、超電導限
流素子１ｂの電流は増大し続ける。これは、転流にとも
なうインダクタンスＬの影響により、転流電流Ｉ_tが急
激に零になることはないためである。したがって、転流
電流Ｉ_tが流れる閉ループのインダクタンスＬが大きい
ほど、並列接続された超電導限流モジュールが限流動作
を開始する際に振動する電流の振幅は大きいと考えられ
る。したがって、複数の超電導体間での転流に関係する
ループは小さいほどよい。

【００５４】上記のように転流に関係するループを小さ
くするためには、図１５（ａ）に示す超電導限流モジュ
ールのように超電導限流素子１を両端だけで並列に接続
した構造よりも、図１５（ｂ）に示す超電導限流モジュ
ールのように超電導限流素子１どうしを３個所以上（両
端で接続されている部分を除くと一箇所以上）で接続し
た構造とすることが好ましい。これらの図において局所
クエンチ部１２が生じたときに転流に関係するループの
面積を比較すると、図１５（ａ）のループ１３ａよりも
図１５（ｂ）のループ１３ｂの方が小さく、その結果ル
ープインダクタンス成分が小さくなる。したがって、図
１５（ｂ）のように、同一の超電導限流モジュールに含
まれる複数の超電導限流素子が少なくとも３個所以上で
並列接続されていると、限流開始時の電流振動現象を抑
制でき、素子破壊をすることなしに大電流を抑制するこ
とができる。

【００５５】

【実施例】実施例１ 本実施例では図１６（ａ）および（ｂ）に示す超電導限
流モジュールを作製した。

【００５６】まず、幅１ｃｍ、長さ８ｃｍの単結晶サフ
ァイア基板上に、ＹＢＣＯ系の超電導薄膜を形成して超
電導限流素子を作製した。この超電導限流素子は、液体
窒素温度でほぼ８０Ａの臨界電流値（臨界電流は発生電
圧１μＶ／ｃｍで定義している）を持つ。このような超
電導限流素子を８個用意した。図１６（ａ）に示すよう
に、これらの超電導限流素子１を、厚さ５ｍｍ、長径２
４ｃｍ、短径２０ｃｍの楕円状ＦＲＰ板からなる支持体
５上に放射状に配置し、ＦＲＰの板とビスを用いて固定
した。超電導限流素子１の両端部（中心部および周辺部
の１ｃｍの部分）に並列接続用のブリッジ２、２を接続
して超電導限流モジュールを作製した。ブリッジ２、２
の超電導限流素子１との接続点が各超電導限流素子１へ
の通電用の２つの電流パッドとなり、これらは支持体５
の中心軸から異なる距離に位置する。この超電導限流モ
ジュールは、支持体５の中心軸の周りで１８０°回転し
ても全体の空間的配置が変わらないという対称性を有す
る。

【００５７】なお、本実施例では８個の超電導限流素子
を用いて超電導限流モジュールを作製している。しか
し、超電導限流素子１が放射状に配置され、各超電導限
流素子１に設けられた通電用の２つの電流パッドが中心
軸から異なる距離に位置し、任意の２つの超電導限流素
子１が対称性をもって配置されているという条件を満た
していれば、超電導限流素子１の枚数は特に限定されな
い。

【００５８】次に、通電試験を実施するために、図１６
（ｂ）に示すように、中心部のブリッジ２および周辺部
２のブリッジ２に配線１５を接続した。このとき、超電
導限流モジュール内の電流分布が乱されないように、配
線１５が発生する磁界の影響をなるべく均等になるよう
にしている。

【００５９】この超電導限流モジュールに対し５６０Ａ
の連続通電を行い、各超電導限流素子を流れる電流値を
測定した。この際、回路に抵抗成分が入らないように各
超電導限流素子の周りにロゴスキーコイルを配置して電
流を測定した。図１７（ａ）に測定結果を示す。また、
図１７（ｂ）に、図１７（ａ）のピーク付近の拡大図を
示す。これらの図から、各超電導限流素子にはほぼ均等
に電流が流れていることがわかる。各超電導限流素子で
の電流のばらつきを計算したところ、約３％以内に収ま
っていた。

【００６０】比較のために、図１６に図示した超電導限
流モジュールを分解して、８個の超電導限流素子を取り
出し、図１８に示すように支持体平面上に１ｃｍ間隔で
横並びに配置した超電導限流モジュールを作製した。こ
の超電導限流モジュールに対し上記と同様にして５６０
Ａの連続通電を行った。図１９（ａ）に測定結果を示
す。また、図１９（ｂ）に、図１９（ａ）のピーク付近
の拡大図を示す。各超電導限流素子での電流のばらつき
を計算したところ、１０％以上であった。このことか
ら、図１８のように超電導限流素子を配置した場合に
は、各超電導限流素子に流れる電流の均一性が大きく劣
化することがわかる。

【００６１】実施例２ 実施例１と同じ超電導限流素子を８個用いて、図５と同
様に、直径２２ｃｍの円形ＦＲＰ板からなる支持体上に
放射状に配置し、超電導限流素子の両端部に並列接続用
のブリッジを接続して超電導限流モジュールを作製し
た。この超電導限流モジュールは、支持体の中心軸の周
りで４５°の整数倍の回転をすることにより、全体の空
間的配置を変えずに任意の２つの超電導限流素子が移り
変われる対称性を有する。

【００６２】この超電導限流モジュールに対し５６０Ａ
の連続通電を行い、各超電導限流素子を流れる電流値を
測定した。その結果は、各超電導限流素子を流れる電流
のばらつきは約２％以内に収まり、実施例１と比べてさ
らに均一性が向上した。

【００６３】実施例３ 実施例１で用いたものと同じ超電導限流素子を４枚用意
した。まず、図２０（ａ）に示すように、４枚の超電導
限流素子１を厚さ５ｍｍ、幅１０ｃｍ、長さ１０ｃｍの
板状ＦＲＰからなる支持体５上に配置し、直列接続して
部品を作製した。次に、図２０（ｂ）に示すように、こ
の部品を４枚用いて、中心軸の周りで９０°の整数倍の
回転をすることにより、全体の空間的配置を変えずに任
意の２つの部品が移り変われる対称性を有するように組
み合わせた。さらに、各部品を互いに並列接続して超電
導限流モジュールを作製した。

【００６４】この超電導限流モジュールを液体窒素で冷
却し、ピーク電流２８０Ａの連続通電を行い、各部品を
流れる電流を測定した。その結果、各部品を流れる電流
のばらつきは２％以内であった。

【００６５】比較のために、図２０（ｃ）のように、４
枚の部品を平行に配置し、各部品を互いに並列接続して
超電導限流モジュールを作製した。この超電導限流モジ
ュールに対して上記と同じ条件で通電試験を行った。そ
の結果、外側の２枚の部品どうしまたは内側の２枚の部
品どうしでは流れる電流値は等しかったが、それぞれの
電流ピーク値は７９Ａおよび６１Ａとなり、１０％以上
のばらつきがあった。

【００６６】実施例４ 図２１に示すように、実施例１と同じ超電導限流素子１
を１６個（臨界電流値はすべて約８０Ａ）用い、直径２
２ｃｍの円形ＦＲＰ板からなる支持体の表面および裏面
に８個ずつ放射状に配置した。支持体の表面および裏面
での超電導限流素子１の配置のし方は実施例２、図５と
同じである（図２１には支持体の裏面は示されていな
い）。また、支持体の表面および裏面において、超電導
限流素子１の両端部に並列接続用のブリッジ２、２を接
続した。さらに、支持体の表面および裏面で重なる１対
の超電導限流素子１どうしをそれぞれ支持体の周辺部で
直列接続用のブリッジ４により直列接続した。このよう
にして、超電導限流モジュールを作製した。

【００６７】次に、通電試験を実施するために、表面中
心部の並列接続用ブリッジ２および裏面中心部の並列接
続用ブリッジ（図２１には示されていない）を用いて通
電し、表面の超電導限流素子１についてだけ電流を測定
し、表面中心部の並列接続用ブリッジ２と表裏を接続す
る直列接続用ブリッジ４との間で発生電圧を測定するよ
うにした。この状態で、ピーク電流８０Ａ×８個＝６４
０Ａの連続通電を行った。

【００６８】参考のために、実施例２と同様に８個の超
電導限流素子を支持体の表面にのみ配置した超電導限流
モジュールを作製し、図１６（ｂ）と同様に配線を接続
して通電試験を行った。

【００６９】図２２に測定結果を示す。この図におい
て、１番上のグラフが通電電流を示し、２番目のグラフ
が実施例４の超電導限流モジュールでの発生電圧を示
し、３番目のグラフが実施例２の超電導限流モジュール
での発生電圧を示している。なお、発生電圧としては、
超電導薄膜の長さ１ｃｍあたりで規格化した電圧を示し
ている。

【００７０】上述した臨界電流の定義から、１つの超電
導限流素子は約８０Ａの電流を通電したときに１μＶ／
ｃｍの電圧を発生する。図２２の２番目のグラフから、
実施例４の場合には通電電流ピークでの発生電圧が上記
の定義に相当する１μＶ／ｃｍ程度であり、各超電導限
流素子に均一に電流が流れていると判断することができ
る。一方、図２２の３番目のグラフから、実施例２の場
合には発生電圧が約４倍の値となっている。これは実施
例２の超電導限流モジュールでは、膜面垂直磁界が相殺
されず、若干のＩｃ低下が生じることによると判断でき
る。また、発生ジュール熱を計算によって求めたとこ
ろ、実施例４は実施例２の約１／４であった。このこと
から、実施例４では実施例２と比較してジュール損失を
大きく低減できることが確認された。

【００７１】実施例５ 図２３に示す超電導限流モジュールを作製した。まず、
実施例１と同様に、幅１ｃｍ、長さ８ｃｍの単結晶サフ
ァイア基板上にＹＢＣＯ系の超電導薄膜を形成して超電
導限流素子を作製した。このような超電導限流素子１を
８個用いて、実施例２（図５）と同様に直径２２ｃｍの
円形ＦＲＰ板からなる支持体上に放射状に配置し、超電
導限流素子１の両端部（各１ｃｍの部分）に並列接続用
のブリッジ２、２を接続するとともに、電流パッド部分
を除いた有効長６ｃｍのＹＢＣＯ薄膜どうしを互いに３
個所において並列接続するようにブリッジ２を設け、超
電導限流モジュールを作製した。なお、ブリッジとして
は直径１ｍｍのインジウム線を用い、このインジウム線
をＹＢＣＯ薄膜に機械的に押し付けて電気的な接続を取
っている。この超電導限流モジュールでは、各超電導限
流素子１のＹＢＣＯ薄膜は両端の接続を含めて合計５個
所で他のＹＢＣＯ薄膜と接続されている。

【００７２】この超電導限流モジュールに対し、短絡電
流５ｋＡ、電源電圧２ｋＶの回路を用いて限流試験を行
った。この試験では、回路インピーダンスを調整するこ
とにより印加電圧を徐々に上げ限流動作を測定した。図
２４（ａ）に試験結果を示す。図２４（ａ）からわかる
ように、印加ピーク電圧が７００Ｖを超えても素子の破
壊を招くことなく限流に成功している。また、印加電圧
を徐々に増加して試験を行ったところ、印加電圧ピーク
が１２００Ｖまでは限流に成功したが、さらに高い印加
電圧では限流試験中に超電導限流素子が破損した。

【００７３】参考のために、実施例２と同様に、超電導
限流モジュールを構成する超電導限流素子どうしが両端
のみで並列接続されている超電導限流モジュールを作製
し、上記と同じ試験条件で限流試験を行った。図２４
（ｂ）に試験結果を示す。図２４（ｂ）からわかるよう
に、印加電圧ピークが７００Ｖの場合には図２４（ａ）
と同様に限流に成功しているが、印加電圧を徐々に増加
して試験を行ったところ図２４（ａ）よりも７００Ｖよ
りすこし上の電圧で限流試験中に超電導限流素子が破損
した。同様の超電導限流モジュールを複数作製して同様
の試験を複数回行ったが、試験結果はほとんど同じであ
った。

【００７４】また、印加電圧ピーク７００Ｖで各超電導
限流素子に流れる電流をロゴスキーコイルで測定したと
ころ、実施例５では実施例２と比べて電流振動の振幅が
約半分に抑制できていることが判明した。

【００７５】以上の結果から、実施例５では実施例２と
比べて印加可能電圧を少なくとも（１２００／７００）
＝１．７倍に向上でき、その原因は限流開始時の電流振
動現象を抑制できるためであると考えられる。

【００７６】実施例６ 図２５（ａ）および（ｂ）に示す超電導限流ユニットを
作製した。図２５（ａ）に示すように、実施例５の超電
導限流モジュールを４枚用い、各超電導限流モジュール
の中心軸が重なるように１ｃｍ間隔で直列に接続した。
図２５（ａ）では図示を省略しているが、各超電導限流
モジュールの中心部には穴をあけている。図２５（ｂ）
に示すように、各超電導限流モジュールどうしは直列接
続されている。すなわち、電流リード１４を最上面の超
電導限流モジュールの中心部に接続し、最上面の超電導
限流モジュールと２枚目の超電導限流モジュールを周辺
部のブリッジ４で接続し、２枚目の超電導限流モジュー
ルと３枚目の超電導限流モジュールを中心部で接続し
（図２５（ｂ）では示されていない）、３枚目の超電導
限流モジュールと４枚目の超電導限流モジュールを周辺
部のブリッジ４で接続し、４枚目の超電導限流モジュー
ルの中心部にもうひとつの電流リード１４を接続してい
る。

【００７７】この超電導限流ユニットに対し、ピーク電
流５６０Ａで連続通電を行い、各超電導限流モジュール
内の各超電導限流素子に流れる電流値を測定した。その
結果、各超電導限流素子に流れる電流値はほとんど均一
でばらつきは３％以内であり、１枚の超電導限流モジュ
ールに対する試験結果とほぼ同じであった。

【００７８】比較のために、この超電導限流ユニットを
分解して、各超電導限流素子を取り出し、以下のように
して図２６に示す超電導限流ユニットを作製した。厚さ
５ｍｍ、幅が約１ｃｍのＦＲＰを組み合わせて８角柱を
作製し、その側面にそれぞれ超電導限流素子をエポキシ
系接着剤で固定し、超電導限流モジュールを作製した。
このような超電導限流モジュールを４本用意し、１ｃｍ
間隔で横並びに配置して、図２６のように電流リード１
４およびブリッジ４により直列接続して超電導限流ユニ
ットを作製した。

【００７９】この超電導限流ユニットに対し、ピーク電
流５６０Ａで連続通電を行い、図２６の一番左側の超電
導限流モジュールを構成する超電導限流素子を流れる電
流を測定した。その結果、各超電導限流素子を流れる電
流はばらついていた。特に、隣の超電導限流モジュール
から一番近い面の超電導限流素子と一番遠い面の超電導
限流素子において、電流が均等に流れた場合の値７０Ａ
からのズレが大きく、そのばらつきは約７％であった以
上の結果から、本実施例における超電導限流モジュール
を直列化した超電導限流ユニットにおいても、各超電導
限流素子を流れる電流を均一化できることがわかる。

【００８０】実施例７ 支持体の表面および裏面にサファイア基板側を接着して
超電導限流素子を配置した実施例３の超電導限流モジュ
ール（図２１）を４枚用意した。図２１に示すように、
各超電導限流モジュールの表面および裏面の超電導限流
素子は、周辺部に設けられた直列接続用のブリッジ４で
接続されている。図１３に示したように、各超電導限流
モジュールの間に、厚さ２ｍｍ、半径１０ｃｍの円盤状
ＦＲＰ板からなる絶縁体１１を挟み、各超電導限流モジ
ュール間を１ｃｍ離して積層した。なお、絶縁体１１の
中心部には上下の超電導限流モジュールを接続するリー
ドが挿通される直径２ｃｍの穴をあけている。さらに、
各超電導限流モジュール間を直列に接続して超電導限流
ユニットを作製した。

【００８１】この超電導限流ユニットに対し限流試験を
行った。その結果、印加電圧６ｋＶで試験を行っても、
超電導限流モジュール内または超電導限流モジュール間
での放電を招くことなく限流動作が可能であった。

【００８２】比較のために、超電導限流モジュール間の
絶縁体を取り外して限流試験を行った。その結果、印加
電圧ピークが３ｋＶまでは限流試験に成功したが、さら
に印加電圧を上げると、１番目と２番目の超電導限流モ
ジュール間でアーク放電が発生して超電導限流素子が損
傷した。

【００８３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、並列接続
された複数の超電導限素子を流れる電流を均一化して、
通電損失の抑制するとともに限流動作開始時の素子損傷
を抑制できる超電導限流モジュールを提供できる。ま
た、本発明によれば、上記の超電導限流モジュールを直
列接続して各超電導限流素子を流れる電流を均一化でき
る超電導限流ユニットを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】超電導素子の並列回路を示す回路図。

【図２】電流Ｉ_iの流れる線路と電流Ｉ_jの流れる線路と
が作る閉ループを貫く磁束を示す図。

【図３】超電導素子の並列回路において電流が均一に流
れない理由を説明する図。

【図４】本発明の一実施形態に係る超電導限流モジュー
ルの平面図および斜視図。

【図５】本発明の他の実施形態に係る対称性の高い配置
を持つ超電導限流モジュールの平面図。

【図６】多角柱の側面に超電導限流素子を配置した超電
導限流モジュールを示す斜視図。

【図７】本発明の他の実施形態に係る超電導限流ユニッ
トを示す斜視図および断面図。

【図８】本発明の実施形態に係る超電導限流モジュール
を、中心軸を含む平面で切断した断面図。

【図９】並列接続された超電導限流素子の膜面垂直に印
加される磁界成分を説明する斜視図。

【図１０】本発明の他の実施形態に係る、板状支持体の
表面および裏面に超電導限流素子を設け互いに逆方向に
電流が流れるように接続した超電導限流モジュールの斜
視図。

【図１１】図１０における板状支持体の表面および裏面
の超電導限流素子を直列接続するためのブリッジを示す
断面図。

【図１２】本発明の実施形態に係る超電導限流素子の断
面図。

【図１３】本発明の他の実施形態に係る超電導限流ユニ
ットの断面図。

【図１４】転流電流に関係するループを示す回路図。

【図１５】２つの超電導限流素子の接続方法と、転流に
関係するループを示す断面図。

【図１６】実施例１における超電導限流モジュールを示
す図。

【図１７】実施例１の超電導限流素子の通電特性を示す
図。

【図１８】実施例１に対する比較例の超電導限流モジュ
ールを示す平面図。

【図１９】図１８の超電導限流モジュールの通電特性を
示す図。

【図２０】実施例３における超電導限流モジュールを示
す図。

【図２１】実施例４における超電導限流モジュールを示
す斜視図。

【図２２】実施例４の超電導限流モジュールの通電特性
を示す図。

【図２３】実施例５における超電導限流モジュールを示
す平面図。

【図２４】実施例５および実施例２の超電導限流モジュ
ールの限流特性を示す図。

【図２５】実施例６における超電導限流ユニットを示す
斜視図。

【図２６】実施例６に対する比較例の超電導限流ユニッ
トを示す斜視図。

【符号の説明】

１…超電導限流素子 ２…並列接続用のブリッジ ３…中心軸 ４…直列接続用のブリッジ ５…支持体 ６…電流パッド ７…超電導限流素子の長さ ８…超電導限流モジュールの厚さ １０…磁界 １１…絶縁用固体 １２…局所クエンチ部分 １３ａ、１３ｂ…ループ １４…電流リード １５…配線 １６…超電導薄膜 １７…絶縁基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 芳野 久士 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Ｆターム(参考） 4M114 AA14 AA29 BB10 5G013 AA01 BA01 CA02

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁基板とその上に形成された超電導薄
   膜とを有する超電導限流素子の１つまたは直列接続した
   複数を一部品として用い、複数の前記部品を並列接続し
   た超電導限流モジュールであって、前記部品に含まれる
   超電導限流素子はある中心軸の周りに放射状に配置さ
   れ、かつ各超電導限流素子に設けられた通電用の２つの
   電流パッドが前記中心軸から異なる距離に位置すること
   を特徴とする超電導限流モジュール。
2. 【請求項２】 任意の２つの前記部品が、前記中心軸の
   周りでの回転によって、超電導限流モジュール全体の空
   間的配置を変えずに移り変われる対称性を有することを
   特徴とする請求項１に記載の超電導限流モジュール。
3. 【請求項３】 前記部品は板状支持体の両面にそれぞれ
   保持された複数の超電導限流素子を有し、前記板状支持
   体の表面および裏面の超電導限流素子が互いに逆方向の
   電流が流れるように直列接続されていることを特徴とす
   る請求項１または２に記載の超電導限流モジュール。
4. 【請求項４】 同一の超電導限流モジュールに含まれる
   複数の超電導限流素子が互いに３個所以上で並列接続さ
   れていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか
   に記載の超電導限流モジュール。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかに記載の超
   電導限流モジュールの複数を、各超電導限流モジュール
   の中心軸を一致させて配置して、直列に接続したことを
   特徴とする超電導限流ユニット。
6. 【請求項６】 前記超電導限流モジュールは板状支持体
   の両面にそれぞれ絶縁基板側を接着して保持された複数
   の超電導限流素子を有し、中心軸を一致させて配置され
   た各超電導限流モジュールの間に固体の絶縁体を挟んだ
   ことを特徴とする請求項５に記載の超電導限流ユニッ
   ト。