JPH07272958A - 超電導限流器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超電導状態におけるコイルの漏れインピーダ
ンスを極力減少させ、通常送電時の電力の損失を軽減す
るようにした超電導限流器を提供するものである。 【構成】 超電導筒体２を複数の円環体３に分割し、分
割した各々の円環体３間に挟持状態にコイル４を配置し
た。これにより、コイル４の漏れインピーダンスをより
小さくすることができ、通常送電時の電力の損失を大き
く抑制することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】 この発明は、超電導体が臨界電
流値を超えることによって超電導状態から常電導状態へ
とクエンチ（転移）する性質を利用した超電導限流器に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】 従来より、送電系統においては事故電
流を限流する限流器を配置することが提案されている。
限流器は過電流が流れた場合にインピーダンスとなって
その過電流を抑制し、遮断器及び変圧器にかかる過電流
を所定レベル以下に抑制する働きをする。限流器の方式
としては種々の技術が提案されているが、近年、超電導
体を用いて限流する限流器が提案されている。そのよう
な限流器として例えば特開平２−２０５４０２号公報に
開示されるようなものがある。

【０００３】超電導限流器は超電導体のマイスナー効果
と磁束スイッチング効果を利用したものであり、超電導
体の外周に電力系統と直列に接続されたコイルが巻回さ
れて構成されている。コイルは通電されると自己インダ
クタンスにより漏れインピーダンスを生ずる。しかし、
超電導限流器が超電導状態にある通常送電時にはマイス
ナー効果により理論上コイルの自己インダクタンスは消
失する。即ち、漏れインピーダンスが極めて小さくなる
ため定常時の送電電流の損失は少くなる。

【０００４】一方、送電系に落雷等の事故が生じ、大き
な過電流が流れると、コイルに生じる磁界が大きくな
り、臨界磁場（磁場に誘導された臨界電流で理論付ける
ことも可能である）を超える結果、超電導体のマイスナ
ー効果は消失し、超電導体は常電導状態へと転換（クエ
ンチ）する。すると、コイルに生じる磁束は超電導体に
錯交し、コイルのインダクタンスは増大する。そのため
超電導限流器のインピーダンスが極めて大きくなって事
故時に限流器として働くことができる。

【０００５】今、図６に超電導体よりなる筒体２０の外
周にコイル２１を巻回した基本的な超電導限流器２２の
原理図を示す。ここにコイル２１の磁束はコイル外方よ
りコイル内方へ向かって徐々に増大していき（磁束は連
続的に変化するが、便宜的に白矢印ｐ1 ，ｐ2 で流れと
大きさを表現する）、コイル２１内において最大かつ均
一な大きさの磁束ｐ2 が流れるようになっている。一
方、筒体２０はマイスナー効果により超電導状態におい
て筒体２０内を流れるコイル２１の磁束ｐ2 を逆方向の
磁場で打ち消す働きをする。（磁場の流れと大きさを斜
線矢印ｑにより表現する。）

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】 ここに、図６に示す
ように、超電導体よりなる筒体２０であって、Ａで示す
筒体２０内部においては理論上完全にコイル２１の磁束
ｐ2 は超電導体による磁束ｑにより打ち消され遮蔽状態
となる。しかし、Ｂで示す筒体２０とコイルの間に配設
された断熱材２２内を通る磁束ｐ1 は遮蔽しきれず、コ
イル２１の漏れインピーダンスがわずかに残ってしま
う。また、Ｃで示すコイル素線中の磁束も打ち消すこと
はできない。これら、筒体２０により遮蔽できない漏れ
磁束は、通常送電時の電力の損失となってしまうという
問題があった。また、漏れ磁束とコイル２１との間には
ローレンツ力が生じ、機械的なストレスがコイルに生じ
てしまうという問題もあった。

【０００７】本発明の目的は、超電導状態におけるコイ
ルの漏れインピーダンスを極力減少させ、通常送電時の
電力の損失を軽減するようにした超電導限流器を提供す
ることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】 上記課題を解決するた
めに本発明の発明者らは、請求項１の発明では、超電導
筒体を複数の円環体に分割し、分割した円環体間に挟持
状態にコイルを配置したことを要旨とする。また請求項
２の発明では、請求項１の発明に加えて、前記コイルを
分割した前記円環体間毎に配設するとともに、各コイル
を直列に接続したことを要旨とする。また、請求項３の
発明では、超電導筒体の外周または内周に周方向に沿っ
て溝を形成し、同超電導筒体の溝内には、同溝に沿って
巻回したコイルを配設したことを要旨とする。請求項４
の発明では、請求項３の発明に加えて、前記溝を複数形
成し、各溝毎に配設した各コイルを直列に接続したこと
を要旨とする。

【０００９】

【作用】 上記のような構成によれば、請求項１の発明
においては、分割した超電導筒体によりコイルは挟持さ
れるため、コイルが超電導筒体の外周側又は内周側へは
み出る部分が少なくなる。従って、単に超電導体筒体の
外周又は内周に配置した場合と比較するとコイルの磁束
はより多く超電導筒体に遮蔽されることとなり、コイル
の漏れインピーダンスは下がる。請求項２の発明におい
ては、請求項１の発明の作用に加えて、複数のコイルを
分割した前記超電導筒体間毎に配設するので、磁束の漏
れや磁気遮蔽効果に偏りが生ずることが少なく、また、
クエンチ時におけるローレンツ力の超電導筒体に対する
応力も均等にかかる。また、請求項３の発明ではコイル
は超電導筒体の溝内に収納されることとなる。すると単
に超電導体筒体の外周又は内周に配置した場合と比較す
るとコイルの磁束は収納された分だけより多く超電導筒
体に遮蔽されることとなり、コイルの漏れインピーダン
スは下がる。また、請求項４の発明では請求項３の発明
の作用に加えて、溝を複数としため、クエンチ時におけ
るローレンツ力の超電導筒体に対する応力が分散される
こととなる。

【００１０】

【実施例】 以下、この発明の試験例である超電導限流
器について、図１〜図５に基づいて詳細に説明する。図
１は試作した超電導限流器１である。同図に示すように
超電導筒体たる円筒体２は４つの超電導円環体３に分割
されている。超電導円環体３の間にはサンドイッチ状に
挟持された３つのコイル４が配設されている。超電導円
環体３は外径１００ｍｍ，内径９０ｍｍ，長さ５ｍｍに
形成された円形の環状体である。各超電導円環体３はビ
スマス系酸化物超電導物質により構成されている。本例
の超電導円環体３はビスマス系の超電導物質であるＢｉ
−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系を使用し、Ｂｉ：Ｓｒ：Ｃ
ａ：Ｃｕ＝２：２：１：２となるようにＢｉ₂ Ｏ₃ ，Ｃ
ｕＯ，ＳｒＣＯ₃ の各粉末を調合した。また、臨界温度
（クエンチする温度）は７７Ｋ以上の高温超電導体であ
り、臨界電流密度（Ｊｃ）＝１０００Ａ／ｃｍ² ，臨界
磁場（Ｂｃ）＝５０ガウス等の特性を示す。

【００１１】図１に示すようにコイル４は超電導円環体
３の間に交互に配設されている。各コイル４は本試験例
では直径１ｍｍのエナメル単線が７０ターン巻回されて
構成されたものであり、外径１００ｍｍ，内径９０ｍ
ｍ，長さ１０ｍｍに形成されている。３つのコイル４は
直径１ｍｍのエナメル単線にて直列に接続されており、
更に図示しない電力線と直列に接続されている。コイル
４の外径と超電導円環体３の外径とは同径であり、コイ
ル４の外表面と超電導円環体３の外周はほぼ面一となっ
ている。従って、コイル４は超電導円環体３の外周より
外側へはみ出ることはない。また、コイル４の内径は超
電導円環体３の内径とほぼ同一のため、コイル４は超電
導円環体３の内径より内側へはみ出ることはない。すな
わち、コイル４は超電導円環体３の端面よりはみ出るこ
とがない。尚、超電導円環体３とコイル４とは図示しな
い耐低温性の接着テープにより離間しないように接着さ
れて円筒体２として構成されている。

【００１２】円筒体２は図示しない冷却容器内で液体窒
素に浸漬された状態で封入されている。冷却容器には図
示しない導入口及び導出口が形成され、これらの口を介
して冷却容器への液体窒素の供給及び排出が行われるよ
うになっている。

【００１３】次に本試験例における作用について図２に
基づいて説明する。図２はコイル４の磁束の流れと大き
さを白矢印で示し、これを打ち消す超電導円環体３の磁
場の流れと大きさを斜線矢印で示したものである。コイ
ル４に通常の送電電流が流れると、超電導状態において
は、マイスナー効果により超電導体内にはこれを打ち消
す方向の磁場が発生する。Ａで示す超電導円環体３の内
部を通る強い磁束ａ2は発生する超電導円環体３の磁場
ｂ2 と理論的には完全に打ち消し合う。また、コイル４
は超電導円環体３からはみ出ていないので、コイル４を
通る磁束ａ1 は超電導円環体３により遮蔽される。コイ
ル４を通る磁束ａ1 は超電導円環体３の磁場ｂ1 により
打ち消されほぼ磁束ａ1 を遮蔽することができる。

【００１４】かかる試験例に基づいた実験データについ
て従来例と比較しつつ説明する。従来例についてはコイ
ルのみの場合のインピーダンスと、このコイルを超電導
体たる円筒体の外周に巻回し、超電導状態にある場合
（超電導限流器として動作する場合）の漏れインピーダ
ンスとの２つのインピーダンス値を得た。ここに、従来
例のコイルは外径１２０ｍｍ，内径１００ｍｍ，長さ５
０ｍｍとされ、径１ｍｍのエナメル単線が２００ターン
巻回して構成されたものである。また、外周にコイルが
巻回される超電導円筒体は外径９０ｍｍ，内径７０ｍ
ｍ，長さ５０ｍｍのものを用いた。

【００１５】一方、試験例では同様に図１に示すコイル
４のみの場合のインピーダンスと、超電導限流器１の漏
れインピーダンスとの２つのインピーダンス値を得た。
両例の値を比較した表を表１で示す。

【００１６】

【表１】

【００１７】表１に示すように、従来例ではコイルのみ
の場合のインピーダンスは１．５８Ωである。そしてこ
のコイルを円筒体の外周に巻回して、従来の超電導限流
器として使用した場合では０．６Ωを示した。一方、上
記試験例ではコイルのみのインピーダンスは１．６Ωで
あり、このコイルを円筒体の外周に巻回して、試験例の
超電導限流器１として使用した場合では０．３５Ωを示
した。ここで、コイルのみの場合のインピーダンスをＺ
1 とし、このコイルを超電導限流器として円筒体と組み
合わせた場合の漏れインピーダンスをＺ2 とする。Ｚ2
／Ｚ1 を比較してみると、従来例では約０．３８である
のに対して上記試験例では約０．２２となり、通常送電
時において従来例と比較して漏れ磁束が約５８パーセン
トに軽減されることとなった。

【００１８】このように構成することにより、本試験例
１の超電導限流器１は次のような効果を奏する。すなわ
ち、 （１）本例では超電導円環体３の端面に対してコイル５
が外側又は内側へはみ出ることがないため、コイル４の
環の内側を通る磁束、及びコイル４自体を通る磁束を超
電導円環体３のマイスナー効果により効果的に打ち消す
ことができる。従って、従来の超電導円筒の外周又は内
周にコイルを巻回する場合と比較して、コイル４のイン
ピーダンスをより小さくすることができ、通常送電時の
電力の損失を大きく抑制することが可能となる。また、
漏れインピーダンスがより小さくなる結果として磁束に
よるエネルギー損失（鉄損）も抑制されることとなる。

【００１９】（２）超電導円環体３を一体物として焼成
するのは技術的に困難であり、歪み、ひび等の欠陥品の
生じる割合も高くなる。また、焼成釜も大型のものが必
要となる。しかし、本例では小ピース化された超電導円
環体３として焼成し、その間にコイル４を挟持するよう
にすればよいので、超電導円環体３を一体物として焼成
する必要がなくなる。

【００２０】（３）超電導円環体３とコイル４とを交互
に配置しているため、両者をランダムに配置した場合や
コイル４を１か所のみに集中して配置した場合と比較し
て磁束の漏れや磁気遮蔽効果に偏りが生ずることが少な
く、また、クエンチ時におけるローレンツ力の超電導円
環体３に対する応力も均等にかかり、円筒体２の部分的
な劣化が防止される。

【００２１】以上、本発明の試験例について詳述した
が、本発明は次のような態様に変更して実施することも
可能である。 図３に示すように円筒体２を超電導体で一体的に形成
し、その外表面に複数の凹部７を形成すること。そし
て、この凹部７から円筒体２の外周側にはみ出ることの
ないように、コイル４を凹部７に巻回し上記試験例と同
様に直列に接続すること。このようにすれば、上記試験
例と同様の効果に加えて、耐低温性の接着テープを使用
する必要もない。また、凹部７にエナメル線を巻回して
いけばコイル４が巻き上がるので別途コイル４を巻き上
げて超電導円環体３と組み合わせる必要がなく、製造工
程が簡略化される。また、複数の凹部７を形成を形成し
て、それぞれに各コイル４を配設したため、クエンチ時
におけるローレンツ力の超電導筒体に対する応力が分散
される。

【００２２】上記実施例ではコイル４の外径は超電導
円環体３の外径と同一とされ、丁度コイル４の外表面と
超電導円環体３の外周とはほぼ面一となっていた。しか
し、コイル４の外径を超電導円環体３の外径よりも小さ
くしてもかまわない。このようにすれば、コイル４の外
方を通過する漏れ磁束も遮断できることとなり、コイル
４の漏れインピーダンスをより小さくすることができ
る。

【００２３】この場合、図４に示すように、両端の超電
導円環体３の更に両端寄り外周にフランジ部８を形成す
るようにしてもよい。こうすれば、コイル４の外方を通
過する漏れ磁束を極めて効果的に遮蔽することが可能と
なり、漏れインピーダンスがより小さくなる。尚、フラ
ンジ部８は両端の超電導円環体３以外の超電導円環体３
に形成してもよく、またその形成位置の変更も自由であ
る。また、図５に示すように図３における円筒体２を超
電導体で一体的に形成し、その外表面に凹部７を形成し
た実施例において、この両端にフランジ部８を形成する
ようにしてもよい。このようにしても、やはりコイル４
の外方を通過する漏れ磁束を極めて効果的に遮蔽するこ
とが可能となり、漏れインピーダンスがより小さくな
る。

【００２４】また、上記実施例ではコイル４は超電導
円環体３の端部よりはみ出ることのないように配置され
ていた。しかし、コイル４の外径を超電導円環体３の外
径よりも大きくしてもかまわない。このようにすれば、
確かにコイル４は超電導円環体３より外側にはみ出るた
め、そのはみ出た部分の漏れ磁束によりコイル４のイン
ピーダンスが通常送電時超電導円環体３が超電導状態に
あったとしても残ってしまう。しかし、この場合であっ
ても超電導円環体３よりはみ出さないコイル４の部分に
ついては超電導円環体３により遮蔽されるため、その遮
蔽された分は確かに漏れインピーダンスが消失し送電電
力の損失の防止となる。

【００２５】上記試験例では超電導円環体３と絶縁円
環体４とを交互に配置していたが、これをランダムに配
置するようにしてもよい。交互でなくともコイル４がは
み出ない限り、コイル４の環の内側を通る磁束、及びコ
イル４自体を通る磁束は超電導円環体３により遮断され
るからである。

【００２６】上記試験例では空心であったが、中実軟
鉄を用いて有心にしてもよい。尚、この軟鉄の概念には
フェライト、アモルファスも含む。また鉄心５は鉄損と
励磁電流の防止を図るために積層鉄心としてもよい。

【００２７】ビスマス系の高温超電導体としてはＢ
ｉ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ：Ｏ＝２：２：１：２以外の配合
で実施してもよい。また、ビスマス系以外の例えばイッ
トリウム系やＮｂＴｉ系の超電導体を使用することも可
能である。

【００２８】その他、冷却液はしては液体窒素の外、
液体ヘリウムを使用することも可能であったり、筒体と
して円筒体２以外の断面多角形形状の筒体を使用したり
することも可能である。また、超電導円環体３やコイル
４の径や長さは適宜変更可能である。その他、本発明は
その主旨を逸脱しない範囲で変更して実施することは自
由である。

【００２９】

【発明の効果】 以上説明したように、請求項１の発明
においてはコイルの漏れインピーダンスをより小さくす
ることができ、通常送電時の電力の損失を大きく抑制す
ることが可能となる。また、請求項２の発明においては
請求項１の発明の効果に加えて磁束の漏れや磁気遮蔽効
果に偏りが生ずることが少なくなる。また、請求項３の
発明においてもコイルの漏れインピーダンスをより小さ
くすることができ、通常送電時の電力の損失を大きく抑
制することが可能となる。請求項４の発明においては請
求項３の発明の効果に加えて、クエンチ時におけるロー
レンツ力の超電導筒体に対する応力が分散されることと
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明にかかる超電導限流器の試験例を説明
する斜視図である。

【図２】 同じ試験例において磁束の大きさと流れを説
明する説明図である。

【図３】 他の実施例の超電導限流器を説明する側断面
図である。

【図４】 他の実施例の超電導限流器を説明する斜視図
である。

【図５】 他の実施例の超電導限流器を説明する側断面
図である。

【図６】 従来の超電導限流器における磁束の大きさと
流れを説明する説明図である。

【符号の説明】

１…超電導限流器、３…超電導筒体たる超電導円環体、
４…コイル、６…コイル、７…溝たる凹部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本山 修一郎 名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日本碍子 株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超電導筒体を複数の円環体に分割し、分
   割した円環体間に挟持状態にコイルを配置したことを特
   徴とする超電導限流器。
2. 【請求項２】 前記コイルは分割された前記円環体間毎
   に配設されるとともに、各コイルは直列に接続されたこ
   とを特徴とする請求項１に記載の超電導限流器。
3. 【請求項３】 超電導筒体の外周または内周に周方向に
   沿って溝を形成し、同超電導筒体の溝内には、同溝に沿
   って巻回したコイルを配設したことを特徴とする超電導
   限流器。
4. 【請求項４】 前記溝は複数形成され、各溝毎に配設し
   た各コイルは直列に接続したことを特徴とする請求項３
   に記載の超電導限流器。