JPH11204324A - 超電導装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】全体の大型化を招くことなく、対地絶縁耐力の
向上とクエンチ時における絶縁耐力の向上とを図れる超
電導装置を提供する。 【解決手段】少なくとも断熱槽１１と、この断熱槽１１
内に収容された冷媒槽１２と、この冷媒槽内に収容され
た冷媒１３及び超電導体を含むリアクトル１４と、この
リアクトル１４と外部とを電気的に接続するために冷媒
槽及び断熱槽の壁を貫通して設けられた一対のブッシン
グ１５，１６と、断熱槽１１の壁を気密に貫通して設け
られて冷媒槽１２の冷却に供される電気絶縁性冷却路１
７とを含むモジュール化された超電導リアクトル要素３
ａ，３ｂを絶縁油２中に直列に接続した状態で配置した
ものとなっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超電導装置に係
り、特に全体の大型化を招くことなく、耐電圧の向上を
図れるようにした超電導装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、超電導コイル装置で代表
される超電導装置の多くは、断熱槽内に冷媒槽を収容
し、この冷媒槽内に冷媒及び超電導体を含む電気部品を
収容し、さらに電気部品と外部とを電気的に接続するた
めに冷媒槽及び断熱槽の壁を貫通させて一対の電流導入
機構を設けたものとなっている。断熱槽は通常、真空層
を主体にして断熱機能を発揮するように構成され、また
電流導入機構はブッシングタイプのものが多用されてい
る。

【０００３】ところで、このような超電導装置における
電気部品を高電圧電路に、たとえば直列に設けた場合に
は、必然的にブッシングの中心導体及び電気部品が高電
圧電路と同じ電位に保たれ、また大気中に露出している
断熱槽の容器が接地される。したがって、断熱槽におけ
る真空層には、断熱機能と電気絶縁機能との両方を発揮
することが要求される。

【０００４】このうち、真空層における電気絶縁機能
は、真空内沿面放電電圧によって評価される。真空内沿
面放電電圧は、沿面距離の増加とともに上昇するが、沿
面距離に対して線形ではなく、沿面距離の増加割合に比
べてそれ程上昇しないことが知られている。すなわち、
真空内沿面距離による絶縁耐力の変化は、一般に距離の
１乗以下と緩やかであるため、電路電圧が高くなるにし
たがって十分に長い沿面距離を確保しなければならず、
装置全体が急激に大きくなるという問題があった。

【０００５】また、何らかの原因で超電導体が常電導転
移（クエンチ）した場合、超電導体は抵抗体へと瞬時に
転移する。このため、たとえばコイル状の形態で使用し
ている場合には、コイル巻線のターン間に高電圧が印加
される。このような場合に備えてターン間距離を大きく
する必要がある。しかし、たとえば磁場発生を目的とす
るコイルでは、ターン間距離を大きくすると、コイルそ
のものが大型になるばかりか、コイル全体の電流密度が
低下するためにターン数を増やさなければならず、装置
全体が益々大きくなるという問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の超
電導装置にあっては、内部に収容されている超電導部品
の対地絶縁耐力を高めようとしたり、クエンチ時におけ
る絶縁破壊を防止しようとすると、装置全体が著しく大
型化し、応用性に欠ける問題があった。そこで本発明
は、上述した不具合を解消でき、高電圧電路においても
十分に使用可能な超電導装置を提供することを目的とし
ている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る超電導装置では、少なくとも断熱槽
と、この断熱槽内に収容された冷媒槽と、この冷媒槽内
に収容された冷媒及び超電導体を含む電気部品と、この
電気部品と外部とを電気的に接続するために前記冷媒槽
及び断熱槽の壁を貫通して設けられた一対の電流導入機
構と、前記断熱槽の壁を気密に貫通して設けられて前記
冷媒槽の冷却に供される電気絶縁性冷却路とを含むモジ
ュール化された超電導要素を絶縁物中に配置したものと
なっている。

【０００８】また、上記目的を達成するために、請求項
２に係る超電導装置では、少なくとも真空容器と、この
真空容器内に収容された超電導体を含む電気部品と、こ
の電気部品と外部とを電気的に接続するために前記真空
容器の壁を貫通して設けられた一対の電流導入機構と、
前記真空容器の壁を気密に貫通して設けられて前記電気
部品の冷却に供される電気絶縁性冷却路とを含むモジュ
ール化された超電導要素を絶縁物中に配置したものとな
っている。

【０００９】なお、請求項１，２に係る超電導装置にお
いて、モジュール化された超電導要素を覆う絶縁物は、
高い沿面放電電圧を確保し易い絶縁油や高圧の絶縁性ガ
スが好ましい。

【００１０】また、必要な絶縁耐力を得たり、必要な電
流容量を得たりするために、モジュール化された超電導
要素が絶縁物中で複数個、直列接続あるいは並列接続さ
れていてもよい。この場合、各モジュールにおける一方
の電流導入機構の心線は、断熱槽あるいは真空容器の壁
と同電位であってもよいまた、請求項２に係る超電導装
置では、超電導部品を囲むように、真空容器内に熱シー
ルド板が配置されていてもよい。

【００１１】請求項１及び２に係る超電導装置では、モ
ジュール化された超電導要素を絶縁物中に配置している
ので、モジュールの一部である断熱槽及び真空容器は、
主として断熱機能だけを発揮すればよいことになる。す
なわち、モジュール化された超電導要素を覆っている絶
縁物が対地絶縁耐力を確保する部材として機能する。こ
の場合、絶縁物として絶縁油や絶縁性の高圧ガスを用い
ると、高い沿面放電電圧を確保し易いので、絶縁物層の
厚みを薄くでき、結局、対地絶縁耐力を十分に確保した
状態で装置全体の小型化を実現できる。

【００１２】また、請求項１及び２に係る超電導装置で
は、モジュール化された超電導要素を絶縁物中に配置し
ているので、複数のモジュールを直列あるいは並列に組
み合わせて１つの超電導装置を構成することによって、
各種仕様の超電導装置に対応できる。さらに、モジュー
ル単体は、それぞれ所定の絶縁耐力を有しているので、
これらを絶縁物中で直列に接続することによって絶縁耐
力を加算することが可能となり、十分大きな対地絶縁耐
力を得ることができる。また、各モジュール内の超電導
部品がクエンチしたとき、装置の導電部両端に加わる電
圧を各超電導部品に分担させることができるので、クエ
ンチしたときに起こり易いターン間絶縁破壊を防止する
ことができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施形態を説明する。図１には本発明の一実施形態に係
る超電導装置、ここには本発明を超電導リアクトル装置
に適用した例が示されている。

【００１４】同図において、１は金属材で形成された外
容器を示している。この外容器１内には絶縁物としての
絶縁油２が収容されており、この絶縁油２中にはモジュ
ール化された２個の超電導リアクトル要素３ａ，３ｂが
直列に接続された状態で収容されている。

【００１５】各超電導リアクトル要素３ａ，３ｂは、そ
れぞれステンレス鋼などで形成されて断熱槽を構成する
真空容器１１と、たとえばステンレス鋼などで形成され
て真空容器１１内に収容された冷媒槽１２と、この冷媒
槽１２内に収容された液体ヘリウムで代表される冷媒１
３と、超電導線を含む部材で形成されて冷媒１３中に没
するように冷媒槽１２内に収容された電気部品としての
リアクトル１４と、リアクトル１４と外部とを電気的に
接続するために冷媒槽１２及び真空容器１１の壁を貫通
して設けられた一対の電流導入機構としてのブッシング
１５，１６と、真空容器１１の壁を気密に貫通して設け
られて冷媒槽１２の冷却に供される電気絶縁性冷却路１
７とで構成されている。

【００１６】ブッシング１５は、中心導体１８の一端側
がリアクトル１４の一端に接続されており、中心導体１
８の他端側が冷媒槽１２の上壁及び真空容器１１の上壁
を貫通して真空容器１１の上壁と外容器１の上壁との間
の位置まで延びている。中心導体１８の外周部で冷媒槽
１２の上壁及び真空容器１１の上壁を貫通している部分
には絶縁材１９，２０が取り付けられており、これら絶
縁材１９，２０によって中心導体１８と冷媒槽１２およ
び真空容器１１との間の電気的な絶縁が確保されてい
る。

【００１７】一方、ブッシング１６は、中心導体２１の
一端側がリアクトル１４の他端に接続されており、中心
導体２１の他端側が冷媒槽１２の上壁及び真空容器１１
の上壁を貫通して真空容器１１の上壁と外容器１の上壁
との間の位置まで延びている。中心導体２１の外周部で
冷媒槽１２の上壁を貫通している部分には絶縁材２２が
取り付けられており、この絶縁材２２によって中心導体
２０と冷媒槽１２との間の電気的な絶縁が確保されてい
る。すなわち、ブッシング１６については、中心導体２
１が真空容器１１の上壁を直接的に、かつ気密に貫通し
ており、これによって中心導体２１と真空容器１１とが
同電位に保たれている。

【００１８】超電導リアクトル要素３ａにおけるブッシ
ング１５の中心導体１８で、真空容器１１の上壁と外容
器１の上壁との間に位置している部分は、外容器１の上
壁を絶縁状態で貫通して設けられたブッシング２３の中
心導体２４に接続されている。超電導リアクトル要素３
ａにおけるブッシング１６の中心導体２１で、真空容器
１１の上壁と外容器１の上壁との間に位置している部分
は、接続導体２５を介して超電導リアクトル要素３ｂに
おけるブッシング１５の中心導体１８で、真空容器１１
の上壁と外容器１の上壁との間に位置している部分に接
続されている。

【００１９】一方、超電導リアクトル要素３ｂにおける
ブッシング１６の中心導体２１で、真空容器１１の上壁
と外容器１の上壁との間に位置している部分は、外容器
１の上壁を絶縁状態で貫通して設けられたブッシング２
６の中心導体２７に接続されている。

【００２０】電気絶縁性冷却路１７は、窒化アルミニウ
ム等のように電気絶縁性を示すとともに良熱伝導特性を
示す部材で形成されて一端側が冷媒槽１２の上壁に密接
し、他端側が真空容器１１の上壁を貫通するように設け
られた電気絶縁性良熱伝導体２８と、この電気絶縁性良
熱伝導体２８の貫通部分と真空容器１１との間に設けら
れて気密性を確保するとともに電気絶縁性良熱伝導体２
８と真空容器１１との間を熱的に遮断する環状の電気絶
縁性断熱体２９とで構成されている。

【００２１】外容器１の上壁で電気絶縁性良熱伝導体２
８に対して同軸的に対向する位置には極低温冷凍機３０
が配置されている。この極低温冷凍機３０は、最終段冷
却ステージを４Ｋ程度に冷却可能な、たとえば蓄冷式の
冷凍機で構成されている。そして、この極低温冷凍機３
０は、最終段冷却ステージを電気絶縁性良熱伝導体２８
の端面に密接させるように外容器１の上壁に取り付けら
れている。極低温冷凍機３０における冷却ステージおよ
び前述した電気絶縁性断熱体２９の回りには、冷却ステ
ージの回りを真空雰囲気に保って外部からの熱侵入を抑
えるための仕切壁３１が設けられている。

【００２２】なお、図１中、３２は各超電導リアクトル
要素３ａ，３ｂにおける冷媒槽１２の温度を均一化させ
るための均熱導体を示している。この均熱導体３２は、
一端側が冷媒槽１２に密接し、他端側が真空容器１１の
側壁を気密に貫通しており、外周に電気絶縁性断熱層を
備えている。そして、各超電導リアクトル要素３ａ，３
ｂを組み上げた状態で隣接するもの同士の端面が密接し
て熱伝導体としての機能を発揮するようになっている。

【００２３】このように構成された超電導リアクトル装
置は、２つのリアクトル１４がたとえば電路に直列に介
挿されるようにブッシング２３，２６の中心導体２４，
２７が電路に接続され、また外容器１が接地された状態
で使用される。

【００２４】このように、モジュール化された超電導リ
アクトル要素３ａ，３ｂを勝れた絶縁物である絶縁油２
中に配置しているので、モジュールの一部である真空容
器１１は、専ら断熱機能だけを発揮すればよいことにな
る。すなわち、モジュール化された超電導リアクトル要
素３ａ，３ｂを覆っている絶縁油２が対地絶縁耐力を確
保する部材として機能する。絶縁材として絶縁油２を用
いると、高い沿面放電電圧を確保し易いので、絶縁物層
の厚みを薄くでき、対地絶縁耐力を十分に確保した状態
で装置全体の小型化を実現できることになる。

【００２５】また、この超電導リアクトル装置では、モ
ジュール化された超電導リアクトル要素３ａ，３ｂを絶
縁油２中で直列に接続して１つの装置を構成する方式を
採用している。したがって、モジュールの個数及び組合
せを選択することによって、各種仕様の超電導リアクト
ル装置に対応できる。

【００２６】さらに、モジュール単体は、それぞれ所定
の絶縁耐力を有しているので、これらを絶縁油２中で直
列に接続することによって絶縁耐力を加算することが可
能となり、十分大きな対地絶縁耐力を得ることができ
る。

【００２７】また、各モジュール内のリアクトル１４、
つまり超電導部品がクエンチしたとき、ブッシング２
３，２６の中心導体２４，２７間に加わる電圧を各超電
導部品に分担させることができるので、クエンチしたと
きに起こり易いターン間絶縁破壊も防止することができ
る。

【００２８】図２には本発明の別の実施形態に係る超電
導装置、ここにも本発明を超電導リアクトル装置に適用
した例が示されている。そして、この図では図１と同一
機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複
する部分の詳しい説明は省略する。

【００２９】この例に係る超電導リアクトル装置が先の
例と異なる点は、モジュール化された超電導リアクトル
要素３ａ′，３ｂ′の構成にある。すなわち、この例に
係る超電導リアクトル要素３ａ′，３ｂ′では、冷媒及
び冷媒槽を用いることなく、断熱槽としての真空容器１
１内に超電導部品としてのリアクトル１４を収容してい
る。そして、リアクトル１４を電気絶縁性冷却路１７を
媒体として極低温冷凍機３０で超電導転移温度以下に直
接的に冷却している。

【００３０】このように構成しても、モジュール化され
た超電導リアクトル要素３ａ′，３ｂ′を勝れた絶縁物
である絶縁油２中に配置しているので、モジュールの一
部である真空容器１１は専ら断熱機能だけを発揮すれば
よいことになる。したがって、図１に示す例と同様の効
果を発揮させることができる。

【００３１】なお、この例の場合、リアクトル１４の回
りに熱シールド板を配置し、この熱シールド板を極低温
冷凍機３０の最終段以外の冷却ステージで所定温度に冷
却し、リアクトル１４に輻射で侵入しようとする熱を除
去するようにしてもよい。

【００３２】図３には超電導要素をモジュール化したこ
とによる応用例の概念図が示されている。すなわち、こ
の例では、たとえば絶縁耐力１ｋＶ、通電容量６００Ａ
のモジュール化された超電導リアクトル要素３をｘ方向
に８並列、ｙ方向に４直列構成とすることによって、絶
縁耐圧４ｋＶ、通電容量５ｋＡの超電導リアクトル装置
を構成している。

【００３３】なお、上述した各例では、対地絶縁を確保
する絶縁物として絶縁油２を用いているが、所定圧力の
絶縁性ガスを用いてもよい。また、超電導部品を冷却す
る手段も極低温冷凍機に限らず、冷却源と被冷却物との
間を電気絶縁を考慮に入れたヒートパイプで接続するな
ど、種々の方法を採用できる。さらに、本発明は、リア
クトルに限らず各種の超電導装置にも適用することがで
きる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
全体の大型化を招くことなく、対地絶縁耐力の向上と、
超電導部品がクエンチしたときに起こり易い絶縁破壊の
防止とを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る超電導装置の縦断面
図

【図２】本発明の別の実施形態に係る超電導装置の縦断
面図

【図３】本発明の更に別の実施形態に係る超電導装置の
概念図

【符号の説明】

１…外容器 ２…絶縁油 ３，３ａ，３ｂ，３ａ′，３ｂ′…モジュール化された
超電導リアクトル要素 １１…断熱槽としての真空容器 １２…冷媒槽 １３…冷媒 １４…リアクトル １５，１６，２３，２６…電流導入機構としてのブッシ
ング １７…電気絶縁性冷却路 １８，２１，２４，２７…中心導体 ２５…接続導体 ２８…電気絶縁性良熱伝導体 ２９…電気絶縁性断熱体 ３０…極低温冷凍機 ３１…仕切壁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲鶴▼永 和行 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも断熱槽と、この断熱槽内に収容
   された冷媒槽と、この冷媒槽内に収容された冷媒及び超
   電導体を含む電気部品と、この電気部品と外部とを電気
   的に接続するために前記冷媒槽及び断熱槽の壁を貫通し
   て設けられた一対の電流導入機構と、前記断熱槽の壁を
   気密に貫通して設けられて前記冷媒槽の冷却に供される
   電気絶縁性冷却路とを含むモジュール化された超電導要
   素を絶縁物中に配置して構成されていることを特徴とす
   る超電導装置。
2. 【請求項２】少なくとも真空容器と、この真空容器内に
   収容された超電導体を含む電気部品と、この電気部品と
   外部とを電気的に接続するために前記真空容器の壁を貫
   通して設けられた一対の電流導入機構と、前記真空容器
   の壁を気密に貫通して設けられて前記電気部品の冷却に
   供される電気絶縁性冷却路とを含むモジュール化された
   超電導要素を絶縁物中に配置して構成されていることを
   特徴とする超電導装置。
3. 【請求項３】モジュール化された前記超電導要素が前記
   絶縁物中に複数個直列または並列に接続されて設けられ
   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
   導装置。
4. 【請求項４】前記絶縁物は、絶縁油または絶縁性ガスで
   あることを特徴とする請求項１，２，３の何れか１項に
   記載の超電導装置。