(57)【要約】【解決手段】限流器（30,40,50,60）であって、交流電源の各位相に対して、第１及び第２の一対の対向するリム（32a,32b；33a,33b）を有する体積及び質量を減少した閉じた磁気コア（31）、ならびに、磁気コア（31）の対向するリム（33a,33b）を囲む少なくとも１つの交流コイル（35a,35b）を備え、負荷と直列に接続される。非超伝導直流バイアスコイル（34）は通常、銅からなり、磁気コア（31）のリム（32a,32b）を囲むとともに、それぞれの対向するリム（33a,33b）をバイアスコイル（34）によって反対方向に飽和させる。故障状態において、少なくとも１つのリムの交流磁束は直流磁束と反対に作用し、リムを不飽和化する。好ましくは、直流バイアスコイルの電流が減少することによりコアの対向するリムが共に不飽和化される。【選択図】図３
2013503600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源用限流器（30,40,50,60）であって、前記限流器は、前記交流電源の各位相に対して、
前記磁気コア（31）の対向するリム（33a,33b）を囲む少なくとも１つの交流コイル（35a,35b）のための開いた磁気コア（31）を形成し、且つ、少なくとも１つの非超伝導直流バイアスコイル（34a,34b）のための閉じた磁気回路を形成する磁気回路を備え、前記非超伝導直流バイアスコイルは、非故障状態で前記磁気コアをバイアスして飽和させ、それぞれの前記対向するリム（33a,33b）が前記バイアスコイル（34a,34b）によって反対方向に飽和される、限流器。
【請求項２】
請求項１に記載の限流器（30）であって、前記開いた磁気コア（31）を、アンペア回数に関連した電力損失が、超伝導直流バイアスコイルを代わりに使用した場合に超伝導コイルを十分に冷却するために必要な電力以下となるような大きさとしてなる、限流器。
【請求項３】
請求項１に記載の限流器（30）であって、前記磁気回路が、
第１の一対の対向するリム（32a,32b）及び第２の一対の対向するリム（33a,33b）を有する閉じた磁気コア（31）、
磁気コア（31）の対向するリム（33a,33b）を囲み、且つ、負荷と直列に接続された少なくとも１つの交流コイル（35a,35b）、及び、
磁気コア（31）の少なくとも１つのリム（32a,32b）を囲むとともに、非故障状態で前記磁気コアをバイアスして飽和させ、それぞれの前記対向するリム（33a,33b）が前記バイアスコイル（34a,34b）によって反対方向に飽和される、少なくとも１つの非超伝導直流バイアスコイル（34a,34b）を備える、限流器。
【請求項４】
請求項３に記載の限流器（30）であって、
単一の非超伝導直流バイアスコイル（34a,34b）、第１の一対の対向するリム（32a,32b）の１つのリム（32a）、及び
第２の一対の対向するリム（33a,33b）を囲む単一の交流コイル（35）を備えた、限流器。
【請求項５】
請求項３に記載の限流器（40）であって、
それぞれ第１の一対の対向するリム（32a,32b）の各リムを囲む一対の非超伝導直流バイアスコイル（34a,34b）、及び、
第２の一対の対向するリム（33a,33b）を囲む単一の交流コイル（35）を備えた、限流器。
【請求項６】
請求項３に記載の限流器（50）であって、
それぞれ第２の一対の対向するリム（33a,33b）の各リムを囲む一対の非超伝導直流バイアスコイル（34a,34b）、及び、
第２の一対の対向するリム（33a,33b）を囲む単一の交流コイル（35）を備えた、限流器。
【請求項７】
請求項３に記載の限流器（60）であって、前記磁気コアが、
それぞれリムを有し、それぞれの開いた端部がそれぞれの支柱部（43a, 43b）によって磁気結合される間隔を空けて配置された第１及び第２のＣ字状コア（42a, 42b）、
前記コアの支柱部の各１つをそれぞれ囲む一対の直流バイアスコイル（34a,34b）、
前記第１のＣ字状コア（42a）の対向するリムを囲む第１交流コイル（35a）、及び
前記第２のＣ字状コア（42b）の対向するリムを囲む第２交流コイル（35b）を備えた、限流器。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の限流器であって、さらに、故障状態の間、少なくとも１つの非超伝導直流バイアスコイル（34a,34b）の電流を減少させる電流減少ユニット（71）を備えた、限流器。
【請求項９】
請求項８に記載の限流器であって、故障状態の間、電源から少なくとも１つの非超伝導直流バイアスコイル（34a,34b）の電流を切断する電流減少ユニット（71）を備えた、限流器。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の限流器であって、それぞれのエネルギー吸収要素（73,83a,83b）が少なくとも１つの直流バイアスコイル（34a,34b）を横断して接続された、限流器。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか一項に記載の限流器であって、前記電流減少ユニット（71）が、少なくとも１つの前記交流コイル（35a,35b）の電圧低下によって制御され、故障状態の間、前記バイアスコイルの電流を減少させ、故障を切断又は終了した後でバイアスコイルの電流を回復する、限流器。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の限流器であって、それぞれの前記直流バイアスコイル（34a,34b）が銅からなる、限流器。
【請求項１３】
交流電源の各位相に対して、非故障状態で低いインピーダンスを示し、故障状態で高いインピーダンスを示す磁気回路を有する交流電源用限流器の質量を減少させる方法であって、
少なくとも１つの交流コイルのための開いた磁気コアを形成し、且つ、非故障状態で前記磁気コアをバイアスして飽和させ、それぞれの対向するリムが前記バイアスコイルによって反対方向に飽和される少なくとも１つの非超伝導直流バイアスコイルのための閉じた磁気回路を形成し、
故障状態で、前記磁気コアの断面積の一部が常に高い透磁率を示し、したがって、故障に耐えるとともに、少なくとも１つの交流コイル及び磁気コアの断面積を減少させることを含む、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、
故障状態の間、少なくとも１つの非超伝導直流バイアスコイル（34a,34b）の電流を減少させ、それにより、少なくとも１つの前記交流コイル（35a,35b）を飽和状態から解除し、前記交流コイル及び磁気コアの断面積を減少させることをさらに含む、方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法であって、
故障状態の間、少なくとも１つの前記非超伝導直流バイアスコイル（34a,34b）を前記電源から切断することを含む、方法。
【請求項１６】
請求項１３に記載の方法であって、前記磁気回路が一対の非超伝導直流バイアスコイル（34a,34b）を備え、さらに、
前記非超伝導直流バイアスコイル（34a,34b）を逆位相で接続して、前記非超伝導直流バイアスコイルにおける可能な誘導電圧及び電流を最小化することを含む、方法。
【請求項１７】
請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の方法であって、さらに少なくとも１つの非超伝導直流バイアスコイル（34a,34b）をそれぞれのエネルギー吸収要素（73,83a,83b）に接続することを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、国際公開第2007/029224号に対応する、2005年9月7日出願の、発明の名称が「非超伝導コイルにより飽和したコアを有する故障限流器」である米国特許出願第12/066,228号の一部継続出願である。
【０００２】
本発明は、交流配電網の限流器に関する。
【背景技術】
【０００３】
以下の説明は、以下の刊行物を参照して説明する。
[1] B. P. Raju, K. C. Parton, T.C. Bartram, 「A current limiting device using super- conducting d.c. bias: applications and prospects,」 /EEE Transactions on Power Apparatus & Systems, vol. 101, pp. 3173-3177, 1982.
[2] J.X. Jin, S.X. Dou., C. Grantham, and D. Sutanto 「Operating principle of a high T-c superconducting saturable magnetic core fault current limiter」. Physica C, 282, Part 4: p. 2643-2644, 1997.
[3] J.X. Jin, S.X. Dou., C. Cook, C. Grantham, M.Apperley, and T.Beals, 「Magnetic saturable reactor type HTS fault current limiter for electrical application」. Physica C, 2000. 341-348: p. 2629-2630.
[4] V. Keilin, I. Kovalev, S. Kruglov, V. Stepanov, I. Shugaev, V. Shcherbakov, I. Akimov, D. Rakov, and A. Shikov, 「Model of HTS three-phase saturated core fault current limiter」, /EEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.10, pp. 836-839, 2000.
[5] R. F. Giese, 「Fault-current limiters - A second look,」 Argonne Nat. Lab., Argonne, USA March 16, 1995.
[6]国際公開第2004/068670号パンフレット（Yosef Yeshurun ら「Fault current limiters (FCL) with the cores saturated by superconducting coils.」2004年8月12日公開）
[7]国際公開第2007/029224号パンフレット(Yosef Yeshurunら「Fault current limiters (FCL) with the cores saturated by superconducting coils.」 2007年3月15日公開）
【０００４】
可変インピーダンスを有する飽和コア型の故障限流器(FCL)が、短絡回路電流を制限する上で最も費用効率の良い解決策だと考えられている。飽和コアFCLは、反応が早いことに加え回復も早く、比較的小さいエネルギー損失で、大きな故障電流に対する耐久性を有し、実質的に無制限な回数の作動が可能である。
【０００５】
より詳細には、本発明は飽和コアを有する銅コイルに基づく限流器に関する。飽和コアを有するFCLに関する従来技術については、我々の過去の国際公開第2004/068670号及び国際公開第2007/029224号に開示されており、ここでは繰返さない。
【０００６】
国際公開第2007/029224号において、飽和コアを有するFCLの公知の構成には、この種のFCLの改良と実現化を妨げる根本的な課題があることを示した。その最も重大な欠点は、大きな重量と寸法である[５]。また、閉じた直流と閉じた交流の磁気回路を用いたFCLの構成は、コアが充分に飽和していない場合に、直流コイルと交流コイルの間における固有の「変圧器のような」磁気結合を示す。結果として、バイアスコイルは、直流コイルの下で、常に高い飽和レベルを維持しなければならず、とりわけ故障状態にあるとき、結合レベルは最大となる。これは、直流バイアスに高いアンペア回数を与えることによって達成されるため、唯一の選択肢として超伝導コイルを使用することが必要となる。
【０００７】
公知の構成において、バイアスコイルを有するクライオスタットが、コアのウィンドウ内に配置され、そのため、寸法が大きくなる。磁気コアの寸法は、ほとんどその横断面によって定まり、言い換えると、故障時のFCLの要求された電圧低下によって定まる。この電圧は、交流コイルを巻回したコアの横断面の形状に比例する。巻回数は、通常作動時におけるFCLの許容可能な電圧低下量によって制限される。
【０００８】
国際公開第2007/029224号において、交流電源の各位相のために、第１及び第２の一対の対向するリムを有し、体積及び質量を減少した閉じた磁気コアと、対向する磁気コアのリムを囲む少なくとも１つの交流コイルとを備えたFCLについて開示しており、また、負荷と直列に接続されることによって開いた交流磁気回路を形成する。超伝導の直流バイアスコイルが磁気コアのリムを囲み、バイアスコイルによって、それぞれの対向するリムを反対向きに飽和させる。故障状態において、１つのリムの交流磁束が、直流バイアス磁束に対して反対向きに作用して、リムを飽和していない状態に導く。
【０００９】
したがって、超伝導直流バイアスコイルが要求するクライオスタットを組み付けたことで高さが増した大きい寸法のFCLが、国際公開第2007/029224号に教示された配置によって示されているが、超伝導直流バイアスコイルの要求を回避するための試みはなされていない。FCLの長い歴史と、超伝導直流バイアスコイルの使用がほとんど支配的であることを考えれば、これは驚くべきことではない。
【００１０】
このように、閉じた磁気回路および超伝導直流バイアスコイルを使用する故障限流器は、従来よく知られており、例えば、米国特許第3,219,918号明細書及び米国特許第4,045,823号明細書に開示されている。同様の装置は、[1] B. P. Rajuらによる非特許文献１の3174-5頁に開示され、それらの超伝導コイルの物理的特性が説明されている。そのコイルは40１回巻回され、例示の直流回路は3.5Tにおいて1150Aであることが、3175頁に記される。これを変換すると461,150アンペア回数であり、例えば銅のような、非超伝導コイルで実現させるのが非常に難しく、コアのウィンドウの寸法によって定まる体積において、説明されるFCLの用途では非常に高い抵抗損及び非常に大きいコイルが必要となる。
【００１１】
これはさらに、（上述の非特許文献１の共著者である）パートンの米国特許第4,045,823号明細書からも裏付けられ、これらも閉じた直流磁気回路を用いているものの、やはり超伝導の直流バイアスコイルを用いている。言い換えれば、上述の文献が開示されてから15年以上も、同じ著者の一人は、未だ、閉じた直流磁気回路を使用する限流器において、超伝導直流バイアスコイルを用いることが一般的だと認識している。
【００１２】
すなわち、閉じた直流磁気回路及び超伝導直流バイアスコイルを使用するFCLが定着していることがわかる。多くの理由から、閉じた直流磁気回路を用いる際に超伝導直流バイアスコイルを使用することは当然といえる。第１に、閉じた直流バイアス回路及び閉じた交流回路を共に用いる従来のコアの構成において、合計の直流磁気長は高いアンペア回数レベルを必要とし、そのために、非超伝導コイルは、経済的にまたは性能において超伝導コイルに及ばない。これが、クライオスタットのための費用及び空間が、非超伝導コイルにおける銅ワイヤの費用よりも小さい理由であり、結果として大きな構造となる。
【００１３】
国際公開第2007/029224号では、磁気回路の質量を減らすために、開いた交流磁気回路および閉じた直流バイアス回路を使用している。しかしながら、ここでもまた超伝導の直流バイアスコイルが使用される。従来技術において、開いた交流磁気回路を有する閉じた直流バイアス回路を使用するとともに、例えば銅のような非超伝導直流バイアスコイルを使用することの示唆はない。実際、上述の説明に基づいて、そのようにすることは直感に反するものであり、なぜなら、開いた交流磁気回路を用いる動機が交流磁気回路の質量を減少させることであるのに対して、非常に多くのアンペア回数が直流バイアスコイルにおいて要求され、非超電導コイル（例えば銅）の使用に不利に作用し、結果として非常に高い抵抗損となり、また非常に大きなコイルとなってしまうからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開第2004/068670号パンフレット
【特許文献２】国際公開第2007/029224号パンフレット
【特許文献３】米国特許第3,219,918号明細書
【特許文献４】米国特許第4,045,823号明細書
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】B. P. Raju, K. C. Parton, T.C. Bartram, 「A current limiting device using super- conducting d.c. bias: applications and prospects,」 /EEE Transactions on Power Apparatus & Systems, vol. 101, pp. 3173-3177, 1982.
【非特許文献２】J.X. Jin, S.X. Dou., C. Grantham, and D. Sutanto 「Operating principle of a high T-c superconducting saturable magnetic core fault current limiter」. Physica C, 282, Part 4: p. 2643-2644, 1997.
【非特許文献３】J.X. Jin, S.X. Dou., C. Cook, C. Grantham, M.Apperley, and T.Beals, 「Magnetic saturable reactor type HTS fault current limiter for electrical application」. Physica C, 2000. 341-348: p. 2629-2630.
【非特許文献４】V. Keilin, I. Kovalev, S. Kruglov, V. Stepanov, I. Shugaev, V. Shcherbakov, I. Akimov, D. Rakov, and A. Shikov, 「Model of HTS three-phase saturated core fault current limiter」, /EEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.10, pp. 836-839, 2000.
【非特許文献５】R. F. Giese, 「Fault-current limiters - A second look,」 Argonne Nat. Lab., Argonne, USA March 16, 1995.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
したがって、国際公開第2004/068670号及び国際公開第2007/029224号にて提案された構成により得られる効果を損なうことなく、言及される課題を解決した、例えば銅の非超伝導銅のバイアスコイルを有する改良された故障限流器を提供することが要望されている。
【００１７】
本発明の目的は、単一の閉じた強磁性体コアに配置された少なくとも１つの銅の直流バイアスコイルを含み、単一の交流コイルのための開いたコアとして作用し、また、驚くべきことに超伝導直流バイアスコイルを必要としない飽和コアを備えたFCLを提供することである。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、故障時に、電源からバイアスコイルを切断し、コイルの最大電圧を制御するエネルギー吸収要素を有する電圧制限回路に接続することにより、バイアス磁場が減少または除去される、飽和コアを備えた改良された限流器を提供することである。切断は切換装置によって実施され、交流コイルの電圧低下によって制御され、さらに故障を切断した後で直流コイル回路を回復する。
【００１９】
本発明のさらにもう１つの目的は、故障時に、可能性のある電磁結合作用を防止するために、２つのバイアスコイル部分を接続する直流回路を、初期の接続に対して反対の向きに切換えることである。
【００２０】
本発明の付加的な目的は、以下の通りである。
・直流バイアスコイルの交流磁場（交番電界）を低下させることで、臨界電流の損失を防ぐ。
・コアの寸法を拡大させることなく、バイアスコイルのアンペア回数を減らす。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
これらの目的は、交流電源用の限流器による本発明の第１の態様に従って実現され、上記の限流器は、交流電源の各位相に対して、少なくとも１つの交流コイルのための開いた磁気コアを形成し、且つ、非故障状態で前記磁気コアをバイアスして飽和させる少なくとも１つの非超伝導直流バイアスコイルのための閉じた磁気回路を形成する磁気回路を備え、それぞれの対向するリムがバイアスコイルによって反対方向に飽和される。
【００２２】
限流器のこのような構成は、質量及び寸法の小さい飽和コアを備えたFCLの構築を可能にし、また、交流コイルと直流バイアスコイルの間の電磁結合を減少又は除去させる。
【００２３】
好ましくは、磁気回路は、第１の一対の対向するリム及び第２の一対の対向するリムを有する閉じた磁気コア、磁気コアの対向するリムを囲むとともに、負荷と直流に接続される少なくとも１つの交流コイル、及び磁気コアの少なくとも１つのリムを囲み、且つ、非故障状態で磁気コアをバイアスして飽和させる少なくとも１つの非超伝導直流バイアスコイルを備え、それぞれの対向するリムがバイアスコイルによって反対方向に飽和される。
【００２４】
交流コイルは通常、コアの両方のリムの外側に巻回されるため、交流コイルは開いたコアとなり、その対向するリムは交流磁束を同一方向にして、交流電流の交互の半周期の間に切替わる。これに対して、直流バイアスコイルはいくらかコア上の内部で巻回され、直流磁束のための閉じた磁気回路を形成し、コア全体の透磁率に影響を与える。特に、直流バイアスコイルは、コアが磁化されるのを確実にして、それによって非故障状態での透磁性が低くなる。さらに、直流バイアスコイルによって生じる磁束が、直流電流の方向によって定められる一定の角度方向で（時計回りにまたは反時計回りに）磁気コアの４つのリムを囲むことから、それは常に、１つのリムの交流磁束として同一方向、且つ対向するリムの交流磁束の反対方向に作用する。磁気コアの寸法及び交流コイルの巻回数は、最大の故障状態においても、交流コイルの電流はコアを飽和させないよう設計される。したがって、最大の故障状態においても、交流磁束は、１つのリムにおける直流バイアスコイルにより発生した飽和状態をさらに促す一方で、対向するリムにおいては、交流磁束は直流バイアスコイルにより発生した飽和状態を解除するように作用する。飽和状態を維持するリムは低い透磁率を示す一方で、飽和状態でないリムは高い透磁率を示す。すなわち、実質的に、故障状態において、一部の磁気コアの断面積は常に高いコイルインピーダンスを与え、これによって故障電流を制限する。
【００２５】
このような構成によって、交流コイルが開いた磁気コアに巻回されつつも、直流バイアスコイルは非故障状態において、磁気コアの対向するリムをバイアスして反対方向に飽和させるものとなるが、かかる構成は、過去に提案されておらず、有効な磁気コアの断面積、及び／又は、直流バイアスコイルのアンペア回数を減少させることを可能にする。
【００２６】
装置の効率を改善し、故障状態において磁気コア全体を飽和状態から解除するために、バイアスコイルの直流電気回路は、故障状態で直流バイアス電流を低減させる電流減少ユニットを備えることが好ましい。電流減少ユニットを、故障発生時に直流電源からバイアスコイルを切断するスイッチユニットの付近に接地することでより良い効果が得られ、そのスイッチユニットは、バイアスコイル及びバイアスコイルの電圧を制限するエネルギー吸収要素を含む。
【００２７】
スイッチは、スイッチのないFCLと比較して、限流器の最大の電圧低下を増大させる。なぜなら、コアの両方の支柱部が飽和せず、有効なコアの横断面が増大するからである。スイッチユニットの使用によるさらなる効果は（有効なコアの透磁率が上昇した結果として）、交流の漏出が大きく減少することである。直流バイアスコイルが通電する際、直流磁束は、常に、１つのリムの交流磁束に正のオフセットを与え、対向するリムの交流磁束に負のオフセットを与える。直流のスイッチを切っているとき、磁気画像は対称形になり、磁気コアの全てのリムは不飽和状態となり、そのため高い磁気インピーダンスを与える。
【００２８】
スイッチユニットは、フィードバックコイルに関する上述の方法と同様に用いられるコアの種類に関わらず、装置の質量を減少可能にする。
【００２９】
本発明のその他の態様において、交流電源の各位相に対して、非故障状態で低いインピーダンスを示し、故障状態で高いインピーダンスを示す磁気回路を有する交流電源用限流器の質量を減少させる方法であって、
少なくとも１つの交流コイルのための開いた磁気コアを形成し、且つ、非故障状態で前記磁気コアをバイアスして飽和させ、それぞれの対向するリムがバイアスコイルによって反対方向に飽和される少なくとも１つの非超伝導直流バイアスコイルのための閉じた磁気回路を形成し、
故障状態で、磁気コアの断面積の一部が常に高い透磁率を示し、したがって、故障に耐えるとともに、少なくとも１つの交流コイル及び磁気コアの断面積を減少させるよう作用する
ことを含む方法が提供される。
【００３０】
好ましくは、上記の方法はさらに、故障状態の間、少なくとも１つの非超伝導直流バイアスコイルにおける電流を減少させることで、コアを飽和状態から解除することを含む。
【００３１】
本発明の理解を助け、実際に本発明がどのように実施され得るかを示すために、いくつかの好ましい実施形態を以下に説明する。添付の図面は本発明を例示的に示すのみであり、これらに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来技術における、飽和コアの単相FCLの閉じたコアの構造を表す図である。
【図２】図１に示される従来技術の単相FCLの使用状態を示す回路図である。
【図３】本発明の第１実施形態に従う単相FCLのための閉じたコアを有する磁気コアを示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に従う単相FCLのためのコアの形態を示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態に従う飽和コアFCLを示す図である。
【図６ａ】本発明の第４実施形態に従う飽和コアFCLを示す図である。
【図６ｂ】本発明の第４実施形態に従う飽和コアFCLを示す図である。
【図７】故障状態においてバイアスコイルから電力を切断するスイッチシステムを備えた、本発明の一実施形態に従う単相FCLを示す回路図である。
【図８】故障状態においてバイアスコイルから電力を切断し、相互に対向する関係でそれらを再接続するスイッチシステムを備えた、本発明の一実施形態に従う単相FCLを示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下に、本発明の各種実施形態について説明する。異なる実施形態において、多くの特徴が共通するため、複数の図に共通する構成要素を参照するために、同一の参照符号を用いる。
【００３４】
より完全に本発明の効果を理解するために、初めに典型的な従来技術の単相のFCLを考えることは有益である。このために、図１は、従来技術における飽和コアの単相FCL10を表し、それぞれ交流コイル12a及び12bを支持する一対の閉じた磁気コア11a及び11bを備えた磁気回路を有する。コアはさらに一対の直流超伝導バイアスコイル13a及び13bを支持する。
【００３５】
図２は、単相FCL10の使用状態を示すシステム20の回路図を表す。交流電源21は、典型的に電力格子から、回路遮断器23を経て負荷22に接続される。負荷22は、FCL10の2つの交流コイル12a及び12bに直列に接続される。それぞれの超伝導バイアスコイル13a及び13bは直流電源24に接続される。常に、一方のコアのバイアス磁束25aの方向は交流コイル12aの磁束26aの方向と一致するのに対して、他方のコアのバイアス磁束25bの方向は交流コイル12bの磁束26bの方向と一致する。通常の状態で、バイアスコイル25a及び25bは、それぞれのコア11a及び11bを飽和させる。故障状態で、交流コイル12a及び12bは、交流周期の半周期の間、それぞれのコア11a及び11bを飽和状態から解除し、それによって、平均インダクタンスが上昇し、したがって、電流の増大を制限する。
【００３６】
引用文献［１］は、閉じた直流と閉じた交流の磁気回路を使用した図２に示す種類のFCLの具体例について説明している。コアを飽和するのに、約1000 Oe（すなわち、80000 A/m）の磁場が用いられ、必要な通常状態のインピーダンスが得られる。すなわち、約4mの磁気長のコアのウインドウを飽和させるために約400,000アンペア回数が用いられる。図３に示すちょうど２倍のウィンドウコアにおいて磁気長及びアンペア回数は、２倍になり、それぞれ磁気長は約8mで、800,000アンペア回数である。銅コイルを使用するこの種のFCLを理解するためには、約50ｍｍ２の横断面に100Aを通す銅ワイヤを用いて、約8000巻回す必要がある。この種のコイルは長さ16kmのワイヤを必要とし、約5.8オームの抵抗を示す。このような電流及び抵抗を有する連続した抵抗損は、したがって、約58kwであり、それは同じアンペア回数を供給する超伝導コイルのために必要とする典型的な5-20kwの低温クーラーの電力よりもかなり高い。したがって、この種のFCLの構成が必要とする磁気長及び磁場に対しては、バイアスコイルとしての使用の選択肢として、銅コイルを除外するとの結論に至ることができる。
【００３７】
図３は、本発明の第１実施形態にしたがう単相FCL30を示す。単相FCL30は、図２に示す公知の構成の２つの閉じたコアと比較すると、対向する一対の短い支柱部32a及び32bならびに長い支柱部33a及び33bを有する単一の閉じたコア31を備えた磁気回路を有する。単一の非超伝導直流バイアスコイル34は、閉じたコア31の1つの短い支柱部32aに配置される。この実施形態において、交流コイル35が１つだけ使用され、交流コイルが開いた磁気コアに配置されるような方法で、コアの２つの長い支柱部33a及び33bに巻回される。このような交流及び直流のコイルが横切る配置の利点はコイルの電磁結合が減少することである。その理由は、直流が切られている際、対向するリムの交流磁場が等しく、横のリムの中央で互いに打ち消しあってコイル間の相互インダクタンスが理想的には０になるからである。
【００３８】
図３に示す構成は、経済的に実現可能であることがわかる。なぜなら、図２に示す閉じた直流と閉じた交流の構成に必要な1000 Oeよりもかなり減少した300 Oeの磁場で、閉じた直流と開いた交流を飽和させるのに充分であるからである。さらに、図３の直流回路における磁気長は、閉じた単一のコアの周囲の長さによって与えられ、図２に示す閉じた直流と閉じた交流の構成と比較して、２-３倍に減少する。これは全体として６-10倍のアンペア回数の減少につながり、超電導コイルを維持するためのコストと比較して、銅のバイアスコイルの費用を経済的に実現可能にする。
【００３９】
重ねて強調するが、図３に示す構造と同様の構造が国際公開第2007/029224号に開示されているが、それは超伝導バイアスコイルを使用している。しかしながら、超伝導コイルが非超伝導コイルよりも高い電流密度を形成し、したがって、非超伝導コイルよりもより少ない抵抗損で、さらに小型の装置でコアを飽和させるのに対して、図３の構成により示される減少した直流の磁気長は、同様に、非超伝導コイルによって飽和を達成するという選択を可能にする。多くの場合、費用を抑え、ごく近接した位置で高電圧装置に低温技術を使用する際の複雑さを低減するものとして、これはより望ましい、費用効率の良い解決策であることがわかる。
【００４０】
図４は、第１の実施形態に類似の第２の実施形態に従うFCL 40を示し、単一のバイアスコイル34の代わりに、2つのバイアスコイル34a及び34bがコアの対向する短い支柱部32a及び32bに配置され、したがって、バイアスコイルにおける全体量が等しいアンペア回数で、コアを飽和させ易くすることができる。これは、図３に示す元の直流バイアスコイルを、アンペア回数を維持しながらも、２つの銅コイルに分割することで達成される。これは、コアの中でコイルから離れた領域がコイルに近い領域よりも飽和し難いことによるものである。
【００４１】
図５は他の例としての実施形態のFCL 50を示し、同一の閉じたコア31及び、コアの長い支柱部33a及び33bの周りを巻回された共通の交流コイル35を有する。２つの直流バイアスコイル34a及び34bは、交流コイル35が巻回されたコアの２つの長い支柱部33a及び33bに配置され、したがって、バイアスコイルのアンペア回数がより少ないコアの飽和を容易にすることができる。
【００４２】
図６ａ及び６ｂは、他の例としての実施形態のFCL60を示し、図６ａに示すように、また図２、３又は４に示す磁気コアに対応して、コア31を一対の線40a-40b 及び41a-41bで折り曲げることにより形成される閉じた磁気コア31を有し、図６ｂに示すように、間隔を空けて配置された一対のＣ字状コア42a, 42bを形成する。Ｃ字状コア42a, 42bは互いに対向し、それぞれのコアの各リムの端部は開いており、支柱部43a及び43bによって磁気結合され、閉じた磁気コアを形成する。２つのバイアスコイル34a及び34bは、コアの支柱部43a及び43bに巻回される。第１の交流コイル35aは、Ｃ字状コア42aの対向するリムを囲み、また第２の交流コイル35bは、Ｃ字状コア42bの対向するリムを囲む。このような構成は、図３に示す第１実施形態よりもコアの飽和を容易にすることができる。
【００４３】
上述した全ての実施形態は、直流コイルによって反対方向に磁気飽和されたコアの２つのリムを囲む交流コイル35によって特徴付けられる。コアは、決して交流コイルのみによっては飽和されず、しかし、反対の交流電源の半周期の間に「交流リム」を反対方向に磁化する直流バイアスコイルのみによっても飽和されない。結果として、これまで提案されてきたFCLの典型的な方法で、直流バイアスコイルがコアを磁化し続ける場合には、故障している間、１つのリムのみが飽和状態から解除される反面、他方のリムがさらにより深く飽和する。しかしながら、故障の際、本発明のように直流バイアスコイル又はコイル34における電流が減少する場合、交流コイルの最大の磁束はコアを飽和させることなく上昇しうるため、FCLの電圧低下の最大許容量が上昇する。この効果は、故障時に両方のリムが飽和状態から解除されるため、コアの寸法を縮小することに等しい。結果として、交流コイル及びコアの横断面を縮小させることができる。
【００４４】
図７はシステム70を表す例示的な回路図であり、図３に示すFCL30を含み、バイアスコイル34は、高速トランジスタスイッチ72及び、電気回路の最大電圧を制限するエネルギー吸収要素73を有するスイッチユニット71を経て、直流電源24によって電流が流される。スイッチユニット71は、したがって直流バイアスコイルの電流を減らす役割をする。他の構成要素は、図２に示すシステム20と類似であり、同一の符号で示す。システム70は以下のように作動する。常に、両方のリムにおける磁束は、交流コイル35が通常、両方のリムに巻回されるために、図中の左に向かう方向または右に向かう方向に向けられる。通常の状態において、直流バイアスコイル34はコアを飽和させ、リム33a及び33bが反対方向に飽和され、交流コイル35はしたがって低いインピーダンスを示す。故障状態では、交流コイルを流れる電流が増大し、直流バイアスコイル34が有効な状態を維持する限り、交互の半周期の間に、交流コイル35はそれぞれリム33a及び33bの1つを不飽和化する。したがって、交流コイル35内の磁束およびその関係するインダクタンスは、リム33a及び33bの1つのみによって、すなわち、コアの横断面全体の半分によって定められる。しかしながら、故障状態においてスイッチユニット71が直流バイアスコイル34から直流電源24を切断した場合、その電流は流れなくなるため、リム33a及び33bを含むコア全体が不飽和化され、交流コイル35内のコアの有効な横断面を２倍にしてそのインピーダンスを上昇させる。これは、交流コイル及び磁気コアのかなり縮小された断面積を有するこのような位相（トポロジー）によって、これまで提案されてきた位相（トポロジー）と同等の電流制限効果が得られることを意味する。
【００４５】
エネルギー吸収要素72は、スイッチを切替えている間に、コイル34の両端の電圧を制限するために必要である。この一時的な状況の間、リム33a及び33bの磁束は同等でなく、リム32a及び32bの磁束の高速切替えが、バイアスコイルの交流電圧／電流を引起こす可能性があり、直流バイアスコイルにとって有害となりうる。スイッチユニット71は、直流バイアスコイル34から直流電源24を切断するだけでなく、２つの直流バイアスコイル34a, 34b又は直流バイアスコイル34の２つの部分を反対方向に接続する。したがって、直流バイアスコイル回路全体の交流電圧を最小化し、また交流電流がそこで流れるのを防ぐ。エネルギー吸収要素83a, 83bは、それぞれの直流バイアスコイルまたは半分のコイルにおける電圧を制限するために必要である。FCLの電圧低下は、回路71の切替えを引起こす。故障が発生したとき、この電圧は一般に一桁急激に変化して、正確で信頼性の高い故障検出を可能にする。
【００４６】
図８は、システム80を示す例示的な回路図であり、システム80は、図４及び５に示すFCL40又は50を含み、それぞれ、スイッチユニット81を経て直流電源24によって電流が流される２つの直流コイル34a及び34bを有する。スイッチユニット81は、常閉接点82a,82b及び常開接点82c, 82dを有する第１及び第２の高速トランジスタスイッチ、ならびに、対応する電気回路における最大電圧を制限する第１及び第２のエネルギー吸収要素83a,83bを有する。故障状態において、接点82a及び82bは開き、それにより、直流電源24が直流バイアスコイル34a及び34bから切断される。一方、同時に接点82c及び82dは閉じて、それにより、それぞれの直流バイアスコイル34a及び34bが逆位相で接続されて、直流バイアスコイル34a及び34bが相互に逆向きに巻回され、両方の直流コイルにおける可能な誘導電圧及びそこにおける電流が最小化される。エネルギー吸収要素83a, 83bは、それぞれのバイアスコイルの電圧を制限する。
【００４７】
特許請求の範囲に記載した発明の範囲内において、上述した本発明の例示的な実施形態に変更を加えることが可能である。したがって、本発明の例示的な実施形態において、直流電源を直流バイアスコイルから切断するためにスイッチユニットが使用され、それによって直流バイアス電流が零になるまで減少する。これらの状態において、磁気コアの対向するリムにおける交流磁束は互いに等しい。しかしながら、本発明はまた、直流バイアス電流を０未満に下げることをも予期する。これは、少なくともコアの横断面の半分が、交流コイル電流によって飽和状態から解除される場合にも作用する。直流バイアス電流がどれだけ減少しても、制限効果に関わる有効な横断面は増大する。電流の減少は、例えば、国際公開第2007/029224号及び国際公開第2004/068670号で開示されたフィードバックの使用、又は他の任意の適切な方法の使用により達成される。
【００４８】
少なくとも１つの交流コイルのための開いた磁気コアを形成し、且つ、非故障状態において磁気コアをバイアスして飽和させ、それぞれの対向するリムがバイアスコイルによって反対方向に飽和されるような少なくとも１つの銅のバイアスコイルのための閉じた磁気回路を形成する任意の磁気回路に援用することができる。この種の磁気回路は、直流バイアス電流を減少させずに効率が低い場合であっても、スイッチユニットから独立した限流器にとって有益である。本明細書及び添付の特許請求の範囲で用いられる電流減少ユニットという用語は、直流バイアス電流が０でない状態を維持するか、又は、完全に切断されているかに関わらず、直流バイアス電流を減少させる任意の回路を含む。
【００４９】
最後に、上述の実施形態において、非超伝導は銅で形成されたが、本発明はそれに限定して解釈されるものではなく、例えばアルミニウム、銀、金、合金等の他の任意の適切な金属を用いることが可能である。
【符号の説明】
【００５０】
30,40,50,60  限流器
31  磁気コア
32a,32b,33a,33b  リム
34a,34b  非超伝導直流バイアスコイル
35a,35b  交流コイル
43a, 43b  支柱部
42a, 42b  Ｃ字状コア
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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