(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を送電する送電経路上に設置される機械式限流器であって、
励磁コイルが巻回された上部磁気ヨークと、該上部磁気ヨークの電気的に隔離された異なる位置に設けられ、且つ、前記送電経路の入出力側にそれぞれ接続された上部接点とを備える上部電磁石と、
前記上部接点に並列に設けられた分流抵抗と、
前記励磁コイルに励磁電流を供給する第１の直流電源と、
前記送電経路の一部が巻回された巻回部を有する下部磁気ヨークを備える下部電磁石と、
前記上部電磁石及び前記下部電磁石間に配置され、前記上部電磁石側に磁性体から形成される上部接触部材と、前記下部電磁石側に磁性体から形成される下部接触部材とが、非磁性体から形成される接続部によって連結されて構成される可動部材と
を備え、
前記送電経路を流れる電流値が限流動作開始電流値未満である正常状態において、前記可動部材が前記上部電磁石に接触することにより、前記送電経路を流れる電流は、前記上部接触部材上に形成された上部導電層によって短絡された前記上部接点間を介して流れ、
前記送電経路を流れる電流値が前記限流動作開始電流値以上になった異常状態においては、前記可動部材が前記下部電磁石に吸引され前記上部接点が切断されることにより、前記送電経路を流れる電流は、前記分流抵抗を介して流れることを特徴とする機械式限流器。
【請求項２】
前記上部磁気ヨークには、第２の直流電源によって直流電流が供給される制御用コイルが巻回されており、
前記第２の直流電源は、前記異常状態から前記正常状態に復帰する復帰電流値が、前記限流動作開始電流値に一致するように、前記制御用コイルに流れる電流値を調整することを特徴とする請求項１に記載の機械式限流器。
【請求項３】
前記下部磁気ヨークは、前記第２の直流電源の両端にそれぞれ接続された下部接点を電気的に隔離された異なる位置に有しており、
前記下部接点は、前記可動部材が前記下部電磁石に接触した際に、前記第２の直流電源からの電流が、前記下部接触部材上に形成された下部導電層を介して、前記制御用コイルに流れるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の機械式限流器。
【請求項４】
前記第１の直流電源及び前記第２の直流電源は、共通の直流電源からの出力電流を分流することによって構成されていることを特徴とする請求項２に記載の機械式限流器。
【請求項５】
前記上部電磁石は超電導マグネットから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の機械式限流器。
【請求項６】
前記送電経路は鉄道用の饋電系であることを特徴とする請求項１に記載の機械式限流器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電力を送電する送電経路上に設置される機械式限流器の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
極低温領域において電気抵抗値が略ゼロになる優れた導電性を発揮する超電導技術の応用分野の一つとして、直流電力を送電する送電経路である送電ケーブルが知られている。例えば鉄道用送電ケーブルは、送電電圧が１５００（Ｖ）と比較的低く、更に、直流電力が用いられるため、交流損失が無く、長距離化が容易であることから、実用化に最も近い超電導機器の一つとされている。例えば鉄道の饋電線を超電導化した場合、送電時の電力損失の軽減に加えて、電車の減速時に発生する回生制動を確実にできるため鉄道電力システム全体の省エネルギー性能を向上させ、更に電気抵抗がゼロであることによって電蝕問題も解決できるなど、様々な利点が期待されている。
【０００３】
超電導を用いた送電ケーブルでは、何らかの要因によって臨界電流を越える過大電流が流れると、ケーブル全域が常電導相に転位（クエンチ）し、危険な事故を引き起こすおそれがある。特に、鉄道用饋電線は鉄道の基幹系であるため、事故の影響は大きく、これに対処する技術の確立が求められている。
【０００４】
この種の事故防止対策の一つとして、送電ケーブルに保護抵抗を導入することが考えられる。しかしながら、保護抵抗の導入は常時の電力損失を伴うため、送電効率に優れた超電導送電ケーブルのメリットを少なからず損なってしまう。そこで正常時には電気抵抗が略ゼロであり、且つ、異常発生時にのみ大きな抵抗値を示し、更に、異常の解消後は自動的に正常状態に復帰を行う限流器の利用が有効であると考えられている。
尚、類似の事故防止対策としては、異常発生時に遮断器を動作させる、あるいはヒューズも考えられる。しかしながら、これらのデバイスは、異常の解消後に人手による復帰作業が必要となる点が問題である。
【０００５】
限流器については、様々な方式が提案・開発されている。機能的に分類すると、抵抗式とリアクトル式限流器に大別される。図１０は従来の超電導薄膜抵抗式限流器５０の基本構成の一例を示す模式図である。超電導薄膜抵抗式限流器５０は主電流Ｉが流れる送電経路５２上に設けられた超電導薄膜限流素子５４と、該限流素子５４に対して並列に接続された分流抵抗Ｒとを備えて構成される。図１０では特に、限流素子５４として超電導薄膜限流素子が設けられており、送電経路５２を流れる主電流Ｉが限流素子５４の臨界電流Ｉｃｒｉｔ未満である場合には、主電流Ｉは電気抵抗が略ゼロである限流素子５４を流れ、分流抵抗Ｒには流れない。一方、主電流Ｉが急増して臨界電流Ｉｃｒｉｔ以上になると、限流素子５４の超電導状態が常伝導状態に転移することによって、主電流Ｉは分流抵抗Ｒに流れて消費される。
【０００６】
例えば特許文献１には、抵抗式限流器５０において超電導体を限流素子として使用した一例が開示されている。
【０００７】
一方、図１１は従来のリアクトル型限流器６０の基本構成の一例を示す模式図である。限流器６０は送電経路６２上に、４個のダイオードＤ１−Ｄ４から構成されるブリッジ回路６４内に、リアクトルＬ及び定電流源６６が設けられることによって構成されている。図１１において、定電流源６６から供給された電流はＩＬｃ１、ＩＬｃ２のループ電流を形成し、例えば主電流ＩがダイオードＤ１、定電流源６６、リアクトルＬ、ダイオードＤ４を流れるとすると、主電流Ｉがループ電流の合計値ＩＬｃ１＋ＩＬｃ２以下であれば、何らの抵抗を受けずに通過できる。しかし主電流ＩがＩＬｃ１＋ＩＬｃ２以上になると、増加分の電流がリアクトルＬに誘導起電力Ｌ（ｄＩ／ｄｔ）の電圧を発生させ、電流増大を阻止し、限流器として動作する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２３８９４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
超電導薄膜抵抗式限流器５０は、使用される超電導限流素子５４の素子単価が高く、更に、超電導限流素子５４を冷却するための冷凍機などの設備が不可欠であり、また、超電導薄膜のコストが高いという問題点がある。リアクトル式限流器６０もまた、ダイオードなどの半導体素子を多数用いるため、コストが高いという問題点がある。
【００１０】
また超電導薄膜抵抗式限流器においては、過大電流の抑制動作を開始する限流動作開始電流値は限流器を構成する素子によって固定されている。そのため限流器を設置する際には、限流対象である送電ケーブル等の仕様に応じて細かな再設計を行わなければならないという問題点がある。
【００１１】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、コンパクト、安価、常温動作が可能で、限流動作開始電流値を柔軟に変更可能な機械式限流器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様に係る機械式限流器は上記課題を解決するために、直流電力を送電する送電経路上に設置される機械式限流器であって、励磁コイルが巻回された上部磁気ヨークと、該上部磁気ヨークとは電気的に隔離された異なる位置に設けられ、且つ、前記送電経路の入出力側にそれぞれ接続された上部接点とを備える上部電磁石と、前記上部接点に並列に設けられた分流抵抗と、前記励磁コイルに励磁電流を供給する第１の直流電源と、前記送電経路の一部が巻回された巻回部を有する下部磁気ヨークを備える下部電磁石と、前記上部電磁石及び前記下部電磁石間に配置され、前記上部電磁石側に磁性体から形成される上部接触部材と、前記下部電磁石側に磁性体から形成される下部接触部材とが、非磁性体から形成される接続部によって連結されて構成される可動部材とを備え、前記送電経路を流れる電流値が限流動作開始電流値未満である正常状態において、前記可動部材が前記上部電磁石に接触することにより、前記送電経路を流れる電流は、前記上部接触部材上に形成された上部導電層によって短絡された前記上部接点間を介して流れ、前記送電経路を流れる電流値が前記限流動作開始電流値以上になった異常状態においては、前記可動部材が前記下部電磁石に吸引され前記上部接点が切断されることにより、前記送電経路を流れる電流は、前記分流抵抗を介して流れることを特徴とする。
【００１３】
本態様によれば、上部電磁石及び下部電磁石からの電磁力を用いて可動部材を移動することにより、送電経路を流れる電流が過大になって、送電経路や該送電経路に接続された機器の損傷を効果的に回避することができる。特に上部電磁石による電磁力は第１の直流電源によって制御可能であるから、限流動作を開始する限流動作開始電流値を柔軟且つ容易に調整することができる。
【００１４】
また、前記上部磁気ヨークには、第２の直流電源によって直流電流が供給される制御用コイルが巻回されており、前記第２の直流電源は、前記異常状態から前記正常状態に復帰する復帰電流値が、前記限流動作開始電流値に一致するように、前記制御用コイルに流れる電流値を調整してもよい。
図１の参考技術に係る機械式限流器の基本的構成では、可動部材の位置が変化することにより、正常状態から異常状態に変化する際の電流値である限流動作開始電流値と、異常状態から正常状態に変化する際の電流値である復帰電流値とが異なる、いわゆるヒステリシス特性を有する。本発明に係る限流器では、上部磁気ヨークに制御用コイルを巻回して第２の直流電源によって電流を印加することにより、限流動作開始電流値と復帰電流値とを一致させてヒステリシス特性を解消することができる。特に、第１の直流電源と第２の直流電源とを独立に制御可能とすることにより、限流動作開始電流値を幅広い範囲に亘って柔軟に設定しつつ、ヒステリシス特性を解消することができる。
【００１５】
また、前記下部磁気ヨークは、前記第２の直流電源の両端にそれぞれ接続された下部接点を電気的に隔離された異なる位置に有しており、前記下部接点は、前記可動部材が前記下部電磁石に接触した際に、前記第２の直流電源からの電流が、前記下部接触部材上に形成された下部導電層を介して、前記制御用コイルに流れるように構成されていてもよい。
この態様によれば、異常状態から正常状態に復帰動作する際に、可動部材の下部電磁石への移動に伴って、制御用コイルに対してヒステリシス特性の解消用の制御電流を自動的に流すことができる。すなわち、制御用コイルにおける電流制御を可動部材の機械的動作によって実施できるので、複雑な電流制御機構を設ける必要がなく、低コストで信頼性の高い限流器を実現することができる。
【００１６】
尚、前記下部電磁石のコイルは、巻数を少ない方が良い。巻数を多くするとコイルのアンペア・ターンが増えるので大きな電磁力を発生し小さな異常電流でも限流器を動作できるが、限流器は大きな故障電流に対してのみ動作する機器であり小電流の動作では、限流器として都合が悪い。また、前記下部電磁石コイルの巻数を多くすると、コイルのインダクタンスが増加し限流器として素早い応答ができなくなる欠点もある。無論、単純なリアクトル型限流器は電流が素早く動けない欠点を利用する方法だが、事故状態を除去しない限り故障電流は徐々に増加し続けるので必ず遮断器の動作が必要になる欠点がある。
【００１７】
また前記第１の直流電源及び前記第２の直流電源は、共通の直流電源からの出力電流を分流することによって構成されていてもよい。
この態様によれば、単一の直流電源からの出力電流を分流することで、第１の直流電源及び第２の直流電源を構成することで、単純な構成で上記限流器を実現することができる。すなわち、低コストで信頼性の高い限流器を実現することができる。
【００１８】
また前記上部電磁石は超電導マグネットから構成されていてもよい。
上述するように可動部材に対して電磁力を印加するために上部電磁石に電流を流すと、励磁コイルを通常の導電性材料で形成すると、少なからず電気的損失を伴う。この態様では、上部電磁石を超電導マグネットから構成することによって、電気的損失を略ゼロにすることができる点で有利である。特に、本発明に係る限流器は直流電力を送電する超電導送電経路上に設けるため、寒冷である液体窒素は必ずそばに存在し利用可能の場合が考えられ、直流送電系なので交流損失もなく、電気的損失を効果的に抑えることができる。
【００１９】
また、前記送電経路は鉄道用の饋電系であるとよい。
鉄道用の饋電系では、送電電圧が約１５００（Ｖ）と比較的低く、更に、直流電力で送電が行われるため上記用途に特に適している。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、上部電磁石及び下部電磁石からの電磁力を用いて可動部材を移動することにより、送電経路を流れる電流が過大になって、送電経路や該送電経路に接続された機器の損傷を効果的に回避することができる。特に上部電磁石による電磁力は第１の直流電源によって制御可能であるから、限流動作を開始する限流動作開始電流値を柔軟且つ容易に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】参考技術に係る機械式限流器の基本的構成を示す模式図である。
【図２】本実施形態に係る機械式限流器の基本的構成を示す模式図である。
【図３】図２に示す機械式限流器の上部接点近傍を拡大して示す断面図である。
【図４】本実施形態に係る機械式限流器における制御用コイルに電流を流さない場合における限流動作開始電流値及び復帰電流値を示すグラフである。
【図５】上部電磁石の電流とヒステリシス特性を解消するために必要な制御電流との関係を示すグラフである。
【図６】図３に示すギャップ長を用いて、上部電磁石及び下部電磁石の磁束密度を計算した結果を示すグラフ図である。
【図７】本実施形態に係る機械式限流器を用いた鉄道饋電システムの構成を示す模式図である。
【図８】図７に示す饋電システムにおける限流器の応答特性を示すグラフであり、
【図９】図７に示す饋電システムにおける限流器で制御用コイルに制御電流を流さなかった場合における応答特性を示すグラフである。
【図１０】従来技術に係る超電導薄膜抵抗式限流器の基本的構成を示す模式図である。
【図１１】従来技術に係るリアクトル式限流器の基本的構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２３】
（参考技術）
はじめに、本発明に係る機械式限流器（以下、適宜、単に「限流器」と称することとする）を発案する前提となった参考技術について説明する。図１は参考技術に係る限流器７０の基本的構成を示す模式図であり、図１（ａ）は送電経路７２に流れる主電流Ｉが限流動作開始電流値ＩＳ未満である正常状態における限流器７０の様子を示しており、図１は送電経路７２に流れる主電流Ｉが限流動作開始電流値ＩＳ以下である正常状態における限流器７０の様子を示している。
【００２４】
限流器７０は機械式限流器であり、送電経路７２の一部が巻回された巻回部７４を有する磁気ヨークからなる電磁石７６と、該電磁石７６と対向配置された可動部材７８とを有する。電磁石７６を構成する磁気ヨークは磁性体から形成されており、巻回部７４に流れる主電流Iによる電磁誘導作用によって、磁性体からなる可動部材７８に対して電磁力Ｆを与える。可動部材７８は電磁石７６から電磁力Ｆを受ける一方で、付勢部材であるコイルバネ８０によって付勢力ｆで固定台８２に接続されている。
【００２５】
ここで電磁石７６の断面積をＳ、巻回部７４の巻数をＮ、固定部材電磁石７６及び可動部材７８間におけるギャップをδとした場合に、ギャップδが十分に小さく、電磁石７６及び固定部材７８によって構成される磁気回路における外部への漏洩磁束が殆ど無いと仮定すると、電磁力Ｆは次式により求められる。
0006312567.tif 000002
尚、μ０は真空中の透磁率（μ０＝４×π×１０−７）である。
【００２６】
例えば電磁石７６の断面積Ｓ＝０．１×０．１＝１０−２（ｍ２）、巻回部７４の巻数Ｎ＝２、ギャップδ＝０．８（ｃｍ）＝０．００８（ｍ）、主電流Ｉ＝３０００（Ａ）の場合、電磁力Ｆは（１）から２２５６（Ｎ）と求められる。また、この際に発生する最大磁場ＢＭａｘは次式により求められる。
0006312567.tif 000003
【００２７】
磁気回路における磁気飽和を回避するため、電磁石７６及び可動部材８は最大磁束密度が大きな磁性材料を用いることが好ましい。（２）式のように最大磁場ＢＭａｘ＝０．５２（Ｔ）であれば、通常のケイ素鋼板を用いることができる。
【００２８】
コイルバネ８０は可動部材７８の重量と電磁力Ｆの両方に対抗する必要がある。本実施形態では、可動部材７８は電磁石７６と同じ断面積Ｓ＝０．０１（ｍ２）を有しており、長さが０．３（ｍ）であると仮定すると、可動部材７８の重量は約２５（ｋｇ）である。従って、仮に限流開始電流値ＩＳを３０００（Ａ）に設定する場合、コイルバネ８０のバネ定数ｋは次式により得られる。
0006312567.tif 000004
【００２９】
分流抵抗（保護抵抗）Ｒは、異常状態が生じたときに流れる過大電流を消費可能な範囲において適宜設定することができる。但し、分流抵抗Ｒの設定値が大き過ぎると、主電流Ｉを過度に抑制することで電磁力Ｆを極端に低下させてしまい、可動部材７８が電磁石７６に対して近づいたり離れたりすることを繰り返す、いわゆるバンシング現象を引き起こしてしまうおそれがある。逆に分流抵抗Ｒを小さくし過ぎると、電磁石７６が磁気飽和してしまうおそれがある。分流抵抗値は、このような要因を考慮して適切に設定するとよい。
例えば、送電経路の電位が１５００（Ｖ）であり、主電流が６０００（Ａ）である場合には、Ｒ＝１５００（Ｖ）／６０００（Ａ）＝０．２５（Ω）のように設定するとよい。
【００３０】
主電流Ｉが限流動作開始電流値ＩＳ未満である正常状態では、電磁力Ｆは付勢力ｆに比べて小さくなるように調整されている。そのため、図１に示すように、可動部材７８は電磁石７６からギャップδを介して離れている一方で、可動部材７８の表面に設けられた導電層８４によって、送電経路７２の入出力配線８６ａ及び８６ｂ間が短絡されることにより、主電流は接点８８ａ及び８８ｂを介して流れる。
【００３１】
一方、主電流Ｉが限流動作開始電流値ＩＳ以上となる異常状態では、巻回部７４に流れる主電流Ｉの増加に伴って電磁力Ｆが付勢力ｆに比べて大きくなり、可動部材７８が電磁石７６により吸引されるので接点８８ａ及び８８ｂは導電層８４から離れる。このとき、可動部材７８は入出力配線８６ａ及び８６ｂ間を切断するので、主電流Ｉは分流抵抗Ｒを流れる。分流抵抗Ｒは過大となった主電流Ｉを消費して熱エネルギーに変換することにより、送電経路７２や該送電経路７２に接続された各種機器類を損傷から保護する。
【００３２】
その後、主電流Ｉが復帰電流ＩＲ未満に減少して異常状態が解消されると、巻回部７４に流れる主電流Ｉも減少し、電磁力Ｆは付勢力ｆより小さくなる。その結果、可動部材７６は再び図１に示すように固定台８２側に移動し、自動的に正常状態に復帰する。
【００３３】
図１に示す限流器７０は機械式限流器であり、その構造が単純且つコンパクトである上、コストも安価である。しかしながら、以下に説明する問題点がある。
まず、可動部材７６がコイルバネ８０によって支持されているので、限流器７０はノーマリオン動作（平常時に動通状態にある）を行う。つまり限流器７０では、例えば地震のような自然災害や限流器が破損するような事故の発生時においても、コイルバネ８０が可動部材７６を引き寄せ続けることによって導通状態を維持してしまい、セルフ・セーフ機能に欠けている。
【００３４】
また、可動部材７６はコイルバネ８０が機械的に有する付勢力によって支持されるため、限流開始電流値ＩＳを保護対象である送電経路７０の仕様に応じて柔軟に調整することが難しい。
また、限流器７０は正常状態と異常状態ではそれぞれ可動部材７６の位置が異なる（図３（ａ）及び（ｂ）を参照）。そのため、正常状態から異常状態に移行する閾値である限流動作開始電流値ＩＳと、異常状態から正常状態に復帰する復帰電流値ＩＲとが異なる、いわゆるヒステリシス特性を有してしまい、スムーズな復帰動作が困難であるという問題がある。
【００３５】
（実施例）
これらの問題点は、以下に説明する本実施形態に係る限流器１０によって解消される。図２は本実施形態に係る限流器１０の基本的構成を示す模式図であり、図３は図２に示す限流器１０の上部接点２８ｂ近傍を拡大して示す断面図である。尚、図３（ａ）は送電経路１１に流れる主電流Ｉが限流動作開始電流値ＩＳ未満である正常状態における様子を示しており、図３（ｂ）は送電経路１１に流れる主電流Ｉが限流動作開始電流値ＩＳ以上である異常状態における様子を示している。
【００３６】
まず図２に示すように、限流器１０は機械式限流器であり、上部電磁石１２と、下部電磁石１４と、上部電磁石１２及び下部電磁石１４間に介在するように配置された可動部材１６によって構成される磁気回路を備える。上部電磁石１２は磁性体材料から形成された磁気ヨークであり、上部電磁石電源１８に接続された配線が巻回されることによって上部電磁コイルＬ１が形成されている。上部電磁コイルＬ１には、上部電磁石電源１８から供給される電流Ｉ１が流れ、上部電磁石１２は可動部材１６に対して電磁力Ｆ１を及ぼす。
【００３７】
下部電磁石１４は、図１に示す参考技術における電磁石７６と同様に、送電経路１１の一部が巻回された巻回部２２を有する磁気ヨークである。下部電磁石１４もまた磁性体材料から形成されており、巻回部２２に流れる主電流Ｉによる磁気相互作用により、可動部材１６に対して電磁力Ｆ２を及ぼす。
【００３８】
可動部材１６は非磁性体材料から形成される本体部１６ａを有しており、該本体部１６ａに対して上部電磁石１２側には、上部電磁石１２と共に磁気回路を構成する磁性体材料からなる上部接触部材１６ｂと、該本体部１６ａに対して下部電磁石１４側には下部電磁石１４と共に磁気回路を構成する磁性体材料からなる下部接触部材１６ｃとが設けられている。これにより、可動部材１６は上部電磁石１２から電磁力Ｆ１を受けると共に下部電磁石１４から電磁力Ｆ２を受けることにより、電磁力Ｆ１及びＦ２の大小に応じて、上部電磁石１２及び下部電磁石１４間の空間を移動可能に構成されている。
【００３９】
磁気回路の観点から、上部電磁石１２及び上部接触部材１６ｂによって構成される磁気回路と、下部電磁石１４及び下部接触部材１６ｃによって構成される磁気回路とは、非磁性体材料から構成される本体部１６ａによって磁気的な干渉が生じないように分離されながら、機械的に結合されている。
【００４０】
上部電磁石１２は略Ｕ字形状を有しており、可動部材１６に対向する両端には送電経路１１の入出力配線２４ａ及び２４ｂが接続されている。一方、可動部材１６のうち上部電磁石１２に対向する表面上には上部導電層２６が設けられている。主電流Ｉが限流動作開始電流値ＩＳ未満である場合、図３（ａ）に示すように、可動部材１６は上部電磁石１２に引き寄せられる。この場合、送電経路１１の入出力配線２４ａ及び２４ｂは、上部接点２８ａ及び２８ｂ間において上部導電層２６により短絡され、主電流Ｉは、分流抵抗Ｒを通ることなく、上部接点２８ａ及び２８ｂを介して流れる。
一方、主電流Ｉが限流動作開始電流値ＩＳ以上になると、図３（ｂ）に示すように、可動部材１６は下部電磁石１４に引き寄せられる。この場合、送電経路１１の入出力配線２４ａ及び２４ｂは隔離されているため、主電流Ｉは分流抵抗Ｒに流れ、消費される。
【００４１】
上部電磁石１２には、巻回部の両側に制御用コイル３０ａ及び３０ｂが巻回されており、制御用コイル３０ａ及び３０ｂは制御コイル直流電源３２に対して直列接続されている。制御用コイル３０ａ及び３０ｂを制御コイル直流電源３２に接続する配線は、略Ｕ字形状を有する下部電磁石１４の両端に接続されており、図２に示すように限流器１０が異常状態にある場合に、可動部材１６の下部電磁石１４に対向する表面上に設けられた下部導電層３４との下部接点３６ａ及び３６ｂを介して導通するように構成されている。一方、図２に示すように、限流器１０が正常状態にある場合には、制御用コイル３０ａ及び３０ｂを制御コイル直流電源３２に接続する配線は、可動部材１６が下部電磁石１４から離れているため、導通しない。
【００４２】
限流器１０が異常状態にある際に制御用コイル３０ａ及び３０ｂに流れる電流値Ｉ２は、制御コイル直流電源３２によって調整可能であり、後述するように、異常状態から正常状態に復帰する復帰電流値ＩＲが、限流動作開始電流値ＩＳに一致するように調整される。
尚、上部電磁石電源１８及び制御コイル直流電源３２は、限流器動作点の調整手段３８によって出力電流値を調整可能に構成されている。特に、限流器動作点の調整手段３８は、共通の直流電源（不図示）からの出力電流を分流回路にて分流する構成を有することによって、単純な構成で、独立に制御可能な上部電磁石電源１８及び制御コイル直流電源３２を実現することができ、低コスト化を図ることができる。
【００４３】
ここで、具体的な設計例として、鉄の最大磁束密度をＢ＝２（Ｔ）と仮定し、更に、限流器１０の対応可能な最大電流（主電流）を１００００（Ａ）に設定する。また略Ｕ字形状を有する上部電磁石１２及び下部電磁石１４のヨーク寸法は、断面積をＳ＝１０×１０（ｃｍ２）＝０．０１（ｍ２）、ヨーク長を１００（ｍ）＝１（ｍ）とし、可動部材１６のヨーク寸法は、断面積を０．０１（ｍ２）、ヨーク長を３０（ｃｍ）＝０．３（ｍ）とする。また上部接点２８ｂは、上部電磁石１２及び可動部材１６を構成するヨーク上に、それぞれ、絶縁材層と、該絶縁材層上に銀あるいは銅板の導電層を設け接触抵抗を下げる必要がある。この場合、必要なギャップδは吸引時（図３（ａ）を参照）に８（ｍｍ）、解放時（図３（ｂ）を参照）に１５（ｍｍ）となる。
尚、可動部材１６の重量は、上部接触部材１６ｂ及び下部接触部材１６ｃを非磁性体からなる本体部１６ａで強固に固定すると、全体で約５０（ｋｇ）になる。
【００４４】
上部電磁石１２の巻線数をＮ１、電流をＩ１、制御コイル３０ａ及び３０ｂの巻線数をＮｃ、電流をＩｃ、下部電磁石１４の巻線数をＮ２、電流をＩ２（＝主電流Ｉ）とすると、力のバランス式から各電流の間には以下の関係が成立する。
0006312567.tif 000005
但し、Ｗは可動部材１６の重さ、ｇは重力加速度である。
【００４５】
図４は本実施形態に係る限流器１０における制御用コイル３０ａ及び３０ｂに電流を流さない場合における限流動作開始電流値ＩＳ（実線）及び復帰電流値ＩＲ（点線）を示すグラフであり、上式（４）に基づいて得たものをプロットした結果である（尚、図４では、Ｎ１＝５０００、Ｎ２＝２、Ｎｃ＝５０００として求めた値である）。
【００４６】
図４にて、実線は限流動作開始電流値ＩＳを示しており、限流器１０にて限流動作と復帰動作を実現するためには、上部電磁石１２に流れる電流Ｉ１が、条件Ｉ１＞０．６４（Ａ）を満足する必要があることが示されている。つまり、Ｉ１≦０．６４（Ａ）では、上部電磁石１２による電磁力Ｆ１が可動部材１６を持ち上げることができないからである。一方、図４にて点線は復帰電流ＩＲを示しており、実線で示す限流動作開始電流値ＩＳとの間にヒステリシス特性があることが示されている。
【００４７】
このようなヒステリシス特性は、制御用コイル３０ａ及び３０ｂに制御電流Ｉｃを印加することによって解消することができる。図５は上部電磁石１２の電流Ｉ１とヒステリシス特性を解消するために必要な制御電流Ｉｃとの関係を示すグラフである。すなわち、図５に示す特性に従った制御電流Ｉｃになるように制御コイル直流電源３２を調整することによって、限流動作開始電流値ＩＳが復帰電流値ＩＲに一致させ、ヒステリシス特性を解消することができる。
【００４８】
制御電流Ｉｃは、図２を参照して上述したように、可動部材１６と下部電磁石１４との間に設けられた下部接点のＯＮ／ＯＦＦに伴い、限流動作時（異常状態）にのみ流れる。例えば、上部電磁石電流をＩ１＝０．６７（Ａ）、限流動作開始電流値をＩＳ＝１０００（Ａ）に設定した場合、制御電流をＩｃ＝１．０６（Ａ）に設定すれば、異常状態が解消された際に限流動作開始電流値ＩＳと同じ復帰電流値ＩＲ＝１０００（Ａ）にて、自動的に復帰することができる。
【００４９】
このように本実施形態に係る限流器１０では、上述した参考技術で用いたコイルバネ８０による付勢力に代えて、上部電磁石１２による電磁力Ｆ１の大きさを、上部電磁コイルＬ１に供給される上部電磁石電源１８からの電流Ｉ１を制御することにより可変、且つ、制御電流Ｉｃを制御することによりヒステリシス特性を解消可能に構成されている。これにより、送電経路１１の仕様に応じて、限流動作開始電流値ＩＳや復帰電流値ＩＲを柔軟に調整することができる。
【００５０】
尚、上部電磁石１２及び下部電磁石１４で使用するギャップヨークは一般的に磁気飽和を起こし難い構造であるが、過大電流が流れれば磁気飽和現象を引き起こすおそれがある。本実施形態に係る限流器１０では２か所の空間ギャップを有し、該空間ギャップでの磁束の広がりを無視できると仮定すると、上部電磁石１２及び下部電磁石１４が経験する磁束密度Ｂ１，Ｂ２は、概ね次式のように表される。
0006312567.tif 000006
【００５１】
上部電磁石１２及び下部電磁石１４における磁束密度Ｂ１，Ｂ２は磁気ギャップを与える可動部材１６の位置に依存する。限流動作時は可動部材１６が落下状態にあり、正常動作時は上方に吸引された状態である。ここでは、図６は図３に示すギャップ長δを用いて、上部電磁石１２及び下部電磁石１４の磁束密度Ｂ１，Ｂ２を計算した結果を示すグラフ図である。
【００５２】
ここで限流動作開始電流値をＩＳ＝１０（ｋＡ）とすると、図４から上部電磁石電流をＩ１＝２．２５（Ａ）に設定する必要がある。この時、最も磁束密度が大きくなるのは限流動作時の上部電磁石ヨークでありＢ２＝２．０（Ｔ）となる。尤も、この値は限流動作電流をＩ＊＝１００００（Ａ）としてヨークの飽和磁束密度がＢｓａｔ＝２（Ｔ）になるようにギャップ長を設計した結果であり、当然の結果である。尚、より低い磁場で限流器を動作させる場合には、ギャップ長を設計し直すとよい。
【００５３】
以上、本実施形態に係る限流器１０の基本構成に基づいて静的特性を中心に説明した。続いて、限流器１０の動的特性について、シミュレーションを用いた具体的な設計例に基づいて説明する。図７は本実施形態に係る限流器１０を用いた鉄道饋電システム１００の構成を示す模式図である。鉄道饋電システム１００では、饋電線である送電経路１１に、車両事故が発生することによって過大電流が発生することによって異常状態が発生した場合をケースに説明する。
尚、以下の説明では、上述した基本構成を有することを前提とし、重複する説明は適宜省略することとする。
【００５４】
饋電システム１００では、電力供給源である変電所１０２から車両駆動用の電力として１５００（Ｖ）の直流電力が供給される。変電所１０２には電源としてＤＣ電源１０４が設置されており、安全装置たる遮断機１０６を備えている。電力供給先である車両の抵抗値RLは、正常状態で０．５（Ω）であるが、車両事故発生時には０．２０（Ω）に低下することによって、正常状態では１５００（Ｖ）／０．５（Ω）＝３０００（Ａ）であった主電流Iが１５００（Ｖ）／０．２（Ω）≒７５００（Ａ）に増加し、異常状態が生じる。異常状態は約５秒間継続した後、正常状態に戻るとする。
尚、本実施形態では、分流抵抗をＲ＝０．２５（Ω）とすると共に、電車や架線系は単純な純抵抗ではないため、インダクタンス成分ＬＬ＝５（ｍＨ）を含むと仮定する。
【００５５】
制御コイル直流電源３２は、変電所１０２内に設置されたＤＣ電源１０４とは独立に設けられており、１０（Ｖ）のＤＣ電源が用いるとする。制御コイル直流電源３２には制御コイル３０ａ及び３０ｂに流れる制御電流Ｉｃを調整するための可変抵抗Ｒｃが接続されているとする。限流器１０の応答性を評価するにあたっては、限流動作時に電流をＯＮ／ＯＦＦする制御コイル３０ａ及び３０ｂのインダクタンスが重要となる。上部電磁石１２のギャップヨークに巻かれた制御コイル３０ａ及び３０ｂに通電されるのは、限流動作時のみである。このとき、制御コイル３０ａ及び３０ｂの自己インダクタンスＬｃ＝μ０ ＳＮｃ２／（２δ２）は、空間ギャップδ＝δ2＝１５（ｍｍ）、μ０＝４π×１０−７、Ｓ＝０．０１（ｍ２）、δ２＝０．０１５（ｍ）、Ｎｃ＝５０００ターンとして、Ｌｃ＝１０．５（Ｈ）となる。
尚、この自己インダクタンスの計算では、主電流用の下部電磁石１４は巻数が２ターンと小さく１（μＨ）以下であり、系統のインダクタンス５（ｍＨ）に含まれるとして無視した。  
【００５６】
また本シミュレーションでは、上部接点２８ａ及び２８ｂ、下部接点３６ａ及び３６ｂのＯＮ／ＯＦＦは十分に短い時間で行われると仮定する。厳密には、図３に示すように、可動部材１６の接合面には上部導電層２６及び下部導電層３４があるので、可動部材１６が上部導電層２６及び下部導電層３４の厚み距離を移動するに必要な時間がかかる。ここで、上部導電層２６及び下部導電層３４の厚さを１０（μｍ）とし自然落下を考えると、接点が離れる時間は１．４（ｍｓｅｃ）程度必要である。限流器１０が動作する際には、可動部材１６に数千Ｎの力が掛かり大きな加速度が発生するので切断時間は０．１（ｍｓｅｃ）以下となる。また電気系の時間遅れは応答の速い主電流回路でτ=０．００５／０．２２＝２３（ｍｓｅｃ）であることから、接点のＯＮ／ＯＦＦは十分に短い時間で行われると仮定しても影響は少ない。
【００５７】
図８は図７に示す饋電システム１００における限流器１０の応答特性を示すグラフであり、図９は図７に示す饋電システム１００における限流器１０で制御用コイル３０ａ及び３０ｂに制御電流Ｉｃを流さなかった場合における応答特性を示すグラフである。
尚、図８及び図９は、限流動作開始電流をＩＳ＝５０００（Ａ）に設定し、ヒステリシス解消回路の制御用コイル電源３２内の電流制限抵抗（不図示）をＲｃ＝６．５８（Ω）に調整し、主電流がＩ＝５０００（Ａ）以下になれば直ちに限流器１０が復帰できるように設定した条件下において模擬試験を行った結果である。
【００５８】
図８及び図９において点線は仮に同じ饋電系に限流器１０が存在しない場合の応答特性を示しており、車両事故により異常状態が発生すると、負荷抵抗が低下することに伴い、主電流（架線電流）がＩ＝７５００（Ａ）に急増することを示している。一方、図８において実線で示すように、限流器１０が存在することによって、限流動作開始電流ＩＳである５０００（Ａ）まで一瞬増加するものの、直ちに１５００（Ｖ）／（０．２５＋０．０２）（Ω）≒３３００（Ａ）まで減少し、過大電流を抑制している様子が表わされている。
【００５９】
これに対し、図９はヒステリシス解消用の制御コイル３０ａ及び３０ｂを起動させなかった場合の結果を示している。この場合、制御電流Ｉｃがゼロでは、自己復帰するには主電流（架線電流）Ｉを８００（Ａ）以下にする必要がある。しかし本事例では、異常状態が解除されると負荷抵抗が０．５（Ω）に戻るため、架線電流が１５００／（０．２５＋０．５）＝２０００（Ａ）までしか下がらず、自己復帰することができない。このように、本シミュレーションによって、制御コイル３０ａ及び３０ｂによるヒステリシス特性解消が有用であることが立証できた。
【００６０】
尚、本実施形態に係る限流器１０は、上部接点２８ａ及び２８ｂ、下部接点３６ａ及び３６ｂにおけるＯＮ／ＯＦＦ切替動作を利用した装置であるため、これらの接点における接触抵抗の影響を検討する必要がある。本実施形態では各接点における接触面積を１０×１０（ｃｍ２）とし、１０００（Ｎ）以上の非常に大きな電磁力を加えるので、接触抵抗は略一定の値にあると考えることができる。例えば、図３を参考にして、接点表面にも６（μｍ）の銀メッキをすれば、接触抵抗を１（μΩ）程度にすることができる。この場合、接点に１００００（Ａ）の電流が流れると、接点部分で１００（Ｗ）の発熱が生じる。本実施形態では図２に示すように、主電流に対して接点が2か所存在するので合計で最大２００（Ｗ）の発熱が生じると見積もることができる。この程度の発熱であれば、通風に配慮した限流器設計をすれば特段の問題は無いと考えられる。
【００６１】
また上記限流器１０は、ごく稀に起きる異常状態に対する安全装置であるため、頻繁なＯＮ／ＯＦＦ動作を前提する継電器とは異なり、接点の摩耗を気にする必要はないと考えられる。いわば限流器１０の動作事態が異常であり、限流器１０が少数回（例えば２〜３回）動作すれば接点部分を全部交換することが好ましい。
【００６２】
また本実施形態に係る限流器１０の使用用途としては、図７に示すような電気鉄道に特に適している。これは、本実施形態に係る限流器１０は、（１）直流動作を想定した機器であり交流電力機器に向いていないこと、また、（２）電気接点間の距離が短く（先の計算ではδ=８ｍｍ）、高電圧を前提とする電力用限流器には適していないためである。
【００６３】
尚、本実施形態に係る限流器１０は、参考技術に係る機械式限流器７０（図１を参照）が抱えていた問題を解決するために、上部電磁石１２に常時ＤＣ電流を流す必要がある。そのため、上部電磁石１２では少なからず電気的損失が生じることとなる。上記例では、上部電磁石１２のコイル巻数がＮ＝５０００回で、断面積がＳ＝１０×１０（ｃｍ２）のヨークに巻かれ、電流を最大２（Ａ）程度としたので、コイル導線に０．５（ｍｍφ）の丸形状銅線を使うとすると、コイルの巻線抵抗は３０〜４０（Ω）となる。従って、このコイルに２（Ａ）の電流を流すと１２０〜１６０（Ｗ）の損失が発生すると考えられる。
【００６４】
このような電気的損失を解消するためには、上部電磁石１２のコイル巻線として太い線を用いることも考えられるが、コイル寸法が大きくなり限流器１０をコンパクトにできなくなる可能性もある。そこで、上部電磁石１２を超電導コイルとして構成することが有望な解決策の一つとして考えられる。上部電磁石１２に流れる電流は直流電流であることから、超電導コイルで問題となる交流損失も発生しないため、良好な特性を期待できる。但し、超電導コイルを用いる場合には、超電導コイルを冷却する液体窒素が近傍に有り、かつ、冷凍機にも十分な余裕があることが好ましい。
【００６５】
以上説明したように、本実施形態に係る限流器によれば、上部電磁石及び下部電磁石からの電磁力を用いて可動部材を移動することにより、送電経路を流れる電流が過大になって、送電経路や該送電経路に接続された機器の損傷を効果的に回避することができる。特に上部電磁石による電磁力は第１の直流電源によって制御可能であるから、限流動作を開始する限流動作開始電流値を柔軟且つ容易に調整することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、直流電力を送電する送電経路上に設置される限流器に利用可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１０  限流器
１１  送電経路
１２  上部電磁石
１４  下部電磁石
１６  可動部材
１８  上部電磁石電源
２２  巻回部
２４  上部接点
２６  上部導電層
３０  制御用コイル
３２  制御用コイル直流電源
３４  下部導電層
３６  下部接点
３８  調整手段
１００  饋電システム
１０２  変電所
１０４  ＤＣ電源
１０６  遮断機
【図１】
0006312567.tif 000007
【図２】
0006312567.tif 000008
【図３】
0006312567.tif 000009
【図４】
0006312567.tif 000010
【図５】
0006312567.tif 000011
【図６】
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【図７】
0006312567.tif 000013
【図８】
0006312567.tif 000014
【図９】
0006312567.tif 000015
【図１０】
0006312567.tif 000016
【図１１】
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