(57)【要約】【課題】容器の肉厚を厚くする必要がなく、容器破裂の危険性もない超電導限流器を提供すること。【解決手段】冷媒温度制御装置１２は、温度検出器１１からの検出信号に基づき冷凍装置９を運転し、冷媒３が予め設定された温度となるよう制御する。超電導素子４が収納されている冷媒容器２の上面部には真空容器１の外部に延びる開放口１３が形成されている。これにより、冷媒容器２の内部は大気圧に保持される。したがって、冷媒容器２は破裂する危険もなく、また、肉厚をそれほど厚くする必要もなくなるので断面積（肉厚部の）が小さくなり、熱侵入が発生しにくくなる。【選択図】図１
2007221931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
常時は超電導状態に保持されて電力系統間に接続され、事故発生時は超電導状態から常電導状態への転移に基づく抵抗増大によって電力系統間に流れる事故電流の増加を抑制可能な超電導素子を有する超電導限流器において、
冷媒で満たされた内部に前記超電導素子が収納され、且つ内部圧力が大気圧以下に保持されている冷媒容器と、
前記冷媒に対する冷却を行う冷媒冷却手段と、
前記冷媒冷却手段の冷却動作を制御することにより、前記超電導素子が所定電流下で超電導状態から常電導状態へ転移するよう前記冷媒の温度を制御する冷媒温度制御手段と、
を備えたことを特徴とする超電導限流器。
【請求項２】
前記冷媒容器は、内部圧力を大気圧に保持するための開放口を有するものである、
ことを特徴とする請求項１記載の超電導限流器。
【請求項３】
前記開放口には、内部圧力が大気圧を超えないようにするための圧力調整弁が取り付けられている、
ことを特徴とする請求項２記載の超電導限流器。
【請求項４】
前記開放口には、外部からの不純物の侵入を防止するためのフィルタが取り付けられている、
ことを特徴とする請求項２又は３記載の超電導限流器。
【請求項５】
前記冷媒容器の内部に前記冷媒の温度を上昇させるための冷媒加熱手段が配設されている、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の超電導限流器。
【請求項６】
前記冷媒冷却手段は前記冷媒容器の外部に配設され、冷媒冷却手段と冷媒容器との間に冷媒循環経路が設けられている、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の超電導限流器。
【請求項７】
前記冷媒には、少なくとも、ヘリウム、水素、ネオン、アルゴン、窒素、酸素、LNG、又はこれらの２種以上の混合流体のいずれかが含まれ、更に、前記冷媒の状態は、固体、飽和液体、サブクール液体、及び気体のいずれかの状態である、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の超電導限流器。
【請求項８】
常時は超電導状態に保持されて電力系統間に接続され、事故発生時は超電導状態から常電導状態への転移に基づく抵抗増大によって電力系統間に流れる事故電流の増加を抑制可能な超電導素子を有する超電導限流器において、
真空状態に保持された内部に前記超電導素子が収納された真空容器と、
前記超電導素子に対する冷却を伝熱部材を介して行う超電導素子冷却手段と、
前記冷却手段の冷却動作を制御することにより、前記超電導素子が所定電流下で超電導状態から常電導状態へ転移するよう前記超電導素子の温度を制御する超電導素子温度制御手段と、
を備えたことを特徴とする超電導限流器。
【請求項９】
前記超電導素子の材料には、少なくとも、ビスマス系、イットリウム系、水銀系、又はジスプロシウム系のいずれかの酸化物系超電導材料が含まれ、更に、その形成状態は、膜状、バルク状、巻回された線状のいずれかの状態である、
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の超電導限流器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所謂「抵抗型」方式の超電導限流器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
限流器は複数の電力系統間に接続され、事故発生時に短絡電流などの非常に大きな事故電流の増加を一定レベル以下に抑制するための機器である。そして、近時は、超電導素子を利用した超電導限流器の開発が盛んに進められている。
【０００３】
超電導限流器については、種々の動作方式の提案がなされて試作や試験が行われてきているが、発生するインピダンスの種類に応じて「抵抗型」方式と「インダクタンス」方式とに分類される。
【０００４】
「抵抗型」方式は、超電導素子の超電導状態から常電導状態への転移に基づく抵抗増大現象を利用するものであり、構成によってはインダクタンス増大現象も併用する「インダクタンス併用型」方式もある。
【０００５】
ところで、限流器に必要とされる要求項目の一つとして、確実な限流動作、すなわち所定レベル以上の事故電流に対する限流動作点が一定であることを挙げることができる。しかし、抵抗型方式はこの限流動作点を一定にすることが困難であるという特質を有している。
【０００６】
何故なら、超電導素子の形成状態を例えば巻線形状とする場合（巻線形状の他には、薄膜、バルク等の形状がある）、必要通電容量を確保するためには数十メートル以上の非常に長い巻線長としなければならず、このような長さの超電導素子に対して完全に均一な抵抗を求めることは不可能だからである。
【０００７】
そこで、超電導限流器のこのような個体差を解消し、更には、電力系統の運用条件の変更等に対応できるようにするために、限流動作点を自在に可変できる抵抗型超電導限流器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に係る超電導限流器では、超電導素子の臨界電流値が温度によって変化することから密閉容器内の冷媒温度を制御し、更に、冷媒が気化する際に発生する気泡量を抑制するために圧力を大気圧以上に制御している。
【特許文献１】特開平４−１９３０２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特許文献１に係る超電導限流器は、加圧操作と冷却操作とを並行して行うことにより、限流動作点を自在に可変することを可能にしている。しかし、特許文献１に係る超電導限流器は、密閉容器を大気圧以上に加圧していることから、次のような課題を有するものとなっている。
【０００９】
第一に、密閉容器の肉厚を厚くしなければならないので外部からの熱侵入が発生しやすく、温度管理に充分な注意を払わなければならない構成となっている点である。すなわち、特許文献１の記載によれば、密閉容器内の圧力は、大気圧〜２０kg/cm2（２MPa）の間に設定されている。しかし、２MPaのような高圧にも耐える密閉容器を製作するためには、肉厚を相当程度厚くしなければならず、その分だけ断面積（肉厚部の）が増加する。そのため、容器外の常温部から容器内の低温部に向かって熱が侵入しやすくなるのである。
【００１０】
第二に、安全性の点である。つまり、２MPaの高圧が加わっている状態は、容器が破損しないよう安全性を確保する観点から、肉厚を厚くすること等により密閉容器を耐圧構造にする等の特段の対策が必要になる。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、容器の肉厚を厚くする必要がなく、且つ安全性の高い超電導限流器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するための手段として、本発明は、常時は超電導状態に保持されて電力系統間に接続され、事故発生時は超電導状態から常電導状態への転移に基づく抵抗増大によって電力系統間に流れる事故電流の増加を抑制可能な超電導素子を有する超電導限流器において、冷媒で満たされた内部に前記超電導素子が収納され、且つ内部圧力が大気圧以下に保持されている冷媒容器と、前記冷媒に対する冷却を行う冷媒冷却手段と、前記冷媒冷却手段の冷却動作を制御することにより、前記超電導素子が所定電流下で超電導状態から常電導状態へ転移するよう前記冷媒の温度を制御する冷媒温度制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、常時は超電導状態に保持されて電力系統間に接続され、事故発生時は超電導状態から常電導状態への転移に基づく抵抗増大によって電力系統間に流れる事故電流の増加を抑制可能な超電導素子を有する超電導限流器において、真空状態に保持された内部に前記超電導素子が収納された真空容器と、前記超電導素子に対する冷却を伝熱部材を介して行う超電導素子冷却手段と、前記冷却手段の冷却動作を制御することにより、前記超電導素子が所定電流下で超電導状態から常電導状態へ転移するよう前記超電導素子の温度を制御する超電導素子温度制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、超電導素子が収納される容器の内部圧力は大気圧以下に保持されるようになっているので、容器の肉厚を厚くする必要がなく、且つ安全性の高い超電導限流器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超電導限流器の構成図である。この図において、真空容器１の内部に冷媒容器２が配設されている。この冷媒容器２の内部には冷媒３（例えば、液体窒素）が満たされており、更に、コイル状に形成された超電導素子４が収納されている。
【００１６】
一方、第１の電力系統及び第２の電力系統からはケーブル５Ａ，５Ｂが引き出されており、これらの先端には電流リード６Ａ，６Ｂが取り付けられている。そして、これら電流リード６Ａ，６Ｂに取り付けられた電流リード導入端子７Ａ，７Ｂが超電導素子４に接続されている。なお、ケーブル５Ａ，５Ｂには電流モニタ８Ａ，８Ｂが取り付けられており、これらのモニタ信号は電力監視センター等で監視されるようになっている。
【００１７】
また、真空容器１の上面には、冷却ステージ１０を有する冷凍装置９（冷媒冷却手段）が取り付けられている。この冷却ステージ１０は、真空容器１の上面から冷媒容器２の内部に向かって突出し、冷媒３中に浸漬された状態になっている。
【００１８】
冷媒容器２の内部には冷媒３の温度を検出するための温度検出器１１（温度計又は温度センサ）が配設されており、その検出信号が冷媒温度制御装置１２に送られるようになっている。冷媒温度制御装置１２は、この温度検出器１１からの検出信号に基づき冷凍装置９を運転し、冷媒３が予め設定された温度となるよう制御するようになっている。
【００１９】
そして、冷媒容器２の上面部には真空容器１の外部に延びる開放口１３が形成されている。この開放口１３が形成されていることにより、冷媒容器２の内部は大気圧に保持されることになる。したがって、冷媒容器２は破裂する危険もなく、また、肉厚をそれほど厚くする必要もなくなるので断面積（肉厚部の）が小さくなり、熱侵入が発生しにくいものとなっている。
【００２０】
ここで、特許文献１に係る超電導限流器では、常圧下において冷媒（液体窒素）から気泡が発生するのを防止するために冷媒容器を加圧する構成を採用している。これに対し、本願発明は、冷媒容器内部を常圧（大気圧）又はそれ以下の圧力下においたとしても、冷媒温度を適切に制御すれば冷媒からの気泡の発生を有効に防止することが可能であるとの立場に立っている。つまり、特許文献１に係る超電導限流器では、冷媒温度制御と共に加圧制御を行うことを必須不可欠の要件としているが、本願発明では冷媒温度制御のみを要件としている。それ故、冷媒容器内部を常圧又はそれ以下の圧力に状態にした構成の超電導限流器を実現できるのである。
【００２１】
図２は、超電導素子４が限流動作を行う際の動作電流と温度との対応関係を示す特性図である。この図に示すように、動作電流は、温度が低いほど大きくなり、温度が高くなるほど小さくなる。冷媒温度制御装置１２は、このような特性図に従って冷凍装置９の運転を行う。
【００２２】
例えば、当初は超電導素子４の動作電流がＩ１に設定されていたとすると、冷媒温度制御装置１２は冷媒３の温度がＴ１となるように冷凍装置９の運転を行う。そして、その後、第１の電力系統又は第２の電力系統の運用条件が変更となり、動作電流をＩ１からＩ２に引き下げる場合、冷媒温度制御装置１２は冷媒３の温度がＴ１より高いＴ２となるように冷凍装置９の運転を行う。
【００２３】
また、図２の特性図は、予め行われたテスト等により得られたものである。したがって、超電導素子４の巻線長が非常に長く、抵抗値についての個体差が大きなものであっても、そのような個体差の大きさとは関係なく、冷媒温度制御装置１２が制御する冷媒温度で超電導素子４は確実に限流動作を行うことになる。
【００２４】
次に、図１の動作につき説明する。冷媒容器２内の冷媒３は冷却ステージ１０により冷却されており、超電導素子４は通常運転時は超電導状態となっているため抵抗値は殆どゼロとなっている。そして、超電導素子４の動作電流がＩ１に設定されているとすると、冷媒温度制御装置１２は冷媒３の温度がＴ１となるように冷凍装置９に対する運転制御を行っている。
【００２５】
いま、第１の電力系統からの電流が、ケーブル５Ａ、電流リード６Ａ、電流リード導入端子７Ａ、超電導素子４、電流リード導入端子７Ｂ、電流リード６Ｂ、ケーブル５Ｂの経路を経由して第２の電力系統へ供給されているものとする。この状態で、例えば、第２の電力系統で短絡事故が発生したとすると、超電導素子４に流れる電流が急激に増大する。そして、電流値がＩ１を超えた時点で、それまで超電導状態に保持されていた超電導素子４は常電導状態に転移する。したがって、超電導素子４の抵抗が大きく増大し、第１の電力系統側から第２の電力系統側に流れる事故電流の増加を抑制することができる。
【００２６】
上記の過程において、冷媒容器２の内部は開放口１３を介して真空容器１の外部と連通しているため、その圧力は常に大気圧に保持されている。そのため、冷媒容器２は肉厚が薄いものであるにもかかわらず、破裂する危険が生じることはないので、図１の超電導限流器は安全性の面では好ましい構成であるということができる。また、冷媒容器２は、肉厚が薄くなった分だけ熱侵入経路の断面積が小さくなり、熱侵入を許容しにくい構成にもなっている。
【００２７】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る超電導限流器の構成図である。図３が図１と異なる点は、開放口１３に圧力調整弁１４（例えば、逆止弁）が取り付けられている点である。したがって、本実施形態では、冷媒容器２の内部は大気圧以下すなわち負圧の状態に保持されることになる。なお、圧力調整弁１４の先の図示を省略している配管は、大気開放状態であるよりも、冷媒３と同じ物質のガスが満たされた容器に接続されている方が好ましい。
【００２８】
図４は、本発明の第３の実施形態に係る超電導限流器の構成図である。図４が図１と異なる点は、開放口１３にフィルタ１５が取り付けられている点である。したがって、本実施形態によれば、真空容器１外部から不純物が冷媒容器２内部に侵入するのを防止することができる。この不純物とは、主として水分を指している。したがって、フィルタ１５の構成としては、冷媒３と同じ物質により水分をトラップする構成や、乾燥剤を封入した構成等が考えられる。なお、勿論、図３に示した圧力調整弁１４と共に、フィルタ１５を開放口１３に取り付ける構成とすることも可能である。
【００２９】
図５は、本発明の第４の実施形態に係る超電導限流器の構成図である。図５が図１と異なる点は、電源回路１７に接続されたヒータ１６（冷媒加熱手段）の加熱部が冷媒容器２内部に配設され、電源回路１７のヒータ１６に対する通電の際に冷媒温度制御装置１２によりオンオフ等の制御が行われるようになっている点である。
【００３０】
本実施形態によれば、冷媒温度制御装置１２は冷凍装置９に対する運転制御の他に、電源回路１７に対するオンオフ等の制御（例えば、オンオフ制御、比例制御、PID制御等）によっても冷媒３の温度を可変することができるので、その可変に要する時間を短縮できると共に、冷媒３の温度制御を行う上での制御精度を向上させることができる。
【００３１】
図６は、本発明の第５の実施形態に係る超電導限流器の構成図である。図６が図１と異なる点は、冷却ステージ１０を有する冷凍装置９が除去され、代わりに、真空容器１外部に冷凍装置１８が配設されると共に、この冷凍装置１８と冷媒３との間に、循環ポンプ１９、送り配管２０、及び戻し配管２１で形成される冷媒循環回路が設けられている点である。
【００３２】
本実施形態によれば、冷媒冷却手段である冷凍装置１８を直接に真空容器１及び冷媒容器２に対して取り付ける必要はなく、ある程度離れた位置に配設することができる。したがって、その分だけ真空容器１及び冷媒容器２を小型化することができ、設置スペースに制約がある場合における設計上の自由度を大きくすることができる。
【００３３】
ここで、これまで述べてきた各実施形態では、冷媒として、絶縁性及び経済性の観点から好ましいとされている液体窒素を用いることを想定している。しかし、本願発明で用いることが可能な冷媒の種類は液体窒素のみに限定されるわけではなく、ヘリウム、水素、ネオン、アルゴン、窒素、酸素、LNG、又はこれらの２種以上の混合流体のいずれかであればよい。また、冷媒の状態についても、固体、飽和液体、サブクール液体、及び気体のいずれの状態であってもよい。
【００３４】
なお、図１及び図３〜図６の構成において、冷媒容器２は真空容器１の内部に配設されているが、これは冷媒容器２に対する断熱性を考慮したものである。したがって、冷媒容器２を収納する容器内部は必ずしも真空状態である必要はなく、断熱部材を介して冷媒容器２を収納するだけの容器であってもよい。
【００３５】
図７は、本発明の第６の実施形態に係る超電導限流器の構成図である。図７が図１と主に異なる点は、冷媒容器２を除去し、超電導素子４を直接に真空環境下に配置している点である。そして、超電導素子４と冷却ステージ１０との間に伝熱板２２（伝熱部材）を取り付け、両者を熱的に結合した構成としている。また、温度検出器１１は冷却ステージ１０に取り付けられ、その検出信号が超電導素子温度制御装置１２Ａに送られるようになっている。なお、超電導素子温度制御装置１２Ａは、これまでの実施形態における冷媒温度制御装置１２と同様のものであるが、本実施形態では冷媒３が省略されているので異なる名称を付している。
【００３６】
本実施形態によれば、冷媒容器２が省略されており冷媒３を用いる必要がないので、構成を簡素化することができコスト的にも有利なものとなる。また、冷媒容器２が省略されているので真空容器１も小型化することができ、スペース的にも有利なものとなる。更に、冷媒を不要とし、超電導素子４を真空環境下で用いる構成としているので、特許文献１で言及されていた気泡発生の問題は生じる余地がない。
【００３７】
ここで、以上述べた実施形態における超電導素子４の材料については、ビスマス（Bi）系、イットリウム（Y）系、水銀（Hg）系、又はジスプロシウム（Dy）系などの酸化物系超電導材料を用いることができる。また、形成状態は、膜状、バルク状、巻回された線状のいずれの状態であってもよい。
【００３８】
なお、超電導素子の材料として、実用化に適しているとされるものは、現在のところBi系及びY系の材料であるが、抵抗型方式の超電導素子に対してはY系の線状材料が好適であると考えられる。これは、Y系線状材料の基材となるニッケル、ニッケル合金、ハステロイ等が高抵抗であるため抵抗型方式に対しては最も好ましいからである（Bi系線状材料の場合は、銀又は銀合金を基材としているため高抵抗とはなりにくい）。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超電導限流器の構成図。
【図２】図１における超電導素子が限流動作を行う際の動作電流と温度との対応関係を示す特性図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る超電導限流器の構成図。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る超電導限流器の構成図。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る超電導限流器の構成図。
【図６】本発明の第５の実施形態に係る超電導限流器の構成図。
【図７】本発明の第６の実施形態に係る超電導限流器の構成図。
【符号の説明】
【００４０】
１…真空容器、２…冷媒容器、３…冷媒、４…超電導素子、５Ａ，５Ｂ…ケーブル、６Ａ，６Ｂ…電流リード、７Ａ，７Ｂ…電流リード導入端子、８Ａ，８Ｂ…電流モニタ、９…冷凍装置（冷媒冷却手段）、１０…冷却ステージ、１１…温度検出器、１２…冷媒温度制御装置、１２Ａ…超電導素子温度制御装置、１３…開放口、１４…圧力調整弁、１５…フィルタ、１６…ヒータ（冷媒加熱手段）、１７…電源回路、１８…冷凍装置（冷媒冷却手段）、１９…循環ポンプ、２０…送り配管、２１…戻し配管、２２…伝熱板。
【図１】
2007221931.tif 000003
【図２】
2007221931.tif 000004
【図３】
2007221931.tif 000005
【図４】
2007221931.tif 000006
【図５】
2007221931.tif 000007
【図６】
2007221931.tif 000008
【図７】
2007221931.tif 000009