(57)【要約】【課題】クライオスタットの内部で冷媒が大きく循環する流れが生じ、この大きな循環流によって冷媒の除熱が促進され、超電導限流素子および電流リードの温度が下がって抵抗が減少することにより、電流リード等の機器損失の防止および低減が図れるようにする。【解決手段】冷媒を収容するクライオスタット内に超電導限流素子および極低温冷凍機を配置し、超電導限流素子を複数の電力系統間に電流リードを介して接続した抵抗型の超電導限流器において、超電導限流素子と極低温冷凍機とを、クライオスタット内の平面視で互いに占有部分が異なる領域に局在配置する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を収容するクライオスタット内に超電導限流素子および極低温冷凍機を配置し、前記超電導限流素子を複数の電力系統間に電流リードを介して接続した抵抗型の超電導限流器において、前記超電導限流素子と前記極低温冷凍機とを、前記クライオスタット内の平面視で互いに占有部分が異なる領域に局在配置したことを特徴とする超電導限流器。
【請求項２】
冷媒を収容するクライオスタット内に超電導限流素子および極低温冷凍機を配置し、前記超電導限流素子を複数の電力系統間に電流リードを介して接続した抵抗型の超電導限流器において、前記超電導限流素子と前記極低温冷凍機とを、前記クライオスタット内の平面視で中心に対して異なる片側領域に配置したことを特徴とする超電導限流器。
【請求項３】
冷媒を収容するクライオスタット内に超電導限流素子および極低温冷凍機を配置し、前記超電導限流素子を複数の電力系統間に電流リードを介して接続した抵抗型の超電導限流器において、前記超電導限流素子と前記極低温冷凍機とを、前記クライオスタット内の平面視で２等分される領域に配置したことを特徴とする超電導限流器。
【請求項４】
冷媒を収容するクライオスタット内に超電導限流素子および極低温冷凍機を配置し、前記超電導限流素子を複数の電力系統間に電流リードを介して接続した抵抗型の超電導限流器において、前記超電導限流素子の平面視中心点と前記極低温冷凍機の平面視中心点とを、前記クライオスタット内の平面視で２等分される互いに反対側の領域に配置したことを特徴とする超電導限流器。
【請求項５】
前記クライオスタットは上面が開口するクライオスタット本体と前記開口を塞ぐ蓋体とを備え、前記蓋体に前記超電導限流素子および前記極低温冷凍機が吊下されており、前記クライオスタット本体と前記蓋体とは締結具によって着脱可能に連結されていることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の超電導限流器。
【請求項６】
前記電力系統と前記超電導限流素子との間に遮断器を備え、この遮断器と前記クライオスタットとはキュービクル内の平面視で異なる位置に配置され、前記遮断器は、前記クライオスタット内における前記極低温冷凍機の配置領域よりも前記超電導限流素子の配置領域側に近い配置とされていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の超電導限流器。
【請求項７】
前記クライオスタットの外部に前記極低温冷凍機のコンプレッサを備え、このコンプレッサと前記クライオスタットとはキュービクル内の平面視で異なる位置に配置され、前記断路器は、前記クライオスタット内における前記極低温冷凍機の配置領域よりも前記超電導限流素子の配置領域側に近い配置とされていることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の超電導限流器。
【請求項８】
前記クライオスタットの外部に前記電流リードの断路器を備え、この断路器は前記クライオスタットの位置をずらすことにより断接の切り替えができる構造であることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の超電導限流器。
【請求項９】
前記電力系統と前記超電導限流器とを接続する通電導体、および前記極低温冷凍機とこの冷凍機のコンプレッサとを接続する配管は、それぞれキュービクル内に配置され、かつ前記通電導体と前記配管とは、前記キュービクル内の空間内にて互いに非交差配置とされていることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の超電導限流器。
【請求項１０】
前記キュービクルの空間内で、前記遮断機に対し、前記極低温冷凍機の冷凍機ヘッドおよびコンプレッサが離間配置されていることを特徴とする請求項６から請求項９までのいずれか１項に記載の超電導限流器。
【請求項１１】
前記遮断機は、前記クライオスタットの上面より高い位置に設置されていることを特徴とする請求項６から請求項１０までのいずれか１項に記載の超電導限流器。
【請求項１２】
前記クライオスタットは、限流動作により内部圧力が上昇して大気側の圧力より高くなっても、内部の蒸発した冷媒ガスが大気中に放出されることを阻止し得る密封構造としたことを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の超電導限流器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力系統間の連系点等に設置される抵抗型の超電導限流器に係り、特に機器損失の低減およびメンテナンス作業性の向上等を図った超電導限流器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、受電電力が自由化されている需要家のサイトにおいて、常用自家発電設備の導入が漸増している。この自家発電設備の運用時には、自家発電設備自体にトラブルが発生した際にも電力を安定供給できるようにするため、商用電力系統から該当サイトを切り離して独立系統として運用するのではなく、商用電力系統からの受電を継続しつつ自家発電を利用することが一般的である。
【０００３】
商用電力と自家発電電力とを併用する場合には、商用電力系統において短絡や地絡等の事故が発生すると、需要家側で設置した自家発電設備から事故点へ向けて過大な短絡電流が流れ出す可能性がある。そこで、系統事故時に連系点を通過する過大電流や、過大電流により発生する健全系統における電圧低下等を抑制する手段として超電導限流器が適用される。
【０００４】
超電導限流器の方式には、発生するインピーダンスの種類に応じて抵抗型およびインダクタンス型等の方式が採用されている。このうち抵抗型の超電導限流器は、超電導限流コイル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、キュービクル内に設置されるクライオスタットに液体窒素等の冷媒を収容し、この冷媒中に複数の超電導限流素子および所要数の極低温冷凍機を配置して、超電導限流素子に電流リードを介して電流を供給する構成となっている。
【０００５】
このように、抵抗型の超電導限流器は、短絡事故時の過大な事故電流を瞬時に限流抑制することができる静止機器であり、平常時は抵抗のない超電導線材に系統電流を流すことで殆ど損失なく電流を供給することができ、ひとたび系統事故が発生すると、事故時の過大な短絡電流によって超電導線材がクエンチ（常電導化）し、発生した抵抗で短絡電流を瞬時に所定値以下に抑制する機能を有するものである。
【０００６】
すなわち、超電導限流器では超電導線材のクエンチ（常電導化）を利用するため、原理的には誤不動作がなく、検出手段を要しないで確実に保護動作に入り、事故時には事故電流の立ち上がり第１波目から電流を抑制し、通常使用電流の数倍程度以下に押さえ込むことが可能である。
【０００７】
従来、このような超電導限流器の提案として、例えば超電導限流素子を収納するクライオスタットの冷媒容器上面に電流リードと、超電導コイル等で構成される超電導限流素子とを浸漬する液体窒素等の冷媒を用い、この冷媒の蒸発ガスを液化再凝縮する極低温冷凍機を装備し、限流時に生じる限流エネルギにより劣化することを抑制する超電導限流器がある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−２９８８５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
超電導限流器はクライオスタットの冷媒容器に液体窒素等の冷媒を収容し、この冷媒中に複数の超電導限流素子および所要数の極低温冷凍機を配置して、超電導限流素子に電流リードを介して電流を供給する構成となっているが、従来の超電導限流器においては、例えば複数の電流リードおよび超電導限流素子がクライオスタット内の周縁位置に平面視で等間隔で輪状に配置され、クライオスタット内の中心位置に冷凍機ヘッドが配置され、あるいは平面視で上下に重合するような配置とされている。
【０００９】
このような従来の配置構成においては、クライオスタットの内部では、超電導コイル等の超電導限流素子および電流リードが常時発熱するが、電流リードと極低温冷凍機ヘッドとを上述のような配置構成とすると、クライオスタットの冷媒容器内で、発熱の大きい電流リードの常温部に近い部分ほど液体窒素等の冷媒液体の温度が高くなり、また上部のガス空間の部分でも上位に行くほどガス温度が高くなる温度勾配が生じることがある。
【００１０】
冷媒の液体やガスに温度勾配ができる現象は、電流リードの材料である銅または銅合金の比抵抗が温度上昇に連れて顕著に高くなる極低温のクライオスタットで、より顕著に現れる。
【００１１】
すなわち、電流リードとともに、超電導コイル等で構成される超電導限流素子が交流損失を生じる際に、熱を伝える冷媒がヘリウム等と比較して温度幅の広い液体窒素等を冷媒として適用した場合等に特に顕著に現れる現象である。液体窒素の場合には、冷媒液体の上部と下部との温度差が１Ｋ以上になることもあり、冷媒内で温度勾配が生じると、超電導コイル等により構成される超電導限流素子の臨界電流が冷媒内の下部ほど大きくなってしまう。
【００１２】
この結果、従来では限流動作時に上部配置の超電導限流素子が先に限流動作を始めることになり、限流抵抗が当初の設定抵抗より小さくなってしまい、十分な限流効果が得られなくなる。また、クライオスタットの冷媒容器内の上部ガス空間においても、空間上側ほど温度が高くなるため、冷媒ガスの圧力も温度と共に上昇し、常時運転時におけるガスの圧力が設計値よりも高くなる場合もある。
【００１３】
さらに、冷媒容器内の上部ガス空間に高温ガスが滞留すると、電流リードの温度が過度に上昇してしまい、通電電流にもよるが、導電部分の通電過熱によるリードの損傷等を引き起こす可能性もある。
【００１４】
また、キュービクル内に収納された限流器用超電導コイルのクライオスタットと極低温冷凍機用コンプレッサとは、極低温の摺動部等がある関係から、例えば１年に１回程度以上の頻度で冷凍機の運転を停止し、蒸発ガスの一部をクライオスタットの外部に放出しながらメンテナンスを実施することが必要である。
【００１５】
この場合、冷媒温度を定常の沸点温度（７７Ｋ）よりも温度を下げて（例えば６５Ｋまで下げて）運転している場合には、沸点までの昇温顕熱も利用して、比較的長時間にわたり、冷媒ガスの蒸発を防止しながらメンテナンスを実施することが可能である。
【００１６】
これに対し、系統事故が発生した場合、すなわち冷媒を通常の沸点温度（７７Ｋ）として限流器を通電維持状態に保っている場合には、保護動作が可能な待機状態のままでメンテナンスを実施することが困難であった。
【００１７】
一方、冷凍機コンプレッサについても、例えば３年に１回程度の頻度でアドソーバー（吸着材：ａｄｓｏｒｂｅｒ）の交換等によるメンテナンスの実施が必要であるが、上述のように冷凍機ヘッドがクライオスタットの中央に配置されているような従来構成の場合には、冷凍機コンプレッサと他の機器とが干渉することになり、コンプレッサをキュービクルの内部において、または外部に引き出してメンテナンスを実施することが困難であった。
【００１８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、電流リード等の機器損失の防止および低減が図れるとともに、メンテナンス作業性の向上等が図れる超電導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】
【００１９】
前記の目的を達成するため、本発明では、冷媒を収容するクライオスタット内に超電導限流素子および極低温冷凍機を配置し、超電導限流素子を複数の電力系統間に電流リードを介して接続した抵抗型の超電導限流器において、超電導限流素子と極低温冷凍機とを、クライオスタット内の平面視で互いに占有部分が異なる領域に局在配置した超電導限流器を提供する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、超電導限流素子と極低温冷凍機とを、クライオスタット内の平面視で互いに占有部分が異なる領域に局在配置することにより、クライオスタットの内部で超電導限流素子側で発熱が支配的となり、極低温冷凍機側では冷却が支配的となる。したがって、クライオスタットの内部で冷媒が大きく循環する流れが生じ、この大きな循環流によって冷媒の除熱が促進され、超電導限流素子および電流リードの温度が下がって抵抗が減少することにより、電流リード等の機器損失の防止および低減が図れる。
【００２１】
また、本発明によれば、電流リード群がクライオスタット内で極低温冷凍機と空間的に離れた位置関係に配置されるため、リード群を例えばゴム等やアクリル板等の絶縁材料により冷凍機群と隔離することにより、作業者から容易かつ確実に隔離して、作業者が安全に冷凍機群にアクセス可能となる。したがって、限流器への通電状態を維持しながら冷凍機ヘッドのメンテナンスを実施することが可能になる等、メンテナンス作業性の向上等が図れるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明に係る超電導限流器の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は超電導限流器およびこれを適用した電源回路等の全体構成（平面構成）を示す構成図であり、図２は図１に示した超電導限流器の要部構成を縦断面で示す構成図（図１のＡ−Ａ線断面）である。図３は超電導限流器におけるクライオスタット内の超電導限流素子および冷凍機の配置構成を拡大して示す説明図である。
【００２４】
図１に示すように、商用電源１０１と自家発電源１０２からの共用電源系統１０３に、通常負荷１０４および重要負荷１０５等が図示省略の負荷遮断機等を介して接続されている。また、この系統には超電導限流器１と、これをバイパスするスイッチ１０６を有する回路１０７とが接続されている。
【００２５】
本実施形態の超電導限流器１は、キュービクル２内に設置されるクライオスタット３に液体窒素等の冷媒４を収容し、この冷媒４中に複数の超電導限流素子５および所要数の極低温冷凍機６を配置し、超電導限流素子に複数の電流リード７を介して電流を供給する構成となっている。
【００２６】
キュービクル２内は例えば２室に区画されており、一方の部屋２ａにクライオスタット３および冷凍機用圧縮機（コンプレッサ）８が設置され、他方の部屋２ｂに遮断器９、制御系１０、検出器１１等が設置されている。なお、キュービクル２には、点検等を行うための開閉扉１２，１３等が設けられている。
【００２７】
このように、冷媒４を収容するクライオスタット３内に超電導限流素子５および極低温冷凍機６が配置され、超電導限流素子を複数の電力系統間に複数の電流リード（電流リード群）７を介して接続されている。
【００２８】
次に、図２および図３に示すように、この超電導限流器において超電導限流素子５および電流リード群７と極低温冷凍機６とは、クライオスタット３内の平面視で互いに占有部分が異なる領域Ａ，Ｂに局在配置されている。
【００２９】
すなわち、本実施形態では、超電導線材や超電導膜等からなる超電導限流素子５の常電導転移を利用して、電流の立ち上がり時の常電導転移と抵抗発生によって、過大な事故電流を抑制する超電導限流器において、超電導限流素子５を収納する概ね円柱形状のクライオスタット３の上面フランジに、交流３相用の超電導限流素子５に接続される３対の電流リード７と、超電導限流素子５を浸漬する液体窒素等の冷媒４の蒸発ガスを液化再凝縮する１台または複数台の極低温冷凍機６とが装備され、これら、３対の電流リードと極低温冷凍機６とが、例えばクライオスタット３の上面フランジ１４上でそれぞれ互いに他の占有部分と重複しないように局在配置される。
【００３０】
また、図３に示すように、超電導限流素子５と極低温冷凍機６とは、クライオスタット３内の平面視で中心に対して異なる片側領域Ａ，Ｂに配置されている。
【００３１】
具体的には、３対の電流リード７と極低温冷凍機６の両方が、上面フランジ１４の片側半円位置内には収まらないような位置関係に収容配置されている。
【００３２】
また、本実施形態では、超電導限流素子５と前記極低温冷凍機６とを、前記クライオスタット３内の平面視で２等分される領域に配置されている。
【００３３】
具体的には、３対の電流リードと極低温冷凍機６のそれぞれが、半円で２等分されるクライオスタット３の上面フランジ１４における異なる半円内に配置されている。
【００３４】
また、本実施形態では、超電導限流素子５の平面視中心点と極低温冷凍機６の平面視中心点とを、クライオスタット３内の平面視で２等分される互いに反対側の領域Ａ，Ｂに配置した構成となっている。
【００３５】
具体的には、３対の電流リード７の位置の上面フランジ１４上の幾何学的中心点と、極低温冷凍機６の位置の幾何学的中心点のそれぞれが、半円で２等分されるクライオスタット３の上面フランジ１４において互いに反対側の半円内に配置されている。
【００３６】
以上のように、系統電力のケーブル配線に相当する３相各２本の合計６本の電流リード７により構成される電流リード群は、クライオスタット３の上面フランジ１４（円板）上の片側に集中して配置され、１台または複数の冷凍機ヘッド部は、当該上面フランジのうち、電流リード群の配置されない部分に配置される。すなわち、電流リード群と１台または複数の群をなす極低温冷凍機６とは、それぞれ均一な空間的に均等割合での分布配置とはされず、それぞれに他の群と空間的に隔たった位置に局在配置される。
【００３７】
次に、作用を説明する。
【００３８】
超電導限流器は、系統事故の際にいち早く抵抗を発生させ、事故電流を第１波から限流抑制することを可能とする。限流時には超電導コイル等から構成される超電導限流素子５が抵抗を発生するため、超電導限流素子５を冷却している液体窒素等の冷媒４が発熱により蒸発する。また、平常時においては、２つの電力系統を連系すべく接続されるため、超電導限流器には、通常は常時所定の交流電流が流れ続ける。このため、超電導コイル等から構成される超電導限流素子５には、他の超電導機器とは異なり、超電導状態を保ちながらも絶えず交流損失が発生し、これに基づく熱が冷媒４に伝えられ、温度上昇や蒸発を定常的に続けることになる。
【００３９】
このように、超電導限流器に使用される超電導コイル等の超電導限流素子５は、定常的、および過渡的に発熱をしながら運転されることになり、液体窒素等の冷媒４に熱が伝えられながら、あるいは、冷媒４を蒸発させながら運転される。
【００４０】
超電導コイル等からなる超電導限流素子５に、連系される商用電源１０１の系統から数１００Ａ〜数１０００Ａの大電流を導通させる役割を持つのは電流リード７である。電流リード７には、大電流をできる限り抵抗とジュール発熱を少なく通電させるため、銅等の導電性のよい材質を使用し、ある程度の太さにして、電流密度が数Ａ／ｍｍ２程度以上にならないようにされている。
【００４１】
一方、電流リード７は常温の電力系統の電流端子と、極低温環境におかれる超電導限流素子５とを繋ぐため、極低温ステージには熱電導により常温側から絶えず熱が伝えられることになり、電流リード７は超電導限流素子５の側からの熱電導により常時発熱を続けることになるとともに、通電によるジュール発熱が加わって常時大きな発熱源となる。
【００４２】
このように、超電導限流器では、常時通電により電流リード７と超電導限流素子５による発熱が起こり、さらに事故時には常時よりも一層大きな発熱が主に超電導限流素子５により発生することになり、この熱が冷媒４である液体窒素等の液体に伝えられる。常時の発熱で冷媒４への入熱を抑制して冷却し、液化・再凝縮するために、極低温冷凍機６が使用される。この使用される冷凍機はギフォード・マクマホン（ＧＭ型）冷凍機や、パルスチューブ冷凍機等であるが、冷凍機ヘッドが通常は超電導限流素子５を収納する限流器用クライオスタット３に直接取り付けられる。
【００４３】
クライオスタット３は、限流した際の蒸発ガスによる圧力上昇を考慮し、また製作上の容易さ等も加味して、通常は、円筒状容器の上部に円板状のフランジを設けた構造である。電流リード７はこの円板状の上面フランジ上に垂直に常温部から極低温部に貫通する形で設置される。また、極低温冷凍機６のヘッドも、同じく円筒状容器の上部の円板状フランジ上に常温部から極低温部に貫通して設置される。
【００４４】
従来では、電流リード７は、クライオスタット３のフランジが円板形状である場合、フランジ内の円周上に回転対称に、すなわち円板の中心軸を中心とする円周上に、均等の角度間隔で配置される。これはリード間の絶縁距離を均等にできる限り大きくとることにより、詳細な絶縁設計検討や電解解析をする必要がなく、絶縁上安全な機器を構成することが可能であるためである。
【００４５】
また、極低温冷凍機６のヘッド部６ａは、電流リード７と組み合わせて使用する場合には、上述の電流リード７に対して中立位置となる上面フランジ１４の中心位置に設置される。これは、電流リード７からの距離が均等になることと、どの位置からでも配管類を引き出せるメリットを考慮しているためである。
【００４６】
前述のように、クライオスタット３の内部では、超電導コイル等の超電導限流素子５と電流リード７とが常時発熱するが、電流リード７と極低温冷凍機６の冷凍機ヘッドとを上述のような配置構成とすると、クライオスタット３内で、発熱の大きい電流リード７の常温部に近い部分ほど液体窒素等の冷媒４の温度が高くなり、また上部のガス空間１６の部分でも上位に行くほどガス温度が高くなる温度勾配が生じる。
【００４７】
この冷媒４である液体や上方のガスに温度勾配ができる現象は、電流リード７の材料である銅や銅合金の比抵抗が、温度が高くなるほど顕著に高くなる極低温のクライオスタット３でより顕著に現れ、電流リード７とともに、超電導コイル等で構成される超電導限流素子５が交流損失を生じる際に熱を伝える冷媒４が、ヘリウム等と比較して温度幅の広い液体窒素等である場合等に特に顕著に現れる現象である。
【００４８】
液体窒素の場合では、冷媒４である液体の上部と下部での温度差は１Ｋ以上になることもあるが、冷媒４内で温度勾配ができると、超電導コイル等により構成される超電導限流素子５の臨界電流が下部に行くほど大きくなってしまう。この結果、限流動作時に、上部に位置する素子が先に限流動作を始めるため、限流抵抗が当初所定の抵抗よりも小さくなってしまい、十分な限流効果が得られなくなってしまう可能性がある。
【００４９】
また、ガス空間１６においては、上部に行くほど温度が高くなるため、冷媒ガスの圧力も温度と共に上昇し、常時運転時におけるガスの圧力が設計値よりも高くなる可能性がある。さらに、冷媒容器内の上部ガス空間１６に高温ガスが滞留すると、電流リード７の温度が過度に上昇してしまい、通電電流にもよるが、導電部分の通電過熱によるリードの損傷等を引き起こす可能性もある。
【００５０】
また、本実施形態によれば、系統電力のケーブル配線に相当する３相各２本の合計６本の電流リード７により構成される電流リード群は、クライオスタット３の上面フランジ１４上の片側に集中して配置され、１台または複数の冷凍機ヘッド部６は、当該上面フランジ１４のうち、電流リード群の配置されない部分に配置される。
【００５１】
これに対し、本実施形態によれば、図２に示すように、電流リード群と１台または複数の群をなす極低温冷凍機６とは、それぞれ均等な分布配置ではなく、それぞれに他の群と空間的に隔たった位置に局在配置されている。これにより、クライオスタット３の内部では、電流リード群側では発熱が支配的となり、１台または複数の群の極低温冷凍機６側はクライオスタット３内で冷却が支配的となる。
【００５２】
この結果、クライオスタット３内では、液体窒素等の冷媒４の内部およびガス空間１６でも、リード群側では発熱により暖められた冷媒４の液体やガスが、図２に矢印ｃ１、ｄ１で示すように、体積の膨張により下から上に流れるようになり、極低温冷凍機６側では、冷凍機ヘッド６で冷却されたガスまたは冷媒４の体積縮小により、図２に矢印ｃ２、ｄ２で示すように、上から下に流れるようになる。クライオスタット３の上部のガス空間１６や冷媒４液面付近では、ガスや冷媒４は、温度上昇による圧力や体積が上昇したリード群から、凝縮や冷却により圧力や体積が減少した冷凍機側に向かって横向きに流れが起こり、同様にクライオスタット３の底部では、これらの流れに対応するように冷凍機群側からリード群側に向かって冷媒が流れる。
【００５３】
この結果として、クライオスタット３の内部では、冷媒４が大きく循環する流れが発生する。この大きな循環流のため、電流リード７側では、下部から絶えず冷却された温度の低い冷媒４が供給されて除熱され、昇温した冷媒４がリード表面から離脱・移動するため、冷却が加速されるとともに、電流リード７の温度が低下して抵抗が減少することにより、機器損失の低減効果も現われる。
【００５４】
電流リード７上部の冷媒４の液面付近における冷媒層やガス層の温度上昇したガスは、極低温冷凍機６側への流れにより滞留することがないため、温度上昇や圧力上昇が抑制される。これによって、上部での電流リード７の過熱による損傷が防止できるとともに、クライオスタット３の冷媒４やガスの温度均一性を向上させることができる。
【００５５】
クライオスタット３の極低温冷凍機６側では、冷却凝縮によって温度が下がり、圧力が低下した冷凍機ヘッド６ａへ向けて、電流リード７群側から絶えず暖められた冷媒４や蒸発ガスが送り込まれるため、冷凍機ヘッド６ａの低温部においては、冷却凝縮された冷媒ガスが常時表面から離脱して、冷凍機ヘッド６ａでの熱交換が促進され、冷凍効率が向上するとともに、下向きのガスおよび冷媒４の流れを促進し、さらに熱交換が促進される効果が得られる。
【００５６】
無誘導の超電導コイル等により構成される超電導限流素子５は、通常、冷媒４を収納するクライオスタット３の底部付近に設置される。素子が超電導コイルである場合には、３相分の超電導コイルは、クライオスタット３の円筒の中心軸に対称的に配置されることが多く、この場合は、無誘導超電導コイルの発熱はクライオスタット３の中心軸上に対称に発生することになるが、熱が伝えられた冷媒４や気泡は、上述の流れにより電流リード７側に導かれて、流れが一部偏るものの、流れを遮ることはない。
【００５７】
特に、電流リード７と超電導限流素子５の発熱を比較すると、電流リード７からの熱侵入および発熱の方が１桁近く大きいため、クライオスタット３内の流れをコイルの発熱が大きく変えることはない。
【００５８】
この傾向は超電導限流素子５の大電流化とともに、開発が始められている超電導導体の低交流損失化が進む一方で、電流リード７での発熱は物理形状と通電電流によってほぼ決まってしまい、今後顕著にこれが低減されることはないため、クライオスタット３内の本発明による流れは、大きく乱されることはない。
【００５９】
クライオスタット３の容器内径と超電導限流素子５の外径との関係で限流コイル全体の中心位置を偏心させることが可能な場合には、コイル中心位置を電流リード群側の下側に位置に近づけて冷凍機側から遠ざけて配置することにより、限流コイルも本来の大きな対流を形成し、均熱化と冷却特性の向上に寄与する構成とすることが可能である。
【００６０】
次に、クライオスタット３の上面フランジ１４に局在配置された電流リード群と、１台または複数台の極低温冷凍機６の冷凍機ヘッドは、限流器システムの構成機器の配置と、機器のメンテナンス性や、メンテナンス時の責務維持機能等に関して、特異な効果を発揮する。この構成および効果について、本発実施形態について図１および図２を参照して説明する。
【００６１】
図１および図２に示すように、需要家等が使用する超電導限流器１においては、クライオスタット３や冷凍機用コンプレッサ８等の超電導関連機器を含めた機器類がキュービクル２である標準の盤の内部に設置されることが必要である。キュービクル２内に収納された超電導コイルのクライオスタット３と極低温冷凍機用コンプレッサ８とは、極低温の摺動部等がある関係で、１年に１度程度以上の頻度で冷凍機の運転を止めてメンテナンスを実施することが必要である。
【００６２】
冷凍機の運転を数時間程度停止する場合、通常使われる液体窒素等の冷媒４は、通常の運転が沸点（７７Ｋ）における冷却の場合は、一部蒸発ガスをクライオスタット３外に放出しながらメンテナンスを実施することになるが、定常の沸点温度よりも温度を下げて（例えば６５Ｋまで下げて）運転している場合には、沸点までの昇温顕熱も利用して、比較的長時間にわたり、冷媒ガスの蒸発を防止しながらメンテナンスを実施することが可能である。
【００６３】
このような場合には、本実施形態の適用により、限流器を通電維持状態に保ったまま、すなわち系統事故が発生した場合に保護動作が可能な待機状態のままでメンテナンスを実施することが可能である。すなわち、本実施形態では、クライオスタット３は上面が開口するクライオスタット本体３ａと開口を塞ぐ蓋体としての上面フランジ１４とを備えており、この上面フランジ１４に超電導限流素子５および極低温冷凍機６が吊下されており、クライオスタット本体３ａと上面フランジ１４とはボルト１７等の締結具によって着脱可能に連結されている。
【００６４】
これにより、概ね円柱形状のクライオスタット３の上面フランジ１４が、ボルト１７等により、クライオスタット本体３ａに密封固定され、クライオスタット本体３ａから容易に切り離すことができる構造である。
【００６５】
また、本実施形態では商用電源１０１の系統と超電導限流素子５との間に遮断器９を備え、この遮断器９とクライオスタット３とは、キュービクル２内の平面視で異なる位置に配置され、遮断器９は、クライオスタット３内における極低温冷凍機６の配置領域よりも超電導限流素子５の配置領域側に近い配置とされている。すなわち、クライオスタット３が、キュービクル２内に収納されるとともに、キュービクル２内で限流保護対象である商用電源系統と当該超電導限流器のクライオスタット３の通電部分を接続するための、ボルトナット等によらず容易に着脱可能なコネクタが、極低温冷凍機６の配置領域よりもクライオスタット３の３対の電流リード７の配置領域側により近く配置されるよう設定されている。
【００６６】
また、クライオスタット３の外部に極低温冷凍機６のコンプレッサ８を備え、このコンプレッサ８とクライオスタット３とはキュービクル２内の平面視で異なる位置に配置され、コンプレッサ８は、クライオスタット３内における極低温冷凍機６の配置領域よりも超電導限流素子５の配置領域側に近い配置とされている。すなわち、クライオスタット３が、キュービクル２内に収納されるとともに、キュービクル２内で限流保護対象である電力系統と当該超電導限流器のクライオスタット３の通電部分を接続するための、ボルトナット等によらず容易に着脱可能なコネクタが装備されるとともに、冷凍機用のコンプレッサ８が、クライオスタット３の３対の電流リード７の配置領域側よりも極低温冷凍機６の配置領域により近く配置されるよう設置されている。
【００６７】
また、クライオスタット３の外部に電流リード７の断路器１８を備え、この断路器１８は、クライオスタット３の位置をその下部に設置したレール１９上でずらすことにより、断接の切り替えができる構造とされている。すなわち、ボルトナット等によらず容易に着脱可能なコネクタとしての断路器１８が、限流器用クライオスタット３と機械的に結合され、この限流器用クライオスタット３の位置をずらすことにより、当該コネクタの断接の切り替えができる構造となっている。
【００６８】
また、電力系統と超電導限流器とを接続する電流リード７等の通電導体、および極低温冷凍機６と、極低温冷凍機６のコンプレッサ８とを接続する配管２０は、それぞれキュービクル２内に配置され、かつ通電導体と配管２０とは、キュービクル２内の空間内にて互いに非交差配置とされている。
【００６９】
すなわち、クライオスタット３が、キュービクル２内に収納されるとともに、キュービクル２内で限流保護対象である電力系統と当該超電導限流器のクライオスタット３の通電部分を接続するための、ボルトナット等によらず容易に着脱可能なコネクタが装備されるとともに、冷凍機ヘッド６ａから冷凍機用のコンプレッサ８への接続配管や配線類が、クライオスタット３の３対の電流リード７と容易に着脱可能なコネクタへ接続される通電導体とが、空間的に交差しないようになっている。
【００７０】
また、キュービクル２の空間内で、遮断機９に対し、極低温冷凍機６の冷凍機ヘッド６ａおよびコンプレッサ８が離間配置されている。すなわち、クライオスタット３が、キュービクル２内に収納されるとともに、キュービクル２内で限流保護対象である電力系統と当該超電導限流器のクライオスタット３の通電部分を接続するための、ボルトナット等によらず容易に着脱可能なコネクタが装備されるとともに、当該コネクタに対して、極低温冷凍機ヘッド６ａと極低温冷凍機６用のコンプレッサ８が互いに近接していない。
【００７１】
また、遮断機９は図２に示すように、クライオスタット３の上面より高い位置に設置されている。すなわち、クライオスタット３が、キュービクル２内に収納されるとともに、キュービクル２内で限流保護対象である電力系統と当該超電導限流器のクライオスタット３の通電部分を接続するための、ボルトナット等によらず容易に着脱可能なコネクタが装備されるとともに、当該コネクタが、クライオスタット３の上面フランジ１４より高い位置に設置されている。
【００７２】
また、クライオスタット３は、限流動作により内部圧力が上昇して大気側の圧力より高くなっても、内部の蒸発した冷媒ガスが大気中に放出されることを阻止し得る密封構造とされている。すなわち、限流動作によるクライオスタット３内部の圧力が上昇大気側の圧力より高くなっても、内部の蒸発した冷媒ガスを大気中に放出させないようになっている。
【００７３】
また、キュービクル２内において、超電導限流素子５に接続される電流リード７の常温部分に通電される電流がある一定の電流値より小さいこと、または電流リード７の温度がある程度以下に下がったことのいずれかもしくは双方を判断基準として、空気が流れてこれが滞留しない構造となっている。すなわち、キュービクル２内において、交流３相用の超電導限流素子５に接続される３対の電流リード７の常温部分に通電される電流がある一定の電流値より小さいこと、またはリードの温度がある程度以下に下がったことのいずれかもしくは双方を判断基準として、図示しない対流発生手段により空気が流れてこれが滞留しない構造となっている。
【００７４】
次に、作用を説明する。上述のように、本実施形態では、電流リード群は、フランジ上で１台または複数台の冷凍機と空間的に離れた位置関係に配置されているため、リード群をゴム等やアクリル板等の絶縁材料により冷凍機群と隔離することにより、作業者から容易かつ確実に隔離して、作業者が安全に冷凍機群にアクセスすることが可能となる。これによって、限流器への通電状態を維持しながら冷凍機ヘッドのメンテナンスを実施することが可能になる。
【００７５】
冷凍機コンプレッサ８にも３年に一度程度の頻度でアドソーバー（吸着材）交換等によるメンテナンスの実施が必要であるが、本発明による冷凍機ヘッドの配置から冷凍機コンプレッサ８も電流リード群とは離れた方向に配管を引き出すように配置されているため、他の機器と干渉することなくコンプレッサ８をキュービクル２の内部において、または外部に引き出してメンテナンスを実施することが可能となる。このように、本発明の実施により、限流器の基本機能を維持したまま、極低温冷凍機６のメンテナンスを実施することが初めて可能となる。
【００７６】
クライオスタット３を故障等の理由でキュービクル２外にスライドさせてレール上で引き出す際には、引き出す側と反対側に配置された断路器が自動的に外れてクライオスタット３を電力系統から機械的に遮断するように構成される例もあるが、本発明の実施により、電流リード群が断路器と近い側に配置されているため、配線上も材料費が高い常温の導体の長さを短くすることと、安全装置がセットとなった断路器を装備することが可能となる。
【００７７】
冷凍機ヘッドや冷凍機コンプレッサ８をメンテナンスする際に、運用のしかたによっては、超電導限流器への通電を原則として止めるような場合もある。このような場合、メンテナンスを実施する際には限流待機状態を解除した上で実施することになるので、前述と同様に断路器を、引き出す側と反対側に配置することで、クライオスタット３を引き出すことにより断路器が自動的に外れてクライオスタット３を電力系統から機械的に遮断する構成とする。
【００７８】
引き出す方向と反対側に断路器があることにより、安全にクライオスタット３を系統回路から引き剥がすことが可能であるとともに、冷凍機ヘッドは引き出す側に位置するよう配置されているため、キュービクル２のドアを開けた側から作業性良く安全にメンテナンスを実施することが可能である。
【００７９】
限流待機状態（クライオスタット３への通電時の状態）を解除（バイパス側への切換え）しながら、系統回路を導通状態にし電力供給してメンテナンスを実施する必要のある系統も存在するが、その場合は、限流コイルの断路器を遮断する前に、バイパス回路で系統回路をバイパス導通させたのち、断路器を切り離すルーチンとして、雷等の事故電流の発生の心配のない気候時に、安全に冷凍機のメンテナンスを実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の一実施形態による超電導限流器を示す平面構成図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】クライオスタット内の超電導限流素子および冷凍機の配置構成を拡大して示す説明図。
【符号の説明】
【００８１】
１  超電導限流器
２  キュービクル
３  クライオスタット
４  冷媒
５  超電導限流素子
６  極低温冷凍機
７  電流リード
８  コンプレッサ
９  遮断器
１４  上面フランジ
１８  断路器
【図１】
2007317884.tif 000003
【図２】
2007317884.tif 000004
【図３】
2007317884.tif 000005