(57)【要約】【課題】冷却液体中に発生する気泡に起因する超電導コイルと容器との短絡を防止できる超電導コイル装置を提供する。【解決手段】超電導コイル１０と、超電導コイル１０及び超電導コイル１０の超電導状態を維持する冷却液体２０を収納する容器３０と、超電導コイル１０の上面及び側面を覆って、容器３０内の冷却液体２０中に配置された導電性材料からなるシールド４０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイルと、
前記超電導コイル、及び前記超電導コイルの超電導状態を維持する冷却液体を収納する容器と、
前記超電導コイルの上面及び側面を覆って、前記容器内の前記冷却液体中に配置された導電性材料からなるシールド
とを備えることを特徴とする超電導コイル装置。
【請求項２】
前記超電導コイルが分割して前記冷却液体中に配置され、分割された前記超電導コイルそれぞれの上面及び側面が、複数の前記シールドによってそれぞれ覆われていることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイル装置。
【請求項３】
前記シールドを冷却する冷却システムを更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導コイル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導材料を用いた超電導コイルを冷却液体中に配置した超電導コイル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力需要の増大に伴って電力系統が大規模化しているため、短絡故障の際に流れる故障電流も増加している。このため、故障電流の大きさが遮断器の容量を超えないように、故障電流を抑制するための限流器の性能向上が求められている。例えば、超電導体の超電導状態と常電導状態間の転位（Ｓ／Ｎ転位）を利用する超電導限流器（ＳＦＣＬ）が提案されている。
【０００３】
超電導限流器として、超電導材料を用いた超電導コイルを冷却液体中に配置した超電導コイル装置を用いる方法が検討されている（例えば、特許文献１参照。）。超電導限流器は、通常時は超電導状態である超電導コイルが故障時に常電導状態に転位することにより、通常時は低インピーダンスであるが、故障時には高インピーダンスであるという限流器への要求を満たす。超電導コイルは、通常時に超電導状態を維持するために、液体窒素や液体ヘリウムなどの冷却液体中に配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２７３７４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
超電導コイル装置の超電導コイルが超電導状態から常電導状態に転位した場合に、超電導コイルに生じた電気抵抗と超電導コイルに流れる電流とによって、超電導コイルが発熱する。この超電導コイルの発熱によって冷却液体が蒸発し、気泡が発生する。
【０００６】
このため、超電導コイル装置において、冷却液体が蒸発して発生した気泡を介して超電導コイルと冷却液体を収納する容器とが短絡してフラッシュオーバーが起こり、絶縁破壊が生じるという問題があった。
【０００７】
上記問題点に鑑み、本発明は、冷却液体中に発生する気泡に起因する超電導コイルと容器との短絡を防止できる超電導コイル装置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】
【０００８】
本発明の一態様によれば、（イ）超電導コイルと、（ロ）超電導コイル、及び超電導コイルの超電導状態を維持する冷却液体を収納する容器と、（ハ）超電導コイルの上面及び側面を覆って、容器内の冷却液体中に配置された導電性材料からなるシールドとを備える超電導コイル装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、冷却液体中に発生する気泡に起因する超電導コイルと容器との短絡を防止できる超電導コイル装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る超電導コイル装置の構造を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る超電導コイル装置の模式的な平面図である。
【図３】超電導コイルと容器間に発生する気泡の例を示す模式図である。
【図４】本発明の実施形態に係る超電導コイル装置において気泡が発生した例を示す模式図である。
【図５】本発明の実施形態に係る超電導コイル装置の超電導コイルが分割されている例を示す模式図である。
【図６】本発明の実施形態に係る超電導コイル装置が冷却システムを有する例を示す模式図である。
【図７】本発明の実施形態に係る超電導コイル装置を超電導限流器に適用した例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１２】
本発明の実施形態に係る超電導コイル装置１は、図１に示すように、超電導コイル１０と、超電導コイル１０及び超電導コイル１０の超電導状態を維持する冷却液体２０を収納する容器３０と、超電導コイル１０の上面及び側面を覆って、容器３０内の冷却液体２０中に配置された導電性材料からなるシールド４０とを備える。
【００１３】
超電導コイル１０は、例えば円筒状の絶縁物１１の外周に超電導線材１２を巻きつけた構造である。一般に、超電導線材１２が電気抵抗のある状態（常電導状態）から超電導状態にＳ／Ｎ転位する温度を臨界温度という。また、超電導状態で超電導線材１２に流せる電流の大きさを臨界電流値という。
【００１４】
冷却液体２０は、例えば液体窒素や液体ヘリウムである。冷却液体２０は、その沸点が超電導コイル１０に使用される超電導線材１２がＳ／Ｎ転位する臨界温度以下である液体が採用される。このため、超電導コイル１０に流れる電流が臨界電流値未満である場合に、冷却液体２０中の超電導線材１２は超電導状態である。例えば、超電導コイル１０の超電導線材１２として液体窒素温度で超電導状態である高温超電導体を使用した場合には、冷却液体２０に液体窒素を採用できる。
【００１５】
容器３０は導電性材料からなり、使用時には接地される。冷却液体２０は絶縁物であるため、容器３０とシールド４０とは電気的に絶縁されている。
【００１６】
シールド４０には導電性の金属材料などが採用可能である。例えば、安価で軽量なアルミニウム（Ａｌ）などがシールド４０の材料に好適である。後述するように、超電導コイル１０の発熱によって冷却液体２０が蒸発して発生した気泡は、シールド４０の内側に留まる。
【００１７】
図２に、超電導コイル装置１の平面図を示す。図１は、図２のＩ−Ｉ方向に沿った断面図である。
【００１８】
シールド４０は、図２に示すように上方から見た形状は円形であり、図１に示すように側面から見た形状は逆Ｕ字型である。つまり、シールド４０は上面が閉ざされた中空の円筒形状であり、超電導コイル１０の上面及び側面を覆っている。なお、図１、２ではシールド４０の形状が円筒形状である例を示したが、気泡がシールド４０の内側に留まり、シールド４０の外側に気泡が漏れない形状であれば、シールド４０はどのような形状であってもよい。例えば、シールド４０が立方体形状であってもよい。
【００１９】
ここで、超電導コイル１０に過大電流が流れる場合を考える。例えば、超電導コイル装置１を用いた電力系統の短絡故障時などにおいて、超電導コイル１０に流れる電流の大きさが超電導コイル１０の臨界電流値を超えると、超電導コイル１０は超電導状態から常電導状態に転位する。その結果、超電導コイル１０に電気抵抗が発生する。超電導体に電気抵抗が発生する現象はクエンチと呼ばれている。
【００２０】
超電導コイル１０に電気抵抗が発生した場合、以下の式（１）に示す熱量Ｑが超電導コイル１０に発生する：
Ｑ＝Ｉ2×Ｒ×ｔ  ・・・・・（１）
式（１）で、Ｉは超電導コイル１０に流れる電流値、Ｒは超電導コイル１０に発生した電気抵抗の大きさ、ｔは超電導コイル１０に電流が流れる時間である。
【００２１】
超電導コイル１０での発熱により、超電導コイル１０の周囲で冷却液体２０が蒸発し、冷却液体２０内に気泡が発生する。気泡は、冷却液体２０中を上昇する。
【００２２】
容器３０は使用状態で接地されている。このため、例えば図３に示すように容器３０内にシールド４０が配置されていない場合には、超電導コイル１０に電圧が印加されている状態で超電導コイル１０と容器３０間で気泡２１が冷却液体２０中に発生すると、矢印で示すように気泡２１を介して超電導コイル１０と容器３０の側面との間が短絡されてフラッシュオーバーが起きる。
【００２３】
しかし、超電導コイル装置１では、超電導コイル１０の発熱によって超電導コイル１０の周囲に気泡２１が発生した場合に、図４に示すように、気泡２１と容器３０の側面との間には導電体のシールド４０が存在する。このため、超電導コイル装置１ではフラッシュオーバーが起こらない。
【００２４】
超電導コイル１０と容器３０間には、数万〜数十万Ｖの電位差が生じている場合も多く、超電導コイル１０の周囲に気泡２１が発生した直後にフラッシュオーバーが起こることがある。しかし、超電導コイル装置１においては、気泡２１と容器３０間にシールド４０が存在するため、超電導コイル１０の側面で気泡２１が発生した直後においてもフラッシュオーバーは起こらない。
【００２５】
また、超電導コイル装置１では、超電導コイル１０の上面及び側面全体を覆うようにシールド４０が設けられているため、超電導コイル１０の周囲で発生した気泡２１は冷却液体２０中で散らばらない。つまり、気泡２１は、シールド４０の内側を上昇し、シールド４０の上部の下方に集まる。シールド４０内に溜まった気泡２１は、周囲の冷却液体２０との熱交換などにより冷却され、再凝縮する。
【００２６】
したがって、気泡２１は超電導コイル１０とシールド４０との間に保持され、気泡２１が冷却液体２０の表面まで上昇することはない。このため、超電導コイル装置１では、超電導コイル１０と容器３０とが冷却液体２０の表面において気泡２１を介して短絡することはなく、フラッシュオーバーは起こらない。
【００２７】
更に、シールド４０と容器３０の間に気泡２１は存在しえない。このため、絶縁性の冷却液体２０によってシールド４０と容器３０の間の電気的な絶縁は保たれる。
【００２８】
なお、図５に示すように超電導コイル１０が、超電導コイル１０ａ〜１０ｃに分割して冷却液体２０中に配置されている場合は、超電導コイル１０ａ〜１０ｃそれぞれの上面及び側面が、シールド４０ａ〜４０ｃによってそれぞれ覆われる。
【００２９】
超電導コイル装置１がシールド４０の冷却システム５０を有する例を、図６に示す。図６に示した冷却システム５０は、容器３０の外部に配置された冷却装置５１と、シールド４０の上面に配置されて冷却装置５１に接続する冷却パイプ５２とを有する。
【００３０】
冷却装置５１によって冷却パイプ５２を冷却することにより、シールド４０を介して、シールド４０の下方に溜まった気泡２１を効率よく冷却できる。例えば、冷却液体２０が液体窒素である場合に、冷却パイプ５２を５０Ｋ程度に冷却することにより、気泡２１が過冷却される。これにより、気泡２１は液体に戻り、冷却液体２０の一部として容器３０内に収納される。そのため、シールド４０には熱伝導性のよい材料を使用することが好ましい。
【００３１】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る超電導コイル装置１では、超電導コイル１０の発熱によって冷却液体２０が蒸発して生じた気泡２１は、シールド４０の内側に溜められる。このため、気泡２１に起因する超電導コイル１０と容器３０間でのフラッシュオーバーは起こらない。つまり、冷却液体２０中に発生する気泡２１に起因する超電導コイル１０と容器３０との短絡を防止できる超電導コイル装置１を実現できる。
【００３２】
実施形態に係る超電導コイル装置１は、例えば図７に示す超電導限流器１００に使用される。超電導限流器１００について、以下に説明する。
【００３３】
図７に示した超電導限流器１００は、超電導コイル装置１と転流スイッチ２とが直列に接続され、超電導コイル装置１と転流スイッチ２の直列接続と並列に並列コイル３が接続された構成を有する分流型超電導限流器である。
【００３４】
既に説明したように、超電導限流器は超電導体のＳ／Ｎ転位を利用する限流器であり、通常時は低インピーダンスであるが、故障時には高インピーダンスである超電導コイル装置を使用する。また、超電導限流器１００では、過大電流が並列コイル３に流れるときに発生するエネルギーを用いて転流スイッチ２を開極することにより、超電導コイル装置１に流れる電流を遮断する。
【００３５】
転流スイッチ２には、例えば図７に示したような真空バルブ２１０と電磁反発板２２０を直列接続した構成を採用可能である。真空バルブ２１０は、超電導コイル装置１に接続する固定部２１１と、電磁反発板２２０に接続する可動部２１２とを有する。
【００３６】
超電導限流器１００の動作を以下に説明する。通常通電時は、超電導コイル装置１の超電導コイル１０は超電導状態にあり、超電導コイル装置１及び転流スイッチ２を介する電路に電流が流れる。短絡事故などによって超電導コイル装置１に過大電流が流れると、超電導コイル１０は超電導状態から非超電導状態（高抵抗状態）に転位する。その結果、超電導限流器１００は高インピーダンスになる。
【００３７】
また、通常状態では、真空バルブ２１０の固定部２１１と可動部２１２が接触し、転流スイッチ２に電流が流れる。しかし、過大電流が超電導コイル装置１に流れて超電導コイル１０が常電導状態になると、並列コイル３に過大電流が流れる。この場合に、並列コイル３との間に発生する電磁反発力によって、電磁反発板２２０が真空バルブ２１０から離れる方向に移動する。このため、真空バルブ２１０の固定部２１１と可動部２１２が分離して転流スイッチ２が開極し、超電導コイル装置１に電流が流れない。
【００３８】
つまり、図７に示した超電導限流器１００では、短絡故障時などに過大電流が並列コイル３に流れることによって並列コイル３に生じるエネルギーが、転流スイッチ２を開極させるエネルギーとして使用される。これにより、超電導コイル装置１に流れる電流を遮断することによって、超電導コイル装置１での消費エネルギーが低減される。
【００３９】
なお、並列コイル３に生じるエネルギーによって転流スイッチ２が開極するため、並列コイル３に流れる交流の半波程度の短時間で超電導コイル装置１に流れる電流が遮断される。
【００４０】
上記のように、超電導限流器１００には転流スイッチ２駆動用の外部電源が不要である。このため、超電導限流器１００は、転流スイッチ２の開極用の複雑な操作機構を必要とせず、かつ高速動作が可能である。
【００４１】
図７に示した超電導限流器１００において、例えば落雷や電力系統のケーブル間の接触などの故障により、臨界電流値以上の電流が超電導コイル装置１の超電導コイル１０に流れた場合、超電導コイル１０が超電導状態から常電導状態に転位する。その結果、超電導コイル１０が発熱し、超電導コイル１０の周囲で冷却液体２０が蒸発して気泡２１が生じる。しかし、発生した気泡２１と容器３０との間にシールド４０が配置されている超電導コイル装置１を超電導限流器１００に使用することにより、超電導コイル１０と容器３０間で起きるフラッシュオーバーを防止できる。このため、超電導限流器１００の信頼性を向上することができる。
【００４２】
都市部などの電力需要が伸びている地域の電力系統では、電源容量の増強によって短絡電流が既設電力機器の定格を超えることが予測される。このため、遮断器の遮断電流の増加や系統分割などによる対策が採られている。しかし、将来の短絡電流の増加に対しては、より根本的な対策として、超電導限流器の設置により短絡電流を抑制する方法も検討されている。超電導限流器が電力系統に適用されることになれば、系統保護遮断器の容量の増大や系統分離・再編成といった対策をとるためのコストが大幅に軽減される。そして、超電導限流器を電力系統に適用することにより、信頼性向上及び系統安定度確保などの有用な効果を期待できる。
【００４３】
本発明の実施形態に係る超電導コイル装置１を使用した例えば図７に示すような超電導限流器１００によれば、気泡２１に起因する超電導コイル１０と容器３０との短絡が防止された超電導限流器を、転流スイッチ２駆動用の外部電源なしで生成できる。このため、超電導限流器１００のコストが低減される。
【００４４】
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことはもちろんである。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００４５】
１…超電導コイル装置
２…転流スイッチ
３…並列コイル
１０…超電導コイル
１１…絶縁物
１２…超電導線材
２０…冷却液体
２１…気泡
３０…容器
４０…シールド
５０…冷却システム
５１…冷却装置
５２…冷却パイプ
１００…超電導限流器
２１０…真空バルブ
２１１…固定部
２１２…可動部
２２０…電磁反発板
【図１】
2012146821.tif 000003
【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６】
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【図７】
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