(57)【要約】【課題】限流動作時においても絶縁性能の低下を抑制できる超電導限流装置を提供する。【解決手段】円筒状の絶縁性巻枠３の外周面上でその巻枠の軸線方向に沿って超電導線材２が重層することなく複数巻回された超電導コイル５を巻枠３の外径を変えて複数用意し、これらを外径の寸法順に同心円状に所定の絶縁空間だけ離間配置して限流素子１とし、冷媒８で充填した断熱容器９内に配置した超電導限流装置１０において、隣接する１組の超電導コイル５は、相互に巻回方向が逆方向となるように巻回されて無誘導巻きコイルとされる。さらに、最外層の超電導コイル５−１から最内層の超電導コイル５−ｎまでが直列に接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の絶縁性巻枠の外周面上でその巻枠の軸線方向に沿って超電導線材が重層することなく複数巻回された超電導コイルを前記巻枠の外径を変えて複数用意し、これらを外径の寸法順に同心円状に所定の絶縁空間だけ離間配置して限流素子とし、当該限流素子を冷媒で充填した断熱容器内に配置した超電導限流装置において、
前記複数の超電導コイルのうち、隣接する１組の超電導コイルは、相互に巻回方向が逆方向となるように巻回されて無誘導巻きコイルとされ、さらに最外層の超電導コイルから最内層の超電導コイルまでを直列に接続されてなることを特徴とする超電導限流装置。
【請求項２】
前記無誘導巻きコイルと当該無誘導巻きコイルに隣接する無誘導巻きコイルとの間に、非線形素子を接続したことを特徴とする請求項１記載の超電導限流装置。
【請求項３】
円筒状の絶縁性巻枠の外周面上でその巻枠の軸線方向に沿って常電導線材が重層することなく複数巻回された常電導リアクトルコイルと、前記限流素子とを並列に接続し、これらを冷媒で充填した断熱容器内に配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の超電導限流装置。
【請求項４】
円筒状の絶縁性巻枠の外周面上でその巻枠の軸線方向に沿って常電導線材が重層することなく複数巻回された常電導リアクトルコイルと、任意の形状を有する超電導体とを並列に接続し、これらを冷媒で充填した断熱容器内に配置したことを特徴とする超電導限流装置。
【請求項５】
円筒状の絶縁性巻枠の外周面上に薄膜状の超電導線材が複数形成され、かつ前記超電導線材の表面上で当該超電導線材と交差させつつ、前記巻枠の外周面に沿って常電導線材が重層することなく複数巻回されていることを特徴とする超電導限流装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、臨界電流により超電導体が常電導体に相転移するクエンチ現象を利用して過電流を抑制する超電導限流装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
限流装置は、事故電流にてインピーダンスを発生し、事故電流を抑制する機器である。近年、大電流を流せる高温超電導体が線材として実用化されるようになり、高温超電導体を限流装置に適用することが検討され始めてきた。
【０００３】
高温超電導体を用いた抵抗型超電導限流装置では、巻枠の外周に超電導体を巻回して形成した超電導コイルを線路に直列に接続し、かつ超電導転移温度以下の温度に保つために冷媒中に浸漬される。この超電導限流装置の超電導コイルに流れる線路電流が超電導体の臨界電流を超えた時、超電導体のクエンチ（常電導転移）に伴う急激な抵抗値増加により、限流装置としての機能が生じる。
【０００４】
このような超電導限流装置では、限流動作時に超電導体が発熱し、上記冷媒が気化してコイル近傍が気液混合状態になる。気泡はコイルの絶縁性能を低下させてしまうので、限流装置に気泡が発生しても絶縁性能が低下しにくいコイルの構造とすることが不可欠になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２７４７５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のような抵抗型超電導限流装置の構造では、限流動作時に発生する気泡がコイル巻線間（ターン間）を橋絡するために、高い絶縁性能を維持することが出来ないという課題があった。
【０００７】
本発明の実施形態は、上記課題に鑑みてなされたものであり、限流動作時においても絶縁性能の低下を抑制できる超電導限流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】
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態は、円筒状の絶縁性巻枠の外周面上でその巻枠の軸線方向に沿って超電導線材が重層することなく複数巻回された超電導コイルを前記巻枠の外径を変えて複数用意し、これらを外径の寸法順に同心円状に所定の絶縁空間だけ離間配置して限流素子とし、当該限流素子を冷媒で充填した断熱容器内に配置した超電導限流装置において、前記複数の超電導コイルのうち、隣接する１組の超電導コイルは、相互に巻回方向が逆方向となるように巻回されて無誘導巻きコイルとされ、さらに最外層の超電導コイルから最内層の超電導コイルまでを直列に接続されてなることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の他の実施形態は、円筒状の絶縁性巻枠の外周面上でその巻枠の軸線方向に沿って常電導線材が重層することなく複数巻回された常電導リアクトルコイルと、任意の形状を有する超電導体とを並列に接続し、これらを冷媒で充填した断熱容器内に配置したことを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明の別の実施形態は、円筒状の絶縁性巻枠の外周面上に薄膜状の超電導線材が複数形成され、かつ前記超電導線材の表面上で当該超電導線材と交差させつつ、前記巻枠の外周面に沿って常電導線材が重層することなく複数巻回されていることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る超電導限流装置の構成例を示す概略図である。
【図２】第１の実施形態に係る超電導限流装置における超電導コイルの配置例を示す断面図である。
【図３】第２の実施形態に係る超電導限流装置の要部の構成を示す断面図である。
【図４】第３の実施形態に係る超電導限流装置の構成例を示す概略図である。
【図５】第４の実施形態に係る超電導限流装置の構成例を示す概略図である。
【図６】第５の実施形態に係る超電導限流装置の構成例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００１３】
［第１の実施形態］
（全体構成）
図１は、第１の実施形態に係る超電導限流装置の構成例を示す概略図である。本実施形態の超電導限流装置１０は、限流素子１を冷媒８で満たされたクライオ容器９に収納して構成されている。
【００１４】
限流素子１は、複数の超電導コイル５…からなり、例えば、最外層コイル５−１、中間層コイル５−ｎ／２、最内層コイル５−ｎというように、外径の異なる複数個の超電導コイル５…を同心円状に所定の絶縁空間を設けて配置して形成される。
【００１５】
任意の超電導コイル５は、絶縁体で円筒状の巻枠３の外周面上でその巻枠３の軸線方向に沿って、超電導線材２を螺旋状に、かつ重ね巻きをせずに多数巻回して形成されている。上記超電導線材２は、断面矩形状の薄膜超電導体を積層して形成される。また、巻枠３に巻回された超電導線材２の両端部には、超電導線材２の角部に集中する電界を緩和するために、電界緩和シールド電極７が配設される。
【００１６】
（超電導コイル５の配置例）
図２は、第１の実施形態に係る超電導限流装置における超電導コイルの配置例を示す断面図である。限流素子１は、図２に示すように、偶数個の超電導コイル５…で構成され、端部から順に隣り合う２個の超電導コイル（例えば、５−１と５−２）はインダクタンス値が同じで、互いに巻き方向が逆になる配置となっている。また、隣り合う２個の超電導コイル５で構成する無誘導巻きコイル６ａ，６ｂ，６ｃ・・・において、隣接する無誘導巻きコイル６同士の隣接側の超電導コイル５は、巻き方向が同じ方向となるように配置される。さらに、最外層コイル５−１から最内層コイル５−ｎまでが直列に接続されている。
【００１７】
なお、図２中のアルファベット記号はコイルの巻回方向を示し、Ｒは右巻き、Ｌは左巻きを示している。
【００１８】
（作用・効果）
第１の実施形態の超電導限流装置１０では、端部から順に隣り合う２個の超電導コイル（５−１，５−２）、・・・（５−（ｎ−１），５−ｎ）の巻回方向を逆にして無誘導巻き配置とし、インダクタンスが非常に小さい超電導コイル構成としたので、超電導コイル５を系統に直列に接続しても、エネルギー消費の非常に小さい超電導限流装置１０として機能する。
【００１９】
従って、本実施形態の超電導限流装置１０によれば、限流動作時に超電導体の発熱を抑制でき、これにより冷媒の気化による気泡の発生を抑え、絶縁性能の低下を抑制することができる。
【００２０】
［第２の実施形態］
（構成）
次に、第２の実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態の超電導限流装置の構成のうち第１の実施形態と同一部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００２１】
図３は、第２の実施形態に係る超電導限流装置の要部の構成を示す断面図である。図３に示すように、この超電導限流装置２０は、無誘導巻きコイル（６ａ，６ｂ）間、（６ｃ，６ｄ）間に、非線形素子２１を接続して構成されている。非線形素子２１は、例えばＺｎＯ（酸化亜鉛）などの材料で形成される。
【００２２】
非線形素子２１は、非直線性素子とも呼ばれ、ある閾値電圧まで電圧と電流の関係はオームの法則（直線性）に従うが、閾値電圧を超える電圧が発生すると、抵抗が急激に低下して導通状態となり電流が非直線的に増大する特性を有している。
【００２３】
（作用・効果）
この超電導限流装置２０では、超電導コイル５が事故時の短絡電流によりクエンチして抵抗が発生すると、夫々の超電導コイル５に電圧が発生し、これらのコイル体間に電位差が生ずる。
【００２４】
無誘導巻きコイル６間に配設した非線形素子２１の特性で決まる閾値電圧以上の電圧が発生すると、非線形素子２１が導通状態となり超電導コイル５が短絡状態となる。無誘導巻きコイル６を構成している一方の超電導コイル５が短絡状態になると無誘導特性が崩れて超電導コイル５はインダクタンス成分を持つようになる。
【００２５】
このため、超電導限流装置２０は、超電導コイル５のクエンチで生じた抵抗成分とこの超電導コイル５のインダクタンス成分との両方のインピーダンスで短絡電流を抑制する働きをする。これにより、超電導体に流れる電流が減少し、発熱による気泡発生を抑制できる。
【００２６】
従って、本実施形態の超電導限流装置２０によれば、限流動作時に冷媒の気化による気泡の発生を抑え、絶縁性能の低下を抑制することができる。
【００２７】
［第３の実施形態］
（構成）
図４は、第３の実施形態に係る超電導限流装置の構成例を示す概略図である。本実施形態の超電導限流装置３０は、超電導線材の代わりに常電導線材３２を用いた以外は第１の実施形態と同様に形成した常電導リアクトルコイル３１と、棒状の超電導体３３とを並列に接続し、冷媒８で満たされた断熱容器であるクライオ容器９に収納したものである。
【００２８】
（作用・効果）
この超電導限流装置３０では、常時運転時は超電導体３３に電流が流れるため、機器としてのインピーダンスは非常に小さいが、事故時に短絡電流が流れると超電導体３３はクエンチして抵抗が発生し、常電導リアクトルコイル３１にも電流が流れるようになる。
【００２９】
常電導リアクトルコイル３１は電流が流れるとインダクタンスの効果が現れるので、超電導体３３の抵抗と常電導リアクトルコイル３１のインダクタンスによる両者のインピーダンスで効率よく短絡電流を抑制することができる。また、短絡電流は常電導リアクトルコイル３１にも分流するので、超電導体３３に流れる電流が減少し、超電導体３３からの発熱による気泡発生を低減できる。
【００３０】
従って、本実施形態の超電導限流装置３０によれば、限流動作時に冷媒の気化による気泡の発生を抑え、絶縁性能の低下を抑制することができる。
【００３１】
［第４の実施形態］
（構成）
図５は、第４の実施形態に係る超電導限流装置の構成例を示す概略図である。本実施形態の超電導限流装置４０は、第３の実施形態の常電導リアクトルコイル３１と、第１の実施形態の限流素子１とを並列に接続し、冷媒８で満たされた断熱容器であるクライオ容器９に収納したものである。
【００３２】
（作用・効果）
この超電導限流装置４０では、常時運転時は限流素子１に電流が流れるため、機器としてのインピーダンスは非常に小さいが、事故時に短絡電流が流れると限流素子１中の超電導コイル５を構成する超電導線材２はクエンチして抵抗が発生し、また、インダクタンス成分を持つようになる。
【００３３】
一方、常電導リアクトルコイル３１にも電流が流れるようになり、常電導リアクトルコイル３１のインダクタンスの効果が現れる。このため、超電導コイル５の抵抗成分及びインダクタンス成分と、常電導リアクトルコイル３１のインダクタンス成分とによるインピーダンスで効率よく短絡電流を抑制することができる。また、短絡電流は常電導リアクトルコイル３１にも分流するので、限流素子１に流れる電流が減少し、超電導コイル５からの発熱による気泡発生を低減できる。
【００３４】
従って、本実施形態の超電導限流装置４０によれば、限流動作時に冷媒の気化による気泡の発生を抑え、絶縁性能の低下を抑制することができる。
【００３５】
［第５の実施形態］
（構成）
図６は、第５の実施形態に係る超電導限流装置の構成の一例を示す図である。本実施形態の超電導限流装置５０は、図４に示す第３の実施形態の常電導リアクトルコイル３１の常電導線材３２の巻回方向と直交する方向に、予め超電導線材４２を設けておき、超電導体と常電導コイルを一体化したものである。即ち、超電導限流装置５０は、巻枠３の外周面上で直線状に超電導線材４２を複数設け、この超電導線材４２を固定するように超電導線材４２の外表面に密着させて常電導線材３２を螺旋状に巻回し、超電導体と常電導コイルを一体化して形成したものである。
【００３６】
（作用・効果）
第５の実施形態の超電導限流装置５０では、超電導体と常電導コイルを並列一体化したコイル構成となっており、常時運転時は超電導線材４２に電流が流れるため、機器としてのインピーダンスは非常に小さくなっている。
【００３７】
事故時に短絡電流が流れると超電導線材４２はクエンチして抵抗が発生し、常電導リアクトルコイル３１の部分にも電流が流れるようになる。この常電導リアクトルコイル３１に電流が流れるとインダクタンスの効果が現れるので、超電導線材４２の抵抗と常電導リアクトルコイル３１のインダクタンスによる両者のインピーダンスで効率よく短絡電流を抑制することができる。また、短絡電流は常電導リアクトルコイル３１にも分流するので、超電導線材４２に流れる電流が減少し、発熱による気泡発生が低減できる。
【００３８】
従って、本実施形態の超電導限流装置５０によれば、限流動作差動時に冷媒の気化による気泡の発生を抑え、絶縁性能の低下を抑制することができる。また、超電導限流装置５０では、超電導線材４２が常電導線材３２で固定されているので、短絡電流が超電導線材４２を流れたときに大きな電磁力が発生しても超電導線材４２が巻枠３から外れることを防止することができる。
【００３９】
[他の実施形態]
（１）第２の実施形態（図３）では、無誘導巻きコイル（６ａ，６ｂ）間、（６ｃ，６ｄ）間に非線形素子２１を接続したが、図示しない無誘導巻きコイルを含めて全ての無誘導巻きコイル間に非線形素子２１を接続しても良いし、その一部のみに非線形素子２１を接続しても良い。
【００４０】
（２）第３の実施形態（図４）では、棒状の形状を有する超電導体３３を用いたが、超電導体３３の形状は限定されず、板状やコイル状に形成しても良い。
【００４１】
（３）第４の実施形態（図５）では、限流素子１と常電導リアクトルコイル３１とを外側に二つ配置して並列に接続したが、限流素子１の外径を常電導リアクトルコイル３１の外径より小さくして、常電導リアクトルコイル３１の内部に限流素子１を同心円状に配置しても良い。また、それとは逆に、常電導リアクトルコイル３１の外径を限流素子１の外径より小さくして、限流素子１の内部に常電導リアクトルコイル３１を同心円状に配置することもできる。
【００４２】
（４）以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４３】
１…限流素子
２…超電導線材
３…巻枠
５…超電導コイル
５−１…最外層コイル体
５−ｎ／２…中間層コイル体
５−ｎ…最内層コイル体
６、６ａ、６ｂ、６ｃ…無誘導巻きコイル
７…電界緩和シールド電極
８…冷媒
９…クライオ容器
１０、２０、３０、４０、５０…超電導限流装置
２１…非線形素子
３１…常電導リアクトルコイル
３２…常電導線材
３３…超電導体
４２…超電導線材
【図１】
2013247731.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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