(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
RE系（REはY、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luおよびこれらの組み合わせ）酸化物超電導体を用いた限流素子において、REBa2Cu3O7-X中にRE2BaCuO5が微細分散した超電導バルク体を用いた超電導−常伝導転移型限流素子であって、前記超電導バルク体の少なくとも一部がダイヤモンド、サファイヤ、窒化アルミ、銅、銀又はアルミから選ばれる一種以上でコーティングされ、かつ、２個以上のシャント抵抗がある間隔で当該超電導バルク体と並列に電気的に接続されており、さらに、当該シャント抵抗がコイル状に巻かれており、これにより発生する磁場が周辺の前記超電導バルク体に印加されることを特徴とする限流素子。
【請求項２】
請求項１に記載の限流素子において、
さらに少なくとも前記超電導バルク体の一部が銀でコーティングされていることを特徴とする限流素子。
【請求項３】
請求項１に記載の限流素子において、
銀の上に銀よりも高い比抵抗を有する金属又は合金が銀の膜厚以上にコーティングされていることを特徴とする限流素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の限流素子が電気的に直列または並列に接続されていることを特徴とする限流器。
【請求項５】
REBa2Cu3O7-X（REはY、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luおよびこれらの組み合わせ）中にRE2BaCuO5が微細分散した酸化物超電導材料の少なくとも一部をダイヤモンド、サファイヤ、窒化アルミ、銅、銀又はアルミから選ばれる一種以上でコーティングしてから、発生する磁場が周辺の超電導バルク体に印加されるようにコイル状に巻かれた複数のシャント抵抗を電気的に接続することを特徴とする限流器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は酸化物超電導体を用いた限流素子、限流器およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電力回路で短絡事故が発生すると、極めて大きな短絡電流が流れる。短絡電流は遮断機によって遮断されるが、短絡電流によって強い電磁力と多量のジュール熱が発生し、電力機器や電路が大きな機械的・熱的損傷を受ける。このような事故発生時の短絡電流を抑えて、遮断機の責務を軽減する事故時限流器（限流器）の開発が望まれている。また、このような限流器は各種送配電系統の安定化に帰する効果は極めて大きく限流器の早期実現が期待されている。
【０００３】
限流器には多くの方式のものが提案されているが、現状では実用性の高いものは少ない。比較的広く用いられているものに限流リアクトル、永久ヒューズ、限流電線、アーク式限流器があるが、負荷電流通電時の電気抵抗が高く発熱が多いあるいは、応答が遅いため限流性能が低いという問題点がある。
【０００４】
限流器に要求される事項として、正常負荷通電時には電気抵抗が低く発熱が少ないこと、短絡事故時には応答が早くかつ電気抵抗が高くなることなどが挙げられる。この点で超電導体を用いた限流器は理想的なものと考えられる。超電導限流器には超電導・常伝導転移型、リアクトル型、整流型、コイル型等が提案されている。この中で超電導・常伝導転移型限流器は超電導体の超電導・常伝導転移を最も直接的に利用したものである。負荷電流通電時には、超電導体には臨界電流以下の電流しか流れていないので、超電導体の抵抗は極めて小さい。しかし、短絡事故が発生した場合には、超電導体には臨界電流以上の電流が流れ、超電導体が超電導状態から常伝導状態に転移して電気抵抗が発生する。この抵抗により短絡電流が限流される。この超電導・常伝導転移型限流器は他の方式の超電導限流器に比べて、構造が簡単で小型であるという特徴を持つ。
【０００５】
上記超電導限流器には、金属系超電導体と酸化物系超電導体を用いたものがある。金属系超電導体は、常伝導状態での電気抵抗が低く、装置全体が大型化してしまうことや液体ヘリウム温度近傍で使用する必要があるため運転コストが大きくなり、さらには断熱の点からも装置が大型化してしまうという問題があった。そのため、常伝導状態での電気抵抗が高く、かつ、コストの安い液体窒素で超電導状態を維持できる酸化物超電導体を用いた限流器の開発が期待されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
酸化物超電導材料を用いた超電導限流器には基板に薄膜の限流素子を形成した例（特開平2-281766）やバルクの焼結体を用いた例（平成７年電気学会電力・エネルギー部門大会予稿集p697）などが報告されている。薄膜を用いたものは臨界電流密度は高いものの断面積が小さいため実際の低圧系統で用いられるレベルの電流値までには達していない。一方焼結体は断面積は大きいが臨界電流密度が小さいため、同様のレベルにある。
【０００７】
また酸化物超電導体は比較的高温で使用されるため、４．２Ｋ近傍で用いられる金属系超電導線材にくらべ使用温度域での比熱が大きくなる。また熱伝導率は小さくなるため常伝導転移した部分が伝搬しにくく、局所的に高温になり溶断しやすい傾向にある。またこの溶断しやすい性質は酸化物超電導体が金属系線材に比較して、細線化および均一化しにくいことにも起因する。このように本発明はバルク超電導体を用いた溶断に対しての信頼性が高く、かつ高速でクエンチが均一に伝搬する限流素子、限流器およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）  RE系（REはY、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luおよびこれらの組み合わせ）酸化物超電導体を用いた限流素子において、REBa2Cu3O7-X中にRE2BaCuO5が微細分散した超電導バルク体を用いた超電導−常伝導転移型限流素子であって、前記超電導バルク体の少なくとも一部がダイヤモンド、サファイヤ、窒化アルミ、銅、銀又はアルミから選ばれる一種以上でコーティングされ、かつ、２個以上のシャント抵抗がある間隔で当該超電導バルク体と並列に電気的に接続されており、さらに、当該シャント抵抗がコイル状に巻かれており、これにより発生する磁場が周辺の前記超電導バルク体に印加されることを特徴とする限流素子。
（２）  （１）に記載の限流素子において、さらに少なくとも前記超電導バルク体の一部が銀でコーティングされていることを特徴とする限流素子。
（３）  （１）に記載の限流素子において、銀の上に銀よりも高い比抵抗を有する金属又は合金が銀の膜厚以上にコーティングされていることを特徴とする限流素子。
（４）  （１）〜（３）のいずれか１つに記載の限流素子が電気的に直列または並列に接続されていることを特徴とする限流器。
（５）  REBa2Cu3O7-X（REはY、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luおよびこれらの組み合わせ）中にRE2BaCuO5が微細分散した酸化物超電導材料の少なくとも一部をダイヤモンド、サファイヤ、窒化アルミ、銅、銀又はアルミから選ばれる一種以上でコーティングしてから、発生する磁場が周辺の超電導バルク体に印加されるようにコイル状に巻かれた複数のシャント抵抗を電気的に接続することを特徴とする限流器の製造方法。
前述のように、酸化物超電導体を用いた限流器を実現するには、高い臨界電流密度を有するバルク材が必要となる。このような材料にはＱＭＧと呼ばれる溶融法で作製された単結晶状バルク材料がある〔Physica C 235-240（1994）209-212〕。そこでまず、酸化物超電導体を転移型限流器に用いるにはREBa2Cu3O7-X中にRE2BaCuO5が微細分散した高臨界電流密度を有する超電導バルク体を用いることが重要である。
【０００９】
次に、常伝導転移時に溶断を防ぐ方法として超電導体を銀でコーティングし常伝導転移した部分の超電導体と電気的に並列の回路を設けることで溶断を回避することが重要である。このときのコーティングの厚さおよび面積は超伝導体の断面積との相対比較で、溶断を十分抑制できる範囲でかつ抵抗値を上げるために最小限に留めることが望ましい。膜厚は、超電導体のＪｃ特性および断面積によって変化するが、５ミクロン以上１００ミクロン以下が望ましい。
【００１０】
また、超電導体の表面を高い熱電導率を有する物質でコーティングすることによって、熱の拡散を大きくすることで温度上昇を抑制し溶断を回避することができる。これらのコーティングは超電導材の防湿等の保護膜の機能も果たす。高い熱電導率を有する物質としてはダイヤモンド、サファイヤ、窒化アルミのセラミックスや銅、銀、アルミの金属が挙げられる。電気抵抗を大きくする観点からはセラミックスコーティングが望ましい。
【００１１】
さらに、シャント抵抗をある間隔で超電導体と並列に電気的に接続されていることで銀とは別に常伝導転移した超電導部のバイパス回路を形成し溶断を回避することも重要である。また上記溶断を回避する方法を組み合わせ、かつこのような限流素子を電気的に直列および並列に接続しても有用であることはいうに及ばない。
【００１２】
【作用】
前述のように十分高Ｊｃを有するバルク材料を用いることは、所定の定格電流を超電導状態で抵抗無しに（交流の場合交流損失があるため、有限の抵抗値を有する）流すために必要である。また、限流素子を構成する超電導体の電流路断面を小さくすることができ、常伝導転移時の超電導体の単位長さ当たり抵抗値を大きくすることができるため、長さを短くすることができ、素子の小型化が容易になる。
【００１３】
一方、高Ｊｃを有する材料を用い線径を小さくした場合、超電導体のわずかな不均一が素子のクエンチ特性に大きく影響することになる。限流素子の超電導体が均一温度に冷却されていたとすると、大きな事故電流が流れた場合、有効断面積の小さい部分からクエンチの芽が発生しそれが伝搬して素子全体が常伝導転移し、限流動作をすることになる。不均一が大きいとクエンチの伝搬は遅くなり、さらには局部的に加熱され、ひいては溶断を招くことが多くなる。
【００１４】
このような溶断を回避するには、接触抵抗の小さな電極をつくり、かつ電流のバイパス回路を常伝導転移した超電導体と並列に形成することが有効である。このようなバイパスによって、異常電流の多くはクエンチした部分を迂回してバイパスを通るために、溶断を回避することか可能となる。Agがコーティングされた部分は適当な熱処理によって接触抵抗が１０-8ｍΩオーダーの良好な電極となる、また銀のコーティング自体バイパス回路となり溶断を抑制する働きを有する。
【００１５】
しかしながら、通電容量が大きい場合、銀のコーティングはバイパス回路として比較的断面積が小さくなってしまうため溶断を防ぐには不十分になることがある。この場合、銀のコーティングは主に電極として用い、超電導体と並列にバルクの抵抗体を接続することが望ましい。さらにこのとき抵抗体は超電導体と両端間で接合するのではなく、ある間隔ごとに電極を設けて電気的に接続することが望ましい。これは、図１、図２のようにある箇所でクエンチが起きた場合、図２では図１より小さな抵抗で結ばれたバイパス回路を構成することができるため、より効果的にクエンチ部を迂回させることができる。また、電流が迂回するときには電極部の接触抵抗により発熱が生じ、クエンチをより早く伝搬させる働きもする。さらにこのように超電導体と接触していないバイパス回路を構成することで、超電導体からの発熱を低くし、事故電流が十分小さくなった時（事故の回復時）の超電導状態への回復時間を短縮することが可能にできる。
【００１６】
さらにバイパス回路がコイル状になっているので、このコイルが発生する磁界によって超電導バルク体の臨界電流値は低下するため、クエンチが周辺の超電導バルク体におよび限流動作速度を高める働きをする。また複数の超電導バルク体同士が電気的に並列に接続され互いにバイパス回路を形成しているので、一つの超電導バルク体のクエンチにより電流分布が変化しクエンチが高速で伝搬することもある。この現象はクエンチした部分に電圧が集中するのを防ぎその結果溶断を抑制する働きがある。
【００１７】
また溶断を回避する方法としては、熱電導率の大きな物質をコーティング又は接触させることが有効である。このような物質はクエンチ部の熱を超電導体に沿って伝えることによって、溶断を防ぐとともにクエンチ速度を高める働きもある。
【００１８】
さらに図３のように抵抗値を高く保ちかつ溶断を効果的に防止する方法としては超電導体と接触する抵抗率の低い銀の膜厚を極力薄くし(0.1ミクロン以下、望ましくは0.02ミクロン以下)、銀の膜の上に銀よりも高い比抵抗を有する金属（金、ニッケル、錫、鉛、等）あるいは合金を銀の膜厚以上の厚さにコーティングすることが有効である。このような状況では、銀は主に酸化物超電導体との接触抵抗を低減するためにのみ用い、銀の上のコーティングを主にバイパス回路として用いる。
【００１９】
【実施例】
比較例
YBa2Cu3O7-x中にY2BaCuO5が微細分散した直径４６ｍｍ、高さ１５ｍｍの単結晶状の超電導バルク材料を図４の様に厚さ１ｍｍにスライスし、さらに切れ込み加工を行い電流路断面積が２ｍｍ2の超電導体を作製した。そののち銀ペーストを電極部のみに塗布し酸素気流中で一旦９００℃まで昇温し１０分保持した後、６００℃まで２時間で降温さらに室温まで２０時間かけて徐冷した。両端の電極部に半田により銅のリード線を接続した後、液体窒素中で冷却した。パルス電源を用いて図５の様な回路を作り限流器を通さない場合、最大１５００Ａの瞬時値の電流が流れるように回路を設定した。このような回路に限流器を接続してパルス通電したところ、電極から約１０ｍｍ離れたところで限流素子が溶断した。
【００２３】
このようにして作製した２つの超電導体を渦巻きの方向が一致するように重ね、厚さ０．４ｍｍの窒化アルミの絶縁体をスペーサーとしてはさみ、中心部の電極で二つの超電導体を接続した。また、両端の電極部に半田により２本の銅のリード線を接続した。さらにこの超電導体に20mmごとに抵抗体を接続した。これを液体窒素中で冷却し、500Aの臨界電流（Ic）を直流通電により確認した。またパルス電源を用いて図３の様な回路を作り限流器を通さない場合、最大1500Aの瞬時値の電流が流れるように回路を設定した。このような回路に限流器を接続してパルス通電したところ電流の最大値は900Aに限流されていることが分かった。またこの時限流素子の溶断は無かった。
【００２４】
実施例
図４の様な比較例と同様の形状を有するHo-Y系の超電導バルク材料を作製した。そののち銀ペーストを表面に塗布し酸素気流中で一旦９００℃まで昇温し１０分保持した後、６００℃まで２時間で降温さらに室温まで２０時間かけて徐冷した。このようにして作製した３つの超電導体を両端の電極部に半田により直列に接続し、さらに２本の銅のリード線を接続した。そしてこの超電導体に１５ｍｍごとに抵抗体でできた直径６ｍｍのコイルを接続し、隣接する超電導体に磁場が印加されるようにした。これを液体窒素中で冷却し、５００Ａの臨界電流（Ic）を直流通電により確認した。またパルス電源を用いて図５の様な回路を作り限流器を通さない場合、最大１５００Ａの瞬時値の電流が流れるように回路を設定した。このような回路に限流器を接続してパルス通電したところ電流の最大値は８５０Ａに限流されていることが分かった。またこの時限流素子の溶断は無かった。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、限流器の溶断を回避し、かつ迅速な限流動作を実現する限流器システムを提供することができ、その工業的効果は甚大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】一つのバイパス回路を有する限流素子
【図２】複数のバイパス回路を有する限流素子
【図３】銀のコーティングの上に比抵抗の大きい金属をコーティングした限流器
【図４】ミアンダ構造を有する超電導導体
【図５】通電実験に用いた電気回路
【図６】  (a) 渦巻き状超電導導体、(b) 渦巻き状超電導導体の断面の様子
【図１】
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【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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