(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統に接続された電力用導線で巻回された変圧器１次側と、超電導体線材が巻回された、超電導環境に置かれた変圧器２次側とからなり、前記１次側の異常電流による２次側超電導体線材の超電導状態から常電導状態への転移で生じた１次側インピーダンスで限流動作を行う、変圧器型超電導限流器において、
前記変圧器２次側の超電導体線材はワンターン環状線材とされて互い違いにミアンダ構造に複数巻回され、一のワンターン環状線材に隣接する他のワンターン環状線材との接続点から次のワンターン環状線材に対する接続点までの左右の距離が、略同距離となるようにされていることを特徴とする変圧器型超電導限流器。
【請求項２】
前記変圧器型超電導限流器は、前記電力系統の異常を検知して２次側超電導体を常電導状態に転移させる制御電流回路が、前記ミアンダ構造とした複数のワンターン環状線材に直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載した変圧器型超電導限流器。
【請求項３】
前記制御電流回路は前記電力系統の異常を検知する異常電流検出器と、パルス電流供給源と、前記異常電流検出器による前記電力系統の異常電流検出結果によりＯＮし、前記パルス電流供給源からのパルス電流を前記超電導体ワンターン環状線材に送るスイッチ回路とからなることを特徴とする請求項２に記載した変圧器型超電導限流器。
【請求項４】
前記制御電流回路は前記電力系統の異常を検知する異常電流検出器と、高周波電流源と、前記異常電流検出器による前記電力系統の異常電流検出結果によりＯＮし、前記高周波電流源からの高周波電流を前記超電導体ワンターン環状線材に送るスイッチ回路とからなることを特徴とする請求項２に記載した変圧器型超電導限流器。
【請求項５】
前記２次側超電導体線材は、液体分と固体分とが混在したスラッシュ冷媒により超電導状態とすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載した変圧器型超電導限流器。
【請求項６】
前記超電導体は、酸化物高温超電導体であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載した変圧器型超電導限流器。
【請求項７】
前記超電導体は、ＹＢａ２Ｃｕ３ＯｘまたはＢｉ２Ｓｒ２Ｃｕ３Ｏｘであることを特徴とする請求項６に記載した変圧器型超電導限流器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力系統における事故電流を抑制する変圧器型超電導限流器に係り、特に限流動作を行わせるための超電導体の超電導状態から常電導状態への転位を、制御電流により自由に行えるようにした変圧器型超電導限流器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力の自由化や分散電源の導入は世界的な傾向であり、消費者にとっては競争原理の導入で、電気料金の低価格化が可能となるので歓迎されている。また、電力の自由化でＩＰＰ（Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｒｏｄｕｃｅｒ：個人的電源設備）の大容量化が、さらに、今後普及が予想される自立型の地域電力ネットワークでは、内部に風力や太陽光、燃料電池など様々な分散電源が使われるものと予想される。
【０００３】
しかしながら反面、こういった自立型の地域電力ネットワークが電力会社の送電網に接続されることで生じる種々の危険性が指摘されている。すなわち現在の送電設備は、何処かに故障が発生しても系統の安定度を保つような制御をおこなってはいるが、こういった新電源設備や分散電源で構成される地域ネットワークの接続が増えると、場合によっては制御領域を越えてしまい、電力系統全体の危険性が増して、万一の事故で系統全体が不安定となって大規模な停電に繋がる可能性がある。
【０００４】
例えば図１０に示したように、電力会社の発電所２０Ｇａ、２１Ｇｂにつながる電力系統に、こういったＩＰＰ電源２４Ｇ０、２５Ｇ１や、内部にＩＰＰ電源２６Ｇ２を有する自立型の地域電力ネットワークがつながれた場合、２５Ｇ１や２６Ｇ２に事故が生じると、その電力系統に繋がれた電力消費地Ａ、Ｂにも影響が及ぶ。
【０００５】
電力系統に事故が生じた場合は事故点の電圧は零に近くなり、発電側からその点へ通常より１桁以上大きい短絡電流、或いは地落電流が流れ込む。この電流によって系統機器が損傷を受けないよう、通常は遮断器で事故点を系統から切り離すが、遮断器は中央指令所からの指令を受けて遮断を終了するまでに略０．１秒の時間が必要であり、短時間の間、故障電流が系統に流れてしまうということと、遮断器には定格電流があって定格以上の電流が流れる場合には使用することができない。従って遮断器を使用する場合、事故電流がその容量を超えてしまわないように機器配置をしなければならない。
【０００６】
こういった問題を回避するため、遮断器技術を今以上に高信頼、高速にする必要があるが、遮断器が対応できない短時間の間、故障電流を抑制する限流器の存在が極めて重要になっている。すなわち、図１０に示した系においても、発電所２０Ｇａ、２１Ｇｂを接続する系統に遮断機と限流器（ＦＣＬ）１０３、１０４を接続したり、ＩＰＰ電源２５Ｇ１や２６Ｇ２を有する自律分散系２７に限流器１０１、１０２を介して電力系統につながれていれば、故障の影響が全域に及ぶ事がなくなるわけである。
【０００７】
しかしながら限流器は、電力会社自体にとっては設置するメリットが小さい。また、直列機器であるため電圧降下が生じ、大電流を制御するため電力用半導体素子が必要となるがそのために機器が高価となり、逆に安価な非半導体素子式の限流器では限流動作を自由に制御できない、などの問題がある。また、限流器に電力用半導体素子を使う場合、素子が高価なので限流器だけの使用例は殆ど無く、通常は位相や周波数、電圧、電流等、あらゆるパラメータを制御する回路と共に用いられるのが一般的である。仮に限流器回路のみをＳＣＲ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯなどの電力用半導体素子で構成する場合、バイパス抵抗を用いて限流動作時に故障電流がパイパス抵抗を流れるようにして抑制する方法になるが、万が一の事故対策にだけ高価な電力用半導体素子を用いるのでは経済性が全く成立しない。
【０００８】
そのため、電力用半導体素子を用いない限流器が注目されていて、例えば最も簡単な半導体素子を使わない限流器として、直列接続した数ｍＨ程度の値のリアクトルがある。このリアクトルは限流リアクトルとも呼ばれ、磁気飽和が生じないようにヨークにギャップを設けるのが普通である。しかしながら、限流リアクトルは常に電圧降下を生じるため、その分、電源の電圧を上げる必要がある。
【０００９】
正常動作時には電圧降下が生じない限流器としては、アーク駆動式限流器と超電導限流器がある。アーク駆動式限流器は基本的にはバイパス抵抗を有する遮断器であり、故障電流を遮断器で遮断し、その時に発生するアークを消去しながら、電流をバイパス回路に流して故障電流を抑制する方法である。このアーク駆動方式限流器の場合、小型・軽量化が容易であり、しかも常温動作するので既に小規模のものは実用段階にある。しかし機械的な遮断動作があるために不安が残り、万一、遮断動作が不調でも、大事故に繋がらないような系統に利用されていることが多い。
【００１０】
一方の超電導限流器は超電導体の臨界電流特性を利用し、臨界電流値以下の電流であればゼロ抵抗だが、臨界電流値以上の過大電流が流れると超電導体が常電導に転位することで発生した抵抗が故障電流を抑制する方法である。超電導限流器は、冷却系を含めた装置の何処に不調があっても必ず限流動作状態になるセルフセーフ機能を有しており、信頼性が高いので、これまでにも多種多様な超電導限流器が提案されている。その中で代表的なものは、超電導体に直接電流を流して動作させる抵抗転位型限流器と、変圧器の２次側の超電導体を常電導転位させる変圧器型超電導限流器である。
【００１１】
抵抗転位型超電導限流器は構造も原理も簡単だが、超電導体に高電圧が掛かるので、低温電気絶縁の問題が常に最重要課題になる。そこで冷却材には密度が均一な液体窒素冷却が使われる。しかし限流動作時には超電導体の発熱で必ず気液混合状態になるため、セラミックスやＦＲＰなどの固体絶縁体で電気絶縁を確保する必要があり、クライオスタット設計が難しい。変圧器型超電導限流器では超電導体に高電圧が掛からないので、低温電気絶縁の問題は回避できる。
【００１２】
超電導限流器はセルフセーフ機能を有して信頼性が高いが、限流動作が超電導体の臨界電流値だけで決まるため、これまでの方式では限流動作設定条件を自由に調整・制御できない不便さがある。空心変圧器の場合、１次コイルと２次コイルの磁気結合を調整して限流動作条件を調製する方法も有り得るが、このような調整法では、相互インピーダンスの影響を完全にキャンセルできないから、正常動作時でも常に電圧降下が発生して超電導限流器の良さを失ってしまう。
【００１３】
こういった変圧器型超電導限流器については、例えば特許文献１に断熱槽内に１次コイルを固定的に設け、２次コイルを２次コイル吊りフランジおよび２次コイル吊り棒で上下移動可能に構成し、２次コイルを冷媒で冷却した状態で１次コイルに対して軸方向に移動させて、限流器としての動作電流を調整する限流器が示されている。
【００１４】
また特許文献２に示された変圧器型限流方法及び限流器では、常電導の変圧器を用いて１次側を高電圧に、２次側を低電圧に設定し、この変圧器の２次側に、大面積の絶縁体基板上に作製した高臨界電流密度と常電導時の高抵抗率を有する、高温超電導酸化物薄膜の限流素子を接続して高電圧電気絶縁は常温の変圧器１次側コイルに、超電導限流素子に２次側の低電圧・大電流の制御作用を分担させる。そして事故により１次側の電流が増大することで２次側電流が増大し、２次側超電導体が超電導から常電導に変化することで、１次側に大きなインピーダンスが発生することを利用して限流動作を行わせ、超電導素子の熱負荷を軽減して高価な大面積超電導薄膜を使った限流素子の使用量をできるだけ減らして、高電圧対応可能な低価格の限流器を実現できるとしている。
【００１５】
また本願出願人は、限流器そのものの構造ではないが特許文献３において、例えば酸化物高温超電導体の臨界電流を大きくするため、超電導限流器の冷却に、液体分と固体分とが混在したスラッシュ冷媒を用いることを提案している。
【００１６】
さらに特許文献４には、超電導材料の相転移によるインピーダンス変化を利用した誘導型の限流器と、所定電圧以下の電圧が印加されたときは比較的高抵抗を示し、前記所定電圧を超えると急激に抵抗値が低下する特性を持つ、例えばバリスタなどの非線形抵抗素子と抵抗との直列回路とを備え、誘導型の限流器と直列回路とが並列接続された故障電流限流器が提案されている。
【００１７】
【特許文献１】特開平１１−０８９０８５号公報
【特許文献２】特開２００２−２６２４５０号公報
【特許文献３】特開２００６−０５２９２１号公報
【特許文献４】特開２００６−２９５９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、特許文献１に示された限流器は、２次コイルを冷媒で冷却した状態で１次コイルに対して軸方向に移動させる機構が必要であり、限流器としての動作電流を調整することは可能であるが、構成がそれだけ複雑になるし、正常動作時の電圧降下もゼロにできなくなる。また特許文献２に示された限流器も、限流動作点を自由に設定・調整することが難しく、また、超電導薄膜に流れる２次側電流は常電導転移直後に小さい値に限流されて焼損することはないが、常電導から超電導に戻すのにはある程度の時間が必要である。
【００１９】
さらに特許文献３に示された装置は、酸化物高温超電導体の臨界電流を大きくするための超電導限流器の冷却方法に関するもので、限流器の構造に関するものではなく、特許文献４に示された限流器は誘導型の限流器と非線形抵抗素子を組み合わせたもので、限流器そのものの構造に関しての開示はない。
【００２０】
そのため本発明においては、簡単、安価な構成で低温電気絶縁の問題を回避でき、かつ、限流動作設定条件を自由に調整・制御できると共に、超電導状態から常電導状態に転移して限流動作が行われた後、超電導体を、常電導状態から超電導状態に短時間で復帰させることもできる変圧器型超電導限流器を提供することが課題である。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を解決するため本発明になる変圧器型超電導限流器は、
電力系統に接続された電力用導線で巻回された変圧器１次側と、超電導体線材が巻回された、超電導環境に置かれた変圧器２次側とからなり、前記１次側の異常電流による２次側超電導体線材の超電導状態から常電導状態への転移で生じた１次側インピーダンスで限流動作を行う、変圧器型超電導限流器において、
前記変圧器２次側の超電導体線材はワンターン環状線材とされて互い違いにミアンダ構造に複数巻回され、一のワンターン環状線材に隣接する他のワンターン環状線材との接続点から次のワンターン環状線材に対する接続点までの左右の距離が、略同距離となるようにされていることを特徴とする。
【００２２】
このように、変圧器２次側の超電導体線材としてワンターン環状線材を用いたことで、変圧器２次回路の環状電流に対してはそれぞれのワンターン環状線材が並列動作し、変圧器動作には影響を与えずに限流動作をおこなわせることができる。
【００２３】
また、前記変圧器型超電導限流器は、前記電力系統の異常を検知して２次側超電導体を常電導状態に転移させる制御電流回路が、前記ミアンダ構造とした複数のワンターン環状線材に直列に接続されていることで、２次側超電導体に制御電流を流すとそれぞれのワンターン環状線材には制御電流が、入力点から他のワンターン環状線材への接続点まで左右略同距離を流れることになるから、変圧器２次回路の環状電流に対して影響を与えることなく、すなわち変圧器動作には影響を与えず、２次側超電導体を常電導状態に転移させることができ、それにより、限流動作点を自由に制御できる変圧器型超電導限流器とすることができる。
【００２４】
そして、前記制御電流回路は前記電力系統の異常を検知する異常電流検出器と、パルス電流供給源と、前記異常電流検出器による前記電力系統の異常電流検出結果によりＯＮし、前記パルス電流供給源からのパルス電流を前記超電導体ワンターン環状線材に送るスイッチ回路とで構成したり、前記制御電流回路は前記電力系統の異常を検知する異常電流検出器と、高周波電流源と、前記異常電流検出器による前記電力系統の異常電流検出結果によりＯＮし、前記高周波電流源からの高周波電流を前記超電導体ワンターン環状線材に送るスイッチ回路することで、非常に簡単な回路で２次側超電導体を常電導状態に転移させることができる。
【００２５】
さらに、前記２次側超電導体線材は、液体分と固体分とが混在したスラッシュ冷媒により超電導状態とすることで、例えば固体・液体・気体が共存するスラッシュ窒素、或いはスラッシュ・アルゴン、スラッシュ・ネオン、スラッシュ・水素などを用いると、例えばスラッシュ窒素では温度が約６３ｋと液体窒素の７７ｋに比べて低温となり、超電導体の臨界電流が液体窒素に比べて５０％ほど増加する。超電導体に交流を流すと、あたかも有限な抵抗が存在するかのように超電導体にはヒステリシス損失が発生するが、流す電流が同じならばスラッシュ窒素冷却運転では交流損失を４０％程度軽減できる。
【００２６】
そして、前記超電導体は、酸化物高温超電導体であり、前記超電導体は、ＹＢａ２Ｃｕ３ＯｘまたはＢｉ２Ｓｒ２Ｃｕ３Ｏｘであることが本発明の好適な実施形態である。
【発明の効果】
【００２７】
以上記載のごとく本発明になる変圧器型超電導限流器は、変圧器２次側の超電導体線材をワンターン環状線材としたことで、変圧器２次回路の環状電流に対してはそれぞれのワンターン環状線材が並列動作し、変圧器動作には影響を与えずに限流動作をおこなわせることができる。また、複数のワンターン環状線材をミアンダ構造として制御電流回路を接続し、変圧器２次側の超電導体線材を常電導状態に転移させる限流動作点を制御電流により自由に制御できるようにしたから、変圧器動作には影響を与えずに任意に２次側超電導体を常電導状態に転移させることができ、限流動作設定条件を自由に調整・制御できる。
【００２８】
さらに、変圧器２次側の超電導体線材の冷却に、液体分と固体分とが混在したスラッシュ冷媒を用いるようにしたことで、限流動作が行われた後に常電導状態から超電導状態に復帰させることも短時間で行うことができ、かつ、簡単、安価な構成で低温電気絶縁の問題をも回避した変圧器型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】
【００２９】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【実施例１】
【００３０】
図１は、本発明になる変圧器型超電導限流器１０の基本構成を示す図、図２は変圧器型超電導限流器１０における、磁気ヨーク１９に巻回したワンターン環状線材（以下、ワンターンコイルと略称する）１３の概念を説明するための図で、（Ａ）は各ワンターンコイル１３における電流の流れを説明する便宜上、各ワンターンコイル１３をずらして上面から見た図、（Ｂ）は同じく電流の流れを説明するためワンターンコイルを斜めから見た図、図３は変圧器型超電導限流器１０における、超電導体ワンターンコイル１３を常伝導状態に転移させる制御電流回路１６の例のブロック図であり、（Ａ）は高周波電流回路で構成した場合、（Ｂ）はコンデンサ放電方式で構成した場合である。
【００３１】
図中、１０は本発明になる変圧器型超電導限流器、１１は磁気ヨーク１９に巻回された２次側ワンターンコイル１３を超電導状態におくため、例えばスラッシュ窒素、スラッシュ・アルゴン、スラッシュ・ネオン、スラッシュ・水素などの液体分と固体分とが混在したスラッシュ冷媒１２を用いて冷却するクライオスタット、１４は変圧器１次側に接続される電力系統、１６は本発明になる変圧器型超電導限流器１０における２次側ワンターンコイル１３を常電導状態に強制転移させるための制御電流回路、１７、１８はその制御電流の配線である。
【００３２】
本発明になる変圧器型超電導限流器は、変圧器を構成する磁気ヨーク１９における１次側巻線コイル１５に電力系統１４が接続され、２次側（低電圧側）には図２に示したように、例えばＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７超電導体のテープ線材（Ｙ系超電導テープ線材）や、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘのテープ線材（Ｂｉ系超電導テープ線材）等の高温超電導体、あるいは薄膜高温超電導体で作られた複数のワンターンコイル１３１、１３２、１３３、……１３ｎ等が巻回されて、制御電流回路１６が直列に接続されている。
【００３３】
変圧器２次側（低電圧側）の複数のワンターンコイル１３１、１３２、１３３、……１３ｎは、各ワンターンコイル１３をずらして上面から見た図２（Ａ）、及びワンターンコイル１３を斜めから見た図２（Ｂ）からわかるように、例えばワンターンコイル１３１における制御電流回路１６への接続点１７と隣り合うワンターンコイル１３２への配線１３ａ、この配線１３ａと次のワンターンコイル１３３への配線１３ｂ、……がそれぞれ互い違いに略１８０度ずれた位置、すなわち接続点１７から接続点１３ａまでの左右の距離、配線１３ａと配線１３ｂまでの左右の距離、……がそれぞれ略等距離となるようにしてミアンダ構造に接続されている。
【００３４】
そのため、制御電流回路１６から配線１７でワンターンコイル１３１に送り込まれた電流は、ワンターンコイル１３１の入力端１７から左右両側に分かれて配線１３ａに向け、矢印３０１で示した経路で流れて次のワンターンコイル１３２でも、同じく左右両側に分かれて配線１３ｂに向けて矢印３０２で示した経路で……、という具合に、それぞれのワンターンコイル１３１、１３２、１３３、……１３ｎを左右半周ずつ流れ、配線１８から制御電流回路１６に戻るようになっている。
【００３５】
そのため、このワンターンコイル１３１、１３２、１３３、……１３ｎは変圧器の２次巻線としては、図２（Ｂ）に３１で示した１次側の電流により誘起される環状電流に対し、それぞれのワンターンコイル１３１、１３２、１３３、……１３ｎが並列動作するために変圧器動作には影響を与えず、ワンターンコイル１３を構成する超電導体を、制御電流回路１６から送られる小さな制御電流で超電導状態から常電導状態へ転移させることができる。
【００３６】
いま、変圧器型超電導限流器１０における磁気ヨーク１９で構成される変圧器を理想変圧器とし、１次側巻線コイル１５の１次側自己インダクタンスをＬ１、導体抵抗をｒ１、２次側ワンターンコイル１３の２次側自己インダクタンスをＬ２、ワンターンコイル１３の常電導時における抵抗をＲｘ、Ｌ１、Ｌ２の相互インダクタンスをＭ、磁気結合係数をｋ、１次、２次側の電流をそれぞれＩ１、Ｉ２、１次側電源電圧をＥ０、電源周波数をωとすると、次の（１）式が成立する。
【数１】
0005039985.tif 000002
【００３７】
ここでｄＩ／ｄｔ＝ｊωＩと置き換えて上記（１）式を解くと、１次側のインピーダンスＺ１は下記（２）式で求めることができる。
【数２】
0005039985.tif 000003
仮に１次と２次の磁気結合が１００％（ｋ＝１）であれば、この（２）式はさらに簡単に下記（３）式となる。
【数３】
0005039985.tif 000004
【００３８】
ここで２次側が超電導状態であれば、Ｒｘ＝０なのでＺ１＝ｒ１となる。一般的にｒ１は充分小さいので無視するとＺ１≒０となり、１次側に電圧降下は生じない。しかし、２次側の超電導ワンターンコイル超電導状態から常導電状態に転移し、Ｒｘ≠０となると（３）式のインピーダンスが出現し、１次側にΔＶ＝Ｚ１・Ｉ１の電圧降下が生じて故障電流を抑制する。
【００３９】
また、本発明になる変圧器型超電導限流器１０は、２次側ワンターンコイル１３を超電導状態にするためのクライオスタット１１の冷却に、液体分と固体分とが混在したスラッシュ冷媒１２、例えばスラッシュ窒素、或いはスラッシュ・アルゴン、スラッシュ・ネオン、スラッシュ・水素などを用いる。このうち通常の液体窒素は７７ｋであるが、このように液体分と固体分とが混在したスラッシュ窒素では３重点状態の６３ｋの液体であり、例えば横軸にエントロピー、縦軸に温度（単位：ｋ）を示した図４のように、固体領域の点ａから液体領域の点ｂまでの融解熱と、蒸発点ｈｃと液化点ｈｂとの（ｈｃ−ｈｂ）の過冷却エンタルピー量、更にＴΔＳの蒸発潜熱の全てが使えるので、大きな冷却能力を有している。
【００４０】
変圧器型超電導限流器１０では、２次側の超電導体に常に交流電流が流れるが、超電導体に交流を流すと、あたかも有限な抵抗が存在するかのように超電導体にはヒステリシス損失が発生する。このヒステリシス損失は交流損失とも呼ばれ、δを超電導体の厚み、Ｉｍを最大電流値、交流損失をＰａｃ、臨界電流値をＪｃ、周波数をｆとすると、交流損失をＰａｃは下記（４）式で表すことができる。
【数４】
0005039985.tif 000005
【００４１】
この（４）式から、交流損失Ｐａｃは周波数ｆと最大電流Ｉｍの３乗に比例し、臨界電流値Ｊｃに反比例することがわかるが、上記したようにスラッシュ窒素は６３ｋと液体窒素の７７ｋに比べて低温なので、横軸に臨界電流密度（単位：Ａ／ｃｍ２）、縦軸に温度（単位：ｋ）を取り、例えばＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７薄膜高温超電導体の臨界電流を示した図５に示すように、臨界電流密度が５０％ほど増加し、これは電流Ｉｍが同じならば、スラッシュ窒素冷却運転で交流損失を４０％程度軽減できることを意味する。
【００４２】
しかし逆に、スラッシュ冷媒１２を用いて超電導体状態を常伝導状態に転移するための臨界電流値が大きくなると、限流動作を開始するためにそれだけ大きな故障電流が必要となる。そのため本発明の変圧器型超電導限流器１０では、故障電流を検出してこの検出信号から超電導ワンターンコイル１３を常電導状態に転位させ、限流動作を開始させる制御電流回路１６を用いて限流器の動作設定条件を自由に調整できるようにした。
【００４３】
その回路例が図３であり、（Ａ）はこの制御電流回路１６を高周波電流回路で構成した場合、（Ｂ）はコンデンサ放電方式で構成した場合である。まず図３（Ａ）において、１３は図１、図２に示した２次側ワンターンコイル、１４は電力系統からの電流、４０は高周波電源、４１は例えばサイリスタなどのスイッチングデバイス、４２は電力系統の過電流検出器、４３は高周波トランス、４４はコンデンサ、ＬＨ１、ＬＨ２は高周波トランス４３の１次側、２次側のインピーダンスであり、２次側超電導ワンターンコイル１３は、その抵抗をＲとしたとき、高周波トランス４３における２次側のインピーダンスＬＨ２とＣを高周波電源４０の周波数に共振させるように設定する。
【００４４】
今、電力系統からの電流１４が異常電流となり、それを電力系統の過電流検出器４２が検出するとスイッチングデバイス４１がＯＮとなり、高周波電源４０からの高周波が高周波トランス４３を介してコンデンサ４４、本発明の変圧器型超電導限流器１０におけるミアンダ構造に直列接続された２次側ワンターンコイル１３に印加される。
【００４５】
すると前記（４）式に示したように、高周波電源４０からの高周波の周波数ｆと最大電流Ｉｍの３乗に比例し、臨界電流値Ｊｃに反比例した交流損失Ｐａｃが発生し、その熱によってワンターンコイル１３は瞬時に常伝導状態に転移し、１次側に前記（３）式によるインピーダンスＺ１が出現してΔＶ＝Ｚ１・Ｉ１の電圧降下が生じ、故障電流が抑制される。
【００４６】
一方、図３（Ｂ）のコンデンサ放電方式は、４５がＤＣ電源、４６が充電抵抗、４７がコンデンサ、４８が例えばサイリスタなどのスイッチングデバイス、４９は電力系統１４の過電流検出器、５０は電流制限抵抗であり、ＤＣ電源４５の電圧をＥ０、コンデンサ４７の容量をＣ、蓄えられた電荷をＱ、電流制限抵抗５０の抵抗値をＲ０とすると、ワンターンコイル１３に流れる電流ｉ（ｔ）は、Ｑ＝Ｃ×Ｅ０なので下記（５）式になる。
ｉ（ｔ）＝（Ｅ０／Ｒ０）ｅｘｐ（−ｔ／ＣＲ０）  …………………（５）
そのため、超電導ワンターンコイル１３に流れる臨界電流をＩｃとしたとき、（Ｅ０／Ｒ０）＞２Ｉｃとなるように電流制限抵抗５０Ｒ０を設定すると、超電導ワンターンコイル１３は超電導状態から常伝導状態となる。
【００４７】
いま、電力系統からの電流１４が異常電流となってそれを電力系統の過電流検出器４９が検出すると、スイッチングデバイス４８がＯＮとなってコンデンサ４７から電流制限抵抗５０を通り、本発明の変圧器型超電導限流器１０におけるミアンダ構造に直列接続された２次側ワンターンコイル１３に印加される。このとき、電流制限抵抗５０Ｒ０が上記のように設定されていると、超電導ワンターンコイル１３は超電導状態から常伝導状態となり、１次側に前記（３）式によるインピーダンスＺ１が出現してΔＶ＝Ｚ１・Ｉ１の電圧降下が生じ、故障電流が抑制される。
【００４８】
次に、本発明になる変圧器型超電導限流器１０を、６６ｋＶ、１００Ａの限流器に適用した場合の具体例構成イメージにつき、図６乃至図８を用いて説明する。図６は、本発明の変圧器型超電導限流器１０を、６６ｋＶ、１００Ａの限流器に適用した場合の具体例構成イメージ図であり、図７は図６に示した本発明になる変圧器型超電導限流器１０を用いた試験回路例、図８は本発明になる変圧器型超電導限流器１０の動作シミュレーション結果の波形を示した図で、（Ａ）は実線が限流器ありの場合、破線が限流器なしの場合、（Ｂ）は制御電流回路１６を用いた限流動作シミューレーションで、実線が限流器ありの場合、破線が限流器なしの場合、図９はＢｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘのテープ線材の交流損失を示したグラフである。
【００４９】
まず図６において６０は磁気ヨーク、６１は１次側高電圧コイル、６２は空隙、６３は図１に１３で示した２次側ワンターンコイルを冷却するためのクライオスタット、６４は降圧ブッシングであり、磁気ヨーク６０の小直径を例えば６０１として示したように０．８ｍとし、高さを４．８ｍ、１次側と２次側の中心間隔を３．６ｍとする。
【００５０】
前記したように電圧階級を基幹系の６６ｋＶ、電流を１００Ａとし、限流器１０用の変圧器に磁気ヨーク６０を使って鉄損や励磁電流が十分小さく理想変圧器を実現できると仮定すると、限流器１０として動作させるために変圧器１次側に高圧線導体でＮ１＝４００ターンのコイルを巻き、２次側の超電導のワンターンコイル１３として、市販の４ｍｍ幅のＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７テープ線材（以後、Ｙ系テープ線材と略称する）を使う。
【００５１】
磁性体である磁気ヨーク６０の非透磁率μｓを１０００とし、最大飽和磁束値を１．５Ｔとすると、１次側インダクタンスＬ１は１．９７（Ｈ）、２次側インダクタンスＬ２は１２．３（μＨ）、１００％の磁気結合は非現実的なので９５％とすると、相互インダクタンスＭは４６．８（ｍＨ）となる。変圧器２次側の巻き数Ｎ２はワンターンであるから１であり、１次側の電流をＩ１（上記の場合１００Ａ×２１／２（Ａ））とし、２次側超電導ワンターンコイル１３の冷却にスラッシュ冷媒の１つであるスラッシュ窒素を用いるとすると、変圧器の基本特性Ｎ１Ｉ１＝Ｎ２Ｉ２から、変圧器２次側の電流Ｉ２は下記（６）式で表される。
Ｉ２≒６×１０４（Ａ）  ………………（６）
【００５２】
そのワンターンコイル１３に流れる臨界電流Ｉｃが８０（Ａ）とすると、このＩｃ値と（６）式とから、変圧器型超電導限流器１０として機能させるには、
６×１０４／８０＝７５０（本）
のＹ系テープ線材が必要になり、２次側巻線の全幅はテープ線材幅が４ｍｍなので７５０×０．００４＝３．０（ｍ）となる。このようなＹ系テープ線材を納めるクライオスタットの高さは、図６に具体的に数値を示したように３．２ｍとなり、ヨーク６０の小直径は前記したように０．８ｍであるから、クライオスタットの断熱材厚みを考慮してワンターンコイルの直径は０．８５ｍ、１周長が２．６７ｍで７５０本なので全長約２０００ｍのＹ系テープ線材が必要となる。
【００５３】
図７は図６に示した変圧器型超電導限流器１０を用いた限流器試験回路例であり、図中、７０は電力系統の過電流検出器、７１は負荷抵抗（一例として７００Ω）、７２は限流器１０に限流動作を行わせるためのスイッチングデバイス、７３は負荷抵抗（一例として１００Ω）、７４は電流計（ＣＴ）である。
【００５４】
この図７に示した試験回路において、通常は７２で示したスイッチングデバイスが開いているため、６６ｋＶの入力電圧は限流器１０、電流計（ＣＴ）７４から７１、７３で示した負荷抵抗（７００＋１００Ω）を通る。この状態で時刻ｔ＝０．５ｓｅｃにおいて、スイッチングデバイス７２を閉じて電流が負荷抵抗７１（７００Ω）を通らないようにして、負荷抵抗が７３の１００Ωのみに変化した時のシミュレーション結果を示したのが図８（Ａ）である。
【００５５】
この図８（Ａ）において横軸は時間（単位：ｓｅｃ）、縦軸は電流（単位：Ａ）、実線は限流器１０がある場合、破線は限流器がない場合であり、時刻ｔ＝０．５ｓｅｃまではピークが約１１６Ａだった電流が、限流器無し（破線）では０．５ｓｅｃから１０００Ａを超す故障電流が流れるところ、限流器１０がある場合（実線）はそれを４００Ａ程度に抑制している。この図８（Ａ）に示した例は大きな事故を想定した場合であり、このような大電流事故では、制御系の動作には無関係に、変圧器型超電導限流器として動作している。
【００５６】
また、図８（Ｂ）は、同じく時刻ｔ＝０．５ｓｅｃで負荷抵抗が８００Ωから６００Ωに変化した場合のシミュレーション結果であり、この場合、２次側電流が超電導体の臨界電流値を超さないので変圧器型限流器としては動作せず、時刻ｔ＝０．６ｓｅｃで電力系統の過電流検出器７０が、制御電流を２次側超電導体に送って強制的に常電導状態に転移させて限流動作させた場合である。
【００５７】
この図８（Ｂ）も（Ａ）の場合と同様、横軸は時間（単位：ｓｅｃ）、縦軸は電流（単位：Ａ）、実線は限流器１０がある場合、破線は限流器がない場合であり、時刻ｔ＝０．５ｓｅｃまではピークが約１１６Ａだった電流が、限流器無し（破線）では０．５ｓｅｃから１５０Ａを超す故障電流が流れるところ、過電流検出器７０が制御電流を２次側超電導体に送り、強制的に常電導状態に転移させて限流動作させたことで約１２０Ａ程度に抑制している。なお、実際の限流器では、０．１秒の時間遅れは発生しないが、この図８（Ｂ）では分かり易くするため時間遅れを設定してある。
【００５８】
このように、本発明になる変圧器型超電導限流器では、限流動作点を自由に設定・調整が可能であり、これまでの超電導限流器が抱える設定調整問題を完全に解決できる事になる。
【００５９】
なお、前記したように限流器は、もともと遮断器が動作するまでの数サイクルの故障電流を抑制する電力機器であるが、動作時に発熱があるため再起動には冷却時間が必要である。特に、超電導体に高電圧を掛ける抵抗転位型限流器では、数サイクルの限流動作で超電導体は常温まで温度上昇し、万が一、遮断器が動作しない最悪の場合には超電導体は焼損する。温度上昇を抑えるため熱容量の大きな金属ブロックに熱を逃がす方法も考えられるが、電気絶縁上の問題から難しい。
【００６０】
一方、本発明のような変圧器型超電導限流器は、例えば前記図６の構成の場合、４ｍｍ幅のテープ線材の抵抗が０．７５Ωであるとして７５０本並列なので、全体抵抗はＲｎ＝１ｍΩとなる。冷却系には前記したように循環するスラッシュ窒素冷却システムを想定し、液体窒素の核沸騰現象から予測して、控えめに、β＝１．０（Ｗ／ｃｍ２・ｋ）と仮定する。これより、超電導テープ線材の全表面積はＳ＝２．６７×３．＝８（ｍ２）なので、熱伝達係数は、α＝Ｓ×β＝８００００（Ｗ／ｋ）となる。
【００６１】
常電導転移時の発熱量は、Ｑ＝Ｒｎ×Ｉ２２＝Ｒｎ×（Ｎ１Ｉ１）２なので、図８（Ａ）の場合はＱ＝０．００１×（４００×１００）２＝１．６×１０６（Ｗ）［電流のピーク値を使っているので、実際の発熱はこれより小さい］となる。Ｔ→∞の温度上昇はΔＴ＝Ｑ／αなので、図８（Ｂ）の場合、ΔＴ＝２０（ｋ）となる。スラッシュ窒素温度が６３ｋなので、限流動作してもテープ線材は８３ｋ程度の温度上昇に収まり、臨界温度以下である。つまり限流器１０は、過大電流の原因が除去されると瞬時に再起動することができる。
【００６２】
また、図８（Ａ）のような重故障の場合、Ｉ１＝３６０Ａなので、Ｔ→∞でΔＴ＝２６０（ｋ）となり、常温まで上昇するが焼損する事は無い。つまり遮断器が動作しない最悪の場合であっても、再冷却すれば限流器は再起動できる事になる。一般的に変圧器型の限流器は、抵抗転位型限流器に比べて動作時の温度上昇が小さいが、その理由は同じ限流特性を実現する上で、変圧器型限流器が多くの超電導テープ線材量を必要とするためであり、その結果、冷却表面積が増大して温度上昇が小さくなる。
【００６３】
最後に前記図６に示した、高電圧６６ｋＶ、１００Ａ級の変圧器型超電導限流器を実際に作製した場合に必要な冷凍機のパワーについて検討する。前記図６に示した変圧器型超電導限流器の場合、熱負荷は外部（常温）からの熱侵入、超電導体の交流損失、電気絶縁材料からの誘電体損失等になる。前記図６に示した変圧器型超電導限流器の場合、超電導体は低電圧動作なので誘電体損失を無視出来る。
【００６４】
超電導体の交流損失に関しては、臨界電流密度が大きいＹ系線材を使う場合、Ｂｉ線材より小さいと考えられるが、仮にＢｉ線材と同程度とすると、横軸に電流、縦軸に交流損失を取って１ｃｍ幅のＢｉテープ線材の交流損失特性を示した図９のグラフから、電流８０Ａであれば〜１０−３（Ｗ／ｍ）程度となる。また、テープ線材の総延長は２０００ｍ強なので、図６に示した提案変圧器型超電導限流器の交流損失は数Ｗ程度となる。
【００６５】
一方、外部からの熱侵入に関しては、図６に示した変圧器型超電導限流器にはケーブルやマグネットのようなパワーリードが無いので、クライオスタットからの熱侵入のみとなるから、図６に示したクライオスタットが真空断熱構造であるとして、表面はマイラー・シートで遮熱されているとすると、マイラー・シートの熱輻射率を０．０１とした場合、全表面積が約２０ｍ２なので約５０Ｗとなり、熱負荷の殆どは輻射による熱侵入になる。さらに、例えばスラッシュ窒素冷凍機のＣＯＰを仮に０．０５と仮定すると、１ｋＷの動力となり、実際の電力系統は３相交流なので、３個の限流器が必要であるから冷凍機の総合所要動力は３ｋＷ程度になる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明によれば、簡単、安価な構成で限流動作設定条件を自由に調整・制御できる変圧器型超電導限流器を提供でき、自立型の地域電力ネットワークなどの限流器として用いることで、万一の事故で系統全体が不安定となって大規模な停電に繋がる、といったことを未然に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明になる変圧器型超電導限流器１０の基本構成を示す図である。
【図２】本発明になる変圧器型超電導限流器１０における、磁気ヨーク１９に巻回したワンターンコイル１３の概念を説明するための図で、（Ａ）は各ワンターンコイル１３における電流の流れを説明する便宜上、各ワンターンコイル１３をずらして上面から見た図、（Ｂ）は同じく電流の流れを説明するためワンターンコイルを斜めから見た図である。
【図３】本発明になる変圧器型超電導限流器１０における、超電導体ワンターンコイル１３を常伝導状態に転移させる制御電流回路１６の例のブロック図であり、（Ａ）は高周波電流回路で構成した場合、（Ｂ）はコンデンサ放電方式で構成した場合である。
【図４】固液混合流体であるスラッシュ窒素の冷却能力を示したグラフである。
【図５】ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７薄膜超電導体の臨界電流の温度依存性を示したグラフである。
【図６】本発明の変圧器型超電導限流器を、６６ｋＶ、１００Ａの限流器に適用した場合の具体例構成イメージ図である。
【図７】図６に示した本発明になる変圧器型超電導限流器を用いた試験回路例である。
【図８】本発明になる変圧器型超電導限流器１０の動作シミュレーション結果は系を示した図で、（Ａ）は実線が限流器ありの場合、破線が限流器なしの場合、（Ｂ）は制御電流回路１６による限流動作シミューレーションで、実線が限流器ありの場合、破線が限流器なしの場合である。
【図９】Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘのテープ線材の交流損失を示したグラフである。
【図１０】電力系統における、本発明の変圧器型超電導限流器を用いる位置を示すイメージを示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０  変圧器型超電導限流器
１１  クライオスタット
１２  スラッシュ窒素
１３  ２次側ワンターンコイル
１４  電力系統へ
１５  変圧器１次側巻線コイル
１６  制御電流回路
１７、１８  制御電流配線
１９  磁気ヨーク
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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