(57)【要約】  本発明は、保護すべき回路に接続された能動デバイス（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）からなる整流ブリッジ（２）を含む超電導限流器（１）に関するものであって、前記整流ブリッジ（２）は、４つのノード（４、５、６、７）によって接続された４つの枝路を含み、第１のノード（４）と第１のノード（４）に隣接しない第２のノード（５）とが前記保護すべき回路（１２、１３）に接続されている。超電導限流器は、前記整流ブリッジ（２）の第３のノード（６）から第４のノード（７）に接続された中央枝路（８）を含むことを特徴とする。前記整流ブリッジ（２）は、前記中央枝路（８）を流れる電流のリップルの振幅を減らすための誘導性構成機器と、非線形超電導抵抗構成機器とを含む少なくとも１つの回路要素を含む。前記非線形超電導抵抗構成機器は、前記中央枝路（８）を流れる電流が与えられた閾値を超えずに、非線形超電導抵抗構成機器を含む前記少なくとも１つの回路要素が超電導状態にある第１の動作状態と、前記中央枝路（８）を流れる電流が与えられた閾値を超えて、非線形超電導抵抗構成機器を含む前記少なくとも１つの回路部が非超電導状態にあって、抵抗としての動作をする第２の動作状態とを有する。
2012505634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
能動デバイス（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）からなる、保護すべき回路に接続された整流ブリッジ（２）であって、４つのノード（４、５、６、７）を形成する４つの枝路を有し、第１のノード（４）と前記第１のノード（４）に隣接しない第２のノード（５）とが保護すべき前記回路（１２、１３）に接続されている前記整流ブリッジ（２）を有する限流器（１）であって、
前記整流ブリッジ（２）の第３のノード（６）と第４のノード（７）との間に接続された中央枝路（８）であって、前記中央枝路（８）を流れる電流のリップルの振幅を低減するのに適した誘導性構成機器を含む少なくとも１つの回路要素と、
−前記中央枝路（８）を流れる電流が与えられた閾値よりも小さく、そのため非線形超電導抵抗構成機器を含む前記少なくとも１つの回路要素が超電導状態にある第１の動作状態と、
−前記中央枝路（８）を流れる電流が前記固定された閾値を超えており、そのため非線形超電導抵抗構成機器を含む前記少なくとも１つの回路要素が超電導状態でなくなって抵抗として振る舞う第２の動作状態とを有する非線形超電導抵抗構成機器とを含む中央枝路（８）
を有することを特徴とする限流器（１）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの回路要素がインダクタ（９）と超電導非線形抵抗器（１０）とを含むことを特徴とする請求項１に記載された限流器（１）。
【請求項３】
前記インダクタ（９）が超電導材料からなり、前記第２の動作状態への転移を行わないように設計されている請求項２に記載された限流器（１）。
【請求項４】
前記インダクタ（９）および前記超電導非線形抵抗器（１０）が直列に接続されている、請求項２または３に記載の限流器（１）。
【請求項５】
前記インダクタ（９）が非線形超電導抵抗器（１０）の近傍に配置され、発生する磁場によって前記第１の動作状態から前記第２の動作状態への転移を支援する、請求項２から４のうちのいずれか１つに記載された限流器（１）。
【請求項６】
前記少なくとも１つの回路要素が超電導材料からなる、誘導性成分と非線形超電導抵抗成分の両方を有しているインダクタを含む、請求項１に記載された限流器（１）。
【請求項７】
前記超電導非線形抵抗構成機器を含む前記少なくとも１つの回路要素と並列に接続された少なくとも１つの通常の抵抗器（１１、１１’、１１”）を含み、前記第２の動作状態において前記少なくとも１つの回路要素を流れる電流の一部を排出して、それによりそれに対する熱負荷を低減し、前記限流器（１）の回復時間を短縮することを特徴とする、先行する請求項のうちのいずれか一つに記載の限流器（１）。
【請求項８】
前記少なくとも１つの通常の抵抗器（１１”）が前記整流ブリッジ（２）の前記第１のノード（４）と前記第２のノード（５）とに接続されている、請求項７に記載された限流器（１）。
【請求項９】
前記整流ブリッジ（２）の前記第３のノード（６）と前記第４のノード（７）とに接続された通常の抵抗器（１１’）を含むことを特徴とする、請求項７または８に記載された限流器（１）。
【請求項１０】
超電導非線形抵抗構成機器を含む前記回路要素と並列に接続された通常の抵抗器（１１）を含むことを特徴とする、請求項７または９に記載された限流器（１）。
【請求項１１】
前記超電導非線形抵抗構成機器を含む前記少なくとも１つの回路要素の超電導材料が、マグネシウム・ジボライド（ＭｇＢ２）；ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物（ＢＳＣＣＯ）；イットリウム・バリウム・銅酸化物（ＹＢＣＯ）のうちから選ばれたものである、先行する請求項のうちのいずれか一つに記載された限流器（１）。
【請求項１２】
前記超電導非線形抵抗構成機器を含む前記少なくとも１つの回路要素を冷却するための冷却システムを含むことを特徴とする、先行する請求項のうちのいずれか一つに記載された限流器（１）。
【請求項１３】
前記能動デバイスがダイオード（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）を含んでいる、先行する請求項のうちのいずれか一つに記載された限流器（１）。
【請求項１４】
前記能動デバイスがサイリスタおよび前記サイリスタを制御するための手段を含んでいる、請求項１から１２のうちのいずれか一つに記載された限流器（１）。
【請求項１５】
前記整流ブリッジ（２）が、それぞれアノードとカソードを有する前記能動デバイスを含んでおり、
−第１の能動デバイス（３ａ）は、アノードを前記第１のノード（４）に、かつカソードを前記第３のノード（６）に接続されており、
−第２の能動デバイス（３ｂ）は、アノードを前記第４のノード（７）に、かつカソードを前記第２のノード（５）に接続されており、
−第３の能動デバイス（３ｃ）は、アノードを前記第４のノード（７）に、かつカソードを前記第１のノード（４）に接続されており、
−第４の能動デバイス（３ｄ）は、アノードを前記第２のノード（５）に、かつカソードを前記第３のノード（６）に接続されている、
先行する請求項のうちのいずれか一つに記載された限流器（１）。
【請求項１６】
前記超電導非線形抵抗構成機器を冷却するための冷却手段を含むことを特徴とする、先行する請求項のうちのいずれか一つに記載された限流器（１）。
【請求項１７】
前記保護すべき回路が、
前記第１のノード（４）に接続された送電線（１２）と前記第２のノード（５）に接続された電気負荷（１３）；
発電機からの送電線（８）；
発電所補助装置のための送電線；
ネットワーク連結（１９）；
母線連結（２０）；
限流リアクトルのシャント；
変圧器からの送電線（１５）；
超電導ケーブル(２１)などその他の超電導装置を含むシステム；
分散した発電ユニット（２２）の接続；
リング・ネットワークの閉結線
のうちから選ばれたものである、先行する請求項のうちのいずれか一つに記載された限流器（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導限流器（ＳＦＣＬ）に関する。
【０００２】
さらに詳細には、本発明は、交流用途における直流条件での動作に適した、電力ネットワークまたは電力システムを保護するための超電導限流器を扱う。
【背景技術】
【０００３】
よく知られたように、現代の電力システムに限流装置を備えることは、現代の電力システムの信頼できる維持管理と保護を保証するための基本要件である。
【０００４】
運転経験によれば、構成部品の機能とシステム全体の安定性の双方にとって極めて危険な効果を持つ短絡事故の発生は、稀な事象ではない。
【０００５】
この問題に対処するために一般的に用いられる手段は、例えば高インピーダンス変圧器、直列接続された空芯リアクトルおよびネットワーク分割のように、定常的な損失を導入し、電力システムの効率的な運用を制限する。
【０００６】
したがって、通常の動作状態において電力システムに影響を及ぼすことなしに故障電流を制限できる限流装置を開発するために、研究投資が必要である。
【０００７】
限流器について可能なあらゆる概念のなかで、超電導材料に基づくものが理想的な特性を示す。実際、超電導限流器（ＳＦＣＬ）は、通常の動作状態において無視しうるインピーダンスを有しながら、それを流れる電流が故障の閾値として指定される与えられた値を超えるときに、高インピーダンス状態に瞬時に切り替わることができる。
【０００８】
そのような装置を電力システムに導入することは、とりわけ次のような利点を有する。
−故障の際のネットワークの安全性を危うくすることなしに、進歩した柔軟な電力システム品質を許容する。
−故障電流の最初のピークを制限することによって構成部品に対するストレスを低減し、より安価な設計を許容する。
−既存スイッチの遮断能力に見合った短絡電流の対称成分を保証するよう設計でき、したがってネットワークを拡張する場合にそれらの置換を回避する。
−制限の動作は、自己駆動型であり、したがって信頼できる。
−故障が終息した後の低インピーダンス状態への回復は、瞬時であり、なんら回復のための動作を必要としない。
【０００９】
レイアウトおよび動作原理によって、超電導限流器は、抵抗器型、整流器型（ダイオードまたはサイリスタ・ブリッジ型とも呼ばれる）、磁気遮蔽型、あるいは可飽和リアクトル型に分類される。現時点で試用されているＳＦＣＬの実現可能な概念についての完全なレビューが、NoeおよびSteurerによる論文[2007]に与えられている。
【００１０】
最近の数十年間に、第一世代（ＢＳＣＣＯ、ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物）および第二世代（ＹＢＣＯ、イットリウム・バリウム・銅酸化物）の両方の高温超電導材料（ＨＴＳ）に基づいて、多くの超電導限流器の試作器が作製され技術的実現性が実証されてきた。
【００１１】
より最近では、価格的にも性能的にも商用として可能な超電導体であるマグネシウム・ジボライド（ＭｇＢ２）の使用についても考慮されてきた。
【００１２】
中程度域の電圧の応用分野のいくつかのＳＦＣＬの試作器は、工業化直前の開発段階にまで達した。それらは、最も工業的な観点、例えば、低温特性、電気絶縁性、機械強度その他に関して最適化され、中程度域電圧本線での長期間実地試験に成功裏に供された。
【００１３】
それにも拘わらず、前記装置が市場に効果的に浸透するためには、主として交流損失および関連する動作コストに関するいくつかの問題を解決しなければならない。
【００１４】
以下の説明で、抵抗器型のものから始めていくつかのタイプの限流器について詳細に調べる。
【００１５】
抵抗器型のＳＦＣＬは、電流が定義された臨界値を超えるときに発生する超電導から常電導（高抵抗）の状態への転移に基づいている。
【００１６】
このようなＳＦＣＬは、典型的には、可能な限り低いインダクタンスを得るような方法（ビフィラーコイルまたはトランスポーズド・パンケーキ）で巻かれた超電導ワイヤまたはテープで形成される。
【００１７】
超電導ワイヤまたはテープは、保護すべき回路を流れる交流電流を直接流すため、そこにおいて電力消費（交流損失）を生ずる。事実、超電導ワイヤまたはテープは、それが純粋に直流電流を流すときだけ無損失となる。前記損失は、超電導要素の温度が上昇しないようにするために非常に高価な冷却手段を必要とすることになり、したがって限流器の動作が非常に高価なものとなることを意味する。さらに、実際の超電導ワイヤまたはテープは、局所的な加熱（ホット・スポット）による損傷の危険を回避するために、銀、銅またはそれと類似の通常の導体に接する超電導フィラメントまたは層で形成される。通常の導体層の存在は、常電導状態への転移が発生したときの超電導テープまたはワイヤの抵抗を下げる。したがって、満足できる制限効果を得るために、長大なワイヤまたはテープが必要となり、その結果、交流損失による限流器の全体的な電力消費が増大する。
【００１８】
局所過熱の危険を最小化し、同時にテープ長およびその結果としての損失を最小化するために、超電導状態から常電導状態への転移が磁場の印加によって支援されるようになった多くの異なる超電導限流器が提案された。そのような超電導限流器が、国際公開第９４／０３９５５号および米国特許第７，１８０，３９６号に記述されている。前記超電導限流器は、複雑な形状の超電導部およびいくつかの並列または直列に接続された通常コイルの使用を必要とする。さらに、通常の動作状態において、交流電流がいずれにせよ超電導テープまたはワイヤを流れるため、高い冷却コストが発生する。
【００１９】
別の興味あるタイプの超電導限流器は、整流器型の超電導限流器である。これは、直流電圧源と直列に接続され、保護すべき負荷に接続されたダイオードまたはサイリスタ全波整流ブリッジに埋め込まれた一連のインダクタにより形成される。インダクタは、抵抗損失を回避するように超電導材料のコイルを含むのが好都合である。
【００２０】
通常の動作状態では、保護すべき回路の電流はインダクタを迂回して、ダイオードまたはサイリスタを流れる。この本線電流がコイルを流れる電流を超えると、４つのダイオード／サイリスタの２つが逆バイアスされ、コイルは、保護される回路に対して自動的に直列に挿入されることになる。超電導材料のコイルを含むように形成されたインダクタを備える、このようなブリッジ型の超電導限流器は、Boenigによって初めて提案され、米国特許第４，４９０，７６９号に述べられている。
【００２１】
ダイオードよりむしろサイリスタを使用することによって、制限能力に加えて、サイリスタのゲートに接続された能動的制御回路によって故障電流を遮断する可能性が生まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】国際公開第９４／０３９５５号
【特許文献２】米国特許第７，１８０，３９６号
【特許文献３】米国特許第４，４９０，７６９号
【特許文献４】米国特許第５，７２６，８４８号
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】Ｎｏｅ  ａｎｄ  Ｓｔｅｕｒｅｒ  ［２００７]
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
上述の限流器の技術的問題点は、コイルを流れる純粋に直流（ＤＣ）の電流を得るために必要な直流電圧源の構築である。この問題を回避するために、米国特許第５，７２６，８４８号に述べられているように、Boenigは、元の装置を修正して、ＤＣ電源とインダクタを実現するための超電導材料の使用の必要性との両方を取り除いたものを提案した。
【００２５】
上で述べた電流整流ブリッジ型の限流器の技術的問題点は、コイル中にＤＣ電流を設定するために必要な直流電圧源が存在しないために、通常動作で発生する通常の負荷の変動の際でもネットワークが上述の限流器によって影響され、それによってユーザに対して電圧降下がもたらされるということである。
【００２６】
電圧の擾乱を国際標準（ＥＮ５０１６０）に規定された限度内に維持するために、使用されるインダクタンスの値は、適正な限度を超えることができない。その結果、装置の制限能力は大きく低減されるか、あるいは短絡故障は限流器なしで到達されるであろう値より適度に低い値ほどには制限できない。
【００２７】
さらに、ＤＣ電圧源がある場合もない場合も、保護すべき回路と接続された一連のインダクタンスを導入することで制限効果が得られる。短絡故障時のネットワークの等価インピーダンスは、一般的に誘導性であり、このことは、次のような欠点を意味する。
ａ．電流のゼロ交差に遅れが生じ、回路遮断器の開放極間の電気アーク消弧が非常に困難になる。
ｂ．故障時のネットワークの動的安定性が損なわれる。
【００２８】
これらの技術的制限は、経済的理由のほかにも、電流供給において最終的に非効率となるという煩わしい問題であることは明らかである。
【００２９】
上に基づいて、本発明の目的の１つは、直流条件での動作に適した交流用途のための抵抗器型の超電導限流器を提供することである。
【００３０】
本発明のさらに別の１つの目的は、通常動作（直流での動作による）および故障発生時（並列に接続された通常の抵抗器による）の両方で、冷却システムに対する熱負荷を低減することである。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
したがって、本発明の１つの特定の目的は、保護すべき回路に接続された適当な個数の能動デバイスからなる整流ブリッジであって、４つのノードを形成する４つの枝路を有し、そのうちで第１のノードと、前記第１のノードに隣接しない第２のノードとが前記保護すべき回路に接続されている整流ブリッジを含む超電導限流器であって、前記整流ブリッジの第３のノードと第４のノードとの間に接続された中央枝路を有し、前記中央枝路を流れる電流のリップルを減らすのに適した誘導性構成部品と超電導非線形抵抗構成部品とを含む少なくとも１つの回路要素を有することを特徴とし、その超電導非線形抵抗構成部品が
−前記中央枝路を流れる電流が予め定められた閾値よりも小さく、そのため前記超電導非線形抵抗構成部品を含む前記少なくとも１つの回路要素が超電導状態にある第１の動作状態と、
−前記中央枝路を流れる電流が前記予め定められた閾値よりも大きく、そのため前記超電導非線形抵抗構成部品を有する前記少なくとも１つの回路要素が超電導状態でなくなって、抵抗としての振舞いを示す第２の動作状態と、
を有する、超電導限流器である。
【００３２】
再び、本発明によれば、前記少なくとも１つの回路構成部品は、インダクタおよび超電導非線形抵抗器を含むことができる。
【００３３】
また本発明によれば、前記インダクタは、超電導材料からなり、前記第２の動作状態へ転移しないように設定される。
【００３４】
本発明のさらに別の態様では、前記インダクタおよび前記超電導非線形抵抗器は、直列に接続されることが有利である。
【００３５】
さらに本発明によれば、前記インダクタは、発生する磁場によって前記第１の動作状態から前記第２の動作状態への転移を支援するように、前記超電導非線形抵抗器近傍の適切な場所に配置できる。
【００３６】
また本発明によれば、前記少なくとも１つの回路要素は、超電導材料からなるインダクタを含むことができ、それは、前記誘導性構成部品および前記超電導非線形抵抗構成部品を含む。
【００３７】
さらに本発明によれば、前記超電導限流器は、前記第２の動作状態において前記少なくとも１つの回路要素を流れる電流の一部を排出して、それにより前記限流器の熱負荷を低減し回復時間を短縮するために、前記超電導非線形抵抗構成部品を含む前記少なくとも１つの回路要素と並列に接続された少なくとも１つの従来型の抵抗器を含むことができる。
【００３８】
さらに、本発明によれば、前記少なくとも１つの従来型の抵抗器は、前記整流ブリッジの前記第１のノードと前記第２のノードとに接続できる。
【００３９】
本発明によれば、前記限流器は、前記整流ブリッジの前記第３のノードと第４のノードとに接続された従来型の抵抗器を含むことが有利である。
【００４０】
また本発明によれば、前記超電導限流器は、前記超電導非線形抵抗構成部品を含む前記少なくとも１つの回路要素と並列に接続された従来型の抵抗器を含むことができる。
【００４１】
さらに本発明によれば、超電導非線形抵抗構成部品を含む前記少なくとも１つの回路要素の超電導材料は、マグネシウム・ジボライド（ＭｇＢ２）；ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物（ＢＳＣＣＯ）；イットリウム・バリウム・銅酸化物（ＹＢＣＯ）のうちから選ぶことができる。
【００４２】
さらに本発明によれば、前記限流器は、前記超電導非線形抵抗構成部品を含む前記少なくとも１つの回路要素を冷却するための冷却システムを含むことができる。
【００４３】
有利なことに、本発明によれば常に、前記能動デバイスは、ダイオードまたはサイリスタを含むことができ、後者の場合、超電導限流器は、前記サイリスタの制御手段を含むことができる。
【００４４】
また本発明によれば、前記整流ブリッジは、前記能動デバイスを含むことができ、各能動デバイスは、アノードおよびカソードを備えており、
−第１の能動デバイスは、アノードを前記第１のノードに、かつカソードを前記第３のノードに接続されており、
−第２の能動デバイスは、アノードを前記第４のノードに、かつカソードを前記第２のノードに接続されており、
−第３の能動デバイスは、アノードを前記第４のノードに、かつカソードを前記第１のノードに接続されており、
−第４の能動デバイスは、アノードを前記第２のノードに、かつカソードを前記第３のノードに接続される。
【００４５】
さらに本発明によれば、前記限流器は、前記超電導非線形抵抗構成部品を冷却するための冷却システムを含むことができる。
【００４６】
有利なことに、本発明によれば、前記保護される回路は、前記第１のノードに接続された送電線と前記第２のノードに接続された電気負荷からなるもの；発電機から出力される送電線；発電所の補助装置の送電線；２またはそれ以上の配電ネットワークのバス連結；母線接続；故障電流制限リアクトルのシャント；変圧器送電線；母線からの出力送電線；超電導ケーブルなど異なる超電導装置の組合せ；分散した発電ユニットの接続；リング・ネットワークの閉結線のうちから選ぶことができる。
【００４７】
本発明の原理を説明するために、それの好適な実施形態に関連するいくつかの添付図面を、図示、例示および説明のために以下に提示するが、それらに限られるという意図はない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明による超電導限流器の第１の実施形態の模式回路図。
【図２】本発明による超電導限流器の第２の実施形態の模式等価回路図。
【図３ａ】本発明による超電導限流器の第３の実施形態の模式等価回路図。
【図３ｂ】本発明による超電導限流器の第４の実施形態の模式等価回路図。
【図４】本発明による限流器を三相電力供給システムに適用するための模式接続図。
【図５】異なる値のインダクタンスに対するネットワーク電圧の時間変化を示す図。
【図６】図１の実施形態における、通常動作状態での超電導限流器の整流ブリッジの内部枝路の電流を、異なる値のインダクタンスについて示す図。
【図７】図１の実施形態における、故障電流を、異なる抵抗値Ｒについて示す図。
【図８】本発明による超電導限流器のいくつかの可能な応用を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
各図面において、同様な部分を同じ参照符号で示している。
【００５０】
図１には、保護すべき電気回路（図面には示されていない）と直列に接続される、本発明による超電導限流器１の第１の実施形態が示されている。図示された実施形態は、この場合ダイオードである４つの能動デバイス３ａ、３ｂ、３ｃおよび３ｄを備えた整流ブリッジ２を含む。
【００５１】
前記整流ブリッジ２は、４つの枝路を有し、各々が前記ダイオード３ａ、３ｂ、３ｃおよび３ｄのうちの１つを含む。前記枝路は、４つのノード４、５、６および７によって接続される。前記保護される回路は、第１のノード４と第２のノード５とに接続される。
【００５２】
ダイオード３ａ、３ｂ、３ｃおよび３ｄと整流ブリッジ２との接続は、次のように行われる。
−ダイオード３ａ：アノードはノード４に、カソードはノード６に接続される。
−ダイオード３ｂ：アノードはノード７に、カソードはノード５に接続される。
−ダイオード３ｃ：アノードはノード７に、カソードはノード４に接続される。
−ダイオード３ｄ：アノードはノード５に、カソードはノード６に接続される。
【００５３】
限流器１は、前記ノード６とノード７に接続されたさらに別の中央枝路８を含む。前記中央枝路８は、互いに直列に接続されたインダクタ９と超電導非線形抵抗器１０とを含む。
【００５４】
このように、本発明によれば、限流器１は、後述するが、抵抗性限流器と整流ブリッジ限流器の概念を組み合わせたものを利用している。
【００５５】
超電導非線形抵抗器１０は、その超電導材料が超電導状態から非超電導状態へ転移するとき、抵抗として振る舞う。
【００５６】
２つの動作状態は、次のように区別される。「ノーマル」と名づけられる動作状態では、非線形抵抗器１０の超電導材料は、適当な冷却システム（例えば、極低温槽）によって超電導状態にある。また「アクティブ」と名づけられる動作状態では、非線形抵抗器１０の超電導材料は、超電導状態から通常の非超電導状態への転移を経験する。
【００５７】
ノーマルの動作状態で、超電導非線形抵抗器１０を流れる電流は、限流器１を流れる正弦波電流のピークの包絡線によって与えられる。特に、図中でｉＳＦＣＬ（ｔ）と記された前記電流は、一定の値にリップルが上乗せされたものとなっており、その基本波成分は、限流器が接続される保護すべき回路の動作周波数の２倍の周波数をもつ。
【００５８】
これは、ダイオード３ａ、３ｂ、３ｃおよび３ｄの配置による結果である。前記リップル成分の振幅は、インダクタ９のインダクタンスＬの値によって減少する。すなわち、インダクタ９のインダクタンスＬが大きくなるほど、リップルは小さくなり、それにしたがって超電導体の交流損失も小さくなる。言い換えれば、中央枝路８の誘導性構成部品の目的は、リップルの大きさおよび交流損失を低減することである。
【００５９】
もちろん、インダクタ９のインダクタンスＬの値は、限流器１がシステム（電線、または広い意味でそれがノーマルの動作状態で接続される保護すべき回路）に影響しない限りで、できるだけ大きくするべきである。
【００６０】
これは、例えば短絡の場合、インダクタ９のインダクタンスは、例えば短絡事象の場合に故障電流を許容レベルに制限するために必要とされるほどに高くできないことを意味する。
【００６１】
定常状態で、インダクタ９には、図中でＩ０と記された直流電流が流れ、それは二等分されて、ダイオード３ａ−３ｂおよび３ｃ−３ｄの組をそれぞれ流れる。電流の減衰（リップルの降下部分）は、ダイオード３ａ、３ｂ、３ｃおよび３ｄにおける電圧降下によって発生する。電流が、保護すべき回路の電流値未満に降下すると、インダクタがそれと直列に接続されることになって、電流は、減衰が始まった地点の正弦波のピークまで増大する。
【００６２】
限流器１を流れる電流ｉＳＦＣＬ（ｔ）の正の半波を考えてみる。ダイオード３ａ、３ｂ、３ｃおよび３ｄがすべて順方向にバイアスされるので、前記瞬間電流ｉＳＦＣＬ（ｔ）は、前記電流Ｉ０が流れる前記中央枝路を迂回する。
【００６３】
限流器１の全電圧は、ダイオード３ａおよび３ｄの組での合計の電圧降下（これは、ダイオード３ｃおよび３ｂの組に印加されるものと等価である）によって与えられるが、これは保護すべき回路の電圧と比べて無視でき、限流器１は実質的にゼロのインピーダンスを提供する。
【００６４】
したがって、上で述べたことによれば、ダイオード３ａおよび３ｂを通って電流ｉ３ａ−３ｂ＝Ｉ０／２＋ｉＳＦＣＬ／２が流れ、他方、ダイオード３ｃおよび３ｄを通って電流ｉ３ｃ−３ｄ＝Ｉ０／２−ｉＳＦＣＬ／２が流れる。
【００６５】
前記超電導非線形抵抗器１０は、電流が固定された閾値を超えるときに、前記ノーマルの状態から前記アクティブの状態へ転移でき、それによって抵抗値Ｒの抵抗として振る舞うようになる。
【００６６】
したがって限流器１には、超電導非線形抵抗器１０の転移によって、ひいては故障状態で回路と直列になる抵抗（インダクタンスに加えて）の導入によって、適切な制限機能が備えられる。この抵抗は、該当する非線形抵抗器１０の材料が超電導状態から常電導状態へ転移することで発生し、このことは、一定の予め定められた電流よりも大きい電流がそこを流れるときに発生する。
【００６７】
一般に短絡時の電力システムの等価インピーダンスは、主として誘導性成分を有するため、本発明による限流器１は、システムの動的安定性を悪化させることなく、それ以上に、回路遮断器の極間にその開放時に発生する電気アークの消弧を促進する。
【００６８】
したがって明らかなように、本発明による限流器１は、短絡時にシステムの等価インピーダンス（限流器なしでは主として誘導性であるインピーダンス）に抵抗成分を加え、システムの動的安定性を悪化させることなく、それ以上に、回路遮断器の極間にその開放時に発生する電気アークの消弧を促進する。
【００６９】
実際、電流ｉＳＦＣＬ（ｔ）の正の半波を考えてみる。短絡電流を生ずる故障によって、もしこの電流が直流成分Ｉ０の値を超えれば、電流ｉ３ｃ−３ｄ＝Ｉ０／２−ｉＳＦＣＬ／２は、その符号を変えようとするが、ダイオード３ｃおよび３ｄが逆バイアスになるため許容されない。したがって、全電流Ｉ０／２＋ｉＳＦＣＬ／２＝ｉＳＦＣＬ／２＋ｉＳＦＣＬ／２＝ｉＳＦＣＬがインダクタ９および超電導非線形抵抗器１０を流れる。
【００７０】
予め定められた故障電流において、超電導非線形抵抗器１０は、次のような事象の１つまたは複数によって、ノーマルの動作状態からアクティブな動作状態へ切り替わる。
（ａ）保護すべき回路の電流が与えられた閾値を超える。
（ｂ）インダクタ９によって発生する磁場が与えられた閾値を超える。
（ｃ）超電導材料の温度が与えられた閾値を超える。
（ｄ）事象（ａ）および（ｂ）が両方とも発生する。
（ｅ）事象（ａ）および（ｃ）が両方とも発生する。
（ｆ）事象（ｂ）および（ｃ）が両方とも発生する。
（ｇ）３つの事象（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のすべてが発生する。
【００７１】
前記超電導非線形抵抗器１０がその非超電導状態に切り替わると、それは、抵抗として振る舞い、したがって、故障電流を制限する。
【００７２】
したがって、超電導非線形抵抗器１０の超電導材料の転移は、超電導材料をエネルギー損失低減のためだけに採用する周知技術と異なり、所望の故障電流制限効果を生み出すために利用されている。
【００７３】
さらに、よく知られたように、超電導材料は、直流状態で最もうまく機能し、実際、能動デバイス３ａ、３ｂ、３ｃおよび３ｄでのブリッジの構成と組み合わせたインダクタ９によって、外部電流源などのその他の能動デバイスを使用しなくても、直流動作状態が保証される。
【００７４】
能動デバイス３ａ、３ｂ、３ｃおよび３ｄは、サイリスタで実現することも可能であり、そうすれば、サイリスタのゲートを制御するための適切な手段を提供すれば、該当の限流器は、回路遮断器としてもまた限流器としても動作することが可能となる。
【００７５】
ここで説明した限流器１は、単相の電気回路または電力システムでの故障電流を制限できる。三相の限流器システムとするためには、各相に１つずつ、３つの限流器１が必要となる。
【００７６】
再びこの実施形態によれば、前記インダクタ９は、超電導材料で作成され、故障が発生しても転移を起こさず前記ノーマルの動作状態に、したがって超電導状態に留まるような大きさにすることができる。このことによって、該当する限流器１の全損失を低減できる。
【００７７】
図２は、本発明による超電導限流器１の別の実施形態を示しており、中央枝路８は、さらに超電導非線形抵抗器１０と並列に接続された通常の抵抗器１１を備えている。このような実施形態は、中央枝路のインダクタンスと超電導非線形抵抗値とが別々の２つの巻線またはデバイスによって形成される場合にだけあてはまる。前記通常の抵抗器１１は、故障時に前記超電導非線形抵抗器１０を流れる電流の一部を排出することを可能とするため、前記限流器１の熱負荷を低減でき、ひいては回復時間を短縮できる。
【００７８】
言い換えれば、前記通常の抵抗器１１の技術的な効果は、前記超電導非線形抵抗器１０の超電導材料の過熱を低減し、それによって、起こりうる損傷を回避し、アクティブの動作状態からノーマルの動作状態への復帰に必要な時間を短縮することである。
【００７９】
図３ａは、本発明による限流器１の第３の実施形態を示しており、通常の抵抗器１１’は、前記整流ブリッジ２の前記不連続な第３のノード６と第４のノード７とに接続されている。この実施形態は、中央枝路のインダクタンスおよび超電導非線形抵抗が２つの別々の巻線またはデバイスによって実現されていない場合にも適用できる。この場合でも、前記通常の抵抗器１１’は、故障時に前記超電導非線形抵抗器１０を流れる電流の一部を排出することができ、それによって熱負荷を減らし、ひいては前記限流器１の回復時間を短縮する。
【００８０】
図３ａの実施形態は、図２に示されたものと比べてさらに別の特長を有する。実際、インダクタ９が超電導状態にあれば、３つの電流ワイヤの代わりに２つのワイヤだけを使用して、超電導部分を、室温で動作している回路の別の部分に接続することが可能となり、冷却システムの熱負荷を低減できる。
【００８１】
図３ｂは、本発明による限流器１の別の実施形態を示しており、通常の抵抗器１１’’は、前記整流ブリッジ２の前記不連続な第１のノード４と第２のノード５とに、すなわち限流器１全体に対して並列に、接続されている。
【００８２】
最後に、本発明のさらに別の実施形態を考案することが可能であり、そこでは、インダクタ９の誘導性効果と抵抗器１０の超電導非線形抵抗効果とが、次のような動作状態を有する超電導材料によって形成される単一のインダクタ（巻線、コイル）として組み合わされる。
−前記限流器１を流れる電流が固定された閾値よりも小さく、前記インダクタ９が超電導状態にある第１の動作状態、
−前記限流器１を流れる電流が前記固定された閾値よりも大きく、前記インダクタ９の超電導材料が超電導状態から非超電導状態へ転移し、抵抗効果を生ずる第２の動作状態。
【００８３】
このように、インダクタ９および超電導非線形抵抗器１０が単一構成部品として統合される。
【００８４】
前記超電導非線形抵抗器１０および前記インダクタ９は、超電導材料により形成される場合、それ自身の臨界温度およびその動作のために必要とされる圧力条件の如何に関わらず、任意の入手可能な超電導材料により形成することができる。
【００８５】
さらに再び本発明によれば、前記超電導非線形抵抗器１０および前記インダクタ９の作製は、後者が超電導材料により形成され、それが前記超電導非線形抵抗器１０と統合される場合、任意の構成、製造プロセスまたは技術を含むことができる。それらには、例えば、テープ、フィラメントまたは層からなる配置の巻線、ビフィラー巻線、交互のパンケーキ巻線、磁場支援クエンチを用いた巻線、超電導メアンダ、超電導薄膜、バルク材等が含まれる。
【００８６】
さらに、よく知られたように、超電導体の部分的転移を防止するために（「ホット・スポット」と呼ばれる損傷プロセスを回避するように）、それに対して磁場を印加することができる。したがって、好適な実施形態で、発生する磁場によって前記超電導状態から前記非超電導状態への最適な転移を支援するために、インダクタ９は前記超電導非線形抵抗器１０近傍の適切な場所に配置することができる。
【００８７】
図４は、電気負荷１３に供給を行う三相の中程度域電圧配電システム１２に接続される限流器１の可能な応用を示している。もちろん、システムの各相には、１つの限流器１を接続しなければならない。
【００８８】
図４には、配電システム１２の主要な特性およびパラメータが示されている。
【００８９】
明らかなように、配電システム１２は、１３２ｋＶから２０ｋＶへの変圧比を有する変圧器１５によって、１３２ｋＶの送電システム１４に接続されている。
【００９０】
変圧器１５、回路遮断器１６、本実施形態の超電導限流器１、および負荷１３はすべて、長さ８ｋｍの送電線１７によって直列に接続されている。
【００９１】
続く図面は、図１の実施形態を図４のように接続した場合の超電導限流器１の動作特性を示している。
【００９２】
図５で、通常の負荷挿入（例えば巨大な製造プラントの挿入）によって負荷が８０％増大した場合に生ずる過渡的電圧が、さまざまなインダクタンス値の関数として示されている。
【００９３】
図５から分かるように、インダクタ９のインダクタンスが５ｍＨよりも小さい場合、電圧下落は、ＥＮ５０１６０標準で要求される４％よりも小さい。したがって、超電導巻線の設計インダクタンス値として、インダクタ９のインダクタンス値Ｌ＝５ｍＨが選択されている。
【００９４】
図６には、インダクタ９の異なるインダクタンス値Ｌでの、超電導体の電流が示されている。リップルの振幅は、インダクタンスの増加とともに減少するのがわかる。Ｌ＝５ｍＨにおいては、超電導体の電流は、４５９．５±１．４Ａに等しい。
【００９５】
図７には、Ｌ＝５ｍＨの場合で、転移の完了後の抵抗の異なる値での、三相故障による短絡電流の波形が示されている。Ｒ＝４オームの抵抗値での超電導材料の抵抗的振舞いを仮定すると、短絡電流は、限流器１がない場合に到達するであろう値の約２５％となることがわかる。したがって、超電導コイルの設計値としてＲ＝４オームを選択する。
【００９６】
最後に、図８は、以下に列挙するような限流器１の可能な接続を示している。
（ａ）発電機１８からの送電線、
（ｂ）発電所補助装置への電力供給、
（ｃ）配電ネットワーク１９の連結、
（ｄ）母線連結０、
（ｅ）故障電流制限リアクトルのシャント、
（ｆ）変圧器１５からの送電線、
（ｇ）母線接続／送電線２０、
（ｉ）超電導ケーブルなどその他の超電導装置２１との結合、
（ｊ）局所発電ユニット２２の連結、
（ｍ）リング・ネットワークの閉結線。
【００９７】
本発明の特長は、通常の動作状態にある電力システムに影響を及ぼすことなしに、満足できる限流能力を実現できることである。従来の整流ブリッジ型の限流器では、これら２つの特性を同時に実現することができない。さらに、本発明による限流器は、ネットワークの短絡インピーダンスに対して抵抗を追加し、電気アークの消弧をより容易にし、また故障時のネットワークの動的安定性の悪化を回避する。
【００９８】
本発明の１つの特長は、超電導非線形抵抗器が直流の定常状態で動作し、また外部電源装置を必要としないことである。
【００９９】
別の特長は、ここで説明した超電導限流器が電力システムに適用可能であるだけでなく、船舶用、陸上用、および宇宙用の乗り物用のほか、電車および輸送システム用の電気的搭載型システムに適用可能であることである。
【０１００】
本発明の好適な実施形態についての上記の説明は、例示および説明の目的で提示されたものである。開示された厳密な形態で本発明を完全に表現し、または制限するという意図はない。明らかなように、上記の教えるところに照らして、多くの修正および変形が可能であり、ともかく、ここに添付される請求項によって定義されるような保護の範囲および権利が留保される。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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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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【国際調査報告】
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