JP4074046B2 - 超電導トランスを使用する電流制限装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超電導体の工業的利用分野に関係し、超電導トランスを利用する電流制限方法に関係する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば電流分配網に対して設計された超電導電流制限器においては、臨界温度Ｔ_C 以下の温度に冷却された超電導体は、それに流れる電流の電流密度が或る制限値を下回り続ける限りにおいて、その超電導性を維持するという事実が用いられている。この制限値は、臨界電流密度ｊ_C と通常呼ばれているが、特定の導電体断面積と関係して、臨界電流レベルＩ_C とも呼ばれ、原理的には、超電導体の温度、及び超電導体を通過する磁場に依存する。導電体の電流レベルは、短絡回路が生じた場合に、臨界値Ｉ_C を越え、導電体の電気抵抗が増大し、短絡回路電流が制限される。ドイツ連邦共和国特許公開ＤＥ４４１８０５０Ａ１において、このことは、誘導コイルを使用して行われる。この誘導コイルのインピーダンスは、鉄芯が最早シールドされないので、突然増加する。
【０００３】
電力分配網内の如何なる形態の電流制限器に対する最も大きな要求は、短絡回路電流を安全なレベルに制限し、短絡回路が最早存在しない場合に直ちに定格電流を搬送することにある。特に、回路を切った結果、短絡回路と同じ電流制限器によって保護される負荷が、完全に電源から切断される必要が生じるべきではない。
【０００４】
超電導体にあまりに長く過剰電流が加わっていると、臨界温度Ｔ_C 以上に加熱され、ある状況においては、損傷される場合がある。この様に加熱された電流制限器は、短絡回路が修理され、定格電流のみが再び流れる必要がある時、相当の抵抗を依然として有する。臨界温度Ｔ_C 以下の温度への後続の冷却工程は、超電導体と冷却媒体との間の熱伝導に関係する物理的に予め決められた制限に依存する或る最小時間の間続く。この時間は、実際の短絡回路の期間よりもしばしば長く、従って、必要とされるより相当長い時間、負荷に供給される電源が切断されるか、少なくとも制限される。
【０００５】
超電導体に基づく電流制限器において、通常の動作中に無損失で定格電流を運ぶ超電導セクションを、熱的過負荷から保護する必要がある。並列に接続される補助路はこの目的にために好適である。この補助路は通常の動作中電流を運ぶのにほどんど又は全く寄与しないが、短絡回路電流を運ぶ助けになる。
【０００６】
これとは異なり、超電導トランスが常電導回路内に設けられる場合にも、トランスに電流制限特性を設けることを可能にする。米国特許４，３３６，５６１は、並列接続された主及び補助捲線が一次及び二次の両方に設けられる形態のトランスを開示している。主捲線は、連続動作中に抵抗損失無しに定格電流を運ぶ様に設計される。負荷減少要素として設計される２つの補助捲線は完全には結合されない、即ち、２つの補助捲線は、独立して存在する誘導コイルの漂遊インピーダンスと同様の、かなり大きい漂遊インピーダンスによって、識別される。この理由のため、理想的には連続動作中は補助捲線を通して電流は流れない。定格電流が短絡回路が発生した際に越える場合、一次の補助及び主捲線の両方が、抵抗状態に変化し、電流が少なくとも部分的に補助捲線に流れる。補助捲線の漂遊インピーダンスが無制限な電流上昇を防ぐ。スイッチは、短絡回路が生じた際に主捲線を切り、過負荷に対してそれを保護することができる。補助捲線は、全ての状況において超電導状態に留まる様に設計され、換言すると、補助捲線の導電断面積が定格電流の倍数に基づいて設計される。これは、超電導材料、特に、一次補助捲線に対して相当なコストをもたらす。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、可能な限り少ない中断でもって負荷に電力を供給し、超電導材料を低コストで済ます超電導トランスに基づいた電流制限装置を特定する目的に基づいている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的は、超電導トランスから成り且つ請求項１の特徴を有する構成、及び請求項９の特徴を有する電流制限法によって達成される。本発明のアイデアの好適な発展は従属請求項の内容である。
【０００９】
本発明の要旨は、超電導トランスの場合、補助路を、第２の常電導一次又は二次捲線の形態で、それぞれ、第１の超電導一次又は二次捲線と並列に設けることにある。常電導体の抵抗のために、通常動作中この補助又は負荷減少捲線を通過しする電流は理想的には存在しない。しかしながら、第１の捲線の電流が、短絡回路が発生した場合に臨界値を越えると、電気抵抗が同様にそこに形成され、今度は、第２の捲線に沿って延びる常電導路が短絡電流の一部を運ぶ。
【００１０】
本発明の第１の実施の形態は、第１の超電導捲線が、その臨界電流レベルＩ_C が通常動作中一次側又は二次側でそれぞれ運ばれるべき定格電流Ｉ_N と本質的に一致する様に設計されている点で識別される。
【００１１】
第の２実施の形態では、本発明に従う補助捲線は、一次側又は二次側の何れかに位置しており、第１の超電導捲線のみが、対向の二次又は一次側で設けられている。この第１の超電導捲線は、短絡回路が生じる場合であっても、超電導に留まり、換言すると、定格電流Ｉ_N を何度も運ぶことができる。
【００１２】
第２の常電導性補助捲線のインピーダンスを増大するために、更なる例示的実施の形態においては、この捲線には誘導成分が与えられている。この目的のために、第２の捲線が、この捲線と対向する二次又は一次捲線との間の最小距離が追加の漂遊インダクタンスを結果する様に巻かれる。
【００１３】
更なる例示的実施の形態においては、スイッチが、第１の超電導捲線と直列に設けられ、このスイッチは短絡回路が発生した直後に開かれ、超電導捲線を流れる電流を阻止する。超電導捲線は、従って最適に保護され、重大でない程度に加熱され、短絡回路が最早存在しない場合は直ちに回路に再接続することができる。
【００１４】
この発明は、例示的実施の形態を参照する以下の記述において図面を伴って、より詳細に説明される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図面で使用される参照番号は、符号の説明の欄にまとめられている。原則的に、同じ部分には同じ参照番号が与えられている。
【００１６】
読み易さをもたらすために、本発明に従う補助捲線は、以下の記述において、一次側と呼ばれる超電導トランスの側にあると随意に考えられている。以下に更に説明される様に、このことは、本発明の要旨を何等限定するものではない。
【００１７】
図１は、電流源１１を有する一次回路１０、負荷２１を有する二次回路２０、及び一次回路と二次回路との間に構成され、トランスコア３１を有するトランス３０を含む回路のスケッチを示す。通常動作中、電流源１１は、一次定格電流Ｉ_N （Ｐ）を発生するが、二次定格電流Ｉ_N （Ｓ）が負荷２１を通過する。トランス３０は第１の超電導一次捲線１２を有し、この捲線は、何等の損失も無しに主定格電流Ｉ_N （Ｐ）を運ぶ。第２の、常電導一次捲線１４が、補助捲線として、第１の一次捲線１２と並列に設けられている。一次捲線１２、１４の両方が、トランスコア３１を介して相互作用によりトランス３０の二次捲線２２に接続されている。
【００１８】
図２は、第１のスイッチ１３が第１の一次捲線１２と直列に設けられた設計変更を示す。このスイッチ１３は第１の一次捲線１２が一次回路１０から切り離されることを可能とする。第１のスイッチの存在と独立して、第２のスイッチ１５を、第２の一次捲線１４と直列に設けることができる。
【００１９】
図３は、図２に示された設計変更を示しており、トランス３０の断面を示している。捲線１２、１４、２２の全てが、トランスコア３１と同じ共通軸の周りに同心的に巻かれている。超電導一及び二次捲線１２、２２は、冷却媒体３３を満たしたクライオスタット３２内で、半径距離ｄ１に位置している。第２の一次捲線１４は、２つのスイッチ１３、１５と同様に、クライオスタット３２の外側に位置している。第２の一次捲線１４と二次捲線２２との間の距離は、ｄ２によって示される。
【００２０】
図４は、更なる設計変更を示しており、ダンピングインピーダンス、好適には、抵抗器からなる並列回路と第３のスイッチ１７とが補助捲線１４と直列に接続されている。第３のスイッチ１７は、閉じた時に、インピーダンス１６をブリッジし、上述した様に、第２のスイッチ１５と同じとすることができる。
【００２１】
通常動作中、第１の超電導一次捲線１２は電流源１１に接続される。短絡回路が二次回路２０に発生する場合、一次及び二次側における電流レベルは、激しく上昇し、第１の一次捲線１２中の臨界電流レベルＩ_C （Ｐ）を越える。比例する以上の電圧降下が発生し、一次捲線１２が常導電状態に変化する。同時に、並列接続された常電導の第２の一次捲線１４のインピーダンスは変化せず、勿論、その結果、短絡回路電流、即ち、過剰電流の流れが、第１の一次捲線から第２の一次捲線に変えられる。
【００２２】
図２に示される実施の形態に従った第１の一次捲線１２と直列のスイッチ１３は更に負荷に所望の減少をもたらす。第１の過剰電流スパイクが超電導体によって制限されると直ぐに、この超電導体が電流源１１から切り離される。これは、好適には、スイッチ１３を流れる過剰電流要素のゼロ交差点で行われる。従って、最も早い起こりうる時刻は、遅くとも半サイクル後に発生するが、幾分より長い時間待って、例えば、（５０−６０Ｈｚのメイン周波数に対して）２０−１００ｍｓ後に第１の主捲線１２を通る過剰電流を遮ることが適当である。第１の主捲線１２は、従って、通常は数百ｍｓ後の短絡回路が修理される前に再び冷却されるのに充分な時間を有する。
【００２３】
第２の一次捲線１４は通常高抵抗を有しており、例えば、スティールワイヤから巻回される。しかしながら、低温で特に極めて高い導電率を有する銅又はアルミニュウムワイヤを選択することもできる。しかしながら、この場合、短絡回路が生じた場合に、第２の一次捲線１４を通過する過剰電流が過度に上昇することを防止するために、この第２の一次捲線１４には追加の一次捲線が設けられる必要がある。このことを達成するために、第２の一次捲線１４の巻きは、二次捲線２２の捲きから或る距離ｄ２で巻かれる。これに対応するエアーギャップが、所望の誘導インピーダンスを保証し、図３に示される様に、第２の一次捲線１４がクライオスタット３２の外側に設けられる。２つの一次捲線１２、１４の設計における重要な要素は、常電導状態での第１の捲線１２の抵抗に対する第２の捲線１４の全インピーダンスの比であり、これにより、第１の過剰電流スパイクが制限される。
【００２４】
これとは対照的に、２つの超電導の第１の捲線１２、２２との間の結合は、漂遊損失を通常動作中低く保つために、可能な限り密であらねば成らない。これら捲線間の半径距離ｄ１は従って、一般的に適応できる分離要求を考慮にいれて、可能な限り小さく選ばれるべきである。図２に示される第２のスイッチ１５はこの目的のためも使用される。このスイッチは、補助路１４に設けられ、通常動作中は、補助路１４を電流源１１から切断し、故障が生じた時に接続する機能を有する。
【００２５】
図４補助捲線１４と直列に設けられる追加のダンピングインピーダンス１６は、起こりうる周期的でない短絡回路電流の急速なダンピングの役割を有する。インピーダンス１６は、第３のスイッチ１７を閉じることによって、短絡回路が生じた後の適当な短時間の後、例えば、第２の交流電流サイクル（即ち、５０Ｈｚのメイン周波数に対して２０−４０ｍｓ）内で再びブリッジされることができる。
【００２６】
超電導捲線にとしては、例えば、電気的バイパスとして機能し、且つ超電導でない材料からなるマトリックス内に相当の割合で超電導相を含むワイヤを使用することができる。このワイヤ内の臨界電流レベルは、ワイヤの断面積又は超電導材料の内容によって影響される。この場合、交流電流損失は関連する超電導体の体積に比例することが想起されるべきである。この観点からも、定格電流Ｉ_N は臨界電流Ｉ_C に略対応する様にワイヤを設計することが有利である。これは、図示されたトランス３０内の一次捲線１２の場合である。
【００２７】
一つのみの捲線が二次側に設けられる場合、それ自体は電流制限機能を有さない場合がある。これは、その捲線が同様に熱くなり、一次側と類似の対応する予防措置によって保護される必要がある。従って、このワイヤは、高い割合で超電導材料を有するか、又はそのマトリックスが、それ自体、即ち、超電導相が損傷を受けることなく、一時的に過剰電流を運ぶ様に設計される。銀マトリックスがこの目的のために好適である。
【００２８】
始めに記述された様に、一次及び二次回路１０、２０に対して選択された呼称は、それそれ電流源１１又は負荷１２によって支配されない。当業者は、勿論、二次側に基づいて本発明を特徴付ける施策を使用すること、即ち、ここで使用された一次と二次の呼称を交換することは自由である。電流制限機構を補助捲線と伴にトランスの両側に設けることも可能である。補助捲線は、少なくともトランス側においてより大きな定格電流を有する様に設計するのが都合が良い。このことは、トランスが電圧を高く変換する、換言すると、一次定格電流Ｉ_N （Ｐ）が二次定格電流Ｉ_N （Ｓ）よりも大きいとの仮定の基で既に成された説に対応する。電流制限及び交流電流損失減少の目的で、超電導一次捲線１２が定格電流Ｉ_N （Ｐ）に対して設計され、二次側でより小さい定格及び短絡回路電流が余裕をもって設計される場合に、最も材料を節約することができる。特に、好適な材料は冷却媒体３３として液体窒素を使用して臨界温度Ｔ_C 以下の温度に冷却することができる高温超電導体である。
【００２９】
全体として、本発明に従う常電導補助捲線１４の使用が、負荷２１に何等の中断無しに電力が供給される電流制限超電導トランス３０を結果としてもたらす。制限されるべき短絡回路電流による超電導体１２の過剰な加熱が回避され、従って、超電導体は、一度故障が修理されると、直ちに再び動作可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の例示的実施の形態に従う、超電導トランスを有する回路を示す、
【図２】本発明の第２の例示的実施の形態に従う、超電導トランスを有する回路を示す、
【図３】図２に示される構成の説明図であり、超電導トランスの断面を示す説明図、
【図４】本発明の第３の例示的実施の形態に従う、超電導トランスを有する回路を示す。
【符号の説明】
１０・・・一次回路、 １１・・・交流電流源、 １２・・・第１の超電導一次捲線、 １３・・・第１のスイッチ、 １４・・・第２の常電導一次捲線、
１５・・・第２のスイッチ、 １６・・・ダンピングインピーダンス、 １７・・・第３のスイッチ、 ２０・・・二次回路、 ２１・・・負荷、 ２２・・・超電導二次捲線、 ３０・・・トランス、 ３１・・・トランスコア、 ３２・・・クライオスタット、 ３３・・・冷却媒体

Claims (8)

1. 超電導一次捲線（１２）、超電導二次捲線（２２）、及び、前記超電導一次捲線（１２）と並列な常電導材料からなる補助捲線（１４）を有する超電導トランス（３０）から成り、
   前記超電導一次捲線（１２）が臨界電流レベルＩ _C （Ｐ）を有しており、このレベルが、前記トランス（３０）の一次側の定格電流Ｉ _N （Ｐ）に本質的に対応しており、
   前記超電導二次捲線（２２）が臨界電流レベルＩ _C （Ｓ）を有しており、このレベルが、前記トランス（３０）の二次側の定格電流Ｉ _N （Ｓ）よりも大きく、更なる二次捲線が設けられていないことを特徴とする電流制限装置。
2. ａ） 前記一次捲線（１２）が前記二次捲線（２２）から第１の半径距離ｄ１に、この二次捲線と同軸に構成されており、ｂ）前記補助捲線（１４）が前記二次捲線（２２）から第２の半径距離ｄ２に、この二次捲線と同軸に構成されており、ｃ）前記第２の半径距離ｄ２が、前記第１の半径距離ｄ１よりも大きい請求項１記載の装置。
3. 前記一次捲線（１２）及び前記二次捲線（２２）を冷却するための冷却媒体（３３）を有するクライオスタット（３２）が設けられて、前記補助捲線（１４）がクライオスタット（３２）の外部に構成されている請求項２記載の装置。
4. 前記補助捲線（１４）と並列な前記一次捲線（１２）を切断するための第１のスイッチ（１３）が設けられている請求項１乃至３何れかに記載の装置。
5. 前記補助捲線（１４）を切断するための第２のスイッチ（１５）が設けられている請求項４記載の装置。
6. ダンピングインピーダンス（１６）と補助捲線（１４）と直列の第３のスイッチ（１７）とから成る、並列回路が設けられている請求項１乃至３何れかに記載の構成。
7. 第１のスイッチ（１３）および超電導一次捲線（１２）と並列な常電導補助捲線（１４）を有する超電導トランス（３０）から成る構成を使用し、短絡回路が発生した後に第１のスイッチ（１３）が開放され、全一次電流が補助捲線（１４）へと流れを変える電流制限方法において、前記第１のスイッチ（１３）が、それを流れる電流がゼロを交差した時に開かれることを特徴とする方法。
8. 前記第１のスイッチ（１３）が、短絡回路が発生した後の、１乃至５交流電流サイクル内で開かれる請求項７記載の方法。

Images