JP4861035B2 - 超電導限流装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力系統の事故時に系統に流れる短絡電流を抑制する超電導限流装置に関する。

電力系統に事故が発生した場合、電力系統に流れる短絡電流を所定値以下に抑制する機器として限流装置が用いられている。限流装置は系統の定常時はゼロに近いインピーダンスであるが、系統の事故時には高いインピーダンスが生じて短絡電流を所定値以下に抑制する機能を有するものである。このような限流装置の適用が期待される設置箇所の一つは、例えば系統連系である。系統連系では２つの系統を限流装置で接続し、常時２つの系統の電力を融通し合い、事故時には事故電流を抑制してその後に２系統を切り離すという切替方法が行われている。

これまで、限流装置はその有用性について技術的には実証されてきたが、コストメリットを十分に示すことができず、必ずしも電力系統に広く導入されることがなかった。しかし、近年、イットリウム系高温超電導線材の特性向上、長尺化、低コスト化が実現するようになり、コストメリットもあることが分かってきたので、実用化に向けた開発が急速に進んでいる。

一般的に、限流装置は標準盤（キュービクル）に収納されるため、極力小型化し、限流装置導入後のメンテナンスを容易にすることが要求されている。一般的な超電導限流装置は、特許文献１の図１に記載されている構成が知られている。
特開平４−３５９６２６号公報 特許第２７７４６７２号

ところで、通常、限流装置を収納するクライオスタットは、標準盤（キュービクル）という限られた空間に配置されるので、クライオスタットの小型化が重要な課題である。３相分の限流素子を収納するクライオスタットは、限流時の圧力上昇を考慮し、円筒型にすることが望ましい。

従来、３相分の限流素子は、特許文献１の図１に記載されているように、１２０°間隔の対称的な配置となっていた。このような形状で限流素子を配置した場合、少なくとも限流素子の外径の２倍以上の内径を持つクライオスタットを配置する必要があり、クライオスタットの小型化の障害となっていた。また、従来のクライオスタットでは、輻射熱量が大きく、クライオスタット内部の圧力が上昇するという問題があった。
本発明では、上記状況に対処するためになされたもので、その課題はクライオスタットの小型化が可能な超電導限流素子を備えた超電導限流装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の超電導限流装置は、３相電路を構成している各相にそれぞれ超電導限流素子が介挿されてなる３相限流の超電導限流装置において、前記各超電導限流素子はそれぞれ無誘導巻コイルで構成され、このそれぞれの無誘導巻コイルが同心状に収まるように、かつ同軸同心状に配置されていることを特徴とする。

本発明によると、超電導限流装置を収納するクライオスタットを極力小型化し、キュービクル内の空間を確保することによってメンテナンスを容易にするとともに、クライオスタット内部の圧力上昇を低減することができる。

以下、本発明に係る超電導限流装置の最良の実施形態を図を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態である超電導限流装置の構成図であり，同図（ａ）は平面図、同図（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれ同図（ａ）のＵ相無誘導限流素子，Ｖ相無誘導限流素子，Ｗ相無誘導限流素子の斜視図である。

図１に示すように、本実施形態の超電導限流装置は、Ｕ相無誘導限流素子１１と、Ｖ相無誘導限流素子１２と、Ｗ相無誘導限流素子１３を同心状に配置して構成されている。それぞれの無誘導限流素子は、少なくとも１本以上の超電導線２１と、１個以上の巻枠２２および２個以上の電極２３ａ、２３ｂから構成されており、電極２３ａと電極２３ｂ間のインダクタンスは極力ゼロに近くなるような巻線構成となっている。無誘導限流素子の構成例については、例えば特許文献２に記載されているが、バイファイラー巻線で構成された限流素子などでもよい。

本実施形態では、Ｕ相無誘導限流素子１１のコイル外径が最も大きく、次にＶ相無誘導限流素子１２のコイル外径が大きく、Ｗ相無誘導限流素子１３のコイル外径が最も小さくなっているが、特にコイル径と相との相関はなく、相とコイル径との６通りの組み合わせのいずれでもよい。ただし、３相分の無誘導限流コイルが同心状に収まるように、コイル径を調整しておくことは必要である。すなわち、コイルの径の大きさ順に、大径無誘導限流素子、中径無誘導限流素子、小径無誘導限流素子と定義した場合、小径無誘導限流素子のコイル外径より中径無誘導限流素子のコイル内径が大きくし、かつ中径無誘導限流素子のコイル外径より大径無誘導限流素子のコイル内径を大きくなるように構成する必要がある。

図１に示すように、３相の限流素子を同心円状に配置することにより、必要となるクライオスタットの内径は、大径無誘導限流素子であるＵ相無誘導限流素子１１とほぼ同等の大きさにすることが可能となり、限流素子のコイル径の少なくとも２倍以上の径のクライオスタットが必要であった例えば特許文献１に示された従来の限流装置と比較すると、大幅な小型化を実現することができる。

本実施形態では超電導限流装置を３相電路に適用した例を示しているが、本発明は２相電路あるいは４相以上の多相電路にも適用することができる。２相電路では２個の径の異なる無誘導限流素子を同心状に配置して超電導限流装置を構成する。４相電路では４個の径の異なる無誘導限流素子を同心状に配置して超電導限流装置を構成する。以下多相の電路にも同様に適用して超電導限流装置を構成する。また、２相電路では１８０度位相の異なる電路、４相電路では９０度位相の異なる電路、５相電路では７２度位相の異なる電路が好適であり、それ以上の多相電路にも適用することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態である超電導限流装置の斜視図である。
図２に示すように、本実施形態の超電導限流装置は、Ｕ相無誘導限流素子１１、Ｖ相無誘導限流素子１２、Ｗ相無誘導限流素子１３を同軸上に配置した構成になっている。図１の第１の実施形態と比較すると、軸方向に長い構成になっている。例えば、軸方向の長さより、径方向の長さの方を優先的に小型化する必要がある場合には、図１の第１の実施形態より本実施形態の方が有効である。２１は超電導線材、２２は巻枠、２３ａ，２３ｂは電極である。

本実施形態の場合は、Ｕ相無誘導限流素子１１、Ｖ相無誘導限流素子１２およびＷ相無誘導限流素子１３を同等の大きさにすることが可能であるので、従来構成の限流装置と比較すると大幅な小型化を実現することができる。

本実施形態では超電導限流装置を３相電路に適用した例を示しているが、本発明は２相電路あるいは４相以上の多相電路にも容易に適用することができる。２相電路では２個の無誘導限流素子を同軸上に配置して超電導限流装置を構成する。４相電路では４個の無誘導限流素子を同軸上に配置して超電導限流装置を構成する。以下多相の電路にも同様に適用して超電導限流装置を構成する。また、２相電路では１８０度位相の異なる電路、４相電路では９０度位相の異なる電路、５相電路では７２度位相の異なる電路が好適であり、それ以上の多相電路にも適用することができる。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態の構成図であり、同図（ａ）は超電導限流装置の平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の超電導限流装置を構成する要素コイルの斜視図である。

図３に示すように、本実施形態の超電導限流装置は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれの無誘導限流素子を、複数の要素コイルに分割し、各相の無誘導限流素子は、複数の要素コイルを直列あるいは並列に接続することにより構成するものである。図３では、Ｕ相無誘導限流素子は２個の要素コイル３１ａ、３１ｂ、Ｖ相無誘導限流素子は２個の要素コイル３１ｃ、３１ｄ、Ｗ相無誘導限流素子は２個の要素コイル３１ｅ、３１ｆから構成されている。そして、１個の無誘導要素コイル３１ｆのコイル軸を中心として無誘導要素コイル３１ａ、３１ｂと無誘導要素コイル３１ｃ、３１ｄおよび無誘導要素コイル３１ｅが等配構成で配置される。ここで、任意の無誘導要素コイルの組み合わせで同数の無誘導要素コイル群を３組構成するが、図では要素コイル３１ａと３１ｂで１組、要素コイル３１ｃ、３１ｄで１組、要素コイル３１ｅ、３１ｆで１組を構成し、各組内の無誘導要素コイル同士が電気的に直列に接続されるとともに、かつ各組で直列接続された無誘導要素コイル群がそれぞれ３相電路の各相に接続されている。

このように無誘導限流素子を複数の要素コイルに分割することにより、コイルを配置する際の無効スペースをより減じるように構成することができる。その結果、クライオスタットの小型化を実現することができる。

なお、ここでは、各組内の無誘導コイル同士が電気的に直列に接続されるとしたが、この構成に代えて、各組内の無誘導コイル同士が電気的に並列に接続されるとしてもよい。さらには、各組同構成で複数の無誘導コイルを電気的に直列および並列に接続した直並列構成としてもよい。こうした配置によっても上述と同様の作用を得ることができる。

図４は、本発明の超電導限流装置は図３の第３の実施形態の変形例であり、同図（ａ）は超電導限流装置の平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の超電導限流装置を構成する要素コイルの斜視図である。

図４に示すように、本実施形態では、中心に配置されたＵ相の無誘導限流素子（Ｖ相あるいはＷ相と置き換えても可）は、１個の要素コイル３３で構成されている。一方、周囲を取り巻くＶ相およびＷ相の要素コイルはそれぞれ複数個で構成されている。すなわち、１個の要素コイル３３を中心にして偶数個の要素コイルが等配構成で配置され、この偶数個の要素コイルが２組の同数の要素コイル群を構成する。２組の要素コイル群が３相電路のうち２相分の電路にそれぞれ接続され、中心に配置された１個の要素コイル３３が残りの１相分の電路に接続される。図４では、Ｖ相の要素コイルは３２ａ，３２ｂ，３２ｃ、Ｗ相の要素コイルは３２ｄ，３２ｅ，３２ｆのそれぞれ３個づつで構成した場合を示している。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相がそれぞれ無誘導構成されていれば良く、必ずしも同じ形状である必要がないことを示す例である。

このように無誘導限流素子を複数の要素コイルに分割することにより、コイルを配置する際の無効スペースをより減じるように構成したものである。その結果、クライオスタットの小型化を実現することができるようになった。

（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４の実施形態である超電導限流装置の斜視図である。
図５に示すように、本実施形態の超電導限流装置は、Ｕ相無誘導限流素子１１と、Ｖ相無誘導限流素子１２と、Ｗ相無誘導限流素子１３を直線状に配置した構成になっている。なお、２１は超電導線材、２２は巻枠、２３ａ，２３ｂは電極である。

本実施形態の超電導限流装置の構成では、１個の超電導限流素子を除く超電導限流素子を構成する３の倍数個の無誘導要素コイルを備えており、超電導限流素子を構成するコイルのコイル軸を中心として、３の倍数個の無誘導要素コイルが等配構成で配置され、かつ任意の無誘導要素コイルの組み合わせで同数の無誘導要素コイル群を２組構成する。それぞれの組内の無誘導要素コイル同士が電気的に直列、または並列、または直並列に接続されており、かつ、各組で直列、または並列、または直並列に接続された無誘導要素コイル群が３相電路のうち２相分の電路にそれぞれ接続され、かつ超電導限流素子が残りの１相分の電路に接続されている。なお、クライオスタットが円筒形の場合は、必ずしも最適な構成ではないが、例えば、クライオスタットが直方体形状の場合には小型化を実現するのに特に有効である。

（第５の実施形態）
図６は、本発明の第５の実施形態の超電導限流装置の構成図であり、同図（ａ）は超電導限流装置の平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＵ相限流コイルの斜視図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＶ相限流コイルの斜視図、同図（ｄ）は同図（ａ）のＷ相限流コイルの斜視図である。

図６に示すように、本実施形態の超電導限流装置が図１の第１の実施形態と異なる構成は、Ｕ相限流コイル４１、Ｖ相限流コイル４２、Ｗ相限流コイル４３のそれぞれの素子が無誘導構成ではなく、誘導コイルとなっている点である。

本実施形態では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流位相がそれぞれ１２０°ずれていることを考慮して、各瞬間のコイル中心磁場がほぼゼロになるように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルの形状や巻数を設定しており、３相電流通電により、見かけ上無誘導になるように構成したものである。２１は誘導コイル、２２は巻枠、２３ａ，２３ｂは電極である。

本実施形態によると、例えば、Ｕ相に事故電流が流れて、Ｕ相コイルがクエンチしたときには、上述の無誘導性がくずれて、Ｖ相、Ｗ相にはインダクタンスが生じるため、Ｖ相およびＷ相にも限流効果が自動的に現れる、という効果がある。

（第６の実施形態）
図７は、本発明の第６の実施形態の超電導限流装置の構成図であり、同図（ａ）は超電導限流装置の導体構成の斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）の導体の部分側面図、同図（ｃ）は同図（ａ）とは異なる導体の部分側面図、同図（ｄ）は同図（ｂ）および同図（ｃ）とは異なる導体の部分側面図である。

図７（ａ）および同図（ｂ）に示すように、本実施形態の超電導限流装置の超電導限流素子（超電導集合導体）５１は、３本の超電導線（５２ａ、５２ｂ、５２ｃ）による集合導体から構成され、それぞれの超電導線間は、絶縁体５３により電気的に絶縁されている。３本の超電導線は、それぞれ系統のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続されている。２１は誘導コイル、２２は巻枠、２３ａ，２３ｂは電極である。

本実施形態によると、第５の実施形態と同様に、３相電流が通電された場合に、コイルが発生する磁場はキャンセルされ、コイルのインダクタンスは理想的にはゼロにすることができる。また、例えば、Ｕ相に事故電流が流れ、Ｕ相コイルがクエンチしたときには、上述の無誘導性がくずれて、Ｖ相、Ｗ相にはインダクタンスが生じるため、Ｖ相およびＷ相にも限流効果が自動的に現れるという効果がある。

また、本実施形態の超電導限流装置の第１の変形例の超電導限流素子（超電導集合導体）５１Ａは、図７（ｃ）に示すように、Ｕ相を５４ａと５４ｂの超電導線から構成、Ｖ相を５４ｃと５４ｄの超電導線から構成、Ｗ相を５４ｅと５４ｆの超電導線から構成されており、それぞれの相間は絶縁体５３により電気的に絶縁されている。

さらに、本実施形態の超電導限流装置の第２の変形例の超電導限流素子（超電導集合導体）５１Ｂは、図７（ｄ）に示すように、Ｕ相を５４ａと５４ｂの超電導線から構成、Ｖ相を５４ｃと５４ｄの超電導線から構成、Ｗ相を５４ｅと５４ｆの超電導線から構成されており、それぞれの超電導線間は絶縁体５３により電気的に絶縁されている。

上記第１の変形例および第２の変形例のように超電導限流装置の超電導限流素子を構成することにより、第６の実施形態と同様に、３相電流が通電された場合に、コイルが発生する磁場はキャンセルされ、コイルのインダクタンスは理想的にはゼロにすることができる。また、例えば、Ｕ相に事故電流が流れ、Ｕ相コイルがクエンチしたときには、上記の無誘導性がくずれて、Ｖ相、Ｗ相にはインダクタンスが生じるため、Ｖ相およびＷ相にも限流効果が自動的に現れるという効果がある。

本発明の第１の実施形態の構成図であり、同図（ａ）は超電導限流装置の平面図、同図（ｂ），同図（ｃ），同図（ｄ）は同図（ａ）のそれぞれＵ相，Ｖ相，Ｗ相の無誘導限流素子の斜視図。 本発明の第２の実施形態の構成図。 本発明の第３の実施形態の構成図であり、同図（ａ）は超電導限流装置の平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の超電導限流装置を構成する要素コイルの斜視図。 図３の第３の実施形態の変形例であり、同図（ａ）は超電導限流装置の平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の超電導限流装置を構成する要素コイルの斜視図。 本発明の第４の実施形態の斜視図。 本発明の第５の実施形態の構成図であり、同図（ａ）は超電導限流装置の平面図、同図（ｂ），同図（ｃ），同図（ｄ）は同図（ａ）のそれぞれＵ相，Ｖ相，Ｗ相の超電導限流素子を構成する各要素コイルの斜視図。 本発明の第６の実施形態の超電導限流装置の構成図であり、同図（ａ）は超電導限流装置の導体構成の斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）の導体の部分側面図、同図（ｃ） は同図（ａ）とは異なる導体の部分側面図、同図（ｄ）は同図（ｂ）および同図（ｃ）とは異なる導体の部分側面図。

符号の説明

１１…Ｕ相無誘導限流素子、１２…Ｖ相無誘導限流素子、１３…Ｗ相無誘導限流素子、２１…超電導線、２２…巻枠、２３ａ，２３ｂ…電極、３１ａ，３１ｂ…Ｕ相無誘導限流素子の要素コイル、３１ｃ，３１ｄ…Ｖ相無誘導限流素子の要素コイル、３１ｅ，３１ｆ…Ｗ相無誘導限流素子の要素コイル、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ…Ｕ相無誘導限流素子の要素コイル、３２ｄ，３２ｅ，３２ｆ…Ｖ相無誘導限流素子の要素コイル、３３…Ｗ相無誘導限流素子の要素コイル、４１…Ｕ相限流コイル、４２…Ｖ相限流コイル、４３…Ｗ相限流コイル、５１，５１Ａ，５１Ｂ…超電導限流素子、５２ａ…Ｕ相用超電導線、５２ｂ…Ｖ相用超電導線、５２ｃ…Ｗ相用超電導線、５３…絶縁体、５４ａ，５４ｂ…Ｕ相用超電導線、５４ｃ，５４ｄ…Ｖ相用超電導線、５４ｅ，５４ｆ…Ｗ相用超電導線。

Claims (3)

1. ３相電路を構成している各相にそれぞれ超電導限流素子が介挿されてなる３相限流の超電導限流装置において、
   前記各超電導限流素子はそれぞれ無誘導巻コイルで構成され、このそれぞれの無誘導巻コイルが同心状に収まるように、かつ同軸同心状に配置されていることを特徴とする超電導限流装置。
2. ３相電路を構成している各相にそれぞれ超電導限流素子が介挿されてなる３相限流の超電導限流装置において、
   前記超電導限流素子はそれぞれ誘導巻コイルで構成され、このそれぞれの誘導巻コイルが同心状に収まるように、かつ同軸同心状に配置されるとともに、当該各誘導巻コイルが発生する単位通電電流値あたりの発生中心磁場の値が同値になるように構成されていることを特徴とする超電導限流装置。
3. ３相電路を構成している各相にそれぞれ超電導限流素子が介挿されてなる３相限流の超電導限流装置において、
   前記超電導限流素子を構成するコイルが、同心状に収まるように、かつ同軸同心状に配置されるとともに、３の倍数枚の超電導線材と、当該超電導線材群を３等分割する位置に挿入された絶縁体により構成された集合導体で巻線され、３等分割された集合導体の各分割導体がそれぞれ３相の電路に接続されることを特徴とする超電導限流装置。

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