JP3864596B2

JP3864596B2 - Current limiting system

Info

Publication number: JP3864596B2
Application number: JP37397098A
Authority: JP
Inventors: 恒雄中原; 健吾大倉; 謙一佐藤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2018-12-28
Also published as: JP2000197262A

Description

【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システムに関し、特に酸化物超電導体からなる限流素子の劣化を低減し得る限流システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力回路において短絡故障により発生した過大電流を制限するための機器が限流器である。近年、超電導体を用いた限流器が開発されてきた。この超電導限流器は、短絡事故時に超電導体を超電導状態から常電導状態へ転移させる機構を利用している。
【０００３】
超電導限流器には、大きくわけて、金属系超電導体を用いるものと、高温超電導体を用いるものの２種類がある。高温超電導体を用いる方式は、より高い温度で運転できるので、その開発が期待されている。
【０００４】
高温超電導限流器には、主に遮蔽型と抵抗型の２種類がある。遮蔽型限流器は、たとえばIEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY,VOL.5,NO.2,JUNE 1995 に記載されている。トランス構造を有するこの遮蔽型限流器は、同心円状に配置された銅コイル、高温超電導チューブおよび鉄心からなっている。銅コイルは系統とつながれる。その内側に配置される超電導チューブは、銅コイルによる磁束が鉄心に入らないよう磁束を遮蔽する。コイルに過大電流が流れると、遮蔽が破れ、磁束が鉄心に入り、その結果コイルのインダクダンスが急激に増加して限流がなされる。抵抗型限流器において超電導体は系統に直列に接続される。事故時に、過大電流が流れると、超電導体はクエンチし、高い抵抗を発生させる。この発生した抵抗により、限流がなされる。抵抗型限流器には磁場印加式のものもある（エレクトロニクス１９９１年３月号，ｐｐ４９−５３）。
【０００５】
図１は磁場印加式抵抗型限流器を模式的に示している。限流器１０において、コイル１１の内部空間に超電導体１２が配置される。過大な電流が検出されると、コイル１１は、通電され、超電導体１２に臨界磁界を超える磁界を印加する。その結果、超電導体１２はクエンチさせられ、発生した抵抗により短絡電流は制限される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の超電導限流器は、いずれも欠点を有している。遮蔽型限流器では、高い抵抗を得るため大型のコイルが必要であり、コイルのために使用される線材の量は莫大なものになる。抵抗型限流器の場合、超電導体からなる限流素子が劣化しやすい。事故電流の大部分は限流素子のジュール発熱により消費される。このとき、素子の急激な温度上昇がおこり、その結果、素子が焼損したり、超電導体とそれを支持する基材との間の熱膨張差に起因して素子が劣化する可能性がある。高温超電導体は、金属系超電導体に比べて常電導伝搬速度が２桁低く、局所的な温度上昇を生じさせやすい。このため、限流動作中に超電導体の一部の温度が過度に上昇し、その部分が溶断する事故が起こり得る。高温超電導限流素子が液体窒素等の冷媒中に浸漬されて使用されるとき、発熱により発生する気泡が素子を覆い、熱伝導が悪くなる。また、素子に流れる大電流は、素子の温度を上昇させ、そのため復帰の時定数は変わり、事故後の復帰が遅れる可能性がある。
【０００７】
本発明の目的は、抵抗型超電導限流素子の温度上昇および劣化が少ない限流システムを提供することにある。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、抵抗型超電導限流素子を用いて、事故後の復帰が比較的早い限流システムを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による限流システムは、負荷に直列に接続される、酸化物超電導体からなる限流素子と、限流素子に磁場を印加するためのコイルと、発生した異常電流を検出するための手段と、負荷に並列に接続されるスイッチング素子と、負荷に並列に接続されかつスイッチング素子に直列に接続される抵抗素子とを備える。このシステムにおいて、異常電流の発生時に、コイルは通電されて限流素子に磁界を印加し、かつ検出手段による異常電流の検出に応答して、スイッチング素子はオン状態となり異常電流を部分的に流すためのバイパスを形成する。
【００１０】
本発明において、複数のスイッチング素子を負荷に並列に接続してもよい。各スイッチング素子は検出手段による異常電流の検出に応答することができる。本発明において、複数の限流素子を負荷に直列に接続し、各限流素子に磁界を印加するためのコイルを設けてもよい。各コイルは検出手段による異常電流の検出に応答して通電され得る。本発明において、スイッチング素子は負荷に並列に接続されるサイリスタであることが好ましい。
【００１１】
本発明においてコイルはビスマス系２２２３相酸化物超電導体等の酸化物超電導体からなることが好ましい。
【００１２】
本発明において、コイルの励磁のため、発生した異常電流をコイルに流してもよい。
【００１３】
本発明において、限流素子は、強制的に流動されている冷媒によって冷却してもよい。この強制的な流動により、冷媒は、その凝固点以下の温度で流動状態に維持され得る。
【００１４】
また、本発明において、負荷を冷却するため強制的に循環される冷媒により、限流素子およびコイルを冷却してもよい。そのような冷却系は、たとえば、冷媒を強制的に循環するためのポンプ、強制的に循環される冷媒を冷却するための第１の冷却手段、冷媒を貯留するための容器、限流素子およびコイルに接触する冷媒を冷却するための第２の冷却手段、ならびに循環される冷媒を保持するための配管系を備えることができる。第１および第２の冷却手段はそれぞれ、ブレイトン・サイクル冷凍機に接続される熱交換器とすることができる。また第１および第２の冷却手段をスターリング・サイクル冷凍機またはＧＭ冷凍機としてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明をより詳細に説明する。図２は、本発明による限流システムの一具体例を模式的に示す。交流電源２８が接続される電力回路においてケーブル等の負荷２３に直列に限流素子２２が接続される。限流素子２２はコイル２１の内部空間に配置される。また電力回路には、事故時に流れる異常電流を検出するためのサーチコイル２６が設けられる。サーチコイル２６は制御回路２７に接続される。さらに電力回路において負荷２３に並列に抵抗素子２４およびスイッチング素子としてのサイリスタ２５が接続される。図中Ｌは回路インダクタンスを表す。サイリスタ２５のゲートは制御回路２７に接続される。またコイル２１も制御回路２７に接続される。限流素子２２はたとえば図３に示すような構造を有する。限流素子２２において基板２２ｂ上にはミアンダ構造の酸化物超電導体薄膜２２ａが形成される。薄膜２２ａの厚みはたとえば１〜５μｍである。酸化物超電導体にはＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-Xのイットリウム系高温超電導体が好ましく用いられる。基板には、イットリア安定化ジルコニア、酸化マグネシウム、ハステロイ等が用いられる。サイリスタには高速応答性で高耐圧性のものが好ましく用いられる。
【００１６】
図２に示す限流システムの動作原理は以下のとおりである。負荷２３に短絡電流が流れようとした時点で、サーチコイル２６を介して短絡電流の発生が検出される。検出した電圧をトリガーとして制御回路によりコイル２１は通電され、限流素子２２に磁界が印加される。それまで超電導状態であった素子２２は磁界により常電導状態に転移し、抵抗を発生させる。同時に、制御回路２７によりサイリスタ２５のゲートに電圧が印加され、サイリスタ２５はターンオンの状態となり、抵抗素子２４の比抵抗に応じて短絡電流の一部が流れるバイパスが形成される。かくして、限流素子に発生した抵抗により短絡電流が制限され、かつバイパスによって限流素子に流れる電流が減じられる。磁界の印加によって限流素子の超電導体全体がクエンチさせられるため、限流動作中に超電導体の一部の温度が過度に上昇することが抑制され、部分的な溶断が防がれる。加えて、サイリスタによるバイパスの形成によって、限流素子が限流のため負担するエネルギは減じられ、限流素子へのダメージは低減される。このことは、限流素子での温度上昇の抑制および限流素子の超電導状態への早い復帰につながる。
【００１７】
本発明による限流システムのさらなる具体例を図４に示す。この具体例は複数の限流素子およびスイッチング素子を有している。交流電源４８が接続される電力回路においてケーブル等の負荷４３に直列に３つの限流素子４２ａ、４２ｂおよび４２ｃが接続される。限流素子４２ａ、４２ｂおよび４２ｃはそれぞれコイル４１ａ、４１ｂおよび４１ｃの内部空間に配置される。また電力回路には、事故時に流れる異常電流を検出するためのサーチコイル４６が設けられる。サーチコイル４６は制御回路４７に接続される。さらに電力回路において負荷４３に並列に３つの抵抗素子４４ａ、４４ｂおよび４４ｃならびにスイッチング素子としてのサイリスタ４５ａ、４５ｂおよび４５ｃが接続される。図中Ｌは回路インダクタンスを表す。サイリスタ４５ａ〜４５ｃの各ゲートは制御回路４７に接続される。またコイル４１ａ〜４１ｃも制御回路４７に接続される。限流素子４２ａ〜４２ｃにはたとえば上述と同様のものが用いられる。サイリスタには高速応答性で高耐圧性のものが好ましく用いられる。
【００１８】
図４に示す限流システムの以下のように動作させることができる。負荷４３に短絡電流が流れようとした時点で、サーチコイル４６を介して短絡電流の発生が検出される。検出した電圧をトリガーとして制御回路４７によりコイル４１ｃが通電され、限流素子４２ｃに磁界が印加される。それまで超電導状態であった素子４２ｃは磁界により常電導状態に転移し、抵抗を発生させる。同時に、制御回路４７によりサイリスタ４５ｃのゲートに電圧が印加され、サイリスタ４５ｃはターンオンの状態となり、抵抗素子４４ｃの比抵抗に応じて短絡電流の一部が流れるバイパスが形成される。このとき、検出器（図示省略）により測定された限流素子４２ｃ両端の電圧が所定の値以上であるとき、制御回路４７によりコイル４１ｂが通電され、限流素子４２ｂに磁界が印加される。素子４２ｂは磁界により常電導状態に転移し、限流作用のための抵抗を発生させる。同時に、制御回路４７によりサイリスタ４５ｂのゲートに電圧が印加され、抵抗素子４４ｂの比抵抗に応じて短絡電流の一部が流れる追加のバイパスが形成される。一方、測定された電圧が所定の値に満たないとき、素子４２ａ、抵抗素子４２ａおよびサイリスタ４５ａのみが限流動作に関与する。さらに、検出器（図示省略）により測定された限流素子４２ｂ両端の電圧が所定の値以上であるとき、同様にしてコイル４１ａが励磁され、サイリスタ４５ａがターンオンの状態となる。このようにして３つの限流素子と３つのサイリスタが限流動作に関与する。一方、素子４２ｂの両端の電圧が所定の値に満たないとき、コイル４２ａおよびサイリスタ４５ａは限流動作に関与しない。このようにして、必要に応じ、適当な数および／または位置の限流素子ならびにサイリスタを作動させることができる。
【００１９】
図４に示す限流システムは以下のように作動させてもよい。負荷４３に短絡電流が流れようとした時点で、サーチコイル４６を介して短絡電流の発生が検出される。検出した電圧をトリガーとして制御回路４７により３つのコイル４１ａ〜４２ｃが通電され、３つの限流素子４２ａ〜４２ｃにそれぞれ磁界が印加される。それまで超電導状態であった３つの素子は磁界により常電導状態に転移し、抵抗を発生させる。同時に、制御回路４７により３つのサイリスタ４５ａ〜４５ｃのゲートに電圧が印加され、サイリスタ４５ａ〜４５ｃはターンオンの状態となり、抵抗素子４４ａ〜４４ｃの比抵抗に応じて短絡電流の一部が流れる３つのバイパスが形成される。この場合のシミュレーション回路を図５に示す。図中、Ｅは電源電圧、Ｌは回路インダクタンス、Ｒ_G1、Ｒ_G2、Ｒ_G3はそれぞれ限流素子の抵抗、Ｒ_LOADは負荷の抵抗、Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃はそれぞれ抵抗素子の抵抗を表す。Ｅが１００Ｖ、Ｌが０．０１Ｈ、Ｒ_G1、Ｒ_G2、Ｒ_G3がそれぞれ０．０５Ω（ノーマル時）、Ｒ_LOADが０．２０Ω、Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃がそれぞれ２０Ωの場合のシミュレーションの結果を図６に示す。図６中、実線は本発明の場合の結果、点線は抵抗素子およびサイリスタがない場合の結果を示している。この結果は、本発明による限流システムが、穏やかな限流をもたらし、かつ限流動作後、電流をほぼゼロに減衰させることができることを示している。一方、限流素子のみの場合、限流が一時的に急に起こり、限流動作後、一定の電流がある時間残り得ることがわかった。
【００２０】
本発明において複数の限流素子を用いれば、短絡電流のエネルギをそれらに適当な態様で分配することができ、各素子のダメージを最小限に抑えることができる。必要に応じて限流素子に磁界を印加するコイルの数を決めることができる。複数の限流素子に１つのコイルで磁界を印加してもよいし、各限流素子にそれぞれコイルを設けてもよい。限流素子、コイル、抵抗素子およびスイッチング素子の数は、限流システムが使用される系統において想定される事故電流に応じて最適なものに設定すればよい。また、限流素子に磁場を印加するためコイルに直接事故電流を流すシステムを設けてもよい。
【００２１】
上述した限流システムに、表１に示すようなコイルを用いることができる。
【００２２】
【表１】

【００２３】
たとえばこのコイル両端に１３０Ｖの電圧を印加し、０．１秒の高速で０．５Ｔの磁場をコイルの中心部に発生させる。この磁場を印加された限流素子は常電導状態に転移する。限流素子にイットリウム系酸化物超電導体（ＹＢＣＯ）薄膜を用いる場合、その臨界電流密度（Ｊｃ）の磁場依存性はたとえば図７のようになる。この超電導体の磁場ゼロ７７Ｋにおける臨界電流密度は１０万Ａ／ｃｍ²である。図中、（Ｎｉ）はＮｉ基板上に形成されたＹＢＣＯ薄膜を表し、（ＳｒＴｉＯ₃）はＳｒＴｉＯ₃基板上形成されたＹＢＣＯ薄膜を表す。図からわかるように、たとえば７７Ｋで０．５Ｔの磁場をＹＢＣＯ薄膜に印加すると、Ｊｃは約１／４に低下する。したがって、７７Ｋで臨界電流付近の電流を流す場合、０．５Ｔの磁場によって容易にＹＢＣＯ限流素子を超電導から常電導に転移させ、高速で限流動作に入らせることができる。一方、磁場をゼロにすれば、高速で超電導状態を復帰させることができる。
【００２４】
本発明による限流システムは図８に示すような冷却システムに組み込むことができる。なお、図をわかりやすくするため、限流システムのスイッチング素子、抵抗素子、短絡電流検出器およびそれらの制御機構を省略している。この冷却システムにより、負荷と限流システムは、循環する共通の冷媒によって冷却される。限流素子８２ａ、８２ｂ、８２ｃおよびコイル８１は断熱式のＦＲＰ製容器９１に収容される。素子８２ａ〜８２ｃに磁場を印加するためのコイル８１はたとえばビスマス系２２２３相酸化物超電導コイルである。このシステムでは、１つのコイルが３つの限流素子に磁場を印加する。３つの限流素子は、ケーブル負荷８３および電源８８に、直列でブッシング８４を介して接続される。容器９１内にはさらに熱交換器９６ａが収容される。コイル８１は別の電源９８に接続される。ケーブル８３、限流素子８２ａ〜８２ｃおよびコイル８１を冷却する冷媒は、ケーブル８３および容器９１を通過する配管系９２において、ポンプ９３により強制的に循環される。ポンプ９３により冷媒は二重管９４ａを通ってタンク９５に送られる。タンク９５内には冷却のための熱交換器９６ｂが設けられる。また、タンク９５内には冷媒を攪拌するためのスクリュー９７が設けられている。タンク９５を出た冷媒は、ケーブル負荷８３に送られる。冷媒は、ケーブル負荷８３からＦＲＰ容器９１に送られ、限流素子８２ａ〜８２ｃおよびコイル８１を冷却する。容器９１を出た冷媒は二重管９４ｂを介してポンプ９３に送られる。このシステムにおいて冷媒はブレイトン・サイクル冷凍機１０１によって冷却される。ブレイトン・サイクル冷凍機１０１は、ヘリウムガスを断熱膨張するための膨張タービン１０２および断熱圧縮するためのコンプレッサー１０３を有する。ヘリウムガスは配管系１０４を介し冷凍サイクルにおいて循環させられている。配管系１０４には冷却のための熱交換器９６ａおよび９６ｂが配置される。このような冷却システムにおいて強制的な循環によって冷媒を流動させる場合、静止状態にある冷媒の本来の凝固点または三重点以下の温度で、冷媒を流動状態に保つことができる。過冷却状態にある冷媒で冷却を行なえば、超電導体においてより高いＪｃを得ることができる。超電導ケーブルを負荷に用いる場合、このような過冷却状態はより有利である。冷却システムにおいて冷媒の温度を本来の凝固点または三重点以下にする場合、冷媒の粘度をモニターする手段および冷媒の流量を測定する手段を配管系に設けることが好ましい。負荷および限流システムのための冷媒には、液体窒素、液体空気、液体窒素と液体酸素との混合物等を使用することができる。また、タンク９５に気体の空気を供給して、熱交換器９６ｂの冷却により液化してもよい。液化された空気は、ポンプ９３によって循環される。
【００２５】
また、本発明による限流システムは図９に示すような冷却システムに組み込んでもよい。なお、図をわかりやすくするため、限流システムのスイッチング素子、抵抗素子、短絡電流検出器およびそれらの制御機構を省略している。この冷却システムでも、負荷と限流システムは、循環する共通の冷媒によって冷却される。限流素子８２ａ、８２ｂ、８２ｃおよび対応するコイル８１ａ、８１ｂ、８１ｃは断熱式のＦＲＰ製容器９１に収容される。隣り合う素子同士の間には鋼鉄製の遮蔽板１１０ａ、１１０ｂが設けられ、各素子が独立して作動するようになっている。素子８２ａ〜８２ｃにそれぞれ磁場を印加するためのコイル８１ａ〜８１ｃはたとえばビスマス系２２２３相酸化物超電導コイルである。３つの限流素子は、超電導機器１１３および電源８８に、直列でブッシング８４を介して接続される。容器９１内にはさらに、圧縮機１２０ａおよびピストン１２０ｂを有するＧＭ冷凍機１２０の熱交換器１２１が収容される。コイル８１ａ〜８１ｃは別の電源９８に接続される。冷媒は、配管系９２において、ポンプ９３により強制的に循環される。ポンプ９３により冷媒は二重管９４ａを通ってタンク９５に送られる。タンク９５内には、圧縮機１３０ａおよび１３０ｂを有するＧＭ冷凍機１３０の熱交換器１３１が収容される。また、タンク９５内には冷媒を攪拌するためのスクリュー９７が設けられている。タンク９５を出た冷媒は、超電導機器１１３に送られる。冷媒は、超電導機器１１３からＦＲＰ容器９１に送られ、限流素子８２ａ〜８２ｃおよびコイル８１ａ〜８１ｃを冷却する。容器９１を出た冷媒は二重管９４ｂを介してポンプ９３に送られる。このシステムにおいて容器９１内の冷媒およびタンク９５内の冷媒は独立にＧＭ冷凍機によって冷却される。この冷却システムは、図８に示すものより簡便であり、負荷のサイズが比較的小さい場合に適している。このような冷却システムにおいても強制的な循環によって冷媒を流動させる場合、静止状態にある冷媒の本来の凝固点または三重点以下の温度で、冷媒を流動状態に保つことができる。過冷却状態にある冷媒で冷却を行なえば、超電導体においてより高いＪｃを得ることができる。冷却システムにおいて冷媒の温度を本来の凝固点または三重点以下にする場合、冷媒の粘度をモニターする手段および冷媒の流量を測定する手段を配管系に設けることが好ましい。負荷および限流システムのための冷媒には、液体窒素、液体空気、液体窒素と液体酸素との混合物等を使用することができる。また、タンク９５に気体の空気を供給して、熱交換器１３１の冷却により液化してもよい。液化された空気は、ポンプ９３によって循環される。
【００２６】
上記冷却システムでは、限流素子とコイルを同じ冷媒で同時に冷却しているが、限流素子とコイルとをそれぞれ異なる冷却システムで冷却してもよい。また、負荷と限流システムとをそれぞれ異なる冷却システムで冷却してもよい。この場合でも、冷媒を循環させることが好ましい。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、超電導限流素子に負担させるエネルギを減らすことができ、限流時の素子へのダメージを減らすことができる。本発明による限流システムは、穏やかにかつ安定して事故電流を減衰させ得る。限流素子における温度上昇も低減することができる。このため、復帰の早い限流システムを提供することができる。また、冷媒を循環する限流システムでは、冷媒をプールするシステムに比べて約５倍の冷凍能力を見込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁場印加式超電導限流器の一具体例を示す模式図である。
【図２】本発明による限流システムの一具体例を模式的に示す図である。
【図３】限流素子の一具体例を模式的に示す図である。
【図４】本発明による限流システムのもう一つの具体例を模式的に示す図である。
【図５】図４に示す限流システムのシミュレーション回路を示す図である。
【図６】図５に示す回路におけるシミュレーションの結果を示す図である。
【図７】ＹＢＣＯ薄膜限流素子のＪｃ−Ｂ−Ｔ特性を示す図である。
【図８】限流システムのための冷却システムの一具体例を示す模式図である。
【図９】限流システムのための冷却システムのもう一つの具体例を示す模式図である。
【符号の説明】
２１、４１ａ、４１ｂ、４１ｃコイル
２２、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ限流素子
２３負荷
２４、４４ａ、４４ｂ、４４ｃ抵抗素子
４３ケーブル負荷
２５、４５ａ、４５ｂ、４５ｃサイリスタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a current limiting system using an oxide superconductor, and more particularly to a current limiting system capable of reducing deterioration of a current limiting element made of an oxide superconductor.
[0002]
[Prior art]
A device for limiting an excessive current generated by a short circuit failure in a power circuit is a current limiter. In recent years, current limiters using superconductors have been developed. This superconducting fault current limiter utilizes a mechanism for transitioning the superconductor from the superconducting state to the normal conducting state in the event of a short circuit accident.
[0003]
There are roughly two types of superconducting fault current limiters: those using metallic superconductors and those using high-temperature superconductors. Development of a method using a high-temperature superconductor is expected because it can be operated at a higher temperature.
[0004]
There are two main types of high-temperature superconducting fault current limiters: shielded and resistive. The shield type current limiter is described in IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.5, NO.2, JUNE 1995, for example. This shielded current limiter having a transformer structure is composed of a copper coil, a high temperature superconducting tube and an iron core arranged concentrically. Copper coils are connected to the system. The superconducting tube arranged inside shields the magnetic flux so that the magnetic flux by the copper coil does not enter the iron core. When an excessive current flows through the coil, the shielding is broken, the magnetic flux enters the iron core, and as a result, the inductance of the coil increases abruptly to limit the current. In a resistive current limiter, the superconductor is connected in series to the system. If an excessive current flows during an accident, the superconductor will quench and generate a high resistance. Current limiting is performed by the generated resistance. Some resistive type fault current limiters are applied with a magnetic field (Electronics March 1991, pp 49-53).
[0005]
FIG. 1 schematically shows a magnetic field application type resistance type fault current limiter. In the current limiter 10, the superconductor 12 is disposed in the internal space of the coil 11. When an excessive current is detected, the coil 11 is energized and applies a magnetic field exceeding the critical magnetic field to the superconductor 12. As a result, the superconductor 12 is quenched and the short circuit current is limited by the generated resistance.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
All of the conventional superconducting fault current limiters described above have drawbacks. In the shield type current limiter, a large coil is required to obtain high resistance, and the amount of wire used for the coil becomes enormous. In the case of a resistance type current limiting device, a current limiting element made of a superconductor is likely to deteriorate. Most of the fault current is consumed by Joule heating of the current limiting element. At this time, the temperature of the element rapidly increases, and as a result, the element may be burned out or the element may be deteriorated due to a difference in thermal expansion between the superconductor and the base material supporting it. High-temperature superconductors have a normal conduction propagation speed that is two orders of magnitude lower than metal-based superconductors, and are likely to cause local temperature increases. For this reason, an accident may occur in which the temperature of a part of the superconductor rises excessively during the current limiting operation and the part melts. When a high temperature superconducting current limiting element is used by being immersed in a refrigerant such as liquid nitrogen, bubbles generated by heat generation cover the element, resulting in poor heat conduction. In addition, a large current flowing through the element raises the temperature of the element, so that the time constant of recovery changes, and there is a possibility that recovery after an accident is delayed.
[0007]
An object of the present invention is to provide a current limiting system in which a temperature rise and deterioration of a resistive superconducting current limiting element are small.
[0008]
It is a further object of the present invention to provide a current limiting system that uses a resistive superconducting current limiting element and that is relatively quick to recover after an accident.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
A current limiting system according to the present invention comprises a current limiting element comprising an oxide superconductor connected in series with a load, a coil for applying a magnetic field to the current limiting element, and means for detecting an abnormal current that has occurred. And a switching element connected in parallel to the load, and a resistance element connected in parallel to the load and connected in series to the switching element. In this system, when an abnormal current is generated, the coil is energized to apply a magnetic field to the current limiting element, and in response to the detection of the abnormal current by the detecting means, the switching element is turned on to partially flow the abnormal current. Form a bypass for.
[0010]
In the present invention, a plurality of switching elements may be connected in parallel to the load. Each switching element can respond to detection of abnormal current by the detecting means. In the present invention, a plurality of current limiting elements may be connected in series to a load, and a coil for applying a magnetic field to each current limiting element may be provided. Each coil can be energized in response to detection of an abnormal current by the detection means. In the present invention, the switching element is preferably a thyristor connected in parallel to a load.
[0011]
In the present invention, the coil is preferably made of an oxide superconductor such as a bismuth-based 2223 phase oxide superconductor.
[0012]
In the present invention, the generated abnormal current may be passed through the coil for exciting the coil.
[0013]
In the present invention, the current limiting element may be cooled by a coolant that is forced to flow. By this forced flow, the refrigerant can be maintained in a flowing state at a temperature below its freezing point.
[0014]
In the present invention, the current limiting element and the coil may be cooled by a coolant that is forcedly circulated to cool the load. Such a cooling system includes, for example, a pump for forcibly circulating the refrigerant, a first cooling means for cooling the forcibly circulated refrigerant, a container for storing the refrigerant, a current limiting element, and A second cooling means for cooling the refrigerant in contact with the coil and a piping system for holding the circulated refrigerant can be provided. Each of the first and second cooling means may be a heat exchanger connected to a Brayton cycle refrigerator. The first and second cooling means may be Stirling cycle refrigerators or GM refrigerators.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. FIG. 2 schematically shows a specific example of the current limiting system according to the present invention. In a power circuit to which an AC power supply 28 is connected, a current limiting element 22 is connected in series to a load 23 such as a cable. The current limiting element 22 is disposed in the internal space of the coil 21. The power circuit is provided with a search coil 26 for detecting an abnormal current that flows in the event of an accident. The search coil 26 is connected to the control circuit 27. Further, a resistance element 24 and a thyristor 25 as a switching element are connected in parallel with the load 23 in the power circuit. In the figure, L represents circuit inductance. The gate of the thyristor 25 is connected to the control circuit 27. The coil 21 is also connected to the control circuit 27. The current limiting element 22 has a structure as shown in FIG. 3, for example. In the current limiting element 22, an oxide superconductor thin film 22a having a meander structure is formed on the substrate 22b. The thickness of the thin film 22a is, for example, 1 to 5 μm. As the oxide superconductor, YBa ₂ Cu ₃ O _7-X yttrium-based high-temperature superconductor is preferably used. For the substrate, yttria-stabilized zirconia, magnesium oxide, hastelloy or the like is used. As the thyristor, a high-speed response and high pressure resistance is preferably used.
[0016]
The operating principle of the current limiting system shown in FIG. 2 is as follows. When a short-circuit current is about to flow through the load 23, the occurrence of the short-circuit current is detected via the search coil 26. The coil 21 is energized by the control circuit using the detected voltage as a trigger, and a magnetic field is applied to the current limiting element 22. The element 22 which has been in a superconducting state until then is changed to a normal conducting state by a magnetic field and generates resistance. At the same time, a voltage is applied to the gate of the thyristor 25 by the control circuit 27, the thyristor 25 is turned on, and a bypass through which a part of the short-circuit current flows according to the specific resistance of the resistance element 24 is formed. Thus, the short circuit current is limited by the resistance generated in the current limiting element, and the current flowing through the current limiting element is reduced by the bypass. Since the entire superconductor of the current limiting element is quenched by the application of the magnetic field, an excessive rise in the temperature of a part of the superconductor during the current limiting operation is suppressed, and partial fusing is prevented. In addition, the formation of the bypass by the thyristor reduces the energy that the current limiting element bears due to the current limiting, and the damage to the current limiting element is reduced. This leads to suppression of temperature rise in the current limiting element and quick return to the superconducting state of the current limiting element.
[0017]
A further example of a current limiting system according to the invention is shown in FIG. This example has a plurality of current limiting elements and switching elements. In the power circuit to which the AC power supply 48 is connected, three current limiting elements 42a, 42b and 42c are connected in series to a load 43 such as a cable. Current limiting elements 42a, 42b and 42c are arranged in the internal spaces of coils 41a, 41b and 41c, respectively. The power circuit is provided with a search coil 46 for detecting an abnormal current that flows in the event of an accident. The search coil 46 is connected to the control circuit 47. Further, in the power circuit, three resistance elements 44a, 44b and 44c and thyristors 45a, 45b and 45c as switching elements are connected in parallel to the load 43. In the figure, L represents circuit inductance. Each gate of the thyristors 45 a to 45 c is connected to the control circuit 47. The coils 41 a to 41 c are also connected to the control circuit 47. As the current limiting elements 42a to 42c, for example, the same ones as described above are used. As the thyristor, a high-speed response and high pressure resistance is preferably used.
[0018]
The current limiting system shown in FIG. 4 can be operated as follows. When a short-circuit current is about to flow through the load 43, the occurrence of the short-circuit current is detected via the search coil 46. The coil 41c is energized by the control circuit 47 using the detected voltage as a trigger, and a magnetic field is applied to the current limiting element 42c. The element 42c that has been in a superconducting state until then is changed to a normal conducting state by a magnetic field and generates resistance. At the same time, a voltage is applied to the gate of the thyristor 45c by the control circuit 47, the thyristor 45c is turned on, and a bypass through which a part of the short-circuit current flows is formed according to the specific resistance of the resistance element 44c. At this time, when the voltage across the current limiting element 42c measured by a detector (not shown) is equal to or higher than a predetermined value, the coil 41b is energized by the control circuit 47 and a magnetic field is applied to the current limiting element 42b. The element 42b changes to a normal conducting state by a magnetic field, and generates a resistance for current limiting action. At the same time, a voltage is applied to the gate of the thyristor 45b by the control circuit 47, and an additional bypass is formed in which a part of the short-circuit current flows according to the specific resistance of the resistance element 44b. On the other hand, when the measured voltage is less than the predetermined value, only the element 42a, the resistance element 42a, and the thyristor 45a are involved in the current limiting operation. Further, when the voltage across the current limiting element 42b measured by a detector (not shown) is equal to or higher than a predetermined value, the coil 41a is similarly excited and the thyristor 45a is turned on. In this way, the three current limiting elements and the three thyristors are involved in the current limiting operation. On the other hand, when the voltage across the element 42b is less than a predetermined value, the coil 42a and the thyristor 45a are not involved in the current limiting operation. In this way, an appropriate number and / or position of current limiting elements and thyristors can be activated as required.
[0019]
The current limiting system shown in FIG. 4 may be operated as follows. When a short-circuit current is about to flow through the load 43, the occurrence of the short-circuit current is detected via the search coil 46. Using the detected voltage as a trigger, the control circuit 47 energizes the three coils 41a to 42c, and applies magnetic fields to the three current limiting elements 42a to 42c, respectively. Until then, the three elements that were in the superconducting state are changed to the normal conducting state by a magnetic field, and generate resistance. At the same time, a voltage is applied to the gates of the three thyristors 45a to 45c by the control circuit 47, the thyristors 45a to 45c are turned on, and three of the short circuit currents flow according to the specific resistance of the resistance elements 44a to 44c. A bypass is formed. A simulation circuit in this case is shown in FIG. In the figure, E is a power supply voltage, L is a circuit inductance, R _G1 , R _G2 , and R _G3 are resistances of current limiting elements, R _LOAD is a resistance of a load, and R ₁ , R ₂ , and R ₃ are resistances of a resistance element, respectively. Represents. Simulation when E is 100V, L is 0.01H, R _G1 , R _G2 and R _G3 are each 0.05Ω (normal), R _LOAD is 0.20Ω, and R ₁ , R ₂ and R ₃ are each 20Ω The results are shown in FIG. In FIG. 6, the solid line indicates the result in the case of the present invention, and the dotted line indicates the result in the case without the resistance element and the thyristor. This result shows that the current limiting system according to the present invention provides gentle current limiting and can attenuate the current to near zero after current limiting operation. On the other hand, in the case of only the current limiting element, it has been found that the current limiting temporarily occurs suddenly, and a certain current can remain for a certain time after the current limiting operation.
[0020]
If a plurality of current limiting elements are used in the present invention, short-circuit current energy can be distributed to them in an appropriate manner, and damage to each element can be minimized. The number of coils for applying a magnetic field to the current limiting element can be determined as necessary. A magnetic field may be applied to a plurality of current limiting elements with one coil, or a coil may be provided for each current limiting element. The number of current limiting elements, coils, resistance elements, and switching elements may be set to an optimum number according to the fault current assumed in the system in which the current limiting system is used. Further, a system may be provided in which an accident current is directly supplied to the coil in order to apply a magnetic field to the current limiting element.
[0021]
A coil as shown in Table 1 can be used in the current limiting system described above.
[0022]
[Table 1]

[0023]
For example, a voltage of 130 V is applied to both ends of the coil, and a magnetic field of 0.5 T is generated at the center of the coil at a high speed of 0.1 second. The current limiting element to which this magnetic field is applied transitions to a normal conducting state. When an yttrium oxide superconductor (YBCO) thin film is used for the current limiting element, the magnetic field dependence of the critical current density (Jc) is as shown in FIG. The critical current density of this superconductor at a magnetic field of 77 K is 100,000 A / cm ² . In the figure, (Ni) represents the YBCO thin film formed on the Ni substrate, and (SrTiO ₃ ) represents the YBCO thin film formed on the SrTiO ₃ substrate. As can be seen from the figure, for example, when a magnetic field of 0.5 T at 77 K is applied to the YBCO thin film, Jc decreases to about 1/4. Therefore, when a current near the critical current is passed at 77K, the YBCO current limiting element can be easily transferred from superconducting to normal conducting by a magnetic field of 0.5 T, and the current limiting operation can be entered at high speed. On the other hand, if the magnetic field is made zero, the superconducting state can be restored at high speed.
[0024]
The current limiting system according to the present invention can be incorporated into a cooling system as shown in FIG. In addition, in order to make a figure intelligible, the switching element of a current limiting system, a resistive element, a short circuit current detector, and those control mechanisms are abbreviate | omitted. With this cooling system, the load and the current limiting system are cooled by a common refrigerant circulating. The current limiting

elements

82a, 82b, 82c and the coil 81 are accommodated in an adiabatic FRP container 91. Coil 81 for applying a magnetic field to elements 82a-82c is, for example, a bismuth-based 2223 phase oxide superconducting coil. In this system, one coil applies a magnetic field to three current limiting elements. The three current limiting elements are connected to the cable load 83 and the power source 88 in series via the bushing 84. A heat exchanger 96a is further accommodated in the container 91. The coil 81 is connected to another power source 98. The refrigerant for cooling the cable 83, the current limiting elements 82 a to 82 c and the coil 81 is forcibly circulated by the pump 93 in the piping system 92 passing through the cable 83 and the container 91. The refrigerant is sent to the tank 95 by the pump 93 through the double pipe 94a. A heat exchanger 96b for cooling is provided in the tank 95. In addition, a screw 97 for stirring the refrigerant is provided in the tank 95. The refrigerant that has left the tank 95 is sent to the cable load 83. The refrigerant is sent from the cable load 83 to the FRP container 91, and cools the current limiting elements 82 a to 82 c and the coil 81. The refrigerant exiting the container 91 is sent to the pump 93 via the double pipe 94b. In this system, the refrigerant is cooled by Brayton cycle refrigerator 101. The Brayton cycle refrigerator 101 has an expansion turbine 102 for adiabatic expansion of helium gas and a compressor 103 for adiabatic compression. Helium gas is circulated in the refrigeration cycle via the piping system 104. In the piping system 104, heat exchangers 96a and 96b for cooling are arranged. When the refrigerant is caused to flow by forced circulation in such a cooling system, the refrigerant can be kept in a fluid state at a temperature below the original freezing point or triple point of the stationary refrigerant. If cooling is performed with a refrigerant in a supercooled state, a higher Jc can be obtained in the superconductor. Such a supercooled state is more advantageous when a superconducting cable is used as a load. In the cooling system, when the temperature of the refrigerant is lower than the original freezing point or triple point, it is preferable to provide the piping system with a means for monitoring the viscosity of the refrigerant and a means for measuring the flow rate of the refrigerant. Liquid nitrogen, liquid air, a mixture of liquid nitrogen and liquid oxygen, etc. can be used as the refrigerant for the load and current limiting system. Alternatively, gaseous air may be supplied to the tank 95 and liquefied by cooling the heat exchanger 96b. The liquefied air is circulated by a pump 93.
[0025]
Further, the current limiting system according to the present invention may be incorporated in a cooling system as shown in FIG. In addition, in order to make a figure intelligible, the switching element of a current limiting system, a resistive element, a short circuit current detector, and those control mechanisms are abbreviate | omitted. Even in this cooling system, the load and the current limiting system are cooled by the circulating common refrigerant. The current limiting

elements

82a, 82b, 82c and the corresponding coils 81a, 81b, 81c are accommodated in an adiabatic FRP container 91. Steel shielding plates 110a and 110b are provided between adjacent elements so that each element operates independently. Coils 81a to 81c for applying a magnetic field to elements 82a to 82c are, for example, bismuth-based 2223 phase oxide superconducting coils. The three current limiting elements are connected in series to the superconducting device 113 and the power supply 88 via the bushing 84. The container 91 further accommodates a heat exchanger 121 of the GM refrigerator 120 having a compressor 120a and a piston 120b. The coils 81a to 81c are connected to another power source 98. The refrigerant is forcibly circulated by the pump 93 in the piping system 92. The refrigerant is sent to the tank 95 by the pump 93 through the double pipe 94a. In the tank 95, the heat exchanger 131 of the GM refrigerator 130 having the compressors 130a and 130b is accommodated. In addition, a screw 97 for stirring the refrigerant is provided in the tank 95. The refrigerant that has left the tank 95 is sent to the superconducting device 113. The refrigerant is sent from the superconducting device 113 to the FRP container 91 to cool the current limiting elements 82a to 82c and the coils 81a to 81c. The refrigerant exiting the container 91 is sent to the pump 93 via the double pipe 94b. In this system, the refrigerant in the container 91 and the refrigerant in the tank 95 are independently cooled by the GM refrigerator. This cooling system is simpler than that shown in FIG. 8 and is suitable when the size of the load is relatively small. Even in such a cooling system, when the refrigerant is caused to flow by forced circulation, the refrigerant can be kept in a fluid state at a temperature below the original freezing point or triple point of the stationary refrigerant. If cooling is performed with a refrigerant in a supercooled state, a higher Jc can be obtained in the superconductor. In the cooling system, when the temperature of the refrigerant is lower than the original freezing point or triple point, it is preferable to provide the piping system with a means for monitoring the viscosity of the refrigerant and a means for measuring the flow rate of the refrigerant. Liquid nitrogen, liquid air, a mixture of liquid nitrogen and liquid oxygen, etc. can be used as the refrigerant for the load and current limiting system. Alternatively, gaseous air may be supplied to the tank 95 and liquefied by cooling the heat exchanger 131. The liquefied air is circulated by a pump 93.
[0026]
In the cooling system, the current limiting element and the coil are simultaneously cooled by the same refrigerant, but the current limiting element and the coil may be cooled by different cooling systems. Further, the load and the current limiting system may be cooled by different cooling systems. Even in this case, it is preferable to circulate the refrigerant.
[0027]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to reduce energy burdened on the superconducting current limiting element, and to reduce damage to the element at the time of current limiting. The current limiting system according to the present invention can attenuate the fault current gently and stably. Temperature rise in the current limiting element can also be reduced. Therefore, it is possible to provide a current limiting system that returns quickly. In addition, in a current limiting system that circulates refrigerant, it is possible to expect a refrigeration capacity that is approximately five times that of a system that pools refrigerant.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a specific example of a magnetic field application type superconducting fault current limiter.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a specific example of a current limiting system according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a specific example of a current limiting element.
FIG. 4 is a diagram schematically showing another specific example of the current limiting system according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a simulation circuit of the current limiting system shown in FIG. 4;
6 is a diagram showing a result of simulation in the circuit shown in FIG. 5. FIG.
FIG. 7 is a diagram showing Jc-BT characteristics of a YBCO thin film current limiting element.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a specific example of a cooling system for a current limiting system.
FIG. 9 is a schematic view showing another specific example of a cooling system for a current limiting system.
[Explanation of symbols]
21, 41a, 41b, 41c Coil 22, 42a, 42b, 42c Current limiting element 23

Load

24, 44a, 44b, 44c Resistance element 43 Cable load 25, 45a, 45b, 45c Thyristor

Claims

A current limiting element made of an oxide superconductor connected in series with a load;
A coil for applying a magnetic field to the current limiting element;
Means for detecting the generated abnormal current;
A switching element connected in parallel to the load and a resistance element connected in parallel to the load and connected in series to the switching element;
When the abnormal current is generated, the coil is energized to apply a magnetic field to the current limiting element, and in response to the detection of the abnormal current by the detecting means, the switching element is turned on to partially output the abnormal current. A current limiting system, characterized by forming a bypass to flow into.

The current limiting system according to claim 1, wherein a plurality of the switching elements are connected in parallel to the load, and each switching element responds to detection of an abnormal current by the detection means.

A plurality of current limiting elements connected in series to the load;
A coil for applying a magnetic field to each current limiting element is provided,
The current limiting system according to claim 1 or 2, wherein each coil is energized in response to detection of an abnormal current by the detecting means.

The current limiting system according to any one of claims 1 to 3, wherein the switching element is a thyristor connected in parallel to the load.

The current limiting system according to any one of claims 1 to 4, wherein the coil is made of a bismuth-based 2223 phase oxide superconductor.

The current limiting system according to any one of claims 1 to 5, wherein the abnormal current is caused to flow through the coil for excitation of the coil.

The current limiting system according to claim 1, wherein the current limiting element is cooled by a coolant that is forced to flow.

The current limiting system according to any one of claims 1 to 7, wherein the forced flow causes the refrigerant to be maintained in a flowing state at a temperature equal to or lower than a freezing point of the refrigerant.

The current limiting system according to any one of claims 1 to 8, wherein the current limiting element and the coil are cooled by a coolant forcedly circulated to cool the load.

A pump for forcibly circulating the refrigerant, first cooling means for cooling the forcibly circulated refrigerant, a container for storing the refrigerant, the current limiting element, and the refrigerant in contact with the coil The current limiting system according to any one of claims 1 to 9, further comprising: a second cooling means for cooling the refrigerant, and a piping system for holding the circulated refrigerant.

The current limiting system according to any one of claims 1 to 10, wherein the first and second cooling means are heat exchangers connected to a Brayton cycle refrigerator.

The current limiting system according to any one of claims 1 to 11, wherein the first and second cooling means are Stirling cycle refrigerators or GM refrigerators.