JP4959555B2 - 超伝導スイッチング素子を有する電流制限装置 - Google Patents

Description

本発明は、クライオスタット（低温槽）内に配置された超伝導スイッチング素子を有する電流制限装置に関する。

冒頭に述べたような電流制限装置は例えば独国特許出願公開第10230084 A1号明細書から知られている。この電流制限装置は電気回路網において作動する。電流は超伝導スイッチング素子を介して導かれ、このスイッチング素子は恒常的な冷却によって保持された作動温度においては無視し得るほど低い電気抵抗を有する。回路網内に回路網欠陥（例えば短絡）が発生すると、許されないような高い短絡電流が超伝導スイッチング素子内にクエンチと呼ばれる現象を引き起こす。高い電流の流れは超伝導体中に誘導を生じ、この誘導が超伝導体の電気抵抗をさしあたりわずかに高める。これによって超伝導体はいわゆる磁束フロー領域に陥り、この領域において超伝導材料はシューブニコフ相にある。この現象は、例えばダブリュ・ブッケル（W.Buckel）著「超伝導、基礎と応用（Supraleitung：Grundlagen und Anwendung）」ヴァインハイム（Weinheim）1990年発行に記載されている。それによればシューブニコフ相において超伝導材料内に同時に常伝導領域と超伝導領域とが形成され、これらの領域は移動性の常伝導性磁束フローによって超伝導体中に形成される。これと結び付く超伝導スイッチング素子の抵抗上昇は、超伝導体の加熱に導く。この加熱は、一般のように転流導体が層として超伝導体上に設けられている場合には、なお加速するおそれがあり、その転流導体は超伝導体が磁束フロー領域に入る際短絡電流の一部を担い、その抵抗が著しく高いことに基づいて余分な熱を生じる。スイッチング素子の加熱は極めて短時間のうちに、臨界温度を越えることに導き、その温度以上では超伝導体は常伝導であり、従って温度に基づき磁束フロー領域を離れ、その飛躍的に上昇するオーム抵抗に基づいて短絡電流を短絡カットオフ電流に制限する。

超伝導スイッチング素子の電流制限作用時における損傷を回避するため、スイッチング素子は応動後遅くとも50msで再び解放されなければならないが、そのことは例えば電気的バイパス要素を用いて行われ、このバイパス要素はその抵抗に基づいて電流制限を生じさせる。超伝導スイッチング素子は回路網から分離され、もとの作動温度に戻るように冷却されたとき再び作動可能な状態となる。

独国特許出願公開第10230618 A1号明細書によれば、超伝導体のベルト状の構造によって達成される超伝導電流制限器のための構造が記述されている。ベルト状の超伝導体は螺旋状に冷却材中に配置され、螺旋間において冷却材が超伝導体の表面に達し得るようになっている。これによって電流制限作用後の冷却時間が短縮され、その結果電流制限装置は電流制限作用後比較的速やかに再び使用することができる。しかしながら上述の機能原理に基づいて電流制限器の新たな使用の前に冷却が必要である。

本発明の課題は、超伝導スイッチング素子を有する電流制限装置であって、スイッチング素子が、電流制限作用時に無制限に電流制限のために使用でき、電流制限作用後直ちに再び作動できる状態になるものを提供することにある。

この課題は本発明に従えば、スイッチング素子が、電流制限作用時に電流制限装置の要求される短絡電流に達したときシューブニコフ相にあるように大きさが定められることによって解決される。従って本発明に従えば、超伝導スイッチング素子は、短絡電流を短絡カットオフ電流に制限することを生じさせるためには磁束フロー領域において（即ち超伝導体がシューブニコフ相に存在すること）作動する際超伝導体のクエンチに比較して電気抵抗のごく僅かな上昇で済むように構成されなければならない。このことは、臨界温度（常伝導状態への移行）に対し十分な安全余裕を有する温度においてシューブニコフ相に存在するとき既に要求される短絡カットオフ電流に対し必要な抵抗を得るため、超伝導スイッチング素子が十分な導体長を有することによって達成される。超伝導スイッチング素子は特にベルト状導体として形成することができる。何故ならこの方法で要求される導体長を安いコストで作ることができるからである。

磁束フロー領域における超伝導スイッチング素子の作動時には、超伝導スイッチング素子はクエンチ時と異なり比較的少ない僅かなケルビン値だけ熱せられるだけである。それ故生じた熱は、スイッチング素子を冷却するため予め設けられたクライオスタットによって確実に導出され、そのことは、ベルト状導体が比較的大きな面を熱伝達に対し自由に使用できることによって付加的に支援される。それ故、電流制限装置の大きさを適切に定めることによって、電流制限作用時に短絡カットオフ電流により生じる熱と冷却材によって導出される熱との間の熱的平衡を保証することが可能であり、その結果超伝導スイッチング素子は安定な状態で作動される。従って超伝導スイッチング素子は、その例えばバイパス素子による解放が必要となることなく、長い時間に亘っても電流を制限することができる。さらにまた数ケルビンへの再冷却を極めて短時間に行うことができ、その結果超伝導スイッチング素子は電流制限作用後直ちに再び使用することができる。

本発明の実施形態に従えば、クライオスタットの冷却能力は、スイッチング素子が全電流制限時間中シューブニコフ相に存在する温度範囲に保持され得るような大きさに定められている。それに基づいて電流制限装置により、超伝導スイッチング素子が常に回路網中にあり、従ってその機能を無制限に使用するという作動体系を実現することができる。このことは安全利得を意味し有利である。何故なら、例えば短時間で次々と現われる回路網欠陥の場合にもそれぞれ電流制限作用を電流制限装置において作動させることができるからである。他の利点は、超伝導スイッチング素子が作動の際電流制限作用の間磁束フロー領域において超伝導相とシューブニコフ相との間で完全に可逆的に変化し得る点にあり、その際超伝導材料の損傷は排除される。

本発明の変形に従えば、スイッチング素子に熱絶縁層を設けることが行われる。これによって、超伝導スイッチング素子とクライオスタットの冷却材との間の熱伝達を有利に直接制御することができ、その結果電流制限作用時の熱的平衡の形成に関する電流制限装置の適切な設計が可能である。即ち超伝導スイッチング素子の熱絶縁は、クライオスタットの冷却材への放熱が遅らされることを生じさせ、その結果超伝導スイッチング素子はより強く熱せられ、それとともに抵抗も増大する。もちろん熱絶縁にもかかわらず臨界温度までの加熱が行われることは許されない。

本発明の他の変形に従えば、スイッチング素子はスイッチング素子に平行に延びる転流導体を備える。転流導体及びスイッチング素子は例えば層結合を形成することができ、その際スイッチング素子と転流導体との層は連続する、即ち密接して相互に結合されている。転流導体はスイッチング素子の局部的なクエンチに対する安全性を有利に増大し、その上電流制限作用時に短絡カットオフ電流のある特定の負担分を引き受け、その負担分はシューブニコフ相に存在するスイッチング素子の電気抵抗と転流導体の電気抵抗との比に依存している。

転流導体が正の磁化率を有する金属又は合金から形成されると有利である。これによって、転流導体が磁界によって貫通されるやいなや、スイッチング素子と転流導体とからなる層結合における磁束密度が高められる。このことは、例えば転流導体が電流制限作用時通電に関与される場合である。

さらに、スイッチング素子がクライオスタット内で螺旋状に延びていると有利である。この方法によって、スイッチング素子の必要な長さを場所をとらないで有利に収納することができ、その際スイッチング素子から冷却材への直接の熱伝達を保証するため、螺旋状の延び具合がそれぞれ隣接する螺旋間においてクライオスタットの冷却材に十分な場所を残す。

本発明のさらに加えられる変形に従えば、スイッチング素子に並列接続にバイパス要素が配置されるようにすることができる。このバイパス要素は、短絡電流の特定の部分がバイパス要素を介して流れるように電気抵抗の大きさが定められ、それによって、スイッチング素子と場合によって転流導体が解放される。

バイパス要素はクライオスタットの外側にあるのが有利である。それによって電流制限過程によって生じる熱の一部がバイパス要素において、従ってクライオスタットの外側で発生し、その結果クライオスタットの冷却容量はどのような場合にも超伝導スイッチング素子のために十分である。しかしながら、既知の電流制限装置と異なり、バイパス要素は全電流制限時間中スイッチング素子と並列に作動される、即ちスイッチング素子は回路網にとどまる。

以下に本発明の詳細をさらに図面に基づいて説明する。

電流制限装置１１は２つの接続要素１２を有し、これらの接続要素によって電流制限装置は電気回路網中に入れられる。電流制限装置１１は主として超伝導スイッチング素子１３及びスイッチング素子１３に並列に配置されたバイパス要素１４からなる。スイッチング素子１３はクライオスタット１５内に収納され、クライオスタット１５はこの目的のため冷却材１６として液体窒素で満たされた絶縁容器１７を有する。冷却ヘッド１８が絶縁容器から熱を導出する。さらに絶縁容器１７には導線引込み部１９を備え、この導線引込み部はスイッチング素子１３と絶縁容器１７の外側にある接続要素１２との電気的接触を可能にする。

超伝導スイッチング素子１３は図２に断面で示されている。このスイッチング素子は層結合からなり、その際超伝導層２０（例えばYBCO）が転流導体２１上に被膜形成によって造られる。超伝導層２０上にはさらに例えば合成物質からなる熱絶縁層２２が設けられている。超伝導層２０と転流層２１との間にはさらに超伝導層２０の製造のために重要な層、例えば緩衝層を設けることができる（具体的には図示せず）。

図３から超伝導スイッチング素子がどの相状態にあり得るかを読み取ることができる。超伝導スイッチング素子が磁束フロー領域で作動し得るシューブニコフ相２３は斜線で示されている。それぞれその左側には超伝導相２４が存在し、その相においてはスイッチング素子は無視し得る僅かな電気抵抗を持つ。またその右側には常伝導領域２５が存在し、この領域においてはスイッチング素子はオーム抵抗のように振舞う。常伝導領域２５においては本発明に従うスイッチング素子は作動すべきではない。

線図の上部において、シューブニコフ相２３の存在は温度Ｔ及びスイッチング素子内に存在する磁界強さＨに依存することが示されている。臨界磁界強さH_C及び臨界温度T_Cの上方では、超伝導体は常に常伝導相２５内にある。T_C及びH_Cの下方では、磁界強さが上昇する際には臨界温度T_C(H)が、また温度が上昇する際には臨界磁界強さH_C(T)が相応に減ぜられるという関係が成立する。

線図の下方において、電流制限装置の構成要素の温度に依存する抵抗推移が示されている。電流制限装置の定格作動はT_Nにおいて行われ、その際この温度においてはまさになおシューブニコフ相は存在せず、その結果スイッチング素子は超伝導領域で作動される。スイッチング素子の電気抵抗は無視し得るほどわずかであり、その結果電流は完全にスイッチング素子を介して導かれ、転流導体ないしバイパス要素はそれらのオーダにおいてより高い電気抵抗によってほとんど無電流である。

電流制限作用時（例えば短絡のような回路網欠陥）には、通じる電流が飛躍的に上昇し、それによって超伝導体中に誘導が生じる。それによってスイッチング素子は磁束フロー領域の開始に至り、抵抗を急激に増大させる。従って短絡電流の一部はバイパスへ、そして特に転流導体へも移行し、その際その正常作動における温度のT_Nにおける抵抗値は、それらが短絡電流の大部分を引き受けるために十分わずかでなければならない。転流導体中の電流によって、その磁束密度も上昇し、この磁束密度は再びスイッチング素子中の抵抗を高め、その際しかしながら磁束フロー領域は離れることは許されない（上部図参照）。

上述の過程においてスイッチング素子は熱せられ、その際その温度上昇が同時にクライオスタットの冷却材への強められた熱導出に結び付いている。温度T_Sにおいて電流制限作用中に、スイッチング素子に生じる熱と冷却材へ導出される熱とが平衡する安定な状態が生じるためには、クライオスタットの冷却能力は十分である。従ってスイッチング素子のT_Sを超えて熱せられることは阻止され、その結果臨界温度T_Cに対する十分な安全余裕が守られ、それと結び付く超伝導体のクエンチが有効に阻止される。

図３の下部の表示から、スイッチング素子の磁束フロー領域における抵抗上昇が超伝導体のクエンチと結び付く抵抗上昇より著しく僅かであるという結果となることを読み取ることができる。それ故本発明に従う超伝導スイッチング素子は、電流制限のために要求される抵抗を生ずる相応の長さに設けられなければならない。さらに磁束フロー領域における抵抗上昇がスイッチング素子における電流密度Ｊにも依存することが認識されるべきである。それ故正常作動における電流密度J_Nにおける抵抗変化は、バイパス要素（曲線２７）及び転流導体（曲線２８）に割り当てられる電流成分を考慮して要求される短絡電流から結果として生ずる電流制限作用時の電流密度J_Sにおける抵抗変化より小さい。分配は、図３の下部の表示で直接読み取ることができる電流制限作用時の温度T_Sにおける電流制限装置の構成要素の抵抗の比に依存する。バイパス要素の抵抗（曲線２７）は、バイパス要素がクライオスタットの外部に配置されているのでクライオスタットの温度に依存しない。転流導体の抵抗（曲線２８）は常伝導体に典型的な温度依存性の経過を有し、その際転流導体に対しては、T_Sにおけるスイッチング素子の抵抗の近傍に存在する比較的僅かな抵抗をT_Sにおいて有する材料が選ばれる。これによって、電流制限作用時のスイッチング素子における電流密度を低減することができる。

本発明による電流制限装置の１実施例の概略構造図である。 超伝導スイッチング素子の１実施例の断面図である。 本発明による電流制限装置の１実施例の構成要素の抵抗及び磁界強さの温度との関係を示す線図である。

符号の説明

１１ 電流制限装置
１２ 接続要素
１３ スイッチング素子
１４ バイパス要素
１５ クライオスタット
１６ 冷却材
１７ 絶縁容器
１８ 冷却ヘッド
１９ 導線引込み部
２０ 超伝導層
２１ 転流導体
２２ 絶縁層
２３ シューブニコフ相
２４ 超伝導相
２５ 常伝導領域

Claims (8)

1. 冷却材を含むクライオスタット内に配置された超伝導スイッチング素子を有する電流制限装置において、前記スイッチング素子は、電流制限作用時に前記電流制限装置の要求される短絡カットオフ電流に達したときシューブニコフ相にあり、かつ電流制限作用時に短絡カットオフ電流により前記スイッチング素子に発生される熱と前記冷却材によって導出される熱との間に平衡が生じるように構成されている電流制限装置。
2. 前記スイッチング素子がシューブニコフ相に存在する温度範囲に前記スイッチング素子が全電流制限時間中保持されるように、前記クライオスタットの冷却能力が定められている請求項１記載の電流制限装置。
3. 前記スイッチング素子が熱絶縁層を設けられている請求項１又は２記載の電流制限装置。
4. 前記スイッチング素子がスイッチング素子に平行に延びる転流導体を備える請求項１から３のいずれか１つに記載の電流制限装置。
5. 前記転流導体が正の磁化率を有する金属又は合金で形成されている請求項１から４のいずれか１つに記載の電流制限装置。
6. 前記スイッチング素子が前記クライオスタット内で螺旋状に延びている請求項１から５のいずれか１つに記載の電流制限装置。
7. 前記スイッチング素子に並列接続されたバイパス要素が配置されている請求項１から６のいずれか１つに記載の電流制限装置。
8. 前記バイパス要素が前記クライオスタットの外側にある請求項７記載の電流制限装置。

Images