複合型超電導限流器
【課題】超電導体を最小限にして低廉で小型、高信頼性の超電導限流器とする。
【解決手段】通電線路上の超電導体(1)と、超電導体(1)に直列接続され、大電流通電時に、正常通電時の閉路状態から開路状態に切替えて通電を遮断する第１スイッチ(4)と、大電流通電時の超電導体(1)のインピーダンスより小さい第１インピーダンスを有して超電導体(1)に並列な分流経路を形成し、大電流通電時に通電電流を分流させた分流電流による起磁力により第１スイッチ(4)を開路する第１リアクター(2)と、前記分流経路に直列接続され、前記第１インピーダンスより大きい第２インピーダンスを有して前記大電流を制限する第２リアクター(14)と、第２リアクター(14)に並列に接続される半導体スイッチ(13)と、第１スイッチ(4)の開路動作時に半導体スイッチ(13)へのトリガー信号を中断するトリガー制御器(11)と、を含む複合型超電導限流器とする。
【解決手段】通電線路上の超電導体(1)と、超電導体(1)に直列接続され、大電流通電時に、正常通電時の閉路状態から開路状態に切替えて通電を遮断する第１スイッチ(4)と、大電流通電時の超電導体(1)のインピーダンスより小さい第１インピーダンスを有して超電導体(1)に並列な分流経路を形成し、大電流通電時に通電電流を分流させた分流電流による起磁力により第１スイッチ(4)を開路する第１リアクター(2)と、前記分流経路に直列接続され、前記第１インピーダンスより大きい第２インピーダンスを有して前記大電流を制限する第２リアクター(14)と、第２リアクター(14)に並列に接続される半導体スイッチ(13)と、第１スイッチ(4)の開路動作時に半導体スイッチ(13)へのトリガー信号を中断するトリガー制御器(11)と、を含む複合型超電導限流器とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超電導体を利用して電力系統上で発生する事故電流（fault current）を効果的に制限する超電導限流器に関し、特に、超電導体に高速スイッチ、半導体スイッチ、及びリアクターを相互に有機的に連動するように接続して事故電流発生時に超電導体に与えられる大電流及び高電圧の負担時間を最小化することによって経済的で小型に製作可能な複合型超電導限流器に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導体は所定の電流値までは通電電流に対する抵抗がほとんどないが、所定電流値（threshold current）以上では抵抗が急激に上昇する特性を有し、短絡電流などの電力系統の事故電流に対する限流素子としての活用の可能性を有する。
【０００３】
過去、超電導状態を維持するために液体ヘリウムを冷媒に使用する超電導限流器は高価な冷却コスト及び製作の難しさによって世界的にその研究が進まなかったが、最近、液体窒素を超電導状態を維持するための冷媒に使用する超電導物質が開発されることによって再びこれを利用した超電導限流器の研究開発が活性化している。
【０００４】
超電導体を利用した超電導限流器は抵抗型限流器、誘導型限流器、複合型限流器などが提案されている。
【０００５】
このような超電導限流器は電力系統の高電圧及び大電流に耐えられることが要求されて超電導体の使用量が幾何級数的に増大する。すなわち、超電導限流器が高電圧に対して耐えるようにするために多くの超電導体を直列に接続しなければならず、大電流に対して耐えるようにするために多くの超電導体の並列接続も要求される。
【０００６】
このような従来技術の例について図８を参照して説明する。
【０００７】
図８に示すような従来の超電導限流器は限流マトリクス（matrix）２２０と、この限流マトリクス２２０内の超電導体の同時クエンチ（quench、超電導状態から常電導状態、すなわち、抵抗を有する状態に転移すること）を誘導するために磁場を印加するトリガーマトリクス（trigger matrix）２１８と、から構成される。より詳しくは、上記の限流マトリクス２２０は、それぞれが並列接続されたｎ個の限流マトリクス素子（３１４−１〜３１４−ｎ）から構成されたｍ個の直列接続された限流モジュール（３１２−１〜３１２−ｍ）から構成される。ここで、それぞれの限流マトリクス素子（３１４−１〜３１４−ｎ）は１つの超電導体を含む。
【０００８】
上記のトリガーマトリクス２１８はｎ個の並列接続されたトリガーマトリクス素子（３１０−１〜３１０−ｎ）から構成され、それぞれのトリガーマトリクス素子（３１０−１〜３１０−ｎ）は１つの超電導体を含んでそれぞれ前記ｎ個の限流マトリクス素子（３１４−１〜３１４−ｎ）に接続される。
【０００９】
図８において、符号ＡとＣは従来の超電導限流器の入力端と出力端をそれぞれ示す。
【００１０】
すなわち、超電導限流器が使用される電力系統、すなわち、回路線路の電圧、及び電流容量に従って複数の超電導限流モジュールの直列、並列接続個数を調整して構成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述した従来の超電導限流器には次のような問題点があった。
【００１２】
すなわち、第１に、超電導限流器の必要とされる高電圧耐量と大電流通電耐量を得るために多数の超電導体の直列、並列接続を行うことを必要とするため、前述したような超電導体の超電導状態を維持するための冷却媒質の封入容器をそれだけ大きくすることを必要とすることになり、その大きさが著しく大きくなってその製作コストも大きくなるという問題点があった。
【００１３】
第２に、前述したように数多くの超電導体を直列、並列接続する場合、これらの超電導体が同時にクエンチされなければ前記の高電圧に耐えることができないため、製作工程や運用上において超電導体の製作不良や性能不備時にその超電導体が焼損して超電導限流器装置全体が動作不能状態になる可能性が高いという問題点があった。すなわち、一部の超電導体の異常動作が超電導限流器全体の動作に深刻な影響を与える危険が生じて動作の信頼度が低下するという問題点があった。
【００１４】
従って、本発明は前記の従来技術の問題点を解消するためのものであり、最小限の超電導体を使用することによって製作コストが経済的でその大きさを小型化することができ、動作の信頼性が高い超電導限流器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の本発明の目的を達成するために、本発明による複合型超電導限流器は、通電線路上に直列に接続される超電導体と、該超電導体に直列に接続され、正常電流の通電時に閉路位置に位置して前記通電線路に電流を通電させ、大電流通電時に開路位置に切替えて通電を遮断する第１スイッチであって、磁気力により前記開路位置に切替可能な第１スイッチと、大電流通電時に前記超電導体が有するインピーダンスより小さい第１インピーダンスを有して前記超電導体に並列に接続され、大電流通電時に前記超電導体と前記第１スイッチを介して流れる電流の分流経路を提供し、前記分流経路を通じて流れる分流電流により磁化されて前記第１スイッチを開路位置に切替える第１リアクターと、該第１リアクターが構成する前記分流経路に直列に接続され、該第１リアクターが有する第１インピーダンスより大きい第２インピーダンスを有して前記大電流を制限する第２リアクターと、該第２リアクターに並列に接続されてトリガー信号によりターンオン可能な半導体スイッチと、前記第１スイッチの前記開路位置への切替え動作に応答して前記半導体スイッチへの前記トリガー信号の提供を中断するトリガー制御器と、前記通電線路内の前記超電導体と前記第１スイッチ及び前記分流経路の後端に接続され、大電流通電時に回路を遮断するように動作する遮断器と、から構成されることを特徴とする。
【００１６】
好ましくは、本発明の複合型超電導限流器は、前記通電線路内の前記超電導体と前記第１スイッチ及び前記分流経路の後端に接続され、大電流通電時に回路を遮断するように動作する遮断器と、前記分流電流を検出するために前記分流経路上に接続され、検出した電流量による第１電圧信号を出力する変流器と、前記超電導体に接続されて該超電導体の電圧による第２電圧信号が入力される第１入力と、前記変流器からの第１電圧信号が入力される第２入力と、を備え、所定の前記第１電圧信号又は第２電圧信号の少なくとも１つがある時、前記遮断器にトリップ信号を提供する遮断器トリップ駆動制御器と、をさらに含むことを特徴とする。
【００１７】
また、好ましくは、前記トリガー制御器は、光信号を放射する発光部と、前記第１スイッチが閉路位置にあるとき、前記発光部からの光信号を受信すると、前記半導体スイッチに前記トリガー信号を提供し、前記第１スイッチが開路位置に移動しながら前記光信号を遮断すると、それにより前記半導体スイッチへの前記トリガー信号の提供を中断する受光部を備える光スイッチと、から構成されることを特徴とする。
【００１８】
また、好ましくは、前記トリガー制御器は、前記第１スイッチの開路位置の移動経路上に前記第１スイッチの位置に連動するように設置され、該第１スイッチが閉路位置にあるとき、前記半導体スイッチに前記トリガー信号を提供し、前記第１スイッチの開路位置への移動に連動して前記半導体スイッチへの前記トリガー信号の提供を中断するマイクロスイッチ（micro switch）から構成され得ることを特徴とする。
【００１９】
また、好ましくは、前記半導体スイッチはサイリスタ（Thyristor）、トライアック（登録商標）（TRIAC）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧＴＯ サイリスタ（Gate Turn-off Thyristor）、ＳＳＲ（Solid State Relay）、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）、トランジスタのいずれか１つから構成されることを特徴とする。
【００２０】
また、好ましくは、前記遮断器トリップ駆動制御器は、前記所定の第１電圧信号又は第２電圧信号の少なくとも１つがある時、前記遮断器にトリップ信号を提供する論理和（ＯＲ）回路から構成されることを特徴とする。
【００２１】
また、好ましくは、前記遮断器トリップ駆動制御器は、前記第１電圧信号の値を予め決定された第１基準電圧と比較し、前記第１電圧信号の値が前記第１基準電圧値より大きいと、これを示す信号を出力する第１比較器と、前記第２電圧信号の値を予め決定された第２基準電圧と比較し、前記第２電圧信号の値が前記第２基準電圧値より大きいと、これを示す信号を出力する第２比較器と、前記第１と第２比較器の出力と接続され、前記第１と第２比較器の少なくとも１つから前記信号が入力されると、前記遮断器にトリップ信号を出力する論理和（ＯＲ）回路と、から構成されることを特徴とする。
【００２２】
また、好ましくは、前記第１スイッチは正常閉路接点スイッチから構成されることを特徴とする。
【００２３】
また、好ましくは、前記第１スイッチは前記超電導体と前記遮断器間の線路上に直列に接続される固定接点と、該固定接点に接触して前記通電線路を通電させる位置と前記第１リアクターからの磁気力により前記固定接点から開離して前記通電線路を遮断する位置に変位可能な可動接点と、から構成されることを特徴とする。
【００２４】
前述の本発明の目的及びこれを達成する本発明の構成は添付図面を参照した本発明の好ましい実施形態の構成と動作に対する以下の説明によりもっと明確に理解されるであろう。
【発明の効果】
【００２５】
本発明による複合型超電導限流器は、超電導体に並列に接続された分流経路のうち高インピーダンスの第２リアクターが高電圧を負担するので超電導体の両端には高電圧が発生することはなく、また事故電流の大電流も前記分流経路で負担して制限するので超電導体は正常電流通電時の定格電流のみを負担することができればよいから、超電導体の使用量を極小化し得るという効果がある。
【００２６】
また、本発明による複合型超電導限流器は超電導体を極小化することにより、従来技術のように複数の超電導体を同時にクエンチさせることにかかわる性能と動作信頼度の低下の問題が発生しないという効果がある。
【００２７】
また、本発明による複合型超電導限流器は数百μsec（マイクロ秒）以内にクエンチされる超電導体の電圧変化を感知し、これを遮断器のトリップに利用するので、遮断器のみにより事故電流を感知する場合より事故電流に対する遮断速度も短縮し得るという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、添付図面を参照して好ましい実施形態による本発明について説明する。
【００２９】
まず、本発明の一実施形態（第１の実施形態）による複合型超電導限流器の構成をブロック図として示す図１を参照して説明する。
【００３０】
本発明の第１の実施形態による複合型超電導限流器は、通電線路上に直列に接続される超電導体１を含む。本発明の限流器に含まれる第１スイッチ４は超電導体１に直列に接続され、正常電流の通電時に閉路位置に位置して前記通電線路に電流を通電させている途中で大電流通電時に開路位置に切替えて通電を遮断するもので、磁気力により前記開路位置に切替え可能である。
【００３１】
本発明の限流器に含まれる第１リアクター２は大電流通電時に超電導体１が有するインピーダンスより小さい第１インピーダンスを有して超電導体１に並列に接続される。また、第１リアクター２は大電流通電時に超電導体１と第１スイッチ４を通じて流れていた電流の分流経路を提供し、この分流経路を介して流れる分流電流により磁化されて第１スイッチ４を開路位置に切替える。
【００３２】
本発明の限流器に含まれる第２リアクター１４は第１リアクター２が構成する前記分流経路に直列に接続され、第１リアクター２が有する第１インピーダンスより大きい第２インピーダンスを有して前記大電流を制限する。
【００３３】
半導体スイッチ１３は本発明の限流器に含まれて、第２リアクター１４に並列に接続されてトリガー信号によりターンオン可能である。
【００３４】
トリガー制御器６ａは本発明の限流器に含まれて、第１スイッチ４の前記開路位置への切替え動作に応答して半導体スイッチ１３への前記トリガー信号の提供を中断する。
【００３５】
本発明による複合型超電導限流器は大電流通電時に回路を遮断するように動作する遮断器１５をさらに含み、この遮断器１５は前記通電線路内の超電導体１と第１スイッチ４及び前記分流経路の後に接続される。
【００３６】
第１スイッチ４は第１リアクター２からの磁力により開路位置に切替え可能な正常閉路接点スイッチから構成することができる。すなわち、第１スイッチ４は第１リアクター２から磁力が与えられると、開路状態になり、第１リアクター２からの磁力が与えられないと、閉路状態になる接点スイッチから構成することができる。
【００３７】
第１スイッチ４は超電導体１と遮断器１５間の線路上に直列に接続される固定接点（符号なし）と、この固定接点に接触して線路を通電させる位置と第１リアクター２からの磁気力により前記固定接点から開離して通電を遮断する位置に変位可能な可動接点５と、から構成することができる。符号５ａは、可動接点５に備えられるトリガー制御器６ａに第１スイッチ４の開離位置変位状態を伝達するための部分である。
【００３８】
このような第１スイッチ４は上記のような構成によって１ｍｓ（millisecond）内に高速開離し得る高速スイッチとして動作することができる。
【００３９】
トリガー制御器６ａは、光信号を放射する発光部と、第１スイッチ４が閉路位置にあるとき、前記発光部からの光信号を受信すると、半導体スイッチ１３に前記トリガー信号を提供し、第１スイッチ４が開路位置に移動しながら前記光信号を遮断すると、それにより半導体スイッチ１３への前記トリガー信号の提供を中断する受光部を備える光スイッチと、を含む。
【００４０】
また、トリガー制御器６ａは、第１スイッチ４の開路位置の移動経路上に第１スイッチ４の接点位置に連動するように設置され、第１スイッチ４が閉路位置にあるとき、半導体スイッチ１３に前記トリガー信号を提供し、前記第１スイッチの開路位置の移動に連動して半導体スイッチ１３への前記トリガー信号の提供を中断するマイクロスイッチから構成することができる。
【００４１】
半導体スイッチ１３はサイリスタ（Thyristor）、トライアック（登録商標）（TRIAC）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧＴＯ サイリスタ（Gate Turn-off Thyristor）、ＳＳＲ（Solid State Relay）、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）、トランジスタ（Transistor）のいずれか１つから構成することができる。
【００４２】
遮断器１５は前記通電線路が比較的に低電圧用線路である場合、よく知られた配線用遮断器や気中遮断器から構成することができ、前記通電線路が高電圧用線路である場合もよく知られている真空遮断器から構成することができる。
【００４３】
一方、本発明の他の実施形態（第２の実施形態）による複合型超電導限流器の構成について図２を参照して説明する。
【００４４】
本発明の第２の実施形態による複合型超電導限流器は、通電線路上に直列に接続される超電導体１を含む。
【００４５】
この実施形態による限流器に含まれる第１スイッチ４は超電導体１に直列に接続され、正常電流の通電時に閉路位置に位置して前記通電線路に電流を通電させている途中で大電流通電時に開路位置に切替えられて通電を遮断するもので、磁気力により前記開路位置に切替え可能である。
【００４６】
第２の実施形態による限流器に含まれる第１リアクター２は大電流通電時に超電導体１が有するインピーダンスより小さい第１インピーダンスを有して超電導体１に並列に接続される。また、第１リアクター２は大電流通電時に超電導体１と第１スイッチ４を通じて流れていた電流の分流経路を提供し、この分流経路を介して流れる分流電流により磁化されて第１スイッチ４を開路位置に切替える。
【００４７】
第２リアクター１４は第２の実施形態による限流器に含まれて、第１リアクター２が構成する前記分流経路に直列に接続され、この第１リアクター２が有する第１インピーダンスより大きい第２インピーダンスを有して前記大電流を制限する。
【００４８】
半導体スイッチ１３は第２の実施形態による限流器に含まれて、第２リアクター１４に並列に接続されてトリガー信号によりターンオン可能である。
【００４９】
トリガー制御器６、７は第２の実施形態による限流器に含まれて、第１スイッチ４の前記開路位置への切替え動作に応答して半導体スイッチ１３への前記トリガー信号の提供を中断する。
【００５０】
遮断器１５も第２の実施形態による限流器に含まれて、前記通電線路内の超電導体１と第１スイッチ４及び前記分流経路の後に接続され、大電流通電時に回路を遮断するように動作する。
【００５１】
第２の実施形態による限流器は前記分流経路を介して流れる電流を検出するために前記分流経路上に接続され、検出した電流量による第１電圧信号を出力する変流器（符号なし）を含む。
【００５２】
第２の実施形態による限流器に含まれる遮断器トリップ駆動制御器１１は超電導体１に接続されて超電導体１の電圧による第２電圧信号が入力される第１入力８と、前記変流器からの第１電圧信号が入力される第２入力１０と、を備え、所定の前記第１電圧信号又は第２電圧信号の少なくとも１つがあるとき、遮断器１５にトリップ信号を提供する。
【００５３】
前記の本発明の第２の実施形態は変流器と、遮断器トリップ駆動制御器１１をさらに含む点が前述した本発明の第１の実施形態と構成上最も異なる点である。
【００５４】
本発明の第２の実施形態において、トリガー制御器６、７は光信号を放射する発光部６と、第１スイッチ４が閉路位置にあるとき、発光部６からの光信号を受信すると、半導体スイッチ１３に前記トリガー信号を提供し、第１スイッチ４が開路位置に移動しながら前記光信号を遮断すると、それにより半導体スイッチ１３への前記トリガー信号の提供を中断する受光部７を備える光スイッチと、から構成することができる。
【００５５】
もちろん、本発明の第２の実施形態において、トリガー制御器６、７は前述した本発明の第１の実施形態と同様に、第１スイッチ４の開路位置の移動経路上に第１スイッチ４の接点位置に連動するように設置され、第１スイッチ４が閉路位置にあるとき、半導体スイッチ１３に前記トリガー信号を提供し、前記第１スイッチの開路位置の移動に連動して半導体スイッチ１３への前記トリガー信号の提供を中断するマイクロスイッチを前記光スイッチの代替として構成することができる。
【００５６】
一方、本発明の第２の実施形態において、遮断器トリップ駆動制御器１１は、図３（Ａ）に示すように、前記所定の第１電圧信号又は第２電圧信号の少なくとも１つがあるとき、遮断器１５にトリップ信号を提供するＯＲ回路（ＯＲ）から構成することができる。
【００５７】
また、遮断器トリップ駆動制御器１１は、図３（Ｂ）に示すように、前記第１電圧信号の値を予め決定された第１基準電圧（ＲＥＦ１）と比較し、前記第１電圧信号の値が第１基準電圧（ＲＥＦ１）の値より大きいと、これを示す信号を出力する第１比較器（ＣＯＭ１）と、前記第２電圧信号の値を予め決定された第２基準電圧（ＲＥＦ２）と比較し、前記第２電圧信号の値が前記第２基準電圧（ＲＥＦ２）の値より大きいと、これを示す信号を出力する第２比較器（ＣＯＭ２）と、第１と第２比較器（ＣＯＭ１、ＣＯＭ２）の出力と接続され、第１と第２比較器（ＣＯＭ１、ＣＯＭ２）の少なくとも１つから前記信号が入力されると、前記遮断器にトリップ信号を出力するＯＲ回路（ＯＲ）と、から構成することができる。
【００５８】
図２において、符号３は第１リアクター２が磁化された時、第１スイッチ４に与えられる磁気力線を示す。
【００５９】
第１スイッチ４は超電導体１と遮断器１５間の線路上に直列に接続される固定接点（符号なし）と、この固定接点に接触して線路を通電させる位置と第１リアクター２からの磁気力により前記固定接点から開離して通電を遮断する位置に変位可能な可動接点５と、から構成することができる。符号５ａは可動接点５に備えられるトリガー制御器６ａに第１スイッチ４の開離位置変位状態を伝達するための部分として、この実施形態においては前記の発光部６から受光部７に放射される光信号を遮断する部分がそれに該当することができることを示す。
【００６０】
符号１２は遮断器トリップ駆動制御器１１から前記トリップ信号が遮断器１５に伝達される信号経路を示す。
【００６１】
一方、以上のように構成される本発明の複合型超電導限流器の動作について図４〜図７を参照して説明する。
【００６２】
図４は事故電流発生時に本発明の超電導限流器を通じて流れる電流の変化を示す波形を示す図であり、図５〜図７は本発明の複合型超電導限流器の動作を説明するための動作説明図であり、図５は本発明の複合型超電導限流器に正常電流が流れる時の動作を示す動作説明図であり、図６は本発明の複合型超電導限流器に事故電流が流れる初期時の動作を示す動作説明図であり、図７は本発明の複合型超電導限流器のうち分流回路を通じて事故電流が流れる動作完了状態の動作説明図である。
【００６３】
まず、本発明の複合型超電導限流器に正常電流が流れる時の動作を、その動作説明図である図５と電流波形を示す図４を参照して説明する。
【００６４】
図４の正常電流波形のように電力系統、すなわち、通電線路上に流れる通電電流１６が正常電流である時、この通電電流１６は超電導体１のクエンチを起こす臨界電流（critical current）より小さいから、超電導体１は電気抵抗が「０」、すなわちゼロ（zero）である。
【００６５】
第１リアクター２は大電流通電時に超電導体１が有するインピーダンスよりは小さいが、「０」よりは大きい所定のインピーダンス、例えば数又は数十ｍΩ（milliohm）を有するから、この時、通電電流１６は第１リアクター２には流れることなく、電気的抵抗がない超電導体１にのみ流れる。
【００６６】
従って、通電電流１６は損失なしに超電導体１を通じて流れ出て第１スイッチ４を経て図１、２の遮断器１５に流れる。
【００６７】
一方、本発明の複合型超電導限流器に事故電流が流れる初期時の動作を、その動作説明図である図６と電流波形を示す図４を参照して説明する。
【００６８】
図４の事故電流発生時点で線路上に短絡又は地絡のような事故が発生すると、通電電流１６は急激に上昇して大電流となる。本発明の複合型超電導限流器が設置されない場合、線路上を流れる通電電流１６は図４の事故電流発生時点以後の通電電流１６のように急激に上昇する波形と同一になる。事故電流発生初期の通電電流１６は図６のように超電導体１を通じて流れる電流１７と第１リアクター２を通じて流れる分流電流１８とに分類される。この時、短絡事故発生時に超電導体１は数百μsec（マイクロ秒）内にクエンチされ抵抗がゼロから数〜数十オーム（ohm）に急激に増加して抵抗の大きな抵抗体に転移するので、大部分の事故電流はインピーダンス（impedance）の低い第１リアクター２に分流して流れる。
【００６９】
この時、第１リアクター２を通じて流れる分流電流１８は図４の波形１８のようになる。
【００７０】
超電導体１がクエンチした直後には分流電流１８が小さいために、第１リアクター２が磁化されて発生する磁気力、換言すると、磁場１９も小さくて電磁反発力（electromagnetic repulsive force）も大きくないため、第１スイッチ４の可動接点５は図６に示すようにまだ開離されない状態にある。
【００７１】
一方、本発明の複合型超電導限流器のうち分流回路を通じて事故電流が流れる動作完了状態の動作を、その動作説明図である図７と電流波形を示す図４を参照して説明する。
【００７２】
事故電流が電力系統、すなわち通電線路上に流入して超電導体１がクエンチした後、分流電流１８が徐々に増加して第１リアクター２から大きな磁気力、換言すると、大きな磁場（１９*）が発生すると、可動接点５上の渦電流が大きくなり第１リアクター２と可動接点５間の電磁反発力が増加し、可動接点５が図７のように固定接点から開離される。
【００７３】
この時、超電導体１と第１スイッチ４を通じて流れる電流は、超電導体１の限流動作と第１リアクター２への大部分の分流により図４の１７に示す波形のように小さくなるために、可動接点５が開離する時にアーク（arc）の発生はなく、接点の接圧力（接触状態を維持しようとする圧力）に比べて発生した前記電磁反発力が非常に大きいために、非常に短い図４上に示すような遅延時間内に可動接点５は完全に開離される。
【００７４】
高速スイッチ、すなわち、第１スイッチ４の開放以後、事故電流は図７に分流電流（１８*）で図示したように全て第１リアクター２と第２リアクター１４から構成される分流経路、すなわち並列回路にのみ流れる。
【００７５】
ここで、第１スイッチ４が完全に開離するまで超電導体１の両端に与えられる電圧を適切に処理することが非常に重要である。従来技術ではクエンチ時の超電導体の抵抗上昇による超電導体の両端のこのような電圧上昇に対応するために複数の超電導体を直列に接続しなければならなかったが、本発明による複合型超電導限流器はこの電圧を次のように軽減させる。
【００７６】
すなわち、本発明による複合型超電導限流器は第１リアクター２のインピーダンスが数又は数十ｍΩと非常に小さいから、超電導体１のクエンチ時に発生するインピーダンスとの合成インピーダンスも非常に小さくて、超電導体１の両端には高電圧が与えられない。これを式で表現すると次の通りである。
Ｖ＝Ｉｆ×Ｚｔ …………（１）
上記の式（１）において、Ｖは超電導体の両端に与えられる電圧で、Ｉｆは事故電流の大きさ、Ｚｔは第１リアクター２のインピーダンスと超電導体１のクエンチ時に発生するインピーダンスとの合成インピーダンスである。例えば、事故電流が３０ＫＡ（キロアンペア）で、合成インピーダンスが２０ｍΩ（ミリオーム）であるとして前記式（１）にこれらの値を代入すると、超電導体の両端に与えられる電圧は６００Volt（ボルト）にすぎない。このような電圧は、低くは数キロボルトから高くは数百キロボルトの高電圧電力系統の正常電圧、すなわち系統電圧に比べて非常に小さい電圧である。
【００７７】
また、短絡電流の大電流を制限する役割も本発明の複合型超電導限流器は超電導体１が負担するのではなく、本発明の複合型超電導限流器において、超電導体１は大部分の事故電流を第１リアクター２に分流させる機能を実行する。
【００７８】
一方、第１スイッチ４の可動接点５が完全に開離すると、トリガー制御器６ａは半導体スイッチ１３へのトリガー信号の送信を中断することにより、半導体スイッチ１３がオフされる。従って、事故電流は全て第１リアクター２を経てオフされた半導体スイッチ１３に並列に接続された第２リアクター１４に流れる。この第２リアクター１４は、例えば、数Ω（オーム）の高いインピーダンスを有するため、事故電流は第２リアクター１４により制限されて図４の波形（１８*）のように減少する。
【００７９】
また、第１スイッチ４の可動接点５が完全に開離した後の、事故電流による高電圧も第１リアクターよりも高いインピーダンスを有する第２リアクター１４が負担する。このような第２リアクター１４の高電圧負担も１００ｍｓｅｃ（ミリ秒）以内に遮断器トリップ駆動制御器１１からのトリップ信号により遮断器１５がトリップされるので、瞬間的であるから、第２リアクター１４に損傷を与えないようにできる。
【００８０】
半導体スイッチ１３は第１スイッチ４の接点が開離するまでの１ｍｓ（ミリ秒）以内の短い間のみ事故電流を通電するのみで、事故電流が尖頭値に到達する前にオフされるから、損傷の心配はなく、大電流に対する大きな耐量は要求されない。
【００８１】
第２リアクター１４は数オームの高いインピーダンス値を有するために数又は数十ｍＨ（millihenry）のインダクタンス（inductance）値を必要とするために、コイルの券回数（winding）が多くなるが、正常電流通電時には作用せずに１００ ｍｓｅｃ（ミリ秒）以内の短い間のみ事故電流に耐えられればよいから、コイルは太くなくてもよく、従って、第２リアクター１４の大きさ、従ってまた超電導限流器の大きさが大きくならない。
【００８２】
また、事故電流通電による超電導体１の上昇電圧を示す第２電圧信号と、前記変流器からの第１電圧信号のいずれか１つ又はこれらの２つの電圧信号が全て入力されると、遮断器トリップ駆動制御器１１は遮断器１５にトリップ信号を提供することにより、前記分流経路の後端に接続された遮断器１５はトリップされて回路を遮断する。ここで、事故電流が流れると、超電導体１は数百μsec（マイクロ秒）内にクエンチして任意の抵抗と電圧を発生することで、第１電圧信号及び／又は第２電圧信号により事故電流の感知時間を短縮して、遮断器１５による遮断所要時間を遮断器１５のみによる事故電流感知時間より短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の一実施形態による複合型超電導限流器の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の他の実施形態による複合型超電導限流器の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の複合型超電導限流器のうち遮断器トリップ駆動制御器の構成例を示すブロック図であり、図３（Ａ）は第１の実施形態による遮断器トリップ駆動制御器の構成を示すブロック図を、また、図３（Ｂ）は第２の実施形態による遮断器トリップ駆動制御器の構成を示すブロック図を示す。
【図４】事故電流発生時に本発明の超電導限流器を通じて流れる電流の変化を示す波形を示す図である。
【図５】本発明の複合型超電導限流器に正常電流が流れる時の動作を示す動作説明図である。
【図６】本発明の複合型超電導限流器に事故電流が流れる初期時の動作を示す動作説明図である。
【図７】本発明の複合型超電導限流器内の分流回路を通じて事故電流が流れる動作の完了状態の動作説明図である。
【図８】従来の超電導限流器の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００８４】
１ 超電導体
２ 第１リアクター
４ 第１スイッチ
６、７ トリガー制御器
１１ 遮断器トリップ駆動制御器
１３ 半導体スイッチ
１４ 第２リアクター
１５ 遮断器
【技術分野】
【０００１】
本発明は超電導体を利用して電力系統上で発生する事故電流（fault current）を効果的に制限する超電導限流器に関し、特に、超電導体に高速スイッチ、半導体スイッチ、及びリアクターを相互に有機的に連動するように接続して事故電流発生時に超電導体に与えられる大電流及び高電圧の負担時間を最小化することによって経済的で小型に製作可能な複合型超電導限流器に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導体は所定の電流値までは通電電流に対する抵抗がほとんどないが、所定電流値（threshold current）以上では抵抗が急激に上昇する特性を有し、短絡電流などの電力系統の事故電流に対する限流素子としての活用の可能性を有する。
【０００３】
過去、超電導状態を維持するために液体ヘリウムを冷媒に使用する超電導限流器は高価な冷却コスト及び製作の難しさによって世界的にその研究が進まなかったが、最近、液体窒素を超電導状態を維持するための冷媒に使用する超電導物質が開発されることによって再びこれを利用した超電導限流器の研究開発が活性化している。
【０００４】
超電導体を利用した超電導限流器は抵抗型限流器、誘導型限流器、複合型限流器などが提案されている。
【０００５】
このような超電導限流器は電力系統の高電圧及び大電流に耐えられることが要求されて超電導体の使用量が幾何級数的に増大する。すなわち、超電導限流器が高電圧に対して耐えるようにするために多くの超電導体を直列に接続しなければならず、大電流に対して耐えるようにするために多くの超電導体の並列接続も要求される。
【０００６】
このような従来技術の例について図８を参照して説明する。
【０００７】
図８に示すような従来の超電導限流器は限流マトリクス（matrix）２２０と、この限流マトリクス２２０内の超電導体の同時クエンチ（quench、超電導状態から常電導状態、すなわち、抵抗を有する状態に転移すること）を誘導するために磁場を印加するトリガーマトリクス（trigger matrix）２１８と、から構成される。より詳しくは、上記の限流マトリクス２２０は、それぞれが並列接続されたｎ個の限流マトリクス素子（３１４−１〜３１４−ｎ）から構成されたｍ個の直列接続された限流モジュール（３１２−１〜３１２−ｍ）から構成される。ここで、それぞれの限流マトリクス素子（３１４−１〜３１４−ｎ）は１つの超電導体を含む。
【０００８】
上記のトリガーマトリクス２１８はｎ個の並列接続されたトリガーマトリクス素子（３１０−１〜３１０−ｎ）から構成され、それぞれのトリガーマトリクス素子（３１０−１〜３１０−ｎ）は１つの超電導体を含んでそれぞれ前記ｎ個の限流マトリクス素子（３１４−１〜３１４−ｎ）に接続される。
【０００９】
図８において、符号ＡとＣは従来の超電導限流器の入力端と出力端をそれぞれ示す。
【００１０】
すなわち、超電導限流器が使用される電力系統、すなわち、回路線路の電圧、及び電流容量に従って複数の超電導限流モジュールの直列、並列接続個数を調整して構成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述した従来の超電導限流器には次のような問題点があった。
【００１２】
すなわち、第１に、超電導限流器の必要とされる高電圧耐量と大電流通電耐量を得るために多数の超電導体の直列、並列接続を行うことを必要とするため、前述したような超電導体の超電導状態を維持するための冷却媒質の封入容器をそれだけ大きくすることを必要とすることになり、その大きさが著しく大きくなってその製作コストも大きくなるという問題点があった。
【００１３】
第２に、前述したように数多くの超電導体を直列、並列接続する場合、これらの超電導体が同時にクエンチされなければ前記の高電圧に耐えることができないため、製作工程や運用上において超電導体の製作不良や性能不備時にその超電導体が焼損して超電導限流器装置全体が動作不能状態になる可能性が高いという問題点があった。すなわち、一部の超電導体の異常動作が超電導限流器全体の動作に深刻な影響を与える危険が生じて動作の信頼度が低下するという問題点があった。
【００１４】
従って、本発明は前記の従来技術の問題点を解消するためのものであり、最小限の超電導体を使用することによって製作コストが経済的でその大きさを小型化することができ、動作の信頼性が高い超電導限流器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の本発明の目的を達成するために、本発明による複合型超電導限流器は、通電線路上に直列に接続される超電導体と、該超電導体に直列に接続され、正常電流の通電時に閉路位置に位置して前記通電線路に電流を通電させ、大電流通電時に開路位置に切替えて通電を遮断する第１スイッチであって、磁気力により前記開路位置に切替可能な第１スイッチと、大電流通電時に前記超電導体が有するインピーダンスより小さい第１インピーダンスを有して前記超電導体に並列に接続され、大電流通電時に前記超電導体と前記第１スイッチを介して流れる電流の分流経路を提供し、前記分流経路を通じて流れる分流電流により磁化されて前記第１スイッチを開路位置に切替える第１リアクターと、該第１リアクターが構成する前記分流経路に直列に接続され、該第１リアクターが有する第１インピーダンスより大きい第２インピーダンスを有して前記大電流を制限する第２リアクターと、該第２リアクターに並列に接続されてトリガー信号によりターンオン可能な半導体スイッチと、前記第１スイッチの前記開路位置への切替え動作に応答して前記半導体スイッチへの前記トリガー信号の提供を中断するトリガー制御器と、前記通電線路内の前記超電導体と前記第１スイッチ及び前記分流経路の後端に接続され、大電流通電時に回路を遮断するように動作する遮断器と、から構成されることを特徴とする。
【００１６】
好ましくは、本発明の複合型超電導限流器は、前記通電線路内の前記超電導体と前記第１スイッチ及び前記分流経路の後端に接続され、大電流通電時に回路を遮断するように動作する遮断器と、前記分流電流を検出するために前記分流経路上に接続され、検出した電流量による第１電圧信号を出力する変流器と、前記超電導体に接続されて該超電導体の電圧による第２電圧信号が入力される第１入力と、前記変流器からの第１電圧信号が入力される第２入力と、を備え、所定の前記第１電圧信号又は第２電圧信号の少なくとも１つがある時、前記遮断器にトリップ信号を提供する遮断器トリップ駆動制御器と、をさらに含むことを特徴とする。
【００１７】
また、好ましくは、前記トリガー制御器は、光信号を放射する発光部と、前記第１スイッチが閉路位置にあるとき、前記発光部からの光信号を受信すると、前記半導体スイッチに前記トリガー信号を提供し、前記第１スイッチが開路位置に移動しながら前記光信号を遮断すると、それにより前記半導体スイッチへの前記トリガー信号の提供を中断する受光部を備える光スイッチと、から構成されることを特徴とする。
【００１８】
また、好ましくは、前記トリガー制御器は、前記第１スイッチの開路位置の移動経路上に前記第１スイッチの位置に連動するように設置され、該第１スイッチが閉路位置にあるとき、前記半導体スイッチに前記トリガー信号を提供し、前記第１スイッチの開路位置への移動に連動して前記半導体スイッチへの前記トリガー信号の提供を中断するマイクロスイッチ（micro switch）から構成され得ることを特徴とする。
【００１９】
また、好ましくは、前記半導体スイッチはサイリスタ（Thyristor）、トライアック（登録商標）（TRIAC）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧＴＯ サイリスタ（Gate Turn-off Thyristor）、ＳＳＲ（Solid State Relay）、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）、トランジスタのいずれか１つから構成されることを特徴とする。
【００２０】
また、好ましくは、前記遮断器トリップ駆動制御器は、前記所定の第１電圧信号又は第２電圧信号の少なくとも１つがある時、前記遮断器にトリップ信号を提供する論理和（ＯＲ）回路から構成されることを特徴とする。
【００２１】
また、好ましくは、前記遮断器トリップ駆動制御器は、前記第１電圧信号の値を予め決定された第１基準電圧と比較し、前記第１電圧信号の値が前記第１基準電圧値より大きいと、これを示す信号を出力する第１比較器と、前記第２電圧信号の値を予め決定された第２基準電圧と比較し、前記第２電圧信号の値が前記第２基準電圧値より大きいと、これを示す信号を出力する第２比較器と、前記第１と第２比較器の出力と接続され、前記第１と第２比較器の少なくとも１つから前記信号が入力されると、前記遮断器にトリップ信号を出力する論理和（ＯＲ）回路と、から構成されることを特徴とする。
【００２２】
また、好ましくは、前記第１スイッチは正常閉路接点スイッチから構成されることを特徴とする。
【００２３】
また、好ましくは、前記第１スイッチは前記超電導体と前記遮断器間の線路上に直列に接続される固定接点と、該固定接点に接触して前記通電線路を通電させる位置と前記第１リアクターからの磁気力により前記固定接点から開離して前記通電線路を遮断する位置に変位可能な可動接点と、から構成されることを特徴とする。
【００２４】
前述の本発明の目的及びこれを達成する本発明の構成は添付図面を参照した本発明の好ましい実施形態の構成と動作に対する以下の説明によりもっと明確に理解されるであろう。
【発明の効果】
【００２５】
本発明による複合型超電導限流器は、超電導体に並列に接続された分流経路のうち高インピーダンスの第２リアクターが高電圧を負担するので超電導体の両端には高電圧が発生することはなく、また事故電流の大電流も前記分流経路で負担して制限するので超電導体は正常電流通電時の定格電流のみを負担することができればよいから、超電導体の使用量を極小化し得るという効果がある。
【００２６】
また、本発明による複合型超電導限流器は超電導体を極小化することにより、従来技術のように複数の超電導体を同時にクエンチさせることにかかわる性能と動作信頼度の低下の問題が発生しないという効果がある。
【００２７】
また、本発明による複合型超電導限流器は数百μsec（マイクロ秒）以内にクエンチされる超電導体の電圧変化を感知し、これを遮断器のトリップに利用するので、遮断器のみにより事故電流を感知する場合より事故電流に対する遮断速度も短縮し得るという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、添付図面を参照して好ましい実施形態による本発明について説明する。
【００２９】
まず、本発明の一実施形態（第１の実施形態）による複合型超電導限流器の構成をブロック図として示す図１を参照して説明する。
【００３０】
本発明の第１の実施形態による複合型超電導限流器は、通電線路上に直列に接続される超電導体１を含む。本発明の限流器に含まれる第１スイッチ４は超電導体１に直列に接続され、正常電流の通電時に閉路位置に位置して前記通電線路に電流を通電させている途中で大電流通電時に開路位置に切替えて通電を遮断するもので、磁気力により前記開路位置に切替え可能である。
【００３１】
本発明の限流器に含まれる第１リアクター２は大電流通電時に超電導体１が有するインピーダンスより小さい第１インピーダンスを有して超電導体１に並列に接続される。また、第１リアクター２は大電流通電時に超電導体１と第１スイッチ４を通じて流れていた電流の分流経路を提供し、この分流経路を介して流れる分流電流により磁化されて第１スイッチ４を開路位置に切替える。
【００３２】
本発明の限流器に含まれる第２リアクター１４は第１リアクター２が構成する前記分流経路に直列に接続され、第１リアクター２が有する第１インピーダンスより大きい第２インピーダンスを有して前記大電流を制限する。
【００３３】
半導体スイッチ１３は本発明の限流器に含まれて、第２リアクター１４に並列に接続されてトリガー信号によりターンオン可能である。
【００３４】
トリガー制御器６ａは本発明の限流器に含まれて、第１スイッチ４の前記開路位置への切替え動作に応答して半導体スイッチ１３への前記トリガー信号の提供を中断する。
【００３５】
本発明による複合型超電導限流器は大電流通電時に回路を遮断するように動作する遮断器１５をさらに含み、この遮断器１５は前記通電線路内の超電導体１と第１スイッチ４及び前記分流経路の後に接続される。
【００３６】
第１スイッチ４は第１リアクター２からの磁力により開路位置に切替え可能な正常閉路接点スイッチから構成することができる。すなわち、第１スイッチ４は第１リアクター２から磁力が与えられると、開路状態になり、第１リアクター２からの磁力が与えられないと、閉路状態になる接点スイッチから構成することができる。
【００３７】
第１スイッチ４は超電導体１と遮断器１５間の線路上に直列に接続される固定接点（符号なし）と、この固定接点に接触して線路を通電させる位置と第１リアクター２からの磁気力により前記固定接点から開離して通電を遮断する位置に変位可能な可動接点５と、から構成することができる。符号５ａは、可動接点５に備えられるトリガー制御器６ａに第１スイッチ４の開離位置変位状態を伝達するための部分である。
【００３８】
このような第１スイッチ４は上記のような構成によって１ｍｓ（millisecond）内に高速開離し得る高速スイッチとして動作することができる。
【００３９】
トリガー制御器６ａは、光信号を放射する発光部と、第１スイッチ４が閉路位置にあるとき、前記発光部からの光信号を受信すると、半導体スイッチ１３に前記トリガー信号を提供し、第１スイッチ４が開路位置に移動しながら前記光信号を遮断すると、それにより半導体スイッチ１３への前記トリガー信号の提供を中断する受光部を備える光スイッチと、を含む。
【００４０】
また、トリガー制御器６ａは、第１スイッチ４の開路位置の移動経路上に第１スイッチ４の接点位置に連動するように設置され、第１スイッチ４が閉路位置にあるとき、半導体スイッチ１３に前記トリガー信号を提供し、前記第１スイッチの開路位置の移動に連動して半導体スイッチ１３への前記トリガー信号の提供を中断するマイクロスイッチから構成することができる。
【００４１】
半導体スイッチ１３はサイリスタ（Thyristor）、トライアック（登録商標）（TRIAC）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧＴＯ サイリスタ（Gate Turn-off Thyristor）、ＳＳＲ（Solid State Relay）、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）、トランジスタ（Transistor）のいずれか１つから構成することができる。
【００４２】
遮断器１５は前記通電線路が比較的に低電圧用線路である場合、よく知られた配線用遮断器や気中遮断器から構成することができ、前記通電線路が高電圧用線路である場合もよく知られている真空遮断器から構成することができる。
【００４３】
一方、本発明の他の実施形態（第２の実施形態）による複合型超電導限流器の構成について図２を参照して説明する。
【００４４】
本発明の第２の実施形態による複合型超電導限流器は、通電線路上に直列に接続される超電導体１を含む。
【００４５】
この実施形態による限流器に含まれる第１スイッチ４は超電導体１に直列に接続され、正常電流の通電時に閉路位置に位置して前記通電線路に電流を通電させている途中で大電流通電時に開路位置に切替えられて通電を遮断するもので、磁気力により前記開路位置に切替え可能である。
【００４６】
第２の実施形態による限流器に含まれる第１リアクター２は大電流通電時に超電導体１が有するインピーダンスより小さい第１インピーダンスを有して超電導体１に並列に接続される。また、第１リアクター２は大電流通電時に超電導体１と第１スイッチ４を通じて流れていた電流の分流経路を提供し、この分流経路を介して流れる分流電流により磁化されて第１スイッチ４を開路位置に切替える。
【００４７】
第２リアクター１４は第２の実施形態による限流器に含まれて、第１リアクター２が構成する前記分流経路に直列に接続され、この第１リアクター２が有する第１インピーダンスより大きい第２インピーダンスを有して前記大電流を制限する。
【００４８】
半導体スイッチ１３は第２の実施形態による限流器に含まれて、第２リアクター１４に並列に接続されてトリガー信号によりターンオン可能である。
【００４９】
トリガー制御器６、７は第２の実施形態による限流器に含まれて、第１スイッチ４の前記開路位置への切替え動作に応答して半導体スイッチ１３への前記トリガー信号の提供を中断する。
【００５０】
遮断器１５も第２の実施形態による限流器に含まれて、前記通電線路内の超電導体１と第１スイッチ４及び前記分流経路の後に接続され、大電流通電時に回路を遮断するように動作する。
【００５１】
第２の実施形態による限流器は前記分流経路を介して流れる電流を検出するために前記分流経路上に接続され、検出した電流量による第１電圧信号を出力する変流器（符号なし）を含む。
【００５２】
第２の実施形態による限流器に含まれる遮断器トリップ駆動制御器１１は超電導体１に接続されて超電導体１の電圧による第２電圧信号が入力される第１入力８と、前記変流器からの第１電圧信号が入力される第２入力１０と、を備え、所定の前記第１電圧信号又は第２電圧信号の少なくとも１つがあるとき、遮断器１５にトリップ信号を提供する。
【００５３】
前記の本発明の第２の実施形態は変流器と、遮断器トリップ駆動制御器１１をさらに含む点が前述した本発明の第１の実施形態と構成上最も異なる点である。
【００５４】
本発明の第２の実施形態において、トリガー制御器６、７は光信号を放射する発光部６と、第１スイッチ４が閉路位置にあるとき、発光部６からの光信号を受信すると、半導体スイッチ１３に前記トリガー信号を提供し、第１スイッチ４が開路位置に移動しながら前記光信号を遮断すると、それにより半導体スイッチ１３への前記トリガー信号の提供を中断する受光部７を備える光スイッチと、から構成することができる。
【００５５】
もちろん、本発明の第２の実施形態において、トリガー制御器６、７は前述した本発明の第１の実施形態と同様に、第１スイッチ４の開路位置の移動経路上に第１スイッチ４の接点位置に連動するように設置され、第１スイッチ４が閉路位置にあるとき、半導体スイッチ１３に前記トリガー信号を提供し、前記第１スイッチの開路位置の移動に連動して半導体スイッチ１３への前記トリガー信号の提供を中断するマイクロスイッチを前記光スイッチの代替として構成することができる。
【００５６】
一方、本発明の第２の実施形態において、遮断器トリップ駆動制御器１１は、図３（Ａ）に示すように、前記所定の第１電圧信号又は第２電圧信号の少なくとも１つがあるとき、遮断器１５にトリップ信号を提供するＯＲ回路（ＯＲ）から構成することができる。
【００５７】
また、遮断器トリップ駆動制御器１１は、図３（Ｂ）に示すように、前記第１電圧信号の値を予め決定された第１基準電圧（ＲＥＦ１）と比較し、前記第１電圧信号の値が第１基準電圧（ＲＥＦ１）の値より大きいと、これを示す信号を出力する第１比較器（ＣＯＭ１）と、前記第２電圧信号の値を予め決定された第２基準電圧（ＲＥＦ２）と比較し、前記第２電圧信号の値が前記第２基準電圧（ＲＥＦ２）の値より大きいと、これを示す信号を出力する第２比較器（ＣＯＭ２）と、第１と第２比較器（ＣＯＭ１、ＣＯＭ２）の出力と接続され、第１と第２比較器（ＣＯＭ１、ＣＯＭ２）の少なくとも１つから前記信号が入力されると、前記遮断器にトリップ信号を出力するＯＲ回路（ＯＲ）と、から構成することができる。
【００５８】
図２において、符号３は第１リアクター２が磁化された時、第１スイッチ４に与えられる磁気力線を示す。
【００５９】
第１スイッチ４は超電導体１と遮断器１５間の線路上に直列に接続される固定接点（符号なし）と、この固定接点に接触して線路を通電させる位置と第１リアクター２からの磁気力により前記固定接点から開離して通電を遮断する位置に変位可能な可動接点５と、から構成することができる。符号５ａは可動接点５に備えられるトリガー制御器６ａに第１スイッチ４の開離位置変位状態を伝達するための部分として、この実施形態においては前記の発光部６から受光部７に放射される光信号を遮断する部分がそれに該当することができることを示す。
【００６０】
符号１２は遮断器トリップ駆動制御器１１から前記トリップ信号が遮断器１５に伝達される信号経路を示す。
【００６１】
一方、以上のように構成される本発明の複合型超電導限流器の動作について図４〜図７を参照して説明する。
【００６２】
図４は事故電流発生時に本発明の超電導限流器を通じて流れる電流の変化を示す波形を示す図であり、図５〜図７は本発明の複合型超電導限流器の動作を説明するための動作説明図であり、図５は本発明の複合型超電導限流器に正常電流が流れる時の動作を示す動作説明図であり、図６は本発明の複合型超電導限流器に事故電流が流れる初期時の動作を示す動作説明図であり、図７は本発明の複合型超電導限流器のうち分流回路を通じて事故電流が流れる動作完了状態の動作説明図である。
【００６３】
まず、本発明の複合型超電導限流器に正常電流が流れる時の動作を、その動作説明図である図５と電流波形を示す図４を参照して説明する。
【００６４】
図４の正常電流波形のように電力系統、すなわち、通電線路上に流れる通電電流１６が正常電流である時、この通電電流１６は超電導体１のクエンチを起こす臨界電流（critical current）より小さいから、超電導体１は電気抵抗が「０」、すなわちゼロ（zero）である。
【００６５】
第１リアクター２は大電流通電時に超電導体１が有するインピーダンスよりは小さいが、「０」よりは大きい所定のインピーダンス、例えば数又は数十ｍΩ（milliohm）を有するから、この時、通電電流１６は第１リアクター２には流れることなく、電気的抵抗がない超電導体１にのみ流れる。
【００６６】
従って、通電電流１６は損失なしに超電導体１を通じて流れ出て第１スイッチ４を経て図１、２の遮断器１５に流れる。
【００６７】
一方、本発明の複合型超電導限流器に事故電流が流れる初期時の動作を、その動作説明図である図６と電流波形を示す図４を参照して説明する。
【００６８】
図４の事故電流発生時点で線路上に短絡又は地絡のような事故が発生すると、通電電流１６は急激に上昇して大電流となる。本発明の複合型超電導限流器が設置されない場合、線路上を流れる通電電流１６は図４の事故電流発生時点以後の通電電流１６のように急激に上昇する波形と同一になる。事故電流発生初期の通電電流１６は図６のように超電導体１を通じて流れる電流１７と第１リアクター２を通じて流れる分流電流１８とに分類される。この時、短絡事故発生時に超電導体１は数百μsec（マイクロ秒）内にクエンチされ抵抗がゼロから数〜数十オーム（ohm）に急激に増加して抵抗の大きな抵抗体に転移するので、大部分の事故電流はインピーダンス（impedance）の低い第１リアクター２に分流して流れる。
【００６９】
この時、第１リアクター２を通じて流れる分流電流１８は図４の波形１８のようになる。
【００７０】
超電導体１がクエンチした直後には分流電流１８が小さいために、第１リアクター２が磁化されて発生する磁気力、換言すると、磁場１９も小さくて電磁反発力（electromagnetic repulsive force）も大きくないため、第１スイッチ４の可動接点５は図６に示すようにまだ開離されない状態にある。
【００７１】
一方、本発明の複合型超電導限流器のうち分流回路を通じて事故電流が流れる動作完了状態の動作を、その動作説明図である図７と電流波形を示す図４を参照して説明する。
【００７２】
事故電流が電力系統、すなわち通電線路上に流入して超電導体１がクエンチした後、分流電流１８が徐々に増加して第１リアクター２から大きな磁気力、換言すると、大きな磁場（１９*）が発生すると、可動接点５上の渦電流が大きくなり第１リアクター２と可動接点５間の電磁反発力が増加し、可動接点５が図７のように固定接点から開離される。
【００７３】
この時、超電導体１と第１スイッチ４を通じて流れる電流は、超電導体１の限流動作と第１リアクター２への大部分の分流により図４の１７に示す波形のように小さくなるために、可動接点５が開離する時にアーク（arc）の発生はなく、接点の接圧力（接触状態を維持しようとする圧力）に比べて発生した前記電磁反発力が非常に大きいために、非常に短い図４上に示すような遅延時間内に可動接点５は完全に開離される。
【００７４】
高速スイッチ、すなわち、第１スイッチ４の開放以後、事故電流は図７に分流電流（１８*）で図示したように全て第１リアクター２と第２リアクター１４から構成される分流経路、すなわち並列回路にのみ流れる。
【００７５】
ここで、第１スイッチ４が完全に開離するまで超電導体１の両端に与えられる電圧を適切に処理することが非常に重要である。従来技術ではクエンチ時の超電導体の抵抗上昇による超電導体の両端のこのような電圧上昇に対応するために複数の超電導体を直列に接続しなければならなかったが、本発明による複合型超電導限流器はこの電圧を次のように軽減させる。
【００７６】
すなわち、本発明による複合型超電導限流器は第１リアクター２のインピーダンスが数又は数十ｍΩと非常に小さいから、超電導体１のクエンチ時に発生するインピーダンスとの合成インピーダンスも非常に小さくて、超電導体１の両端には高電圧が与えられない。これを式で表現すると次の通りである。
Ｖ＝Ｉｆ×Ｚｔ …………（１）
上記の式（１）において、Ｖは超電導体の両端に与えられる電圧で、Ｉｆは事故電流の大きさ、Ｚｔは第１リアクター２のインピーダンスと超電導体１のクエンチ時に発生するインピーダンスとの合成インピーダンスである。例えば、事故電流が３０ＫＡ（キロアンペア）で、合成インピーダンスが２０ｍΩ（ミリオーム）であるとして前記式（１）にこれらの値を代入すると、超電導体の両端に与えられる電圧は６００Volt（ボルト）にすぎない。このような電圧は、低くは数キロボルトから高くは数百キロボルトの高電圧電力系統の正常電圧、すなわち系統電圧に比べて非常に小さい電圧である。
【００７７】
また、短絡電流の大電流を制限する役割も本発明の複合型超電導限流器は超電導体１が負担するのではなく、本発明の複合型超電導限流器において、超電導体１は大部分の事故電流を第１リアクター２に分流させる機能を実行する。
【００７８】
一方、第１スイッチ４の可動接点５が完全に開離すると、トリガー制御器６ａは半導体スイッチ１３へのトリガー信号の送信を中断することにより、半導体スイッチ１３がオフされる。従って、事故電流は全て第１リアクター２を経てオフされた半導体スイッチ１３に並列に接続された第２リアクター１４に流れる。この第２リアクター１４は、例えば、数Ω（オーム）の高いインピーダンスを有するため、事故電流は第２リアクター１４により制限されて図４の波形（１８*）のように減少する。
【００７９】
また、第１スイッチ４の可動接点５が完全に開離した後の、事故電流による高電圧も第１リアクターよりも高いインピーダンスを有する第２リアクター１４が負担する。このような第２リアクター１４の高電圧負担も１００ｍｓｅｃ（ミリ秒）以内に遮断器トリップ駆動制御器１１からのトリップ信号により遮断器１５がトリップされるので、瞬間的であるから、第２リアクター１４に損傷を与えないようにできる。
【００８０】
半導体スイッチ１３は第１スイッチ４の接点が開離するまでの１ｍｓ（ミリ秒）以内の短い間のみ事故電流を通電するのみで、事故電流が尖頭値に到達する前にオフされるから、損傷の心配はなく、大電流に対する大きな耐量は要求されない。
【００８１】
第２リアクター１４は数オームの高いインピーダンス値を有するために数又は数十ｍＨ（millihenry）のインダクタンス（inductance）値を必要とするために、コイルの券回数（winding）が多くなるが、正常電流通電時には作用せずに１００ ｍｓｅｃ（ミリ秒）以内の短い間のみ事故電流に耐えられればよいから、コイルは太くなくてもよく、従って、第２リアクター１４の大きさ、従ってまた超電導限流器の大きさが大きくならない。
【００８２】
また、事故電流通電による超電導体１の上昇電圧を示す第２電圧信号と、前記変流器からの第１電圧信号のいずれか１つ又はこれらの２つの電圧信号が全て入力されると、遮断器トリップ駆動制御器１１は遮断器１５にトリップ信号を提供することにより、前記分流経路の後端に接続された遮断器１５はトリップされて回路を遮断する。ここで、事故電流が流れると、超電導体１は数百μsec（マイクロ秒）内にクエンチして任意の抵抗と電圧を発生することで、第１電圧信号及び／又は第２電圧信号により事故電流の感知時間を短縮して、遮断器１５による遮断所要時間を遮断器１５のみによる事故電流感知時間より短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の一実施形態による複合型超電導限流器の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の他の実施形態による複合型超電導限流器の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の複合型超電導限流器のうち遮断器トリップ駆動制御器の構成例を示すブロック図であり、図３（Ａ）は第１の実施形態による遮断器トリップ駆動制御器の構成を示すブロック図を、また、図３（Ｂ）は第２の実施形態による遮断器トリップ駆動制御器の構成を示すブロック図を示す。
【図４】事故電流発生時に本発明の超電導限流器を通じて流れる電流の変化を示す波形を示す図である。
【図５】本発明の複合型超電導限流器に正常電流が流れる時の動作を示す動作説明図である。
【図６】本発明の複合型超電導限流器に事故電流が流れる初期時の動作を示す動作説明図である。
【図７】本発明の複合型超電導限流器内の分流回路を通じて事故電流が流れる動作の完了状態の動作説明図である。
【図８】従来の超電導限流器の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００８４】
１ 超電導体
２ 第１リアクター
４ 第１スイッチ
６、７ トリガー制御器
１１ 遮断器トリップ駆動制御器
１３ 半導体スイッチ
１４ 第２リアクター
１５ 遮断器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電線路上に直列に接続される超電導体と、
該超電導体に直列に接続され、正常電流の通電時に閉路位置に位置して前記通電線路に電流を通電させ、大電流通電時に開路位置に切替えて通電を遮断する第１スイッチであって、磁気力により前記開路位置に切替可能な第１スイッチと、
大電流通電時に前記超電導体が有するインピーダンスより小さい第１インピーダンスを有して前記超電導体に並列に接続され、大電流通電時に前記超電導体と前記第１スイッチとを介して流れる電流の分流経路を提供し、該分流経路を介して流れる分流電流により磁化されて前記第１スイッチを開路位置に切替える第１リアクターと、
該第１リアクターが構成する前記分流経路に直列に接続され、前記第１リアクターが有する第１インピーダンスより大きい第２インピーダンスを有して前記大電流を制限する第２リアクターと、
該第２リアクターに並列に接続されてトリガー信号によりターンオン可能な半導体スイッチと、
前記第１スイッチの前記開路位置への切替え動作に応答して前記半導体スイッチへの前記トリガー信号の提供を中断するトリガー制御器と、を含むことを特徴とする複合型超電導限流器。
【請求項２】
前記通電線路中の前記超電導体と前記第１スイッチ及び前記分流経路の後端に接続され、大電流通電時に回路を遮断するように動作する遮断器と、
前記分流電流を検出するために前記分流経路上に接続され、検出した電流量による第１電圧信号を出力する変流器と、
前記超電導体に接続されて該超電導体の電圧による第２電圧信号が入力される第１入力と、前記変流器からの第１電圧信号が入力される第２入力と、を備え、所定の前記第１電圧信号又は第２電圧信号の少なくとも１つがあるとき、前記遮断器にトリップ信号を提供する遮断器トリップ駆動制御器と、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の複合型超電導限流器。
【請求項３】
前記トリガー制御器は、
光信号を放射する発光部と、前記第１スイッチが閉路位置にある時、前記発光部からの光信号を受信すると、前記半導体スイッチに前記トリガー信号を提供し、前記第１スイッチが開路位置に移動しながら前記光信号を遮断すると、前記半導体スイッチへの前記トリガー信号の提供を中断する受光部を備える光スイッチと、から構成されることを特徴とする請求項１に記載の複合型超電導限流器。
【請求項４】
前記トリガー制御器は、
前記第１スイッチの開路位置の移動経路上に前記第１スイッチの位置に連動するように設置され、該第１スイッチが閉路位置にあるとき、前記半導体スイッチに前記トリガー信号を提供し、前記第１スイッチの開路位置の移動に連動して前記半導体スイッチへの前記トリガー信号の提供を中断するマイクロスイッチから構成されることを特徴とする請求項１に記載の複合型超電導限流器。
【請求項５】
前記半導体スイッチはサイリスタ、トライアック、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ サイリスタ、ＳＳＲ、ＦＥＴ、トランジスタのいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の複合型超電導限流器。
【請求項６】
前記遮断器トリップ駆動制御器は、
前記所定の第１電圧信号又は第２電圧信号の少なくとも１つがあるとき、前記遮断器にトリップ信号を提供する論理和（ＯＲ）回路から構成されることを特徴とする請求項２に記載の複合型超電導限流器。
【請求項７】
前記遮断器トリップ駆動制御器は、
前記第１電圧信号の値を予め決定された第１基準電圧と比較し、前記第１電圧信号の値が前記第１基準電圧値より大きいと、これを示す信号を出力する第１比較器と、
前記第２電圧信号の値を予め決定された第２基準電圧と比較し、前記第２電圧信号の値が前記第２基準電圧値より大きいと、これを示す信号を出力する第２比較器と、
前記第１比較器と第２比較器の出力と接続され、前記第１比較器と第２比較器の少なくとも１つから前記信号が入力されると、前記遮断器にトリップ信号を出力する論理和（ＯＲ）回路と、から構成されることを特徴とする請求項２に記載の複合型超電導限流器。
【請求項８】
前記第１スイッチは正常閉路接点スイッチであることを特徴とする請求項１に記載の複合型超電導限流器。
【請求項９】
前記第１スイッチは前記超電導体と前記遮断器間の線路上に直列に接続される固定接点と、該固定接点に接触して前記通電線路を通電させる位置と前記第１リアクターからの磁気力により前記固定接点から開離して前記通電線路を遮断する位置とに変位可能な可動接点と、から構成されることを特徴とする請求項１に記載の複合型超電導限流器。
【請求項１０】
通電線路上に直列に接続される超電導体と、
該超電導体に直列に接続され、正常電流の通電時に閉路位置に位置して前記通電線路に電流を通電させ、大電流通電時に開路位置に切替えて通電を遮断する第１スイッチであって、磁気力により前記開路位置に切替可能な第１スイッチと、
大電流通電時に前記超電導体が有するインピーダンスより小さい第１インピーダンスを有して前記超電導体に並列に接続され、大電流通電時に前記超電導体と前記第１スイッチとを介して流れる電流の分流経路を提供し、該分流経路を介して流れる分流電流により磁化されて前記第１スイッチを開路位置に切替える第１リアクターと、
該第１リアクターが構成する前記分流経路に直列に接続され、該第１リアクターが有する第１インピーダンスより大きい第２インピーダンスを有して前記大電流を制限する第２リアクターと、
該第２リアクターに並列に接続されてトリガー信号によりターンオン可能な半導体スイッチと、
前記第１スイッチの前記開路位置への切替え動作に応答して前記半導体スイッチへの前記トリガー信号の提供を中断するトリガー制御器と、
前記通電線路内の前記超電導体と前記第１スイッチ及び前記分流経路の後端に接続され、大電流通電時に回路を遮断するように動作する遮断器と、
前記分流経路を介して流れる電流を検出するために前記分流経路上に接続され、検出した電流量による第１電圧信号を出力する変流器と、
前記超電導体に接続されて該超電導体の電圧による第２電圧信号が入力される第１入力と、前記変流器からの第１電圧信号が入力される第２入力と、を備え、所定の前記第１電圧信号又は第２電圧信号の少なくとも１つがあるとき、前記遮断器にトリップ信号を提供する遮断器トリップ駆動制御器と、から構成されることを特徴とする複合型超電導限流器。
【請求項１】
通電線路上に直列に接続される超電導体と、
該超電導体に直列に接続され、正常電流の通電時に閉路位置に位置して前記通電線路に電流を通電させ、大電流通電時に開路位置に切替えて通電を遮断する第１スイッチであって、磁気力により前記開路位置に切替可能な第１スイッチと、
大電流通電時に前記超電導体が有するインピーダンスより小さい第１インピーダンスを有して前記超電導体に並列に接続され、大電流通電時に前記超電導体と前記第１スイッチとを介して流れる電流の分流経路を提供し、該分流経路を介して流れる分流電流により磁化されて前記第１スイッチを開路位置に切替える第１リアクターと、
該第１リアクターが構成する前記分流経路に直列に接続され、前記第１リアクターが有する第１インピーダンスより大きい第２インピーダンスを有して前記大電流を制限する第２リアクターと、
該第２リアクターに並列に接続されてトリガー信号によりターンオン可能な半導体スイッチと、
前記第１スイッチの前記開路位置への切替え動作に応答して前記半導体スイッチへの前記トリガー信号の提供を中断するトリガー制御器と、を含むことを特徴とする複合型超電導限流器。
【請求項２】
前記通電線路中の前記超電導体と前記第１スイッチ及び前記分流経路の後端に接続され、大電流通電時に回路を遮断するように動作する遮断器と、
前記分流電流を検出するために前記分流経路上に接続され、検出した電流量による第１電圧信号を出力する変流器と、
前記超電導体に接続されて該超電導体の電圧による第２電圧信号が入力される第１入力と、前記変流器からの第１電圧信号が入力される第２入力と、を備え、所定の前記第１電圧信号又は第２電圧信号の少なくとも１つがあるとき、前記遮断器にトリップ信号を提供する遮断器トリップ駆動制御器と、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の複合型超電導限流器。
【請求項３】
前記トリガー制御器は、
光信号を放射する発光部と、前記第１スイッチが閉路位置にある時、前記発光部からの光信号を受信すると、前記半導体スイッチに前記トリガー信号を提供し、前記第１スイッチが開路位置に移動しながら前記光信号を遮断すると、前記半導体スイッチへの前記トリガー信号の提供を中断する受光部を備える光スイッチと、から構成されることを特徴とする請求項１に記載の複合型超電導限流器。
【請求項４】
前記トリガー制御器は、
前記第１スイッチの開路位置の移動経路上に前記第１スイッチの位置に連動するように設置され、該第１スイッチが閉路位置にあるとき、前記半導体スイッチに前記トリガー信号を提供し、前記第１スイッチの開路位置の移動に連動して前記半導体スイッチへの前記トリガー信号の提供を中断するマイクロスイッチから構成されることを特徴とする請求項１に記載の複合型超電導限流器。
【請求項５】
前記半導体スイッチはサイリスタ、トライアック、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ サイリスタ、ＳＳＲ、ＦＥＴ、トランジスタのいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の複合型超電導限流器。
【請求項６】
前記遮断器トリップ駆動制御器は、
前記所定の第１電圧信号又は第２電圧信号の少なくとも１つがあるとき、前記遮断器にトリップ信号を提供する論理和（ＯＲ）回路から構成されることを特徴とする請求項２に記載の複合型超電導限流器。
【請求項７】
前記遮断器トリップ駆動制御器は、
前記第１電圧信号の値を予め決定された第１基準電圧と比較し、前記第１電圧信号の値が前記第１基準電圧値より大きいと、これを示す信号を出力する第１比較器と、
前記第２電圧信号の値を予め決定された第２基準電圧と比較し、前記第２電圧信号の値が前記第２基準電圧値より大きいと、これを示す信号を出力する第２比較器と、
前記第１比較器と第２比較器の出力と接続され、前記第１比較器と第２比較器の少なくとも１つから前記信号が入力されると、前記遮断器にトリップ信号を出力する論理和（ＯＲ）回路と、から構成されることを特徴とする請求項２に記載の複合型超電導限流器。
【請求項８】
前記第１スイッチは正常閉路接点スイッチであることを特徴とする請求項１に記載の複合型超電導限流器。
【請求項９】
前記第１スイッチは前記超電導体と前記遮断器間の線路上に直列に接続される固定接点と、該固定接点に接触して前記通電線路を通電させる位置と前記第１リアクターからの磁気力により前記固定接点から開離して前記通電線路を遮断する位置とに変位可能な可動接点と、から構成されることを特徴とする請求項１に記載の複合型超電導限流器。
【請求項１０】
通電線路上に直列に接続される超電導体と、
該超電導体に直列に接続され、正常電流の通電時に閉路位置に位置して前記通電線路に電流を通電させ、大電流通電時に開路位置に切替えて通電を遮断する第１スイッチであって、磁気力により前記開路位置に切替可能な第１スイッチと、
大電流通電時に前記超電導体が有するインピーダンスより小さい第１インピーダンスを有して前記超電導体に並列に接続され、大電流通電時に前記超電導体と前記第１スイッチとを介して流れる電流の分流経路を提供し、該分流経路を介して流れる分流電流により磁化されて前記第１スイッチを開路位置に切替える第１リアクターと、
該第１リアクターが構成する前記分流経路に直列に接続され、該第１リアクターが有する第１インピーダンスより大きい第２インピーダンスを有して前記大電流を制限する第２リアクターと、
該第２リアクターに並列に接続されてトリガー信号によりターンオン可能な半導体スイッチと、
前記第１スイッチの前記開路位置への切替え動作に応答して前記半導体スイッチへの前記トリガー信号の提供を中断するトリガー制御器と、
前記通電線路内の前記超電導体と前記第１スイッチ及び前記分流経路の後端に接続され、大電流通電時に回路を遮断するように動作する遮断器と、
前記分流経路を介して流れる電流を検出するために前記分流経路上に接続され、検出した電流量による第１電圧信号を出力する変流器と、
前記超電導体に接続されて該超電導体の電圧による第２電圧信号が入力される第１入力と、前記変流器からの第１電圧信号が入力される第２入力と、を備え、所定の前記第１電圧信号又は第２電圧信号の少なくとも１つがあるとき、前記遮断器にトリップ信号を提供する遮断器トリップ駆動制御器と、から構成されることを特徴とする複合型超電導限流器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−４８５８８（Ｐ２００８−４８５８８Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３５５５７４（Ｐ２００６−３５５５７４）
【出願日】平成１８年１２月２８日（２００６．１２．２８）
【出願人】（５９３１２１３７９）エルエス産電株式会社 (221)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２８日（２００６．１２．２８）
【出願人】（５９３１２１３７９）エルエス産電株式会社 (221)
【Ｆターム（参考）】
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