Ｓ／Ｎ転移型限流器
【課題】Ｓ／Ｎ転移型限流器に於いて通常運転時の超電導時において常伝導電極と超電導体との接続部分の電力損失を減少させ、よって系統正常時・待機状態での電力損失を減少させる。
【解決手段】常時は超電導状態に保持されて電力系統間に接続され、事故発生時は超電導状態から常伝導状態への転移に基づく抵抗増大によって電力系統間に流れる故障電流の増加を抑制可能な超電導限流素子１を備えるＳ／Ｎ転移型限流器において、少なくとも超電導状態において超電導体３との接続面１４に６０度〜１２０度の方向から電流を流入させる流入電極４と、超電導体３との接続面１４から６０度〜１２０度の方向に電流を流出させる流出電極５を備えている。
【解決手段】常時は超電導状態に保持されて電力系統間に接続され、事故発生時は超電導状態から常伝導状態への転移に基づく抵抗増大によって電力系統間に流れる故障電流の増加を抑制可能な超電導限流素子１を備えるＳ／Ｎ転移型限流器において、少なくとも超電導状態において超電導体３との接続面１４に６０度〜１２０度の方向から電流を流入させる流入電極４と、超電導体３との接続面１４から６０度〜１２０度の方向に電流を流出させる流出電極５を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導体の超電導（Superconductor）／常伝導（Normal conductor）転移（Ｓ／Ｎ転移）を利用するＳ／Ｎ転移型の限流器に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導体特有のＳ／Ｎ転移を利用した限流器として、Ｓ／Ｎ転移型限流器が知られている。超電導体は超電導状態では電気抵抗がほとんど０であるが、臨界電流値を超えるような電流が流れた場合に超電導体が常伝導状態に転移することによって発生する電気抵抗を利用してこの電流を抑制するものである。そのため、外部に故障検出回路を必要としない受動型の限流器である。
【０００３】
このＳ／Ｎ転移型限流器では、図２５に示すように、薄膜状の超電導体１０１を備える超電導限流素子１０２の両端に板状の常伝導電極１０３を接続し、電流を超電導体１０１に対して平行な方向から流入させると共に、平行な方向に向けて流出させている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】笠原，他 「Ｓ／Ｎ転移型限流器の超電導素子電極における電流分布」，電気学会 基礎・材料部門 パルスパワー研究会 研究会資料，2008.12.26
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のＳ／Ｎ転移型限流器では、超電導時において、流入側の常伝導電極１０３と超電導体１０１との接続部分ではその接続面積を十分に確保しても電流が接続面の手前側の部分（超電導体１０１の端の部分）に集中してしまう。そのため、ジュール損失が大きくなり、電力損失が大きくなる。
【０００６】
本発明は、超電導時において入流側の常伝導電極と超電導体との接続部分の電力損失を減少させることができるＳ／Ｎ転移型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】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、常時は超電導状態に保持されて電力系統間に接続され、事故発生時は超電導状態から常伝導状態への転移に基づく抵抗増大によって電力系統間に流れる故障電流の増加を抑制可能な超電導限流素子を備えるＳ／Ｎ転移型限流器において、少なくとも超電導状態において超電導体との接続面に対して６０度〜１２０度の方向から電流を流入させる流入電極と、超電導限流体との接続面に対して６０度〜１２０度の方向に電流を流出させる流出電極を備えるものである。
【０００８】
ここで、請求項２記載のＳ／Ｎ転移型限流器のように、流入電極及び流出電極は、電力系統側に接続される上面と超電導体に接続される底面とを有し、超電導体との接続面の長さを１とすると高さが１以上の多面体形状であることが好ましい。
【０００９】
また、請求項３のＳ／Ｎ転移型限流器は、超電導限流素子を複数備えており、直列又は並列、あるいは直列及び並列に接続したものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のＳ／Ｎ転移型限流器によれば、超電導体と流入電極又は流出電極との接続部分での電流の集中を防止することができるので、電力損失を抑えることができる。
【００１１】
また、超電導限流素子を複数備え、各超電導限流素子を直列に接続することで電圧の容量を増加させることができ、各超電導限流素子を並列に接続することで電流の容量（臨界電流値）を増加させることができる。また、各超電導限流素子を直列に接続すると共に並列に接続することで、電流及び電圧の容量をともに増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のＳ／Ｎ転移型限流器の実施形態の一例を示し、（Ａ）はその超電導体と常伝導電極との接続部分を示す図、（Ｂ)，(Ｃ）はそれぞれ（Ａ）の矢印対応部分の拡大図である。
【図２】１つの超電導限流素子からなるＳ／Ｎ転移型限流器を示す概念図である。
【図３】本発明のＳ／Ｎ転移型限流器の等価回路図である。
【図４】複数の超電導限流素子からなるＳ／Ｎ転移型限流器を示す概念図である。
【図５】限流素子ユニットを示す正面図である。
【図６】限流素子ユニットをソケットに接続した様子を示し、（Ａ）はその側面図、（Ｂ）はその正面図である。
【図７】限流素子・Ｃｕ電極の解析モデル形状を示す図である。
【図８】７７ＫにおけるＣｕ電極の電位分布を示す図である。
【図９】７７ＫにおけるＣｕ電極の電流密度分布を示し、（Ａ）はＣｕ電極での電流密度分布を示す図、（Ｂ）はＣｕ電極端部、Ｉｎ接続部での電流密度ベクトル分布を示す図である。
【図１０】７７ＫにおけるＣｕ電極とＩｎ接触部分の電流密度を示す図である。
【図１１】３００ＫにおけるＣｕ電極の電位分布を示す図である。
【図１２】３００ＫにおけるＣｕ電極の電流密度分布を示し、（Ａ）はＣｕ電極、Ｉｎ、Ａｇの接続部での電流密度ベクトル分布を示す図、（Ｂ）はＩｎとＡｇ蒸着膜の接続部での電流密度ベクトル分布を示す図である。
【図１３】３００ＫにおけるＣｕ電極とＩｎ接触部分の電流密度を示す図である。
【図１４】Ａｇ蒸着膜端部の電流密度分布（３００Ｋ）を示し、（Ａ）はＡｇ蒸着膜端部の拡大図、（Ｂ）はＡｇ蒸着膜端部での要素を示す図、（Ｃ）は（Ｂ）のＡ−Ｂ要素間の電流密度を示す図、（Ｄ）は（Ｂ）のＢ−Ｃ要素間の電流密度分布を示す図である。
【図１５】電極形状を示し、（Ａ）は厚みが薄い（高さが低い）Ｃｕ電極を示す正面図、（Ｂ）は接触部（接続部）が短いＣｕ電極を示す正面図、（Ｃ）は先端が削られたＣｕ電極を示す正面図、（Ｄ）はくびれ形状のＣｕ電極を示す正面図、（Ｅ）は立方体形状のＣｕ電極を示す正面図である。
【図１６】厚みが薄い（高さが低い）Ｃｕ電極の解析結果（７７Ｋ）を示し、（Ａ）は電位分布を示す図、（Ｂ）は電流密度分布を示す図である。
【図１７】示す図、（Ｂ）は電流密度分布を示す図である。
【図１８】先端が削られたＣｕ電極の解析結果（７７Ｋ）を示し、（Ａ）は電位分布を示す図、（Ｂ）は電流密度分布を示す図である。
【図１９】くびれ形状のＣｕ電極の解析結果（７７Ｋ）を示し、（Ａ）は電位分布を示す図、（Ｂ）は電流密度分布を示す図、（Ｃ）はＩｎ部分の電流密度分布を示す図である。
【図２０】立方体形状のＣｕ電極に垂直方向に通電した場合の解析結果（７７Ｋ）を示し、（Ａ）は電位分布を示す図、（Ｂ）は電流密度分布を示す図、（Ｃ）は電流密度分布を示す図、（Ｄ）は限流素子の電流密度分布を示す図である。
【図２１】７７ＫにおけるＡｇ蒸着膜および超電導体に流れ込む電流密度解析点を示す図である。
【図２２】流入電極及び流出電極の第１の変形例を示し、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は平面図である。
【図２３】流入電極及び流出電極の第２の変形例を示し、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は平面図である。
【図２４】流入電極及び流出電極の第３の変形例を示し、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は平面図である。
【図２５】従来のＳ／Ｎ転移型限流器の超電導体と常伝導電極との接続部分を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の構成を図面に示す形態に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１及び図２に本発明のＳ／Ｎ転移型限流器の実施形態の一例を示す。なお、図１において（Ｂ)，(Ｃ）はそれぞれ（Ａ）の対応部分を拡大した図である。Ｓ／Ｎ転移型限流器（以下、単に限流器という）は、常時は超電導状態に保持されて電力系統間に接続され、事故発生時は超電導状態から常伝導状態への転移に基づく抵抗増大によって電力系統間に流れる故障電流の増加を抑制可能な超電導限流素子１を備えている。
【００１５】
超電導限流素子１は、例えば基板２上に薄膜状の超電導体３を成膜したもので、超電導体３の材料としては、例えばイットリュウム系銅酸化物（ＹＢＣＯ：ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７）である。ただし、超電導体３の材料としては、必ずしもＹＢＣＯに限るものではなく、例えばＢｉ２Ｓｒ２Ｃｕ２Ｏ３やＢｉ２Ｓｒ２ＣｕＯ２系の超電導体、金属系の低温超電導体等の使用も可能である。また、薄膜状の超電導体３に限るものではなく、例えばテープ状、線状等の超電導体３でも良い。基板２は絶縁性のものであれば使用可能であり、例えばサファイア基板である。ただし、必ずしもサファイア基板に限るものではなく、例えばチタン酸ストロンチウムや酸化マグネシウムなどの酸化物基板等でも良い。
【００１６】
本実施形態では、超電導限流素子１は細長い長方形の板状を成している。ただし、超電導限流素子１の形状は、必ずしも長方形に限るものではなく、その他の形状でも良い。
【００１７】
超電導体３の表面には保護膜１１が設けられている。本実施形態では超電導体３の表面の両端に保護膜１１を設け、超電導体３の表面を保護すると共に、後述する流入電極４及び流出電極５との接着を良好にしている。保護膜１１は例えば流入電極４及び流出電極５を接着する接着材６との相性を考慮して決定される。本実施形態の保護膜１１はＡｇの蒸着膜である。ただし、Ａｇ蒸着膜に限るものではなく、例えばＡｕ蒸着膜、Ａｕ−Ａｇ合金の蒸着膜等でも良い。保護膜１１は流入電極４及び流出電極５を接着する位置よりも若干広い位置に設けられている。ただし、保護膜１１を設けなくても超電導体３と流入電極４及び流出電極５との接着を良好に行うことが可能な場合等には保護膜１１を設けなくても良い。
【００１８】
超電導体３の両端には、常伝導電極である流入電極４と流出電極５が接続されている。流入電極４及び流出電極５は、例えば銅電極である。ただし、流入電極４及び流出電極５の材料は必ずしも銅に限るものではなく、例えば、アルミニウム等でも良い。
【００１９】
少なくとも超電導限流素子１の超電導状態において、流入電極４は超電導体３との接続面１４に対して６０度〜１２０度の方向から電流を流入させるものであり、流出電極５は超電導体３との接続面１４に対して６０度〜１２０度の方向に電流を流出させるものである。電流の方向（角度θ）を接続面１４に対して６０度〜１２０度とすることで、電流の部分的な集中を抑制し、接続面１４に対して電流を広く分散させることができる。なお、角度θを６０度〜１２０度にすれば接続面１４に対して電流を分散させてジュール損失を減少させるという効果を十分に得ることはできるが、角度θを８０度〜１００度にすることで電流をより分散させてジュール損失をより減少させることができることから角度θを８０度〜１００度とすることが好ましい。さらに、角度θを９０度、即ち接続面１４に対して垂直方向にすることで電流を更に分散させてジュール損失を更に減少させることができることから角度θを９０度又はほぼ９０度にすることが最も好ましい。本実施形態では流入電極４は超電導体３との接続面１４にその垂直方向（θ＝９０度）から電流を流入させるものであり、流出電極５は超電導体３との接続面１４からその垂直方向 （θ＝９０度）に電流を流出させるようにしている。
【００２０】
ここで、流入電極４及び流出電極５としては、超電導体３との接続面１４に対して上述の方向に電流を流入又は流出させるものであれば特にその形状や大きさは制限されるものではないが、本実施形態では流入電極４及び流出電極５として、接続面１４の長さ（図１の左右方向の寸法）を１とすると高さ（図１の上下方向の寸法：厚み）が１以上の直方体形状（立方体形状を含む）の電極を使用している。流入電極４及び流出電極５を当該形状にすることで、超電導体３との接続面１４に対して垂直又は垂直に近い方向に電流を流入又は流出させることが可能であり、少なくとも６０度〜１２０度の方向に電流を流入又は流出させることは可能である。なお、流入電極４及び流出電極５の幅（図１の紙面に対して垂直方向の寸法）は、電流の流れる方向に対して影響を与えないことから、接続面１４の面積を確保できるように決定される。
【００２１】
ただし、流入電極４及び流出電極５の形状は、必ずしも上述の直方体形状に限るものではなく、電力系統側に接続される上面４ａ，５ａと超電導体３に接続される底面４ｂ，５ｂ（接続面１４）とを有し、超電導体３との接続面１４の長さ（Ｌ）を１とすると高さ（Ｈ）が１以上の多面体形状であれば良い。例えば、側面が平行四辺形、上面，底面，前後面が長方形又は正方形の六面体形状（図２２）、円柱形状（図２３）、楕円柱形状（図２４）、三角柱形状、五角柱形状、等でも良い。これらの場合にも、接続面１４に対して電流を分散させることができる。
【００２２】
本実施形態では、流入電極４と流出電極５として同じ形状のものを使用している。ただし、流入電極４と流出電極５として異なった形状のものを使用しても良い。
【００２３】
流入電極４及び流出電極５を流れる電流の方向は、例えば市販の装置類を使用して解析可能である。例えば、市販の電磁界解析ソフトウェア（例えば株式会社ＪＳＯＬ製、JMAG-Studio9.0）を使用して解析可能である。解析結果に基づいて各電極４，５を設計する。
【００２４】
超電導体３と流入電極４及び流出電極５は接着材６によって接着されている。本実施形態では、接着材６としてインジウムが使用されている。即ち、インジウム板６を超電導体３と流入電極４又は流出電極５との間に挟み込んで常温で加圧し、インジウム板６を潰すようにして圧着する。インジウム板６の粘性によって超電導体３と流入電極４又は流出電極５とが接着される。熱をかけずに接着できるので、超電導体３の劣化を防止することができる。
【００２５】
図３に示すように、流入電極４は電力系統１３の発電所側に接続され、流出電極５は電力系統１３の電力消費地側に接続されている。１つの超電導限流素子１から限流器１２を構成しても良いが、複数の超電導限流素子１から限流器１２を構成しても良い（図４）。
【００２６】
流入電極４は超電導体３へと流れる電流を接続面１４に対して垂直方向に流入させるので、電流は接続面１４に対して広く分散しながら流れ、特定の部位への集中を抑制することができる（図１の矢印参照）。したがって、流入電極４と超電導体３との接続部分におけるジュール損失が減少し、電力損失を減少させることができる。
【００２７】
また同様に、流出電極５は超電導体３から流出した電流を接続面１４に対して垂直方向に流すので、電流は接続面１４に対して広く分散し、特定の部位への集中を抑制することができる。したがって、流出電極５と超電導体３との接続部分におけるジュール損失が減少し、電力損失を減少させることができる。
【００２８】
複数の超電導限流素子１をユニット化しても良い。複数の超電導限流素子１をユニット化した限流素子ユニット７を図５及び図６に示す。本実施形態では、例えば８枚の超電導限流素子１をパイプ状に組み付けてユニット化している。本実施形態では、横断面形状が８角形のパイプ１０の外周面に超電導限流素子１を固着させることで、各超電導限流素子１をパイプ状に組み付けている。組み付けにパイプ１０を使用することで、組み付けが容易になると共に、ユニットとしての剛性を確保することができ、また、内側に冷媒を循環させることが容易になる。ただし、超電導限流素子１を組み付ける数は８枚に限るものではなく、その他の枚数でも良い。また、パイプ１０の各周面の全てに超電導限流素子１を固着させても良いが、全ての周面に固着させなくても良い。また、組み付けにパイプ１０を使用しなくても良い。さらに、各超電導限流素子１を必ずしもパイプ状に組み付ける必要はなく、例えば同一平面上に複数の超電導限流素子１を並べるように組み付けても良く、その他でも良い。
【００２９】
各超電導限流素子１の流入電極４及び流出電極５は環状に並べられており、各電極４，５の上面に環状の集合電極（常伝導電極）８，８が巻回されている。集合電極８は、線状の導電体をコイル状に巻回したものでも良いし、板状の導電体を巻回したものでも良く、あるいはその他でも良い。集合電極８によって複数の超電導限流素子１を束ねることで複数の超電導限流素子１が並列に接続され、電流容量（臨界電流値）を増加させることができる。
【００３０】
超電導限流素子１は集合電極８を巻き締めることによってパイプ１０の周面に固定される。即ち、集合電極８を超電導限流素子１を固定するベルトとして利用している。この様にすることで、温度変化による膨張・収縮が生じても超電導限流素子１の固定を維持することができると共に、繰り返しの着脱が可能となって超電導限流素子１やパイプ１０等の繰り返しの使用が可能になる。ただし、超電導限流素子１をパイプ１０に固定する手段としては集合電極８のベルト利用に限るものではなく、例えばインジウム等の柔らかい金属を接着材として使用したり、極低温用の接着材や樹脂等を使用しても良い。また、超電導限流素子１をパイプ１０に対して着脱可能にしなくても良い。
【００３１】
限流素子ユニット７は、例えばソケット９に接続されて使用される。ソケット９には１対の接続電極（常伝導電極）９ａ，９ａが設けられており、各電極９ａに限流素子ユニット７の集合電極８を嵌め込むことで、限流素子ユニット７が回路に接続される。
【００３２】
限流素子ユニット７の冷却は、限流素子ユニット７全体を図示しない冷媒中に沈めるようにしても良いし、限流素子ユニット７内即ちパイプ１０内に冷媒を循環させるようにしても良い。限流素子ユニット７内に冷媒を循環させる場合には、冷媒の循環量を調節することで超電導体３の冷却をコントロールすることが可能である。また、この場合には、基板２を冷却することで超電導体３を冷却するので、液体の冷媒が蒸発した気体層によって超電導体３の表面が覆われて断熱されることがないので、冷却をより良好に行うことができる。
【００３３】
複数のソケット９を直列及び並列に接続することで、複数の超電導限流素子１を直列及び並列に接続することができる。これにより、複数の超電導限流素子１が直列及び並列に接続される。複数の超電導限流素子１を直列に接続することで電圧の容量を増加させることができる。また、複数の超電導限流素子１を並列に接続することで電流の容量を増加させることができる。本実施形態では、直列及び並列に接続しているので、電圧の容量と電流の容量をともに増加させることができる。ただし、必ずしも直列と並列の両接続にする必要はなく、直列又は並列の接続にしても良い。つまり、限流器として必要な電圧，電流の容量になるように必要数の超電導限流素子１を接続すれば良い。
【００３４】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００３５】
例えば、上述の説明では、超電導体３の流入電極４及び流出電極５の接続位置及びその近傍に保護膜１１を設けていたが、保護膜１１を設ける位置はこれに限るものではなく、例えば超電導体３の表面全体に保護膜１１を設けても良い。超電導体３の表面全体に保護膜１１を設ける場合には、上述のように電極４，５の接着を良好にする機能（電気的接触）に加えて、超電導体３を外気による浸食から保護する機能（保護機能）、常伝導転移時に電流の一部を保護膜１１に分流させて超電導体３の急激な温度上昇を抑制する機能（安定化材機能）を発揮させることができる。
【実施例１】
【００３６】
電磁界解析ソフト(JMAG-Studio9.0)を用いた電磁界解析を行い、本発明によって超電導体３と流入電極４との接続面１４において電流の集中を抑制できることを確認するための実験を行った。なお、実験は流入電極４のみについて行い、電流の流れる方向が逆である流出電極５については行っていないが、電流の流れる方向が逆であっても接続面１４に対する電流の集中・分散については同様に考えられるので、流出電極５についても同様である。
【００３７】
（解析条件）
限流素子とＣｕ電極について、有限要素法・境界要素法を組み合わせた２次元電磁界解析を行った。解析形状は図７の形状を想定した。図７の部材と本発明の部材の対応は、Ｙ系超電導膜（ＹＢＣＯ薄膜）：超電導体３、Ｃｕ電極：流入電極４、Ａｇ蒸着膜（Ａｇ膜）：保護膜１１、サファイア基板：基板２、Ｉｎハンダ：接着材６である。また、Ｘ方向：長さ方向、Ｙ方向：厚み（高さ）方向、Ｚ方向：幅方向である。このモデル素子の臨界電流値は７０〜８０Ａとされている。節点数７３９０、要素数３３９５を基本として計算した。要素分割の妥当性を検討するため、特に電流が集中するＡｇ蒸着膜の端部を中心にＸ軸方向（電流が流れる方向＝図７の電流が流れる方向）に対し１０倍の密度でメッシュ分割して解析したが、解析結果に変化はなかった。サファイア基板は電流が流れないためモデル化していない。境界条件として、Ｃｕ電極の左端に０Ｖの電位を、通電電流を臨界電流値と同じ８０Ａとなるように、電流密度を設定した。なお、２次元解析ではあるが、モデルは奥行き（幅）１ｍｍの３次元モデルとして解析している。
【００３８】
導電率は表１の値を用いた。ここで計算を収束させるために、超電導体の導電率を有限の値とした。また７７Ｋにおいて超電導体との導電率の比を大きくするために、Ａｇ、Ｉｎ、Ｃｕにおいて導電率を３桁小さくしている。
【００３９】
【表１】
【００４０】
なお、常伝導転移後の解析については、全体が発熱し、３００Ｋで平衡した状態を仮定している。厳密に考えると、冷却と発熱から温度勾配が存在し、その温度により各部の導電率が変化しているはずであるが、ここでは常伝導時の傾向を掴むことを目的として３００Ｋ平衡した時を仮定した解析を行った。
【００４１】
（解析結果）
（超電導状態における電流分布）
図８にＣｕ電極部分を拡大した、７７Ｋの超電導状態における電位分布を示す。超電導体は導電率が良いため電位勾配は発生せず、全体を見ると電位差は常伝導体であるＣｕ電極部で生じている。
【００４２】
図９に同じ部分の電流密度のベクトル表示を示す。７７ＫにおいてはＣｕ電極とＩｎハンダが最初に接した点の電流密度ベクトルが一番大きく、電流はそこに集中して流れていることがわかる。また図９（Ｂ）より電流はＣｕ電極から超電導体（超電導体３）への最短距離を流れ、Ａｇ蒸着膜やＩｎハンダの部分では左端の最短部を通過するのみである。図１０にＩｎハンダ上面での横方向（Ｘ軸方向）の各位置での電流密度を示す。このようにＣｕ電極とＩｎハンダが接した部分では、電流は電極部の約１／３でほとんどが超電導体に流れており、Ｃｕ電極の右の部分はほとんど電流が流れていないことを示している。
【００４３】
このケースで電極部下部のＩｎハンダにおけるジュール損失を計算したところ０．４２３Ｗであった。
【００４４】
（３００Ｋにおける電流分布）
図１１にモデル全体が３００Ｋの温度へ移行した場合の全体の電位分布を示す。３００Ｋにおける超電導体はＣｕ電極やＡｇ蒸着膜と比べて１桁大きな抵抗率を持つため、電位勾配はこの超電導体でつくことになる。
【００４５】
図１２に図９と同じＣｕ電極付近の電流密度のベクトル表示を示す。７７Ｋの時と違い電流はＣｕ電極の右端に集中している。特に図１２（Ｂ）に示すように大きな電流密度ベクトルが表示されている。このことは、電流は電気抵抗が一番小さくなる経路を選択するため、３００Ｋにおいて一番導電率の大きいＡｇ蒸着膜とＣｕ電極の部分を結んだ最短のラインに集中して流れることによる。これにより電流はまずＣｕ電極を流れ右端に集中し最短距離でＡｇ蒸着膜に流れている。この電流の集中は限流素子（超電導限流素子１）全体が完全に常伝導転移した後はＣｕ電極の長さは関係がないことを示している。
【００４６】
図１３にＩｎハンダ上面での横方向（Ｘ軸方向）の各位置での電流密度を示す。このようにＣｕ電極とＩｎハンダが接した部分では、Ｉｎハンダの右端に電流の集中があり、Ｃｕ電極の中央部分ではＩｎハンダへは、ほとんど電流が流れていないことがわかる。
【００４７】
ＹＢＣＯ薄膜にＡｇ蒸着膜を蒸着した端部（図７における右上丸囲み部分）における電流密度分布を図１４に示す。図１４（Ａ）はＡｇ蒸着膜の端部の拡大図であり、これを図１４（Ｂ）に端部両側の要素を示す。このＡ−Ｂ間の要素に於ける電流密度の大きさは図１４（Ｃ）のようになり、電流は導電率に厚さを乗じた抵抗値に反比例して流れている。このすぐ右のＡｇ蒸着膜のないＢ−Ｃ間の要素に於ける電流密度の値を図１４（Ｄ）に示す。このように厚さ方向に均一に電流が流れている。これよりＡｇ蒸着膜端部において、Ａｇ蒸着膜からＹＢＣＯ薄膜への電流の転流はＡ−Ｂ間、Ｂ−Ｃ間ともに厚み方向の電流密度の差がないため、この区間でスムーズに分流されていることがわかる。
【００４８】
このように常伝導転移後、全体が３００Ｋに昇温した場合の解析については、Ｉｎハンダ部分、Ａｇ蒸着膜端部での電流集中より導電率が１桁低い超電導体で全体の９割以上の発熱が発生するため、損失（発熱）は超電導体が中心となり、電流集中により超電導体が破壊されることは無いと考えられる。
【００４９】
（電極構造を変化させたときの電流分布）
図１５のように、（Ａ）Ｃｕ電極の厚さを１／３にしたもの、（Ｂ）Ｃｕ電極の接触部を１／４にしたもの、（ｃ）Ｃｕ電極の先端を削ったもの、（ｄ）電極にくびれを持たせ電流の均一化を図ったもの、（ｅ）立方体形状（２次元解析であるため幅を考慮したものではないが、長さと高さを同寸法にしているので、ここでは電流の流れる方向に対して影響しない幅については考慮せずにあえて立方体形状という）で上面より電流を通電したものについて解析を行った。評価の方法としては電流の集中によりジュール損失が電流値の二乗で増加することに着目し、いずれのケースでも使用量がほぼ同じＩｎ部分で発生するジュール損失で比較した。
【００５０】
３００Ｋにおいては、Ａｇ蒸着膜およびＹＢＣＯ薄膜の電位分布はいずれの電極形状でも図１１に示したものとほぼ同じである。これは超電導体の導電率がＡｇ蒸着膜に比べて１桁ほど小さいことによる。発生するジュール損失も超電導体部が他の部分より４桁以上大きいため、いずれの電極形状でもジュール損失はＹＢＣＯ薄膜での値が問題となる。
【００５１】
以下は７７Ｋでの解析結果を述べる。
【００５２】
７７Ｋにおいて、図７でのＩｎハンダ部分でのジュール損失は、約０．４２３Ｗであった。
【００５３】
図１６（Ａ）に図１５（Ａ）の電極厚みを１／３にしたときの電位分布を、図１６（Ｂ）に電極付近の電流密度分布を示す。電極厚みが減ったため抵抗が大きくなり電位勾配がＣｕ電極部で大きく出ている。電流も電極接続部の左側に集中している。このときＩｎハンダ部分でのジュール損失は０．９３８Ｗと図１６（Ａ）の時と比べて約２倍の損失が発生する。これは、図９（Ａ）と図１６（Ｂ）の電流密度の分布を見ればわかるように、図１６（ｂ）の方がＩｎハンダでの電流集中が大きいため、このような差が発生するものと思われる。
【００５４】
図１７（Ａ）に図１５（Ｂ）の電極接続長を１／４にしたときの電位分布を、図１７（Ｂ）に電極付近の電流密度分布を示す。電流密度ベクトルの様子は、図９とほぼ同様であり、接続部の長さは短くしてもあまり影響はないと言える。このときＩｎハンダでのジュール損失は１．０９９Ｗと図９（Ａ）の時の約２．６倍になっている。
【００５５】
図１８（Ａ）に図１５（Ｃ）の電極先端部を削ったときの電位分布を、図１８（Ｂ）に電極付近の電流密度分布を示す。いずれも図８と図９と同様であり電極を削った事によるデメリットは見られない。このときＩｎハンダ部分でのジュール損失も０．４９０Ｗと図９（Ａ）の時とほぼ同等であり、この形状であれば、通常のＣｕ電極に比べ材料を３／４に削って同等の性能が得られることを示している。
【００５６】
図１９（Ａ）に図１５（Ｄ）に示すくびれた形状の電極に通電したときの電位分布を、図１９（Ｂ）にＣｕ電極付近の電流密度分布を、そして図１９（Ｃ）にはＩｎハンダ部分のみでの電流密度分布を示す。Ｃｕ電極のくびれにより電流が長手方向に分散したことにより、Ｉｎハンダ部分ではほぼ均一に電流が分散して流れている。また、このときのＩｎハンダ部分でのジュール損失は０．３４８Ｗと電流分散化の効果が現れている。
【００５７】
図１５（Ｄ）の形状から、垂直方向に通電した場合に、電流が拡散して流れることが期待された。そこで図１５（Ｅ）のように、立方体形状のＣｕ電極に上部から電流が流れるようにしたときの解析結果を示す。図２０（Ａ）が電位分布で、図２０（Ｂ）がＣｕ電極付近の電流密度分布である。また図２０（Ｃ）はＣｕ電極とＩｎハンダが接触した部分における電流密度分布である。期待通りにＩｎハンダ部分で分散して超電導体に電流が流れている。この時、素子全体の電流密度分布を図２０（Ｄ）に示す。電流はＣｕ電極付近でＡｇ蒸着膜から超電導体に流れ込んでいる。このケースでのＩｎハンダ部分でのジュール損失は０．２５９Ｗと図９（Ａ）の時と比べて６割程度に抑えられている。
【００５８】
Ｉｎ部分でのＣｕ電極形状による損失値を表２（電極形状による７７ＫでのＩｎハンダ部分でのジュール損失の変化）に示す。
【００５９】
【表２】
【００６０】
図１５（Ｅ）の形状で７７ＫにおけるＡｇ蒸着膜および超電導体に流れ込む電流密度を求めた。図２１に示す６点について電流密度を表３（図２１における各要素での電流密度［Ａ／ｍ２］）に示す。Ｉｎハンダ部分では端部を除いてＢ節点〜Ｄ節点の両側でほぼ均一な電流密度となっている。同様にＡｇ蒸着膜でもＩｎハンダに接する部分では、均一の電流密度でＹＢＣＯ薄膜に電流が流れ込んでいる。Ａｇ蒸着膜ではＦ節点とＧ節点と電流密度は減少しているが、ＹＢＣＯ薄膜を流れる電流に比べて４桁ほど小さい変化なので無視できる。ＹＢＣＯ薄膜に流れる電流値はＥ点より右側ではほとんど変化しない。ＹＢＣＯ薄膜の電流密度はＡ節点からＤ節点まで電流密度が少しずつ高くなっているが、Ｅ節点より右ではほぼ均一になっている。Ｂ節点とＨ節点の電流密度を比較すると４倍くらいの上昇でしかない。
【００６１】
【表３】
【００６２】
また、Ｉｎ、Ａｇ、ＹＢＣＯいずれの部分でも厚み方向に電流密度の変化はなく、均一に流れている。
【００６３】
（結論）
以上のように、限流素子のＣｕ電極部における電流分布を、超電導状態と常伝導状態において解析した。その結果、超電導体との接続面にその垂直方向から電流を流入させるＣｕ電極の構造では、超電導体への電流が接続面にほぼ均一に流れ込み、電極下部のＩｎ部分のジュール損失で比較した場合でもこれまでの構造と比較して約６割に抑えられることがわかった。即ち、本発明の有効性が確認できた。
【００６４】
また、Ｃｕ電極の形状を立方体形状とすることで、超電導体との接続面にその垂直方向から電流を流入させることができることも確認できた。一般的にＣｕ電極の形状はその高さが高い直方体形状の方が立方体形状よりも電流の流れる方向を超電導体との接続面に対して垂直方向にし易いので、Ｃｕ電極の形状を、接続面の長さを１とすると高さが１以上の直方体形状とした場合も当然に、超電導体との接続面にその垂直方向から電流を流入させることができる。
【００６５】
なお、常伝導転移後、３００Ｋで温度平衡した場合を想定した解析を行った結果、導電率が１桁低い超電導体で全体の９割以上の発熱が発生し、主な電位勾配は超電導膜部で生じる。Ｃｕ電極から超電導体へは１点に集中して流れ込むものの、損失としては超電導体のジュール損失が２桁大きいため、完全な常伝導転移後については電流集中によるＣｕ電極部の破損は考慮しなくても良い。
【符号の説明】
【００６６】
１ 超電導限流素子
３ 超電導体
４ 流入電極
５ 流出電極
１４ 接続面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導体の超電導（Superconductor）／常伝導（Normal conductor）転移（Ｓ／Ｎ転移）を利用するＳ／Ｎ転移型の限流器に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導体特有のＳ／Ｎ転移を利用した限流器として、Ｓ／Ｎ転移型限流器が知られている。超電導体は超電導状態では電気抵抗がほとんど０であるが、臨界電流値を超えるような電流が流れた場合に超電導体が常伝導状態に転移することによって発生する電気抵抗を利用してこの電流を抑制するものである。そのため、外部に故障検出回路を必要としない受動型の限流器である。
【０００３】
このＳ／Ｎ転移型限流器では、図２５に示すように、薄膜状の超電導体１０１を備える超電導限流素子１０２の両端に板状の常伝導電極１０３を接続し、電流を超電導体１０１に対して平行な方向から流入させると共に、平行な方向に向けて流出させている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】笠原，他 「Ｓ／Ｎ転移型限流器の超電導素子電極における電流分布」，電気学会 基礎・材料部門 パルスパワー研究会 研究会資料，2008.12.26
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のＳ／Ｎ転移型限流器では、超電導時において、流入側の常伝導電極１０３と超電導体１０１との接続部分ではその接続面積を十分に確保しても電流が接続面の手前側の部分（超電導体１０１の端の部分）に集中してしまう。そのため、ジュール損失が大きくなり、電力損失が大きくなる。
【０００６】
本発明は、超電導時において入流側の常伝導電極と超電導体との接続部分の電力損失を減少させることができるＳ／Ｎ転移型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】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、常時は超電導状態に保持されて電力系統間に接続され、事故発生時は超電導状態から常伝導状態への転移に基づく抵抗増大によって電力系統間に流れる故障電流の増加を抑制可能な超電導限流素子を備えるＳ／Ｎ転移型限流器において、少なくとも超電導状態において超電導体との接続面に対して６０度〜１２０度の方向から電流を流入させる流入電極と、超電導限流体との接続面に対して６０度〜１２０度の方向に電流を流出させる流出電極を備えるものである。
【０００８】
ここで、請求項２記載のＳ／Ｎ転移型限流器のように、流入電極及び流出電極は、電力系統側に接続される上面と超電導体に接続される底面とを有し、超電導体との接続面の長さを１とすると高さが１以上の多面体形状であることが好ましい。
【０００９】
また、請求項３のＳ／Ｎ転移型限流器は、超電導限流素子を複数備えており、直列又は並列、あるいは直列及び並列に接続したものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のＳ／Ｎ転移型限流器によれば、超電導体と流入電極又は流出電極との接続部分での電流の集中を防止することができるので、電力損失を抑えることができる。
【００１１】
また、超電導限流素子を複数備え、各超電導限流素子を直列に接続することで電圧の容量を増加させることができ、各超電導限流素子を並列に接続することで電流の容量（臨界電流値）を増加させることができる。また、各超電導限流素子を直列に接続すると共に並列に接続することで、電流及び電圧の容量をともに増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のＳ／Ｎ転移型限流器の実施形態の一例を示し、（Ａ）はその超電導体と常伝導電極との接続部分を示す図、（Ｂ)，(Ｃ）はそれぞれ（Ａ）の矢印対応部分の拡大図である。
【図２】１つの超電導限流素子からなるＳ／Ｎ転移型限流器を示す概念図である。
【図３】本発明のＳ／Ｎ転移型限流器の等価回路図である。
【図４】複数の超電導限流素子からなるＳ／Ｎ転移型限流器を示す概念図である。
【図５】限流素子ユニットを示す正面図である。
【図６】限流素子ユニットをソケットに接続した様子を示し、（Ａ）はその側面図、（Ｂ）はその正面図である。
【図７】限流素子・Ｃｕ電極の解析モデル形状を示す図である。
【図８】７７ＫにおけるＣｕ電極の電位分布を示す図である。
【図９】７７ＫにおけるＣｕ電極の電流密度分布を示し、（Ａ）はＣｕ電極での電流密度分布を示す図、（Ｂ）はＣｕ電極端部、Ｉｎ接続部での電流密度ベクトル分布を示す図である。
【図１０】７７ＫにおけるＣｕ電極とＩｎ接触部分の電流密度を示す図である。
【図１１】３００ＫにおけるＣｕ電極の電位分布を示す図である。
【図１２】３００ＫにおけるＣｕ電極の電流密度分布を示し、（Ａ）はＣｕ電極、Ｉｎ、Ａｇの接続部での電流密度ベクトル分布を示す図、（Ｂ）はＩｎとＡｇ蒸着膜の接続部での電流密度ベクトル分布を示す図である。
【図１３】３００ＫにおけるＣｕ電極とＩｎ接触部分の電流密度を示す図である。
【図１４】Ａｇ蒸着膜端部の電流密度分布（３００Ｋ）を示し、（Ａ）はＡｇ蒸着膜端部の拡大図、（Ｂ）はＡｇ蒸着膜端部での要素を示す図、（Ｃ）は（Ｂ）のＡ−Ｂ要素間の電流密度を示す図、（Ｄ）は（Ｂ）のＢ−Ｃ要素間の電流密度分布を示す図である。
【図１５】電極形状を示し、（Ａ）は厚みが薄い（高さが低い）Ｃｕ電極を示す正面図、（Ｂ）は接触部（接続部）が短いＣｕ電極を示す正面図、（Ｃ）は先端が削られたＣｕ電極を示す正面図、（Ｄ）はくびれ形状のＣｕ電極を示す正面図、（Ｅ）は立方体形状のＣｕ電極を示す正面図である。
【図１６】厚みが薄い（高さが低い）Ｃｕ電極の解析結果（７７Ｋ）を示し、（Ａ）は電位分布を示す図、（Ｂ）は電流密度分布を示す図である。
【図１７】示す図、（Ｂ）は電流密度分布を示す図である。
【図１８】先端が削られたＣｕ電極の解析結果（７７Ｋ）を示し、（Ａ）は電位分布を示す図、（Ｂ）は電流密度分布を示す図である。
【図１９】くびれ形状のＣｕ電極の解析結果（７７Ｋ）を示し、（Ａ）は電位分布を示す図、（Ｂ）は電流密度分布を示す図、（Ｃ）はＩｎ部分の電流密度分布を示す図である。
【図２０】立方体形状のＣｕ電極に垂直方向に通電した場合の解析結果（７７Ｋ）を示し、（Ａ）は電位分布を示す図、（Ｂ）は電流密度分布を示す図、（Ｃ）は電流密度分布を示す図、（Ｄ）は限流素子の電流密度分布を示す図である。
【図２１】７７ＫにおけるＡｇ蒸着膜および超電導体に流れ込む電流密度解析点を示す図である。
【図２２】流入電極及び流出電極の第１の変形例を示し、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は平面図である。
【図２３】流入電極及び流出電極の第２の変形例を示し、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は平面図である。
【図２４】流入電極及び流出電極の第３の変形例を示し、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は平面図である。
【図２５】従来のＳ／Ｎ転移型限流器の超電導体と常伝導電極との接続部分を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の構成を図面に示す形態に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１及び図２に本発明のＳ／Ｎ転移型限流器の実施形態の一例を示す。なお、図１において（Ｂ)，(Ｃ）はそれぞれ（Ａ）の対応部分を拡大した図である。Ｓ／Ｎ転移型限流器（以下、単に限流器という）は、常時は超電導状態に保持されて電力系統間に接続され、事故発生時は超電導状態から常伝導状態への転移に基づく抵抗増大によって電力系統間に流れる故障電流の増加を抑制可能な超電導限流素子１を備えている。
【００１５】
超電導限流素子１は、例えば基板２上に薄膜状の超電導体３を成膜したもので、超電導体３の材料としては、例えばイットリュウム系銅酸化物（ＹＢＣＯ：ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７）である。ただし、超電導体３の材料としては、必ずしもＹＢＣＯに限るものではなく、例えばＢｉ２Ｓｒ２Ｃｕ２Ｏ３やＢｉ２Ｓｒ２ＣｕＯ２系の超電導体、金属系の低温超電導体等の使用も可能である。また、薄膜状の超電導体３に限るものではなく、例えばテープ状、線状等の超電導体３でも良い。基板２は絶縁性のものであれば使用可能であり、例えばサファイア基板である。ただし、必ずしもサファイア基板に限るものではなく、例えばチタン酸ストロンチウムや酸化マグネシウムなどの酸化物基板等でも良い。
【００１６】
本実施形態では、超電導限流素子１は細長い長方形の板状を成している。ただし、超電導限流素子１の形状は、必ずしも長方形に限るものではなく、その他の形状でも良い。
【００１７】
超電導体３の表面には保護膜１１が設けられている。本実施形態では超電導体３の表面の両端に保護膜１１を設け、超電導体３の表面を保護すると共に、後述する流入電極４及び流出電極５との接着を良好にしている。保護膜１１は例えば流入電極４及び流出電極５を接着する接着材６との相性を考慮して決定される。本実施形態の保護膜１１はＡｇの蒸着膜である。ただし、Ａｇ蒸着膜に限るものではなく、例えばＡｕ蒸着膜、Ａｕ−Ａｇ合金の蒸着膜等でも良い。保護膜１１は流入電極４及び流出電極５を接着する位置よりも若干広い位置に設けられている。ただし、保護膜１１を設けなくても超電導体３と流入電極４及び流出電極５との接着を良好に行うことが可能な場合等には保護膜１１を設けなくても良い。
【００１８】
超電導体３の両端には、常伝導電極である流入電極４と流出電極５が接続されている。流入電極４及び流出電極５は、例えば銅電極である。ただし、流入電極４及び流出電極５の材料は必ずしも銅に限るものではなく、例えば、アルミニウム等でも良い。
【００１９】
少なくとも超電導限流素子１の超電導状態において、流入電極４は超電導体３との接続面１４に対して６０度〜１２０度の方向から電流を流入させるものであり、流出電極５は超電導体３との接続面１４に対して６０度〜１２０度の方向に電流を流出させるものである。電流の方向（角度θ）を接続面１４に対して６０度〜１２０度とすることで、電流の部分的な集中を抑制し、接続面１４に対して電流を広く分散させることができる。なお、角度θを６０度〜１２０度にすれば接続面１４に対して電流を分散させてジュール損失を減少させるという効果を十分に得ることはできるが、角度θを８０度〜１００度にすることで電流をより分散させてジュール損失をより減少させることができることから角度θを８０度〜１００度とすることが好ましい。さらに、角度θを９０度、即ち接続面１４に対して垂直方向にすることで電流を更に分散させてジュール損失を更に減少させることができることから角度θを９０度又はほぼ９０度にすることが最も好ましい。本実施形態では流入電極４は超電導体３との接続面１４にその垂直方向（θ＝９０度）から電流を流入させるものであり、流出電極５は超電導体３との接続面１４からその垂直方向 （θ＝９０度）に電流を流出させるようにしている。
【００２０】
ここで、流入電極４及び流出電極５としては、超電導体３との接続面１４に対して上述の方向に電流を流入又は流出させるものであれば特にその形状や大きさは制限されるものではないが、本実施形態では流入電極４及び流出電極５として、接続面１４の長さ（図１の左右方向の寸法）を１とすると高さ（図１の上下方向の寸法：厚み）が１以上の直方体形状（立方体形状を含む）の電極を使用している。流入電極４及び流出電極５を当該形状にすることで、超電導体３との接続面１４に対して垂直又は垂直に近い方向に電流を流入又は流出させることが可能であり、少なくとも６０度〜１２０度の方向に電流を流入又は流出させることは可能である。なお、流入電極４及び流出電極５の幅（図１の紙面に対して垂直方向の寸法）は、電流の流れる方向に対して影響を与えないことから、接続面１４の面積を確保できるように決定される。
【００２１】
ただし、流入電極４及び流出電極５の形状は、必ずしも上述の直方体形状に限るものではなく、電力系統側に接続される上面４ａ，５ａと超電導体３に接続される底面４ｂ，５ｂ（接続面１４）とを有し、超電導体３との接続面１４の長さ（Ｌ）を１とすると高さ（Ｈ）が１以上の多面体形状であれば良い。例えば、側面が平行四辺形、上面，底面，前後面が長方形又は正方形の六面体形状（図２２）、円柱形状（図２３）、楕円柱形状（図２４）、三角柱形状、五角柱形状、等でも良い。これらの場合にも、接続面１４に対して電流を分散させることができる。
【００２２】
本実施形態では、流入電極４と流出電極５として同じ形状のものを使用している。ただし、流入電極４と流出電極５として異なった形状のものを使用しても良い。
【００２３】
流入電極４及び流出電極５を流れる電流の方向は、例えば市販の装置類を使用して解析可能である。例えば、市販の電磁界解析ソフトウェア（例えば株式会社ＪＳＯＬ製、JMAG-Studio9.0）を使用して解析可能である。解析結果に基づいて各電極４，５を設計する。
【００２４】
超電導体３と流入電極４及び流出電極５は接着材６によって接着されている。本実施形態では、接着材６としてインジウムが使用されている。即ち、インジウム板６を超電導体３と流入電極４又は流出電極５との間に挟み込んで常温で加圧し、インジウム板６を潰すようにして圧着する。インジウム板６の粘性によって超電導体３と流入電極４又は流出電極５とが接着される。熱をかけずに接着できるので、超電導体３の劣化を防止することができる。
【００２５】
図３に示すように、流入電極４は電力系統１３の発電所側に接続され、流出電極５は電力系統１３の電力消費地側に接続されている。１つの超電導限流素子１から限流器１２を構成しても良いが、複数の超電導限流素子１から限流器１２を構成しても良い（図４）。
【００２６】
流入電極４は超電導体３へと流れる電流を接続面１４に対して垂直方向に流入させるので、電流は接続面１４に対して広く分散しながら流れ、特定の部位への集中を抑制することができる（図１の矢印参照）。したがって、流入電極４と超電導体３との接続部分におけるジュール損失が減少し、電力損失を減少させることができる。
【００２７】
また同様に、流出電極５は超電導体３から流出した電流を接続面１４に対して垂直方向に流すので、電流は接続面１４に対して広く分散し、特定の部位への集中を抑制することができる。したがって、流出電極５と超電導体３との接続部分におけるジュール損失が減少し、電力損失を減少させることができる。
【００２８】
複数の超電導限流素子１をユニット化しても良い。複数の超電導限流素子１をユニット化した限流素子ユニット７を図５及び図６に示す。本実施形態では、例えば８枚の超電導限流素子１をパイプ状に組み付けてユニット化している。本実施形態では、横断面形状が８角形のパイプ１０の外周面に超電導限流素子１を固着させることで、各超電導限流素子１をパイプ状に組み付けている。組み付けにパイプ１０を使用することで、組み付けが容易になると共に、ユニットとしての剛性を確保することができ、また、内側に冷媒を循環させることが容易になる。ただし、超電導限流素子１を組み付ける数は８枚に限るものではなく、その他の枚数でも良い。また、パイプ１０の各周面の全てに超電導限流素子１を固着させても良いが、全ての周面に固着させなくても良い。また、組み付けにパイプ１０を使用しなくても良い。さらに、各超電導限流素子１を必ずしもパイプ状に組み付ける必要はなく、例えば同一平面上に複数の超電導限流素子１を並べるように組み付けても良く、その他でも良い。
【００２９】
各超電導限流素子１の流入電極４及び流出電極５は環状に並べられており、各電極４，５の上面に環状の集合電極（常伝導電極）８，８が巻回されている。集合電極８は、線状の導電体をコイル状に巻回したものでも良いし、板状の導電体を巻回したものでも良く、あるいはその他でも良い。集合電極８によって複数の超電導限流素子１を束ねることで複数の超電導限流素子１が並列に接続され、電流容量（臨界電流値）を増加させることができる。
【００３０】
超電導限流素子１は集合電極８を巻き締めることによってパイプ１０の周面に固定される。即ち、集合電極８を超電導限流素子１を固定するベルトとして利用している。この様にすることで、温度変化による膨張・収縮が生じても超電導限流素子１の固定を維持することができると共に、繰り返しの着脱が可能となって超電導限流素子１やパイプ１０等の繰り返しの使用が可能になる。ただし、超電導限流素子１をパイプ１０に固定する手段としては集合電極８のベルト利用に限るものではなく、例えばインジウム等の柔らかい金属を接着材として使用したり、極低温用の接着材や樹脂等を使用しても良い。また、超電導限流素子１をパイプ１０に対して着脱可能にしなくても良い。
【００３１】
限流素子ユニット７は、例えばソケット９に接続されて使用される。ソケット９には１対の接続電極（常伝導電極）９ａ，９ａが設けられており、各電極９ａに限流素子ユニット７の集合電極８を嵌め込むことで、限流素子ユニット７が回路に接続される。
【００３２】
限流素子ユニット７の冷却は、限流素子ユニット７全体を図示しない冷媒中に沈めるようにしても良いし、限流素子ユニット７内即ちパイプ１０内に冷媒を循環させるようにしても良い。限流素子ユニット７内に冷媒を循環させる場合には、冷媒の循環量を調節することで超電導体３の冷却をコントロールすることが可能である。また、この場合には、基板２を冷却することで超電導体３を冷却するので、液体の冷媒が蒸発した気体層によって超電導体３の表面が覆われて断熱されることがないので、冷却をより良好に行うことができる。
【００３３】
複数のソケット９を直列及び並列に接続することで、複数の超電導限流素子１を直列及び並列に接続することができる。これにより、複数の超電導限流素子１が直列及び並列に接続される。複数の超電導限流素子１を直列に接続することで電圧の容量を増加させることができる。また、複数の超電導限流素子１を並列に接続することで電流の容量を増加させることができる。本実施形態では、直列及び並列に接続しているので、電圧の容量と電流の容量をともに増加させることができる。ただし、必ずしも直列と並列の両接続にする必要はなく、直列又は並列の接続にしても良い。つまり、限流器として必要な電圧，電流の容量になるように必要数の超電導限流素子１を接続すれば良い。
【００３４】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００３５】
例えば、上述の説明では、超電導体３の流入電極４及び流出電極５の接続位置及びその近傍に保護膜１１を設けていたが、保護膜１１を設ける位置はこれに限るものではなく、例えば超電導体３の表面全体に保護膜１１を設けても良い。超電導体３の表面全体に保護膜１１を設ける場合には、上述のように電極４，５の接着を良好にする機能（電気的接触）に加えて、超電導体３を外気による浸食から保護する機能（保護機能）、常伝導転移時に電流の一部を保護膜１１に分流させて超電導体３の急激な温度上昇を抑制する機能（安定化材機能）を発揮させることができる。
【実施例１】
【００３６】
電磁界解析ソフト(JMAG-Studio9.0)を用いた電磁界解析を行い、本発明によって超電導体３と流入電極４との接続面１４において電流の集中を抑制できることを確認するための実験を行った。なお、実験は流入電極４のみについて行い、電流の流れる方向が逆である流出電極５については行っていないが、電流の流れる方向が逆であっても接続面１４に対する電流の集中・分散については同様に考えられるので、流出電極５についても同様である。
【００３７】
（解析条件）
限流素子とＣｕ電極について、有限要素法・境界要素法を組み合わせた２次元電磁界解析を行った。解析形状は図７の形状を想定した。図７の部材と本発明の部材の対応は、Ｙ系超電導膜（ＹＢＣＯ薄膜）：超電導体３、Ｃｕ電極：流入電極４、Ａｇ蒸着膜（Ａｇ膜）：保護膜１１、サファイア基板：基板２、Ｉｎハンダ：接着材６である。また、Ｘ方向：長さ方向、Ｙ方向：厚み（高さ）方向、Ｚ方向：幅方向である。このモデル素子の臨界電流値は７０〜８０Ａとされている。節点数７３９０、要素数３３９５を基本として計算した。要素分割の妥当性を検討するため、特に電流が集中するＡｇ蒸着膜の端部を中心にＸ軸方向（電流が流れる方向＝図７の電流が流れる方向）に対し１０倍の密度でメッシュ分割して解析したが、解析結果に変化はなかった。サファイア基板は電流が流れないためモデル化していない。境界条件として、Ｃｕ電極の左端に０Ｖの電位を、通電電流を臨界電流値と同じ８０Ａとなるように、電流密度を設定した。なお、２次元解析ではあるが、モデルは奥行き（幅）１ｍｍの３次元モデルとして解析している。
【００３８】
導電率は表１の値を用いた。ここで計算を収束させるために、超電導体の導電率を有限の値とした。また７７Ｋにおいて超電導体との導電率の比を大きくするために、Ａｇ、Ｉｎ、Ｃｕにおいて導電率を３桁小さくしている。
【００３９】
【表１】
【００４０】
なお、常伝導転移後の解析については、全体が発熱し、３００Ｋで平衡した状態を仮定している。厳密に考えると、冷却と発熱から温度勾配が存在し、その温度により各部の導電率が変化しているはずであるが、ここでは常伝導時の傾向を掴むことを目的として３００Ｋ平衡した時を仮定した解析を行った。
【００４１】
（解析結果）
（超電導状態における電流分布）
図８にＣｕ電極部分を拡大した、７７Ｋの超電導状態における電位分布を示す。超電導体は導電率が良いため電位勾配は発生せず、全体を見ると電位差は常伝導体であるＣｕ電極部で生じている。
【００４２】
図９に同じ部分の電流密度のベクトル表示を示す。７７ＫにおいてはＣｕ電極とＩｎハンダが最初に接した点の電流密度ベクトルが一番大きく、電流はそこに集中して流れていることがわかる。また図９（Ｂ）より電流はＣｕ電極から超電導体（超電導体３）への最短距離を流れ、Ａｇ蒸着膜やＩｎハンダの部分では左端の最短部を通過するのみである。図１０にＩｎハンダ上面での横方向（Ｘ軸方向）の各位置での電流密度を示す。このようにＣｕ電極とＩｎハンダが接した部分では、電流は電極部の約１／３でほとんどが超電導体に流れており、Ｃｕ電極の右の部分はほとんど電流が流れていないことを示している。
【００４３】
このケースで電極部下部のＩｎハンダにおけるジュール損失を計算したところ０．４２３Ｗであった。
【００４４】
（３００Ｋにおける電流分布）
図１１にモデル全体が３００Ｋの温度へ移行した場合の全体の電位分布を示す。３００Ｋにおける超電導体はＣｕ電極やＡｇ蒸着膜と比べて１桁大きな抵抗率を持つため、電位勾配はこの超電導体でつくことになる。
【００４５】
図１２に図９と同じＣｕ電極付近の電流密度のベクトル表示を示す。７７Ｋの時と違い電流はＣｕ電極の右端に集中している。特に図１２（Ｂ）に示すように大きな電流密度ベクトルが表示されている。このことは、電流は電気抵抗が一番小さくなる経路を選択するため、３００Ｋにおいて一番導電率の大きいＡｇ蒸着膜とＣｕ電極の部分を結んだ最短のラインに集中して流れることによる。これにより電流はまずＣｕ電極を流れ右端に集中し最短距離でＡｇ蒸着膜に流れている。この電流の集中は限流素子（超電導限流素子１）全体が完全に常伝導転移した後はＣｕ電極の長さは関係がないことを示している。
【００４６】
図１３にＩｎハンダ上面での横方向（Ｘ軸方向）の各位置での電流密度を示す。このようにＣｕ電極とＩｎハンダが接した部分では、Ｉｎハンダの右端に電流の集中があり、Ｃｕ電極の中央部分ではＩｎハンダへは、ほとんど電流が流れていないことがわかる。
【００４７】
ＹＢＣＯ薄膜にＡｇ蒸着膜を蒸着した端部（図７における右上丸囲み部分）における電流密度分布を図１４に示す。図１４（Ａ）はＡｇ蒸着膜の端部の拡大図であり、これを図１４（Ｂ）に端部両側の要素を示す。このＡ−Ｂ間の要素に於ける電流密度の大きさは図１４（Ｃ）のようになり、電流は導電率に厚さを乗じた抵抗値に反比例して流れている。このすぐ右のＡｇ蒸着膜のないＢ−Ｃ間の要素に於ける電流密度の値を図１４（Ｄ）に示す。このように厚さ方向に均一に電流が流れている。これよりＡｇ蒸着膜端部において、Ａｇ蒸着膜からＹＢＣＯ薄膜への電流の転流はＡ−Ｂ間、Ｂ−Ｃ間ともに厚み方向の電流密度の差がないため、この区間でスムーズに分流されていることがわかる。
【００４８】
このように常伝導転移後、全体が３００Ｋに昇温した場合の解析については、Ｉｎハンダ部分、Ａｇ蒸着膜端部での電流集中より導電率が１桁低い超電導体で全体の９割以上の発熱が発生するため、損失（発熱）は超電導体が中心となり、電流集中により超電導体が破壊されることは無いと考えられる。
【００４９】
（電極構造を変化させたときの電流分布）
図１５のように、（Ａ）Ｃｕ電極の厚さを１／３にしたもの、（Ｂ）Ｃｕ電極の接触部を１／４にしたもの、（ｃ）Ｃｕ電極の先端を削ったもの、（ｄ）電極にくびれを持たせ電流の均一化を図ったもの、（ｅ）立方体形状（２次元解析であるため幅を考慮したものではないが、長さと高さを同寸法にしているので、ここでは電流の流れる方向に対して影響しない幅については考慮せずにあえて立方体形状という）で上面より電流を通電したものについて解析を行った。評価の方法としては電流の集中によりジュール損失が電流値の二乗で増加することに着目し、いずれのケースでも使用量がほぼ同じＩｎ部分で発生するジュール損失で比較した。
【００５０】
３００Ｋにおいては、Ａｇ蒸着膜およびＹＢＣＯ薄膜の電位分布はいずれの電極形状でも図１１に示したものとほぼ同じである。これは超電導体の導電率がＡｇ蒸着膜に比べて１桁ほど小さいことによる。発生するジュール損失も超電導体部が他の部分より４桁以上大きいため、いずれの電極形状でもジュール損失はＹＢＣＯ薄膜での値が問題となる。
【００５１】
以下は７７Ｋでの解析結果を述べる。
【００５２】
７７Ｋにおいて、図７でのＩｎハンダ部分でのジュール損失は、約０．４２３Ｗであった。
【００５３】
図１６（Ａ）に図１５（Ａ）の電極厚みを１／３にしたときの電位分布を、図１６（Ｂ）に電極付近の電流密度分布を示す。電極厚みが減ったため抵抗が大きくなり電位勾配がＣｕ電極部で大きく出ている。電流も電極接続部の左側に集中している。このときＩｎハンダ部分でのジュール損失は０．９３８Ｗと図１６（Ａ）の時と比べて約２倍の損失が発生する。これは、図９（Ａ）と図１６（Ｂ）の電流密度の分布を見ればわかるように、図１６（ｂ）の方がＩｎハンダでの電流集中が大きいため、このような差が発生するものと思われる。
【００５４】
図１７（Ａ）に図１５（Ｂ）の電極接続長を１／４にしたときの電位分布を、図１７（Ｂ）に電極付近の電流密度分布を示す。電流密度ベクトルの様子は、図９とほぼ同様であり、接続部の長さは短くしてもあまり影響はないと言える。このときＩｎハンダでのジュール損失は１．０９９Ｗと図９（Ａ）の時の約２．６倍になっている。
【００５５】
図１８（Ａ）に図１５（Ｃ）の電極先端部を削ったときの電位分布を、図１８（Ｂ）に電極付近の電流密度分布を示す。いずれも図８と図９と同様であり電極を削った事によるデメリットは見られない。このときＩｎハンダ部分でのジュール損失も０．４９０Ｗと図９（Ａ）の時とほぼ同等であり、この形状であれば、通常のＣｕ電極に比べ材料を３／４に削って同等の性能が得られることを示している。
【００５６】
図１９（Ａ）に図１５（Ｄ）に示すくびれた形状の電極に通電したときの電位分布を、図１９（Ｂ）にＣｕ電極付近の電流密度分布を、そして図１９（Ｃ）にはＩｎハンダ部分のみでの電流密度分布を示す。Ｃｕ電極のくびれにより電流が長手方向に分散したことにより、Ｉｎハンダ部分ではほぼ均一に電流が分散して流れている。また、このときのＩｎハンダ部分でのジュール損失は０．３４８Ｗと電流分散化の効果が現れている。
【００５７】
図１５（Ｄ）の形状から、垂直方向に通電した場合に、電流が拡散して流れることが期待された。そこで図１５（Ｅ）のように、立方体形状のＣｕ電極に上部から電流が流れるようにしたときの解析結果を示す。図２０（Ａ）が電位分布で、図２０（Ｂ）がＣｕ電極付近の電流密度分布である。また図２０（Ｃ）はＣｕ電極とＩｎハンダが接触した部分における電流密度分布である。期待通りにＩｎハンダ部分で分散して超電導体に電流が流れている。この時、素子全体の電流密度分布を図２０（Ｄ）に示す。電流はＣｕ電極付近でＡｇ蒸着膜から超電導体に流れ込んでいる。このケースでのＩｎハンダ部分でのジュール損失は０．２５９Ｗと図９（Ａ）の時と比べて６割程度に抑えられている。
【００５８】
Ｉｎ部分でのＣｕ電極形状による損失値を表２（電極形状による７７ＫでのＩｎハンダ部分でのジュール損失の変化）に示す。
【００５９】
【表２】
【００６０】
図１５（Ｅ）の形状で７７ＫにおけるＡｇ蒸着膜および超電導体に流れ込む電流密度を求めた。図２１に示す６点について電流密度を表３（図２１における各要素での電流密度［Ａ／ｍ２］）に示す。Ｉｎハンダ部分では端部を除いてＢ節点〜Ｄ節点の両側でほぼ均一な電流密度となっている。同様にＡｇ蒸着膜でもＩｎハンダに接する部分では、均一の電流密度でＹＢＣＯ薄膜に電流が流れ込んでいる。Ａｇ蒸着膜ではＦ節点とＧ節点と電流密度は減少しているが、ＹＢＣＯ薄膜を流れる電流に比べて４桁ほど小さい変化なので無視できる。ＹＢＣＯ薄膜に流れる電流値はＥ点より右側ではほとんど変化しない。ＹＢＣＯ薄膜の電流密度はＡ節点からＤ節点まで電流密度が少しずつ高くなっているが、Ｅ節点より右ではほぼ均一になっている。Ｂ節点とＨ節点の電流密度を比較すると４倍くらいの上昇でしかない。
【００６１】
【表３】
【００６２】
また、Ｉｎ、Ａｇ、ＹＢＣＯいずれの部分でも厚み方向に電流密度の変化はなく、均一に流れている。
【００６３】
（結論）
以上のように、限流素子のＣｕ電極部における電流分布を、超電導状態と常伝導状態において解析した。その結果、超電導体との接続面にその垂直方向から電流を流入させるＣｕ電極の構造では、超電導体への電流が接続面にほぼ均一に流れ込み、電極下部のＩｎ部分のジュール損失で比較した場合でもこれまでの構造と比較して約６割に抑えられることがわかった。即ち、本発明の有効性が確認できた。
【００６４】
また、Ｃｕ電極の形状を立方体形状とすることで、超電導体との接続面にその垂直方向から電流を流入させることができることも確認できた。一般的にＣｕ電極の形状はその高さが高い直方体形状の方が立方体形状よりも電流の流れる方向を超電導体との接続面に対して垂直方向にし易いので、Ｃｕ電極の形状を、接続面の長さを１とすると高さが１以上の直方体形状とした場合も当然に、超電導体との接続面にその垂直方向から電流を流入させることができる。
【００６５】
なお、常伝導転移後、３００Ｋで温度平衡した場合を想定した解析を行った結果、導電率が１桁低い超電導体で全体の９割以上の発熱が発生し、主な電位勾配は超電導膜部で生じる。Ｃｕ電極から超電導体へは１点に集中して流れ込むものの、損失としては超電導体のジュール損失が２桁大きいため、完全な常伝導転移後については電流集中によるＣｕ電極部の破損は考慮しなくても良い。
【符号の説明】
【００６６】
１ 超電導限流素子
３ 超電導体
４ 流入電極
５ 流出電極
１４ 接続面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
常時は超電導状態に保持されて電力系統間に接続され、事故発生時は超電導状態から常伝導状態への転移に基づく抵抗増大によって電力系統間に流れる故障電流の増加を抑制可能な超電導限流素子を備えるＳ／Ｎ転移型限流器において、少なくとも超電導状態において超電導体との接続面に対して６０度〜１２０度の方向から電流を流入させる流入電極と、前記超電導体との接続面に対して６０度〜１２０度の方向に電流を流出させる流出電極を備えることを特徴とするＳ／Ｎ転移型限流器。
【請求項２】
前記流入電極及び前記流出電極は、前記電力系統側に接続される上面と前記超電導体に接続される底面とを有し、前記超電導体との接続面の長さを１とすると高さが１以上の多面体形状であることを特徴とする請求項１記載のＳ／Ｎ転移型限流器。
【請求項３】
前記超電導限流素子を複数備え、直列又は並列、あるいは直列及び並列に接続したことを特徴とする請求項１記載のＳ／Ｎ転移型限流器。
【請求項１】
常時は超電導状態に保持されて電力系統間に接続され、事故発生時は超電導状態から常伝導状態への転移に基づく抵抗増大によって電力系統間に流れる故障電流の増加を抑制可能な超電導限流素子を備えるＳ／Ｎ転移型限流器において、少なくとも超電導状態において超電導体との接続面に対して６０度〜１２０度の方向から電流を流入させる流入電極と、前記超電導体との接続面に対して６０度〜１２０度の方向に電流を流出させる流出電極を備えることを特徴とするＳ／Ｎ転移型限流器。
【請求項２】
前記流入電極及び前記流出電極は、前記電力系統側に接続される上面と前記超電導体に接続される底面とを有し、前記超電導体との接続面の長さを１とすると高さが１以上の多面体形状であることを特徴とする請求項１記載のＳ／Ｎ転移型限流器。
【請求項３】
前記超電導限流素子を複数備え、直列又は並列、あるいは直列及び並列に接続したことを特徴とする請求項１記載のＳ／Ｎ転移型限流器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−１２９４００（Ｐ２０１２−１２９４００Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８０５０６（Ｐ２０１０−２８０５０６）
【出願日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【出願人】（０００１７３８０９）一般財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【出願人】（０００１７３８０９）一般財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
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