Current limiting device

本発明は、その間に真空断熱が導入され、相互に同心状に配置された２本の金属管を備えた外壁を有し、冷媒が通過する空間であって超伝導ケーブルが配置される空間を囲むクライオスタット内に配置された超伝導ケーブルを有する、限流装置に関する（特許文献１）。

現在の技術において、超伝導ケーブルは、十分に低い温度で超伝導状態に変化するセラミック材料を含む、合成材料からなる電気導体を有する。 十分に冷却すれば、このように構成された導体の電気的な直流抵抗は、特定の電流レベル、すなわち臨界電流レベルを越えない限りゼロである。 適切なセラミック材料は、たとえば、ＹＢＣＯ（イットリウム・バリウム・銅酸化物）またはＢＳＣＣＯ（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物）である。 このような材料を超伝導状態に変化させるのに十分に低い温度は、たとえば、６７Ｋから１１０Ｋの範囲である。 適切な冷媒は、たとえば、窒素、ヘリウム、ネオン及び水素またはこれらの物質の混合物である。

上述の限流装置は、フューズのタイプとして、所望のケーブル経路に組み入れ、また、そこを経由するかその中で、より大きな電流またはより小さな電流を伝送させることができる、伝送パスとしての開閉装置に組み入れることができる。 その目的は、伝送パスの短絡の場合に、そこに大きな損害が生じるのを防止することである。 短絡の場合に生じる、本装置の電気インピーダンスの大幅な増加が、伝送パスを供給側電流源から切り離すメカニズムを引き起こす。 短絡の理由が修正されれば、限流装置を全く変える必要なく、伝送パスを再びオンにすることができる。

上述の特許文献１は、電流制限用の超伝導コンポーネントを記載している。 この超伝導コンポーネントは、超伝導材料からなり、その周囲に超伝導導体が巻かれる円筒状の支持体を備える。 通常の導体が、この超伝導コンポーネントと並列に接続される。 限流器を製造するために、複数のそのようなコンポーネントが電気的に直列に接続される。

本発明は、上述の装置をより簡単にするという課題に基づいている。

上記課題は、
クライオスタットは、円筒状の空洞を囲み、その間に真空断熱が導入され、相互に同心状に配置された２本の金属管を同様に備え、外壁内に位置し、外壁から空間によって隔てられた内壁を有し、
超伝導導体、それを囲む誘電体及びその上に配置された超伝導スクリーンを有する該超伝導ケーブルは、該内壁の周りにらせん状に巻かれ、
鉄心が該円筒状の空洞に配置されている、
本発明によって達成される。

超伝導限流器を表すこの装置は、円筒状の空洞に配置された鉄心を囲む、クライオスタットの内壁の周りに、低温誘電体を備えた超伝導ケーブルを巻くことによって製造する。 鉄心は、ケーブルクライオスタットの外部の空洞に位置する。 したがって、鉄心は、空間に位置する冷媒の影響を受けず、装置の動作中も室温にとどまる。 本装置が設置される伝送パスにおける短絡の結果として生成される短絡電力は、非常に多くが鉄心によって吸収される。 そこで、鉄心を適切に設計する必要がある。 本装置における超伝導ケーブルは、そのスクリーンにおける臨界電流レベルが、導体における臨界電流レベルよりも低いように設計される。 スクリーンは、その臨界電流レベルが、それを超えると短絡の際の電流制限が起きるように意図された電流レベルに対応するように、適切に仕様を定める。 ケーブル導体は、連続動作の損失を少なくし、冷却時間を短くするように、短絡の場合の温度増加及び連続動作中の交流損失の両方が十分低くなるように設計するのが有利である。

本装置に使用されるような、低温誘電体を備えた超伝導ケーブルの場合に、スクリーンを流れる電流が、導体から誘導される。 その電流は、一般的に、導体の電流と同じ振幅を有し、導体の電流を基準として１８０°位相がずれている。 この場合に、超伝導スクリーンが、その臨界電流レベルの十分下で動作していれば、超伝導スクリーンにおいて抵抗による電圧低下は検出されない。 本装置の場合に、スクリーンにおいて臨界電流レベルに達したならば、スクリーンにおける電流レベルがほんのわずかでも増加した際に電流制限が起きる。 導体によって生成された磁界はもはや遮蔽されない。 したがって、磁界は、スクリーンの外側に伝播し、特に、超伝導ケーブルがその周りに配置されている鉄心の中に伝播する。 これは、直ちに、導体のインダクタンスを大幅に増加させ、すなわち、その電気インピーダンスを増加させる。 したがって、導体を経由して流れる短絡電流は、著しくかつ急速に制限される。 高い短絡電流の結果として公知の超伝導ケーブルに生じる加熱は、それに応じて、大幅に低減される。 これによって、装置が短絡電流によって損害を受けないことが保証される。 伝送パスにおける短絡の原因が修正された後、さらに何の対策を行なうこともなく、再び動作する準備が完了する。

本発明による主題の例示的な実施形態が、図面によって説明される。

本発明による装置の長手方向の断面を示す図である。

線II-II に沿った、図１の断面を示す図である。

本装置に使用することのできる超伝導ケーブルの断面を示す図である。

図１は、外壁AW及び内壁IWを有するクライオスタットKRの断面を示す図である。 外壁AWは、相互に同心状に配置され、その間に真空断熱３が導入された２本の金属管１及び２を備える。 外壁AWから距離を隔てて配置された内壁IWは、同様に、相互に同心状に配置され、その間に真空断熱６が導入された２本の金属管４及び５を備える。 金属管１及び２ならびに金属管４及び５は、ステンレス鋼から構成されるのが有利であり、装置の強固さに十分な、比較的厚い壁を有する利点を有し、それらの長手方向を横断するように波形をつけてもよい。 簡単のために、金属管１及び２ならびに金属管４及び５は、図１及び図２において、１本の線で描いている。

冷媒を通過させるための空間FRは、クライオスタットの外壁AW及び内壁IWの間に位置し、それらと同軸状に伸びるのが好ましい。 超伝導ケーブルSKは、空間FRに配置され、内壁IWの周りに巻かれる。 図３は、ケーブルSKのレイアウトを示す図である。 内壁IWは、円筒状の空洞HRを囲む。 空洞HRには鉄心７が配置され、鉄心７は、装置の全長にわたり伸びており、図２に示すように、正方形の断面を有する。 しかし、鉄心７は、異なる断面形状、たとえば、円形状を有してもよい。 鉄心７は、１０より大きな比透磁率を有するのが有利である。

本発明による装置は、動作させるために、電流の伝送パスに導入される。 この目的のために、伝送パスの対応するケーブルまたは接点が、気密な状態でクライオスタットKRの外側に出された、ケーブルSKの端部１１及び１２に接続される。 装置の全体寸法は、伝送パスが動作する電圧レベルに依存し、市販の変圧器の寸法に対応してもよい。

超伝導ケーブルSKは、低温誘電体を備えたケーブルである。 超伝導ケーブルSKは、超伝導導体８、それを囲む誘電体９及びその上に位置する超伝導スクリーン１０を備える。 ＢＳＣＣＯは、導体８の超伝導材料として使用するのが有利である。 しかし、導体８を、通常において導電性の材料によって強固にする場合には、ＹＢＣＯを使用することもできる。 導体８は、その臨界電流レベルが、スクリーン１０における臨界電流レベルよりも高いように設計される。 スクリーン１０は、ＹＢＣＯから構成されるのが有利であり、強固さのための通常の導体を有さないのが好ましい。 それぞれの臨界電流レベルは、装置を設置した伝送パスが動作する電圧レベルに依存する。

図１に示すように、装置を製造するために、超伝導ケーブルSKが、クライオスタットKRの内壁IWの周りに巻かれる。 その両端部１１及び１２は、完成した装置において クライオスタットKRの外側に突き出すように、直線となるように曲げられるのが有利である。 この後、またはその前に、鉄心７が円筒状の空洞HRの中に挿入される。 このように取り付けられた内壁IWは、その後、外壁AWの中に導入され、そこにできるだけ同心の形で固定される。 例として、端板１３及び１４は、この目的に使用することができ、クライオスタットKR及びその空間は、密封される。 ケーブルSKの端部１１及び１２は、気密な状態で端板１３及び１４を通って外に出される。 端板１３及び１４は、冷媒を中へ入れ、外へ出すための結合エレメントも備えている。

使用する際に、このようにして完成した装置は、電流用の伝送パスに接続される。 超伝導ケーブルSKは、そのとき、この伝送パスの一部である。 伝送パスで生じる短絡によって、電流のレベルが増加する。 この電流レベルがケーブルSKのスクリーン１０の臨界電流レベルよりも高ければ、その電気抵抗は、急速に大幅増加し、装置の電気インピーダンスが急速に増加する。 このことは、対応する監視装置に記録され、伝送パスが直ちに切り離される。 その後、短絡の原因が修正される。

スクリーン１０の臨界電流レベルよりも高い、増加した電流レベルのため、スクリーン１０は、その遮蔽機能を失い、その結果、導体８からの磁界が鉄心７に入る。 導体８の電気抵抗、したがってケーブルSKの電気抵抗は、その結果、急速に大幅増加し、上述のように、伝送パスが切り離される。 ケーブルSK及び装置全体は、この場合に損害を受けない。 短期間に生じる冷媒の加熱は、小さなものである。 これがすぐに解消され、その結果、伝送パスが修理され再接続されれば、装置は、再び完全に動作可能となる。