JP2006020493A - 超伝導体のクエンチ及び過電流保護のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、超伝導体（１２）を保護するためのシステム（２０）及び方法（４６）を提供する。
【解決手段】 本システム（２０）は、超伝導体（１２）を流れる電流を検出するように作動可能な電流センサ（２２）を含む。本システム（２０）は、超伝導体（１２）を超伝導状態に冷却するために使用する低温冷却媒体の温度を検出するように作動可能な冷却媒体温度センサ（２４）を含む。制御回路（２６）は、電流と冷却媒体温度とに基づいて超伝導体温度を推定するように動作可能である。本システム（２０）はさらに、推定超伝導体温度を少なくとも１つの閾値温度と比較して（６６、６８）、超伝導体温度が少なくとも１つの閾値温度を超えている時には、是正処置を開始するように作動可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的には超伝導体に関し、具体的には電気機械の超伝導コイルのクエンチ及び過電流保護のためのシステム及び方法に関する。

超伝導体は、電気抵抗なしに電気を伝導することになる材料である。超伝導は、一部の材料において該材料が臨界温度以下に冷却された時に起きる。発電機、電動機及び変圧器のような従来型の商用発電及び送電システムでは、それらのシステムを流れる電流量は非常に大きい。これら従来型のシステムは電気抵抗を有するので、それらのシステムを流れる電力のうちの大きな量が、抵抗加熱として消費される。抵抗加熱として失われる電力は、発電システムの効率を低下させる。その結果、商用発電及び送電システムに使用するために超伝導体が導入された。例えば電気機械のロータに使用するために、超伝導ロータコイルが開発された。超伝導ロータコイルを流れる電気を使用して、磁場を生成する。超伝導ロータコイルは電気抵抗をもたないので、超伝導ロータコイルは、抵抗加熱による電力損失が全くない状態で磁場を生成することができる。

しかしながら、超伝導体が超伝導作用を示しかつ維持することができる電流には限界値があって、これは臨界電流として知られている。臨界電流は、超伝導体の温度と磁界との強関数（ｓｔｒｏｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）である。超伝導体の作動時、超伝導体を流れる電流と温度とが変化するので、臨界電流もまた、時間の経過と共に変化する。超伝導体を流れる電流がコイルの最低臨界電流を超えた場合には、超伝導体の一部分がその超伝導性を失って、通常の抵抗状態になる。通常の抵抗状態にあるコイルの部分は、超伝導体内に抵抗加熱を生じさせることになる。超伝導体の抵抗加熱が続いたまま放置すると、超伝導体は、クエンチとして知られる不可逆的な熱暴走状態になるおそれがある。

クエンチ状態は、超伝導体の損傷を招く可能性がある。例えば、超伝導ロータコイルでは、膨張差を引き起こすことになるのに十分な温度勾配がコイル内に生じることになる。この膨張差は、次にコイル内に歪みによる損傷を招くことになる。従って、作動時に超伝導体の臨界電流を判定し、過電流又はクエンチ状態時には超伝導体を流れる電流を遮断又は減少させることが望ましい。

超伝導コイルにおけるクエンチ発生は、コイルの両端に発生する電圧を測定することによって検出することができる。しかしながら、クエンチ発生を検出するこの方法は、電気的ノイズを発生する電気機械においては、このノイズが正常作動時にコイルの両端に大きな誘導電圧を発生させて、実際にコイル内にクエンチ発生が生じている場合を判定することを困難にするので、問題である。

同様に、温度センサを使用してコイル温度をモニタすることができる。検出したコイル温度が所定の限界値を超えた場合に、磁気エネルギーがコイルからダンプされる。しかしながら、クエンチ時に温度センサをホットスポットに位置決めすることは難しい。従って、この方法を有効にするためには、多数の温度センサを多くの位置に配置することを必要とする。
特表２００３−５２１２０６号公報

従って、超伝導体において過電流又はクエンチ状態を検出することを可能にする方法が望まれている。さらに、過電流又はクエンチ状態によって引き起こされる損傷から超伝導体を保護することを可能にする方法もまた望まれている。

本発明の１つの態様によると、超伝導装置を提供する。本超伝導装置は、低温冷却媒体によって冷却可能になった超伝導体を含む。本超伝導装置はまた、超伝導体保護システムを含む。超伝導体保護システムはさらに、プロセッサベース装置に結合された低温冷却媒体温度センサ及び超伝導体電流センサを含む。プロセッサベース装置は、低温冷却媒体温度と超伝導体を流れる電流とに基づいて、超伝導体温度を推定するように動作可能である。

本発明の別の態様によると、回転電気機械を提供する。本回転電気機械は、ロータと超伝導体保護システムとを含む。ロータは、励磁装置に対して電気的に結合されかつ低温冷却媒体によって冷却される超伝導ロータコイルを含む。超伝導体保護システムは、超伝導ロータコイルを流れる電流を表す信号を提供するように作動可能な電流センサを含む。このシステムはまた、低温冷却媒体の温度を表す信号を提供するように作動可能な温度センサを含む。さらにこのシステムは、プロセッサベース装置を含み、プロセッサベース装置は、該装置が超伝導ロータコイルを流れる電流を表す信号と低温冷却媒体の温度を表す信号とを受けることが可能になるように、電流センサ及び温度センサに結合される。この装置は、低温冷却媒体の温度を表す信号と超伝導ロータコイルを流れる電流を表す信号とに基づいて、超伝導ロータコイル温度を推定するよう動作可能である。

本発明のさらに別の態様によると、超伝導体のための保護システムを提供する。プロセッサベース装置は、推定超伝導体温度が第１の規定の温度を超えた時に、超伝導体に流れる電流を減少させること及び停止することの少なくとも１つに対する是正処置を開始するように動作可能な制御回路である。

本発明のさらに別の態様によると、超伝導体をクエンチ状態から保護する方法を提供する。本方法は、低温冷却媒体によって超伝導体を冷却する段階と、低温冷却媒体温度を検出する段階とを含む。本方法はさらに、超伝導体を流れる電流と低温冷却媒体温度とに基づいて、超伝導体温度を推定する段階を含む。また、本方法はさらに、推定超伝導体温度を閾値温度と比較する段階と、推定超伝導体温度が閾値温度を超えている時には超伝導体を保護するための是正処置を開始する段階とを含むことができる。

本発明のさらに別の態様によると、超伝導体内のクエンチ状態を検出する方法を提供する。本方法は、超伝導体を流れる電流と低温冷却媒体温度とを利用して超伝導体温度を推定する熱モデルに基づいて超伝導体温度を推定するようにプロセッサベース装置を動作させる段階を含む。

本発明のさらに別の態様によると、プロセッサベース装置が超伝導体を流れる電流と低温冷却媒体温度とに基づいて超伝導体温度を推定することを可能にするためのコンピュータプログラムを提供する。

本発明のこれら及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同様な参照符号が同様な部品を表している添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、一層よく理解されるようになるであろう。

ここで図１を参照すると、電気機械を示し、その全体を参照符号１０で表している。電気機械１０は、高温超伝導体（ＨＴＳ）を利用した、発電機のような発電又は送電装置を含む。しかしながら、本発明技術は、電動機、医用画像システム及びこれらに類するもののような、超伝導体を利用した他の装置における使用にも適用可能である。図示した実施形態では、電気機械１０は、ロータ１４上に配置した高温超伝導コイル１２を有する。超伝導コイル１２は、励磁回路１６から受けた電流により磁場を生成する。超伝導コイル１２を極低温まで冷却して超伝導状態を達成するために、ヘリウムのような低温冷却媒体を供給するための冷却媒体ユニット１８が設けられる。例えば、超伝導ロータコイル１２は、２０〜３０Ｋの温度まで冷却して超伝導状態を得ることができる。超伝導コイル１２を流れる電流が臨界電流を超えた時、超伝導コイル１２の一部分は、その超伝導性を失い、超伝導コイル内にクエンチ状態が起こることになる。

クエンチ又は過電流障害状態による損傷から超伝導コイル１２を保護するために、クエンチ及び過電流保護システム２０が設けられる。クエンチ及び過電流保護システム２０は、コイル１２内にクエンチ状態が生じる前に抵抗加熱の結果としての超伝導コイル１２の抵抗増加を検出するように作動可能である。クエンチ時におけるＨＴＳコイルの発熱及び熱状態は複雑でありかつ高度に非線形であるので、従来の方法は、高温超伝導機械の保護に適していない。しかしながら、本発明のシステムは、複雑かつ非線形の熱状態又はクエンチ状態のオンライン結果を提供するように作動可能である。

図示した実施形態では、クエンチ及び過電流保護システム２０は、電流センサ２２、冷却媒体温度センサ２４、制御回路２６及びダンプ回路２８を含む。クエンチ状態から超伝導ロータコイルを保護するために使用する先行技術のもつ欠点の幾つかは、超伝導コイル１２の電圧又は温度をモニタすることが困難なことである。これには多くの理由がある。例えば、ノイズの多い環境で作動する電気機械においては、正常作動時にコイルの両端に大きな誘導電圧が発生し、従ってクエンチによる小さな抵抗電圧を誘導電圧から識別することを困難にする。他方、電圧の代わりに温度をモニタする場合には、クエンチ時に温度センサをホットスポットに位置決めすることが難しい。この方法を有効にするためには、温度センサを超伝導ロータコイル上の多くの位置に配置することを必要とする。さらに、電動機や発電機のような従来の回転機械においては、電圧又は温度信号は、多数のスリップリング或いは遠隔測定システムを使用して、回転するコイルから静止している制御回路に送信されなくてはならない。

制御回路２６は、プロセッサと該プロセッサの動作を指令するプログラミング命令を格納するように動作可能なメモリとを含むプロセッサベース装置である。制御回路２６は、超伝導コイル１２のコイル電流及び冷却状態を連続的にモニタして、この情報を過電流及び／又はクエンチ状態からコイル１２を保護するために使用するように動作可能である。メモリ内に格納したプログラミング命令は、プロセッサがコイル電流データ及び冷却状態データを使用して超伝導体の熱モデルを作成することを可能にする。コイルの電流及び冷却状態は、ＨＴＳコイル１２の作動状態を予測するためのモデルを作成するために、所定のコイル材料特性、温度及び磁場の関数としての超伝導体の臨界電流、熱容量、電気抵抗、コイルの熱伝導率、電気抵抗などと共に使用される。このモデルはまた、多数の熱的及び機械的作動サイクルに基づいて、またコイルワイヤの劣化データに基づいて、コイル材料特性を更新することができる。このことは、本システムが、コイルの容易にアクセスできる作動パラメータをモニタすることによって、過渡的作動状態下におけるクエンチによる損傷からコイルを保護することを可能にする。

電流センサ２２は、超伝導コイル１２を流れる電流を表す信号を制御回路２６に送信するように作動可能である。制御回路は、一般的には以下に述べるように、ハードウエア回路と、過電流及びクエンチ状態を示す計算を実行するためのソフトウエアとを含むことになる。当業者には明らかなように、制御回路は、マイクロプロセッサモジュール、コンピュータ、プログラム可能な論理制御装置及びこれらに類するもののような広範な回路タイプを含むことができる。制御回路２６は、超伝導コイル１２を流れる電流を表す信号に基づいて、ピーク垂直磁場を計算するように動作可能である。冷却媒体温度センサ２４は、冷却媒体温度を表す信号を制御回路２６に送信するように作動可能である。制御回路２６は、冷却媒体温度を表す信号に基づいて、最高超伝導コイル温度を推定するように動作可能である。

さらに制御回路２６は、ピーク垂直磁場と最高超伝導コイル温度とに基づいて、超伝導コイル１２における臨界電流を推定するように動作可能である。この実施形態では、制御回路２６は、最高超伝導コイル温度が少なくとも１つの所定閾値温度を超えた時に、過電流障害又はクエンチ状態が存在すると判定する。所定の閾値温度は、コイル材料特性と機械構成とに基づいて設定される。過電流障害が存在する場合には、制御回路２６は、コイル１２への電力を減少させるように励磁回路１６を作動させることができる。クエンチ状態が検出された場合には、制御回路２６は、コイル１２内に蓄えられた磁気エネルギーを放出するために、ダンプ回路２８を付加的に起動させることができる。

図示した実施形態では、超伝導コイル１２の周りに電磁誘導シールド３０が設けられる。冷却媒体が冷却媒体ユニット１８から超伝導コイル１２に流れるのを可能にするために、冷却媒体流路３２が電磁誘導シールド３０を貫通している。前述したように、超伝導コイル１２は、励磁回路１６から電流を受ける。発電機や電動機のような回転機械においては、励磁回路１６は、励磁装置３４、スイッチ３６及びスリップリング３８、４０を含む。励磁装置３４内で生成された電流は、スリップリング３８、４０を介してロータ１４に結合される。励磁回路１６のスイッチ３６は、制御回路２６によって制御され、開いて超伝導ロータコイル１２への電力を遮断することができる。

ダンプ回路２８は、ダンプ抵抗器４２とスイッチ４４とを含む。スイッチ４４は、制御回路２６によって制御され、コイル１２のクエンチ状態が検出された時に、制御回路によって閉じられることができる。このことは、コイルのクエンチ状態が検出された時に、コイル１２の更なる抵抗加熱を防止するために、超伝導コイル１２が該コイル１２内に蓄えた磁気エネルギーをダンプ抵抗器４２を介して放出することを可能にする。

図２を参照すると、クエンチ及び過電流保護システム２０を利用して超伝導ロータコイル１２をクエンチ及び／又は過電流障害状態から保護する方法を示し、その全体を参照符号４６で表している。本方法４６は、ブロック４８で示すように、超伝導コイル１２を流れる電流を表す信号を取得する段階を含む。本方法４６はまた、ブロック５０で示すように、コイル１２を流れる電流を表す信号に基づいて、超伝導コイル１２によって生成されるピーク垂直磁場を計算する段階を含む。本方法はさらに、ブロック５２で示すように、冷却媒体温度を表す信号を取得する段階を含む。本方法はまた、ブロック５４で示すように、ピーク垂直磁場と最高超伝導コイル温度とに基づいて、コイル１２における最低臨界電流（Ｉｃ）を推定する段階を含む。最高超伝導コイル温度は、冷却媒体温度を表す信号に基づいて推定される。

本方法はまた、ブロック５６で示すように、コイルを流れる電流を推定臨界電流と比較する段階を含む。コイルを流れる電流が臨界電流よりも小さい（つまり、Ｉ＜Ｉｃ）場合には、ブロック５８で示すように、冷却による最高コイル温度の変化が、制御回路２６によって推定される。本方法はさらに、ブロック６０で示すように、最高超伝導コイル温度を更新する段階を含む。コイルを流れる電流が臨界電流よりも大きい（つまり、Ｉ＞Ｉｃ）場合には、ブロック６２で示すように、コイルの抵抗領域内の電力密度が、制御回路２６によって推定される。本方法はさらに、ブロック６４で示すように、電力密度の増加によるコイル温度の増加を前に更新した最高コイル温度に加算することによって、最高超伝導コイル温度を更新する段階を含む。

本方法はまた、ブロック６６で示すように、更新した最高コイル温度を第１の所定閾値温度（Ｔ１）と比較する段階を含む。第１の閾値温度は、それよりも高い温度では臨界電流がコイルを流れる電流よりも少なくなる温度として定義される。例えば、第１の所定閾値温度は、６０Ｋに設定することができる。更新した最高コイル温度が第１の閾値温度よりも低い場合には、本方法４６が反復される。更新した最高コイル温度が第１の閾値温度よりも高い場合には、ブロック６８で示すように、更新した最高コイル温度は、次に第２の閾値温度と比較される。第２の閾値温度は、それよりも高い温度ではコイルのクエンチが起こる温度として定義される。例えば、第２の所定閾値温度は、８８Ｋに設定することができる。第２の所定閾値温度は、次の等式に基づいて計算される。

Ｔ_２＝Ｔ_ｍａｘ−ΔＴ （１）
上式において、
Ｔ_２は、第２の所定閾値温度であり、
Ｔ_ｍａｘは、更新した最高コイル温度であり、
ΔＴは、電流ダンプ時における温度上昇である。

更新した最高コイル温度が、第２の所定閾値温度よりも低い場合には、制御回路２６は、励磁装置から超伝導コイルへの電流を減少させる。まず第１に、ブロック７０で示すように、制御回路は、それによってコイル電流を減少させるべきである所望の量とそれでコイル電流を減少させることになる所望の速度とを決定する。この決定は、コイル電流と最高コイル温度とに基づいて行われる。次にシステムは、ブロック７２で示すように、励磁装置に信号を送信してコイル電流を所望の速度で所望の量だけ減少させる。このコイル電流の減少により、コイル１２が過電流障害状態から保護される。更新した最高コイル温度が第２の所定閾値温度よりも高い場合には、制御回路２６は、ブロック７４で示すように、励磁回路１６のスイッチ３６を開き、ダンプ回路２８を起動させる。このことにより、コイル１２を流れる電流を遮断すること、そしてまたコイル１２内に蓄えられた磁気エネルギーを放出することが可能になる。コイル１２の抵抗加熱は除去される。このようにして、超伝導コイル１２は、クエンチの有害な影響から保護される。

次に図３を参照すると、時間の経過によるコイル温度及びコイルを流れる電流の変化を示し、その全体を参照符号７６で表している。推定温度は、その全体を参照符号７８で表しており、コイル電流は、その全体を参照符号８０で表している。全体として、臨界電流に対するコイル電流の関係と冷却システムによって提供された冷却の量とに基づいて、３つのコイル加熱状態がある。第１の加熱状態は、冷却システムがコイル温度を参照符号８２で表したようなほぼ一定又は定常状態に維持できるようなコイル電流及び臨界電流である時に起こる。参照符号８４で表した第２の加熱状態は、コイル電流が臨界電流よりも大きくて、抵抗加熱を引き起こし、また冷却システムが抵抗加熱を克服できない時に起こる。従ってコイル温度は上昇し始める。参照符号８６によって表した第３の加熱状態は、コイル電流が臨界電流以下に低下して戻り、また抵抗加熱が停止した時に起こる。この時冷却システムは、コイル温度を低下させることができる。

コンピュータモデルは、温度と現在の磁場とに基づいてコイルピーク温度及び臨界電流を推定する。次にコンピュータモデルは、コイル温度を推定することを可能にする熱モデルを使用する。定常状態作動時には、モデルは、コイル１２の温度が一定であることを確認する。過電流状態時には、モデルは、高速熱計算を実行してコイル温度を推定する。過電流状態が生じた時、モデルは、コイルのピーク垂直磁場、最高コイル温度、臨界電流及び抵抗加熱の量を計算する。過電流状態が過ぎた後には、モデルは、コイル電流が臨界電流以下に減少した後の冷却期間中、コイルが定常状態作動温度に達するまで、熱計算を続行する。

図３に示すように、コイル温度が第１の閾値温度を超えた時、励磁装置は、コイルを流れる電流を減少させるように制御される。コイル温度が第２の閾値温度を超えた場合には、励磁回路が開かれ、かつダンプ回路が起動されて、コイルから電力を遮断し、かつコイル内に蓄えられた磁気エネルギーをダンプ抵抗器を介して放出する。それによってコイルの温度は、上昇した温度から定常状態作動温度に低下する。

本明細書では本発明の一部の特徴のみを図示しかつ説明してきたが、当業者には多くの改良及び変更が考えられるであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

本発明の例示的な実施形態による、超伝導ロータコイルと、超伝導ロータコイルを該超伝導ロータコイルにおけるクエンチ発生による損傷から保護するためのクエンチ及び過電流保護システムとを有する電気機械の概略図。 図１の超伝導ロータコイルをクエンチ保護する方法を示すフロー図。 本発明の例示的な実施形態による、最高コイル温度と超伝導コイルを流れる電流との時間に対する変化を示すグラフ図。

符号の説明

１０ 電気機械
１２ 高温超伝導コイル
１４ ロータ
１６ 励磁回路
１８ 冷却媒体ユニット
２０ クエンチ及び過電流保護システム
２２ 電流センサ
２４ 冷却媒体温度センサ
２６ 制御回路
２８ ダンプ回路
３０ 電磁誘導シールド
３２ 冷却媒体流路
３４ 励磁装置
３６、４４ スイッチ
３８、４０ スリップリング
４２ ダンプ抵抗器

Claims (10)

1. 低温冷却媒体によって冷却可能になった超伝導体（１２）と、
   プロセッサベース装置（２６）に結合された低温冷却媒体温度センサ（２４）及び超伝導体電流センサ（２２）を含む超伝導体保護システム（２０）と、
   を含み、
   前記プロセッサベース装置（２６）が、低温冷却媒体温度と前記超伝導体（１２）を流れる電流とに基づいて、超伝導体温度を推定するように動作可能である、
   超伝導装置。
2. 前記プロセッサベース装置（２６）が、前記超伝導体（１２）を流れる電流に基づいて、該超伝導体（１２）によって生成される磁場の磁界強さを推定するように構成されている、請求項１記載の超伝導装置。
3. 前記プロセッサベース装置（２６）が、前記超伝導体（１２）によって生成される磁場の磁界強さと前記推定超伝導体温度とに基づいて、該超伝導体（１２）の臨界電流を推定するように構成されている、請求項２記載の超伝導装置。
4. 前記プロセッサベース装置（２６）が、前記超伝導体（１２）を流れる電流と前記臨界電流との間の差に基づいて、超伝導体温度の変化を推定するようにさらに構成されている、請求項３記載の超伝導装置。
5. 前記プロセッサベース装置（２６）が、前記推定超伝導体温度と前記超伝導体温度の変化とに基づいて、該推定超伝導体温度を更新するように構成されている、請求項４記載の超伝導装置。
6. 超伝導体をクエンチ状態から保護する方法（４６）であって、
   低温冷却媒体によって超伝導体を冷却する段階と、
   低温冷却媒体温度を検出する段階と、
   前記超伝導体を流れる電流を検出する段階と、
   前記超伝導体を流れる電流と前記低温冷却媒体温度とに基づいて、超伝導体温度を推定する段階と、
   前記推定超伝導体温度を閾値温度と比較する段階（６６、６８）と、前記推定超伝導体温度が前記閾値温度を超えている時には前記超伝導体（１２）を保護するための是正処置を開始する段階と、
   を含む方法（４６）。
7. 超伝導体温度を推定する前記段階が、前記超伝導体（１２）を流れる電流に基づいて、該超伝導体によって生成される磁場の磁界強さを推定する段階（５０）を含む、請求項６記載の方法（４６）。
8. 超伝導体温度を推定する前記段階が、前記超伝導体を流れる電流に基づいた前記超伝導体によって生成される磁場の磁界強さと前記推定超伝導体温度とに基づいて、該超伝導体の臨界電流を推定する段階（５４）を含む、請求項７記載の方法（４６）。
9. 超伝導体温度を推定する前記段階が、前記超伝導体を流れる電流と前記推定臨界電流との間の差によって超伝導体温度の変化を推定する段階（５６）を含む、請求項８記載の方法（４６）。
10. 前記是正処置が、前記推定超伝導体温度が第１の閾値温度を超えた時に、前記超伝導体（１２）を流れる電流を減少させるように励磁装置（３４）を制御する段階（７２）を含む、請求項６記載の方法（４６）。

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