JP4490788B2 - 超電導電流リードのクエンチ検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、超電導コイルに電流を供給する際、高温超電導体を用いた超電導電流リードのクエンチを効果的に検出する超電導電流リードのクエンチ検出装置の改良に関する。

超電導電流リードのクエンチ検出装置は、何らかの原因で、超電導電流リードにおける高温超電導体が超電導状態から常電導状態に転移し、発熱を開始したとき、その電圧上昇を検出し、検出信号に基づいて電源をＯＦＦさせる機能を持たせたものである。

このような機能を持つ超電導電流リードのクエンチ検出装置は、超電導体の電圧を計測し、実計測値と予め定められた許容値とを比較し、許容値を超えた場合、電源をＯＦＦさせる信号を出力させており、その構成として、例えば図３に示す構成のものがある。

液体ヘリウムに浸漬された超電導コイル１と常温環境下におかれた励磁用電源２との間には、高温超電導物質で作製された酸化物超電導体としての超電導電流リード３が両端に電極４を備えて設けられている。

このような構成を備える超電導電流リード３において、クエンチを検出する超電導電流リードのクエンチ検出装置は、電極４のそれぞれに電圧タップ５をそれぞれ設け、電圧計測装置６で電圧を計測し、常電導電圧検出装置７で計測電圧値と予め定められたしきい値とを比較し、計測電圧値が予め定められたしきい値を超えたときクエンチが発生していると判定し、励磁用電源２に電流ＯＦＦの指令を出す構成になっている。

このような構成の超電導電流リードのクエンチ装置は、通電電流が一定の場合、酸化物超電導体としての超電導電流リード３の常電導転移に伴う電圧上昇を比較的良好に検出できる点で好まれて多く採用されている。

また、クエンチを検出する他の手段には、特開平７−２９４５８２号公報や特開平８−１５３６１８号公報に見られるように、交流電流路に流れている電流に感応して電流位相を９０°推移した電圧を発生させる電圧発生手段を設けたものやロゴスキーコイルを設けたものなどが提案されている。ロゴスキーコイルの場合、通電電流が変化したとき、電流リードの両端電圧が誘導電圧によって変化するので、その変化を打ち消すために設けたものである。
特開平７−２９４５８２号公報 特開平８−１５３６１８号公報

ところで、液体窒素温度以上の温度で超電導状態に転移する、例えばイットリウム等の高温超電導材を用いる超電導電流リードでは、超電導材と銅等の電極との接続部分に接続抵抗が発生する。この接続抵抗は、超電導状態になることがない。このため、通電中、電極との間の接触抵抗に基づく電圧が発生する。接触抵抗は、通常、１μΩ程度であり、１０００Ａの通電に際し、約１ｍＶの電圧が発生する。

このような接触抵抗に対し、常電導転移を確実に検出するには、電圧タップ５を高温超電導材そのものに装着することが望ましいものの、高温超電導材が機械的強度の点で弱いことを考慮すると、電圧タップ５を装着するには高度の技術が必要となる。

また、電力機器の高電圧化に伴い、高温超電導材に、直接、電圧タップ５を装着し、その上で絶縁対策を講じても、常電導転移を確実に検出することは難しい。

このため、従来は、電極を含んだ電圧を計測し、計測した電圧の変化に応じて常電導転移の判定を行っていた。

ここで、常電導転移の有無を確認するしきい値は、超電導電流リードの高性能化、高電流密度化に伴い、検出すべき電圧レベルが低下し、近時、１ｍＶ程度とされている。

ところで、超電導コイルを用いて電力系統の瞬間的電力低下を補償する最近の超電導エネルギ貯蔵装置は、上述構成の超電導電流リードを用いるようになってきた。

この種のエネルギ貯蔵装置は、動作時、超電導コイルへの通電電流が変化する。尤も、交流電力機器とは異なって、定常時、一定の電流が流れており、動作時にのみ、電流が変化するだけである。

また、この種のエネルギ貯蔵装置は、動作時に補償する電力量に応じて電流が変化するパターンが変わる。このため、超電導電流リードの接触抵抗に基づく電圧の変化は、通電電流の変化に応じて種々変化している。

その際、変化する電圧は、接触抵抗に基づく電圧、つまり最大１ｍＶ程度になっている。

したがって、常電導転移の有無の判定は、電極と超電導体との間の接触抵抗に基づく電圧レベルと同様の電圧に変化しているため、接触部の接触抵抗に基づく直流電圧の変化と、超電導電流リードの常電導転移に伴う電圧上昇とを区別することが難しくなっている。

この電圧変化は、誘導電圧に基づくノイズではなく、超電導体と電圧タップとの間の接触抵抗に起因するものであり、電流が流れることによって必然的に発生するものである。

従来、電流が変化する場合、常電導転移の有無の判定に際し、しきい値を大きくするか、あるいは部品や素線が焼損した場合、断線を防ぐ保護回路を並列に接続する等の手段を講じていた。但し、保護回路を並列に接続していると、極低温部への侵入熱がより一層多くなる等の問題を抱えていた。

本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、高温超電導電流リードのクエンチを、通電電流が変化する条件下におかれても、常電導転移を確実にして的確に検出できる超電導電流リードのクエンチ検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る超電導電流リードのクエンチ検出装置は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、励磁用電源からの電流を超電導コイルに与える超電導電流リードと、この超電導電流リードに設けた電極の電圧タップの電圧を計測する電圧計測装置と、前記超電導電流リードを流れる電流を計測する電流検出装置と、この電流検出装置で計測した電流に基づいて前記電極の電圧降下を算出する電圧降下算出装置と、前記電圧計測装置で計測した電圧と前記電圧降下算出装置で算出した電圧降下に基づいて前記超電導電流リードの電圧を算出する常電導電圧算出装置と、この常電導算出装置で算出した電圧が予め定められた時間以上継続したとき、前記励磁用電源に遮断指令を出す常電導電圧検出装置を備えたものである。

また、本発明に係る超電導電流リードのクエンチ検出装置は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、前記電流検出装置は、入力側にコイル電流を測定するための分流装置を備えたものである。

また、本発明に係る超電導電流リードのクエンチ検出装置は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、前記分流装置と電流検出装置の間に断線検出装置を備えたものである。

また、本発明に係る超電導電流リードのクエンチ検出装置は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、前記電圧計測装置と前記電圧タップとの間に断線検出装置を備えたものである。

また、本発明に係る超電導電流リードのクエンチ検出装置は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、前記常電導電圧算出装置と電圧降下算出装置との間にバランス調整装置を備えたものである。

本発明に係る超電導電流リードのクエンチ検出装置は、電圧タップの電圧を計測する電圧計測装置と、超電導電流リードを流れる電流を計測する電流検出装置と、この計測した電流に基づいて電極の電圧降下を算出する電圧降下算出装置と、計測した電圧タップの電圧と算出した電圧降下とに基づいて超電導電流リードの電圧を算出する常電導電圧算出装置と、この算出した電圧が予め定められた時間以上継続したとき、励磁用電源に遮断指令を出す常電導電圧検出装置を備えたので、超電導コイルに与えられる電流が変化する場合であっても、接触抵抗により発生する電圧を電流に応じて算出することにより、常電導転移を確実にして的確に検出することができる。

以下、本発明に係る超電導電流リードのクエンチ検出装置の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

図１は、本発明に係る超電導電流リードのクエンチ検出装置の第１実施形態を示す概略結線図である。なお、図１は、励磁用電源１１から超電導コイル１０に電流を与える際、途中に超電導電流リード１２を用いる例であるが、この場合、超電導コイル１０を収容する容器等の周辺機器を省略している。

本実施形態に係る超電導電流リード１２は、両端に低抵抗金属で作製された電極１３を備えている。

この低抵抗金属で作製された電極１３と超電導電流リード１２との接続部分は、比較的大きな接触抵抗が発生するので、通電によって電圧が発生している。

電極１３には、電圧タップ１４が装着されている。そして、電圧タップ１４の電圧は、電圧計測装置１５によって計測されている。

また、本実施形態は、励磁電源１１から超電導電流リード１２を介して超電導コイル１０に与えられる電流を電気回路に設けた電流計測用の分流装置（シャント抵抗）１６を介して電流検出装置１７で検出する構成になっている。

電流検出装置１７は、計測した電流値を電圧降下算出装置１８に与えている。電圧降下算出装置１８は、計測した電流値に基づいて超電導電流リード１２の電極１３の電圧降下を算出している。

すなわち、電圧降下算出装置１８は、計測した電流値Ｉと、電極１３の抵抗値ｒとから、Ｉ×ｒを算出している。この抵抗値ｒは、外部から自由に設定することができる定数である。

電圧降下算出装置１８で電圧降下（Ｉ×ｒ）と電圧計測装置１５で計測された電圧（Ｖｔоｔ）とに基づいて超電導電流リード１２の電圧（Ｖｓｃ）を算出する。具体的には、電圧（Ｖｓｃ）は電圧チップ１４の電圧（Ｖｔоｔ）から電圧降下（Ｉ×ｒ）を差し引くことによって算出している。

超電導電流リード１２の電圧（Ｖｓｃ）が算出されると、常電導電圧検出装置２０は、その電圧（Ｖｓｃ）が予め定められた時間以上、継続するかの有無を判断し、その電圧（Ｖｓｃ）の発生時間が予め定められた時間を超えている場合、励磁用電源１１にＯＦＦ指令を与えて遮断させる。

このように、本実施形態は、励磁用電源１１から超電導電流リード１２を介して超電導コイル１０に電流を与える際、超電導電流リード１２における電極１３の電圧タップ１４の電圧を電圧計測装置１５で計測するとともに、励磁用電源１１から超電導コイル１０に与えられる電流を分流装置（シャント抵抗）１６を介して電流検出装置１７で計測し、電圧降下算出装置１８で計測した電流値に基づいて電圧タップ１４の電圧降下を算出し、算出した電圧降下値と上述電圧計測装置１５で計測した電圧とに基づいて超電導電流リード１２の電圧を算出し、算出された電圧値が所定の電圧値を超え予め定められた時間以上継続するかの有無を判断し、その電圧値の発生時間が予め定められた時間を超えたとき、常電導電圧算出装置２０から励磁用電源１１にＯＦＦの遮断指令を与える構成にしたので、超電導コイル１０に与えられる電流が変化する場合であって、常電導転移を確実にして的確に検出でき、超電導コイルに安定運転を行わせることができる。

図２は、本発明に係る超電導電流リードのクエンチ検出装置の第２実施形態を示す概略結線図である。

本実施形態に係る超電導電流リードのクエンチ検出装置は、励磁用電源１１から超電導電流リード１２を介して超電導コイル１０に与える電流を検出する分流装置（シャント抵抗）１６と電流検出装置１７との間および電圧タップ１４と電圧計測装置１５との間に、計測用リード線の断線の有無を検出する断線検出装置２１を設けるとともに、電圧降下算出装置１８と常電導電圧算出装置１９との間に、電圧降下算出装置１８で算出した電圧値のうち、計測誤差分を少なくさせるように調整するバランス調整装置２２を設けたものである。

断線検出装置２１は、図４に示すように、超電導電流リード電圧２３を計測するための絶縁アンプ２４への入力ラインに、内部電源２５、内部高抵抗２６および電圧計２７で構成する回路になっている。そして、正常時においては、内部高抵抗２６により微小な電流が流れている。但し、電流値は、数ｍＡ程度である。

一方、超電導電流リードには、超電導コイルへの通電電流が流れており、その電流値は一般的に１００Ａから数ｋＡ程度であり、断線検出装置２１からの電流値は無視できる。

したがって、正常時において、電圧計２７には、超電導電流リードの接触抵抗による電圧（数ｍＶ程度）が計測される。この状態において、万一、計測用リード線が断線した場合、内部電源２５（例えば１５Ｖ）が、電圧計２７によって検出される。この電圧変化によって断線は検出される。

なお、電圧降下算出装置１８と常電導電圧算出装置１９との間に設けたバランス調整装置２２は、計測誤差分を少なくさせるものであるが、その具体的手順を次のように行っている。

まず、超電導コイル１０に与えられる電流を一定値に維持させる。そのとき、電圧降下算出装置１８の出力を計測する一方、バランス調整装置２２で接触抵抗による電圧降下分の値を調整し、常電動電圧算出装置１９の出力をゼロに近づけるように較正して誤差分を少なくさせている。

なお、他の構成要素は、第１実施形態の構成要素と同一なので、同一符号を付して重複説明を省略する。

図５は、本発明に係る超電導電流リードのクエンチ検出装置の機能の関連を示す図である。

図５において、電流リード電圧は、電圧計測装置１５の出力、通電電流は電流検出装置１７の出力である。電流検出装置１７の出力に対し、抵抗値ｒ（設定値）を乗ずるのが電圧降下算出装置１８である。

また、バランス調整装置２２では、たとえば、ポテンショメータ等を用いて構成し、接触抵抗の値を較正する。ここでは、正常時における電圧を計測しながら、ポテンショメータを調整し、バランス電圧の正常状態からのずれが最も小さくなるように接触抵抗の値を較正する。

このように、本実施形態は、励磁用電源１１から超電導コイル１０に与えられる電流値を計測する電流計測ラインの分流装置（シャント抵抗）１６と電流検出装置１７との間および電圧タップ１４と電圧計測装置１５との間に断線検出装置２１を設けるとともに、電圧降下算出装置１８と常電導電圧算出装置１９との間にバランス調整装置２２を設けたので、計測用リード線の断線を確実に検出することができるとともに、定格通電時における誤差電圧を非常に小さくさせて常電導転移を的確に検出することができ、超電導コイル１０に安定運転を行わせることができる。

本発明に係る超電導電流リードのクエンチ検出装置の第１実施形態を示す概略結線図。 本発明に係る超電導電流リードのクエンチ検出装置の第２実施形態を示す概略結線図。 従来の超電導電流リードのクエンチ検出装置を示す概略結線図。 本発明に係る超電導電流リードのクエンチ装置に適用する断線検出装置を示す概略結線図。 本発明に係る超電導電流リードのクエンチ装置の機能関連を示す図。

符号の説明

１ 超電導コイル
２ 励磁用電源
３ 超電導電流リード
４ 電極
５ 電圧タップ
６ 電圧計測装置
７ 常電導電圧検出装置
１０ 超電導コイル
１１ 励磁用電源
１２ 超電導電流リード
１３ 電極
１４ 電圧タップ
１５ 電圧計測装置
１６ 分流装置（シャント）
１７ 電流検出装置
１８ 電圧降下算出装置
１９ 常電導電圧算出装置
２０ 常電導電圧検出装置
２１ 断線検出装置
２２ バランス調整装置
２３ 超電導電流リード電圧
２４ 絶縁アンプ
２５ 内部電源
２６ 内部高抵抗
２７ 電圧計

Claims (5)

1. 励磁用電源からの電流を超電導コイルに与える超電導電流リードと、この超電導電流リードに設けた電極の電圧タップの電圧を計測する電圧計測装置と、前記超電導電流リードを流れる電流を計測する電流検出装置と、この電流検出装置で計測した電流に基づいて前記電極の電圧降下を算出する電圧降下算出装置と、前記電圧計測装置で計測した電圧と前記電圧降下算出装置で算出した電圧降下に基づいて前記超電導電流リードの電圧を算出する常電導電圧算出装置と、この常電導算出装置で算出した電圧が予め定められた時間以上継続したとき、前記励磁用電源に遮断指令を出す常電導電圧検出装置を備えたことを特徴とする超電導電流リードのクエンチ検出装置。
2. 前記電流検出装置は、入力側にコイル電流を測定するための分流装置を備えたことを特徴とする請求項１記載の超電導電流リードのクエンチ検出装置。
3. 前記分流装置と電流検出装置の間に断線検出装置を備えたことを特徴とする請求項２記載の超電導電流リードのクエンチ検出装置。
4. 前記電圧計測装置と前記電圧タップとの間に断線検出装置を備えたことを特徴とする請求項１記載の超電導電流リードのクエンチ検出装置。
5. 前記常電導電圧算出装置と電圧降下算出装置との間にバランス調整装置を備えたことを特徴とする請求項１記載の超電導電流リードのクエンチ検出装置。

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