JP6727470B1 - Superconducting coil protector - Google Patents
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Abstract
超伝導線材によって構成された複数の超伝導コイル(200a,200b)は、直列接続されて励磁される。超伝導コイルの保護装置(100)は、超伝導コイル(200a,200b)、及び、各超伝導コイル(200a,200b)と並列に接続された第1の保護抵抗(40a,40b)の並列回路において、複数の超伝導コイル(200a,200b)の少なくともいずれかにクエンチが発生したときに、当該並列回路の少なくとも片端を、複数の超伝導コイル(200a,200b)を含んで形成されていた電流経路から電気的に切り離す機構(90)とを備える。A plurality of superconducting coils (200a, 200b) made of superconducting wires are connected in series and excited. The protection device (100) for a superconducting coil includes a superconducting coil (200a, 200b) and a parallel circuit of a first protection resistor (40a, 40b) connected in parallel with each superconducting coil (200a, 200b). In, when a quench occurs in at least one of the plurality of superconducting coils (200a, 200b), at least one end of the parallel circuit is formed to include the plurality of superconducting coils (200a, 200b). A mechanism (90) for electrically disconnecting from the path.
Description
本発明は、超伝導コイルの保護装置に関する。 The present invention relates to a protection device for a superconducting coil.
超伝導コイルは、通常電気抵抗がゼロであるが、磁場や温度の急変等によりコイル内部で超伝導性が失われる異常現象(以下、「クエンチ」とも称する)が発生することがある。クエンチが発生すると、クエンチ発生前の電流が、電気抵抗を有するようになった超伝導コイルを通過する際に消費されるエネルギによって、当該コイルの焼損等が発生する虞がある。 The superconducting coil usually has zero electric resistance, but an abnormal phenomenon (hereinafter also referred to as “quenching”) in which the superconductivity is lost inside the coil due to a sudden change in magnetic field or temperature may occur. When the quench occurs, the current before the quench occurs may be burned or the like due to the energy consumed when passing through the superconducting coil having the electric resistance.
特開平9−93800号公報(特許文献1)には、超伝導コイル電源装置として、励磁電源に直列接続された複数個の超伝導コイルと交互に、クエンチ時に回路を遮断する直流遮断器を直列接続するとともに、コイルの蓄積エネルギを消費する保護抵抗を直流遮断器と並列接続する回路構成が開示されている。特許文献1の構成では、クエンチ発生時には、全ての直流遮断器を一斉に動作させることで、各超伝導コイルを、その蓄積エネルギによる焼損から保護することができる。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 9-93800 (Patent Document 1) discloses, as a superconducting coil power supply device, a plurality of superconducting coils connected in series to an excitation power source, and a DC circuit breaker that alternately disconnects the circuit during quenching in series. There is disclosed a circuit configuration in which a protection resistor that consumes energy stored in a coil is connected in parallel with a DC circuit breaker. In the configuration of Patent Document 1, when a quench occurs, all the DC circuit breakers are operated at the same time, so that each superconducting coil can be protected from burnout due to its stored energy.
しかしながら、特許文献1の回路構成では、直流遮断器が接点間を開放する動作直後において、超伝導コイルの両端に、電流の急変に伴う誘導起電力による大電圧が発生する虞がある。これにより、オフ直後の各直流遮断器70において、開放された接点間に、比較的な大きな電圧が直接印加される虞がある。これにより、各直流遮断器を動作させた瞬間に、開放直後の接点間にアークが発生する虞があり、この結果、電流遮断による保護機能が低下することが懸念される。 However, in the circuit configuration of Patent Document 1, immediately after the operation in which the DC breaker opens the contacts, a large voltage may be generated at both ends of the superconducting coil due to an induced electromotive force due to a sudden change in current. As a result, in each DC breaker 70 immediately after being turned off, a comparatively large voltage may be directly applied between the opened contacts. As a result, at the moment when each DC circuit breaker is operated, an arc may occur between the contacts immediately after the DC circuit breaker is opened, and as a result, there is a concern that the protection function due to the current interruption may deteriorate.
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、超伝導コイルの保護装置において、クエンチ発生時の電流遮断時に、アーク発生による電流遮断効果の低下を抑制することにより、超伝導コイルの保護効果を高めることである。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to reduce the current cutoff effect due to arc generation at the time of current cutoff at the time of quench occurrence in a protective device for a superconducting coil. Is to enhance the protective effect of the superconducting coil.
本発明のある局面では、超伝導コイルの保護装置は、第1の保護抵抗を備える。第1の保護抵抗は、超伝導線材によって構成され、かつ、直列接続されて励磁された複数の超伝導コイルの各々と並列に接続される。保護装置は、更に、各超伝導コイルと第1の保護抵抗との並列回路において、複数の超伝導コイルの少なくともいずれかにクエンチが発生したときに動作して、複数の超伝導コイルを含んで形成されていた電流経路との電気的接続を切り離す機構を備える。 In one aspect of the present invention, the superconducting coil protection device includes a first protection resistor. The first protection resistor is formed of a superconducting wire and is connected in parallel with each of the plurality of superconducting coils that are connected in series and excited. The protection device further includes a plurality of superconducting coils that operate when a quench occurs in at least one of the plurality of superconducting coils in a parallel circuit of each superconducting coil and the first protection resistor. A mechanism for disconnecting the formed electrical connection with the current path is provided.
本発明によれば、クエンチ発生時に電気的接続が切り離された接点間にアークが発生することによる電流遮断効果の低下を抑制することができるので、超伝導コイルの保護効果を高めることができる。 According to the present invention, it is possible to suppress a decrease in the current cutoff effect due to the generation of an arc between the contacts that are electrically disconnected when a quench occurs, so that it is possible to enhance the protection effect of the superconducting coil.
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一又は相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding parts in the drawings will be denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated in principle.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る超伝導コイルの保護装置の構成を説明する回路図である。Embodiment 1.
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a configuration of a superconducting coil protection device according to a first embodiment.
図1を参照して、実施の形態1に係る保護装置100は、直列接続された複数の超伝導コイルの保護装置であって、複数のコンタクタ30と、複数の保護抵抗40とを備える。本実施の形態では、超伝導コイルの分割によって、分割後の複数個の超伝導コイルが直列接続される例を想定して説明する。以下では、説明を簡略化するために、超伝導コイルが2分割された例における保護装置の構成を例示する。
Referring to FIG. 1, a
図1では、保護抵抗40は、複数の超伝導コイルの各々に並列接続される。従って、超伝導コイル200a,200bに対して、保護抵抗40a,40bが並列接続されて、超伝導コイル200及び保護抵抗40の並列回路が2個形成される。
In FIG. 1, the
コンタクタ30は、超伝導コイル200及び保護抵抗40の並列回路の両端に対応して接続される。図1では、3個のコンタクタ30a〜30cにより、超伝導コイル200a,200bをそれぞれ含む上記2個の並列回路の各々について、その両端にコンタクタ30が配置された構成が実現される。各コンタクタ30は、図示しない制御回路からの制御信号に従って接点間の電気的な接続状態(オン状態)及び遮断状態(オフ状態)を切り替える機構(図示せず)を有する。これにより、コンタクタ30a〜30cの各々において、接点間のオン(接続状態)及びオフ(遮断状態)が制御される。
The contactor 30 is connected to both ends of the parallel circuit of the
コンタクタ30a〜30cがオンされた状態で、励磁電源10が動作することにより、超伝導コイル200a,200bが励磁される。これにより、超伝導コイル200a,200bと、オン状態のコンタクタ30a〜30cとを経由した電流Idsが発生する。超伝導コイル200a,200bの電気抵抗がゼロであるため、電流Iscを大電流とすることができる。
The
超伝導コイルの電気抵抗がゼロである通常動作時には、コンタクタ30a〜30cはオン状態に維持されており、電流Iscは、コンタクタ30a〜30cを流れる回路構成となっている。尚、以下では、超伝導コイル200a,200bを包括的に示す場合には、単に、超伝導コイル200と表記するものとする。同様に、他の各回路要素についても、包括的に表記する場合には、添字a,b等を省略して表記するものとする。
During normal operation when the electric resistance of the superconducting coil is zero, the
尚、超伝導コイルの通常動作時において、励磁の完了後に、励磁電源10を停止させること、或いは、励磁電源10を電流経路から切り離すことも可能である。例えば、超伝導線材によって形成された、励磁電源10のバイパス経路を並列に設けることにより、励磁電源10を停止又は切り離しても、電流Iscを継続的に発生することができる。或いは、超伝導線材と他の部材との接続個所での損失等を考慮して、通常動作時にも励磁電源10からの電源供給を接続することも可能である。
During normal operation of the superconducting coil, it is possible to stop the
超伝導コイルには、通常の超伝導状態からの磁場又は温度の変化などによりクエンチが発生することがある。クエンチが発生すると、超伝導コイルは、電気抵抗ゼロの超伝導状態から、通常の導体損失を伴う常伝導状態に変化する。 Quenching may occur in the superconducting coil due to a change in magnetic field or temperature from a normal superconducting state. When a quench occurs, the superconducting coil changes from a superconducting state with zero electrical resistance to a normal conducting state with normal conductor loss.
上述のように、超伝導コイルでは、超伝導線材の電気抵抗がゼロとなるため大電流を流すことができる。磁場は電流量に比例して発生するため、超伝導線材の周囲には、大電流による強力な磁場を発生させることができる。当該磁場により、超伝導コイルの近傍にある磁性体に対して力を加えることができる。例えば、当該磁場は、体内の水分子などの動きを揃えることでMRI(Magnetic Resonance Imaging)に用いることが可能である。 As described above, in the superconducting coil, since the electric resistance of the superconducting wire becomes zero, a large current can flow. Since the magnetic field is generated in proportion to the amount of current, a strong magnetic field due to a large current can be generated around the superconducting wire. By the magnetic field, a force can be applied to the magnetic body near the superconducting coil. For example, the magnetic field can be used for MRI (Magnetic Resonance Imaging) by aligning the movement of water molecules in the body.
しかしながら、超伝導コイルも、周囲の磁性体に力を与えた反作用により力を受ける。物体が動くと必ず熱が発生するため、当該力によって超伝導コイル内の摩擦熱が生ずることで、超伝導コイルが温められることになる。ここで、熱は電子の動きのマクロ的な表現に過ぎず、ミクロ的な表現においては、電子の熱運動はガウス分布に従うことで説明できる。ガウス分布に従うため、微弱な摩擦熱の発生であっても、超伝導線材の中には激しい熱運動をする電子が生じることになる。このような電子がきっかけとなり、その電子の周囲の温度が少し上がり、更に激しい熱運動をする電子が発生する。その現象が連続的に起こり、超伝導コイルの温度が超伝導状態でない領域まで上昇することで、クエンチが発生する可能性がある。このようにクエンチは、摩擦熱に起因して発生するケースが多い。上述のような超伝導線材内で現れる摩擦熱は、常温環境においては熱雑音に埋もれるほど小さいものであるが、数[K]〜100[K]程度の低温下では熱容量が小さくなるため、容易にクエンチの原因となり得る。或いは、超伝導線材を冷却する際に。超伝導線材の熱収縮で超伝導の形状が変化することにより摩擦熱が発生することもある。 However, the superconducting coil also receives a force due to the reaction that gives a force to the surrounding magnetic body. Since heat is always generated when an object moves, frictional heat in the superconducting coil is generated by the force, and the superconducting coil is heated. Here, heat is merely a macroscopic expression of the movement of electrons, and in a microscopic expression, the thermal movement of electrons can be explained by following a Gaussian distribution. Since it follows a Gaussian distribution, even if a weak frictional heat is generated, electrons that undergo a vigorous thermal motion will be generated in the superconducting wire. Such electrons serve as a trigger, and the temperature around the electrons rises slightly, generating electrons that undergo more intense thermal motion. That phenomenon occurs continuously, and the temperature of the superconducting coil rises to a region not in the superconducting state, so that quenching may occur. As described above, quenching is often caused by frictional heat. The frictional heat appearing in the superconducting wire as described above is so small that it is buried in thermal noise in a normal temperature environment, but the heat capacity becomes small at a low temperature of a few [K] to 100 [K], so it is easy. Can cause a quench. Or when cooling the superconducting wire. Friction heat may be generated due to the change of the shape of superconductivity due to the thermal contraction of the superconducting wire.
このように、いつ、どこでクエンチが発生するかを特定することは難しい。従って、クエンチの発生が検知されると、クエンチが拡大する前に迅速に、超伝導コイル200a,200bを含む電流Iscの経路を遮断するとともに、各超伝導コイルに溜まった磁気エネルギを、超伝導コイルの外部で保護抵抗等によって消費することが必要である。これにより、超伝導コイル本体、及び、超伝導コイル冷却用の低温槽内の液体ヘリウム又は液体窒素を保護することができる。
Thus, it is difficult to identify when and where the quench occurs. Therefore, when the occurrence of the quench is detected, the path of the current Isc including the
特に、高温超伝導線材では、クエンチによって温度が上昇した個所で材質が変質するため、超伝導線材自体が破壊される。これは焼損として知られているが、焼損した個所は再利用できないため、再利用できるのはクエンチが発生していない箇所に止まる。上記の電流遮断による保護が適切に実行できないと、超伝導コイル全体にクエンチが広がることにより、超伝導コイル全体が焼損する可能性もある。 In particular, in a high-temperature superconducting wire, the quality of the material changes at a location where the temperature rises due to quenching, so that the superconducting wire itself is destroyed. This is known as burnout, but since the burned part cannot be reused, it can be reused only in the part where quenching has not occurred. If the above-mentioned protection by current interruption cannot be performed properly, quenching may spread over the entire superconducting coil, and the entire superconducting coil may burn out.
一方で、低温超伝導線材は材質が変化し難く、再度冷却すれば、超伝導コイルは再利用可能であることが多い。しかしながら、冷却用の低温槽に格納された液体ヘリウム又は液体窒素が気化によって失われることが問題となる。 On the other hand, the low-temperature superconducting wire is unlikely to change its material, and if cooled again, the superconducting coil is often reusable. However, there is a problem that liquid helium or liquid nitrogen stored in a cooling cryostat is lost by vaporization.
これらの理由から、超伝導コイル200a,200bのいずれかでクエンチが発生した際には、速やかに大電流を遮断することが保護装置に求められる。
For these reasons, the protective device is required to immediately shut off a large current when a quench occurs in either of the
図2には、本実施の形態に係る超伝導コイルの保護装置においてクエンチの発生を検知するための構成例を説明する回路図が示される。 FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a configuration example for detecting the occurrence of quench in the superconducting coil protection device according to the present embodiment.
図2を参照して、超伝導コイル200及び保護抵抗40の並列回路において、検流計45が、クエンチ発生を検知するために、保護抵抗40と直列に接続される。これにより、検流計45a及び保護抵抗40aの直列回路が、超伝導コイル200aと並列に接続されるとともに、検流計45b及び保護抵抗40bの直列回路が、超伝導コイル200bと並列に接続される。
Referring to FIG. 2, in the parallel circuit of the
超伝導コイル200が超伝導状態でその電気抵抗がゼロであるときには、超伝導コイル200及び保護抵抗40の並列回路において、保護抵抗40への分流は発生せず、全電流が超伝導コイル200を流れる。この結果、クエンチが発生していない場合には、検流計45で電流は検出されない。
When the
一方で、クエンチの発生により、超伝導コイル200の電気抵抗がゼロでなくなると、超伝導コイル200及び保護抵抗40の並列回路において、保護抵抗40への分流が発生する。この結果、クエンチが発生すると、検流計45に電流が流れる。従って、超伝導コイル200aにクエンチが発生すると検流計45aで電流が検出され、超伝導コイル200bにクエンチが発生すると検流計45bで電流が検出される。この結果、制御回路(図示せず)によって検流計45a,45bによる検出値を監視することにより、超伝導コイル200a,200bでのクエンチ発生を検出することができる。
On the other hand, when the electric resistance of the
図1の保護装置100では、超伝導コイル200a,200bのいずれかでクエンチの発生が検出されると、コンタクタ30a〜30cの一部又は全部がオフされる。コンタクタ30a及び30bの一方をオフすることで、超伝導コイル200a及び保護抵抗40aの並列回路において、電流Iscの経路との電気的接続を切り離すことができる。特に、コンタクタ30a及び30bの両方をオフすると、当該並列回路の両端を、電流Iscの経路から電気的に切り離すことができるので、超伝導コイルの保護性能が向上する。
In the
或いは、コンタクタ30b及び30cの一方をオフすることで、超伝導コイル200b及び保護抵抗40bの並列回路において、電流Iscの経路電気的接続を切り離すことができる。特に、コンタクタ30b及び30cの両方をオフすると、当該並列回路の両端を、電流Iscの経路から電気的に切り離すことができるので、超伝導コイルの保護性能が向上する。
Alternatively, by turning off one of the
又、コンタクタ30a〜30cの全てをオフすれば、超伝導コイル200a及び保護抵抗40aの並列回路の両端と、超伝導コイル200b及び保護抵抗40bの並列回路の両端との双方を、通常動作時における電流Iscの経路から切り離すことで、超伝導コイルの保護性能を更に向上することができる。
Further, if all of the
実施の形態1において、コンタクタ30a〜30cは、超伝導コイル200及び保護抵抗40の並列回路において、通常動作時の超伝導コイル200a,200bを含む電流Iscの経路との「電気的接続を切り離す機構」の一実施例に対応する。又、保護抵抗40は「第1の保護抵抗」の一実施例に対応する。尚、以下では、説明を簡略化するために、基本的には、いずれかの超電導コイルでクエンチ発生が検知されると、全てのコンタクタ30a〜30cがオフされるものする。
In the first embodiment, the
次に、本実施の形態に係る保護装置でのクエンチ発生の検出時における電流遮断効果を説明するために、特許文献1の回路構成との比較を説明する。図3は、比較例に係る超伝導コイルの保護装置の構成を説明する回路図である。 Next, a comparison with the circuit configuration of Patent Document 1 will be described in order to explain the current interruption effect at the time of detecting the occurrence of a quench in the protection device according to the present embodiment. FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a configuration of a superconducting coil protection device according to a comparative example.
図3を参照して、比較例に係る保護装置100♯は、図1と同様に、複数の超伝導コイル200a,200bの保護装置であって、複数の直流遮断器70と、複数の保護抵抗60とを備える。
Referring to FIG. 3,
比較例に係る保護装置100♯は、図1の保護装置100と比較して、コンタクタ30a〜30cに代えて、直流遮断器70a〜70cを備える点が異なる。更に、保護装置100♯では、特許文献1と同様に、保護抵抗60は、超伝導コイル200ではなく、直流遮断器70と並列接続される。即ち、図3の比較例では、直流遮断器70a〜70cと並列に、保護抵抗60a〜60cが接続される。
比較例に係る保護装置100♯においても、超伝導コイル200a,200bのいずれかでクエンチの発生が検出されると、直流遮断器70a〜70cが動作して接点間を開放(オフ状態)することで、クエンチ発生前に超伝導コイル200a,200bを流れる電流Iscが、保護抵抗60a〜60cを流れることになる。これにより、保護抵抗60a〜60cにより、超伝導コイル200a,200bの蓄積エネルギを消費することができる。
Also in the
一方で、比較例に係る保護装置100♯では、各直流遮断器70をオフした瞬間に、超伝導コイル200a,200bでの電流変化が大きいため、その際の誘導起電力によって超伝導コイル200a,200bの両端に発生する電圧が大きくなる虞がある。これにより、オフ直後の各直流遮断器70において、開放された接点間に、比較的な大きな電圧が直接印加される。この際の印加電圧が、直流遮断器70の当該状態下での絶縁破壊電圧よりも高いと、開放直後の接点間にアークが発生することで、接点間の空間に電流経路が形成されるために直流遮断器70による電流遮断が実行できなくなることが懸念される。
On the other hand, in the
再び図1を参照して、実施の形態1に係る保護装置100では、保護抵抗40a,40bが超伝導コイル200a,200bに並列接続される。このような構成とすることにより、以下に説明するように、コンタクタ30のオフ時に開放された接点間に印加される電圧を低減して、アークの発生を抑制することができる。
Referring again to FIG. 1, in
図4には、実施の形態1に係る保護装置100でのクエンチ発生直後の過渡状態における回路図が示される。
FIG. 4 shows a circuit diagram in the transient state immediately after the occurrence of the quench in the
図4を参照して、クエンチの発生が検知されると、コンタクタ30a〜30cがオンされた状態から、コンタクタ30a〜30cの一部又は全部がオフされる。コンタクタ30のオフには、物理的な機構による接点間の電気的接続の開放動作を伴うため、全てのコンタクタ30a〜30cをオフする場合にも、コンタクタ30a〜30cの間で実際のオフタイミングには差異が生じる。
Referring to FIG. 4, when the occurrence of quench is detected, some or all of the
このため、クエンチ発生直後には、一部のコンタクタ30がオフ(実際に接点間が開放)する一方で、他のコンタクタ30がオン状態である過渡状態が生じる。図4には、一例として、コンタクタ30aが、コンタクタ30b,30cよりも先にオフしたときの過渡状態の回路図が示される。
For this reason, immediately after the occurrence of the quench, a transient state occurs in which some of the contactors 30 are turned off (contacts are actually opened) while the other contactors 30 are turned on. FIG. 4 shows, as an example, a circuit diagram of a transient state when the
図4では、オフ状態のコンタクタ30aが、電気抵抗Rbを有する抵抗素子36によって等価的に示される。抵抗素子36の両端への印加電圧が上記絶縁破壊電圧よりも大きい場合には、アークが発生することにより、コンタクタ30aがオン状態となって電流遮断機能は失われる。電気抵抗Rb(抵抗素子36)は、絶縁破壊が発生する直前における、コンタクタ30の接点間の電気抵抗(以下、絶縁破壊抵抗とも称する)に相当する。
In FIG. 4, the
クエンチが発生した瞬間は、電流及び電圧は、時間変化するため交流とみなすことができる。交流電流は、インダクタンス値の大きい超伝導コイル200a,200bには流れにくい。実施の形態1に係る保護装置100では、超伝導コイル200a,200bと並列に保護抵抗40a,40bが接続されているため、超伝導コイル200a,200bの蓄積エネルギによる上記交流電流は、保護抵抗40a,40bを流れることができる。このため、保護抵抗40a,40bの電気抵抗(インピーダンス)を低くすることで、クエンチが発生していない超伝導コイル200の両端に印加される電圧を低くすることができる。
At the moment when the quench occurs, the current and voltage change with time and can be regarded as alternating current. It is difficult for the alternating current to flow through the
又、コンタクタ30aのオフ時においても、保護抵抗40a,40bによって、超伝導コイル200を流れる電流iの経路が確保されるため、当該電流iの急変を避けることができる。これにより、インダクタンス値Lの超伝導コイル200で発生する誘導起電力に相当する電圧(L・(di/dt))を抑制することができる。従って、超伝導コイル200の両端に生じる電圧が低減されるため、オフ動作するコンタクタ30aにおいて、開放直後の端子間に印加される電圧を抑制することができる。この結果、実施の形態1に係る保護装置100の回路構成によれば、比較例の回路構成と比較して、コンタクタ30のオフ時におけるアーク発生を抑制することができる。
Further, even when the
一般的に、コンタクタ30は、直流遮断器70と比較すると、オン抵抗が低い。一般的には、コンタクタ30のオン抵抗は10[μΩ]程度のオーダである一方で、直流遮断器70のオン抵抗は、1[mΩ]程度のオーダである。 Generally, the contactor 30 has a lower on-resistance than the DC breaker 70. Generally, the on-resistance of the contactor 30 is on the order of 10 [μΩ], while the on-resistance of the DC breaker 70 is on the order of 1 [mΩ].
一方で、コンタクタ30は、直流遮断器70と比較すると、アークが発生し易い。コンタクタ30及び直流遮断器70は共に、少なくとも2つの導体によって構成されており、当該導体間の接触を切り離すことによって、接点間が開放されたオフ状態を形成する。コンタクタ30では、直流遮断器70の様に、当該導体の接触面が真空中又は消弧用のガス中に配置されないため、切り離された導体間において相対的にアークが発生し易くなる。 On the other hand, the contactor 30 is more likely to generate an arc than the DC breaker 70. Both the contactor 30 and the DC breaker 70 are composed of at least two conductors, and by disconnecting the contact between the conductors, an off state in which the contacts are opened is formed. In the contactor 30, unlike the DC circuit breaker 70, since the contact surface of the conductor is not placed in a vacuum or in a gas for extinguishing an arc, an arc is relatively likely to occur between the separated conductors.
言い換えると、実施の形態1に係る保護装置では、上述したようなアーク発生を抑制する回路構成(図1)とすることで、比較例での直流遮断器70に代えて、アークが相対的に発生し易い一方で、オン抵抗が低いコンタクタ30を、クエンチ発生時に超伝導コイル200を含む並列回路において「電気的接続を切り離す機構」として適用可能とするものである。
In other words, in the protection device according to the first embodiment, by using the circuit configuration (FIG. 1) that suppresses the arc generation as described above, instead of the DC breaker 70 in the comparative example, the arc is relatively moved. The contactor 30, which is likely to be generated but has a low on-resistance, can be applied as a “mechanism for disconnecting electrical connection” in a parallel circuit including the
オン抵抗が低いコンタクタ30を用いることにより、クエンチ非発生時におけるコンタクタ30でのジュール熱による発熱量を抑制することができる。発熱量を抑制することで、コンタクタ30についても、超伝導コイル200及び超伝導線材と共通に、液体ヘリウム又は液体窒素が充填された低温槽内に配置することが可能となる。上述の様に、低温下では液体ヘリウム又は液体窒素の熱容量が小さくなるため、オン抵抗の高い素子を「電気的接続を切り離す機構」として用いると、低温槽の外部への配置が必要となるが、これにより、装置構造の複雑化及び効率低下が懸念される。
By using the contactor 30 having a low on-resistance, it is possible to suppress the amount of heat generated by Joule heat in the contactor 30 when no quench occurs. By suppressing the amount of heat generation, it is possible to arrange the contactor 30 in the low temperature tank filled with liquid helium or liquid nitrogen in common with the
次に、保護抵抗40a,40bの電気抵抗について説明する。
図4に示された抵抗素子36、即ち、オフ状態のコンタクタ30の接点間には、超伝導コイル200a,200bの両端間に発生する電圧の和が印加される。上記のように、クエンチ発生時に、超伝導コイル200a,200bのインダクタンスによるインピーダンスが、保護抵抗40a,40bによるインピーダンスよりも十分大きい場合(例えば、10倍程度以上である場合)には、電気抵抗R1,R2による電圧降下量が、抵抗素子36に印加されることになる。Next, the electrical resistance of the
The sum of the voltages generated across the
従って、抵抗素子36の絶縁破壊抵抗Rbよりも、保護抵抗40a,40bの電気抵抗R1,R2の和が小さければ、即ち、Rb>R1+R2であれば、図4の状態で、抵抗素子36及び保護抵抗40a,40bを含む電流経路が形成されても、絶縁破壊によるアークの発生を回避できる。
Therefore, if the sum of the electrical resistances R1 and R2 of the
上記絶縁破壊抵抗Rbは、接点(電極)間の距離、電極及び電極間の材料等で決まるため、正確に定量化することは困難であるものの、一般的には、1[kΩ]以上程度である。但し、確実に絶縁破壊を発生させないためには、(R1+R2)は低い方が好ましい。一方で、R1,R2が小さすぎると、クエンチ発生時に保護抵抗40a,40bに過大な電流が流れることになる。このため、実際には、(R1+R2)が絶縁破壊抵抗Rbよりも数十〜数百[Ω]程度低くなるように、保護抵抗40a,40bの電気抵抗R1,R2を定めることができる。
The dielectric breakdown resistance Rb is difficult to accurately quantify because it is determined by the distance between contacts (electrodes), the material between electrodes and the like, but generally it is about 1 [kΩ] or more. is there. However, a lower value of (R1+R2) is preferable in order not to cause dielectric breakdown reliably. On the other hand, if R1 and R2 are too small, an excessive current will flow through the
比較例のように、超伝導コイル200と並列に保護抵抗40a,40bを接続しない場合には、クエンチが発生した際の等価的な交流電流の周波数f、超伝導コイル200a,200bのそれぞれのインダクタンスL1,L2を用いると、絶縁破壊を発生させないためには、Rb>2・π・f・(L1+L2)とすることが必要となる。周波数fは時間変化するため一定とはならないが、通常1[kHz]程度である。従って、(L1+L2)を100[H]とすると、2・π・f・(L1+L2)は、1[MΩ]程度のインピーダンスとなり、絶縁破壊抵抗Rbよりも十分に高い。このため、コンタクタ30のオフ時に、絶縁破壊によるアークの発生を回避することが困難である。
When the
尚、比較的小さな超伝導コイルを使用したシステムにおいても、通常、(L1+L2)は1[H]以上であり、この場合にも、2・π・f・(L1+L2)は、10[kΩ]程度のインピーダンスとなり、絶縁破壊抵抗Rbの一般的な値として紹介した1[kΩ]程度よりも高い。従って、このような小型システムにおいても、コンタクタ30のオフ時におけるアークの発生を回避することが困難である。 Even in a system using a relatively small superconducting coil, (L1+L2) is usually 1 [H] or more, and in this case, 2·π·f·(L1+L2) is about 10 [kΩ]. Is higher than about 1 [kΩ] introduced as a general value of the dielectric breakdown resistance Rb. Therefore, even in such a small system, it is difficult to avoid generation of an arc when the contactor 30 is off.
図5には、超伝導コイルに対する保護抵抗の接続例を説明する概念図が示される。
図5を参照して、超伝導コイル200の両端に相当するノードNx及びNy間の距離を短くするレイアウトとすることで、ノードNx及びNy間に接続される保護抵抗40を容易に取り付けることが可能となる。FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating an example of connecting a protective resistor to a superconducting coil.
With reference to FIG. 5, the
以上説明したように、実施の形態1に係る保護装置では、複数の超伝導コイル200の各々と並列に保護抵抗40を接続するとともに、クエンチ発生時に、超伝導コイル200及び保護抵抗40の並列回路において、通常動作時の電流Iscの経路の「電気的接続を切り離す機構」を配置する回路構成とすることで、当該機構による電気的接続の切り離し時におけるアーク発生を抑制することが可能となる。これにより、クエンチ発生時に、アーク発生による電流遮断効果の低下を抑制することができるので、超伝導コイル200の保護効果を高めることができる。
As described above, in the protection device according to the first embodiment, the
更に、アーク発生を抑制する回路構成とすることで、アークが発生し易い一方で、オン抵抗が低い電流遮断素子であるコンタクタ30を上記「電気的接続を切り離す機構」として適用することが可能となる。この結果、通常動作時におけるコンタクタ30での発熱量が抑制されることで、「電気的接続を切り離す機構」を、超伝導コイル200及び超伝導線材と共通に低温槽内に配置可能となる。この結果、装置構造の複雑化及び効率低下を回避できる。
Furthermore, by having a circuit configuration that suppresses arc generation, it is possible to apply the contactor 30, which is a current interruption element having low on-resistance while easily generating arc, as the "mechanism for disconnecting electrical connection". Become. As a result, the amount of heat generated by the contactor 30 during normal operation is suppressed, so that the "mechanism for disconnecting electrical connection" can be arranged in the low temperature tank in common with the
尚、実施の形態1では、超伝導コイルが2個の場合を示したが、実施の形態1及び以降で説明する後続の各実施の形態を通じて、超伝導コイルの個数は2以上であれば任意である。通常、超伝導コイルを巻ける距離は決まっているため、電気回路上は単一のコイルであっても分割配置することが多く、この結果、3以上の複数個の超伝導コイルの接続によって、磁場を発生するケースが多い。 Although the case where the number of superconducting coils is two is shown in the first embodiment, the number of superconducting coils is arbitrary as long as the number of superconducting coils is two or more through the first embodiment and each subsequent embodiment described below. Is. Usually, since the winding distance of the superconducting coil is fixed, even if there is a single coil on the electric circuit, it is often arranged in a divided manner. As a result, by connecting three or more superconducting coils, the magnetic field Often occurs.
実施の形態2.
図6は、実施の形態2に係る超伝導コイルの保護装置の構成を説明する回路図である。Embodiment 2.
FIG. 6 is a circuit diagram illustrating the configuration of the superconducting coil protection device according to the second embodiment.
図6を参照して、実施の形態2に係る超伝導コイルの保護装置110は、実施の形態1に係る保護装置100(図1)と比較して、コンタクタ30a〜30cとそれぞれ並列接続される保護抵抗60a〜60cと、保護抵抗40a,40bのそれぞれと直列接続される配置されるスイッチ回路32a,32bと、超伝導コイル200a,200b全体の保護抵抗80とをさらに備える。
6, the superconducting
図6の構成において、スイッチ回路32は「第1のスイッチ回路」の一実施例に対応し、保護抵抗60は「第2の保護抵抗」の一実施例に対応する。更に、スイッチ回路32及び保護抵抗40による直列回路は「第1の直列回路」に対応し、各超伝導コイル200と並列に接続される。
In the configuration of FIG. 6, the switch circuit 32 corresponds to one example of the “first switch circuit”, and the protective resistor 60 corresponds to one example of the “second protective resistor”. Further, the series circuit including the switch circuit 32 and the
保護抵抗40a,40bと、スイッチ回路32a,32bとの直列回路は、超伝導コイル200a,200bに対して並列接続される。保護抵抗80は、超伝導コイル200a,200b及びコンタクタ30a〜30cの直列回路全体に対して、並列接続される。実施の形態2に係る超伝導コイルの保護装置110のその他の部分の構成は、実施の形態1(図1)と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。
A series circuit of the
スイッチ回路32a,32bは、図示しない制御回路からの制御信号に従ってオンオフされる。スイッチ回路32a,32bは、超伝導コイル200a,200bにクエンチが発生していない通常動作時にオンされる。しかしながら、クエンチの非発生時には、超伝導コイル200a,200bの電気抵抗がゼロであるため、全電流が超伝導コイル200a,200bを流れる。従って、スイッチ回路32a,32bには、電流は流れない。このため、スイッチ回路32及び保護抵抗40による直列回路に検流計45a,45b(図2)を配置することで、クエンチの発生を検知することができる。
The
ここで、超伝導コイル200aにてクエンチの発生が検知されたケースを考える。クエンチ発生に応じて、実施の形態1と同様に、まず、コンタクタ30a〜30cがオフされる。コンタクタ30a〜30cのオフ時には、スイッチ回路32a,32bはオン状態に維持される。従って、コンタクタ30a〜30cのオフ時には、超伝導コイル200a,200bに対して保護抵抗40a,40bが並列接続されている。この結果、実施の形態1と同様に、超伝導コイル200a,200bの両端に生じる電圧が抑制されるので、コンタクタ30a〜30cのオフ時におけるアークの発生を抑制することができる。
Here, consider a case where the occurrence of quench is detected in the
コンタクタ30a〜30cのオフ後、スイッチ回路32a,32bがオンからオフに制御オフされる。例えば、コンタクタ30a〜30cのオフ動作開始から、タイマ等で計測される一定時間の経過後に、スイッチ回路32a,32bをオフすることができる。
After the
スイッチ回路32a,32bのオフ後には、超伝導コイル200a,200b、保護抵抗60a〜60c、及び、保護抵抗80による直列回路を流れる電流によって、超伝導コイル200a,200bの蓄積エネルギを消費することができる。
After the
実施の形態1で説明したように、保護抵抗40a,40bの電気抵抗は、コンタクタ30a〜30cのオフ時におけるアークを抑制するために、低く設定することが求められる。従って、超伝導コイル200a,200bの蓄積エネルギを、保護抵抗40a,40bで消費する際の電流量が大きくなることが懸念される。
As described in the first embodiment, the electrical resistances of the
実施の形態2に係る保護装置100では、コンタクタ30a〜30cと並列接続される保護抵抗60a〜60cの電気抵抗の各々は、超伝導コイル200a,200bと並列接続された保護抵抗40a,40bの各々の電気抵抗よりも高く定められる。これにより、コンタクタ30a〜30cのオフ後に、超伝導コイル200a,200bの蓄積エネルギを消費する際の電流量を低減することができる。更に、保護抵抗80を設けることで、当該電流をさらに低減することが可能となる。
In the
尚、保護抵抗40a,40bの電気抵抗が低過ぎると、超伝導コイル200a,200b及びスイッチ回路32a,32bを流れる電流が過大となることで、スイッチ回路32a,32bのオフ時にアークが発生することが懸念される。したがって、保護抵抗40a,40bの各々の電気抵抗は、保護抵抗60a〜60cの各々の電気抵抗に比べ1/10以内とすることが好ましい。
If the electric resistances of the
なお、スイッチ回路32a,32bには、クエンチ発生時に瞬間的に大きな電流が流れることが想定されるが、一般的には数[ms]以下の短時間の通電であるため、電流の耐量が比較的小さい素子を用いることも可能である。例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)又はMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等のパワー半導体素子を用いて、導体間の物理的な開閉動作を伴わない素子によって、スイッチ回路32a,32bを構成することが可能である。この結果、スイッチ回路32a,32bは、直流遮断器70及びコンタクタ30と比較して、高速にオンオフすることができ、又、オンオフ制御も容易である。
It is expected that a large current will momentarily flow through the
一般的に、オンオフの応答速度に関しては、コンタクタは1[ms]程度のオーダであるのに対して、パワー半導体素子は10[ns]程度のオーダであり、パワー半導体素子は、コンタクタに対して、4〜5桁以上の高速動作が可能である。従って、クエンチ発生時には、コンタクタ30a〜30cのオフ確認後、速やかにスイッチ回路32a,32bをオフして、超伝導コイル200a,200bの蓄積エネルギによる電流経路を高抵抗の経路に切替えることが可能である。
Generally, regarding the on/off response speed, the contactor is on the order of 1 [ms], whereas the power semiconductor element is on the order of 10 [ns], and the power semiconductor element is on the order of the contactor. High-speed operation of 4 to 5 digits or more is possible. Therefore, when a quench occurs, after confirming that the
この結果、実施の形態2に係る超電導コイルの保護装置によれば、実施の形態1で説明した効果に加えて、コンタクタ30のオフ後における電流量を低減することができる。この結果、クエンチ発生箇所で発生するジュール熱を低減することにより、超伝導コイルの保護効果を更に高めることができる。 As a result, according to the superconducting coil protection device of the second embodiment, in addition to the effect described in the first embodiment, the amount of current after the contactor 30 is turned off can be reduced. As a result, the effect of protecting the superconducting coil can be further enhanced by reducing the Joule heat generated at the quenching point.
保護抵抗60a〜60c、及び、保護抵抗80は、超伝導コイル200a,200bに蓄えられた全磁気エネルギを消費するために通電されるため、発生するジュール熱も多くなる。従って、保護抵抗60a〜60c、及び、保護抵抗80については、超伝導コイル200a,200bが配置される低温槽の外部に配置し、かつ、冷却機構を設けることが好ましい。
Since the
尚、図6の回路構成において、保護抵抗80の配置を省略することも可能である。或いは、反対に、実施の形態1,及び、後続の各実施の形態では、保護抵抗80を配置しない回路構成を例示するが、各回路構成において、図6と同様に、保護抵抗80を追加接続することも可能である。
It should be noted that the arrangement of the
実施の形態3.
実施の形態3では、クエンチ発生時に超伝導線材を物理的に切断することによって超伝導コイルを保護する回路構成を説明する。Embodiment 3.
In the third embodiment, a circuit configuration for protecting the superconducting coil by physically cutting the superconducting wire when a quench occurs will be described.
図7は、実施の形態3に係る超伝導コイルの保護装置の構成を説明する回路図である。
図7を参照して、実施の形態3に係る超伝導コイルの保護装置120は、実施の形態1に係る保護装置100(図1)と比較して、コンタクタ30a〜30cに代えて、超伝導コイル200a,200bの両端において、超伝導線材を物理的に切断するための切断機90a〜90cを備える点、及び、超伝導コイル200a,200bに対応する保護抵抗42a,42bをさらに備える点で異なる。保護抵抗42は「第3の保護抵抗」の一実施例に対応する。FIG. 7 is a circuit diagram for explaining the configuration of the superconducting coil protection device according to the third embodiment.
Referring to FIG. 7, a superconducting
切断機90a及び90bは、超伝導コイル200aの両端にそれぞれ対応して配置される。同様に、超伝導コイル200bの両端にそれぞれ対応して、切断機90c及び90dが配置される。切断機90は、配置個所の超伝導線材を物理的に切断する。
The
保護抵抗40aは、切断機90aによる切断箇所よりも内側のノードNixと、切断機90bによる切断箇所よりも内側のノードNiyとの間において、超伝導コイル200aと並列に接続される。一方で、保護抵抗42aは、切断機90aによる切断箇所よりも外側のノードNoxと、切断機90bによる切断箇所よりも外側のノードNoyと間において、超伝導コイル200bと並列に接続される。従って、保護抵抗42aは、超伝導コイル200a及び切断機90a,90bの全体による直列回路に対して並列に接続される。
The
保護抵抗40b及び42bと、超伝導コイル200b及び切断機90c,90dとの接続関係は、上述した、保護抵抗40a及び42aと、超伝導コイル200a及び切断機90c,90dとの接続関係と同様である。又、実施の形態3に係る超伝導コイルの保護装置120のその他の部分の構成は、実施の形態1(図1)と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。
The connection relationship between the
図8には、切断機の構成例を説明するための概念的な外観図、図9には、切断機のアクチュエータの構成例を説明する回路図がそれぞれ示される。図8では、切断機90a,90bについて説明するが、超伝導コイル200bに対応する切断機90c,90dについても、切断機90a,90bと同様に構成することができる。
FIG. 8 is a conceptual external view for explaining a configuration example of the cutting machine, and FIG. 9 is a circuit diagram for explaining a configuration example of the actuator of the cutting machine. Although FIG. 8 illustrates the
図8を参照して、切断機90a及び90bの各々は、ネジ92によって固定された2本の刃23を有する。切断機90a,90bは、図9に示されるモータ96の出力によって回転するシャフト15と連結される。刃23は、2本の刃23の間に超伝導コイル200の両端における超伝導線材が位置するように配置される。モータ96は「アクチュエータ」の一実施例に対応する。
Referring to FIG. 8, each of cutting
従って、モータ96の作動によるシャフト15の回転に応じて、ネジ92が軸となって2本の刃23が動作することで、はさみと同様の原理により、超伝導線材が切断される。切断機90a及び90bは、共通のシャフト15と連結されているため、同時に動作する。この結果、超伝導コイル200a及び保護抵抗40aの並列回路の両端において、モータ96の作動に応じて、超伝導線材による電気的接続が同時に切断される。これにより、切断に伴うアークの発生を抑制できる。
Therefore, according to the rotation of the
切断機90の刃23については、非磁性体で作製することによって、超伝導コイル200a,200bが生成する磁場を妨げることを防止できる。更に、切断機90a,90bを絶縁体で作製することにより、超伝導コイル200a,200bに刃23が接触した状態としても、当該状態に安全に保持することができる。このような状態から切断機90a,90bを待機させることで、最小の動作により、短時間で超伝導線材を切断することが可能となる。尚、非磁性、かつ、絶縁体の材料の一例として、セラミックがある。セラミックによって切断機90a,90bを作製することができる。セラミックの成形による切断機90の作製は比較的容易であり、かつ、セラミックは超伝導コイル200a,200bを収納する低温槽内での使用にも特に支障が無い。又、通常、モータ96は低温槽の外に配置され、動力のみが低温槽内部の切断機90a,90bに伝えられる。
The
尚、図8では、切断機90について、はさみの態様の構成を例示したが、文房具のパンチャー等のように一箇所に力を加えると、同時に複数個所で超伝導線材が切断される構造等、超伝導線材を物理的に切断可能であれば、任意の構造を適用することが可能である。尚、切断機90dは、超伝導コイル200と共通に低温槽内に配設することが望ましい。
In addition, in FIG. 8, the configuration of scissors is illustrated for the cutting machine 90, but when a force is applied to one place such as a puncher for stationery, the superconducting wire is cut at a plurality of places at the same time, and the like. Any structure can be applied as long as the superconducting wire can be physically cut. The cutting
図9を参照して、モータ96は、電源配線11及び接地配線12の間に半導体スイッチ97と直列接続される。モータ96の図示しない出力軸は、図8のシャフト15と連結される。半導体スイッチ97は、MOSFET又はIGBT等によって構成することができる。半導体スイッチ97のオンオフは、マイクロコンピュータ98からの制御信号Sgtに従って制御される。
Referring to FIG. 9,
マイクロコンピュータ98は、クエンチを検出するセンサ(例えば、図2の検流計45a,45b)からのセンサ信号に基づき、クエンチの発生を検知する。マイクロコンピュータ98は、クエンチの発生を検知すると、半導体スイッチ97をオンするように制御信号Sgtを生成する。一方で、クエンチの非発生時には、半導体スイッチ97をオフに維持するように、制御信号Sgtは生成される。マイクロコンピュータ98は、「制御回路」の一実施例に対応し、実施の形態1及び2でのコンタクタ30a〜30c及びスイッチ回路32a,32bのオンオフ制御信号についても、上記センサ信号に基づいて生成することができる。
The
図8及び図9の構成により、クエンチ発生が検知されると、制御信号Sgtに応じて、電源配線11からの駆動電流がモータ96に供給されることにより、モータ96の作動に応じて切断機90a,90bが動作して、超伝導線材を切断する。これにより、クエンチ発生に応じて、超伝導コイル200a及び保護抵抗40bの並列回路の両端が電流Iscの経路から電気的に切断される。
With the configuration shown in FIGS. 8 and 9, when the occurrence of a quench is detected, the drive current from the
ここで、モータ96は、制御信号Sgtに応じて高速動作することが望ましい。超伝導線材は抵抗値がゼロとなるため、断面積によって電流容量を持たせる必要がなく、断面積は数[μm2]〜数[mm2]オーダとすることができる。従って、定格電力が50[W]以下の小型モータを使用しても超伝導線材を切断することが可能である。又、小型サーボモータの応答時間は、一般的には2[ms]程度であるが、当該応答時間は定格回転動作の変化が整定するまでの所要時間である一方で、切断機90a〜90dにより超伝導線材を切断するためには、シャフト15が半回転から1回転する程度のモータ出力が得られれば十分である。Here, it is desirable that the
これらを考慮すると、例えば、比較的高速に動作するサーボモータをモータ96として適用した場合には、一般的に、センサ信号の受信から制御信号Sgtの出力するまでに1[μs]以内程度とし、制御信号Sgtの生成からモータ96が回転するまでの時間を1[ms]以内程度とすることが可能である。
Considering these, for example, when a servo motor that operates at a relatively high speed is applied as the
又、モータ96は作動開始後の小さな動作によって超伝導線材を切断できる。このため、動作開始時の駆動電流を増加させる等の制御を加えることで、クエンチ発生検出からの超伝導線材の切断を更に高速化することも可能である。
Further, the
一方で、切断対象となる超伝導線材が太く、切断に必要なトルクが大きいとき、又は、超伝導線材をさらに高速に切断する必要があるとき等に、比較的大型のサーボモータを使用する場合には、停止状態からの起動時に、実際にモータ96の出力軸が回転するまでのデッドタイムが大きくなることが懸念される。
On the other hand, when using a relatively large servomotor when the superconducting wire to be cut is thick and the torque required for cutting is large, or when it is necessary to cut the superconducting wire at a higher speed. However, there is a concern that the dead time until the output shaft of the
このような場合にも、モータ制御による切断の高速化が可能である。上記デッドタイムの要因は、停止状態から作動する際に作用する際の摩擦力である。一般的に、静止摩擦係数が動摩擦係数よりも大きいことを考えると、完全な停止状態からの作動に要するトルクよりも、作動状態から動きを変化させるのに要するトルクの方が小さい。従って、クエンチ非発生時には、切断機90a〜90dによって超伝導線材が切断されない範囲内でモータ96(サーボモータ)を動作させる(例えば、微小角度範囲内での往復動作)とともに、クエンチ発生が検出されると、切断機90a〜90dによって超伝導線材が切断される範囲までモータ96(サーボモータ)を動作させる制御とすることにより、クエンチ発生検出からの超伝導線材の切断を高速化することも可能である。
Even in such a case, it is possible to speed up the cutting by controlling the motor. The cause of the dead time is a frictional force acting when operating from a stopped state. In general, considering that the static friction coefficient is larger than the dynamic friction coefficient, the torque required to change the motion from the operating state is smaller than the torque required to operate from the completely stopped state. Therefore, when the quench does not occur, the motor 96 (servo motor) is operated within a range in which the
実施の形態3に係る保護装置では、コンタクタ30に代えて切断機90を用いることにより、クエンチの非発生時(通常動作)に、コンタクタ30等のオン抵抗によって、超伝導コイル200a,200bを含む電流経路に余分な電気抵抗を付与することがない。この結果、実施の形態1,2で説明した効果に加えて、通常動作時に保護装置で生じる損失(ジュール熱)を抑制することができる。これは、接点間の開放によらず、超伝導線材を物理的に切断することで、超伝導コイル200a,200bを含む並列回路における「電気的に切り離す機構」を実現することによる効果である。
In the protection device according to the third embodiment, the cutting machine 90 is used instead of the contactor 30, so that the
一方で、超伝導線材の物理的な切断は、装置に不可逆的なダメージを与えるため、復帰を早くするためにも切断箇所は少ないほうが望ましい。クエンチ発生時に、通常動作時の超伝導コイル200a,200bを含む電流経路を遮断するためには、当該電流経路のうちの1ケ所で超伝導線材を切断すれば良いことが理解される。尚、図7の回路構成では、各超伝導コイル200の両端に対応して、即ち、2個の超伝導コイル200a,200bに対して、2倍の個数の切断機90a〜90dが配置されているので、特に、クエンチが発生した超伝導コイルの両端を切断することで、クエンチの発生部分と、正常部分とを切り分けることが可能となる。
On the other hand, the physical cutting of the superconducting wire causes irreversible damage to the device, so it is desirable that the number of cutting points is small in order to speed up the recovery. It is understood that in order to interrupt the current path including the
例えば、超伝導コイル200aにクエンチが発生した場合には、切断機90a,90bのみが作動する一方で、切断機90c,90dは停止状態に維持される。この結果、超伝導コイル200bについては、保護抵抗40b,42a,42bによる蓄積エネルギの消費後には再利用することができる。
For example, when the
切断機90の動作後、クエンチが発生した超伝導コイル(例えば、200a)の蓄積エネルギは、当該超伝導コイルと並列接続された保護抵抗(例えば、40a)によって消費される。一方で、クエンチが発生していない超伝導コイル(例えば、200b)の蓄積エネルギは、クエンチが発生した超伝導コイル(例えば、200a)と並列接続された保護抵抗(例えば、42a)によって消費される。 After the operation of the cutting machine 90, the stored energy in the superconducting coil (for example, 200a) in which the quench is generated is consumed by the protective resistance (for example, 40a) connected in parallel with the superconducting coil. On the other hand, the stored energy of the non-quenched superconducting coil (eg, 200b) is consumed by the protective resistance (eg, 42a) connected in parallel with the quenched superconducting coil (eg, 200a). ..
これにより、実施の形態2での保護抵抗60aと同様に、保護抵抗42a又は42bにより、超伝導コイルの蓄積エネルギを消費する際の電流量を低減することができる。上述の様に、図6と同様の保護抵抗80を更に設けることも可能である。保護抵抗42a又は42bの電気抵抗が高いほど、電流量の低減効果は高くなるが、実際には、下記の点を考慮して、電気抵抗を定めることが好ましい。
As a result, similarly to the
具体的には、保護抵抗42a,42bの電気抵抗は、保護抵抗42a,42bに接続された配線の電流許容量に依存して定めることが好ましい。公知のように、配線の電流容量は、配線の太さに比例し、一般的には、定常状態であれば1[mm2]当たりで1[A]程度、瞬時値であれば1[mm2]当たりで10[A]程度である。即ち、配線の断面積が大きい程、大電流を流すことができる。Specifically, it is preferable that the electric resistances of the
一方で、実施の形態2の保護抵抗60a,60bと同様に、保護抵抗42a,42bについては、低温槽内の液体ヘリウム又は液体窒素を気化させないため、低温槽の外部に配置することが想定される。保護抵抗42a,42bの両端の配線は低温槽に接続されることになるため、超伝導コイル200が通常動作しているときにも影響を与える。具体的には、配線が太い程、配線を経由して低温槽の内部に導入される外部熱が大きくなり、液体ヘリウム又は液体窒素の気化を促進することになる。従って、上記配線は細くすることが好ましく、そのためには、保護抵抗42a,42bの電気抵抗を高くする必要がある。
On the other hand, like the
例えば、クエンチ発生時に、超伝導コイル内の磁気エネルギから生じる電流がΔI[A]低減するまでの時間がΔt[s]、超伝導コイル200のインダクタンス値をL[H]とすると、コイルに印加される電圧Vは、L・(ΔI/Δt)で示される。一例として、Δt=1[s]、L=100[H]、ΔI=1[kA]とすると、V=100KVとなる。このとき、保護抵抗42a,42bの電気抵抗を1[MΩ]とすると、電流を100[kV]/1[MΩ]=0.1[A]に抑制することができる。但し、保護抵抗42a,42bでは、大きなエネルギが消費されるため、保護抵抗60a,60b(実施の形態2)と同様に、冷却機構の配置が好ましい。
For example, when a current is generated from magnetic energy in the superconducting coil when the quench occurs and ΔI [A] is reduced, the time is Δt [s], and the inductance value of the
一方で、保護抵抗42a,42bの電気抵抗を大きくすると、電流変化が急激になることが懸念される。超伝導コイル200の蓄積エネルギを消費するための電流の時定数は、超伝導コイル200のインダクタンス値をL、及び、保護抵抗42a,42bの電気抵抗Rを用いて、(L/R)[s]で示される。従って、電気抵抗Rが大きく、時定数が小さいと、切断機90による超伝導線材の切断後の電流の立ち上がり速度が大きくなり、保護抵抗42a又は42bに瞬時にエネルギが流入して、大きな熱が発生することとなる。これらを総合すると、例えば、保護抵抗42a,42bの電気抵抗は、100[Ω]〜100[kΩ]程度とすることができる。この場合には、低温槽との接続配線の断面積を1〜10[mm2]程度とすることができ、通常、超伝導コイルに対して直列に接続される常伝導配線よりも、上記接続配線を細くすることができる。On the other hand, if the electric resistances of the
ここで、保護抵抗42a,42b及び超伝導コイル200a,200bとの距離、及び、保護抵抗42a,42b及び超伝導コイル200a,200bの接続配線長に起因する残留インダクタンスや残留抵抗による電流量の変化は大きな問題とならない。従って、保護抵抗42a,42bで発生するジュール熱が、配線を伝播して、超伝導コイル200a,200b、即ち、低温槽内に流入することを抑制するために、保護抵抗42a,42b及び超伝導コイル200a,200bは、距離を、例えば数[m]程度確保して配置することが望ましい。
Here, the distance between the
又、上記のようにクエンチ発生時に100[kV]の電圧が発生すると、容易に絶縁破壊が生じることで、超伝導コイル200が破損することが懸念される。これに対して、実施の形態3の構成では、上述のように、クエンチが発生した超伝導コイル200の両端が切断機90により同時に切断されることにより、絶縁破壊を発生しにくくすることができる。
Further, as described above, when a voltage of 100 [kV] is generated at the time of quenching, there is a concern that the
絶縁破壊電圧は、距離に反比例するので、1箇所のみを切断する場合には、距離が短く、切断している間に絶縁破壊が発生することとなる。一方で、超伝導コイル200の両端を物理的に同時に切断することによって、絶縁破壊距離を離すことができるため、大きな電位差ができた箇所に対しても安全に切断することができる。理想的には、超伝導コイルの両端を切断するタイミングは同時が望ましいが、実際には、1[ms]以内程度の時間差で両端を切断することが好ましい。上述のように、超伝導コイル200a,200bに対して、保護抵抗40a,40bが並列接続されているため、時間差により超伝導コイル200の一端のみが切断された状態でも電流経路が確保されるため、上記1[ms]程度であればアーク発生の防止効果が期待できるためである。
Since the dielectric breakdown voltage is inversely proportional to the distance, when cutting only one place, the distance is short and the dielectric breakdown occurs during the cutting. On the other hand, by physically cutting both ends of the
尚、図7では、各超伝導コイル200の両端に対応して、即ち、2個の超伝導コイル200a,200bに対して、4個の切断機90a〜90dを配置する構成例を示したが、実施の形態1及び2(図1,図7)の構成において、各コンタクタ30を切断機90に置換する構成とすることも可能である。このような構成とすると、切断機90の配置個数が図7の構成例よりも少なくなる。一方で、図7と同様の保護抵抗42a,42bによって、クエンチが発生していない超伝導コイル200の蓄積エネルギを消費することができなくなるので、上述した、保護抵抗42a,42bによる効果は得られなくなる。
Although FIG. 7 shows a configuration example in which four
又、図7では、1本の長い超伝導線材によって超伝導コイル200a,200bが形成される例を示しているが、2本以上の超電導線材を接続したもので超伝導コイル200a,200bが形成される場合にも、実施の形態3に係る保護装置を適用することが可能である。
Further, although FIG. 7 shows an example in which the
実施の形態4.
図10は、実施の形態4に係る超伝導コイルの保護装置の構成を説明する回路図である。Fourth Embodiment
FIG. 10 is a circuit diagram for explaining the configuration of the superconducting coil protection device according to the fourth embodiment.
図10を参照して、実施の形態4に係る超伝導コイルの保護装置130は、実施の形態1に係る保護装置100(図1)と比較して、保護抵抗40及び超伝導コイル200に対して並列に、スイッチ回路17及び「直流電源」としてのバッテリ31の直流回路が接続される点が異なる。スイッチ回路17及びバッテリ31の直列回路は「第2の直列回路」の一実施例に対応する。
Referring to FIG. 10, a
図10の構成例では、保護抵抗40a及び超伝導コイル200aに対して並列に、スイッチ回路17a及びバッテリ31aの直流回路が接続される。同様に、保護抵抗40b及び超伝導コイル200bに対して並列に、スイッチ回路17b及びバッテリ31bの直流回路が接続される。バッテリ31(直流電源)は、超伝導コイル200に対して、励磁電源10と同じ極性で接続される。
In the configuration example of FIG. 10, the DC circuit of the
スイッチ回路17a,17bは、実施の形態2のスイッチ回路32a,32bと同様に、図示しない制御回路からの制御信号に従ってオンオフされる。スイッチ回路17a,17bは、超伝導コイル200a,200bにクエンチが発生していない通常動作時にはオフされる。これにより、クエンチ非発生時には、実施の形態1と同様の電流経路が形成される。
The
クエンチが発生すると、超伝導コイル200に電気抵抗が生じることで電圧降下が生じる。又、超伝導コイル200の電流iの変化により、超伝導コイル200(インダクタンス値L)の両端には、誘導起電力に相当するL・(di/dt)で示される電圧が生じる。
When the quench occurs, an electric resistance is generated in the
クエンチの発生直後には、超伝導コイル200に生じる電気抵抗は低く、かつ、電流Iscの変化もまだ小さいため、超伝導コイル200の両端に発生する電圧も比較的小さい。従って、クエンチ発生からなるべく短時間でコンタクタ30をオフすることが好ましい。一方で、実際には、クエンチの発生時点から、センサ(図2の検流計45a,45b)からの信号に基づいてクエンチ発生を検出し、更に、クエンチ発生の検出からコンタクタ30又は切断機90によって電流経路を遮断するまでには、時間遅れが発生する。
Immediately after the occurrence of the quench, the electric resistance generated in the
実施の形態4に係る保護装置130では、クエンチの発生が検知されると、クエンチが発生した超伝導コイル200に対応するスイッチ回路17がオンされる。例えば、超伝導コイル200aでのクエンチ発生が検知されると、スイッチ回路17aがオンされる。これにより、クエンチが発生した超伝導コイル(例えば、200a)の両端に対して、誘導起電力と逆極性の直流電圧Vcを印加することができる。
In the
クエンチ発生前には、紙面上左側から右側へ向かう方向に電流Iscが発生している。図10の構成では、クエンチ発生によって電流Iscが減少する際に、Iscからの減少を妨げる方向に、バッテリ31aから電流を供給することができる。この結果、超伝導コイル200での|(di/dt)|を減少することで、超伝導コイル200の両端に生じる電圧を低減することができる。
Before the occurrence of the quench, the current Isc is generated in the direction from the left side to the right side on the paper surface. In the configuration of FIG. 10, when the current Isc decreases due to the occurrence of the quench, the current can be supplied from the
従って、実施の形態4に係る保護装置では、クエンチ発生時にオフされたコンタクタ30の開放された接点間に印加される電圧を、実施の形態1よりも低減することができる。これにより、クエンチ発生の検出に伴う電流遮断時におけるアーク発生の抑制効果が更に高まるので、超伝導コイル200の保護効果を更に高めることができる。
Therefore, in the protection device according to the fourth embodiment, the voltage applied between the opened contacts of the contactor 30 which is turned off when the quench occurs can be reduced as compared with the first embodiment. As a result, the effect of suppressing the occurrence of arc when the current is interrupted due to the detection of the occurrence of quench is further enhanced, so that the effect of protecting the
図10の構成において、コンタクタ30を安全にオフした後は、スイッチ回路17はオフすることができる。これにより、実施の形態1と同様の態様で、超伝導コイル200の蓄積エネルギを消費することが可能である。
In the configuration of FIG. 10, the switch circuit 17 can be turned off after the contactor 30 is safely turned off. Thereby, the stored energy of
尚、スイッチ回路17a,17bには、スイッチ回路32a,32b(図6)と同様に、パワー半導体素子を用いることができる。但し、スイッチ回路17a,17bには、スイッチ回路32a,32b(図6)とは異なり、超伝導コイル200の蓄積エネルギを消費するための電流は直接流れないため、低オン抵抗の素子を選定する必要性は低い。一方で、大電圧が印加される虞があるため、スイッチ回路17a,17bには、SiC(炭化シリコン)等を材料とする高耐圧半導体素子を適用することが好ましい。
A power semiconductor element can be used for the
尚、図10では、実施の形態4として、実施の形態1(図1)の回路構成に対して、スイッチ回路17及びバッテリ(直流電源)31の直列回路(実施の形態4)を組み合わせる例を説明したが、実施の形態2及び3で説明した回路構成の各々に対して、実施の形態4を組み合わせることも可能である。この組み合わせには、実施の形態1及び2において、コンタクタ30を切断機90に置換した回路において、各超伝導コイル200に対して、スイッチ回路17及びバッテリ(直流電源)31の直列回路を並列接続する構成も含まれることを確認的に記載する。
In FIG. 10, as a fourth embodiment, an example in which a series circuit (fourth embodiment) of a switch circuit 17 and a battery (DC power supply) 31 is combined with the circuit configuration of the first embodiment (FIG. 1) Although described, the fourth embodiment can be combined with each of the circuit configurations described in the second and third embodiments. For this combination, in the circuit in which the contactor 30 is replaced with the cutting machine 90 in the first and second embodiments, a series circuit of the switch circuit 17 and the battery (DC power supply) 31 is connected in parallel to each
実施の形態4の変形例.
図11は、実施の形態4の変形例に係る超伝導コイルの保護装置の構成を説明する回路図である。Modification of the fourth embodiment.
FIG. 11 is a circuit diagram illustrating a configuration of a protection device for a superconducting coil according to a modification of the fourth embodiment.
図11を参照して、実施の形態4の変形例に係る超伝導コイルの保護装置140は、実施の形態4に係る保護装置130(図10)と比較して、バッテリ(直流電源)31と並列接続されたキャパシタ33をさらに備える点で異なる。バッテリ31の極性は、図10と同様である。図11の構成例では、並列接続されたバッテリ31a及びキャパシタ33aと、スイッチ回路17aとの直列回路が、超伝導コイル200aに対して並列に接続される。同様に、並列接続されたバッテリ31b及びキャパシタ33bと、スイッチ回路17bとの直列回路が、超伝導コイル200bに対して並列に接続される。保護装置140のその他の構成は、図10の保護装置130と同様であるので詳細な説明は繰り返さない。
Referring to FIG. 11,
図11の構成例では、クエンチ発生前にキャパシタ33がバッテリ31によって充電される。これにより、クエンチ発生時にスイッチ回路17がオンされると、キャパシタ33の充電電荷及びバッテリ31の両方によって、上述した、電流Iscの減少を妨げる方向の電流を供給することができる。これにより、|(dIsc/dt)|の減少効果を高めて、超伝導コイル200の両端に生じる電圧を更に低減することが可能となる。
In the configuration example of FIG. 11, the capacitor 33 is charged by the battery 31 before a quench occurs. As a result, when the switch circuit 17 is turned on when a quench occurs, it is possible to supply a current in a direction that prevents the above-described decrease of the current Isc by both the charge stored in the capacitor 33 and the battery 31. This makes it possible to enhance the effect of reducing |(dIsc/dt)| and further reduce the voltage generated across the
尚、キャパシタ33から供給される電流については、スイッチ回路17の動作によっても制御することが可能である。一般的に、キャパシタの端子間電圧Vの変化量ΔV、当該ΔVに要する時間Δtc、及び、キャパシタの容量値Cを用いると、キャパシタの電流Icは、Ic=C・(ΔV/Δtc)で示される。スイッチ回路17のオン時において、キャパシタ33での上記Δtcは、スイッチ回路17のスイッチング速度、即ち、スイッチ回路17がオフ状態からオン状態に遷移するのに要する時間に依存する。ワイドバンドギャップを有するGaN(窒化ガリウム)又はSiC(炭化シリコン)等を材料するパワー半導体素子を用いてスイッチ回路17を構成することでΔtcは、例えば、1[ns]程度まで短くすることができる。 The current supplied from the capacitor 33 can also be controlled by the operation of the switch circuit 17. Generally, using the amount of change ΔV of the voltage V between terminals of the capacitor, the time Δtc required for the ΔV, and the capacitance value C of the capacitor, the current Ic of the capacitor is expressed by Ic=C·(ΔV/Δtc). Be done. When the switch circuit 17 is on, the Δtc in the capacitor 33 depends on the switching speed of the switch circuit 17, that is, the time required for the switch circuit 17 to transit from the off state to the on state. By configuring the switch circuit 17 using a power semiconductor element made of GaN (gallium nitride) or SiC (silicon carbide) having a wide band gap, Δtc can be shortened to, for example, about 1 [ns]. ..
このようにすると、キャパシタ33の両端電圧が数十[V]のオーダであっても比較的大きな電流を瞬間的に発生することが可能である。この結果、キャパシタ33からの瞬間的な電流供給によって、アーク発生の虞がある過渡期間において超伝導コイル200の両端に生じる電圧を、実施の形態4と比較して更に低減することができる。
By doing so, it is possible to instantaneously generate a relatively large current even when the voltage across the capacitor 33 is on the order of several tens of [V]. As a result, the instantaneous current supply from capacitor 33 can further reduce the voltage generated across
この結果、実施の形態5に係る保護装置では、実施の形態4と比較して、クエンチ発生の検出に伴う電流遮断時におけるアーク発生の抑制効果が更に高まるので、超伝導コイル200の保護効果を更に高めることができる。
As a result, in the protection device according to the fifth embodiment, as compared with the fourth embodiment, the effect of suppressing the arc generation at the time of the current interruption accompanying the detection of the quench generation is further enhanced, so that the protection effect of the
図11では、実施の形態4の変形例として、実施の形態1(図1)の回路構成に対して、並列接続されたバッテリ(直流電源)31及びキャパシタ33と、スイッチ回路17との直列回路を組み合わせる例を説明したが、実施の形態2及び3で説明した回路構成の各々に対して、実施の形態4の変形例を組み合わせることも可能である。 In FIG. 11, as a modified example of the fourth embodiment, a series circuit of a battery (DC power supply) 31 and a capacitor 33 connected in parallel to the circuit configuration of the first embodiment (FIG. 1) and a switch circuit 17 is provided. However, it is also possible to combine the modification of the fourth embodiment with each of the circuit configurations described in the second and third embodiments.
一例として、図12には、実施の形態3と実施の形態4の変形例との組み合わせに係る超伝導コイルの保護装置150の構成例が示される。保護装置150は、実施の形態3二係る保護装置120(図7)において、超伝導コイル200a,200bの各々と並列に、実施の形態4の変形例に係る上記直列回路が接続された回路構成を有する。
As an example, FIG. 12 shows a configuration example of a superconducting
又、実施の形態4と同様に、実施の形態4に係る変形例についても、実施の形態1及び2において、コンタクタ30を切断機90に置換した回路構成と組み合わせることが可能である点について、確認的に記載する。 As in the case of the fourth embodiment, the modification of the fourth embodiment can be combined with the circuit configuration in which the contactor 30 is replaced with the cutting machine 90 in the first and second embodiments. Enter it for confirmation.
実施の形態5.
実施の形態5では、クエンチ発生時に実施の形態4及びその変形例よりも高電圧を超伝導コイル200に印加するための回路構成を説明する。Embodiment 5.
In the fifth embodiment, a circuit configuration for applying a higher voltage to
図13は、実施の形態5に係る超伝導コイルの保護装置の構成を説明する回路図である。 FIG. 13 is a circuit diagram for explaining the configuration of the superconducting coil protection device according to the fifth embodiment.
図13を参照して、実施の形態5に係る超伝導コイルの保護装置160は、実施の形態4に係る保護装置130(図10)と比較して、「直流電源」として高圧回路50を備える点で異なる。高圧回路50の極性は、図10及び図11でのバッテリ31と同様である。
Referring to FIG. 13,
図13の構成例では、スイッチ回路17a及び高圧回路50aの直列回路が、超伝導コイル200aに対して並列に接続され、スイッチ回路17b及び高圧回路50bの直列回路が、超伝導コイル200bに対して並列に接続される。即ち、図12では、スイッチ回路17及び高圧回路50の直列回路が「第2の直列回路」の一実施例に対応する。保護装置160のその他の構成は、図10の保護装置130と同様であるので詳細な説明は繰り返さない。
In the configuration example of FIG. 13, the series circuit of the
高圧回路50a,50bは、例えば、交流電源35a,35bの出力電圧を昇圧した直流電圧を出力可能なコッククロフトウォルトン回路(図14)によって構成することが可能である。
The
図14は、高圧回路50の構成例を説明する回路図である。
図14を参照して、高圧回路50は、入力端子51及び出力端子52の間に直列接続された複数個のダイオード54と、複数個のキャパシタ56とを有する。図14には、一例として、2段型のコッククロフトウォルトン回路が示される。FIG. 14 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the
Referring to FIG. 14, the
入力端子51と接続されたアノードを有する初段のダイオード54と並列に、交流電源35及びキャパシタ56が接続される。2段目以降では、直列接続された2個のダイオードに対してキャパシタ56が並列接続される。最終段のダイオード54のカソードは、出力端子と接続される。この結果、各キャパシタ56には、交流電源35の交流電圧の振幅の2倍に相当する直流電圧が保持されるので、出力端子52からは、交流電圧振幅を昇圧した直流電圧を出力することができる。
The
図13において、高圧回路50a,50bの出力端子52は、スイッチ回路17a,17bと接続され、高圧回路50a,50bの入力端子51は、超伝導コイル200a,200bと接続される。高圧回路50a,50bは、各キャパシタ56が充電された後、交流電源35a,35bと切り離される。その後、クエンチ発生時に、スイッチ回路17a,17bのオンに応じて、高圧回路50a,50bからの出力電圧Vhは、実施の形態3(図10)でのバッテリ31a,31bからの直流電圧Vcと同様に、超伝導コイル200a,200bの両端に印加される。
In FIG. 13, the
特に、図14で例示したコッククロフトウォルトン回路は、蓄積エネルギは小さいものの、簡易な回路構成で瞬間的な高電圧を発生できることが知られており、出力電圧Vhは、バッテリ31(図10)からの直流電圧Vcよりも高くすることができる。又、コッククロフトウォルトン回路の出力電圧Vhは、スイッチ回路17a,17bのオン直後では高電圧である一方で、その後、急速に減衰する。
In particular, it is known that the Cockcroft-Walton circuit illustrated in FIG. 14 can generate an instantaneous high voltage with a simple circuit configuration although the stored energy is small, and the output voltage Vh is from the battery 31 (FIG. 10). It can be higher than the DC voltage Vc. Further, the output voltage Vh of the Cockcroft-Walton circuit is a high voltage immediately after the
これにより、実施の形態5に係る保護装置では、クエンチの発生が検知されたときに、クエンチ発生直後の短時間(例えば、数[ms]〜数十[ms])に限定して、実施の形態4よりも高電圧を超伝導コイル200に印加することができる。これにより、誘導起電力によって生じる超伝導コイル200の両端電圧の低減効果を実施の形態4よりも高めることができる。又、超伝導コイル200に対して高電圧が連続的に印加されることによる焼損の発生を防止することができる。
Thereby, in the protection device according to the fifth embodiment, when the occurrence of the quench is detected, the protection device is limited to a short time immediately after the occurrence of the quench (for example, several [ms] to several tens [ms]). A voltage higher than that of the form 4 can be applied to the
この結果、実施の形態5に係る保護装置では、クエンチ発生時にオフされたコンタクタ30の開放された接点間に印加される電圧を、実施の形態4よりも低減することができるので、クエンチ発生の検出に伴う電流遮断時におけるアーク発生の抑制効果を更に高めることができる。 As a result, in the protection device according to the fifth embodiment, the voltage applied between the opened contacts of the contactor 30 which is turned off at the time of occurrence of the quench can be reduced as compared with the fourth embodiment. It is possible to further enhance the effect of suppressing arc generation when the current is interrupted due to detection.
図14では、実施の形態5として、実施の形態1(図1)の回路構成に対して、並列接続された高圧回路50(直流電源)31及びキャパシタ33と、スイッチ回路17との直列回路を組み合わせる例を説明したが、実施の形態2及び3で説明した回路構成の各々、及び、実施の形態1及び2においてコンタクタ30を切断機90に置換した回路構成の各々に対して、実施の形態5を組み合わせることも可能である。 In FIG. 14, as a fifth embodiment, a series circuit of a high voltage circuit 50 (DC power supply) 31 and a capacitor 33, which are connected in parallel, and a switch circuit 17 is added to the circuit configuration of the first embodiment (FIG. 1). Although an example of combination has been described, the embodiment is applied to each of the circuit configurations described in the second and third embodiments and each of the circuit configurations in which the contactor 30 is replaced with the cutting machine 90 in the first and second embodiments. It is also possible to combine five.
ここで、全実施の形態に共通する超伝導コイルの両端における「電気的接続を切り離す機構」について、さらに説明する。 Here, the "mechanism for disconnecting electrical connection" at both ends of the superconducting coil common to all the embodiments will be further described.
実施の形態1〜3で説明したように、本実施の形態における「電気的接続を切り離す機構」は、少なくともコンタクタ30及び切断機90を含む。上述のように、「電気的接続を切り離す機構」については、クエンチ発生前の電流経路に対して保護装置が付加する電気抵抗が小さいほど望ましい。切断機90については、電気抵抗を付加することなく「電気的接続を切り離す機構」を実現することができる。コンタクタ30は、電磁力による導体間の接触によって接点間の電気的な接続が確保される機構を有する。このため、上述の様に、コンタクタのオン抵抗は10[μΩ]程度のオーダであり、直流遮断器のオン抵抗(一般的には、1[mΩ]程度のオーダ)よりも低い。 As described in the first to third embodiments, the “mechanism for disconnecting electrical connection” in the present embodiment includes at least the contactor 30 and the cutting machine 90. As described above, for the "mechanism for disconnecting the electrical connection", it is desirable that the electrical resistance added by the protective device to the current path before the occurrence of the quench is smaller. With respect to the cutting machine 90, a "mechanism for disconnecting electrical connection" can be realized without adding electric resistance. The contactor 30 has a mechanism that ensures electrical connection between the contacts by contact between the conductors due to electromagnetic force. Therefore, as described above, the on-resistance of the contactor is on the order of 10 [μΩ], which is lower than the on-resistance of the DC circuit breaker (generally, on the order of 1 [mΩ]).
ここで、コンタクタ及び直流遮断器は、少なくとも2つの導体によって構成されており、当該導体間の物理的な接触を切り離すことによって、接点間が開放されたオフ状態を形成する。上述したオン抵抗は、導体間の接触抵抗、及び、導体の寸法に依存する寄生抵抗によって決まる。特に、コンタクタ及び直流遮断器のオン抵抗の差は、導体間の接触抵抗の差によって生じる。 Here, the contactor and the DC breaker are composed of at least two conductors, and by disconnecting the physical contact between the conductors, an OFF state in which the contacts are opened is formed. The above-mentioned on-resistance is determined by the contact resistance between the conductors and the parasitic resistance depending on the dimensions of the conductors. In particular, the difference in ON resistance between the contactor and the DC breaker is caused by the difference in contact resistance between the conductors.
接触抵抗に関して、コンタクタの方が直流遮断器よりも低い理由は、コンタクタが電磁力によって導体間を接触させているのに対して、直流遮断器では機械的に導体間を接触させているためである。通常、導体間の接触抵抗は、導体の断面積、ヤング率、材料、及び、温度が同じである場合、導体間を押し付ける接触力によって変化する。具体的には、当該接触力Ftc[N]に対して、接触抵抗Rtc[Ω]は、1/√(Ftc)に比例することが知られており、接触力が大きくなるにつれて接触抵抗は低くなる。 The contact resistance of the contactor is lower than that of the DC circuit breaker because the contactor makes contact between the conductors by electromagnetic force, whereas the DC circuit breaker mechanically makes contact between the conductors. is there. Generally, the contact resistance between conductors changes depending on the contact force pressing between the conductors when the conductors have the same cross-sectional area, Young's modulus, material, and temperature. Specifically, it is known that the contact resistance Rtc[Ω] is proportional to 1/√(Ftc) with respect to the contact force Ftc[N], and the contact resistance decreases as the contact force increases. Become.
コンタクタにおいては、機械的な力に比べて大きな力の確保が容易である電磁力による押し付け力によって、導体間を接触させることができる。例えば、励磁電流を大きくすることで、容易に導体間を接触するための押し付け力を高めることができる。 In the contactor, it is possible to bring the conductors into contact with each other by the pressing force of the electromagnetic force, which is easier to secure a larger force than the mechanical force. For example, by increasing the exciting current, the pressing force for easily contacting the conductors can be increased.
通常、コンタクタ及び直流遮断器の各々では、導体間を引き離すための付勢力がバネ等によって付加されることにより、ノーマリオフの構造とされる。そして、コンタクタでは、オン時には、当該付勢力とは反対方向に、付勢力よりも大きな上記押し付け力を印加することによって、導体間の接触が確保される。 Normally, each of the contactor and the DC circuit breaker has a normally-off structure in which a biasing force for separating the conductors is applied by a spring or the like. Then, in the contactor, when the contactor is turned on, the contact between the conductors is secured by applying the pressing force larger than the biasing force in the direction opposite to the biasing force.
これに対して、直流遮断器では、付勢力を機械的な機構によりカットすることで、導体間が接触する。例えば、付与力を洗えるバネを押さえつける爪を作動させることで、導体間を接触させて、接点間を電気的に接続することができる。このような構成の相違により、直流遮断器では、コンタクタと比較すると、導体間の接触力を高めることが難しく、その結果、導体間の接触抵抗が高くなる傾向にある。このように、電磁力による導体間の接触によって接点間の電気的な接続が確保されるコンタクタを用いることで、超伝導コイルの両端において可逆的に「電気的接続を切り離す機構」を低いオン抵抗で構成することが可能となる。 On the other hand, in the DC circuit breaker, the urging force is cut by a mechanical mechanism so that the conductors come into contact with each other. For example, by operating a claw that presses a spring that can wash the applied force, the conductors can be brought into contact with each other and the contacts can be electrically connected. Due to such a difference in configuration, in the DC circuit breaker, it is difficult to increase the contact force between the conductors as compared with the contactor, and as a result, the contact resistance between the conductors tends to increase. In this way, by using the contactor that secures the electrical connection between the contacts by the contact between the conductors due to the electromagnetic force, it is possible to reduce the on-resistance of the mechanism that reversibly disconnects the electrical connection at both ends of the superconducting coil. Can be configured with.
コンタクタは、上記電磁力を解除して上記押し付け力を非発生とすることにより、オフすることができる。このような構成とすることにより、電磁力を発生できない停電等の非通電時には、付勢力によるオフ状態が維持されるので、安全に電流を遮断することができる。或いは、コンタクタでは、オフ時において、オン時とは逆方向の電磁力、即ち、付勢力と同じ方向に電磁力を作用させることも可能である。例えば、オン時及びオフ時で、励磁電流の一方を逆方向とすることで、上記の様な電磁力の方向の切替を実現することができる。このような構成とすることにより、低温槽内に配置されたコンタクタで、バネ等による機械的な付勢力が低下しても、コンタクタのオフ状態を確実に形成することが可能となる。 The contactor can be turned off by releasing the electromagnetic force and not generating the pressing force. With such a configuration, the off state due to the urging force is maintained at the time of non-energization such as a power failure in which an electromagnetic force cannot be generated, so that the current can be safely cut off. Alternatively, in the contactor, it is possible to apply the electromagnetic force in the opposite direction to that in the on state, that is, the electromagnetic force in the same direction as the urging force when the contactor is off. For example, by switching one of the exciting currents in the opposite direction at the time of turning on and at the time of turning off, the switching of the direction of the electromagnetic force as described above can be realized. With such a configuration, it is possible to surely form the contactor off state even if the mechanical biasing force of the spring or the like is reduced in the contactor arranged in the low temperature tank.
パワー半導体素子は、数十[ns]程度のオーダで高速にオンオフさせることが可能であるが、オン抵抗は100[mΩ]であるので、「電気的接続を切り離す機構」としては、コンタクタを用いる方が好ましい。尚、コンタクタは、導体間の接触を切り離すことによる接点間の開放には、1[ms]程度の時間を要するが、クエンチ発生時の電流遮断としては問題がない速度で、オフ動作を行うことができる。 The power semiconductor element can be turned on and off at high speed on the order of several tens [ns], but the on-resistance is 100 [mΩ], so a contactor is used as the “mechanism for disconnecting electrical connection”. Is preferred. It should be noted that the contactor takes about 1 [ms] to open the contacts by disconnecting the contacts between the conductors, but the contactor must be turned off at a speed that does not cause any problem in interrupting the current when a quench occurs. You can
又、本実施の形態では、電流遮断機能を有し、かつ、オン抵抗の低いスイッチング素子を、コンタクタ30の代わりに、可逆的に「電気的接続を切り離す機構」として用いることも可能である。例えば、超伝導半導体素子によるスイッチング素子を、「電気的接続を切り離す機構」として用いることも可能である。 Further, in the present embodiment, a switching element having a current interruption function and a low on-resistance can be used as a mechanism for reversibly disconnecting electrical connection instead of the contactor 30. For example, it is possible to use a switching element made of a superconducting semiconductor element as a "mechanism for disconnecting electrical connection".
以上で説明した複数の実施の形態について、明細書内で言及されていない組み合わせを含めて、不整合や矛盾が生じない範囲内で、各実施の形態で説明された構成を適宜組合わせることは出願当初から予定されている点についても、確認的に記載する。 Regarding the plurality of embodiments described above, including the combinations not referred to in the specification, the configurations described in the respective embodiments may be appropriately combined within the range where inconsistency or contradiction does not occur. The points that are planned from the beginning of the application should also be confirmed.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed this time are to be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description but by the scope of the claims, and is intended to include meanings equivalent to the scope of the claims and all modifications within the scope.
10 励磁電源、11 電源配線、12 接地配線、15 シャフト、17a,17b,32a,32b スイッチ回路、23 刃、30a〜30c コンタクタ、31a,31b バッテリ(直流電源)、33a,33b キャパシタ、35a,35b 交流電源、36 抵抗素子、40a,40b,42a,42b,60a〜60c,80 保護抵抗、45a,45b 検流計、50,50a,50b 高圧回路(直流電源)、51 入力端子(高圧回路)、52 出力端子(高圧回路)、54 ダイオード(高圧回路)、56 キャパシタ(高圧回路)、70a,70c 直流遮断器、90a〜90d 切断機、92 ネジ、96 モータ、97 半導体スイッチ、98 マイクロコンピュータ、100,110,120,130,140,150,160 保護装置、200a,200b 超伝導コイル、Isc 電流(超伝導コイル)、Nx,Ny ノード、Rb 絶縁破壊抵抗、Vc,Vh 直流電圧。 10 excitation power supply, 11 power supply wiring, 12 ground wiring, 15 shaft, 17a, 17b, 32a, 32b switch circuit, 23 blades, 30a to 30c contactor, 31a, 31b battery (DC power supply), 33a, 33b capacitor, 35a, 35b AC power supply, 36 resistance element, 40a, 40b, 42a, 42b, 60a-60c, 80 Protection resistance, 45a, 45b Galvanometer, 50, 50a, 50b High voltage circuit (DC power supply), 51 input terminal (high voltage circuit), 52 output terminal (high voltage circuit), 54 diode (high voltage circuit), 56 capacitor (high voltage circuit), 70a, 70c DC circuit breaker, 90a to 90d cutting machine, 92 screw, 96 motor, 97 semiconductor switch, 98 microcomputer, 100 , 110, 120, 130, 140, 150, 160 protection device, 200a, 200b superconducting coil, Isc current (superconducting coil), Nx, Ny node, Rb dielectric breakdown resistance, Vc, Vh DC voltage.
Claims (9)
前記複数の超伝導コイルの各々と並列に接続された第1の保護抵抗と、
各前記超伝導コイルと前記第1の保護抵抗との並列回路において、前記複数の超伝導コイルの少なくともいずれかにクエンチが発生したときに動作して、前記複数の超伝導コイルを含んで形成されていた電流経路との電気的接続を切り離す機構と、
各前記電気的接続を切り離す機構と並列に接続された第2の保護抵抗と、
各前記並列回路において、前記第1の保護抵抗と直列に接続される第1のスイッチ回路とを備え、
各前記並列回路において、前記第1の保護抵抗及び前記第1のスイッチ回路による第1の直列回路は、各前記超伝導コイルと並列に接続され、
前記第1のスイッチ回路は、前記クエンチの発生時に、前記電気的接続を切り離す機構の動作後にオンからオフに制御される、超伝導コイルの保護装置。 A protection device for a plurality of superconducting coils that are composed of superconducting wires and that are connected in series and excited.
A first protection resistor connected in parallel with each of the plurality of superconducting coils;
In a parallel circuit of each of the superconducting coils and the first protection resistor, the superconducting coils are formed to include the plurality of superconducting coils when the quench occurs in at least one of the plurality of superconducting coils. The mechanism to disconnect the electrical connection with the current path,
A second protective resistor connected in parallel with the mechanism for disconnecting each of the electrical connections;
In each of the parallel circuits, a first switch circuit connected in series with the first protection resistor is provided,
In each of the parallel circuits, a first series circuit including the first protection resistor and the first switch circuit is connected in parallel with each of the superconducting coils,
The protection device for a superconducting coil, wherein the first switch circuit is controlled from on to off after the operation of the mechanism for disconnecting the electrical connection when the quench occurs.
前記複数の超伝導コイルの各々と並列に接続された第1の保護抵抗と、
各前記超伝導コイルと前記第1の保護抵抗との並列回路において、前記複数の超伝導コイルの少なくともいずれかにクエンチが発生したときに動作して、前記複数の超伝導コイルを含んで形成されていた電流経路との電気的接続を切り離す機構とを備え、
前記電気的接続を切り離す機構は、
アクチュエータの作動に伴って各前記並列回路の両端の各々において前記超伝導線材自体による電気的接続を物理的、かつ、不可逆的に切断する切断機構を有する、超伝導コイルの保護装置。 A protection device for a plurality of superconducting coils that are composed of superconducting wires and that are connected in series and excited.
A first protection resistor connected in parallel with each of the plurality of superconducting coils;
In a parallel circuit of each of the superconducting coils and the first protection resistor, the superconducting coils are formed to include the plurality of superconducting coils when the quench occurs in at least one of the plurality of superconducting coils. It has a mechanism to disconnect the electrical connection with the current path,
The mechanism for disconnecting the electrical connection is
A protection device for a superconducting coil, which has a disconnecting mechanism for physically and irreversibly disconnecting an electrical connection by the superconducting wire itself at each of both ends of each parallel circuit according to the operation of an actuator.
前記複数の超伝導コイルの各々と並列に接続された第1の保護抵抗と、
各前記超伝導コイルと前記第1の保護抵抗との並列回路において、前記複数の超伝導コイルの少なくともいずれかにクエンチが発生したときに動作して、前記複数の超伝導コイルを含んで形成されていた電流経路との電気的接続を切り離す機構とを備え、
前記電気的接続を切り離す機構は、
アクチュエータの作動に伴って各前記並列回路の両端の各々において前記超伝導線材を物理的に切断する切断機構を有し、
前記保護装置は、
各前記超伝導コイルにそれぞれ対応して設けられた第3の保護抵抗をさらに備え、
前記第1の保護抵抗は、前記切断機構による前記超伝導線材の切断個所よりも内側のノードにおいて前記超伝導コイルに対して並列接続され、
前記第3の保護抵抗は、前記切断個所よりも外側のノードにおいて前記超伝導コイルに対して並列接続される、超伝導コイルの保護装置。 A protection device for a plurality of superconducting coils that are composed of superconducting wires and that are connected in series and excited.
A first protection resistor connected in parallel with each of the plurality of superconducting coils;
In a parallel circuit of each of the superconducting coils and the first protection resistor, the superconducting coils are formed to include the plurality of superconducting coils when the quench occurs in at least one of the plurality of superconducting coils. It has a mechanism to disconnect the electrical connection with the current path,
The mechanism for disconnecting the electrical connection is
A cutting mechanism that physically cuts the superconducting wire at each of both ends of each parallel circuit with the operation of an actuator;
The protection device is
Further comprising a third protection resistor provided corresponding to each of the superconducting coils,
The first protection resistor is connected in parallel to the superconducting coil at a node inside the cutting point of the superconducting wire by the cutting mechanism,
The third protective resistance, the cutting points are connected in parallel to the superconducting coils on the outside of the nodes than the superconducting coil protective device.
アクチュエータの作動に伴って各前記並列回路の両端の各々において前記超伝導線材を物理的に切断する切断機構、又は、
電磁力による導体間の接触によって接点間を電気的に接続する一方で、当該電磁力の除去、又は、前記導体間を接触させる向きとは逆方向の電磁力の発生によって前記接点間を開放するコンタクタを有する、請求項1記載の超伝導コイルの保護装置。 The mechanism for disconnecting the electrical connection is
A cutting mechanism that physically cuts the superconducting wire at each of both ends of each parallel circuit according to the operation of an actuator, or
The contacts are electrically connected by contact between the conductors by the electromagnetic force, while the contacts are opened by removing the electromagnetic force or generating an electromagnetic force in a direction opposite to the direction of contact between the conductors. The superconducting coil protector according to claim 1, further comprising a contactor.
前記直流電源及び前記第2のスイッチ回路による第2の直列回路は、前記超伝導コイルに対して並列に接続され、
前記直流電源は、前記複数の超伝導コイルを励磁するのと同じ極性で接続され、
前記第2のスイッチ回路は、前記クエンチの発生時において、オフからオンに制御される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の超伝導コイルの保護装置。 Further comprising a DC power supply and a second switch circuit arranged in each of the parallel circuits,
A second series circuit including the DC power source and the second switch circuit is connected in parallel to the superconducting coil,
The DC power supply is connected with the same polarity as exciting the plurality of superconducting coils,
The superconducting coil protection device according to claim 1, wherein the second switch circuit is controlled from OFF to ON when the quench occurs.
前記高圧回路は、前記交流電源の出力電圧を昇圧して得られた電圧を出力する、請求項6記載の超伝導コイルの保護装置。 The DC power supply includes a high voltage circuit connected to an AC power supply,
The superconducting coil protection device according to claim 6, wherein the high-voltage circuit outputs a voltage obtained by boosting an output voltage of the AC power supply.
前記検流計の出力に基づく前記クエンチの発生の検知に応じて、前記電気的接続を切り離す機構を動作させるコントローラとを更に備え、
各前記並列回路において、前記第1の保護抵抗及び前記検流計を含む直列回路は、各前記超伝導コイルと並列に接続される、請求項1〜8のいずれか1項に記載の超伝導コイルの保護装置。 In each of the parallel circuits, a galvanometer connected in series with the first protection resistor,
Further comprising a controller that operates a mechanism that disconnects the electrical connection in response to detecting the occurrence of the quench based on the output of the galvanometer,
In each said parallel circuit, the series circuit containing the said 1st protection resistance and the said galvanometer is connected to each said superconducting coil in parallel, The superconductivity of any one of Claims 1-8. Coil protector.
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