JPH0393205A - 超電導体のクエンチを検出する受動センサー - Google Patents

超電導体のクエンチを検出する受動センサー

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JPH0393205A
JPH0393205A JP2230473A JP23047390A JPH0393205A JP H0393205 A JPH0393205 A JP H0393205A JP 2230473 A JP2230473 A JP 2230473A JP 23047390 A JP23047390 A JP 23047390A JP H0393205 A JPH0393205 A JP H0393205A
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superconducting
transformer
coil
passive sensor
circuit
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JP2230473A
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English (en)
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Jr George T Mallick
ジョージ・セオドル・マリック，ジュニア
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CBS Corp
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Westinghouse Electric Corp
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/001—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for superconducting apparatus, e.g. coils, lines, machines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
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    • Y10S505/725—Process of making or treating high tc, above 30 k, superconducting shaped material, article, or device
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  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超電導体における抵抗性領域またはクエンチ（
ｑｕ６ｎｃｈ）を検出するセンサーに関し、さらに詳細
には超電導と非超電導コンポーネントの両方を用いてク
エンチを検出する受動センサーに関する。
超電導磁石および超電導インダクターは高磁界を発生可
能であり、それゆえ大量のエネルギーを貯蔵できる。超
電導インダクターは超電導電流路において抵抗或いはジ
ュール加熱によるエネルギーの損失がないためこれらの
目的に関しは非常に高い効率を有する。いずれの超電導
材料も所与の周囲磁界に対してそれ以上の温度になると
超電導性を失う臨界温度Ｔ　を有する。超電導材料のＣ 或る領域が超電導性を失うと（即ち、通常の状態或いは
クエンチが生じると）、その通常或いは抵抗性または非
超電導領域においてジュール加熱が生じる。この領域が
充分に小さいか或いは冷却が充分な場合、発生した熱は
放散されるため超電導状態に復帰する。
゛かかる領域が充分に大きなものであってかなりのジュ
ール熱が生じ熱を放散するシステムの能力を越えると、
その通常の抵抗性領域が伝ばんして大きくなり、インダ
クター或いは磁石の一部にさらに大きなエネルギーが放
散されてインダクターまたは磁石が重大な損傷を受ける
突発的状態が生じる。この暴走状態が生じるとインダク
ターまたは磁石に蓄えられた全磁気エネルギーが制御を
失って一部の領域に放出され、インダクターの磁石を損
傷すると共に負荷へ損害を与えることがある。
インダクターまたは磁石が非常に重要な軍事的用途を有
する装置の一部である場合には、動作停止となり、これ
はとうてい容認できないことである。
しかしながら、クエンチを早期に検出すると、磁石或い
はインダクターに蓄えられたエネルギーを制御しながら
放散させることが可能となる。エネルギーの放出は種々
の態様で行うことが可能であり、その一例としてダンプ
抵抗を用いるか或いは磁石またはインダクター全体を制
御して通常の抵抗性領域とすることができる。過熱によ
る突発的な損傷をこのようにして回避する。
一般的に、超電導インダクターはいかなる電流路も自己
インダクタンスを有することを考えると超電導材料で形
成した任意の電流路により構成される。超電導インダク
ター、特に超電導エネルギー貯蔵インダクターは一般的
にソレノイドまたはトロイドと呼ばれるコイル状に形成
される。超電導インダクターの特殊なケースである超電
導磁石は、発生する磁界が適当な形を有するようさらに
複雑な形状に構成するのが普通である。
超電導磁石或いはインダクターに発生した通常の領域を
検出しその位置を確認するための方法が幾つか存在する
。その主要なものは一連の電圧タップを利用するもので
ある。超電導材料で形成したコイルに沿う幾つかの点に
おいて電圧計により電圧を測定し、その電圧に生じる変
化と通常の抵抗性領域の発生による抵抗率の変化とを相
関させる。しかしながら、電圧タップを用いるこの方法
の重大な欠点は、通常の抵抗性領域に関連する抵抗性電
圧に加えて超電導インダクターにコイルの充電及び放電
に起因する誘導性電圧が生じることである。これらの“
共通モード”゜誘導性電圧は可変であり磁界の変化と共
に変化する。また、これらの通常の、抵抗性領域はそれ
らがまだ小さいとき検出する必要があるため、クエンチ
による抵抗性電圧降下は非常に小さくて普通１．０−２
．０ボルトであるが、２つの電圧タップ間の共通モード
誘導性電圧は普通それよりも格段に大きくて数十キロボ
ルトの大きさになることがある。
電圧タップを用いる場合、タップによって測定される電
圧から誘導性電圧を除去するためなんらかの方法を用い
る必要がある。普通、その信号を基準電圧と比較して誘
導性電圧を減算により除去する。いずれにしても、２つ
の電圧測定値、即ち全部が誘導性である電圧とほとんど
誘導性であるが小さい抵抗性も有するもう一方の電圧と
を減算操作してｂその小さい抵抗性成分を取り出す。
上述したように、インダクターの端子の上端に生じる誘
導性電圧は通常動作時数十キロボルトになることがある
。これは実用的なセンサはこれらの非常に高い共通モー
ド電圧の下で効率的に作動できる必要があることを意味
する。このため、電圧タップにクエンチの測定／検出の
ために固着される任意の電子コンポーネントがこれらの
高い誘導性電圧の下で動作するよう設計する必要があり
、このためこれらの任意の電子コンポーネントに重大な
制約が課される。また、これらのコンポーネントは電圧
タップの近傍に配置されることがあるため、高い磁界内
、好ましくは極低温で動作する必要がある。
従って、動作及び静止状態のもとて超電導体のクエンチ
を上述した電圧タップを用いる方法に付随する問題点を
伴わずに容易に検出できるセンサーを開発することが望
まれる。
一般的に、本発明は超電導コンポーネントと通常または
非超電導コンポーネントの両方を用いてクエンチを検出
する受動センサーに関する。このセンサーは受動コンポ
ーネントを用いるため信頼性及び安定性が非常に高く非
常に広いダイナミックレンジを有する。ダイナミックレ
ンジが広いということは、センサーの感度が大きな誘導
性電圧のような超電導コイルからの高い共通モード電圧
が存在する場合でも維持されることを意味する。
本発明のセンサーは電気的隔離を行うために磁気結合を
利用し、これにより上述した共通モード電圧に付随する
問題を克服する。このセンサーは他のセンサーと比較し
てコストを低くできる簡単な構成のコイルを用いること
により動作できる。
本発明の受動センサーは、好ましくはクエンチを検出す
る超電導コイルの２つの好ましくは隣接した電圧タップ
に電気的に接続された第１の回路を有する。この第１の
回路は幾つかの非超電導性素子を利用すると共に抵抗性
素子を含むのが好ましい。この第１の回路は第１の超電
導性またはノ＼イブリッド変成器により第２の回路に磁
気結合される。第２の回路は超電導性であり、超電導読
取りコイルと好ましくはその第１の変成器と直列に接続
された第２の超電導性またはハイブリッド変成器を有す
る。第２の変成器は超電導コイルの磁束変化を測定する
コイルに磁気結合される。読取りコイルは読取りコイル
の磁束変化を測定する読取り装置に磁気結合されている
。本発明の開示の目的のため、このハイブリッド変成器
はその一次巻線が通常または非超電導材料で作られ、二
次巻線が超電導材料で作られている。
以下、添付図面を参照して本発明を実施例につき詳細に
説明する。
多巻超電導コイルｌにおいて、Ｎ番目とＮ＋１番目の巻
回部とのあいだに生じるクエンチを検出することがしば
しば望まれる。電圧タップ２及び３をそれぞれＮ番目と
Ｎ＋１番目の位置でその超電導コイル１に取り付けるこ
とができる。この電圧タップは第１の回路４の一部を形
成し、この回路には抵抗性素子Ｒ　とそれと直列の第１
の変成ｐ 器５が含まれる。変成器５は超電導変成器及びハイブリ
ッド変成器のいずれでもよい。抵抗性素子Ｒ　は第１の
回路４を流れる電流を制限するようｐ に作用してセンサーの感度を決定する。第１の変成器が
超電導性である場合、第１の回路４において生じるすべ
ての熱損失はＲ　に集中する。第１ｐ の回路にはそれに印加される電圧（即ち、Ｎ番目とＮ＋
１番目の巻同部における電圧タップ間の）電圧と比例す
る電流■　が流れるが、これは第１ｐ の変成器５の一次巻線６の誘導性リアクタンスが低いか
らである。この一次巻線６は好ましくは任意の外部磁界
（即ち、超電導コイルの磁界）に打ち消しモードで結合
されるように物理的に整列した関係にある２つの同一部
分により構成されるのが好ましい。この構成によると、
一次巻線６全体はいかなる外部磁界にも実質的に結合し
なくなる。
第１の変成器５の二次巻線７は一次巻線６にのみ結合さ
れ任意の外部磁界には結合しないように設計されている
ため、一次巻線６と同様な構成を有する。しかしながら
、一次巻線６と二次巻線７との間の重要な相違は、二次
巻線７が必ず超電導ワイヤで作られていることである。
実際、第１の変成器５の二次巻線７に接続された第２の
回路８全体は超電導性コンポーネントから形成される。
第２の回路８の抵抗がゼロであるため、第１の回路４か
ら変成器５を介して第２の回路８に磁束が結合されるこ
とにより誘導電流が流れる。第２の回路８には周波数が
例えゼロであっても一次巻線の電流■　に比例する電流
Ｉ２１が流れる。
ｐ かくして第２の回路８を流れる総電流Ｉ２＝Ｉ　　＋１
　　である。■２１は第２の回路８を流れる２１　　　
２２ 電流の、超電導コイル１のＮとＮ＋１番目との間の電圧
に正確に比例する成分である。この電流は第２の回路８
と電圧タップ２及び３とが物理的に直接に接続されてい
なくても流れるため、共通モード電圧の問題を事実上取
り除く。Ｉ２、の式は以下の通りである。
１　　　＝Ｍ　　　●　■・ ２１　　　　１２　　　　ｐ ＝Ｍ　　　＠Ｖ　　　／Ｒ １２　　　　ｎ　　　　ｐ ＝Ｍ　　　［Ｉ　　　　−Ｒ＋Ｌ　　　●ｄＩ　　　　
］１２　　　　ｃｏｉｌ　　　　　　　ｎ　　　　　　
ｃｏｉｌＲｐ　　　　　　　　　　ｄｔ Ｍ１２は第１の変成器５の相互インダクタンス、■　は
電圧タップ２と３との間の電圧、Ｉ　　はｎ　　　　　
　　　　　　　　　　　　　ｃｏｉｌ超電導コイル１を
流れる電流、Ｌ　は電圧タップｎ ２と３との間における超電導コイル１のインダクタンス
、Ｒ　は電圧タップ２と３との間におけるｎ 超電導コイル１の抵抗である。
第２の回路８には他の電流も誘導的に結合される場合が
ある。例えば、第２のハイブリッド変成？９をその一次
巻線１０がその誘導性リアクタンスと比較して高い一次
抵抗を有する非超電導ワイヤからなるように構成するこ
とが可能である。一次巻線１０は超電導コイル１を流れ
る電流に結合されるループ回路に接続される。このルー
プ回路にはレンツの法則にしたがって電圧が誘導され、
これが第２の変成器９の一次巻線１０に、ｄｒ　　　／
ｄｔに正確に比例する電流■．　を生ｃｏｉｌ　　　　
　　　　　　　　　　　ｘｎｄぜしめる。第２の変成器
９の二次巻線１１は超電導材料により形成され、第１の
変成器５の二次巻線７と直列に接続されている。第２の
変成器９により第２の回路８に発生される電流或分（■
２■）の式は以下の通りである。
１＝Ｍ　　　ｆｉｎｄ ２２ ＝αＭｄＩ／ｄｔ ２２　　　ＣＯｉｌ 上式において、Ｍ２２は第２の変成器９の相互インダク
タンス、αは定数である。
比例定数を物理的位置付け及び寸法を適当に選ぶことに
より選択すると、その結果第２の回路８に流れる電流を
電圧タップ２と３との間の抵抗性電圧降下だけに依存さ
せることが可能となる。
Ｔ＝Ｉ＋Ｉ＝ＭＩＲ＋ ２　　　２１　　　２２　　　１２　　ｃｏｉｌ　　ｎ
Ｒ ｐ （Ｍ　　　Ｌ　　　＋αＭ）ｄｌ　　　　／ｄｔ１２　
　　ｎ　　　　　　２２　　　　　　ｃｏｉｌＲ ｐ ＝一ａＭ２２ 抵抗性電圧降下Ｒ　はもちろんクエンチが発生すｎ ると変化する。超電導状態ではＲ　　＝０、しかしｎ なから超電導が消滅するとＲ　≠０となる。
ｎ 第２の回路８の電流■２は直流をサンプルするホール効
果センサーのような読取り装置１２により極低温状態で
サンプルすることができるし、或いはそのセンサーの静
的性能は関係ないので、読取り装置１２として普通の電
子装置を用いて読取りコイル１３の電流の変化を１秒ま
たはそれより早いタイムスケールで観察することが可能
である。
本発明の受動超電導センサーは非常に高い磁界で動作可
能であるが、センサーとその変成器５、９に対して低い
磁界環境を与える超電導材料のシールドを構成すること
も可能である。これにより変成器と超電導コイル１の磁
界との間の結合の回避がさらに容易となる。これにより
センサーの感度は上昇する。第２の変成器９を用いる場
合、システムは超電導コイルに種々の理由で存在するこ
とがある高い誘導性電圧にはほとんど感応しなくなる。
センサーのバランスの微調整は必要ならば超電導ベーン
（ｖａｎｅｓ）の機械的な操作或いはコイルの再配置を
行うことにより容易に達成できる。一旦セットすると再
調整はほとんど必要でなく、センサーは較正された状態
を保つ。
１つのセンサーを用いて超電導コイル１の一対の電圧タ
ップ２と３との間におけるクエンチを検出することによ
りそのクエンチの位置決定の精度を最大限にすることが
好ましい。しかしながら、第２の回路８を多数のかかる
センサーを直列接続したものにより構成することも可能
であるが、この場合位置決定情報を失う代わりに超電導
コイル１においてクエンチが何処に生じようとも感度を
保持できる。
本発明の現在において好ましいと思われる実施例を添付
図面を参照して詳しく説明したが、本発明は頭書の特許
請求の範囲に含まれる限り他の態様で実施可能であるこ
とは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の受動センサーのブロック図を示す。 １・・・超電導コイル ２、３・・・電圧タップ ４・・・第１の回路 ５・・・第１の変成器 ８・・・第２の回路 ９・・・第２の変成器 １２・・・読取り装置 １３・・・読取りコイル

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）複数の電圧タップを有する超電導コイルのクエン
    チを検出する受動センサーであって、超電導コイルの２
    つの電圧タップに電気的に直列接続され第１の変成器の
    一次巻線を有する第１の回路と、第１の変成器により前
    記第１の回路に磁気的に結合されるように第１の変成器
    の二次巻線と読取りコイルとが直列に接続された超電導
    素子より成る第２の回路と、読取りコイルに磁気結合さ
    れた読取り装置と、一次巻線が超電導コイルの磁束変化
    を検出するループ回路内にあり、それと磁気結合された
    超電導二次巻線が前記第２の回路と直列に接続された第
    ２の変成器とより成ることを特徴とする受動センサー。
  2. （２）前記第１の回路が直列抵抗素子を含むことを特徴
    とする請求項第１項に記載の受動センサー。
  3. （３）前記第１の変成器がハイブリッド変成器であるこ
    とを特徴とする請求項第２項に記載の受動センサー。
  4. （４）前記第１の変成器が超電導変成器であることを特
    徴とする請求項第３項に記載の受動センサー。
  5. （５）前記読取り装置が読取りコイルを流れる電流の変
    化を測定することを特徴とする前記第１乃至４項に記載
    の受動式センサー。
  6. （６）前記第２の変成器がハイブリッド変成器であるこ
    とを特徴とする請求項第１項又は第５項に記載の受動セ
    ンサー。
  7. （７）前記第２の変成器が超電導変成器であることを特
    徴とする請求項第１項または第５項に記載の受動センサ
    ー。
  8. （８）前記読取り装置がホール効果センサーであること
    を特徴とする請求項第１乃至７項のうち任意のものに記
    載した受動センサー。
  9. （９）前記センサーが極低温で作動されることを特徴と
    する請求項第１項に記載の受動センサー。
  10. （１０）前記センサーが超電導材料のシールドにより形
    成された低磁界環境において作動されることを特徴とす
    る請求項第９項に記載の受動センサー。
  11. （１１）前記第１の回路が直列抵抗素子を含むことを特
    徴とする請求項第１０項に記載の受動センサー。
  12. （１２）前記第１および第２の変成器がハイブリッド変
    成器であることを特徴とする請求項第１１項に記載の受
    動センサー。
  13. （１３）前記第１および第２の変成器が超電導変成器で
    あることを特徴とする請求項第１１項に記載の受動セン
    サー。
  14. （１４）前記読取り装置が読取り回路を流れる電流の変
    化を測定するホール効果センサーであることを特徴とす
    る請求項第１２項または１３項に記載の受動センサー。
JP2230473A 1989-08-31 1990-08-30 超電導体のクエンチを検出する受動センサー Pending JPH0393205A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US401,589 1989-08-31
US07/401,589 US4996472A (en) 1989-08-31 1989-08-31 Passive superconducting quench detection sensor

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JPH0393205A true JPH0393205A (ja) 1991-04-18

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ID=23588354

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2230473A Pending JPH0393205A (ja) 1989-08-31 1990-08-30 超電導体のクエンチを検出する受動センサー

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US (1) US4996472A (ja)
EP (1) EP0415710B1 (ja)
JP (1) JPH0393205A (ja)
CA (1) CA2024319A1 (ja)
DE (1) DE69013824T2 (ja)

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