JPH0396833A - 超電導体クエンチ検出用液圧式センサー - Google Patents

超電導体クエンチ検出用液圧式センサー

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JPH0396833A
JPH0396833A JP2230475A JP23047590A JPH0396833A JP H0396833 A JPH0396833 A JP H0396833A JP 2230475 A JP2230475 A JP 2230475A JP 23047590 A JP23047590 A JP 23047590A JP H0396833 A JPH0396833 A JP H0396833A
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JP
Japan
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working fluid
sensor
superconductor
pressure
sealed tube
Prior art date
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Pending
Application number
JP2230475A
Other languages
English (en)
Inventor
William R Wolfe
ウィリアム・リチャード・ウォルフェ
James R Logan
ジェームス・ランドール・ローガン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CBS Corp
Original Assignee
Westinghouse Electric Corp
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Publication date
Application filed by Westinghouse Electric Corp filed Critical Westinghouse Electric Corp
Publication of JPH0396833A publication Critical patent/JPH0396833A/ja
Pending legal-status Critical Current

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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

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  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
  • Testing Electric Properties And Detecting Electric Faults (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通常の領域またはクエンチを
検出しその位置を測定するセンサーに関し、さらに詳細
には液圧式センサーに関する。
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」二の温度になる
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）、その通常或いは祇抗性または非
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ぱんして大きくなり、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５ 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かある。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ＩＩ−．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６ 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ＬＦ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、車江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１．０２
、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太きくて数十キロボ
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。
しばしば、多数の電圧タップを用いて通常の領域の位置
を測定することがある。通常、これらの電圧タップはイ
ンダクタコイルの巻同部間に配置される。しかしながら
、その分解能は２つの電圧タップ間において通常の領域
の位置を特定する能力に制限される。かくして、２つの
′屯比タツブ間における通常の領域の相対的位置の測定
は不可能である。土つの巻回部山における通常の領域が
発生したことを突きとめる能力は、大量のエネルギーを
貯蔵するための超電導インダクターまたは磁石のコイル
の■っの巻同部の直径が６００フィート乃至１０００フ
ィートになることかあることを考えると、かかる能力を
備えることが望ましい。　導管内にケーブルのある導体
につきクエンチの検出を行う別の方式が提案されている
。
Ｌ．　Ｄｒｅｓｎｅｒ，　　”Ｑｕｅｎｃｈ　Ｄｅｔｅ
ｃｔｉｏｎ　ｂｙ　ＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃ　Ｍｅａ
ｎｓ　ｉｎ　Ｃａｂｌｅ−ｉｎ−ＣｏｎｄｕｉｔＳｕｐ
ｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ”を参照されたい。導管内に
９　− ケーブルを含んだ導体とは、超電導導体が導管内に収容
されその導管内を冷媒が流れる構成の導体である。これ
とは対照的に、プール冷却型導体は冷媒のプール内に置
かれる。導管内にケーブルを含む導体に通常の領域が生
じると、通常の領域と接触関係にある冷媒か加熱される
。冷媒が加熱されると、ｌ１｛カパルスが導衿に沿って
イム達され冷奴源または導管のシンクのところで検出さ
れる。この方法は、導管内にケーブルを含む導体を用い
た超電導インダクターだけに適用可能であると言う制約
がある。また、導管は動的流体系であるため圧力パルス
の測定を行うにつき種々の困難がある。
冷媒源の圧力のような、通常の領域の発生とは無関係な
状態に起因する圧力変化を考慮に入れる必要がある。さ
らに、この方法の精度は超電導インダクターに沿う通常
の領域の相対的位置を決定できないという限界がある。
従って、上述の問題点なしにクエンチを容易に検出でき
るだけでなくそのクエンチの位置を正確に測定可能な、
動作および静止状態のもとての超１０ 電導体のクエンチ検出およびその位置測定センサーを開
発することが望ましい。
一般的に、本発明は超電導体におけるクエンチの検出お
よびその位置測足を行う液圧式センザーに関する。この
液圧式センサーは、通常の領域が発生する可能性のある
超電導体に隣接して設けられる密封管よりなる。この密
封クコ１の内部にはヘリウムのような作動流体が充填さ
れ、この作動流体は問題の温度範囲に亘って蒸気圧が顕
著に変動する。作動流体を密封管へ供給する手段もまた
設けることが可能である。作動流体の蒸気托の変化を検
出する圧力センサーを密封管の各端部に配置し、各圧力
センサーに計算回路を接続して、各圧力センサーが作動
される時点間の時間差に基づき超電導体内におけるクエ
ンチの位置を測定する。
超電導体の通常動作時、その超電導体とそれに隣接する
液圧式クエンチ検出センサーは同一温度状態にある。ク
エンチが発生すると、その発生箇所から熱が熱仏導によ
りセンサーの密封管へ急辿に伝達される。密封管内の温
度が上昇するにつれ、作動流体の蒸気圧が変化する。こ
の圧力変化は密封管に沿って作動流体山を音波の速度で
伝達される。この圧力変化は密封管の各端部に異なる時
点において到達し、そこで圧力センサーが検出を行う。
超電導体は、インダクターまたは磁石にみられるコイル
の形状にするのが好ましい。この場合、密封管はコイル
と共に巻回して密封管とコイルとの間の接触が最大にな
るようにし、これにより熱の伝達を促進させる。
超電導体と共に巻回した液圧式クエンチ検出センサーは
２つの異なるモードで動作可能である。
第１のモードでは、１つの圧力センサーを密封管に沿う
任意のところに配置してその管の任意のところで発生し
たクエンチを検出することができる。
第２の圧力センサーをこの測定に用いる必要はないが、
第１のセンサーの読みを検証するために用いてもよい。
しかしながら、密封管の各端部に１つずつ合計２個の圧
力センサーを用いて、クエンチ開始領域の相対的位置を
測定できるようにするのが好ましい。簡単な計算により
、このクエンチ開始領域を圧力パルスが密封管の各端部
の圧力センサーに到達する時間差から求めることができ
る。
さらに、本発明の液圧式センサーはセンサー自体の故障
の検知を行うためのセンサー診断に容易に適応できる。
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。
第１図を参照して、本発明の液圧式センサーはインダク
ターまたは磁石の形をした超電導導体２と共に巻回した
管王よりなる。この管の内部には、問題の温度領域に亘
って圧力が顕著に変化する超流動ヘリウムのような作動
流体が充填されている。
問題の温度範囲によっては、液体水素、液体窒素または
液体ヘリウムのような他の作動流体を用いることも可能
である。管１内の作動流体は超電導体２の冷却に用いる
過冷状態の冷媒と同じものを選ぶのが好ましい。
管１−の各端部４および５は密封状態にある。管１は通
常動作時そのまわりの圧力とは異なる圧力」３ に加圧（または減圧）されている。圧力検出器６および
７は管の各端部４および５にそれぞれ配置される。管１
は加比および作動流体に生じる圧力変化に十分に耐える
ことのできる丈夫な材料で形成する必要がある。
通常動作時、超電導導体とそれと共に巻回した液圧式ク
エンチ検出センサーは超電導導体２の冷却に用いる過冷
冷媒の温度にある。導体２にクエンチが発生すると、熱
がセンサーの管１へ急速に伝達される。管１内の温度は
急速に上昇し、これにより作動流体の蒸気圧が急速に変
化する。この蒸気圧の変化は管１に沿って作動流体内を
音波の速度で伝達される。圧力変化は管１の端部４およ
び５に伝達され、そこで圧力センサーの６および７によ
りそれぞれ検出される。
上述したように、液圧式クエンチ検出センサーは２つの
異なるモードで動作可能である。第↓のモードでは、１
つの圧力センサー８を用いて管１に沿う任意の点におい
てクエンチが生じたか否かだけを検出することができる
。このセンサー８は１４　一 管に沿う任意の場所に或いは管の端部４または５に配置
することが可能である。１個の圧力センザー６を管の端
部４に配置した堝合、’＋”＋’のもうー・方の端部５
に配置した第２の圧力センサー７を用いて圧力センサー
６の読みを確認することができる。
第２の動作モードでは、液圧式センサーはクエンチの発
生を検出することに加えてその発生箇所を特定できる。
圧力変化がセンサーの管１の各端部４および５に到達し
た到達時間の差を測定することにより、クエンチ開始領
域の位置を計算回路９によりこれらの到達時間の差と下
に示す他の既知のパラメータとを用いて計算することが
できる。
クエンチ開始領域と圧力信号が最初に到達した端部との
間の距離は 」二式においてΔｔは管１の２つの端部４および５に圧
力信号が到達した時間の差を表し、■は通常の動作状態
における液圧式センサー内の作動流体の音波の速度を表
し、また長さは管１の一方の端部から他方の端部までの
全長を表す。同様に、クエンチ開始領域と圧力信号が最
後に到達した端部との間の距離は ？ｔを測定し長さ■および長さ。を計算する計算回路９
は場合に応じて簡単な場合もあり、また複雑な場合もあ
る。ｌっの実施例では、計算回路はクロックとカウンタ
より成る。第１の圧力センサー６からの信号を受信する
と、カウンタが作動されクロックパルスのカウントを開
始する。第２の圧力センサー７からの信号がこのカウン
タのカウントの停止に用いられ、その結果カウンタの値
がΔｔを表すことになる。計算手段はまたクエンチ開始
領域の位置を求めることができるように式（１）および
（２）を実現するように設計することも可能である。
本発明の利点は、液圧式センサーの動作が周囲の磁界に
影響されない点にある。これは、エネルギー貯蔵用イン
ダクターの磁昇は経時的にかなり変化し非常に太き《な
る場合もあることを考慮すると重要な点である。センサ
ーの管１は超電導体から電気的に隔離するために複合利
料のような非導電材料で作るのが好ましい。
本発明の液ｌｆ式センザーのもう１つの利点は、センサ
ーが正しく動作しているかまたは故障状態にあるかをチ
ェックするセンサーの診断を多数の方法で容易に行うこ
とができる点にある。まず第１に、液圧式センサーはタ
ンデム式に作動する２つの圧力センサー６および７を利
用するのが好ましい。２つのセンサー６および７は管１
内の圧力変動に異なる時点で反応するが、いづれにして
もそれらは両方反応する。２つのセンサーの出力は作動
流体中の音波の有限な速度により生じる時間遅延を除き
、互いに追跡する必要がある。従って，２つの圧力セン
サー６及び７は投票するカップルのように作用すること
ができる。もしセンサー６及び７が互いに追跡しない場
合は、一方が欣障状態にあることが指示される。
１７　一 もう１つのセンサー診断方法は、液圧式センサーの管１
が密封状態で超電導システムの冷媒から分離されている
という事実を利用する。最初に充填し密封する場合、液
圧式センサーの作動流体の量を全動作温准において液圧
式センサーが周囲の状態とは異なる内部圧力を持つよう
に選択することができる。液圧式センサーの圧力が周囲
の状態にマッチするよう変化した場合、それは液圧式セ
ンサーに漏洩が生じたことを意味する。さらに、液圧式
センサーの管１に沿う既知の位置に小さな抵抗性ヒータ
を挿入することにより、液圧式センサーにテスト回路を
組み込むことができる。その抵抗に電流を流すとジュー
ル加熱が生じ、これにより圧力センサー６及び７が作動
されるため、液圧式センサーを試験する簡単な方法が提
供される。
液圧式センサーには幾つかの方法で作動流体を充填でき
る。まず第１に、製造時、一定量の作動流体を管１内に
充填してそれを密封する。別の方法としては、センサー
の管１の端部４及び６近くに作動流体供給弁及びシンク
弁１０及び１１をそ】８ れぞれ設けることが可能である。管１が超電導体に隣接
した定位置におかれた後、管１を供給源１２からの作動
流体で充填しその後弁１ｏ及び１１により密封する。こ
の第２の方法では保守の頻度を増やす必要があるが、液
圧式センサーの使用寿命は長くなるはずである。液圧式
センサーは、例えその動作温度範囲が小さくても絶対温
度ゼロ（０’　Ｋ）近くから室温（２７３°Ｋ）以上に
変化することがある超電導体２の全温度範囲に亘って耐
性をもつ必要がある。液圧式センサーがほぼ大気圧に等
しい圧力のもとでその動作温度（絶対温度０°Ｋに近い
）で作動している場合、その圧力は室温では大きなもの
となるであろう。このため高い強度の壁を持つ管が必要
となる。しかしながら、液圧式センザーが弁１０及び１
１を介して再充填可能な場合には、圧力解放弁に上り液
圧式センサーが室温に暖められて管１内の圧力が高くな
るのを回避することができる。弁１ｏ及び１１はまた圧
力解放弁としても作用可能であり、また別の弁を組み込
むこともできる。
本発明のもう１つの利点は、液圧式センサーの動作が超
電導インダクター２を流れる電流とは無関係なことであ
る。クエンチ検出法の中にはその検出を助けるために超
電導体２を流れる動作電流を利用するものがある。超電
導体２は最大電流が流れているときクエンチが生じる危
険が最も高いが、かかるクエンチは冷凍システムの漏洩
のようにコイルとは無関係の状態により低い電流レベル
のときでも生じることがある。かかるクエンチが低い電
流レベルで生じた場合、超電導体２を流れる動作電流を
利用する検出装置ではかかる状態を正しく検出すること
はできないであろう。
以上、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細に説明したが、本発明は頭書
の特許請求の範囲内において他の態様で実施することが
可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の液圧式センサーを示す概略図である
。 １　●　● ２　・　・ ６、　７ ８　・　・ ９　・　・ １０． １　２　・ ・液圧作動流体を充填した管 ・超電導性導体 ・・圧力センサー ・センサー ・計算回路 １１・・・弁 ・・作動流体供給源

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）超電導体に発生するクエンチの開始領域を検出す
    るセンサーであって、超電導体との間で熱伝達が生じる
    ように超電導体の近傍に配置することの可能な密封管内
    に位置し或るある特定の温度範囲に亘って蒸気圧が顕著
    な変化を示す作動流体と、密封管の一端に配置されて超
    電導体におけるクエンチの発生による作動流体の温度変
    化により生ずる作動流体の圧力変化を検出する第１の圧
    力センサーと、超電導体におけるクエンチにより生じる
    作動流体の圧力変化を検出する、密封管のもう一方の端
    部に配置された第２の圧力センサーと、両方の圧力セン
    サーに接続されて作動流体の圧力変化が第１の圧力セン
    サーにより検出される時点と作動流体の圧力変化が第２
    の圧力センサーにより検出される時点との時間差を測定
    し、この時間差に基づいてクエンチ開始領域の位置を計
    算する計算回路とよりなることを特徴とするセンサー。
  2. （２）前記密封管が超電導体に隣接してそれと共に巻回
    されていることを特徴とする請求項第１項に記載の液圧
    式センサー。
  3. （３）作動流体が液体ヘリウム、液体水素または液体窒
    素よりなる群から選択されることを特徴とする請求項第
    １項に記載の液圧式センサー。
  4. （４）作動流体が超流動ヘリウムであることを特徴とす
    る請求項第１項に記載の液圧式センサー。
  5. （５）作動流体が密封管を超電導体に隣接して配置する
    前に該密封管内に封入されることを特徴とする請求項第
    １項に記載の液圧式センサー。
  6. （６）作動流体が供給弁を介して供給源から密封管に供
    給され、また前記密封管からシンク弁を介して前記供給
    源へ戻されることを特徴とする請求項第１項に記載の液
    圧式センサー。
  7. （７）密封管が非導電性材料により作られていることを
    特徴とする請求項第１項に記載の液圧式センサー。
  8. （８）超電導体に発生するクエンチの開始領域を検出す
    るセンサーであって、超電導体との間で熱伝達が生じる
    ように超電導体の近傍に配置することの可能な密封管内
    に位置し或る特定の温度範囲に亘って蒸気圧が顕著な変
    化を示す作動流体と、密封管の一端に配置されて超電導
    体におけるクエンチの発生による作動流体の温度変化に
    より生ずる作動流体の圧力変化を検出する第１の圧力セ
    ンサーと、超電導体におけるクエンチにより生じる作動
    流体の圧力変化を検出する、密封管のもう一方の端部に
    配置された第２の圧力センサーと、両方の圧力センサー
    に接続されて作動流体の圧力変化が第１の圧力センサー
    により検出される時点と作動流体の圧力変化が第２の圧
    力センサーにより検出される時点との時間差を測定し、
    この時間差に基づいてクエンチ開始領域の位置を計算す
    る計算回路とよりなる液圧式クエンチ検出器を有する超
    電導性導体。
  9. （９）作動流体が液体ヘリウム、液体水素または液体窒
    素よりなる群から選択されることを特徴とする請求項第
    ８項に記載の超電導性導体。
  10. （１０）作動流体が超流動ヘリウムであることを特徴と
    する請求項第８項に記載の超電導性導体。
  11. （１１）作動流体が密封管を超電導体に隣接して配置す
    る前に該密封管内に封入されることを特徴とする請求項
    第９項または１０項に記載の超電導性導体。
  12. （１２）作動流体が供給弁を介して供給源から密封管に
    供給されまたシンク弁を介して密封管から供給源へ戻さ
    れることを特徴とする請求項第９項または１０項に記載
    の超電導性導体。
  13. （１３）密封管が非導電性材料により作られていること
    を特徴とする請求項第８乃至１２項のうち任意の１項に
    記載の液圧式センサー。
JP2230475A 1989-08-31 1990-08-30 超電導体クエンチ検出用液圧式センサー Pending JPH0396833A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US401,593 1989-08-31
US07/401,593 US4989989A (en) 1989-08-31 1989-08-31 Hydraulic sensor for quench detection and location in superconductors

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JPH0396833A true JPH0396833A (ja) 1991-04-22

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US (1) US4989989A (ja)
EP (1) EP0415709B1 (ja)
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DE (1) DE69013823T2 (ja)

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