(57)【要約】【課題】  クエンチに伴う超電導コイルの劣化や損傷を防止でき、かつ大容量の保護抵抗を必要としない超電導装置および超電導部のクエンチ保護方法を提供する。【解決手段】本発明装置は、電源10と、電源10から電力供給される超電導部（超電導コイル20）と、超電導コイル20のクエンチの前駆現象を検出するクエンチ検出器80と、クエンチ検出器80からの検知信号に基づいて電源10を制御し、超電導コイル20がクエンチに至らないようにコイル電流を調整する電源制御手段(電源制御回路90)とを有する。この構成により、超電導コイル20と電源10とを遮断せずに電源10を制御して、クエンチの前駆現象が解消されるようなコイル電流に保持して超電導コイル20を運転できる。【選択図】図１
2006319139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と、
電源から電力供給される超電導部と、
超電導部のクエンチの前駆現象を検出するクエンチ検出器と、
クエンチ検出器からの検知信号に基づいて電源を制御し、超電導部がクエンチに至らないように超電導部の電流を調整する電源制御手段とを有することを特徴とする超電導装置。
【請求項２】
電源制御手段は、
超電導部の電流を設定する電流設定手段と、
超電導部の電流の掃引を制御する掃引調整手段と、
クエンチ検出器からの検知信号に基づいて電流設定手段と掃引調整手段とを制御して、超電導部がクエンチしないように超電導部の電流を調整するリレーシーケンスとを有することを特徴とする請求項１に記載の超電導装置。
【請求項３】
超電導部のクエンチの前駆現象を検知し、
クエンチの前駆現象が検知された場合、超電導部に電力を供給する電源を制御して、超電導部がクエンチに至らないように超電導部の電流を調整することを特徴とする超電導部のクエンチ保護方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導装置および超電導部のクエンチ保護方法に関するものである。特に、大容量の保護抵抗を用いることなく超電導コイルのクエンチに伴う焼損を回避できる装置と保護方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導コイルは運転時の電気抵抗がゼロであり、大電流を通電して、電気エネルギーを磁気エネルギーとして蓄積することができる。インダクタクスLの超電導コイルに電流Ｉを流すと、超電導コイルにはL×I2／2のエネルギーが蓄積される。
【０００３】
一方、超電導コイルはワイヤームーブメントなどの外部擾乱により超電導状態から常電導状態に転移することがある。超電導コイル内に局所的に常電導状態が発生すると、その部分のジュール発熱により温度が上昇して伝導熱で近傍部の超電導状態が破壊され、急激に超電導状態が破壊するクエンチを生じる。超電導コイルには大電流が流れており、大きなエネルギーが蓄積されているため、クエンチが発生した場合、コイルに蓄積されるエネルギーを素早くコイルの外に取出さないと、超電導コイルの蓄積エネルギーがコイル内で消費され、コイルの劣化・焼損を生じる。
【０００４】
このような劣化・焼損からコイルを保護する手段として、図２に記載の保護回路が知られている（類似の技術として特許文献１参照）。この回路では、直流電源10に超電導コイル20とブレーカ30が直列に接続され、この超電導コイル20と並列に保護抵抗50とダイオード60が接続されている。また、コイル20にはクエンチ検出器80が接続され、この検出器80からの信号がリレーシーケンス91と遮断回路70を介してブレーカ30を制御できるように構成されている。コイル20の通常運転時、ブレーカ30は閉成されて超電導コイル20に電流が流される。コイル20に局部的な常電導転移が生じた場合、クエンチ検出器80がクエンチの前駆現象を検出し、その検出信号に基づいてリレーシーケンス91と遮断回路70を介してブレーカ30を開く。それに伴い、超電導コイル20の電流は、コイル20、保護抵抗50、ダイオード60で形成される閉回路を流れ、保護抵抗50で蓄積エネルギーが消費される。
【０００５】
【特許文献１】特開平7-192913号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の超電導コイルの保護技術では、コイルの局部的な常電導転移を検知すれば常にブレーカを遮断して保護抵抗に急激に電流を流すことでコイルを焼損しないようにクエンチさせているため、次のような問題があった。
【０００７】
インダクタクスLの超電導コイルを励磁または消磁する際、コイル両端にはL・（di／dt）の電圧が生じる（di／dtは電流の時間変化率）。例えば、コイルのターン数が多く、インダクタンスが大きいL=40HのコイルにI＝250Aの電流が流れる場合、コイルに生じる電圧は10kV以上の高電圧となる。そのため、超電導コイル内で高電圧破壊が生じる虞がある。
【０００８】
77K以上の臨界温度を持つ高温超電導線材を用いたコイルでは、通常、常電導状態への伝播速度が遅く、局所的に蓄積エネルギーが集中して温度上昇を生じ、コイルの劣化に至りやすい。
【０００９】
また、コイルのインダクタンスLが大きく蓄積エネルギーが大きくなると、保護抵抗で消費するエネルギーも大きくなり、大容量の保護抵抗を用いる必要がある。例えば、I＝250A、L=40Hの場合、保護抵抗での消費エネルギーは1.2Mジュールとなり、非常に大きな容量の保護抵抗を用いなければならない。
【００１０】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その主目的は、クエンチに伴う超電導コイルの劣化や損傷を防止でき、かつ大容量の保護抵抗を必要としない超電導コイルのクエンチ保護装置およびクエンチ保護方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明超電導装置は、電源と、電源から電力供給される超電導部と、超電導部のクエンチの前駆現象を検出するクエンチ検出器と、クエンチ検出器からの検知信号に基づいて電源を制御し、超電導部がクエンチに至らないように超電導部の電流を調整する電源制御手段とを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明装置では、クエンチの前駆現象をクエンチ検出器で検出し、その検出結果に基づいて電源制御手段で電源を制御する。具体的には、超電導部と電源とを遮断せずに電源を制御して超電導部の電流を調整する。これにより、クエンチの前駆現象が解消されるような超電導部の電流に保持して超電導部を運転できる。そのため、基本的には電源と超電導部とを遮断する必要がなく、ブレーカや保護抵抗を設けなくてもよい。
【００１３】
超電導部としては、超電導コイルが代表例であるが、その他、超電導ケーブルなども含まれる。
【００１４】
電源制御手段としては、超電導部の電流を設定する電流設定手段と、超電導部の電流を掃引する掃引調整手段と、クエンチ検出器からの検知信号に基づいて電流設定手段と掃引調整手段とを制御して、電源からの電流を超電導部がクエンチしないように調整するリレーシーケンスとを有するものが好適である。
【００１５】
この構成の電源制御手段を用いれば、電源を制御して超電導部の電流を掃引し、超電導部がクエンチしないような超電導部の電流に保持して超電導部を運転することができる。
【００１６】
上記の本発明装置において、電源と超電導部とを遮断するブレーカと、ブレーカにより電源と超電導部とを遮断した際に超電導部の蓄積エネルギーを消費する保護抵抗を設けても良い。
【００１７】
この構成により、電源制御手段による超電導部の電流の調整が制御不能の場合、ブレーカを落として超電導部の電流を保護抵抗に転流し、蓄積エネルギーを消費することで超電導部の焼損を回避することができる。
【００１８】
また、本発明超電導部のクエンチ保護方法は、超電導部のクエンチの前駆現象を検知し、クエンチの前駆現象が検知された場合、超電導部に電力を供給する電源を制御して、超電導部がクエンチに至らないように超電導部の電流を調整することを特徴とする。
【００１９】
本発明超電導部のクエンチ保護方法では、クエンチの前駆現象を検出し、その検出結果に基づいて電源を制御する。具体的には、超電導部と電源とを遮断せずに電源を制御して超電導部の電流を調整する。これにより、クエンチの前駆現象が解消されるような超電導部の電流に保持して超電導部を運転できる。そのため、基本的には電源と超電導部とを遮断する必要がなく、ブレーカや保護抵抗を設けなくてもよい。電源を制御して超電導部の電流を調整するには、例えば超電導部の電流を所定の範囲で掃引してクエンチの前駆現象が解消されるような超電導部の電流を選択すればよい。
【００２０】
上記の本発明方法において、電源と超電導部とを遮断するブレーカと、ブレーカにより電源と超電導部とを遮断した際に超電導部の蓄積エネルギーを消費する保護抵抗を設けても良い。この構成により、電源制御による超電導部の電流の調整が制御不能の場合、ブレーカを落として超電導部の電流を保護抵抗に転流し、蓄積エネルギーを消費することで超電導部の焼損を回避することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明装置および方法によれば、超電導部と電源とを遮断せずに電源を制御して超電導部の電流を調整する。これにより、クエンチの前駆現象が解消されるような超電導部の電流に保持して超電導部を運転できる。そのため、基本的には電源と超電導部とを遮断する必要がなく、ブレーカや保護抵抗を設けなくてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図１に基づいて説明する。図１は、本発明装置の回路図である。
【００２３】
本発明装置は、直流電源10と、この電源10からの電力供給により励磁される超電導コイル20（超電導部）と、超電導コイル20のクエンチを防止するクエンチ防止回路100ならびに遮断回路70を備えている。直流電源10は、ブレーカ30および出力端子40を介して超電導コイル20に直列に接続されている。超電導コイル20は、Bi2223系超電導線材を心材に巻回して構成され、液体窒素を冷媒として冷却されている。また、この超電導コイル20には、保護抵抗50とダイオード60が並列に接続されている。保護抵抗50は、後述するクエンチ防止回路100により超電導コイル20のコイル電流を適切に調整してクエンチの抑制が困難な場合に、超電導コイル20に蓄積されたエネルギーを消費するために用いられる。ダイオード60は、超電導コイル20から保護抵抗50に流れる電流の向きを規制する。
【００２４】
一方、クエンチ防止回路100は、超電導コイル20に通電中にクエンチの前駆現象が発生すると、そのときの電圧上昇状態からクエンチを検出するクエンチ検知器80と、クエンチの前駆現象を解消するようにコイル電流を調整する電源制御回路90とを備えている。クエンチ検出器80は、可変抵抗81、アンプ82、検出電圧設定用コンパレータ83、検出時間設定用カウンタ84を備えている。コイル20の中点を電圧タップでとり、コイル20と並列に接続されて超電導コイル20の電圧を検出する可変抵抗81の電圧タップとでバランス信号をとる。超電導コイル20にクエンチの前駆現象が生じてコイル20の抵抗値が増加すると、可変抵抗81と超電導コイル20により構成されるブリッジ回路の平衡が崩れ、その結果発生する差電圧が信号として出力される。この電圧信号がアンプ82で増幅されて検出電圧設定用コンパレータ83に入力される。その際、検出時間設定用カウンタ84により制限時間を設定し、その制限時間において一定以上の勾配で上昇する電圧信号が出力された場合にはクエンチの前駆現象としてとらえ、電源制御回路90で電源を制御してコイル電流を調整する。
【００２５】
電源制御回路90は、リレーシーケンス91、電流設定スイッチ92、掃引調整スイッチ93、D/A変換器94、積分器95を有する。コンパレータ83で一定以上の勾配で上昇する電圧信号が出力された場合、リレーシーケンス91は電流設定スイッチ92と掃引調整スイッチ93を動作指令する。この動作指令により、電流設定スイッチ92でD/A変喚器94を介して設定されたコイル電流の範囲を規定し、そのコイル電流の範囲で掃引調整スイッチ93により積分器95を介して電源10を制御する。つまり、電源10の電流を掃引して、可変抵抗81と超電導コイル20により構成されるブリッジ回路の平衡がとれてクエンチの前駆現象が解消するようにコイル電流を低下させる。そして、コイル20をクエンチさせないコイル電流で保持して超電導コイル20の運転を続ける。
【００２６】
上記の装置によれば、超電導コイル20と電源10とを遮断せずに電源10を制御してコイル電流を調整し、クエンチの前駆現象が解消されるようなコイル電流に保持して超電導コイル20を運転できる。そのため、基本的にはブレーカや保護抵抗を用いる必要がない。
【００２７】
ただし、このクエンチ防止回路100にトラブルが生じ、コイル電流の調整が正常に行われない場合は、遮断回路70を利用することが好ましい。遮断回路70はブレーカに強制的に電流のゼロ点をつくって直流の遮断を安全に行わしめる。つまり、コイル電流の調整が正常に行われない場合、リレーシーケンス91からの指令により遮断回路70を介してブレーカ30を落とし、直流電源10と超電導コイル20とを遮断できるように構成することが好ましい。それにより、超電導コイル20の蓄積エネルギーは、電流としてダイオード60に規制された方向に保護抵抗50を流れることで消費される。コイル電流の調整が正常に行われない場合は、例えば検出時間設定用カウンタ84で設定された所定の時間内に可変抵抗81と超電導コイル20の差電圧の発生が解消されない場合とすればよい。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明装置および本発明方法は、超電導コイル等の超電導部のクエンチを防止する技術として効果的に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明超電導装置の回路図である。
【図２】従来の超電導装置の回路図である。
【符号の説明】
【００３０】
10  直流電源  20  超電導コイル  30  ブレーカ  40  出力端子  50  保護抵抗
60  ダイオード  70  遮断回路  80  クエンチ検知器  81  可変抵抗  82  アンプ
83  検出電圧設定用コンパレータ  84  検出時間設定用カウンタ  90  電源制御回路
91  リレーシーケンス  92  電流設定スイッチ  93  掃引調整スイッチ
94  D/A変換器  95  積分器  100  クエンチ防止回路
【図１】
2006319139.tif 000003
【図２】
2006319139.tif 000004