(57)【要約】【課題】超電導機器や超電導線にインダクタンスやキャパシタンスや抵抗の成分が存在する場合であっても超電導機器や超電導線のクエンチ現象を早期に検出することができるクエンチ検出装置を提供することである。【解決手段】超電導機器の両端電圧を電圧検出器１４ａ、１４ｂで検出し、差電圧演算手段１５は電圧検出器１４ａ、１４ｂで検出された超電導機器の両端電圧の差電圧を演算する。フーリエ変換手段１６は、差電圧演算手段１５で得られた超電導機器の両端電圧の差電圧をフーリエ変換し、クエンチ判定手段１７は、フーリエ変換手段１６で変換された差電圧に第２ｎ＋１調波が含まれるときはクエンチ現象が発生したと判定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導機器の両端電圧を検出する電圧検出器と、前記電圧検出器で検出された超電導機器の両端電圧の差電圧を演算する差電圧演算手段と、前記差電圧演算手段で得られた超電導機器の両端電圧の差電圧をフーリエ変換するフーリエ変換手段と、前記フーリエ変換手段で変換された差電圧に第２ｎ＋１調波が含まれるときはクエンチ現象が発生したと判定するクエンチ判定手段とを備えたことを特徴とするクエンチ検出装置。
【請求項２】
前記クエンチ判定手段は、第２ｎ＋１調波の振幅値が予め定めた所定値以上のとき、または基本波と第２ｎ＋１調波の振幅値の比が予め定めた所定値以上のときに、第２ｎ＋１調波が含まれると判定することを特徴する請求項１に記載のクエンチ検出装置。
【請求項３】
前記クエンチ判定手段は、第３調波、第５調波の双方またはいずれか一方が含まれるときにクエンチ現象が発生したと判定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のクエンチ検出装置。
【請求項４】
超電導機器の両端電圧を検出する電圧検出器と、前記電圧検出器で検出された超電導機器の両端電圧の差電圧を演算する差電圧演算手段と、前記差電圧演算手段で得られた超電導機器の両端電圧の差電圧をフーリエ変換するフーリエ変換手段と、前記超電導機器にクエンチ現象が発生していないときの前記差電圧の基準電圧波形を予め記憶しておく記憶部と、前記フーリエ変換手段で変換された差電圧の電圧波形と前記記憶部に記憶されている前記差電圧の基準電圧波形とに基づいてクエンチ現象が発生したと判定するクエンチ判定手段とを備えたことを特徴とする特徴とするクエンチ検出装置。
【請求項５】
前記超電導機器は、超電導コイル、超電導ケーブル、超電導変圧器であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のクエンチ検出装置。
【請求項６】
前記超電導機器に代えて、超電導線のクエンチ現象を検出することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のクエンチ検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導機器や超電導線のクエンチ現象を検出するクエンチ検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導導体は超電導状態では電気抵抗が零であり、損失無しで運用することが可能であるが、超電導導体に臨界電流値Ｉｃ以上の電流値を通電すると超電導状態が壊れて常電導状態となるクエンチ現象が発生する。クエンチ現象が発生すると電気抵抗が大きくなり、電気抵抗を流れる電流により発熱が発生し、その発熱が冷却能力を上回ると超電導導体がダメージを受ける可能性がある。そのため、クエンチ状態を早期に検出する必要がある。
【０００３】
超電導導体のクエンチ検出方法として、ブリッジ法と呼ばれるクエンチ検出回路を用いて、直列に接続された２つの超電導コイルに電圧を印加し、クエンチ（常電導転移）に伴う発生電圧を計測することによってクエンチの発生の有無を検出ものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、超電導導体を覆う超電導シールドを有する超電導ケーブルに送電する際に、超電導シールドから漏れる磁界により生じる電流の位相Ａ及び超電導導体を流れる電流の位相Ｂを検出し、位相Ａと位相Ｂの位相差を求め、位相差の変化分に基づいてクエンチの有無を判断するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平９−８４２５２号公報
【特許文献２】特開２００７−７３６０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のものは、数十ボルト程度の低電圧用の通電装置を対象とし、装置の両端の電位差を直接測定するブリッジ回路を使用しており、数十万ボルトの高電圧若しくは１００万ボルト程度の超高電圧用の送電系統設備を対象としたものはないので、電気絶縁の面から特許文献１のようなブリッジ回路を用いて高電圧もしくは超高電圧用の送電系統設備の両端電位差を測定することはできない。また、実際の送電系統においては、超電導機器や超電導線においても、インダクタンスＬ、キャパシタンスＣ、抵抗Ｒの成分が存在し、それらは超電導機器や超電導線ごとに異なっており、また通電電流の大きさによっても変化するので、それらも考慮する必要がある。特許文献１のものでは、インダクタンスＬやキャパシタンスＣをあらかじめ考慮してブリッジ法を採用しているが、数十万ボルトの高電圧若しくは１００万ボルト程度の超高電圧用の送電系統設備のように、機器のインダクタンスＬやキャパシタンスＣなどをあらかじめ精密に測定しておくことが困難な設備を対象としたものはないので、これを用いて高電圧もしくは超高電圧用の超電導機器や超電導線のクエンチ現象を適切に判断することは困難である。
【０００６】
また、特許文献２のものでは、超電導シールドから漏れる磁界により生じる電流を検出する電流検出器は、超電導シールドから漏れる微弱な磁界を検出する必要があるので検出精度が要求される。このことからクエンチ現象がある程度進行した後でないと、超電導シールドから漏れる磁界により生じる電流の位相Ａと超電導導体を流れる電流の位相Ｂとの位相差が有意な値とならないことから、クエンチ現象を検出するのに時間を要すると考えられる。
【０００７】
本発明の目的は、超電導機器や超電導線にインダクタンスやキャパシタンスや抵抗の成分が存在する場合であっても超電導機器や超電導線のクエンチ現象を早期に検出することができるクエンチ検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明に係わるクエンチ検出装置は、超電導機器の両端電圧を検出する電圧検出器と、前記電圧検出器で検出された超電導機器の両端電圧の差電圧を演算する差電圧演算手段と、前記差電圧演算手段で得られた超電導機器の両端電圧の差電圧をフーリエ変換するフーリエ変換手段と、前記フーリエ変換手段で変換された差電圧に第２ｎ＋１調波が含まれるときはクエンチ現象が発生したと判定するクエンチ判定手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明に係わるクエンチ検出装置は、請求項１の発明において、前記クエンチ判定手段は、第２ｎ＋１調波の振幅値が予め定めた所定値以上のとき、または基本波と第２ｎ＋１調波の振幅値の比が予め定めた所定値以上のときに、第２ｎ＋１調波が含まれると判定することを特徴する。
【００１０】
請求項３の発明に係わるクエンチ検出装置は、請求項１または請求項２の発明において、前記クエンチ判定手段は、第３調波、第５調波の双方またはいずれか一方が含まれるときにクエンチ現象が発生したと判定することを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明に係わるクエンチ検出装置は、超電導機器の両端電圧を検出する電圧検出器と、前記電圧検出器で検出された超電導機器の両端電圧の差電圧を演算する差電圧演算手段と、前記差電圧演算手段で得られた超電導機器の両端電圧の差電圧をフーリエ変換するフーリエ変換手段と、前記超電導機器にクエンチ現象が発生していないときの前記差電圧の基準電圧波形を予め記憶しておく記憶部と、前記フーリエ変換手段で変換された差電圧の電圧波形と前記記憶部に記憶されている前記差電圧の基準電圧波形とに基づいてクエンチ現象が発生したと判定するクエンチ判定手段とを備えたことを特徴とする特徴とする。
【００１２】
請求項５の発明に係わるクエンチ検出装置は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項の発明において、前記超電導機器は、超電導コイル、超電導ケーブル、超電導変圧器であることを特徴とする。
【００１３】
請求項６の発明に係わるクエンチ検出装置は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項の発明において、前記超電導機器に代えて、超電導線のクエンチ現象を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、超電導機器の両端電圧の差電圧をフーリエ変換し、フーリエ変換された差電圧に第２ｎ＋１調波が含まれるときはクエンチ現象が発生したと判定するので、超電導機器や超電導線にインダクタンスやキャパシタンスや抵抗の成分が存在する場合であっても超電導機器や超電導線のクエンチ現象を早期に検出することができる。
【００１５】
クエンチ現象が発生しているか否かは、第２ｎ＋１調波の振幅値、または基本波と第２ｎ＋１調波の振幅値との比が予め定めた所定値以上のときに、第２ｎ＋１調波が含まれると判定するので、クエンチ現象が発生したことだけでなくクエンチレベルも判定できる。また、第２ｎ＋１調波として、第３調波、第５調波の双方またはいずれか一方によりクエンチ現象の判定を行うので判定の精度が向上する。
【００１６】
また、超電導機器にクエンチ現象が発生していないときの超電導機器の両端電圧の差電圧の基準電圧波形を予め記憶しておき、フーリエ変換された差電圧の電圧波形が差電圧の基準電圧波形の範囲を逸脱したときにクエンチ現象が発生したと判定するので、容易に第２ｎ＋１調波の検出が可能となる。
【００１７】
クエンチ現象を測定対象機器の両端電圧の差電圧で検出するので、両端電圧を測定できる超電導機器、例えば、超電導コイル、超電導ケーブル、超電導変圧器に適用でき、さらに、超電導線に対しても適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態に係わるクエンチ検出装置の一例の構成図である。図１では超電導機器として超電導ケーブル１１にクエンチ検出装置を適用した場合を示している。超電導ケーブル１１は三相電源１２からの電力を負荷に供給するものであり、三心一括型の三相超電導ケーブルである場合を示している。
【００１９】
超電導ケーブル１１の両端は、図示省略の分岐箱にて常電導ケーブル１３と接続され、電圧検出器１４ａ、１４ｂは常電導ケーブル部分に設置される。電圧検出器１４ａ、１４ｂは超電導ケーブル１１の三相の両端電圧を検出する。電圧検出器１４ａ、１４ｂで検出された超電導ケーブル１１の両端電圧は、差電圧演算手段１５に入力され、三相各相の両端電圧の差電圧が求められる。そして、差電圧演算手段１５で得られた三相各相の両端電圧の差電圧はフーリエ変換手段１６でフーリエ変換されクエンチ判定手段１７に入力される。クエンチ判定手段１７は、フーリエ変換手段１６で変換された差電圧に第２ｎ＋１（ｎ＝１、２、３…）調波が含まれるか否かを判定し、第２ｎ＋１調波が含まれるときはクエンチ現象が発生したと判定する。そして、その判定結果を出力装置１８に出力する。
【００２０】
図２は三心一括型の三相の超電導ケーブル１１の構造図であり、図２（ａ）は断面図、図２（ｂ）はケーブルコアの詳細断面図である。図２（ａ）に示すように、超電導ケーブル１１は、断熱管１９内に３本のケーブルコア２０を撚り合わせて収納させて構成されている。１本のケーブルコア２０が一相分である。断熱管１９は、外管１９ａと内管１９ｂとからなる二重管の間に図示省略の断熱材が配置され、かつ二重管内が真空引きされて構成されている。そして、内管１９ｂと各ケーブルコア２０とで囲まれる空間２１が通常冷媒の流路となる。
【００２１】
図２（ｂ）に示すように、各ケーブルコア２０は、中心から順にフォーマ２２、超電導導体２３、電気絶縁層２４、シールド層２５、保護層２６を備えている。超電導導体２３は、フォーマ２２上に超電導線材を多層に螺旋状に巻回して構成される。シールド層２５は、電気絶縁層２４上に超電導導体２３と同様の超電導線材を螺旋状に巻回して構成される。このシールド層２５には、定常時、超電導導体２３に流れる電流と逆向きでほぼ同じ大きさの電流が誘起される。この誘導電流により生じる磁場にて、超電導導体２３から生じる磁場を打ち消し合い、ケーブルコア２０外部への漏れ磁場をほぼ零にしている。
【００２２】
このような超電導ケーブル１１では、これら超電導ケーブル１１同士を接続させたり、常電導ケーブルと接続させたり、終端構造を形成したりする場合には、各相のケーブルコア２０毎に分岐させて行う。各ケーブルコア２０の分岐は、極低温に維持された分岐箱内で行われ、分岐箱内において各ケーブルコア２０は各ケーブルコア２０間が広げられた状態で保持される。
【００２３】
図３はクエンチ現象が発生していない場合の波形図であり、図３（ａ）はクエンチ現象が発生していない場合の超電導ケーブル１１の両端電圧の差電圧の波形図、図３（ｂ）はクエンチ現象が発生していない場合のフーリエ変換された差電圧の波形図である。また、図４はクエンチ現象が発生している場合の波形図であり、図４（ａ）はクエンチ現象が発生している場合の超電導ケーブル１１の両端電圧の差電圧の波形図、図４（ｂ）はクエンチ現象が発生している場合のフーリエ変換された差電圧の波形図である。なお、図３及び図４では、三相電圧のうちの一相の差電圧の波形を示している。
【００２４】
図３（ａ）に示すように、クエンチ現象が発生していない場合は、超電導ケーブル１１の両端電圧の差電圧ΔＶはほぼ正弦波である。従って、図３（ｂ）に示すように、フーリエ変換された差電圧ΔＶには基本波成分がほとんどであり、高調波成分はほとんどない波形となる。なお、基本波成分は電力系統の定格周波数である５０Ｈｚである。
【００２５】
ここで、超電導ケーブル１１の両端間のインピーダンスをＺ、超電導ケーブル１１のケーブルコア２０に流れる電流をＩとすると、超電導ケーブル１１の両端電圧の差電圧ΔＶは、ΔＶ＝ＺＩで表される。このインピーダンスＺは、超電導ケーブル１１の両端間のインピーダンスであり、超電導ケーブル１１の線路定数であるインダクタンスＬ、キャパシタンスＣ、さらに、電圧検出器１４ａ、１４ｂを設置している常電導ケーブル１３箇所までの抵抗Ｒの合成インピーダンスである。クエンチ現象が発生していない場合は、差電圧ΔＶは超電導ケーブル１１を流れる電流Ｉに比例する。従って、超電導ケーブル１１に流れる電流Ｉが変化しても、差電圧ΔＶに高調波が載ることはなく高調波成分は発生しない。
【００２６】
一方、クエンチ現象が発生すると、超電導ケーブル１１の両端電圧の差電圧ΔＶは、図４（ａ）に示すように、正弦波に正弦波以外の波形が重畳した波形となる。従って、図４（ｂ）に示すように、フーリエ変換された差電圧ΔＶは基本波成分以外に第２ｎ＋１調波を含んだ波形となる。
【００２７】
これは、超電導ケーブル１１は、超電導導体に臨界電流値Ｉｃ以上の電流値を通電すると超電導状態が壊れて常電導状態となるクエンチ現象が発生するが、そのときに増大する抵抗Ｒは、電流Ｉに対して線形特性ではなく非線形特性となるからである。つまり、臨界電流値Ｉｃ以上の電流Ｉに対して、抵抗Ｒは電流Ｉの非線形の関数で示されるので、超電導ケーブル１１の両端間のインピーダンスＺは、臨界電流値Ｉｃ以上の電流Ｉに対して非線形関数Ｚ（Ｉ）で示される。このことから、差電圧ΔＶは、ΔＶ＝ＩＺ（Ｉ）で表され、フーリエ変換された差電圧ΔＶは基本波成分以外に第２ｎ＋１調波を含んだ波形となる。図４（ｂ）では基本波成分５０Ｈｚに対し、ｎ＝１のときの第３調波（１５０Ｈｚ）、ｎ＝２の第５調波（２５０Ｈｚ）を示している。
【００２８】
クエンチ判定手段１７は、第２ｎ＋１調波の振幅値が予め定めた所定値以上のときに、フーリエ変換された差電圧ΔＶに第２ｎ＋１調波が含まれると判定し、クエンチ現象が発生したと判定する。また、基本波成分５０Ｈｚの振幅値と第２ｎ＋１調波の振幅値との比を求め、この比が予め定めた所定値以上のときに、第２ｎ＋１調波が含まれると判定するようにしてもよい。
【００２９】
ここで、第２ｎ＋１調波の振幅値は、ｎ＝１のときの第３調波が最も大きく、ｎ＝２のときの第５調波、ｎ＝３のときの第７調波と、ｎが大きくなるにつれて小さくなる。そこで、ｎ＝３以上の第２ｎ＋１調波は判定信号として除外し、第３調波、第５調波の双方またはいずれか一方を判定信号として用いるようにしてもよい。これにより、クエンチ現象発生の判定処理が簡素化できる。なお、第２ｎ＋１調波の大きさは、クエンチレベルに応じて変化するため、クエンチレベルの検出も可能である。
【００３０】
図５は本発明の実施の形態に係わるクエンチ検出装置の他の一例の構成図である。この他の一例は、図１に示した一例に対し、超電導ケーブル１１にクエンチ現象が発生していないときの差電圧ΔＶの基準電圧波形を予め記憶しておく記憶部２７を設け、クエンチ判定手段１７は、フーリエ変換手段１６で変換された差電圧ΔＶの電圧波形と記憶部２７に予め記憶されている差電圧ΔＶの基準電圧波形とに基づいてクエンチ現象が発生したと判定するようにしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３１】
記憶部２７には、例えば、図３（ｂ）に示したクエンチ現象が発生していない場合のフーリエ変換された差電圧の波形図を予め記憶しておく。クエンチ現象が発生していない場合には、超電導ケーブル１１の両端間のインピーダンスＺは一定であり、また、超電導ケーブル１１の対地電圧もほぼ一定である。この場合、電流Ｉの大きさにより、超電導ケーブル１１の両端電圧の差電圧ΔＶの振幅値は変化するが、その変化幅は所定の範囲内である。従って、記憶部２７には、クエンチ現象が発生していない場合の通常運転時の差電圧ΔＶをフーリエ変換した差電圧の波形図を基準電圧波形として予め記憶しておく。
【００３２】
次に、クエンチ現象が発生した場合のフーリエ変換された差電圧ΔＶの波形図は、図４（ｂ）に示すような波形図となる。この場合、クエンチ現象が発生していることから、超電導ケーブル１１の両端電圧の差電圧ΔＶの振幅値は、クエンチ現象が発生していない場合に比較して大きな値となる。
【００３３】
そこで、クエンチ判定手段１７は、フーリエ変換手段１６でフーリエ変換された差電圧ΔＶを入力したときは、通常運転時のフーリエ変換した差電圧の基本波成分の大きさを基準として、入力されたフーリエ変換後の差電圧ΔＶを正規化する。これにより、フーリエ変換手段１６でフーリエ変換された差電圧ΔＶは、クエンチ現象が発生していない場合の基本波成分の大きさを基準とした正規化された波形図となり、基本波成分については、ほぼ同じパターンの波形図となる。
【００３４】
クエンチ現象が発生していないときは、第２ｎ＋１調波は発生していないので、フーリエ変換手段１６で変換された差電圧の電圧波形と記憶部２７に記憶されている差電圧ΔＶの基準電圧波形とはほぼ同じパターンの波形図となる。一方、クエンチ現象が発生しているときは、第２ｎ＋１調波が発生しているので、フーリエ変換手段１６で変換された差電圧の電圧波形と記憶部２７に記憶されている差電圧ΔＶの基準電圧波形とは、第２ｎ＋１調波部分のパターンが異なることになる。
【００３５】
そこで、クエンチ判定手段１７は、フーリエ変換手段１６で変換され正規化された差電圧の電圧波形と、記憶部２７に記憶されている差電圧の基準電圧波形とを比較し、フーリエ変換手段１６で変換され正規化された差電圧の電圧波形が差電圧の基準電圧波形の範囲を逸脱したときにクエンチ現象が発生したと判定する。この場合は、第２ｎ＋１調波部分のパターンの比較だけとなるので、クエンチ現象の判定がし易くなる。
【００３６】
このように、本発明の実施の形態では、超電導ケーブル１１が超電導状態を保ち送電をしている場合には超電導ケーブル１１の線路定数としてはインダクタンスＬ、キャパシタンスＣ成分が主であるが、超電導ケーブル１１内でクエンチが発生した場合には、常電導部が発生しＬＣ成分に抵抗Ｒの成分が重畳すること、及びこの抵抗Ｒの成分は電流Ｉに対して非線形であることから、超電導状態時には観測されない第２ｎ＋１調波が発生することに着目し、既存の電圧検出器１４ａ、１４ｂを用いて超電導ケーブル１１の両端電圧を測定し、両端電圧の差電圧ΔＶをフーリエ変換し、フーリエ変換した差電圧ΔＶに超電導状態時には観測されない第２ｎ＋１調波が存在するか否かを判定しクエンチ現象を検出する。
【００３７】
本発明の実施の形態によれば、超電導ケーブル１１の両端電圧の差電圧ΔＶを計測し、その差電圧ΔＶをフーリエ変換した差電圧ΔＶに第２ｎ＋１調波が存在するか否かでクエンチ現象を判定するので、超電導ケーブル１１の両端電圧の計測は短時間で可能であることから超電導ケーブル１１のクエンチを早期に検出することができる。また、超電導ケーブル１１の両端電圧の検出箇所は常温部で対応可能であるので、既存の電圧検出器を用いることができる。また、クエンチレベルに応じて第２ｎ＋１調波の大きさが変化するので、クエンチレベルの検出も可能である。
【００３８】
従って、クエンチ現象が発生した場合に、早急に電力系統から切り離すなどの対応をとることが可能となり、超電導ケーブル１１の損傷（使用不可となること）を避けることができ、電力の安定供給を確保できる。また、超電導ケーブル１１を導入する系統において、超電導ケーブル１１の両端に既設の電圧検出器があれば、クエンチ現象の検出のために新規に電圧検出器を設置する必要がないため、比較的低コストでクエンチ現象の検出が可能となる。
【００３９】
以上の説明では、超電導ケーブル１１のクエンチ現象を検出する場合について説明したが、超電導コイルや超電導変圧器などの超電導機器に対しても同様に適用できることはいうまでもない。また、これらの超電導機器に代えて、超電導線のクエンチ現象も検出できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態に係わるクエンチ検出装置の一例の構成図。
【図２】三心一括型の三相の超電導ケーブル１１の構造図。
【図３】クエンチ現象が発生していない場合の波形図。
【図４】クエンチ現象が発生している場合の波形図。
【図５】本発明の実施の形態に係わるクエンチ検出装置の他の一例の構成図。
【符号の説明】
【００４１】
１１…超電導ケーブル、１２…三相電源、１３…常電導ケーブル、１４…電圧検出器、１５…差電圧演算手段、１６…フーリエ変換手段、１７…クエンチ判定手段、１８…出力装置、１９…断熱管、２０…ケーブルコア、２１…空間、２２…フォーマ、２３…超電導導体、２４…電気絶縁層、２５…シールド層、２６…保護層、２７…記憶部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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