LHD ヘリウム圧縮機用主電動機の長期運用実績とメンテナンス履歴○野口 博基、 田上 裕之、森内 貞智、濱口 真司、LHD 運転グループ
核融合科学研究所

あたり 1000t を超える部分もあるため、超伝導コイ

1.はじめに大型ヘリカル実験装置（LHD）は 1998 年 3 月からプラズマ実験を開始し、2022 年 3 月現在までの 24年間で 179,273 ショットの実験を行った。

ルは電磁力支持構造物と呼ばれるステンレス製の構造物で強固に固定されている。
これら超伝導コイルと電磁力支持構造物は一緒にこの実績の中で、LHD 低温システムはプラズマ実冷却され、配管なども含めるとおよそ 820t の極低温験に必要な磁場を提供するために、安定した長期連構造物となっている。この巨大な被冷却体は、LHD続運転を行い、高い稼働率を達成してきた。の持つ日本最大級のヘリウム液化冷凍機によって冷今回は LHD 低温システムの心臓部とも言える、ヘリウム循環圧縮機ユニットの動力源である主電動却される。LHD ヘリウム液化冷凍機のフローを図 2に示す。

機に着目し、これまでの運用実績やメンテナンス履歴をまとめたので報告する。
2.LHD 低温システムの概要
LHD は全てのプラズマ閉じ込め磁場コイルを超伝導化した世界で初めての大型実験装置である。
超伝導コイルは、図 1 のように直径 13.5m の断熱真空容器（ベルジャー）内に、それぞれ、1 対 2 本のヘリカルコイルと 3 対 6 本のポロイダルコイルが配置されている。

図 2
図 1

ベルジャーと超伝導コイル

LHD ヘリウム液化冷凍機フロー図

8 台の単段圧縮機で構成されるヘリウム圧縮機ユヘリカルコイルの主半径は 3.9m であり、最も外ニットにより 1.8MPa まで圧縮されたヘリウムガス側にあるポロイダルコイル（OV コイル）の半径ははコールドボックスへ送られ、7 台の膨張タービン5.55m である。これら超伝導コイルが作る中心磁場と 15 台の熱交換器によって、液体ヘリウム、超臨界は最大約 3T であり、その強力な磁場でプラズマを圧ヘリウム、80K シールドガスヘリウムの各種冷媒閉じ込めて実験を行う。

を同時に製造可能なシステムとなっており、冷凍能また超伝導コイルは励磁した際にそれぞれお互いの電磁力が影響しあう。コイルに働く電磁力が 1m力として 5.65kW@4.4K、20.6kW@80K と液化能力として 650L/h を同時に発生する。

表1

冷媒として超伝導コイル等を冷却し、温度が上昇

稼働率実績

したヘリウムガスは屋外ヘリウムタンクに回収され、再びヘリウム圧縮機ユニットにより圧縮され、コールドボックスから冷媒として送り出されて循環する。
この循環の起点となる、心臓部とも言えるヘリウ
ム圧縮機は、大風量でヘリウム液化冷凍機用として実績がある油噴射式スクリュー圧縮機を採用している。そして、その動力源となる主電動機にはかご型三相誘導電動機を用いている。
3.LHD 低温システムの運転実績
LHD 低温システムの運転スケジュールは年度によって違う場合もあるが、概ね 8 月に精製運転を開始し、超伝導コイルの予冷運転を経て定常運転に入りプラズマ実験を行う。そして翌年 2 月にプラズマ実験を終了し、超伝導コイルの加温運転を行って実験サイクルを終える。図 3 に昨年度第 22 サイクルの運転実績を示す。
圧縮機が停止に至る故障の発生源は圧縮機ユニット自身の他、制御計算機、超伝導コイル、冷却水、電源、など多岐に渡るが、今回着目する圧縮機ユニット主電動機の故障が原因で停止に至った事象は、これまでの 23 サイクルのうち 1 度しかない。
図 322 サイクル LHD 低温システム運転実績

精製運転開始から加温運転終了までのおよそ 7 ヵ運転中の主電動機故障は表 1 の赤枠で囲った第 19サイクルで発生した。第 19 サイクルは通常と違い、2016 年 12 月末から精製運転を開始して、2017 年 8月間、ヘリウム圧縮機は 24 時間連続運転となる。こ月 3 日までの予定で定常運転（プラズマ実験）を行の長期連続運転は機器にとって過酷であり、特に回っていた。圧縮機連続運転中は週に一度圧縮機と主転機器には大きな負荷となるが、LHD 低温システム電動機の振動値（振幅）を測定して、健全性を確認

は 1997 年度にスタートした第 1 サイクルから現在しているが、加温運転に入った日の翌日 8 月 5 日の2021 年度の第 23 サイクルまでの運転で高い稼働率測定で、A 系高段 1 号機（AH1）の主電動機反カッを誇っている。今回は圧縮機が停止に至った事象をプリング軸方向で管理値を超える異常に高い振動値故障としてカウントし、現在までの 23 サイクル分のが測定され（管理値は 38μm）、同時に甲高い異音（金稼働率をまとめたので表 1 に示す。

属音）発生も確認された。図 4 に振動値推移グラフ

稼働率の定義は MTBF（平均故障間隔）と MTTRを示す。その後毎日測定して様子を見たが、振動値（平均修理時間）から稼働率= MTBF（MTBF+MTTR）/の上昇は収まらず、垂直方向にも異常振動が見られとした。また MTBF は積算運転時間を故障回数で除始めたので、8 月 8 日にバックアップの冗長機に切した値、MTTR は故障時間を故障回数で除した値と替えた。この時、圧縮機が停止していた時間は約 35した。

分間だった。冗長機に切替えてすぐに再起動し、停これまでの合計で 99.3%と高稼働率になっており、特に 2013 年度以降は 99.9%から 100%と非常に高い止からおよそ 1.5 時間後には圧縮機ユニットは定格に達し、加温運転を再開している。19 サイクルの稼稼働率となっている。これは 2012 年度から圧縮機に働率は、このトラブルがあったにも関わらず、停止冗長機をラインナップし、8 台ある圧縮機ユニット時間が短いために 99.9%と高稼働率であった。のうち、どの号機にトラブルが発生した場合でも、問題となった AH1 は圧縮機側の振動には異常が停止してからおよそ 1 時間程度で冗長機に切替えて見られなかったため、主電動機の不具合と判断して、再起動可能となり、故障時間を短縮できるようにな加温運転終了後の停止期間中メンテナンスで新品にったことが理由の一端だと考えられる。

交換した。

実際に設置してある AL3 の写真を図 5 に示す。
次にメンテナンスだが、一般的に回転機器の保守において重要なのは、運転状態を把握することと、運転時間管理によるオーバーホールや消耗部品の交換だと考えられる。目視点検や異音確認の他、運転中に継続的に振動値（振幅）と表面温度や電流値を計測することによって運転状態を把握している。これによって前述した 19 サイクル運転中に発生した事象の様に、故障して停止してしまう前に初期の段階で不具合発生事象を発見でき、計画的な停止から冗長機へ切替えて再起動、といったスムーズな運転再開につなげられ、連続運転に対する影響を最小限に留める事が可能となる。また、運転状態から部品の消耗や劣化の傾向が判断できれば、部品交換などの点検時期を決定するための判断材料にできる。

図 4

AH1 振動値推移グラフ

これまでの運転実績の中で、主電動機に関するトラブル発生事象はこの一件しかない。長期連続運転を行う回転機器としては、故障発生回数が少ないと思われるが、これは適切なメンテナンスを行っているからだと考えている。最後に次章でどの様なメン

図 5

テナンスを行っているかを紹介したい。
4.ヘリウム圧縮機用主電動機のメンテナンス履歴
主電動機の仕様は 8 台ある圧縮機の大きさによって各種あり、表 2 の様になっている。
表2主電動機の仕様一覧

AL3 主電動機

運転時間管理によるオーバーホールや消耗品の交換に関しては、実施時期をいつにするかが悩ましい。
メーカーの推奨メンテナンス周期では、ベアリング交換が 24,000h 毎、分解洗浄 / ワニス含浸処理による絶縁強化が 48,000h 毎となっている。しかしながら、限られた予算内でメンテナンスを行うため、他機器でのトラブル対応があった場合など、毎年全台数を推奨通りに実施することはできない。さらに前
述の運転状態把握によって、消耗や劣化の度合いが進んでいる可能性があると分かった場合は、その号機に関しては優先的に点検する必要がある。このように総合的に判断して、これまで点検を実施する号機と時期を決定してきた。その実績を下記の図 6 に示す。

電源電圧は高圧 6600V、60Hz で、停電対策として所内常用発電機設備の系統から受電している。運転中の消費電力は 8 台の合計でおよそ 3500kW である。

新と同じく赤矢印で表している。オーバーホールはベアリング交換とワニス含侵処理を両方行っている。
まとめてみて分かったことは、運転時間が 48,000hを超えたものは順次新品へ更新しており、現在は全号機が 2 台目に替わっている。（コイル巻き替えを含む）
ベアリングの交換は 40,000h を超えない様に実施しているが、AL3 と AH1 は同じベアリングで 40,000hを超えて運転していた期間がある。AH1 は同じベアリングで 42,967h 運転していた期間があり、全台の履歴のうち一番長い。またこの時は最終的に振動値が異常上昇し、前述の 19 サイクルの圧縮機停止事象の発生につながっている。（図 6 の AH1 星印で発生した）AL2、AH2 は 2 台目に入ってから積算運転時間が 48,000h 時間を超えているので、そろそろ 3 台目に更新する時期に来ていると考えられる。BH1 は今サイクル終了後にオーバーホールの予定だが、2台目更新後の積算運転時間が 32,660h なので、年間の運転時間をおよそ 5000h とすると、もう一年先延ばしが可能そうだ。
続いて絶縁劣化診断だが、こちらはメーカー推奨で 2～3 年毎に行った方がよいとされている。試験項
目を表 3 に示す。
表3

絶縁劣化診断試験項目

絶縁劣化診断は地絡や漏電につながる対地絶縁抵
抗低下の他にも、コイル巻き線の線間短絡（レアショート）を引き起こす絶縁体内部のボイド（気泡）や欠陥を発見することができるため、ワニス含侵処理やコイル巻き替え、新品への更新などの時期を決定する判断材料となる。ベアリング交換が優先されるが、予算に余裕がある場合は実施が推奨される。
5.まとめ
LHD 低温システムは 1997 年度の第 1 サイクルから、現在の第 23 サイクルまでの運転で、高い稼働率
図 6主電動機のメンテナンス履歴を維持し続けている。またヘリウム圧縮機用主電動機のメンテナンスはこれまで適正に行われており、新品更新後は赤矢印で表している。コイル巻き替
えはほぼ新品と同じ状態になるとのことで、新品更安定した長期連続運転を可能にしている。