J‑PARC陽子リニアック設備の高調波対策,

千代 悦司1 、山崎 正義、堀 利彦、長谷川和男
日本原子力研究所 大強度陽子加速器施設開発センター〒319-1195 茨城県那珂郡東海村白方2-4
Linacは、RFQ、DTL(3空洞)、SDTL(42空洞21ユニット)及びACS(62空洞31ユニット)の加速空洞により構成され、イオン源で生成されたH-ビームを400MeVまで
J-PARC、Linacの受電系統には、電磁石電源や高周加速する。RFQからSDTLの終段までに20台の324MHz波電源等の半導体を使用した機器から多量の高調波クライストロン(定格出力：3MW、620μs、50pps)が電流が流出する。主要電源の整流方式や回路構成か使用され、ACS及びビーム輸送系には25台の972MHz
ら高調波抑制ガイドラインに則って電流を算出するクライストロン(定格出力：3MW、620μs、50pps)がとともに、実測を行い各電源からの高調波電流を算出した。結果、6.6kV系統換算で91Aの高調波が発生し、 使用される。表1は、Linacで高調波を発生しうる主要電源の台数、合計容量及び電源の整流方式を示す。
そのうち半分以上がクライストロン高圧直流電源か高調波を発生する電源として、1)イオン源(Ion)電源、らであった。高調波対策は、主に第2変電所の6.6kV系
2)ビーム輸送系に用いられるソレノイド電磁石(S-mag)
統に接続された大容量の高調波フィルタにより行な電源、Q電磁石(Q-mag)電源、偏向電磁石(B-mag)電源、われる。その容量は、1Mvarから数百kvarであり、進3)クライストロン高圧直流電源(KLY-HVDC)、4)クライ相コンデンサと協調して電源系統の安定・効率的運ストロン集束磁場コイル用(KLY-mag)電源、5)冷却水転を行なう計画である。
設備の温調用ヒータ(Heater)電源が挙げられる。この他にユーティリティ設備や小容量の半導体増幅器・
１．はじめに直流電源及び制御機器からも高調波が発生するが電日本原子力研究所、東海研究所に建設される大強流量として比較的少量であるのでここでは省略する。
度陽子加速器施設(J-PARC)の加速器は、400MeVリニ
Ion源電源は、ビーム引出しの為の高圧電源、アーアック(Linac)、３GeVラピットサイクルシンクロトロ
ク電源及びフィラメント電源等から構成され、整流ン(RCS)、50GeV主シンクロトロン(MR)から構成され方式は、三相全波整流+コンデンサ平滑であり、フィる。これらの加速器群の電気設備容量は、Linacでルタとして直流側にインダクタ(DCL)が設置されてい34MVA 、RSCで38MVA 、MRで55MVA (運転当初はる(図1上段参照、表中記号A)。
25MVA 程度)であり [1] 、膨大な設備容量となる。これ
ビーム輸送系に用いられる磁石用電源は、小容量のステアリング用電磁石電源を除く殆ど全てが3相全ら需要電力の大部分を占めるのが、電磁石電源や高周波電源等のAC-DCコンバータを有する機器であり、 波整流+コンデンサ平滑方式で交流側(ACL)及び直流側(DCL)にインダクタが設置された電源である(図1上
これらの機器は大容量で多数の半導体素子で構成さ段参照、表中記号B)。DTQのQ-mag電源を除くこれられ、運転時には多量の高調波電流を発生する。の電磁石電源は連続出力で運転される。DTL用のQ近年、半導体素子の急速な発展により、半導体素mag電源はDTQ電源室に最大131台設置され、これら子を用いた機器が急速に普及している。これら機器はピーク電流1000A(最大)、50Hzでパルス運転される。
から発生する高調波電流により、調相設備等の受電これらの電磁石電源は、1台の電源で1台ないし2台の設備が焼損し、また、制御機器等が誤動作する障害電磁石を駆動するため、電源台数が多く、また、そが顕在化している。このため、電力会社が要求するの出力は十数kWから数kWと小さい。
受電点(分界点)での電圧歪みの指定値(許容値)も厳し
クライストロン高電圧直流電源 [3]は、1電源あたりく指定されており、高調波抑制ガイドライン[2]では、の電気容量が800kVA程度であり、Linac設備の電源の特別高圧受電点での電圧総合歪み率を3％以下と規定中で最も大きな単機容量を有する。図1の下段に示すされている。本施設を含む原研東海研究所と東京電ように本電源は、初段に移相変圧器(1次側：Δ、2次力との分界点では、各次電圧歪み率0.5％以下、総合側：Y−Δ)をもち、30度位相のずれた3相2線路を整流電圧歪み率1％以下が指定されている。
することにより12パルス換算の全波整流を行なってい本稿では、Linacで用いられる主要機器の高調波発る。また、平滑コンデンサ及びDCLにより直流側のリップルを低減している(表中記号C)。本クライスト
生量を積上げ、現時点で検討されている高調波対策
ロ ン 電 源 は 、 324MHz ク ラ イ ス ト ロ ン 用 に 5 台 、について記述する。
972MHzクライストロン用に9台設置されるが、半数の２．LINAC高調波発生量
電源において移相変圧器の一次側のΔ結線を一部を千鳥結線し、位相を15度ずらすことにより6.6kV系統
2.1 高調波発生電源から見て等価的に24パルス全波整流を図っており、高概要

1E-mail: chishiro@linac.tokai.jaeri.go.jp

表1 Linacの高調波発生機器と発生電流
台 合計容量 電源 高調波電流 算出数(kVA) 方式 (A) (%) 記号
290A
2.3 3G

電源名称

用途場所

1Ion

ION

2S-mag

LEBT

260

B

1.11GQ-mag

MEBT11236B

0.91GB-mag

DTL
SDTL
MEBT2ACS
L3BT
L3BT

131
3664272
61,13311236252
172210

B
B
B
B
B
B

2.8
2.8
0.8
5.5
3.7
4.5

331645AA
GGGG

3 KLY HVDC 324-KLY

594,4005,200CC23.928.52631GG324-KLY 20972-KLY 25Cooling Sys. 3240300
1,050
13,291B
B

4.86.03.3
90.9

574972-KLY4KLY-mag

5HeaterSum

調波電流の発生を抑制している。
クライストロン集束コイル用主電源は、クライス
トロン1台当り1電源必要であり、整流方式は三相全波整流のACL+DCL付のBタイプの電源である。

2.2 高調波発生量

図1 直流電源の各回路構成機器の約20% 程度であるが、高調波の発生量は36% を占める。これらの電源では、単機容G量は少量であるが、全機器(合計350台)が同時Gに動作すると相当量の高調波を発生する。
A
表中のガイドラインからの算出値は、機器の入力電流に比例して高調波電流が発生するものとして計上している。しかしながら、実際の電源では、出力を低減するとダイオードやサイリスタに流れる電流波形が大きく歪み、多量の高調波が発生する恐れがある。そこで、クライス
トロン高圧電源を用いて、低出力運転時での高調波電流実測値とガイドライン算出値とを比較した。その結果、定格出力の60%程度で電源を動作させると、ガイドライン算出値より3割程度大きな高調波電流が観測された。現状では、この差異を考慮せず高調波対策の検討を進めているが、最終的には検討値以上の高調波が発生したときの影響を検証する必要がある。

Linacの加速エネルギ400MeV、ビーム電流50mA、繰返し数50ppsで動作したときに推測される各機器からの高調波電流を表1にまとめる。表中の高調波電流は、5次、7次、11次、13次、17次、19次、23次、25次の高調波電流の実効値であり、6.6kV系統に流れ込む電流値に換算したものである。算出記号”G”の付いた
３．高調波対策
機器の電流量は、まず、全電源の直流出力や効率等のパラメータから交流入力電流を想定し、表2に示す
J-PARC電気設備での高調波対策は、コスト・制御
高調波対策ガイドラインに指示されている回路種別等の観点から主に特高変電所に設置する受動型の高に電源の種類を割り当て、入力電流と表中の次数別調波フィルタ(FL)により行なう。図2は、受電系統の発生量から次数ごとの電流量を算出した。記号”A”は、 概略図を示す。J-PARC受電用に3箇所、66kV/6.6kV変電源の高調波を実測し、その特性から稼働率を想定電所が新設され、各変圧器の２次側(6.6kV系統)にそれして算出した。ただし、DTL・Q-mag電源の高調波電ぞれFLが設置される。Linacの電源は、第２変電所に流は、低圧側で高調波抑制対策を施した後の6.6kV系設置された三相３巻線変圧器の片側の変圧器から供統への流出量である [4] 。Linacから流出する高調波電給され、同じく３NBT(RCSから中性子実験施設に至流は91A であり、半数をクライストロン高圧電源が占るまでのビーム輸送系)の機器もこの変圧器に接続さめる。また、集束コイル電源を含む電磁石用直流電れる。３巻変圧器の他方は、RCSに接続される。従っ源において、電気容量は全体で2,550kVA であり、表中てFLは、この変電所に２式設置される。
表2 電流算出に用いたガイドライン指示値
図３は、ガイドラインに則り算出された各施設
入力電流に対する次数別高調波発生量 (%)
ごとの定格ビーム出力運転時に発生する高調波電
回路種別
5th7th 11th 13th 17th 19th23rd25th 流(6.6kV換算)を次数別に示す[5]。RCS及び3NBTの施A:三相全波
30
138.4 5.0 4.73.23.02.2 設もLinacと同レベルの高調波電流を発生する。各(DCL)
FLの容量は、受電点(図中A点)および66kV母線系統
B:三相全波(ACL+DCL289.1 7.2 4.1 3.22.41.61.4 で電圧歪み率が指定値(総合歪み率1.0%以下、各次数歪み率0.5% 以下)を満足するように設定され、現)C:三相全波在、全系統の均衡を考慮し検討を行なっている。
(12パルス)

2.01.54.53.00.20.150.750.75

高調波電流 (A)605550454035302520151050に よ り 自 動 調相する。
よって、負荷容量に応じてFLを入り切りする自動運転は行なわないことを考えている。
最後に、FLの容量は施設全体を考慮して決定しなければならないが、設備規模を見積もるために容量の概算を行なと、Linac・3NBT側分路では、
5 次 ： 1.3Mvar 、 7 次 ：660kVar、11次：830kVar、13次以上の高次：1.5Mvarとなり、RCS側分路では、
5 次 ： 500kvar 、 7 次 ：200kVar、11次：250kVar、
図2 J-PARC受電設備単結線図
高次：500kVarである。単機容量1MvarのFLの大きさ
6.6kV換算電流は、おおよそ設置面積 2 x 2m、高さ2m程度なので、フィルタヤードとして約150m2の面積が第2変電所に必
Linac
要となる。
3NBTRCS
４．まとめ57

11 13 17高調波次数1923

図3 第2変電所での高調波発生電流量

25

Linacから発生する高調波電流をガイドライン及び実測値からの推算により電源ごとに算出した。Linacから第2変電所に流出する高調波電流の実効値は91Aであり、このうち半分以上がクライストロン高圧直流電源である。J-PARC施設の高調波対策は、6.6kV母線系統に設置された受動型の高調波フィルタにより行なう。その制御方式は、運転モードの負荷容量に応じて手動(または半自動)でフィルタを投入し、自動制御型の進相コンデンサにより調相することを計画している。今後、施設全体を含めた詳細な解析を行いフィルタの容量を決定するとともに、突然の負荷喪失時に発生するフェランチ現象の対応策やSCとFL及び変圧器タップの協調動作を検討し、系統の安定性・経済性を考慮した運転方式を策定する。

第2変電所における高調波発生量は、加速器の運転状況に応じて増減し、それに合わせてFLや進相コンデンサ(SC)の投入容量を決定しなければならない。高調波発生量の観点から見た加速器の運転モードとして、a)全停止(夏期メンテナンス等)、b)冷却水・空調等のユーティリティ施設のみ運転、c-1)MR+中性子施設へのビーム供給運転、c-2) MRのみへのビーム供給運転、d)ビーム調整運転(コミッショニング)の4つモー参考文献
ドが考えられる。項目(a)から(c)の運転モードでは、[1] High-intensity Proton Accelerator Project Team, “Accel発生電流量はビーム電流に殆ど依存せずモードが決
erator Technical Design Report for High-intensity Proton
定すると一意的に電流量が決定する。これは、ビー
Accelerator Facility Project, J-PARC”, JAERI-Tech2003ム電流量に比例して変化する機器の消費電力が、全044, p603 (2003).
電力に対し数%程度であるためである。ビーム調整運[2]
電気技術調査委員会 編, “ 高調波抑制対策指針
転時には、発生電流は稼動する機器台数に応じて増(JEAG9702)”, (1995).
減するため(b)から(c)までの範囲で変化する。
[3] 川村 他, “JAERI-KEK統合計画リニアック用クライス
高調波フィルタと進相コンデンサのON/OFF制御は、トロン電源システムの開発”, Proc. of the 26th Linear
変圧器のタップ切り換えを含め、系統を安定にかつAccelerator Meeting on Japan, p204-206, (2001).
効率運転を行なうために総合的に制御しなければな[4] 堀 他, “大強度陽子加速リニアック用DTQ電源の高調らないが、基本的な方針として、運転モード(b)では、波対策”, 本研究会
自動制御型SCにより力率を調整し、FLは投入しない。
[5] 渡辺,他, “J-PARC電力設備連絡協議会資料”, Private
運転モード(c)・(d)では、運転開始前にある一定容量Communication, (2003).のFLを投入し、基本波に対して、FLが進相コンデンサとして働くようにし、位相補償しきれない分をSC