JPH0454820A - 超電導コイルの保護装置 - Google Patents

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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は強磁場発生装置に用いられる超電導コイルの保
護装置に関する。

〈従来の技術〉 近時、電力貯蔵、核融合なとの強磁場発生装置に用いら
れる超電導コイルは大形化し、コイル電流も大きくなり
、数〜数十ｋＡに達し、超電導コイルに蓄積されるエネ
ルギーも数十〜数百ＭＪと巨大なものになってきている
。

超電導コイルは液体ヘリウムにより冷却されて超電導状
態を保っているか、何らかの原因でコイルの一部か常電
導転移（以下、クエンチという）を起こすと、その部分
か発熱し、さらにその周辺が加熱して次々にクエンチか
発生し、最終的には超電導コイルか破壊されるという問
題かあることはよく知られている。

このため、超電導線は、細い超電導線の周りを銅で厚く
被覆し、クエンチか発生した場合には電流を銅の部分に
流し、超電導線の断線を防止し、発熱も最小限に抑制す
るようにしている。

このように小部分での短時間のクエンチは防止すること
が可能であるか、クエンチの発生時間か長い場合や、コ
イルの冷却部能力か不足したような場合には、電流をす
みやかに減少させ、蓄積エネルギーを外部放出させて超
電導コイルを保護する必要かある。

このような保護装置として例えば第５図に示すようなも
のかある。これについて説明すると、１は負荷としての
超電導コイル、２は図示しない交流電源に接続された変
換器用変圧器３に接続され、交流電力を整流した直流電
流を上記超電導コイルｌに供給するサイリスタ変換器で
ある。４は上記超電導コイルｌにダイオード５を介して
並列に接続され、超電導コイルｌにクエンチか発生した
場合、該コイルｌに蓄積されたエネルギーを吸収するた
めの保護抵抗である。６は上記サイリスタ変換器２の直
流出力側に介挿された直流しゃ断回路である。これは、
上記サイリスタ変換器２に直列に接続された真空しゃ断
器等からなる直流しゃ断器ＶＣＢと、この直流しゃ断器
ＶＣＢに、コンデンサＣを転流リアクトルＬとイグナイ
トロン、トリガギャップ等からなるギャップスイッチＧ
とを介して並列に接続し、上記コンデンサＣの端子間に
抵抗Ｒを介して直流電源ＤＣを接続して構成されている
。

そして、通常運転時には、サイリスタ変換器２により、
超電導コイルｌに直流しゃ断器回路６の直流しゃ断器Ｖ
ＣＢを介して直流電流か供給されている。

この状態で、超電導コイルｌにクエンチか発生した場合
、直流しゃ断器ＶＣＢによって直流しゃ断し、超電導コ
イルｌに蓄積されたエネルギーを保護抵抗４で急速に消
費させてコイル１を保護するようになっている。

この際、直流しゃ断回路６は、直流しゃ断器ＶＣＢを開
極し、直流電源ＤＣにより、あらかしめ充電されたコン
デンサＣの電荷によってギャップスイッチＧを放電導通
させ、転流リアクトルＬを介して共振させた大電流を直
流しゃ断器ＶＣＢに注入して強制的に電流零点をつくっ
て直流しゃ断する。直流しゃ断機のコイル電流はｌ→４
呻５→１の経路で流れ、超電導コイルｌに蓄積されたエ
ネルギーを保護抵抗４で消費する。

〈発明か解決しようとする課題〉 しかし乍ら、上記のように構成された場合、超電導コイ
ルｌの保護は可能となるが、直流しゃ断器ＶＣＢには連
続に数十ｋＡ以上の電流を流すことになるため、相当大
きな直流しゃ断器が必要となり、汎用性のある直流しゃ
断器は数ｋＡ径程度ので単一パルプでは実現することか
できず、並列使用等格別な構成が必要となるという問題
を育している。

しかも、直流しゃ断器の開極時に電流零点をつくるため
に放電するコンデンサも大容量となり、これの充電装置
も必要となって構成を複雑化し、装置を大形化して高価
なものになるという問題を有している。

また、コンデンサは常時充電していなければならず、ギ
ャップスイッチかミス放電すればしゃ断機能か失われる
おそれを有し、直流しゃ断器の開極とギャップスイッチ
の放電導通とのタイミングがずれるとしゃ断不能となり
、タイミング合わせの精度も高くなって（例えば１ｍｓ
以下）、両者の組合わせ調整もはん雑になって手間を要
し、信頼性を低下させるという問題を有している。

本発明は上述した点にがんかみてなされたものて、その
目的とするところは、簡略化した構成で小形安価で、か
つ信頼性を向上することができるものを提供することに
ある。

〈課題を解決するための手段〉 上記目的を達成するため、本発明は電源としてのサイリ
スタ変換器と負荷としての超電導コイルとの間に、断路
器を介挿し、超電導コイルに投入器を介して保護抵抗を
並列に挿入し、この保護抵抗の端子間に、しゃ断器と限
流ヒユーズを並列に挿入して、クエンチ発生時、しゃ断
器→限流ヒユーズ→保護抵抗の順にコイル電流を転流せ
しめて超電導コイルを保護するようにしたことを特徴と
する。

く作　用〉 超電導コイルにクエンチが発生した場合、サイリスタ変
換器を制御遅れ角を９００より遅らせて負電圧を出力さ
せてから投入器を投入させ、コイル電流をしゃ断器に移
して、電源側の電流を零にして断路器を開極し、その後
しゃ断器を開極させ、この開極によって生じるアーク電
圧によりコイル電流を限流ヒユーズに転流し、限流ヒユ
ーズ溶断時に発生するアーク電圧によりコイル電流を保
護抵抗に転流させて、コイル電流をＬ／Ｒて減衰させ、
蓄積されたエネルギーは保護抵抗で消費して超電導コイ
ル１は保護される。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例を第１図乃至第４図によって説明
する。なお第５図と同一部分は同一符号を付して重複す
る説明は省略する。第１図において、７はサイリスタ変
換器２の直流出力側と超電導コイルｌとの間に挿入され
た断路器で、電動、油圧等の駆動手段を具備し、開閉指
令により、リモート操作できるようになっている。ｌＯ
は上記断路器７と同様、開閉指令によりリモート操作可
能に形成された投入器である。そして、上記超電導コイ
ルｌに、投入器ＩＯを介して保護抵抗４を並列に接続し
、この保護抵抗４の端子間に、真空しゃ断器８と限流ヒ
ユーズ９とを並列に挿入して、上記投入器ｌＯの投入後
、真空しゃ断器８を開極することにより、超電導コイル
ｌのコイル電流を限流ヒユーズ９から保護抵抗４へと順
次転流せしめるようになっている。

そして、上記断路器７、投入器ＩＯ及び真空しゃ断器８
対する開閉指令並びにサイリスタ変換器２に対するゲー
ト信号は図示しない制御装置より送出するようになって
いる。

次に、その動作を第２図乃至第４図と共に説明する。通
常運転時、断路器７は閉極し、投入器１０は開極、真空
しゃ断器８は閉極して、交流電力を図示しない制御装置
のゲート信号により整流して得られた直流低電圧大電流
（例えば５０Ｖ、、３２ｋＡ）を負荷としての超電導コ
イル１に供給する。

この状態でクエンチか発生した場合（第２図ｔＯ時点）
図示しないクエンチ検出手段により検出信号か図示しな
い制御装置に送出され、これをうけた上記制御装置はサ
イリスタ変換器に制御遅れ角か９０°より遅れたゲート
信号を送出して、サイリスタ変換器２を逆変換動作に移
行させて負電圧を（例えば−５０ｖ）を出力させる（第
２図２）。

次いて、投入器１０を上記制御装置の指令により投入さ
せる（第２図１．時点）。これにより、超電導コイルｌ
のコイル電流は、ｌ→１０→８→ｌの経路て流れ、電源
側からの電流は零になる。

次に断路器７を上記制御装置の指令により開極する（第
２図ｔ７時点）。この際、電源側の電流は零であるため
、断路器７を開極してもアークは発生せず、超電導コイ
ル１とサイリスタ変換器２とは切離される。次いて真空
しゃ断器８を上記制御装置の指令により開極する（第２
図ｔ２時点）。

この際、極間にアークか発生し、これによるアーク電圧
によってコイル電流か限流ヒユーズ９に転流する。

この転流を第３図の等価回路図及び第４図の波形図によ
って説明すると、真空しゃ断器８のアーク電圧をＶｖｃ
ｍｓ限流ヒユーズ９の降下電圧をＶ（即ち、ｉ、ＸＲ，
但しＲ１：９の抵抗分）、真空しゃ断器８と限流ヒユー
ズ９の回路配線のインダクタンスをＬ＋　　Ｌや断電流
をＩｃとし、Ｖ、。ＩＩＶＦを一定とすれば、転流時間
Ｔ１は概略て示され、（１）式からも理解されるように
、転流時間Ｔ１は、アーク電圧か高い程、真空しゃ断器
８から限流ヒユーズ９の回路配線のインダクタンスＬ１
か低い程転流かすみやかに行われることになる。今、例
えば上式のし、＝２μＨ，Ｖ、ｃ、　−Ｖ、＝５０Ｖ、
Ｉｃ＝３２ｋＡと仮定すれば、転流時間Ｔ、は（１）式
から１．３ｍｓとなる。

このことは、通常の構成であれば１〜３ｍｓ程度の時間
で転流か完了することになる。

一般に、真空しゃ断器８は商用周波数の１／２サイクル
（８〜１０ｍ５）はアークか持続し、それに耐えられる
よう形成されているので、上記例示からも理解されるよ
うに、アーク時間は短く、真空しゃ断器８を損傷せしめ
るようなことはない。

次いで、上記真空しゃ断器８の開極により限流ヒユーズ
９にコイル電流か移り、限流ヒユーズ９か溶断し、その
限流効果により高いアーク電圧が発生する（第２図ｔ４
時点）。限流ヒユーズ９の溶断開始及びアーク電圧発生
時間を真空しゃ断器８か再点弧しない絶縁の回復時間以
上（第４図工３、例えば１〜３ｍｓ以上）に選定してお
けば、限流ヒユーズ９のアーク電圧発生時点（第４図ｔ
４時点）に真空しゃ断器８は再点弧することなく回復し
、例えば３〜Ｂｍｓ後には数十ｋＶ程度まて回復するこ
とになる。

したかって、上記転流時１’ｌ！Ｔ、と溶断開始時間Ｔ
、との和（Ｔ　＋　十７２　）か上記例示した値でみれ
ば３ｍｓ以上になれば、コイル電流は確実に転流される
ことになる。

そして、限流ヒユーズ９のアーク電圧により、コイル電
流が保護抵抗４に転流し、限流ヒユーズ９の電流はしゃ
断される。限流ヒユーズ９は、高圧（例えば６ｋｌ限流
ヒユーズを用いれば、アーク電圧か１ＯｋＶ程度以上発
生し、（定格電流）×（保護抵抗）を数ｋＶ以下にすれ
ば、コイル電流の保護抵抗４への転流は、限流ヒユーズ
９のアーク電圧ＶＦ、保護抵抗４の降下電圧をＶ。

、回路配線のインダクタンスをＬ２とし、■。

■、を一定とすれば、転流時間Ｔ、は概略テ示され、例
工ばＬ　２　＝　２０　ｕ　ＨｌＶｒ　　ＶＲ＝５０Ｖ
、Ｉｃ＝３２ｋＡと仮定すれば、Ｔ２は（２）式から１
．３ｍｓとなる。

上記保護抵抗４に流れるコイル電流はＬ／Ｒて減衰し、
超電導コイルｌに蓄積されたエネルギーはすへて保護抵
抗４て消費され保護される。

なお、上記Ｌ／Ｒ時定数は、超電導コイルの端子電圧か
非常に大きくなってコイル絶縁か困難にならない程度に
選定され、例えば、小形のもので数秒、大形のもので士
数秒〜数十秒程度に選定すればよい。

そして、通常運転に戻る場合は、真空しゃ断器８を投入
させ、限流ヒユーズ９を取替え、投入器１０を開極し、
断路器７を投入して次のクエンチ発生に備える。

上記説明からも理解されるように、連続して大電流を通
電するのは断路器７のみてあり、電流しゃ断は行われな
いので、汎用の断路器か使用可能となる。また投入器ｌ
Ｏは、通電時間か超電導コイル１の放電時定数（Ｌ／Ｒ
時定数）に見合った時間（例えば数秒程度）となるため
、短時間定格のもので適用か可能となり、超電導コイル
ｌの定格電流の投入か可能であればよいので、格別大形
化するようなことはない。さらに真空しゃ断器８は、投
入器ｌＯが投入されてから開極してコイル電流を限流ヒ
ユーズ９に転流させるまでのわずかな時間（例えば１秒
以下）の通電容量があればよいので、汎用のもの（例え
ば１２０ＯＡクラスで３２ｋＡ短時間しゃ断可能）か適
用できる。さらにまた、限流ヒユーズ９は、真空しゃ断
器８か開極し、該真空しゃ断器８の絶縁が確保できるま
て溶断じないという条件で定格電流はできる限り小さい
ものか選定できる。例えば高圧（６ｋＶ）用の限流ヒユ
ーズで３００〜４００Ａクラスてあれば、溶断時間は５
ｍｓから１０ｍ５程度のものか選定できるため、汎用の
ものが適用できる。しかもこのクラスのものはヒユーズ
ホルダも容易に装着可能で動作表示も付属しているため
、動作後の取替えに手間を要することなく簡単に行うこ
とかできる。またクエンチの発生は実際には年に１度あ
るかないかであるため、予備品として数本用意しておけ
ば数年間は使用可能であり、汎用の高圧限流ヒユーズを
適用できるため、ランニングコストを高めることもない
。

加えて、定格電流か上記例示でも理解されるように、数
百への限流ヒユーズに数十ｋＡの電流を流すため、ヒユ
ーズ電流は確実にしゃ断する。しかも汎用の限流ヒユー
ズのしゃ断容量は数十ｋＡ以上あり、保護抵抗に転流し
た後の電圧を数ｋＶ以下にすれば再点弧、しゃ断失敗を
生ずることもない。

上記実施例において、８は真空しゃ断器として説明した
か、これに限定されるものではなく、限流ヒユーズ９の
溶断開始時間までに開極したしゃ断器の絶縁が回復可能
な速度を有するしゃ断器であれば適用できることは勿論
である。

〈発明の効果〉 本発明によれば、クエンチ発生時、しゃ断器にしゃ断指
令を送出するだけてコイル電流を限流ヒユーズを介して
保護抵抗に順次転流せしめるようになっているので、タ
イミングずれを生ずることなく、的確に直流しゃ断する
ことかでき、超電導コイルを保護することかできる。

しかも、直流しゃ断のためにコンデンサをあらかしめ充
電したり、精度の高いタイミング制御も不要となって簡
略化した構成で直流しゃ断の信頼性を一段と向上せしめ
ることかてきる。

さらに、電源側を切離してから直流しゃ断するようにな
っているので、直流しゃ断によって電源側を損傷するこ
となく超電導コイルを保護することかできるため、電源
としての変換器を高耐圧化する必要は全くなく、耐圧の
低いサイリスタ等を使用して形成することかできる。

さらにまた、構成部材は汎用性の高いものを用いて形成
することかできるので、装置を小形、安価に製すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロック図、第２図は第
１図の動作説明図、第３図は転流を説明する等価回路図
、第４図は転流時の各部の波形図、第５図は従来例を示
すブロック図である。 １、超電導コイル　２．サイリスタ変換器４：保護抵抗
　７　断路器 ８、真空しゃ断器　９：限流ヒユーズ ｌＯ二投入器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）交流電源の出力を整流して直流低電圧大電流を負
   荷としての超電導コイルに供給するサイリスタ変換器と
   、この変換器の直流出力側と上記超電導コイルとの間に
   介挿した断路器と、超電導コイルに投入器を介して並列
   に挿入した保護抵抗と、この保護抵抗に並列に接続した
   しゃ断器及び限流ヒューズとを備え、クエンチが発生し
   た時上記しゃ断器、限流ヒューズ、保護抵抗の順にコイ
   ル電流を転流せしめて、保護するようにしたことを特徴
   とする超電導コイルの保護装置。