JP5180783B2 - 超電導コイルクエンチの検出装置及び検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、超電導コイルのクエンチを検出する装置及び方法に関する。

超電導コイルにおいて、温度や電流などが超電導状態を維持するための条件を満たさなくなると、いわゆるクエンチが発生し、常電導状態に移行する。クエンチが発生すると、その箇所で抵抗値が増加し、電流により急速な熱エネルギーへの変換が発生する。クエンチが発生した場合に超電導材料や絶縁物を保護し損傷を防ぐために、クエンチを早期に検出することが望まれている。

超電導体の巻線に直流電流を流すことによって形成される直流マグネットにおいては、巻線内部の２点間の電位差の計測値によってクエンチの検出が行われる。しかし、超電導コイルによって電力を貯蔵し、必要に応じて電力の放出を行うＳＭＥＳ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ）の場合は、充放電時に外部から高圧の交番電圧が印加されるため、直流マグネットの場合と同様のクエンチ検出が出来ない。また直流マグネットと同様の巻線と並列にダイオードを設置することによる保護回路を採用することが出来ず、専用の保護手段を設ける必要がある。

超電導コイルのクエンチ検出に関する先行技術文献の一例として、特許文献１を挙げる。
特開２００１−２７４０１４号公報

ＳＭＥＳにおいては、変換器のスイッチングにより巻線電流に発生する高周波ノイズや、コイルとグランド間の分布容量を経由する漏れ電流が問題となることがある。これらの現象は、クエンチを検出するために常時監視される検出電圧に含まれる高周波ノイズの原因となる。

より詳しく説明すると、監視対象であるクエンチ時に発生する電圧は、コイルに流れる電流と巻線内部で局所的に増加した抵抗値との積である。この電圧は微小であり、かつ充放電時の過大な主回路電圧とは無関係に発生する。一方、ＳＭＥＳにおいて充放電を行うための変換器は、スイッチングノイズ、コイルのインダクタンス、内部及び対地の分布容量の差により、充放電時に、監視対象の電位差に変動が生じ、監視対象の電圧にノイズが乗る。このノイズにより、異常を精度よく検出することが難しくなる。

高周波ノイズは、高周波フィルタを挿入することにより抑制することができる。図１に、参考技術として、ＳＭＥＳのクエンチ検出回路に高周波ノイズを抑制するフィルタを備えた例を示す。ＳＭＥＳコイル１０６は、直流中間コンデンサ１０２、充放電用変換器１０４を介して外部の電源に接続される。ＳＭＥＳコイル１０６の巻線の両端のノードは、分圧抵抗器１１２の両端に接続される。分圧抵抗器１１２の中間に介設された零調抵抗器１１３の可変ノードとＳＭＥＳコイル１０６の巻線の中点のノード１１０とがアイソレーションアンプ１１６の第１入力端子と第２入力端子とにそれぞれ接続される。アイソレーションアンプ１１６の出力端子はローパスフィルタ１１７の入力端子に接続される。ローパスフィルタ１１７の出力側と、異常判定電圧設定回路１２６とが絶対値コンパレータの第１入力端子と第２入力端子に接続される。

こうした回路により、ＳＭＥＳコイル１０６の両端に並列的に分圧抵抗器１１２、零調抵抗器１１３を接続することによって形成されるブリッジ回路のバランス電圧（バランスが崩れた場合はアンバランス電圧と呼ばれる）からローパスフィルタ１１７によって高周波ノイズの影響を抑制した信号に基づいて、クエンチ発生の有無を判定することができる。

しかしフィルタによってノイズを抑制することにより、以下の問題が発生する場合がある。
（１）ノイズ成分が大きい場合、フィルタによって検出を正しく行うために十分にノイズを抑制できない場合がある。
（２）また検出電圧に含まれるノイズ波形が正負非対称の場合、フィルタの出力信号に直流成分が残り、誤検出の原因となる場合がある。
（３）フィルタにおける応答速度の低下により、クエンチの判断に時間がかかり、コイルを保護するための制御を開始するタイミングに遅れが生じる。
（４）超電導コイルと分圧抵抗とで形成されるブリッジ回路においては、分圧抵抗の誤差による発生電圧が大きい。
（５）残留直流成分に対して、判定の閾値を上げての対応では、誤判定や判定の遅れによって信頼性が低下する可能性がある。

クエンチが発生したときに早期に検出できる技術が望まれている。特に、超電導コイルの充電・放電時などに発生するノイズによる影響を抑制しつつ早期にクエンチを検出できる技術が望まれている。

本発明による超電導コイルクエンチ検出装置は、超電導コイルと抵抗とで形成されるブリッジ回路のバランス電圧を検出して前記超電導コイルのクエンチを検出するためのクエンチ検出信号として出力するクエンチ検出信号生成部と、前記超電導コイルに蓄積されたエネルギーが保持される保持期間を示す保持期間信号を生成する保持期間信号生成部と、前記クエンチ検出信号のうち前記保持期間に含まれる信号を異常判定用信号として抽出する異常判定用信号抽出部と、前記異常判定用信号に基づいて前記超電導コイルのクエンチを検出するクエンチ検出部とを備える。

本発明による超電導コイルクエンチ検出方法は、超電導コイルと抵抗とで形成されるブリッジ回路のバランス電圧を検出して前記超電導コイルのクエンチを検出するためのクエンチ検出信号として出力する工程と、前記超電導コイルに蓄積されたエネルギーが保持される保持期間を示す保持期間信号を生成する工程と、前記クエンチ検出信号のうち前記保持期間に含まれる信号を異常判定用信号として抽出する工程と、前記異常判定用信号に基づいて前記超電導コイルのクエンチを検出する工程とを含む。

超電導コイルのエネルギーが保持される保持期間においては、超電導コイルの抵抗を検出するためのバランス電圧に乗るノイズが少なく、ブリッジ回路の超電導コイルのインダクタンスによる電圧分配や分圧抵抗器の抵抗値の誤差変動の影響も小さい。この保持期間における検出信号を抽出してクエンチ判定に用いることにより、信頼性の高いクエンチ監視及び検出が可能となる。

本発明により、超電導コイルの充電・放電時などに発生するノイズによる影響や、高電位差条件でのブリッジ回路での検出誤差を抑制しつつ早期にクエンチを検出できる技術が提供される。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本実施形態におけるクエンチ検出回路は、ＳＭＥＳにおいてエネルギーを蓄積する超電導コイルのクエンチを監視し検出するために用いられる。ＳＭＥＳの超電導コイルでは、コイル電流が常時変動し、更に高圧電圧源との充放電であることにより、超電導コイルの端子電圧の絶対値に基づいてクエンチの有無を判定することが困難である。そのため、１つの電流回路中に置かれた対の同仕様のコイルに対し、中点電圧検出抵抗器を平行に接続することによりブリッジ回路を形成し、そのアンバランス電圧を、クエンチを検出するための信号として用いる。

図２は、本実施形態におけるクエンチ検出回路を示す。ＳＭＥＳコイル６には、図１に示した参考技術における直流中間コンデンサ１０２、充放電用変換器１０４と同様の直流中間コンデンサ２、充放電用変換器４が接続される。ＳＭＥＳコイル６は互いに同仕様の２つのコイルの対を備える。その２つのコイルの中点のノード１０に配線が接続される。ＳＭＥＳコイル６の両端の端子間にコイル端子電圧検出回路８が接続される。

ＳＭＥＳコイル６の両端の端子間に分圧抵抗器１２が接続されることにより、ＳＭＥＳコイル６と分圧抵抗器１２が並列に配置されたブリッジ回路が形成される。このブリッジ回路は、クエンチ検出信号の生成部として機能する。ノード１０と、分圧抵抗器１２の中点のノードとがそれぞれアイソレーションアンプ１６の第１入力端子と第２入力端子に接続されることにより、バランス電圧が検出される。アイソレーションアンプ１６の入力端子間はダイオードによるクリップ回路１４でクリップされる。

アイソレーションアンプ１６の出力端子は、積分スイッチ１８を介してＲＣ積分回路２２に入力される。ＲＣ積分回路２２には、そのキャパシタの両端を短絡するリセットスイッチ２０が接続される。積分スイッチ１８とリセットスイッチ２０の各々のＯＮ／ＯＦＦは制御装置２８により制御される。ＲＣ積分回路２２の後段側は、絶対値コンパレータ２４の第１入力端子に入力する。絶対値コンパレータ２４の第２入力端子には異常判定電圧設定回路２６が生成する異常判定閾値を示す信号が入力する。積分回路や異常判定回路は制御装置と合わせデジタル化しても良い。

このような回路によってＳＭＥＳコイル６のクエンチ発生の有無を監視し、クエンチが発生したときに早期に検出するための動作について以下に説明する。ＳＭＥＳコイル６は、充放電用変換器４を介して、外部の回路と充放電を行う。クエンチ検出回路は、ブリッジ回路のアンバランス電圧を取得する。

クエンチ異常を検出するためのアンバランス電圧の閾値は、高くても０．１Ｖ程度に設定される。クエンチにより発生する電圧は、クエンチによる超電導コイルの抵抗増加とコイルを流れる電流の積で決まりブリッジ回路の入力電圧値には無関係であるため、ブリッジ回路自身の誤差電圧が最小となる保持状態での絶対値検出を実施する。保持状態では、ブリッジ回路の入力は、充放電変換器のダイオードとスイッチング素子で短絡され略ダイオード２個分の電圧となる。そのため、クエンチ発生の影響を除いたブリッジ回路出力の最大電圧は、その半分のダイオード１個分となる事により、取得したアンバランス電圧をクリップ回路により±１V程度でクリップさせアイソレーションアンプの過大入力の防止と電圧振幅を必要最小限に抑える事により必要な電圧範囲でのアンプの高速応答性が確保される。

充放電時の不要且つ悪影響となる過大な電圧をクリップされたアンバランス電圧は、アイソレーションアンプ１６にて増幅されて被増幅信号として出力される。アイソレーションアンプ１６と積分回路２２との間には積分スイッチ１８が存在する。この積分スイッチ１８の開閉のタイミングは制御装置２８からの制御信号によって制御される。

アイソレーションアンプ１６から出力されたクエンチ検出信号は、積分スイッチ１８がＯＮである時間帯において、クエンチ判定に用いられる異常判定用信号として抽出（サンプリング）される。異常判定用信号の入力により、ＲＣ積分回路２２のキャパシタに電荷が蓄積される。積分スイッチ１８がＯＦＦである時間帯のクエンチ検出信号は監視対象から外される。絶対値コンパレータ２４は、ＲＣ積分回路２２の出力電圧を異常判定閾値と比較することにより異常判定を行う。従って、安定条件が満たされる期間（ブリッジ回路が安定してバランスしており、アンバランス電圧が０に近いことが期待される区間）において積分スイッチ１８をＯＮとし、アンバランス電圧の乱れが大きい区間において積分スイッチ１８をＯＦＦとする制御により、信頼性の高いクエンチ検出が可能である。

図３は、このような制御の一例を示す。ＳＭＥＳコイル6は充電と、超電導状態の閉回路を作ることによる電力エネルギーの保持と、放電の動作を繰り返している。又、保持期間はスイッチング周波数の一定周期毎に必ず最小時間以上確保される。ＳＭＥＳがクエンチせず正常に動作しているとき、アンバランス電圧（図３のクエンチ検出信号は、これがクリップされた信号を示す）が安定するのは、このうち保持期間である。特に保持期間のうち、保持期間の終わり近くの時間帯で安定した状態が得られる。最も安定したアンバランス電圧検出が期待できるのは、保持期間から放電期間に移行する少し前の期間である。図３では、これらの安定条件を満たす期間が、超電導状態の異常の有無の判定のために信号が抽出される「異常判定区間」として示されている。

この検出方法によれば、安定条件が満たされ、系が最も落ち着いている期間の信号をサンプリングして異常の有無を判定するため、従来のクエンチ検出回路で必要なノイズを除去するためのフィルタを用いる必要がない。そのためフィルタに起因する減衰や遅延がなく、異常が発生した場合に短時間で検出することができる。

以上のような制御を実行するために、制御装置２８は異常判定用信号抽出部を備える。この異常判定用信号抽出部は、図３に示されるような異常判定区間で積分スイッチ１８をＯＮする。具体的には、保持期間において積分スイッチ１８がＯＮにされる。好ましくは、保持期間の終端から所定の時間以内に設定された異常判定区間でＯＮにされる。さらに好ましくは、充電期間の後の保持期間の終端から所定の時間以内に設定された異常判定区間でＯＮにされる。

こうした制御を行うためには、制御装置２８が異常判定区間を指示する情報を得なければならない。特に、超電導コイル６に蓄積されたエネルギーが保持される保持期間を示す保持期間信号を得ることが必要であり、充放電用変換器４の制御装置は、充放電及び保持のタイミングや、時間を全て掌握しコントロールしている事より、クエンチ検出装置の検出実施タイミング信号３０についても発生能力を持つ事により、制御装置２８に入力し、検出に使用することが考えられる。充放電用変換器より、クエンチ検出のタイミング信号が送付されない場合は、クエンチ検出のブリッジ回路の入力電圧の変化によりタイミング信号を生成し使用する事が可能である。すなわち制御装置２８は、保持期間信号を生成する保持期間信号生成部を備える。この保持期間を示す情報は、具体的には以下のように与えられる。

クエンチ検出のブリッジ回路の入力電圧であるコイル端子電圧は、充電時には電流方向、放電時には電流方向と逆向きに直流中間コンデンサ電圧と略等しい高電圧が印加もしくは発生する。電流保持期間中は、電流中間コンデンサの電圧の印加、発生は無く、ブリッジ回路の入力を短絡する。ダイオードとスイッチング素子のＯＮ電圧の合計が発生するが、直流中間コンデンサ電圧に比較し極めて小さい事より、電圧の印加、発生が無い状態と見なすことができる。保持終了又は充放電開始のタイミングの計測及びその間隔の計算によりスイッチング周波数が得られ、入力電圧の極性により、充放電のいずれの制御領域にあるかの確認が出来、入力電圧が高電圧より略零となる迄の時間により充放電の時間長さを知る事が出来、その結果に基づいて、異常判定区間を設定する事が出来る。

クエンチ検出信号の安定性について更に説明する。図４は、ＳＭＥＳコイル３２、充放電回路及び系統連係回路を示す。図４（ａ）〜図４（ｃ）のそれぞれの図中の矢印は電流を示す。ＳＭＥＳコイル３２（図２のＳＭＥＳコイル６に対応する）は、電流電圧変換器３６（図２の充放電用変換器４に対応）、平滑コンデンサ３８及び系統連係インバータ４０を介して系統側に接続される。

図４（ａ）は充電時を示す。電流は電流電圧変換器３４のＩＧＢＴを通過する。図４（ｃ）は放電時を示す。電流はダイオードを通過する。図４（ｂ）は、放電時から電流保持時に移行した時を示す。放電から保持に移行したとき、電流電圧変換器３６のダイオード３７が逆回復する。この逆回復により、過渡的な信号波形が乱れる。この場合の電流低減は、異常が発生して保護が必要となった場合に過電圧を防止するための条件での連続放電時の電流低減に略等しくなる。そのため、放電動作が長く、それに続く保持期間が短い場合は、その期間では、たとえ保持期間の終わり近くでも、積分スイッチ１８をＯＦＦにして、信号を異常判定に用いない。こうした期間の一例が図３に「異常判定ブロック区間」として示されている。

以上のような制御においては、クエンチ信号は完全にリアルタイムには検出されない。クエンチの監視は、時系列的な信号から離散的にサンプリングをしたデータに基づいて監視される。しかし一般に、ＳＭＥＳと外部系統を連系する変換器は超電導コイルの充放電及び電流保持などの制御を行うために、常時数１００Ｈｚの周波数でスイッチングを行っている。各スイッチング動作に同期して、最小でも１００μ秒程度は安定した条件が存在する。そのため上記のように間歇的なタイミングのサンプリングでも、１０ミリ秒以内にチェックの機会が得られる。これはクエンチが発生した場合に熱スポットが広がる速度（異常拡大の時定数）を基準とするとリアルタイムと考えられるオーダーであり、クエンチを検出し回路を保護する制御を行うためには充分に高速である。

積分スイッチ１８及び積分回路２２が無くても、アイソレーションアンプ１６の出力に基づいて絶対値コンパレータ２４により異常判定をすることが可能である。この場合は、一回の異常判定区画でのクエンチ検出信号に基づいて異常判定が行われる。

複数回の異常判定区間で積分スイッチ１８をＯＮにして、積分回路２２によってクエンチ検出信号の累積値を評価電圧として用意することができる。その評価電圧に基づいて異常判定がなされ、より信頼性の高い異常判定を行うことができる。評価電圧は、次回の異常判定区間までに抵抗器で自動リセットさせる。または複数回の異常判定区間で評価電圧が生成される場合は、絶対値コンパレータ２４による評価後、制御装置２８が送信するリセット信号によりリセットスイッチ２０をＯＮにして強制リセットを実行する。

以上に説明した本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
（１）ＳＭＥＳコイルのクエンチ判定において、変換器スイッチング動作による過渡現象の悪影響を回避できる。
（２）ＳＭＥＳコイルのクエンチ判定において、変換器主回路電圧に含まれるノイズの悪影響を確実に回避できる。
（３）電圧型変換器のチョッパや電流型インバータの各キャリア周波数の時間単位を基準として高速の判定が可能となる。
（４）クエンチ電圧の発生状況について、誤差の少ない定量的なデータが得られる。

図１は、参考技術におけるＳＭＥＳのクエンチ検出回路を示す。 図２は、本発明の実施形態におけるクエンチ検出回路を示す。 図３は、クエンチ検出信号をサンプリングする期間を示す。 図４は、ＳＭＥＳコイルと充放電回路の充電時／電流保持時／放電時の電流を示す。

符号の説明

２ 直流中間コンデンサ
４ 充放電用変換器
６ ＳＭＥＳコイル
８ コイル端子電圧検出回路
１０ ノード
１２ 分圧抵抗器
１４ クリップ回路
１６ アイソレーションアンプ
１８ 積分スイッチ
２０ リセットスイッチ
２２ ＲＣ積分回路
２４ 絶対値コンパレータ
２６ 異常判定電圧設定回路
２８ 制御装置
３０ タイミング信号
３６ 電流電圧変換器
３８ 平滑コンデンサ
４０ 系統連係インバータ
１０２ 直流中間コンデンサ
１０４ 充放電用変換器
１０６ ＳＭＥＳコイル
１１０ ノード
１１２ 分圧抵抗器
１１３ 零調抵抗器
１１６ アイソレーションアンプ
１１７ ローパスフィルタ
１２４ 絶対値コンパレータ
１２６ 異常判定電圧設定回路

Claims (12)

1. 超電導コイルと抵抗とで形成されるブリッジ回路のバランス電圧の変動を検出して前記超電導コイルのクエンチを検出するためのクエンチ検出信号として出力するクエンチ検出信号生成部と、
   前記超電導コイルに蓄積されたエネルギーが保持される保持期間を示す保持期間信号を生成する保持期間信号生成部と、
   前記クエンチ検出信号のうち前記保持期間に含まれる信号を異常判定用信号として抽出する異常判定用信号抽出部と、
   前記異常判定用信号に基づいて前記超電導コイルのクエンチを検出するクエンチ検出部とを具備し、
   前記異常判定用信号は、前記超電導コイルに蓄積されたエネルギーの放電が行われる放電期間の前の前記保持期間の終端から所定の時間以内の期間に抽出される
   超電導コイルクエンチ検出装置。
2. 請求項１に記載された超電導コイルクエンチ検出装置であって、
   前記異常判定用信号は、前記保持期間の終端から前の所定の時間以内の期間に抽出される
   超電導コイルクエンチ検出装置。
3. 請求項１又は２に記載された超電導コイルクエンチ検出装置であって、
   前記放電期間が長く、前記放電期間に続く前記保持期間が短い場合には、前記保持期間における前記異常判定用信号を異常判定に用いない
   超電導コイルクエンチ検出装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載された超電導コイルクエンチ検出装置であって、
   更に、前記超電導コイルの端子間電圧を検出するコイル端子電圧検出部を具備し、
   前記保持期間信号生成部は、前記端子間電圧に基づいて前記保持期間を設定する
   超電導コイルクエンチ検出装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載された超電導コイルクエンチ検出装置であって、
   更に、複数回の前記保持期間に含まれる前記異常判定用信号が入力される積分回路を具備し、
   前記クエンチ検出部は、前記積分回路の出力電圧に基づいて前記超電導コイルのクエンチを検出する
   超電導コイルクエンチ検出装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載された超電導コイルクエンチ検出装置であって、
   更に、前記バランス電圧の過大変動をクリップするクリップ回路
   を具備する超電導コイルクエンチ検出装置。
7. 超電導コイルと抵抗とで形成されるブリッジ回路のバランス電圧を検出して前記超電導コイルのクエンチを検出するためのクエンチ検出信号として出力する工程と、
   前記超電導コイルに蓄積されたエネルギーが保持される保持期間を示す保持期間信号を生成する工程と、
   前記クエンチ検出信号のうち前記保持期間に含まれる信号を異常判定用信号として抽出する工程と、
   前記異常判定用信号に基づいて前記超電導コイルのクエンチを検出する工程とを含み、
   前記異常判定用信号は、前記超電導コイルに蓄積されたエネルギーの放電が行われる放電期間の前の前記保持期間の終端から所定の時間以内の期間に抽出される
   超電導コイルクエンチ検出方法。
8. 請求項７に記載された超電導コイルクエンチ検出方法であって、
   前記異常判定用信号は、前記保持期間の終端から前の所定の時間以内の期間に抽出される
   超電導コイルクエンチ検出方法。
9. 請求項７又は８に記載された超電導コイルクエンチ検出方法であって、
   前記放電期間が長く、前記放電期間に続く前記保持期間が短い場合には、前記保持期間における前記異常判定用信号を異常判定に用いない
   超電導コイルクエンチ検出方法。
10. 請求項７から９のいずれかに記載された超電導コイルクエンチ検出方法であって、
    更に、前記超電導コイルの端子間電圧を検出する工程を含み、
    前記保持期間信号を生成する工程において、前記端子間電圧に基づいて前記保持期間が設定される
    超電導コイルクエンチ検出方法。
11. 請求項７から１０のいずれかに記載された超電導コイルクエンチ検出方法であって、
    更に、複数回の前記保持期間に含まれる前記異常判定用信号を積分回路に入力する工程を含み、
    前記クエンチを検出する工程において、前記積分回路の出力電圧に基づいて前記超電導コイルのクエンチが検出される
    超電導コイルクエンチ検出方法。
12. 請求項７から１１のいずれかに記載された超電導コイルクエンチ検出方法であって、
    更に、前記バランス電圧の過大変動をクリップする工程を含む
    超電導コイルクエンチ検出方法。

Images