電力応用超伝導マグネット

R吸駅駅駅駅駅お％〜駅お駅
刃R駅駅駅％〜駅％〜
沿
％〜駅駅凋駅駅％〜R
灘麟繋雛鵬灘欝蝶灘灘雛欝鱒繕縫
Ωノ着αぐ瀦邸dαざδ鰍秘さざ瀦翻翻さ飯さα測謝さ叙さ〜鎚さ飯さ瀦榔αさ飯瀦測榔榔さ鰍飯と．
4．電力応用超伝導マグネット
佐藤
隆
（核融合科学研究所）
（1993年2月3日受理）
Superconducting
Magnets
for
Takashi
（Rece孟ved
Power
Application
Satow
February3，1993）
Abstract
The
hstory，present
supercon（iucting
stored
magnetic
e（luipments
for
status
magnets
an（l
for
power
future
application
energies．Micro−SMES
stabilizing
However，the（ieve董opments
power
of
aspects
systems
about
the
researches
were〔1iscusse（l
from
equipments，superconducting
are
expecte（1to
superconducting
machlnes
practical
for
a
developments
viewpoint
of
generators，and
use
a．c．use
and
in
are
the
near
of
their
SMES
future．
very（Mficult．
Keywords：
superconducting
energy
magnets，power
aPPlication，pulsed
storage（SMES〉，superconducting
（iUCting，CUrrent
magnets，supercon（iucting
generator，superconducting
magnetic
transformer，supercon一
limiter，
1．まえがき
を期待できる分野は電力と見られている．ここで
超伝導マグネット応用は1960年代に始まった
が，応用分野の多様化に対応して，超伝導マグネ
は，超伝導電力機器の技術開発の推移と現状，お
よび将来展望についての私見を述べる．
ットの高磁界化，大型化，高性能化（高電流密
2．超伝導電力機器の開発推移に関する分
度，高安定性，高磁界安定度，低損失，パルス運
析図
転等）のための技術開発が欧米・日本で活発に行
超伝導応用分野は多岐にわたっているが，その
われてきた．超伝導マグネットが実用化され現在、
多量に使われている応用分野は，高磁界を必要と
中の電力応用は，新しい発電方式の磁界発生装置
する研究分野と，MRl（磁気共鳴イメージング）
の超伝導化と，現在広く使用されている電力機器
装置を断層画像撮影に用いる医療分野である．し
の超伝導化とに大別される．それらをさらに分類
かし，これら超伝導マグネットの蓄積エネルギー
すると表1のようになる．各機器の励磁モード
は高々数MJであり，より大型の装置で将来需要
（直流，パルス，交流）を付記している．
1〉α
伽αZ1箆s痂惚∫07F％s伽S6伽oε，ノ〉α9のα46401．
620
電力応用超伝導マグネット
小特集
佐藤
送電ケーブルを除いた電力用超伝導マグネット
表1
の規模を表現する指標として，マグネット重量，
電力応用超伝導機器の分類
磁界有効領域×磁束密度，蓄積エネルギー，ある
いは発電機，電動機，変圧器の場合の容量，
SMES（超伝導電力貯蔵装置）の場合の電力量，
新発電機器｛護膿電欝，蜘ス）
などが考えられるが，機種の異なる超伝導マグネ
発電機（直流，交流）
ットの規模の比較に適する物理量は蓄積エネルギ
電力貯蔵装置（直流，パルス）
現状電力機器
ーである．
変圧器（交流）
現在までに開発された各電力機器の超伝導マグ
送電ケーブル（直流，交流）
ネットの蓄積エネルギーを，試験年代順にプロッ
限流器（直流，交流）
トしたものを図1に示す［1，2］．運転モードによ
って超伝導マグネットを，静止型直流，回転型直
電動機（直流，交流）
全
流，パルス，交流の4種に分類した．その分類区
分において年代とともに規模が大ぎくなる場合だ
1励磁モード
けを記載しているので，それより後に開発された
規模の小さい機器は，技術的に重要な意味をもつ
機器の超伝導化の目的は，高磁界化，省エネル
ギー化，大型化，コンパクト化，軽量化，高磁界
ものであっても，全て省いている．
図1には核融合科学研究所で1990年から第1
安定度化などであるが，応用分野や機器によって
重点の置き方が異なる．例えば，MHD発電や核
期8ヶ年計画で建設中の大型ヘリカル装置
融合発電の分野では，その磁界有効領域に必要な
（LHD）の内側垂直磁界（IV）コイル1個の運転
6丁以上の定常的な高磁界発生が，常伝導コイル
（80MJ）とヘリカルコイル2個・ポロイダルコイ
ル6個の組合せ運転（第1期は．1．1GJ，第H期
を用いるのでは運転経費の点で成り立たないの
ゐで，超伝導化のみが唯一の解決策になる．一方，
1．6GJ）の設計特性［3］も付記した．第lI期は第
現状電力機器の場合には，すでに存在する常伝導
1期のヘリカル磁界を33％向上させる計画案で
機器の超伝導化による省エネルギーの利益は比較
ある．
的少ないため，特に有意義な質的利点のない限
本図に基づいて超伝導電力機器の技術開発の推
り，超伝導電力機器は従来機器に対して信頼性と
移と現状，および将来展望についての私見を次章
経済性の土俵で優劣を競うことになり，現状電力
で述べる．
機器の超伝導による実用化は，開発意欲と資金の
3．超伝導電力機器開発の推移，現状，将
点でかなり厳しい状況にあることが理解されるで
来展望
あろう．
3．1
超伝導機器の特色は電気抵抗ゼロにあるが，こ
静止型直流マグネット
超伝導マグネットの大型化は，アメリカ
れは直流運転に限られ，パルスと交流に対しては
残念ながら損失を生ずる．このことが，パルスマ
AVCO社のZ．J．J．Steklyによって発明された完
グネットの開発が直流マグネットに比べて出遅れ
全安定化複合超伝導線を用いた3．9MJのMHD発
ている理由の一つである．さらに磁界変化率の大
電用超伝導マグネットを端緒とする（1965
きい交流マグネットの開発規模は必然的により低
年）［4］．我が国ではMHD発電に関する通産省大
いレベルにある．
型プロジェクトが1966年に始まり，幾つかの超
以上のような電力分野の超伝導機器の特色が一
伝導マグネットが開発され，1973年には電子技
目で分かる分析図を以下のような観点によって作
術総合研究所で65MJレーストラック型超伝導マ
成した．
グネットが試験された［5］．この大型プロジェク
621
プラズマ・核融合学会誌
第69巻第6号
1993年6月
lGOOO
第II期
第1期
，
1000
ノ
1
！
ノ
ロ
1
LCT6イ固
LLNLノ
ノANL インヤン
！
CFFF
ナ翻MHD発電
100
．／単極機東芝
超
／
原研
／ノLASL DPC
原研
導
10
マ
電動機
グ
ノ
AVCO社
ト
工
ネ
ル
50MVA
核融合、SMES
積
ギ
アメリカWH社
1
30MVA
も
ソ連20MVA
l
回＝＝
三菱・富士
5MVA
〔MJl
三菱・富士
τ
超電導発電機
0．1
300MVA
日立
ANL
1
の
葦
お
LHD
ソ連コ
ANL
アメリカ・
ツ
！O
核融合研
！
電総研
日立〆
ネ
IV1側
！
MW CTC
琢D社発電機ソ連丁一7
2，5MW
イギリス
伝
核融合／
6MVA
0。01
MIT
電中斑
45kVA
0。001
1965
500kVA0
70
75
80
（注）O：円形コイル
85
90
95
2000
試験年
ロ：鞍形コイル，またはレーストラック形コイル
0
＝D形コイル
ム1ぺ一スポールシーム形コイル
▽：ヘリカル・ポロイダルコイル組合せ
図1
電力機器用超伝導マグネットの蓄積エネルギー増加の推移
トが日本の超伝導マグネット技術の基盤確立に果
が［7］，電動機，発電機ともその後作られていな
たした役割は非常に大きい，
い．図1に示したように単極機は，同程度の容量
しかし，1981年に冷却励磁試験の行われたア
をもつ超伝導発電機の界磁巻線に比べて，3桁も
メリカANL（Argonne』NatめnalLaboratory）の
大きい蓄積エネルギーを必要とすることを見れ
石炭燃焼MHD実験装置CFFF（6T・168MJ）［6］
がMHD発電実験に使用されなかったように，
MHD発電の開発ネッグはむしろ発電チャネルな
ば，機器原理そのものに魅力がないと言わざるを
ど本体側にあった．
も含めサイリスタ電源に完敗であり，超伝導によ
直流機の1種である単極機の円形界磁コイルの
えない．単極機は磁界空間の一部しか利用してい
ないのである．直流大電流電源としては，コスト
る高磁界化やコンパクト化でもって太刀打ちでき
超伝導化は超伝導応用の初期の段階に行われた
る程度の問題ではない．
622
電力応用超伝導マグネット
小特集
佐藤
GWh）という最大規模の試算例では，超伝導コ
静止型直流マグネットの大型化を現在推進して
いる分野は核融合実験装置である．トカマク型の
イルの方式がソレノイド方式の場合にコイル外直ノ
ト，ロイダルマグネットの現在までの最大の実績
径が約400m，トロイド方式ではトロイド外直径
が約520mになる［10］．これらの数値は揚水発電
は，アメリカ，目本，スイス，ユーラトムの国際
協力事業LCTの6コイル同時励磁による944MJ
所の有効落差115〜560mに匹敵するほどの大き
い値である．このような大容量SMESは，超伝
の達成である［8］．
なお，核融合用超伝導マグネットについては別
導線必要量が少ないので建設コストの安いソレノ
に論じられているので，その詳細内容には言及し
イド方式でも，洩れ磁界が小さいというメリット
ない．
をもつトロイド方式のどちらでも，電磁力支持構
3．2
造物に岩盤を必要とし［11］，現状技術レベルとの
パルスマグネット
超伝導マグネットの運転モードによる分類の一
ギャップ，建設コストの差異，設置場所の制約な
つは核融合装置（トカマク型，ヘリカル型）や
どの点で，現在使用されている規模の揚水発電所
SMESのパルスマグネットであるが，その蓄積
に代わりうるとは考えにくい．
エネルギーの最大実績は静止型直流マグネットよ
負荷平準用SMESの実現可能性の方策として，
り1桁低い．ANLと日本原子力研究所のパルス
マグネットは核融合用，アメリカLASL（Los
揚水発電所に比べればかなり小規模のSMESを
都市の電力系統の中に組み込むことが考えられ
Alamos
る．例えば，人口20万人の新都建設［12］を仮定
Scientific
Laboratory）のはSMES用で
あり，電子技術総合研究所のマグネットは両分野
しよう．その発電設備容量と都市全体の1日当り
への適用を意図したものである．
需要電力量を，中部電力管内と愛知県の1991年
度のデータ［13］から算出すると，各々約300MW
LHD用IVコイル1個の単体励磁試験は1994
年に実施する計画である．LHD用ポロイダルコ
と約4GWhである．需要電力量に対する揚水発
』イルはIVコイル，形状制御磁界コイル，外側垂
電量の割合の約1％［13］を用いれば，新都の電
直磁界コイル各2個，計6個から構成され，それ
力系統に必要なSMES容量は約140GJとなる．
ら全てを第H期定格電流で運転する場合の最大蓄
このSMES構成を，蓄積エネルギー5GJ級の超
伝導コイルを24個組み合わせたトロイドとすれ
エネルギーは680MJであるが［3］，ポロイダルコ
イルのみの定格パルス励磁試験は行わず，第1期
ば，2010年代における建設は技術的には荒唐無
にはヘリカルコイルと組み合わせて直流励磁する
稽な話ではないと思われる．
また，それくらいの将来に新都の電力系統を全
ことになる．第豆期においてはプラズマ実験モー
超伝導化しようとするならば，システム検討と，
ドに対応してポロイダルコイルのパルス運転を実
そのシステムと整合する機器についての技術と経
施する予定である．
済性の検討を今から本気で始めるべきであろう．
SMESを用途によって大まかに分類すると，
（1）負荷平準用として揚水発電所と競合する大容量
電力系統の全超伝導化とは，超伝導発電機，超伝
SMES，（2〉電力の質の改善を目的とする多用途
SMES，（3〉パルス電流を供給するための電源
導変圧器，超伝導限流器，超伝導ケーブル，
SMESを全て極低温でつないで，その片端で，初
SMES，に分けられる．
めて常伝導の在来ケーブル系統と連結させるとい
（1）我が国で1978年以降に運転を開始した揚水
う考えである［14］．
（2）SMESによる電力の質の向上には，負荷変
発電所（合計13）［91の出力は200〜1，280MWで
動補償，系統安定度向上，周波数調整，停電対
あり，水の位置エネルギーは4，200から
168，000GJという巨大な値になる．大容量
応，瞬停対応が考えられる．実電力系統の中でこ
れら改善を期待できるSMESの規模の下限は
SMESの概念設計はこれまで数多く行われてき
たが，蓄積エネルギーが18，000GJ・（電力量5
100kWh（360MJ）程度であり，パルスマグネッ
623
プラズマ・核融合学会誌
第69巻第6号
1993年6月
トとしても現状技術の射程距離内にある．系統安
ルス超伝導マグネットを用いるSMES方式の技
定化SMESの開発例としては，LASLの30MJマ
術的可能性が検討されてきた．現在までの最大規
グネッ
模の閉発例は，4．6MJのSMES（図1）から
ト
（図1）をBPA（Bonnev皿e
Power
Administration〉タコマ発電所に設置して実系統
3．OMJのパルス超伝導マグネットにエネルギー
に組み込んだ実験がある［15］．
を転送した電子技術総合研究所の実験研究である
（1984年〉［20］．ζの研究は，電源SMESが大型
我が国では1991年から6ヶ年計画で，通産省
資源エネルギー庁の100kWh級負荷変動補償・系
パルスマグネット励磁のための有望な電源システ
統安定度向上等の多用途SMESの要素技術開発
ムとなる可能性を示唆したが，その後さらに大き
調査が始まった［16］．これは国際超電導産業技術
い規模のエネルギー転送実験はなされていない．
研究センター（ISTEC）が受託し，大学・国立研
このSMES方式の実機への採用可能性を低コ
究所，電力会社，重電・電線メーカーの協力によ
ストに求めることは現時点では困難と思われるの
って実施されている．要素技術開発調査の目標で
で，即応性など性能上のメリットによる差別化が
ある100kWh級SMESパイロットプラントの主
重要となろう．このような超伝導化の必然性に関
要仕様は，超伝導マグネットの最大電力貯蔵容量
する検討が今後期待される．これもまた，加速器
480MJ，変換器出力40MW級，定格電流20kA，
用マグネットの超伝導化の場合と同様に，新方式
定格電圧2kV，超伝導コイル12個のトロイド方
導入に伴うリスクを背負うユーザーの覚悟に依存
式，である．計画前半の3年問に，超伝導マグネ
する分野である．
ット，コイル保護方式，変換器，永久電流スイッ
3、3
チ，SMESシステムの設計と，超伝導線短尺試
料4種の試作試験を行い，1993年度末に中間評
の超伝導発電機は，超伝導マグネットの運転の視
価として検討対象の複数方式を1方式に選定する
点から見れば，回転型直流マグネットである．超
計画である．後半3年問には装置要素とシステム
伝導発電機の規模を表現する通常の方法は
の技術確立を目指しており，1996年度にパイロ
×電流
ットプラントのための技術の総合評価が実施され
比較するために，ここでは界磁巻線の蓄積エネル
ることになっている．
ギーに着目し，その開発推移を図1にプロットし
回転型直流マグネット
同期発電機の超伝導界磁巻線を回転させる形式
電圧
であるが，他機種の超伝導マグネットと
電力系統内でなく需要者側にSMESを設置す
た．電力機器の花形らしく，超伝導発電機の開発
ることによって，電力系統の瞬時電圧擾乱に起因
の歴史は長く，かつ開発数も多い．開発機器の規
するコンピュータの誤動作を防ぐことが可能であ
り，アメリカでは1MJマイクロSMESが最近市
模も現在は300MVAにまで達している．この実
績は，20万新都に必要な発電容量の約300MWと
販された（ウィスコンシン州Superconductivity
同一レベルである．
Inc．社）［17，18］．これは2〜3サイクル以内に電
日本では，電力会社，重電・電線・冷凍機メー
力波形を正常に戻す性能をもっており，制御系込
カーなど16法人による超電導発電関連機器・材
みで数千万円である．また，高温超伝導体のマイ
料技術研究組合（Super−GM）が，新エネルギ
ー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託を受
けて，70MW級超伝導発電機モデル機3種類お
よび関連技術とシステムを1988年度からの8年
クロSMESへの適用におけるコスト低滅と見通
しについても検討されている（カリフォルニア州
W．J．Schafer
Associates
Inc．社）［19］．
計画で開発中である￡21］．この計画にはフィール
（3）核融合装置に必要な大容量の瞬時電力を電力
系統から直接供給することは現実的ではないの
ドテストも予定されており，200MW級パイロッ
で，何らかのエネルギー蓄積装置を介する必要が
ト機の設計製作技術を獲得することが目的となっ
ある．現在よく使われている方式としてフライホ
ている．
開発の現状からみれば，超伝導回転界磁型同期
イール付き電動発電機があるが，その代わりにパ
624
佐藤
電力応用超伝導マグネット
小特集
発電機は，マイクロSMESに次いで，実用化の
伝導化するものであり，究極の超伝導発電機とい
早い機種と思われる．
える．その試作はNb3Snを用いて25年程前に
3．4
早々となされたが，出力50kWの設計値に対し，
交流マグネット
6．1kWしか発生できなかった［25］．その後の交
超伝導線の交流損失がネックとなり，超伝導マ
グネットの交流応用技術は，直流応用に比べると
流用超伝導線の発展とともに，20〜30kVA全超
1980年頃まではほとんど進展しなかった．1970
伝導発電機の試作試験（フランスCNRS−
年代後半からのパルスマグネットの研究開発によ
って超伝導線の低交流損失化技術が進み，1982
CRTBT・GEC−ALSTHOM社［26］，横浜国立大
学・電力中央研究所・古河電工・大洋電機工作
〜1983年に交流用超伝導線が開発され始めた．
所［27］）と損失解析［28］が行われている．その実
まず，幾つかの交流ソレノイドマグネットが試作
用化へのハールドは変圧器以上に高いと思われ
されたが，そのうちの最大容量が図1に示す電力
る．
中央研究所の500kVA（5kV（rms）×100A
（3）超伝導限流器についてはここ数年の問に技術
（rms））である［22］．電流ピーク値における蓄積
検討と試作が活発になってきた．超伝導限流器の
エネルギーが1．62kJ，巻線外径と高さが各々
課題は，個々の開発よりむしろ，電力系統の中に
145mmと195mmの極小コイルであり，親類筋
おけるその存在意義の定量的明確化にあるといえ
のパルスマグネットに比べて4桁下のレベルにあ
る［29］．
る．
4．むすび
超伝導マグネットの交流応用電力機器として
は，（1）超伝導変圧器，（2）全超伝導発電機（界磁，
超伝導応用電力機器の開発の歴史と現状，およ
電機子とも超伝導化），（3）超伝導限流器，が考え
び将来展望について主に蓄積エネルギーの視点か
られる．
ら論じた．現状電力機器の超伝導化は多様な局面
その後，1980年代半ばに研究開発が始まり，フ
をもっており，長い雌伏の時を経てきたが，1
MJマイクロSMESのように小型の市販品が出て
きたことを皮切りに，超伝導発電機，多用途
SMESなど比較的小規模段階での実機適用を期
ランスGEC−ALSTHOM社では直径0．46μmの
待できそうな様子に光明を見いだしている．実用
NbTiフィラメント14，478本入りの超伝導素線の
化の可能性を探るため，20万新都の電力系統に
二重撚線を用いた単相50Hz−660V／4000V−
おける超伝導電力機器の導入可能規模を試算し
た．変圧器，全超伝導発電器，限流器など交流応
（1）超伝導変圧器についての机上検討は早くも
1960年代末に行われたが，超伝導化のメリット
なしの判断により試作研究は開始されなかった．
220kVA内鉄型変圧器が開発された［231．超伝導
線としてNb3Snを用いた単相60Hz−440V／用の前途は中々険しいが，電力系統における位置
220V−712kVA外鉄型変圧器が関西電力・三菱電
付を明確にする検討と目標設定が重要と思われ
機によって最近開発された［24］．
る．
しかし，20万新都の電力系統に1台の超伝導
変圧器を設置する場合には300MVA級が必要と
なるが，現在の実績の3桁上の容量であり，
［1］佐藤隆：OHM
2010年頃に交流損失，絶縁など技術面において，
［2］佐藤隆1平成4年電気関係学会関西支部連合大
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かと危惧の念を抱いている．むしろ高温超伝導体
血o伽陀（ゾ施6S砂6γoo裾％6励9ハ4α8
の方が実用化に近いのではないかという3年前の
Lα78召
著者の見解口］は現在も変わっていない．
∬6瓦6α」1）6祝06，199214ρメ）κ84
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