変電・饋電(き電)・通信のもろもろ: 09/08/19

2019年9月8日

907.　大学共同利用機関法人　高エネルギー加速器研究機構　変電所　9/1施設公開日　番外

高エネルギー加速器研究機構　変電所　9/1施設公開　番外
＃KEK、＃加速器、＃変電所、＃原子核、＃コッククロフト、＃シンクロトロン、＃GIS、＃154kV

過去に理研の加速器も見学したのでKEKも見学してみたが9：00～16：00まででは、すべてを見切れない。見学拠点間は、バスで移動できるが、歩いてみることで色々なことが知ることができた。

149.　独立行政法人　理化学研究所特高受電所（交流）番外ブログリンク

夏は、電力が逼迫することもあるので、大型加速器を持つところでは定期点検・修理・組換に入るのが通例である。J-PARCも同じ。その期間に一般公開が行われている。

J-PARCと同様な154kV　2回線受電　全体がGIS化されている。メイン154kV降圧66kVは、負荷時タップ切替変圧器2台　容量が違うようだ　一次側中性点は、抵抗接地型でこれもGIS化されている。

66kVは所内にある特高変電所へ地中送電ケーブル2回線で供給されており、そこでさらに6600,400,200,100Vに降圧される。

確認したところ特高変電所が5箇所あるようだ。
PS（Proton Synchrotron）特高変電棟　66kV　2回線
AR（Advanced　Ring）特高変電棟　66kV　2回線
日光特高変電棟　66kV　2回線
大穂特高変電棟　66kV　2回線
PF（Photon　Factory）エネルギーセンター　66kV　2回線

各特高受電変電所の特徴は、進相コンデンサバンク、高調波抑制用のコンデンサバンクが多数設置されていることである。電圧は低いが電流は大きい。

契約電力　92,730kW　使用電力553,377,840kWh/3年間　入札の情報から

154kVで受電　一回線（1回線予備）で約600A　最大　505,368kWh/日　
換算すると約6万世帯/日の平均電力　使用量　ピーク時は更に増大　

ほとんどが空調・機器冷却・高周波発生・電磁石等で消費。KEKは巨大な電源装置の塊＝電気ヒーターで投入された電力が熱に変換される。

ちなみに理研は66kV受電でおおざっぱで50MVA＝50,000kW、コジェネを導入しているがKEKでは導入されていない。

変電所全景　154kV　2回線受電

中心の円筒形部分は、アレスタ（避雷器）

154kV側　母線　奥　66kV側母線　右　負荷時タップ切替変圧器

TEPCO財産部分のMOF

碍子洗浄用スプレー装置操作盤　内陸なのに？？

負荷時タップ切替変圧器　防音建屋入

真ん中タップ切替操作装置

154kV降圧66kV　変圧器全体構成

中性点　抵抗接続部分　GIS化されてる。　左接地線引き出しブッシング

所内各特高受電変電所へ向かうGIS化されたケーブルヘッド
日光特高変電棟　66kV　2回線
大穂特高変電棟　66kV　2回線
PS（Proton Synchrotron）特高変電棟　66kV　2回線
AR（Advanced　Ring）特高変電棟　66kV　2回線
PF（Photon　Factory）エネルギーセンター　66kV　2回線

裏側　66kV　母線部分

別角度

66kV　降圧6.6kV変圧器　GIS化

別角度

コンデンサ群

J-PARCでは、MRの加速器を運転すると、そのパルス状の運転電圧の変動から6.6kV系でフリッカが発生している。また高強度のエネルギーを取り出す際に、受電系外に変動をもたらすので対策が必要となっている。

PS（Proton Synchrotron）特高変電棟　66kV　2回線

中ほどにあるPS（Proton Synchrotron）変電所は、現在改修工事中で、隣接した場所に新しい変電所が設備されている。12GeVのPSは既に役目を終えJ-PARCに研究は引き継がれている。
PS変電所は、受電1系統が停止中で、66kV受電のケーブルヘッドには接地線が取り付けられている。敷地内には、運用を停止している空気遮断器（ABB）が特徴的な姿で、捨て置かれている。66kV級の他の受電はGIS化されているのが普通であるので、設備交換の時期が来ているのであろう。いかにも老朽化している。

Proton Synchrotronは、既に役目を終え、前置加速器のコッククロフト・ウォルトン型加速器は取り壊される運命にある。

66kV 2回線受電　ここにも碍子洗浄用のスプレー装置が設備されている
左ケーブルヘッド　断路器　右　CT

かつて使われていた所内鼻尖　66kV部分

66kV　受電部分

66kV受電　設備改修中　ケーブルヘッドに接地線

大きな空気タンクを持つ空気遮断器(ABB)

かつて使われていた母線部分

66kV　降圧6.6kV変圧器　運用停止中　断路器　開路

キュービクル群　ケーブル引き直し中

キュービクル群

非常用発電機

発電機　試運転用水冷ダミーロード

Proton Synchrotron変電所の隣に新しい変電所　構築中
右にコンデンサ群

66kV　降圧6.6kV変圧器　ケーブル接続未施工

66kV側　ケーブル接続部

この変電所の受電盤

やはりコンデンサは、多い

AR（Advanced　Ring）特高変電棟　66kV　2回線

色別で変電所を識別している　コンデンサが目立つ

66kV降圧6.6kV　変圧器　6.6kV側

66kV　2回線受電端　GISケーブルヘッド

日光特高変電棟　66kV　2回線

右　66kV　2回線受電端　奥66kV降圧6.6kV変圧器GIS型

左　コンデンサ群

大穂特高変電棟　66kV　2回線

66kV　2回線受電端

奥　66kV降圧6.6kV変圧器　右　受電端

やはりコンデンサ群はたくさんある

PF（Photon　Factory）エネルギーセンター　66kV　2回線

時間切れ

この建屋の向こう側に受電設備

各種電源棟

キッカー電源

40MeV電源棟

Proton Synchrotron用

ブースター電源棟

ブースター電源　変圧器

ブースター電源　コンデンサ

ブースター電源　変圧器とコンデンサ　

Proton Synchrotron　補助電源棟

コッククロフト・ウォルトン型加速器　1号機　萌え

前世紀の、歴史的加速器。説明者に聞くと来年には、もうないかもしれないとのこと
単純に言えば、倍電圧整流器の多段型　Proton Synchrotron（陽子加速器）の前置加速に用いられていた。加速器は、静電型と言われ直流の高電圧を印加して加速するもので、高電圧（±800kV　合計1600kVの機器もあった）であればあるほど、加速ができるが、絶縁の問題もあり、高周波で加速するシンクロトロンの台頭で廃れた。同様にバンデグラフ型加速器も廃れた。

　初期の加速器競争の時代は、雷で加速するアイデアもあった。　近年　雷が天然の加速器であることが発見されている。初期のころは、その高電圧だけが注目されていた。

　入力は、50Hzではなく350Hzの交流（発電機）を使い、変換効率とリップルを抑えている。発電された350Hz　ACは、前置変圧器で100kVまで昇圧されて、コッククロフト・ウォルトン高圧発生部に供給される。

　倍電圧整流器には、セレンが使われており、コンデンサは、ひょっとしたらPCB入りかもしれないとのこと。非対称型のラダーで構成されている。（2号機は、対称ラダー）

　装置自体は、２つの部分から構成されており、コッククロフト・ウォルトン高圧発生部と粒子を打ち出すイオン源からなる加速管部がある。

　イオン源部分には、高圧下での電源が必要なため発電機と電源装置がフローティング電源として設備されており、装置下部から絶縁シャフトドライブで駆動されて実験に必要なイオン源電源を確保している。計測に関わる情報は、光ケーブルでやり取りする（絶縁確保のため）

　今回は1号の展示で如何にも前世紀の歴史的構造物の態を呈していた。装置が収まる部屋は、全体がシールドルームになっている。

天井の一部は、開閉可能な形であり、クレーンで装置の組立てが行える構造

　タンタンの「めざすは月」の挿絵の原子力研究所の挿絵にコッククロフト・ウォルトンの電源装置があり、X線の透写に使われていたりする。結構正確な模写。

福音館書店　タンタンの冒険旅行
エルジェ作川口恵子訳
「めざすは月」pp.23より引用
コッククロフト・ウォルトンの装置が結構正確に書かれている

福音館書店　タンタンの冒険旅行
エルジェ作川口恵子訳
「めざすは月」pp.13より引用
初期の黒鉛炉を使い天然ウランをプルトニウムに転換すると説明にはある。

隣には2号機があるが、こちらは開放されていない。どちらかと言うと2号機の方が近代的で最近まで運用されていた形跡がある。

コッククロフト・ウォルトン装置　電源部

1号機　350Hzの発電機から昇圧変圧器で10万Vへ
コッククロフト・ウォルトン回路で80万Vへ

高電圧発生装置模型
右　1号機　非対称型　左2号機　対称型
中心のハンドルを回すと９V電池の極性が交互に替わりACとなり
コッククロフト・ウォルトン装置に加わる構造

コンデンサと整流器の関係

別角度

昇圧変圧器100kV　350Hz

単相
出力部u、V

整流器　奥の黒い円筒形の物は、セレン整流器本体　碍管に収められている

コッククロフト・ウォルトン高圧発生器　頭頂部の放電間隙
500kΩの抵抗間を間隙が挟む

イオン源へ加圧電圧を送る10MΩ抵抗部分

分圧抵抗器

左イオン源と加速管右

中心部分が絶縁シャフト　頭頂部のイオン源用電源を駆動
冷却水の絶縁パイプも通っている

イオン源のカットモデル

コロナリングの中身

今回の展示は1号機　隣室に2号機が対称型コッククロフト・ウォルトン装置

コッククロフト・ウォルトン　2号機　管制卓

2号機　全体像

各部説明

高電圧分圧抵抗器　

前段加速器の部分がコッククロフト・ウォルトン加速器の部分

PF（Photon　Factory）

左　中性子線線量計　左　ガンマ線線量計　（空間線量の測定）

蓄積リングの停止後の放射化状態のモニター結果
多くの放射光取り出しポートが円周上に分散している

各種測定ポート　引き出し実験装置

放射線シールドは必要（運転時）

PF（Photon　Factory）管制卓

各種ポートの位置を示す

リングに向かうドア

鉛シールド衝立

加速器へ向かうドア

リング本体　加速管

放射光取り出しポート

MR(Master Ring)

陽電子・電子加速装置

右下の陽電・電子直線加速器で加速された粒子をMRに打ち込みさらに加速してBellⅡ検出器部分で衝突させる。
L字型の部分は、クライストロン（高周波発生）で加速に必要なエネルギーを粒子に与える
青が電子リング　赤が陽電子リング
直線加速器部分にあるリングは、陽電子ダンピングリング（形を整える）

巨大リング加速器（MR＝Master Ring）外周約3km　リングと名前が付いているが、八角形の形をしている。高周波注入部は、直線部分にあり　１Fにあるクライストロンからの導波管がアレス空洞のタンクから入り、加速空洞内（直線加速器）へ放出される。１クライストロンが１加速空洞に対応している。

MRは12施設のMR電源（電磁石用）棟がある。

そして筑波・大穂・富士・日光の4箇所の実験設備が直線部分に設備されている。また筑波・大穂・富士・日光実験設備棟の両端にクライストロンが設備されており、この部分は

MR電源と共用されている。

37　日光　34　筑波　35　大穂　36　富士の4つの実験場があり、そのうち34　筑波に衝突実験装置BeLL　Ⅱがある
4つの実験場の両脇にあるのがクライストロンが設備されている建屋で8か所ある。
実験場の名前は、その延長線上にある観光地を示す

地下11ｍへの機器搬入口（理研にも同様な縦穴がある）

11m下から見上げた開口部

MRの形　8角形

クライストロン電源　変電所

クライストロン建屋

高周波加速部　

後にアレス空洞　電磁エネルギー貯蔵空間から引き出された高周波が手前の加速空洞に放出される

別角度

アレス空洞は、予備もあり調整を行っている

加速管　2本　陽電子・電子用

右にビーム輸送管　陽電子用

分岐部　ビーム輸送管　右　陽電子

直線加速器からの入射経路　陽電子

部分的には20μSv/hの放射化されたものがある

MR　陽電子・電子　衝突部　Bell　Ⅱ検出器

放射線防御のブロックの向こうに検出器本体が鎮座している

水色の部分は、左右に開く

衝突部分を取り巻く各種検出器

検出器の配線がとぐろを巻く

検出器上部には各種クレートがありデータを処理し、測定機器室まで光ケーブルで送る

左右にある放射線防護隔壁

加速トンネルからの入射部

検出器データ　アクイジションシステム

超伝導クライオスタットと電磁石電力入力ポート

計測機器室　台車に載っており左方向に移動できる

別角度　計測機器室　台車に載っており右方向に移動できる

別角度　計測機器室

Bell　Ⅱ検出器と計測機器室

陽電子と電子を高速で衝突させ放出される各種粒子を検出する検出器の塊、検出器からの信号（パルス）は2組ありandを取ることでデータの正確性を担保している。信号はその後ADCを通り波高、スパン、発生時間位置情報等がデジタル化されて光ファーバーで計測機器室へ送られる。

計測機器室は、放射線により誤検知しないよう放射線防護のシールドで囲まれている。この内部では、送られてきたデータに一次的な篩を掛けている。計測機器室からのデータは10Gbpsの帯域を持つLAN多数（リンクアグリゲーション）で計算機センターへ送られ二次的な篩を掛けられて保存され解析を待つ。この測定機器室はElectronics Hutと呼ばれている。Electronics Hutは、検出器本体から分離できる構造になっている。