JP2000118270A

JP2000118270A - 鉄道用超電導き電システム

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Publication number: JP2000118270A
Application number: JP10287405A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Kamijiyou; 弘貴上條; Hiroshi Hata; 広秦
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 1998-10-09
Filing date: 1998-10-09
Publication date: 2000-04-25
Anticipated expiration: 2018-10-09
Also published as: JP4080073B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高温超電導ケーブルを鉄道用き電線として導
入し、き電線の抵抗を極力小さくすることにより、き電
線における電力損失や電圧降下が低減され、変電所の間
隔延長や集約、回生電力の有効利用を図り得る鉄道用超
電導き電システムを提供する。【解決手段】沿線に沿って配置された複数の変電所２
に接続される高温超電導ケーブルからなる直流き電線３
と、この直流き電線３に接続されるトロリー線４と、レ
ールからなる帰線６とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道用超電導き電
システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図９は従来の鉄道用き電システムの模式
図、図１０は従来の鉄道用き電システムを示す図であ
る。図９において、１０１は交流送電線、１０２は変電
所、１０３はき電線、１０４はトロリー線、１０５は区
分開閉器、１０６は帰線となるレール、１０７は電車で
ある。

【０００３】この図に示すように、従来のき電線１０３
は、アルミや銅線を使用し、変電所１０２から沿線に設
置され、ある間隔ごとにトロリー線１０４とつながれる
ように構成されている。図１０において、１１１はコン
クリート柱、１１９はき電分岐線、１１２は長幹碍子、
１１３は可動ビーム、１１６はちょう架線、１１５はバ
ンド、１１４は振止金具、１２５は腕金、１２０はトロ
リー線、１２３は碍子、１２４は信号高圧配電線、１２
１はハンガ、１２２はき電線、１２４は信号高圧配電線
である。

【０００４】また、超電導ケーブルを利用した送電につ
いての検討は以前より行われてきたが、その開発は金属
系超電導体での冷却や耐圧の問題などにより進まなかっ
た。しかし、高温超電導体を用いた超電導ケーブルが開
発され、液体窒素での冷却が可能となり、電力会社、線
材メーカを中心にその開発が進められている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電力用
の超電導ケーブルでは、交流通電による交流損や偏流の
問題、耐圧の問題、直流通電には交直変換器が必要にな
る等、その実用化には多くの問題がある。一方、鉄道分
野に目を向けると、電化方式として、直流き電方式が採
用されている。直流き電方式は、通電電流が直流であ
り、電圧も１５００Ｖと比較的低圧であることなどか
ら、超電導ケーブルを使用する場合に電力分野では課題
となる問題もクリアできる可能性が高い。

【０００６】また、高温超電導ケーブルをき電線に用い
ることにより、き電線の抵抗が小さくなるため、き電線
における電力損失や電圧降下が低減され、変電所の間隔
延長や集約の可能性、回生率の向上による省エネルギ
ー、設備投資削減、保守低減等の利点につながると考え
られる。そこで、本発明は、上記状況に鑑みて、高温超
電導ケーブルを鉄道用き電線として導入し、き電線の抵
抗を極力小さくすることにより、き電線における電力損
失や電圧降下が低減され、変電所の間隔延長や集約、回
生電力の有効利用を図り得る鉄道用超電導き電システム
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、〔１〕鉄道用超電導き電システムにおいて、沿線に沿っ
て配置された複数の変電所に接続される高温超電導ケー
ブルからなるき電線と、このき電線に接続されるトロリ
ー線と、レールからなる帰線とを具備するようにしたも
のである。

【０００８】〔２〕鉄道用超電導き電システムにおい
て、沿線に沿って配置された複数の変電所に接続される
高温超電導ケーブルからなるき電線と、このき電線に接
続されるトロリー線と、レールとこのレールに並列に接
続される高温超電導ケーブルからなる帰線とを具備する
ようにしたものである。〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の鉄道用超電導き電シ
ステムにおいて、前記き電線は直流き電線である。

【０００９】〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載
の鉄道用超電導き電システムにおいて、前記変電所の間
隔延長を行い、１箇所の変電所が分担する領域を拡大す
るようにしたものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実
施例を示す高温超電導ケーブルを導入した鉄道用直流き
電システムの模式図、図２はその高温超電導ケーブルの
導体の一例を示す斜視図、図３はその高温超電導ケーブ
ルの構造の一例を示す斜視図、図４はその高温超電導ケ
ーブルの終端端末の構造の一例を示す図である。

【００１１】図１において、１は交流送電線、２は変電
所、３は超電導ケーブルを用いた直流き電線、４はトロ
リー線、５は区分開閉器、６はレールからなる帰線、７
は電車である。本発明では、直流き電線を高温超電導ケ
ーブルに置き換えることを基本として、それに基づいた
好適な鉄道用直流き電システムを構築する。

【００１２】その高温超電導ケーブルを用いた直流き電
線３は、電力用として、主に交流６６ｋＶ、数ｋＡ程度
の高温超電導ケーブルが開発されている。ケーブル用導
体としては、図２に示すように、Ｂｉ２２２３超電導体
の銀シースのテープ線（高温超電導線）１２をアルミコ
ルゲートパイプなどのフォーマー１１に絶縁テープ１３
を介してスパイラル巻きした構造が主流である。なお、
図２において、１０はインナー液体窒素通路である。

【００１３】高温超電導ケーブルとしては、図３に示す
ように、液体窒素を含浸した絶縁紙や押し出し高分子に
より、導体を電気絶縁し、積層真空断熱容器中に収め
て、フォーマー及び導体と断熱容器間の空間に液体窒素
を流す構造が取られており、フレキシビリティを有して
いる。一例を示すと、図３において、高温超電導ケーブ
ル１５は、インナー液体窒素通路１０、フォーマー１
１、Ｂｉ２２２３超電導体の銀シースのテープ線（高温
超電導線）１２、誘電体１５ａ、絶縁スクリーン１５
ｂ、アウター液体窒素通路１５ｃ、インナー波形パイプ
１５ｄ、熱絶縁体１５ｅ、アウター波形パイプ１５ｆ、
ＰＶＣ層１５ｇから構成されている。また、電力用の
接続、分岐装置としては、７７ｋＶ用２００Ａや６６ｋ
Ｖ／１．４ｋＡｒｍｓの通電容量のものが開発されてい
るが、これらに基づいて、本発明の高温超電導ケーブル
を導入した鉄道用直流き電システムの分岐装置を構築す
ることができる。

【００１４】例えば、図４に示すように、高温超電導ケ
ーブル１５の回りには加圧液体窒素２０が充填されてい
る。２１はケーブル部液体窒素出口、２２はＦＲＰ套
管、２３は常電導−超電導接続部、２４は液体窒素、２
５は窒素ガス、２６はケーブル部液体窒素入口、２７は
真空槽、２８は中間フランジ、２９は導体引出棒、３０
はＳＦ₆ガス、３１は碍子である。

【００１５】図５は本発明の第１実施例を示す高温超電
導き電システムを示す図である。この図において、４０
は沿線に配置されたトラフ、４１は分岐装置、４２はコ
ンクリート柱、４３はき電分岐線、４４は長幹碍子、４
５は可動ビーム、４６はちょう架線、４７はバンド、４
８は振止金具、４９はトロリー線、５２は腕金、５１は
ハンガ、５３は信号高圧配電線である。

【００１６】なお、高温超電導ケーブルを用いたき電線
３（図１参照）は、沿線に設けたトラフ４０などに設置
し、液体窒素冷却として適当な間隔（変電所や駅毎な
ど）に冷却ステーションを設置する。図６はき電線にお
ける電力損失、電圧降下を示す図である。この図に示す
ように、従来のシンプルカテナリ式（ａ）およびツイン
シンプルカテナリ式（ｂ）のき電線の場合や、ツインシ
ンプルカテナリ方式においてき電線の断面積を４倍
（ｃ）、５倍（ｄ）、１０倍（ｅ）、１００倍（ｆ）に
した場合と、き電線および帰線に高温超電導ケーブルを
導入した場合（ｈ）、及びき電線および帰線に高温超電
導ケーブルを導入し、かつ低温配管上下線共用の場合
（ｊ）について、き電線の電流の平均値を５００、１０
００、２０００（Ａ）として、電力損失、電圧降下、変
電所間隔を算出してまとめた。

【００１７】なお、図６において、（ｇ）き電線への超
電導ケーブル適用、（ｉ）はき電線への超電導ケーブル
適用、低温配管上下線共用の場合を示している。上記に
開発現状を示したような超電導ケーブルや端末装置を基
にしたき電線用の超電導ケーブルと接続、分岐装置を沿
線に配置して、一定間隔ごとに接続、分岐装置を介して
トロリー線４と並列に接続することにより、変電所２か
ら電車７に供給される電力は、変電所２から超電導直流
き電線３を通り、電車７の居る区間に隣接した接続、分
岐装置においてトロリー線４に必要な電力を送り、電車
７に供給される。

【００１８】したがって、変電所２からトロリー線４に
送られるまでの間は抵抗が０の超電導ケーブルによって
電力が送られるため、電力損失の発生や、電圧降下が生
じない。き電線に超電導ケーブルを導入した場合、上記
した図６における（ｇ）と従来のツインシンプルカテナ
リ式のき電方式（ｂ）と比べると、（ｂ）の場合、き電
線での電力損失（１０００Ａ通電時、帰線での電力損失
を含む）が３２．２ｋＷ／ｋｍであったものが、（ｇ）
においては、１１．９ｋＷ／ｋｍ（冷却損失を除く）に
低減され、（ｂ）において、電圧降下（１０００Ａ通電
時、帰線での電力損失を含む）が３２．２Ｖ／ｋｍであ
ったものが、（ｇ）においては、１１．９Ｖ／ｋｍに低
減することができる。

【００１９】図７は本発明の第２実施例を示す高温超電
導ケーブルを導入した鉄道用直流き電システム模式図で
ある。以下、第１実施例と同じ部分には同じ符号を付し
てそれらの説明は省略する。上記したように、直流き電
線に高温超電導ケーブルを用い、超電導化することによ
り、そのき電線の抵抗が０となり、電圧降下を抑えるこ
とができるので、この実施例では、図７に示すように、
従来配置されていた変電所２を適宜間引いて、変電所２
の間隔を広げ、単一の変電所がカバーする領域を拡大す
るようにしたものである。

【００２０】図８は本発明の第３実施例を示す高温超電
導ケーブルを導入した鉄道用直流き電システム模式図で
ある。さらに、従来の直流き電方式では、図８に示した
ように、レールを負き電線として使用しているが、図８
に示すように、レール６と、このレール６に並列に接続
される高温超電導ケーブル８からなる帰線９を構成する
ことにより、超電導ケーブルの導入効果を上げることが
できる。

【００２１】図１では、帰線としてレールをそのまま使
用しており、帰線での抵抗があるため電力損失の発生や
電圧降下を生じる懸念がある。この点、図８では、帰線
にも高温超電導ケーブルを導入するようにした。従っ
て、き電線と同様に、帰線９においてレール６と並列に
高温超電導ケーブル８が接続されるので、帰線９におけ
る抵抗を０にすることができ、き電線全体としての抵抗
を０にすることができる。

【００２２】したがって、この実施例の場合、前述した
図６における（ｈ）と従来のツインシンプルカテナリ式
のき電方式（ｂ）と比べると、この（ｂ）においては、
き電線での電力損失（１０００Ａ通電時、帰線での電力
損失を含む）が３２．２ｋＷ／ｋｍであったものが、
（ｈ）では０となり（冷却損失を含まず）、（ｂ）にお
いては、電圧降下（１０００Ａ通電時、帰線での電圧降
下を含む）が３２．２Ｖ／ｋｍであったものが、（ｈ）
では０となるため、変電所を設置する場合に、その間隔
に制限がなくなる。

【００２３】このように、この実施例によれば、高温超
電導ケーブルをき電線３および帰線９に導入することに
より、き電線３および帰線９の抵抗が０になることか
ら、き電線又は帰線における電力損失および電圧降下が
なくなる。なお、上記実施例においては、き電線とし
て、主に直流き電線について述べたが、交流き電線に適
用することも可能である。

【００２４】き電線および帰線に高温超電導ケーブルを
導入した場合の効果をまとめると、以下の通りである。（１）変電所数の削減高温超電導ケーブルの導入により、電圧降下が抑制でき
るので、図６に示すように、変電所の間隔を広げること
が可能となり、変電所数の削減ができる。き電線のみに
高温超電導ケーブルを導入した場合でも、従来のき電線
の断面積を１００倍にした場合よりも変電所間隔は広く
とることができる。更に、帰線にも高温超電導ケーブル
を導入すれば、変電所と変電所の間隔に制限がなくな
る。変電所数の削減により、変電所用地の削減、変電設
備の集約による信頼性向上、機器の大型化による高効率
化などにつながる。特に、都心部では用地の有効利用
に、地方の閑散線区では設備の有効利用に効果的であ
る。

【００２５】（２）回生率の向上現在、電力回生車両の導入が進められているが、早朝深
夜の時間帯や閑散線区では回生された電力を使用する力
行車両がなく回生失効となる場合があり、回生可能な電
力に対して実際に利用される回生電力の割合は、一例と
して、６０〜７０％程度である。このため回生車両で
は、回生可能電力が余剰になる場合には、抵抗で消費し
なければならず、回生電力消費用の抵抗器を搭載してい
る車両もある。

【００２６】そこで、き電線に高温超電導ケーブルを導
入することにより電圧降下が抑制できるため、より広範
囲の車両に対して回生電力を供給することが可能とな
り、回生失効の割合を抑え、回生率が向上する。また、
回生電力供給時における送電ロスがなくなるため、回生
電力が１００％利用可能となり、回生率の向上と合わせ
て、省エネルギーになる。

【００２７】（３）電圧降下の抑制き電線における電圧降下がなくなり、長距離にわたって
き電電圧を一定に維持することができる。き電線のみ高
温超電導ケーブルを用いた場合でも、電圧降下は従来の
き電方式に比べて１／４〜１／３に抑えられる。従来の
き電線では、図６に示したように、いくらき電線の断面
積を大きくしても、電圧降下は高温超電導ケーブルを用
いた場合より大きく、断面積を１００倍程度にしてき電
線のみ高温超電導ケーブルを導入した場合とほぼ同等な
大きさになる。

【００２８】き電線における電圧降下の抑制により架線
電圧の変動が小さくなることは、車両側から見ると、車
載機器の設計が容易になり、簡素化、耐久性の向上など
につながる。現状の車載機器は、車両の位置、き電線電
流の大きさにより、架線電圧が１６００Ｖから９００Ｖ
（通勤線区では１１００Ｖ目標）程度変動するため、そ
の電圧変動を考慮した設計が行われている。

【００２９】（４）負荷の平滑化広範囲のき電区間を一つの大きな負荷と見なせるので、
各電車ごとの力行、回生、だ行等の負荷変動があって
も、全体的な負荷変動は小さくなる。変電所における負
荷変動が平滑化され、変電所間の負荷変動やピークの立
ち上がりを抑えることができる。

【００３０】（５）延長き電の可能性事故や故障などにより一つの変電所が使用できなくなっ
た場合でも、き電線に高温超電導ケーブルを使用するこ
とにより、電圧降下が抑制できるので、正常で電力供給
に余裕のある周囲の変電所から、き電区間を延長させる
ことにより使用不能の変電所の受持ち区間にも電力の供
給ができるといった可能性があり、変電所事故時のバッ
クアップとすることができる。

【００３１】（６）接地検出が容易き電回路が低インピーダンスであるため、接地時の検出
が容易になる。（７）送電ロスの低減き電線の通電電流が１０００Ａ程度以上の線区では、送
電ロスが小さくなる。き電線の通電電流が平均１０００
Ａ以上の場合、送電ロスが従来のき電方式に比べて小さ
くなる。特に、電流が大きくなるほど送電ロスは小さく
なることから、都心部の通勤路線への導入は効果的であ
る。高温超電導ケーブルでは、超電導体を液体窒素温度
に保つために、低温容器に納めて常時冷却しなければな
らない。

【００３２】そこで、上下線のき電線を一つの低温容器
に納めることにより、図６の（ｉ）、（ｊ）冷却による
損失を減らして効率を向上させる方法等が考えられる。
なお、本発明に用いる超電導ケーブルや接続・分岐装置
も上記開発例に限定されるものではなく、種々の超電導
ケーブルや接続・分岐装置を用いることができる。

【００３３】また、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。

【００３４】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。（Ａ）高温超電導ケーブルをき電線に用いることによ
り、き電線の抵抗が小さくなるため、き電線における電
力損失や電圧降下が低減され、変電所の間隔延長や集
約、回生電力の有効利用ができ、省エネルギー、設備投
資削減、保守低減を図ることができる。

【００３５】（Ｂ）電圧降下が低減されるため、従来の
ものに比して、変電所の間隔を広げることが可能とな
り、変電所数の削減ができる。変電所数の削減により、
変電所用地の削減、変電設備の集約による信頼性向上、
機器の大型化による高効率化などにつながる。（Ｃ）より遠くの車両に対しても回生電力の供給が可能
となり、回生失効がなくなるため、回生率が向上する。
回生電力消費用の抵抗器を搭載していた車両では、その
必要がなくなる。

【００３６】また、回生電力供給時における送電ロスが
なくなり回生電力が１００％利用可能となり、回生率が
向上すること等の理由により、省エネルギー化を図るこ
とができる。（Ｄ）き電線における電圧降下がなくなり、き電電圧を
一定に維持することができる。車両側から見ると、架線
電圧の変動が小さくなるため、車載機器の設計が容易に
なり、簡素化、耐久性の向上などにつながる。

【００３７】（Ｅ）広範囲のき電区間を一つの大きな負
荷と見なせるので、各電車毎の力行、回生、だ行等の負
荷変動があっても、全体的な負荷変動は小さくなる。変
電所における負荷変動が平滑化され、変電所間の負荷変
動やピーク差を抑えることができる。（Ｆ）一つの変電所が故障しても、正常で電力供給に余
裕のある周囲の変電所からき電することが可能になる。

【００３８】（Ｇ）き電回路が低インピーダンスになる
ため、接地時の検出が容易になる。（Ｈ）き電線の通電電流が１０００Ａ程度以上の線区で
は、送電ロスが小さくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す高温超電導ケーブル
を導入した鉄道用直流き電システムの模式図である。

【図２】本発明の第１実施例を示す高温超電導ケーブル
の導体を示す斜視図である。

【図３】本発明の第１実施例を示す高温超電導ケーブル
の構造を示す斜視図である。

【図４】本発明の第１実施例を示す高温超電導ケーブル
の終端端末の構造を示す図である。

【図５】本発明の第１実施例を示す高温超電導き電シス
テムを示す図である。

【図６】き電線における電力損失、電圧降下を示す図で
ある。

【図７】本発明の第２実施例を示す高温超電導ケーブル
を導入した鉄道用直流き電システム模式図である。

【図８】本発明の第３実施例を示す高温超電導ケーブル
を導入した鉄道用直流き電システム模式図である。

【図９】従来の鉄道用き電システムの模式図である。

【図１０】従来の鉄道用き電システムを示す図である。

【符号の説明】

１交流送電線２変電所３高温超電導ケーブルからなる直流き電線４，４９トロリー線５区分開閉器６レール（帰線）７電車８高温超電導ケーブル９帰線（レール＋高温超電導ケーブル）１０インナー液体窒素通路１１アルミコルゲートパイプ（フォーマー）１２高温超電導線１３絶縁テープ１５高温超電導ケーブル１５ａ誘電体１５ｂ絶縁スクリーン１５ｃアウター液体窒素通路１５ｄインナー波形パイプ１５ｅ熱絶縁体１５ｆアウター波形パイプ１５ｇＰＶＣ層２０加圧液体窒素２１ケーブル部液体窒素出口２２ＦＲＰ套管２３常電導−超電導接続部２４液体窒素２５窒素ガス２６ケーブル部液体窒素入口２７真空槽２８中間フランジ２９導体引出棒３０ＳＦ₆ガス３１碍子４０沿線に配置されたトラフ４１分岐装置４２コンクリート柱４３き電分岐線４４長幹碍子４５可動ビーム４６ちょう架線４７バンド４８振止金具５１ハンガ５２腕金５３信号高圧配電線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）沿線に沿って配置された複数の変電
所に接続される高温超電導ケーブルからなるき電線と、
（ｂ）該き電線に接続されるトロリー線と、（ｃ）レー
ルからなる帰線とを具備することを特徴とする鉄道用超
電導き電システム。
【請求項２】（ａ）沿線に沿って配置された複数の変電
所に接続される高温超電導ケーブルからなるき電線と、
（ｂ）該き電線に接続されるトロリー線と、（ｃ）レー
ルと、該レールに並列に接続される高温超電導ケーブル
からなる帰線とを具備することを特徴とする鉄道用超電
導き電システム。
【請求項３】請求項１又は２記載の鉄道用超電導き電
システムにおいて、前記き電線は直流き電線であること
を特徴とする鉄道用超電導き電システム。
【請求項４】請求項１、２又は３記載の鉄道用超電導
き電システムにおいて、前記変電所の間隔延長を行い、
１箇所の変電所が分担する領域を拡大することを特徴と
する鉄道用超電導き電システム。