JP2003333746A

JP2003333746A - 送電システム

Info

Publication number: JP2003333746A
Application number: JP2002141419A
Authority: JP
Inventors: Sakutaro Yamaguchi; 作太郎山口
Original assignee: YYL KK
Current assignee: YYL KK
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2003-11-21

Abstract

(57)【要約】【課題】直流送電を可能とし、コストの低減を図り、信
頼性の向上を図るシステムの提供。【解決手段】超伝導ケーブルを用いて直流送電する送電
システムであって、交流入力と交流出力を行う２つの変
換装置３１の間に、高温超伝導導体よりなる超伝導ケー
ブル１０を敷設し、前記超伝導ケーブル１０は、少なく
とも２本の導体１１を含み、前記超伝導ケーブルの導体
と、常温部の前記変換装置３１の正極及び負極をそれぞ
れ接続する電流リードが、Ｎ型熱電材料とＰ型熱電材料
からなる熱電冷却手段２１、２２を備え、１の前記変換
装置は３１交流を直流に変換して超伝導ケーブルに出力
し、前記超伝導ケーブルからの直流を他の前記変換装置
３１で交流に変換して出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、送電システムに関
し、特に、高温超伝導導体を用いた送電システムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】電力ケーブルは低磁界での交流応用であ
る。超伝導ケーブルは、他の超伝導応用機器とは異な
り、冷却対象が長大となり、侵入熱負荷も大となる。こ
のため、冷却システムの効率（低温での冷却効率システ
ムと消費電力の比）の影響が大となる。

【０００３】金属系超伝導体を用いた場合、冷却は、液
体ヘリウム（冷凍機効率：１／５００〜１／１０００）
で行われ、その侵入熱の低減が重要となり、このためコ
ンパクト化（小型化）が困難となる。そして、現用の銅
ケーブルと競合できるようにするには、大容量送電を対
象とすることになり、実用化は低い。

【０００４】一方、酸化物超伝導体等を用いた高温超伝
導体の場合、液体窒素（冷凍機効率：１／１０〜１／３
０）で冷却するため、実用化の可能性は高い。

【０００５】大都市中心部への電力供給は、地中管路送
電が主流とされ、断面積が小でありコンパクトな構成の
大容量送電ケーブルの実現が期待されている。すなわ
ち、高温超伝導材を用いた液体窒素温度で超伝導状態と
なる電力ケーブルの開発が行われている。これは、特
に、都市部での共同溝を利用して配電する際に、電流密
度を高くとれることによる。

【０００６】図４は、１９９８年に京大で検討された構
成を示すものであり。２７５ｋＶ系の送電ケーブルの断
面が示されている。従来からの銅ケーブルに比べて、大
幅に、小型化（１／１０）されている。

【０００７】０．５ＧＷ／回線、２７５ｋＶ系の送電ケ
ーブルで送電しているところ、容量を２倍とした場合、
１ＧＷを送電するための、現用ＯＦケーブル（２回線必
要、発熱による制限）（図４（Ｂ））、酸化物系高温超
伝導ケーブルの断面（図４（Ａ））を示す。

【０００８】またケーブルのコンパクト性を活用した、
管路施設の可能な１ＧＷクラスの三相一括型超伝導ケー
ブルの開発も行われている。

【０００９】図４（Ａ）に示すように、この超伝導ケー
ブルは、液体窒素１０１、フォーマ１０２、超伝導導体
１０３、絶縁層１０４、液体窒素１０１、超伝導シール
ド１０５、断熱層１０６、防食層１０７を備えている。
図４（Ｂ）に示すように、ＯＦケーブルは、導体１１
１、アルミシース１１２、防食層１１３を備えている。

【００１０】図５（Ａ）に、東電／住友電工／電力中研
が共同で行っている実験のパンフレットに記載されてい
る、超伝導ケーブルと銅ケーブルの比較図（２００１年
刊）を引用して示す。同図は、２７５ｋＶ系の送電シス
テムの断面図である。同図からも、超伝導ケーブルで
は、大幅に小型化されていることが分かる。したがっ
て、コスト的には、超伝導ケーブルは高価であるが、共
同溝などの土木工事の費用も勘案すると、全体でコスト
を低減できるシステムが構築される。

【００１１】また、図５（Ｂ）には、東電／住友電工で
現在開発中の超伝導ケーブルが示されている。超伝導ケ
ーブル３本がステンレスの管内に配置され、その中を液
体窒素が流れ、その外側を真空断熱としている。

【００１２】以上のシステムにおいて、交流損が課題で
ある。超伝導状態では、電流値が一定な直流では、完全
に電気抵抗がゼロになるが、時間的に電流が変化する交
流では、数々の理由により、抵抗が現れる。これを「交
流損」という。

【００１３】公知のケーブルの仕様（電流値＝１ｋＡ，
周波数＝６０Ｈｚ，電圧＝６６ｋＶ）では、三相交流ケ
ーブルで１ｋＷ／ｋｍの発熱以下とすることが、当面の
目標となっている。これによって、超伝導ケーブルが実
用化できる。

【００１４】この発熱は、液体窒素温度（７７Ｋ）で生
じるため、この熱を、常温に、くみ出すためには、カル
ノーサイクルの効率と冷凍機の効率が乗ぜられるので、
１０乃至３０倍の電力を必要とする。したがって、実効
的には、１０ｋＷ／ｋｍ−３０ｋＷ／ｋｍの電力損失と
なる。

【００１５】発熱の観点から、現状の銅ケーブルとの比
較を行う。文献（電線要覧、昭和電線刊）によれば、Ｏ
Ｆケーブル（６６ｋＶ系）の許容電流値は、交流抵抗値
の１／２乗に比例し、３芯で、図５（Ａ）のような場所
に敷設する場合には、５００ｍｍ^２の断面積に対して、
０．５ｋＡとなる。したがって、１ｋＡでは、２０００
ｍｍ^２の導体部の断面積が必要となる。この時のケーブ
ルの抵抗は、０．００９６２Ωとなるので、発熱は、
９．６ｋＷ／ｋｍとなる。この値は、上記で求めた値よ
りは小さく、エネルギー的には銅ケーブルと同程度かそ
れ以下になると予想される。実際、「５ｋｍの長さで、
冷却に必要な電力が２００ｋＷ」と記載されており（東
電と住友電工の共同実験についての住友電工のコメン
ト）、銅ケーブルの消費電力のほうが遙かに低くなる。
また、同時に、上記の冷凍機の効率についての評価が正
しいことを意味している。しかしながら、同時に、住友
電工のコメントは、「銅ケーブルを利用する場合より消
費電力が少ない」とある。

【００１６】別の事業体・研究機関（中部電力）でも、
同様な構成の超伝導ケーブルの開発が行われており、ケ
ーブルを作る超伝導素線の撚り方を工夫することによっ
て、従来の交流損より、１／１０の１００Ｗ／ｋｍを達
成したと発表している。図６（Ａ）に超伝導ケーブルの
斜視図を示す。図６（Ｂ）は、超伝導ケーブルの撚り線
構造を模式的に示した図である。図６（Ｂ）に示すよう
に、１本の超伝導導体を上にしたり下にしたりすること
で、すべての超伝導導体に電流を均一に流す。超伝導導
体の幅を従来のものの半分にしたり、シース材に銀合金
を採用している。なお、図６は、日経メカニカルの２０
０１年４月号から引用した。したがって、これが、現状
では、世界一のケーブルとのことである。実際、日経メ
カニカルには、そのような旨が記載されている。しか
し、交流損による発熱がここまで低下すると、他に２つ
の問題が出てくる。

【００１７】一つは、電流リードからの熱侵入であり、
他は、真空断熱を行ったチューブからの直接の熱侵入で
ある。

【００１８】現状のシステムについて、現在データが詳
細には公表されていないので、詳細は不明であるが、一
つのヒントとしては、ある事業体（住友電工）の実験に
ついてのコメントとして、「５ｋｍの長さのケーブルで
冷凍に必要な電力が２００ｋＷである」というものが知
られている。これが、全ての熱侵入に対する必要電力と
し、冷凍機の効率が１／１０であるとすると、交流損以
外の熱侵入の方が大きいことになり、中電が行ったよう
な開発は、不要になる。

【００１９】すなわち、交流損を下げても、それ以外の
熱侵入が大きいため、システム全体としてはメリットが
存在しないからである。

【００２０】一方、大部分が交流損による発熱であると
すれば、冷凍機の効率は、１／４０となり、中電の開発
は、極めて重要な結果となる。

【００２１】電流リードからの熱侵入に関する詳細な解
析は、従来より、行われており、常温と液体窒素温度と
の間で電流リードを構成すると、２３Ｗ／ｋＡから４２
Ｗ／ｋＡである。

【００２２】２つの値の違いは、熱侵入の結果発生した
窒素ガスによるリード部の冷却を入れるか入れないかに
よる。

【００２３】大都市として例えば東京の新宿を考える
と、高層ビルの間の平均距離は２００ｍ程度である。こ
れらの間を、超伝導ケーブルで接続するとして、長くて
も１０００ｍとなる。すると、この間の発熱は、東電と
中電のケーブルでそれぞれ、１ｋＷ−１００Ｗとなる。
前者であれば、電流リードからの侵入熱は無視できる
が、後者となると送電に必要な電流リードの数は３芯で
あるため、全部で６個必要となり、１３８Ｗ−２５２Ｗ
となり（電流値を１ｋＡとしている）、電流リードから
の侵入の方が大きくなる。

【００２４】したがって、電流リードからの熱侵入は、
全体の中で大きな割合を占め、重要な検討項目になる。

【００２５】現在の超伝導電力ケーブルの設計では、こ
の値がもう１０％から２０％低減されれば、実用化が可
能とされ、同じレベルの発熱でケーブルとして、６６ｋ
Ｖ／３ｋＡ（＝１９８ＭＶＡ）が実用化の目途と言われ
ている。

【００２６】しかしながら、交流損は現在の段階では、
主に、電流の２乗に比例するので、３ｋＡに対して、３
ｋＷ／ｋｍにするには、１／３とする必要が有る。

【００２７】

【発明が解決しようとする課題】以下、再度、超伝導の
大きな特徴を生かすための直流送電について考察する。
以下は、本発明の課題について、本発明者が独自に考察
した結果を含む。

【００２８】直流であれば、超伝導体の電気抵抗はゼロ
であることから、上記交流損による発熱は原理的に発生
しない。低温への熱リークは、電流リードからのもの
と、断熱真空チューブからに限られる。したがって、熱
リークが低ければ、極めて、合理的なシステムを構成で
きる。

【００２９】更に、直流電力ケーブルを用いた送電で
も、長距離送電では直流が使われることが一般的であ
る。例えば、本州ー北海道、本州ー四国間では、海底直
流電力ケーブルによる送電が実際に行われている。

【００３０】この規模は、全体で、１５０ＭＶＡから６
００ＭＶＡであり、個別の回路では、７ＭＶＡから９５
ＭＶＡであり、上記の超伝導ケーブルに比べて、全体で
は約１０倍程度規模が大きいが、個別の回路を考える
と、開発中の超伝導ケーブルと同規模のシステムである
ことが分かる。

【００３１】直流送電を使う大きな理由として、以下の
理由が挙げられている（（株）電源開発のパンフレッ
ト）。

【００３２】（１）交流送電のように距離が長くなると
送電能力が低下する現象がないので、長距離・大容量送
電に適している。

【００３３】（２）交流導電に比べて電線の数が少なく
て済む。

【００３４】（３）異なった周波数間で系統間の連系に
使用することができる。

【００３５】上記の理由を超伝導ケーブルに当てはめて
考えてみると、（１）の電線の本数が少なくて済むこと
は、大きなメリットである。それは、ケーブルの構造が
単純になるからである。また、この場合、完全な直流で
送電しているため、交流損は原理的にゼロになる。発熱
によって発生する窒素ガスが少なくなり、真空断熱構造
が簡易化する。

【００３６】同軸構造の場合、現在の銅のケーブルと同
じように、電気絶縁が容易化し、中心部に、液体窒素を
流すことができ、外側に低温の窒素ガスを流す層と、真
空断熱の層をおく構造を採用することができる。ケーブ
ルのコスト低減ができる。但し、距離の短い場合には、
ガス層は、不要である。

【００３７】図７（Ａ）に、本州−北海道の直流送電海
底ケーブル（ＯＦケーブル）の断面図、図７（Ｂ）に仕
様を示す。中空油通路３０１、導体３０２、鉛板３０
３、絶縁紙３０４、外装鉄線３０５を備えている。

【００３８】また図８は、その回路構成を示す図であ
る。２本の本線と１本の帰路線が海底ケーブルとして敷
設され、それぞれ架空線にて変換所に接続され、変換所
には、直流リアクトル、サイリスタバルブが配設されて
いる。

【００３９】直流ケーブルの導体断面積は１２００ｍｍ
^２であり（海底ケーブル、長さは４４ｋｍ）、上記段落
［００１５］での見積りより少ないため、電気抵抗が増
大する。電線要覧によると、０．０１５１Ω／ｋｍ（２
０℃での直流抵抗）であるから、約２倍である。

【００４０】したがって、発熱も倍になるが、２０ｋＷ
／ｋｍ程度となり、冷凍機の効率を入れると、高温超伝
導（ＨＴＳ）送電ケーブル（ＰｏｗｅｒＣａｂｌｅ）
と同程度となり、実際に利用されている例と比較して
も、超伝導を利用するので、損失が、大幅に下がるわけ
ではないことが分かる。

【００４１】発生する低温のガス量が低下すると、液体
窒素を循環させるポンプ能力も低くすることができるの
で、システム全体の装置コスト、運転コストも下がる。
特に、長距離送電の時に窒素ガスが発熱によって発生す
ることは、冷却系の見直しが必要になるので、極めて重
要な要素である。

【００４２】更に、このようなシステムが可能になった
大きな理由は、交流と直流を相互に変換するシステムの
コストの低減、信頼性の向上にもよる。これらの交流／
直流変換装置は、電力網の基幹に利用されているため、
信頼性の高いものになっている。

【００４３】その一方で、近時、電気自動車も実用化さ
れており、電気自動車は電源として車載電池（直流）に
より、回生ブレーキ及びエンジンは交流電動機であり、
これを周波数変換させて、運転制御を行っている。車載
交流／直流変換装置では例えば５０ｋＷの設備が搭載さ
れており、高信頼性、低コストとされている。

【００４４】上記の６６ｋＶ／１ｋＡ＝６６ＭＷとなる
ので、交流／直流変換装置としては、１０００台分の車
載交流／直流変換装置を使えば、直流と交流の切替が完
成し、直流送電が可能となり、安価、信頼性の向上が達
成される。

【００４５】直流送電を行うもう一つのメリットは、事
故時の通電容量である。

【００４６】通常の銅ケーブルでは、短絡電流もしくは
短時間通電可能電流が規格されている。これは、事故時
に、短い時間（瞬時）、大電流が流れるので、耐性を保
証する必要があるからである。この規格は、事故時の遮
断を機械式遮断機を用いるためである。すなわち、動作
には少なくても１秒程度の時間の遅れが発生し、その間
に、短絡電流が増大するからである。

【００４７】超伝導ケーブルに対して、短絡事故を想定
することは、技術課題が多い。これは、電流値の増大に
よって、超伝導／常伝導の転位が交流損以上に大きな問
題になる。この問題は、超伝導ケーブルに対して、従
来、あまり議論がなされていない。

【００４８】しかしながら、交流／直流変換装置を設置
すると、事故時の遮断が半サイクルで可能になる。これ
はサイリスターを利用しているため、事故が生じた時間
の次の半サイクルで遮断が可能になるからである。

【００４９】よって、事故時に多大な電流が流れる可能
性は極めて低くなる。そして、長い距離敷設された超伝
導ケーブル全体の保安性／保全性が大きく向上する。

【００５０】以上の解析から、都市部で超伝導ケーブル
を利用して電力輸送を行うシステムを想定する場合に、
直流で、高温超伝導体の電力ケーブルを利用するシステ
ムを検討することが重要な検討課題となる。

【００５１】図９（Ａ）は、システム構成示す図であ
る。ここでは、三相交流の例で記載されているが、超伝
導電力ケーブル５００は３本の電気絶縁された独立の導
体５０１よりなり、それらが真空断熱で、常温から熱絶
縁されている。そして、導体部５０１が低温に保持され
ている。三相の電力ケーブルは、常温から低温部への熱
侵入を低減するための電流リード５０２が接続され、低
温の超伝導電力ケーブル５００の一端に接続され、超伝
導電力ケーブル５００の他端は、電流リード５０２に接
続され、常温部に戻されて、一般機器で利用される。

【００５２】図９（Ｂ）は、３本の独立した導体５０１
に流れる電流波形を示している。

【００５３】より具体的な構造として、図１０に、東電
／住友電工が行っている実験の構成を示す。これは電力
中研で行われている実験のシステムであり、超伝導ケー
ブルシステムの両端がそれぞれ３本のケーブルに分かれ
ている。

【００５４】また、液体窒素用の循環器系をなすポンプ
システムを備えている。ケーブルの長さは１５０ｍであ
り、昨年から実験がはじまり、平成１６年まで実験が行
われる。現在、同様な実験は、米国のデトロイトでも行
われている。米国エネルギー省が中心になり、ピレイリ
ー社が全体の取りまとめを行い開発を進めている。

【００５５】したがって、本発明の目的は、直流送電を
可能とし、コストの低減を図り、信頼性の向上を図るシ
ステムを提供することである。

【００５６】また本発明の他の目的は、超伝導ケーブル
全体の保安性／保全性を向上するシステムを提供するこ
とである。

【００５７】

【課題を解決するための手段】前記目的の少なくとも１
つを達成する１つのアスペクトに係る本発明は、超伝導
ケーブルを用いて直流送電する送電システムであって、
交流入力と交流出力を行う２つの変換装置の間に、高温
超伝導導体よりなる超伝導ケーブルを敷設し、１の前記
変換装置は交流を直流に変換して前記超伝導ケーブルに
出力し、前記超伝導ケーブルからの直流を他の前記変換
装置で交流に変換して出力する。

【００５８】本発明の他のアスペクトに係るシステムに
おいては、前記超伝導ケーブルは、少なくとも２本の導
体を含み、前記超伝導ケーブルの導体と、常温部の前記
変換装置の正極及び負極をそれぞれ接続する電流リード
が、Ｎ型熱電材料とＰ型熱電材料からなる熱電冷却手段
を備えている。

【００５９】本発明は、交流を直流に変換する前記変換
装置は、整流回路で全波整流した波形、又は整流回路の
出力を平滑回路で平滑化した波形を出力する。

【００６０】本発明の他のアスペクトに係る変換装置
は、超伝導ケーブルを用いて直流送電する送電システム
の変換装置であって、交流を直流に変換して電流リード
を介して前記超伝導ケーブルに出力する手段を備えてい
る。

【００６１】本発明の他のアスペクトに係る変換装置
は、前記超伝導ケーブルからの直流を電流リードを介し
て受け取り前記直流を交流に変換して出力する手段を備
えている。

【００６２】

【発明の実施の形態】本発明の概要及び、発明を実施し
た形態（実施例）について以下に説明する。本発明は、
常温部に配設された第１、第２の変換装置（３１、３
１）は、交流を直流に変換し正極端子と負極端子から直
流出力する第１及び第２のコンバータ、及び、正極端子
と負極端子間の直流を交流に変換し出力する第１、第２
のインバータを備え、液体窒素低温で冷却され高温超伝
導導体よりなり超伝導ケーブルを構成する第１、第２の
導体と、前記第１の変換装置（３１Ａ）の第１端子と前
記第１の導体の一端とを接続する第１の電流リード（２
０Ａ１）と、前記第２の導体の他端と前記第２の変換装
置（３１Ｂ）の第１端子とを接続する第２の電流リード
（２０Ｂ１）と、前記第２の変換装置（３１Ｂ）の第２
端子と前記第２の導体の一端とを接続する第３の電流リ
ード（２０Ｂ２）と、前記第２の導体の他端と前記第１
の変換装置の第２端子とを接続する第４の電流リード
（２０Ａ２）と、を備えている。第１乃至第４の電流リ
ードが、ペルチェ効果熱電半導体を備えている。

【００６３】超伝導ケーブルに供給される前記直流が、
前記交流を全波整流した波形、又は平滑化された直流波
形である。前記超伝導ケーブル内は気密断熱され、液体
窒素により低温に保持される。

【００６４】本発明においては、コンバータが、入力さ
れる三相交流を整流した全波整流波形を出力する整流手
段を備えている。

【００６５】本発明においては、コンバータが、入力さ
れる三相交流を整流し平滑化した直流波形を出力する平
滑化手段を備えている。

【００６６】本発明においては、前記インバータが、入
力される直流を三相交流に変換して出力する手段を備え
ている。

【００６７】

【実施例】本発明を適用した直流高温超伝導ケーブルに
よる送電システムについて説明する。図１（Ａ）は、本
発明の一実施例のシステム構成を示す図である。

【００６８】図１（Ａ）に示すように、常温部３０の三
相交流入力に接続する変換装置（コンバータ／インバー
タ）３１Ａのコンバータにより超伝導電力ケーブル１０
に流れる電流を直流とし、超伝導電力ケーブル１０の直
流電流を変換装置（コンバータ／インバータ）３１Ｂの
インバータにより交流電流に変換している。

【００６９】超伝導電力ケーブル１０に流れる電流は、
全波整流から完全な直流までを想定する。図１（Ｂ）に
示すように、電流は完全な直流、もう一つは、全波整流
波形である。このため、電力ケーブル１０は、２本の導
体で構成される。

【００７０】更に、常温部３０の変換装置（コンバータ
／インバータ）３１と超伝導ケーブル１０を接続する電
流リード部２０Ａ、２０Ｂにペルチェ熱電半導体を設
け、低温部（超伝導導体）への熱侵入を低減している。
電流リード２０Ａ１には、Ｎ型半導体２１Ａが接続され
ており、電流リード２０Ａ２には、Ｐ型半導体２２Ａが
接続されており、電流リード２０Ｂ１には、Ｎ型半導体
２１Ｂが接続されており、電流リード２０Ｂ２には、Ｐ
型半導体２２Ｂが接続されている。これらの電流リード
部２０に設けられる熱電半導体は、Ｎ型半導体２１とＰ
型半導体２２の対よりなり、この場合、電流の流れる向
きによってペルチェ効果により、超伝導ケーブル１０か
ら熱を吸熱する。すなわち、電流リード部２０からの超
伝導ケーブル１０への熱侵入を抑止している。

【００７１】コンバータ／インバータ３１を利用して、
超伝導ケーブル１０に流れる電流を示す。コンバータに
よって、三相交流は直流に変換されるが、平滑回路の有
無で、図１（Ｂ）に示すように、完全な直流／大リップ
ル電流の２つとなる。このような電流波形では、４つの
大きなメリットがある。

【００７２】一つは、交流損の低減である。交流損は時
間的に変化する電流の振幅の２乗に比例するため、完全
な直流ではゼロになり、全波整流では、（１／２）^２＝
０．２５となる。したがって、交流損が少なくとも７５
％低減することになる。これは、中電の開発したケーブ
ルも同様に減少する。したがって、実用化への大きな進
展である。

【００７３】次のメリットは、ケーブル構造が単純にな
ることである。三相では、導体が３本あり、それぞれを
同じ電圧で電気的に絶縁するとともに、液体窒素を流し
て冷却する必要があり、断熱真空層が必要になり、複雑
な構造になっている。

【００７４】これに対して、直流送電においては、２本
の絶縁導体を組み込むだけでよく、その上、一方をアー
ス側とするので絶縁電圧を下げることができる。低温で
の冷却を行う系で、絶縁電圧を下げることができるた
め、構造の簡易化を図る事ができる。

【００７５】更に、電流リードに熱電半導体２１、２２
を備えているため、常温部３０から低温部への電流リー
ドを伝わって入る熱侵入が低減できる。これについて
は、例えば、文献（K. Sato et al, “Numerical calcu
lations for Peltier currentlead designing”, Cryog
enics, Vol. 41, pp. 497-503, (2001)）等が参照され
る。

【００７６】解析的な検討では、全波整流の電流であっ
ても、完全な直流の７０％程度の熱侵入の低減が期待で
きる。このため、電流リード部２０からの熱侵入が低減
できる。

【００７７】完全な交流で有れば、この部分は、コンバ
ータには、整流回路を備える必要があり、仮に、熱電半
導体を組み込んでも、半分以下の熱侵入低減にしかなら
ない。

【００７８】直流供給方式について以下に説明する。図
２は、三相交流から完全直流を作るコンバータとして、
半導体整流器を備えた構成の一実施例を示す図である。
図２に示す例では、ダイオード４０が整流素子として利
用されているが、サイリスタ、ＧＴＯ（ゲートターン・
オフサイリスタ）、ＦＥＴ等でもよい。

【００７９】完全な直流を作るには、これらの半導体整
流器に、図３に模式的に示すように、平滑用のコンデン
サ６０、インダクタ５０が接続される。平滑用のコンデ
ンサ６０及びインダクタ５０の回路の有無で、図１
（Ｂ）の完全な直流、全波整流波形がそれぞれ得られ
る。

【００８０】したがって、平滑用の回路素子が必要なこ
と、これらの素子の損失がどの程度であるかと、システ
ム全体のコストが完全な直流を利用するか、全波整流波
形を使うかで、回路構成が分かれる。

【００８１】図２では、半導体整流器としてダイオード
を利用しているが、これはサイリスタ、ＧＴＯ、ＦＥＴ
などに比べて安価であることによる。コスト的には、同
じ電圧電流用のスイッチング素子で、ダイオード＜サイ
リスタ＜ＧＴＯである。なお、大電力では、ＦＥＴを用
いることはできない。これは、容量が低いためである。

【００８２】完全な直流であれば、交流損はゼロになる
が、全波整流であれば、これを再度交流に変換（インバ
ート）するときに、回路が異なってくる。

【００８３】超伝導ケーブル１０に完全直流が供給され
る場合、これを交流に変換するときに、ゲートに逆バイ
アス電流を流すことによりオンからオフに制御すること
ができる自己消弧機能があるスイッチング素子を用いる
必要がある。

【００８４】このような機能の素子としては、ＧＴＯ、
ＦＥＴ（高耐圧パワーＦＥＴ）があるが、大容量の回路
ではＧＴＯ以外には利用できる素子がない。

【００８５】全波整流波形であれば、インバータの回路
において、サイリスタなどの自己消弧作用のない素子で
も利用可能である。

【００８６】図３は、図１のインバータの構成の一実施
例を示す図である。入力端から全波整流の波形が入力さ
れ、例えばインバータの変換素子を構成するスイッチン
グ素子（ＳＷ−１）がオンとなり、スイッチング素子
（ＳＷ−２）はオフする。このスイッチング素子は、次
の半サイクルに切り替わるときには、電流値がゼロにな
るのでスイッチ素子は、自己消弧作用がない素子であっ
ても利用できる。このため、例えばサイリスタが使われ
る。インバータ回路で発生する電圧波形は方形波である
ため、パルス幅変調（ＰＷＭ）等、正弦波に近づける構
成を備えてもよい。

【００８７】そして、次の半サイクルになったときに、
スイッチング素子（ＳＷ−１）はオフし、スイッチング
素子（ＳＷ−２）がオンすれば、出力端からは完全な交
流波形が得られる。

【００８８】したがって、全波整流波形では、変換素子
として、自己消弧作用のないスイッチング素子によりイ
ンバータを構成することができる。この回路が、三相交
流回路に適用できることは勿論である。

【００８９】更に、本実施例によれば、事故時の遮断が
早く行われるので、事故時の過大電流を抑えることがで
きる。

【００９０】以上より、高温超伝導ケーブルを用いた直
流送電を行うことによって大きなメリットが多数出てく
る。

【００９１】以上本発明を上記実施の形態に即して説明
したが、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されず、
特許請求の範囲の各請求項の範囲で当業者であればなし
得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

【００９２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
直流送電を可能とし、コストの低減を図り、信頼性の向
上を図るシステムを実現することができる。

【００９３】本発明によれば、超伝導ケーブル全体の保
安性／保全性を特段に向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明の一実施例のシステム構成を示
す図、（Ｂ）は交流と直流波形を示すである。

【図２】本発明におけるコンバータの一実施例の構成を
示す図である。

【図３】本発明におけるインバータの一実施例の構成を
示す図である。

【図４】従来の超伝導ケーブルと銅ケーブルの構成の一
例を示す図である。

【図５】従来の超伝導ケーブルと銅ケーブルの構成の一
例を示す図である。

【図６】従来の超伝導ケーブルの構成を示す図である。

【図７】従来の直流送電用ケーブルの構成とその仕様を
示す図である。

【図８】従来の直流送電システムの構成の概略を示す図
である。

【図９】従来の高温超伝導ケーブルを用いた送電システ
ムの構成の概略を示す図である。

【図１０】従来の高温超伝導ケーブルを用いた送電シス
テムの構成の概略を示す図である。

【符号の説明】

１０超伝導ケーブル１１超伝導導体２０電流リード２１Ｎ型半導体２２Ｐ型半導体３０常温部３１コンバータ／インバータ（変換装置）４０ダイオード５０インダクタ６０コンデンサ１０１液体窒素１０２フォーマ１０３超伝導導体１０４絶縁層１０５シールド１０６断熱層１０７防食層１１１導体１１２アルミシース１１３防食層３０１中空油通路３０２導体３０３鉛板３０４絶縁紙３０５外装鉄線４０１、４０３本線４０４、４０５変換所５００超伝導ケーブル５０１導体５０２電流リード

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超伝導ケーブルを用いて直流送電する送電
システムであって、２つの変換装置の間に、高温超伝導導体よりなる超伝導
ケーブルを敷設し、１の前記変換装置は交流を直流に変換して前記超伝導ケ
ーブルに出力し、前記超伝導ケーブルからの直流を他の
前記変換装置で交流に変換して出力する、ことを特徴と
する送電システム。
【請求項２】前記超伝導ケーブルが少なくとも２本の導
体を有し、前記超伝導ケーブルの導体と、常温部の前記変換装置の
正極及び負極をそれぞれ接続する電流リードが、Ｎ型熱
電材料とＰ型熱電材料よりなる熱電冷却手段を備えてい
る、ことを特徴とする請求項１記載の送電システム。
【請求項３】交流を直流に変換する前記変換装置は、整
流回路で全波整流した波形、又は整流回路の出力を平滑
回路で平滑化した波形を出力する手段を備えている、こ
とを特徴とする請求項１又は２記載の送電システム。
【請求項４】常温部に配設される第１及び第２の変換装
置が、交流を直流に変換し２つの端子から直流出力する第１及
び第２のコンバータと、２つの端子間に入力される直流を交流に変換し出力する
第１及び第２のインバータと、をそれぞれ備え、高温超伝導導体よりなり超伝導ケーブルを構成する第
１、第２の導体と、前記第１の変換装置の第１端子と前記第１の導体の一端
とを接続する第１の電流リードと、前記第１の導体の他端と前記第２の変換装置の第１端子
とを接続する第２の電流リードと、前記第２の変換装置の第２端子と前記第２の導体の一端
とを接続する第３の電流リードと、前記第２の導体の他端と前記第１の変換装置の第２端子
とを接続する第４の電流リードと、を備えている、ことを特徴とする送電システム。
【請求項５】前記第１乃至第４の電流リードの少なくと
も１つが、前記超伝導ケーブルへの熱侵入を低減する熱
電冷却手段を備えている、ことを特徴とする請求項４記
載の送電システム。
【請求項６】前記第１乃至第４の電流リードがそれぞ
れ、ペルチェ効果熱電半導体を備えている、ことを特徴
とする請求項４記載の送電システム。
【請求項７】前記第１及び第２の電流リードがＮ型熱電
半導体を備え、前記第３及び第４の電流リードがＰ型熱電半導体を備え
ている、ことを特徴とする請求項４記載の送電システ
ム。
【請求項８】前記交流が、三相交流又は単相交流であ
る、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一に記
載の送電システム。
【請求項９】前記直流が、前記交流を全波整流した波
形、又は平滑化された直流波形である、ことを特徴とす
る請求項４乃至７のいずれか一に記載の送電システム。
【請求項１０】前記各コンバータが、入力される三相交
流を整流した全波整流波形を出力する整流手段を備えて
いる、ことを特徴とする請求項４乃至７のいずれか一に
記載の送電システム。
【請求項１１】前記各コンバータが、入力される三相交
流を整流し平滑化した直流波形を出力する平滑化手段を
備えている、ことを特徴とする請求項４乃至７のいずれ
か一に記載の送電システム。
【請求項１２】前記各インバータが、入力される直流を
三相交流に変換して出力する手段を備えている、ことを
特徴とする請求項４乃至７のいずれか一に記載の送電シ
ステム。
【請求項１３】前記超伝導ケーブル内は、気密断熱さ
れ、液体窒素により低温に保持される、ことを特徴とす
る請求項１乃至１２のいずれか一に記載の送電システ
ム。
【請求項１４】超伝導ケーブルを用いて直流送電する送
電システムの変換装置であって、交流を直流に変換して電流リードを介して前記超伝導ケ
ーブルに出力する手段を備えている、ことを特徴とする
変換装置。
【請求項１５】超伝導ケーブルを用いて直流送電する送
電システムの変換装置であって、前記超伝導ケーブルからの直流を電流リードを介して受
け取り前記直流を交流に変換して出力する手段を備えて
いる、ことを特徴とする変換装置。
【請求項１６】前記超伝導ケーブルの導体が高温超伝導
部材よりなる、ことを特徴とする請求項１４又は１５記
載の変換装置。