JP2008113535A - Power transmission system and operation method therefor - Google Patents
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Description
本発明は、送電システムとその運転方法に関するものである。特に、発電機から変圧器までの送電路に超電導ケーブルを用いた送電システムに関するものである。 The present invention relates to a power transmission system and an operation method thereof. In particular, the present invention relates to a power transmission system using a superconducting cable in a power transmission path from a generator to a transformer.
発電所から送電網までの送電システムの一例として、水力発電所の発電機から送電を行うシステムがある。このシステムの概略構成を図5に示す。水力発電所は山間部に設置されることが多く、山中Gを掘削して形成した所定の空間に発電機300を設置している。この発電機300は、水流Wによりタービンを回転することで発電する。この発電機300の出力は、常電導ケーブル150を介して変圧器400に送電される。発電機300の出力電圧は、20kV程度であるため、この電圧を変圧器400で所定の電圧(例えば275〜500kV)に昇圧する。昇圧された電気は、地中の端末500を介して電力ケーブル610を通り、地上の開閉所700にて端末710に引き出される。そして、端末710から架空送電線800などの送電網へと送電される。
As an example of a power transmission system from a power plant to a power grid, there is a system that transmits power from a generator of a hydroelectric power plant. A schematic configuration of this system is shown in FIG. Hydroelectric power plants are often installed in mountainous areas, and the
一方、超電導ケーブルの開発が進められている。この超電導ケーブルは、送電時の損失が極めて小さい送電システムとして利用されることが期待されている(例えば特許文献1)。 Meanwhile, superconducting cables are being developed. This superconducting cable is expected to be used as a power transmission system with extremely small loss during power transmission (for example, Patent Document 1).
しかし、上記の常電導ケーブルを用いた送電システムでは次のような問題があった。 However, the power transmission system using the normal conducting cable has the following problems.
(1)送電に伴う損失が非常に大きい。
発電機の発電電圧は20kV程度であり、その電圧で送電される際の電流は、例えば10kA程度と非常に大きくなる。そのため、発電機から変圧器までの間の送電路には大容量の常電導ケーブルが必要となる。具体的には、大断面の導体で構成されるケーブルやブスバーを1相当たり1条或いは多条で送電路としている。このケーブルは、極めて発熱量が大きいため、冷却が必要である。例えば、ケーブルの中心部にパイプを配置し、このパイプに冷却システム160(図5)で冷却水を循環して導体を強制冷却する。つまり、図5のシステムでは、発電された電力の一部が常電導ケーブルの発熱により熱エネルギーに変換されて損失が生じるだけでなく、その発生熱を冷却するためにさらにエネルギーを必要とするというエネルギー効率の低い送電システムとなっている。
(1) The loss associated with power transmission is very large.
The power generation voltage of the generator is about 20 kV, and the current when power is transmitted at that voltage is very large, for example, about 10 kA. Therefore, a large-capacity normal conductive cable is required in the power transmission path from the generator to the transformer. Specifically, a cable or a bus bar composed of a conductor having a large cross section is used as a transmission line with one or more lines per phase. Since this cable has an extremely large amount of heat generation, it needs to be cooled. For example, a pipe is disposed at the center of the cable, and cooling water is circulated through the pipe by the cooling system 160 (FIG. 5) to forcibly cool the conductor. That is, in the system of FIG. 5, a part of the generated electric power is not only converted into heat energy due to the heat generated by the normal conducting cable but also lost, and further energy is required to cool the generated heat. It is a power transmission system with low energy efficiency.
(2)送電路の布設ルートや変圧器の設置箇所の選択自由度が小さい。
前述したように、発電機から変圧器までの間の常電導ケーブルは、非常に発熱量が大きい。そのため、各相のケーブル同士を近接して配置することは、各ケーブルの温度上昇をさらに高めるため望ましくない。その結果、各相のケーブルは互いにある程度離隔した位置に布設されている場合が多く、ケーブルの布設ルートの選択自由度が小さい。また、このケーブルは、その発熱量の大きさから、長くなればなるほど損失が大きくなり、かつ送電ルートの確保も難しくなるため、極力短くすることが求められる。そのため、発電機から大きく離れた位置に変圧器を設置することが事実上困難である。特に、揚水発電所では山中を掘削して地中の所定の空間に発電機を設置することが多く、変圧器を発電機の近傍に設置しようとすれば、やはり地中の掘削空間に設けるしかない。その結果、変圧器の設置箇所の選択自由度も小さい。さらに、地中に空間を形成して、その空間に変圧器を設置するには、一連の工事が煩雑な上、施工コストもかさむことになる。
(2) The degree of freedom in selecting the installation route of the transmission path and the installation location of the transformer is small.
As described above, the normal conducting cable between the generator and the transformer has a very large calorific value. Therefore, it is not desirable to arrange the cables of each phase close to each other because the temperature rise of each cable is further increased. As a result, the cables of each phase are often laid at positions spaced apart to some extent, and the degree of freedom in selecting the cable laying route is small. In addition, this cable is required to be as short as possible because the longer the cable, the greater the loss, and the more difficult it is to secure a power transmission route. Therefore, it is practically difficult to install the transformer at a position far away from the generator. In particular, a pumped storage power plant often excavates in the mountains and installs a generator in a predetermined space in the ground. If a transformer is to be installed in the vicinity of the generator, it must be installed in the underground excavation space. Absent. As a result, the degree of freedom in selecting the installation location of the transformer is small. Furthermore, in order to form a space in the ground and install a transformer in the space, a series of construction work is complicated and the construction cost is increased.
一方、超電導ケーブルが極めて損失の小さい送電路として利用されることが期待されているものの、具体的に送電システムのどの箇所に超電導ケーブルを用いれば、送電システムの効率化が実現できるかは明確にされていない。特に、既存の常電導の送電路を超電導ケーブルに置き換えることを考えた場合、一度に送電路の全長に亘って置き換えを行うことは非現実的であるから、部分的な置き換えを考えることになる。その場合、送電路のどの箇所における常電導ケーブルを超電導ケーブルに置き換えればよいかについて、明確な提案がなされていない。 On the other hand, although superconducting cables are expected to be used as a transmission path with extremely low loss, it is clearly clear where the superconducting cables can be used to achieve more efficient transmission systems. It has not been. In particular, when considering replacing the existing normal transmission path with a superconducting cable, it is impractical to replace the entire length of the transmission path at once, so partial replacement will be considered. . In that case, no clear proposal has been made as to which part of the transmission line the normal conducting cable should be replaced with a superconducting cable.
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、発電機から送電網を介して送電を行う送電システムにおいて、より損失が少ない送電システムとその運転方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and one of its purposes is to provide a power transmission system with less loss and a method of operating the power transmission system in which power is transmitted from a generator through a power transmission network. It is in.
また、本発明の他の目的は、発電機から変圧器を介して送電を行う送電システムにおいて、変圧器の設置箇所の自由度を高めることができる送電システムとその運転方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a power transmission system capable of increasing the degree of freedom of the location where the transformer is installed and a method for operating the power transmission system in which power is transmitted from the generator via the transformer. .
本発明送電システムは、発電機の出力を変圧器を介して送電網へ送電する送電システムである。このシステムにおいて、発電機と変圧器との間の送電路として超電導ケーブルを用いる。そして、その超電導ケーブルは、コアが複数ある一条の多心コアケーブル、コアが複数ある複数条の多心コアケーブルまたは複数条の単心コアケーブルであることを特徴とする。 The power transmission system of the present invention is a power transmission system that transmits the output of a generator to a power transmission network via a transformer. In this system, a superconducting cable is used as a power transmission path between the generator and the transformer. The superconducting cable is a single-core multi-core cable having a plurality of cores, a multi-core cable having a plurality of cores, or a single-core cable having a plurality of cores.
本発明では、常電導ケーブルを用いた従来システムで、特に発熱の大きかった発電機と変圧器との送電路に、超電導ケーブルを用いることで、この送電路における損失を大幅に低減することができる。それに伴い、送電システム全体としての損失低減を効果的に実現することができる。 In the present invention, the loss in the transmission line can be greatly reduced by using the superconducting cable in the transmission line between the generator and the transformer, which has generated a large amount of heat, in the conventional system using the normal conduction cable. . Accordingly, it is possible to effectively reduce the loss of the entire power transmission system.
また、超電導ケーブルは、それ自体発熱による損失が実質的にないため、長尺の送電路として利用することができる。そのため、発電機から離れた箇所に変圧器を設置することができ、変圧器の設置箇所の選択自由度を高めることができる。 Moreover, since the superconducting cable itself has substantially no loss due to heat generation, it can be used as a long power transmission path. Therefore, a transformer can be installed in a location away from the generator, and the degree of freedom in selecting the installation location of the transformer can be increased.
さらに、超電導ケーブルをコアが複数ある一条の多心コアケーブルとすれば、例えば1相当たり1コアを割り当てることで、1条のケーブルで多相の送電を行うことができる。一方、超電導ケーブルを、コアが複数ある複数条の多心コアケーブルまたは複数条の単心コアケーブルとすれば、例えば1相当たり1条のケーブルを割り当てても、そもそも超電導ケーブル自体が発熱しないため、各条のケーブルを互いに近接して布設することができる。そのため、いずれの構成の超電導ケーブルを用いた場合であっても、複数相で送電を行う場合に、各相の送電路を一定距離以上離して布設する必要がなく、ケーブル布設ルートの選択自由度を高めることができる。 Further, if the superconducting cable is a single-core multi-core cable having a plurality of cores, for example, by assigning one core per phase, it is possible to perform multi-phase power transmission with a single cable. On the other hand, if the superconducting cable is a multi-core cable having a plurality of cores or a single-core cable having a plurality of cores, for example, even if one cable is assigned per phase, the superconducting cable itself does not generate heat in the first place. The cables of each strip can be laid close to each other. Therefore, even when using superconducting cables of any configuration, when transmitting power in multiple phases, there is no need to lay out the transmission paths of each phase more than a certain distance, and the cable routing route can be selected freely. Can be increased.
本発明システムの一形態としては、発電機が水力発電所の発電機であることが好適である。 As one form of this invention system, it is suitable that a generator is a generator of a hydroelectric power station.
水力発電所の発電機は、立地上の制約が大きく、山間部の、それも地中に設置されることが多い。その発電機につながる送電路を超電導ケーブルとすれば、変圧器を発電機から離れた箇所に設置することができ、本発明システムの具体的な適用対象として好ましい。特に、本発明システムで用いる発電機は、立地上の制約が大きい揚水発電所の発電機である場合に好適である。 Hydroelectric power station generators are very limited in terms of location, and are often installed in mountainous areas. If the power transmission path connected to the generator is a superconducting cable, the transformer can be installed at a location away from the generator, which is preferable as a specific application target of the system of the present invention. In particular, the generator used in the system of the present invention is suitable when it is a generator of a pumped storage power plant with great restrictions on location.
本発明システムの一形態としては、発電機と送電網の間に開閉所が設けられ、前記変圧器が開閉所に設置されていることが望ましい。 As one form of the system of the present invention, it is desirable that a switching station is provided between the generator and the power transmission network, and the transformer is installed in the switching station.
通常、送電システムでは、発電機から送電網までの間に開閉所が設けられている。この開閉所は、地上の屋外あるいは屋内に設置されること多い。ここで、発電機につながる送電路を超電導ケーブルとすれば、その送電路を長尺にすることができる。そのため、変圧器を発電機から離れた位置、つまり開閉所に設置することができる。その結果、地中に変圧器の設置空間を建設する必要がなく、従来システムでは必要であった地中の端末の設置空間も設ける必要がない。 Normally, in a power transmission system, a switching station is provided between a generator and a power grid. This switch is often installed outdoors or indoors on the ground. If the power transmission path connected to the generator is a superconducting cable, the power transmission path can be made long. Therefore, the transformer can be installed at a position away from the generator, that is, at the switch station. As a result, it is not necessary to construct an installation space for the transformer in the ground, and it is not necessary to provide an installation space for the underground terminal, which is necessary in the conventional system.
その他、本発明システムの一形態としては、超電導ケーブルを、コアが複数ある複数条の多心コアケーブルまたは複数条の単心コアケーブルとし、この超電導ケーブルの冷媒を冷却する冷却機構と、冷媒を超電導ケーブルに循環させる循環機構の各々が、各条のケーブル毎に設けられていることが望ましい。 As another form of the system of the present invention, the superconducting cable is a multi-core multi-core cable having a plurality of cores or a multi-core single-core cable, a cooling mechanism for cooling the refrigerant of the superconducting cable, and a refrigerant. It is desirable that each circulation mechanism that circulates in the superconducting cable is provided for each cable of each strip.
各条のケーブル毎に冷却機構と循環機構が設けられていれば、全ての冷却機構と循環機構を運転して送電を行ったり、一部の冷却機構と循環機構を運転して送電を行ったりすることができ、送電パターンの選択肢を広げることができる。例えば、3条のケーブルのうち、1条のケーブルで障害が発生した場合、各条に対応している合計3セットの冷却機構と循環機構を用いて残る2条のケーブルに冷媒を循環させることができる。その場合、本来は3条のケーブルを冷却するための3セットの冷却機構と循環機構を2条のケーブルの冷却に利用するのであるから、十分な冷媒冷却能を発揮することができる。それに伴い、超電導ケーブルの冷却温度を変え、送電容量を可変とすることができる。 If a cooling mechanism and a circulation mechanism are provided for each cable of each strip, all cooling mechanisms and circulation mechanisms are operated to transmit power, or some cooling mechanisms and circulation mechanisms are operated to transmit power. Can widen the choice of power transmission patterns. For example, when a failure occurs in one of the three cables, the refrigerant is circulated through the remaining two cables using a total of three sets of cooling mechanisms and circulation mechanisms corresponding to each of the cables. Can do. In that case, since the three sets of cooling mechanisms and the circulation mechanism for cooling the three-wire cable are used for cooling the two-wire cable, sufficient cooling capacity of the refrigerant can be exhibited. Accordingly, the cooling temperature of the superconducting cable can be changed to change the power transmission capacity.
一方、本発明送電システムの運転方法は、発電機の出力を変圧器を介して送電網へ送電する運転方法である。この運転方法において、発電機と変圧器との間の送電路として超電導ケーブルを用いる。その超電導ケーブルは、コアが複数ある一条の多心コアケーブル、コアが複数ある複数条の多心コアケーブルまたは複数条の単心コアケーブルとする。そして、超電導ケーブルの冷却温度を変えることで送電容量を可変とすることを特徴とする。 On the other hand, the operation method of the power transmission system of the present invention is an operation method of transmitting the output of the generator to the power transmission network via a transformer. In this operation method, a superconducting cable is used as a power transmission path between the generator and the transformer. The superconducting cable is a single multi-core cable having a plurality of cores, a multi-core cable having a plurality of cores, or a single-core cable having a plurality of cores. And the power transmission capacity is made variable by changing the cooling temperature of the superconducting cable.
超電導ケーブルに用いられる超電導導体は、冷却温度を低くするほど臨界電流値を高めることができる。そのため、冷媒が液体状態を保持する温度域において、冷媒温度を変えることで、超電導ケーブルの冷却温度を変えることができ、それに伴って送電容量を増減することができる。特に、冷媒温度を下げることで、送電路の増設を行うことなく、より高い容量での送電が可能になる。 The superconducting conductor used for the superconducting cable can increase the critical current value as the cooling temperature is lowered. Therefore, by changing the refrigerant temperature in the temperature range where the refrigerant maintains a liquid state, the cooling temperature of the superconducting cable can be changed, and the transmission capacity can be increased or decreased accordingly. In particular, by lowering the refrigerant temperature, it is possible to transmit power with a higher capacity without adding a transmission path.
本発明送電システムによれば、従来の常電導ケーブルによる送電では損失の大きかった発電機から変圧器までの送電路における損失を大幅に低減すると共に、変圧器の設置箇所の自由度を高めることができる。 According to the power transmission system of the present invention, it is possible to greatly reduce the loss in the transmission path from the generator to the transformer, which was large in loss in the conventional power transmission using the normal conductive cable, and to increase the degree of freedom of the installation location of the transformer. it can.
本発明送電システムの運転方法によれば、新たな送電路を増設することなく、発電機から変圧器までの送電路における送電容量の調整を行うことができる。 According to the operation method of the power transmission system of the present invention, the power transmission capacity in the power transmission path from the generator to the transformer can be adjusted without adding a new power transmission path.
以下、本発明の構成要素をより詳しく説明する。 Hereinafter, the components of the present invention will be described in more detail.
<発電機>
発電機は、代表的には発電所に設置される発電機とする。発電所の発電方式には、水力(揚水発電も含む)、火力、原子力などがあるが、発電機の出力を変圧器で昇圧して送電網に送電している点で、発電機から送電網までの送電システムは基本的に共通している。そのため、揚水発電所の発電機のみならず、他方式の発電所の発電機からの送電システムとしても本発明を適用することができる。
<Generator>
The generator is typically a generator installed in a power plant. There are hydropower (including pumped-storage power generation), thermal power, nuclear power, etc., but the power generation system boosts the output of the generator with a transformer and transmits it to the power grid. The transmission system up to is basically the same. Therefore, the present invention can be applied not only to a generator of a pumped storage power plant but also to a power transmission system from a power generator of another type of power plant.
<変圧器>
この変圧器は、発電機の出力を送電網での送電に適した所定の電圧に昇圧する。例えば、昇圧後の電圧としては、275kVや500kVが挙げられる。
<Transformer>
This transformer boosts the output of the generator to a predetermined voltage suitable for power transmission through the power grid. For example, the boosted voltage includes 275 kV and 500 kV.
変圧器の設置箇所は、特に限定されない。発電機の近接した位置で設置できるのであれば、短い超電導ケーブルを用いて、そのような位置に設置すればよい。逆に、発電機から離れた位置に設置した方が設置箇所の構築コストなどの点で好ましいのであれば、長い超電導ケーブルを用いて、発電機から離れた位置に設置すればよい。特に、地中ではなく、地上に変圧器を設置する方が、変圧器の設置工事やメンテナンスなどの点で好ましい。 The installation location of the transformer is not particularly limited. If it can be installed at a position close to the generator, it can be installed at such a position using a short superconducting cable. On the contrary, if it is preferable to install at a position away from the generator in terms of the construction cost of the installation location, it may be installed at a position away from the generator using a long superconducting cable. In particular, it is preferable to install the transformer on the ground rather than in the ground in terms of transformer installation work and maintenance.
<超電導ケーブル>
超電導ケーブルは、発電機と変圧器との間をつなぐ送電路を構成する。代表的には、コアを断熱管内に収納した構造のケーブルが利用される。この明細書において、コアの本数を数える場合には「心」を単位とし、超電導ケーブルの本数を数える場合には「条」を単位とする。
<Superconducting cable>
The superconducting cable constitutes a power transmission path that connects between the generator and the transformer. Typically, a cable having a structure in which a core is housed in a heat insulating tube is used. In this specification, “core” is the unit when counting the number of cores, and “strip” is the unit when counting the number of superconducting cables.
コアは、通常、中心から順に、フォーマ、超電導導体層、絶縁層、超電導シールド層(外部導体層)、保護層を備える。フォーマには、常電導材料からなる撚り線、パイプ材などが利用される。超電導導体層には、超電導線材を多層に巻回したものが利用できる。超電導線材は、超電導体からなるフィラメントが安定化材中に配されたものや、基材テープ上に超電導体の薄膜を形成したものが利用できる。特に、超電導体としては、液体窒素温度で超電導状態となる酸化物超電導体が好適に利用できる。絶縁層は、クラフト紙を巻回することで構成できる他、プラスチックフィルムと絶縁紙とをラミネートした複合紙を巻回することで構成できる。特に、ポリプロピレンフィルムとクラフト紙とをラミネートしたPPLP(登録商標)が絶縁層に好適に利用できる。保護層には、布テープなどが利用できる。 The core usually includes a former, a superconducting conductor layer, an insulating layer, a superconducting shield layer (external conductor layer), and a protective layer in order from the center. For the former, a stranded wire made of a normal conductive material, a pipe material or the like is used. As the superconducting conductor layer, a superconducting wire wound in multiple layers can be used. As the superconducting wire, a superconducting filament in which a filament made of a superconductor is arranged in a stabilizing material or a superconductor thin film formed on a base tape can be used. In particular, as a superconductor, an oxide superconductor that is in a superconducting state at a liquid nitrogen temperature can be suitably used. The insulating layer can be formed by winding kraft paper, or can be formed by winding composite paper obtained by laminating a plastic film and insulating paper. In particular, PPLP (registered trademark) obtained by laminating polypropylene film and kraft paper can be suitably used for the insulating layer. A cloth tape or the like can be used for the protective layer.
一方、断熱管は、内管と外管とを有する二重管で、両管の間を真空とした真空断熱管が好適に利用できる。通常、両間の間にはスーパーインシュレーションなどの断熱材が配される。そして、外管の上にはプラスチック製の防食層が形成されることが多い。 On the other hand, the heat insulating tube is a double tube having an inner tube and an outer tube, and a vacuum heat insulating tube having a vacuum between the two tubes can be suitably used. Usually, a heat insulating material such as super insulation is arranged between the two. A plastic anticorrosion layer is often formed on the outer tube.
このような超電導ケーブルは、冷媒により冷却されて導体層やシールド層の超電導状態が維持される。冷媒には、液体ヘリウムや液体窒素が利用できるが、より沸点の高い液体窒素が好適に利用できる。この液体窒素は、万一冷媒の漏洩などでガス化することがあっても可燃性ではなく、発電所での利用に向いている。 Such a superconducting cable is cooled by the refrigerant and the superconducting state of the conductor layer and the shield layer is maintained. As the refrigerant, liquid helium or liquid nitrogen can be used, but liquid nitrogen having a higher boiling point can be preferably used. This liquid nitrogen is not flammable even if it is gasified due to leakage of refrigerant, etc., and is suitable for use in power plants.
冷媒の流路は、断熱管とコアとの間に形成される空間、コアと共に断熱管内に収納される冷媒用管路、断熱管の外側に配される冷媒用管路などが利用できる。また、パイプ状のフォーマを用いた場合は、そのフォーマの内部も冷媒流路とできる。 As the refrigerant flow path, a space formed between the heat insulating pipe and the core, a refrigerant pipe accommodated in the heat insulating pipe together with the core, a refrigerant pipe arranged outside the heat insulating pipe, and the like can be used. When a pipe-shaped former is used, the interior of the former can also be used as a refrigerant flow path.
このようなコアと断熱管とを有する超電導ケーブルを本発明システムに用いる場合、コアの心数とケーブルの条数は次のような組み合わせが好適である。 When a superconducting cable having such a core and a heat insulating tube is used in the system of the present invention, the following combinations of the number of cores and the number of cables are preferable.
(1)断熱管内に複数のコアが収納された多心コアケーブル
このケーブルは、複数心のコアが共通する断熱管に収納されているため、断熱構造を各コア同士で共用できる。代表的には、3本のコアを撚り合せた状態で断熱管内に収納したケーブルが挙げられる。コアが撚り合わせ構造となっていることで、予め撚りに所定のたるみを設けておけば、超電導ケーブルの冷却時におけるコアの収縮を吸収して、各コアに過大な張力が作用することを回避できる。このような多心コアケーブルであれば、一つのコアに各相の出力を割り当てることで、1条のケーブルで三相送電を行うことができる。また、この多心コアケーブルを3条用い、各条に1相を割り当てて三相送電することももちろん可能である。その場合、各条のケーブルは、超電導ケーブルであるため、本来送電による発熱を伴わない上、各ケーブルのコア同士が断熱管で隔てられているため、複数条のケーブルを近接して布設しても各条のケーブルは互いに熱的影響を及ぼし合うことがなく、近接して布設することができる。
(1) A multi-core cable in which a plurality of cores are housed in a heat insulation pipe Since this cable is housed in a heat insulation pipe having a plurality of cores in common, the heat insulation structure can be shared by the cores. Typically, a cable housed in a heat insulating tube in a state where three cores are twisted together is mentioned. Because the core has a twisted structure, if a predetermined slack is provided in advance in the twist, the core contraction is absorbed during cooling of the superconducting cable, and excessive tension acts on each core. it can. With such a multi-core cable, three-phase power transmission can be performed with a single cable by assigning the output of each phase to one core. Of course, it is also possible to transmit three-phase power by using three multi-core cables and assigning one phase to each. In that case, since each cable is a superconducting cable, it does not inherently generate heat due to power transmission, and the cores of each cable are separated by a heat insulating tube. However, the cables in each strip do not have a thermal effect on each other and can be laid close together.
(2)断熱管内に単一のコアが収納された単心コアケーブル
このケーブルは、断熱管内に1本のコアしか持たないため、多相にて送電を行うには、複数条用いる必要がある。ただし、単心コアケーブルは、複数条のケーブルを近接して布設しても各条のケーブルは互いに熱的影響を及ぼし合うことがなく、何ら問題ない。
(2) Single-core cable with a single core housed in a heat insulation tube This cable has only one core in the heat insulation tube, so it is necessary to use multiple lines to transmit power in multiple phases . However, the single-core cable has no problem even if a plurality of cables are laid close to each other so that the cables of each cable do not affect each other thermally.
<送電網>
送電網は、変圧器で昇圧後の出力を送電するための送電路である。一般に鉄塔に架設される架空送電線や、地中の洞道内に布設される電力ケーブルが送電網に利用される。送電網で送電される出力は、さらに変電所、配電網を経て需要家に供給される。
<Power grid>
The power transmission network is a power transmission path for transmitting the boosted output by the transformer. In general, an aerial transmission line installed on a steel tower or a power cable installed in a tunnel in the ground is used for the transmission network. The output transmitted through the power transmission network is further supplied to consumers via a substation and a distribution network.
<冷却機構と循環機構>
冷却機構は、超電導ケーブルの導体(シールド層)を冷却するための冷媒を冷却する。通常、冷却機構には、冷凍機が用いられる。
<Cooling mechanism and circulation mechanism>
The cooling mechanism cools the refrigerant for cooling the conductor (shield layer) of the superconducting cable. Usually, a refrigerator is used for the cooling mechanism.
循環機構は、冷却された冷媒を超電導ケーブルの冷媒流路に循環させる。通常、循環機構にはポンプが用いられる。 The circulation mechanism circulates the cooled refrigerant through the refrigerant flow path of the superconducting cable. Usually, a pump is used for the circulation mechanism.
超電導ケーブルが多条である場合、冷却機構と循環機構は、それぞれ超電導ケーブルの条数に対応した数だけ設けることが好ましい。そして、各条の冷媒流路がバルブなどの切替機構を介して互いに連通可能に構成されていることが望ましい。 When there are multiple superconducting cables, it is preferable to provide cooling mechanisms and circulation mechanisms corresponding to the number of superconducting cables. And it is desirable for the refrigerant | coolant flow path of each stripe | line to be mutually communicable via switching mechanisms, such as a valve | bulb.
事故時の対応を考えて発電機と変圧器の送電路が複数回線で構成されている場合、事故ケーブルへの冷媒の供給を遮断し、残された健全ケーブルにのみ冷媒が供給されるように冷媒流路の切り替えを行う。その際、全ての冷却機構と循環機構を用いれば、高い冷却能を利用して健全ケーブルに供給する冷媒の冷却を行うことができる。 If the power transmission path between the generator and transformer is composed of multiple lines in consideration of the accident, the supply of refrigerant to the accident cable is cut off, and the refrigerant is supplied only to the remaining healthy cable. The refrigerant flow path is switched. At that time, if all the cooling mechanisms and the circulation mechanism are used, the refrigerant supplied to the sound cable can be cooled by using a high cooling capacity.
特に、冷媒(液体窒素の場合、大気圧において、沸点:約77k、融点:約63k)が液体を維持する温度域において、冷媒温度を変えれば、超電導体は臨界電流が変化する。つまり、冷媒温度を下げれば臨界電流が高くなり、冷媒温度を上げれば臨界電流が低くなる。そのため、一部のケーブルに障害が発生しても、冷媒温度を調整することにより、残った健全ケーブルだけでも全てのケーブルが健全な場合と同等の容量で送電を行うことも期待できる。ただし、冷却手段の設定温度を変えても、実際に冷媒がその設定温度となるまでにはある程度の時間が必要なため、冷媒の定常運転温度は、その沸点より低く、また融点よりも高くなるように余裕をみて設定することが好ましい。 In particular, if the refrigerant temperature is changed in the temperature range where the refrigerant (boiling point: about 77k, melting point: about 63k at atmospheric pressure in the case of liquid nitrogen) maintains the liquid, the critical current of the superconductor changes. That is, if the refrigerant temperature is lowered, the critical current becomes higher, and if the refrigerant temperature is raised, the critical current becomes lower. For this reason, even if a failure occurs in some cables, it can be expected that by adjusting the refrigerant temperature, power can be transmitted with the same capacity as when all the cables are healthy even with the remaining healthy cables alone. However, even if the set temperature of the cooling means is changed, a certain amount of time is required until the refrigerant actually reaches the set temperature, so the steady operation temperature of the refrigerant is lower than its boiling point and higher than its melting point. It is preferable to set with a margin.
このように、超電導ケーブルの運転には、冷凍機やポンプを駆動するエネルギーが必要になるが、この冷却は超電導体を超電導状態に維持するために行うものである。常電導ケーブルを用い、冷却水を循環させて導体を冷却する従来の送電システムでは、負荷に伴って導体の温度が大きく変化するため、冷却温度の制御も複雑で難しい。それに対して、超電導ケーブルを用いた送電システムでは、運転時の冷媒の温度変化は負荷の影響が小さく、その温度変化は非常に小さいため、冷媒の冷却制御が容易に行える。また、超電導ケーブルを用いた送電システムでは、ケーブルの発熱による損失が極めて小さいため、冷媒を冷却するエネルギーを考慮しても、常電導ケーブルを用いた従来の送電システムに比べれば、大幅にエネルギー効率の高い送電システムを構築できる。 As described above, the operation of the superconducting cable requires energy for driving the refrigerator and the pump. This cooling is performed in order to maintain the superconductor in the superconducting state. In a conventional power transmission system that uses a normal conducting cable and circulates cooling water to cool a conductor, the temperature of the conductor changes greatly with the load, and therefore the control of the cooling temperature is complicated and difficult. On the other hand, in a power transmission system using a superconducting cable, the temperature change of the refrigerant during operation is less affected by the load, and the temperature change is very small, so that the cooling control of the refrigerant can be easily performed. In addition, power transmission systems using superconducting cables have very little loss due to heat generated by the cables, so even if energy for cooling the refrigerant is taken into account, energy efficiency is significantly higher than that of conventional power transmission systems using normal conductive cables. High power transmission system.
<その他の構成>
その他の本発明システムに利用できる構成要素としては、遮断器が挙げられる。この遮断器は、事故時などに送電を遮断するもので、例えば、発電機と超電導ケーブルの間や、超電導ケーブルの一方の端末(変圧器と反対側の端末)と送電網との間などに設置される。
<Other configurations>
Another component that can be used in the system of the present invention is a circuit breaker. This circuit breaker interrupts power transmission in the event of an accident, for example, between a generator and a superconducting cable or between one terminal of the superconducting cable (terminal opposite to the transformer) and the power grid. Installed.
以下、図1に基づいて本発明送電システムを説明する。 Hereinafter, the power transmission system of the present invention will be described with reference to FIG.
ここでは、揚水発電所における発電機300から送電網(架空送電線)800への送電システムを説明する。揚水発電所では、図示しない別の発電所における夜間電力を利用して、下池の貯留水を上池に汲み上げておき、汲み上げた水を利用して、電力需要の多い昼間に発電を行う。本発明システムは、発電機300、超電導ケーブル100、変圧器400、送電網800を主な構成要件として備える。
Here, a power transmission system from the
この発電所は山間部に建設されており、発電機300は山中Gを掘削して設けた地中の所定の空間に設置されている。発電機300は、上池の水を下池に放流する際に生じる水流Wでタービンを回転させ、発電を行う。この発電機300の出力電圧は、20kV程度である。この発電機300は、タービンを発電時と逆回転させることで、揚水にも利用する。
This power plant is constructed in a mountainous area, and the
発電機300の出力は、超電導ケーブル100を介して変圧器400に送られる。ここでの超電導ケーブル100には、3心一括型ケーブルを用いた。このケーブルは、図2に示すように、断熱管20内に3心のコア10が撚り合せた状態で収納された構造である。
The output of the
各コア10は、中心から順にフォーマ11、超電導導体層12、絶縁層13、超電導シールド層14、保護層15とを備える。フォーマ11には銅撚り線が用いられる。超電導導体層12および超電導シールド層14は、Bi2223酸化物超電導相を持つ超電導線材を多層に巻回して構成される。絶縁層13はPPLPを巻回して構成される。保護層15には布テープが用いられる。
Each
このようなコア10は、冷却時の収縮分を吸収できるように、予め撚りに所定のたるみを持たせて撚り合わされている。
The
一方、断熱管20はステンレスコルゲート管からなる内外管21,22の二重管と、両間21,22の間に形成される真空断熱層とを備える。真空断熱層内には、スーパーインシュレーション(図示略)が配置されている。さらに、外管22の上にはポリ塩化ビニル製の防食層23が形成されている。
On the other hand, the
この超電導ケーブル100は、図示しない冷凍機とポンプを利用して、断熱管内に冷媒となる液体窒素が循環される。具体的には、断熱内管とコアとの間に形成される空間が冷媒流路として利用される。
In the
超電導ケーブル100で送電された電力は、変圧器400に導入され、所定の電圧に昇圧される。ここでは、275kVに昇圧して送電する(図1)。昇圧された電力は、変圧器400に接続して設置される端末500を介して地中送電線600に供給される。
The electric power transmitted through the
この地中送電線600には、OFケーブルやCVケーブル、或いはブスバーなどが好適に利用される。地中送電線600の端末500とは反対側の端部は開閉所700にて地上に露出され、そこに端末710が形成される。
For the
開閉所700では、送電網への送電・遮断の切替を行う。端末710からは送電網を構成する架空送電線800により電力供給が行われる。
In the switching
このようなシステムにおいて、発電機300から変圧器400までの間の送電路に超電導ケーブル100を用いることで、比較的低い電圧であっても、この送電路における発熱による損失を実質的に無視できるレベルに低減できるため、効率的な送電システムを構築できる。
In such a system, by using the
例えば、10kA級の送電容量の常電導ケーブルと超電導ケーブルにおける導体での発生損失を比較すると、超電導ケーブルの方が3桁小さい値となる。超電導ケーブルでは、冷媒を液体窒素温度にまで冷却するため、その冷却システムの運転に要するエネルギーを送電に伴う損失分と考えても、超電導ケーブルの方が送電に伴う消費エネルギーは2桁小さい。 For example, comparing the loss generated in a conductor in a normal conducting cable and a superconducting cable having a 10 kA class transmission capacity, the value of the superconducting cable is three orders of magnitude smaller. In the superconducting cable, since the refrigerant is cooled to the temperature of liquid nitrogen, the energy consumed by the superconducting cable is two orders of magnitude smaller even if the energy required for operating the cooling system is considered as a loss due to the power transmission.
また、図5に示す従来システムでは、三相送電を行う場合、1相当たり1条或いは多条の常電導ケーブル150が必要であるが、本発明システムでは、これらを1本の3心超電導ケーブルに集約したり、条数を減じることができる。
In the conventional system shown in FIG. 5, when conducting three-phase power transmission, one or more
なお、本例では、図5に示す従来のシステムの常電導ケーブル150を超電導ケーブルに置換した場合を想定している。この場合、既存設備の部分的更新であるため、変圧器は地中に設置された状態であるが、発電機と変圧器との間の送電路における損失は劇的に改善されることになる。
In this example, it is assumed that the
その他、本実施例の変形例としては、1条の3心一括超電導ケーブル100を単心の超電導ケーブル3条に置換したり、3条の3心一括超電導ケーブルに置換し、各条毎に各相を対応させて送電を行ってもよい。
In addition, as a modification of the present embodiment, the single three-
次に、変圧器も地上に設置した本発明実施例を図3に基づいて説明する。図3において、図1と同一符号は同一部材を示す。 Next, an embodiment of the present invention in which a transformer is also installed on the ground will be described with reference to FIG. 3, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same members.
本例の場合、主として揚水発電所を新設する場合を想定している。このシステムでは、発電機300が地中の所定位置に設けられている点は実施例1と同様であるが、変圧器400の一部または全部を地上の開閉所700にて露出させて、その開閉所700に端末710を形成して架空送電線800に送電を行っている。
In the case of this example, it is assumed that a pumped storage power plant will be newly established. In this system, the point that the
また、発電機300と変圧器400との間を実施例1よりは長尺の超電導ケーブル100で接続している。この超電導ケーブル100の構成自体は、実施例1と同様である。
Further, the
超電導ケーブル100は長くなっても実質的に抵抗をほとんど無視できるため、損失の増加は小さい。そのため、発電機300からの低い電圧の出力であっても、極めて低損失で長距離の送電を行うことができる。
Since the resistance of the
さらに、変圧器400を地中に設置する必要がないため、変圧器400を設置するための工事、或いは地中端末500を構築するための工事を実質的に省略することができ、極めて経済的な送電システムを構築することができる。
Furthermore, since there is no need to install the
次に、3条の超電導ケーブルを用いた実施例を図4に基づいて説明する。各条のケーブルは、図2に示した3心一括ケーブルであるため、その構成の説明は省略する。図4では、発電機と変圧器は省略し、超電導ケーブルとその循環冷却システムを示している。つまり、本例の送電システムは、図1または図2における超電導ケーブル100を3条の超電導ケーブルに置換し、それらの超電導ケーブルを図4の循環冷却システムで運転している。
Next, an embodiment using three superconducting cables will be described with reference to FIG. Since the cable of each strip is the three-core cable shown in FIG. 2, description of the configuration is omitted. In FIG. 4, the generator and the transformer are omitted, and the superconducting cable and its circulation cooling system are shown. That is, in the power transmission system of this example, the
この循環冷却システムは、冷媒を冷却する冷凍機211〜213、冷媒を循環させるポンプ221〜223、超電導ケーブル110〜130と冷凍機やポンプとをつなぐ冷媒配管および冷媒配管に設けられた複数のバルブ231〜233、241〜243、251〜253、261〜263から構成される。
This circulation cooling system includes
この循環冷却システムでは、冷凍機211〜213で冷却した冷媒をポンプ221〜223で送って超電導ケーブル110〜130に循環させ、超電導線材の冷却を行う。ここでは、回線数に対応した数の冷凍機211〜213およびポンプ221〜223を用いている。つまり、3台の冷凍機211〜213と3台のポンプ221〜223を用い、各々冷凍機とポンプを直列に配管で接続する。冷凍機から冷媒排出側に引き出される配管は、バルブ231〜233を介して各超電導ケーブル110〜130の一端側へと接続される。その際、冷凍機211とバルブ231との間、冷凍機212とバルブ232との間および冷凍機213とバルブ233との間の配管を相互に連結して各回線間の冷媒流路を連結し、その連結配管にバルブ251、252、253を設けている。一方、各超電導ケーブル110〜130の他端には冷媒排出用の配管が接続され、バルブ241〜243を介してから一旦1本に収束され、ケーブル一端側のポンプ側へと導かれる。ポンプ側へと導かれた1本の配管は3つに分岐され、バルブ261〜263を介して各ポンプ221〜223へと接続される。このように、冷凍機211〜213における冷媒排出側と、ポンプ221〜223への冷媒導入側とで冷媒流路を連結することで、いずれの冷凍機211〜213で冷却した冷媒も任意の回線の超電導ケーブル110〜130に送ることができる。
In this circulation cooling system, the refrigerant cooled by the
そして、本例では、冷媒として液体空気(大気圧において、沸点:約79K、融点:55K)を用い、各冷凍機211〜213は液体空気の融点まで冷却可能な能力を有するものとしている。
In this example, liquid air (boiling point: about 79K, melting point: 55K at atmospheric pressure) is used as the refrigerant, and each of the
ここでは、送電網に接続された負荷側の電力需要の変化に対応した運転方法を説明する。 Here, an operation method corresponding to a change in power demand on the load side connected to the power transmission network will be described.
図4の線路において、定常運転時は例えば冷媒温度を77K弱として全ての回線を運転しておく。この定常運転時、各回線の冷媒流路の連結配管に設けたバルブ251、252、253を閉じ、他のバルブ231〜233、241〜243、261〜263を全て開いて、冷凍機211〜213の各々で各回線の超電導ケーブル110〜130の冷媒を冷却する。負荷側で電力需要が増大する場合、冷凍機211〜213の設定温度を調整して冷媒温度を下げる。例えば、68K程度に冷却すれば、臨界電流は約1.5倍になる。通常、発電機から変圧器までの送電は一定電圧で行なっているため、電流容量を1.5倍に上げれば送電容量を1.5倍とすることができる。さらに、60K以下にまで冷却すれば、臨界電流は約2倍となるため、さらに大容量の送電を行なうことができる。
In the track of FIG. 4, at the time of steady operation, for example, all the lines are operated with the refrigerant temperature set at a little less than 77K. During this steady operation, the
つまり、この運転方法によれば、冷媒温度を下げることにより、定常運転時に比べて2倍程度の送電容量を容易に実現することができる。特に、ケーブルを増設することなく既存の超電導ケーブルをそのまま利用して送電できる電力容量を増大することができ、非常に有効である。 That is, according to this operation method, by reducing the refrigerant temperature, it is possible to easily realize a power transmission capacity that is about twice that in the steady operation. In particular, it is possible to increase the power capacity that can be transmitted by using an existing superconducting cable as it is without adding a cable, which is very effective.
また、電力需要が減少する場合には、冷媒温度を上げて超電導ケーブルの送電容量を下げることも可能である。その場合、上げられた冷媒温度において超電導状態を維持できる超電導線材を用いる必要があるが、超電導ケーブルの冷却コストを低減することができ、超電導ケーブルの運転に要する費用を削減することができる。 In addition, when the power demand decreases, it is possible to increase the refrigerant temperature and decrease the transmission capacity of the superconducting cable. In that case, it is necessary to use a superconducting wire that can maintain the superconducting state at the raised refrigerant temperature, but the cooling cost of the superconducting cable can be reduced, and the cost required for the operation of the superconducting cable can be reduced.
次に、一部の回線が事故で不通になった場合に、残る健全回線で送電を行う場合について説明する。図4に示す3回線のうち、1回線の超電導ケーブル130が事故で不通になり、残る2回線のみで送電が可能となったとする。その場合、不通となった回線の超電導ケーブル130は利用不能だが、循環冷却システムは全て健全で利用可能であるとする。
Next, the case where power is transmitted through the remaining sound line when some lines are disconnected due to an accident will be described. It is assumed that, among the three lines shown in FIG. 4, one
まず、事故前の定常運転時における各バルブの開閉状態は実施例3におけるバルブの開閉状態と同じである。 First, the open / close state of each valve during steady operation before the accident is the same as the open / close state of the valve in the third embodiment.
超電導ケーブル130が不通になれば、3台の冷凍機211〜213と3台のポンプ221〜223を用いて2回線の健全回線(超電導ケーブル110,120)に冷媒を供給し十分な冷却能力で冷媒をより低温に冷却する。その場合、事故回線の冷媒供給側バルブ233および同冷媒排出側バルブ243を閉じて事故回線を循環冷却システムから分離し、連結配管のバルブ251〜253を開け、全ポンプ221〜223を駆動して冷媒の循環を行なう。これにより、2回線の健全回線に導入された冷媒は3台の冷凍機211〜213と3台のポンプ221〜223を用いて冷却・循環されることになる。
If the
この方法によれば、3回線への冷媒供給が可能な循環冷却システムを用いて2回線に冷媒供給を行なうため、効率的に冷媒を冷却することができる。その結果、冷媒温度を事故前の温度よりも容易に低温にすることができ、健全回線の送電容量の増大を実現することができる。例えば、事故前に各回線の冷媒温度を77K弱で運転しておき、事故後に健全回線の冷媒温度を約68Kとすれば、1回線あたり事故前の約1.5倍の送電容量を確保できるため、2回線の健全回線で事故前の3回線に相当する容量を送電できる。それにより、信頼性の高い送電システムを構築できる。 According to this method, since the refrigerant is supplied to the two lines using the circulating cooling system capable of supplying the refrigerant to the three lines, the refrigerant can be efficiently cooled. As a result, the refrigerant temperature can be easily made lower than the temperature before the accident, and the transmission capacity of the sound line can be increased. For example, if the refrigerant temperature of each line is operated at less than 77K before the accident and the refrigerant temperature of the healthy line is about 68K after the accident, the transmission capacity can be secured about 1.5 times per line before the accident. The capacity equivalent to 3 lines before the accident can be transmitted with 2 healthy lines. Thereby, a highly reliable power transmission system can be constructed.
もちろん、各冷凍機として、1回線の冷媒を増容量運転温度(約68K)に冷却できる能力のものを用い、2台の冷凍機と2台のポンプで2回線の健全回線に冷媒を循環供給しても良い。その場合、事故回線の両端のバルブ233、243を閉じて事故回線を循環冷却システムから分離し、さらにポンプ223の冷媒導入側に位置するバルブ263も閉じて冷凍機213、ポンプ223を循環冷却システムから分離する。その状態で冷凍機211,212およびポンプ221,222を用いて超電導ケーブル110,120の冷媒を冷却・循環する。このとき、バルブ251を開放して、2回線の健全回線の冷媒配管を連通しても良い。
Of course, each refrigerator has the capacity to cool one line of refrigerant to an increased capacity operating temperature (about 68K), and circulates and supplies refrigerant to two healthy lines with two refrigerators and two pumps. You may do it. In that case, the
なお、以上に説明した各実施例は例示に過ぎず、本発明の範囲がこれら実施例に限定されるわけではない。例えば、上記実施例3の冷媒を液体窒素に置換してもよい。 In addition, each Example demonstrated above is only an illustration, and the range of this invention is not necessarily limited to these Examples. For example, the refrigerant of Example 3 may be replaced with liquid nitrogen.
本発明システムは、発電所における発電機から変圧器までの送電システムとして好適に利用することが期待される。 The system of the present invention is expected to be suitably used as a power transmission system from a generator to a transformer in a power plant.
100,110,120,130 超電導ケーブル
10 コア 11 フォーマ 12 超電導導体層 13 絶縁層
14 超電導シールド層 15 保護層
20 断熱管 21 内管 22 外管 23 防食層
150 常電導ケーブル 160 冷却システム
211〜213 冷凍機 221〜223 ポンプ
231〜233、241〜243、251,252,253、261〜263 バルブ
300 発電機 400 変圧器 500 端末 600 地中送電線
610 電力ケーブル 700 開閉所 710 端末 800 送電網(架空送電線)
w 水流 G 山中
100,110,120,130 Superconducting cable
10
14
20
150
211 to 213
231 to 233, 241 to 243, 251,252,253, 261 to 263 Valve
300
610
w Water current G Yamanaka
Claims (5)
発電機と変圧器との間の送電路として超電導ケーブルを用い、
その超電導ケーブルが、コアが複数ある一条の多心コアケーブル、コアが複数ある複数条の多心コアケーブルまたは複数条の単心コアケーブルであることを特徴とする送電システム。 A power transmission system for transmitting the output of a generator to a power grid via a transformer,
Using a superconducting cable as the transmission path between the generator and the transformer,
The superconducting cable is a single-core multi-core cable having a plurality of cores, a multi-core multi-core cable having a plurality of cores, or a multi-core single-core cable.
前記変圧器が開閉所に設置されていることを特徴とする請求項1に記載の送電システム。 There is a switching station between the generator and the grid,
The power transmission system according to claim 1, wherein the transformer is installed in a switching station.
この超電導ケーブルの冷媒を冷却する冷却機構と、冷媒を超電導ケーブルに循環させる循環機構の各々が、各条のケーブル毎に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の送電システム。 The superconducting cable is a multi-core multi-core cable having a plurality of cores or a multi-core single-core cable;
The power transmission system according to claim 1, wherein a cooling mechanism for cooling the refrigerant of the superconducting cable and a circulation mechanism for circulating the refrigerant through the superconducting cable are provided for each cable.
発電機と変圧器との間の送電路として超電導ケーブルを用い、
その超電導ケーブルが、コアが複数ある一条の多心コアケーブル、コアが複数ある複数条の多心コアケーブルまたは複数条の単心コアケーブルであり、
超電導ケーブルの冷却温度を変えることで送電容量を可変とすることを特徴とする送電システムの運転方法。 A method of operating a power transmission system that transmits the output of a generator to a power grid via a transformer,
Using a superconducting cable as the transmission path between the generator and the transformer,
The superconducting cable is a single multi-core cable having a plurality of cores, a multi-core cable having a plurality of cores, or a single-core cable having a plurality of cores.
A method for operating a power transmission system, wherein the power transmission capacity is variable by changing the cooling temperature of the superconducting cable.
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