JP2009504120A6 - Ｈｔｓ電力ケーブルの故障管理 - Google Patents

Abstract

公共電力回路網に配置された超伝導電気ケーブルに保護を提供するための方法及びシステムには、超伝導電気ケーブルの故障電流を検出する段階と、故障電流及び所定期間内における少なくとも１つ前の故障電流から超伝導電気ケーブルに散逸された全エネルギーの累積を決定する段階と、散逸された全エネルギーの累積に基づき、公共電力回路網から超伝導電気ケーブルを切り離すかどうか決定する段階とが含まれる。

Description

本出願は、ＨＴＳ電力ケーブルの故障管理に関する。
関連出願
３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）（１）に基づき、本出願は、２００５年７月２９日に出願した先の米国仮出願第６０／７０３，８５５号の恩典を主張するものである。

政府の権利
本発明は、契約第ＤＥ−ＦＣ３６−０３Ｇ０１３０３２号下において、米国政府の支援によりなされたものである。政府は、本発明に然るべき権利を有し得る。

公共回路網における問題、即ち、（回路網装置故障等の）“故障”は、電力が回路網全体にどのように配電されるかに影響を及ぼす。特に、故障は、電源からエネルギーを流出させ、回路網の他の領域全体への配電のための及び故障に起因する電圧“降下”からの回復のための残りのエネルギーを減少させる傾向がある。

公共回路網において故障が起こると、瞬間的な電圧低下が発生し、これによって、回路網の電圧が急激に低下したり電圧が不安定になったりすることがある。
一般的に、そのような故障は、極端に大きな負荷として出現し、公共回路網上に直ちに現れる。この負荷の出現に応じて、回路網は、負荷（即ち、故障）に大量の電流を供給しようとする。回路網の回路遮断器に関連する検出器回路は、直ちに（数ミリ秒以内に）過電流状態を検出する。検出器回路からの起動信号が、回路を開く保護継電器に送られる。一般的に、継電器の機械的な性質により、開くために３乃至６サイクル（即ち、最大１００ミリ秒）必要である。遮断器が開くと、故障が解消される。

高温超伝導体（ＨＴＳ）線を用いる電力ケーブルが、設置面積を相対的に小さくしたままで公共電力回路網の電力容量を大きくするために開発されつつある。利点の中でもとりわけ、ＨＴＳ電力ケーブルは、密集した古い市街地の地域においても設置が簡単である。また、そのようなＨＴＳケーブルによって、より大量の電力が、公共電力回路網の密集した領域に経済的に高い信頼度で供給され、また、輻輳を緩和する必要がある場所に正確に移送される。ＨＴＳ電力ケーブルは、ケーブルの芯に銅の代わりにＨＴＳ線を用いて電気の送電及び配電を行う。ＨＴＳケーブルをこのように設計すると、従来の回線やケーブルと比較して、インピーダンスが大幅に低下する。ＨＴＳ線を用いると、従来の交流（ＡＣ）ケーブルと比較して、電流搬送能力を３乃至５倍大きくすることができ、また、従来の直流（ＤＣ）ケーブルを介して流れる電力は、最大１０倍に増加できる。

ＨＴＳ電力ケーブルの故障電流に対する挙動は、従来の非超伝導ケーブルとは異なる。まず、低温誘電体ＨＴＳ電力ケーブルは、大規模な故障又は多数の通過故障中、冷却液が過冷状態のままでなければならないことが必要である。このことは、高電圧ケーブル芯と接地電位にあるシールドとの間の絶縁耐力を維持するために必要である。誘電体内に気泡が形成されると、絶縁の誘電体特性を低下させる恐れがある。第二に、ケーブルは、大規模な故障の後、ＨＴＳ導体を冷却して動作温度範囲に戻すのに充分な時間を確保するために、オフラインでなければならない。その結果、従来のケーブル故障保護方式は、ＨＴＳ電力ケーブル用途には適さない。

本発明の一般的な態様において、公共電力回路網に配置された超伝導電気ケーブルに保護を提供するための方法には、以下のステップが含まれる。故障電流が、超伝導電気ケーブルにおいて検出される。超伝導電気ケーブルに散逸（又は蓄積）された全エネルギーの累積が、故障電流及び所定期間内における少なくとも１つ前の故障電流から決定される。前記散逸（又は蓄積）された全エネルギーの累積に基づき、公共電力回路網から超伝導電気ケーブルを切り離すかどうかに関する決定が行われる。

本発明のこの態様の実施形態には、１つ又は複数の以下の特徴を含む。検出するステップには、超伝導電気ケーブルにおける故障電流Ｉ_ｊの大きさ及び故障電流の持続時間ｔ_ｄｊを決定する段階が含まれる。本方法には、更に、故障電流Ｉ_ｊが、所定の電流レベルしきい値を超えるかどうか決定する段階と、超える場合、故障電流Ｉ_ｊのレベルに基づく期間中、公共電力回路網から超伝導電気ケーブルを切り離す段階が含まれる。

期間は、超伝導電気ケーブルの幾何学的形状及び関連する冷却システムに基づく。例えば、超伝導電気ケーブルの幾何学的形状には、複数の層が含まれ、期間は、層ｊの断面積Ａ_ｊ、層ｊの伝導率ｋ_ｊ、位置及び時間の関数である層ｊの局部的温度Ｔ_ｊ、層ｊ−１と層ｊとの間の熱抵抗Ｒ_{ｊ，ｊ−１}、層ｊとｊ＋１との間の熱抵抗Ｒ_{ｊ，ｊ＋１}、層ｊの密度ρ_ｊ、層ｊの比熱Ｃ_ｊ、及び冷却剤流量ｍに基づく。

本方法には、更に、Ｉ_ｊが所定の電流レベルしきい値を超過しない場合、故障電流Ｉ_ｊと前の故障電流Ｉ_ｊ−１との間で経過した時間を決定する段階と、経過時間が、所定の期間しきい値を超えるかどうか決定する段階と、超える場合、公共電力回路網における超伝導電気ケーブルの接続を維持する段階と、が含まれる。全エネルギーの累積値を決定する段階には、所定の期間しきい値より短い期間に大規模な故障が起こるとケーブルが損傷するエネルギー量を表す臨界しきい値より全エネルギーの累積値の方が、小さいかどうか決定する段階が含まれる。本発明の他の態様において、公共電力回路網に配置された超伝導電気ケーブルに保護を提供するためのシステムには、超伝導電気ケーブルを流れる故障電流を検出するように構成されたセンサと、コントローラと、が含まれる。このコントローラは、故障電流及び所定期間内における少なくとも１つ前の故障電流から超伝導電気ケーブルに散逸された全エネルギーの累積を決定するように構成され、また、前記散逸された全エネルギーの累積に基づき、公共電力回路網から超伝導電気ケーブルを切り離すかどうか判断するように構成されている。

本発明のこの態様の実施形態には、１つ又は複数の以下の特徴を含み得る。コントローラは、超伝導電気ケーブルにおける故障電流Ｉ_ｊの大きさ及び故障電流の持続時間ｔ_ｄｊを決定する。コントローラは、故障電流Ｉ_ｊが、所定の電流レベルしきい値を超えるかどうか判断し、超える場合、故障電流Ｉ_ｊのレベルに基づく期間の間、公共電力回路網から超伝導電気ケーブルを切り離す。期間は、超伝導電気ケーブルの幾何学的形状及び関連する冷却システムに基づく。コントローラは、故障電流Ｉ_ｊと前の故障電流Ｉ_ｊ−１との間で経過した時間を決定し、また、経過時間が、所定の期間しきい値を超えるかどうか判断し、超える場合、公共電力回路網における前記超伝導電気ケーブルの接続を維持する。

利点の中でもとりわけ、上記方法及びシステムは、電力ケーブルが接続されている電力回路網の一部を流れる電流を監視することによって、超伝導電気ケーブルの過電流保護を提供する。本方法及びシステムは、故障発生並びに、ケーブルを流れる電流を即座に遮断する（即ち、回路遮断器を起動する）必要のあるレベルにはならないが、ケーブルの超伝導体の加熱の原因になる以前の故障発生を考慮する。そうすることによって、故障が発生した際、以前の故障による蓄積加熱効果が考慮される。例えば、回路遮断器を通常作動しない電流の大きさ及び持続時間を有する故障は、現在発生している他の故障による加熱と共に超伝導体ケーブルを損傷するのに充分な熱を生成し得る。本発明の１つ又は複数の実施形態の詳細については、添付図面及び以下の説明に記載する。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、その説明及び図面並びに請求項から明らかになるであろう。

様々な図面における同様な参照符号は、同様な要素を示す。
図１において、図示した高温超伝導体（ＨＴＳ）ケーブル１００は、公共電源回路網１０の一部に接続される。ここでは、ＨＴＳケーブル１００は、数百メートルの長さを有し、相対的に大きい電流及び低抵抗の電気経路を提供する一方で、同じ量の電流を搬送する従来の銅ケーブルによって要求される空間の一部分を占有する。更に詳細に記述するように、ＨＴＳケーブル１００に用いられるＨＴＳ線は、同様なサイズの銅線の１５０倍もの電流を搬送することが可能な設計及び構造を有する。ＡＣケーブルの芯を撚り合わせた大量の銅よりもむしろ相対的に小量のＨＴＳ線によって、３乃至５倍の電力を等価なサイズの回線で搬送し得る。

図２において、ＨＴＳケーブル１００には、撚り銅芯１０２が含まれ、撚り銅芯１０２は、第１高温超伝導体層１０４、第２高温超伝導体層１０５、高電圧絶縁層１０６、高温超伝導体シールド層１０８、外側銅シールド層１０９、保護層１１０、冷却剤包被１１１、内側低温保持壁１１２、真空空間１１３、外側低温保持壁１１４、及び外側ケーブル被覆１１５によって半径方向に連続して囲まれる。動作時、冷却剤（例えば、液体窒素）が、外部冷却剤供給源（図示せず）から供給され、冷却剤包被１１１内及びその長手方向に循環する。この種のＨＴＳ電力ケーブルは、ネサンス（Ｎｅｘａｎｓ：フランス、パリ市）から入手可能である。日本の大阪府にある住友電気工業株式会社、ジョージア州キャロルトン（Ｃａｒｒｏｌｌｔｏｎ）のサウスワイヤ（Ｓｏｕｔｈｗｉｒｅ）社の合弁会社であるＵｌｔｅｒａ（商標）社、及びデンマークのアスネス（Ａｓｎａｅｓ）にあるｎｋｔケーブル社等の他の会社もＨＴＳ電力ケーブルを生産している。

図１に戻ると、ＨＴＳケーブル１００は、約１３８ｋＶのレベルで電圧を搬送する送電網区間１２０内に接続されており、また、送電網区間１２２から、約６９ｋＶの低レベルで電圧を搬送する送電網区間１２４に延在する。降圧変圧器１２６は、１３８ｋＶ送電ライン電圧からそれより低い６９ｋＶ送電ライン電圧に電圧を降下させる。この特定の用途では、送電網区間１２４は、多数の負荷１２８並びに変電所１２９に給電する。一対の回路遮断器１３０、１３２が、ＨＴＳケーブル１００の各端に接続され、これによって、ＨＴＳケーブルを公共電源回路網から迅速に切り離し得る。

故障管理システム２００は、ＨＴＳケーブル１００が損傷を受ける可能性がある温度未満にケーブルを確実に維持することによって、ＨＴＳケーブル１００に過電流保護を提供する。故障管理システム２００は、ＨＴＳケーブル１００が接続されている公共回路網の区間を流れる電流を監視することによって、そのような過電流保護を提供する。特に、故障管理システム２００は、ＨＴＳケーブル１００の一端において、一対の変流器１３４からの電流を検知する。故障管理システムには、回路遮断器１３０、１３２を制御するための少なくともコンピュータプログラム２１２を記憶するための部分を含むメモリ２１０と、コンピュータ判読可能命令を実行するプロセッサ２１４と、プロセッサにメモリを接続するバス２１６と、が含まれる。故障管理システムには、更に、故障持続時間及び故障間の時間双方を決定する標準ＧＰＳクロック１３３が含まれる。具体的には、ＧＰＳクロックは、故障持続時間及び故障間の時間を確立する際、プロセッサ２１４にタイムスタンプを提供する。記憶されたプログラムには、変圧器１３４において検出された信号及び標準ＧＰＳクロックに基づき、制御信号を回路遮断器１３０、１３２に提供して、ＨＴＳケーブルを送電ライン１２０から切り離すためのコンピュータ判読可能命令が含まれる。

図３を参照して、図２に示す構造を有するＨＴＳケーブル１００と共に、故障管理システム２００の動作について述べる。本例において、ＨＴＳケーブル１００は、持続時間２００ｍｓ（１２サイクル）で６９ｋＡ故障電流のような大きい故障電流に耐えるように構成されており、ここで、ＨＴＳケーブルは、ＨＴＳ層１０５の温度上昇が許容温度マージンより高くなる所定の許容通過故障限度を超える通過故障を受けないと仮定している。本発明は、ＨＴＳ電力ケーブルに一般的に適用可能であり、また、本例に用いられる特定のパラメータは、この特定のケーブル設計及び特定の送電網構成に対するものであることを理解されたい。所定のケーブル設計及び送電網に対して本発明を実施するのに必要なパラメータは、当業者によって容易に決定されるであろう。

動作時、故障管理システム２００には、ＨＴＳケーブルによって、その最も被害を受けやすい地点（通常、冷却剤の温度が最も高いケーブル端）において散逸されることが予想される単位長さ当りの全エネルギーの値を記憶する（ステップ３０２）ためのエネルギーレジスタ２２０が含まれる。故障管理システムは、ＧＰＳクロック信号によって提供される時間枠内で変流器１３４の電流レベルを連続的に監視する。この枠における電流が、通常の動作電流を超えると、電流が通常レベルを超える時、また、それが通常レベルに戻る時、タイムスタンプが発行される。これによって、故障管理システムは、特定の故障の総時間を決定する（ステップ３０４）。本実施形態では、故障電流が６９ｋＡより大きいと、超伝導層１０５の温度が、冷却剤の飽和温度を超え、これによって、高電圧絶縁層１０６内に気泡が形成されることによりケーブルに恒久的な損傷が発生する可能性がある。しかしながら、特定のケーブル／回路網に対して、電流レベルが、６９ｋＡ未満であるが所定の電流レベルしきい値（本例では、２０ＫＡ）を超える場合であっても、ケーブルによって搬送される電流のレベル及び故障の持続時間が、その温度を引き上げるのに充分なほど甚大であり、ケーブルが６９ｋＡレベルの故障電流に耐え得るレベルに冷えるのに充分な時間がない場合、ＨＴＳケーブル１００は、損傷を受けることがある。従って、故障管理システム２００は、監視された電流が、２０ｋＡ未満であるかどうか判断する（ステップ３０６）。２０ｋＡより大きい場合、故障管理システム２００は、ケーブルオフライン時間割２２４を参照して、後続の故障に関係なくＨＴＳケーブルが冷えるのに必要な期間を確立する。そして、ケーブルは、遮断器に信号を送り、それらに開くように命令することによって、決定された期間の間、オフラインになる。

この特定の例の場合、ＨＴＳケーブルは、次のように、ケーブルオフライン時間割ルックアップ表を用いる。

ケーブルオフライン時間割の概算時間値は、ケーブルエネルギー平衡式から生成される。

ここで、Ａ_ｊは、層ｊの断面積、ｋ_ｊは、層ｊの伝導率、Ｔ_ｊは、位置及び時間の関数である層ｊの局部的温度、Ｒ_{ｊ，ｊ−１}は、層ｊ−１と層ｊとの間の熱抵抗、Ｒ_{ｊ，ｊ＋１}は、層ｊとｊ＋１との間の熱抵抗、ρ_ｊは、層ｊの密度、及びＣ_ｊは、層ｊの比熱である。

故障によりＨＴＳケーブル１００に蓄積されたエネルギーは、ケーブルが再通電される前に、除去しなければならない。ＨＴＳケーブル１００を冷却して通常の動作モードに戻すための期間は、幾つかの要因に依存する。これらの要因には、利用可能な冷却パワー、冷却剤流量、並びに故障中ケーブル内に散逸された総エネルギーが含まれる。ケーブル内に蓄積されたエネルギーが大きいほど、ケーブルを冷却するのに必要な時間は長くなる。冷却のための期間を計算するには、過渡的な熱モデルが必要である。上記各故障の期間の計算結果は、所定の故障電流に対して、ケーブルがどれぐらいの期間オフラインでなければならないかを決定するためにケーブルオペレータによって用いられる。

監視電流が２０ｋＡ未満である場合、ケーブルは、直ちにオフラインにする必要はない。従って、次に、故障管理システム２００は、以前の故障との間の時間が所定の時間しきい値（ここでは２０分）未満であるかどうか判断する（ステップ３０８）。故障間の時間が２０分より大きい場合、エネルギーレジスタに記憶された単位長さ当りのエネルギー値は、冷却して戻す効果により、あたかも以前の故障がなかったかのように、ゼロの値にリセットされる。故障との間の時間が２０分未満である場合、故障管理システムは、ＨＴＳケーブル１００が、あるレベルの蓄積された単位長さ当りのエネルギーを持ち続けると仮定する。故障管理システム２００は、その蓄積されたエネルギーのレベルを決定するアルゴリズムを用いる（ステップ３１０）。

ここで、Ｅ_ｊは、単位長さ当りの蓄積されたエネルギー（Ｊ／ｍ）であり、Ｅ_ｊ−１は、以前の故障からの単位長さ当りの蓄積されたエネルギー（Ｊ／ｍ）であり、Ｉ_ｊは、故障電流の大きさであり、Ｆ_ｓは、電流配分率（Ａ×ｓｅｃ×ｍ／Ｊ）であり、ｔ_ｄｊは、故障の持続時間（秒）である。

上式には、多数の要因に依存する電流配分率Ｆ_ｓが含まれることに留意されたい。電流配分率表は、様々な故障条件をモデル化することによって、また、或るＨＴＳ層に散逸されたエネルギーと所定の故障電流及び故障持続時間との間の相関関係を求めることによって生成される。上記したように、ＨＴＳケーブル１００は、幾つかの層を含む。故障状態時、電流は、ケーブル構成に基づき、超伝導体層１０４、１０５、１０８、構成物１１２、及び銅シールド１１４間に分散される。ケーブルの幾何学的形状及び設計により、超伝導体層１０５の温度は、超伝導体層１０４より高く、従って、任意の気泡形成に起因する損傷は、この層付近である可能性が最も高い。従って、超伝導体層１０５は、ＨＴＳケーブル１００が損傷から保護されることを保証する際、重要な層として用いられる。図２に示す特定のＨＴＳケーブル１００の場合、故障電流レベルを電流配分率に関連付ける電流配分率表は、以下の通りである。

単位長さ当りの蓄積エネルギーＥ_ｊは、上記アルゴリズムを用いて、一旦計算されると、所定の単位長さ当りのエネルギーしきい値（ここでは、７４Ｊ／メートル）と比較される。単位長さ当りのエネルギーしきい値が、本例において、７４Ｊ／メートル未満である場合、ＨＴＳケーブル１００は、送電区間１２０内に接続されたままである。７４Ｊ／メートルより大きい場合、ＨＴＳケーブル１００は、再接続される前に、２０分間、送電区間１２０から切り離される。２０分の期間が、蓄積されたエネルギーをケーブル１００から除去する最小要件であり、冷却システム設計に基づく。故障管理システム２００の動作をより良く理解するために、図４Ａ−４Ｂ及び図５Ａ−５Ｂを参照する。第１の故障保護例により、図４Ａは、時間の関数として３つの連続故障電流イベントの故障電流レベルを示し、図４Ｂは、時間の関数としてＨＴＳケーブル１００内における超伝導体層１０５の対応する温度を示す。時刻＝０において、ＨＴＳケーブル１００には、約３００Ａのレベルの電流が流れており（図４Ａ）、ケーブルの最大温度は、約７４Ｋである（図４Ｂ）。１秒後（ｔ＝１秒）から、５秒間続く３ｋＡの故障電流が発生する。図４Ｂに示すように、５秒の間、ＨＴＳケーブルの温度は、安定して約７４．６Ｋに上昇する。故障がｔ＝６秒において解消されると、電流レベルが、直ちに通常の動作電流３００Ａに降下する。しかしながら、３つの故障の内の第２の故障がｔ＝６．５秒において起こると、ケーブルの温度は、わずかに降下するだけである。図４Ａに示すように、第２の故障は、５ｋＡの故障であり、０．４秒間続き、図４Ｂに示すように、ＨＴＳケーブル１００の温度は、相対的に急速に約７５．２Ｋに増加する。ｔ＝７秒において、最後の故障電流イベントが起こり、通常の電流条件に戻る前に、４ｋＡの故障が１秒間続く。再度、図４Ｂに示すように、ケーブルの温度が、また約７５．５Ｋに上昇するが、これは、依然として、所定の７６Ｋオフラインしきい値未満である。ＨＴＳケーブルの温度は、以下の式によってエネルギーと関連付けられる。

上式において、Ｅは、ＨＴＳ層１０５に散逸された単位長さ当りのエネルギーであり、Ｔ_ｊｎｉｔは、初期温度であり、Ｔ_ｆは、ＨＴＳ層１０５の最終温度であり、ρは、ＨＴＳ線の密度であり、Ａは、ＨＴＳ線の断面積である。従って、本第１例において、故障電流イベントの特定の組合せは、故障管理システム２００が、送電ライン１２０からＨＴＳケーブル１００を除去するほど充分ではなかった。このことは、４ｋＡの故障の直後、たとえ大規模な６９ｋＡの故障があったとしても、ケーブルが損傷されないことを意味する。

次に、図５Ａ及び５Ｂにおいて、第２の故障保護例では、時刻＝０において、ＨＴＳケーブル１００には、約３００Ａのレベルの電流が流れており（図５Ａ）、ケーブルの温度は、約７４Ｋである（図５Ｂ）。１秒後（ｔ＝１）、０．４秒間続く６ｋＡの故障が発生する。図５Ｂに示すように、５秒の間、ＨＴＳケーブルの温度は、急速に約７５．２Ｋに上昇する。故障がｔ＝１．５秒において解消されると、電流レベルは、直ちに通常の動作電流３００Ａに降下する。しかしながら、３つの故障の内の第２の故障がｔ＝２秒において起こると、ケーブルの温度は、ほとんど降下しない。図５Ａに示すように、第２故障は、４ｋＡの故障であり、２秒間続き、図４Ｂに示すように、ＨＴＳケーブル１００の温度は、相対的に安定して約７５．８Ｋに増加する。ｔ＝４．５秒において、最後の故障電流イベントが発生し、通常の電流条件に戻る前に、３ｋＡの故障が５秒間続く。ＨＴＳケーブル１００の温度は、第３の故障電流イベント時、相対的に高いままであることに留意されたい。図５Ｂに示すように、約ｔ＝５．５秒において、ケーブルの温度が、オフライン温度７６Ｋを超えるのが分かる。従って、図４Ａ及び４Ｂに示した例とは異なり、故障管理システム２００は、回路遮断器１３０、１３２に制御信号を送り、送電ライン１２０からＨＴＳケーブル１００を切り離す。ケーブルがオンラインのままである場合、３ｋＡの故障の直後の大規模な６９ｋＡの故障が、ケーブル１００を損傷する可能性がある。

本発明の幾つかの実施形態について述べた。しかしながら、本発明の技術思想及び範囲から逸脱することなく、様々な変更を行い得ることを理解されるであろう。例えば、重要なことは、過電流保護レベルに対する上記値が、ＨＴＳケーブルの特定の設計及び構造に依存し、また公共電源回路網内において、それがどこに又どのように用いられるかに依存することを認識することである。従って、電流配分率表の値としてケーブルオフライン表に示した電流及び概算冷却期間の値は、ＨＴＳケーブルの設計及びその公共電力回路網における用途に基づき決定される。

ＨＴＳケーブルに過電流保護を提供するための故障管理システムを示す概略図。 ＨＴＳケーブルの等角投影図。 故障管理システムの動作を示すフロー図。 第１系列の故障イベントについて、それぞれ時間の関数として電流を示し、時間の関数としてＨＴＳ温度を示すグラフ。 第１系列の故障イベントについて、それぞれ時間の関数として電流を示し、時間の関数としてＨＴＳ温度を示すグラフ。 第２系列の故障イベントについて、それぞれ時間の関数として電流を、時間の関数としてＨＴＳ温度を示すグラフ。 第２系列の故障イベントについて、それぞれ時間の関数として電流を、時間の関数としてＨＴＳ温度を示すグラフ。

上式には、多数の要因に依存する電流配分率Ｆ_ｓが含まれることに留意されたい。電流配分率表は、様々な故障条件をモデル化することによって、また、或るＨＴＳ層に散逸されたエネルギーと所定の故障電流及び故障持続時間との間の相関関係を求めることによって生成される。上記したように、ＨＴＳケーブル１００は、幾つかの層を含む。故障状態時、電流は、ケーブル構成に基づき、超伝導体層１０４、１０５、１０８、構成物１０２、及び銅シールド１１４間に分散される。ケーブルの幾何学的形状及び設計により、超伝導体層１０５の温度は、超伝導体層１０４より高く、従って、任意の気泡形成に起因する損傷は、この層付近である可能性が最も高い。従って、超伝導体層１０５は、ＨＴＳケーブル１００が損傷から保護されることを保証する際、重要な層として用いられる。図２に示す特定のＨＴＳケーブル１００の場合、故障電流レベルを電流配分率に関連付ける電流配分率表は、以下の通りである。

単位長さ当りの蓄積エネルギーＥ_ｊは、上記アルゴリズムを用いて、一旦計算されると、所定の単位長さ当りのエネルギーしきい値（ここでは、７４Ｊ／メートル）と比較される。単位長さ当りのエネルギーが、本例において、７４Ｊ／メートルのしきい値未満である場合、ＨＴＳケーブル１００は、送電区間１２０内に接続されたままである。７４Ｊ／メートルより大きい場合、ＨＴＳケーブル１００は、再接続される前に、２０分間、送電区間１２０から切り離される。２０分の期間が、蓄積されたエネルギーをケーブル１００から除去する最小要件であり、冷却システム設計に基づく。故障管理システム２００の動作をより良く理解するために、図４Ａ−４Ｂ及び図５Ａ−５Ｂを参照する。第１の故障保護例により、図４Ａは、時間の関数として３つの連続故障電流イベントの故障電流レベルを示し、図４Ｂは、時間の関数としてＨＴＳケーブル１００内における超伝導体層１０５の対応する温度を示す。時刻＝０において、ＨＴＳケーブル１００には、約３００Ａのレベルの電流が流れており（図４Ａ）、ケーブルの最大温度は、約７４Ｋである（図４Ｂ）。１秒後（ｔ＝１秒）から、５秒間続く３ｋＡの故障電流が発生する。図４Ｂに示すように、５秒の間、ＨＴＳケーブルの温度は、安定して約７４．６Ｋに上昇する。故障がｔ＝６秒において解消されると、電流レベルが、直ちに通常の動作電流３００Ａに降下する。しかしながら、３つの故障の内の第２の故障がｔ＝６．５秒において起こると、ケーブルの温度は、わずかに降下するだけである。図４Ａに示すように、第２の故障は、５ｋＡの故障であり、０．４秒間続き、図４Ｂに示すように、ＨＴＳケーブル１００の温度は、相対的に急速に約７５．２Ｋに増加する。ｔ＝７秒において、最後の故障電流イベントが起こり、通常の電流条件に戻る前に、４ｋＡの故障が１秒間続く。再度、図４Ｂに示すように、ケーブルの温度が、また約７５．５Ｋに上昇するが、これは、依然として、所定の７６Ｋオフラインしきい値未満である。ＨＴＳケーブルの温度は、以下の式によってエネルギーと関連付けられる。

次に、図５Ａ及び５Ｂにおいて、第２の故障保護例では、時刻＝０において、ＨＴＳケーブル１００には、約３００Ａのレベルの電流が流れており（図５Ａ）、ケーブルの温度は、約７４Ｋである（図５Ｂ）。１秒後（ｔ＝１）、０．４秒間続く６ｋＡの故障が発生する。図５Ｂに示すように、０．４秒の間、ＨＴＳケーブルの温度は、急速に約７５．２Ｋに上昇する。故障がｔ＝１．５秒において解消されると、電流レベルは、直ちに通常の動作電流３００Ａに降下する。しかしながら、３つの故障の内の第２の故障がｔ＝２秒において起こると、ケーブルの温度は、ほとんど降下しない。図５Ａに示すように、第２故障は、４ｋＡの故障であり、２秒間続き、図５Ｂに示すように、ＨＴＳケーブル１００の温度は、相対的に安定して約７５．８Ｋに増加する。ｔ＝４．５秒において、最後の故障電流イベントが発生し、通常の電流条件に戻る前に、３ｋＡの故障が５秒間続く。ＨＴＳケーブル１００の温度は、第３の故障電流イベント時、相対的に高いままであることに留意されたい。図５Ｂに示すように、約ｔ＝５．５秒において、ケーブルの温度が、オフライン温度７６Ｋを超えるのが分かる。従って、図４Ａ及び４Ｂに示した例とは異なり、故障管理システム２００は、回路遮断器１３０、１３２に制御信号を送り、送電ライン１２０からＨＴＳケーブル１００を切り離す。ケーブルがオンラインのままである場合、３ｋＡの故障の直後の大規模な６９ｋＡの故障が、ケーブル１００を損傷する可能性がある。

Claims (18)

1. 公共電力回路網に配置された超伝導電気ケーブルを保護するための方法であって、
   前記超伝導電気ケーブルの故障電流を検出する段階と、
   前記故障電流及び所定期間内における少なくとも１つ前の故障電流から前記超伝導電気ケーブルに散逸された全エネルギーの累積を決定する段階と、
   前記散逸された全エネルギーの累積に基づき、前記公共電力回路網から前記超伝導電気ケーブルを切り離すかどうか決定する段階と
   を備える方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記検出する段階には、前記超伝導電気ケーブルにおける故障電流Ｉ_ｊの大きさ及び前記故障電流の持続時間ｔ_ｄｊを決定する段階が含まれる、方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、前記故障電流Ｉ_ｊが、所定の電流レベルしきい値を超えるかどうか決定する段階と、前記所定の電流レベルしきい値を超える場合、前記故障電流Ｉ_ｊのレベルに基づく期間中、前記公共電力回路網から前記超伝導電気ケーブルを切り離す段階と、を更に含む、方法。
4. 請求項２に記載の方法であって、前記故障電流Ｉ_ｊと前の故障電流Ｉ_ｊ−１との間で経過した時間を決定する段階と、前記経過時間が、所定の期間しきい値を超えるかどうか決定する段階と、前記所定の期間しきい値を超える場合、前記公共電力回路網における前記超伝導電気ケーブルの接続を維持する段階と、を更に含む、方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、前記超伝導電気ケーブルを切り離すかどうか決定する段階は、所定の期間しきい値より短い期間に大規模な故障が起こると前記ケーブルが損傷するエネルギー量を表す臨界しきい値より全エネルギーの累積値の方が、小さいかどうか決定する段階を含む、方法。
6. 請求項３に記載の方法であって、前記期間は、前記超伝導電気ケーブルの幾何学的形状及び関連する冷却システムに基づく、方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、前記超伝導電気ケーブルの前記幾何学的形状は、複数の層を含み、前記期間は、層ｊの断面積Ａ_ｊ、層ｊの伝導率ｋ_ｊ、前記ケーブル内の位置及び時間の関数である層ｊの局部的温度Ｔ_ｊ、層ｊ−１と層ｊ間の熱抵抗Ｒ_{ｊ，ｊ−１}、層ｊとｊ＋１間の熱抵抗Ｒ_{ｊ，ｊ＋１}、層ｊの密度ρ_ｊ、及び層ｊの比熱Ｃ_ｊに基づく、方法。
8. 請求項１に記載の方法であって、前記電気ケーブルは、高温超伝導材料を含む、方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、前記電気ケーブルは、銅芯と、電気的絶縁によって分離された複数のＨＴＳ層とを含む、方法。
10. 公共電力回路網に配置された超伝導電気ケーブルを保護するためのシステムであって、
    前記超伝導電気ケーブルを流れる故障電流を検出するように構成されたセンサと、
    前記故障電流及び所定期間内における少なくとも１つ前の故障電流から前記超伝導電気ケーブルに散逸された全エネルギーの累積を決定し、
    前記散逸された全エネルギーの累積に基づき、前記公共電力回路網から前記超伝導電気ケーブルを切り離すかどうか判断する
    ように構成された前記コントローラと、
    を備える、システム。
11. 請求項１０に記載のシステムであって、前記コントローラが、前記超伝導電気ケーブルにおける故障電流Ｉ_ｊの大きさ及び前記故障電流の持続時間ｔ_ｄｊを決定する、システム。
12. 請求項１１に記載のシステムであって、前記コントローラは、前記故障電流Ｉ_ｊが、所定の電流レベルしきい値を超えるかどうか判断し、前記所定の電流レベルしきい値を超える場合、前記故障電流Ｉ_ｊのレベルに基づく期間中、前記公共電力回路網から前記超伝導電気ケーブルを切り離す、システム。
13. 請求項１１に記載のシステムであって、前記コントローラは、前記故障電流Ｉ_ｊと前の故障電流Ｉ_ｊ−１との間で経過した時間を決定し、前記経過時間が、所定の期間しきい値を超えるかどうか判断し、前記所定の期間しきい値を超える場合、前記公共電力回路網における前記超伝導電気ケーブルの接続を維持する、システム。
14. 請求項１０に記載のシステムであって、前記コントローラは、前記全エネルギーの累積値が、所定の期間しきい値より短い期間に大規模な故障が起こった場合に前記ケーブルが損傷するエネルギーの量を表す臨界しきい値より小さいかどうか判断することによって、前記超伝導電気ケーブルを切り離すかどうか決定する、システム。
15. 請求項１２に記載のシステムであって、前記期間は、前記超伝導電気ケーブルの前記幾何学的形状及び関連する冷却システムに基づく、システム。
16. 請求項１５に記載のシステムであって、前記超伝導電気ケーブルの前記幾何学的形状は、複数の層を含み、前記期間は、層ｊの断面積Ａ_ｊ、層ｊの伝導率ｋ_ｊ、前記ケーブル内の位置及び時間の関数である層ｊの局部的温度Ｔｊ、層ｊ−１と層ｊ間の熱抵抗Ｒｊ，ｊ−１、層ｊとｊ＋１間の熱抵抗Ｒｊ，ｊ＋１、層ｊの密度、及び層ｊの比熱Ｃｊに基づく、システム。
17. 請求項１０に記載のシステムであって、前記超伝導電気ケーブルは、高温超伝導材料を含む、システム。
18. 請求項１７に記載のシステムであって、前記超伝導電気ケーブルは、銅芯と、電気的絶縁によって分離された複数のＨＴＳ層とを含む、システム。

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