JP2011083128A - Transmission line protection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、送電線保護装置に関する。 The present invention relates to a power transmission line protection device.
電気所に設けられている送電線保護装置は、例えば送電線に過電流が生じた場合に、送電線に流れる電流を遮断すべく遮断器を制御する。このような送電線保護装置は、送電線に流れる電流を測定する変流器等からの出力に基づいて動作する(例えば、特許文献1参照)。 For example, when an overcurrent occurs in the power transmission line, the power transmission line protection device provided in the electric station controls the circuit breaker to cut off the current flowing through the power transmission line. Such a power transmission line protection device operates based on an output from a current transformer or the like that measures a current flowing through the power transmission line (see, for example, Patent Document 1).
ところで、近年、送電線の一部に超伝導ケーブルが用いられることがある。このような場合であっても、超伝導ケーブルに接続される一般的な送電線を遮断器により遮断することにより、例えば過電流から超伝導ケーブルを保護することができる。 By the way, in recent years, a superconducting cable may be used as a part of the transmission line. Even in such a case, it is possible to protect the superconducting cable from, for example, overcurrent, by interrupting a general power transmission line connected to the superconducting cable with a circuit breaker.
一般に、送電線の一部に超伝導ケーブルを用いた際には、一般的な送電線のみを用いる場合と比較すると設備規模が大きくなる。したがって、送電線の一部に超伝導ケーブルを用いた際には、超伝導ケーブル以外の設備規模を小さくすることが重要となる。 In general, when a superconducting cable is used for a part of a transmission line, the facility scale is larger than when only a general transmission line is used. Therefore, when a superconducting cable is used as a part of the transmission line, it is important to reduce the scale of equipment other than the superconducting cable.
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、設備規模が小さく、超伝導ケーブルを保護することが可能な送電線保護装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a power transmission line protection device having a small equipment scale and capable of protecting a superconducting cable.
上記目的を達成するため、本発明の一つの側面に係る送電線保護装置は、冷媒の中に設けられて超伝導状態となる送電線の電流に応じた磁場を検出すべく、前記冷媒の中に設けられたSQUIDと、前記SQUIDが磁場を検出すると前記SQUIDの両端に電圧が発生するよう、前記SQUIDにバイアス電流を供給するバイアス電流回路と、電流が供給されると、前記SQUIDが検出する磁場を打ち消すような磁場を発生するコイルと、前記SQUIDの両端に生じる電圧に基づいて、前記SQUIDが検出する磁場がゼロとなるような電流を前記コイルに供給するとともに前記送電線に直列接続された遮断器を遮断するための制御を行う制御回路と、を備える。 In order to achieve the above object, a power transmission line protection device according to one aspect of the present invention provides a medium in the refrigerant to detect a magnetic field according to a current of a power transmission line that is provided in the refrigerant and is in a superconducting state. The SQUID provided in the SQUID, a bias current circuit for supplying a bias current to the SQUID so that a voltage is generated at both ends of the SQUID when the SQUID detects a magnetic field, and the SQUID detects when a current is supplied. A coil that generates a magnetic field that cancels the magnetic field, and a current that causes the magnetic field detected by the SQUID to be zero based on the voltage generated at both ends of the SQUID are supplied to the coil and are connected in series to the transmission line. And a control circuit for performing control for breaking the circuit breaker.
設備規模が小さく、超伝導ケーブルを保護することが可能な送電線保護装置を提供することができる。 It is possible to provide a power transmission line protection device having a small equipment scale and capable of protecting a superconducting cable.
本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。 At least the following matters will become apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
図1は、本発明の一実施形態である送電線保護システム10の構成を示した図である。
送電線保護システム10は、変電所Aと、変電所Bとの間に設けられた超伝導ケーブル35に異常が発生した際に、変電所Aと変電所Bとの間に設けられた遮断器20、または遮断器21を遮断するシステムである。送電線保護システム10は、遮断器20,21、接続機器25,26、送電線30〜33、超伝導ケーブル35、及び送電線保護装置40,41を含んで構成される。なお、本実施形態では、送電線30〜33は、電気を配電するための一般的な送電線である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a power transmission
The power transmission
遮断器20は、送電線保護装置40の制御に基づいて、変電所Aからの送電線30と送電線31との間を遮断する。
The circuit breaker 20 blocks between the
遮断器21は、送電線保護装置41の制御に基づいて、送電線32と変電所Bへの送電線33との間を遮断する。
The circuit breaker 21 blocks between the
接続機器25は、送電線31と超伝導ケーブル35とを接続し、接続機器26は、超伝導ケーブル35と送電線32とを接続する。
The
超伝導ケーブル35は、液体窒素(冷媒)が充填されるチューブ50と、チューブ50の内部に挿通される送電線51と、を含んで構成される。送電線51の材質は、例えば90K(ケルビン)で超伝導状態となるイットリウム系超伝導体である。本実施形態では、送電線51は、およそ77Kの液体窒素の中に設けられているため、送電線51は超伝導状態となる。
The
送電線保護装置40は、例えば、超伝導ケーブル35に過電流が流れる場合やチューブ50から液体窒素が漏れた場合等の異常を検出すると、遮断器20を遮断する。送電線保護装置40は、超電導量子干渉素子(Superconducting Quantum Interference Device:SQUID)60、コイル61、及び遮断器制御回路62を含んで構成される。SQUID60及びコイル61は、チューブ50の内部に設けられ、遮断器制御回路62はチューブ50の外部に設けられている。このため、チューブ50には、SQUID60及びコイル61と、遮断器制御回路62とを接続できるようなポート(不図示)が設けられている。送電線保護装置40の詳細に関しては後述する。
The power transmission
送電線保護装置41は、送電線保護装置40と同様に、超伝導ケーブル35の異常を検出すると、遮断器21を遮断する。送電線保護装置41は、SQUID65、コイル66、及び遮断器制御回路67を含んで構成される。送電線保護装置40と送電線保護装置41とは同様の構成であるため、以下送電線保護装置40の詳細について図2を参照しつつ説明する。
Similarly to the power transmission
SQUID60は、送電線51に流れる電流に応じた磁場を検出する磁気センサであり、2つのジョセフソン結合を超伝導ループで結合した構成からなる。SQUID60は、例えばイットリウム系の材質で製造されており、液体窒素中に設けられることにより超伝導状態となる。また、SQUID60に加えられる磁場が無い場合におけるSQUID60に流れる電流I1と、SQUID60の両端に発生する電圧V1との関係は、図3の実線に示すような波形となる。ここで、ジョセフソン接続が流すことのできる超伝導電流の大きさをIA(絶対値)とすると、SQUID60は、電流I1が電流値IAよりも小さい場合には超伝導状態となる。このため、電流I1が電流値IAよりも小さい場合には、電流I1が増加しても電圧V1は発生しない。一方、電流I1が電流値IAよりも大きくなると超伝導状態が壊れ常伝導状態となる。このため、電圧V1は電流I1に応じて上昇する。また、SQUID60に磁場が加えられると、SQUID60には磁場を排除するような遮断電流が発生する。この結果、磁場が加えられた際の超伝導電流の大きさは、前述の電流値IAよりも小さくなり、電流I1と電圧V1との関係は、図3の点線のようになる。したがって、SQUID60に対し、例えば電流値IAのバイアス電流が供給される場合、SQUID60が磁場を検出すると電圧V1はゼロから増加することになる。
The SQUID 60 is a magnetic sensor that detects a magnetic field corresponding to a current flowing through the
コイル61は、遮断器制御回路62から電流が供給されると、SQUID60が検出する磁場を打ち消すような磁場を発生する。なお、本実施形態のコイル61は、後述するFLL(Flux Locked Loop:磁束ロックループ)回路の一部である。
The
遮断器制御回路62は、SQUID60から出力される磁場の検出結果に基づいて、SQUID60が検出する磁場がゼロとなるような電流をコイル61に供給する。また、遮断器制御回路62は、SQUID60から出力される磁場の検出結果に基づいて、送電線51に異常が生じていることを検出すると、遮断器20を遮断する。遮断器制御回路62は、バイアス電流回路70、電流供給回路71、電流検出回路72、比較回路73、及びタイマ回路74を含んで構成される。また、電流供給回路71、電流検出回路72、比較回路73、及びタイマ回路74は制御回路に相当する。
The circuit
バイアス電流回路70は、SQUID60が磁場を検出すると電圧V1がゼロから増加するようなバイアス電流Ibを供給する。本実施形態のバイアス電流Ibは、例えば電流値IAよりも若干小さい電流であることとする。
The bias
電流供給回路71は、増幅回路80、積分回路81、及び抵抗82を含んで構成される。増幅回路80は電圧V1を増幅し、積分回路81は増幅された電圧V1を積分する。そして、抵抗82は、積分回路81の出力のレベルに応じた電流をコイル61へと供給する。この結果、コイル61は、SQUID60が検出する磁場を打ち消すような磁場を発生する。このように、増幅回路80、積分回路81、抵抗82及びコイル61からなる回路は、FLL回路を構成する。したがって、例えば、送電線51に流れる電流が増加し、SQUID60が検出する磁場が増加すると、電流供給回路71は増加した磁場に応じて大きくなる電流をコイル61に供給する。なお、電流供給回路71が動作し、SQUID60が検出する磁場がゼロとなるような電流がコイル61に供給されている際には、電圧V1はゼロとなる。
The
電流検出回路72(制御信号出力回路)は、例えば、積分回路81の出力が所定のレベル以上となると、すなわち、コイル61の電流が所定の電流値Ix以上となると、遮断器20を遮断するための制御信号を出力する。なお、所定の電流値Ixは、送電線51に流れる電流が過電流の際に、電流供給回路71がコイル61に供給する電流の値より若干小さくなるよう設定されている。また、所定のレベルは、電流値Ixと抵抗82の抵抗値との積である。このため、電流検出回路72は、コイル61に流れる電流に基づいて送電線51に流れる電流が過電流であるか否かを確実に検出することができる。
The current detection circuit 72 (control signal output circuit) shuts off the
比較回路73は、電圧V1を所定レベルの電圧Vxと比較する。ここで、所定レベルの電圧Vxは、常伝導状態のSQUID60に対して前述のバイアス電流Ibが供給された際の電圧V1より若干低い電圧である。このため、SQUID60が検出する磁場がゼロであっても、何らかの影響でSQUID60が常伝導状態となると、電圧V1は電圧Vxより高くなる。一方、SQUID60が検出する磁場がゼロであり、SQUID60が超伝導状態である場合には、電圧V1は電圧Vxより低くなる。このため、比較回路73は、電圧V1に基づいてSQUID60が超伝導状態であるか否かを確実に検出することができる。本実施形態の比較回路73は、電圧V1が電圧Vxより高い場合、すなわちSQUID60が常伝導状態である場合には、例えばHレベル(ハイレベル)の比較信号を出力する。一方、比較回路73は、電圧V1が電圧Vxより低い場合、すなわちSQUID60が超伝導状態である場合には、例えばLレベル(ローレベル)の比較信号を出力する。
The
タイマ回路74は、比較回路73からHレベルの比較信号が出力される期間を計測する。そして、タイマ回路74は、比較信号がHレベルとなる期間が所定期間となると遮断器20を遮断するための制御信号を出力する。つまり、タイマ回路74は、SQUID60が所定期間だけ常伝導状態である場合に遮断器20を遮断する。なお、前述の所定期間は、FLL回路が電圧V1に基づいて、SQUID60が検出する磁場をゼロとするまでの期間より十分長くなるよう設定されている。このため、例えば、過渡的に送電線51に流れる電流が変化して電圧V1が電圧Vxより高くなることがあっても、タイマ回路74は遮断器20を遮断するための制御信号を出力することは無い。
The
==送電線51に過電流が流れた際の動作例==
送電線51に過電流が流れた際の送電線保護装置40の動作について説明する。なお、ここでは、超伝導ケーブル35には過電流以外の異常は発生していないこととする。
== Example of operation when overcurrent flows through the
The operation of the power transmission
まず、送電線51に過電流が流れると、SUQID60が検出する磁場も増加する。そして電流供給回路71は、電圧V1の変化に応じてSUQID60が検出する磁場がゼロとなるような電流を、コイル61へと供給する。この際に、コイル61へ供給される電流は、前述の電流値Ixより大きくなる。このため、電流検出回路72は、遮断器20を遮断するための制御信号を出力する。この結果、遮断器20は遮断され、送電線51は過電流から保護される。
First, when an overcurrent flows through the
==チューブ50から液体窒素が漏れた際の動作例==
例えば、事故が発生して超伝導ケーブル35のチューブ50から液体窒素が漏れた際の送電線保護装置40の動作について説明する。なお、ここでは、超伝導ケーブル35には液体窒素の漏れ以外の異常は発生していないこととする。
== Example of operation when liquid nitrogen leaks from the
For example, an operation of the power transmission
チューブ50から液体窒素が漏れると、SQUID60の温度が上昇するため、SQUID60は常伝導状態となる。SQUID60が常伝導状態となると、電圧V1は前述の所定レベルの電圧Vxより高くなるため、比較回路73からはHレベルの比較信号が出力される。この結果、タイマ回路74はHレベルの比較信号の期間の計測を開始する。また、SQUID60が常伝導状態の場合、比較信号はHレベルのままである。そして、比較信号がHレベルとなる期間が所定期間となると、タイマ回路74は、遮断器20を遮断するための制御信号を出力する。この結果、遮断器20は遮断され、液体窒素が漏れた状態で送電線51に電流を流し続けることを防ぐことができる。
When liquid nitrogen leaks from the
以上、本実施形態における送電線保護システム10について説明した。例えば、一般的な送電線30等に流れる電流が過電流か否かを検出する際には変流器等が用いられる。過電流を検出可能な変流器は、通常大きなトランスを含むため設備規模は大きくなる。本実施形態では、超伝導ケーブル35の送電線51の電流を検出するためにSQUID60及びコイル61を用いているが、一般にSQUID60及びコイル61のサイズは前述の変流器より小さい。このため、本実施形態では、設備規模が小さい送電線保護装置40で、超伝導ケーブル35を保護することが可能である。
The power transmission
また、電流供給回路71は、電圧V1に基づいて、SQUID60が検出する磁場がゼロとなるような電流をコイル61に供給する。したがって、送電線51に流れる電流が増加し、SQUID60が検出する磁場が増加すると、コイル61に供給される電流も増加する。電流検出回路72は、コイル61の電流が所定の電流値Ix以上となると、遮断器20を遮断するための制御信号を出力する。このため、送電線51に過電流が生じた場合、送電線51を過電流から保護することができる。
Further, the
また、例えば、コイル61の電流が所定の電流値Ix以上となるか否かは、例えば電流センサ等を用いても判定可能である。しかしながら、本実施形態の電流検出回路72は、FLL回路における積分回路81の出力が所定レベル以上となるか否かに基づいて遮断器20を制御する。このため、電流センサ等の部品を用いることなく簡単な構成でコイル61の電流を検出することができる。
Further, for example, whether or not the current of the
また、チューブ50から液体窒素が漏れると、SQUID60は常伝導状態となる。SQUID60が常伝導状態となると、SQUID60の電圧V1はゼロから増加する。比較回路73は、電圧V1を所定レベルの電圧Vxと比較することにより、SQUID60が超伝導状態であるか否か検出する。そして、タイマ回路74は、電圧V1が電圧Vxより高ことを示すHレベルの比較信号が所定期間出力されると、すなわち、SQUID60が所定期間だけ常伝導状態であることを検出すると、遮断器20を遮断する。この結果、本実施形態では、液体窒素が漏れた状態で送電線51に電流を流し続けることを防ぐことができる。
Further, when liquid nitrogen leaks from the
また、所定レベルの電圧Vxは、常伝導状態のSQUID60に対してバイアス電流Ibが供給された際の電圧V1に基づいて定められている。具体的には、電圧Vxは、常伝導状態のSQUID60に対してバイアス電流Ibが供給された際の電圧V1より若干低い電圧である。このため、比較回路73は、確実にSQUID60が超伝導状態であるか否か検出することができる。
The voltage Vx at a predetermined level is determined based on the voltage V1 when the bias current Ib is supplied to the
また、タイマ回路74が計測する所定期間は、FLL回路が電圧V1に基づいて、SQUID60が検出する磁場をゼロとするまでの期間より長くなるよう設定されている。このため、例えば、過渡的に送電線51に流れる電流が変化して電圧V1が電圧Vxより高くなることがあっても、タイマ回路74が誤って遮断器20を遮断することは無い。
The predetermined period measured by the
また、送電線51は、液体窒素が充填されるチューブ50の内部に挿通され、SQUID60もチューブ50の内部に設けられている。このため、SQUID60は精度良く送電線51の電流を検出することができる。
The
なお、上記実施例は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。
例えば、チューブ50に充填される冷媒は液体ヘリウム等であっても良い。
In addition, the said Example is for making an understanding of this invention easy, and is not for limiting and interpreting this invention. The present invention can be changed and improved without departing from the gist thereof, and the present invention includes equivalents thereof.
For example, the refrigerant filled in the
10 送電線保護システム
20,21 遮断器
25,26 接続機器
30〜33,51 送電線
35 超伝導ケーブル
40,41 送電線保護装置
50 チューブ
60,65 SQUID
61,66 コイル
62,67 遮断器制御回路
70 バイアス電流回路
71 電流供給回路
72 電流検出回路
73 比較回路
74 タイマ回路
80 増幅回路
81 積分回路
82 抵抗
DESCRIPTION OF
61, 66
Claims (7)
前記SQUIDが磁場を検出すると前記SQUIDの両端に電圧が発生するよう、前記SQUIDにバイアス電流を供給するバイアス電流回路と、
電流が供給されると、前記SQUIDが検出する磁場を打ち消すような磁場を発生するコイルと、
前記SQUIDの両端に生じる電圧に基づいて、前記SQUIDが検出する磁場がゼロとなるような電流を前記コイルに供給するとともに前記送電線を保護すべく前記送電線に接続された遮断器を遮断するための制御を行う制御回路と、
を備えることを特徴とする送電線保護装置。 A SQUID provided in the refrigerant to detect a magnetic field corresponding to a current of a transmission line provided in the refrigerant and in a superconducting state;
A bias current circuit for supplying a bias current to the SQUID so that a voltage is generated across the SQUID when the SQUID detects a magnetic field;
A coil that generates a magnetic field that cancels the magnetic field detected by the SQUID when current is supplied;
Based on the voltage generated at both ends of the SQUID, a current that causes the magnetic field detected by the SQUID to be zero is supplied to the coil and the circuit breaker connected to the power transmission line is cut off to protect the power transmission line. A control circuit for performing control for,
A power transmission line protection device comprising:
前記制御回路は、
前記SQUIDの両端に生じる電圧に基づいて、前記SQUIDが検出する磁場がゼロとなるような電流を前記コイルに供給する電流供給回路と、
前記コイルに供給される電流が所定の電流値以上となると、前記遮断器を遮断するための制御信号を出力する制御信号出力回路と、
を含むこと、
を特徴とする送電線保護装置。 The power transmission line protection apparatus according to claim 1,
The control circuit includes:
A current supply circuit for supplying a current to the coil such that a magnetic field detected by the SQUID becomes zero based on a voltage generated at both ends of the SQUID;
A control signal output circuit that outputs a control signal for breaking the breaker when a current supplied to the coil is equal to or greater than a predetermined current value;
Including,
A power line protection device.
前記電流供給回路は、
前記SQUIDの両端に生じる電圧を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路の出力を積分する積分回路と、
前記積分回路の出力の電圧レベルに応じた電流を前記コイルに供給する抵抗と、
を含み、
前記制御信号出力回路は、
前記積分回路の出力が所定の電圧レベル以上となると、前記遮断器を遮断するための制御信号を出力すること、
を特徴とする送電線保護装置。 The power transmission line protection device according to claim 2,
The current supply circuit includes:
An amplifying circuit for amplifying a voltage generated at both ends of the SQUID;
An integrating circuit for integrating the output of the amplifier circuit;
A resistor for supplying a current corresponding to the voltage level of the output of the integrating circuit to the coil;
Including
The control signal output circuit is
When the output of the integration circuit is equal to or higher than a predetermined voltage level, a control signal for breaking the breaker is output;
A power line protection device.
前記制御回路は、
前記SQUIDの両端に生じる電圧に基づいて、前記SQUIDが検出する磁場がゼロとなるような電流を前記コイルに供給する電流供給回路と、
前記SQUIDの両端に生じる電圧が所定レベルより高いか否かを比較する比較回路と、
前記SQUIDの両端に生じる電圧が前記所定レベルより高いことを示す比較結果が所定期間出力されると、前記遮断器を遮断するための制御信号を出力する制御信号出力回路と、
を含むこと、
を特徴とする送電線保護装置。 The power transmission line protection apparatus according to claim 1,
The control circuit includes:
A current supply circuit for supplying a current to the coil such that a magnetic field detected by the SQUID becomes zero based on a voltage generated at both ends of the SQUID;
A comparison circuit for comparing whether or not the voltage generated across the SQUID is higher than a predetermined level;
A control signal output circuit that outputs a control signal for breaking the circuit breaker when a comparison result indicating that a voltage generated at both ends of the SQUID is higher than the predetermined level is output for a predetermined period;
Including,
A power line protection device.
前記所定レベルは、
前記バイアス電流が常伝導状態の前記SQUIDに対して供給された際に、前記SQUIDの両端に生じる電圧値に基づいて定められること、
を特徴とする送電線保護装置。 The power transmission line protection device according to claim 4,
The predetermined level is:
When the bias current is supplied to the SQUID in a normal conduction state, the bias current is determined based on a voltage value generated at both ends of the SQUID.
A power line protection device.
前記所定期間は、
前記電流供給回路及び前記コイルが前記SQUIDの両端に生じる電圧に基づいて、前記SQUIDが検出する磁場をゼロとするまでの期間より長い期間であること、
を特徴とする送電線保護装置。 The power transmission line protection device according to claim 4 or 5,
The predetermined period is
The current supply circuit and the coil are longer than the period until the magnetic field detected by the SQUID is zero based on the voltage generated at both ends of the SQUID.
A power line protection device.
前記送電線は、
前記冷媒が充填される管の内部に挿通されること、
を特徴とする送電線保護装置。 The power transmission line protection device according to any one of claims 1 to 6,
The transmission line is
Being inserted into a pipe filled with the refrigerant,
A power line protection device.
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