JP4080073B2 - 鉄道用超電導き電システム - Google Patents

Description

【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、１２１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、加圧窒素のような低温液体が充填される高温超電導ケーブルからなるき電線と、このき電線とある間隔ごと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、加圧窒素のような低温液体が充填される高温超電導ケーブルからなるき電線と、このき電線とある間隔ごと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、加圧窒素のような低温液体が充填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。
【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１１、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１５ｂ、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６６ｋＶ／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、２５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、４５は可動ビーム、４６はちょう架線、４７はバンド、４８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、１０００、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１０００Ａ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
１５ｇ ＰＶＣ層
２０ 加圧液体窒素
２１ ケーブル部液体窒素出口
２２ ＦＲＰ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
３０ ＳＦ₆ 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 (4)

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、加圧窒素のような低温液体が充填される高温超電導ケーブルからなるき電線と、
   （ｂ）該き電線とある間隔ごと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。
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、加圧窒素のような低温液体が充填される高温超電導ケーブルからなるき電線と、
   （ｂ）該き電線とある間隔ごと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、加圧窒素のような低温液体が充填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。
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。
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。

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