JP5100734B2

JP5100734B2 - 送電線保護装置

Info

Publication number: JP5100734B2
Application number: JP2009233737A
Authority: JP
Inventors: 潔畑
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2029-10-07
Also published as: JP2011083128A

Description

本発明は、送電線保護装置に関する。

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）。

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。

特開平１０−２３６５２号公報

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。

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。

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。

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。

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。送電線保護装置４０の一実施形態を示す図である。ＳＱＵＩＤ６０の電流と電圧との関係を示す図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＝＝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。

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。

＝＝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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
６０，６５ＳＱＵＩＤ
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

Claims

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。
請求項１に記載の送電線保護装置であって、
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。
請求項２に記載の送電線保護装置であって、
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。
請求項１に記載の送電線保護装置であって、
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。
請求項４に記載の送電線保護装置であって、
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。
請求項４または請求項５に記載の送電線保護装置であって、
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。
請求項１〜６の何れか一項に記載の送電線保護装置であって、
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。