JP6358562B2

JP6358562B2 - 超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法

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Publication number: JP6358562B2
Application number: JP2014219177A
Authority: JP
Inventors: 和晃畳谷; 増田　孝人; 孝人増田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2018-07-18
Anticipated expiration: 2034-10-28
Also published as: JP2016085157A

Description

本発明は、超電導導体層と接地層との間に電気絶縁層を有する超電導導体部を複数備える超電導ケーブル線路において、超電導導体部の劣化位置を測定する超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法に関する。特に、超電導導体部の絶縁劣化位置を精度よく測定できる超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法に関する。

超電導ケーブルは、既存の常電導ケーブル（例、ＯＦケーブルやＣＶケーブル）と比較して、大容量の電力を低損失で送電できることから、電力線路を構成する電力ケーブルとして期待されている。最近では、超電導ケーブルを用いて電力線路を構築し、実際の送電に超電導ケーブル線路を利用した実証試験が行われている。

電力ケーブルにおいて、地絡事故が起こると、導体部における電気絶縁層が破壊され、電気絶縁層の劣化により送電路となる導体層と接地層とが導通する地絡故障が発生する。従来、常電導ケーブルを用いた電力線路の故障点（絶縁劣化位置）を測定する方法の一つとして、故障点までのケーブルの線路定数と全長の線路定数とを比較するマーレーループ法が知られている。マーレーループ法は、ホイートストンブリッジを応用したものであり、健全相と事故相とを一端で短絡してループを形成し、他端間に比例辺抵抗として第１抵抗と第２抵抗とを直列に接続すると共に比例辺抵抗に検流計を並列に接続してホイートストンブリッジを形成することで、マーレーループ測定回路を構成する。そして、第１抵抗と第２抵抗との接点に直流電圧を印加し、比例辺抵抗を調整して平衡条件となるときの第１抵抗と第２抵抗との合計抵抗に対する第２抵抗の比を求め、この抵抗比に基づいて事故相の故障点（劣化位置）までの距離を測定する。ここで、導体抵抗はケーブルの距離に比例し、上記マーレーループ測定回路において、平衡条件のとき、ループの全抵抗と故障点までの抵抗の比は、ブリッジの平衡条件により、上記抵抗比と等しい。上述のマーレーループ法では、上記抵抗比に基づいて、ループの全抵抗と故障点までの抵抗の比を求めることにより故障点までの距離を算出することで、故障点を特定する。

また、例えば特許文献１には、光ファイバを内蔵した超電導ケーブルの健全性を検査する方法が開示されている。この特許文献１には、ケーブルコア（超電導導体部）に光ファイバを内蔵し、超電導ケーブルに所定の直流電流を流したときのケーブル（ケーブルコア）の長手方向の温度分布を光ファイバにより測定することで、温度変化に基づいて超電導ケーブルの劣化箇所の位置を特定する方法が記載されている。

特開２０１０−１６５５５１号公報

超電導ケーブルにおいて、簡易に、劣化位置を精度よく測定する方法の開発が望まれている。

従来、常電導ケーブルの故障点測定に使用されているマーレーループ法は、直流電源を用いて直流通電を行う。しかしながら、超電導ケーブル（超電導導体部）は、電気抵抗（直流抵抗）がゼロであるため、直流通電しても電圧が発生しない。つまり、超電導ケーブルの場合、直流通電を行う従来のマーレーループ法では、ループの全抵抗と故障点までの抵抗の比を評価できず、上記抵抗比から故障点（絶縁劣化位置）までの距離を算出できないため、故障点を特定できない。したがって、直流通電を行う従来のマーレーループ法は、超電導ケーブルにそのまま適用できない。

一方、超電導ケーブルに所定の直流電流を流し、光ファイバを用いて、ケーブル（ケーブルコア）の長手方向の温度分布を測定することで、劣化位置を特定する特許文献１に記載の方法では、超電導ケーブルに光ファイバを内蔵しておく必要がある。また、光ファイバによるケーブルコアの温度測定では、光ファイバの温度測定位置とそれに対応するケーブルコアの位置との対応関係を把握しておく必要があるなど、劣化位置を精度よく測定することが難しい。

そこで、本発明の目的の一つは、超電導導体部の絶縁劣化位置を精度よく測定できる超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法を提供することにある。

本発明の一態様に係る超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法は、超電導導体層と、前記超電導導体層の外側に配置された接地層と、前記超電導導体層と前記接地層との間に配置された電気絶縁層とを有する超電導導体部を複数備える超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法であって、前記超電導導体部のうち、健全相と事故相との一端同士を短絡してループを形成し、他端間に比例辺抵抗として第１抵抗と第２抵抗とを直列に接続すると共に、前記健全相と前記第１抵抗との接点及び前記事故相と前記第２抵抗との接点の間に検流計を接続してホイートストンブリッジを形成し、前記第１抵抗と前記第２抵抗との接点に交流電源を接続する回路形成工程と、前記交流電源から交流電流を通電する交流通電工程と、前記比例辺抵抗を調整して、前記検流計に流れる電流がゼロとなる平衡条件を満たすときの前記第１抵抗と前記第２抵抗との合計抵抗に対する前記第２抵抗の比を求め、この抵抗比に基づいて前記事故相の劣化位置を測定する劣化位置測定工程と、を備える。

上記超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法は、超電導導体部の絶縁劣化位置を精度よく測定できる。

超電導ケーブルの一例を説明する概略断面図である。実施形態１に係る超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法の一例を説明する回路構成図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に、本発明の実施態様を列記して説明する。

本発明の一態様に係る超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法は、超電導導体層と、超電導導体層の外側に配置された接地層と、超電導導体層と接地層との間に配置された電気絶縁層とを有する超電導導体部を複数備える超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法であり、回路形成工程と、交流通電工程と、劣化位置測定工程とを備える。回路形成工程は、超電導導体部のうち、健全相と事故相との一端同士を短絡してループを形成し、他端間に比例辺抵抗として第１抵抗と第２抵抗とを直列に接続すると共に、健全相と第１抵抗との接点及び事故相と第２抵抗との接点の間に検流計を接続してホイートストンブリッジを形成し、第１抵抗と第２抵抗との接点に交流電源を接続する。交流通電工程は、交流電源から交流電流を通電する。劣化位置測定工程は、比例辺抵抗を調整して、検流計に流れる電流がゼロとなる平衡条件を満たすときの第１抵抗と第２抵抗との合計抵抗に対する第２抵抗の比を求め、この抵抗比に基づいて事故相の劣化位置を測定する。

超電導ケーブル（超電導導体部）は、交流抵抗（インピーダンス）が存在することから、交流通電によって電圧が発生する。上記超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法は、健全相と事故相に比例辺抵抗を接続してホイートストンブリッジを形成することで、測定回路を構成し、健全相と事故相に交流通電を行う。上記超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法によれば、平衡条件のときの第１抵抗と第２抵抗との合計抵抗に対する第２抵抗の比を求めることで、ループの全インピーダンスと故障点までのインピーダンスの比を評価できる。したがって、従来のマーレーループ法と同様に、上記抵抗比に基づいて、超電導導体部の絶縁劣化位置を精度よく測定できる。

また、上記超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法によれば、光ファイバを内蔵した超電導ケーブルでなくても、劣化位置を特定できる。

（２）上記超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法の一形態として、上記交流電流の周波数が、商用周波数より高いことが挙げられる。

交流電流の周波数が高いほど、交流抵抗が大きくなり、ループの全インピーダンスと故障点までのインピーダンスの比を評価し易くなる。そのため、交流電流の周波数を高くすることで、測定精度を向上できる。また、交流電流の周波数を高くすることにより、通電負荷を小さくできる。そのため、通電する交流電流を小さくでき、交流電源の電流容量が小さくて済むので、小型の交流電源を使用できる。交流電流の周波数は、商用周波数の５０Ｈｚ又は６０Ｈｚより高いことが好ましく、特に限定されないが、例えば１ｋＨｚ以上４００ｋＨｚ以下、より好ましくは１００ｋＨｚ以上４００ｋＨｚ以下とすることが挙げられる。特に、交流電流の周波数を１００ｋＨｚ以上とすることで、小型で汎用の交流電源を使用できる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

まず、図１を参照して、超電導ケーブル線路を構成する超電導ケーブルの一例を説明する。

〈超電導ケーブル〉
超電導ケーブル１００は、超電導導体層１１２を有する超電導導体部１１０と、超電導導体部１１０を収納する断熱管１２０とを備える。図１に示す超電導ケーブル１００は、３本の超電導導体部１１０が撚り合わされた状態で断熱管１２０内に一括に収納された３心一括型であり、代表的には、３相交流送電を行う。超電導ケーブル１００は、断熱管１２０内に冷媒（例、液体窒素）を流通させることで、この冷媒により超電導導体部１１０（超電導導体層１１２）を冷却して超電導状態として、電力線路に利用される。以下、超電導ケーブル１００の構成をより詳しく説明する。

（超電導導体部）
超電導導体部１１０は、超電導導体層１１２の外側に配置された接地層１１４と、超電導導体層１１２と接地層１１４との間に配置された電気絶縁層１１３とを有する。この例では、超電導導体部１１０（以下、「ケーブルコア」と呼ぶ場合がある）は、中心から順に、フォーマ１１１、超電導導体層１１２、絶縁層１１３、接地層１１４、保護層１１５が同心状に配置されている。各超電導導体部１１０は、長さや形状、使用材料などが同じ同一仕様である。

（フォーマ）
フォーマ１１１は、銅やアルミニウムなどの金属又は合金、ステンレス鋼などの金属で形成されており、例えば、複数の金属線を撚り合わせた撚り線を利用できる。この例では、フォーマ１１１は、エナメルなどの絶縁被覆を有する複数の銅線を撚り合わせた撚り線で形成されている。

（超電導導体層）
超電導導体層１１２は、フォーマ１１１の外周に複数の超電導線材を単層又は多層に螺旋状に巻回することで形成されている。超電導線材には、例えば、Ｂｉ系銀シース線材やＲＥ１２３系薄膜線材などの公知のテープ状線材が利用できる。

（電気絶縁層）
電気絶縁層１１３は、超電導導体層１１２と、その外側に配置された部材（この例では、接地層１１４）との間の電気的絶縁を確保するためのものである。電気絶縁層１１３は、超電導導体層１１２の外周に、例えばＰＰＬＰ（登録商標；ＰｏｌｙＰｒｏｐｙｌｅｎｅＬａｍｉｎａｔｅｄＰａｐｅｒ）に代表される半合成絶縁紙を多層に螺旋状に巻回することで形成されている。

（接地層）
接地層１１４は、超電導導体層１１２の外側、具体的には電気絶縁層１１３の外周に導電線材を巻回することで形成されている。導電線材には、例えば、銅やアルミニウムなどの常電導線材を利用したり、超電導線材を利用できる。接地層１１４は、例えば、銅やアルミニウムなどの常電導材料からなる素線やテープ、或いは超電導線材を単層又は多層に螺旋状に巻回することで形成したり、常電導材料からなる編組線を巻回することで形成することが挙げられる。接地層１１４は、接地され、接地電位に保たれる。

（保護層）
保護層１１５は、ケーブルコア１１０の最外周に配置され、その内側に配置された部材（この例では、接地層１１４）と断熱管１２０との間の電気的絶縁を確保すると共に、内側に配置された部材を機械的に保護するためのものである。保護層１１５は、例えばＰＰＬＰやクラフト紙などの絶縁紙を接地層１１４の外周に螺旋状に巻回することで形成されている。

（断熱管）
断熱管１２０は、内管１２１と外管１２２とを有する二重管であり、内管１２１と外管１２２との間の空間が真空引きされ、この空間に真空断熱層が形成されている。真空断熱層には、断熱性を高めるためにスーパーインシュレーション（商品名）などの断熱材（図示せず）が配置されている。この例では、内管１２１及び外管１２２がステンレス鋼製のコルゲート管である。断熱管１２０内（ケーブルコア１１０と断熱管１２０（内管１２１）との間の空間）には冷媒が流通する。断熱管１２０（外管１２２）の外周にはビニルやポリエチレンなどは防食層１２５が形成されている。

［実施形態１］
〈超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法〉
図２を参照して、超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法の一例を説明する。実施形態１に係る超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法は、回路形成工程と、交流通電工程と、劣化位置測定工程とを備える。以下、各工程について詳しく説明する。ここでは、上述の超電導ケーブル１００を備える超電導ケーブル線路において、地絡事故が起き、３本のケーブルコア１１０のうち、１本のケーブルコア１１０に絶縁劣化による地絡故障が発生した場合を想定して説明する。図２において、健全なケーブルコアを健全相１１０_Ｓ、地絡故障（絶縁劣化部位）Ｆが存在するケーブルコアを事故相１１０_Ｆとして示す。

超電導ケーブル線路において、健全相か事故相（地絡相）かの判別は、例えば、低圧パルス法や放電検出形パルス法などの公知の方法を利用できる。また、絶縁抵抗を測定し、超電導導体層と大地間の絶縁抵抗が異常に低い場合に、地絡故障が存在すると判断してもよい。

（回路形成工程）
回路形成工程は、図２に示すような測定回路１を構成する。具体的には、健全相１１０_Ｓと事故相１１０_Ｆとの一端同士Ａ−Ａ’を短絡してループを形成する。また、健全相１１０_Ｓと事故相１１０_Ｆとの他端間Ｂ−Ｂ’に比例辺抵抗として第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２とを直列に接続すると共に、健全相１１０_Ｓと第１抵抗Ｒ１との接点及び事故相１１０_Ｆと第２抵抗Ｒ２との接点の間に検流計Ｇを接続してホイートストンブリッジを形成する。そして、第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２との接点に交流電源Ｐを接続する。

この例に示す測定回路１は、健全相１１０_Ｓと事故相１１０_Ｆとの一端間Ａ−Ａ’に短絡線１１が接続され短絡されており、他端間Ｂ−Ｂ’には、比例辺抵抗として滑り抵抗器２１が接続されている。滑り抵抗器２１は、第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２とを按分して、第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２との抵抗比が調整可能な可変抵抗である。この滑り抵抗器２１には、０〜１０００までの目盛があり、目盛の位置で第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２とを按分する。例えば、滑り抵抗器２１の目盛がａのとき、第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２との抵抗比は（１０００−ａ）：ａとなり、比例辺抵抗の全抵抗（第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２との合計抵抗）に対する第２抵抗Ｒ２の抵抗比（以下、「Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）抵抗比」と呼ぶ場合がある）はａ／１０００となる。検流計Ｇは、滑り抵抗器２１に並列に接続されている。交流電源Ｐは、一方の電源線が第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２とを按分する位置（即ち、第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２との接点）に接続され、他方の電源線が接地され接地電位に保たれている。

（交流通電工程）
交流通電工程は、交流電源Ｐから測定回路１に交流電流を通電することで、健全相１１０_Ｓと事故相１１０_Ｆに交流通電を行う。健全相１１０_Ｓ及び事故相１１０_Ｆを構成するケーブルコアには、交流抵抗（インピーダンス）が存在することから、交流通電によって電圧が発生する。交流通電を行うことで、ループの全インピーダンスと故障点までのインピーダンスの比を評価できる。短絡線１１は、ケーブルコアの長さに比較して極めて短く、そのインピーダンスは無視できるものとする。

（周波数）
交流電流の周波数は、商用周波数より高いことが好ましく、例えば１ｋＨｚ以上４００ｋＨｚ以下、好ましくは１００ｋＨｚ以上４００ｋＨｚ以下とすることが挙げられる。交流電流の周波数が高いほど、交流抵抗が大きくなり、ループの全インピーダンスと故障点までのインピーダンスの比を評価し易くなる。そのため、交流電流の周波数を高くすることで、測定精度を向上できる。また、交流電流の周波数を高くすれば、通電負荷が小さくなるので、通電する交流電流を小さくでき、電流容量が小さい小型の交流電源を使用できる。

（電流値）
通電する交流電流の電流値（実効電流値）は、特に限定されないが、例えば、健全相１１０_Ｓ及び事故相１１０_Ｆを構成する各ケーブルコアの定格電流の１％以上２０％以下、好ましくは１％以上５％以下とすることが挙げられる。ケーブルコアの定格電流の１％以上とすることで、健全相１１０_Ｓと事故相１１０_Ｆに交流電流が十分に流れ、上記インピーダンスの比を評価し易い。ケーブルコアの定格電流の２０％以下とすることで、交流電源の電流容量が小さくて済み、小型の交流電源を使用できる。

（劣化位置測定工程）
劣化位置測定工程は、交流電流を通電した状態で、比例辺抵抗を調整して、検流計Ｇに流れる電流がゼロとなる平衡条件を満たすときの第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２との合計抵抗に対する第２抵抗Ｒ２の比（Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２））を求め、この抵抗比に基づいて事故相１１０_Ｆの劣化位置を測定する。具体的には、検流計Ｇに流れる電流がゼロとなる平衡条件となるように、滑り抵抗器２１を操作して第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２との抵抗比を調整する。平衡条件のときの滑り抵抗器２１の目盛を読み取り、Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）抵抗比を求める。この抵抗比は、ブリッジの平衡条件により、ループの全インピーダンスに対する故障点までのインピーダンスの比と等しい。ケーブルコアのインピーダンスは距離に比例するから、上記抵抗比に基づいて、事故相１１０_Ｆの他端から地絡故障（絶縁劣化部位）Ｆが存在する地絡故障点（絶縁劣化位置）までの距離Ｌ_Ｆを算出することにより、事故相１１０_Ｆの絶縁劣化位置を特定する。

故障点までの距離Ｌ_Ｆの算出方法について、より詳しく説明する。滑り抵抗器２１の目盛がａで平衡した場合、線路の全長（健全相１１０_Ｓ及び事故相１１０_Ｆを構成する各ケーブルコアの長さ）をＬ［ｍ］とすると、ブリッジの平衡条件により、Ｌ_Ｆ（１０００−ａ）＝ａ（２Ｌ−Ｌ_Ｆ）を満たすことから、故障点までの距離Ｌ_Ｆは、Ｌ_Ｆ＝２ａＬ／１０００（ｍ）として求められる。

上述した実施形態１に係る超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法は、超電導ケーブル線路を構成する超電導ケーブル（超電導導体部）を冷却した状態で、超伝導導体部の絶縁劣化位置を測定できる。そのため、冷却を停止して常温にする操作の必要がなく、超伝導導体部の絶縁劣化位置を迅速に特定できる。

実施形態１では、超電導ケーブル線路が３心一括型超電導ケーブルで構成されている場合を例に挙げて説明したが、超電導ケーブル線路の構成は適宜変更することが可能である。超電導ケーブル線路は、例えば、１本のケーブルコアが断熱管内に収納された単心型超電導ケーブルを複数用いて構成されていてもよい。超電導ケーブル線路は、交流送電を行うものであってもよいし、直流送電を行うものであってもよい。また、超電導ケーブルとしては、断熱管内に電気絶縁層が設けられた低温絶縁方式と、断熱管外に電気絶縁層が設けられた常温絶縁方式とがあり、超電導ケーブル線路には、いずれの方式も採用できる。

本発明の超電導ケーブルの超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法は、超電導ケーブル線路の健全性の検査に好適に利用可能である。

１測定回路
１１０_Ｓ健全相１１０_Ｆ事故相
１１短絡線
２１滑り抵抗
Ｒ１第１抵抗Ｒ２第２抵抗
Ｇ検流計Ｐ交流電源
Ｆ地絡故障（絶縁劣化部位）
１００超電導ケーブル
１１０超電導導体部（ケーブルコア）
１１１フォーマ１１２超電導導体層
１１３電気絶縁層１１４接地層１１５保護層
１２０断熱管
１２１内管１２２外管
１２５防食層

Claims

超電導導体層と、前記超電導導体層の外側に配置された接地層と、前記超電導導体層と前記接地層との間に配置された電気絶縁層とを有する超電導導体部を複数備える超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法であって、
前記超電導導体部のうち、健全相と事故相との一端同士を短絡してループを形成し、他端間に比例辺抵抗として第１抵抗と第２抵抗とを直列に接続すると共に、前記健全相と前記第１抵抗との接点及び前記事故相と前記第２抵抗との接点の間に検流計を接続してホイートストンブリッジを形成し、前記第１抵抗と前記第２抵抗との接点に交流電源を接続する回路形成工程と、
前記交流電源から交流電流を通電する交流通電工程と、
前記比例辺抵抗を調整して、前記検流計に流れる電流がゼロとなる平衡条件を満たすときの前記第１抵抗と前記第２抵抗との合計抵抗に対する前記第２抵抗の比を求め、この抵抗比に基づいて前記事故相の劣化位置を測定する劣化位置測定工程と、を備える超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法。
前記交流電流の周波数が、商用周波数より高い請求項１に記載の超電導ケーブル線路の劣化位置測定方法。