JP6463277B2 - 電力の伝送 - Google Patents

Description

本発明は、電力の伝送に関する。

電力の伝送は、ほぼ例外なく６０サイクル／秒の三相交流により行われる。長い距離では、３４５キロボルトもの高い電圧と、少数の箇所での７６５キロボルトとが使用される。唯一の例外は少数のコネクタが直流を使用することである。

送電網を使用して電力を伝送する開発の初期段階では、その利点にのために直流よりも交流が選択されていた。交流は、低電圧から、長い距離の伝送で必要となる高電圧へと、変圧器によって容易に増大され得る。ラインのもう一方の端部で、電圧が消費者へ分配されるための安全なレベルへと低下され得る。加えて、交流は調整することが容易である。

交流にはプラスもあるが、いくつかの欠点がある。電磁放射を発生させることから、ＡＣは、長い距離の伝送では、また水中の伝送では、大量の電力を放散する。送電網は、全体として、交流を送るワイヤを囲む磁場内で莫大な量のエネルギーを貯蔵する。生じる電気慣性（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｉｎｅｒｔｉａ）により、電力の乱れ（ｐｏｗｅｒ ｕｐｓｅｔ）を制御することが困難となる。最後に、ＡＣ電力には、電気の様々な供給源を同期させなければならないことにより１つの問題がある。

ＡＣにはこのような欠陥があることから、特別の状況で電力を伝送するのには直流が使用される。このような手法の例には、カナダからニューヨーク州までの水力電力の運搬、ロングアイランド湾の下での電気の伝送、および、合衆国内の３つの独立システムの間での電力の限定的な交換が含まれる。しかし、これらの直流の適用に伴う投資コストは莫大である。巨大な電子装備ではＡＣからＤＣへとおよびその逆に変換することが必要である。

送電網を将来拡張することは、これまで以上の高い需要に見合う新しい技術が利用可能となることに大きく依存する。理想的な解決策は、ＡＣ電力の利点とＤＣ電気の特性とを組み合わせて、多用途、経済的、ユーザフレンドリな解決策に到達することである。以下の説明、および、本開示に添付される図から、本明細書で説明される電力伝送システムのこれらのおよび別の目的および利点が明らかとなる。

電力伝送システムの一実施形態の特徴は、単相交流を伝送するのに同軸ケーブルを使用することである。一方の電極が同軸ケーブルの中心の導線に接続され、もう一方の電極が、導線を囲む一方で導線から絶縁される導電性シールドに取り付けらる。

電力供給はほぼ全体が三相交流であることから、三相電力を単相電力へとおよびその逆に変換することが提案される。この変換には、特別の設計される変圧器を使用することが伴われる。

電力伝送システムと共に使用される変圧器はトロイダル形状を有し、トーラスの軸と交差する弦を有する。一次巻線はトーラスの周りにある電線コイルであり、端部が互いに接続される。三相の電力供給からのリード線が互いから１２０°離間されるポイントで一次コイルに取り付けられる。

変圧器の二次巻線は弦の周りに巻かれる電線コイルである。トーラスおよび弦は共に鉄などの磁性材料から製作されるソリッドコアである。
一実施形態では、電力を伝送するための装置が、ケーブルと、ケーブルに接続される変圧器とを有し、この変圧器が三相交流を単相電流に変換するためのものである。一構成では、ケーブルが同軸ケーブルである。任意選択で、変圧器が、トーラスの内側を通過する弦を備えるトーラスの構造のコアと、トーラス周りでコイル巻きされる一次巻線と、弦周りでコイル巻きされる二次巻線とを有する。別の構成では、弦はトーラスの直径である。代替的に、一次リード線が、トーラスの円周上の等距離のポイントで一次巻線に取り付けられ、一方のリード線が弦の一方の端部に直接に対向する。別の代替形態では、一次リード線がトーラスの円周上の等距離のポイントで一次巻線に取り付けられ、リード線が弦の方向から回転する。

一実施形態では、電力変換装置が、トーラスの内側を通過する弦を備えるトーラスの構造のコアと、トーラス周りでコイル巻きされる一次巻線と、弦周りでコイル巻きされる二次巻線とを有し、ここでは、電力変換装置が三相交流を単相電流に変換する。任意選択で、弦はトーラスの直径である。代替的に、一次リード線がトーラスの円周上の等距離のポイントで一次巻線に取り付けられ、一方のリード線が弦の一方の端部に直接に対向する。別の代替形態では、一次リード線がトーラスの円周上の等距離のポイントで一次巻線に取り付けられ、リード線が弦の方向から回転する。

一実施形態では、電力を変換および伝送するための方法が、変圧器で三相交流を受け取ることを含む。この方法が、三相交流を単相交流に変換することをさらに含む。この方法が、ケーブルを使用して単相交流を伝送することをさらに含む。任意選択で、変圧器が、トーラスの内側を通過する弦を備えるトーラスの構造のコアと、トーラス周りでコイル巻きされる一次巻線と、弦周りでコイル巻きされる二次巻線とを有する。代替的に、弦がトーラスの直径である。任意選択で、一次リード線が、トーラスの円周上の等距離のポイントで一次巻線に取り付けられ、一方のリード線が弦の一方の端部に直接に対向する。一構成では、一次リード線がトーラスの円周上の等距離のポイントで一次巻線に取り付けられ、リード線が弦の方向から回転する。任意選択で、ケーブルが同軸ケーブルである。一代替形態では、この方法が、第２の変圧器で単相交流を受け取ることと、単相交流を第２の三相交流に変換することと、第２のケーブルを使用して第２の三相交流を伝送することとをさらに含む。

別の実施形態では、電力を伝送するためのシステムが、第１の三相交流を送る第１のケーブルを有する。このシステムが第１のケーブルに接続される変圧器をさらに有し、この変圧器が第１の三相交流を単相電流に変換する。このシステムが同軸ケーブルをさらに有し、同軸ケーブルが単相電流を伝送する。任意選択で、変圧器が、トーラスの内側を通過する弦を備えるトーラスの構造のコアと、トーラス周りでコイル巻きされる一次巻線と、弦周りでコイル巻きされる二次巻線とを有する。一代替形態では、システムが同軸ケーブルに接続される第２の変圧器を有し、第２の変圧器が単相交流を第２の三相電流に変換し、第２のケーブルが第２の三相電流を送る。

一次巻線および二次巻線を示している、電力伝送システムと共に使用されるための変圧器の一実施形態を示す図である。 一次リード線が時計回りに回転する、電力伝送システムと共に使用されるための変圧器の別の実施形態を示す図である。 三相の電力供給の電磁力（ＥＭＦ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ）を示すグラフである。 図１の変圧器の二次巻線からの２つのリード線のＥＭＦを示すグラフである。 図２の変圧器の二次巻線からの２つのリード線のＥＭＦを示すグラフである。

電力伝送システムの実施形態が、電力を伝送するための同軸ケーブルを使用する。これにより、特に、現在、直流が使用されているような特別な用途において、運転（ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）の効率が向上する。電力伝送システムの実施形態の際立った特徴は、既存の送電網と互換性があることである。

電力伝送システムの一実施形態では、６０サイクル／秒の単相交流が同軸ケーブルによって伝送される。電力供給の一方の電極がケーブルの中心ワイヤに繋がり、もう一方の電極が中心ワイヤを包む導電性チューブに取り付けられる。

中心ワイヤ内を常時通る電流は、外側シェル内を流れる電流に等しいが、外側シェル内を流れる電流とは反対方向に移動する。したがって、一方の電流によって発生される電磁場が、もう一方の電流によって発生される電磁場を打ち消す。最終結果として、ケーブルが有する電磁場強度がゼロとなり、放射線を原因とする損失が排除される。

図４を参照することによりこの現象をより良好に視覚化することができる。リード線１内の電圧を表す正弦曲線が、リード線２の同様の曲線と完全につり合う。この構成は反対方向の等しい２つの電圧を有する二相システムと称される場合がある。しかし、より正確な用語は単相である。

送電網は全般的に三相であることから、同軸ケーブルによって伝送することを目的としてこの電気を単相に変換することを提案しなければならない。本明細書の図および説明でこの変換が概念的に示される。三相電力は単相発電機を駆動させるためのモータで使用され得る。しかし、この方式のコストおよび増大する複雑さは１つの欠点である。

電力伝送システムの変換機構の実施形態が、三相電力を単相電力に変換するための独自のデザインの変圧器を使用することを構想する。このような変圧器が図１に示される。変圧器がトーラス形状を有し、垂直な弦がその軸を通過する。トーラスおよび弦は共に鉄などの磁性材料から作られる。

変圧器の一次巻線がトーラス周りでコイル巻きされ、両端部が互いに取り付けられる。一次巻線に対する電力リード線が、ａ、ｂおよびｃとして示されるように、トーラス上で等距離のポイントに取り付けられ、つまり、円上で１２０°離間されて取り付けられる。１つのリード線ａがトーラスの頂部に位置し、弦の一方の端部のすぐ上方に位置する。

二次巻線が弦周りでコイル巻きされる。この巻線の両端部がテイクオフリード線（ｔａｋｅ−ｏｆｆ ｌｅａｄ）１および２に取り付けられる。
電力プロフィールが図３および図４に示される。図３では三相の電力供給が３つの正弦曲線ａ、ｂおよびｃとして示される。図４では出力電圧１および２が２つの正弦曲線として示される。出力の周波数は入力と同じであり、したがって位相ずれはない。

別の変圧器構成が図２に示されている。変圧器のコアおよび巻線は図１に示される特徴と同一であるが、リード線が異なるポイントに位置する。この特定の事例では、リード線ａは縦軸から３０°ずらされている。残りのリード線のバンド（ｌｅａｄ ｂａｎｄ）も同様に３０°回転する。

このリード線位置の変更の効果は非常に興味深いものである。変圧器の電圧出力が図５に示される。二次電圧で位相ずれがあることに注目されたい。このシフトは同軸ケーブルでの電力伝送に影響しないが、ケーブルを送電網に再接続させるところで問題を生じさせる可能性がある。

グリッドに再接続されるところの同軸ケーブルのもう一方の端部で単相電流を変換して三相電流に戻さなければならない。この変換は同じ変圧器を使用して行われるが、接続が逆となる。この場合、弦上の巻線が一次巻線となる。

材料構成は重要である。このような材料のための標準的な材料を背景技術で開示しているが、設備のサイズは導体および絶縁体に過剰な需要を生じさせる。重負荷となることが企図されるような事例では、同軸ケーブルを覆うのに水ジャケットが使用され得る。

電力伝送システムの用途と、付随の変圧器の用途と、使用方法の用途は、実質的に限定されない。長い距離にわたって電力を伝送するのに使用されようと、都市区域で電気を分配するのに使用されようと、住宅地域への供給に使用されようと、同軸ケーブルは多様な条件下で優れた性能を示すことができる。
（実施例）
二次電流の電圧プロフィールを決定するために一連の計算を行った。これらの計算の一実施例として、相ａが６０°の位置にある場合の、時間ｔにおける図１の変圧器の一次巻線の電圧の値を得た。図３では、接点ａの電圧が＋０．５４ボルトに等しく、ｂが＋０．５４ボルトに等しく、ｃが−１．０ボルトに等しい。再び図１を参照して、トーラスの左側の磁束が以下のように決定された。ａとｂとの間の巻線内の電流はゼロであった。ｂとｃとの間の電流は＋０．５４−（−１．０）すなわち、１．５４に比例し、時計回り方向であった。ｂからその最下点までのトーラスのセグメント内の磁束は０．５ｎ（１．５４）つまり０．７７ｎであった。ここでは、ｎは各一次接点（ｐｒｉｍａｒｙ ｃｏｎｔａｃｔ）の間の巻線の数である。したがって、トーラスの左側の合計の磁束は０．７７ｎであった。

同様の理論を使用して、トーラスの右側の磁束が０．７７ｎであると決定された。トーラスの左側の電流は右側の電流と同じ方向に回転することから、トーラスの左側および右側の両方の磁場は同じ方向を向いており、つまり、共にＮ極が上方にくる。その結果、磁束は相加的となり、合わせると、垂直方向の弦内の磁束と等しくなり、つまり、１．５４ｎと等しくなる。

二次巻線の巻数がｎに等しい場合、ターミナル１および２の両端の電圧は１．５４に等しい。したがって、ターミナル１の電位は＋０．７７ボルトであり、ターミナル２の電位は−０．７７ボルトである。表１が、図１に示される変圧器に対して行った計算の結果を示す。同様に、表２が、図２の変圧器の場合の値を示す。両方の変圧器の結果を図４および図５にグラフで示す。

上記の詳細な説明は、電力伝送システムを生み出すためのシステムおよび方法を実施するための少数の実施形態の詳細な説明であり、範囲を限定することを意図されない。以下の特許請求の範囲が電力伝送システムを生み出すためのシステムおよび方法の多数の実施形態を記載しており、電力伝送システムのシステムをより具体的に開示する。

Claims (17)

1. 電力を伝送するための装置であって、
   ケーブルと、
   前記ケーブルに接続され、三相交流を単相交流に変換するためのものである変圧器と、
   を備え、
   前記変圧器が、トーラスの内側を通過する弦を備えるトーラスの構造のコアと、前記トーラス周りでコイル巻きされる一次巻線と、前記弦周りでコイル巻きされる二次巻線とを有する、装置。
2. 前記ケーブルが同軸ケーブルである、請求項１に記載の装置。
3. 前記弦が前記トーラスの直径である、請求項１または２に記載の装置。
4. 一次リード線が、前記トーラスの円周上の等距離のポイントで前記一次巻線に取り付けられ、一方のリード線が前記弦の一方の端部に直接に対向する、請求項１または２に記載の装置。
5. 一次リード線が、前記トーラスの円周上の等距離のポイントで前記一次巻線に取り付けられ、前記ポイントが前記弦の方向からずらされている、請求項１または２に記載の装置。
6. トーラスの内側を通過する弦を備えるトーラスの構造のコアと、前記トーラス周りでコイル巻きされる一次巻線と、前記弦周りでコイル巻きされる二次巻線とを備え、三相交流を単相交流に変換する電力変換装置。
7. 前記弦が前記トーラスの直径である、請求項６に記載の装置。
8. 一次リード線が前記トーラスの円周上の等距離のポイントで前記一次巻線に取り付けられ、一方のリード線が前記弦の一方の端部に直接に対向する、請求項６に記載の装置。
9. 一次リード線が前記トーラスの円周上の等距離のポイントで前記一次巻線に取り付けられ、前記ポイントが前記弦の方向からずらされている、請求項６に記載の装置。
10. 電力を変換および伝送するための方法であって、
    変圧器で三相交流を受け取るステップと、
    前記三相交流を単相交流に変換するステップと、
    ケーブルを使用して前記単相交流を伝送するステップと
    を含み、
    前記変圧器が、トーラスの内側を通過する弦を備えるトーラスの構造のコアと、前記トーラス周りでコイル巻きされる一次巻線と、前記弦周りでコイル巻きされる二次巻線とを有する、方法。
11. 前記弦が前記トーラスの直径である、請求項１０に記載の方法。
12. 一次リード線が前記トーラスの円周上の等距離のポイントで前記一次巻線に取り付けられ、一方のリード線が前記弦の一方の端部に直接に対向する、請求項１０に記載の方法。
13. 一次リード線が前記トーラスの円周上の等距離のポイントで前記一次巻線に取り付けられ、前記ポイントが前記弦の方向からずらされている、請求項１０に記載の方法。
14. 前記ケーブルが同軸ケーブルである、請求項１０に記載の方法。
15. 第２の変圧器で前記単相交流を受け取るステップと、
    前記単相交流を第２の三相交流に変換するステップと、
    第２のケーブルを使用して前記第２の三相交流を伝送するステップと
    をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
16. 電力を伝送するためのシステムであって
    第１の三相交流を送る第１のケーブルと、
    前記第１のケーブルに接続され、前記第１の三相交流を単相交流に変換する変圧器と、
    前記単相交流を伝送する同軸ケーブルと
    を備え、
    前記変圧器が、トーラスの内側を通過する弦を備えるトーラスの構造のコアと、前記トーラス周りでコイル巻きされる一次巻線と、前記弦周りでコイル巻きされる二次巻線とを有する、システム。
17. 前記同軸ケーブルに接続され、前記単相交流を第２の三相交流に変換する第２の変圧器と、
    前記第２の三相交流を送る第２のケーブルと
    をさらに備える、請求項１６に記載のシステム。