JP6767192B2 - 水底電力ケーブル、水底電力ケーブルの冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、陸上区間から水底区間に亘って布設される水底電力ケーブル、及び水底電力ケーブルの冷却方法に関する。

従来から、海底、湖底などの水底を介して送電を行う水底電力ケーブルが広く用いられている。このような水底電力ケーブルが布設される環境は、その全長区間において一様ではなく、特に陸上区間に布設される区間で通電時の導体発熱が放散されにくい傾向にある。上記のような周囲環境の影響により、線路全長に占める割合が小さい陸上区間の送電容量によって、水底電力ケーブル全体の送電容量が決まることとなる。

特許文献１には、電力ケーブルと送水パイプと情報伝達用ケーブルとを複合して撚り合わせた水底複合ケーブルが記載されている。特許文献１には、副次的な効果として、送水パイプの表面温度と電力ケーブルの表面温度差によって、電力ケーブルが冷却され、電力ケーブルの送電容量が増えることが記載されている。

特開平９−３２０３５１号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された水底電力ケーブルでは、副次的な効果として送電容量の増加が期待されるだけに過ぎない。具体的に、特許文献１に記載された水底電力ケーブルでは、海に点在する数百ｍ間隔の島々に送水を行うことを主に想定していることから、所望の送水量を確保するためには、送水パイプを肉厚にするなど耐久性を高くする必要がある。すなわち、送水パイプでは、送水が主要な機能であることから肉厚にするなど耐久性を高めると、その分だけ送水パイプと電力ケーブルとの間の熱交換効率が悪くなり、電力ケーブルを効率良く冷却することができず、送電容量を効率良く増やすことができなかった。

また、特許文献１に記載された水底電力ケーブルでは、ケーブル外径が固定である場合、送電容量を増やすため電力ケーブルを拡径すると、その分だけ送水パイプを小さくしなければならず所望の送水量を実現することができなかった。

本発明の目的は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、陸上区間から水底区間に亘って布設される水底電力ケーブル構造において、電力ケーブルのサイズアップの抑制と、送電容量の増加との両立が可能な水底電力ケーブル構造を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る水底電力ケーブルは、陸上区間から水底区間に亘って布設される水底電力ケーブルであって、複数の電力ケーブルコアと、前記複数の電力ケーブルコアを冷却するための水を通水する中空管と、を備え、前記複数の電力ケーブルコアと前記中空管とが撚り合わされており、前記中空管に複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする。

上記構成によれば、複数の貫通孔を有する中空管を電力ケーブルコアに撚り合せて通水する。このようにして貫通孔を介して導水することにより、陸上区間と水底区間との間に通水経路が構築され、陸上区間の電力ケーブルコアを効率良く冷却して送電容量の増加を図ることができる。上記構成によれば、水底区間に比べて通電時の導体発熱が放散されにくい陸上区間の送電容量の増加を図る結果、電力ケーブルコアのサイズアップを抑制しながら、送電容量を効率良く増加することができる。

（２）本発明に係る水底電力ケーブルの冷却方法は、水底区間から陸上区間に亘って布設された水底電力ケーブルの冷却方法において、複数の電力ケーブルコアと中空管とが撚り合わされており、かつ前記水底区間において前記中空管に複数の貫通孔が形成されている水底電力ケーブルを用いて、前記貫通孔を介して水底区間と前記陸上区間との間を流れる通水経路を構築し、陸上区間に送水することで、前記電力ケーブルコアを冷却することを特徴とする。

上記構成によれば、前記貫通孔を介して水底区間と前記陸上区間との間を流れる通水経路を構築し、陸上区間に送水する。このような通水経路を流れる水によって、陸上区間の電力ケーブルを効率良く冷却して、陸上区間の送電容量の増加を図ることができる。上記構成によれば、水底区間に比べて通電時の導体発熱が放散されにくい陸上区間の送電容量の増加を図る結果、電力ケーブルコアのサイズアップの抑制しながら、送電容量を効率良く増加することができる。

（３）本発明に係る水底電力ケーブルの冷却方法の好ましい態様によれば、当該水底電力ケーブルは、前記中空管に前記水底区間のみ複数の貫通孔が形成されており、前記複数の貫通孔から前記中空管の内部に水を吸水し、前記吸水した水を前記中空管を通じて前記陸上区間に送水することで、前記電力ケーブルコアを冷却することを特徴とする。

上記構成によれば、水底区間において、中空管に貫通孔が形成されているので、水底区間から陸上区間に水が送水する通水経路が構築される。このような通水経路を流れる水によって、陸上区間の電力ケーブルを効率良く冷却して、陸上区間の送電容量の増加を図ることができる。上記構成によれば、水底区間に比べて通電時の導体発熱が放散されにくい陸上区間の送電容量の増加を図る結果、電力ケーブルコアのサイズアップの抑制しながら、送電容量を効率良く増加することができる。

（４）本発明に係る水底電力ケーブルの冷却方法の好ましい態様によれば、当該水底電力ケーブルが埋設された管路に布設されており、前記陸上区間に送水された水を前記管路内に戻すことで、前記電力ケーブルコアをさらに冷却することを特徴とする。

上記構成によれば、陸上区間に送水された水を管路内に戻すことで、電力ケーブルコアをよりいっそう冷却することができる。

（５）本発明に係る水底電力ケーブルの冷却方法の好ましい態様によれば、当該水底電力ケーブルは、前記中空管に前記水底区間から前記陸上区間に亘って複数の貫通孔が形成され、埋設された管路に布設されており、前記陸上区間から前記中空管に水を送水し、前記送水した水を前記複数の貫通孔を介して前記中空管の外部に排水することで、前記電力ケーブルコアを冷却することを特徴とする。

上記構成によれば、中空管に複数の貫通孔が形成されている水底電力ケーブルが、埋設された管路に布設されているので、中空管から貫通孔を介して管路に水が流れる通水経路が構築される。このような通水経路を流れる水によって、陸上区間の電力ケーブルを効率良く冷却して、陸上区間の送電容量の増加を図ることができる。上記構成によれば、水底区間に比べて通電時の導体発熱が放散されにくい陸上区間の送電容量の増加を図る結果、電力ケーブルコアのサイズアップの抑制しながら、送電容量を効率良く増加することができる。

本発明によれば、陸上区間から水底区間に亘って布設される水底電力ケーブル構造において、電力ケーブルのサイズアップの抑制と、送電容量の増加との両立が可能な水底電力ケーブル構造を提供することができる。

図１は、海底に布設された水底電力ケーブルの布設状態について説明するための図である。 図２は、第１実施形態に係る水底電力ケーブル１ａの構造について説明するための図である。 図３は、第１実施形態の水底電力ケーブル１ａの変形例に係る構造について説明するための水底電力ケーブル断面図である。 図４は、水底電力ケーブル１ａの中空管が電力ケーブルコアを冷却する方法について説明するための図である。 図５は、第１実施形態の第１変形例に係る電力ケーブルコアの冷却方法について説明するための図である。 図６は、第１実施形態の第２変形例に係る電力ケーブルコアの冷却方法について説明するための図である。 図７は、第２実施形態に係る水底電力ケーブル１ｂの構造について説明するための図である。 図８は、水底電力ケーブル１ｂの中空管が電力ケーブルコアを冷却する方法について説明するための図である。

本発明を実施するための形態（以下、本実施形態という。）について具体例を示して説明する。本実施形態は、陸上区間から水底区間に亘って布設される水底電力ケーブル、および水底電力ケーブルの冷却方法に関する。

＜海底に布設された水底電力ケーブルの布設状態＞
まずは、本発明が適用された水底電力ケーブルおよびその冷却方法に係る説明に先立ち、水底電力ケーブルが用いられる適用例について説明する。水底電力ケーブルは、例えば図１（Ａ）に示すように、杭打ち式洋上風力発電装置である杭打ち式洋上設備１０１側（水底区間）から、発電電力を地上側（陸上区間）に送電するための用途として用いられる。

杭打ち式洋上設備１０１は、海底まで打たれた杭１０２によって固定される。また、このような構造の杭打ち式洋上設備１０１が洋上に複数配置される。また、杭打ち式洋上設備１０１は、アレーケーブル１０３を介して、杭打ち式洋上設備１０４に設けられた洋上変電所１０５と電気的に接続される。つまり、杭打ち式洋上設備１０１で発電された電気は、洋上変電所１０５で変圧されてから陸上区間側に送電される。

水底電力ケーブル１は、本発明に適用される水底電力ケーブルの一態様であって、上述した杭打ち式洋上設備１０４に設けられた洋上変電所１０５と電気的に接続される。また、水底電力ケーブル１は陸上区間に設けられた電力送電設備等と接続される。

以上のようにして、杭打ち式洋上設備１０１で発電された電気は、洋上変電所１０５で変圧され、水底電力ケーブル１によって陸上区間に送電される。なお、水底電力ケーブル１は、図１（Ａ）に示す適用例に限定されず、例えば図１（Ｂ）に示すように、杭１０２によって固定された杭打ち式洋上設備１０１のそれぞれと、直接電気的に接続してもよい。

上述した図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示したような送電システムにおいて、水底電力ケーブル１は、その大半の部分が水底区間において水中、つまり、含水率が高い土壌の中にあって、周囲温度が低く土壌熱抵抗も小さい環境に置かれている。一方で水底電力ケーブルを陸揚げしてする、いわゆる渚部のような陸上区間においては、水底区間と比べてケーブルを囲む土壌の基底温度は高く、含水率が低いため土壌熱抵抗も大きい。この結果、水底電力ケーブル１は、陸上区間に敷設された周辺温度に基づき、陸上区間から水底区間に亘るケーブル全体の許容電流の上限値が決まる結果、ケーブルの導体サイズを大きくせざるを得ないという問題がある。

＜第１実施形態＞
上記のような問題に対して、ケーブルのサイズアップの抑制と、送電容量の増加との両立を図るため、第１実施形態に係る水底電力ケーブル１ａは、図２に示すような構成を採用する。

図２（Ａ）は、第１実施形態に係る水底電力ケーブル１（以下、他の実施形態と区別するため水底電力ケーブル１ａという。）の鎧装鉄線１３１の部分を透視した側面図であり、図２（Ｂ）は第１実施形態に係る水底電力ケーブル１ａの断面図である。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、水底電力ケーブル１ａは、複数本（図中では３本）の電力ケーブルコア１１ａ、１１ｂ、１１ｃ（総称した場合、電力ケーブルコア１１という。）と、陸上区間と水底区間との間を送水可能な３本の中空管１２ａ１、１２ａ２、１２ａ３（総称した場合、中空管１２ａという。）と、を備える。また、水底電力ケーブル１ａは、電力ケーブルコア１１と中空管１２ａとがポリプロピレンヤーン介在層１３２とともに撚り合わせられている。さらに、水底電力ケーブル１ａの外層は、布設時張力に対する補強および布設後の防護を目的として、複数本の鎧装鉄線１３１で覆われている。鎧装鉄線１３１は、強度確保のため外層を覆うものであるから止水性はなく、鎧装鉄線１３１の内外に通水可能である。鎧装鉄線の外層には、ポリプロピレンヤーン防護層１３３を設ける。

電力ケーブルコア１１は、杭打ち式洋上設備１０１で発電された電気を、水底区間から陸上区間側に送電する送電経路として機能し、導体部１１０１と、導体部１１０１を被覆する絶縁部１１０２などから構成される。導体部１１０１は、銅素線などを撚り合わせて構成されている。絶縁部１１０２は、例えば、例えば架橋ポリエチレンなどから構成され、さらに遮水性を実現するため、外周部は鉛層で被覆されている。

中空管１２ａは、繊維状合成樹脂、合成樹脂、可撓性に富む中実合成樹脂などから構成される中空の管状体である。具体的には、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、架橋ポリエチレン（ＸＬＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などが、中空管１２ａの材料として用いられる。

さらに、中空管１２ａは、陸上区間に敷設されている電力ケーブルコア１１を冷却する通水経路として機能するため、図２（Ｃ）に示すように、水底区間にかかる布設区間１２０ａと、陸上区間にかかる布設区間１２０ｂとのうち、水底区間にかかる布設区間１２０ａの側面１２０１に、複数の貫通孔１２０２が形成されている。このように中空管１２ａの側面１２０１に貫通孔１２０２が形成されているので陸上区間と水底区間との間に通水経路が構築されることとなる。

具体例として、中空管１２ａが外径４０ｍｍで厚さ３ｍｍのパイプ部材の場合は、側面１２０１全体に亘って１０ｍｍ間隔で外径が２〜３ｍｍ位の孔をドリルで空けることで、貫通孔１２０２を形成すればよい。

なお、中空管１２ａは、図２に示したような断面視が略円形であるものに限らず、例えば種々の形状を採用することができる。例えば、図３（Ａ）の断面視に示すように、断面視が略扇型の中空管１２ａ４と、断面視が略三角形状の中空管１２ａ５、断面視が平行四辺形（略ひし形）の中空管１２ａ６を組み合わせて用いてもよい。また、断面視が平行四辺形（略ひし形）の中空管１２ａ６に代えて、図３（Ｂ）に示すように、断面視が扇型に近い台形形状の中空管１２ａ７を、中空管１２ａ４、１２ａ５と組み合わせて用いてもよい。上述した中空管１２ａ４〜１２ａ７では、略円形の中空管１２ａ１〜１２ａ３と比べて管内の断面積を大きくすることができ、高い通水機能を実現できる点で好ましい。

次に、以上のような構成からなる水底電力ケーブル１ａの中空管１２ａが電力ケーブルコア１１を冷却する冷却方法について図４を参照して説明する。図４は、水底区間から陸上区間まで布設された水底電力ケーブル１ａにおける中空管１２ａの通水経路を模式的に示した図である。

まず、図４に示すように、水底電力ケーブル１ａの中空管１２ａには、貫通孔１２０２を介して水底区間から取り込まれた水を陸上区間に汲み上げるポンプ１４が設けられている。すなわち、中空管１２ａには、その陸上区間の地中に設けられたポンプ１４が接続されている。また、ポンプ１４には地上側に通じる送水管１３０と接続されており、汲み上げた水を送水管１３０を介して地上側に流すことができる。

このようなポンプ１４による汲み上げ動作によって、図４の矢印に示すように、水底区間にかかる布設区間の中空管１２ａに形成された貫通孔を介して、中空管１２ａ内部に水（海底の場合は、海水）が取り込まれる。ここで、中空管１２ａがポリプロピレンヤーン介在層１３２とともに撚り合わされているため、言い換えれば中空管１２ａがポリプロピレンヤーン介在層１３２に囲まれているため、ポリプロピレンヤーン介在層１３２がフィルタ代わりとなり、ろ過用のフィルタを設けなくとも中空管１２ａに取り込まれる水をろ過することができる。

続いて、中空管１２ａ内部に取り込まれた水がポンプ１４に汲み上げられることとなる。つまり、水底区間から陸上区間に汲み上げられる水によって、中空管１２ａと電力ケーブルコア１１との間で熱交換が行われ、陸上区間に布設されている電力ケーブルコア１１を効率良く冷却することができる。この結果、水底区間に比べて通電時の導体発熱が放散されにくい陸上区間の送電容量の増加を図ることで、水底電力ケーブル全体の送電容量の増加を図ることができる。

なお、第１実施形態では、図４に示したような冷却方法に限らず、種々の変形が可能である。

例えば第１変形例として、図５に示すように、水底電力ケーブル１ａの陸上区間にかかる区間については、ＨＤＤ工法により掘削形成された地中管路２００の内部に布設してもよい。さらに地中管路２００の内部に布設された水底電力ケーブル１ａの冷却効率をより高めるため、ポンプ１４で汲み上げた水を、地中管路２００に流す配水管１５を設けることが好ましい。このように水底区間から汲み上げた水を配水管１５を介して、地中管路２００に流す（戻す）ことで、よりいっそう地中管路２００の内部に布設された水底電力ケーブル１ａの冷却効率を高めることができる。

また、ポンプ１４で水底区間から水を汲み上げる場合に限らず、図６に示す第２変形例のように、陸上区間から中空管１２ａの内部に給水する給水管１６を設けてもよい。つまり、中空管１２ａの陸上区間の終端部に給水管１６を接続する。また、給水管１６から中空管１２ａ内部に給水する水は、例えば、浄化処理済みの生活排水、産業排水、ろ過済みの自然水など、中空管１２ａの通水経路が滞らない程度に粒状物が除去された水であればもちいることができる。このように給水管１６から中空管１２ａ内部に水を給水することで、図５の矢印で示すように、中空管１２ａ内部を水が陸上区間から水底区間に向けて流れた後、中空管１２ａに形成された貫通孔１２０２から排出される。以上のような第２変形例によれば、陸上区間から水底区間に向けて中空管１２ａ内部に水が流れることで、中空管１２ａと電力ケーブルコア１１との間で熱交換が行われ、陸上区間にかかる区間の電力ケーブルコア１１を効率良く冷却することができる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る水底電力ケーブル１ｂに係る構造について、図７を用いて説明する。

図７（Ａ）は第２実施形態に係る水底電力ケーブル１（以下、他の実施形態と区別するため水底電力ケーブル１ｂという。）の一部を透視した側面図であり、図７（Ｂ）は第２実施形態に係る水底電力ケーブル１ｂの断面図である。図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、水底電力ケーブル１ｂは、上述した第１実施形態と同様に、複数本（図中では３本）の電力ケーブルコア１１ａ、１１ｂ、１１ｃ（総称した場合、電力ケーブルコア１１という。）と、陸上区間と水底区間との間を送水可能な３本の中空管１２ｂ１、１２ｂ２、１２ｂ３（総称した場合、中空管１２ｂという。）と、を備え、電力ケーブルコア１１と中空管１２ｂとが撚り合わせられている。さらに、水底電力ケーブル１ｂの最外層は、布設時張力に対する補強および布設後の防護を目的として、複数本の鎧装鉄線１３１で覆われている。

電力ケーブルコア１１の構成については第１実施形態と同様の符号を付し、その説明を省略する。

中空管１２ｂは、繊維状合成樹脂、合成樹脂、可撓性に富む中実合成樹脂などから構成される中空の管状体である。なお、中空管１２ｂについては、図７に示すような断面視が略円形状のものに限らず、略扇形状、略三角形状、略四角形状、あるいはこれらの組み合わせのものを採用してもよい。

なお、中空管１２ｂは、陸上区間に敷設されている電力ケーブルコア１１を冷却する通水経路として機能するため、図７（Ｃ）に示すように、水底区間にかかる布設区間１２０ａと、陸上区間にかかる布設区間１２０ｂとの両方の側面１２０１、１２０３に、それぞれ多数の貫通孔１２０２、１２０４が形成されている。このように中空管１２ｂにおける水底区間から陸上区間に亘る側面１２０１、１２０３に貫通孔１２０２、１２０４が形成されているので、陸上区間と水底区間との間に通水経路が構築されることとなる。

次に、以上のような構成からなる水底電力ケーブル１ｂについて、中空管１２ｂが電力ケーブルコア１１を冷却する冷却方法について図８を参照して説明する。図８は、水底区間から陸上区間まで布設された水底電力ケーブル１ｂにおける中空管１２ｂの通水経路を模式的に示した図である。

まず、図８に示すように、水底電力ケーブル１ｂの陸上区間にかかる布設区間については、ＨＤＤ工法により掘削形成された地中管路２００の内部に布設される。また、水底電力ケーブル１ｂの中空管１２ｂには、陸上区間から中空管１２ｂの内部に給水する給水管１７が設けられている。すなわち、中空管１２ｂには、その陸上区間側の終端部に給水管１７が接続されている。

給水管１７から中空管１２ｂ内部に給水する水は、例えば、浄化処理済みの生活排水、産業排水、ろ過済みの自然水など、中空管１２ｂの通水経路が滞らない程度に粒状物が除去された水であればよい。

このように給水管１７から中空管１２ｂ内部に給水することで、図８の矢印で示すように、まず、陸上区間にかかる布設区間１２０ｂにおいて、中空管１２ｂ内部から貫通孔１２０４を介して水が排出することにより、ポリプロピレンヤーン介在層１３２を介して電力ケーブルコア１１の外周部が濡れて、電力ケーブルコア１１を冷却することができる。ここで、中空管１２ｂと電力ケーブルコア１１とが撚り合わせられているため、電力ケーブルコア１１が濡れる部位が偏ることがなく、電力ケーブルコア１１を満遍なく冷却することができる。続いて、貫通孔１２０４から流れ出た水は、地中管路２００を介して水底区間に流れることとなる。また、貫通孔１２０４から流れ出ることなく中空管１２ｂ内部に留まっている水は、水底区間にかかる布設区間１２０ａにおいて貫通孔１２０２から排出されることとなる。以上のようにして、陸上区間から水底区間に向けて中空管１２ｂ内部に水が流れることで、中空管１２ｂと電力ケーブルコア１１との間で熱交換が行われ、陸上区間にかかる区間の電力ケーブルコア１１を効率良く冷却することができる。

さらに、図８に示すように、地中管路２００の内部に布設された水底電力ケーブル１ｂの冷却効率をより高めるため、給水管１７とは別に、地中管路２００に給水するための給水管１８を設けることが好ましい。ここで、給水管１８から地中管路２００に給水する水は、給水管１７と同様に、例えば、浄化処理済みの生活排水、産業排水、ろ過済みの自然水などを利用すればよい。

このように給水管１８を用いて地中管路２００に給水することで、よりいっそう地中管路２００の内部に布設された水底電力ケーブル１ｂの冷却効率を高めることができる。

＜その他＞
本発明は、上述した第１および第２実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、電力ケーブルコアの数は３本に限らず任意の本数を用いることが可能である。また、中空管１２ｂの数についても、３本に限らず任意の本数を用いることができる。

１、１ａ、１ｂ 水底電力ケーブル
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 電力ケーブルコア
１２ａ、１２ａ１〜１２ａ５、１２ｂ １２ｂ１〜１２ｂ３ 中空管
１２０１、１２０３ 側面
１２０２、１２０４ 貫通孔

Claims (5)

1. 陸上区間から水底区間に亘って布設される水底電力ケーブルにおいて、
   複数の電力ケーブルコアと、
   前記複数の電力ケーブルコアを冷却するための水を送水する中空管と、を備え、
   前記複数の電力ケーブルコアと前記中空管とが撚り合わされており、
   前記中空管に複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする水底電力ケーブル。
2. 水底区間から陸上区間に亘って布設された水底電力ケーブルの冷却方法において、
   複数の電力ケーブルコアと中空管とが撚り合わされており、かつ前記水底区間において前記中空管に複数の貫通孔が形成されている水底電力ケーブルを用いて、前記貫通孔を介して水底区間と前記陸上区間との間を流れる通水経路を構築し、陸上区間に送水することで、前記電力ケーブルコアを冷却することを特徴とする水底電力ケーブルの冷却方法。
3. 当該水底電力ケーブルは、前記中空管に前記水底区間のみ複数の貫通孔が形成されており、
   前記複数の貫通孔から前記中空管の内部に水を吸水し、
   前記吸水した水を前記中空管を通じて前記陸上区間に送水することで、前記電力ケーブルコアを冷却することを特徴とする請求項２記載の水底電力ケーブルの冷却方法。
4. 当該水底電力ケーブルが埋設された管路に布設されており、
   前記陸上区間に送水された水を前記管路内に戻すことで、前記電力ケーブルコアをさらに冷却することを特徴とする請求項３記載の水底電力ケーブルの冷却方法。
5. 当該水底電力ケーブルは、前記中空管に前記水底区間から前記陸上区間に亘って複数の貫通孔が形成され、埋設された管路に布設されており、
   前記陸上区間から前記中空管に水を送水し、
   前記送水した水を前記複数の貫通孔を介して前記中空管の外部に排水することで、前記電力ケーブルコアを冷却することを特徴とする請求項２記載の水底電力ケーブルの冷却方法。

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