JP5628620B2 - Power lead and power transmission system including the power lead - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、寒剤で冷却された超電導饋電線及び該超電導饋電線の給電先であるトロリー線(架線)間を電気的に接続するパワーリード、並びに該パワーリードを備えた送電システムの技術分野に関する。 The present invention is, for example, a superconducting feeder cable cooled with a cryogen, a power lead that electrically connects a trolley wire (overhead wire) to which the superconducting feeder is fed, and a technology of a power transmission system including the power lead. Related to the field.
電気車のように大容量電力を動力源として用いる移動体に電力を供給する送電システムとして、大容量電力が印加されている饋電線からトロリー線(架線)に電力を給電するものが知られている。このような送電システムでは、近年、送電効率を向上させるために、電気抵抗値が略ゼロである超電導体からなる超電導饋電線を採用する試みがなされている。超電導饋電線の材料としては例えば酸化物高温超電導線を用いることができ、液体窒素等の寒剤によって冷却することによって、電気抵抗値が略ゼロである超電導状態を実現し、高効率な送電が実現される。 As a power transmission system that supplies electric power to a moving body that uses large-capacity power as a power source such as an electric vehicle, it is known to supply electric power from a feeder to which a large-capacity power is applied to a trolley wire (overhead wire) Yes. In such a power transmission system, in recent years, in order to improve power transmission efficiency, attempts have been made to employ superconducting feeders made of a superconductor having an electric resistance value of substantially zero. For example, oxide high-temperature superconducting wire can be used as a material for superconducting feeders, and by cooling with a cryogen such as liquid nitrogen, a superconducting state in which the electrical resistance value is substantially zero is realized, and highly efficient power transmission is realized. Is done.
超電導饋電線からトロリー線(架線)への給電は、超電導饋電線及びトロリー線(架線)間を電気的に接続するパワーリードを介して行われる。パワーリードは、低温状態にある超電導饋電線と高温（典型的には常温）状態にあるトロリー線(架線)とを連結するため、トロリー線(架線)側からパワーリードを介して超電導饋電線に対して熱侵入が生じることが問題となる。また、パワーリードは主として電気抵抗値の低い金属（典型的には、高純度の銅）からなる導体部から形成されているが、導体部の有する有限の電気抵抗値によって、通電時に流れる電流値に応じてジュール熱が発生する。ここで、ジュール熱を軽減すべく導体部の断面積を増加させると、トロリー線(架線)側から超電導饋電線への熱侵入が増加してしまう。一方、熱侵入を軽減すべく導体部の断面積を減少させると、逆に通電時に生じるジュール熱が増加してしまう。このようにパワーリードの導体部は、超電導饋電線への熱侵入の抑制と、通電時に生じるジュール熱の抑制とを両立可能なように、バランスよく設計する必要がある。典型的には、導体部は次式
パワーリードの導体部に印加される電流値が比較的小さい場合、導体部を上記（１）式に従って設計することによって、超電導饋電線への熱侵入の抑制と通電時に発生するジュール熱の抑制とをある程度両立できる可能性はある。しかしながら、電気車の送電システムなどの大容量な送電システムにおいては、大電流を印加できるように導体部の断面積を大きく設定することが前提となるため、このような場合にも熱侵入を効果的に抑制できるよう、更なる改善が要請されているのが現状である。このような要請に対し、例えば非特許文献１では、パワーリードにおける熱侵入経路である導体部に熱電素子の一種であるペルチェ素子を組み込むことによって、通電時に熱電素子の両端に温度差を発生させ、熱侵入を軽減する技術が開示されている。また非特許文献２には、導体部の内部に空洞を設け、当該空洞に寒剤を導入することにより、導体部を内側から冷却することによって、超電導饋電線への熱侵入及び通電時に発生するジュール熱を抑制する技術が開示されている。
When the current value applied to the conductor part of the power lead is relatively small, the conductor part is designed according to the above equation (1), thereby suppressing the heat intrusion into the superconducting feeder cable and the Joule heat generated during energization. There is a possibility that both can be achieved to some extent. However, in a large-capacity power transmission system such as an electric vehicle power transmission system, it is assumed that the cross-sectional area of the conductor is set large so that a large current can be applied. It is the present situation that further improvement is requested so that it can be suppressed. In response to such a request, for example, in
しかしながら、非特許文献１に係るパワーリードでは、熱電素子の両端に十分な温度差を生じさせるために、ペルチェ素子内の電圧降下を補償するために電源電圧を上昇するか、もしくは別途電源系を設けて熱電素子に電圧を供給する必要があるので、当該によって消費される電力量を鑑みると、送電システムの全体的な送電効率が低下してしまうという技術的問題点がある。
However, in the power lead according to Non-Patent
また、非特許文献２に係る技術では、導体部の内部に恒常的に寒剤を導入する必要があるため、寒剤が大量に消費され、運用コストが増大しまうという技術的問題点がある。特に、上述の超電導饋電線からトロリー線(架線)に電力を給電する送電システムの例では、給電先の電気車が時々刻々と移動するため、超電導饋電線とトロリー線(架線)との間には一定間隔毎にパワーリードを設ける必要がある（即ち、送電システム全体で見ると多数のパワーリードが配置されている）が、個々のパワーリードに着目すると、近傍を電気車が通過するタイミングに間欠的に電流が流れるにすぎないため、このようにパワーリードに対して恒常的に寒剤を導入することは大変不効率である。 Further, in the technology according to Non-Patent Document 2, since it is necessary to constantly introduce the cryogen into the conductor portion, there is a technical problem that the cryogen is consumed in a large amount and the operation cost increases. In particular, in the example of the power transmission system that feeds power from the superconducting feeder cable to the trolley wire (overhead wire), the electric vehicle to which the power is supplied moves from moment to moment, so the superconducting feeder wire and the trolley wire (overhead wire) However, it is necessary to provide power leads at regular intervals (ie, a large number of power leads are arranged in the power transmission system as a whole). Since only current flows intermittently, it is very inefficient to constantly introduce a cryogen into the power lead in this way.
本発明は、例えば上述した問題点に鑑みなされたものであり、寒剤で冷却された超電導饋電線及び該超電導饋電線の給電先であるトロリー線(架線)間を電気的に接続するパワーリードにおいて、トロリー線(架線)側からの超電導饋電線への熱侵入を軽減すると共に、大容量の電流が間欠的に印加された際に発生するジュール熱を効果的に抑制することが可能なパワーリード、及び該パワーリードを備えた送電システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, for example, in a power lead electrically connecting a superconducting feeder cable cooled with a cryogen and a trolley wire (overhead wire) to which the superconducting feeder is fed. , A power lead that reduces heat intrusion into the superconducting feeder from the trolley wire (overhead wire) side and effectively suppresses Joule heat generated when a large current is intermittently applied And a power transmission system including the power lead.
本発明のパワーリードは上記課題を解決するために、延在方向に沿って寒剤が流れる流路を内部に有する超電導饋電線の側面を該超電導饋電線の給電先であるトロリー線に電気的に接続するパワーリードにおいて、内部に長さ方向に沿って延在する内空部が形成された円筒形状を有し、一端が前記超電導饋電線の側面に設けられた開口部を囲むように接続され、且つ、他端が前記トロリー線に電気的に接続された導体部と、前記内空部の内部に配置され、前記導体部の長さ方向に沿って前記開口部を貫通して前記寒剤に至るまで延在する棒状部材と、前記開口部及び前記棒状部材間に形成された隙間を、前記棒状部材が前記導体部に対して相対的に移動可能にシールするシール部材とを備え、前記棒状部材は、前記導体部に比べて線熱膨張率が小さい材料から形成され、前記棒状部材の前記一端には、前記導体部の非発熱時に前記内空部が前記寒剤から隔離され、且つ、前記導体部の発熱時に前記内空部が前記寒剤の流路に連通するように、前記他端側に向かって凹状に形成されたスリット部が設けられていることを特徴とする。 For power lead of the present invention is to solve the above problems, the side surfaces of the superconducting feeder cable having a flow path through which cryogen along the extending direction internally electrically trolley line is a power supply destination of the superconducting feeder lines The power lead to be connected has a cylindrical shape in which an inner space extending along the length direction is formed inside, and one end is connected so as to surround an opening provided on a side surface of the superconducting feeder cable. And a conductor part electrically connected to the trolley wire at the other end and disposed inside the inner space part, penetrating the opening part along the length direction of the conductor part to the cryogen. a rod-like member that Mashimasu rolled up, a gap formed between the opening and the rod-shaped member, and a sealing member to which the rod-shaped member is sealed movable relative to the conductor part, The rod-like member has a linear thermal expansion coefficient compared to the conductor portion. Formed from a material having a low, wherein the one end of the rod-like member, the inner hollow portion at the time of non-heating of the conductor portion is isolated from said cryogen, and said inside air portion flow of said cryogen during heating of the conductor part A slit portion formed in a concave shape toward the other end side is provided so as to communicate with the road.
本発明に係るパワーリードによれば、棒状部材は、導体部に比べて線熱膨張率が小さい材料から形成されているので、温度変化に従って導体部に対する棒状部材の位置が相対的に変化することによって、内空部にスリット部を介して寒剤を導入し、導体部を内側から冷却することができる。 According to the power lead of the present invention, the rod-shaped member is formed of a material having a smaller linear thermal expansion coefficient than the conductor portion, so that the position of the rod-shaped member relative to the conductor portion changes relative to the temperature change. Thus, the cryogen can be introduced into the inner space portion through the slit portion, and the conductor portion can be cooled from the inside.
このような寒剤の導入は、上述した熱電素子を組み込む場合のように熱電素子による電圧降下を補償するために電源電圧を上昇させる、あるいは別途外部電源等を設けることなく、専ら導体部及び棒状部材の熱変形によって自動的に行われるため、当該動作に余分なエネルギーを消費せずに済む。また、導体部に間欠的に流れる電流による発熱に基づいて寒剤が内空部に導入されるため、常に寒剤を導入する場合に比べて、寒剤の消費量を効果的に抑制することができる。 The introduction of such a cryogen is not limited to increasing the power supply voltage in order to compensate for the voltage drop due to the thermoelectric element as in the case of incorporating the thermoelectric element described above, or without providing an external power source or the like. Since this is automatically performed by thermal deformation, it is not necessary to consume extra energy for the operation. In addition, since the cryogen is introduced into the inner space based on the heat generated by the current that flows intermittently through the conductor portion, the consumption of the cryogen can be effectively suppressed as compared with the case where the cryogen is always introduced.
本発明のパワーリードの一の態様では、前記導体部の温度が所定の閾値以下である場合に、前記内空部は前記シール部によって前記寒剤の流路から隔離され、前記導体部の温度が前記所定の閾値より大きい場合に、前記導体部及び前記棒状部材が熱変形することによって、前記内空部に前記スリット部の少なくとも一部が露出し、該露出したスリット部を介して前記内空部に前記寒剤が導入されることを特徴とする。 In one embodiment of the power lead of the present invention, when the temperature of the front Symbol conductor portion is below a predetermined threshold, the inside hollow portion is isolated from the flow path of the cryogen by the seal portion, the temperature of the conductor part Is larger than the predetermined threshold value, the conductor part and the rod-shaped member are thermally deformed, so that at least a part of the slit part is exposed to the inner space part, and the inner part is exposed through the exposed slit part. The cryogen is introduced into the empty part.
この態様によれば、導体部の温度が所定の閾値以下である場合、導体部の内側に形成された内空部は寒剤から隔離されている。一方、導体部の温度が所定の閾値より大きくなると、棒状部材はスリット部がシール部材より内空部側に露出するように熱変形することにより、露出したスリット部を介して、内空部に寒剤が導入される。 According to this aspect, when the temperature of the conductor portion is equal to or lower than the predetermined threshold, the inner space formed inside the conductor portion is isolated from the cryogen. On the other hand, when the temperature of the conductor portion becomes larger than a predetermined threshold, the rod-shaped member is thermally deformed so that the slit portion is exposed to the inner space portion side than the seal member, so that the inner space portion passes through the exposed slit portion. A cryogen is introduced.
この場合、前記導体部には、前記導入された寒剤の気化ガスを排出するための排出口が設けられているとよい。このように排出口を設けることにより、内空部に導入された寒剤が蒸発することによって発生した気化ガスを外部に排出することができる。その結果、スリット部から導入された寒剤を気化させることによって導体部を内側から冷却し、冷却に使用された気化ガスを内空部に滞留させることなく外部に排出するという一連の冷却プロセスを構築することができる。 In this case, the conductor part may be provided with a discharge port for discharging the vaporized gas of the introduced cryogen. By providing the discharge port in this manner, the vaporized gas generated by the evaporation of the cryogen introduced into the inner space can be discharged to the outside. As a result, a series of cooling processes are built in which the conductor is cooled from the inside by vaporizing the cryogen introduced from the slit, and the vaporized gas used for cooling is discharged outside without staying in the inner space. can do.
本発明のパワーリードの他の態様では、前記導体部及び前記棒状部材の端部を前記トロリー線(架線)に電気的に接続する固定部材を更に備えることを特徴とする。この場合、前記固定部材は前記導体部の熱変形に伴う機械的歪みを吸収可能な弾性材料からなるとよい。 In another aspect of the power lead of the present invention, the power lead is further provided with a fixing member that electrically connects the end portions of the conductor portion and the rod-shaped member to the trolley wire (overhead wire). In this case, the fixing member may be made of an elastic material capable of absorbing mechanical strain accompanying thermal deformation of the conductor portion.
パワーリードの導体部は典型的にはソリッドな導電性材料から形成されるが、当該導体部は温度変化に伴って熱変形するため、当該導体部と連結された周囲の部材との間で大きな機械的歪みが生じる場合がある。特に、超電導饋電線は低温状態を保持するために周囲に真空層が形成されている場合が多く、このような場合に真空層を形成する部材との間に大きな機械的歪みが加えられると、真空層の真空度が低下し、超電導饋電線の冷却に悪影響を与えるなど重大な不具合につながるおそれがある。この態様では、導体部及び棒状部材が固定される固定部材を弾性的に形成することによって、熱変形の際に生じる機械的歪みを吸収軽減することができ、このようなおそれを効果的に排除することができる。 The conductor part of the power lead is typically formed of a solid conductive material. However, since the conductor part is thermally deformed as the temperature changes, the conductor part is large between the conductor part and the surrounding members. Mechanical distortion may occur. In particular, superconducting feeders often have a vacuum layer formed around them in order to maintain a low temperature state, and in such a case, when a large mechanical strain is applied between the members forming the vacuum layer, The vacuum level of the vacuum layer is reduced, which may lead to serious problems such as adversely affecting the cooling of superconducting feeders. In this aspect, by forming the fixing member to which the conductor portion and the rod-like member are fixed elastically, it is possible to absorb and reduce the mechanical strain that occurs during thermal deformation, and to effectively eliminate such a fear. can do.
本発明のパワーリードの他の態様では、前記導体部は銅からなり、前記棒状部材はステンレス、タンタル、鉄或いは炭素等からなる前記導体部に比べて線熱膨張率の小さい棒材であることを特徴とする。特に以下の実施例で詳述するように、導体部の材料として例えば、純度が９９．９９９％以上で熱膨張係数が１６．８×１０−６／℃の銅を選択し、棒状部材の材料として例えば、ＳＵＳ４１０、タンタル、鉄或いは炭素などを選択するとよい。尚、ＳＵＳ４１０を選択した場合、熱膨張係数は１０．４×１０−６／℃である。 In another aspect of the power lead of the present invention, the conductor portion is made of copper, and the rod-shaped member is a rod material having a smaller coefficient of linear thermal expansion than the conductor portion made of stainless steel, tantalum, iron, carbon, or the like. It is characterized by. In particular, as will be described in detail in the following examples, for example, copper having a purity of 99.999% or more and a thermal expansion coefficient of 16.8 × 10 −6 / ° C. is selected as the material of the conductor portion, For example, SUS410, tantalum, iron, or carbon may be selected. When SUS410 is selected, the thermal expansion coefficient is 10.4 × 10 −6 / ° C.
本発明の送電システムは上記課題を解決するために、前記超電導饋電線から前記トロリー線(架線)に電力を供給するための送電システムであって、前記超電導饋電線及び前記トロリー線(架線)間は、上述のパワーリード（各態様を含む）を介して電気的に接続されていることを特徴とする。これにより、トロリー線(架線)側からの超電導饋電線への熱侵入を軽減すると共に、大容量の電流が断続的に印加された際に発生するジュール熱を効果的に抑制可能な送電システムを実現することができる。 In order to solve the above problems, the power transmission system of the present invention is a power transmission system for supplying power from the superconducting feeder cable to the trolley wire (overhead wire), between the superconducting feeder wire and the trolley wire (overhead wire). Is electrically connected through the above-described power lead (including each aspect). This reduces the heat intrusion into the superconducting feeder from the trolley wire (overhead wire) side, and can effectively suppress the Joule heat that is generated when a large current is intermittently applied. Can be realized.
本発明に係るパワーリードによれば、棒状部材は、導体部に比べて線熱膨張率が小さい材料から形成されているので、パワーリードが発熱した際に導体部に対する棒状部材の位置が相対的に変化することによって、内空部にスリット部を介して寒剤を導入し、導体部を内側から冷却することができる。このような寒剤の導入は、熱電素子を組み込む場合のように外部電源等を設けることなく、専ら導体部及び棒状部材の熱変形によって自動的に行われるため、当該動作に余分なエネルギーを消費せずに済む。また、導体部に間欠的に流れる電流による発熱に基づいて寒剤が内空部に導入されるため、常に寒剤を導入する場合に比べて、寒剤の消費量を効果的に抑制することができる。 According to the power lead of the present invention, since the rod-shaped member is formed of a material having a smaller linear thermal expansion coefficient than the conductor portion, the position of the rod-shaped member relative to the conductor portion is relatively when the power lead generates heat. By changing to, the cryogen can be introduced into the inner space through the slit portion, and the conductor portion can be cooled from the inside. Since the introduction of such a cryogen is automatically performed by thermal deformation of the conductor part and the rod-like member without providing an external power source as in the case of incorporating a thermoelectric element, extra energy is consumed for the operation. You do n’t have to. In addition, since the cryogen is introduced into the inner space based on the heat generated by the current that flows intermittently through the conductor portion, the consumption of the cryogen can be effectively suppressed as compared with the case where the cryogen is always introduced.
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。 Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified, but are merely illustrative examples. Not too much.
図１は、本実施例に係る送電システム１の全体構成を模式的に示す模式図である。送電システム１は、寒剤で冷却された超電導饋電線５０、該超電導饋電線５０の給電先であるトロリー線(架線)８０、並びに超電導饋電線５０及びトロリー線(架線)８０間を電気的に接続するパワーリード２０を備えてなる。パワーリード２０は、一定間隔毎に超電導饋電線５０とトロリー線(架線)８０との間を電気的に接続するように設けられており、超電導饋電線５０からパワーリード２０を介してトロリー線(架線)８０に給電された電力は、電気車１０上部に設置されたパンダグラフ１１を介して電気車１０に供給される。
Drawing 1 is a mimetic diagram showing typically the whole
超電導饋電線５０は、例えば超電導体の一種である酸化物高温超電導線からなり、寒剤である液体窒素（典型的には７７〜６５Ｋ）に浸されることにより冷却され、超電導状態が維持されている。超電導饋電線５０にはＤＣ１５００Ａの電流が印加されており、大容量電力を送電している。
The
トロリー線(架線)８０は、パワーリード２０を介して超電導饋電線５０に電気的に接続されている。トロリー線(架線)８０には、走行中の電気車１０上部に取り付けられたパンダグラフ１１が接触している。トロリー線(架線)８０のうちパンダグラフ１１が接触する箇所は、電気車１０の走行位置に応じて時々刻々と変化し、当該接触する箇所の近傍に位置するパワーリード２０を介して、超電導饋電線５０からトロリー線(架線)８０そして電気車１０のルートで電力が供給される。電気車１０が特定の位置にある場合、複数存在するパワーリード２０のうち、電気車１０上部に取り付けられたパンダグラフ１１が接触する箇所の近傍に位置する特定のパワーリード２０についてのみ大容量の電流が流れ、当該近傍に位置するパワーリード２０以外のパワーリード２０には電流はトロリー線(架線)の電気抵抗のため殆ど流れない。つまり、個々のパワーリード２０に着目すると、それぞれ近傍を電気車１０が通過するタイミングで間欠的に電流が流れる。
The trolley wire (overhead wire) 80 is electrically connected to the
次に図２を参照して、本実施例に係る送電システム１に用いられているパワーリード２０の内部構造について詳細に説明する。図２は、本実施例に係る送電システム１に用いられているパワーリード２０の断面構造を示す断面図である。
Next, the internal structure of the
パワーリード２０は、内部に長さ方向に沿って延在する内空部２１が形成された円筒形状を有し、一端が超電導饋電線５０に電気的に接続され、且つ、他端がトロリー線(架線)８０に電気的に接続された導体部２２と、内空部２１に長さ方向に沿って延在するように棒状に形成され、超電導饋電線５０側の先端にスリット部が設けられた棒状部材２３と、内空部２１を超電導饋電線５０側から塞ぎ、且つ、棒状部材２３を長さ方向に沿って移動可能に周囲から保持するシール部材２４とを備える。
The
導体部２２が連結されている外装壁４０の内側空間４１は、図不示の真空ポンプによって減圧されることによって真空状態になっており、外装壁４０の内側に配置された超電導饋電線５０への外部からの熱侵入を断熱により抑制している。また、超電導饋電線５０の内側もまた空洞状になっており（即ち、超電導饋電線５０は内部に空洞を有するように円筒形状を有しており）、当該空洞に圧入された寒剤２６によって、超電導饋電線５０が冷却されている。超電導饋電線５０は、このような冷却断熱構造によって低温状態に置かれることで超電導状態が維持されている。
The
導体部２２は、超電導饋電線５０からトロリー線(架線)８０に給電される際に電流が流れる部分であり、純度が９９．９９９％、熱膨張係数が１６．８×１０−６／℃であるＯＦＣｕ（Ｏｘｙｇｅｎ Ｆｒｅｅ Ｃｏｐｐｅｒ）から形成されている。棒状部材２３は、導体部２２に比べて線熱膨張率の小さい材料である、ＳＵＳ４１０、タンタル、鉄或いは炭素などから形成されている。尚、ＳＵＳ４１０から形成した場合、熱膨張係数は１０．４×１０−６／℃である。シール部材２４は、安定性、耐熱性及び耐薬品性に優れたフッ素樹脂（商品名：テフロン（登録商標））から形成されている。
The
導体部２２及び棒状部材２３のトロリー線(架線)８０側の端部は、固定部材２７に固定されている。固定部材２７は導電性材料から形成されており、超電導饋電線５０から導体部２２を介して供給される電力をトロリー線(架線)８０側に伝達する。本実施例では特に、固定部材２７は通電時に生じる発熱による導体部２２の熱変形に起因する機械的歪みを吸収可能な弾性材料からなる。導体部２２はソリッドな導電性材料から形成されているため、温度変化に伴い導体部２２全体が熱変形により周囲の連結された部材（例えば外装壁４０）との間で大きな機械的歪みが生じる。外装壁４０は、上述したように超電導饋電線５０の低温状態を保持するための真空層（即ち内部空間４１）を形成しているので、導体部２２と外装壁４０との間に大きな機械的歪みが加えられると、内部空間４１の真空度が低下し、超電導饋電線５０の冷却状態が悪化してしまうおそれがある。そこで、本実施例では、固定部材２７を弾性を有する高純度の銅からなるより線で形成することによって、熱変形の際に生じる機械的歪みを吸収軽減している。尚、固定部材２７は導電部材２８に連結されており、導電部材２８は図２において不示のトロリー線(架線)に電気的に連結されている。
End portions of the
尚、導体部２２及び棒状部材２３等が熱変形した際に生じる歪みを軽減する他の構成例として、図３に示すように、導体部２２及び棒状部材２３のトロリー線(架線)８０側の端部を導電部材２８に直接連結し、その周囲にベローズ状の外壁２９を設けてもよい。この場合、導体部２２及び棒状部材２３等が熱変形した際に生じる歪みは、ベローズ状の外壁２９が有する弾性によって吸収される。尚、図３に示す例では、図２に示す例と共通する箇所には、同一の符号を付すこととし、詳細な説明は省略するものとする。
As another configuration example for reducing distortion that occurs when the
次に、図４及び図５を参照して、非発熱時及び発熱時におけるパワーリードの構造の変化について説明する。図４及び図５は、それぞれ非発熱時及び発熱時におけるスリット部２５付近の構造を拡大して示す断面図である。
Next, changes in the structure of the power lead during non-heat generation and during heat generation will be described with reference to FIGS. 4 and 5 are enlarged cross-sectional views showing the structure in the vicinity of the
棒状部材２３の先端には、スリット部２５が設けられており、図４に示す非発熱時（即ち、導体部２２の温度が所定の閾値以下である場合）には、スリット部２５は寒剤２６に浸されている。このとき、スリット部２５は、シール部材２４から内空部２１側に露出しておらず、シール材２４は内空部２１を寒剤２６から隔離しており、内空部２１に寒剤２６は導入されない。
A
上述のように、導体部２２は電気抵抗値の小さいＯＦＣｕから形成されているが、有限の電気抵抗値を有するため、導体部２２に電流が流れるとジュール熱が発生し、発熱が起こる。棒状部材２３は、導体部２２に比べて線熱膨張率が小さい材料から形成されているため、発熱時には図５に示すように、棒状部材２３は導体部２２に対して相対的に押し下げられるように熱変形する。そして、パワーリード２０の温度が所定の閾値より大きくなるタイミングで、棒状部材２３の超電導饋電線５０側の先端に設けられたスリット部２５がシール部材２４から内空部２１側に露出する。
As described above, the
上述したように、超電導饋電線５０の内側にある寒剤２６は圧入されているため、スリット部２５が内空部２１側に露出すると、寒剤２６と内空部２１との間の差圧に基づいて、寒剤２６が内空部２１内に導入される。その結果、寒剤が内空部２１に導入され、内空部２１に面した部材（例えば、導体部２２の内壁）が寒剤によって冷却される。尚、図５では、内空部２１に導入された寒剤を符号２６´で示してある。
As described above, since the
尚、図２に示すように、導体部２２には排出口４５が設けられており、内空部２１に導入された寒剤２６が気化して発生したガス（以下、適宜「気化ガス」と称する）は、当該排出口４５から外部に排出されるように構成されている。本実施例では特に、排出口４５には、気化ガスを排出するためのバルブ４６を設けている。
As shown in FIG. 2, the
このように寒剤２６が内空部２１に導入されると、やがて導体部２２の温度は低下に転じる。すると、棒状部材２３は導体部２２に対して相対的に押し上げられるように変形する。その結果、内空部２１に露出していたスリット部２５は無くなり、内空部２１への寒剤２６の導入もまた停止する。
As described above, when the
このように、温度変化に伴い、導体部２２に対する棒状部材２１の位置が相対的に変化することによって、寒剤２６の内空部２１への導入が制御される。このような寒剤２６の導入は、別途電源や制御装置等を設けることなく、専ら導体部２２の温度変化に伴う熱変形によって自動的に行われるため、当該動作に余分なエネルギーを消費せずに済む。また、このような寒剤２６の導入は導体部２２の温度変化に応じて間欠的に行われるため、無駄に寒剤２６を消費することがなく、寒剤２６の消費量を効果的に抑制することができる。
Thus, the introduction of the
尚、導体部２２及び棒状部材２３の長さは、上述のような寒剤２６の内空部２１への導入動作が実現可能なように、例えば、導体部２２の温度が所定の閾値より大きくなるタイミングで、スリット部２５がシール部材２４から内空部２１側に露出するように設定するとよい。本実施例では特に、導体部２２の長さをＬ＝２００（ｃｍ）に設定し、発熱によって導体部２２の温度が１００（℃）に達した場合に、棒状部材２３が導体部２２に対して相対的に１．２８（ｍｍ）だけ移動するように構成している。
In addition, the length of the
続いて上述したパワーリード２０の特性について、比較例と比較しつつ説明する。ここで、比較例として導体部２２の代わりに、所定の半径を有する導線２２´（即ち、導体部２２の内部に設けられた内空部２１を有さない単純な導線）を有するパワーリード２０´を想定することとする。尚、比較例の詳細な構造は図６に示すこととし、本実施例に係るパワーリード２０と共通する部分については同一の符号を付すことにより、詳細な説明は省略することとする。尚、比較例に係るパワーリード２０´の導線２２´の長さは、本実施例に係るパワーリード２０の導体部２２と同様に２００（ｃｍ）である。
Next, the characteristics of the
図７は比較例に係るパワーリード２０´において、非通電時（即ち、非発熱時）における超電導饋電線５０への熱侵入量Ｑｉｎの導線２２´の半径Ｒ依存性を示すグラフ図である。横軸は導線２２´の半径Ｒ（ｃｍ）であり、縦軸は熱侵入量Ｑｉｎ（Ｗ）である。図７に示すように、非通電時における熱侵入量Ｑｉｎは導線２２´の半径Ｒに比例して増加する。例えば、導線２２´の半径がＲ＝１．０（ｃｍ）の場合は熱侵入量がＱｉｎ＝４２（Ｗ）であり、導線２２´の半径がＲ＝１．３（ｃｍ）の場合は熱侵入量がＱｉｎ＝７３（Ｗ）である。
FIG. 7 is a graph showing the dependence of the amount of heat penetration Qin on the
次に図８は比較例に係るパワーリード２０´にＩ＝２５００（Ａ）の電流を６００秒間通電した場合の、超電導饋電線５０への熱侵入量Ｑｉｎの導線２２´の半径Ｒ依存性を示すグラフ図である。横軸は導線２２´の半径Ｒ（ｃｍ）であり、縦軸は熱侵入量Ｑｉｎ（Ｗ）である。この結果によると、導線２２´の半径をＲ＝１．０（ｃｍ）とした場合、熱侵入量はＱｉｎ＝約１１００（Ｗ）と非常に大きな値になることが示されている。
Next, FIG. 8 shows the radius R dependence of the
続いて図９は、比較例に係るパワーリード２０´にＩ＝２５００（Ａ）の電流を６００秒間通電した場合の、導線２２´における長さ方向の温度分布を示すグラフ図である。横軸は導導線２２´の超電導饋電線５０との連結部を基準とするパワーリード２０´の長さｚ（ｃｍ）であり、縦軸は横軸に対応する長さｚにおける導線２２´の温度（Ｋ）である。図９によれば、導線２２´の半径Ｒが小さくなると、例えば半径Ｒ＝１．０（ｃｍ）の導線２２´を採用したパワーリード２０´では、最高温度が１７００（Ｋ）以上に達することが示されている。ここで導線２２´の材料である銅の融点が１３５８（Ｋ）であることを考慮すると、比較例に係るパワーリード２０´では実用化は困難である。
Next, FIG. 9 is a graph showing the temperature distribution in the length direction of the
上述の結果によれば、仮に、比較例に係るパワーリード２０´において定格電流をＩ＝２５００（Ａ）に設定するためには、導体部２２の半径をＲ＝１．３０（ｃｍ）に大きく設定し、導線２２´の最高温度が５５０（Ｋ）以下になるように冷却する必要がある。
According to the above result, in order to set the rated current to I = 2500 (A) in the
ここで、導線２２´の半径をＲ＝１．３０（ｃｍ）にした場合の非通電時の熱侵入量Ｑｉｎは図７より７３（Ｗ）であり、Ｉ＝２５００Ａの電流の通電時の熱侵入量Ｑｉｎは図８よりＱｉｎ＝３５０（Ｗ）であることがわかる。比較例に係るパワーリード２０´を、本実施例のように超電導饋電線５０とトロリー線(架線)８０間の電気的接続に用いる場合、仮に超電導饋電線５０の長さが１０ｋｍであり、２００ｍ毎にパワーリード２０´を設置すると仮定すると、パワーリード２０´は計５０本必要になる。このように超電導饋電線５０及びパワーリード２０´が設置されている区間を、５つの列車が走行すると想定すると、超電導饋電線５０への熱侵入量Ｑｉｎは次式
４５本（非通電状態にあるパワーリード）×７３（Ｗ）＋５本(通電状態にあるパワーリード)×３５０（Ｗ）≒５．０（ｋＷ） ・・・（２）
により、算出される。この仮定では、（２）に示すように、熱侵入量Ｑｉｎが５．０（ｋＷ）もの値に達するため、比較例に係るパワーリード２０´では冷却を十分することができず実用化することは困難である。
Here, the heat penetration amount Qin at the time of non-energization when the radius of the
Is calculated by Under this assumption, as shown in (2), since the heat penetration amount Qin reaches a value of 5.0 (kW), the
図１０は、本実施例に係るパワーリード２０において、Ｉ＝２５００（Ａ）の電流を６００秒間通電した場合の導体部２２の長さ方向の温度分布を示すグラフ図である。横軸は導体部２２の超電導饋電線５０との連結部を基準とするパワーリード２０の長さｚ（ｃｍ）であり、縦軸は横軸に対応する長さｚにおける導体部２２の温度（Ｋ）である。上述の比較例では、導線２２´の半径をＲ＝１．１５（ｃｍ）とした場合、図９に示すように最高温度が９００（Ｋ）まで上昇しているのに対し、本実施例に係るパワーリード２０では、図１０に示すように、導体部２２の半径をＲ＝１．１５（ｃｍ）とすると、最高温度を７００（Ｋ）程度に抑制することができる。
FIG. 10 is a graph showing the temperature distribution in the length direction of the
続いて図１１は、本実施例に係るパワーリード２０において、所定の期間において一時的に通電を行った場合の（ａ）導体部２２への熱侵入量Ｑｉｎ及び（ｂ）スリット部２５を介して内空部２１に導入された寒剤２６の量（以下、適宜「寒剤導入量」と称する）の経時変化を示すグラフ図である。図１１の例においてパワーリード２０に電流が印加されている所定の期間は、時刻ｔ１＝６００秒からｔ２＝１２００秒までの間であり、印加されている電流値は２５００Ａである。尚、図１１において導体部２２の半径はＲ＝１．１５（ｃｍ）である。
Subsequently, FIG. 11 shows (a) the amount of heat penetration Qin into the
まず非通電時（ｔ＜ｔ１）では、棒状部材２３の先端に設けられたスリット部２５はシール部材２４から内空部２１側に露出していないため、内空部２１に寒剤２６は導入されない（即ち、寒剤導入量はゼロである）。時刻ｔ１に達すると、２５００Ａの電流がパワーリード２０に流れ、導体部２２の温度が上昇する。導体部２２の温度上昇に伴い、スリット部２５が内空部２１に露出し始め、寒剤２６の内空部２１への導入が開始する。そして、内空部２１に導入された寒剤導入量の総量が十分大きくなると、通電による発熱量に比べて内空部２１に導入された寒剤２６による冷却量が勝り、熱侵入量Ｑｉｎは減少に転じる。
First, at the time of non-energization (t <t1), since the
熱侵入量Ｑｉｎが減少に転じると、やがて導体部２２の温度も減少に転じる。これに伴い、シール部材２４から内空部２１側へのスリット部２５の露出度もまた減少し、寒剤導入量は次第に減少していく。そして、時刻ｔ２に達すると通電が終了する。ｔ２＜ｔでは、熱侵入量Ｑｉｎは当初（即ち時刻ｔ１以前）の熱侵入量Ｑｉｎに向かって収束するように振る舞う。尚、時刻ｔ２以降においても、スリット部２５の露出した部分が残っているため、寒剤導入量はすぐにはゼロに戻らず、導体部２２の温度が十分に冷却されて、スリット部２５が図４に示す位置に完全に戻るまでの間（つまり、時刻ｔｘまでの間）、寒剤２６は内空部２１に導入され続ける。そして、時刻ｔｘに達するタイミングで、スリット２５の露出した部分は消滅し、寒剤導入量はゼロに達する。図１１の例では、寒剤２６の内空部２１への最大流量はｍ＝７２０（ｍｇ／ｓｅｃ）＝０．７２（ｇ／ｓｅｃ）であり、熱侵入量Ｑｉｎは最大で１００（Ｗ）程度であった。これは、比較例（３５０（Ｗ））に比べて熱侵入量が１／３以下に抑制されており、極めて良好な冷却効果が得られていることを示している。
When the heat penetration amount Qin starts to decrease, the temperature of the
この結果を前述の例（超電導饋電線５０の長さが１０ｋｍであり、２００ｍ毎に計５０本のパワーリード２０が設置され、当該区間を５つの列車が走行すると仮定した場合）に当てはめて考える。まず、５本のパワーリード２０が通電状態にあるので、パワーリードの冷却に用いられる寒剤導入量は最大で
０．７２×５＝３．６（ｇ／ｓｅｃ） ・・・（３）
と、算出される。
This result is considered to be applied to the above example (assuming that the length of the
And calculated.
通常、１０ｋｍ級の超電導饋電線に冷却として用いられる液体窒素の流量は、超電導饋電線へのパワーリード以外の要素による熱侵入量を約１（Ｗ／ｍ）、液体窒素の比熱をＣｐ＝２（Ｊ／ｇ−Ｋ）、超電導饋電線の上流側端末温度を６５（Ｋ）、超電導饋電線の下流側端末温度を７５（Ｋ）と仮定して計算する。このモデリングに基づいて超電導饋電線５０に接続された５０本のパワーリード２０のうち、非通電状態にある４５本のパワーリード２０から超電導饋電線５０への熱侵入量は次式
５３×４５＝２３８５（Ｗ） ・・・（４）
により算出される。一方、通電状態にある残り５本のパワーリード２０から超電導饋電線５０への熱侵入量は
１００×５＝５００（Ｗ） ・・・（５）
により算出される。更に、パワーリード２０以外の要素による超電導饋電線５０への熱侵入量は
１０（ｋｍ）×１（Ｗ／ｍ）＝１００００（Ｗ） ・・・（６）
により算出される。従って、本システムを冷却するために必要な寒剤２６の総流量は（３）から（６）の計算結果を合計して、６４９（ｇ／ｓｅｃ）と算出される。
Normally, the flow rate of liquid nitrogen used for cooling a 10 km class superconducting feeder is about 1 (W / m) of heat penetration by elements other than the power lead into the superconducting feeder, and the specific heat of liquid nitrogen is Cp = 2. (J / g-K), assuming that the upstream terminal temperature of the superconducting feeder cable is 65 (K) and the downstream terminal temperature of the superconducting feeder cable is 75 (K). Based on this modeling, among the 50 power leads 20 connected to the
Is calculated by On the other hand, the amount of heat penetration from the remaining five power leads 20 in the energized state into the
Is calculated by Furthermore, the amount of heat penetration into the
Is calculated by Therefore, the total flow rate of the
同様の条件下で、比較例に係るパワーリード２０´を用いた場合、超電導饋電線５０へのパワーリード２０´以外の要素による熱侵入量が１０（ｋＷ）、非通電状態にあるパワーリード２０´からの熱侵入量が５３×４５＝２３８５（Ｗ）、通電状態にあるパワーリード２０´からの熱侵入量が５×３５０＝１７５０（Ｗ）であることから、システム全体で必要な寒剤２６の総流量は７０６（ｇ／ｓｅｃ）となる。従って、比較例と比べると、システム全体で必要とされる寒剤量を約１０％低減することができる。言い換えれば、寒剤２６の量を一定に固定した場合、超電導饋電線５０の冷却長を１０％延ばすことができる。
When the
以上説明したように、本実施例に係るパワーリード２０によれば、導体部２２の温度に応じて、内空部２１に寒剤２６が導入され、パワーリード２０の冷却が自動的に行われる。パワーリード２０のこのような動作は、専ら導体部２２及び棒状部材２３の熱変形によって行われるため、エネルギー消費量を増加させることなく済む。また、導体部２２に電流が流れた際に生じる発熱量に応じて寒剤２６が導入されるため、寒剤２６の消費量を効果的に抑制することができる。
As described above, according to the
本発明は、例えば、寒剤で冷却された超電導饋電線及び該超電導饋電線の給電先であるトロリー線(架線)間を電気的に接続するパワーリード、並びに当該パワーリードを備えた送電システムに利用可能である。 The present invention is used for, for example, a superconducting feeder cable cooled with a cryogen, a power lead that electrically connects a trolley wire (overhead wire) to which the superconducting feeder is fed, and a power transmission system including the power lead. Is possible.
１ 超電導発電システム
２０ パワーリード
２１ 内空部
２２ 導体部
２３ 棒状部材
２４ シール部材
２５ スリット部
２６ 寒剤
５０ 超電導饋電線
８０ トロリー線(架線)
DESCRIPTION OF
Claims (7)
内部に長さ方向に沿って延在する内空部が形成された円筒形状を有し、一端が前記超電導饋電線の側面に設けられた開口部を囲むように接続され、且つ、他端が前記トロリー線に電気的に接続された導体部と、
前記内空部の内部に配置され、前記導体部の長さ方向に沿って前記開口部を貫通して前記寒剤に至るまで延在する棒状部材と、
前記開口部及び前記棒状部材間に形成された隙間を、前記棒状部材が前記導体部に対して相対的に移動可能にシールするシール部材と
を備え、
前記棒状部材は、前記導体部に比べて線熱膨張率が小さい材料から形成され、前記棒状部材の前記一端には、前記導体部の非発熱時に前記内空部が前記寒剤から隔離され、且つ、前記導体部の発熱時に前記内空部が前記寒剤の流路に連通するように、前記他端側に向かって凹状に形成されたスリット部が設けられていることを特徴とするパワーリード。 The sides of the superconducting feeder cable having a flow path through which cryogen along the extending direction within the power lead electrically connected to the trolley line is a power supply destination of the superconducting feeder line,
It has a cylindrical shape in which an inner space extending along the length direction is formed, and one end is connected so as to surround an opening provided on the side surface of the superconducting feeder cable, and the other end is A conductor portion electrically connected to the trolley wire;
Is disposed in the interior of said hollow portion, and a rod-like member that Mashimasu extends up to the conductor portion of the through said opening along the length cryogen,
A seal member that seals the gap formed between the opening and the rod-like member so that the rod-like member can move relative to the conductor portion ;
The rod-shaped member is formed of a material having a smaller coefficient of linear thermal expansion than the conductor portion, and the one end of the rod-shaped member has the inner space portion isolated from the cryogen when the conductor portion does not generate heat, and A power lead comprising a slit formed in a concave shape toward the other end so that the inner space communicates with the cryogen flow path when the conductor portion generates heat .
前記超電導饋電線及び前記トロリー線間は、前記請求項１から６のいずれか一項に記載のパワーリードを介して電気的に接続されていることを特徴とする送電システム。 A power transmission system for supplying electric power from the superconducting feeder cable to the trolley wire,
The power transmission system, wherein the superconducting feeder cable and the trolley wire are electrically connected via the power lead according to any one of claims 1 to 6.
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