(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
洋上浮体設備用の海中ケーブルの歪測定システムであって、
導体上に絶縁層、シールド層、および遮水層が形成される電力用線心と、
複数本の前記電力用線心の全体の外周側に、前記電力用線心の全体の外周の周方向に複数本の線材が配置され、前記線材が前記海中ケーブルの軸方向に螺旋状に設けられて形成される鎧装部と、
前記鎧装部の外周側に形成される保護層と、
光ファイバと、前記光ファイバが挿通される保護管と、前記保護管の外周に形成される樹脂層とを有するラインセンサと、
前記ラインセンサを用いて、ＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ法によって前記海中ケーブルの全長に渡って歪変化を測定する測定部と、
前記測定部で測定された歪情報を記憶する記憶部と、
前記歪情報の演算を行う演算部と、を有し、
前記ラインセンサの前記樹脂層の外径は、前記線材と略同一となるように設定されており、前記線材の一部が前記ラインセンサに置き換えられ、
前記演算部は、前記海中ケーブルの敷設初期の歪状態を基準状態として、前記基準状態からの歪変化量を算出して、前記記憶部に記憶させることを特徴とする海中ケーブルの歪測定システム。
【請求項２】
前記演算部は、前記記憶部に記憶された歪変化量を累積し、前記海中ケーブルの疲労寿命を予測することを特徴とする請求項１記載の海中ケーブルの歪測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、洋上浮体設備用の海中ケーブルの高分解能の歪測定方法および高分解能の海中ケーブルの歪測定システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化対策の点から、再生可能エネルギーの開発が進められている。例えば、洋上浮体設備である発電用風車から送電する浮体式洋上風力発電の実用化が進められている。
【０００３】
洋上浮体設備から送電するためには、海中ケーブルが使用される。海中ケーブルは、電力用線芯を３相交流送電用に３本集合撚り合わせ、さらにコアの外周にケーブル荷重をサポートするための鎧装線を設け、更にその外部に外傷防止用のプラスチック層を押し出し被覆した構造である。
【０００４】
このような海中ケーブルとしては、例えば、ケーブル心線と捻り補強線の複数本を一方向に撚り合わせた線状集合体の外周に、そのケーブル線心及び捻り補強線撚り合わせ方向と逆方向に鎧装線を撚り合わせた鎧装体を設け、線状集合体と鎧装体に作用する捻りトルクを打ち消してトルクバランスさせた海中ケーブルがある（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１９２８３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような海中ケーブルは、洋上で揺動を繰り返す洋上浮体設備から海中に懸垂される。このため、波浪や潮流による流体力と浮体揺動によって、海中ケーブルは常に変形が繰り返される。したがって、このような繰り返し変形によって海中ケーブルに疲労が進行する。
【０００７】
海中のケーブルの疲労の進展を把握するためには、海中ケーブルの全長にわたって、曲げ歪変化を常時計測する必要がある。特に、海中ケーブルの疲労判定のためには０．１％以下の歪感度測定が必要で、その距離分解能としては０．５ｍ以下を要する。しかし、これまで、このような歪測定の感度を有する海中ケーブルは存在しなかった。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、感度良く海中ケーブルの全長に渡って歪変化を計測することが可能な洋上浮体設備用の海中ケーブルの歪測定システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、洋上浮体設備用の海中ケーブルの歪測定システムであって、導体上に絶縁層、シールド層、および遮水層が形成される電力用線心と、複数本の前記電力用線心の全体の外周側に、前記電力用線心の全体の外周の周方向に複数本の線材が配置され、前記線材が前記海中ケーブルの軸方向に螺旋状に設けられて形成される鎧装部と、前記鎧装部の外周側に形成される保護層と、を具備し、光ファイバと、前記光ファイバが挿通される保護管と、前記保護管の外周に形成される樹脂層とを有するラインセンサと、前記ラインセンサを用いて、ＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ法によって前記海中ケーブルの全長に渡って歪変化を測定する測定部と、前記測定部で測定された歪情報を記憶する記憶部と、前記歪情報の演算を行う演算部と、を有し、前記ラインセンサの前記樹脂層の外径は、前記線材と略同一となるように設定されており、前記線材の一部が前記ラインセンサに置き換えられ、前記演算部は、前記海中ケーブルの敷設初期の歪状態を基準状態として、前記基準状態からの歪変化量を算出して、前記記憶部に記憶させることを特徴とする海中ケーブルの歪測定システムである。
【００１６】
前記演算部は、前記記憶部に記憶された歪変化量を累積し、前記海中ケーブルの疲労寿命を予測してもよい。
【００１７】
本発明によれば、海中ケーブルの全長に渡って感度良く歪を測定可能な海中ケーブルの歪測定システムを得ることができる。特に、演算部において、敷設初期の歪状態を基準状態として、基準状態からの歪変化量を算出することで、より正確に海中ケーブルの動きを把握することができる。また、歪変化量を累積することで疲労の進行を予測することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、感度良く海中ケーブルの全長に渡って歪変化を高分解で計測することが可能な洋上浮体設備用の海中ケーブルの歪測定システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】海中ケーブル３の敷設状態を示す図。
【図２】海中ケーブル３を示す断面図。
【図３】図２のＡ部拡大図であり、ラインセンサ２７の拡大図。
【図４】ブルリアン分布計測器概念図。
【図５】歪測定システムを示すブロック図。
【図６】（ａ）は海中ケーブル３ａを示す断面図、（ｂ）は海中ケーブル３ｂを示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態にかかる海中ケーブル等について説明する。図１は海中ケーブル３の敷設状態を示す図である。洋上には、洋上浮体設備１が配置される。洋上浮体設備１は、たとえば浮体式洋上風力発電装置である。洋上浮体設備１は、洋上に浮いた状態であり、下部が海底に係留索１１で固定される。
【００２１】
例えば、複数の洋上浮体設備１が洋上に配置される。洋上浮体設備１は接続部５ｃで海中ケーブル３と接続される。また、海中ケーブル３同士は、海底に設置された接続部５ａにおいて接続される。すなわち、それぞれの洋上浮体設備１同士は海中ケーブル３で接続される。
【００２２】
また、海中ケーブル３の洋上浮体設備１と接続部５ｂとの間にはブイ９が接続される。すなわち、海中ケーブル３は、ブイ９によって海中で浮遊した状態となる。海中ケーブル３の詳細は後述する。
【００２３】
地上側の海中ケーブル３は、海底に設置された接続部５ａで海底ケーブル７と接続される。海底ケーブル７は海中ケーブル３と略同一の構成である。海底ケーブル７は地上の電力送電設備等と接続される。すなわち、洋上浮体設備１で発電された電気は、海中ケーブル３および海底ケーブル７によって地上に送電される。
【００２４】
ここで、洋上浮体設備１は、洋上の波浪や、潮流等によって大きく揺動する。したがって、洋上浮体設備１と接続される海中ケーブル３は、洋上浮体設備１の揺動に追従し、海中で繰り返しの大きな曲げ変形を受ける。なお、海中ケーブル３は、ブイ９によって海中に浮遊するため、海底に引きずられることがなく、また、潮の満ち引きや海流に対して、海中ケーブル３に局所的な応力が付与されることが防止される。
【００２５】
次に、海中ケーブル３の構造について説明する。図２は、海中ケーブル３の断面図である。海中ケーブル３は、主に電力用線心１３、鎧装２３ａ、２３ｂ、防食層２５、ラインセンサ２７等から構成される。
【００２６】
電力用線心１３は、導体部１５、絶縁部１７、シールド層１９、遮水層２１等から構成される。導体部１５は、例えば銅素線を撚り合わせて構成される。
【００２７】
導体部１５の外周部には、絶縁部１７が設けられる。絶縁部１７は、例えば架橋ポリエチレンで構成される。なお。絶縁部１７は、内部半導体層、絶縁体層、外部半導体層の三層構造としてもよい。内部半導体層、絶縁体層、外部半導体層の三層構造とすることで、水トリー劣化抑制と、絶縁体と金属層との機械的緩衝層としての効果を得ることができる。
例えば、導体と絶縁体、シールドと絶縁体とが直接接している場合において、接触界面に突起等があると、そこに電界が集中し、水トリーや部分放電の発生起点となる。そこで半導電の樹脂を間に挟むことにより、接触界面の電界を緩和することができる。なお、この内部および外部半導電層のことを「電界緩和層」と呼ぶこともある。
また、内部半導体層や外部半導体層が無かった場合、導体やシールドの金属層が絶縁体に直接食い込む恐れがある。充電部である金属層が絶縁体に食い込むと、電界集中により部分放電発生が起こり、絶縁破壊の原因となる。このため、絶縁体と金属層の間に半導電の樹脂層を形成することでこのような問題を抑制することが可能となる。
【００２８】
絶縁部１７の外周には、シールド層１９および遮水層２１が設けられる。シールド層は、導電性部材により構成される。また、遮水層２１は、例えば金属層と樹脂層が積層されて構成される。例えば、接着樹脂層とＳＵＳテープ層と導電性樹脂層とからなるＳＵＳラミネートテープがポリエチレン樹脂と積層されて形成される。
【００２９】
このようにして構成される電力用線心１３が、３相交流送電用に３本集合撚りされる。また、３本の電力用線心１３を撚り合わせた後、隙間に樹脂紐等の介在物を配置して略円形のコアを形成する。得られたコアの外周に海中ケーブル３の荷重を支持する鎧装部が設けられる。
【００３０】
鎧装部は、たとえば鎧装２３ａ、２３ｂの２層構造である。鎧装２３ａ、２３ｂは、例えば金属線（鋼線またはステンレス線）や繊維補強プラスチック製の線材である。鎧装部は、それぞれ周方向に併設された複数の鎧装２３ａ、２３ｂがコアの外周にロングピッチで隙間なく巻きつけられる。すなわち、鎧装２３ａ、２３ｂは、鎧装２３ａ、２３ｂの外径に対して巻きつけピッチが十分に長くなるように形成される。なお、内周側の鎧装２３ａと外周側の鎧装２３ｂは、コアの外周に互いに逆方向に螺旋巻きされる。
【００３１】
鎧装部（鎧装２３ａ、２３ｂ）の外周には、防食層２５が設けられる。防食層２５は、外部から水が内部に浸入することを防止し、外傷を防止するための層である。防食層２５は、例えば樹脂製である。
【００３２】
鎧装部において、外周側に設けられる鎧装２３ｂの一部は、ラインセンサ２７と置き換えられる。ラインセンサ２７は、海中ケーブル３の歪を測定する部位である。なお、ラインセンサ２７は、少なくとも１か所形成されれば良いが、図示したように、海中ケーブル３の断面において、互いに直交する位置に複数個所に設けられることが望ましい。このようにすることで、海中ケーブル３の曲がり位置や方向に関係なく、確実にラインセンサ２７によって歪を測定することができる。ケーブルの曲がり方向に関係なく、歪を測定することが可能となる。
【００３３】
また、ラインセンサ２７は、できるだけ海中ケーブル３の外周側に配置されることが望ましい。海中ケーブル３が曲がる際には、海中ケーブル３の断面中心に対して、断面最外周側が最も大きな歪が生じる。このため、ラインセンサ２７を、できるだけ海中ケーブル３の外周側に配置することにより、高い感度で歪を測定することができる。したがって、本実施形態のように、鎧装２３ａ、２３ｂの２層構造である場合には、外周側の鎧装２３ｂの一部をラインセンサ２７に置き換えることが望ましい。すなわち、最外周の外鎧の一部をラインセンサ２７に置き換えることで、前述の高感度の測定が可能になる。
【００３４】
次に、ラインセンサ２７について説明する。図３は、ラインセンサ２７近傍の拡大図であり、図２のＡ部拡大図である。図３に示すように、ラインセンサ２７は、複数の光ファイバ２９と、保護管３１と、樹脂層３３とからなる。
【００３５】
光ファイバ２９は、ブルリアン分布歪計測用の光ファイバ心線である。複数の光ファイバ２９は、保護管３１に挿通される。保護管３１は、例えば外径２ｍｍφ程度の可撓性を有するステンレス管である。保護管３１の外周には、樹脂層３３が設けられる。樹脂層３３は、ラインセンサ２７の外径を調整するものである。
【００３６】
ここで、ラインセンサ２７の外径は、鎧装２３ｂの外径と略同様である。したがって、鎧装２３ｂの一部をラインセンサ２７に置き換えても、ラインセンサ２７の近傍で、ラインセンサ２７、鎧装２３ａ、２３ｂの間に隙間が生じたり、歪を生じたりすることがない。したがって、ラインセンサ２７や鎧装２３ａ、２３ｂが断面で位置が動いてしまうことがない。
【００３７】
なお、外径２ｒ０のラインセンサ２７が、外径２ｒ１のコアに、巻き付け角度θで巻き付けられたとする。また、海中ケーブル３の初期曲率半径Ｒ０が曲率半径Ｒ１に変化したとする。この場合のラインセンサ２７の歪変化量δは、
δ＝（ｒ１＋ｒ０）・ｃｏｓ２θ・（１／Ｒ１−１／Ｒ０）
で表わされる。
【００３８】
光ファイバ２９は、ラインセンサ２７と略同一の歪変化量となるため、光ファイバ２９のこの歪変化量を測定することで、海中ケーブル３の曲率を知ることができる。すなわち、海中ケーブル３の長手方向の各部の歪変化をプロットすることで、海中ケーブル３の形状変化を全長に渡って知ることができる。
【００３９】
次に、本発明のラインセンサ２７を用いたＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ法による海中ケーブル３の歪変化測定原理について説明する。図４は、ブルリアン分布計測器概念図である。本発明では、ＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ法（Ｐｕｌｓｅ−ＰｒｅＰｕｍｐ  Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）により海中ケーブル３（光ファイバ２９）の歪変化が測定される。ＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ法では、階段状のパルス光がポンプ光（図中Ｂ）として使用される。なお、プローブ光（図中Ｃ）は、一定の振幅（ＡＣＷ）の連続光である。
【００４０】
Ａｐ、Ｃｐは、それぞれポンプ光およびプリポンプ光の振幅を表す。すなわち、Ａｐ（ｔ）は、Ａｐ＋Ｃｐ（ＤＰＲＥ−Ｄ＜ｔ≦ＤＰＲＥ）、Ｃｐ（０＜ｔ≦ＤＰＲＥ−Ｄ）、０（ＤＰＲＥ＜ｔ）となる。
【００４１】
ここで、非特許文献（社団法人  電子情報通信学会  信学技報  ２００８−５  「ＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ測定技術を用いた２ｃｍ分解能ブルリアン分布測定の実現」）にも示されるように、ＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ法においては、Ｄの大きさの分解能を有し、ＤＰＲＥの時間、幅でフォノンが励起される。
【００４２】
したがって、Ｄ＜＜ＤＰＲＥとなるように設定すれば、局所的な情報だけを含み、かつ、スペクトル線波が広がらないという極めて望ましい性質を有する。なお、上記非特許文献によれば、Ｄ＝０．５ｎｓ、ＤＰＲＥ＝１３ｎｓとした場合に、５ｃｍの分解能を得ることができる。また、Ｄ＝０．２ｎｓ、ＤＰＲＥ＝１３ｎｓとした場合に、２ｃｍの分解能を得ることができる。
【００４３】
図５は、ラインセンサ２７を用いた海中ケーブル３の歪測定システム３０のブロック図である。歪測定システム３０は、ラインセンサ２７、測定部３５、演算部３７、記憶部３９、表示部４１等からなる。
【００４４】
前述の通り、海中ケーブル３の内部に配置されたラインセンサ２７からの情報は測定部３５に送られる。測定部３５では、ラインセンサ２７からの光情報が、ラインセンサ２７の各部の位置毎の歪の大きさである歪情報に換算される。
【００４５】
演算部３７は、得られた歪情報を記憶部３９に記憶させるとともに、あらかじめ記憶部３９に記憶されている、海中ケーブル敷設時の初期の歪状態である基準状態と、測定部３５で得られた歪情報とを比較する。すなわち、演算部３７では、敷設初期の形状からの歪変化量が算出される。
【００４６】
また、演算部３７は、得られた歪変化量を記憶部３９に記憶させる。さらに、演算部３７は、敷設初期からの歪変化量を累積し、海中ケーブルの長手方向の各部の累積歪変化量を算出する。
【００４７】
さらに、演算部３７では、記憶部３９に記憶された基準累積歪変化量を参照し、現時点での累積歪変化量から、各部の海中ケーブルの疲労の進行度を予測する。例えば、基準累積歪変化量に達すると、疲労により海中ケーブルの損傷が予測されるとして（疲労の進行度が１００％）、これに対する疲労の進行度を予測する。以上により、海中ケーブルの全長に渡る累積歪変化量および疲労の進行度を知ることができる。
【００４８】
なお、演算部３７は、必要に応じて、適宜、歪情報、累積歪変化量、疲労進行度の予測等を表示部４１に表示させることができる。このような、測定部３５、演算部３７、記憶部３９、表示部４１を備える装置としては、記憶媒体および表示手段を有するコンピュータを用いることができる。
【００４９】
以上、本実施の形態によれば、海中ケーブル３の鎧装２３ｂの一部が、ラインセンサ２７と置き換えられるため、海中ケーブル３の外周部近傍にラインセンサ２７を確実に保持することができる。また、ラインセンサ２７の樹脂層３３の外径が鎧装２３ｂの外径と略同一であるため、鎧装２３ａ、２３ｂ、ラインセンサ２７が海中ケーブル３内部で動くことがない。
【００５０】
また、ラインセンサ２７を用いて、ＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ法によって海中ケーブル３の歪変化量の測定を行うため、海中ケーブル３の全長に渡って感度良く歪変化量を測定することができる。
【００５１】
また、ラインセンサ２７は、少なくとも鎧装部の断面において互いに断面の中心を挟んで対称な２個所以上に設けられることを必要とする。さらに望ましくは、中心を挟んで対称な相互に直交する４個所に設けることができ、このようにすることで、海中ケーブル３の曲がり方向によらずに、確実に感度良く海中ケーブル３の歪変化を測定することができる。
【００５２】
また、図６（ａ）に示すように、中心を挟んで対称な相互に直交する４個所の他、４個所それぞれの円周上の中間点にラインセンサ２７を配置すれば、中心に対して相互に直行する４個所に、２組のラインセンサを配置することが可能になる。このような配置にすれば、８個所のラインセンサを用いてより高精度のケーブルの歪測定が可能になる。また、直交する１組のラインセンサが損傷しても、他の１組を使用することができる。また、ケーブルの外周に４個所または８個所のラインセンサを用いることで、ケーブルの最大曲げ応力に対応してケーブルに生じる最大曲げ歪みが生じるケーブル断面円周上の位置を推測することができる。
【００５３】
尚、ケーブルに種々の曲げ応力を付与する曲げ実験を行い、それぞれの曲げ応力に曲げ応力に対応して得られる各曲げ状態における、ケーブル断面の円周方向の歪分布を求めて、これらの歪分布のデータとケーブルの外周に配置した４個所または８個所のラインセンサによる曲げ歪のデータを比較することにより、ケーブルに働く応力状態を推定したり、円周上の最大曲げ応力の位置を確認することができる。
【００５４】
さらに、ここで、海中ケーブルの鎧装は、最外層と内層が相互に逆方向にらせん巻きされており、図６（ｂ）に示すように、内外層のそれぞれの鎧装に対してラインセンサ２７を配置してもよい。たとえば、最外層の鎧装中に配置した４個所のラインセンサ２７と、これと隣接する内層側の鎧装中のラインセンサ２７とが、海中ケーブルの長手方向において周期的に表れるラインセンサ２７同士の接触位置において、隣接する２３ａ、２３ｂ位置に配置したラインセンサ２７相互の歪の差分から、隣接するラインセンサ同士の中心からの距離の差に相当する歪成分を補正して除去することで、ケーブルに生じるその他の歪成分を求めることもできる。このようにすることで、ケーブルの曲げ歪だけでなく、ケーブルの異常により生じる他の歪成分も求めることができ、ケーブルの異常をケーブル全長に周期的に検出することできる。
【００５５】
また、演算部３５において、敷設初期の歪状態を基準状態として、基準状態からの歪変化量を算出することで、より正確に海中ケーブルの動きを把握することができ、歪変化量を累積することで疲労の進行を予測することができる。さらに、演算部において、曲げ歪のケーブル断面における対象性を利用して、前記４個または８個の複数のラインセンサの測定値から、ケーブル断面の最大曲げ歪を推定することができる。また、前記径方向に隣接するラインセンサによる歪測定値を用い、ケーブルに生じる異常を検出して、ケーブル断面に生じる曲げ歪を補正することができる。
【００５６】
以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００５７】
１………洋上浮体設備
３………海中ケーブル
５ａ、５ｂ、５ｃ………接続部
７………海底ケーブル
９………ブイ
１１………係留索
１３………電力用線心
１５………導体部
１７………絶縁部
１９………シールド層
２１………遮水層
２３ａ、２３ｂ………鎧装
２５………防食層
２７………ラインセンサ
２９………光ファイバ
３０………歪測定システム
３１………保護管
３３………樹脂層
３５………測定部
３７………演算部
３９………記憶部
４１………表示部
【図１】
0005460659.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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