(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円筒形状を有する超電導層が互いに同軸配置されてなる導電層を有する直流送電用の超電導ケーブルの健全性を診断する超電導ケーブルの健全性診断システムであって、
前記導電層の一端側からパルス波形を有する電気的信号であるパルス信号を入力するパルス信号入力部と、
前記導電層において前記パルス信号により生ずる伝播信号を受信する伝播信号受信部と、
前記受信された伝播信号に基づいて、前記導電層の電気抵抗値を計測する電気抵抗計測部と、
前記計測された電気抵抗値に基づいて、前記超電導ケーブルの健全性を判定する判定部と
を備えることを特徴とする超電導ケーブルの健全性診断システム。
【請求項２】
前記電気抵抗測定部は、前記伝播信号の減衰度に基づいて、前記導電層の電気抵抗値を計測することを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブルの健全性診断システム。
【請求項３】
前記判定部は、前記導電層における前記伝播信号の往復時間に基づいて、前記超電導ケーブルの健全性を判定することを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブルの健全性診断システム。
【請求項４】
前記判定部は、前記超電導ケーブルに異常があると判定した場合に、前記導電層における前記伝播信号の往復時間に基づいて、前記異常の発生箇所を特定することを特徴とする請求項３に記載の超電導ケーブルの健全性診断システム。
【請求項５】
前記パルス信号を発生させる信号発生器と、
前記信号発生器で発生されたパルス信号を前記導電層に入力する入力状態と前記導電層からの伝播信号を前記受信部に伝達する受信状態とを切替可能な信号切替器と、
前記信号切替器を制御する切替制御器と
を備えることにより、
前記パルス信号入力部及び前記伝播信号受信部は一体的に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブルの健全性診断システム。
【請求項６】
前記伝播信号受信部は、前記パルス信号に対応する所定周波数を選択的に透過するバンドパスフィルタを介して前記伝播信号を受信することを特徴とする請求項５に記載の超電導ケーブルの健全性診断システム。
【請求項７】
前記パルス信号入力部は、前記受信した伝播信号の減衰度が所定値に達した際に、次のパルス信号が自動的に入力されるように制御され、
前記電気抵抗測定部は、前記パルス信号入力部の入力間隔に基づいて、前記導電層の電気抵抗値を求めることを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブルの健全性診断システム。
【請求項８】
前記超電導ケーブルは給電用のトロリー線に対してインダクタンス成分を介して接続された超電導饋電線であることを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブルの健全性診断システム。
【請求項９】
略円筒形状を有する超電導層が互いに同軸配置されてなる導電層を有する直流送電用の超電導ケーブルの健全性を診断する超電導同軸ケーブルの健全性診断方法であって、
前記導電層の一端側からパルス波形を有する電気的信号であるパルス信号を入力するパルス信号入力工程と、
前記導電層において前記パルス信号により生ずる伝播信号を受信する伝播信号受信工程と、
前記受信された伝播信号の波形の減衰量に基づいて、前記導電層の電気抵抗値を計測する電気抵抗値計測工程と、
前記計測された電気抵抗値に基づいて、前記超電導ケーブルの健全性を判定する判定工程と
を備えることを特徴とする超電導ケーブルの健全性診断方法。
【請求項１０】
前記電気抵抗値測定工程は、前記伝播信号の減衰度に基づいて、前記導電層の電気抵抗値を計測することを特徴とする請求項９に記載の超電導ケーブルの健全性診断方法。
【請求項１１】
前記パルス信号入力工程は、前記受信した伝播信号の減衰度が所定値に達した際に、次のパルス信号を自動的に入力し、
前記電気抵抗値測定工程は、前記パルス信号の入力間隔に基づいて、前記導電層の電気抵抗値を求めることを特徴とする請求項９に記載の超電導ケーブルの健全性診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電層が超電導体からなる直流送電用の超電導ケーブルにおいて、クエンチの有無を検出することにより健全性を診断する超電導ケーブルの健全性診断システム及び健全性診断方法の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
極低温領域において電気抵抗値が略ゼロになる優れた導電性を発揮する超電導技術の応用分野の一つとして、直流電力を送電する送電経路である送電ケーブルが知られている。例えば鉄道用送電ケーブルは、送電電圧が１５００（Ｖ）と比較的低く、更に、直流電力が用いられるため、交流損失が無く、長距離化が容易であることから、実用化に最も近い超電導機器の一つとされている。例えば鉄道の饋電線を超電導化した場合、送電時の電力損失の軽減に加えて、電車の減速時に発生する回生制動を確実にできるため鉄道電力システム全体の省エネルギー性能を向上させ、更に電気抵抗がゼロであることによって電蝕問題も解決できるなど、様々な利点が期待されている。
【０００３】
超電導を用いた送電ケーブルでは、何らかの要因によって臨界電流を越える過大電流が流れると、ケーブル全域が常電導相に転位（クエンチ）し、危険な事故を引き起こすおそれがある。特に、鉄道用饋電線は鉄道の基幹系であるため、事故の影響は大きく、これに対処する技術の確立が求められている。
【０００４】
ところでクエンチの原因となる過大電流が通常の事故や故障によるものであれば、送電ケーブル上に限流器を設けることである程度対処が可能である。しかしながら、地上に接地される送電ケーブルの場合、雷撃によるクエンチ発生が問題となる。雷撃は送電ケーブルを含む系統の任意の位置に受ける可能性があるため、仮に送電ケーブル上に限流器が設けられていたとしても、限流器を通らないルートで雷撃電流が超電導ケーブルに侵入する可能性がある。すると、超電導ケーブルは全域に渡って瞬時にクエンチしてしまい、この状況で負荷である電車が動作すると超電導ケーブルは膨大な熱を発生して焼失する可能性もあり、非常に危険である。
【０００５】
超電導ケーブルでは、このようなクエンチ発生時に備えるために、超電導ケーブルの全体に亘って健全性を速やかに診断する技術が求められている。しかしながら、以下に説明するように、従来技術では、十分な応答性且つ診断精度での診断が困難であるのが現状である。超電導ケーブルの健全性を診断するには電気抵抗値を測定することにより、クエンチ発生の有無を診断することが有効な手法の一つである。例えば特許文献１ではケーブルの両端電圧をフーリエ変換することでクエンチの有無を診断する手法が開示されている。しかしながら、送電ケーブルという用途では超電導ケーブルが非常に長い距離に亘るため、ケーブル両端電圧を測定することは現実的ではない。
【０００６】
このような課題に対し、超電導ケーブルの温度測定によって健全性を診断する手法が検討されている。ここで、仮に超電導ケーブル全体に亘って多数の温度計を設置すると、送電用の超電導ケーブルは非常に長い機器であるため、膨大な測定線が必要となり、高電圧電気系絶縁の大きな障害になってしまうため好ましくない。そこでワイヤレス温度計や光ファイバ温度計を利用することで測定線を排除し、上記課題を解決する健全性診断手法が考案されている。
【０００７】
尚、超電導ケーブルの健全性診断の他の手法としては、例えば特許文献２では超電導シールドからの漏洩磁場の位相差に基づいてクエンチの有無を判断する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２０６２３７号公報
【特許文献２】特開２００７−７３６０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、光ファイバ計測では、測定分解能が±０．１（Ｋ）が限界であるのが現実であり、十分な測定精度を得ることが難しいという問題点がある。一方、ワイヤレス温度計測では光ファイバ計測に比べて測定精度がよいものの、超電導ケーブルで生じた発熱の結果として生じる温度変化に基づいて健全性を診断するため、応答性に乏しいという問題点がある。このような理由から従来の健全性の診断手法に代わる新たな技術が求められている。
尚、上記特許文献１及び２に記事された超電導ケーブルの健全性診断技術は、どちらもケーブルがループ構造の実験設備であるためケーブル両端の電圧測定が容易な配置であり、実際の長距離超電導ケーブル応用は難しい欠点がある。
【００１０】
本発明は上述の問題点に鑑みなされたものであり、直流送電用の超電導ケーブルの健全性を良好な応答性で、且つ、精度よく診断可能な超電導ケーブルの健全性診断システム及び健全性診断方法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】
【００１１】
本発明の一態様に係る超電導ケーブルの健全性診断システムは上記課題を解決するために、略円筒形状を有する超電導層が互いに同軸配置されてなる導電層を有する直流送電用の超電導ケーブルの健全性を診断する超電導ケーブルの健全性診断システムであって、前記導電層の一端側からパルス波形を有する電気的信号であるパルス信号を入力するパルス信号入力部と、前記導電層において前記パルス信号により生ずる伝播信号を受信する伝播信号受信部と、前記受信された伝播信号に基づいて、前記導電層の電気抵抗値を計測する電気抵抗計測部と、前記計測された電気抵抗値に基づいて、前記超電導ケーブルの健全性を判定する判定部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本態様によれば、直流送電用の超電導ケーブルの導電層に対してパルス信号を入力し、導電層内の伝播信号に基づいて導電層の電気抵抗値を計測することにより、導電層におけるクエンチの発生等の不具合を検知することができる。このような不具合の検知は、導電層内を高速で伝播するパルス信号に基づいて行われるため、優れた応答性を得られることに加え、光ファイバ等を用いた従来の計測方法では到達困難な測定精度を実現することができる。
【００１３】
また、前記電気抵抗計測部は、前記伝播信号の減衰度に基づいて、前記導電層の電気抵抗値を計測してもよい。
本態様によれば、超電導ケーブルに入力されたパルス信号が導電層内を往復伝播する際に生じる減衰度は導電層の電気抵抗値との間に密接な相関があることに鑑みることによって、伝播信号の減衰度に基づいて、前記導電層の電気抵抗値を計測することができる。導電層内における信号の伝播速度は非常に高速であるため、減衰度の測定もまた短時間で行うことができ、応答性に優れた健全性判定を行うことができる。
【００１４】
また、前記判定部は、前記導電層における前記伝播信号の往復時間に基づいて、前記超電導ケーブルの健全性（例えば焼損や短絡等）の判定を行ってもよい。
本態様によれば、超電導ケーブルに不具合箇所がある場合には、導電層における伝播経路長が変化するので信号の往復時間が変化することに基づいて、健全性を診断することができる。例えば、超電導ケーブルの仕様から理論的に求められる往復時間と比較することで、理論値と測定値との間に乖離が有る場合には、超電導ケーブルに何らかの不具合が存在すると判定することができる。
【００１５】
この場合、前記判定部は、前記超電導ケーブルに異常があると判定した場合に、前記導電層における前記伝播信号の往復時間に基づいて、前記異常の発生箇所を特定してもよい。
本態様によれば、上述したように伝播信号の往復時間に基づいて健全性を診断する場合に、当該往復時間に基づいて異常の発生箇所までの距離を評価することができる。その結果、従来の温度測定や光ファイバを用いた診断方法では難しかった不具合箇所の特定も容易にでき、より詳細な原因解析に有用な情報まで診断することができる。
【００１６】
また、前記パルス信号を発生させる信号発生器と、前期信号発生器で発生されたパルス信号を前期導電層に入力する入力状態と前記導電層からの伝播信号を前記受信部に伝達する受信状態とを切替可能な信号切替器と、前記信号切替器を制御する切替制御器とを備えることにより、前記パルス信号入力部及び前記伝播信号受信部は一体的に構成されていてもよい。
本態様によれば、信号切替器によって入力状態と受信状態を切替制御することによって、パルス信号を入力する箇所と、導電層からの伝播信号を受信する箇所を同じ位置にコンパクトな構成で設けることができる。
【００１７】
この場合、前記伝播信号受信部は、前記パルス信号に対応する所定周波数を選択的に透過するバンドパスフィルタを介して前記伝播信号を受信してもよい。
本態様によれば、電気抵抗値を求めるために用いられる伝播信号をバンドパスフィルタを介して受信することによって、外部ノイズなどの影響を排除し、精度のよい健全性診断を行うことができる。
【００１８】
また、前記パルス信号入力部は、前記受信した伝播信号の減衰度が所定値に達した際に、次のパルス信号が自動的に入力されるように制御され、前記電気抵抗計測部は、前記パルス信号入力部の入力間隔に基づいて、前記導電層の電気抵抗値を求めてもよい。
本態様によれば、前回入力したパルス信号の減衰度が所定値に達した際に次のパルス信号を自動的に入力されるようにパルス信号入力部を制御することによって、パルス信号の減衰度が反映されたパルス信号の入力間隔に基づいて電気抵抗値を求めることができる。
【００１９】
また、前記超電導ケーブルは給電用のトロリー線に対して避雷器用のインダクタンス成分を介して接続された超電導饋電線であってもよい。
本態様によれば、健全性診断対象である超電導ケーブルが、給電用のトロリー線に対して直流電力を供給する超電導饋電線である場合、トロリー線との間にインダクタンス成分を設けることで、トロリー線に落雷した雷電流が超電導ケーブルに侵入するのも防げるし、健全性診断のために導電層に入力されるパルス信号が、トロリー線側に漏洩することを防止することができる。これにより、トロリー線を含む負荷側の影響を受けないため、精度のよい健全性診断を行うことができる。
【００２０】
本発明の一態様に係る超電導ケーブルの健全性診断方法は上記課題を解決するために、略円筒形状を有する超電導層が互いに同軸配置されてなる導電層を有する直流送電用の超電導ケーブルの健全性を診断する超電導同軸ケーブルの健全性診断方法であって、前記導電層の一端側からパルス波形を有する電気的信号であるパルス信号を入力するパルス信号入力工程と、前記導電層において前記パルス信号により生ずる伝播信号を受信する伝播信号受信工程と、前記受信された伝播信号の波形の減衰量に基づいて、前記導電層の電気抵抗値を計測する電気抵抗値計測工程と、前記計測された電気抵抗値に基づいて、前記超電導ケーブルの健全性を判定する判定工程とを備えることを特徴とする。
【００２１】
また、前記電気抵抗値計測工程は、前記伝播信号の減衰度に基づいて、前記導電層の電気抵抗値を計測してもよい。
また、前記パルス信号入力工程は、前記受信した伝播信号の減衰度が所定値に達した際に、次のパルス信号を自動的に入力し、前記電気抵抗値測定工程は、前記パルス信号の入力間隔に基づいて、前記導電層の電気抵抗値を求めてもよい。
【００２２】
本態様に係る超電導ケーブルの健全性診断方法は、上述の健全性診断システム（上記各種態様を含む）によって好適に実施することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、直流送電用の超電導ケーブルの導電層に対してパルス信号を入力し、導電層内の伝播信号に基づいて導伝導を電気抵抗値を計測することにより、導電層におけるクエンチの発生等の不具合を検知することができる。このような不具合の検知は、導電層内を高速で伝播するパルス信号に基づいて行われるため、優れた応答性を得られることに加え、光ファイバ等を用いた従来の計測方法では到達困難な測定精度を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】診断対象となる超電導ケーブルの概略構造を示す模式図である。
【図２】第１実施形態に係る超電導ケーブルの健全性診断システムの全体構成を示す模式図である。
【図３】図２の交流等価回路である。
【図４】パルス信号入力部から入力された高周波パルス信号の超電導饋電線内における伝播イメージを示す模式図である。
【図５】超電導饋電線内の伝播信号を１ミリ秒程度の長時間観測した波形を拡大した図である。
【図６】パルス信号入力部及び伝播信号受信部の他の構成例を示すブロック図である。
【図７】図７は超電導饋電線内の伝播信号を数１０マイクロ秒程度の時間で観測したパルス信号波形の一例を示す図である。
【図８】超電導饋電線内の伝播信号を数１０ミリ秒程度長時間観測した時の計測データ例である。
【図９】超電導饋電線内の伝播信号を数１０ミリ秒程度長時間観測した時の計測データの他の例である。
【図１０】第１実施形態に係る超電導ケーブルの健全性診断方法を手順毎に示すフローチャートである。
【図１１】第２実施形態における超電導ケーブルの健全性診断方法を手順毎に示すフローチャートである。
【図１２】第２実施形態に係る超電導ケーブルの健全性診断システムにおけるパルス信号入力回路を示す回路図の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２６】
まず健全性の診断対象である超電導ケーブル１０の概略構造について説明する。図１は診断対象となる超電導ケーブル１０の概略構造を示す模式図である。
【００２７】
超電導ケーブル１０は、中心部に設けられたフォーマ１２上に、内側超電導層１４、内側絶縁層１６、外側超電導層１８、外側絶縁層２０を順次形成した同軸ケーブルであり、内管２２及び外管２４からなる二重管構造を有する冷却管２６に収納された構成を有している。内側超電導層１４及び外側超電導層１８（以下、これらを併せて示す場合には適宜「導電層」と称する）は、Ｂｉ系やＹ系の高温超電導テープ線材をスパイラル状に巻き付けて形成されており、不図示の冷凍機で冷却された冷媒（液体窒素）によって、電気抵抗値が略ゼロである超電導状態が安定的に維持可能な程度に冷却されている。内側超電導層１４及び外側超電導層１８間には送電用の直流電力が供給され、超電導の特性を生かした高効率な送電が実現される一方で、電磁遮蔽機能によって外部への磁束漏洩が全く無いという特徴を有している。
【００２８】
不図示の冷凍機から供給される低温の冷媒は、一端側（図１の左側）から中空構造を有するフォーマ１２内に供給され、熱負荷を冷却した後、他端側（図１の右側）から冷却管２６の内管２２と外側絶縁層２０との間に形成された空間２８を通ることにより循環冷却される、いわゆるＧｏ−Ｒｅｔｕｒｎ  Ｆｌｏｗ方式が採用されている。また、冷却管２６は、内管２２及び外管２４間の空間２８が真空ポンプ等の減圧装置によって減圧される真空断熱構造を有しており、常温である外部からの熱侵入を防止している。
【００２９】
（第１実施形態）
図２は第１実施形態に係る超電導ケーブル１０の健全性診断システム１００の全体構成を示す模式図である。この例では、診断対象である超電導ケーブル１０として、トロリー線３２を介して電気車３４に直流電力を供給するための鉄道用送電システムに用いられる超電導饋電線を採用する（以下、適宜「超電導饋電線１０」と称する）。この種の鉄道用送電システムでは、変電所３６間を超電導饋電線１０で接続することによって、変電所３６間の電力融通を容易にできると共に、電気車３４からの回生電力を確実に有効利用することができる。
【００３０】
尚、図２では構成をわかりやすく表示するために、超電導饋電線１０の詳細な構成は省略することとし、代表的に内側超電導層１４及び外側超電導層１８のみを示している。変電所３６は一対の配線を介して内側超電導層１４及び外側超電導層１８に接続されており、該配線に過大電流が発生した場合の保護装置である限流器３８が設けられている。また外側超電導層１８は、電気車３４のレール３５に接続されることにより接地されており、内側超電導層１４は変電所３６に接続されると共にトロリー線３２に接続されることによって、変電所３６から送電される直流電力をトロリー線３２を介して電気車３４に供給する。
【００３１】
鉄道用送電システムはフィールド上に設けられるため、例えば落雷などによって超電導饋電線１０に過大なパルス電流が侵入することがある。このような過大パルス電流対策として、内側超電導層１４とトロリー線３２とを接続する配線上にインダクタンスＬｘを設け、避雷器４０を介して落雷によるパルス電流を対地に帰すように構成している。また内側超電導層１４とインダクタンスＬｘとの間には、後述する健全性診断を実施するための高周波パルス信号（電流又は電圧）を入力するためのパルス信号入力部４２、超電導饋電線１０内の伝播信号を受信する伝播信号受信部４３、受信した伝播信号に基づいて超電導饋電線の電気抵抗値を計測する電気抵抗計測部４４と、計測した電気抵抗値に基づいて超電導ケーブル１０の健全性を判定する判定部４５とが設けられている。
尚、電気抵抗計測部４４及び判定部４５は例えばコンピュータなどの電子演算器から構成されており、必要に応じて測定結果や診断結果を表示するディスプレイなどを備えるとよい。
【００３２】
図３は図２の交流等価回路である。図３では、超電導饋電線１０は単位長当りのインダクタンスｌ、静電容量ｃ、抵抗成分ｒを含む分布定数系回路として表される。補足して説明すると、超電導饋電線１０が高周波パルス信号に対して完全にゼロ抵抗であればｒ＝０であるが、現実には高周波パルス信号に対して完全なゼロ抵抗にはならない。また、超電導饋電線１０に入力された高周波パルス信号は、インダクタンスＬｘの存在によってトロリー線３２側に漏れ出すことはない。更に、変電所３６のインピーダンスＺＨは超電導饋電線１０の特性インピーダンスＺ０に比べて、一般的に十分に小さいため、交流等価回路では短絡状態と見なしている。
【００３３】
また上述したように、超電導饋電線１０を構成する内側超電導層１４及び外側超電導層１８は、それぞれ多数のＢｉ系やＹ系の超電導テープ線材をスパイラル状に巻き付けて形成するのでインダクタンス成分を有するが、ここでは説明を簡単にするために、これらの電導層は電気的に一体化した均一円筒導体と見なし、更に、超電導饋電線１０の交流特性は単純に次式の分布定数回路で表現できるとする。
0006453004.tif 000002
【００３４】
上記（１）式は双曲型偏微方程式であり、波動方程式そのものである。同式の左辺は時間項のみ、右辺は場所関数のみで表現されるので、変数分離法を適用して解析解を求めると、以下のようになる。
0006453004.tif 000003
ここでＶ１ｎ、Ｖ２ｎ、Ｗ１ｎ、Ｗ２ｎは初期条件や境界条件で決まる定数であり、ｎはゼロを除く自然数である。
【００３５】
（２）式によれば、パルス信号入力部４２により入力される高周波パルス信号は、超電導饋電線１０内において指数関数ｅｘｐ（−０．５（ｒ／ｌ）ｔ）に従って減衰することが表わされている。また（１）式が波動方程式であることに鑑みると、同軸ケーブルである超電導饋電線１０内を伝わる高周波パルス信号の伝播速度Ｕ０や特性インピーダンスＺ０は、次式により得られる。
0006453004.tif 000004
【００３６】
ここで図１に示すように規定した超電導饋電線１０の仕様（内導体径Ｄｉ、外導体径Ｄｏ）を用いると、ｌ
及びｃは以下のように求められる。
0006453004.tif 000005
但し、μ０及びε０は真空中の透磁率、誘電率、εｒは電気絶縁体の比誘電率である。ちなみにμ０、ε０の具体的な値は以下のとおりである。
0006453004.tif 000006
【００３７】
ここで、図４はパルス信号入力部４２から入力された高周波パルス信号の超電導饋電線１０内における伝播イメージを示す模式図である。図４（ａ）〜図４（ｃ）は超電導饋電線１０内に入力された高周波パルスにより生ずる伝播信号の様子を時系列順に示したものであり、入力された１波長の高周波パルス信号が超電導饋電線１０の両端で反射を繰り返しながら減衰する様子を示している。両端における高周波パルス信号の反射の状況は、超電導饋電線１０の両端に接続された変電所３６の高周波インピーダンスＺＨと超電導饋電線１０の特性インピーダンスＺ０により決定される。ここで超電導饋電線１０の両端における高周波パルス信号の電流振幅をｉ１、変電所３６内に現われる伝播信号の電流振幅をｉ２とすると、次式が成立する。
0006453004.tif 000007
尚、超電導饋電線１０の特性インピーダンスＺ０は数１０Ωであるが、変電所３６のインピーダンスが十分に小さく、交流回路的に短絡状態に近いため、ＺＨ≒０と見なすこととする。
【００３８】
仮に超電導饋電線１０のうち内側絶縁層１６及び外側絶縁層２０が真空層であるとした場合、伝播速度は
0006453004.tif 000008
となり、超電導饋電線１０の寸法（Ｄ０やＤｉ）とは無関係に、伝播速度はＵ０≒３×１０８（ｍ／ｓｅｃ）となる。これは、光速に等しい伝播速度である。しかし実際には内側絶縁層１６や外側絶縁層２０は真空ではなく、電気絶縁体であるガラス繊維や紙が用いられているため、比誘電率が３〜１０、あるいは２〜２．５と大きくなる。また、超電導饋電線１０の導電層である内側超電導層１４及び外側超電導層１８もまた高温超電導テープ線材を巻きつける構造なのでインダクタンス成分を有することから、単純な同軸円筒板金属板構造で生じるインダクタンス値より大きいと考えられる。従って伝播速度Ｕ０も光速以下になるが、それでも伝播速度Ｕ０は十分に高速である。
【００３９】
例えば、超電導饋電線１０の長さが１（ｋｍ）で伝播速度がＵ０＝１×１０８（ｍ／ｓｅｃ）であるとすると、高周波パルス信号が超電導饋電線１０を往復する時間はΔτ＝２×１０００／１０８＝２０×１０−６＝２０（μｓｅｃ）となる。この場合、後述するように、高周波パルス信号が減衰する様子を明確に観測するために１０００回往復させたとしても、必要な時間は僅か０．０２秒しかかからないため、非常に応答性のよい健全性判断を行うことができる。
【００４０】
超電導饋電線１０に入力される高周波パルス信号の減衰は、（２）式に示すように、超電導饋電線１０の単位長当りのインダクタンスｌと抵抗ｒに依存するが、インダクタンスｌは（４−１）式から求まる既知量なので、減衰の様子は抵抗ｒにより変化することとなる。本実施形態に係る健全性診断システム１００では、このように高周波パルス信号の減衰度が抵抗ｒに依存するという特性を利用することで、超電導饋電線１０の電気抵抗値を測定し、クエンチ等の異常の有無を診断することができる。
【００４１】
尚、図４では本実施形態における計測原理を分かりやすく説明するために、超電導饋電線１０内を伝播する高周波パルス信号の様子を示しているが、実際の計測では、超電導饋電線１０内の伝播信号を直接追い求め観測することは困難である。そこで、本実施形態では、伝播信号を受信する伝播信号受信部４３をパルス信号入力部４２の近傍に配置しているが、原理的には超電導饋電線１０上の任意の位置に設けてもよいことは言うまでもない。
尚、伝播信号受信部４３は後述するようにパルス信号入力部４２と共にＣＴ（カレント・トランス）として構成されていてもよいし、単に数１００（ｐＦ）の静電容量を利用してもよい。
【００４２】
図５は超電導饋電線１０内の伝播信号の振幅の経時変化を示す図である。パルス信号入力部４２から入力されたパルス信号は、入力時に最大振幅を有すると共に、その後、時間の経過に従って指数関数的に減衰する。本実施例では、パルス信号入力部４２は周期的にパルス信号を入力するため、図５では複数のパルス信号が減衰する様子が示されている。尚、この例では、パルス信号の入力周波数が１００Ｈｚの場合を示している。
【００４３】
ここで超電導饋電線１０の長さをＬ＝１０００（ｍ）、内側超電導層１４の径をＤｉ＝３（ｃｍ）、外側超電導層１８の径をＤ０＝６（ｃｍ）と仮定し、超電導饋電線１０内の伝播信号の時間的変化をシミュレーションで求めてみる。超電導饋電線１０に入力された高周波パルス信号は、リアクトルＬｘ（図２を参照）によって、トロリー線３２側に漏れ出ることがない。超電導饋電線１０の仕様諸元Ｄｉ、Ｄ０を（４）式に代入すると、仮に内側超電導層１４及び外側超電導層１８超電導饋電線１０の導電層である内側超電導層１４及び外側超電導層１８が単純な金属円管である場合には、単位長当りのインダクタンスはｌ０=１．３８６３×１０−７（Ｈ／ｍ）となるが、導電層は高温超電導テープ線材を巻き込んで形成しているので、約２倍のｌ＝２．７７２５８×１０−７（Ｈ／ｍ）と仮定してみる。
【００４４】
更に、内側絶縁層１６や外側絶縁層２０を形成する電気絶縁材料の比誘電率をεｒ＝２として単位長当りの容量がｃ=１６０．５２×１０−１２（Ｆ／ｍ）とすると、超電導饋電線１０内の高周波パルス信号の伝播速度はＵ０＝１．４９９×１０８（ｍ／ｓｅｃ）、特性インピーダンスはＺ０＝４１．６（Ω）となる。
尚、変電所３６のインピーダンスはケーブルの特性インピーダンスＺ０に比べ遥かに低いと考えられるので略ゼロと仮定する。
【００４５】
パルス信号入力部４２は、周波数ｆ＝４０５．５（ｋＨｚ）を有する正弦波を１波長単位で切り出したものをパルス信号として入力する。尚、高周波パルス信号が切り出される正弦波の周波数は自由に選択することも可能であるが、本実施形態では、超電導饋電線１０内を高周波パルス信号が往復する時間が２Ｌ／Ｕ０＝１３．３×１０−６（ｓｅｃ）であるため、超電導饋電線１０の共鳴周波数がある
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を避けるように４０５．５（ｋＨｚ）を選択している。
【００４６】
図６はパルス信号入力部４２及び伝播信号受信部４３の他の構成例を示すブロック図である。この例では、パルス信号を発生させる信号発生器４６と、該信号発生器４６で発生されたパルス信号を導電層に入力する入力状態と導電層からの伝播信号を伝播信号受信部４３に伝達する受信状態とを切替可能な信号切替器４８と、該信号切替器４８を制御する切替制御器５０とを備えることにより、パルス信号入力部４２及び伝播信号受信部４３が一体的に構成されている。特に伝播信号受信部４３は、パルス信号に対応する所定周波数を選択的に透過するバンドパスフィルタ５２を介した後、増幅＆信号処理装置５４によって最適なレベルに増幅処理することによって、健全性診断を実施する電気抵抗計測部４４や判定部４５との間のインターフェイスとしても機能するように構成されている。
【００４７】
具体的に説明すると、まず信号発生器４６で４０５．５（ｋＨｚ）の高周波信号１波長を発生させると共に、信号切替器４８を切り替えることによって、バンドパスフィルタ５２側を切り離して受信側からの信号侵入を防止すると共に、超電導饋電線１０側に接続することで、高周波パルス信号を超電導饋電線１０に入力する。その後、信号切替器４８を切り替えることによって、信号発生器４６を切り離して入力側からの信号侵入を防止すると共に、バンドパスフィルタ５２側を接続することにより超電導饋電線１０内の伝播信号を受信する。
【００４８】
このように図６では、信号切替器４８によって入力状態と受信状態を切替制御することによって、パルス信号を入力する箇所と、導電層からの伝播信号を受信する箇所を同じ位置にコンパクトな構成で設けることができる。例えば、パルス信号入力部４２及び伝播信号受信部４３を一つのＣＴから一体的に形成することによって省スペース化及びコンパクト化を実現することができる。また、電気抵抗値を求めるために用いられる伝播信号をバンドパスフィルタ５２を介して受信することによって、外部ノイズなどの影響を排除し、精度のよい健全性診断を行うことができる。
【００４９】
図７は超電導饋電線１０内の伝播信号の一例を示す図である。尚、図７では超電導饋電線１０内の伝播信号の振幅を分かり易くするために±１（Ａ）としているが、±０．１（Ａ）以下でも十分に計測可能である。
【００５０】
図７に示すように、超電導饋電線１０に入力された高周波パルス信号は、初め、１波長分の綺麗な波形を有するパルス信号であるが、超電導饋電線１０の両端で反射を繰り返す毎に両端部の反射や共鳴現象等の影響を受けることで波形に乱れが生じていく。そのため、超電導饋電線１０内における高周波パルス信号の減衰量を把握するには計測時間を十分長く確保する必要がある。上述したように超電導饋電線１０を高周波パルス信号が往復するのに要する時間は２Ｌ／Ｕ０であり、仮にこの時間が短いと、超電導饋電線１０の途中で導電層が焼損・短絡などの損傷している可能性を示唆する。すなわち後述するように、判定部４５では電気抵抗値の絶対値評価に加えて、伝播信号の往復時間の評価を行うことで、超電導饋電線１０の損傷の有無や損傷位置などの、より詳細な診断を行うことも可能である。
【００５１】
尚、上記説明では、超電導饋電線１０の健全性診断のために長時間の計測が必要であると述べたが、その期間は僅か１０（ｍｓｅｃ）に過ぎない。これは、温度計を用いた計測に比べ、遥かに高速であるため、十分に優れた応答性で健全性診断が行えることに変わりはない。
【００５２】
図８は超電導饋電線１０内の伝播信号の計測データ例である。このデータでは、高周波パルス信号の入力間隔が十分長く設けられることにより、振幅が略ゼロに減衰する様子全体が捉えられている。具体的には、入力周波数を１００Ｈｚに設定しており（すなわち０．０１秒間隔で入力しており）、高周波パルス信号の振幅は入力時から約２（ｍｓｅｃ）後には略ゼロに減衰している。
【００５３】
図８では、高周波パルス信号は入力時から１（ｍｓｅｃ）後には振幅が２％程度減衰している。従って、電気抵抗計測部４４は伝播信号受信部４３で受信した伝播信号を減衰項ｅｘｐ（−ｒ／ｌ）ｔ／２に当てはめ、ｌ＝２．７７２５８×１０−７（Ｈ／ｍ）を代入することにより、超電導饋電線１０の導体単位長当りの抵抗をｒ＝１３．８×１０−４≒１０−５（Ω／ｍ）と求めることができる。このように、超電導饋電線１０の電気抵抗値は伝播信号の減衰状態に基づいて計測することができる。
【００５４】
図９は超電導饋電線１０内の伝播信号の計測データの他の例であり、図９（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ超電導饋電線の導電単位長当りの抵抗がｒ＝５×１０−４（Ω／ｍ）及びｒ＝１×１０−４（Ω／ｍ）の場合に観測される高周波パルス信号の減衰状態を示している。これらの結果からも高周波パルス信号の減衰状態は、超電導饋電線１０の導体単位長当りの抵抗ｒに依存している様子が明らかである。
【００５５】
図１０は第１実施形態に係る超電導ケーブル１０の健全性診断方法を手順毎に示すフローチャートである。まずパルス入力部４２は１のパルス信号を入力する（ステップＳ１０１）。ここで入力されたパルス信号は図５に示すように時間の経過と共に減衰する。伝播信号受信部４３は伝播信号を受信し（ステップＳ１０２）、電気抵抗計測部４４は、上述した原理に従い、伝播信号の減衰度に基づいて電気抵抗値を計測する（ステップＳ１０３）。
【００５６】
続いて判定部４５は、ステップＳ１０４で算出された電気抵抗値ｒが、クエンチの有無を判定するために予め設定された閾値ｒ＊を超えたか否かを判定する（ステップＳ１０４）。電気抵抗値ｒが閾値ｒ＊を超えている場合（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、判定部４５は超電導ケーブル１０にクエンチ発生の可能性があり、「異常あり」と判定する（ステップＳ１０５）。一方、電気抵抗値ｒが閾値ｒ＊未満である場合（ステップＳ１０４：ＮＯ）、判定部４５は超電導ケーブル１０にクエンチが発生しておらず、「異常なし」と判定し計測を繰り返す（ステップＳ１０６）。
【００５７】
このように本実施形態では、超電導ケーブル１０内の伝播信号の減衰度に基づいて電気抵抗値を計測することによって、健全性診断を行う。特に、伝播信号の速度は非常に高速であるため、減衰度の測定もまた短時間で行うことができ、応答性に優れた健全性判定を行うことができる。
【００５８】
また判定部４５は、伝播信号の往復時間に基づいて超電導ケーブル１０内の焼損や短絡等の健全性を判定してもよい。この場合、超電導ケーブル１０に不具合箇所がある場合には、伝播信号の往復時間が変化することに基づいて、健全性を診断することができる。例えば、超電導ケーブル１０の仕様から理論的に求められる往復時間と比較することで、理論値と測定値との間に乖離が有る場合には、超電導ケーブルに何らかの不具合が存在すると判定することができる。
【００５９】
この場合、判定部４５は異常があると判定した際には、更に、伝播信号の伝播速度は上述したように既知であるため、往復時間に基づいて異常の発生箇所までの距離を特定することができる。つまり、従来の診断方法では難しかった不具合箇所の特定が可能であるため、より詳細な診断も可能となる。
【００６０】
尚、上述した計測方法は同軸構造を有する直流超電導ケーブルにおいて特に有効である。例えば三相交流を送電する三相一括型の交流送電用の超電導ケーブルでは、ある相について上記方法で健全性を調べようとすると他相に影響が及んでしまい、各相において精度のよい健全性が困難になってしまう。また交流送電用の超電導ケーブルでは、送電対象が交流電力であるため、高周波パルス信号と商用周波数との間で混同することによりノイズの増加が懸念されるため、測定精度が劣化しやすい。
【００６１】
以上説明したように、本実施形態によれば、直流送電用の超電導ケーブル１０に高周波パルス信号を入力し、受信した伝播信号に基づいて電気抵抗値を計測することによって健全性を診断することで、クエンチ等の不具合を長距離に亘って精度よく検知することができる。このような健全性診断は、高速で伝播するパルス信号を利用して行われるため、従来方法では到達が困難な応答性及び精度で実施することができる。
【００６２】
（第２実施形態）
続いて第２実施形態に係る超電導ケーブルの健全性診断システムについて説明する。上述の第１実施形態では超電導ケーブル１０の伝播度に基づいて単位長当りの抵抗ｒを評価することで診断を行ったが、本実施形態ではより単純な電子回路を用いて診断する点において異なっている。
尚、本実施形態に係る超電導ケーブルの健全性診断システムは基本構成は上記第１実施形態と同じであるため、共通する箇所には同じ符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略することとする。
【００６３】
図１１は第２実施形態における超電導ケーブル１０の健全性診断方法を手順毎に示すフローチャートである。まずパルス入力部４２は１のパルス信号を入力する（ステップＳ２０１）。ここで入力されたパルス信号は図５に示すように時間の経過と共に減衰する。伝播信号受信部４３は伝播信号を受信し（ステップＳ２０２）、伝播信号の振幅が所定閾値Ｉ＊より小さくなったか否かを判定する（ステップＳ２０３）。伝播信号の振幅が所定閾値Ｉ＊より小さくなると（ステップＳ２０３：ＹＥＳ）、パルス信号入力部４２は次の１のパルス信号を入力すると共に、当該パルスの入力間隔に基づいて入力周波数を出力する（ステップＳ２０４）。
【００６４】
続いて電気抵抗計測部４４は、ステップＳ２０４で出力された入力周波数とケーブルの単位長さあたりの電気抵抗とは相関するので、これに基づいて、ケーブルの単位長さあたりの電気抵抗値ｒを算出する（ステップＳ２０５）。入力周波数とケーブルの単位長さあたりの電気抵抗値ｒとは互い相関があり、例えば入力周波数が高ければ超電導ケーブル１０の抵抗成分ｒが大きい事を意味する。
尚、入力周波数とケーブルの単位長さあたりの電気抵抗値ｒとの関係は、予めマップとしてメモリ等の記憶手段に記憶してもよい。そして判定部４５は、ステップＳ２０５で算出された電気抵抗値ｒが、クエンチの有無を判定するために予め設定された閾値ｒ＊を超えたか否かを判定する（ステップＳ２０６）。
【００６５】
電気抵抗値ｒが閾値ｒ＊を超えている場合（ステップＳ２０６：ＹＥＳ）、判定部４５は超電導ケーブル１０にクエンチ発生の可能性があり、「異常あり」と判定する（ステップＳ２０７）。一方、電気抵抗値ｒが閾値ｒ＊未満である場合（ステップＳ２０６：ＮＯ）、判定部４５は超電導ケーブル１０にクエンチが発生しておらず、「異常なし」と判定し測定を繰り返す（ステップＳ２０８）。
【００６６】
尚、入力周波数は図８及び図９の結果によれば数Ｈｚ〜数１００Ｈｚであるため、長さ１（ｋｍ）級の超電導ケーブル１０であれば、人間の可聴音領域の計測音に基づいてケーブルの異常状態を判定することもできる。
【００６７】
続いて、上記ステップＳ２０１〜Ｓ２０４におけるパルス信号の入力方法を実現するための具体的な入力回路について説明する。図１２は第２実施形態に係る超電導ケーブルの健全性診断システムにおけるパルス信号入力回路を示す回路図の一例である。
【００６８】
パルス信号入力回路は、バンドパスフィルタ回路６０、検波回路６２、比較回路６４及びワンショットパルス発生回路６６を備えて構成される。前回入力されたパルス信号によって超電導ケーブル１０内に生じる伝播信号が受信されると、該受信された伝播信号はパルス信号入力回路に図１１の左側から入力される。入力された伝播信号はバンドパスフィルタ回路６０によって余分な周波数成分が除去された後、検波回路６２によって検波され、アナログの電気信号となる。そして、比較回路６４は検波回路６２からの入力レベルと別途生成された基準レベルとを比較することにより、受信信号のレベルを基準値Ｉ＊以下と判定すると、ワンショットパルス発生回路６６がワンショットパルス発生回路６６に次のパルス信号の発生を促す。
【００６９】
このように図１２に示す電子回路では、入手が容易なオペアンプで全段を構成しているため、安価で実現することができる。尚、より安価にするためには高周波用のオペアンプに変えて、ＴＴＬタイプのＩＣを使用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、導電層が超電導体からなる直流送電用の超電導ケーブルにおいて、クエンチの有無を検出することにより健全性を診断する超電導ケーブルの健全性診断システム及び健全性診断方法に利用可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１０  超電導ケーブル
１２  フォーマ
１４  内側超電導層
１６  内側絶縁層
１８  外側超電導層
２０  外側絶縁層
２６  冷却管
３２  トロリー線
３４  電気車
３５  レール
３６  変電所
３８  限流器
４０  避雷器
４２  パルス信号入力部
４３  伝播信号受信部
４４  電気抵抗計測部
４５  判定部
４６  信号発生器
４８  信号切替器
５０  切替制御器
５２  バンドパスフィルタ
５４  増幅＆信号処理装置
６０  フィルタ回路
６２  検波回路
６４  比較回路
６６  ワンショットパルス発生回路
１００  健全性診断システム
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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