(57)【要約】【課題】本発明は、高温超伝導ケーブル沿線の温度異常を正確に監視制御し且つその位置を特定できる高温超伝導ケーブルの温度測定システムを提供する。【解決手段】相互に接続される高温超伝導ケーブルと端末冷却システムに応用されるとともに、高温超伝導ケーブルに設けられる低温温度測定光ファイバーと、端末冷却システムに設けられる測温抵抗体からなる。光ファイバー温度測定ホストは、低温温度測定光ファイバーの各測定点からの温度測定情報を受信するのに用いられ、前記測温抵抗体温度監視制御装置は、自己測温抵抗体からの温度情報を受信するのに用いられ、温度測定制御装置は、温度測定情報及び温度情報を受信し、温度測定情報及び温度情報に基づいて評価及び判定することで、接続されたケーブル動作制御ホストの保護動作及び保護領域が決定されるとともに、ケーブル動作制御ホストによる対応する操作を制御する。
2021515902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に接続される高温超伝導ケーブルと端末冷却システムに応用される高温超伝導ケーブルの温度測定システムであって、前記高温超伝導ケーブルの温度測定システムは、低温温度測定光ファイバー及び測温抵抗体と、光ファイバー温度測定ホストと、測温抵抗体温度監視制御装置と、温度測定制御装置と、からなり、
前記低温温度測定光ファイバーは、前記高温超伝導ケーブルに中に設けられ、前記測温抵抗体は、前記端末冷却システムに設置され、
前記光ファイバー温度測定ホストは、前記低温温度測定光ファイバーの各測定点からの温度測定情報を受信するのに用いられ、
前記測温抵抗体温度監視制御装置は、自己測温抵抗体からの温度情報を受信するのに用いられ、
前記温度測定制御装置は、前記光ファイバー温度測定ホスト及び前記測温抵抗体温度監視制御装置と相互に接続され、前記温度測定情報及び温度情報を受信し、前記温度測定情報及び温度情報に基づいて評価及び判定することにより、接続されたケーブル動作制御ホストの保護動作及び保護領域が決定され、前記ケーブル動作制御ホストは、前記保護動作及び保護領域に基づき、対応するインバータシステムまたは遮断器を操作する
ことを特徴とする、高温超伝導ケーブルの温度測定システム。
【請求項２】
前記光ファイバー温度測定ホストは、さらに、情報収集受信ユニットと、第１計算ユニットと、位置測定ユニットを備え、
前記情報収集受信ユニットは、前記低温温度測定光ファイバーの各温度測定点に散光されるストークス光と反ストークス光をそれぞれ収集するのに用いられ、
前記第１計算ユニットは、各温度測定点におけるストークス光と反ストークス光を以下の計算公式、
【数７】
2021515902.tif 000009
で計算し、前記温度測定点の温度を取得するのに用いられ、
式における、ＩＡＳは反ストークス強度であり、ＩＳはストークス強度であり、ｈはプランク定数であり、ｋはボルツマン定数であり、νは光の振動数であり、νｉは振動周波数であり、Ｔは絶対温度であり、レーザー源が決定されると、νは定数となり、νｉは、光ファイバー材料によって决定され、光ファイバーが確定されると定数となり、
前記位置測定ユニットは、光学時間領域反射率測定（ＯＴＤＲ）技術に基づいて、前記低温温度測定光ファイバーの各温度測定点の位置を特定し、各温度測定点の位置情報を取得するのに用いられる
ことを特徴とする、請求項１に記載の高温超伝導ケーブルの温度測定システム。
【請求項３】
前記測温抵抗体は、Ｔ１００温度センサーである
ことを特徴とする、請求項２に記載の高温超伝導ケーブルの温度測定システム。
【請求項４】
前記温度測定システムは、信号受信処理ユニットと、保護動作決定ユニットと、保護領域決定ユニットと、保護情報送信ユニットを備え、
前記信号受信処理ユニットは、前記温度測定制御装置が温度信号を受信した後、ケーブル沿線温度Ｔ、ケーブル沿線温度の平均値Ｔａｖ、及び、冷却システムの温度Ｔｃを取得するのに用いられ、
前記保護動作決定ユニットは、前記信号受信処理ユニットによって取得された数値を、所定のケーブル沿線温度警告値Ｔｌ、ケーブル最高許容温度Ｔｍａｘ、ケーブル平均温度低しきい値ＴＬ、ケーブル平均温度高しきい値ＴＨ、及び、冷却システムの最高許容温度ＴｃＨと比較してケーブル動作制御ホストの保護動作を判定するのに用いられ、
前記保護領域決定ユニットは、前記数値が取得された後、ケーブル沿線の温度曲線を取得するとともに、シミュレーションにより、形態学的勾配のピーク幅の識別方法に基づいて得られた温度異常点を示した図を取得し、前記温度異常点を示した図における正と負の狭いピークの相対位置によって、ケーブル上の温度異常点の位置を特定することで、保護領域を確定するのに用いられ、
前記保護情報送信ユニットは、前記保護動作及び保護領域情報を、接続されたケーブル動作制御ホストに送信するのに用いられる
ことを特徴とする、請求項３に記載の高温超伝導ケーブルの温度測定システム。
【請求項５】
前記保護動作決定ユニットは、  
比較結果が、（Ｔ＞Ｔｌ）∨（Ｔａｖ＞ＴＬ）である場合、生成される保護動作は警報命令であり、ケーブル動作制御ホストが警報命令及び保護領域情報を受信すると、インバータシステムの前記保護領域における前記高温超伝導ケーブルの送電が制御されるポリシーと
比較結果が、（Ｔ＞Ｔｍａｘ）∨（Ｔａｖ＞ＴＨ）∨（Ｔｃ＞ＴｃＨ）である場合、生成される保護動作は遮断命令であり、ケーブル動作制御ホストが前記遮断命令及び保護領域情報を受信すると、遮断器が制御され、直ちに前記保護領域における故障を起こした前記高温超伝導ケーブルが送電網から切断されるポリシーとにより保護動作が決定される
ことを特徴とする、請求項４に記載の高温超伝導ケーブルの温度測定システム。
【請求項６】
前記高温超伝導ケーブルは、外側から内側へ、低温恒温器と、シールド層と、少なくとも一層の絶縁層及び相導体と、ケーブルボビンを備え、前記低温恒温器とシールド層の間、及び、ケーブルボビン内には、いずれも液体窒素が充填され、そのうち、
前記高温超伝導ケーブルの中には、さらに、低温耐性温度測定光ファイバーが取り付けられ、前記低温耐性温度測定光ファイバーは、少なくともシールド層外表面、最も外側の絶縁層と最も外側の相導体の間、ケーブルボビンの内表面の３つの位置のうちのいずれかに取り付けられる
ことを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれかに記載の高温超伝導ケーブルの温度測定システム。
【請求項７】
前記低温耐性温度測定光ファイバーには、石英系マルチモード光ファイバーが採用されるとともに、光ファイバーコーティング層の周囲には、光ファイバーの断面が同心円になるように被覆材料が塗布される、または、非金属密着スリーブが套設され、前記非金属密着スリーブには、繊維強化複合プラスチックスリーブ、ＰＢＴルースチューブ、フィブリル化ケブラースリーブが採用される
ことを特徴とする、請求項６に記載の高温超伝導ケーブルの温度測定システム。
【請求項８】
前記低温耐性光ファイバーには、直線敷設またはＳ敷設の方法が採用される
ことを特徴とする、請求項７に記載の高温超伝導ケーブルの温度測定システム。
【請求項９】
前記低温恒温器は、真空中間層を備える２層のステンレスが溶接されて製造され、前記２層のステンレスの真空中間層には、複数の層の絶縁材料及び活性炭が設置され、
前記シールド層は、銅シールド層であり、その一端または両端は、接地され、
前記絶縁層は、ポリプロピレンラミネート紙、芳香族ポリアミド紙、または、ポリイミド材料が採用されて製造され、
前記相導体は、Ｙ系高温超伝導体ＹＢＣＯであり、その幅は≧５ｍｍであり、その厚みは≒０．３ｍｍでなければならないとともに、銅層がメッキされることで安定層とされ、
ケーブルボビンは、目の細かい金網で覆われた金属波形管であり、超伝導テープが巻きつけられた基準支持物であると同時に、液体窒素の流通パイプに用いられる
ことを特徴とする、請求項８に記載の高温超伝導ケーブルの温度測定システム。
【請求項１０】
前記高温超伝導ケーブルは、三相独立超伝導ケーブル構造、三相平行軸超伝導ケーブル構造、または、三相同軸超伝導ケーブル構造である
ことを特徴とする、請求項９に記載の高温超伝導ケーブルの温度測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送電の応用技術分野に関し、特に、高温超伝導ケーブルの温度測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本申請は、申請番号２０１９１００６２５５１．３、発明名称「高温超伝導ケーブルの温度測定システム」の中国特許申請における優先権を、２０１９年１月２３日に中国特許庁に提出しており、上述の特許文献の内容全てが本申請において引用され組み込まれている。
【０００３】
中国経済が急速に発展するのに伴い、多くの都市での電力消費量は年々増加しており、都市の中心部における電力負荷は急激に増加し、送配電容量も大幅に増加しているため、いかに送電網の損失を減少させ、送電網の動作の安定性を向上させるかという課題が提示されている。現在の送電網システムは、送配電プロセスにおける損失が多いため、各国が送電網の損失を減少させるプランを探求している。そのうち、超伝導材料は、送電網の損失を減少させるための最も重要なプランの１つであり、高温超伝導テープの商業化生産によって、世界中の超伝導裝置の広範囲な研究と応用が促進されている。高温超伝導ケーブルは、従来の電力ケーブルに比べて、通流能力が高いとともに、容量が大きく、コンパクトな構造で、電磁放射汚染がないといった長所を備えるため広く注目されており、現在、世界中で、複数の高温超伝導ケーブルネットワークがすでに運用されている。
【０００４】
従来の電力ケーブルの応用と異なる点として、高温超伝導ケーブルの運用環境は少なくとも液体窒素温度（−１９６℃）以下でなければならないとともに、サイズはさらに小さく且つコンパクトでなければならない。従って、高温超伝導ケーブルを送電網において大規模に応用するには、技術的に難しい点が以下の２点存在する。
【０００５】
（１）高温超伝導ケーブルの動作時は、超伝導ケーブルを外部から臨界温度（−１９６℃）以下にまで冷却しなければ動作しない。しかしながら、通電時に超伝導ケーブルの一部の領域の熱妨害等の原因により超伝導ケーブルの一部の領域が超伝導状態から通常状態に遷移する際に生じるジュール熱により、超伝導ケーブルの温度が上昇し、周囲の常伝導遷移が促進されることで、常伝導状態の領域が拡大される（クエンチ現象）。
【０００６】
（２）高温超伝導ケーブル全線は液体窒素の中で動作するため、その構造と従来の電力ケーブルは大きく異なり、サイズがさらに小さく、構造がコンパクトであるため、測温抵抗体といった従来の温度センサーを超伝導ケーブルに取り付けてその沿線の温度を監視測定することができない（ケーブルの絶縁性能が損なわれるとともに、温度センサーの温度測定性能が電磁干渉の影響を受ける）。
【０００７】
上述の２点が高温超伝導ケーブルの送電網における幅広い応用を制限している点であるとともに、上述の２点により、現在の超伝導ケーブルシステムの温度監視測定範囲は、端末の冷却システムの温度監視測定に限定され、高温超伝導ケーブル沿綫の温度の測定はまだ実現していない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、主に、従来技術の欠点を解決するため、使用しやすく構造が簡単であるといった長所を備え、高温超伝導ケーブルの沿線における温度の異常を正確に監視制御するとともにその位置を特定することができることで、超伝導ケーブルの整備点検の際に、故障を解決するとともに故障の範囲を狭め、故障の処理時間を短縮することのできる高温超伝導ケーブルの温度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】
【０００９】
上述の技術問題を解決するため、本発明の実施例は、低温温度測定光ファイバー及び測温抵抗体と、光ファイバー温度測定ホストと、測温抵抗体温度監視制御装置と、温度測定制御装置と、からなる高温超伝導ケーブルの温度測定システムを提供し、相互に接続された高温超伝導ケーブルと端末冷却システムに応用される。
【００１０】
前記低温温度測定光ファイバーは、前記高温超伝導ケーブルに中に設けられ、前記測温抵抗体は、前記端末冷却システムに設置される。
【００１１】
前記光ファイバー温度測定ホストは、前記低温温度測定光ファイバーの各測定点からの温度測定情報を受信するのに用いられる。
【００１２】
前記測温抵抗体温度監視制御装置は、自己測温抵抗体からの温度情報を受信するのに用いられる。
【００１３】
前記温度測定制御装置は、前記光ファイバー温度測定ホスト及び前記測温抵抗体温度監視制御装置と相互に接続され、前記温度測定情報及び温度情報を受信し、前記温度測定情報及び温度情報に基づいて評価及び判定することにより、接続されたケーブル動作制御ホストの保護動作及び保護領域が決定され、前記ケーブル動作制御ホストは、前記保護動作及び保護領域に基づき、対応するインバータシステムまたは遮断器を操作する。
【００１４】
前記光ファイバー温度測定ホストは、さらに、情報収集受信ユニットと、第１計算ユニットと、位置測定ユニットを備えることが好ましい。
【００１５】
前記情報収集受信ユニットは、前記低温温度測定光ファイバーの各温度測定点に散光されるストークス光と反ストークス光をそれぞれ収集するのに用いられる。
【００１６】
前記第１計算ユニットは、各温度測定点におけるストークス光と反ストークス光を計算し、前記温度測定点の温度を取得するのに用いられ、計算公式は以下の通りである。
【００１７】
【数１】
2021515902.tif 000003
。
【００１８】
式における、ＩＡＳは反ストークス強度であり、ＩＳはストークス強度であり、ｈはプランク定数であり、ｋはボルツマン定数であり、νは光の振動数であり、νｉは振動周波数であり、Ｔは絶対温度であり、レーザー源が決定されると、νは定数となり、νｉは、光ファイバー材料によって决定され、光ファイバーが確定されると定数となる。
【００１９】
前記位置測定ユニットは、光学時間領域反射率測定（ＯＴＤＲ）技術に基づいて、前記低温温度測定光ファイバーの各温度測定点の位置を特定し、各温度測定点の位置情報を取得するのに用いられる。
【００２０】
前記測温抵抗体は、Ｔ１００温度センサーであることが好ましい。
【００２１】
前記温度測定システムは、信号受信処理ユニットと、保護動作決定ユニットと、保護領域決定ユニットと、保護情報送信ユニットを備えることが好ましい。
【００２２】
前記信号受信処理ユニットは、前記温度測定制御装置が温度信号を受信した後、ケーブル沿線温度Ｔ、ケーブル沿線温度の平均値Ｔａｖ、及び、冷却システム温度Ｔｃを取得するのに用いられる。
【００２３】
前記保護動作決定ユニットは、前記信号受信処理ユニットによって取得された数値を、所定のケーブル沿線温度警告値Ｔｌ、ケーブル最高許容温度Ｔｍａｘ、ケーブル平均温度低しきい値ＴＬ、ケーブル平均温度高しきい値ＴＨ、及び、冷却システム最高許容温度ＴｃＨと比較してケーブル動作制御ホストの保護動作を判定するのに用いられる。
【００２４】
前記保護領域決定ユニットは、前記数値が取得された後、ケーブル沿線の温度曲線を取得するとともに、シミュレーションにより、形態学的勾配のピーク幅の識別方法に基づいて得られた温度異常点を示した図を取得し、前記温度異常点を示した図における正と負の狭いピークの相対位置によって、ケーブル上の温度異常点の位置を特定することで、保護領域を確定するのに用いられる。
【００２５】
前記保護情報送信ユニットは、前記保護動作及び保護領域情報を、接続されたケーブル動作制御ホストに送信するのに用いられる。
【００２６】
前記保護動作決定ユニットは、以下に述べるポリシーにより保護動作が決定されることが好ましい。
【００２７】
比較結果が（Ｔ＞Ｔｌ）∨（Ｔａｖ＞ＴＬ）である場合、生成される保護動作は警報命令であり、ケーブル動作制御ホストが警報命令及び保護領域情報を受信すると、インバータシステムの前記保護領域における高温超伝導ケーブルの送電が制御される。
【００２８】
比較結果が（Ｔ＞Ｔｍａｘ）∨（Ｔａｖ＞ＴＨ）∨（Ｔｃ＞ＴｃＨ）である場合、生成される保護動作は遮断命令であり、ケーブル動作制御ホストが前記遮断命令及び保護領域情報を受信すると、遮断器が制御され、直ちに前記保護領域における故障を起こした高温超伝導ケーブルが送電網から切断される。
【００２９】
前記高温超伝導ケーブルは、外側から内側へ、低温恒温器と、シールド層と、少なくとも一層の絶縁層及び相導体と、ケーブルボビンを備えることが好ましい。前記低温恒温器とシールド層の間、及び、ケーブルボビン内には、いずれも液体窒素が充填される。
【００３０】
前記高温超伝導ケーブルの中には、さらに、低温耐性温度測定光ファイバーが取り付けられ、前記低温耐性温度測定光ファイバーは、少なくともシールド層外表面、最も外側の絶縁層と最も外側の相導体の間、ケーブルボビンの内表面の３つの位置のうちのいずれかに取り付けられる。
【００３１】
前記低温耐性温度測定光ファイバーには、石英系マルチモード光ファイバーが採用されるとともに、光ファイバーコーティング層の周囲には、光ファイバーの断面が同心円になるように被覆材料が塗布される、または、非金属密着スリーブが套設され、前記非金属密着スリーブには、繊維強化複合プラスチックスリーブ、ＰＢＴルースチューブ、フィブリル化ケブラースリーブが採用されることが好ましい。
【００３２】
前記低温耐性光ファイバーには、直線敷設方法またはＳ敷設方式が採用されることが好ましい。
【００３３】
前記低温恒温器は、真空中間層を備える２層のステンレスが溶接されて製造され、２層のステンレスの真空中間層には、複数の層の絶縁材料及び活性炭が設置されることが好ましい。
【００３４】
シールド層は、銅シールド層であり、その一端または両端は、接地される。
【００３５】
絶縁層は、ポリプロピレンラミネート紙、芳香族ポリアミド紙、または、ポリイミド材料が採用されて製造される。
【００３６】
相導体は、Ｙ系高温超伝導体ＹＢＣＯであり、その幅は≧５ｍｍであり、その厚みは≒０．３ｍｍでなければならないとともに、銅層がメッキされることで安定層となる。
【００３７】
ケーブルボビンは、目の細かい金網で覆われた金属波形管であり、それは、超伝導テープが巻きつけられた基準支持物であると同時に、液体窒素の流通パイプに用いられる。
【００３８】
高温超伝導ケーブルは、三相独立超伝導ケーブル構造、三相平行軸超伝導ケーブル構造、または、三相同軸超伝導ケーブル構造であることが好ましい。
【発明の効果】
【００３９】
本発明の実施例を実施することで、以下の有益な效果を備える。
【００４０】
本発明の提供する高温超伝導ケーブル温度測定システムは、従来の温度センサー（測温抵抗体）と光ファイバー温度測定技術が組み合わせて使用され、超伝導ケーブルを製造する際に、あらかじめ光ファイバーを超伝導ケーブルの中に設置するとともに、測温抵抗体を超伝導ケーブル端末（端末冷却システム）に配置することで、光ファイバー温度測定と測温抵抗体が組み合わされた複合温度測定部品が組成され、それにより、高温超伝導ケーブル沿線の温度と端末冷却システムの温度が測定される。前記システムは、リアルタイムで高温超伝導ケーブル沿線の温度分布を正確に把握することができることで、超伝導ケーブルの動作温度に応じてケーブルの輸送電流または超伝導ケーブル保護裝置を制御することができる。熱障害に関連したケーブル動作の欠陥を早急に発見することができるとともに、警告信号を発信することで、高温超伝導ケーブルの安全な動作が保証される。形態学的勾配における正と負の狭いピークの位置によって高温超伝導ケーブルの沿線における温度の異常点の位置を正確に特定する方法を提出することで、超伝導ケーブルの整備点検の際に、故障を解決することができるとともに故障の範囲を狭めることができ、故障の処理時間を短縮することができる。
【００４１】
本発明が提供する高温超伝導ケーブル温度測定システムは、電力送電網における高温超伝導ケーブルの温度測定と監視制御保護に応用することができ、高温超伝導ケーブルの構造の違いに応じて、高電圧レベル、中電圧レベル、低電圧レベルに対応することができるため、高い安定性と信頼性を備える。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
本発明の実施例または従来技術における技術案についてさらに分かりやすく説明するため、以下に実施例または従来技術を描写するのに必要な図について簡単に紹介する。見て分かる通り、以下に描写する図は、本発明の実施例の一部に過ぎず、本分野の一般の技術者が創造力を働かせずに、これらの図に基づいて取得したその他の図も本発明の保護範囲内に含まれるものとする。
【図１】本発明が提供する高温超伝導ケーブルの温度測定システムにおける１つ実施例の構造を示した図である。
【図２】図１の高温超伝導ケーブルの断面図である。
【図３】図１の光ファイバー温度測定ホストの構造を示した図である。
【図４】図１の温度測定制御装置の構造を示した図である。
【図５】図４の保護領域決定ユニットにおける形態学アルゴリズムに関連したＴｏｐ−Ｈａｔ変換の原理を示した図である。
【図６】図４の保護領域決定ユニットにおける入出力図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下に本発明の実施例の図と組み合わせて、本発明の実施例における技術案をさらに分かりやすく、全て説明する。明らかな点として、本発明が以下に描写する実施例は、本発明の一部の実施例に過ぎず、全ての実施例ではない。本発明の実施例に基づいて、本分野の一般の技術者が創造力を働かせずに取得した全てのその他の実施例は、全て本発明の保護範囲内に含まれるものとする。
【００４４】
図１は、本発明が提供する高温超伝導ケーブル１１の温度測定システムにおける１つ実施例の構造を示した図である。後に続く図を併せて組み合わせる。本実施例において、本発明の実施例が提供する高温超伝導ケーブル１１の温度測定システムは、相互に接続された高温超伝導ケーブル１１と端末冷却システム４に応用され、高温超伝導ケーブル１１の温度測定システムは、低温温度測定光ファイバー９及び測温抵抗体５と、光ファイバー温度測定ホスト１と、測温抵抗体温度監視制御装置２と、温度測定制御装置３と、からなる。
【００４５】
低温温度測定光ファイバー９は高温超伝導ケーブル１１に設けられ、測温抵抗体５は端末冷却システム４に設けられる。
【００４６】
光ファイバー温度測定ホスト１は、低温温度測定光ファイバー９の各測定点からの温度測定情報を受信するのに用いられる。
【００４７】
測温抵抗体温度監視制御装置２は、自己測温抵抗体５からの温度情報を受信するのに用いられる。
【００４８】
温度測定制御装置３は、光ファイバー温度測定ホスト１及び測温抵抗体温度監視制御装置２と相互に接続され、前記温度測定情報及び温度情報を受信し、前記温度測定情報及び温度情報に基づいて評価及び判定することにより、接続されたケーブル動作制御ホスト６の保護動作及び保護領域が決定され、ケーブル動作制御ホスト６は、前記保護動作及び保護領域に基づいて、対応するインバータシステム７または遮断器８を操作する。
【００４９】
当然のことながら、本発明の実施例において、高温超伝導ケーブル１１内部にあらかじめ低温耐性（−１９６℃以下）の温度測定光ファイバー９が設置され、端末冷却システム４の内部には、測温抵抗体５が設置されるとともに、温度測定制御装置３によって温度信号に基づきケーブルの動作状况が判定されることで、ケーブル動作制御ホスト６の動作がプリセットされ、実測温度とあらかじめ設置された各温度の闕値の間の比較結果に基づいて判定されると同時に、形態学的勾配における波形の特徴の分析に基づいて温度異常点の位置が判定される。ケーブル動作制御ホスト６は、判定結果に基づきインバータシステム７７または遮断器８を制御することで、高温超伝導ケーブル１１が確実に安全な動作状態に保たれる、または、故障したケーブルが直ちに切断される。
【００５０】
本発明の構造をより理解しやすくするため、以下に本発明の各構成部品について詳しく説明する。まず、本発明における高温超伝導ケーブル１１の構造について紹介する。
【００５１】
本発明における高温超伝導ケーブル１１は、ケーブル相と相導体の相互関係によって、（ａ）三相独立超伝導ケーブル構造と、（ｂ）三相平行軸超伝導ケーブル構造と、（ｃ）三相同軸超伝導ケーブル構造の３種類に分類される。そのうち、三相独立超伝導ケーブルは、１つのケーブルのケーシング内に相導体のみを備え、各相の間の電磁干渉を防止するため、中電圧レベル及び高電圧レベルで三相独立超伝導ケーブルを使用することができる。三相平行軸超伝導ケーブルの三相は、いずれも同じ断熱器とケーブルケーシング内に備えられることで、スペースが大幅に節約されるとともに、導体の損失も低減し、電磁場をシールドするための金属防護層が必要ないことで、中電圧レベルで使用することができる。三相同軸超伝導ケーブルの三相導体は、同じ軸に沿って巻き付けられることで、さらにスペースが節約されるとともに、ケーブル全体で１つシールド層１３のみが使用されるため、さらに材料が節約されるが、この構造では、電気絶縁が難しくなるため、中電圧レベル及び低電圧レベルにのみ適用される。
【００５２】
本実施例では、三相同軸超伝導ケーブル構造について説明するが、当然のことながら、本発明は、その他２種類の形態の超伝導ケーブル構造を採用することもできる。
【００５３】
図２に示す通り、本発明の実施例において、高温超伝導ケーブル１１は、外側から内側へ、低温恒温器１２と、シールド層１３と、少なくとも一層の絶縁層及び相導体と、ケーブルボビン１６を備え、そのうち、少なくとも一層の絶縁層は、最も外側に位置するＣ相絶縁層１４を備え、少なくとも一層の相導体は、Ｃ相相導体１５を備え、続く順番は、Ｂ相絶縁層、Ｂ相相導体、Ａ相絶縁層、Ａ相相導体である。低温恒温器１２とシールド層１３の間、及び、ケーブルボビン１６内には、いずれも液体窒素１７が充填されることで、高温超伝導ケーブル１１は、動作温度（−１９６℃）以下で作動する。
【００５４】
高温超伝導ケーブル１１の中には低温耐性温度測定光ファイバー９がさらに設置され、低温耐性温度測定光ファイバー９は、少なくとも、シールド層１３の外表面、最も外側の絶縁層（つまり、Ｃ相絶縁層１４）と最も外側の相導体（つまり、Ｃ相相導体１５）の間、及び、ケーブルボビン１６の内表面の３つの位置のうちの１つに設置される。
【００５５】
そのうち、低温恒温器１２は、真空中間層を備える２層のステンレスが溶接されて製造され、２層のステンレスの真空中間層の中には、複数層の絶熱材料及び活性炭がさらに設けられることで、超伝導ケーブル１１を出入りする液体窒素の温度は確実に一定に保たれる。
【００５６】
シールド層１３は銅シールド層であり、その一端または両端は接地され、その主な役割は、電界をシールドすることであり、シールド層１３自体は電流を通さない。
【００５７】
前記絶縁層の製造には、ポリプロピレンラミネート紙（ＰＰＬＰ）、芳香族ポリアミド紙（Ｎｏｍｅｘ）、または、ポリイミド素材（ＰＩ）が採用され、これらの材料は、いずれも低温下で正常に使用される複合型材料である。当然のことながら、絶縁層の設計は、絶縁材料の特性、動作電圧、ケーブルのサイズ等の要素に基づいて決定される。電気性能、熱性能、耐力性能、及び製造技術の難易度等の要素をすべて考量した上で、本実施例において、低温絶縁材料としてＰＰＬＰを採用することが好ましい。
【００５８】
在本実施例において、前記相導体には、Ｙ系高温超伝導体ＹＢＣＯが採用され、その幅は≧５ｍｍであり、その厚度は≒０．３ｍｍでなければならないとともに、銅メッキは安定層である。当然のことながら、Ｙ系高温超伝導体ＹＢＣＯとは、金属ベースにエピタキシャル配向成長させた希土類膜導体（希土類被覆導体とも呼ばれる）である。この種の材料には、まず、ニッケルまたはニッケル合金のベースに結晶構造の拡張に有利な化学的に安定した層がめっきされ、高温と特定の雰囲気条件下で高温超伝導材料ＲＢａ２Ｃｕ３Ｏ７（Ｒはいずれかの希土元素であり、最も一般的に使用されるのはＹ系である）が結晶格子の配向が一致されてめっきされた後、銀または銅の保護層がさらにめっきされる。現在、製造業者は、４〜１２ｍｍ幅のＹ系高温超伝導体を提供することができ、その厚みは一般に０．３ｍｍ及びそれ以下である。
【００５９】
ケーブルボビン１６は、目の細かい金網で覆われた金属波形管であり、それは、超伝導テープが巻きつけられた基準支持物であると同時に、液体窒素の流通パイプに用いられる。
【００６０】
低温耐性温度測定光ファイバー９には、石英系のマルチモード光ファイバーが採用され、具体的には、石英系光ファイバーを構成する材質は、純石英ガラス、ゲルマニウム（Ｇｅ）のドープ石英ガラス（屈折率が向上）等の中から適切に選択される。
【００６１】
当然のことながら、高温超伝導ケーブル１１に使用される温度測定光ファイバー９は、極低温度（−１９６℃以下）の環境に耐えられなければならず、光信号が低温耐性光ファイバー９において正常に伝達されるとともに、応力といった温度以外のその他の物理的要因の影響を受けない。
【００６２】
光ファイバー設置後に高温超伝導ケーブル１１を損傷させない絶縁性能及び設置難易度を可能な限り抑えられるかを基準に考えて、低温耐性の温度測定光ファイバー９のサイズは、可能な限り小さくなくてはならないとともに、金属外装を備えることができない。従って、温度測定光ファイバー９には、ポリイミドの裸光ファイバー（強度が比較的低い）または非金属密着スリーブ光ファイバーのみが塗布される。前記非金属密着スリーブには、一般に、ファイバー強化複合プラスチックスリーブ、ＰＢＴルースチューブ、フィブリル化ケブラースリーブ等が採用されることで、光ファイバーが保護され、その強度が強化され、折れやすくされる。
【００６３】
本実施例において使用される高温超伝導ケーブル１１は、三相同軸超伝導ケーブル構造であり、その構造はコンパクトで、サイズは比較的小さい。従って、採用される温度測定光ファイバー９のサイズは大きすぎないことで、超伝導ケーブル内部のスペースが占拠されないとともに、ケーブルの絶縁性能に影響を及ぼさない。実施例では、サイズの比較的小さいポリイミドが塗布されただけの裸光ファイバーまたはサイズの比較的小さい非金属の密着スリーブ光ファイバーが採用され、高温超伝導ケーブル１１内部における設置位置は、図２に示す通りである。
【００６４】
サイズが小さいポリイミド素材が塗布されただけの裸光ファイバーは、Ｃ相相導体１５とＣ相絶縁層１４の間に設置できることで、相導体の温度がさらに直に検出されるが、注意しなければならない点として、裸光ファイバーの強度は比較的低く、超伝導ケーブルを製造する過程で裸光ファイバーを直接設置すると、複雑な製造工程において損傷し折れてしまう可能性がある（設置が非常に困難である）。設置の難しさを低減するため、サイズの比較的小さい非金属の密着スリーブ光ファイバーの使用を考慮に入れることができ、その強度は比較的高いとともにケーブルの絶縁性能にほぼ影響を及ぼさず、高温超伝導ケーブル１１のケーブルボビン１６にまたはシールド層１３と低温恒温器１２の間の隙間に設置することができる。
【００６５】
実際の工程では、具体的な温度測定のニーズに基づいて、光ファイバーを設置する位置と設置する数を決めることができる。上述の設置位置には、複数の温度測定光ファイバーを同時に設置することができ、そのうちの一箇所に温度測定光ファイバーを設置することもできる。
【００６６】
高温超伝導ケーブル１１内部のＣ相相導体１５とＣ相絶縁層１４の間に設置される温度測定光ファイバー９は、直線敷設の方法でＣ相相導体１５に敷設されることができるとともに、Ｃ相相導体１５と共に巻き付けられる。高温超伝導ケーブル１１内のケーブルボビン１６にまたはシールド層１３と低温恒温器１２の間に設置される温度測定光ファイバー９は、Ｓ敷設の方法で敷設されることができる。
【００６７】
その他２種類の超伝導ケーブルにおける光ファイバーの設置位置と設置方法は、本実施例において採用されている三相同軸高温超伝導ケーブル１１と同じである。
【００６８】
以下に、本発明における光ファイバー測定ホストについて説明する。図３に示す通り、本実施例において、光ファイバー温度測定ホスト１は、さらに、情報収集受信ユニット１００と、第１計算ユニット１１０と、位置測定ユニット１２０を備える。
【００６９】
情報収集受信ユニット１００は、低温温度測定光ファイバー９の各温度測定点に散光されるストークス光と反ストークス光をそれぞれ収集するのに用いられる。
【００７０】
第１計算ユニット１１０は、各温度測定点におけるストークス光と反ストークス光を計算し、前記温度測定点の温度を取得するのに用いられ、計算公式は以下の通りである。
【００７１】
【数２】
2021515902.tif 000004
。
【００７２】
式における、ＩＡＳは反ストークス強度であり、ＩＳはストークス強度であり、ｈはプランク定数であり、ｋはボルツマン定数であり、νは光の振動数であり、νｉは振動周波数であり、Ｔは絶対温度であり、レーザー源が決定されると、νは定数となり、νｉは、光ファイバー材料によって决定され、光ファイバーが確定されると定数となる。
【００７３】
位置測定ユニット１２０は、光学時間領域反射率測定（ＯＴＤＲ）技術に基づいて、前記低温温度測定光ファイバー９の各温度測定点の位置を特定し、各温度測定点の位置情報を取得するのに用いられる。
【００７４】
具体的には、位置測定ユニット１２０は、光学時間領域反射率測定（ＯＴＤＲ）技術に基づいて、光ファイバー沿線の温度測定点の位置を特定する。その基本原理は、レーザー源から発信されるパルス光が光ファイバーの中に入射されて送信され、仮に入射光が光ファイバーに入射される瞬間を計時の開始点、時刻０とし、レーザー源Ｌから離れた場所で散乱された場合、後ろ向きに散乱された光がコアに沿って入射端に戻ってくる時刻をｔとすると、
【数３】
2021515902.tif 000005
となる。
【００７５】
そのうち、νは、光ファイバーにおける光波の伝播速度を指し、ｃは、真空下における光速を指し、ｎは、光ファイバーの屈折率を指す。従って、時間ｔにより測定点と入射端の距離を取得し、位置を特定することができる。このように入射光と反射光のデータを利用して、時間間隔を収集することで空間における位置を特定する技術が光学時間領域反射率測定技術（ＯＴＤＲ）である。
【００７６】
当然のことながら、光ファイバー温度測定ホスト１１上の光信号によりチャネルが収集され、各温度測定点に散光されるストークス光と反ストークス光がそれぞれ収集され、２つの強度の比率により温度信号が復調される。そのうち、温度測定点には、光ファイバー温度測定ホスト１１が設けられた温度測定ソフトウェアが設置される、つまり、光信号によって間隔点がサンプリングされ（本実施で設置されたサンプリング間隔は、０．４ｍである）、光ファイバー温度測定ホスト１１によって各温度測定点の光信号が収集されるとともに、その位置が特定される。
【００７７】
測温抵抗体温度監視制御装置２に接続される測温抵抗体５は、金属導体の抵抗値が温度の変化によって変化するという特性に基づいて温度を測定し、その抵抗値が温度の上昇に伴い大きくなる場合、正の抵抗率温度抵抗センサーと呼ばれ、反対に、その抵抗値が温度の上昇に伴い小さくなる場合、負の抵抗率抵抗温度センサーと呼ばれる。測温抵抗体５は、ほとんどが純金属材料で製造され、現在最も広く使用されているのはプラチナと銅である。さらに、現在すでに、ニッケル、マンガン、ロジウム等の材料によって測温抵抗体が製造されている。そのうち、プラチナの測温抵抗体５（ＰＴ１００温度センサー）の測定精度が最も優れており、工業用温度測定において広く応用されているだけでなく、標準的な基準器としても製造されている。ＰＴ１００の温度測定範囲は、−２００℃−６５０℃であり、測定精度は０．１℃に達し、好ましい安定性と比較的快い応答速度を備え、低温環境下における測定温度の理想的な選択肢である。従って、本実施例においてＰＴ１００プラチナ抵抗は、温度センサーによって端末冷却システム４の温度を監視測定するために使用される。  
【００７８】
続いて温度測定制御装置３を紹介する。図４に示す通り、本発明の実施例において、温度測定制御装置３は、信号受信処理ユニット３００と、保護動作決定ユニット３１０と、保護領域決定ユニット３２０と、保護情報送信ユニット３３０を備える。
【００７９】
信号受信処理ユニット３００は、温度信号を受信した後、ケーブル沿線温度Ｔ、ケーブル沿線温度の平均値Ｔａｖ、及び、端末冷却システムの温度Ｔｃを取得するのに用いられる。
【００８０】
保護動作決定ユニット３１０は、信号受信処理ユニット３００によって取得された数値を、所定のケーブル沿線温度警告値Ｔｌ、ケーブル最高許容温度Ｔｍａｘ、ケーブル平均温度低しきい値ＴＬ、ケーブル平均温度高しきい値ＴＨ、及び、端末冷却システムの最高許容温度ＴｃＨと比較して、ケーブル動作制御ホスト６の保護動作を判定するのに用いられる。
【００８１】
保護領域決定ユニット３２０は前記数値が取得された後、ケーブル沿線の温度曲線を取得するとともに、シミュレーションにより、形態学的勾配のピーク幅の識別方法に基づいて得られた温度異常点を示した図を取得し、前記温度異常点を示した図における正と負の狭いピークの相対位置によって、ケーブル上の温度異常点の位置を特定することで、保護領域を確定するのに用いられる。
【００８２】
保護情報送信ユニット３３０は、前記保護動作及び保護領域情報を接続されたケーブル動作制御ホスト６に送信するのに用いられる。
【００８３】
保護動作決定ユニット３１０は、以下に述べるポリシーにより保護動作が決定されることが好ましい。  
【００８４】
比較結果が（Ｔ＞Ｔｌ）∨（Ｔａｖ＞ＴＬ）である場合（つまり、上述のいずれかの判断結果が生じた場合）、生成される保護動作は警報命令であり、ケーブル動作制御ホスト６が警報命令及び保護領域情報を受信すると、インバータシステム７の前記保護領域における高温超伝導ケーブル１１の送電が制御される。
【００８５】
比較結果が、（Ｔ＞Ｔｍａｘ）∨（Ｔａｖ＞ＴＨ）∨（Ｔｃ＞ＴｃＨ）である場合（つまり、上述のいずれかの判断結果が生じた場合）、生成される保護動作は遮断命令であり、ケーブル動作制御ホスト６が前記遮断命令及び保護領域情報を受信すると、遮断器８が制御され、直ちに前記保護領域における故障を起こした高温超伝導ケーブル１１が送電網から切断される。
【００８６】
本発明の実施例では、保護領域決定ユニット３２０は、形態学的勾配のピーク幅に基づく識別方法によって、保護領域（つまり故障領域）が確定される。
【００８７】
そのうち、数学的形態学（Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ  Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）とは、幾何学的形状と構造を分析する数学方法であり、集合代数の基礎に基づいて確立されており、集合論の方法で対象の幾何学的構造を定量的に描写する学科である。そのうち、形態学的操作と腐食画像は、形態学における２つの最も基本的な操作である。
【００８８】
腐食とは、特定の"プローブ"（つまり特定の形状のプリミティブまたは構造要素）により１つの画像をプローブすることで、画像内部における前記プリミティブを制御できる領域を探すことができる、つまり腐食は画像の縮小に似ており、その定義は以下の通りである。
【００８９】
集合Ａが集合Ｂに腐食される場合、
【数４】
2021515902.tif 000006
と表示され、数学形式は、
【数５】
2021515902.tif 000007
である。
【００９０】
膨脹、腐食計算の二次元計算は、拡張に似ており、その数学形式は、
【数６】
2021515902.tif 000008
である。
【００９１】
画像における形態学的勾配の計算は、形態学における重要な操作の１つであり、腐食と膨脹の２つの基本操作が適切に組み合わされてなる。形態学的勾配には、グレイ値の形態学的アルゴリズムがあり、そのうちのＴｏｐ−Ｈａｔ（トップハット）変換は、監視測定のピーク作用を備え、それを示した図が図５であり、信号のプリミティブによる腐食と定義され、計算によりＴｏｐ−Ｈａｔ変換が取得されると、信号のピークが検出される。
【００９２】
要約すると、温度測定制御装置３にケーブル沿線の温度信号を入力し、上述の形態学的勾配における腐食と膨脹により、温度異常の大まかな領域が検出され、さらに、Ｔｏｐ−Ｈａｔ変換により温度異常点のピークが検出されることで、温度異常の位置が確定される。
【００９３】
形態学的勾配のピーク幅の識別方法に基づいて、ケーブル沿線の温度異常の状况がシミュレーションされ、そのシミュレーション結果は図６に示す通りであり、温度測定制御装置３にケーブルの沿線温度曲線（上図）が出力され、出力は、形態学的勾配のピーク幅の識別方法に基づいて得られる温度異常点を示した図である（下図）。温度曲線上の各ピークは、１つの正の狭いピークと１つの負の狭いピークの勾配の組み合わせに対応し、形態学的勾配の正と負の狭いピークによって急速に冷却された個所（温度異常点）の位置を特定することができるとともに、正と負の狭いピークにおけるピーク値の間の距離に基づいて急速に冷却された領域の幅が推定される。
【００９４】
さらに具体的には、本発明の高温超伝導ケーブル温度測定システムにおいて使用される光ファイバー温度測定ホスト１１は、ＤＴＳ光ファイバー温度測定ホスト１Ｎ４３８５Ｂであることができ、計算機のポートは、ＵＳＢとイーサネット（ＬＡＮ）を備え、通信プロトコルはＳＣＰＩとＭｏｄｂｕｓ  ＴＣＰ／ＩＰ（オプション−０６０）をサポートしている。測温抵抗体温度監視制御装置２２には、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ３７００シリーズデジタルマルチメータが使用され、そのホストは、最大５７６の２線式のマルチプレクサチャネルをサポートすることができ、複数のＰＴ白金抵抗センサーの測定信号に同時に接続することができる。光ファイバー温度測定ホスト１１と測温抵抗体温度監視制御装置２２が組み合わされた複合温度測定部品は、温度測定制御装置３に温度信号を出力し、前記システムは、Ｌａｂｖｉｅｗプログラムに基づいてソフトウェアを開発し、光ファイバー温度測定と測温抵抗体５による温度測定を組み合わせるとともに、仮想の計測プラットフォームに相当する測定及び判定プラットフォームを構築することで、データ情報の集積を大幅に向上させることにより、良好なマンマシンインタフェースが提供され、システムの使用における柔軟性が向上される。
【００９５】
本発明の実施例を実施することで、以下の有益な效果を備える。
【００９６】
本発明の提供する高温超伝導ケーブル温度測定システムは、従来の温度センサー（測温抵抗体）と光ファイバー温度測定技術が組み合わされて使用され、超伝導ケーブルを製造する際に、あらかじめ光ファイバーを超伝導ケーブルの中に設置するとともに、測温抵抗体を超伝導ケーブル端末（端末冷却システム）に配置することで、光ファイバー温度測定と測温抵抗体が組み合わされた複合温度測定部品が組成され、それにより、高温超伝導ケーブル沿線の温度と端末冷却システムの温度が測定される。前記システムは、リアルタイムで高温超伝導ケーブル沿線の温度分布を正確に把握することができることで、超伝導ケーブルの動作温度に応じてケーブルの輸送電流または超伝導ケーブル保護裝置を制御することができる。熱障害に関連したケーブル動作の欠陥を早急に発見することができるとともに、警告信号を発信することで、高温超伝導ケーブルの安全な動作が保証される。形態学的勾配における正と負の狭いピークの位置によって高温超伝導ケーブルの沿線における温度の異常点の位置を正確に特定する方法を提出することで、超伝導ケーブルの整備点検の際に、故障を解決することができるとともに故障の範囲を狭めることができ、故障の処理時間を短縮することができる。
【００９７】
本発明が提供する高温超伝導ケーブル温度測定システムは、電力送電網における高温超伝導ケーブルの温度測定と監視制御保護に応用することができ、高温超伝導ケーブルの構造の違いに応じて、高電圧レベル、中電圧レベル、低電圧レベルに対応することができるため、高い安定性と信頼性を備える。
【００９８】
説明すべき点として、本文中の、第１、第２等の関係用語はすべて、１つの実体または操作を他の実体または操作と区別する目的にのみに使用され、必ずしもこれらの実体または操作の間に実際の関係または順序が存在することを要求または暗示するものではない。また、用語の「からなる」、「備える」、またはいかなるその他の変形語も、非排他的な含みをカバーすることを意図し、それによって、一連の要素からなる過程、方法、物品または設備は、それらの要素を含むだけでなく、明確に示されていないその他の要素も含み、または、この種の過程、方法、物品あるいは設備にもとからある要素も含むことになる。さらに多くの制限がない場合、「一つの……からなる」の文によって限定される要素は、前記要素を含む過程、方法、物品または設備中に存在する別の共通する要素を排除しない。
【００９９】
上述は、本発明の具体的な実施方法に過ぎず、指摘すべき点として、本技術分野における一般の技術者は、本発明の原理を逸脱することなく、若干の改善及び潤色を行うことができ、これらの改善及び潤色も本発明の保護範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【０１００】
１  光ファイバー温度測定ホスト  
２  測温抵抗体温度監視制御装置
３  温度測定制御装置
４  端末冷却システム
５  自己測温抵抗体
６  ケーブル動作制御ホスト
７  インバータシステム
８  遮断器
９  低温温度測定光ファイバー  
１１  高温超伝導ケーブル  
１２  低温恒温器
１３  シールド層
１４  Ｃ相絶縁層
１５  Ｃ相相導体
１６  ケーブルボビン
１７  液体窒素
１００  情報収集受信ユニット
１１０  第１計算ユニット
１２０  位置測定ユニット
３００  信号受信処理ユニット
３１０  保護動作決定ユニット
３２０  保護領域決定ユニット
３３０  保護情報送信ユニット
【図１】
2021515902.tif 000010
【図２】
2021515902.tif 000011
【図３】
2021515902.tif 000012
【図４】
2021515902.tif 000013
【図５】
2021515902.tif 000014
【図６】
2021515902.tif 000015
【国際調査報告】
2021515902.tif 000016
2021515902.tif 000017
2021515902.tif 000018
2021515902.tif 000019
2021515902.tif 000020
2021515902.tif 000021