(57)【要約】【課題】温度検出器がなくても管路内のケーブルを適正に冷却できるケーブル冷却システムを提供する。【解決手段】管路１１内に敷設した電力ケーブル１２を冷却するに際して、ケーブル温度・風量演算手段２０は、電力ケーブルに流れる電流と外気温度とケーブル固有の物性値からケーブル温度を求め、その求めたケーブル温度が上限温度を越えるときに上限温度以下となる風量を設定し、その設定風量となるように風速制御手段１８に出力する。風速制御手段１８は、これに基づいて送風機１４を制御するものである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管路内に敷設した電力ケーブルを冷却するケーブル冷却システムにおいて、電力ケーブルに流れる電流と外気温度とケーブル固有の物性値からケーブル温度を求め、そのケーブル温度が所定温度以下となるよう管路内に外気を強制送風して冷却することを特徴とするケーブル冷却システム。
【請求項２】
ケーブル導体温度が所定温度以下となる風量を算出し、その風量で、管路内に強制送風する請求項１記載のケーブル冷却システム。
【請求項３】
管路に接続され、電力ケーブルを外気で強制冷却するための送風機と、外気温検出手段と、電力ケーブルに流れる電流を検出する電流検出手段と、検出された外気温と電流値からケーブル温度を演算すると共に強制送風する風量を設定するケーブル温度・風量演算手段と、ケーブル温度・風量演算手段で設定された風量となるように上記送風機を制御する風速制御手段とを備えた請求項１又は２記載のケーブル冷却システム。
【請求項４】
ケーブル温度・風量演算手段は、電力ケーブルと管路および土壌の固有の物性値から全熱抵抗を演算し、その全熱抵抗と電力ケーブルに流れる電流値から、管路内の風量がゼロのときのケーブル温度を演算し、その演算した計算温度が所定温度以上のときに、風量を設定し、その外気温度における風量での冷却熱量から強制冷却時のケーブル温度を演算し、その強制冷却時のケーブル温度が所定温度以下となるように風量を設定する請求項３記載のケーブル冷却システム。
【請求項５】
ケーブル温度・風量演算手段には、電力需要予測データが入力され、その予測値と電流検出手段で検出される電流値に基づいてケーブル温度が所定温度に達することを予測し、その予測値に基づいて風量を設定する請求項３又は４記載のケーブル冷却システム。
【請求項６】
ケーブル温度・風量演算手段には、外気温の変化の気温予想データが入力され、その予測値と外気温検出手段で検出される外気温に基づいてケーブル温度を予測し、その予測値に基づいて風量を設定する請求項３〜５いずれかに記載のケーブル冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管路内に敷設した電力ケーブルを冷却するためのケーブル冷却システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地中送電線路の送電容量を大きく確保するための手法として、ケーブルの大サイズ化を始め種々の対策があるが、既設のケーブルに対して更なる増容量が求められた場合の対策として強制冷却技術が開発され、採用されている。
【０００３】
従来、特許文献１、２に示されるように管路内に敷設されたケーブルの周囲温度を温度検出器で検出し、その検出温度が設定温度以上になったときに、水や空気などの冷媒を噴霧したり送風したりしてケーブルを強制冷却するようにしている。
【０００４】
【特許文献１】
特公平２−４５０００号公報
【特許文献２】
特許第２５９９５２８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、洞道内や管路内に温度検出器が設置可能であれば問題はないが、既設の洞道や管路で、温度検出器を設置できない場合には、上述した冷却を行うことは困難である。
【０００６】
また、常時送風機により管路に外気を送り、電力ケーブルを強制冷却して、ケーブル温度が上限温度を越えないようにすることは可能であるが、必要時以外に送風機を駆動することはエネルギの無駄であり、また送風機の常時駆動による騒音の問題も発生して好ましくない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、温度検出器がなくても管路内のケーブルを適正に冷却できるケーブル冷却システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、管路内に敷設した電力ケーブルを冷却するケーブル冷却システムにおいて、電力ケーブルに流れる電流と外気温度とケーブル固有の物性値からケーブル温度を求め、そのケーブル温度が所定温度以下となるよう管路内に外気を強制送風して冷却するようにしたケーブル冷却システムである。
【０００９】
請求項２の発明は、ケーブル導体温度が所定温度以下となる風量を算出し、その風量で、管路内に強制送風する請求項１記載のケーブル冷却システムである。
【００１０】
請求項３の発明は、管路に接続され、電力ケーブルを外気で強制冷却するための送風機と、外気温検出手段と、電力ケーブルに流れる電流を検出する電流検出手段と、検出された外気温と電流値からケーブル温度を演算すると共に強制送風する風量を設定するケーブル温度・風量演算手段と、ケーブル温度・風量演算手段で設定された風量となるように上記送風機を制御する風速制御手段とを備えた請求項１又は２記載のケーブル冷却システムである。
【００１１】
請求項４の発明は、ケーブル温度・風量演算手段は、電力ケーブルと管路および土壌の固有の物性値から全熱抵抗を演算し、その全熱抵抗と電力ケーブルに流れる電流値から、管路内の風量がゼロのときのケーブル温度を演算し、その演算した計算温度が所定温度以上のときに、風量を設定し、その外気温度における風量での冷却熱量から強制冷却時のケーブル温度を演算し、その強制冷却時のケーブル温度が所定温度以下となるように風量を設定する請求項３記載のケーブル冷却システムである。
【００１２】
請求項５の発明は、ケーブル温度・風量演算手段には、電力需要予測データが入力され、その予測値と電流検出手段で検出される電流検出値に基づいてケーブル温度が上限温度に達することを予測し、その予測値に基づいて風量を設定する請求項３又は４記載のケーブル冷却システムである。
【００１３】
請求項６の発明は、ケーブル温度・風量演算手段には、外気温の変化の気温予想データが入力され、その予測値と外気温検出手段で検出される外気温に基づいてケーブル温度を予測し、その予測値に基づいて風量を設定する請求項３〜５いずれかに記載のケーブル冷却システムである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１５】
先ず、図１により、本発明のケーブル冷却システムの概略構成を説明する。
【００１６】
図１において、地中１０には、管路（あるいは洞道）１１が埋設されており、その管路１１内に、例えば６ｋＶ用の電力ケーブル１２が敷設されている。
【００１７】
この管路１１と電力ケーブル１２とは、図では１本示しているが、三相交流が流れるように三本並列に設けられる。
【００１８】
電力ケーブル１２の一方１２ａは変圧器（図示せず）に接続され、他方１２ｂはミニクラッド（図示せず）に接続される。
【００１９】
この電力ケーブル１２の変圧器側の管路１１には、送風ダクト１３が接続され、その送風ダクト１３に送風機１４が接続される。
【００２０】
またミニクラッド側の管路１１には、吹出カバー１５が取り付けられ、その吹出カバー１５に、送風機１４から供給された外気を吹き出すための排気口１６が地面に向けて開口されると共にその排気口１６に金網１７が設けられている。
【００２１】
送風機１４は、外気を管路１１の内部へ任意の風速で流せるように風速制御手段１８で制御される。
【００２２】
電力ケーブル１２の任意の１本には電流検出手段１９が設けられ、その電力ケーブル１２に流れる電流値が検出される。この電流検出手段１９で検出された電流値は、ケーブル温度・風量演算手段２０に入力される。
【００２３】
ケーブル温度・風量演算手段２０には、外気温検出手段２１からの外気温が入力され、その外気温と電流値からケーブル温度を演算し、そのケーブル温度が上限温度を越えるときに、ケーブル温度が一定温度以下となる風量を求め、その風量になるように風速制御手段１８に設定風量を出力するようになっている。
【００２４】
また、ケーブル温度・風量演算手段２０には、その電力ケーブル１２の電力需要予測データ２２が入力されると共に気温予測データ２３が入力されるようになっている。
【００２５】
ケーブル温度・風量演算手段２０は、管路１１と電力ケーブル１２の固有の物性値と外気温から、電力ケーブル１２に流れる電流値を基に、ケーブル温度を演算し、その計算したケーブル温度が上限温度以下となるように風量を設定し、その風量設定値を風速制御手段１８に出力してケーブル温度を所定温度以下になるように制御するようになっている。
【００２６】
このケーブル温度・風量演算手段２０を説明する前に、管路１１と電力ケーブル１２と電流の関係について図３により説明する。
【００２７】
図３において、電力ケーブル１２は、導体３０の外周に絶縁体３１が被覆され、その外周に遮蔽層３２を介して外皮となる防食層３３が被覆されて構成されているとする。
【００２８】
この場合、導体３０で生じた熱は、絶縁体３１→遮蔽層３２→防食層３３（ケーブル表面）と伝わり、そのケーブル表面から対流と輻射により空気層３４を経て、管路１１に伝わり、さらに地中１０に伝わることになる。
【００２９】
ここで、図３には、電力ケーブル１２と管路１１に関して、電力ケーブル１２から地中までの熱等価回路４０を示している。
【００３０】
この熱等価回路４０において、Ｔ１  は導体温度、Ｔ２  は絶縁体の中間温度、Ｔ３  は遮蔽層温度、Ｔ４  は防食層の中間温度、Ｔ５  は防食層表面（ケーブル表面）温度、Ｔ６  は管路内表面温度、Ｔ０  は土壌温度（基底温度）であり、Ｗｃは導体損失、Ｗｄは誘電体損失、Ｗｓは、遮蔽層における損失であり、またＲ１  〜Ｒ４  は、それぞれ熱抵抗である。Ｃ１  〜Ｃ６  は、それぞれ熱容量である。
【００３１】
この等価回路４０において、損失としては、ケーブル導体より発生する導体損失Ｗｃ、絶縁体の誘電体損失Ｗｄ、遮蔽層のシース損失Ｗｓが回路上で発生する損失であり、結果的には、導体温度Ｔ１  は、これら損失を考慮して、基底温度Ｔ０  からの温度上昇値として導出される。
【００３２】
なお、誘電体損失は、ケーブル絶縁体部で分布的に発生するが、誘電率、絶縁体固有熱抵抗、誘電正接が温度、電界に依存せず、一定として、絶縁体熱抵抗Ｒ１  を２等分した位置で集中して発生するとして熱等価回路４０とした。
【００３３】
この等価回路４０より、ケーブル導体温度の定常値は、基底温度、熱抵抗（絶縁体熱抵抗・防食層熱抵抗・ケーブル表面放散熱抵抗・管路，土壌熱抵抗）、損失（導体損失・誘電体損失・シース損失）、電流値が分かれば数１で導出できる。
【００３４】
【数１】
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【００３５】
但し、管路敷設の場合、数２、数３となる。
【００３６】
【数２】
2004364435.tif 000004
【００３７】
【数３】
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【００３８】
この数２より、誘電体損失による温度上昇Ｔｄ（℃）と、数３により全熱抵抗Ｒｔｈ（Ｋ・ｍ／Ｗ）を求め、これら値を数１に代入することで、管路敷設におけるケーブル導体温度を求めることができ、絶縁体や防食層の耐熱温度から、そのケーブル上限温度と上限電流値も決定できる。
【００３９】
このケーブル上限温度を決定した後、図１で説明した送風機１４で強制冷却する場合には、送風空気は外気温の温度に影響されるため、図３の楕円で囲った部分が冷風時の熱等価モデル４１となる。
【００４０】
すなわち、送風による放熱量Ｗｗを考慮して、管路内空気温度Ｔａは数４で表される。
【００４１】
【数４】
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【００４２】
ここで、送風口からの距離Ｘに応じて、管路内空気温度Ｔａは変化するが、ケーブル導体温度が最高値となるミニクラッド側のケーブル導体温度を基準に風量を設定する。
【００４３】
次に、図２により、図１に示したケーブル温度・風量演算手段２０の詳細を説明する。
【００４４】
ケーブル温度・風量演算手段２０は、温度計算手段４０を備えている。
【００４５】
温度計算手段４０は、基本的には、入力される外気温４１と電流値４２と、図３と数１〜４で説明した式に基づく電力ケーブルと管路および土壌の固有の物性値４３が入力され、まず、風量の入力値４４を、Ｘ＝０として、すなわち強制冷却しない状態で、ケーブル温度（管路内の空気の変動がない平衡状態の温度）を計算する。
【００４６】
この計算温度は、ｓｔｅｐ１で、入力されたケーブル導体温度上限値４５と比較され、導体温度≦上限温度かどうかが判断され、上限温度に達していなければ（Ｙｅｓ）、入力された風量の値（風量＝ｘ）４６が決定されて、図１の風速制御装置１８に出力される。このフローの場合、初期風量設定は、Ｘ＝０であり、ケーブル導体温度が上限に達していない場合には、送風機が停止されたままである。
【００４７】
次にｓｔｅｐ１の判断で、導体温度が上限に達した場合（Ｎｏ）には、入力値の風量（Ｘ＝０）に対して、所定風量増加（ｘ＝Ｘ＋δ）する風量設定４７を行い、その風量設定値（ｘ＝Ｘ＋δ）を温度計算手段４０に入力して、ケーブル温度を計算し、再度ｓｔｅｐ１で、導体温度≦上限温度かどうかを判断し、その風量で上限温度以下の一定温度になる場合（Ｙｅｓ）には、その設定風量（Ｘ＋δ）として風速制御装置１８に出力される。
【００４８】
またｓｔｅｐ１の判断で、導体温度≦上限温度でなければ（Ｎｏ）、設定風量ｘに対して順次δ分風量がインクリメントされ、再度ｓｔｅｐ１で、導体温度≦上限温度かどうかが判断されて、適正な風量設定がなされるようになっている。
【００４９】
このように、ケーブル温度・風量演算手段２０が、電力ケーブル１２に流れる電流値と外気温から、ケーブル温度を計算し、そのケーブル導体温度が上限温度を越えるときに、送風機１４を起動させると共に、その風量を設定してケーブル導体温度が所定温度以下になるように制御することで、温度計でケーブル温度を検出しなくても適正な強制冷却を行うことができる。
【００５０】
上述のフローは、外気温４１と電流値４２に基づく基本的なフローであるが、本発明においては、外気温４１に気温予測データ２３（図１）として外気温データ４８を入力し、そのデータ４８と外気温４１より、外気温予測カーブ４９を温度計算手段４０に入力し、また電流値４２に電力需要予測データ２２（図１）として電力需要データ５０を入力し、そのデータ５０と電流値４２より、電流値予測カーブ５１を温度計算手段４０に入力することで、温度計算手段４０は、ケーブル導体温度カーブ５２を作成し、ｓｔｅｐ１で、導体温度の最大値≦上限温度かを前もって判断し、現在時間から数時間後、あるいは１日を単位として、ケーブル導体温度の最大値が上限温度（所定温度）を越えるかどうかを判断することで、電力需要予測と外気温予測に基づいた最適制御が可能とすることができる。
【００５１】
この外気温データ４８、電力需要データ５０は、運転日時と過去のデータや気象データなどを参照に予めデータベースとして格納、あるいは通信などにより予想データが入力され、現在時間の外気温４１と電流値４２と外気温データ４８、電力需要データ５０から、その外気温４１と電流値４２に最も近い予測カーブ４９，５１が作成され、その両予測カーブ４９，５１から温度計算手段４０がケーブル予測温度カーブ５２を作成して、現在時刻の温度制御のみならず、数時間乃至１日単位でケーブル導体温度を計算することで、ケーブル導体温度が最大になることを予測し、その予測値に基づいて最適な温度制御を行うことが可能となる。
【００５２】
このように、電力需要予測データ２２と気温予測データ２３とをケーブル温度・風量演算手段２０に入力しておくことで、電流検出手段１９と外気温検出手段２１によるフィードバック制御の他に、電力需要と外気温変化のデータに基づいたフィードフォワード制御を併用して制御することができ、より的確な冷却が行える。
【００５３】
次に、実際に強制冷却を行ったときのケーブル表面温度の変化を図４に、また管路内空気温度の変化を図５に示した。
【００５４】
図４、図５は、電力需要がピークに達する夏期において強制冷却した場合と、しない場合のケーブル表面温度と管路内空気温度変化と外気温変化とバンク稼働率を計測した例であり、送風機の条件として管路内に一定風量を送風したときの結果である。
【００５５】
先ず、図４のａｍ、ａｈは、三相ケーブル（黒相、赤相、白相）中、強制冷却を行っていない黒相のケーブル表面温度の経時変化を示し、ａｍはミニクラッド側、ａｈは変圧器側のケーブル表面温度の経時変化を示したもので、ｂｍ、ｂｈは、強制冷却を行った際の白相のケーブル表面温度の経時変化を示し、ｂｍはミニクラッド側、ｂｈは変圧器側のケーブル表面温度の経時変化を示し、同時に外気温ｔとバンク稼働率ｅの経時変化も示した。
【００５６】
強制冷却を行わない場合、ミニクラッド側のケーブル表面温度ａｍは、変圧器側のケーブル表面温度ａｈより若干高めで、バンク稼働率が１００％近い状態では、表面温度が８０℃近くまで達してしまう。
【００５７】
これに対して、送風機を起動して強制冷却を行った白相のケーブル表面温度ｂｍ、ｂｈは共に強制冷却を行わないケーブル表面温度ａｍ、ａｈに対して１７〜２０℃温度が下がることが分かる。
【００５８】
また、図５は、強制冷却を行っていない黒相のケーブルを収容した管路内の空気温度ｃｍ（ミニクラッド側）、ｃｈ（変圧器側）の経時変化と強制冷却を行った白相のケーブルを収容した管路内の空気温度ｄｍ（ミニクラッド側）、ｄｈ（変圧器側）の経時変化を示し、同時に外気温ｔとバンク稼働率ｅの経時変化も示した。
【００５９】
強制冷却を行わない場合、ミニクラッド側の管路内空気温度ｃｍは、変圧器側の空気温度ｃｈより若干高めで、バンク稼働率が１００％近い状態では、表面温度が７０℃近くまでなってしまうが、送風機を起動して強制冷却を行った白相の管路内空気温度ｄｍ、ｄｈは共に強制冷却を行わない管路内空気温度ｃｍ、ｃｈに対して１７〜２０℃温度が下がることが分かる。またこの管路空気温度ｃｍ、ｃｈにおいて、変圧器側から外気をミニクラッド側へ流すようにしているため、変圧器側の管路空気温度ｄｈがミニクラッド側管路空気温度ｄｍより約５℃程度低くなることが分かる。
【００６０】
さらに、図４、図５に示したケーブル表面と管路内空気の温度変化は、強制冷却を行っていない、ケーブル表面温度ａｍ、ａｈと管路内空気温度ｃｍ、ｃｈは、応答遅れはあるもののバンク稼働率ｅの変化に追従したデータとなっている。
【００６１】
これに対して、強制冷却を行ったケーブル表面温度ｂｍ、ｂｈと管路内空気温度ｄｍ、ｄｈは、外気温ｔの変化に加え、バンク稼働率ｅの変化の影響も大きき受けていることが分かる。
【００６２】
これは、冷却風速が小さく、電力ケーブルに流れる電流値が大きいときには、冷却度が少なく、電流値が小さいときには冷却度が大きいためと、電力ケーブル等が持つ大きな熱容量から来るものであり、上述した電流値や外気温のフィードバック制御では、応答遅れを生じる結果が予測される。そこで、この制御の応答遅れをなくすため、電力需要と気温予測データを参考に風量をフィードフォワード制御することでより、適正な冷却が行えることが分かる。
【００６３】
上述した実施の形態では、６ｋＶの電力ケーブル１２の例で、ケーブル温度を測定する例を示したが、ケーブル構造や管路構造が違えば上述した数１〜６の式は相違するものの、基本的な熱等価回路は同じであり、他の構造の電力ケーブルや、他の管路構造にも本発明が適用できることは勿論である。
【００６４】
また、管路内温度は計測できないものの、地中温度が計測できれば、その温度（基底温度）も計算式に代入してケーブル温度を計算すればより正確な温度計算が行える。
【００６５】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、以下に示すごとく優れた効果を発揮するものである。
【００６６】
（１）送風する気温と、ケーブルの発熱量から将来の温度を想定することで、実際の温度を計測することが困難な場合においても、ケーブル温度の上昇を一定温度以下に抑えることができ、少量の風量で効率的な冷却が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す概略図である。
【図２】図１のケーブル温度・風量演算手段の詳細を示す図である。
【図３】本発明において、ケーブル温度を計算する際の熱等価回路を示す図である。
【図４】本発明において、冷却を行った場合と行わない場合のケーブル温度の経時変化を示す図である。
【図５】本発明において、冷却を行った場合と行わない場合の管路内空気の経時変化を示す図である。
【符号の説明】
１１  管路
１２  電力ケーブル
１４  送風機
１８  風速制御手段
１９  電流検出手段
２０  ケーブル温度・風量演算手段
２１  外気温度検出手段
【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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