(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力ケーブルを直接的または間接的に冷却するための冷却水が流れる冷却管内に、電力ケーブルが過負荷になったときのみ管摩擦減少剤を投入するようにしたことを特徴とする強制冷却ケーブル線路。
【請求項２】
電力ケーブルを流れる電流が所定の基準値を超えたとき、管摩擦減少剤を投入することを特徴とする請求項１記載の強制冷却ケーブル線路。
【請求項３】
電力ケーブルのシース表面の温度が所定の温度を超えたとき、管摩擦減少剤を投入することを特徴とする請求項１記載の強制冷却ケーブル線路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力ケーブルの送電容量を増加させる目的で電力ケーブルの冷却を行うようにした強制冷却ケーブル線路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電力ケーブルの送電容量は、許容電流によって定まる．そして、許容電流は通電時間によって常時許容電流，短時間許容電流及び短絡時許容電流の３種類に分けられる。その内、常時許容電流は、常時安全に連続して通電できる最大限の電流値を規定する。そして、短時間許容電流は、ケーブル線路に事故が発生した場合等に、事故発生回線以外の回線に一時的（１０時間程度以下）な過負荷状態での送電を行わせて事故発生回線の送電分をカバーさせる場合の電流値を規定する。また、短絡時許容電流は、短絡事故発生時に極く短時間（長くても１〜２秒）流れることを許容できる最大限の電流値を規定する。そして、それらの許容電流は導体最高温度で律せられるため、許容電流を増加させる目的でケーブルを強制的に冷却するようにしている。
【０００３】
強制冷却ケーブル線路の冷却方式としては、大別して次の２方式がある。すなわち、▲１▼ケーブルと冷却管とを直接接触させて、ケーブルから熱を奪う直接冷却方式と、▲２▼トラフ内や洞道内にケーブルとは非接触の状態で冷却管を布設し、該冷却管によりその場の空気を冷却することにより、間接的にケーブルの冷却を行う間接冷却方式とがある。強制冷却ケーブル線路には、そのように２つの方式があるが、いずれの方式においても、冷却管内に冷媒を流通させてケーブルの熱を吸収する点で一致している。その場合、冷却管内に流通させる冷媒としては、ほとんどの場合、水が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した従来の技術には、冷却水の圧力損失が大きいため、ケーブルの冷却に必要な冷却水量を確保できないことが多くなってきており、冷却管の管径を大きくする等しなければならないため設備がコスト高になってしまうという問題点があった。
【０００５】
すなわち、水による冷却方式において、冷却管に冷却水を流通させると、冷却管の管壁と冷却水との摩擦によって冷却水の送水圧力損失が生じる。従来の強制冷却ケーブル線路の冷却管では、その送水圧力損失が大きくてケーブルの冷却に必要な冷却水量が十分に得られないことが多く、所定の冷却水流量を確保するために、冷却管の管径を大きくしたり、管路本数を多くしなければならなくなり、または、冷却水ポンプの容量や台数を増やしてポンプ能力を高めなければならず、設備がコスト高になっていた。
【０００６】
しかも、ケーブル冷却設備は、過負荷状態を想定し、過負荷時に冷却能力を上げられるように余裕を持たせて設計する必要があるため、必然的にオーバースペックのシステムとなっており、より一層その傾向が強くなっている。そうかといって、過負荷時を想定しないで設計すると、短時間許容電流が大きくとれず、前記したような事故発生時に適正な対処ができないという問題点があった。
【０００７】
本発明は、そのような問題点を解決し、過負荷時を想定しないで管路を設計しても、電力ケーブルが過負荷状態になったときには、冷却管に流れる冷却水の送水圧力損失を減少させて、十分な流量を確保できるようにすることにより、必要が生じたときには過負荷状態での通電を可能にし、短時間許容電流を大きくとれるようにすると共に、送水圧力損失を減少させるために投入する管摩擦減少剤の劣化を最小限に抑えることができるようにすることを課題とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本願の請求項１にかかる発明は、電力ケーブルを直接的または間接的に冷却するための冷却水が流れる冷却管内に、電力ケーブルが過負荷になったときのみ管摩擦減少剤を投入するようにしたことを特徴とする。このようにすれば、過負荷時を想定しないで管路を設計しても、電力ケーブルが過負荷状態になったときには、冷却管に流れる冷却水の送水圧力損失を減少させて、十分な流量を確保できると共に、管摩擦減少剤の劣化を最小限に抑えることができる。
また、本願の請求項２にかかる発明は、請求項１にかかる発明において、電力ケーブルを流れる電流が所定の基準値を超えたとき、管摩擦減少剤を投入することを特徴とする。このようにすれば、電力ケーブルが過負荷状態になったことが確実に検知でき、迅速に対応できる。
また、本願の請求項３にかかる発明は、請求項１又は２にかかる発明において、電力ケーブルのシース表面の温度が所定の温度を超えたとき、管摩擦減少剤を投入することを特徴とする。このようにしても、電力ケーブルが過負荷状態になったことが確実に検知でき、迅速に対応できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、トラフ内間接冷却装置のシステム構成図である。図１において、１は冷却管、２はトラフ区間、３は冷却水ポンプ、４は貯水槽、５は冷却塔，冷凍機等の冷水製造設備である。冷却水は、冷却水ポンプ３により、冷却管１の中を矢印Ａの方向に流れて、トラフ区間２内を冷却し、その中に布設されている電力ケーブル（図示せず）を間接的に冷却するようにしている。冷却管１内を循環して温度が上昇した冷却水は、貯水槽４に戻った後、矢印Ｂの方に送られて冷水製造設備５で冷却されてから、再び貯水槽４に戻される。
【００１０】
本発明は、冷却管１内に流通する冷却水の送水圧力損失を低減させようとするものであるが、その送水圧力損失Δｐは、一般に、次の数１で与えられる。
【００１１】
【数１】
0003910668.tif 000002
【００１２】
ただし、λは管摩擦係数、Ｌは送水距離、ｄは管内径、ｖは冷却水の流速、ρは冷却水の密度である。
【００１３】
また、流速ｖは、流量をＱ、管断面積をＳとすると、ｖ＝Ｑ／Ｓで与えられる。
【００１４】
上記各式から明らかなように、送水圧力損失を減少させるためには、冷却管１の管内径ｄを大きくするか、または、流量Ｑを少なくすればよいが、前述したとおり、設備のコストが高くなるほか、流量Ｑを少なくすると必要な冷却効果も得られなくなってしまう。
【００１５】
それに対して、本発明者は、管摩擦係数λを減少させることを考えた。管摩擦係数λは、冷却管１の管壁と冷却水の間の摩擦が圧力に及ぼす効果を示す係数であり、冷却管１の材質やその内面の表面状態等の影響を受ける。一般に、強制冷却ケーブル線路の冷却管１には、ポリエチレン管が使用されているが、ポリエチレン管の内面は通常に製造しても滑らか（表面粗さ２×１０-6程度）であるため、改善の余地がほとんどなく、冷却管１内面の表面状態の改善により管摩擦係数λを現状より減少させることは、きわめて困難である。
【００１６】
そこで、冷却水の方の改善策を検討した。冷却管１の管壁と冷却水との間に発生する摩擦力は、冷却管の性状だけでなく冷却水の性状の影響も受ける。そこで、冷却管１の中に非イオン性の水溶性ポリマーを、管摩擦減少剤として少量（数十ｐｐｍ）添加してみた。
【００１７】
そして、冷却水に非イオン性の水溶性ポリマーの一種であるポリエチレンオキサイドを２０〜３０ｐｐｍ程度の濃度になるように添加した場合と、添加しない場合とで、送水距離Ｌを１ｋｍ、管径を１００ｍｍ、流速を１ｍ／ｓｅｃ、密度ρを１ｇ／ｃｍ3 の条件で実験したところ、図２に示すような結果が得られた。図２において、白丸ドットがポリエチレンオキサイドを添加した場合を示し、黒丸ドットは添加しない場合を示している。なお、横軸のレイノルズ数Ｒe は、Ｒe ＝ｖ・ｄ／νの式（ただし、ｖは流速，ｄは管径，νは水の動粘度）により求め、縦軸の管摩擦係数λは、冷却管１の上下流の圧力損失Δｐを測定し、その測定データを前記数１に代入して求めたものである。
【００１８】
この結果から明らかなように、冷却水に管摩擦減少剤となるポリエチレンオキサイドを添加すれば、添加しない場合と比較して、管摩擦係数が約１／３に減少することが分かる。
【００１９】
管摩擦係数がこのように減少するメカニズムに関しては、理論的には解明できていないが、次のようなことが考えられる。すなわち、ポリエチレンオキサイドは直鎖構造をしていて冷却水の流れの中で紐状に長く伸び、それが冷却水の剪断力を増加させ、その結果、渦などの流れを乱す現象の発生を抑制するということが大きな要因であると考えられる。
【００２０】
冷却水の流れの中で紐状形態となる物質として、ポリエチレンオキサイドのような直鎖高分子希薄溶液以外に、流れのある溶液中で棒状ミセル構造を形成しうる界面活性剤溶液が考えられる。その場合、界面活性剤は、濃度が数百〜数千ｐｐｍになるように添加する。
【００２１】
図３は、棒状ミセル構造の説明図であり、図３（イ）は、界面活性剤の分子を示し、図３（ロ）は、多数の分子によるミセル構造の概略図を示している。図３（イ）に示すように、界面活性剤の分子は、親水基Ｈy と親油基Ｏl とを有しており、水中では、図３（ロ）に示すように、親水基Ｈy が外側になるように会合してミセル構造を形成する。そして、溶液が、例えば矢印Ａ方向に流れていると、流れの影響を受けて流れ方向に長く伸びて棒状のミセル構造を形成する。
【００２２】
この界面活性剤溶液は、直鎖高分子と同様に冷却水の管摩擦低減効果を示すことが確認された。すなわち、陽イオン性界面活性剤のドデシル・トリメチル・アンモニウム・クロライド（化学式 C12H25N(CH3)3Cl; 分子量263.89）を 3,000ppm の濃度になるように冷却水に添加した。さらに、界面活性剤の臨界ミセル濃度（ミセルを形成し得る下限濃度）を減少させるため、対イオン剤としてこの溶液に界面活性剤と同量のサリチル酸メチルを混入した。そのように界面活性剤を添加した場合と添加しない場合とで、送水距離Ｌを１ｋｍ、管径を１００ｍｍ、流速を１ｍ／ｓｅｃ、密度ρを１ｇ／ｃｍ3 の条件で実験したところ、図４に示すような結果が得られた。図４において、白丸ドットがドデシル・トリメチル・アンモニウム・クロライドを添加した場合を示し、黒丸ドットは添加しない場合を示している。この結果から明らかなように、冷却水にドデシル・トリメチル・アンモニウム・クロライドを添加すれば、添加しない場合と比較して、ポリエチレンオキサイドの場合と同様に、管摩擦係数が約１／３に減少することが分かる。
【００２３】
管摩擦減少剤としてポリエチレンオキサイドを用いた場合、冷却水を循環させるための循環ポンプによってポリマーの直鎖状部分が切断されて劣化するおそれがあるが、界面活性剤のミセル構造は、循環ポンプによって構造が破壊されても再生することが可能であるため、そのような問題はなくなる。
【００２４】
以上のように、冷却水に直鎖高分子や界面活性剤等の管摩擦減少剤を少量添加すると、その働きによって、管壁と冷却水との間の摩擦を大幅に減少させることができる。その結果、冷却水の送水圧力損失を大幅に減少させることができる。
【００２５】
次に、強制冷却ケーブル線路において、冷却水の送水圧力損失の減少により、どのような効果が得られるかを説明する。以下の説明では、管摩擦減少剤を添加して圧力損失を低減させた冷却水（以下、「低圧損水」という）は、管摩擦減少剤の添加量が極微量であるため、その密度，比熱，動粘度は、管摩擦減少剤添加の影響は殆ど受けずに、水と同一になるものとして行う。
【００２６】
まず、ダウンサイズ効果が得られることについて説明する。単なる冷却水を用いて必要流量Ｑを得る場合の管径ｄW 、および、低圧損水を用いて必要流量Ｑを得る場合の管径ｄL は、それぞれの場合の管摩擦係数をλW ，λL とすると、前記数１を変形して、数２，数３のようになる。
【００２７】
【数２】
0003910668.tif 000003
【数３】
0003910668.tif 000004
【００２８】
また、冷却管の断面積Ｓは、Ｓ＝（π／４）・ｄ2 であり、冷却水の流速ｖは、ｖ＝Ｑ／Ｓであるから、数２，数３は、それぞれ数４，数５のように変形される。
【００２９】
【数４】
ｄW ＝〔（λW ／Δｐ）・Ｌ・ρ・（８Ｑ2 ／π2 ）〕1/5 
【数５】
ｄL ＝〔（λL ／Δｐ）・Ｌ・ρ・（８Ｑ2 ／π2 ）〕1/5 
【００３０】
図２，図４に示したように、λL はλW の１／３程度に低減するので、λL ＝λW ／ｎとし、Δｐ，Ｌ，ρ，Ｑは、両者等しいものとすると、ｄL ＝（１／ｎ）1/5 ・ｄW となって、低圧損水を用いると管径を（１／ｎ）1/5 倍に縮小できることが判る。すなわち、λL がλW の１／３に低減する場合は、管径を約０．８倍に縮小することができる。
【００３１】
次に、冷却効率を向上させられることについて説明する。単なる冷却水を用いる場合の流速ｖW 、および、低圧損水を用いる場合の流速ｖL は、それぞれの場合の管摩擦係数をλW ，λL とすると、前記数１を変形して、数６，数７のようになる。
【００３２】
【数６】
ｖW ＝〔（２・ｄ・Δｐ）／（λW ・Ｌ・ρ）〕1/2 
【数７】
ｖL ＝〔（２・ｄ・Δｐ）／（λL ・Ｌ・ρ）〕1/2 
【００３３】
ここで、上記の場合と同様に、λL ＝λW ／ｎとし、Δｐ，ｄ，ｖ，ρは、両者等しいものとすると、ｖL ＝ｎ1/2 ・ｖW となって、低圧損水を用いると流速がｎ1/2 倍になることが判る。そして、管断面積をＳ，冷却水の比熱をＣ，管入口と出口の水温差をΔＴとすると、単位時間当たりの熱輸送量Ｗは、Ｗ＝ｖ・Ｓ・Ｃ・ΔＴとなる。そこで、Ｓ，Ｃ，ΔＴは、両者等しいものとすると、単なる冷却水を用いる場合の熱輸送量ＷW 、および、低圧損水を用いる場合の熱輸送量ＷL の関係は、ＷL ＝ｎ1/2 ・ＷW となって、低圧損水を用いると冷却効率がｎ1/2 倍になることが判る。すなわち、λL がλW の１／３に低減する場合は、冷却効率を１．７３倍にすることができる。
【００３４】
このように、本発明によれば、冷却水に管摩擦減少剤を添加することにより、冷却効率を向上させることができるが、さらに、次の点でも電力ケーブルの冷却効率を向上させることができる。
【００３５】
図５は、冷却管路内の冷却水の速度分布を示す図である。図５（イ）は、管摩擦減少剤を添加しない場合の冷却水の速度分布、図５（ロ）は、管摩擦減少剤を添加した場合の冷却水の速度分布を示す。符号１は、図１のものに対応していて、冷却管である。
【００３６】
図５（イ）に示すように、管摩擦減少剤を添加しない場合は、冷却管１の管壁に隣接する部分を流れる冷却水の流速は遅くなる。そのため、冷却管１の外側と冷却水との間の熱交換が悪くなる。それに対して、図５（ロ）に示すように、管摩擦減少剤を添加した場合は、冷却水の流速が全体的に速くなり、当然、冷却管１の管壁に隣接する部分を流れる冷却水の流速も速くなる。その結果、冷却管１の外側と冷却水との間の熱交換が良好になり、電力ケーブルの冷却効率が向上するのである。
【００３７】
ところで、水溶性ポリマーからなる管摩擦減少剤を冷却水に添加して冷却管路内を循環させると、循環ポンプによって水溶性ポリマーの直鎖状部分が切断されて劣化するおそれがある。そこで、常時は水溶性ポリマーを添加しない状態で冷却水を循環させ、電力ケーブルが過負荷状態になった段階で水溶性ポリマーを添加するようにすれば、必要なときに大きな冷却効果が得られると共に、水溶性ポリマーの劣化を最小限に抑えることができる。
【００３８】
図６は、管摩擦減少剤投入機構概略図である。図６において、符号１〜５は、図１のものに対応しており、６は電力ケーブル、７は電流測定装置、８，９は温度検知用の光ラインセンサ、１０は制御装置、１１は管摩擦減少剤水溶液タンク、１２はコンプレッサ、１３は管摩擦減少剤投入バルブ、１４は流量計である。
【００３９】
電力ケーブル６に流れる電流は、電流変成器等の電流測定装置７により検知して制御装置１０に入力する。また、光ラインセンサ８により電力ケーブル６のシース表面温度を検知し、光ラインセンサ９により洞道内の気温を検知して制御装置１０に入力する。制御装置１０は、電力ケーブル６の電流値が所定の基準値を超えたとき、または、光ラインセンサ８あるいは光ラインセンサ９が所定温度以上であることを検知したときに、管摩擦減少剤水溶液タンク１１の管摩擦減少剤投入バルブ１３を開く。なお、上記所定の基準値としては、電力ケーブル６の常時電流と短時間許容電流の間の適当な値を適宜設定すればよい。
【００４０】
管摩擦減少剤水溶液タンク１１は、コンプレッサ１２により内部が加圧されていて、管摩擦減少剤投入バルブ１３を開くと管摩擦減少剤水溶液タンク１１内の管摩擦減少剤水溶液が管路内へ押し出される。そして、過負荷状態が続いている間は、流量計１４で冷却水の流量をモニタしながら所定の流量が確保されるように、適宜、管摩擦減少剤投入バルブ１３を開閉して、管摩擦減少剤の添加量を調整する。その際、流速に加えて冷却管１の上下流の圧力差（圧損）もモニタして、所定の流量が確保され、かつ、上下流の圧力差が所定値以内になるように添加量を調整するようにしてもよい。また、管摩擦減少剤投入バルブ１３の開閉制御だけでは十分な流量が得られない場合、冷却水ポンプ３の出力を上げるように制御したり、コンプレッサ１２の圧力を上げるように制御して、必要な流量が得られるようにする。
【００４１】
なお、上記実施形態では、間接冷却方式の場合を例にして説明したが、本発明は、直接冷却方式に適用しても同様な効果が得られる。また、上記実施形態では、管摩擦減少剤として、ポリエチレンオキサイド、及び、ドデシル・トリメチル・アンモニウム・クロライドを用い、その結果大きな効果が得られたが、必ずしもそれに限定されず、高分子では、水溶性で直鎖構造をもつ高分子であればよく、その分子量も数十万から数百万程度で特に限定されない。そのような高分子の例としては、例えば、ポリアクリルアミド，ハイドロキシエチルアルコール，カルボキシメチルセルローズ，ポリビニルアルコール等があげられる。さらに、界面活性剤としては、オレイル・ジメチル・アンモニウム・クロライド（化学式 C18H35N(CH3)(C2H4OH)2Cl），ソヤ・トリメチル・アンモニウム・クロライド（化学式 R-N(CH3)3Cl），ステアリル・トリメチル・アンモニウム・クロライド（化学式 C18H37N(CH3)3Cl），セチル・トリメチル・アンモニウム・クロライド（化学式 C16H33N(CH3)3Cl），セチル・トリメチル・アンモニウム・ブロマイド（化学式 C16H33N(CH3)3Br）等があげられる。また、直鎖高分子や界面活性剤以外にも、アルギン酸やデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）等、流水中で紐状形態となる物質を用いても同様な効果が得られる。さらに、それら以外でも管摩擦減少剤としての効果が得られるものであれば、その種類は限定されない。
【００４２】
また、上記実施形態では、管摩擦減少剤を添加する手段として、管摩擦減少剤水溶液タンク１１と管摩擦減少剤投入バルブ１３を用いたが、必ずしもそれに限定されず、例えば、柄杓等を用いて人手により、冷却管路中に設けた投入口や貯水槽４等へ管摩擦減少剤を投入するようにしてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上述べた如く、本発明の強制冷却ケーブル線路は、次のような効果を奏する。
すなわち、請求項１にかかる発明においては、電力ケーブルを直接的または間接的に冷却するための冷却水が流れる冷却管内に、電力ケーブルが過負荷になったときのみ管摩擦減少剤を投入するようにした。その結果、過負荷時を想定しないで管路を設計しても、電力ケーブルが過負荷状態になったときには、冷却管に流れる冷却水の送水圧力損失を減少させて、十分な流量を確保できると共に、管摩擦減少剤の劣化を最小限に抑えることができる。
【００４４】
また、請求項２にかかる発明においては、請求項１にかかる強制冷却ケーブル線路において、電力ケーブルを流れる電流が所定の基準値を超えたとき、管摩擦減少剤を投入するようにしたので、電力ケーブルが過負荷状態になったことを確実に検知し、管摩擦減少剤を投入することができる。
【００４５】
また、請求項３にかかる発明においては、請求項１にかかる強制冷却ケーブル線路において、電力ケーブルのシース表面の温度が所定の温度を超えたとき、管摩擦減少剤を投入するようにしたので、電力ケーブルが過負荷状態になったことを確実に検知し、管摩擦減少剤を投入することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  トラフ内間接冷却装置のシステム構成図
【図２】  管摩擦減少剤としてポリエチレンオキサイドを添加した場合としない場合の管摩擦係数の変化を示す図
【図３】  棒状ミセル構造の説明図
【図４】  管摩擦減少剤としてドデシル・トリメチル・アンモニウム・クロライドを添加した場合としない場合の管摩擦係数の変化を示す図
【図５】  冷却管路内の冷却水の速度分布を示す図
【図６】  管摩擦減少剤投入機構概略図
【符号の説明】
１  冷却管
２  トラフ区間
３  冷却水ポンプ
４  貯水槽
５  冷水製造設備
６  電力ケーブル
７  電流測定装置
８，９  光ラインセンサ
１０  制御装置
１１  管摩擦減少剤水溶液タンク
１２  コンプレッサ
１３  管摩擦減少剤投入バルブ
１４  流量計
【図１】
0003910668.tif 000005
【図２】
0003910668.tif 000006
【図３】
0003910668.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
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