特集 風力発電、大容量導入を可能にする系統技術の最前線
4 大容量を目指す洋上風力発電技術

送電技術：世界最大規模のダイナミックケーブルシステム開発
送電技術：世界最大規模のダイナミックケーブルシステム開発
古河電気工業株式会社 電力事業部門 洋上風力プロジェクトチーム

藤井 茂

古河電気工業株式会社 電力事業部門 洋上風力プロジェクトチーム 藤井 茂

１．はじめに浮体式洋上風力発電は、世界第 6 位の排他的経済水域を誇り、着床式洋上風力発電に最適な遠浅の海岸が少ない我が国において、有望な発電方式である。
世界においても取り組み事例はまだ少なく、日本を代表する各社がコンソーシアムを組み、経済産業省からの委託事業として Fukushima FORWARD Project（以下、本 PJ） を進めている。浮体式の洋上サブステーションを有し、複数の浮体式風車を浮かべるウィンドファームは世界初の取り組みである。
当社は、本 PJ の中で大容量送電システム開発（電力、光通信）を担当しており、洋上風力発電所にて発電された大容量の電力を効率よく送電し、既設送電系統に連系する重要な役割を担っている。本稿では浮体式に必須技術であるダイナミックケーブルシステムの開発状況を中心に報告をする。
2．プロジェクトの全体概要について
2.1 全体概要
本 PJ は、第 1 期（2011～2013 年）と第 2 期（2014～2015 年）から構成されており、第 1 期において2MW のダウンウィンド型浮体式洋上風力発電設備1 基と世界初となる 25MVA 浮体式洋上サブステーションを 1 基建設する。当社は、それら浮体同士を結ぶダイナミックケーブル（以下ライザーケーブルと称す）と陸上までの長距離海底ケーブルおよび陸上自営送電線を設置する。
第 2 期には、7MW 浮体式洋上風力発電設備 2 基を新設し、合計で 16MW の発電量となる。当社は、7MW 浮体から洋上サブステーションまでのライザーケーブル布設を行う。全体概要を図 1 に示す。

図 1. プロジェクトの全体概要
Vol.37, No.3

2.2 送変電システムの概要
風車発電容量は、2MW および 7MW であり、洋上サブステーションまでの送電ケーブル（InterArray ケーブル）は 22kV を選定している。陸揚げ予定位置から風車設置予定位置までは海底ケーブル
ルート長で 20km 強あり、22kV では送電ロスが大きいため、本 PJ では、洋上にサブステーションを設け、66kV に昇圧し、陸上へ送電することとしている（Export ケーブル）。
陸揚げ後は、途中に開閉所を設け、最も近傍となる電力会社殿の既設 66kV 架空送電線に接続し、系統連系を行う。
送変電システム概要を図 2 に示す。当社が担当しているのは、送電に関する部分である。

図 2 送変電システム概要
浮体に接続されるライザーケーブルは、波浪・潮流等による海象状況、浮体そのものの動揺による影響を受けて、ダイナミックな動きが要求されるため、今回新たに開発するものである。本 PJ では、風車・浮体の制御や各種計測データ（洋上サブステーションに併設される観測タワーや各浮体での計測データ、画像など）の通信を行うため、海底ケーブル・ライザーケーブルは、光ファイバーを内蔵した光複合電力ケーブルにて設計を行う。
22kV、66kV 級の光複合ダイナミックケーブルは、洋上風力発電用として世界最大級となり、将来的な大容量洋上風力発電実現には必要不可欠な技術である。
3．ライザーケーブルの開発について
3.1 基本設計
ダイナミック用途では、海中浮遊状態でのケーブ― 327 ―日本風力エネルギー学会誌

ル挙動をシミュレーションする解析技術が重要であり、海中浮遊形状の十分な検討が要求される。適用される海象条件と浮体の動揺条件およびライザーケーブルの諸元・形状を合わせて、静的挙動解析、動的挙動解析、疲労解析という順番で、解析・フィードバックを繰り返し、最適な海中形状・ライザーケーブル詳細設計を実施していく。
今回必要となるライザーケーブルは、弊社でも過去実施例のある 6.6kV 級とは異なり特別高圧の22kV および 66kV 級となっている。このためケーブル外径，重量も大きく，電気的なストレスも厳しくなるため電力ケーブルとして耐疲労特性に優れた構造が求められる。
海底ケーブルとしての基本構造は、「電気設備技術基準」第 127 条「水上電線路および水底電線路の施設」に定められており、それを満足することが基本である。ダイナミックケーブルとしてさらに要求される特性を表 1 にまとめる。

異なることから、挙動解析はそれぞれの浮体毎に実施する必要がある。
今回の開発では、当初、ケーブル張力低減のための軽量化を指向し、ライザーケーブル基本設計において、海象条件と浮体動揺条件を適用して、静的挙動解析を実施した。解析に使用した福島沖海象条件を表 2 に示す。
表 2 海象条件項

暴風波浪時の 50 年再現期待値
海潮流表１. 要求特性
項

目

設置場所の海象条件

浮体動揺条件
設計寿命

目

目標特性
・浮遊状態での許容張力、最小曲げ半径を満足すること
・浮遊部のケーブルが海底に接触しないこと・ケーブルがキンク（ねじれ）を起こさないこと
・風車・浮体と同様であること

採 用 値
有義波高 11.71m
有義波周期 13 秒
1.5m/s（吹送流含む）

その結果、ライザーケーブルが潮流により大きく流される現象が生じることが判明し、本 PJ の厳しい海象条件では、当初指向したライザーケーブル軽量化設計は適用できないことが明らかとなった。
そこで、ライザーケーブルは構造上極限までの重量化を図り、再度解析を実施したが、図 4 に示すように着底面でのキンク（ねじれ）現象が発生し、要求特性を満足しない結果となった（○で囲った部分）。
最終的には着底部のケーブル重量を更に増加させることで、ようやく、要求特性を満足する海中浮遊形状およびライザーケーブル構造の確定が行えた。

ライザーケーブルは、これまでの知見を基に図 3に示す構造とした。がい装は、ケーブル捻回力に対応するため、2 重交互撚りを採用している。

図 4 着底部でキンクが発生している事例

図 3 66kV ライザーケーブル構造図
3.2 詳細設計および挙動解析
3.2.1 挙動解析
今回、ライザーケーブルが接続される浮体は構造、大きさの異なる 3 種類となり、それぞれ動揺特性もJournal of JWEA

次に、各浮体の RAO データをもとに動的挙動解析を行い、最も厳しい条件下における、発生張力と曲げ半径について評価を実施した。その結果、発生張力および曲げ半径共に特に問題となる部位は確認― 328 ―

2013 年

送電技術：世界最大規模のダイナミックケーブルシステム開発されなかった。しかしながら、ライザーケーブルを浮体内部で固定している部分で最大張力が発生するため、この部分でのがい装引き留め装置の設計にあたっては、十分裕度のある設計とする必要がある。
今後、ケーブル SN 特性を評価することで、最終的には疲労解析を実施する予定である。
ライザーケーブルの主な設計諸元を表 3 にまとめる。
表 3 ライザーケーブル諸元
22kV 用66kV 用外径
約φ150mm
約φ180mm
質量（気中）
約 45kg/m
約 55kg/m
内蔵光ケーブル
1本
3本
中間ブイ
モジュラー型
3.3 試作・評価
66kV ライザーケーブル試作を行い、試作品の機械物性値測定（縦剛性および曲げ剛性）を実施した。
得られた実機データを反映させた挙動解析により、実際の海中での最適ライザーケーブル形状を決定した。
実施した評価試験を表 4 に示す。22kV 試作品でも同様の評価試験を行い、ライザーケーブルの特性に問題のないことを確認した。

また、各浮体構造が異なるため、ライザーケーブルの浮体への引き込み方法も浮体毎に検討が必要であり、施工方法も非常に重要な検討要素である。
3.4 実証試験に向けて実証試験においては、ライザーケーブル布設時に加速度センサを取付け、実機での挙動計測を実施する予定である。海洋データや浮体動揺データの実測も合わせて行われるため、それらとライザーケーブル実測データをリンクさせた解析を行い、机上での検討結果、工場実測データ、実機実測データを総合的に判断した疲労解析を行い、最終的に維持管理手法の確立を目指す予定である。
4. 工事概況
今年度実施したライザーケーブル布設工事の概況を以下に示す。

表 4 評価試験項目①引張試験、引張曲げ試験②ねじれ試験
③側圧試験④繰り返し曲げ疲労試験⑤上記試験後の解体調査⑥引き留め部引張試験⑦海底ジョイント耐水圧試験

図 6 ライザーケーブル布設船

図 5 66kV ライザーケーブル

Vol.37, No.3

図 7 サブステーションへのライザーケーブル布設― 329 ―日本風力エネルギー学会誌

図 8 浮体内でのライザーケーブル固定状況

図 12 2MW 風車浮体へのライザーケーブル布設
工事終了後に、布設した 66kV 海底ケーブル/66kV ライザーケーブルおよび 22kV ライザーケーブルの竣工耐電圧試験を行い、問題なく施工が実施されている確認を行った。
表 5 竣工耐電圧試験
対 象試験仕様
66kV 系
DC151.8kV×10 分
22kV 系
DC57.5kV×10 分

図 9 海底ジョイント沈設作業

図 10 浮体下部におけるライザーケーブル補強材

5 おわりに本 PJ は非常にタイトなスケジュールで実施しており、また、太平洋側沖合という厳しい海象条件の中で工事を行ったため、ライザーケーブル工事は非常な苦労を伴った。浮体係留工事が長引いたことにより、ライザーケーブル工事は太平洋側の海洋工事
では海象が厳しくなり不向きとされる 8 月後半から開始し、複数の台風来襲に見舞われる中、約 1 ヶ月という短期間で世界初の工事をやり遂げた。
今後は、まず 2MW 風車の発電開始と様々なデータ取りが予定されており、来年度以降において7MW 風車が加わることで、世界初の浮体式洋上ウィンドファームとしての運用を行って行くこととなる。
当社としても更なるウィンドファーム大規模化への対応として、ライザーケーブルの高電圧・大容量化を進め、期待される大容量洋上風力発電の実現へ貢献していく所存である。

図 11 中間ブイ
Journal of JWEA

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2013 年