CN103688433A - 超导电缆的连接结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超导电缆的连接结构，该连接结构中超导电缆（10）通过中间连接部彼此连接，缆芯（11）具有在超导导体层（14）的周围缠绕绝缘性纸类而成的电绝缘层（20），连接骨架（13）与超导导体层而成的导体连接部（S）的两侧的电绝缘层均具有随着朝向导体连接部，直径缩小的锥状部（21），该锥状部是通过越靠近导体连接部则倾斜角度越小的多个锥部，倾斜角度阶梯性地变化而形成的，在各锥状部之间具有加强绝缘层（50）。

Description

超导电缆的连接结构

技术领域

本发明涉及用于输送电力的超导电缆的连接结构。

背景技术

以往，已知有使用在极低温度下成为超导状态的超导线材作为导体的超导电缆。超导电缆作为能够低损耗地输送大电流的电力电缆而备受期待，并朝向实用化而进行开发。

超导电缆是将缆芯收纳在隔热管内的结构，缆芯是从中心起层叠骨架、超导导体层和电绝缘层等而构成的。

此外，隔热管采用由内管和外管构成的双重管结构，在内管与外管之间抽真空，使液氮等制冷剂在内管的内部循环，在极低温度状态下进行输电。

上述超导电缆是按照一定的长度制造的，因此，在需要敷设较长距离的情况下，需要通过中间连接部将电缆的各个端部彼此连接。

在该中间连接部中，对于缆芯的连接，应用了其绝缘构造类似的油浸纸绝缘电缆（OF[oil-filled]电缆）的连接技术。即，如图17所示，在进行连接的各个超导电缆中，在超导导体101的外侧形成电绝缘部的绝缘纸以笔尖状（铅笔形状）剥露而形成为锥状。

并且，在将超导导体彼此连接后，在彼此相对的、被剥成笔尖状的一方的电绝缘部102的锥状部与另一方的电绝缘部102的锥状部之间，通过缠绕新绝缘纸来形成新的电绝缘部103，并且，以其周边直径大于现有的绝缘部102的方式缠绕绝缘纸，形成加强了绝缘部的加强绝缘部104，实现中间连接部的绝缘（例如，参照非专利文献1）。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：饭塚喜八郎编新版電力ケーブル技術ハンドブック電気書院P.429-4301989年3月5日出版

发明内容

发明要解决的问题

然而，在绝缘电缆的情况下，为了填充彼此相对的电绝缘部的锥状部彼此之间的谷，使用了用油浸泡过的绝缘纸。因此，通过紧紧地缠绕绝缘纸，能够彼此贴紧、不产生松动地形成绝缘部。

另一方面，在超导电缆的情况下，向缆芯的周围提供制冷剂，因此，为了填充彼此相对的电绝缘部的锥状部彼此之间的谷，使用干绝缘纸。在紧紧地缠绕干绝缘纸时，容易撕裂，因此比较柔和地进行缠绕。

因此，在锥状部中，原有的绝缘部与为了填充谷而新形成的绝缘部之间的贴合性变弱，产生沿着锥状部的锥面的沿层方向的耐电位梯度（耐电场应力）下降这样的问题。

此外，还存在如下问题：越靠近超导导体内侧，则该耐电场应力越大，但是，电绝缘部的内侧由于导体从外部气温降温至-200℃，因而不仅在长度方向收缩而且在径向收缩，因此，越靠近电绝缘部的内侧，则贴合性越弱，容易产生间隙，从而更加降低了中间连接部的电气性能。

本发明的目的在于，在超导电缆的中间连接部，实现锥状部的耐电场应力的耐受的提高。

用于解决问题的手段

为了解决该问题，本发明是将超导电缆彼此连接的超导电缆的连接结构，其中，所述超导电缆是将具有骨架和超导导体层的缆芯，与制冷剂一起收纳在隔热管内而形成的，所述超导电缆的连接结构的特征在于，所述缆芯具有在所述超导导体层的周围缠绕绝缘性纸类而成的电绝缘层，在连接所述骨架与所述超导导体层而成的导体连接部的两侧的所述电绝缘层均具有锥状部，该锥状部随着朝向所述导体连接部，直径缩小，该锥状部是通过越靠近所述导体连接部倾斜角度越小的多个锥部，倾斜角度阶梯性地变化而形成的，在各个所述锥状部之间具有加强绝缘层。

此外，本发明也可以构成为：各个所述锥状部在倾斜角度阶梯性地变化的多个锥部的边界位置处，具有外径固定的阶梯部。

此外，本发明也可以是：所述加强绝缘层由从内侧依次层叠的多个层构成，该多个层是缠绕绝缘性纸类至外径与各个所述阶梯部相等为止而形成的，所述依次层叠的多个层分别是以覆盖其内侧的层和外径与该内侧的层相等的所述阶梯部的边界的方式，缠绕所述绝缘纸类而形成的。

此外，本发明也可以是：所述加强绝缘层由从内侧依次层叠的多个层构成，该多个层分别由在所述超导电缆的长度方向上宽度大的绝缘层和对在该宽度大的绝缘层的两侧产生的间隙进行填充的宽度小的绝缘层构成，所述宽度大的绝缘层形成为覆盖其内侧的所述宽度小的绝缘层的外周整体。

此外，所述阶梯部的电缆长度方向上的长度可以是20[mm]以上、100[mm]以下。

此外，本发明可以构成为：关于所述锥状部，在设最靠近所述导体连接部的锥部为第1锥部的情况下，该第1锥部～第n锥部的倾斜角度α₁～α_n满足下式的条件，

[式1]

第1

$\frac{A\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_1}{y}<1,(r\&le;y<Y_1),y=r+x\&CenterDot;\tan {\mathrm{\&alpha;}}_1,(0\&le;x<X_1)...\left(7\right)$

第2

$\frac{A\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_2}{y}<1,(Y_1\&le;y<Y_2),y=r+X_1\tan {\mathrm{\&alpha;}}_1+(x-X_1)\tan {\mathrm{\&alpha;}}_2,(X_1\&le;x<X_2)...\left(8\right)$

第3

$\begin{array}{c}\frac{A\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_3}{y}<1,(Y_2\&le;y<Y_3),\\ y=r+X_1\tan {\mathrm{\&alpha;}}_1+(X_2-X_1)\tan {\mathrm{\&alpha;}}_2+(x-X_2)\tan {\mathrm{\&alpha;}}_3,(X_2\&le;x<X_3)\end{array}...\left(9\right)$

第n

$\begin{array}{c}\frac{A\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_n}{y}<1,(Y_{n-1}\&le;y<Y_n),\\ y=r+\underset{K=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_K-X_{K-1})\tan {\mathrm{\&alpha;}}_K+(x-X_{n-1})\tan {\mathrm{\&alpha;}}_n,(X_{n-1}\&le;x<X_n)\end{array}...\left(10\right)$

其中， $A\&CenterDot;\frac{\sin \mathrm{\&theta;}}{r}=1...\left(11\right)$

其中，R是电绝缘层的外周的半径，r是超导导体层的外周的半径，R_j是加强绝缘层的外周的半径、θ是在假设锥状部在假想地由单独的锥部形成的情况下，根据超导导体层的目标耐压V、锥面的沿层方向的破坏强度g_x以及所述R、R_j、r的值求出的倾斜角度，x是表示以锥状部的末端部为原点、沿着电缆长度方向的线上的位置的变量，y是表示以电缆中心线为原点、朝向半径方向外侧的线上的位置的变量，X_1～n和Y_1～n是x-y坐标平面中的所述第1锥部～第n锥部的最大径部的位置坐标。

此外，在本发明中，所述锥部的数量n可以是2或者3。

此外，本发明可以构成为：在最外侧的锥部处产生所述多个锥部中的各个锥部的沿层方向应力的最大值。

而且，本发明可以构成为，关于所述多个锥部中的各个锥部的末端部的沿层方向应力的值，越是靠近内侧的锥部，末端部的沿层方向应力的值越小。

发明效果

在本发明中，在导体连接部的两侧的电绝缘层中分别形成有锥状部，锥状部通过越靠近导体连接部倾斜角度越小的多个锥部而形成为倾斜角度阶梯性地变化。

在电绝缘层中，越靠近内侧的超导导体层则电场应力越大，另一方面，在电绝缘层中，由于其内侧的超导导体层因制冷剂的冷却而收缩，因而在锥状部的末端部，沿着锥面的沿层方向，绝缘性能容易发生下降。

但是，在本发明中，由于使各锥状部的末端侧（直径较小的一方）的倾斜角度形成为小于后端侧（直径较大的一方），因此，能够减小电场应力的沿层方向分量，能够减少沿层方向上的绝缘击穿的发生。

此外，锥状部随着远离导体连接部而倾斜角度阶梯性地变大，因此，与锥状部整体的倾斜角度较小的情况相比，能够缩短锥状部的全长，能够实现连接结构的小型化，并且降低其形成作业负担和作业时间。

此外，在锥状部形成有阶梯部的情况下，能够在阶梯部的外周面缠绕新的绝缘性纸类，因此，与在锥部进行缠绕的情况相比，能够提高贴合性，抑制锥状部与加强绝缘层的边界的绝缘性能的下降，能够提供绝缘性能优异的中间连接。

此外，由从内侧起依次层叠的多个层构成加强绝缘层，并且由宽度大的绝缘层和宽度小的绝缘层构成层叠的各层，使所述宽度大的绝缘层形成为覆盖所述宽度小的绝缘层的外周整体，在该情况下，使绝缘层彼此的边界重叠而从其上方覆盖层叠的绝缘层，因此，能够抑制边界的绝缘性能的下降，能够提供绝缘性能优异的中间连接。

附图说明

图1是示出超导电缆的一例的图。

图2是示出超导电缆的中间连接部的缆芯的主要连接结构的剖视图。

图3是示出连接了骨架与超导导体层，未形成第一和第二加强绝缘层的状态的剖视图。

图4是锥状部的倾斜角度的说明图。

图5是示出现有的锥状部的模型的图。

图6是示出图5的模型的位移X的沿层方向应力的值的线图。

图7是示出根据绝缘纸的步进宽度进行锥状部的倾斜角度的设定的图。

图8是示出形成电绝缘层的绝缘纸的缠绕方法的图。

图9是示出对倾斜角度赋予变化的锥状部的模型的图。

图10是示出图9的模型的位移X的沿层方向应力的值的线图。

图11是示出设置有阶梯部（等径部）模型的位移X的沿层方向应力的值的线图。

图12是示出在第二实施方式中，连接了骨架与超导导体层连接，未形成第一和第二加强绝缘层的状态的剖视图。

图13在是示出图12的模型中没有设置阶梯部（等径部）的情况下的位移X的沿层方向应力的值的线图。

图14是示出设置有阶梯部（等径部）的图12的模型的位移X的沿层方向应力的值的线图。

图15是示出在第三实施方式中规定结构的锥状部的模型的图。

图16是示出图15的模型的位移X的沿层方向应力的值的线图。

图17是示出现有的超导电缆的中间连接部的剖面结构的图。

具体实施方式

［第一实施方式］

以下，根据附图，对本发明的第一实施方式进行详细说明。

图1是示出布设的超导电缆的一例的图，图2是示出超导电缆的中间连接部的缆芯的主要连接结构的剖视图。

［超导电缆］

图1所示的超导电缆10是在隔热管12内收纳有单芯的缆芯11的单芯型的超导电缆。缆芯11由骨架13、超导导体层14、电绝缘层20、超导屏蔽层15、普通导电屏蔽层16以及保护层17等构成。

骨架13是用于形成缆芯11的卷芯，例如通过捻合铜线等普通导电线材而构成。在短路事故时流过超导导体层14的事故电流被分流到骨架13中。

通过在骨架13的外周螺旋状地缠绕多根超导线材，由此形成超导导体层14。在图1中，超导导体层14为4层的层叠结构。在正常运转时，输电电流流过超导导体层14。

构成超导导体层14的超导线材例如具有在带状的金属基板上依次形成有中间层、超导层和保护层等的层叠结构。关于构成超导层的超导体，代表性的是在液氮温度以上表现为超导的RE系超导体（RE：稀土类元素），例如由化学式YBa₂Cu₃O_7-y表示的钇系超导体（以下，记作Y系超导体）。此外，也可以是在金属矩阵中形成有超导体的带状的超导线材。关于该超导体，可以应用铋系超导体、例如化学式Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ（Bi2212），Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+δ（Bi2223）。

此外，化学式中的δ表示氧的不定比量。

电绝缘层20可以由绝缘性纸类、例如绝缘纸、绝缘纸与聚丙烯薄膜接合而成的半合成纸、高分子无织布带等构成，此处示出了使用绝缘纸的情况下的例子。即，通过在超导导体层14的外周缠绕绝缘纸，以层叠状态形成电绝缘层20。

通过在电绝缘层20的外周螺旋状地缠绕多根超导线材，由此形成超导屏蔽层15。在图1中，超导屏蔽层15为2层的层叠结构。在超导屏蔽层15中，与正常运转时因电磁感应而流过超导导体层14的导体电流几乎相同的电流以相反相位流过。对于构成超导屏蔽层15的超导线材，可以应用与超导导体层14相同的超导线材，也可以应用不同种类的超导线材。

通过在超导屏蔽层15的外周缠绕铜线等普通导电线材，由此形成普通导电屏蔽层16。在短路事故时流过超导屏蔽层15的事故电流被分流到普通导电屏蔽层16。

保护层17例如由绝缘纸、高分子无纺布等构成，是通过在普通导电屏蔽层16的外周进行缠绕而形成的。

隔热管12具有由隔热内管121和隔热外管122构成的双重管结构，其中，隔热内管121收纳缆芯11并注入有制冷剂（例如液氮），隔热外管122被配设为覆盖隔热内管121的外周。

隔热内管121和隔热外管122例如是不锈钢制的波纹管（带波纹的管）。在隔热内管121与隔热外管122之间，例如夹设有由蒸镀了铝的聚乙烯膜的层叠体构成的多层隔热层（超级隔热）123，并被保持为真空状态。此外，隔热外管122的外周由聚氯乙烯（PVC）或聚乙烯等防腐蚀层124覆盖。

［中间连接部的连接结构：概要］

在连接超导电缆10彼此之间时，使用了接合相邻的隔热管12彼此的未图示的固定盒。该固定盒与隔热管12一样，为双重壁面结构，壁面之间被抽真空且在盒内部循环制冷剂。此外，在盒内部，各超导电缆10的缆芯11彼此接合。

在将缆芯11彼此连接时，首先，使骨架13以外的结构后退到比连接端部靠后的位置，使骨架13彼此对接，进行了连接端部之间的焊接后，以使骨架13之间的焊接部的外径变得相同的方式进行成形，在骨架13上重新缠绕后退到连接端部后方的超导导体层14。

并且，在两个超导导体层14的连接端部的上表面（外周面）隔着焊料，并以架设状态粘贴连接用超导线材（省略图示），使得各超导导体层14的超导层之间导通，来进行各超导导体层14的电连接。此外，也可以利用焊料逐根地使构成超导导体层14的超导层的超导线材彼此直接连接。

［电绝缘层的连接结构］

接下来，使用图2和图3，说明电绝缘层20。图3是示出使骨架13与超导导体层14连接而没有形成后述的第一加强绝缘层30和第二加强绝缘层50的状态的剖视图。在图2和3中，符号S表示骨架13与超导导体层14的导体连接部。

如图3所示，各缆芯11的电绝缘层20均具有朝向导体连接部S阶梯性地减小直径的锥状部21。该锥状部21分三阶段缩小直径，在导体连接部S的外周没有形成电绝缘层20。即，锥状部21具有外径最小（最靠近导体连接部S）的第一锥部211、外径次小（次接近导体连接部S）的第二锥部212和外径最大（最远离导体连接部S）的第三锥部213，作为阶梯性地倾斜角度变化的多个锥部。此外，在第一锥部211与第二锥部212之间，形成有作为外径固定的阶梯部的第一等径部214，在第二锥部212与第三锥部213之间，形成有作为外径固定的阶梯部的第二等径部215。

通过切除缠绕的绝缘纸的侧端部，由此形成上述各锥部211、212、213的锥面。

然后，使第一锥部211、第二锥部212和第三锥部213的各个锥面相对于电缆的中心线C的倾斜角度α₁、α₂、α₃的大小关系成为α₁＜α₂＜α₃。

［加强绝缘层］

此外，如图2所示，在彼此相对的锥状部21、21之间的谷部分，以填充该谷部分的方式形成有第一加强绝缘层30，在第一加强绝缘层30的外周，以覆盖该第一加强绝缘层30和包含各锥状部21、21在内的电绝缘层20、20的端部的方式，形成有第二加强绝缘层50。

以各锥状部21的第一等径部214和第二等径部215的外径为边界，分三层地形成第一加强绝缘层30。

即，第一加强绝缘层30的最内侧的层由三个分割层31、32、33构成，该三个分割层31、32、33形成在从超导导体层14的外径起到第一等径部214的外径为止的范围内。

通过在超导导体层14的外周面上缠绕坡面纸（スロープ紙），直到外径与第一等径部214相等为止，由此形成上述分割层31。坡面纸是宽度大的绝缘纸，其两侧端部预先在纸的长度方向上倾斜地被切断，在缠绕时两端会形成锥状，其剖面形成大致等腰梯形。以至少能够单独地覆盖导体连接部S的宽度来形成该分割层31。

此外，以填充分割层31的两端部与各个第一锥部211、211的间隙区域的方式，缠绕宽度小于电绝缘层20的绝缘纸的带状的绝缘纸，由此形成分割层32、33。

此外，坡面纸的宽度设为200mm～500mm左右，电绝缘层20的绝缘纸的宽度设为20mm～30mm左右，分割层31的绝缘纸的宽度设为8mm～12mm左右即可。

并且，分割层31在中心线C方向的宽度（梯形剖面的上边与下边的平均宽度）大于分割层32、33，分割层31作为宽度大的绝缘层发挥作用，分割层32、33作为宽度小的绝缘层发挥作用。

此外，从第一加强绝缘层30的内侧起，第2层由五个分割层34～38构成，该五个分割层34～38形成在从第一等径部214的外径起到第二等径部215的外径为止的范围内。

跨越从一方的第一等径部214的外周面起到分割层31的外周面，从它们的上方开始缠绕坡面纸，直到外径与第二等径部215相等为止，由此形成上述分割层34。由此，分割层34成为完全覆盖分割层31与分割层32的边界以及分割层32与第一等径部214的边界的状态。

此外，跨越从另一方的第一等径部214的外周面起到分割层31的外周面，从它们的上方开始缠绕坡面纸，直到外径与第二等径部215相等为止，由此形成上述分割层35。由此，分割层35成为完全覆盖分割层31与分割层33的边界以及分割层33与第一等径部214的边界的状态。

此外，通过以填充一方的第二锥部212与分割层34的间隙区域、分割层34与分割层35的间隙区域、以及分割层35与另一方的第二锥部212的间隙区域的方式缠绕宽度小的带状的绝缘纸，分别形成分割层36、37、38。

并且，分割层34、35在中心线C方向的宽度（梯形剖面的上边与下边的平均宽度）大于分割层36、37、38，分割层34、35作为宽度大的绝缘层发挥作用，分割层36、37、38作为宽度小的绝缘层发挥作用。

此外，第一加强绝缘层30的最外侧的层由七个分割层39～45构成，该七个分割层39～45形成在从第二等径部215的外径起到电绝缘层20的外径为止的范围内。

跨越从一方的第二等径部215的外周面起到分割层34的外周面，从它们的上方开始缠绕坡面纸，直到外径与绝缘层20相等为止，由此形成上述分割层39。由此，分割层39成为完全覆盖分割层34与分割层36的边界以及分割层36与第二等径部215的边界的状态。

此外，跨越从分割层34的外周面起到分割层35的外周面，从它们的上方开始缠绕坡面纸，直到外径与电绝缘层20相等为止，由此形成上述分割层40。由此，分割层40成为完全覆盖分割层34与分割层37的边界以及分割层37与分割层35的边界的状态。

此外，跨越从分割层35的外周面起到另一方的第二等径部215的外周面，从它们的上方开始缠绕坡面纸，直到外径与电绝缘层20相等为止，由此形成上述分割层41。由此，分割层41成为完全覆盖分割层35与分割层38的边界以及分割层38与第二等径部215的边界的状态。

此外，通过以填充一方的第三锥部213与分割层39的间隙区域、分割层39与分割层40的间隙区域、分割层40与分割层41的间隙区域、以及分割层41与另一方的第三锥部213的间隙区域的方式缠绕宽度小的带状的绝缘纸，分别形成分割层42、43、44、45。

并且，分割层39～41在中心线C方向的宽度（梯形剖面的上边与下边的平均宽度）大于分割层42～45，分割层39～41作为宽度大的绝缘层发挥作用，分割层42～45作为宽度小的绝缘层发挥作用。

此外，也可以不利用坡面纸，而是与分割层32、33、36、37、38、42、43、44、45相同地，通过缠绕宽度小的带状的绝缘纸，来形成分割层31、34、35、39、40、41。

如图2所示，通过从一端部起，在第一加强绝缘层30和各电绝缘层20、20的外周缠绕坡面纸，由此，以剖面呈等腰梯形的方式形成第二加强绝缘层50，其中，所述坡面纸是宽度大的绝缘纸，且其两侧端部在纸的长度方向上预先倾斜地被切断，并通过缠绕而在两端形成锥状。使用如下坡面纸：该坡面纸的开始缠绕的端部的宽度至少大于第一加强绝缘层30的最外周部，并以完全覆盖第一加强绝缘层30的方式进行缠绕。

［锥状部］

对锥状部21进行详细说明。

首先，定义“锥部的倾斜角度”。

如图4所示，设锥部211的（示出了第一锥部211，但是第二锥部212、第三锥部213也相同）的中心线方向的长度为L₂₁₁，设第一锥部211的最大外径部的绝缘纸的层的厚度为t，则锥部211的倾斜角度θ₀由下式（1）定义。

[式2]

${\mathrm{\&theta;}}_0={\tan }^{-1}\frac{t}{L_{211}}...\left(1\right)$

即，在所层叠的绝缘纸的各自的侧端部的顶点t1～tn排列在直线上的情况下，设该直线为基线F，锥部211的倾斜角度表示基线F与电缆所成的角度。

此外，在不是全部的点都排列在直线上的情况下，例如，可以将连结最下部的顶点t1与最上部的顶点t5的直线作为基线F，根据顶点t1～tn，通过最小平方法求出基线F。

在饭塚喜八郎编的“新版電力ケーブル技術ハンドブック”（電気書院）的P.429-430中，记载了锥状部的倾斜角度θ的确定方法。此外，该确定方法是与包含上述的倾斜角度不同的多个锥部在内的锥状部21不同，整体为相同的倾斜角度θ的锥状部（设为21X）的确定方法。参照图5，说明该倾斜角度θ的确定方法。此外，该倾斜角度θ表示在下述条件下能够抑制绝缘击穿的上限值。

在锥状部21X中，x表示以锥状部21X的末端部为原点的电缆长度方向的位移，y表示以电缆的中心线C为中心的电缆半径方向的位移，R表示电绝缘层20X的外周的半径，r表示超导导体层14X的外周的半径，R_j表示第二加强绝缘层50X的外周的半径，L表示锥状部21X的中心线方向的长度。此外，图5中的符号13X表示超导导体层14X的内侧的骨架，30X表示以填充锥状部21X、21X之间的谷部分的方式形成的第一加强绝缘层，50X表示以覆盖该第一加强绝缘层30X和各电绝缘层20X、20X的端部的方式形成的第二加强绝缘层。

并且，在设目标耐压为V、设锥状部21X的锥面的沿层方向（沿锥面的倾斜角度的方向）的破坏强度为g_x的情况下，在位移x与各参数之间，下式（2）成立。此外，在上式（2）中，位移y＝R的情况下，下式（3）成立。

[式3]

$x=\frac{V}{g_x}\&CenterDot;\frac{\ln \left(\frac{y}{r}\right)}{\ln \left(\frac{R_j}{r}\right)}...\left(2\right)$

$x=\frac{V}{g_x}\&CenterDot;\frac{\ln \left(\frac{R}{r}\right)}{\ln \left(\frac{R_j}{r}\right)}...\left(3\right)$

例如，设x＝L，将目标耐压V＝1260[kV]、沿层方向的破坏强度g_x＝3[kV/mm]、r＝17.7[mm]、R＝39.7[mm]、R_j＝44.85[mm]这样的值代入上式（3）。在长度L与倾斜角度θ之间，具有与在上述长度L₂₁₁和倾斜角度θ₀之间成立的式（1）相同的关系，式（1）中的t可通过R-r求出，因此，通过上式（1）和（3），能够最终计算出θ＝3.45°。

而且，根据上述参数与式（1）～（3），通过下式（4）给出沿层方向应力Ex。此外，以图5中的沿层方向应力Ex在锥状部21X的末端部（x＝0）成为1的方式进行标准化，说明沿层方向应力Ex与x相关性。即，在下式（4）中，将系数A设定为：在x=0时，y＝r，Ex=1。因此，A·sinθ/r＝1。

[式4]

$E_x=\frac{A\&CenterDot;\sin \mathrm{\&theta;}}{y}...\left(4\right)$

设式（4）中的x为横轴，设沿层方向应力Ex的值为纵轴，图6的线图示出它们的关系。根据图6可知：在导体层14X的外周面上的锥状部21X的末端部（x＝0），产生最大的应力。

另一方面，在超导电缆10中，由于需要通过在隔热管12内循环的制冷剂来冷却缆芯11，因而骨架13和超导导体层14由于冷却而在半径方向产生较大的热收缩，因此，在层叠绝缘纸结构的锥状部21的末端部，与超导导体层14产生开裂，实际难以稳定地得到计算出的绝缘强度。

因此，在本实施方式所述的超导电缆10中，对于电绝缘层20的各锥状部21的第一～第三锥部211、212、213，以其倾斜角度α₁、α₂、α₃越靠近内侧则越小（α₁＜α₂＜α₃）的方式进行设定。

而且，对于最内侧的第一锥部211的倾斜角度α₁，设定为α₁＜θ。

此处，如果将式（4）的θ置换为α₁～α₃，则求出第一锥部211的沿层方向应力Ex，由此，能够使得α₁～α₃越小，则沿层方向应力Ex越小。

接下来，对用于以任意的倾斜角度形成各锥部211、212、213的绝缘纸的缠绕的方法进行说明。

为了形成第一锥部211的（212、213也相同），如图7所示，在每一层以一定的步进宽度P偏移绝缘纸的缠绕端部的位置，调整为第一锥部211整体成为目标倾斜角度α₁。即，以在设绝缘纸的厚度为d时，在第一锥部211的倾斜角度α₁、步进宽度P与绝缘纸的厚度d之间，tanα₁＝d/P成立的方式选择步进宽度P和绝缘纸的厚度d，。

另一方面，如图8所示，在超导导体层14的外周面上，逐层地反复以形成间距而不重合的方式螺旋状地缠绕固定宽度的带状的绝缘纸，由此形成电绝缘层20。例如，以间距宽度G＝1～3mm缠绕大约20～30mm宽的绝缘纸。

在这样形成了电绝缘层20的情况下，当上述步进宽度P大于间距宽度G时，在锥部211处，内侧的绝缘纸的挤压变得无效，因此，优选将绝缘纸的步进宽度P设为间距宽度G以下。

例如，设绝缘纸的间距宽度G＝3[mm]，对于第一～第三锥部211、212、213的全部，将步进宽度P设为其能够取值的最大值的3[mm]，在该情况下，改变绝缘纸的厚度d，调整各锥部211、212、213的倾斜角度。对于各锥部211、212、213，在设绝缘纸的厚度d分别为120、170、220[μm]时，倾斜角度成为α₁＝2.3°、α₂＝3.3°、α₃＝4.2°。

根据所要求的破坏强度g_x和超导电缆的各部的尺寸、例如规格尺寸，唯一求出θ，θ根据所要求的破坏强度g_x和超导电缆的尺寸而变动。

此处，图9示出了上述这样由于第一～第三锥部211、212、213而使倾斜角度阶梯性地变化的锥状部21W，而没有考虑等径部214、215的模型。设各参数的设定值与图5相同。

设倾斜角度为α₁=2.3°，α₂＝3.3°，α₃=4.2°（θ=3.45°）。此外，在设沿电缆中心线C的方向为x、设以电缆中心线C为中心的电缆的半径方向为y的x-y坐标系中，设锥状部21W的末端部（最小径部）为x方向的原点，设电缆中心线C为y方向的原点，设第一锥部211与第二锥部212的切换点（第一锥部211的最大径部）为（X₁，Y₁），设第二锥部212与第三锥部213的切换点（第二锥部212的最大径部）为（X₂，Y₂），设第三锥部213的后端部（最大径部）为（X₃，Y₃）。

在该情况下，确定为α₁＜θ，α₂、α₃满足下式（5）。

[式5]

$\frac{A\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_1}{y}<1,(r\&le;y<Y_1),\frac{A\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_2}{y}<1,(Y_1\&le;y<Y_2),$

$\frac{A\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_3}{y}<1,(Y_2\&le;y<Y_3)$ 但是， $\frac{A\&CenterDot;\sin \mathrm{\&theta;}}{r}=1...\left(5\right)$

将锥状部21W的各锥部211、212、213的边界位置和锥状部21W的后端部分别设为X₁＝100，X₂=190，X₃=365，将锥状部21W的电缆长度方向的长度L设为与图5的情况相等。

图10示出设锥状部21W的位移x为横轴、设沿层方向应力Ex的值为纵轴的它们的关系的线图。在该图10中，用虚线示出图5的模型，用实线示出图9的模型。

这样，在锥状部21W中，分三阶段改变倾斜角度的结果是，已知：预想最产生应力耐受性下降的第一锥部211的末端部的沿层方向应力，与整体设为固定倾斜角度θ的现有的锥状部21X相比降低了30%以上。此外，已知：锥状部21W的整体中的沿层方向应力的最大值也能够削减20%。

此外，能够进一步缩短锥状部21W的电缆长度方向的长度L。在该情况下，在满足式（5）的范围内，将X₁、X₂、X₃分别设为小于上述值即可。

此外，图11示出具有上述第一等径部214和第二等径部215的锥状部21的位移x与沿层方向应力Ex的相关性的线图。

在该情况下，将各等径部214、215的电缆长度方向的长度设为20[mm]以上，更优选为30[mm]以上。但是，如果加长各等径部214、215，则锥状部21整体变长，作为结果，中间连接部整体大型化，因此，在大小受限的情况下，各等径部214、215的长度设为100[mm]以下，更优选设为50[mm]以下。

在图11的例中，各等径部均为30[mm]。此外，为了比较，用虚线示出图5的模型，用双点划线示出图9的模型，用实线示出锥状部21的特性。

在锥状部21的情况下，各个等径部214、215的外周面没有倾斜，因此，不进行沿层方向的应力分担，在各等径部214、215的区域中，沿层方向应力Ex的值成为0。此外，锥状部21的全长仅增加各等径部214、215的长度的量。此外，各锥部211、212、213的沿层方向应力的值示出与锥状部21W的各锥部211、212、213相同的值。

［第二实施方式］

第一实施方式的锥状部21由三个锥部211、212、213构成，但是也可以由更多的锥部构成，或者由更少的两个锥部构成。在该第二实施方式中，如图12所示，例示了锥状部21A具有第一锥部211、第二锥部212和第一等径部214的情况。在该情况下，第一锥部211的倾斜角度α₁、第二锥部212的倾斜角度β、以及由单一锥面构成的现有的锥状部的倾斜角度θ成为α₁＜α₂、α₁＜θ、α₂＞θ。具体而言，设α₁=2.3，α₂=4.2，（θ=3.45°）。

此外，在没有考虑等径部214的情况下，在设沿电缆中心线C的方向为x、设以电缆中心线C为中心的电缆的半径方向为y的x-y坐标系中，设锥状部21A的末端部（最小径部）为x方向的原点，设电缆中心线C为y方向的原点，设第一锥部211与第二锥部212的切换点（第一锥部211的最大径部）为（X₁，Y₁），设第二锥部212的后端部（最大径部）为（X₂，Y₂）。

此外，图12例示了具有等径部214的情况，因此，第二锥部212的后端部的坐标成为（X₂+l1，Y₂）。l1是等径部214的x方向的长度。

以满足下式（6）的方式确定X₁、α₂。例如，由于设r＝17.7，因此设为X₁>96即可。

[式6]

$\frac{A\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_1}{y}<1,(r\&le;y<Y_1),\frac{A\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_2}{y}<1,(Y_1\&le;y<Y_2),$ 其中 $\frac{A\&CenterDot;\sin \mathrm{\&theta;}}{r}=1...\left(6\right)$

将锥状部21A的各锥部211、212的边界位置设为X₁＝140，将没有考虑等径部214的情况下的锥状部21A的电缆长度方向的长度（第一锥部211与第二锥状部212的合计长度）设为与图5的情况相等。此外，如果X₁小于140，则电缆长度方向的长度变小，如果大于140，则电缆长度方向的长度变长。

此处，图13示出设没有考虑锥状部21A的等径部214的模型中的位移x为横轴、设沿层方向应力Ex的值为纵轴的它们的关系的线图。在该图13中，以虚线示出图5的模型。

这样，在锥状部21A中，分两个阶段改变倾斜角度的结果是，已知：预想最产生应力耐受性下降的第一锥部211的末端部的沿层方向应力，与整体设为固定倾斜角度θ的现有的锥状部21X相比下降了30%以上。

此外，沿层方向应力成为最大值的位置移动到第一锥部211与第二锥部212的边界，由于该位置远离超导导体层14，因而冷却时的收缩的影响较小，难以产生绝缘性能的下降，因此避免了绝缘击穿的产生。

此外，图14示出设考虑了锥状部21A的等径部214的模型中的位移x为横轴、设沿层方向应力Ex的值为纵轴的它们的关系的线图。在该图14中，用虚线示出图5的模型，用双点划线示出没有考虑等径部214的模型。

在该情况下，将等径部214的电缆长度方向的长度设为20[mm]以上，更优选设为30[mm]以上、100[mm]以下，更加优选为50[mm]以下。

在图14的例子中，将等径部214设为30[mm]。此外，为了比较，用虚线示出图5的模型，用双点划线示出图13的模型，用实线示出锥状部21A的特性。

在锥状部21A的情况下，在等径部214的区域中，沿层方向应力Ex的值成为0。此外，锥状部21的全长只增加等径部214的长度。此外，各锥部211、212的沿层方向应力的值示出与没有设置等径部214的情况相同的值。

［第三实施方式］

该第三实施方式的特征在于，如图15所示，锥状部21B由多个（例如n个）阶梯性的第1～n的锥部211B、212B、213B、…构成，第1锥部～第n锥部的各锥部211B、212B、213B、…的倾斜角度α₁～α_n满足如下条件式（7）～（12）。

此外，在该图15的例中，示出了没有设置各锥部的边界处的等径部（阶梯部）的情况，但是也可以设置等径部（阶梯部）。此外，在设置有等径部（阶梯部）的情况下，X₂～X_n的值只加上各等径部（阶梯部）的长度的合计部分。

[式7]

第1

$\frac{A\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_1}{y}<1,(r\&le;y<Y_1),y=r+x\&CenterDot;\tan {\mathrm{\&alpha;}}_1,(0\&le;x<X_1)...\left(7\right)$

第2

$\frac{A\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_2}{y}<1,(Y_1\&le;y<Y_2),y=r+X_1\tan {\mathrm{\&alpha;}}_1+(x-X_1)\tan {\mathrm{\&alpha;}}_2,(X_1\&le;x<X_2)...\left(8\right)$

第3

$\begin{array}{c}\frac{A\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_3}{y}<1,(Y_2\&le;y<Y_3),\\ y=r+X_1\tan {\mathrm{\&alpha;}}_1+(X_2-X_1)\tan {\mathrm{\&alpha;}}_2+(x-X_2)\tan {\mathrm{\&alpha;}}_3,(X_2\&le;x<X_3)\end{array}...\left(9\right)$

第n

$\begin{array}{c}\frac{A\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_n}{y}<1,(Y_{n-1}\&le;y<Y_n),\\ y=r+\underset{K=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_K-X_{K-1})\tan {\mathrm{\&alpha;}}_K+(x-X_{n-1})\tan {\mathrm{\&alpha;}}_n,(X_{n-1}\&le;x<X_n)\end{array}...\left(10\right)$

其中， $A\&CenterDot;\frac{\sin \mathrm{\&theta;}}{r}=1...\left(11\right)$

在图15中，在以锥状部21B的末端部（X₀，Y_r）为基点的情况下，在第一锥部211B的电缆长度方向上从X₀到X₁的范围内，位于最靠近中心的位置的第一锥部211B的锥部的倾斜角度α₁满足下式（7）的条件。此外，在该式（7）中，系数A由式（11）定义，式（11）中的角度θ由式（12）定义。

即，R为电绝缘层20的外周的半径，r为超导导体层14的外周的半径，R_j为第二加强绝缘层50的外周的半径，θ为假定在由单独的锥部形成锥状部21B的情况下，根据超导导体层14的目标耐压V、锥面的沿层方向的破坏强度g_x和各部的半径求出的倾斜角度。

此外，x是表示x轴（电缆的中心线C方向）上的位置的变量，y是表示y轴（电缆的半径方向）上的位置的变量。此外，设超导导体层14与作为第1个的第一锥部211B的边界的锥部211B的末端位置为（X₀，Y_r），设超导导体层14与之后的到第n个为止的各个锥部的最大径部为（X_n，Y_n）。

在该情况下，设定其倾斜角度α₁，使得在从作为基点（X₀，Y_r）的锥状部21B的末端部起到（X₁，Y₁）为止的范围内，式（7）的左式的左侧始终小于1。

在图15中，位于第2靠近内侧的第二锥部212B在（X₁，Y₁）～（X₂，Y₂）的范围内，其锥部212B的倾斜角度α₂满足下式（8）的条件。

即，设定其倾斜角度α₂，使得在上述范围内，式（8）的左式的左侧始终小于1。

位于第3靠近内侧的第三锥部213B，在上方，在（X₂，Y₂）～（X₃，Y₃）的范围，其锥部213B的倾斜角度α₃满足下式（9）的条件。

即，设定其倾斜角度α₃，使得在上述范围内，式（9）的左式的左侧始终小于1。

这样，在锥状部21B中，锥部的数量优选设为2或3，但是，也可以是在此以上的数（例如n），在该情况下，位于第n个靠近内侧的锥部21nB在（X_n-1，Y_n-1）～（X_n，Y_n）的范围内，其锥部21nB的倾斜角度α_n满足一般式（10）的条件。此外，设定其倾斜角度α_n，使得在上述范围内，式（10）的左式的左侧始终小于1。

这样，如图16所示，由多个锥部形成锥状部21B，图16示出设锥状部21B的x轴方向的位移x为横轴、设沿层方向应力Ex的值为纵轴的它们的关系的线图。

在锥状部21B中，在将各锥部的倾斜角度设定为满足式（7）～（12）的情况下，各锥部211B、212B、213B、…各个沿层方向应力在各锥部中直径最小的位置成为最大值。即，在小径侧，与相邻的另一锥部的边界位置成为最高值。

并且，优选的是，关于各锥部211B、212B、213B、…的各边界位置（X₀，Y_r）、（X₁，Y₁）、（X₂，Y₂）、（X₃，Y₃）的沿层方向应力，最内侧的第一锥部211B的末端部的沿层方向应力成为最低值，这可以通过控制锥部的角度α₁、α₂、α₃…来实现。

即，在各边界位置（X₀，Y_r）、（X₁，Y₁）、（X₂，Y₂）的例中，求出以下条件成立的情况。

A·sinα₁/Y_r＜A·sinα₂/Y₁且A·sinα₁/Y_r＜A·sinα₃/Y₂

因此，已知：充分降低了预想最产生应力耐受性下降的第一锥部211B的末端部的沿层方向应力。

此外，将上述的A·sinα₂/Y₁与A·sinα₃/Y₂中任何一个增大即可。不过，优选的是，根据各锥部211B、212B、213B靠近内侧的顺序，各边界位置（X₀，Y_r）、（X₁，Y₁）、（X₂，Y₂）的沿层方向应力也成为较低的值。

即，在该情况下，关于各边界点（X₀，Y_r）、（X₁，Y₁）、（X₂，Y₂），以下条件成立。

A·sinα₁/Y_r＜A·sinα₂/Y₁＜A·sinα₃/Y₂

［各实施方式的技术效果］

在上述超导电缆10的中间连接部，在导体连接部S的两侧的电绝缘层20中，分别形成锥状部21，以越靠近导体连接部S锥部倾斜角度越小的方式，由多个锥部形成锥状部21。

因此，即使在绝缘性纸类因超导导体层14的冷却引起的收缩而容易发生松动的锥状部21的末端部，也能够减小电场应力的沿层方向分量，能够减少沿层方向中的击穿的发生。

此外，随着远离导体连接部，锥状部21的倾斜角度阶梯性地增大，因此，能够不增加锥状部21的全长而缩短其全长，能够实现中间连接部的小型化并且减少其形成作业负担和作业时间。

此外，由于锥状部21具有等径部214或者215，因此，通过在其外周进一步缠绕绝缘纸而具有较高的贴合性，能够抑制锥状部21与第一加强绝缘层30的边界的绝缘性能的下降，能够提供绝缘性能优异的连接结构。

此外，关于各锥部211、212、213，使用越靠近内侧的层则厚度越薄的绝缘纸来进行分级（grading），在该情况下，各锥部211、212、213的施工变得容易，进一步提高绝缘性能。这是因为，为了使坡面角度保持固定，将步进宽度设为固定，并且，改善了与进行谷填充的绝缘纸的贴合性。

产业上的可利用性

在要求较大的体电场应力的超导电缆的连接结构的领域中具有可利用性。

标号说明

10 超导电缆

12 隔热管

13、13X 骨架

14、14X 超导导体层

20、20X 电绝缘层

21、21A、21W、21X 锥状部

30 第一加强绝缘层

31、34、35、39、40、41 分割层（宽度大的绝缘层）

32、33、36、37、38、42、43、44、45分割层 （宽度小的绝缘层）

50、50X 第二加强绝缘层

211 第一锥部（锥部）

212 第二锥部（锥部）

213 第三锥部（锥部）

214 第一等径部（阶梯部）

215 第二等径部（阶梯部）

Ex 沿层方向应力

S 导体连接部

α₁、α₂、α₃ 倾斜角度

θ 倾斜角度

Claims (9)

1.一种超导电缆的连接结构，该超导电缆的连接结构中超导电缆彼此连接，其中，所述超导电缆是将具有骨架和超导导体层的缆芯与制冷剂一起收纳在隔热管内而形成的，所述超导电缆的连接结构的特征在于，

所述缆芯具有在所述超导导体层的周围缠绕绝缘性纸类而成的电绝缘层，

连接所述骨架与所述超导导体层而成的导体连接部的两侧的所述电绝缘层均具有锥状部，该锥状部随着朝向所述导体连接部，直径缩小，

该锥状部是通过越靠近所述导体连接部倾斜角度越小的多个锥部，倾斜角度阶梯性地变化而形成的，

在各个所述锥状部之间具有加强绝缘层。

2.根据权利要求1所述的超导电缆的连接结构，其特征在于，

各个所述锥状部在倾斜角度阶梯性地变化的多个锥部的边界位置处，具有外径固定的阶梯部。

3.根据权利要求2所述的超导电缆的连接结构，其特征在于，

所述加强绝缘层由从内侧依次层叠的多个层构成，该多个层是缠绕绝缘性纸类至外径与各个所述阶梯部相等为止而形成的，

所述依次层叠的多个层分别是以覆盖其内侧的层和外径与该内侧的层相等的所述阶梯部的边界的方式，缠绕所述绝缘纸类而形成的。

4.根据权利要求2或3所述的超导电缆的连接结构，其特征在于，

所述加强绝缘层由从内侧依次层叠的多个层构成，该多个层分别由在所述超导电缆的长度方向上宽度大的绝缘层和对在该宽度大的绝缘层的两侧产生的间隙进行填充的宽度小的绝缘层构成，

所述宽度大的绝缘层形成为覆盖其内侧的所述宽度小的绝缘层的外周整体。

5.根据权利要求2～4中的任意一项所述的超导电缆的连接结构，其特征在于，

所述阶梯部的电缆长度方向上的长度为20[mm]以上、100[mm]以下。

6.根据权利要求1～5中的任意一项所述的超导电缆的连接结构，其特征在于，

关于所述锥状部，在设最靠近所述导体连接部的锥部为第1的情况下，该第1锥部～第n锥部的倾斜角度α₁～α_n满足下式的条件，

[式8]

第1

$\frac{A\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_1}{y}<1,(r\&le;y<Y_1),y=r+x\&CenterDot;\tan {\mathrm{\&alpha;}}_1,(0\&le;x<X_1)...\left(7\right)$

第2

$\frac{A\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_2}{y}<1,(Y_1\&le;y<Y_2),y=r+X_1\tan {\mathrm{\&alpha;}}_1+(x-X_1)\tan {\mathrm{\&alpha;}}_2,(X_1\&le;x<X_2)...\left(8\right)$

第3

$\begin{array}{c}\frac{A\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_3}{y}<1,(Y_2\&le;y<Y_3),\\ y=r+X_1\tan {\mathrm{\&alpha;}}_1+(X_2-X_1)\tan {\mathrm{\&alpha;}}_2+(x-X_2)\tan {\mathrm{\&alpha;}}_3,(X_2\&le;x<X_3)\end{array}...\left(9\right)$

第n

$\begin{array}{c}\frac{A\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_n}{y}<1,(Y_{n-1}\&le;y<Y_n),\\ y=r+\underset{K=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_K-X_{K-1})\tan {\mathrm{\&alpha;}}_K+(x-X_{n-1})\tan {\mathrm{\&alpha;}}_n,(X_{n-1}\&le;x<X_n)\end{array}...\left(10\right)$

其中， $A\&CenterDot;\frac{\sin \mathrm{\&theta;}}{r}=1...\left(11\right)$

其中，在R是电绝缘层的外周的半径、r是超导导体层的外周的半径、R_j是加强绝缘层的外周的半径，θ是在假设锥状部假想地由单独的锥部形成锥状部的情况下，根据超导导体层的目标耐压V、锥面的沿层方向的破坏强度g_x以及所述R、R_j、r的值求出的倾斜角度，x是表示以锥状部的末端部为原点、沿着电缆长度方向的线上的位置的变量，y是表示以电缆中心线为原点、朝向半径方向外侧的线上的位置的变量，X_1～n和Y_1～n是x-y坐标平面中的所述第1锥部～第n锥部的最大径部的位置坐标。

7.根据权利要求6所述的超导电缆的连接结构，其特征在于，

所述锥部的数量n为2或者3。

8.根据权利要求6或7所述的超导电缆的连接结构，其特征在于，

在最外侧的锥部处产生所述多个锥部中的各个锥部的沿层方向应力的最大值。

9.根据权利要求8所述的超导电缆的连接结构，其特征在于，

关于所述多个锥部中的各个锥部的末端部的沿层方向应力的值，越是靠近内侧的锥部，末端部的沿层方向应力的值越小。

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