JP2006221877A - 超電導ケーブルの中間接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 分岐線路の構築に好適で、系統別に冷却管理システムを構築し易い超電導ケーブルの中間接続構造、及びこの中間接続構造を具える超電導ケーブル線路を提供する。
【解決手段】 本発明中間接続構造は、超電導導体10を有するケーブルコア11を具える第一超電導ケーブル1と、超電導導体20を有するコア21を具える第二超電導ケーブル2とをY字状の導体接続部30により一括して接続する構成である。各ケーブルコア11,21の端部と導体接続部30とは、接続箱40に収納される。接続箱40には、超電導導体10,20を冷却する冷媒が充填される冷媒槽41を有している。更に、この冷媒槽41内に区画壁42を具えて、第一超電導ケーブル側の冷媒領域43と、第二超電導ケーブル側の冷媒領域44とを分離している。
【選択図】 図1

Description

本発明は、超電導ケーブル同士を接続する中間接続構造、及びこの中間接続構造を具える線路に関するものである。特に、超電導ケーブルを用いた電力供給線路において、分岐部分などの構築に好適に利用できる超電導ケーブルの中間接続構造に関する。

従来、電力供給線路に利用される電力ケーブルとして、超電導導体を有するケーブルコアを断熱管内に収納させ、断熱管内に充填した冷媒により超電導導体を冷却して超電導状態とする超電導ケーブルが知られている。また、近年、1条のケーブルコアを断熱管内に収納した単心ケーブルだけでなく、複数のコアを一括して断熱管内に収納した多心ケーブル、例えば、三相交流送電用の三心ケーブルが開発されつつある。

上記超電導ケーブルを用いて長距離に亘る電力供給線路を構築する場合、線路途中において、異なるケーブル同士を接続する中間接続が必要となる。単心超電導ケーブルの中間接続構造としては、例えば、特許文献1に記載されるものがある。この構造は、接続する両超電導ケーブルから引き出したケーブルコアの端部において、超電導導体同士をスリーブにて接続し、コアの端部及びスリーブの外周をケーシングで覆い、ケーシング内に冷媒を流通させる構成である。多心超電導ケーブルの中間接続構造としては、例えば、特許文献2に記載のものがある。この構造は、三条のケーブルコアを具える三相三心超電導ケーブル同士を接続するものであり、接続する両超電導ケーブルから引き出した3条のコアの端部において、各相ごとに、同相のコアの超電導導体同士を接続スリーブにて接続し、3条のコアの端部及び三つの接続スリーブを同一の接続箱内に収納し、箱内に冷媒を流通させる構成である。

特開平11-121059号公報 特開2000-340274号公報(図1)

上記のように従来では、ケーブルコア数が同じ超電導ケーブル同士を接続する中間接続構造が知られているが、ケーブルコア数が異なる超電導ケーブル同士を接続する構造について検討されていない。電力供給線路では、一つの主幹線路を分岐させて複数の電力系統を形成することがあり、このような場合、1条のケーブルコアに2条以上のケーブルコアを接続させる必要がある。

また、従来は、複数のケーブルコアを有する多心の超電導ケーブル同士を接続する場合、一方のケーブルから引き出した各コアに対して、他方のケーブルから引き出したコアを一つずつ接続させる。即ち、超電導ケーブルに具えるケーブルコア数と同数の接続部分が形成される。そして、これら複数の接続部分は、それぞれ異なる接続箱に収納されたり、同一の接続箱に一括して収納される。しかし、このような接続構造だけでは、所望の線路形態に対応できないケースが考えられる。

そこで、本発明の主目的は、少なくとも一つのケーブルコアと、複数のコアとを一体に接続することができる超電導ケーブルの中間接続構造を提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記超電導ケーブルの中間接続構造を具える超電導ケーブル線路を提供することにある。

本発明は、少なくとも一つのケーブルコアの超電導導体と、複数のコアの超電導導体とを一体に接続することができる導体接続部を具えることで上記目的を達成する。

本発明は、超電導ケーブル同士を接続する中間接続構造であり、超電導導体を有するケーブルコアを少なくとも一つ具える第一超電導ケーブルと、超電導導体を有するケーブルコアを複数具える第二超電導ケーブルとを具える。そして、上記第一超電導ケーブルから引き出された少なくとも一つのケーブルコアの超電導導体と、上記第二超電導ケーブルから引き出された複数のケーブルコアの超電導導体とを導体接続部により一体に接続する。この導体接続部と、導体接続部が接続されるケーブルコアの端部とは、接続箱に収納し、接続箱内には、超電導導体を冷却する冷媒を充填する。

以下、本発明をより詳しく説明する。
まず、本発明中間接続構造において接続する超電導ケーブルの構成から説明する。本発明に用いる超電導ケーブルは、超電導導体を有するケーブルコアを具えるものを対象とし、代表的には、このケーブルコアを収納し、内部に冷媒が充填される断熱管を具えるものが挙げられる。ケーブルコアは、超電導導体、電気絶縁層を有することを基本構成とし、その他、通常は、フォーマ、電気絶縁層の外周に設けられて超電導導体と異なる外部超電導層、保護層を具える。

フォーマは、超電導導体を所定形状に保形するもので、中実でも中空でもよく、パイプ状のものや撚り線構造のものが利用できる。材質には、銅、銅合金やアルミニウム、アルミニウム合金などといった冷媒温度近傍において低抵抗であり、非磁性の金属材料が好適である。このような金属材料からなる線材を複数本撚り合わせた撚り線構造のフォーマを利用してもよい。フォーマを中空のパイプ状のものとした場合、パイプの内側の空間を冷媒の流路として利用できる。また、フォーマをパイプ状とする場合、コルゲートパイプを利用すると、可撓性に優れて好ましい。

超電導導体は、例えば、超電導材料からなる線材をフォーマ上に螺旋状に巻回することで形成することが挙げられる。超電導線材の具体例としては、Bi2223系酸化物超電導材料からなる複数本のフィラメントが銀シースなどのマトリクス中に配されたテープ状のものが挙げられる。超電導線材の巻回は単層でも多層でもよい。多層とする場合、層間絶縁層を設けてもよい。層間絶縁層は、クラフト紙などの絶縁紙や、ポリプロピレンとクラフト紙とからなるPPLP(住友電気工業株式会社の登録商標)などの半合成絶縁紙を巻回して設けることが挙げられる。

電気絶縁層は、PPLP(登録商標)などの半合成紙やクラフト紙などの絶縁紙といった絶縁材を超電導導体の外周に巻回して形成することが挙げられる。電気絶縁層の内外周の少なくとも一方、つまり超電導導体と電気絶縁層との間や、電気絶縁層と後述する外部超電導層との間に半導電層を形成してもよい。前者の内部半導電層、後者の外部半導電層を形成することで、超電導導体と電気絶縁層との間或いは電気絶縁層と外部超電導層との間での密着性を高め、部分放電の発生などに伴う劣化を抑制する。

電気絶縁層の外側には、超電導導体とは別の外部超電導層を設けてもよい。この外部超電導層は、超電導ケーブルを交流送電に利用する場合、超電導導体を流れる交流の磁場が外部に漏洩することを抑制する遮蔽層として機能する。超電導ケーブルを直流送電に利用する場合、帰路導体や中性線として利用するとよい。このような外部超電導層は、超電導材料で構成すればよく、上記超電導導体と同様の超電導線材を利用することが好適である。例えば、外部超電導層は、電気絶縁層の外側に超電導線材を巻回して形成するとよい。

外部超電導層の外側には、保護層を設けることが好ましい。保護層は、外部超電導層の外周を覆うことで、主として外部超電導層の機械的保護を図る。このような保護層は、例えば、クラフト紙などの絶縁紙を外部超電導層の上に巻回して形成するとよい。

その他、フォーマと超電導導体との間にクッション層を介在させてもよい。クッション層は、フォーマと超電導線材とにおいて金属同士が直接接触することを回避し、超電導線材の損傷を防止する。特に、フォーマを撚り線構造とした場合、クッション層はフォーマ表面をより平滑な面にする機能も有する。クッション層の具体的材質としては、絶縁紙やカーボン紙が好適に利用できる。

超電導導体を具えるケーブルコアを収納する断熱管は、例えば、外管と内管とからなる二重管の間に断熱材を配置し、内管と外管間を真空引きした真空断熱構造のものが挙げられる。内管内には、超電導導体や外部超電導層を冷却する液体窒素などの冷媒を充填させる。

本発明では、上記ケーブルコアを1条以上断熱管内に収納させた超電導ケーブルを利用する。例えば、1条のケーブルコアを断熱管に収納させた単心超電導ケーブルでもよいし、3条のコアを撚り合わせて断熱管に一括して収納させた三心超電導ケーブルでもよい。但し、第一超電導ケーブル及び第二超電導ケーブルの双方が単心ケーブルである場合は除く。

そして、本発明では、上記第一超電導ケーブルから引き出したケーブルコアの超電導導体と、第二超電導ケーブルから引き出したケーブルコアの超電導導体とを後述する導体接続部を用いて一体に接続する。このとき、第一超電導ケーブルから引き出されて導体接続部に接続される超電導導体数と、第二超電導ケーブルから引き出されて導体接続部に接続される超電導導体数とが異なっていてもよいし、同数であってもよい。例えば、第一超電導ケーブルからは、ケーブルコアを1条引き出し、第二超電導ケーブルからは、コアを2条引き出し、第一超電導ケーブル側の一つの超電導導体と、第二超電導ケーブル側の二つの超電導導体とを導体接続部で接続してもよいし、第一超電導ケーブル及び第二超電導ケーブルからそれぞれコアを2条引き出し、第一超電導ケーブル側の二つの超電導導体と、第二超電導ケーブル側の二つの超電導導体とを導体接続部で接続してもよい。即ち、本発明中間接続構造では、1条のケーブルコア同士を接続すること、即ち、接続するケーブルコア数の比を1対1とするのではなく、1対2、2対2、2対3、3対3などといった接続を実現する。

また、第一超電導ケーブルとして複数のケーブルコアを具える多心ケーブルを利用する場合、一つの導体接続部に接続させるコア数が第一超電導ケーブルに具えるコア数と異なっていてもよい。例えば、第一超電導ケーブルとして三心ケーブルを利用する場合、異なる三つの第一導体接続部,第二導体接続部,第三導体接続部を用意し、いずれか一つのケーブルコアの超電導導体を第一導体接続部に接続させ、他のコアの超電導導体を第二導体接続部に接続させ、残りのコアの超電導導体を第三導体接続部に接続させてもよい。このとき、導体接続部の数、即ち、第一超電導ケーブルのケーブルコア数と同数の第二超電導ケーブルを用意しておく。例えば、上記第一超電導ケーブルが三心ケーブルの場合、第一超電導ケーブルの3条のケーブルコアに対し、3条の第二超電導ケーブルを用意する。そして、各第二超電導ケーブルから複数のコアを引き出して、第一導体接続部〜第三導体接続部のそれぞれに引き出した複数のコアを接続させる。すると、1条の第一超電導ケーブルに対し、3条の第二超電導ケーブルが接続され、第一超電導ケーブルの各ケーブルコアには、各超電導ケーブルから引き出された複数のコアが接続された状態となる。第二超電導ケーブルにおいても一つの導体接続部に接続させるコア数を第二超電導ケーブルに具えるコア数と異ならせてもよい。

上記導体接続部は、ケーブルコアの端部を段剥ぎするなどして露出させた超電導導体同士を電気的に接続する部材である。従って、導体接続部は、銅、銅合金や、アルミニウム、アルミニウム合金などといった冷媒温度においても低抵抗の導電性材料にて形成することが好ましい。本発明は、上記のように1条のケーブルコアの超電導導体同士を接続するのではなく、例えば、1条のコアの超電導導体と複数のコアの超電導導体とを導体接続部にて一体に接続する。そこで、導体接続部は、このような一体接続が可能な形状に形成する。例えば、第一超電導ケーブルから引き出したケーブルコアの超電導導体を接続する第一接続端部と、第二超電導ケーブルから引き出したコアの超電導導体を接続する第二接続端部と、これら第一接続端部、第二接続端部を連結する連結部とを具える形状が挙げられる。第一接続端部、第二接続端部は、接続する超電導導体数に応じて設けるとよい。例えば、1条のケーブルコアの超電導導体と2条のコアの超電導導体とを一体に接続する場合、導体接続部は、Y字状又はT字状に形成することが挙げられる。このとき、Y字状導体接続部又はT字状導体接続部に具える三つの端部側において、二つに分岐された各端部側を第二接続端部とし、同分岐部分が集合された端部側を第一接続端部とするとよい。2条のケーブルコアの超電導導体同士を一体に接続する場合、導体接続部は、H字状又はX字状に形成することが挙げられる。このとき、H字状導体接続部又はX字状導体接続部に具える四つの端部側において、二つの端部側をそれぞれ第一接続端部、残り二つの端部側をそれぞれ第二接続端部とするとよい。

導体接続部において第一接続端部及び第二接続端部と連結部とは、一体に形成してもよいし、別部材として接続させることで一体となる構成のものを用いてもよい。

前者の場合、連結部の端部において、超電導導体が挿入可能な挿入穴を接続する超電導導体数に応じて形成し、これら挿入穴を第一接続端部、第二接続端部とすることが挙げられる。そして、これら挿入穴に導体接続部をそれぞれ挿入して導体接続部と第一接続端部、及び導体接続部と第二接続端部とが接触し、電気的に接続される構成としてもよいが、ハンダや銀ロウなどを挿入穴の内周と接続導体部の外周との間に介在させることで、両者をより確実に電気的に接続させることができ、かつ両者の固定をより強固にすることができる。使用するハンダは、通常のハンダ(融点190℃程度)よりも比較的融点が低い、具体的には60〜120℃程度の低融点のハンダを用いると、溶融熱により電気絶縁層を劣化させる恐れが少なく好ましい。

後者の場合、第一接続端部及び第二接続端部は、柱状部材とし、一端側に超電導導体が挿入可能な導体挿入穴が設けられ、他端側に連結部が挿入可能な連結挿入穴が設けられたものとすることが挙げられる。連結部は、上記連結挿入穴に嵌合可能な凸部を有する形状としておく。或いは、連結部に第一接続端部及び第二接続端部の他端側が挿入可能な接続挿入穴を設けておき、第一接続端部及び第二接続端部を形成する柱状部材の他端側を上記接続挿入穴に挿入可能な凸部を有する形状としておいてもよい。そして、導体挿入穴に超電導導体を挿入し、連結挿入穴に連結部を挿入する、或いは接続挿入穴に第一接続端部及び第二接続端部を挿入することで、超電導導体と導体接続部とを電気的に接続させてもよい。

超電導導体と第一接続端部及び第二接続端部とは、導体挿入穴に挿入するだけでなく、上記のように低融点のハンダや銀ロウを利用して接続させてもよい。また、超電導導体の内側に位置するフォーマを超電導導体から露出させて導体挿入穴に挿入し、フォーマ部分のみ圧縮させて、フォーマと第一接続端部及び第二接続端部とを圧縮により接続させてもよい。

連結部と第一接続端部及び第二接続端部とは、連結部を連結挿入穴に(或いは接続端部を接続挿入穴に)挿入して両者を接触させてもよいし、通常のハンダやロウなどを利用して両者の接触固定をより確実にしてもよいし、連結部を連結挿入穴に(或いは接続端部を接続挿入穴に)挿入した状態で、これらの外周を圧縮して圧着により両者の接触固定をより確実にしてもよい。その他、連結挿入穴(又は接続挿入穴)の内周面に弾性接触子を一つ以上具えておき、連結部を連結挿入穴に嵌合させた際(又は第一接続端部及び第二接続端部を接続挿入穴に嵌合させた際)、上記弾性接触子を介して両者の接触をより確実にしてもよい。例えば、連結挿入穴側(又は接続挿入穴側)を、導体接続用コネクタとして市販されているマルチコンタクト(商品名)や、チューリップコンタクトと呼ばれる弾性接触子を具える部材を利用することで、弾性接触子を具える構成とすることができる。チューリップコンタクトとは、棒状体が挿入可能な筒状部材で、棒状体の挿入側が長手方向に複数のスリットが設けられて分割されており、各分割片の開口端近傍に径方向に縮めた屈曲部を有し、これら分割片(弾性接触子)の弾性により、屈曲部と棒状体とが接触される構成である。弾性接触子の弾性により、連結部と第一接続端部及び第二接続端部との接続が保持されるが、この弾性による接続のみでは、連結挿入穴から連結部が抜け落ちる(或いは接続挿入穴から接続端部が抜け落ちる)恐れがある。そこで、連結部と第一接続端部及び第二接続端部との接続箇所にロックナットや係止リングなどの係止部材を配置して、抜け落ちを防止するようにしてもよい。

導体接続部の外周には、電気絶縁材料により絶縁層を形成する。電気絶縁材料としては、エポキシ樹脂といった樹脂が挙げられる。この絶縁層は、超電導導体を導体接続部に接続させる前に予め導体接続部の外周に設けておくと、接続作業性を向上できる。このとき、通常、超電導導体を接続させる第一接続端部近傍や第二接続端部近傍は、接続作業が行えるように絶縁層を設けなくてもよい。そして、導体接続部と超電導導体とを接続後、この接続箇所の外周にクラフト紙などの絶縁紙やPPLP(登録商標)などの合成絶縁材料を巻回などして、補強絶縁層を設けてもよい。

本発明では、第一超電導ケーブルから引き出したケーブルコアの端部と、第二超電導ケーブルから引き出したコアの端部と、これらコアの端部において露出させた超電導導体同士を接続した導体接続部とを接続箱に収納する。例えば、接続箱には、第一超電導ケーブルから引き出した1条のケーブルコアの端部と、第二超電導ケーブルから引き出した2条のコアの端部と、これら1条のコアの超電導導体と2条のコアの超電導導体とを接続した導体接続部とが収納される。この接続箱内には、超電導導体を冷却するための液体窒素などといった冷媒が充填される空間を有する。そこで、接続箱は、例えば、上記冷媒が充填される冷媒槽と、この冷媒槽の外周を覆うように設けられる断熱槽とからなる二重構造の構成とすることが挙げられる。断熱槽は、冷媒槽と断熱槽との間を真空引きするなどして、断熱機能を付与するとよい。真空引きに加えて、冷媒槽と断熱槽との間にスーパーインシュレーション(商品名)などの断熱材を配置させてもよい。このような接続箱は、耐久性に優れるステンレスなどの金属にて形成されたものが好ましい。接続箱、特に冷媒槽の形状は、円筒状とすると、箱内での加圧冷媒の乱流を抑制することができて好ましい。また、接続箱は、ケーブルコアの長手方向に分割可能な分割片を組み合わせて一体に形成される構成とすると、マンホールのように設置スペースが限られている箇所においても、接続作業が行い易く好ましい。ケーブルコアの長手方向に分割できない接続箱の場合、いずれか一方の超電導ケーブルの本線側(ケーブルコアの端部において露出された超電導導体から離れる側)に接続箱を逃すことになるため、設置スペースがコアの長手方向に短い場合、接続する両コアの超電導導体が接続箱内に隠れて露出されず、接続作業が行えない場合がある。これに対し、例えば、ケーブルコアの長手方向に二分割される一対の半割れ片からなる接続箱を利用する場合において超電導導体を接続する際、接続する一方の超電導ケーブルの本線側に一方の半割れ片を逃がしておき、他方のケーブルの本線側にもう一つの半割れ片を逃がしておくことができる。そのため、接続する両ケーブルコアの超電導導体が接続箱に隠されず露出された状態となるため、接続作業を容易に行うことができる。超電導導体と導体接続部とを接続した後、接続箇所側に逃がしていた両半割れ片を移動させて溶接などにより接続し、一体の接続箱を形成するとよい。

上記接続箱内において、冷媒が充填される空間、具体的には冷媒槽内の空間を第一超電導ケーブル側と第二超電導ケーブル側との間で冷媒の流通が可能な連続した一つの空間としてもよい。或いは、接続箱内の冷媒が充填される空間(冷媒槽)内に第一超電導ケーブル側の空間と第二超電導ケーブル側の空間とを区画する区画壁を設け、この区画壁により、第一超電導ケーブル側と第二超電導ケーブル側との間で冷媒が流通することを防止する構成としてもよい。即ち、接続箱内において冷媒が充填される空間を一つの連続した空間とするのではなく、区画壁により二つの異なる空間に分離し、区画壁の一方側の空間を第一超電導ケーブル側の冷媒領域とし、区画壁の他方側の空間を第二超電導ケーブル側の冷媒領域とする構成としてもよい。

超電導ケーブル線路では、超電導導体や外部超電導層を超電導状態に維持するために冷却したり、電気絶縁のためなどに液体窒素などといった冷媒が必要である。この冷媒は、侵入熱などにより温度が上昇するため、一定の温度に維持するべく、通常、冷凍機を配置して適宜冷媒の冷却を行うと共に、冷媒槽に貯留させたままとするのではなく、ポンプなどを用いて供給排出を繰り返す、即ち、循環させている。従って、長距離に及ぶ電力供給線路を構築する場合、冷媒の循環経路を一つの連続した経路としておくと、ポンプ圧力を増大したり、冷凍機として冷却能力が高いものを用いたりしなければならず、エネルギー効率の低下を招く恐れがある。そのため、電力供給線路において適宜冷媒領域を分離しないと、エネルギー効率が低下し易い。一方、冷媒領域の分離構造は、超電導ケーブル本線よりも、接続箱といった接続箇所において形成し易い。そこで、本発明接続構造は、上記区画壁により接続箱内において冷媒領域を分割し、分割された両者の間で冷媒が流通されない構成としてもよい。この構成により、分離された各冷媒領域は、分離されずに連続した冷媒領域に比較して、冷媒を充填させる空間が小さくなるため、この構成では、ポンプ圧力を小さくでき、冷凍機の冷凍能力が比較的低いものを利用することができることで、エネルギー効率の向上を図れる。また、1条のケーブルコアの超電導導体を二つ以上に分岐する、即ち、1条のコアの超電導導体に2条以上のコアの超電導導体を接続するというように、一つの主幹線路を複数の分岐線路に分岐する場合などでは、通常、主幹線路側の系統と分岐線路側の系統とを異なる系統として扱う。従って、区画壁を具える本発明接続構造では、区画壁の一方側の系統と、区画壁の他方側の系統とを明確に区別することができる。接続箱として、冷媒槽に加えて断熱槽を具える場合、断熱槽にも断熱槽用の区画壁を別途設けて、冷媒槽と同様に区画してもよい。このような構成の本発明では、系統別に冷媒槽において冷媒温度や冷媒輸送圧力の制御、断熱槽において真空度の制御などの管理を行うことができる。また、このような構成の本発明接続構造は、区画壁により共通の冷媒が流通される区間や共通の断熱空間となる区間を分離することで、万が一、事故などが発生しても、事故箇所を早期に特定できるだけでなく、その区間のみ修理や点検を行うことも可能である。

このような区画壁は、接続箱(冷媒槽)の形状に適合した板状材で形成することが挙げられる。例えば、接続箱(冷媒槽)が円筒状の場合、円状板などで形成するとよい。区画壁と接続箱との接続は、溶接したり、ボルトなどの固定金具を用いた接合などにより行うことが挙げられる。

ここで、接続箱内には、ケーブルコアの端部や導体接続部といった超電導導体の接続箇所が収納される。そこで、上記区画壁には、ケーブルコア或いは接続箇所が挿通可能でコアや接続箇所の外形に適合した嵌合孔を設けておく。第一超電導ケーブル側の冷媒領域と、第二超電導ケーブル側の冷媒領域とがほぼ同等になるように接続箱(冷媒槽)の中央部近傍に区画壁を設ける場合、区画壁には、導体接続部を嵌め込む嵌合孔を設けておき、この嵌合孔に導体接続部を嵌め込むことで導体接続部を区画壁に固定させる構成としてもよい。即ち、区画壁の第一超電導ケーブル側に、導体接続部の第一接続端部が配置され、区画壁の第二超電導ケーブル側に、導体接続部の第二接続端部が配置されるように導体接続部を区画壁に固定する。このように導体接続部を区画壁に固定することで、接続箱内における超電導導体の接続箇所の位置が固定される。また、冷媒により冷却されてケーブルコアに熱収縮が生じると、数トンオーダーといった熱収縮力が生じる。この熱収縮に伴って接続箱内における上記接続箇所の位置がずれることを効果的に抑制すべく、区画壁を高強度材料で形成しておくことが好ましい。高強度材料としては、例えば、SUS304、SUS316、SUS317などのステンレスや、JIS規格C4621P(ネーバル銅板)などの金属材料が挙げられる。導体接続部を区画壁に固定するには、例えば、導体接続部に設ける絶縁層に区画壁固定用のフランジを設けておき、このフランジと区画壁とをボルトなどの固定金具により締め付けることで行うことが挙げられる。

更に、本発明では、超電導導体の外周に電気絶縁層を介して外部超電導層を具えるケーブルコアを接続する場合、一方のケーブルから引き出された複数のコアの外部超電導層同士を短絡させる短絡接続部を具えていてもよい。交流送電において多心超電導ケーブルの各コアの外部超電導層(シールド層)を接地し、この接地を介して各コアの外部超電導層間を接続させると、外部超電導層間の接続抵抗が大きいことから、各コアにおいて外部超電導層に流れる電流の大きさが超電導導体に流れる電流よりも小さくなる。このため、各ケーブルコアの外部超電導層は、各コアの超電導導体から発生する磁場を打ち消す程度の磁場を形成できず、各コアの外部に大きな磁場が発生する恐れがある。そこで、各ケーブルコアの外部に磁場が漏れにくいように外部超電導層同士を短絡接続部にて接続して短絡させる。短絡接続部を構成する導電性材料としては、常電導材料、超電導材料のいずれでもよく、常電導材料としては、例えば、銅、銅合金やアルミニウム、アルミニウム合金といった金属、超電導材料としては、例えば、超電導導体や外部超電導層に用いられるものと同様の超電導テープ線や、このテープ線の製造に用いられる丸線などが挙げられる。短絡接続部の形状としては、各コアにおいて外部超電導層の外周を覆うことが可能な円筒状部材と、この円筒状部材同士を連結する連結部材とを組み合わせたものが挙げられる。連結部材として、可とう性を有する編組材などを用いると、変形することで、冷媒による冷却収縮に伴う各コアの移動にも追従できる上、組み立て作業により生じる寸法誤差を吸収することができる。円筒状部材と連結部材とは、同一の材料で形成してもよいし、異なる材料を用いてもよい。短絡接続部と外部超電導層との接続は、接続による電気的抵抗を小さくできるように低融点ハンダや銀ロウを用いることが好ましい。短絡接続部を外部超電導層に取り付ける際は、ケーブルコアが保護層を具える場合、予め接続個所の保護層を除去して、外部超電導層を露出させておく。このような短絡接続部は、接続箱内に配置されるケーブルコアの少なくとも一箇所に設けておけばよく、第一、第二超電導ケーブルの双方において接続箱内に配置されるコアが複数の場合、第一超電導ケーブル側のコアにおいて少なくとも一箇所、第二超電導ケーブル側のコアにおいて少なくとも一箇所設けるとよい。

接続箱内に収納される各ケーブルコアは、保持具にて保持してもよい。接続する一方の超電導ケーブルから引き出されたケーブルコアが複数である場合、保持具は、各コアを保持可能であると共に、各コア間を広げた状態に保持できるものが好ましい。また、保持具は、接続箱に固定してもよいし、ケーブルコアの伸縮に伴って接続箱内を移動可能としてもよい。保持具を移動可能とすると、区画壁に加わる熱収縮時の力が軽減されて好ましい。保持具は、ケーブルコアの長手方向に少なくとも一つ配置するとよい。

本発明中間接続構造は、少なくとも一つのケーブルコアの超電導導体と、複数のコアの超電導導体とを導体接続部にて一体に接続することで、例えば、一つの主幹線路を複数の分岐線路に分岐することができる。従って、本発明を利用することで、所望の要求に応じた電力供給線路を好適に構築することができる。また、本発明では、接続箱内に区画壁を設けて区画壁の両側で冷媒領域を分離させることで、分離された冷媒領域ごとに冷媒の温度や輸送圧力などの管理を行うことができる。このように一管理区間を小さくしたことで本発明中間接続構造を具える超電導ケーブル線路は、所定の冷媒温度、輸送圧力などに維持しやすく、長期に亘り安定した電力供給を行える。

以下、本発明の実施の形態を説明する。以下、図面において同一符号は、同一物を示す。
図1は、本発明超電導ケーブルの中間接続構造の概略構成を示す断面図である。この中間接続構造は、超電導導体10を有するケーブルコア11を具える第一超電導ケーブル1と、超電導導体20を有するコア21を具える第二超電導ケーブル2とを導体接続部30により接続するものである。ケーブルコア11,21の端部と導体接続部30とは、接続箱40に収納される。接続箱40には、超電導導体10,20を冷却する冷媒が充填される冷媒槽41を有している。また、本例では、この冷媒槽41内に区画壁42を具えて、第一超電導ケーブル側の冷媒領域43と、第二超電導ケーブル側の冷媒領域44とを区画している。以下、より詳しい構成を説明する。

本例で用いた第一超電導ケーブル1は、断熱管(図示せず)内にケーブルコア11を1条具える単心ケーブルであり、第二超電導ケーブル2は、断熱管(図示せず)内にコア21を2条具える二心ケーブルである。ケーブルコア11,21は、いずれも中心から順にフォーマ、超電導導体10,20、電気絶縁層、外部超電導層、保護層を具える。フォーマは、絶縁被覆された銅線を複数本撚り合わせた撚り線構造のものを用いた。超電導導体はフォーマの外周に、外部超電導層は電気絶縁層の外周にそれぞれBi2223系超電導テープ線(Ag-Mnシース線)を螺旋状に巻回して多層に形成した。電気絶縁層は、超電導導体の外周に半合成絶縁紙(住友電気工業株式会社製PPLP：登録商標)を巻回して形成した。保護層は、外部超電導層の外周にクラフト紙を巻回して構成した。断熱管は、SUSコルゲート管からなる外管と内管との二重構造管とし、外管と内管との間に断熱材を多層に配置して真空引きした真空多層断熱構造とした。内管内に液体窒素などの冷媒を充填し、内管の内周面とケーブルコアの外周面とで囲まれる空間を冷媒流通路として利用する。断熱管の外周には、ポリ塩化ビニルからなる保護層を具える。本例では、第一超電導ケーブル1の断熱管から上記ケーブルコア11を1条引き出し、コア11の端部を段剥ぎして超電導導体10を露出させて導体接続部30に接続し、第二超電導ケーブル2の断熱管から上記コア21を2条引き出し、これらコア21の端部を段剥ぎして露出させた超電導導体20をそれぞれ導体接続部30に接続する。

導体接続部30は、Y字状の部材であり、三つの端部側のうち、二股に分岐された部分を結合する端部側に超電導導体10を接続する第一接続端部31を具え、二股に分岐された二つの端部側に超電導導体20をそれぞれ接続する二つの第二接続端部32を具え、更に、これら第一接続端部31と第二接続端部32とを連結する連結部33を具える。本例では、第一接続端部31、二つの第二接続端部32、連結部33をそれぞれ別個の部材とし、これら合計四つの部材を接続させることで一体の導体接続部30を構成する。

第一接続端部31は、銅製の円柱状の部材であり、一端側に超電導導体10を挿入可能な導体挿入穴31aを有し、他端側に連結部33を挿入可能な連結挿入穴31bを有する。連結挿入穴31bの内周には、複数の弾性接触子(図示せず)を具え、これら弾性接触子の弾性により、第一接続端部31と連結部33とが接触保持され、電気的に接続される構成である。更に、連結部33を連結挿入穴31bに挿入した後、第一接続端部31と連結部33との接続箇所にロックナットなどの係止部材を配置して、第一接続端部31から連結部33が抜け落ちることを防止するようにしてもよい。このことは、後述の第二接続端部32についても同様である。各第二接続端部32は、第一接続端部31と同様の構成であり、それぞれ銅製の円柱状の部材で、一端側に超電導導体20を挿入可能な導体挿入穴32aを有し、他端側に連結部33を挿入可能な連結挿入穴32bを有する。この連結挿入穴32bの内周にも連結挿入穴31bと同様に複数の弾性接触子を具えており、これら弾性接触子の弾性により、第二接続端部32と連結部33とが接触保持され、電気的に接続される。連結部33は、銅製でY字状の一体成形物であり、第一接続端部31との接続側を連結挿入穴31bに嵌合する凸状とし、第二接続端部32との接続側をそれぞれ連結挿入穴32bに嵌合する凸状としている。連結部33の外周には、第一接続端部31との接続箇所近傍及び第二接続端部32との接続箇所近傍を除いてエポキシ樹脂による絶縁層34を設けている。また、第二接続端部32との接続側において絶縁層34の中間部の外周に、導体接続部30を区画壁42に固定するべく、フランジ35を設けている。

第一接続端部31と連結部33とは、連結部33の凸状の端部を第一接続端部31の連結挿入穴31bに挿入することで、第二接続端部32と連結部33とは、連結部33の二つの凸状の端部を第二接続端部32の連結挿入穴32bにそれぞれ挿入することで、上記のように連結挿入穴31b,32bの内周に設けた弾性接触子が連結部33の凸状部分の外周に接触して電気的接続が可能となる。超電導導体10と導体接続部30とは、ケーブルコア11の端部から露出させた超電導導体10を第一接続端部31の導体挿入穴31aに挿入し、導体接続部30と穴31aとの隙間に低融点のハンダ(融点80℃程度)を流し込むことで電気的接続が可能となる。超電導導体20と導体接続部30とは、ケーブルコア21の端部から露出させた超電導導体20を第二接続端部32の導体挿入穴32aに挿入し、導体接続部30と穴32aとの隙間に上記低融点ハンダを流し込むことで電気的接続が可能となる。このように超電導導体10,20と導体接続部30とを接続することで、第一超電導ケーブル1と第二超電導ケーブル2との間で電力の授受が可能となる。超電導導体10,20と導体接続部30との接続作業後、導体接続部30と第一超電導ケーブル1の超電導導体10との接続箇所及びその近傍の外周、また、導体接続部30と第二超電導ケーブル2の超電導導体20との接続箇所及びその近傍の外周には、それぞれPPLP(登録商標)を巻回して補強絶縁層36,37を設けている。補強絶縁層36は、連結部33の第一接続端部31との接続箇所近傍、第一接続端部31、露出された超電導導体10、ケーブルコア11の一部の外周を覆うように設け、各補強絶縁層37はそれぞれ、連結部33の第二接続端部32との接続箇所近傍、第二接続端部32、露出された超電導導体20、コア21の一部の外周を覆うように設けている。

第一超電導ケーブル1と第二超電導ケーブル2との接続箇所が収納される接続箱40は、超電導導体10,20の冷却用冷媒が充填される冷媒槽41と、冷媒槽41の外周を覆うように設けられる断熱槽45とを有する。冷媒槽41、断熱槽45のいずれも、ステンレス製の円筒状容器であり、ケーブルコアの長手方向(図1において左右方向)に二分割可能な一対の半割れ片を組み合わせて一体の容器を形成する。冷媒槽41及び断熱槽45の各半割れ片はそれぞれ、端面を形成する円板状部材41a,45aと、側面を形成する円筒状部材41b,45bとからなり、円板状部材41a,45aに円筒状部材41b,45bの一方の開口部を溶接することで、有底の円筒状となる。このような一対の半割れ片からなる接続箱40は、超電導導体10,20と導体接続部30との接続作業を行う際、冷媒槽41の一方の半割れ片及び断熱槽45の一方の半割れ片を超電導ケーブル1の本線側(図1では右側)に逃しておき、冷媒槽41の他方の半割れ片及び断熱槽45の他方の半割れ片を超電導ケーブル2の本線側(図1では左側)に逃しておくことで、接続すべき箇所が露出され、接続作業を容易に行うことができる。接続作業後は、逃しておいた冷媒槽41の両半割れ片を接続箇所側に移動させて溶接などにより接続して冷媒槽41を形成させ、更に逃しておいた断熱槽45の両半割れ片を接続箇所側に移動させて溶接などにより接続させて断熱槽45を形成するとよい。この接続箱40は、冷媒槽41と断熱槽45との間にスーパーインシュレーション(商品名)といった断熱材(図示せず)を配置すると共に、所定の真空度に真空引きを行った真空断熱構造である。断熱材は、冷媒槽41を形成した後、冷媒槽41の外周に巻回することで配置するとよい。

冷媒槽41内には、冷媒槽41の内周に適合した大きさのステンレス製の円板状部材からなる区画壁42がケーブルコアの長手方向に一つ配置される。この区画壁42は、その両側で冷媒が充填される領域を分離するものであり、区画壁42の一方側の領域を第一超電導ケーブル1側の冷媒領域43とし、区画壁42の他方側の領域を第二超電導ケーブル側の冷媒領域44とする。そして、この区画壁42は、両領域43,44の間で冷媒が流通することを防止する部材として機能する。

また、区画壁42は、導体接続部30を保持する部材としても利用される。そこで、区画壁42には、導体接続部30の第二接続端部側を挿通可能な嵌合孔42aを二つ具える。嵌合孔42aの大きさは、連結部33の外周に絶縁層34を具えた状態で第二接続端部側が挿通可能な大きさである。導体接続部30を区画壁42に固定するには、絶縁層34を具える導体接続部30の第二接続端部側をそれぞれ嵌合孔42aに挿通させ、絶縁層34に具えるフランジ35を区画壁42に当接させ、ボルトなどの固定金具によりフランジ35を区画壁42に固定することで行う。区画壁42を冷媒槽41に固定するには、冷媒槽41を形成する際、冷媒槽41の両半割れ片と共に区画壁42を溶接などすることで行ってもよい。又は、冷媒槽41の一方の半割れ片に区画壁42を溶接などにより予め固定してから、両半割れ片を接続させてもよい。

上記区画壁42により、冷媒領域43,44を分離させると共に、本例では、断熱槽45内の空間も冷媒槽41と同様に第一超電導ケーブル側の領域と、第二超電導ケーブル側の領域とがそれぞれ独立した空間であり、両領域が連通されない構成とした。また、接続箱40において第一超電導ケーブル側と第二超電導ケーブル側とでそれぞれ別個の冷却管理システム(図示せず)を構築している。具体的には、冷媒を輸送させるポンプ、冷媒を冷却する冷凍機、冷媒の温度や冷媒の輸送圧力、断熱槽45の真空度などの計量を行う測定機器、制御装置などの種々の機器を第一超電導ケーブル側、第二超電導ケーブル側のそれぞれに別個に配置し、別個に管理が行えるようにしている。このように第一超電導ケーブル側と第二超電導ケーブル側とで別個の冷却管理システムを構築することで、冷媒温度の調整が行い易く、ポンプ圧力の増大によるエネルギー効率の低下を低減する。

その他、冷媒槽41には、ケーブルコア11,21を保持する保持具50,51を適宜配置してもよい。保持具51は、2条のコア21間を広げた状態に保持できるものを利用してもよい。また、冷媒槽41の下方には、冷媒槽41を支持するための支持台52を具える。更に、断熱槽45内における冷媒槽41の位置を安定させるため、冷媒槽41の円板状部材41aと断熱槽45の円板状部材45aとの間にリング状の支持部材53を配置させている。

第二超電導ケーブル側のように複数のケーブルコア20を接続箱40に収納させて接続を行う場合、コア20において電気絶縁層の外周に設けられる外部超電導層同士を短絡させる短絡接続部60を設けてもよい。短絡接続部60は、接続箱40に配置されるケーブルコア20の中間部において、保護層を剥いで露出させた外部超電導層の外周を覆う円筒状部材61と、これら円筒状部材61同士を連結する連結部材62とを具える構成が挙げられる。このような短絡接続部60を具えることで、ケーブルコア20の外部に磁場を漏れにくくすることができる。

このような中間接続構造は、以下のように組み立てるとよい。接続する第一超電導ケーブル1の端部及び第二超電導ケーブル2の端部において断熱管からケーブルコア11,21を引き出す。引き出されたケーブルコア11,21に、超電導ケーブル1,2の断熱管と接続箱4(断熱槽45)とを接続する管接続部70、断熱槽45の半割れ片を構成する円板状部材45a及び円筒状部材45b、支持部材53、冷媒槽41の半割れ片を構成する円板状部材41a及び円筒状部材41bを順に挿通させて、これら挿通させた部材を各ケーブル1,2の本線側に逃がしておく。このとき、接続される各ケーブルコア11,21の端部が露出された状態となる。更に、これらケーブルコア11,21に保持具50,51を配置する。ケーブルコア11,21の端部は、段剥ぎして、超電導導体10,20を露出させておく。なお、ケーブルコア21に対して電気絶縁層の外周に具える外部超電導層の短絡処理を行う場合は、コア21においてコア11との接続箇所から離れた箇所で保護層を剥いで外部超電導層を露出させて短絡接続部60を設けておく。

一方、導体接続部30の連結部33には、その外周に予め絶縁層34,フランジ35を設けておく。また、連結部33には、第一接続端部31及び第二接続端部32を取り付けておく。そして、区画壁42の各嵌合孔42aに絶縁層34を具える連結部33の第二接続端部側をそれぞれ挿通し、フランジ35を区画壁42に当接させて、ボルトなどの固定金具を締め付けて、区画壁42に連結部33を固定しておく。

接続箱40(冷媒槽41)に対する上記導体接続部30を固定した区画壁42の位置決めを行って、区画壁42がその位置から動かないように一時的に固定する。この状態で、ケーブルコア11の超電導導体10を第一接続端部31の導体挿入穴31a、コア21の超電導導体20をそれぞれ第二接続端部32の導体挿入穴32aに挿入し、低融点ハンダにて、超電導導体10を第一接続端部31に、超電導導体20を第二接続端部32に接続固定して、超電導導体10,20と導体接続部30とを接続させる。このとき、区画壁42に固定された導体接続部30の位置に適合するように超電導導体10,20を切断して、超電導導体の位置を調整する。この接続箇所の外周に補強絶縁層36,37を形成する。

それから、本線側に逃がしていた冷媒槽41の円筒状部材41b,円板状部材41aをケーブルコア11,21の接続箇所側に移動させて、円筒状部材41b同士、及び円板状部材41aと円筒状部材41bとを溶接にて接続することにて冷媒槽41を形成する。円筒状部材41b同士を接続させる際、同時に区画壁42も溶接することで、冷媒槽41に区画壁42を固定する。形成された冷媒槽41の外周には、断熱材を配置してもよい。次に、断熱槽45の半割れ片をケーブルコア11,21の接続箇所側に移動させて、両半割れ片を溶接することで断熱槽45を形成する。更に、断熱槽45の端面に管接続部60を溶接により接続する。そして、冷媒槽41と断熱槽45との間を所定の真空度に真空引きしてから、冷媒槽41の各冷媒領域43,44に加圧冷媒を流入して循環させることで、超電導ケーブル線路の運転が可能となる。

本発明中間接続構造は、上記図1に示すように1条のケーブルコアと2条のコアとを接続する構造だけでなく、図2(A)に示すようにH字状の導体接続部30Hを用いて2条のコア同士を接続させる構造としてもよい。この中間構造は、第一超電導ケーブル1Aも第二超電導ケーブルと同様に二心ケーブルを用い、ケーブル1Aから引き出した2条のケーブルコア11Aと、第二超電導ケーブル2から引き出した2条のコア21とを導体接続部30Hにて接続させた構成である。導体接続部30Hは、図1の構造と同様に区画壁42Hに固定させている。

多心超電導ケーブルを接続させる場合、各ケーブルコアをそれぞれ別個の接続箱に収納させて本発明中間接続構造を形成してもよい。例えば、図2(B)に示すように第一超電導ケーブル1Bとして三心ケーブルを用い、3条のケーブルコア11Bを1条ずつに分岐し、各コア11Bはそれぞれ、Y字状の導体接続部30により第二超電導ケーブル2のコア21と接続される。このように多心ケーブルの全てのケーブルコアを同一の接続箱40に収納せず、それぞれ別の接続箱40に収納させる構成としてもよい。なお、図2(B)に示す例では、接続箱40と第一超電導ケーブル1Bとの間に、3条のケーブルコア11Bを1条ずつに分岐する分岐箱80を具える構成としたが、分岐箱80がなくてもよい。分岐箱80は、内側に冷媒槽81、冷媒槽81の外周に断熱槽82を具える構成である。また、図2に示す構造では、第一接続端部、第二接続端部、連結部、連結部の外周に設けた絶縁層、フランジ、補強絶縁層などの他、保持具や支持台など省略しているが、図2に示す構造の基本的構造は図1に示す構造と同様である。

このような本発明超電導ケーブルの中間接続構造は、例えば、1条のケーブルコアを2条に分岐するなどと言った分岐線路の他、2条のコア同士を接続した線路といった種々の線路形態を構築することができる。従って、本発明超電導ケーブルの中間接続構造を利用することで、超電導ケーブルを用いて電力供給線路を構築するにあたって、分岐線路を含む種々の要求に応じた経路を構築することができる。

本発明超電導ケーブルの中間接続構造は、超電導ケーブルを利用した電力供給線路において超電導ケーブル同士の接続構造の構築に好適に利用することができる。特に、系統の変更などで、1条のケーブルコアを分岐して、2条や3条にしたい場合などに適する。また、本発明中間接続構造は、交流送電、直流送電のいずれの超電導ケーブル線路においても利用することができる。

本発明超電導ケーブルの中間接続構造の概略構成を示す断面図であり、1条のケーブルコアと2条のケーブルコアとの接続構造を示す。 本発明超電導ケーブルの中間接続構造の別の構成を示す模式図であり、(A)は、2条のケーブルコア同士を接続する接続構造を示し、(B)は、三心超電導ケーブルから引き出した3条のケーブルコアにおいて、各コアに、それぞれ別の超電導ケーブルから引き出した2条のケーブルコアを接続する接続構造を示す。

符号の説明

1,1A,1B 第一超電導ケーブル 10 超電導導体 11,11A,11B ケーブルコア
2,2A,2B 第二超電導ケーブル 20 超電導導体 21 ケーブルコア
30,30H 導体接続部 31 第一接続端部 31a,32a 導体挿入穴
31b,32b 連結挿入穴 32 第二接続端部 33 連結部 34 絶縁層
35 フランジ 36,37 補強絶縁層
40 接続箱 41 冷媒槽 41a,45a 円板状部材 41b,45b 円筒状部材
42,42H 区画壁 42a 嵌合孔 43,44 冷媒領域 45 断熱槽
50,51 保持具 52 支持台 53 支持部材
60 短絡接続部 61 円筒状部材 62 連結部材
70 管接続部
80 分岐箱 81 冷媒槽 82 断熱槽

Claims (7)

1. 超電導導体を有するケーブルコアを少なくとも一つ具える第一超電導ケーブルと、
   超電導導体を有するケーブルコアを複数具える第二超電導ケーブルと、
   前記第一超電導ケーブルから引き出された少なくとも一つのケーブルコアの超電導導体と、第二超電導ケーブルから引き出された複数のケーブルコアの超電導導体とを一体に接続する導体接続部と、
   前記導体接続部及び導体接続部が接続されるケーブルコアの端部が収納される接続箱と、
   前記接続箱内に充填されて超電導導体を冷却する冷媒とを具えることを特徴とする超電導ケーブルの中間接続構造。
2. 更に、接続箱内に配置され、冷媒が充填される接続箱内の空間を区画し、第一超電導ケーブル側の空間と第二超電導ケーブル側の空間との間で冷媒が流通することを防止する区画壁を具えることを特徴とする請求項1に記載の超電導ケーブルの中間接続構造。
3. 第一超電導ケーブルから引き出されて導体接続部に接続される超電導導体数と、第二超電導ケーブルから引き出されて導体接続部に接続される超電導導体数とが異なることを特徴とする請求項1に記載の超電導ケーブルの中間接続構造。
4. 区画壁には、導体接続部が固定されることを特徴とする請求項2に記載の超電導ケーブルの中間接続構造。
5. 導体接続部は、Y字状、T字状、X字状、H字状のいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の超電導ケーブルの中間接続構造。
6. 第一超電導ケーブルは、単心ケーブルであり、第二超電導ケーブルは、二心ケーブル又は三心ケーブルであることを特徴とする請求項1に記載の超電導ケーブルの中間接続構造。
7. 請求項1〜6のいずれかに記載の超電導ケーブルの中間接続構造を具えることを特徴とする超電導ケーブル線路。

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