JP2006302674A - 超電導ケーブルの端末処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 超電導ケーブルの接続部形成時に、フォーマの直線度を改善できる超電導ケーブルの端末処理方法を提供する。
【解決手段】 本発明は、絶縁被覆された複数の素線を撚り合わせてなるフォーマ11と、その外側に配される超電導層（超電導導体層12）とを有する超電導ケーブルの端末を処理する超電導ケーブルの端末処理方法であって、以下の工程を具える。
(1)フォーマ11の端部における素線の撚り合わせを解く工程
(2)この素線の絶縁被覆を除去する工程
(3)絶縁被覆が除去された素線の撚りを元に戻す工程
(4)この撚りが戻されたフォーマ端部の直線度を矯正する工程
【選択図】図１

Description

本発明は超電導ケーブルの端末処理方法に関するものである。特に、ケーブルコアの曲がりを抑制できる超電導ケーブルの端末処理方法に関するものである。

超電導ケーブルとして、図2に記載の超電導ケーブルが提案されている。この超電導ケーブル100は、3条のケーブルコア10を撚り合せて断熱管20内に収納した構成である(例えば特許文献1)。

ケーブルコア10は、中心から順にフォーマ11、超電導導体層12、絶縁層13、超電導シールド層14、保護層15を具えている。フォーマ11は、例えば絶縁被覆を有する複数の素線を撚り合せた撚り線で構成される。導体層12は、フォーマ11上に超電導線材を多層に螺旋状に巻回して構成される。代表的には、超電導線材には、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安定化金属中に配されたテープ状のものが用いられる。絶縁層13は絶縁紙を巻回して構成される。シールド層14は、絶縁層13上に導体層12と同様の超電導線材を螺旋状に巻回して構成する。そして、保護層15には絶縁紙などが用いられる。

また、断熱管20は、内管21と外管22とからなる二重管の間に断熱材(図示せず)が配置され、かつ二重管内が真空引きされた構成である。断熱管20の外側には、防食層23が形成されている。そして、内管21とコア10との間に形成される空間に液体窒素などの冷媒を充填・循環し、絶縁層13に冷媒が含浸された状態で使用状態とされる。

このような超電導ケーブルで中間接続部を形成する際、突き合せたケーブルコアの端部における各層を段剥ぎし、露出されたフォーマ同士を圧縮スリーブで覆って圧縮接続する。その際、接続するフォーマは、一旦素線の撚りを解して素線の絶縁被覆を除去してから素線の撚り戻しが行なわれ、そのままの状態でフォーマ端部に圧縮スリーブをはめ込んで圧縮接続が行われる。

特開2001-202837公報(図１)

しかし、上記のようにフォーマを圧縮接続する従来の端末処理技術では、ケーブルコアに曲がりが生じるという問題があった。

上記の端末処理技術では、素線の絶縁被覆を除去する際、撚りを解した素線をある程度曲げて素線間の間隔を拡げることが行われている。そのため、この曲げが加えられた素線を絶縁被覆除去後に撚り戻しても、フォーマの端部に曲がりが生じたままになってしまうことがある。この曲がりが生じたフォーマで接続部を形成すると、ケーブルコア自体に曲がりが生じて接続された状態となる。特に、３心のケーブルコアが撚り合わされた超電導ケーブルでは、ケーブルコア自身の撚りも加わるため、ケーブルコアの曲がりが一層顕著になる傾向がある。

また、通常、接続部では圧縮接続されたフォーマの外周や超電導導体層の外周に補強絶縁テープを巻き付けてストレスコーンを形成することが行われる。その際、フォーマに曲がりが生じていると、フォーマの上に設けられる圧縮スリーブの外周にこのテープが沿い難く、巻き付け作業も行いにくい。さらに、補強絶縁テープが圧縮スリーブの外周に適切に沿わないままストレスコーンの形成が行われると、接続部の電気的信頼性が損なわれる場合もある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その主目的は、超電導ケーブルの接続部形成時に、フォーマの直線度を改善できる超電導ケーブルの端末処理方法を提供することにある。

本発明は、絶縁被覆された複数の素線を撚り合わせてなるフォーマと、その外側に配される超電導層とを有する超電導ケーブルの端末を処理する超電導ケーブルの端末処理方法であって、以下の工程を具えることを特徴とする。
(1)フォーマの端部における素線の撚り合わせを解く工程
(2)この素線の絶縁被覆を除去する工程
(3)絶縁被覆が除去された素線の撚りを元に戻す工程
(4)この撚りが戻されたフォーマ端部の直線度を矯正する工程

撚り線構造のフォーマを持つ超電導ケーブルの端末処理で素線の絶縁被覆除去を行う際、フォーマの解撚・復撚に加えてフォーマ端部の直線度を矯正する工程を行うことで、フォーマ端部の曲げ癖を改善することができる。

以下、本発明端末処理方法の適用対象となる超電導ケーブルの構成を先に説明し、その後に本発明端末処理方法の詳細を説明する。

（ケーブル構成）
本発明方法が適用される超電導ケーブルは、代表的には、ケーブルコアと、ケーブルコアを収納する断熱管とから構成される。そのうち、ケーブルコアは、フォーマ、内側超電導層、絶縁層を有することを基本構成とする。その他、絶縁層の外側に外側超電導層を設けたり、外側超電導層の外側に保護層を設けることが好ましい。

フォーマは、主として内側超電導層を所定形状に保形するために内側超電導層の内側に配されるものである。その他、フォーマは、内側超電導層に事故電流が流れた場合に、その分流路として用いることで当該超電導層の損傷を防止したり、ケーブルコアの剛性を高める機能も有する。本発明方法の適用対象となる超電導ケーブルでは、撚り線構造のフォーマとする。その具体例としては、絶縁被覆を有する複数の素線を撚り合せたフォーマが挙げられる。絶縁被覆としてはエナメルなどが好適に利用できる。素線の材料としては、銅・銅合金やアルミニウム・アルミニウム合金などの非磁性の金属材料が好ましい。フォーマの外周面を平滑化するために、素線よりも細い線材をフォーマの外周に撚り合わせたり、テープ材をフォーマの外側に巻き付けても良い。

内側超電導層は、代表的には超電導導体層として構成される。例えば、超電導線材をフォーマの外側に螺旋状に単層または多層に巻回することで超電導導体層を形成する。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安定化材中に配されたテープ状のものが挙げられる。通常、多層に巻回した内側超電導層の偏流を抑制して交流損失を低減させるため、各層ごと或いは複数層ごとに内側超電導線材の巻き付け方向または巻き付けピッチが変えられる。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PPLP(住友電気工業株式会社製、登録商標)などの複合テープを巻回して設けることが挙げられる。

絶縁層は、内側超電導層の電圧に応じた絶縁耐力を有する絶縁材料で構成する。例えば、クラフト紙、プラスチックテープおよびクラフト紙とプラスチックテープとの複合テープの少なくとも１種が好適に利用できる。これらの絶縁層の構成材料は、単独で或いは組み合わせて利用することができる。

外側超電導層は、代表的には、交流ケーブルの場合、超電導シールド層として構成され、直流ケーブルの場合、外部超電導導体層として構成される。超電導シールド層は、超電導導体層とほぼ同じ大きさで逆方向の電流が誘導されることで超電導導体層から生じる磁場を相殺し、外部への磁場の漏洩を防止する。外部超電導導体層は、例えば超電導導体層を往路電路とした場合の帰路電路として利用することができる。

この外側超電導層も、外側超電導線材を螺旋状に巻回して構成すればよい。外側超電導線材の巻回も単層でも多層でもよい。通常、多層に巻回した外側超電導層の偏流を抑制して交流損失を低減させるため、各層ごと或いは複数層ごとに外側超電導線材の巻き付け方向または巻き付けピッチが変えられる。また、多層とする場合、層間絶縁層を設けてもよい。

保護層は、外側超電導層の機械的保護と共に、外側超電導層と断熱管との絶縁の機能を有する。保護層の材質としては、クラフト紙などの絶縁紙やプラスチックテープが利用できる。

さらに、絶縁層の内外周の少なくとも一方、つまり内側超電導層と絶縁層との間や、絶縁層と外側超電導層との間に半導電層を形成しても良い。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、電気性能の安定に有効である。

一方、断熱管は、冷媒の断熱が維持できる構造であれば、どのような構造でも構わない。例えば、外管と内管とからなる二重構造の二重管の間に断熱材を配置し、内管と外管との間を真空引きする構成が挙げられる。通常、内管と外管との間には、金属箔とプラスチックメッシュを積層したスーパーインシュレーションが配置される。内管内には、上記ケーブルコアが収納されると共に、超電導層を冷却する液体窒素などの冷媒が充填される。

この冷媒は、超電導層を超電導状態に維持できるものとする。現在、冷媒には液体窒素の利用が最も実用的と考えられているが、その他、液体ヘリウム、液体水素などの利用も考えられる。

（解撚工程）
解撚工程は、撚り線構造のフォーマにおける素線の撚り合わせを解く工程である。この解撚工程を行うには、予めケーブルコアの端部を段剥ぎして、フォーマを露出させておく。この露出されたフォーマのうち、圧縮接続される長さに絶縁被覆の除去作業時の裕度を加えた長さを加えた範囲程度にわたって素線の撚り合わせを解く。解撚範囲と解撚しない範囲との境界部には、ステンレスなどのバインド線で結束することが好ましい。この結束により、解撚範囲の素線が撚り戻されることを防止できる。

（絶縁除去工程）
絶縁除去工程は、素線を覆う絶縁被覆を除去するための工程である。撚り線構造のフォーマは、例えばエナメルの絶縁被覆を施した銅素線（絶縁素線）を複数本撚り合せて構成されている。このフォーマを銅などの接続スリーブを用いて圧縮接続する際、電流容量を確保する観点から各素線の絶縁被覆を除去しておく必要がある。この絶縁被覆を除去する方法は特に限定されないが、(1)溶剤で絶縁被覆を溶解して除去する方法や、(2)回転刃を用いて機械的に絶縁被覆を除去する方法などがある。もっとも、超電導ケーブルに関しては、許容曲げの関係上、絶縁素線を曲げて溶剤に漬けることが困難なことや、危険物である溶剤の取り扱いが大変であることなどを考慮して、回転刃を用いた専用の被覆除去冶具により絶縁被覆の除去を行なうことが多い。絶縁被覆を除去する範囲は、段剥ぎにより露出されたフォーマ端部のうち、接続スリーブに圧縮される長さに若干の裕度を持たせた程度とすればよい。

（復撚工程）
復撚工程は、解撚工程で解かれていた素線の撚り合わせを元に戻すための工程である。絶縁除去工程で、フォーマ端部における各素線の絶縁被覆が除去できたら、その素線を撚り合せて元の撚り線構造のフォーマに戻す。復撚工程を行った後、例えばステンレスなどのバインド線を用いて復撚したフォーマの外周を結束することが好ましい。この結束により、フォーマの端部がばらけることを防止できる。

（伸直工程）
伸直工程は、復撚工程後のフォーマの直線度を矯正する工程である。復撚工程で素線の撚りが戻されたフォーマの端部は、主として絶縁除去工程で素線を曲げた際についた線癖により曲がりが生じている。伸直工程では、このフォーマの端部の直線度の矯正を行なう。代表的には、フォーマ端部を圧縮することで伸直工程を行う。その際、フォーマ端部の外周から中心方向に向かって等方的に圧縮することが好ましい。例えば、圧縮ダイスを用いてフォーマ端部を圧縮すれば良い。

通常、超電導ケーブルの接続部において、フォーマの接続には圧縮スリーブを用いた圧縮接続が利用されるが、上記伸直工程の圧縮に、圧縮スリーブの圧縮で用いる圧縮機を利用することが望ましい。これにより、一つの圧縮機でフォーマの直線度を矯正するための圧縮と圧縮スリーブの圧縮との双方を行なうことができ、接続部形成作業の効率化を図ることができる。

特に、その圧縮機の圧縮ダイスは、フォーマの外径と実質的に同じ内径の圧縮ダイスを用いることが望ましい。このような内径の圧縮ダイスを用いることで、過度にフォーマを圧縮して損傷させることがなく、且つ適度にフォーマを圧縮して直線度の矯正を行なうことができる。

（ケーブルの種類・接続部の種類）
本発明端末処理方法は、単心ケーブルは勿論、多心ケーブルであっても、各ケーブルコアの端末処理に利用できる。特に、複数のケーブルコアが撚り合わされた多心ケーブルの場合、フォーマに曲がりがあればケーブルコアの撚りによってケーブル接続後のケーブルコアの曲がりが一層顕著になるため、本発明方法は多心撚り合わせ構造のケーブルに適用することが好ましい。また、直流ケーブル・交流ケーブルのいずれであっても本発明端末処理方法を利用できる。その他、接続部の形態としては、超電導ケーブルの中間接続部形成時の端末処理は勿論、終端接続部形成時の端末処理にも利用できる。

本発明端末処理方法によれば、次の効果を奏することができる。

(1)伸直工程において、絶縁被覆が除去されたフォーマ端部の直線度の矯正を行なうことで、フォーマ端部の曲げ癖を矯正して、ケーブルコアの直線度を保持することができる。それに伴い、後工程でケーブル接続部のストレスコーンを作製する場合、フォーマの外周への補強絶縁紙の巻き付け作業が容易になる。特に、補強絶縁紙をフォーマ上に設けられる圧縮スリーブの外周に適切に沿わせることができるため、接続部の信頼性を向上することもできる。

(2)伸直工程におけるフォーマ端部の直線度の矯正を圧縮で行なうことにより、フォーマの外周から中心側に向かって等方的に加圧することができ、フォーマを損傷することなく前記直線度を効果的に改善することができる。

(3)伸直工程におけるフォーマ端部の圧縮を、突き合わせたフォーマを圧縮接続する際の圧縮機を利用することで、伸直工程のために別途圧縮機を用意する必要がなく、効率的な端末処理作業を実現することができる。

(4)伸直工程におけるフォーマ端部の圧縮を、フォーマの外径と実質的に同じ内径の圧縮ダイスを用いることで、フォーマ端部を過度に圧縮することなく適切な曲がり矯正を行なうことができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。まず、超電導ケーブルの構造を説明し、その後に本発明端末処理方法を説明する。

[ケーブル構造]
図2に示すように、超電導ケーブル100は、撚り合わされた3心のケーブルコア10と、それらコア10を収納する断熱管20とから構成される。

[ケーブルコア]
このコア10の各々は、中心から順に、フォーマ11、超電導導体層12（内側超電導層）、絶縁層13、超電導シールド層14（外側超電導層）および保護層15を有する。

＜フォーマ＞
フォーマ11には、エナメルによる絶縁被覆が施された銅素線を撚り合せたものを用いた。

＜超電導導体層＞
超電導導体層12には、厚さ0.24mm、幅3.8mmのBi2223系Agシーステープ線材を用いた。このテープ線材は、Bi2223相の複数本の超電導フィラメントが安定化材となるAg中に配された超電導線材である。この裸超電導線材をフォーマの上に多層に巻回して超電導導体層12を構成する。

＜絶縁層＞
超電導導体層の外側には絶縁層13が形成される。ここでは、クラフト紙とポリプロピレンテープとをラミネートしたPPLP(登録商標)で絶縁層13を構成した。このPPLP(登録商標)の全体の厚みに対するポリプロピレンテープの厚みの比率は60％である。

また、図示していないが、この絶縁層13と超電導導体層12の間には内部半導電層が、絶縁層13と次述する超電導シールド層14との間には外部半導電層が形成されている。いずれの半導電層もカーボン紙の巻回により形成した。

＜超電導シールド層＞
絶縁層13の外側には、超電導シールド層14を設けた。この超電導シールド層14は、ケーブル運用時、超電導導体層12とほぼ同じ大きさで逆方向の電流が誘導されることで超電導導体層12から生じる磁場を相殺し、外部への磁場の漏洩を防止する。

＜保護層＞
この超電導シールド層14の外側には絶縁材料で構成される保護層15が設けられている。ここでは、クラフト紙の巻回により保護層15を構成している。この保護層15により、超電導シールド層14の機械的保護を図ると共に、断熱管（内管21）との絶縁をとることができる。

[断熱管]
断熱管20は内管21および外管22を具える２重管からなり、内外管21、22の間に真空断熱層が構成される。真空断熱層内には、プラスチックメッシュと金属箔を積層したいわゆるスーパーインシュレーションが配置されている。内管21の内側とコア10の外周との間に形成される空間は冷媒の流路となる。また、必要に応じて、断熱管20の外周にポリ塩化ビニルなどで防食層23を形成しても良い。

[端末処理方法]
＜予備工程＞
予め、上記各ケーブルコアの端部における各層を段剥ぎし、少なくともフォーマを所定長分だけ露出させておく。

＜解撚工程＞
次に、図1(A)に示すように、フォーマ11の端部における素線の撚り合わせを解く。その際、フォーマ11のうち、素線の撚りが解かれた範囲と解かれていない範囲の境界部分にステンレス線31を巻き付けて結束する。このステンレス線31の結束により、解撚範囲の素線が撚り戻されず、かつ非解撚範囲の素線の撚りが解かれないようにすることができる。

＜絶縁除去工程＞
次に、図１(B)に示すように、解撚範囲における各素線のエナメルを除去する。ここでは、回転刃を有する専用の絶縁被覆除去冶具40を用いてエナメルの除去を行なう。絶縁被覆の除去範囲は、解撚範囲の一部であり、後述する銅スリーブの被覆長程度としておく。

＜復撚工程＞
次に、図１(C)に示すように、解撚範囲の各素線の撚りを元に戻し、撚り線構造のフォーマ11に復元する。その際、復撚されたフォーマ11の外周にステンレス線32を巻き付けて結束する。この結束により、復撚された素線が再度ばらけないようにすることができる。図１(C)において、フォーマ11のうち粗のハッチングを施している箇所が絶縁被覆の除去された箇所である。

＜伸直工程＞
次に、図１(D)に示すように、復撚し終えたフォーマ11の曲がりを、圧縮機を用いて矯正する。この圧縮機は、後工程で突き合せたフォーマ11の外側に銅スリーブをはめ込んで、この銅スリーブを外周から圧縮する際に用いるものを利用する。この圧縮機は、開閉される一対のダイス片50を有し、各ダイス片50には、断面が半円状の凹部が形成されている。つまり、この一対のダイス片50を組み合わせることで断面が円形の空間を形成でき、その空間内の圧縮対象を圧縮することができる。ここでは、この凹部の半径を実質的にフォーマ11の外径と同一とした。このような圧縮機を用い、ダイス片50の凹部にフォーマ11がはめ込まれるように配置し、その状態で一対のダイス片50を押圧してフォーマ11を圧縮する。この圧縮により、復撚工程以前に形成されたフォーマ11の曲がりが矯正され、直線度が向上される。

＜後工程＞
そして、図示していないが、直線度を向上させたフォーマを圧縮接続する。この圧縮接続には、伸直工程で用いた圧縮機を用いる。つまり、フォーマの外周に銅スリーブをはめ込み、この銅スリーブを外周側から圧縮ダイスで圧縮する。銅スリーブは、JIS H 3250 C1100タフピッチ銅からなるものを用いた。この圧縮によりケーブルコアに曲がりが生じないようにフォーマを接続することができる。

その後、接続されたフォーマの外周に補強絶縁テープを巻回して、ストレスコーンを形成する。この際、伸直工程によりフォーマの曲がりが除去されているため、補強絶縁テープをフォーマの外周に沿わせて作業性よくストレスコーンを形成できる。

本発明超電導ケーブルの端末処理方法は、電力輸送手段として利用される超電導ケーブルの中間接続部あるいは終端接続部を形成する際に利用することができる。

本発明端末処理方法の説明図で、(A)は解撚工程におけるケーブルコア端部を、(B)は絶縁除去工程のケーブルコア端部を、(C)は復撚工程のケーブルコア端部を、(D)は伸直工程のケーブルコア端部を示す。 超電導ケーブルの横断面図である。

符号の説明

100 超電導ケーブル
10 コア
11 フォーマ 12 超電導導体層 13 絶縁層 14 超電導シールド層
15 保護層
20 断熱管
21 内管 22 外管 23 防食層
31、32 ステンレス線
40 絶縁被覆除去冶具
50 ダイス片

Claims (4)

1. 絶縁被覆された複数の素線を撚り合わせてなるフォーマと、その外側に配される超電導層とを有する超電導ケーブルの端末を処理する超電導ケーブルの端末処理方法であって、
   前記フォーマの端部における素線の撚り合わせを解く工程と、
   この素線の絶縁被覆を除去する工程と、
   絶縁被覆が除去された素線の撚りを元に戻す工程と、
   この撚りが戻されたフォーマ端部の直線度を矯正する工程とを有することを特徴とする超電導ケーブルの端末処理方法。
2. フォーマ端部の直線度を矯正する工程は、このフォーマ端部を圧縮することにより行なうことを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブルの端末処理方法。
3. 前記圧縮は、突き合せた一対のフォーマ端部同士を圧縮接続する際に用いる圧縮機で行うことを特徴とする請求項２に記載の超電導ケーブルの端末処理方法。
4. 前記圧縮は、フォーマの外径と実質的に同じ内径の圧縮ダイスを用いて行うことを特徴とする請求項２または３に記載の超電導ケーブルの端末処理方法。

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