JP2007066819A - 超電導送電ケーブルの終端接続部 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、引出し導体の絶縁被覆の破壊をより起こり難くでき、また引出し導体の熱膨張により発生する応力で引出し導体の保持部が破壊される恐れも低減できる超電導送電ケーブルの終端接続部を提供することにある。
【解決手段】 温度傾斜部１２及び温度傾斜部１２の上方に設けられている高電圧引出部１３とを経て極低温から常温に引き出される引出し導体３を有する超電導送電ケーブルの終端接続部において、引出し導体３には温度傾斜部１２内に位置する部分及び高電圧引出部１３の下部に位置する部分に跨って絶縁被覆１０が施され、絶縁被覆１０が施された絶縁被覆部分の上方に延びる裸導体の部分には導体軸方向に摺動性を有する摺動性接続部３０が設けられ、かつ引出し導体３の下端にはこの引出し導体３と略直交する超電導送電ケーブルの端末部とを電気的に接続する可撓性導体２５が接続されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば液体窒素等の極低温液体で冷却される超電導送電ケーブルの終端接続部に関するものである。

超電導送電ケーブルの終端接続部は、一端が超電導送電ケーブルの導体に直接、あるいは他の接続部材を介して間接的に接続され、他端が大気中に引き出される引出し導体を備えている。
この引出し導体は、一般的にはその長手方向の一部に絶縁被覆を有する導体からなっていて、絶縁被覆が施された一端側は液体窒素等で冷却され、導体が露出されている他端側は大気中に引き出されている。
そのため、この引出し導体はその長手方向（軸方向）に亘って、液体窒素の温度、すなわち極低温から常温までの極めて大きな温度勾配を有している。

特許文献１記載の一般的な超電導送電ケーブルの終端接続部を図３を用いて説明する。
図３は従来の一般的な超電導送電ケーブルの終端接続部の一例を示す縦断面図である。
図３が示すように、図の水平方向に布設された超電導送電ケーブルの導体１（以下単に超電導導体１という）は、接続用導体２を介して、極低温から常温である大気中へと引き出される引出し導体３の下端に接続部材２０により接続されている。
この引出し導体３は液体窒素のごとき液体冷媒層４や、この液体冷媒層４の上部に連なる窒素ガス等からなる冷媒ガス層５とにより構成される温度傾斜部１２を通過し、さらにこの温度傾斜部１２の上方に設けられ、この温度傾斜部１２とフランジ６により仕切られている高電圧引出部１３を通った後、その先端部は外部へと導かれている。

前記温度傾斜部１２は、主として図３が示すように真空断熱層を形成しているＳＵＳ製の外部圧力容器２１で覆われている。同じくＳＵＳ製の内部圧力容器２２と、この内部圧力容器２２内に形成されている前述した液体冷媒層４や冷媒ガス層５とで構成されている。
また高電圧引出部１３は、主として碍子７と、碍子７内に充填されている絶縁油やＳＦ_６ガス等からなる流体絶縁体８及び高電圧引出部１３の先端に設けられている上部金具１４により構成されている。

ところで前記引出し導体３には、温度傾斜部内１２に位置する部分と高電圧引出部１３の下部に位置する部分に跨って、例えばエポキシ樹脂やエチレンプロピレンゴム等からなる絶縁被覆１０が施されている場合が多い。そしてこの絶縁被覆１０の上端より上の部分では裸の導体が露出していて、前述したようにこの裸の導体は温度傾斜部１２の上方に延び高電圧引出部１３を通過し、外部へと引き出される。符号１１は、前記絶縁被覆１０の両端部近傍に設けられている電界制御部材、すなわちストレスコーンを示している。また絶縁被覆１０は、前記フランジ６と一体的に形成される場合もある。

符合２３は、温度傾斜部１２と、詳細には図示していない超電導導体１を含む超電導送電ケーブル線路側とを仕切る圧力隔壁を示している。
このような超電導送電ケーブルの終端接続部は、極低温から常温までの極めて大きな温度勾配に曝されることから、以下のような熱的問題を有している。

すなわち、超電導送電ケーブルの電流を取り出し続けるためには、超電導送電ケーブル部は超電導状態を保持し続ける環境に維持し続けなければならない。そのため、例えば液体ヘリウムや液体窒素を冷却媒体として使用し、かつそれらの沸点以下に温度制御を行う必要がある。
また変電設備等は常温であるため、前述した超電導送電ケーブルの終端接続部には冷却媒体の温度、すなわち極低温から常温に亘る温度勾配部が必要になる。そしてこの温度勾配部にあっては電気絶縁を保持しながら電流を通過させる導体部品、具体的には前述した引出し導体３が必要であり、この引出し導体３には、例えば冷却媒体が液体窒素であれば摂氏−１９６℃から常温、例えば摂氏２０℃までの温度勾配が生ずる。

一般的に、前述した引出し導体３の絶縁を保つためには、絶縁被覆１０として、例えばエポキシ樹脂、ポリエチレン、ゴム等の高分子材料を用いなければならない。
ところが高分子材料は一般に熱膨張係数が大きく、しかも図３に示すように高分子材料で形成した絶縁被覆１０の中心部には銅導体のような金属導体が貫通しているため、高分子材料と金属の熱膨張係数の差により、高分子材料製の絶縁被覆１０内にはかなり大きな内部応力が発生する。

一方、超電導送電ケーブルの終端接続部は常温下で組み立てられ、その後図３に示すように布設されると、徐々に冷却媒体温度にまで冷却される。この冷却の過程において、超電導導体１は熱収縮する。このとき図３に示すように超電導導体１と直線状に接続されている接続用導体２と、この接続用導体２と直交する引出し導体３との接続部である接続部材２０を介して、引出し導体３の端部が超電導導体１側に引っ張られて、結果的には引出し導体３に曲げ応力が掛かる。

このように引出し導体３に曲げ応力が掛かると、必然的にこの引出し導体３の絶縁被覆１０にも曲げ応力が掛かることになる。
高分子材料製の絶縁被覆１０は冷却媒体の温度下で冷却されて弾性率や伸び特性が低下していて、しかも前述のように引出し導体３の中心の金属導体との熱膨張係数差による内部応力も発生しているために、わずかな力が掛かっただけで絶縁被覆１０の破壊が生ずる状況下にある。
このような状況下において、前述した曲げ応力が作用すると、絶縁被覆に破壊が発生する恐れが高くなる。

他方、この引出し導体３の常温側では、通電の際にジュール熱が発生し、このジュール熱により引出し導体３の導体温度が上昇する。導体温度が上昇すると、引出し導体３は熱膨張し、導体の軸方向に極めて大きな力が働く。その結果、引出し導体３のみならず、引出し導体３を保持している部分、すなわち引出し導体３をほぼ垂直に保持している部分、特にフランジ６が引出し導体３の絶縁被覆１０と一体的に形成されているような場合には、引出し導体３を垂直状態に保持しているこのフランジ６の部分に過大な力が掛かり、最悪の場合、保持部分、すなわちフランジ６の部分が破壊する恐れもある。

そこで前述した超電導導体１の熱収縮に伴う引出し導体３へ負荷する曲げ応力の発生を和らげ、この曲げ応力に起因する絶縁被覆１０の破壊を防止しようとする観点から、あるいはまた引出し導体３の熱膨張による保持部分の破壊を起こり難くするために、例えば特許文献１に記載されているように、前記接続部材２０を可撓性のあるリード線等の、いわゆる可撓性導体で形成する試みが既に知られている。

特開平１１− ７３８２４号公報

前記特許文献１に記載の超電導送電ケーブルの終端接続部にあっては、超電導導体１と、あるいはこの超電導導体１の端部に直線接続された接続用導体２と、これら超電導導体１や接続用導体２の中心軸線とその中心軸線が直交する引出し導体３の各端部同士をリード線のような可撓性導体で接続している。

このように可撓性導体で接続部材２０を構成すれば、確かに超電導導体１の熱収縮に伴う引出し導体３へ負荷する曲げ応力や、引出し導体３の熱膨張による保持部へ負荷する応力も、その一部は確実に緩和できるかも知れない。
しかしながら、前述したように既に高分子材料製の絶縁被覆１０は、冷却媒体の温度下で冷却されて弾性率や伸び特性が低下していて、しかも中心に位置する金属導体との熱膨張係数差による内部応力をも抱えているため、わずかな力の外力によっても破壊が起こっておかしくない状態にある。

そのような観点から考えると、超電導導体１、あるいはこれと直線接続されている接続用導体２の端部と引出し導体３の下端部とを可撓性導体で接続するだけでは、まだ絶縁被覆１０の破壊を防止する上で充分とは言い難い。また引出し導体３を保持している部分の破壊をも完全に防止できるとは言い難い。

そこで本発明の目的は、引出し導体の下端部の高分子材料製絶縁被覆を冷却媒体温度まで冷却した状態で使用し続けても、また冷却過程での超電導導体の熱収縮に伴う応力負荷が生じても、引出し導体の絶縁被覆の破壊をより起こり難くでき、また通電時の引出し導体の熱膨張により発生する応力の作用で、引出し導体の絶縁被覆の破壊やこの引出し導体をほぼ垂直に保持している保持部の破壊の恐れもより少なくできる超電導送電ケーブルの終端接続部を提供することにある。

前記目的を達成すべく請求項１記載の超電導送電ケーブルの終端接続部は、超電導状態で送電を行う超電導送電ケーブルの少なくとも一端に設けられて超電導導体に流れる電流を常温の大気中に取り出すための超電導送電ケーブルの終端接続部であって、温度傾斜部と該温度傾斜部の上方に設けられている高電圧引出部とを経て極低温から常温に引き出される引出し導体を備えており、前記引出し導体には前記温度傾斜部内に位置する部分及び前記高電圧引出部の下部に位置する部分に跨って絶縁被覆が施され、該絶縁被覆が施された部分の上方に延びる裸導体の部分には導体軸方向に摺動性を有する摺動性接続部が設けられ、かつ前記引出し導体の下端にはこの引出し導体と略直交する前記超電導送電ケーブルの端末部とを電気的に接続する可撓性導体が接続されていることを特徴とするものである。

このようにしてなる請求項１記載の超電導送電ケーブルの終端接続部によれば、超電導導体の端末部と直接、あるいはこの超電導導体の端末部を構成するところの、例えば、超電導導体の端部に直線接続された接続用導体等を介して間接的に接続される引出し導体の下端との接続を可撓性導体により行い、さらに温度傾斜部や高電圧引出部内にほぼ垂直に位置決めされている引出し導体の絶縁被覆が施された部分の上方に延びる裸導体の部分に、導体軸方向に摺動性を有する摺動性接続部を設けたことにより、主として冷却過程での超電導導体の熱収縮に伴って発生する応力は前記可撓性導体で吸収して緩和し、通電時の引出し導体の熱膨張により発生する応力は主として摺動性接続部で吸収し、これを緩和する。

その結果、引出し導体に対して曲げ応力が掛かり難く、しかも引出し導体の保持部への応力の負荷もより一層緩和される。
それ故、引出し導体の下端部の高分子材料製絶縁被覆部を冷却媒体温度まで冷却した状態で使用し続けても、また冷却過程での超電導導体の熱収縮に伴う応力負荷が生じても、引出し導体の絶縁被覆の破壊をより起こり難くできる。
同時に、通電時に引出し導体の熱膨張により発生する可能性のある引出し導体の絶縁被覆やこの引出し導体の保持部の破壊の恐れもより一層少なくでき、長期に亘って安定した超電導送電ケーブルの終端接続部を提供することができる。

以上のように本発明の超電導送電ケーブルの終端接続部によれば、引出し導体の下端部の高分子材料製絶縁被覆部を冷却媒体温度まで冷却した状態で使用し続けても、また冷却過程での超電導導体の熱収縮に伴う応力負荷が生じても、引出し導体の絶縁被覆の破壊をより起こり難くできる。また通電時の引出し導体の熱膨張により発生する応力の作用で、引出し導体の絶縁体が破壊される恐れや、この引出し導体をほぼ垂直に保持している保持部の破壊の恐れもより低減できる。

図１及び図２を用いて本発明の超電導送電ケーブルの終端接続部の一実施例を詳細に説明することにする。

図１は本発明の超電導送電ケーブルの終端接続部の一実施例を示す要部縦断面図である。
図１において、前述した従来例である図３との相違点は、引出し導体３の下端と超電導導体１と直線接続されている接続用導体２の右端との接続を可撓性導体２５で接続したこと、及び引出し導体３の軸方向にあって、絶縁被覆１０が被覆されている部分３ａの上端部とこれに続く裸の導体部分３ｂとからなる部分の境界部に摺動性接続部３０を設けた点の２点である。それ以外の部分の基本的構成は従来のものと類似している。
それ故、類似しているものには図３のものと同符号を付し、かつその説明を一部省略した。

図１が示すように本発明の超電導送電ケーブルの終端接続部の一実施例において、図で水平方向に布設されている超電導送電ケーブルの端末部を構成する超電導導体１は、接続用導体２を介して、引出し導体３の下端に略Ｌ字状をした可撓性導体２５を用いて接続されている。

ここで超電導送電ケーブルの端末部、という場合には、超電導送電ケーブルの超電導導体１の端末部を指す場合と、超電導導体１に接続されている接続用導体２の端末部を指す場合（共に図に向かって右側端末部）の両方が含まれるものとする。
すなわち、超電導送電ケーブルの端末部と引出し導体３の下端部とを可撓性導体２５で接続する、という場合には、超電導導体１と引出し導体３とを可撓性導体２５により直接接続する場合もあれば、超電導導体１に接続されている接続用導体２を介して間接的に超電導導体１と引出し導体３とを可撓性導体２５で接続する場合もある。

そしてこの引出し導体３は、液体窒素のごとき液体冷媒層４や、この液体冷媒層４の上部に連なる窒素ガス等からなる冷媒ガス層５とにより構成される温度傾斜部１２を通過し、さらにこの温度傾斜部１２の上方に設けられ、この温度傾斜部１２とフランジ６により仕切られている高電圧引出部１３を通った後、その先端部は外部へと導かれている。

温度傾斜部１２は、主としてＳＵＳ製の内部圧力容器２２内に形成されている液体冷媒層４や冷媒ガス層５とで構成され、この内部圧力容器２２は内部に真空断熱層を形成しているＳＵＳ製の外部圧力容器２１で覆われている。
また温度傾斜部１２とフランジ６で仕切られている高電圧引出部１３は、主として碍子７と、該碍子７内に充填されている絶縁油やＳＦ_６ガス等からなる流体絶縁体８及び高電圧引出部１３の先端に設けられている上部金具１４により構成されている。
尚、図１でフランジ６は引出し導体３と別体であるが、例えば引出し導体３の絶縁被覆１０とフランジ６とを同じ絶縁樹脂で構成して一体形成することもできる。この場合には、絶縁被覆１０のフランジ状の部分で引出し導体３をほぼ垂直に保持し、軸方向の位置決めを行う。

さて本発明にあっては、前記引出し導体３は、絶縁被覆１０の上端部に設けられたストレスコーン１１より上部であって、導体が露出している部分で軸方向に２つに分割されている。そして分割された下方側の部分、すなわち絶縁被覆１０を有する部分３ａと、この絶縁被覆１０を有する部分３ａの上方に位置する裸の導体からなる部分３ｂとの境界部に両部分３ａ、３ｂが相対的に軸方向に摺動できるようにした摺動性接続部３０が設けられている。
もちろんこの摺動性接続部３０は、絶縁被覆１０を有する部分３ａと裸の導体からなる部分３ｂの各導体間の電気的導通を損なうものではない。

図２は、この摺動性接続部３０の拡大縦断面図を示す。
図２が示すように、裸の導体からなる部分３ｂの下端には、その中心軸が引出し導体３の中心軸に一致するように設けた穴、すなわち受け部が設けられている。そして、この受け部には、例えばマルチコンタクトのごとき摺動性接続部材３１が嵌入されている。そしてこの摺動性接続部材３１内に、引出し導体３の軸方向に摺動自在に前記絶縁被覆１０を有する部分３ａの先端部を嵌め込んである。
もちろん摺動性接続部３０を構成する方法は、この実施例のようにマルチコンタクトのごとき摺動性接続部材３１を使用する方法に限定されるものではない。

ところで裸の導体からなる部分３ｂの下端に設けた穴の底面と絶縁被覆１０を有する部分３ａの先端との間には、図２が示すように軸方向長さεを有する空隙を設けておいて、この長さεを調整することで摺動可能長さ（余裕）を調整する。このεの値は、引出し導体３の長さや材質等に応じて適宜決定される。すなわち引出し導体３が熱膨張した場合の軸方向の伸び等を計算して決定すればよい。

尚、絶縁被覆１０を有する部分３ａの導体は、図１が示すように、高電圧引出部内１３側に位置する部分の外径を、温度傾斜部１２内に位置する部分のそれより相対的に大きくしてある。その理由は、引出し導体３を通じて碍子７内の流体絶縁体８が冷媒ガス層５や液体冷媒層４側に熱を奪われ難くなるように設計されているからである。すなわち、流体絶縁体８が固化または液化して絶縁強度が低下するのを防止している。
但し、本発明は引出し導体３の外径には本質的に無関係であり、図１に示す実施例のものに限定されず、例えば絶縁被覆１０を有する部分３ａの導体外径が、上端から下端まで同じ外径のものであってもなんら問題ない。

また前記実施例では摺動性接続部材３１を裸の導体からなる部分３ｂの下端に穿った受け部に嵌めこんで、これに摺動自在に絶縁被覆１０を有する部分３ａの先端部を嵌め込んでいるが、これとは逆に絶縁被覆１０を有する部分３ａの先端部に摺動性接続部材３１を嵌め込む穴を設け、これに摺動性接続部材３１を嵌めて、裸の導体からなる部分３ｂの下端をこの摺動性接続部材３１に摺動自在に嵌め込んでもよい。

以上のように超電導送電ケーブルの端末部と引出し導体３の下端部との接続を可撓性導体２５で接続し、また絶縁被覆１０を有する部分３ａと、この絶縁被覆１０を有する部分３ａの上方に位置する裸の導体からなる部分３ｂとの境界部に両部分３ａ、３ｂが軸方向に摺動できるように摺動性接続部３０を設けたことにより、本発明の超電導送電ケーブルの終端接続部においては、主として冷却過程での超電導導体の熱収縮に伴って発生する応力は前記可撓性導体２５が吸収して緩和し、通電時の引出し導体３の熱膨張により発生する応力は主として摺動性接続部３０がこれを吸収し、緩和する。

その結果、引出し導体３に対して超電導送電ケーブル側からの応力に起因する曲げ応力が掛かり難くなる。また引出し導体３の膨張による引出し導体３の保持部への負荷応力も一層軽減、緩和される。
それ故、引出し導体３の下端部の高分子材料製絶縁被覆部１０を冷却媒体温度まで冷却した状態で使用し続けても、また冷却過程で超電導導体１の熱収縮に伴う応力負荷が生じても、引出し導体３の絶縁被覆１０の破壊をより起こり難くできる。
同時に、通電時の引出し導体の熱膨張により発生する応力の作用で、引出し導体の絶縁体が破壊される恐れや、この引出し導体をほぼ垂直に保持している保持部の破壊の恐れもより一層少なくでき、長期に亘って安定した超電導送電ケーブルの終端接続部を提供することができる。

本発明の超電導送電ケーブルの終端接続部の一例を示す要部縦断面図である。 図１の引出し導体に設けられた摺動性接続部の一例を示す拡大縦断面図である。 従来の超電導送電ケーブルの終端接続部の一例を示す要部縦断面図である。

符号の説明

１ 超電導導体
３ 引出し導体
３ａ 絶縁被覆を有する部分
３ｂ 裸の導体からなる部分
４ 液体冷媒層
５ 冷媒ガス層
６ フランジ
７ 碍子
８ 流体絶縁体
１０ 絶縁被覆
１２ 温度傾斜部
１３ 高電圧引出部
２５ 可撓性導体
３０ 摺動性接続部
３１ 摺動性接続部材

Claims (1)

1. 超電導状態で送電を行う超電導送電ケーブルの少なくとも一端に設けられて超電導導体に流れる電流を常温の大気中に取り出すための超電導送電ケーブルの終端接続部であって、温度傾斜部と該温度傾斜部の上方に設けられている高電圧引出部とを経て極低温から常温に引き出される引出し導体を備えており、前記引出し導体には前記温度傾斜部内に位置する部分及び前記高電圧引出部の下部に位置する部分に跨って絶縁被覆が施され、該絶縁被覆が施された部分の上方に延びる裸導体の部分には導体軸方向に摺動性を有する摺動性接続部が設けられ、かつ前記引出し導体の下端にはこの引出し導体と略直交する前記超電導送電ケーブルの端末部とを電気的に接続する可撓性導体が接続されていることを特徴とする超電導送電ケーブルの終端接続部。

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