JP2011160641A - 極低温ケーブルの終端接続部 - Google Patents

Abstract

【課題】外部からの熱流入が小さく、電気絶縁性が安定な極低温ケーブルの終端接続部を提供すること。
【解決手段】液体冷媒層５、冷媒ガス層４及び油層２を経て極低温から常温に引き出される引出し導体３を有する極低温ケーブルの終端接続部において、引出し導体３には、高圧電位から接地電位まで電界を分圧する複数枚の金属箔３５が絶縁体を介して積層されたコンデンサーコーン絶縁体３４が施され、高圧電位から接地電位まで順次電圧が変化する電界傾斜部のうち、下部に位置する電界傾斜部が液体冷媒層５に、上部に位置する電界傾斜部が油層２にあることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力を送電するための極低温ケーブルや超電導ケーブルの端末構造に関するものである。

液体窒素などの極低温冷媒で冷却される超電導ケーブル、極低温ケーブルは−１００℃から−２００℃で運転されている。これらケーブルを用いて電力を送電するためには、室温部分にある変圧器や開閉器などの常温設備と極低温環境下のケーブルとを接続する必要があり、ケーブルの端末には終端接続部が必要となる。

この終端接続部は、一端は液体窒素等で冷却され、他端は大気中に引き出されるため、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傾斜（温度勾配）を有している。一般的な極低温ケーブルの終端接続部について図３を用いて説明する。

図３は従来の一般的な極低温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に示すように極低温ケーブル等の導体１０が接続部２０を介して引出し導体３に接続されている。引出し導体３は、液体窒素のごとき液体冷媒層５により構成される極低温部１１、液体冷媒層５の上部に連なる窒素ガス等からなる冷媒ガス層４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の上部に位置する高電圧引出部１３を通って、気中部に位置する高電圧端子２４に導かれる。

高電圧引出部１３は、温度傾斜部１２の冷媒ガス層４とフランジ６により仕切られていて、主として碍子１と、その内部に充填された絶縁油などの油層２とにより構成されている。図３において符号２１は外部圧力容器を、２２は内部圧力容器を示している。

さて、このように極低温ケーブルの終端接続部内に配置される引出し導体３の被覆材（図４）として、通常種々の形状のストレスコーンが使用されている。ストレスコーンは、銅などの引出し導体３の外周に、温度傾斜部１２内に位置する部分及び前記高電圧引出部１３の下部に位置する部分に跨って施された、絶縁被覆３aを備えている。さらに、絶縁被覆３aの両端部近傍には電界制御用のベルマウス構造３ｇ、３ｇが設けられている。（特許文献１）

さらに、引出し導体３としては、図５に示すようなコンデンサーコーンを設けた例もある。図５に示す構造において、導体３の周囲にはケーブル絶縁体３ｈが設けられ、さらにその周囲に補強絶縁体３ｉおよびそのなかに埋設された金属箔３ｊからなるコンデンサーコーン３０が設けられる。（特許文献２）

特開２００５−３３９６４号公報 特開２００１−０８３５６号公報

しかしながら、従来提案されている引出し導体をストレスコーンにする構造については、冷媒ガス層の長さを長くとれない問題があった。ストレスコーンでは、ストレスコーン両端の高電圧部分と、中央のフランジ部分３ｋの間でほぼ分布均等に電界が小さくなってくる。冷媒ガス層は、油層や液体冷媒に比べて耐電圧特性が１／１０程度と低いために、高電圧にさらすと放電や絶縁破壊することになる。そのため、冷媒ガス層の耐電圧値より小さくなる部分まで、ストレスコーンは液体冷媒に浸漬しておく必要があり、そのためにストレスコーンの冷媒ガス層としては、５００ｍｍ程度しかとれなかった。

その結果、冷媒ガス層は、低温の冷媒層と常温の油層の間で、低温から常温の温度勾配をとるところとなり、この部分が短いと、容器の壁面や、気層、ストレスコーン、導体を通しての熱流入が大きく、外部からの熱流入を十分に小さくすることが困難である。特開２００１−０８３５６号公報に記載の技術では、コンデンサーコーンを用いているが、冷媒ガス層の長さに関する記述はなく、前記ストレスコーンと同様の課題があったと推測される。

また、二つの従来技術においては、ストレスコーン、コンデンサーコーンとも、電気を伝える導体に直接施工されている。電力ケーブルでは、通常の運転時において、系統内部で短絡事故、地絡事故が起きると通常の電流に対して、１０倍以上の電流が流れる。前記絶縁体が直接導体に施工されている終端接続部では、短絡・地絡電流が流れると、導体は電流により加熱され急激な温度上昇が起きる。この温度上昇が起きると、外周のストレスコーンやコンデンサーコーンに対して熱膨張やサーマルショックにより、絶縁体に過大な応力が発生し、絶縁被覆が割れる場合があった。

本発明の課題は、外部からの熱流入が小さく、電気絶縁性が安定な極低温ケーブルの終端接続部を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、液体冷媒層、冷媒ガス層及び油層を経て極低温から常温に引き出される引出し導体を有する極低温ケーブルの終端接続部において、前記引出し導体には、高圧電位から接地電位まで電界を分圧する複数枚の金属箔が絶縁体を介して積層されたコンデンサーコーン絶縁体が施され、前記高圧電位から接地電位まで順次電圧が変化する電界傾斜部のうち、下部に位置する電界傾斜部が液体冷媒層に、上部に位置する電界傾斜部が油層にあることを特徴としている。

本発明によれば、液体冷媒層、冷媒ガス層及び油層を経て極低温から常温に引き出される引出し導体の外周にコンデンサーコーンを用いる構造において、絶縁体中の箔位置を調整することで、電界分布を限定的に調整することが可能となり、高圧電位から接地電位まで順次電圧が変化する電界傾斜部分を、液体冷媒層や油層に配置することで、電圧の高い引出し導体の端部と、さらにそこから接地電位まで順次電圧が変化する電界傾斜部が、耐電圧特性の高い液化ガスや油中にあることで、絶縁としての信頼性を確保することができ、反面、耐電圧特性の低い冷媒ガス層にある絶縁体の表面は接地電位となるので、放電や閃絡の心配がない。

本発明に係る極低温ケーブルの終端接続部は、前記冷媒ガス層のコンデンサーコーン絶縁体の表面の電位が接地電位であり、冷媒ガス層におけるコンデンサーコーン絶縁体の長さが１０００ｍｍ以上であることが好ましい。

このように構成した場合、コンデンサーコーン絶縁体でその表面の電界分布を調整することにより、接地電位部分の長さを任意に決めることが可能となり、接地電位となる絶縁体の長さを長くして（好ましくは１０００ｍｍ以上）、熱伝導率の低い冷媒ガス層での常温部と、液体冷媒層（極低温）の長さを長くすることで、熱侵入を低減でき、冷媒ガス層の長さを長くすることでさらに容器壁面からの熱侵入やガス層を通しての侵入熱を低減でき、総じて外部からの熱流入の小さな終端接続箱を提供することができる。

本発明に係る極低温ケーブルの終端接続部は、前記コンデンサーコーン絶縁体が中空パイプの外周に施工されていて、中空パイプ内部に前記引出し導体が常温から極低温部まで貫通していることが好ましい。ここで、前記引出し導体の外径と中空パイプの内径との差が少なくても１０ｍｍ以上あることが望ましい。

このように、電流が流れる銅やアルミの良導体からなる引出し導体を、その外周にコンデンサーコーンタイプの絶縁体を施した中空金属パイプに収納し、導体の外形と中空パイプの内径を１０ｍｍ以上とすることで、その間を液化冷媒が入り、導体と液体窒素が直接接触することで、冷却効率が高まり、たとえば初期冷却のときの時間を短縮することが可能となる。

さらに、超電導ケーブルもしくは極低温ケーブルが接続されている系統や、同ケーブル自身で短絡や地絡が起きると、通常流れている電流の１０倍から２０倍の電流が短時間流れる現象がおきる。この場合にも、短絡・地絡電流が導体に流れて、導体がそのジュール熱で発熱した場合にも、熱的な伝導の悪いガス層が絶縁体と導体の間にあることで、熱の伝導が弱まり、サーマルショックや熱膨張などの熱応力が加わることがなく、絶縁体を健全に保つことが可能となる。

本発明において、前記中空パイプの上部は、前記引出し導体との間が気密構造であることが望ましい。このように中空パイプの上部を、前記引出し導体との間で気密構造とすることで、中空パイプ全体の長さを有効利用することができる。

また、本発明では、前記冷媒ガス層と油層の間におけるコンデンサーコーン絶縁体の外周に、前記冷媒ガス層と油層とを気密に区画するフランジを設けることが望ましい。このように、冷媒ガス層と油層の間におけるコンデンサーコーン絶縁体の外周に、冷媒ガス層と油層とを気密に区画するフランジを設けることで、温度傾斜部と高電圧引出部とを確実に区画すると共に、そのフランジを利用してコンデンサーコーン絶縁体の相対的な位置決めや取り付けを容易に行うことが可能になる。

本発明によれば、外部からの熱流入が小さく、電気絶縁性が安定な極低温ケーブルの終端接続部を得ることができる。

本発明の実施形態に係る極低温ケーブルの終端接続部の要部を示す縦断面図である。 本発明の実施形態に係るコンデンサーコーンの拡大縦断面図である。 従来技術に係る極低温ケーブルの終端接続部の要部を示す縦断面図である。 従来技術に係るストレスコーンの拡大縦断面図である。 従来技術に係るコンデンサーコーンの拡大縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図１及び図２を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態に係る極低温ケーブル、超電導ケーブル等の終端接続部の要部縦断面図であり、図２は同実施形態におけるコンデンサーコーンの拡大縦断面図である。なお、これらの図において、図３に示す従来技術と基本的に同一の構成要素については同一の符号を付してある。

図１において、引出し導体３は、その下端が液体冷媒層５の中にある。本実施例では、引出し導体３は超電導ケーブルの導体１０に、例えばフレキシブル接続子のごとき接続端子２０により接続されている。このように下端が導体１０に接続された引出し導体３は、上方に向かって、極低温部１１、温度傾斜部１２、フランジ６を介して、温度傾斜部１２の上方に連なる高電圧引出部１３を経て、高電圧引出部１３の先端、すなわち常温部へと引き出されている。因みに極低温部分１１と温度傾斜部１２は、主として図１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記液体冷媒層５や冷媒ガス層４とで構成されている。外部圧力容器２１と内部圧力容器２２とで液体冷媒容器２３が構成されている。５ａは液体冷媒層５の液面を示している。

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１と、該碍子１内に充填されている絶縁油等からなる油層２及び碍子１の先端に設けられている高電圧端子２４により構成されている。

さて、このように超電導ケーブルの終端接続部内に配置される本発明の引出し導体３は、大気中に突出する部分が常温であり、液体冷媒容器２３の内部圧力容器２２内に位置する部分が極低温であり、その間が前記極低温部１１内に位置する部分、温度傾斜部１２内に位置する部分及び前記高電圧引出部１３内に位置する部分に跨っている。引出し導体３は、コンデンサーコーン構造の絶縁体を有する構造であるが、図２の縦断面図を用いて詳細に説明する。

銅およびアルミなどの良導体からなる引出し導体３の外周には間隙αを設けてステンレス製の中空パイプ３１が同軸配置されている。中空パイプ３１の上端は引出し導体３に、フランジ３２を用いて支持されている。フランジ３２は中空パイプ３１の外径とほぼ同径の環状フランジに形成され、その中央部を貫通する引出し導体３の外周に固定されている。中空パイプ３１の上端には同じく環状の端板３３が一体に形成され、この端板３３の中央部に引出し導体３が気密に貫通する孔３３ａが形成されている。そして、端板３３がフランジ３２に取り付けられることで、中空パイプ３１が引出し導体３に位置決め状態で支持されている。

なお、中空パイプ３１としては金属である必要もなく、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）などの樹脂製のパイプを用いることも可能であり、その場合常温からの熱侵入量を低減できるメリットがある。引出し導体３と中空パイプ３１との前記間隔としては、引出し導体３の外径と中空パイプ３１の内径との差として、液体冷媒が侵入しやすい間隔となるように１０ｍｍ以上とすることが好ましい。

この中空パイプ３１の外周にはＦＲＰを主なる絶縁材料としたコンデンサーコーン絶縁体３４が形成されている。コンデンサーコーン絶縁体３４は、ＯＦケーブル（oil-filled cable）等の終端接続部において従来より採用されているコンデンサコーン部と同様の構成とされている。即ち、一定の幅のコンデンサ電極を形成する金属箔３５が、紡錘状のコーン内部１４ａ、１４ｃに、互いに並行にほぼ一定の間隔で階段的かつ同心状となるように絶縁体３６中に埋め込まれている。

絶縁体３６としては、エポキシ樹脂、ＥＰＲ（エチレンプロピレンゴム）、ゴム、ＦＲＰなどが用いられている。また金属箔３５は、アルミ箔等からなり、コンデンサコーン絶縁体３４では高圧側から低圧側に向かってそれぞれ等しい容量のコンデンサが直列接続された形になるために、コーン部の界面に沿う電界はほぼ均一に整えられる。さらに、コンデンサーコーン絶縁体３４の最外層になる金属箔３５に図示しないアース線を取り付けて、接地することで、引出し導体３の最外径を有する円柱部分１４ｂの表面電界は接地電位とすることができる。また円柱部分１４ｂの部分にはフランジ６が設けられているが、これは図１の油層２と冷媒ガス層４の隔絶をするためのもので、コンデンサーコーン絶縁体３４の表面に接着剤等により固定され、油漏れ、ガス漏れがないようにしている。

なお、第２の実施形態として、フィルムを用いたコンデンサーコーン絶縁体の製造を実施した。絶縁材料として、接着樹脂が塗布されたポリイミドフィルムテープやポリエチレンフィルムテープや、エポキシ樹脂が事前に含浸されたガラステープなどを使用する。絶縁を形成する方法として、これらテープを巻きつけながら積層して、フィルムの間に接着剤および樹脂を馴染ませながら、接着させていく。コンデンサーコーン絶縁体については、１ｍｍから２ｍｍ程度の肉厚で巻きつけた後に、アルミテープを巻きつけて形成していく。本方法は、高圧の含浸釜などを使用せずにコンデンサーコーン絶縁体を製作することができ、製造のコスト低減ができるメリットがある。

（実施例）
次に、２７５ｋＶの超電導ケーブル用に製作した終端接続部を例に、それぞれの効果を併せて説明する。２７５ｋＶ超電導ケーブル用終端接続部の引出し導体３は、引出し導体３としての棒に、銅製の棒を使用した。銅棒の外径は７０ｍｍφであった。中空パイプ３１には、内径８５ｍｍφ、外径１０５ｍｍφのＦＲＰパイプを使用した。中空パイプ３１の外側には、コンデンサーコーン絶縁体３４が施され、下部のコーン部１４aは長さ１０００ｍｍ、円柱部１４ｂは長さ１５００ｍｍ、上部のコーン部１４ｃは１０００ｍｍであった。

２７５ｋＶ用気中終端は、１３００ｋＶのインパルス試験電圧であり、このときの設計電界としては、液体冷媒内の沿面強度、および油層の沿面強度は約１．３ｋＶ／ｍｍとなり、それぞれの設計電界として１０ｋＶ／ｍｍより十分に低いことから、放電や絶縁破壊が起きない、電気絶縁的に信頼性の高い端末を得ることができた。

さらに、冷媒ガス層４も１０００ｍｍ以上の長さを得ることができたことで、その間の液化冷媒容器２２の壁面からの熱流入、引出し導体３からの熱流入を５００Ｗ以下にして、熱流入の小さな終端接続部を実現することができた。

超電導ケーブルで短絡事故、地絡事故が起きると、系統の遮断機が切れるまでの短時間、運転電流の１０倍から２０倍の電流が瞬間的に流れる。２７５ｋＶのケーブルの場合、最大で６３ｋＡの電流が０．６秒間流れる。この短絡・地絡電流が終端接続部の引出し導体に瞬間的に流れると、本実施例においては、ジュール発熱によりー１９６℃の極低温から１００℃まで温度上昇がおきた。

しかしながら、本発明では引出し導体３に直接絶縁体が施工されてなく、間隔が保たれているために、引出し導体３の熱は絶縁体３６に伝わらず、絶縁体３６の温度は短絡電流が流れる前に比べて温度上昇がなかった。それにより、絶縁体３６には割れやクラックが見られなかった。

以上の構成により電流３０００Ａ、電圧２７５ｋＶの通電試験および１３００ｋＶのインパルス電圧、６３ｋＡの短絡電流に耐え得る超電導ケーブルの終端接続装置を構成することができ、信頼性の高い終端接続部を提供することができる。なお、本実施例では超電導ケーブルに関して言及したが、極低温ケーブル用の終端接続部としても同様の機能を有するものである。

実施例の極低温ケーブルの終端接続部によれば、コンデンサーコーン絶縁体３４の電圧勾配部（コーン部１４ａ、１４ｃ）を液体冷媒層５や油層２に浸漬することで、耐電圧に対して高い裕度をもつ絶縁設計が可能となり、さらに絶縁耐圧の低い冷媒ガス層４における絶縁体３６の表面電界を接地電界とすることで、耐圧特性の低いガス層での放電、閃絡事故を皆無にすることができた。言い換えれば、液体冷媒層５の液面５ａと、フランジ６の上面（あるいは油層２の下端）のいずれも、コンデンサーコーン絶縁体３４の円柱部１４ｂの高さの範囲内に位置するのが望ましい。さらに、引出し導体３と、コンデンサーコーン絶縁体３４の中空パイプ３１との間に間隔を設けることで、引出し導体３の絶縁被覆部分における絶縁被覆に過度の応力が負荷され難くなって、樹脂製の絶縁被覆が割れ難くなった。よって信頼性の高い極低温ケーブルの終端接続部を提供することができる。

１ 碍子
２ 油層
３ 引出し導体
４ 冷媒ガス層
５ 液体冷媒層
１０ 導体
１１ 極低温部
１２ 温度傾斜部
１３ 高電圧引出部
１４ａ、１４ｃ コーン部
１４ｂ 円柱部分
２０ 接続端子
２１ 外部圧力容器
２２ 内部圧力容器
２３ 液体冷媒容器
２４ 高電圧端子
３１ 中空パイプ
３２ フランジ
３３ 端板
３３ａ 孔
３４ コンデンサーコーン絶縁体
３５ 金属箔

Claims (6)

1. 液体冷媒層、冷媒ガス層及び油層を経て極低温から常温に引き出される引出し導体を有する極低温ケーブルの終端接続部において、
   前記引出し導体には、高圧電位から接地電位まで電界を分圧する複数枚の金属箔が絶縁体を介して積層されたコンデンサーコーン絶縁体が施され、
   前記高圧電位から接地電位まで順次電圧が変化する電界傾斜部のうち、下部に位置する電界傾斜部が液体冷媒層に、上部に位置する電界傾斜部が油層にあることを特徴とする極低温ケーブルの終端接続部。
2. 前記冷媒ガス層のコンデンサーコーン絶縁体の表面の電位が接地電位であり、冷媒ガス層におけるコンデンサーコーン絶縁体の長さが１０００ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の極低温ケーブルの終端接続部。
3. 前記コンデンサーコーン絶縁体が中空パイプの外周に施工されていて、中空パイプ内部に前記引出し導体が常温から極低温部まで貫通していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の極低温ケーブルの終端接続部。
4. 前記引出し導体の外径と前記中空パイプの内径との差が少なくても１０ｍｍ以上あることを特徴とする請求項３に記載の極低温ケーブルの終端接続部。
5. 前記中空パイプの上部は、前記引出し導体との間が気密構造であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の極低温ケーブルの終端接続部。
6. 前記冷媒ガス層と油層の間におけるコンデンサーコーン絶縁体の外周に、前記冷媒ガス層と油層とを気密に区画するフランジが設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の極低温ケーブルの終端接続部。

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