JP2014192114A - Superconductive cable - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a superconductive cable capable of performing high-frequency power transmission of 1 kHz or higher.SOLUTION: A superconductive cable comprises a former, a superconductive conductor layer formed by winding a thin-film superconductive wire rod 120 on the outer periphery of the former, an electric insulation layer formed on the outer periphery of the superconductive conductor layer and a shield layer formed by winding the thin-film superconductive wire rod 120 on the electric insulation layer, is used in high-frequency power transmission of 1 kHz or higher and meets the condition β≤10×α, where α, W/m, is the sum of the AC loss of a superconductive phase 123 contained in the superconductive conductor layer and the AC loss of the superconductive phase 123 contained in the shield layer in high-frequency power transmission under the condition I (frequency=10 kHz, effective value of the flowing current=2 kArms), and β, W/m, is the sum of the eddy current loss of a wire rod protective layer 125 contained in the superconductive conductor layer and the eddy current loss of the wire rod protective layer 125 contained in the shield layer in high-frequency power transmission under the condition I.

Description

本発明は、1kHz以上の高周波送電に利用される超電導ケーブルに関するものである。   The present invention relates to a superconducting cable used for high-frequency power transmission of 1 kHz or more.

鋼の改質(例えば、高周波熱練)などに、1kHz(1000Hz)以上の高周波の電力が用いられることがある。例えば、特許文献1には、鋼の熱間鍛造にあたり、3kHzの周波数、443kW(443000W)の電力、667Vの電圧で高周波誘導加熱装置を用いる技術が開示されている。このような高周波誘導加熱装置を使用する場合、50Hzまたは60Hzの商用周波数の電力を工場内の変換設備で1kHz以上の高周波の電力に変換し、その高周波の電力を常電導ブスバーなどで高周波誘導加熱装置に送電している。   A high-frequency electric power of 1 kHz (1000 Hz) or more may be used for steel reforming (for example, high-frequency heat-kneading). For example, Patent Document 1 discloses a technique of using a high-frequency induction heating device at a frequency of 3 kHz, a power of 443 kW (443000 W), and a voltage of 667 V in hot forging of steel. When using such a high-frequency induction heating device, power at a commercial frequency of 50 Hz or 60 Hz is converted into high-frequency power of 1 kHz or more by a conversion facility in the factory, and the high-frequency power is heated by high-frequency induction heating using a normal conductive bus bar or the like. The device is transmitting power.

特開2003−138315号公報JP 2003-138315 A

高周波・大電流での送電には、常電導ブスバーの交流抵抗が大きくなり、送電ロスが非常に大きくなるという問題がある。この送電ロスを低減するためには、常電導ブスバーを非常に大きくしなければならない。特に、動作させる装置によっては、周波数が1kHz以上、通電電流の実効値が1kArms(rms;root mean square value)以上の高周波・大電流の電力が使用されることもある。そのため、工場内における短距離であっても送電ロスが無視できない。ここで、常電導ブスバーよりも送電ロスが少ないとされる超電導ケーブルが知られており、その超電導ケーブルを高周波・大電流での送電に利用することで上記送電ロスを低減できることが期待される。しかし、実際に1kHz以上の高周波での送電に超電導ケーブルを適用することが検討されたことはない。   For power transmission at high frequencies and large currents, there is a problem that the AC resistance of the normal conducting bus bar increases and the transmission loss becomes very large. In order to reduce this transmission loss, the normal conducting bus bar must be made very large. In particular, depending on the device to be operated, high-frequency and large-current power having a frequency of 1 kHz or more and an effective value of the energization current of 1 kArms (rms; root mean square value) or more may be used. Therefore, power transmission loss cannot be ignored even at short distances in the factory. Here, a superconducting cable is known that has less power transmission loss than a normal conducting bus bar, and it is expected that the power transmission loss can be reduced by using the superconducting cable for power transmission at a high frequency and a large current. However, the application of superconducting cables to power transmission at a high frequency of 1 kHz or higher has never been studied.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、1kHz以上の高周波送電を行なうことができる超電導ケーブルを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and one of its purposes is to provide a superconducting cable capable of performing high-frequency power transmission of 1 kHz or higher.

超電導ケーブルは、50〜60Hzの商用周波数での長距離送電における送電ロスを如何にカットするかということに主眼を置いて開発された経緯がある。そのため、高周波での短距離送電に超電導ケーブルを適用するという発想がなく、また適用に際して何が問題となるかも検討されていなかった。そこで、本発明者が超電導ケーブルを用いた1kHz以上の高周波送電をシミュレートしたところ、超電導ケーブルの送電ロスの方が常電導ブスバーの送電ロスよりも大きくなる場合があることが判った。そして本発明者はその原因として、超電導ケーブルの超電導導体およびシールド層に用いられる超電導線材に含まれる常電導部分に生じる渦電流損失が問題であることを見出した。超電導線材としては、Agなどの安定化材中に超電導相のフィラメントが埋設された超電導線材(以下、フィラメント型超電導線材)と、基材上に超電導相とAgなどの安定化層とを成膜した超電導線材(以下、薄膜超電導線材)と、が挙げられる。安定化材(安定化層)は、超電導相が超電導状態を維持できなくなったときに電流の迂回路となるものであり、通常、良導電性であることが求められる。しかし、高周波送電においては、安定化層が良導電性であることが逆に渦電流損失の増大を助長することが判った。   Superconducting cables have been developed with a focus on how to cut power transmission losses in long-distance power transmission at commercial frequencies of 50-60 Hz. For this reason, there is no idea of applying a superconducting cable to short-distance power transmission at high frequencies, and what has become a problem in application has not been studied. Then, when this inventor simulated high frequency transmission of 1 kHz or more using a superconducting cable, it turned out that the transmission loss of a superconducting cable may become larger than the transmission loss of a normal conducting bus bar. The present inventor has found that the cause is a problem of eddy current loss generated in the normal conducting portion included in the superconducting wire used in the superconducting conductor and shield layer of the superconducting cable. As superconducting wires, a superconducting wire in which a filament of a superconducting phase is embedded in a stabilizing material such as Ag (hereinafter referred to as a filament-type superconducting wire), and a superconducting phase and a stabilizing layer such as Ag are formed on a substrate. And a superconducting wire (hereinafter referred to as a thin film superconducting wire). The stabilizing material (stabilizing layer) serves as a detour for current when the superconducting phase can no longer maintain the superconducting state, and is usually required to have good conductivity. However, in high-frequency power transmission, it has been found that the stabilization layer has good conductivity, conversely, increases eddy current loss.

発明者は次に、渦電流損失を低減できる余地があるか否かという観点からフィラメント型超電導線材と薄膜超電導線材の構成を再検討した。フィラメント型超電導線材は、主としてチューブインパウダー法と呼ばれる方法で作製されている。当該方法では、超電導相となる粉末を内部に充填したAg製パイプを複数本用意し、それらを大径のAg製パイプ内に配置して延伸・熱処理することでフィラメント型超電導線材を作製している。つまり、フィラメント型超電導線材では、超電導相のフィラメント以外の部分はAgで構成されることになるため、フィラメント型には渦電流損失を低減できる余地がない。一方、薄膜超電導線材は、基材上に薄膜の超電導相とAgの安定化層を積層し、その外周を線材保護層で覆っている。線材保護層は、超電導相を保護すると共に、事故電流のバイパス層としての役割を持つことが期待されているため、通常、良導電性の材料で構成されている。しかし、本発明者の検討の結果、工場内での高周波・大電流送電においては過大な事故電流が流れることがないため、線材保護層にバイパス層としての役割を積極的に持たせる必要はないことが判った。以上の知見に基づいて本発明を以下に規定する。   Next, the inventor reexamined the configuration of the filament type superconducting wire and the thin film superconducting wire from the viewpoint of whether or not there is room for reducing the eddy current loss. The filament type superconducting wire is produced mainly by a method called a tube-in-powder method. In this method, a plurality of Ag pipes filled with powder to be a superconducting phase are prepared, and the filament type superconducting wire is produced by placing them in a large diameter Ag pipe and drawing and heat-treating them. Yes. That is, in the filament type superconducting wire, since the portion other than the filament of the superconducting phase is composed of Ag, there is no room for reducing the eddy current loss in the filament type. On the other hand, in a thin film superconducting wire, a thin film superconducting phase and an Ag stabilizing layer are laminated on a substrate, and the outer periphery thereof is covered with a wire protecting layer. Since the wire protective layer is expected to have a role as a bypass layer for an accident current while protecting the superconducting phase, it is usually made of a highly conductive material. However, as a result of the study by the present inventors, an excessive accident current does not flow in the high-frequency / high-current power transmission in the factory, and therefore it is not necessary to positively give the wire protective layer a role as a bypass layer. I found out. Based on the above knowledge, this invention is prescribed | regulated below.

本発明の超電導ケーブルは、フォーマと、フォーマの外周に下記構成を備える薄膜超電導線材を巻回してなる超電導導体層と、超電導導体層の外周に形成される電気絶縁層と、下記構成を備える薄膜超電導線材を電気絶縁層上に巻回してなるシールド層と、を備え、1kHz以上の高周波送電に利用され、かつβ≦10×αとなる超電導ケーブルである。
『薄膜超電導線材』…基材、酸化物の超電導相、及び常電導の安定化層の積層体と、この積層体の外周を前記安定化層よりも低導電性の材料で覆う線材保護層と、を備える薄膜超電導線材。
『α』…下記条件Iの高周波送電における超電導導体層に含まれる超電導相の交流損失と、シールド層に含まれる超電導相の交流損失の合計(単位は、W/m)。
『β』…下記条件Iの高周波送電における超電導導体層に含まれる線材保護層の渦電流損失と、シールド層に含まれる線材保護層の渦電流損失の合計(単位は、W/m)。
『条件I』…周波数10kHz(10×10Hz)、通電電流の実効値2kArms(2×10Arms)。
A superconducting cable of the present invention includes a former, a superconducting conductor layer formed by winding a thin film superconducting wire having the following configuration on the outer periphery of the former, an electric insulating layer formed on the outer periphery of the superconducting conductor layer, and a thin film having the following configuration And a shield layer formed by winding a superconducting wire on an electrical insulating layer. The superconducting cable is used for high-frequency power transmission of 1 kHz or more and satisfies β ≦ 10 × α.
“Thin-film superconducting wire”: a laminate of a base material, an oxide superconducting phase, and a normal conducting stabilization layer, and a wire protective layer covering the outer periphery of the laminate with a material having a lower conductivity than the stabilizing layer; , A thin film superconducting wire.
“Α”: Sum of the AC loss of the superconducting phase included in the superconducting conductor layer and the AC loss of the superconducting phase included in the shield layer in high-frequency power transmission under the following condition I (unit: W / m).
“Β”: Total of eddy current loss of the wire protective layer included in the superconducting conductor layer in high-frequency power transmission under the following condition I and eddy current loss of the wire protective layer included in the shield layer (unit: W / m).
“Condition I”: frequency 10 kHz (10 × 10 3 Hz), effective current 2 kArms (2 × 10 3 Arms).

上記本発明の超電導ケーブルによれば、常電導ブスバーよりも少ない送電ロスで1kHz以上の高周波送電を行なうことができる。   According to the superconducting cable of the present invention, high-frequency power transmission of 1 kHz or more can be performed with less power transmission loss than the normal conductive bus bar.

実施形態1に係る超電導ケーブルの概略構成を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a schematic configuration of a superconducting cable according to Embodiment 1. FIG. 薄膜超電導線材の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of a thin film superconducting wire.

[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
[Description of Embodiment of the Present Invention]
First, the contents of the embodiment of the present invention will be listed and described.

(1)本発明の実施形態の超電導ケーブルは、フォーマと、フォーマの外周に下記構成を備える薄膜超電導線材を巻回してなる超電導導体層と、超電導導体層の外周に形成される電気絶縁層と、下記構成を備える薄膜超電導線材を電気絶縁層上に巻回してなるシールド層と、を備え、1kHz以上の高周波送電に利用され、かつβ≦10×αとなる超電導ケーブルである。
『薄膜超電導線材』…基材、酸化物の超電導相、及び常電導の安定化層の積層体と、この積層体の外周を前記安定化層よりも低導電性の材料で覆う線材保護層と、を備える薄膜超電導線材。
『α』…下記条件Iの高周波送電における超電導導体層に含まれる超電導相の交流損失と、シールド層に含まれる超電導相の交流損失の合計(単位は、W/m)。
『β』…下記条件Iの高周波送電における超電導導体層に含まれる線材保護層の渦電流損失と、シールド層に含まれる線材保護層の渦電流損失の合計(単位は、W/m)。
『条件I』…周波数10kHz(10×10Hz)、通電電流の実効値2kArms(2×10Arms)。
(1) A superconducting cable according to an embodiment of the present invention includes a former, a superconducting conductor layer formed by winding a thin film superconducting wire having the following configuration on the outer periphery of the former, and an electrical insulating layer formed on the outer periphery of the superconducting conductor layer. And a shield layer formed by winding a thin film superconducting wire having the following configuration on an electrical insulating layer, and is a superconducting cable that is used for high-frequency power transmission of 1 kHz or more and that satisfies β ≦ 10 × α.
“Thin-film superconducting wire”: a laminate of a base material, an oxide superconducting phase, and a normal conducting stabilization layer, and a wire protective layer covering the outer periphery of the laminate with a material having a lower conductivity than the stabilizing layer; , A thin film superconducting wire.
“Α”: Sum of the AC loss of the superconducting phase included in the superconducting conductor layer and the AC loss of the superconducting phase included in the shield layer in high-frequency power transmission under the following condition I (unit: W / m).
“Β”: Total of eddy current loss of the wire protective layer included in the superconducting conductor layer in high-frequency power transmission under the following condition I and eddy current loss of the wire protective layer included in the shield layer (unit: W / m).
“Condition I”: frequency 10 kHz (10 × 10 3 Hz), effective current 2 kArms (2 × 10 3 Arms).

上記条件Iの高周波・大電流送電を行なったときの渦電流損失βが交流損失αの1000%以下であれば、その超電導ケーブルの送電ロスは、同じ送電条件下の常電導ブスバーの送電ロスに比べて十分に小さい。渦電流損失βは、より好ましくは交流損失αの100%以下、さらに好ましくは10%以下、最も好ましくは1%以下である。   If the eddy current loss β when performing high-frequency and large-current power transmission under the above condition I is 1000% or less of the AC loss α, the power transmission loss of the superconducting cable is the power transmission loss of the normal conducting busbar under the same power transmission conditions. Small enough compared to The eddy current loss β is more preferably 100% or less, further preferably 10% or less, and most preferably 1% or less of the AC loss α.

(2)本発明の実施形態の超電導ケーブルとして、β≦0.1×αとなる形態を挙げることができる。 (2) Examples of the superconducting cable according to the embodiment of the present invention include a form where β ≦ 0.1 × α.

上記条件Iの高周波送電を行なったときの渦電流損失βが交流損失αの10%以下であれば、その超電導ケーブルの送電ロスが、同じ送電条件下の常電導ブスバーの送電ロスに比べて極めて小さいと言える。既に述べたように、渦電流損失βが交流損失αの1%以下であることが最も好ましい。   If the eddy current loss β when performing high-frequency power transmission under the above condition I is 10% or less of the AC loss α, the power transmission loss of the superconducting cable is extremely higher than the power transmission loss of the normal conductive bus bar under the same power transmission conditions. It can be said that it is small. As already described, it is most preferable that the eddy current loss β is 1% or less of the AC loss α.

(3)本発明の実施形態の超電導ケーブルとして、薄膜超電導線材に備わる線材保護層の厚さが20μm以下である形態を挙げることができる。 (3) Examples of the superconducting cable according to the embodiment of the present invention include an embodiment in which the thickness of the wire protective layer provided in the thin film superconducting wire is 20 μm or less.

線材保護層の厚さが20μm以下であれば、線材保護層に渦電流が流れ難くなるため、線材保護層における渦電流損失を低減することができる。   If the thickness of the wire protective layer is 20 μm or less, eddy currents hardly flow through the wire protective layer, so that eddy current loss in the wire protective layer can be reduced.

(4)本発明の実施形態の超電導ケーブルとして、超電導相を超電導状態に維持する冷媒温度における線材保護層の導電率が100MS/m(100×10S/m)以下である形態を挙げることができる。 (4) As the superconducting cable of the embodiment of the present invention, mention is made of an embodiment in which the conductivity of the wire protective layer at the refrigerant temperature for maintaining the superconducting phase in the superconducting state is 100 MS / m (100 × 10 6 S / m) or less. Can do.

線材保護層の導電率が100MS/m以下であれば、線材保護層に渦電流が流れ難くなるため、線材保護層における渦電流損失を低減することができる。例えば、超電導ケーブルの冷媒として代表的な液体窒素の温度(約77K)におけるステンレスの導電率は、約2MS/mである。なお、液体窒素の温度におけるCuの導電率は、約500MS/mである。   If the electrical conductivity of the wire protective layer is 100 MS / m or less, eddy currents hardly flow through the wire protective layer, so that eddy current loss in the wire protective layer can be reduced. For example, the electrical conductivity of stainless steel is about 2 MS / m at the temperature of liquid nitrogen (about 77 K), which is a typical refrigerant for superconducting cables. In addition, the electrical conductivity of Cu at the temperature of liquid nitrogen is about 500 MS / m.

(5)本発明の実施形態の超電導ケーブルとして、薄膜超電導線材に備わる基材の厚さが100μm以下である形態を挙げることができる。 (5) Examples of the superconducting cable according to the embodiment of the present invention include a form in which the thickness of the base material provided in the thin film superconducting wire is 100 μm or less.

基材の厚さが100μm以下であれば、基材に磁場が作用したときの基材における渦電流損失を低減することができる。   When the thickness of the substrate is 100 μm or less, eddy current loss in the substrate when a magnetic field acts on the substrate can be reduced.

(6)本発明の実施形態の超電導ケーブルとして、超電導導体層を構成する薄膜超電導線材は、基材側の面を超電導ケーブルの径方向内方に向けた状態でフォーマ上に巻回されており、シールド層を構成する薄膜超電導線材は、基材側の面を超電導ケーブルの径方向外方に向けた状態で電気絶縁層上に巻回されている形態を挙げることができる。 (6) As the superconducting cable of the embodiment of the present invention, the thin film superconducting wire constituting the superconducting conductor layer is wound on the former with the surface on the substrate side facing inward in the radial direction of the superconducting cable. The thin film superconducting wire constituting the shield layer may be wound on the electrical insulating layer with the base-side surface facing outward in the radial direction of the superconducting cable.

超電導導体層と、その超電導導体よりも超電導ケーブルの径方向外方に位置するシールド層と、を備える超電導ケーブルでは、超電導導体層の超電導相とシールド層の超電導相との間に磁場が形成される。そのため、超電導導体層を構成する薄膜超電導線材の基材を超電導ケーブルの径方向内方に向けた状態としておくことで、当該基材に磁場が作用することを回避でき、基材における渦電流損失の発生を抑制することができる。同様に、シールド層を構成する薄膜超電導線材の基材を超電導ケーブルの径方向外方に向けた状態としておくことで、当該基材に磁場が作用することを回避でき、基材における渦電流損失の発生を抑制することができる。   In a superconducting cable comprising a superconducting conductor layer and a shield layer positioned radially outward of the superconducting cable relative to the superconducting conductor, a magnetic field is formed between the superconducting phase of the superconducting conductor layer and the superconducting phase of the shield layer. The Therefore, by setting the substrate of the thin film superconducting wire constituting the superconducting conductor layer in a state where the superconducting cable is directed inward in the radial direction of the superconducting cable, it is possible to avoid a magnetic field from acting on the substrate, and eddy current loss in the substrate Can be suppressed. Similarly, by setting the base material of the thin film superconducting wire constituting the shield layer to be in the radially outward direction of the superconducting cable, it can be avoided that a magnetic field acts on the base material, and eddy current loss in the base material Can be suppressed.

なお、超電導導体層が薄膜超電導線材を多層に巻回して構成される場合、最内層(一層目)の薄膜超電導線材の基材に磁場は作用しないが、最内層よりも外側の薄膜超電導線材の基材には磁場が作用する。同様に、シールド層が薄膜超電導線材を多層に巻回して構成される場合、最外層の薄膜超電導線材の基板に磁場は作用しないが、最外層よりも内側の薄膜超電導線材の基材には磁場が作用する。   When the superconducting conductor layer is formed by winding thin film superconducting wires in multiple layers, the magnetic field does not act on the base material of the innermost layer (first layer) thin film superconducting wire, but the thin film superconducting wire outside the innermost layer A magnetic field acts on the substrate. Similarly, when the shield layer is formed by winding thin film superconducting wires in multiple layers, a magnetic field does not act on the substrate of the outermost thin film superconducting wire, but a magnetic field is applied to the substrate of the thin film superconducting wire inside the outermost layer. Works.

[本発明の実施形態の詳細]
本発明の実施形態に係る超電導ケーブルの具体例を図面に基づいて説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内の全ての変更が含まれることを意図する。
[Details of the embodiment of the present invention]
A specific example of the superconducting cable according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to these illustrations, is shown by the claim, and intends that all the changes within the claim, the meaning equivalent, and the range are included.

<実施形態1>
≪全体構成≫
図1に示す本実施形態の超電導ケーブル1は、工場内といったごく短距離(例えば、100m以下)を、1kHz以上の高周波で送電する際に用いられるものである。本例に示す超電導ケーブル1は、複数心(ここでは三心)のケーブルコア10が撚り合わされて一つの断熱管20に収納された超電導ケーブル、いわゆる多心一括型の超電導ケーブルである。もちろん、超電導ケーブル1のケーブルコア10は、単心、二心、四心以上であっても構わない。この超電導ケーブル1の特徴とするところは、ケーブルコア10に含まれる超電導導体層12およびシールド層14が共に、薄膜超電導線材120で構成されており、1kHz以上の高周波送電に利用可能なことである。以下、各構成をより詳細に説明する。
<Embodiment 1>
≪Overall structure≫
The superconducting cable 1 of this embodiment shown in FIG. 1 is used when power is transmitted at a high frequency of 1 kHz or more over a very short distance (for example, 100 m or less) such as in a factory. The superconducting cable 1 shown in this example is a superconducting cable in which a plurality of cable cores 10 (here, three cores) are twisted and housed in one heat insulating tube 20, that is, a so-called multi-core batch type superconducting cable. Of course, the cable core 10 of the superconducting cable 1 may be single-core, two-core, four-core or more. The superconducting cable 1 is characterized in that the superconducting conductor layer 12 and the shield layer 14 included in the cable core 10 are both composed of the thin film superconducting wire 120 and can be used for high-frequency power transmission of 1 kHz or more. . Hereinafter, each configuration will be described in more detail.

≪断熱管≫
断熱管20は、内管21と外管22とからなる二重構造管であり、内管21と外管22との間が真空引きされた真空断熱構造である。内管21内には、液体窒素といった冷媒が充填され、この冷媒によりケーブルコア10が冷却されて、超電導状態に維持される。内管21と外管22との間には、スーパーインシュレーションといった断熱材23や、両管21,22の間隔を保持するスペーサ(図示せず)が配置される。外管22の外周には、ポリ塩化ビニルといった耐食性に優れる材料でできた防食層24が形成されている。
≪Insulated pipe≫
The heat insulating tube 20 is a double structure tube composed of an inner tube 21 and an outer tube 22, and is a vacuum heat insulating structure in which the space between the inner tube 21 and the outer tube 22 is evacuated. The inner tube 21 is filled with a refrigerant such as liquid nitrogen, and the cable core 10 is cooled by this refrigerant and maintained in a superconducting state. Between the inner tube 21 and the outer tube 22, a heat insulating material 23 such as a super insulation and a spacer (not shown) that keeps a distance between both the tubes 21 and 22 are arranged. On the outer periphery of the outer tube 22, an anticorrosion layer 24 made of a material having excellent corrosion resistance such as polyvinyl chloride is formed.

≪ケーブルコア≫
各ケーブルコア10は、中心から順にフォーマ11、超電導導体層12、電気絶縁層13、シールド層14、コア保護層15を備える。
≪Cable core≫
Each cable core 10 includes a former 11, a superconducting conductor layer 12, an electrical insulating layer 13, a shield layer 14, and a core protective layer 15 in order from the center.

(フォーマ)
フォーマ11は、超電導導体層12の支持体として機能する他、超電導ケーブル1では、短絡や地絡などの異常時に生じる大きな電流を分流するための流路に利用される。フォーマ11には、銅やアルミニウムなどの常電導材料で形成された中実体や中空体(管体)を利用することができる。ここで、図1に示されるフォーマ11は、ポリ塩化ビニル(PVC)やエナメルなどの絶縁被覆を備える銅線を複数本撚り合わせて構成された中実体としている。撚り線構造であることで、曲げ特性に優れ、超電導ケーブル1を交流送電に利用する場合、渦電流損を低減できる。
(Former)
In addition to functioning as a support for the superconducting conductor layer 12, the former 11 is used in the superconducting cable 1 as a flow path for diverting a large current generated in the event of an abnormality such as a short circuit or a ground fault. For the former 11, a solid body or a hollow body (tubular body) formed of a normal conductive material such as copper or aluminum can be used. Here, the former 11 shown in FIG. 1 is a solid body formed by twisting a plurality of copper wires each having an insulation coating such as polyvinyl chloride (PVC) or enamel. By being a stranded wire structure, it has excellent bending characteristics, and when the superconducting cable 1 is used for AC power transmission, eddy current loss can be reduced.

上記フォーマ11の外周にクッション層を設けてもよい。クッション層は、例えば、クラフト紙といった絶縁紙や、クラフト紙とプラスチックとを複合した半合成絶縁紙(例えば、PPLP(住友電気工業株式会社 登録商標))からなる絶縁性テープの巻回により形成できる。クッション層を備えることで、超電導導体層12を形成し易い上に、フォーマ11を構成する銅線による超電導導体層12の損傷を防止できる。   A cushion layer may be provided on the outer periphery of the former 11. The cushion layer can be formed by, for example, winding an insulating tape made of insulating paper such as kraft paper, or semi-synthetic insulating paper (for example, PPLP (registered trademark of PP)). . By providing the cushion layer, the superconducting conductor layer 12 can be easily formed, and the superconducting conductor layer 12 can be prevented from being damaged by the copper wire constituting the former 11.

(超電導導体層、シールド層)
超電導導体層12及びシールド層14は、薄膜超電導線材120を単層又は多層に螺旋状に巻回することで構成される。図1に示す超電導導体層12及びシールド層14はいずれも、薄膜超電導線材120を螺旋状に巻回して形成された超電導線材層が多層に積層された多層構造となっている(超電導導体層12:4層、シールド層14:3層)。各超電導線材層の層間には、クラフト紙などの絶縁紙を巻回した層間絶縁層120iが形成されている。超電導導体層12及びシールド層14のいずれも、薄膜超電導線材120からなる部分に加えて層間絶縁層120iを含むことを許容する。
(Superconducting conductor layer, shield layer)
The superconducting conductor layer 12 and the shield layer 14 are configured by spirally winding the thin film superconducting wire 120 into a single layer or multiple layers. Each of the superconducting conductor layer 12 and the shield layer 14 shown in FIG. 1 has a multi-layer structure in which superconducting wire layers formed by spirally winding a thin film superconducting wire 120 are stacked in layers (superconducting conductor layer 12 : 4 layers, shield layer 14: 3 layers). Between the layers of each superconducting wire layer, an interlayer insulating layer 120i wound with insulating paper such as kraft paper is formed. Both the superconducting conductor layer 12 and the shield layer 14 are allowed to include the interlayer insulating layer 120i in addition to the portion made of the thin film superconducting wire 120.

超電導導体層12を構成する超電導線材の数や超電導線材層の数は、所望の設定電流値(電流容量)に応じて選択できる。また、シールド層14を構成する超電導線材の数や超電導線材層の数は、上記超電導導体層12に応じて適宜選択できる。   The number of superconducting wires constituting the superconducting conductor layer 12 and the number of superconducting wires can be selected according to a desired set current value (current capacity). Further, the number of superconducting wires constituting the shield layer 14 and the number of superconducting wires can be appropriately selected according to the superconducting conductor layer 12.

〔薄膜超電導線材〕
超電導導体層12とシールド層14に用いられる薄膜超電導線材120は、図2に示すように、基材121、中間層122、超電導相123、安定化層124、および線材保護層125を備える。
[Thin film superconducting wire]
As shown in FIG. 2, the thin film superconducting wire 120 used for the superconducting conductor layer 12 and the shield layer 14 includes a base material 121, an intermediate layer 122, a superconducting phase 123, a stabilization layer 124, and a wire material protective layer 125.

まず、薄膜超電導線材120の導電路となる超電導相123は、例えば冷媒として液体窒素を使用可能な酸化物の高温超電導体である。具体的には、Y,Ho(ホルミウム),Gd(ガドリニウム)といった希土類元素を含むRE系酸化物を超電導相123に利用可能である。RE系酸化物超電導相は、RE123とよばれる(RE)BaCuが代表的であり、具体的な組成は、YBCO,HoBCO,GdBCOが挙げられる。その他、Bi2223といったBi(ビスマス)を含む酸化物を超電導層123に利用することもできる。 First, the superconducting phase 123 serving as a conductive path of the thin film superconducting wire 120 is an oxide high-temperature superconductor capable of using liquid nitrogen as a refrigerant, for example. Specifically, RE-based oxides containing rare earth elements such as Y, Ho (holmium), and Gd (gadolinium) can be used for the superconducting phase 123. The RE-based oxide superconducting phase is typically (RE) Ba 2 Cu 3 O x called RE123, and specific compositions include YBCO, HoBCO, and GdBCO. In addition, an oxide containing Bi (bismuth) such as Bi2223 can be used for the superconducting layer 123.

超電導相123の厚さは、超電導ケーブル1に要求される電流容量に応じて適宜選択することができる。例えば、超電導相123の厚さを1μm以上とすることが挙げられる。一方、超電導相123は脆いため、あまり超電導相123を厚くすると、超電導相123に割れが生じる場合がある。そこで、超電導相123の厚さは、5μm以下とすることが好ましい。   The thickness of the superconducting phase 123 can be appropriately selected according to the current capacity required for the superconducting cable 1. For example, the thickness of the superconducting phase 123 may be 1 μm or more. On the other hand, since the superconducting phase 123 is brittle, if the superconducting phase 123 is made too thick, the superconducting phase 123 may be cracked. Thus, the thickness of the superconducting phase 123 is preferably 5 μm or less.

基材121は、金属材料からなるものが代表的である。例えば、磁性材料、とりわけ強磁性体からなる磁性基材を利用することができる。磁性基材は、後述するRE系酸化物超電導相の配向性に優れ、当該超電導相を成膜し易く、薄膜超電導線材の製造性に優れる。強磁性体は、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、Ni−W合金といったニッケル合金、珪素鋼、パーマロイ、フェライト、強磁性ステンレス(例えば、SUS430)といった鉄含有物などが挙げられる。その他、基材121の構成材料には、ハステロイ(登録商標)といった非磁性材料を利用することもできる。非磁性材料は、基材121における渦電流の発生を抑制することができるため、好ましい。   The substrate 121 is typically made of a metal material. For example, a magnetic material, particularly a magnetic base material made of a ferromagnetic material can be used. The magnetic substrate is excellent in the orientation of the RE-based oxide superconducting phase, which will be described later, easily forms the superconducting phase, and is excellent in the manufacturability of the thin film superconducting wire. Examples of the ferromagnetic material include nickel alloys such as iron, cobalt, nickel, and Ni—W alloy, iron-containing materials such as silicon steel, permalloy, ferrite, and ferromagnetic stainless steel (for example, SUS430). In addition, a non-magnetic material such as Hastelloy (registered trademark) can be used as the constituent material of the base material 121. A nonmagnetic material is preferable because generation of eddy currents in the substrate 121 can be suppressed.

基材121の厚さは、50μm〜100μmとすることが好ましい。基材121の厚さを50μm以上とすることで、薄膜超電導線材120の強度を確保することができる。また、基材の厚さを100μm以下とすることで、基材121における渦電流損失を低減することができる。渦電流損失の低減の観点から、基材121の厚さは、100μm以下が好ましい。   The thickness of the substrate 121 is preferably 50 μm to 100 μm. By setting the thickness of the base 121 to 50 μm or more, the strength of the thin film superconducting wire 120 can be ensured. Moreover, the eddy current loss in the base material 121 can be reduced by setting the thickness of the base material to 100 μm or less. From the viewpoint of reducing eddy current loss, the thickness of the substrate 121 is preferably 100 μm or less.

中間層122は、基材121上に超電導相123を成膜する際、超電導相123の結晶配向性を調整するための層である。また、基材121に含まれる元素が超電導相123に拡散し、超電導相123が劣化することを防止するための層でもある。この中間層122の材質としては、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、MgO、あるいはCeOといった酸化物からなる絶縁体を用いることができる。中間層122は多層構造となっていても良く、例えば、CeO−YSZ−CeOからなる三層構造の中間層122とすることが挙げられる。 The intermediate layer 122 is a layer for adjusting the crystal orientation of the superconducting phase 123 when the superconducting phase 123 is formed on the substrate 121. Moreover, it is also a layer for preventing the element contained in the base material 121 from diffusing into the superconducting phase 123 and degrading the superconducting phase 123. As the material of the intermediate layer 122, an insulator made of an oxide such as YSZ (yttria stabilized zirconia), MgO, or CeO 2 can be used. The intermediate layer 122 may have a multilayer structure. For example, the intermediate layer 122 may be a three-layer intermediate layer 122 made of CeO 2 —YSZ—CeO 2 .

中間層122の厚さは、10〜2000nmとすることが好ましい。中間層122を多層構造とする場合、各層の厚さは1〜1000nmとし、全層の合計厚さが50〜2000nmとなるようにすると良い。   The thickness of the intermediate layer 122 is preferably 10 to 2000 nm. When the intermediate layer 122 has a multilayer structure, the thickness of each layer is preferably 1 to 1000 nm, and the total thickness of all layers is preferably 50 to 2000 nm.

安定化層124は、超電導相123が他の部材と反応して超電導特性を示さなくなることを防ぐための層である。この安定化層124の材質としては、例えばAg、Pt、Au、あるいはそれらの合金を挙げることができる。コストに鑑み、安定化層124はAgで構成することが好ましい。   The stabilization layer 124 is a layer for preventing the superconducting phase 123 from reacting with other members and not exhibiting superconducting characteristics. Examples of the material of the stabilization layer 124 include Ag, Pt, Au, and alloys thereof. In view of cost, the stabilization layer 124 is preferably composed of Ag.

図2に例示する安定化層124は、基材121・中間層122・超電導相123の積層体の外周全体を覆っている。安定化層124の役割を考慮すれば、安定化層124は、少なくとも超電導相123の上面(紙面上側の面)に形成されていれば良い。   The stabilization layer 124 illustrated in FIG. 2 covers the entire outer periphery of the laminate of the base material 121, the intermediate layer 122, and the superconducting phase 123. Considering the role of the stabilization layer 124, the stabilization layer 124 may be formed at least on the upper surface of the superconducting phase 123 (upper surface on the paper surface).

安定化層124の厚さは、1μm〜20μmとすることが好ましい。安定化層124の厚さを1μm以上とすることで、安定化層124に超電導相123を安定化する機能を十分に持たせることができる。一方、安定化層124の厚さを20μm以下とすることで、安定化層124における渦電流損失の量を低く抑えることができる。   The thickness of the stabilization layer 124 is preferably 1 μm to 20 μm. By setting the thickness of the stabilization layer 124 to 1 μm or more, the stabilization layer 124 can be sufficiently provided with a function of stabilizing the superconducting phase 123. On the other hand, by setting the thickness of the stabilization layer 124 to 20 μm or less, the amount of eddy current loss in the stabilization layer 124 can be kept low.

線材保護層125は、線材保護層125よりも内側に配置される構成、特に超電導相1を保護する機能を持った層である。ここで、商用周波数で使用される従来の超電導ケーブルに用いられる薄膜超電導線材の線材保護層には、超電導相を保護する機能に加え、事故電流が流れた際のバイパス層としての機能を持たせるという技術思想がある。これに対して高周波で使用される本発明の超電導ケーブル1では、線材保護層125に事故電流のバイパス層としての機能を積極的に求めない構成、即ち線材保護層125に渦電流が流れ難い構成を採用する。そうすることで、線材保護層125における渦電流損失を低減し、超電導ケーブル1の送電ロスを低減する。   The wire material protective layer 125 is a layer having a function of protecting the superconducting phase 1 in a configuration disposed inside the wire material protective layer 125. Here, in addition to the function of protecting the superconducting phase, the wire material protective layer of the thin film superconducting wire used in the conventional superconducting cable used at commercial frequencies has a function as a bypass layer when an accident current flows. There is a technical idea. On the other hand, in the superconducting cable 1 of the present invention used at a high frequency, the wire protection layer 125 is not actively required to have a function as an accident current bypass layer, that is, the eddy current does not easily flow through the wire protection layer 125. Is adopted. By doing so, the eddy current loss in the wire protective layer 125 is reduced, and the power transmission loss of the superconducting cable 1 is reduced.

線材保護層125に渦電流が流れ難くするには、上述した安定化層124よりも低導電性の材質で線材保護層125を構成すれば良い。例えば、ガラス繊維などの非導電材、ステンレスや、Cu−Ni合金などの低導電材が線材保護層125として好適である。また、線材保護層125に渦電流が流れ難くするには、線材保護層125を薄くすることも有効である。   In order to make it difficult for the eddy current to flow through the wire protective layer 125, the wire protective layer 125 may be made of a material having a lower conductivity than the stabilizing layer 124 described above. For example, a non-conductive material such as glass fiber, or a low conductive material such as stainless steel or a Cu—Ni alloy is suitable for the wire protective layer 125. In order to make it difficult for an eddy current to flow through the wire protective layer 125, it is also effective to make the wire protective layer 125 thin.

線材保護層125は、その材質がメッキ可能なもの(例えば、Cu−Ni合金など)であればメッキを用いて形成することが好ましい。ステンレスやガラス繊維などのメッキに不向きな材質で線材保護層125を形成する場合、その材質からなるテープ材を積層体(基材121・中間層122・超電導相123)の外周に貼り付けることで、線材保護層125を形成すれば良い。なお、貼り付けには半田を用いることができる。   The wire protection layer 125 is preferably formed by plating if the material can be plated (for example, Cu—Ni alloy). When the wire protection layer 125 is formed of a material unsuitable for plating such as stainless steel or glass fiber, a tape material made of the material is attached to the outer periphery of the laminate (base material 121, intermediate layer 122, superconducting phase 123). The wire protective layer 125 may be formed. Note that solder can be used for pasting.

線材保護層125の導電性は、500MS/m以下とすることが好ましく、より好ましくは200MS/m以下、100MS/m以下、10MS/m以下、5MS/m以下である。一方、線材保護層125の厚さは、100μm以下とすることが好ましく、より好ましくは50μm以下、20μm以下、10μm以下、5μm以下である。なお、線材保護層125で超電導相123を確実に保護するために、線材保護層125の厚さは1μm以上とすることが好ましい。   The conductivity of the wire protective layer 125 is preferably 500 MS / m or less, more preferably 200 MS / m or less, 100 MS / m or less, 10 MS / m or less, and 5 MS / m or less. On the other hand, the thickness of the wire protective layer 125 is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less, 20 μm or less, 10 μm or less, or 5 μm or less. In order to securely protect the superconducting phase 123 with the wire protective layer 125, the thickness of the wire protective layer 125 is preferably 1 μm or more.

上記範囲で線材保護層125の導電率を高めに設定するのであれば、線材保護層125の厚さを薄くすることで、線材保護層125における渦電流損失を低く抑えることができる。また、上記範囲で線材保護層125の導電率を低めに設定するのであれば、超電導相123を保護する機能を向上させるために線材保護層125の厚さを厚くしても、線材保護層125における渦電流損失が大きくなり難い。   If the conductivity of the wire protective layer 125 is set higher within the above range, the eddy current loss in the wire protective layer 125 can be kept low by reducing the thickness of the wire protective layer 125. Further, if the conductivity of the wire protection layer 125 is set to be lower within the above range, the wire protection layer 125 can be increased even if the thickness of the wire protection layer 125 is increased in order to improve the function of protecting the superconducting phase 123. Eddy current loss is difficult to increase.

(電気絶縁層)
電気絶縁層13は、上記超電導導体層12の上に、上述したクラフト紙や半合成絶縁紙などの絶縁性テープを巻回することで形成される。超電導導体層12の直上に、カーボン紙や金属化紙などを巻回して内側半導電層を設けたり、上記絶縁性テープの巻回層の直上に、カーボン紙や金属化紙などを巻回して外側半導電層を設けたりすることができる。電気絶縁層13は、上記半導電層を備える形態とすることができる。
(Electrical insulation layer)
The electrical insulating layer 13 is formed by winding an insulating tape such as the above-described kraft paper or semi-synthetic insulating paper on the superconducting conductor layer 12. An inner semiconductive layer is provided by winding carbon paper or metallized paper directly on the superconducting conductor layer 12, or carbon paper or metallized paper is wound directly on the wound layer of the insulating tape. An outer semiconductive layer can be provided. The electrical insulating layer 13 can be provided with the semiconductive layer.

(コア保護層)
コア保護層15は、シールド層14の外周に設けられ、シールド層14を機械的に保護する層である。コア保護層15は、上述したクラフト紙や半合成絶縁紙、布テープなどの絶縁性テープを巻回することで形成することができる。
(Core protective layer)
The core protective layer 15 is provided on the outer periphery of the shield layer 14 and mechanically protects the shield layer 14. The core protective layer 15 can be formed by winding an insulating tape such as the above-described kraft paper, semi-synthetic insulating paper, or cloth tape.

≪シミュレーション例≫
超電導ケーブル1を用いて、1kHz以上の高周波送電を行なったときの超電導相123の交流損失と線材保護層125の渦電流損失をシミュレーションにより求めた。このシミュレーションの対象とした超電導ケーブル1の仕様を表1に示す。
≪Simulation Example≫
The superconducting cable 1 was used to determine the AC loss of the superconducting phase 123 and the eddy current loss of the wire material protective layer 125 when high-frequency power transmission of 1 kHz or higher was performed. Table 1 shows the specifications of the superconducting cable 1 subjected to this simulation.

Figure 2014192114
Figure 2014192114

表1に示す超電導ケーブル1では、超電導導体層12およびシールド層14の積層数はそれぞれ一層としている。超電導導体層12を構成する薄膜超電導線材120はその基材121側の面を径方向内方(フォーマ11)側に向けた状態で巻回され、シールド層14を構成する薄膜超電導線材120はその基材121側の面を径方向外方に向けた状態で巻回されているものとする。   In the superconducting cable 1 shown in Table 1, the number of superconducting conductor layers 12 and shield layers 14 is one. The thin film superconducting wire 120 constituting the superconducting conductor layer 12 is wound with the surface on the base 121 side facing inward in the radial direction (former 11), and the thin film superconducting wire 120 constituting the shield layer 14 is It is assumed that the substrate 121 is wound in a state where the surface on the substrate 121 side is directed outward in the radial direction.

また、超電導線材120の線材保護層125の導電率は1000MS/mとする。この導電率は、液体窒素の温度(約77K)におけるAgの導電率(約500MS/m)を上回る値である。   Moreover, the electrical conductivity of the wire protective layer 125 of the superconducting wire 120 is set to 1000 MS / m. This conductivity is a value that exceeds the conductivity of Ag (about 500 MS / m) at the temperature of liquid nitrogen (about 77 K).

さらに、薄膜超電導線材120の線材保護層125の厚さは100μmとする。表1に示す薄膜超電導線材120の幅および厚さはそれぞれ、2.2mmおよび0.33mmであるから、線材保護層125を除く部分(基材121、中間層122、超電導相123、および安定化層124からなる積層体)の幅および厚さはそれぞれ、2.0mmおよび0.13mmである。   Furthermore, the thickness of the wire protective layer 125 of the thin film superconducting wire 120 is 100 μm. Since the width and thickness of the thin film superconducting wire 120 shown in Table 1 are 2.2 mm and 0.33 mm, respectively, the portion excluding the wire protecting layer 125 (base material 121, intermediate layer 122, superconducting phase 123, and stabilization) The width and thickness of the laminate comprising the layer 124 are 2.0 mm and 0.13 mm, respectively.

このシミュレーションでは、周波数fを10kHz(10000Hz)、角速度ωを62832rad/s、通電電流の実効値Iopは2000A(通電電流のピーク値Ipは2828A)の高周波電流を通電した場合を想定した。そして、この通電条件から超電導導体層12およびシールド層14に作用する磁場の強さを算出し、その算出結果を含む情報に基づいて超電導導体層12における超電導相123の交流損失とシールド層14における超電導相123の交流損失を求めた。その結果、超電導導体層12における超電導相123の交流損失は1.27W/m、シールド層14における超電導層123の交流損失は1.19W/mであった。つまり、超電導ケーブル1に含まれる超電導相123全体の交流損失(αW/m)は2.46W/mであった。   In this simulation, it was assumed that a high-frequency current having a frequency f of 10 kHz (10000 Hz), an angular velocity ω of 62832 rad / s, and an effective current Iop of 2000 A (peak value Ip of the applied current is 2828 A) was applied. Then, the strength of the magnetic field acting on the superconducting conductor layer 12 and the shield layer 14 is calculated from the energization conditions, and the AC loss of the superconducting phase 123 in the superconducting conductor layer 12 and the shield layer 14 are calculated based on information including the calculation result. The AC loss of the superconducting phase 123 was determined. As a result, the AC loss of the superconducting phase 123 in the superconducting conductor layer 12 was 1.27 W / m, and the AC loss of the superconducting layer 123 in the shield layer 14 was 1.19 W / m. That is, the AC loss (αW / m) of the entire superconducting phase 123 included in the superconducting cable 1 was 2.46 W / m.

さらに、磁場の強さなどの情報に基づいて超電導導体層12における線材保護層125の渦電流損失と、シールド層14における線材保護層125の渦電流損失を求めたところ、前者が24.51W/m、後者が23.64W/mであった。つまり、超電導ケーブル1に含まれる線材保護層125全体の渦電流損失(βW/m)は48.15W/mであった。   Furthermore, when the eddy current loss of the wire protective layer 125 in the superconducting conductor layer 12 and the eddy current loss of the wire protective layer 125 in the shield layer 14 were obtained based on information such as the strength of the magnetic field, the former was 24.51 W / m, the latter was 23.64 W / m. That is, the eddy current loss (βW / m) of the entire wire rod protective layer 125 included in the superconducting cable 1 was 48.15 W / m.

以上の結果から、1kHz以上の高周波送電において、薄膜超電導線材120の線材保護層125の導電率が、安定化層124の導電率(Agの導電率)を上回っていた場合には、線材保護層125全体の渦電流損失(βW/m=48.15W/m)が超電導相123の交流損失(αW/m=2.46W/m)の10倍超(約19.5倍)となること、即ちβ>10×αとなることが判った。この場合の超電導ケーブル1の送電ロスは、冷却システムの効率を0.06とすると、超電導ケーブル1と同一規模の高周波送電を行なう常電導ブスバーの送電ロスよりも大きい。因みに、交流損失と渦電流損失の和が約35W/mのときの超電導ケーブル1の送電ロスが、同一規模の常電導ブスバーの送電ロスとほぼ同等となる。   From the above results, when the electrical conductivity of the wire protective layer 125 of the thin film superconducting wire 120 exceeds the electrical conductivity of the stabilizing layer 124 (the electrical conductivity of Ag) in high-frequency power transmission of 1 kHz or higher, the wire protective layer 125 eddy current loss (βW / m = 48.15 W / m) is more than 10 times (about 19.5 times) the AC loss (αW / m = 2.46 W / m) of the superconducting phase 123; That is, it was found that β> 10 × α. In this case, the power transmission loss of the superconducting cable 1 is larger than the power transmission loss of the normal conducting bus bar that performs high-frequency power transmission of the same scale as the superconducting cable 1 when the efficiency of the cooling system is 0.06. Incidentally, the power transmission loss of the superconducting cable 1 when the sum of the AC loss and the eddy current loss is about 35 W / m is substantially equal to the power transmission loss of the normal conducting bus bar of the same scale.

以上の結果を受け、線材保護層125の導電率と厚さを変化させたときの超電導ケーブル1に含まれる超電導相123全体の交流損失と、超電導ケーブル1に含まれる線材保護層125全体の渦電流損失を算出した。交流損失を表2に、渦電流損失を表3に示す。   Based on the above results, the AC loss of the entire superconducting phase 123 included in the superconducting cable 1 when the conductivity and thickness of the wire protecting layer 125 are changed, and the vortex of the entire wire protecting layer 125 included in the superconducting cable 1. The current loss was calculated. Table 2 shows the AC loss and Table 3 shows the eddy current loss.

Figure 2014192114
Figure 2014192114

Figure 2014192114
Figure 2014192114

表2,3の結果から、線材保護層125の導電率を低く抑えること、および線材保護層125の厚さを薄くすることは共に、線材保護層125における渦電流損失の低減に寄与することが判った。なお、表2において線材保護層125の厚さを薄くするほど交流損失が低下するのは、線材保護層125の厚さの分だけ薄膜超電導線材120の幅および厚みが変化するためである。また、表3の『0.00』は、『0.005』未満の小さな値であり、『0』ではない。   From the results of Tables 2 and 3, it can be said that both reducing the conductivity of the wire protective layer 125 and reducing the thickness of the wire protective layer 125 contribute to the reduction of eddy current loss in the wire protective layer 125. understood. In Table 2, the AC loss decreases as the thickness of the wire protective layer 125 is decreased because the width and thickness of the thin film superconducting wire 120 change by the thickness of the wire protective layer 125. Further, “0.00” in Table 3 is a small value less than “0.005” and is not “0”.

これら導電率と厚さを相互に規定すれば、超電導ケーブル1に含まれる線材保護層125の渦電流損失を、超電導ケーブル1に含まれる超電導相123の交流損失の1/10以下にすることもできる。具体的には、線材保護層125の導電率をγMS/m、線材保護層125の厚さをδμmとしたとき、以下の関係を満たす場合、線材保護層125の渦電流損失(βW/m;表3参照)が、超電導相123の交流損失(αW/m;表2参照)の1/10以下となること、即ちβ≦0.1×αとなることが判った。このような超電導ケーブル1の送電ロスは、同一規模の高周波送電を行なう常電導ブスバーの送電ロスに比べて極めて小さい。
γが500MS/m以下の場合、δは10μm以下
γが100MS/m以下の場合、δは20μm以下
γが50MS/m以下の場合、δは30μm以下
γが20MS/m以下の場合、δは50μm以下
γが10MS/m以下の場合、δは70μm以下
γが5MS/m以下の場合、δは90μm以下
γが2MS/m以下の場合、δは100μm以下
If these conductivity and thickness are mutually defined, the eddy current loss of the wire protective layer 125 included in the superconducting cable 1 can be reduced to 1/10 or less of the AC loss of the superconducting phase 123 included in the superconducting cable 1. it can. Specifically, when the electrical conductivity of the wire protective layer 125 is γMS / m and the thickness of the wire protective layer 125 is δμm, the eddy current loss (βW / m; Table 3) was found to be 1/10 or less of the AC loss (αW / m; see Table 2) of the superconducting phase 123, that is, β ≦ 0.1 × α. The power transmission loss of such a superconducting cable 1 is extremely small compared to the power transmission loss of a normal conductive bus bar that performs high-frequency power transmission of the same scale.
When γ is 500 MS / m or less, δ is 10 μm or less, when γ is 100 MS / m or less, δ is 20 μm or less, when γ is 50 MS / m or less, δ is 30 μm or less, and when γ is 20 MS / m or less, δ is 50 μm or less When γ is 10 MS / m or less, δ is 70 μm or less, when γ is 5 MS / m or less, δ is 90 μm or less, and when γ is 2 MS / m or less, δ is 100 μm or less

上記線材保護層125の導電率と厚さの関係に基づいて、線材保護層125の渦電流損失(βW/m)を、超電導相123の交流損失(αW/m)の1/10以下とすることができる線材保護層125の導電率と厚さの関係を数式で表すと下記の式(1)、あるいは式(2)に示すようになる。この数式を満たす線材保護層125であれば、送電ロスが極めて少ない超電導ケーブル1とすることができる。
式(1)…Y≦185×X−0.39
式(2)…Y≦209×X−0.52
;X=線材保護層の導電率(MS/m)、Y=線材保護層の厚さ(μm)
Based on the relationship between the electrical conductivity and thickness of the wire protective layer 125, the eddy current loss (βW / m) of the wire protective layer 125 is set to 1/10 or less of the AC loss (αW / m) of the superconducting phase 123. The relationship between the electrical conductivity and thickness of the wire protective layer 125 that can be expressed by a mathematical expression is as shown in the following formula (1) or formula (2). If the wire material protective layer 125 satisfies this mathematical formula, the superconducting cable 1 with very little power transmission loss can be obtained.
Formula (1) ... Y <= 185 * X- 0.39
Formula (2) ... Y <= 209 * X- 0.52
X = conductivity of wire rod protective layer (MS / m), Y = thickness of wire rod protective layer (μm)

なお、式(1)は、次のようにして求めた。まず、線材保護層125の導電率(MS/m)を横軸とし、線材保護層125の厚さ(μm)を縦軸とし、表2,3を参照して、β>0.1×αとなる線材保護層125の最小厚さをグラフ上にプロットした。そして、そのプロットの近似線をコンピュータにより求めた。その近似線を式化したものが上記数式(1)である。一方、式(2)は、表2,3を参照して、β≦0.1×αとなる線材保護層125の最大厚さの近似線を式化したものである。   Formula (1) was determined as follows. First, the electrical conductivity (MS / m) of the wire protective layer 125 is taken as the horizontal axis, and the thickness (μm) of the wire protective layer 125 is taken as the vertical axis, with reference to Tables 2 and 3, β> 0.1 × α The minimum thickness of the wire protective layer 125 is plotted on the graph. And the approximate line of the plot was calculated | required with the computer. The approximation (1) is obtained by formulating the approximate line. On the other hand, Expression (2) is an expression of an approximate line of the maximum thickness of the wire protective layer 125 that satisfies β ≦ 0.1 × α with reference to Tables 2 and 3.

本発明の超電導ケーブルは、1kHz以上の高周波通電に好適に利用することができる。例えば、本発明の超電導ケーブルは、高周波加熱装置の電源ケーブルとして好適に利用できる。   The superconducting cable of the present invention can be suitably used for high-frequency energization of 1 kHz or higher. For example, the superconducting cable of the present invention can be suitably used as a power cable for a high-frequency heating device.

1 超電導ケーブル
10 ケーブルコア 11 フォーマ 12 超電導導体層 13 電気絶縁層
14 シールド層 15 コア保護層
20 断熱管 21 内管 22 外管 23 断熱材 24 防食層
120 薄膜超電導線材 120i 層間絶縁層
121 基材 122 中間層 123 超電導相
124 安定化層 125 線材保護層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Superconducting cable 10 Cable core 11 Former 12 Superconducting conductor layer 13 Electrical insulation layer 14 Shielding layer 15 Core protection layer 20 Heat insulation pipe 21 Inner pipe 22 Outer pipe 23 Heat insulation material 24 Corrosion protection layer 120 Thin film superconducting wire 120i Interlayer insulation layer 121 Base material 122 Intermediate layer 123 Superconducting phase 124 Stabilization layer 125 Wire protection layer

Claims (6)

フォーマと、
基材、酸化物の超電導相、及び常電導の安定化層の積層体と、この積層体の外周を前記安定化層よりも低導電性の材料で覆う線材保護層と、を備える薄膜超電導線材を、前記フォーマの外周に巻回してなる超電導導体層と、
前記超電導導体層の外周に形成される電気絶縁層と、
前記構成を備える薄膜超電導線材を、前記電気絶縁層上に巻回してなるシールド層と、を備え、
1kHz以上の高周波送電に利用され、かつ
下記条件Iの高周波送電における前記超電導導体層に含まれる前記超電導相の交流損失と、前記シールド層に含まれる前記超電導相の交流損失の合計をαW/m、下記条件Iの高周波送電における前記超電導導体層に含まれる前記線材保護層の渦電流損失と、前記シールド層に含まれる前記線材保護層の渦電流損失の合計をβW/mとしたとき、β≦10×αとなる超電導ケーブル。
条件I;周波数=10kHz、通電電流の実効値=2kArms。
Forma,
A thin film superconducting wire comprising: a laminate of a base material, an oxide superconducting phase, and a normal conducting stabilization layer; and a wire protective layer covering the outer periphery of the laminate with a material having a conductivity lower than that of the stabilizing layer. A superconducting conductor layer formed by winding the outer periphery of the former,
An electrically insulating layer formed on the outer periphery of the superconducting conductor layer;
A thin film superconducting wire having the above-described configuration, and a shield layer formed by winding the thin film superconducting wire on the electrical insulating layer,
ΑW / m is the sum of the AC loss of the superconducting phase contained in the superconducting conductor layer and the AC loss of the superconducting phase contained in the shield layer in high-frequency power transmission of 1 kHz or higher and in high-frequency power transmission under the following condition I , When the sum of the eddy current loss of the wire protective layer included in the superconducting conductor layer and the eddy current loss of the wire protective layer included in the shield layer in high-frequency power transmission under the following condition I is βW / m, Superconducting cable with ≦ 10 × α.
Condition I: Frequency = 10 kHz, effective value of energization current = 2 kArms.
β≦0.1×αとなる請求項1に記載の超電導ケーブル。   The superconducting cable according to claim 1, wherein β ≦ 0.1 × α. 前記線材保護層の厚さが20μm以下である請求項1または2に記載の超電導ケーブル。   The superconducting cable according to claim 1 or 2, wherein the thickness of the wire protective layer is 20 µm or less. 前記超電導相を超電導状態に維持する冷媒温度における前記線材保護層の導電率が100MS/m以下である請求項1〜3のいずれか一項に記載の超電導ケーブル。   The superconducting cable according to any one of claims 1 to 3, wherein the conductivity of the wire protective layer at a refrigerant temperature that maintains the superconducting phase in a superconducting state is 100 MS / m or less. 前記基材の厚さが100μm以下である請求項1〜4のいずれか一項に記載の超電導ケーブル。   The thickness of the said base material is 100 micrometers or less, The superconducting cable as described in any one of Claims 1-4. 前記超電導導体層を構成する前記薄膜超電導線材は、前記基材側の面を超電導ケーブルの径方向内方に向けた状態で前記フォーマ上に巻回されており、
前記シールド層を構成する前記薄膜超電導線材は、前記基材側の面を超電導ケーブルの径方向外方に向けた状態で前記電気絶縁層上に巻回されている請求項1〜5のいずれか一項に記載の超電導ケーブル。
The thin film superconducting wire constituting the superconducting conductor layer is wound on the former in a state where the surface on the substrate side is directed inward in the radial direction of the superconducting cable,
The thin film superconducting wire constituting the shield layer is wound on the electrical insulating layer in a state where the surface on the base is directed radially outward of the superconducting cable. The superconducting cable according to one item.
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