JP2015028460A - 超電導ケーブルの性能試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、超電導ケーブルの性能試験装置の提供を目的とする。【解決手段】本発明に係る超電導ケーブルの性能試験装置は、超電導線材により形成された超電導導体層および前記超電導導体層の外側を囲む超電導シールド層を備えるケーブルコアと、冷媒流路を介し、前記ケーブルコアの外側を囲む断熱管と、を有する超電導ケーブルを用いて前記超電導ケーブルの性能を試験する超電導ケーブルの性能試験装置であって、前記超電導ケーブルの両端部が隣接するように前記超電導ケーブルがループ状に配置され、前記超電導ケーブルの両端部が１つの断熱容器の内部空間と連通するように前記断熱容器に導入され、前記超電導ケーブルの両端部の前記超電導線材が前記断熱容器内に設けられた外部電源接続用通電端子と接続されたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、超電導ケーブルの性能試験装置に関する。

高温超電導ケーブルは、電力需要の増大する地域における送電線容量不足の解消を図るとともに、電力送電時の損失低減を図ることができる技術として注目されている。高温超電導ケーブルは、例えば、液体窒素、液体水素、液体ヘリウム等の冷媒を用いて−１９０℃以下に冷却することで超電導状態を維持することができ、損失がほとんど無い状態で送電することができる。
高温超電導ケーブルを用いた送電技術を開発するためには、極めて長いケーブルを常時冷却する技術が必要であることから、基本的な運転技術の開発と液体窒素の長距離循環による問題などについて、詳細な実地試験を行う必要がある。

このような背景から、従来、図８に示す構成の通電試験装置を実際に構築し、実地試験が行われている。
図８に示す試験装置は、数１００ｍに及ぶ長尺の超電導ケーブル１００をループ状に設置し、その一端側に気中終端部として第１の断熱容器１０１を設け、他端側に気中終端部として第２の断熱容器１０２を設けている。前記第１の断熱容器１０１に循環パイプ１０３を介し接続するように複数の冷凍機１０４と液体窒素ポンプ１０５を設け、第２の断熱容器１０２に回収管１０６を介しリザーバタンク１０７を接続している。このリザーバタンク１０７から供給管１０８を介し前記循環パイプ１０３に冷媒を供給できるように接続することで冷媒の循環ができるように構成されている。前記超電導ケーブル１００の内部に全長に渡り冷媒の流路が形成され、この冷媒の流路が第１の断熱容器１０１と第２の断熱容器１０２の内部空間に接続されている。

以上の構成により、液体窒素ポンプ１０５から冷凍機１０４を介し十分に冷却した液体窒素を第１の断熱容器１０１を介して超電導ケーブル１００の一端側に供給し、超電導ケーブル１００の他端側から第２の断熱容器１０２と回収管１０６を介しリザーバタンク１０７に冷媒を回収し、再び供給管１０８を介し循環パイプ１０３に送ることで冷媒の循環ができる。
また、第１の断熱容器１０１と第２の断熱容器１０２の頂上部に電源に接続するための電流リード１１０が配置され、断熱容器１０１、１０２の内部側において超電導ケーブル１００の内部に設けられている超電導導体と電流リード１１０との接続がなされている。（非特許文献１）

古河電工時報 第１１６号（平成１７年７月）Ｐ．５３〜５９

前記超電導ケーブルの通電試験装置は、超電導ケーブル１００の一部に曲がり部１００ａ、高低差部１００ｂ、オフセット部１００ｃなどを設け、常温の状態から冷媒を流して超電導ケーブル１００を冷却した状態に実際に移る状態を把握すること、通電試験を長時間連続して行う場合の影響などについて実地試験を行うことができる。

従来の通電試験装置は、長尺の超電導ケーブル１００の内部に冷媒を流すので、超電導ケーブル１００は断熱構造とされている。この断熱構造の超電導ケーブル１００を接続する第１の断熱容器１０１、第２の断熱容器１０２はそれら自身が断熱構造であり、しかも、電力供給の入口となる電流リード１１０を備え、熱の出入りが大きい構造であるため、規模の大きな２重壁構造の断熱容器として構成されている。
また、従来の通電試験装置は、電流リード１１０のような熱の出入りが大きい部位を備えた２重壁構造の断熱容器を２基必要としているため、装置単価が高く通電試験装置が高価になる一因となっている。

また、従来の通電試験装置に適用される超電導ケーブル１００は、内部に高温超電導導体を備えているが、大電流通電試験のため、あるいは、交流通電試験のため、高温超電導導体を超電導シールド層で覆う構造が採用されている。高温超電導導体を超電導シールド層で覆うのは、高温超電導導体に流した電流により発生する電磁界の影響を超電導ケーブル１００の外部に及ぼさないようにするためである。
ところが、高温超電導導体が発生させる電磁界の影響を良好にキャンセルできるような遮蔽率を備えた通電試験装置は、従来技術では提供されていなかった。

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みなされたものであり、高い遮蔽率を得ることができ、超電導ケーブルの性能を試験する装置を従来装置よりも安価に提供できる技術の提供を目的とする。

本発明の性能試験装置は、超電導線材により形成された超電導導体層および前記超電導導体層の外側を囲む超電導シールド層を備えるケーブルコアと、冷媒流路を介し、前記ケーブルコアの外側を囲む断熱管と、を有する超電導ケーブルを用いて前記超電導ケーブルの性能を試験する超電導ケーブルの性能試験装置であって、前記超電導ケーブルの両端部が隣接するように前記超電導ケーブルがループ状に配置され、前記超電導ケーブルの両端部が１つの断熱容器の内部空間と連通するように前記断熱容器に導入され、前記超電導ケーブルの両端部の前記超電導線材が前記断熱容器内に設けられた外部電源接続用通電端子と接続されたことを特徴とする。
本発明を採用すると、超電導ケーブルを接続する断熱容器を１つ設けることにより、超電導ケーブルの性能試験装置を構成できる。このため、従来は２つ必要であった高価な断熱容器を１つ略することができ、装置コストの削減に寄与する。
また、超電導導体層を超電導シールド層で覆っているので、超電導線材が発生させる電磁界をシールドし、遮蔽率を向上させることができるので、交流損失を精度良く測定できる。

本発明の性能試験装置は、前記超電導ケーブルの両端部の超電導シールド層どうしが、前記断熱容器の内部において導体で接続されたことを特徴とする。

超電導シールド層は超電導導体層に通電した場合、超電導導体層が発生させる電磁界をシールドする。１つの断熱容器の内部に超電導ケーブルの両端部を接続し、該断熱容器内部において近接した両端部の超電導シールド層どうしを短い導体で接続することで、この接続部分のインピーダンスを極力小さくできる。このため、超電導シールド層に流れる電流とそれらを繋ぐ導体に流れる電流をより均一な値にすることができ、通電試験時に超電導ケーブルに発生する交流損失を低減できる。また、超電導ケーブルの超電導シールド層間のインピーダンスを小さくできるため、超電導シールド層による遮蔽率を向上できる。このため、超電導導体における交流損失を精度良く測定できる。

本発明の性能試験装置は、前記断熱容器の外面を構成する複数の面のうち、１つの面に前記超電導ケーブルの両端部が接続されたことを特徴とする。

断熱容器の１つの面に超電導ケーブルの両端部を接続した構造では、超電導ケーブル両端部の超電導シールド層を最短距離で近接でき、短い導体で接続できるので、超電導シールド層の低インピーダンス化ができる。
また、断熱容器の１つの面に超電導ケーブルの両端部を接続する構造であれば、超電導ケーブルの端部２つを同時に断熱容器に接続できるため、断熱容器に超電導ケーブルを接続する場合の作業性が向上し、超電導ケーブルの接続が容易となる。

本発明の性能試験装置は、前記超電導ケーブルの冷媒流路と前記断熱容器に冷媒を供給する冷却システムが設けられたことを特徴とする。

冷却システムから冷媒を超電導ケーブルと断熱容器に送ることで超電導ケーブルの内部と断熱容器の内部を個別に効率良く確実に冷却できる。
冷却システムにより冷媒を超電導ケーブルと断熱容器を介し循環できる構造とするならば、超電導ケーブルの全長にわたり十分に冷却した冷媒を供給することができ、超電導ケーブルの冷却を効率良く実施できる。

本発明の性能試験装置は、前記断熱容器に接続された前記超電導ケーブルの一方の端部側に前記冷却システムの冷媒供給口が形成され、前記断熱容器の一部に前記冷却システムの冷媒回収口が形成されたことを特徴とする。

超電導ケーブルの一方の端部に冷媒供給口を向けることでこの冷媒供給口から十分に冷却した冷媒を超電導ケーブルに沿って流すことができ、冷却システムから出されて十分に冷却した低温の冷媒を最初に超電導ケーブルに供給することができ、超電導ケーブルを効率良く確実に冷却できる。

本発明によれば、超電導ケーブルを接続する断熱容器を１つ設けることにより、超電導ケーブルの性能試験装置を構成できる。このため、従来は２つ必要であった高価な断熱容器を１つ略することができ、装置コストの削減に寄与する。
また、超電導導体層を超電導シールド層で覆っているので、超電導線材が発生させる電磁界をシールドし、遮蔽率を向上させることができるので、交流損失を精度良く測定できる。

本発明に係る性能試験装置の全体構成図。 図１に示す性能試験装置に適用される超電導ケーブルの一例を示す断面図。 同性能試験装置における超電導ケーブルと断熱容器および冷却システムの接続構造を示す構成図。 同性能試験装置における超電導ケーブルと断熱容器の配置構造を示す平面略図。 同性能試験装置に適用される超電導ケーブルの冷媒流路を示す構成略図。 同性能試験装置に設けられる超電導ケーブルの第２の例を示す横断面図。 同性能試験装置の一例を用いて得られた超電導ケーブルにおける導体電流波形とシールド層電流波形を示すグラフ。 従来の交流通電試験装置の一例を示す構成図。

以下、本発明に係る超電導ケーブルの性能試験装置について図面を参照し説明する。
図１は本発明に係る性能試験装置の第一実施形態を示すもので、この第一実施形態の性能試験装置Ａは、ループ状（平面視Ω形状）に配置された超電導ケーブル１と、該超電導ケーブル１の両端部を接続した断熱容器２と、前記超電導ケーブル１および断熱容器２に液体窒素などの冷媒を循環させるための冷却システム３と、超電導ケーブル１に通電するためのリード装置５を主体として構成されている。

本実施形態の性能試験装置Ａに設けられている超電導ケーブル１は、一例として図２に示すように、金属２重管等からなる断熱管６の内部にケーブルコアＣを収容し構成されている。断熱管６はステンレス鋼材などからなる外管６ａと内管６ｂとからなり、外管６ａと内管６ｂとの間に真空断熱層６ｃが形成され、断熱管６の内側に冷媒流路Ｒを構成するようにケーブルコアＣが収容されている。このケーブルコアＣは、中心部に配置された銅撚線構造のフォーマ７と、その外周側に順次形成された超電導導体層８と電気絶縁層９と超電導シールド層１０と金属シールド層１１と絶縁保護層１２を備えて構成されている。冷媒流路６は例えばケーブルコアＣの全周を全長にわたり取り囲むように形成されている。

前記フォーマ７の外周に螺旋状に巻回されているテープ状の超電導線材１６により超電導導体層８が形成されている。
本実施形態では、テープ状の超電導線材１６として、金属基材上に配向中間層、ＲＥ系超電導層、安定化層が形成されたＲＥ１２３系酸化物超電導線材やＡｇなどのシースにＢｉ２２２３などの多芯線が内包されたＢｉ系酸化物超電導線材などを適用できる。また、実際に用いられている超電導線材の寸法は幅３〜１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ程度である。なお、本実施形態の超電導導体層８は必要本数の超電導線材１６を所定のピッチで螺旋状に巻き付けられて４層構造に形成されている。

図３は、超電導ケーブル１が断熱容器２に接続されるとともに、断熱容器２に冷却システム３が接続された装置全体の概略構成を示す。断熱容器２は、横向き円筒状の本体部２Ａと、この本体部２Ａの一側の側面２ａに図４にも示すように２本隣接して突出形成された接続管２Ｂと、本体部２Ａの上部側に突出形成されたブリッジ型のヘッド部２Ｃから概略構成されている。断熱容器２において、本体部２Ａ、２つの接続管２Ｂとヘッド部２Ｃの周壁部分がいずれもステンレス鋼材等で構成された真空断熱２重壁構造とされている。
図３ではループ状に配置されている超電導ケーブル１をＵ字状に簡略化して示し、接続管２Ｂとヘッド部２Ｃを略し、冷媒流路Ｒと冷却システム３の接続部分並びに冷媒の流れ方向を主に示す。超電導ケーブル１の両方の端部１ａは、断熱容器２の１つの側面２ａに接続管２Ｂを介し接続され、超電導ケーブル１の内部にその全長にわたり形成されている冷媒流路Ｒは断熱容器２の内部２ｄ側に接続されている。

超電導ケーブル１の内部に形成されている超電導シールド層１０は、図３に示すように本体部２Ａの内側にまで延出され、本体部２Ａの内側において短尺の導体（導線）２４によって電気的に接続されている。本実施形態で用いる導体２４は、２枚の金属端子板を平編み組線で接続した構造の平編み組線可とう端子などの構造であることが好ましい。
また、断熱容器２のヘッド部２Ｃには左右に２本の電流リード２５が離間して鉛直向きに導入され、一方の電流リード２５に超電導ケーブル１の一端側の超電導導体層８が電気的に接続され、他方の電流リード２５に超電導ケーブル１の他端側の超電導導体層８が電気的に接続されている。これらの電流リード２５に超電導線材１６が接続された部分には、銅板などの良伝導性金属板からなる外部電源接続用端子２９が設けられている。
超電導線材１６を外部電源接続用端子２９に電気的に接続する部分は、一例として電流リード２５の一部を金属安定化層の表面に半田付けするなどの接合手段で接合することができる。

図１に示すように、前記電流リード２５の上部側は、ヘッド部２Ｃの上端から上方に延出され、電流リード２５の上端部に通電用リードケーブル２６が電気的に接続されている。また、通電用リードケーブル２６の一部に通電用トランス２７が接続されている。ここで、符号２８は通電用トランス２７に接続された通電増幅器であり、これらによりパルス電圧を印加するための課電装置（外部電源）が構成される。

なお、図では略しているが、超電導導体層８に接続された一対の電圧端子と通電用導体に接続された一対の電流検出端子を接続するように４本のリード線が接続されていて、各リード線は４端子法により交流損失を計測できるように超電導ケーブル１の外部に引き出されて図示略の計測装置に接続されている。

冷却システム３は、図３に示すように断熱容器２の近傍に設置された貯留タンク（リサーバタンク）３０と冷却装置（サブクーラー）３１と液体窒素を貯留した冷媒供給源（液体窒素タンク）３２とを備えている。
断熱容器２の上部壁に断熱容器２の内部２ｄと貯留タンク３０とを接続する戻管３３が形成され、貯留タンク３０と冷却装置３１とが連通管３５を介し接続されている。断熱容器２の壁部において戻管３３が接続された部分に冷媒回収口３３ａが形成され、断熱容器２の内部２ｄから冷媒を貯留タンク３０に戻すための回収口とされている。

前記貯留タンク３０の内部に移送ポンプ３６が設置され、貯留タンク３０の内部に貯留されている液体窒素などの冷媒を連通管３５を介し冷却装置３１の内部側へ移動できるように構成されている。連通管３５は冷却装置３１の内部側に引き込まれ、冷却装置３１の内部に設けられている熱交換器３７に接続されている。この熱交換器３７の出口側は供給管３８に接続され、供給管３８が分岐されて第１の分岐管３９が超電導ケーブル１の一端側に接続され、第２の分岐管４０が断熱容器２の内部２ｄに接続されている。

冷却装置３１には液体窒素などの冷媒供給源３２が供給管４１を介し接続され、冷媒供給源３２からの冷媒を内部に貯留できるように構成されている。このため、冷媒を用いて熱交換器３７を冷却することにより熱交換器３７の内部を通過する冷媒を冷却できるように構成されている。また、冷却装置３１の上部側には減圧排気用の排気管４２が接続されていて、冷却装置内部の圧力を調節できるようになっている。
なお、冷媒供給源３２から冷却装置３１に供給した液体窒素などの冷媒を冷却装置３１の内部を減圧排気することで更に低温に冷却し、十分に低い温度の過冷却状態の液体窒素としておくならば、熱交換器３７を通過する液体窒素などの冷媒を十分に温度の低い過冷却冷媒にすることができる。このため、第１の分岐管３９と第２の分岐管４０を介し超電導ケーブル１あるいは断熱容器２側に送る冷媒を個別に十分に温度の低い過冷却冷媒とすることができる。

前記第１の分岐管３９は、超電導ケーブル１の一端側に接続されているが、その接続部分の構造と超電導ケーブル１の内部に形成されている冷媒流路Ｒの構造について以下に説明する。
図５に超電導ケーブル１の冷媒流路Ｒの全体構成と第１の分岐管接続部分の構成、並びに、超電導ケーブル１の両端側の断熱容器２に対する接続部分の構造を簡略化して示す。図５では平面視Ω状に配置されている超電導ケーブル１を簡略説明するため直線状に描いている。また、ケーブルコアＣとその外方に設けられている断熱管６との間の冷媒流路Ｒの部分を誇張して記載している。

超電導ケーブル１の一端側において断熱管６の端部側にはＦＲＰ管などからなる第１の接続管４３が継手部材４５を介し接続され、この継手部材４５の部分に第１の分岐管３９の一端部が接続されている。継手部材４５に対し第１の分岐管３９が接続された部分は冷媒供給口３９ａが形成され、この冷媒供給口３９ａを介し第１の分岐管３９から冷媒を超電導ケーブル１の冷媒流路Ｒ側あるいは第１の接続管４３側に流入できるように構成されている。第１の接続管４３は断熱容器２の側壁２Ａに形成されている図示略の透孔部を介し断熱容器２の内部２ｄ側に接続されている。超電導ケーブル１のケーブルコアＣは第１の接続管４３の中心部を挿通し、断熱容器２の内部側にまで引き込まれ、この引込部分には銅からなる端子部４６が設けられている。なお、図５において第１の接続管４３の端部から断熱容器２の内部側に通じる部分の構造は簡略化して記載し、冷媒の流れる方向を矢印ｒ２で示している。

超電導ケーブル１の他端側において断熱管６の端部側にはＦＲＰ管などからなる第２の接続管４７が接続され、第２の接続管４７は断熱容器２の側壁２Ａに形成されている図示略の透孔部を介し断熱容器２の内部２ｄ側に接続されている。図５においては超電導ケーブル１の両端側に別々に側壁２Ａが描かれているが、上述した如く超電導ケーブル１は平面視Ω状に配置されているので、実際には断熱容器２の１つの側壁２Ａに対し超電導ケーブル１の両端部が相互に隣接し接続されている。

前記第１の接続管４３と第２の接続管４７は、内径が異なる管体であり、第１の接続管４３の内径が第２の接続管４７の内径よりも小さく形成されている。一例として、第１の接続管４３の内径が５０ｍｍ、第２の接続管４７の内径が８０ｍｍとされている。また、第１の接続管４３と第２の接続管４７の長さは８５０〜９００ｍｍ程度に形成されている。第１の接続管４３と第２の接続管４７の内径が上述のように異なることで、第１の分岐管３９から超電導ケーブル１の冷媒流路Ｒを介し第２の接続管４７側に流れようとする場合の流路抵抗と、第１の分岐管３９から第１の接続管４３側に流れようとする場合の流動抵抗が異なる。これにより、第１の分岐管３９から流路側に入った冷媒は、流動抵抗の逆比で分流される結果、図５に示すように超電導ケーブル１の冷媒流路側に流れようとする矢印ｒ１で示す冷媒の流れが大きく、第１の接続管４３の側に流れようとする冷媒の流れは小さくなる。このように流動抵抗の逆比を利用することで導入した冷媒の多くを超電導ケーブル１側に流すことができ、冷却システム３から導入した初期の温度の低い冷媒を用いて超電導ケーブル１の全長を効率良く冷却できる。

なお、本実施形態の試験装置に用いる液体窒素として、６７Ｋ〜７７Ｋ程度に冷却した液体窒素を適用することができ、冷媒の循環流量として例えば最大５０Ｌ／分の流量を設定することができる。また、冷却容量として例えば２ｋＷを設定できる。

図１に示すように構成された超電導ケーブル１の性能試験装置Ａは、冷媒供給源３２から冷却装置３１に液体窒素などの冷媒を供給するとともに、移送ポンプ３６により冷媒を連通管３５から熱交換器３７を介し第１の分岐管３９を介し超電導ケーブル１側に供給するとともに、冷媒を第２の分岐管４０を介し断熱容器２の内部側に供給する。また、戻管３３を介し断熱容器２の内部から冷媒を貯留タンク３０に戻すことにより、冷却システム３と超電導ケーブル１および断熱容器２との間において冷媒の循環を行う。
なお、冷媒の循環の前段階として、窒素ガスなどの冷却ガスを別途断熱容器２の内部と超電導ケーブル１の冷媒流路Ｒに流し、予備冷却しておくことができる。断熱容器２の内部と超電導ケーブル１の冷媒流路Ｒの内部温度を計測し、冷媒として使用する予定の液体窒素温度近くまで予備冷却した後、液体窒素を実際に流して断熱容器２の内部と超電導ケーブル１の内部を試験対象温度に冷却できる。

以上の操作により超電導ケーブル１の内部と断熱容器２の内部を常温の状態から徐々に冷却し、最終的に液体窒素の冷媒により６７〜７７Ｋあるいはそれよりも低い過冷却状態の液体窒素温度に冷却する。

超電導ケーブル１に設けられている超電導シールド層１０は、超電導導体層８に通電した電流とは逆相の電流が流れる結果、シールド効果を発揮し、磁場を外部に漏らさない特徴を発揮する。
さらに、以上構成の性能試験装置Ａによれば、断熱容器２の本体部２Ａの一側側面２ａにループ状の超電導ケーブル１の両端部を接続しているので、断熱容器２の内部において超電導ケーブル１の超電導シールド層１０どうしを短尺の導体２４によって短絡できる。これにより、超電導シールド層１０のインピーダンスを極力小さくできるので、超電導シールド層１０を流れる電流と超電導導体層８を流れる電流を均一化できるので、シールド時の遮蔽率を向上させた超電導ケーブル１を備えた性能試験装置Ａを提供できる。

また、超電導シールド層１０の遮蔽率が高いので外部に電磁界の影響を与えない性能試験装置Ａを提供できる。更に、遮蔽率が高い為外部への漏れ磁束を少なくできるので、交流通電試験時に断熱管６の部分で渦電流損失が少ない状態にできる。このため、渦電流損失の少ない状態で超電導ケーブル１の性能試験を行うことができる性能試験装置Ａを提供できる。
また、平面視Ω型のループ形状に配置した超電導ケーブル１に冷媒を流し、通電試験できる装置であれば、超電導ケーブル１をドラムにコイル状に巻き付けた場合の影響、超電導ケーブル１をループさせた状態の影響などについて、再現性良く試験できる。

前記性能試験装置Ａにおいて、断熱容器２の一側面に超電導ケーブル１の両端部を近接させて断熱容器２の内部で接続しているので、短い導体２４で超電導シールド層１０どうしを短絡でき、液体窒素で冷却する導体の温度をより低くすることにより更に低抵抗化できるため、より一層インピーダンスを低減できる。
また、超電導ケーブル１を断熱容器２に接続する場合の作業性についても同一の側面に超電導ケーブル１の両端を接続した構造の方が、超電導ケーブルの端部２つを同時に断熱容器２に接続できるようになるため、断熱容器２に超電導ケーブル１を接続する場合の作業性が向上し、超電導ケーブル１の接続が容易となる。

次に、本実施形態の性能試験装置Ａにおいて、冷却システム３で冷却した直後の温度の低い冷媒を第１の分岐管３９から超電導ケーブル１の一端側に供給し、その後、分流させて主体とする流れを超電導ケーブル１の他端側に向けて流すようにしている。このため、冷却目的とする超電導ケーブル１の内部を温度の低い冷媒で効率良く冷却できる。ここで例えば、断熱容器２の一部に冷媒の流入口を設け、断熱容器２の他の部分に冷媒の回収口を設けて循環を行っても冷却目的の超電導ケーブル１の内部側に十分な量の冷媒を循環できないおそれがある。また、断熱容器２側に冷媒の流入口を設け、超電導ケーブル１の一部に冷媒の回収口を設けた場合、断熱容器２を一端通過して温度が上昇した後の冷媒を超電導ケーブル１に供給することとなるので、冷却効率は低下するおそれがある。なお、断熱容器２の断熱性が完全であれば問題はないが、断熱容器２は容積が大きく、電流リード２５が挿入された構造なので、外部から熱が侵入するおそれの高い部材が存在するので、冷却システム３で冷媒した冷媒を直に超電導ケーブル１の全長に沿って送る本実施形態の構造が望ましい。

上述の実施形態においては、適用する超電導ケーブルとして図２に示す断面構造の超電導ケーブル１を用いたが、本発明の通電試験装置Ａに適用する超電導ケーブルの構造は図２に示す構造に限らない。

図６に示す超電導ケーブル５０は、大きく分けてケーブルコア６０および断熱管６１により形成されている。ケーブルコア６０は、撚線からなるフォーマ５１の外周にテープ状の超電導線材５２を巻線状に複数層、例えば、４層配置して超電導導体層５３を形成し、その外周に絶縁層５５、５６を形成し、更に２層の超電導シールド層５７を形成し、更に金属シールド層５８と保護層５９を形成して構成されている。そして、このケーブルコア６０を２重管構造の断熱管６１の内部に冷媒流通用の間隙６２をあけて収容し、全体を保護層６３で覆ってなる構造とされている。
図６に示す超電導ケーブル５０についても先に説明した超電導ケーブル１と同様にループ状に配置して断熱容器２に接続し、通電試験装置に適用することができる。

以下、実施例を示しつつ本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
「試験例１」
銅撚線からなる断面積１４０ｍｍ^２、外径２０ｍｍのフォーマを用意し、その外周に半導電テープ層を配して外径２２ｍｍの半導電層付きフォーマを構成した。この半導電層付きフォーマの外周に、幅４ｍｍの超電導線材を４層構造として合計５９本所定ピッチで巻き付けて、４層構造の超電導導体層を形成した。超電導導体層の第１層〜第３層は１５本／層、第４層目は１４本／層としている。

超電導線材は、テープ状の金属基材上に、Ａｌ_２Ｏ_３層と、Ｙ_２Ｏ_３層と、ＭｇＯ中間層と、ＣｅＯ_２キャップ層と、ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ超電導層と、Ａｇからなる第１の安定化層と、Ｃｕからなる第２の安定化層を備えた構造を採用した。

超電導線材を４層構造とした超電導導体層の外周にクラフト紙からなる絶縁層を被覆して、さらにこの絶縁層の外周に２層構造の超電導シールド層を形成した。ここで、超電導シールド層は、２層合計で５３本の超電導線材を螺旋状に巻きつけて形成されている。
次いで銅テープを螺旋状に巻きつけて金属シールド層を２層形成し、更に不織布からなる保護層を巻きつけてケーブルコアを形成した。最後にこのケーブルコアを内径６４ｍｍ、外径１１０ｍｍの二重ステンレスコルゲート管（断熱管）に収容し、性能試験に供する全長１６ｍの超電導ケーブルを作製した。

次に超電導ケーブル一端側の端末部を内径５０ｍｍ、長さ９００ｍｍのＦＲＰ製の第１の接続管により接続し、超電導ケーブルの他端側を内径８０ｍｍ、長さ８５０ｍｍのＦＲＰ製の第２の接続管により接続し、平面視Ω状にループさせて超電導ケーブルを断熱容器に接続した。
さらに超電導ケーブルの両端を断熱容器の内部側まで引き込み、断熱容器の内部において断面積８００ｍｍ^２、長さ４００ｍｍの平編み組線可とう端子により超電導ケーブル両端の超電導シールド層同士を短絡した。なお、ループ状に配置されている超電導ケーブルの両端部が断熱容器の一側面に接続されている構造において、断熱容器の一側面に沿って超電導ケーブル両端部が離間している距離は４９０ｍｍである。

そして、上記の構造を図４に示すように円形状の部分の半径Ｒ１を１５００ｍｍ、円形部長さＬ１を１０．４ｍ、直線部長さＬ２を４２００ｍｍとして配置した。これにより、Ｌ２＋Ｒ３で示される損失測定部位約８ｍ長の超電導ケーブルが構成された。

以上構成の超電導ケーブルに対し、断熱容器とともに真空引きを行い、窒素ガス充填を数回繰り返した後、蒸発冷却した窒素ガスにて常温状態から徐冷した。そして、超電導ケーブルから排出される窒素ガスの温度が−１９０℃前後に到達した時点で図３に示す冷却システムを用いて第１の分岐管から超電導ケーブルに対し１０Ｌ／分の割合で、断熱容器に対して４０Ｌ／分の割合で液体窒素を供給しつつ循環冷却した。

次に、上述の構成の通電試験装置を用い、通電サイクル試験を行った。上述の循環冷却開始後、通電電流１０００Ａｒｍｓ〜３０００Ａｒｍｓ、供給液体窒素温度７３Ｋ、供給液体窒素流量１０Ｌ／分（超電導ケーブル側）、４０Ｌ／分（断熱容器側）の条件で試験を行った。

次に、上述の構成の通電試験装置を用い、交流通電試験の一環として、通電電流３ｋＡｒｍｓ、液体窒素温度７３Ｋにて超電導導体層と超電導シールド層の交流通電特性（電流波形）を確認した。その結果を図７に示す。
図７に示すように超電導線材の導体電流に対し、超電導シールド層に流れるシールド電流の比較から、遮蔽率は９８％に達した。この遮蔽率はこの種の通電試験装置として極めて優れた値である。

本実施例構造においてこのような高い遮蔽率となったのは、超電導ケーブル両端の超電導シールド層同士を断熱容器の内部において近接させて配置し、近接距離において導体にて接続することで、超電導シールド層のインピーダンスを小さくできたためである。例えば、先の非特許文献１に記載されている技術であれば、気中接続箱を２つ離間して設け、両接続箱に接続されている超電導シールド層の端部同士を配線にて接続する必要があるので、超電導シールド層同士の接続部分を短い距離とすることは難しい。この点において、１つの断熱容器の内部に引き込んでいる超電導シールド層の端末同士を導体で短距離接続するならば、導体の長さを極力短くできるので、超電導シールド層の端末同士の接続部分においてインピーダンスの増加を抑えることができる。

この低インピーダンス化により遮蔽率が向上し、良好な超電導シールド特性を発揮し得る超電導ケーブルの通電試験ができた。なお、遮蔽率が高い場合、外部への漏れ磁束が少ないことを意味するので、断熱管がステンレス鋼材などからなる場合であっても、断熱管における交流通電時の渦電流損失を抑制できる。

本発明は、例えば大きな電流を流すことが可能であり、交流損失を低減した超電導ケーブルの実証試験を行うことができる技術の提供に関する。

Ａ…性能試験装置、Ｃ…ケーブルコア、１…超電導ケーブル、２…断熱容器、３…冷却システム、５…電流リード、６…断熱管、６ａ…外管、６ｂ…内管、７…フォーマ、８…超電導導体層、９…電気絶縁層、１０…超電導シールド層、１１…金属シールド層、１２…絶縁保護層、１３…金属線、１６…超電導線材、１７…基材、２０…超電導導体層、２１…第１の安定化層、２２…第２の安定化層、２３…絶縁保護層、２９…外部電源接続用端子、３１…冷却装置、３２…冷媒供給源、３３…戻管、３５…接続管、３６…移送ポンプ、３９…第１の分岐管、４０…第２の分岐管、４３…第１の接続管、４５…継手部材、４７…第２の接続管、５０…超電導ケーブル、５１…フォーマ、５２…超電導線材、５３…超電導導体層、５７…超電導シールド層、６０…ケーブルコア、６１…断熱管。

Claims (5)

1. 超電導線材により形成された超電導導体層および前記超電導導体層の外側を囲む超電導シールド層を備えるケーブルコアと、冷媒流路を介し、前記ケーブルコアの外側を囲む断熱管と、を有する超電導ケーブルを用いて前記超電導ケーブルの性能を試験する超電導ケーブルの性能試験装置であって、
   前記超電導ケーブルの両端部が隣接するように前記超電導ケーブルがループ状に配置され、前記超電導ケーブルの両端部が１つの断熱容器の内部空間と連通するように前記断熱容器に導入され、前記超電導ケーブルの両端部の前記超電導線材が前記断熱容器内に設けられた外部電源接続用通電端子と接続されたことを特徴とする超電導ケーブルの性能試験装置。
2. 前記超電導ケーブルの両端部の超電導シールド層どうしが、前記断熱容器の内部において導体で接続されたことを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブルの性能試験装置。
3. 前記断熱容器の外面を構成する複数の面のうち、１つの面に前記超電導ケーブルの両端部が接続されたことを特徴とする請求項１または２に記載の超電導ケーブルの性能試験装置。
4. 前記超電導ケーブルの冷媒流路と前記断熱容器に冷媒を供給する冷却システムが設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の超電導ケーブルの性能試験装置。
5. 前記断熱容器に接続された前記超電導ケーブルの一方の端部側に前記冷却システムの冷媒供給口が形成され、前記断熱容器の一部に前記冷却システムの冷媒回収口が形成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の超電導ケーブルの性能試験装置。