JP2016110996A - 超電導ケーブル - Google Patents
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Abstract
Description
各ケーブルコアは、前記接地層の外周に個別耐アーク層を備える。
前記ケーブルコアの外周と前記外管の内周との間には、前記複数のケーブルコアを一括して覆う包括耐アーク層を備える。
各個別耐アーク層は、隣り合うケーブルコアの個別耐アーク層を合わせることで、これらケーブルコア間のアーク放電を遮断するように構成される。
前記包括耐アーク層は、前記各ケーブルコアの個別耐アーク層と合わせることで、前記各ケーブルコアから前記断熱管へのアーク放電を遮断するように構成される。
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
(1)本発明の一態様に係る超電導ケーブルは、超電導導体層と、上記超電導導体層の外周に電気絶縁層を介して設けられる接地層とを備える複数のケーブルコアと、上記複数のケーブルコアを収納すると共に液体冷媒が充填される内管と、上記内管の外周に設けられて、上記内管との間に断熱層を形成する外管とを含む断熱管とを備える。
各ケーブルコアは、上記接地層の外周に個別耐アーク層を備える。
上記ケーブルコアの外周と上記外管の内周との間には、上記複数のケーブルコアを一括して覆う包括耐アーク層を備える。
各個別耐アーク層は、隣り合うケーブルコアの個別耐アーク層を合わせることで、これらケーブルコア間のアーク放電を遮断するように構成される。
上記包括耐アーク層は、上記各ケーブルコアの個別耐アーク層と合わせることで、上記各ケーブルコアから上記断熱管へのアーク放電を遮断するように構成される。
例えば、包括耐アーク層が内管の内側に存在すれば、このアーク放電が断熱管の内管に達することを両耐アーク層によって実質的に遮断でき、内管に孔が開くといった断熱管の損傷を防止できる。
包括耐アーク層が内管の外側(特に、内管の外周面上)、又は外管の内側(特に、外管の内周面上)、又は内管と外管との間の内部空間に存在すれば、個別耐アーク層によって内管へのアーク放電を低減でき、仮に内管に孔が開いても、両耐アーク層によって、外管へのアーク放電を実質的に遮断でき、外管に孔が開くといった断熱管の損傷を防止できる。
このように両耐アーク層を備える上記の超電導ケーブルは、ケーブル外へのアーク放電を防止できる。
例えば、各ケーブルコアに備える個別耐アーク層の厚さは、単独ではアーク放電を十分に遮断できずに短絡が生じ得るが、二つの個別耐アーク層を合計すればアーク放電を実質的に遮断できる厚さとすることができる。また、各個別耐アーク層の厚さ及び包括耐アーク層の厚さは、個別耐アーク層又は包括耐アーク層のみを備える場合にはアーク放電を十分に遮断できずにケーブル外にアーク放電が達する恐れがあるが、個別耐アーク層と包括耐アーク層との双方を備えて、これら両耐アーク層を合計すればアーク放電を実質的に遮断できる厚さとすることができる。
上記の超電導ケーブルは、このように個別耐アーク層と包括耐アーク層との双方を備えることで、各耐アーク層の厚さを薄くできるため、両耐アーク層の具備によるケーブル径の増大を低減できる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態の具体例を説明する。図において同一符号は同一名称物を示す。図1〜図4に示す断熱管2A〜2Dは二重構造のコルゲート管であり、内管21では、最小径部分を断面で示し、図1,図2,図4では更に最大径部分の外側の輪郭線を細線で示し、外管22では、最大径部分を断面で示し、図1〜図3では更に最小径部分の内側の輪郭線を細線で示す。
図1を参照して、実施形態1の超電導ケーブル1Aを説明する。
・全体構成
実施形態1の超電導ケーブル1Aは、図1に示すように、超電導導体層12、電気絶縁層13、接地層14を備える複数のケーブルコア10(以下、コア10と呼ぶことがある)と、複数のコア10を収納する断熱管2Aとを備える多心一括ケーブルである。この例ではコア10a,10b,10cを備える3心一括ケーブルである。超電導ケーブル1Aは、布設されて送電路を構築する。
・・フォーマ
フォーマ11は、超電導導体層12を支持する支持部材である。具体例として、管材などの中空体や、複数の素線を撚り合わせた撚り線、複数の撚り線を更に撚り合わせた撚り合せ体などの中実体などが挙げられる。主たる構成材料は、銅やアルミニウム、その合金といった常電導材料が挙げられる。上記素線は、金属導体線が絶縁被覆で覆われた被覆線が挙げられる。
超電導導体層12は、フォーマ11の外周に複数の超電導線材を巻回して形成された線材層が挙げられる。超電導線材は、Bi2223といったビスマスを含む酸化物系銀シース線材や、RE123といった希土類元素を含む酸化物系薄膜線材などのテープ状線材が挙げられる。線材層や線材の使用本数などは、所定の電力量に応じて選択できる。線材層は、多層、単層のいずれも利用できる。多層の場合、絶縁紙などを巻回した層間絶縁層(図示せず)を設けることができる。
電気絶縁層13は、超電導導体層12とその外側に配置された接地層14との間に介在し、両者の電気的絶縁を確保する。電気絶縁層13は、クラフト紙や、樹脂とクラフト紙とを含む半合成紙などの絶縁紙を超電導導体層12の外周に巻回して形成された巻回層が挙げられる。半合成紙は、ポリプロピレン樹脂とクラフト紙とを含むもの、例えば、PPLP(Polypropylene Laminated Paper)(登録商標)が挙げられる。電気絶縁層13内外に半導電層(図示せず)を設けることができる。
接地層14は、超電導導体層12の外周に電気絶縁層13を介して設けられ、接地電位をとるための導電部である。接地層14は、上述の超電導線材、銅などの常電導材料からなる線材やテープ材、編組材などを適宜巻回して形成された巻回層が挙げられる。接地層14が超電導線材によって形成されている場合、接地層14を、交流送電では超電導シールド層に利用できる。
ここで、従来のケーブルコアは、超電導線材などの導電材料で構成される接地層14の機械的保護、この接地層14と金属で構成される断熱管2Aとの間の電気的絶縁などを目的として、接地層14の外周に保護層を設けている。これらの目的から、従来のケーブルコアでは、保護層をクラフト紙などの電気絶縁材料で構成している。実施形態1の超電導ケーブル1Aは、超電導ケーブル1A自身に地絡などの事故が生じた場合に、あるケーブルコア10の電気絶縁層13が絶縁破壊して超電導導体層12から接地層14にアーク放電が発生し、更にはこのアーク放電が近接する別のコア10に達したり、断熱管2Aに達したりすることを低減するために、接地層14の外周に個別耐アーク層30を備える。
個別耐アーク層30は、上記保護層の機能を兼備する形態の他、機械的保護及び電気的絶縁などを目的とする保護層(図示せず)を別途備える形態とすることができる。
保護層の構成材料は、クラフト紙などの絶縁紙、綿などの布、PPLPといった半合成紙などの絶縁材が挙げられる。保護層は、これら絶縁材からなるテープ材が巻回されてなる巻回層が挙げられる。
上記地絡などの事故時に各コア10から断熱管2Aへのアーク放電の遮断に必要な各個別耐アーク層30の最小厚さをtiとし、仮に、各個別耐アーク層30の厚さをtiとする。隣接するコア10間(例えばコア10a,10b間など)には、これら2心分の個別耐アーク層30,30が介在して、合計厚さが2×tiとなる。この厚さ2×tiの耐アーク層は、隣接するコア10間でのアーク放電の遮断に必要な最小厚さtiに対して、過剰である。従って、各コア10にのみ耐アーク層を備える構成では、その厚さをある程度厚くするために、コア径の増大、更にケーブル径の増大、ひいては超電導ケーブル1Aの大型化を招く。
詳しくは、各個別耐アーク層30は、各コア10の接地層14の外周に設けられて、隣り合うコア10、例えばコア10a,10bの個別耐アーク層30,30を合わせることで、これらコア10a,10b間のアーク放電を遮断するように構成される。
包括耐アーク層32は、複数のコア10の外周と断熱管2Aの外管22の内周との間に設けられて、各コア10、例えばコア10aの個別耐アーク層30と合わせることで、コア10aから断熱管2Aへのアーク放電を遮断するように構成される。
複数のコア10の外周と外管22の内周との間とは、具体的には、内管21の内周面を含む内側、内管21の外周面を含む外側、外管22の内周面を含む内側、内管21と外管22との間の空間が挙げられる。この例の包括耐アーク層32は、内管21の内側であり、特に複数のコア10の直上に位置する。
・・材質
各ケーブルコア10に備える個別耐アーク層30は、上述のように地絡などの事故時に超電導導体層12から接地層14を経て、近接する別のコア10へのアーク放電や断熱管2Aへのアーク放電をある程度低減できる耐アーク性、又は耐トラッキング性、又は耐熱性を有していればよい。但し、複数のコア10のうち、近接する二つのコア10の個別耐アーク層30,30を合わせることで、これらのコア10間のアーク放電を実質的に遮断できる程度の耐アーク性、又は耐トラッキング性、又は耐熱性などを有することとする。かつ、各個別耐アーク層30と、包括耐アーク層32とを合わせることで、各コア10と断熱管2A間のアーク放電を実質的に遮断できる程度の耐アーク性、又は耐トラッキング性、又は耐熱性などを有することとする。
高耐熱性繊維は、例えば、メタ系アラミド繊維、PPS繊維、PI繊維、フッ素繊維などが挙げられる。
不燃性繊維は、例えば、ガラス繊維、セラミックス繊維などが挙げられる。
ガラス繊維の構成材料は、代表的には、シリカ(SiO2)が挙げられる。セラミックス繊維などを構成するセラミックスは、金属酸化物、例えば、酸化アルミニウム(アルミナ)、酸化ホウ素、その他、金属炭化物や金属窒化物などが挙げられる。シリカとセラミックスとを含む繊維、例えば、シリカとアルミナとを含むセラミックス繊維や、複数種のセラミックスを含む繊維、例えば、シリカと酸化ホウ素とアルミナとを含むセラミックス繊維などが挙げられる。
ガラス繊維やセラミックス繊維は、耐アーク性により優れる耐アーク層を形成できる。そのため、各耐アーク層30,32の厚さやこれらの合計厚さなどをより薄くできる。アラミド繊維は、強度にも優れる耐アーク層を形成できる。従って、耐アーク層30,32の構成材料には、ガラス繊維、セラミックス繊維、及びアラミド繊維の少なくとも一種の高耐アーク材料を含むことが好ましい。ガラス繊維及びセラミックス繊維の少なくとも一方と、アラミド繊維とを含むことができる。
シリコーン樹脂やシリコーンゴムに対して耐アーク性向上の充填材として、アルミナ三水和物などのアルミナ系化合物などが挙げられる。シリコーン樹脂やシリコーンゴムに対して強度などの向上の充填材として、シリカ(酸化珪素)などが挙げられる。PPS樹脂やPPS繊維の配合剤として、以下の分解吸熱フィラーや、ポリマーが完全燃焼したときに二酸化炭素と水になることを促進する炭化抑制剤などが挙げられる。分解吸熱フィラーの構成材料は、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、ホウ酸カルシウム、ホウ酸亜鉛などが挙げられる。充填材や配合剤は、公知のものを利用できる。
耐アーク層30,32の少なくとも一方は、上述の有機材料や無機材料、好ましくは高耐アーク材料から構成されるテープ材(シート材を含む)が巻回されてなる巻回層を含むと、耐アーク層30,32を容易に設けられて製造性に優れる。耐アーク層30,32の全体が実質的に巻回層で構成された形態とすることができる。
個別耐アーク層30がテープ材の巻回層である場合、例えば、所望の厚さや幅のテープ材を用意して、接地層14の外周などに巻回することで、所望の厚さの個別耐アーク層30を容易に形成できる。
包括耐アーク層32がテープ材の巻回層である場合、例えば、個別耐アーク層30を備えるケーブルコア10を複数集めて、又は適宜撚り合わせて、その外周に所望の厚さや幅のテープ材を巻回することで、所望の厚さの包括耐アーク層32を容易に形成できる。
この例のように、複数のコア10間を渡るように包括耐アーク層32を備える場合、包括耐アーク層32は、複数のコア10を一括する巻回層を含むと形成し易い。
半合成紙層は、金属テープ材や金属線などで構成される接地層14の表面を平滑にしたり、金属テープ材などを押えたり、ガラス繊維による接地層14の損傷を防止したりして、無機繊維層の下地層として機能する。また、半合成紙層は保護層としても機能する。特に、PPLPなどの半合成紙は、例えばクラフト紙などの絶縁紙よりも耐アーク性に優れるため、耐アーク層30,32の合計厚さを薄くして、ケーブルコア10の小径化に寄与する。
無機繊維層がガラス繊維で構成される場合には、ガラス繊維は難燃性に優れるため、耐アーク性に優れる耐アーク層の構築に寄与する。無機繊維層がセラミックス繊維で構成される場合には、セラミックス繊維はガラス繊維よりも耐アーク性に優れるため、耐アーク性により優れる耐アーク層の構築に寄与する。無機繊維層がガラス繊維とセラミックス繊維との双方を含む場合には、耐アーク性に一層優れる耐アーク層とすることができる。
有機繊維層は、無機繊維層と共に備えることで耐アーク性を更に高められると共に、アラミド繊維、特にパラ系アラミド繊維といった高強度・高弾性率繊維で構成されることで、機械的強度をも高められる。
無機繊維層や有機繊維層は、テープ材の巻回層、シート材の接合層、繊維を含む複合材料の押出層などが挙げられる。
耐アーク層30,32は、厚いほどアーク放電を遮断し易いが、厚過ぎるとコア径の増大、この例ではコア集合体10Aの大型化、ひいては超電導ケーブル1Aの大型化を招く。各個別耐アーク層30の厚さ及び包括耐アーク層32の厚さは、近接する二つのケーブルコア10,10の個別耐アーク層30,30の合計厚さが両コア10,10間のアーク放電を実質的に遮断できる厚さとなり、かつ、各個別耐アーク層30と包括耐アーク層32との合計厚さが各コア10と断熱管2A間のアーク放電を実質的に遮断できる厚さとなるように調整する。耐アーク層の材質などにもよるが、上述の高耐アーク材料のうち、樹脂などの非金属材料や繊維、金属から構成される場合には、個別耐アーク層30の厚さは、0.5mm以上10mm以下、更に1mm以上5mm以下、包括耐アーク層32の厚さは、0.1mm以上10mm以下、更に1mm以上5mm以下、両耐アーク層30,32の合計厚さは、1mm以上20mm以下、更に2mm以上10mm以下が挙げられる。耐アーク層30,32の厚さや合計厚さが上述の範囲であれば、小径なコア10や超電導ケーブル1Aとし易い。
耐アーク層30,32の少なくとも一部に、強度などの機械的特性に優れる繊維、特に上述の高強度繊維や上述の高強度・高弾性率繊維から構成される高強度層を備えることができる。個別耐アーク層30に高強度層を備える場合や、包括耐アーク層32に高強度層を備えると共にこの例のように包括耐アーク層32を内管21の内側に備える場合には、これら高強度層をテンションメンバに利用することができる。両耐アーク層30,32が高強度層を備える場合には、双方の高強度層をテンションメンバに利用できる。
断熱管2Aは、内管21と、内管21の外周に設けられる外管22とを有する二重構造管であり、内管21と外管22との間に真空断熱層が形成された真空断熱管である。内管21の内部空間は、ケーブルコア10の収納空間であると共に、超電導導体層12や外側超電導層の超電導状態を維持するための液体冷媒Lが充填され、流通される空間(冷媒流路)である。内管21及び外管22は、ステンレス鋼などの金属管であってコルゲート管(本例)やベローズ管とすると可撓性に優れ、フラット管とすると表面積が小さく断熱性に優れる上に、液体冷媒Lの圧力損失を小さくできる。内管21と外管22との間にスーパーインシュレーションといった断熱材25を備えると、より高い断熱性を有する。
この例の超電導ケーブル1Aは、代表的には、工場などで、個別耐アーク層30を備えるケーブルコア10を作製し、複数のコア10の外周を覆うように包括耐アーク層32を形成し、得られたコア集合体10Aを断熱管2Aに収納することで製造できる。コア集合体10Aの外周に断熱管2Aを形成したり、別途作製した断熱管2A内にコア集合体10Aを引き込んだりすることで、コア集合体10Aを断熱管2Aに収納した状態にできる。その他、工場などで作製したコア集合体10Aを布設現場に搬送し、布設経路に断熱管2Aを布設した後、この断熱管2A内にコア集合体10Aを収納することでも超電導ケーブル1Aを製造できる。耐アーク層30,32の少なくとも一方が上述の高強度層を含む場合には、工場又は布設現場において、コア集合体10Aを引き込んで断熱管2Aに収納する際に、高強度層をテンションメンバとして利用することで、別途のテンションメンバを省略できる。この場合、部品点数を低減できるため、超電導ケーブル1Aの製造性、布設作業性に優れる。
実施形態1の超電導ケーブル1Aは、断熱管2Aに収納される複数のケーブルコア10のいずれもが個別耐アーク層30を備えると共に、複数のコア10を覆う包括耐アーク層32を備える。換言すれば、超電導ケーブル1Aは、各コアの超電導導体層12と断熱管2Aの内管21との間に両耐アーク層30,32が介在する。そのため、超電導ケーブル1Aは、自身に地絡などの事故が生じて超電導導体層12から接地層14に向かってアーク放電が生じた場合でも、このアーク放電が断熱管2A(内管21)に至らない。即ち、超電導ケーブル1Aは、超電導導体層12から接地層14を経て断熱管2Aに向かおうとするアーク放電を両耐アーク層30,32によって遮断できる。従って、超電導ケーブル1Aは、地絡などの事故時に上記のアーク放電に起因する断熱管2Aの損傷や、この損傷によるケーブル1A外への液体冷媒Lの漏出などを防止できる。
また、この例の超電導ケーブル1Aは、両耐アーク層30,32が上述の高耐アーク材料によって構成されるため、耐アーク性に優れており、両耐アーク層30,32の厚さをより薄くできて、より小型である。
更に、包括耐アーク層32が上述のテープ材の巻回層を含むと、複数のコア10の外周に耐アーク層32を形成し易い上に、複数のコア10をコア集合体10Aにまとめられて取り扱い易い。耐アーク層30,32の少なくとも一方が上述の高強度層を含み、テンションメンバに利用できる場合には、別途のテンションメンバが不要であり、製造性にも優れる。
実施形態1では、包括耐アーク層32がケーブルコア10(コア集合体10A)の長手方向に一様な形状(図1では三角形の枠状)を有する例を説明した。断熱管2Aの内管21の内側に包括耐アーク層32を備える別の例として、包括耐アーク層32がコア10の長手方向に一様な形状を有さない不定形な形態とすることができる。この形態は、例えば、複数のコア10を一括して覆うことが可能な大きさを有し、上述の高強度層を構成可能な材料から構成されるシート材を用意し、このシート材で複数のコア10を包みながら、このシート材をテンションメンバとして引っ張って、断熱管2A内に引き入れることで製造できる。この形態は、実施形態1と同様に、各コアの超電導導体層12と断熱管2Aの内管21との間に、各コア10の個別耐アーク層30と包括耐アーク層32とが介在するため、内管21へのアーク放電を遮断できる。
実施形態2の超電導ケーブル1Bは、断熱管2Bの内管21の内側、特に内管21の内周面に沿って包括耐アーク層32を備える。この例の内管21は、その内周面に包括耐アーク層32を備えるコルゲート管である。
内周面に包括耐アーク層32を備えるコルゲート管は、例えば、金属板の一面に上述の高耐アーク材料などの塗布層や接合層などを備えるものを用意し、この金属板に波付け加工や溶接などを行ったり、コルゲート管の内周面に上述の高耐アーク材料などを塗布や押出などしたりすることで製造できる。
塗布層、押出層、接合層などは、異なる複数の材料からなる多層構造の包括耐アーク層32とする場合でも容易に製造できる。塗布層や押出層などと接合層とを組み合わせることで、種々の材料からなる多層構造の包括耐アーク層32を容易に形成できる。
上述の包括耐アーク層32の製造方法は、後述する実施形態3に備える内管21(上記内周面を外周面に読み替える)、実施形態4に備える外管22にも適用できる。
実施形態3の超電導ケーブル1Cは、断熱管2Cの内管21の外側、特に内管21の外周面に沿って包括耐アーク層32を備える。この例の内管21は、その外周面に包括耐アーク層32を備えるコルゲート管である(製法は実施形態2参照)。
また、この包括耐アーク層32は、内管21と外管22間に形成される真空断熱層内に配置されるため、その構成材料は、熱伝導率が低いもの、例えば1W/m・K以下、更に0.1W/m・K以下のものが好ましく、断熱材や、上述の高耐アーク材料のうち熱伝導率が低いものがより好ましい。更に、この構成材料は、真空を維持し易いもの、例えばガスを吸着して放出し難い材料などが好ましい。
この包括耐アーク層32は、内管21に接して設けられるため、実施形態1で説明した高耐アーク材料などからなる塗布層、押出層、接合層などとすることが挙げられる。
包括耐アーク層32が上述の有機繊維層や無機繊維層を含む場合、緻密な繊維シート材の接合層などとすると、内管21外への液体冷媒Lの漏出を低減し易い。包括耐アーク層32が液体冷媒Lを実質的に透過しない金属や、液体冷媒Lを透過し難い樹脂などを含むと、内管21外への液体冷媒Lの漏出を低減又は実質的に防止できる。
この項で説明した包括耐アーク層32の構成材料、形態に関する点は、後述する実施形態4についても同様に適用できる。
実施形態4の超電導ケーブル1Dは、断熱管2Dの外管22の内側、特に外管22の内周面に沿って包括耐アーク層32を備える。この例の外管22は、その内周面に包括耐アーク層32を備えるコルゲート管である(製法は実施形態2参照)。
実施形態4では、断熱管2Dの外管22の内周面に沿って包括耐アーク層32を備える例を説明した。断熱管2Dの外管22の内側に包括耐アーク層32を備える別の例として、包括耐アーク層32が外管22の内周面に沿わずに、内管21と外管22との間に設けられた形態とすることができる。このような包括耐アーク層32は、例えば、断熱材25の外周に上述の高耐アーク材料などから構成されるテープ材の巻回層が挙げられる。この場合、包括耐アーク層32を容易に形成できる上に、断熱材25の押え層としての機能も期待できる。
10,10a,10b,10c 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 接地層
30 個別耐アーク層 32 包括耐アーク層
2A,2B,2C,2D 断熱管 21 内管 22 外管 24 防食層
25 断熱材 L 液体冷媒
Claims (4)
- 超電導導体層と、前記超電導導体層の外周に電気絶縁層を介して設けられる接地層とを備える複数のケーブルコアと、
前記複数のケーブルコアを収納すると共に液体冷媒が充填される内管と、前記内管の外周に設けられて、前記内管との間に断熱層を形成する外管とを含む断熱管とを備え、
各ケーブルコアは、前記接地層の外周に個別耐アーク層を備え、
前記ケーブルコアの外周と前記外管の内周との間には、前記複数のケーブルコアを一括して覆う包括耐アーク層を備え、
各個別耐アーク層は、隣り合うケーブルコアの個別耐アーク層を合わせることで、これらケーブルコア間のアーク放電を遮断するように構成され、
前記包括耐アーク層は、前記各ケーブルコアの個別耐アーク層と合わせることで、前記各ケーブルコアから前記断熱管へのアーク放電を遮断するように構成される超電導ケーブル。 - 前記個別耐アーク層及び前記包括耐アーク層は、高性能・高機能繊維、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリ四フッ化エチレン樹脂、シリコーン樹脂、アミノ樹脂、アラミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアクリレート樹脂、シリコーンゴム及び金属から選択される1種以上の材料から構成される請求項1に記載の超電導ケーブル。
- 前記包括耐アーク層は、前記材料から構成されるテープ材が巻回されてなり、前記複数のケーブルコアを一括する巻回層を含む請求項2に記載の超電導ケーブル。
- 前記包括耐アーク層は、引張強さが1GPa以上である高性能・高機能繊維から構成される高強度層を含み、前記内管の内側に備える請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の超電導ケーブル。
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