JP3130033B2 - 高温超電導電力ケーブル - Google Patents
高温超電導電力ケーブルInfo
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- JP3130033B2 JP3130033B2 JP02285932A JP28593290A JP3130033B2 JP 3130033 B2 JP3130033 B2 JP 3130033B2 JP 02285932 A JP02285932 A JP 02285932A JP 28593290 A JP28593290 A JP 28593290A JP 3130033 B2 JP3130033 B2 JP 3130033B2
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- temperature superconductor
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- superconductor
- temperature
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
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- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、電力系統等に広く利用される電力ケーブル
に関する。更に詳述すると、本発明は高温超電導体によ
って構成される電力ケーブルに関する。
に関する。更に詳述すると、本発明は高温超電導体によ
って構成される電力ケーブルに関する。
（従来の技術） 従来、金属系の低温超電導体を使用した交流用線材
は、臨界電流密度が大きいため、超電導しゃへい電流の
ヒステリシス効果に伴うヒステリシス損失が大きくなる
ことが知られている。そこで、この低温超電導体から成
る線材においては、細フィラメント化することにより交
流損失を低減することが行われる。しかし、超電導体を
低温状態に維持するため高価な液体ヘリウムを必要とす
るため、冷却コストがかかり過ぎ、実用化が難しい。
は、臨界電流密度が大きいため、超電導しゃへい電流の
ヒステリシス効果に伴うヒステリシス損失が大きくなる
ことが知られている。そこで、この低温超電導体から成
る線材においては、細フィラメント化することにより交
流損失を低減することが行われる。しかし、超電導体を
低温状態に維持するため高価な液体ヘリウムを必要とす
るため、冷却コストがかかり過ぎ、実用化が難しい。
そこで、最近では、冷却コストの安い液体窒素などで
超電導状態を得ることができるセラミック系の高温超電
導体が種々研究されてきており、これを使用して交流用
線材を得ることが考えられてきている。
超電導状態を得ることができるセラミック系の高温超電
導体が種々研究されてきており、これを使用して交流用
線材を得ることが考えられてきている。
（発明が解決しようとする課題） しかしながら、高温超電導体は、現在のところセラミ
ックであるため、上記金属系の低温超電導体とは異な
り、細フィラメント化することが困難である。また、用
いる高温超電導体の臨界電流密度によって電流容量の上
限が制限されていた。更に、超電導体を臨界状態で用い
るためフラックスジャンプ等の原因により突発的なクエ
ンチが起こることがあり、電力系統に組込むには信頼性
に不安があった。このため、高温超電導体により電力ケ
ーブルを得ることは従来困難であった。
ックであるため、上記金属系の低温超電導体とは異な
り、細フィラメント化することが困難である。また、用
いる高温超電導体の臨界電流密度によって電流容量の上
限が制限されていた。更に、超電導体を臨界状態で用い
るためフラックスジャンプ等の原因により突発的なクエ
ンチが起こることがあり、電力系統に組込むには信頼性
に不安があった。このため、高温超電導体により電力ケ
ーブルを得ることは従来困難であった。
本発明は、安定でかつ大電流を流すことができると共
に低損失な高温超電導体の電力ケーブルを提供すること
を目的とする。
に低損失な高温超電導体の電力ケーブルを提供すること
を目的とする。
（課題を解決するための手段） 交流用超電導導体を使用する場合に問題となるヒステ
リシス損失は、一般に細フィラメント化によって低減さ
れるが、セラミック系の高温超電導体の場合には細フィ
ラメント化が困難である。細フィラメント化せずにヒス
テリシス損失を小さくするためには、臨界電流密度を零
にすればよいが、このとき電流は抵抗零で流れず、フラ
ックス・フロー状態となってフラックス・フロー抵抗が
生じる。即ち超電導状態ではあるが抵抗は生じている状
態である。しかしながら、このフラックス・フロー抵抗
による損失が、上記ヒステリシス損失より小さくなれ
ば、金属系の低温超電導体で細フィラメント化した導体
よりも交流損失が小さくなることに本発明者等は着目
し、本発明を完成するに至った。
リシス損失は、一般に細フィラメント化によって低減さ
れるが、セラミック系の高温超電導体の場合には細フィ
ラメント化が困難である。細フィラメント化せずにヒス
テリシス損失を小さくするためには、臨界電流密度を零
にすればよいが、このとき電流は抵抗零で流れず、フラ
ックス・フロー状態となってフラックス・フロー抵抗が
生じる。即ち超電導状態ではあるが抵抗は生じている状
態である。しかしながら、このフラックス・フロー抵抗
による損失が、上記ヒステリシス損失より小さくなれ
ば、金属系の低温超電導体で細フィラメント化した導体
よりも交流損失が小さくなることに本発明者等は着目
し、本発明を完成するに至った。
即ち、上述の目的を達成するため、本発明の高温超電
導電力ケーブルは、臨界電流密度が1000A/m2以下である
極めて低い臨界電流密度をもつ高温超電導導体によって
構成し、かつこの高温超電導体の結晶軸のｃ軸を径方向
にとり、ab面を円周方向に同心状に配向させるようにし
ている。
導電力ケーブルは、臨界電流密度が1000A/m2以下である
極めて低い臨界電流密度をもつ高温超電導導体によって
構成し、かつこの高温超電導体の結晶軸のｃ軸を径方向
にとり、ab面を円周方向に同心状に配向させるようにし
ている。
（作用） したがって、電力ケーブルは通電によって、通電電流
に因る自己磁場中に置かれることになる。そして、この
円形ケーブルの自己磁場は同心円状に発生する。このた
め、電流及び磁場は常に高温超電導体に共通のペロブス
カイト構造におけるｃ軸に垂直な面（ab面）内で作用す
る。
に因る自己磁場中に置かれることになる。そして、この
円形ケーブルの自己磁場は同心円状に発生する。このた
め、電流及び磁場は常に高温超電導体に共通のペロブス
カイト構造におけるｃ軸に垂直な面（ab面）内で作用す
る。
ところで、超電導体のフラックス・フロー抵抗は、上
部臨界磁場（Hc2）に反比例することが知られている。
従来の低温超電導体では、上部臨界磁場（Hc2）が約10
〔Ｔ〕程度とあまり大きくなったため、フラックス・フ
ロー抵抗もかなり大きくなりフラックス・フロー状態で
の使用は考えられなかった。
部臨界磁場（Hc2）に反比例することが知られている。
従来の低温超電導体では、上部臨界磁場（Hc2）が約10
〔Ｔ〕程度とあまり大きくなったため、フラックス・フ
ロー抵抗もかなり大きくなりフラックス・フロー状態で
の使用は考えられなかった。
しかしながら、高温超電導体の場合、その結晶軸のｃ
軸に垂直な方向から磁場がかかったときの臨界磁場（H
c2）が極めて大きくなるため、フラックス・フロー抵抗
は非常に小さくなる。
軸に垂直な方向から磁場がかかったときの臨界磁場（H
c2）が極めて大きくなるため、フラックス・フロー抵抗
は非常に小さくなる。
（実施例） 以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基づいて詳
細に説明する。
細に説明する。
現在知られている高温超電導体は、すべて層状の結晶
構造をもっていて、この結晶構造で層面に垂直な軸をｃ
軸、層面内の二つの直交する軸をａ軸、ｂ軸としてい
る。例えば、これらの関係が比較的分かり易いイットリ
ウム系（YBa2Cu3O8）高温超電導体の構造と磁場及び電
流の方向を第２図に示す。
構造をもっていて、この結晶構造で層面に垂直な軸をｃ
軸、層面内の二つの直交する軸をａ軸、ｂ軸としてい
る。例えば、これらの関係が比較的分かり易いイットリ
ウム系（YBa2Cu3O8）高温超電導体の構造と磁場及び電
流の方向を第２図に示す。
このような高温超電導体の結晶軸のｃ軸に垂直な方向
から磁場がかかったときには、絶対零度における上部臨
界磁場（Hc2）が例えばBi−Sr−Ca−Cu−Ｏ系セラミッ
クの場合、500〔Ｔ〕以上と極めて大きくなるため、フ
ラックス・フロー抵抗は小さくなることが分かってい
る。そして、磁場と電流はｃ軸と互いに直交するab面内
で任意の方向をとって良い。
から磁場がかかったときには、絶対零度における上部臨
界磁場（Hc2）が例えばBi−Sr−Ca−Cu−Ｏ系セラミッ
クの場合、500〔Ｔ〕以上と極めて大きくなるため、フ
ラックス・フロー抵抗は小さくなることが分かってい
る。そして、磁場と電流はｃ軸と互いに直交するab面内
で任意の方向をとって良い。
そこで、本発明の電力ケーブルは、臨界電流密度が極
めて低い高温超電導体によって構成し、かつこの高温超
電導体の結晶軸のｃ軸を径方向にとり、ab面内を円周方
向に同心状に配置させるようにしている。例えば、イッ
トリウム系超電導体によって電力ケーブルを構成する場
合には、第２図に示すイットリウムの結晶のab面が、第
１図に示されるように円周方向に配向されて径方向にｃ
軸が位置するように設けられている。
めて低い高温超電導体によって構成し、かつこの高温超
電導体の結晶軸のｃ軸を径方向にとり、ab面内を円周方
向に同心状に配置させるようにしている。例えば、イッ
トリウム系超電導体によって電力ケーブルを構成する場
合には、第２図に示すイットリウムの結晶のab面が、第
１図に示されるように円周方向に配向されて径方向にｃ
軸が位置するように設けられている。
臨界電流密度の著しく低い超電導体は、ピン止めの非
常に弱い超電導体を作製することによって得られる。例
えば、超電導体中から格子欠陥や不純物を除き、非常に
均質で単結晶的な超電導体を作製すれば臨界電流密度の
極めて低い超電導体が得られる。臨界電流密度は理想的
には０であることが望ましいが、現実にはそれは不可能
であるので、可能な限り低いものが好ましく、実用的に
は1000［A/m2］程度以下であれば安定なフラックス・フ
ロー状態が維持できる。また、高温超電導体としては、
特に限定を受けるものではないが、タリウム系（Tl−Sr
−Ｖ−Ｏ）高温超電導体、ビスマス系（Bi−Sr−Ca−Cu
−Ｏ）高温超電導体の使用がフラックス・フロー抵抗を
小さくする上で好ましい。
常に弱い超電導体を作製することによって得られる。例
えば、超電導体中から格子欠陥や不純物を除き、非常に
均質で単結晶的な超電導体を作製すれば臨界電流密度の
極めて低い超電導体が得られる。臨界電流密度は理想的
には０であることが望ましいが、現実にはそれは不可能
であるので、可能な限り低いものが好ましく、実用的に
は1000［A/m2］程度以下であれば安定なフラックス・フ
ロー状態が維持できる。また、高温超電導体としては、
特に限定を受けるものではないが、タリウム系（Tl−Sr
−Ｖ−Ｏ）高温超電導体、ビスマス系（Bi−Sr−Ca−Cu
−Ｏ）高温超電導体の使用がフラックス・フロー抵抗を
小さくする上で好ましい。
第１図に示すような構造をもちかつ均質で著しく臨界
電流密度の低い高温超電導ケーブルは次のようにして作
製される。例えば、銀の上に高温超電導体を成長させる
と、ｃ軸が銀と高温超電導体の間の界面に垂直な方向を
向くことを利用して銀の細い棒を種としてその上に単結
晶的な高温超電導体を溶融引上げ法やスパッタリング法
等の方法で成長させれば良い。または、ドクターブレー
ド法によるセラミックスグリーンシートをローリング加
工して配向させ、これを同心円状に巻き重ねて更に線引
き加工として配向させることによって第１図の構造を得
ることも考えられる。しかし、本発明はこれら製法に左
右されるものではなく同様の導体構造、それも高温超電
導体を巻いたということよりも、ab面が同心円状になっ
た構造でしかも均質な高温超電導体を得ることが肝要で
ある。
電流密度の低い高温超電導ケーブルは次のようにして作
製される。例えば、銀の上に高温超電導体を成長させる
と、ｃ軸が銀と高温超電導体の間の界面に垂直な方向を
向くことを利用して銀の細い棒を種としてその上に単結
晶的な高温超電導体を溶融引上げ法やスパッタリング法
等の方法で成長させれば良い。または、ドクターブレー
ド法によるセラミックスグリーンシートをローリング加
工して配向させ、これを同心円状に巻き重ねて更に線引
き加工として配向させることによって第１図の構造を得
ることも考えられる。しかし、本発明はこれら製法に左
右されるものではなく同様の導体構造、それも高温超電
導体を巻いたということよりも、ab面が同心円状になっ
た構造でしかも均質な高温超電導体を得ることが肝要で
ある。
以上のように構成された高温超電導体電力ケーブルは
通電によって、この通電電流に因る自己磁場中に置かれ
ることになる。そして、この自己磁場が円形ケーブルの
周りに同心円状に発生することから、電流及び磁場は常
にｃ軸に垂直なab面内で作用する。
通電によって、この通電電流に因る自己磁場中に置かれ
ることになる。そして、この自己磁場が円形ケーブルの
周りに同心円状に発生することから、電流及び磁場は常
にｃ軸に垂直なab面内で作用する。
このため、フラックスフロー抵抗が非常に小さくな
る。この電力ケーブルにおける交流損失Wfは次のように
なる。交流損失Wfは と計算される。ここで、ρｎは電流が流れる方向の常伝
導抵抗率（Ωｍ）、Hc2（Ｏ）は磁場がかかっている方
向の絶対零度における上部臨界磁場（A/m）、I0は電流
のピーク値（Ａ）、Ｒはケーブルの半径（ｍ）である。
例えばビスマス系高温超電導体の場合、ρｎ＝１×10-6
Ωｍ、μOHc2（Ｏ）＝500TなのでＲ＝４×10-2m（＝4c
m）のケーブルにピークで25kAの電流を流したとする
と、交流損失は10w/mとなる。
る。この電力ケーブルにおける交流損失Wfは次のように
なる。交流損失Wfは と計算される。ここで、ρｎは電流が流れる方向の常伝
導抵抗率（Ωｍ）、Hc2（Ｏ）は磁場がかかっている方
向の絶対零度における上部臨界磁場（A/m）、I0は電流
のピーク値（Ａ）、Ｒはケーブルの半径（ｍ）である。
例えばビスマス系高温超電導体の場合、ρｎ＝１×10-6
Ωｍ、μOHc2（Ｏ）＝500TなのでＲ＝４×10-2m（＝4c
m）のケーブルにピークで25kAの電流を流したとする
と、交流損失は10w/mとなる。
比較のため、従来の超電導ケーブルの交流損失を計算
すると、同じＲ＝4cm、I0＝25kAのときに13w/mとなって
（周波数は60Hz）、本発明のケーブルより損失は大き
い。しかも、この値は臨界電流密度として実用的な109A
/m2という値を仮定した場合のものであり、臨界電流密
度が小さくなると損失はそれに反比例して増える。（現
在、作成可能な高温超電導線材は108A/m2レベルであ
る。）因みに、同じＲ＝4cmの銅やアルミのケーブルを
液体窒素で冷却してI0＝25kAを流すと損失は200w/m程度
にもなる。このとき、表皮効果は無視している。
すると、同じＲ＝4cm、I0＝25kAのときに13w/mとなって
（周波数は60Hz）、本発明のケーブルより損失は大き
い。しかも、この値は臨界電流密度として実用的な109A
/m2という値を仮定した場合のものであり、臨界電流密
度が小さくなると損失はそれに反比例して増える。（現
在、作成可能な高温超電導線材は108A/m2レベルであ
る。）因みに、同じＲ＝4cmの銅やアルミのケーブルを
液体窒素で冷却してI0＝25kAを流すと損失は200w/m程度
にもなる。このとき、表皮効果は無視している。
尚、上述の実施例は本発明の好適な実施の一例ではあ
るがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱
しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、
上記実施例では、Bi−Sr−Ca−Cu−Ｏ系セラミックの高
温超電導体で説明したが、もちろん他の構成の高温超電
導体を使用してもよい。
るがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱
しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、
上記実施例では、Bi−Sr−Ca−Cu−Ｏ系セラミックの高
温超電導体で説明したが、もちろん他の構成の高温超電
導体を使用してもよい。
（発明の効果） 以上の説明より明らかなように、本発明の高温超電導
電力ケーブルはフラックスフロー状態で電流を流すた
め、臨界状態で使用する従来の高温超電導電力ケーブル
と全く異なり、臨界電流密度による制限を受けず、細線
化をすることなく簡単に製作できるし、流せる電流は冷
却能率だけによって決まり、ヒステリシス損失・交流損
失が少ない。しかも、この高温超電導電力ケーブルは、
フラックスフロー状態で使用するため超電導体中の磁束
が自由に動いていることから、フラックスジャンプが起
こらず、それを原因とする突発的なクエンチも原理的に
起きないため電力系統へ組込む際の信頼が高い。また、
従来の超電導ケーブルより大電流を流せるし低損失とな
る。
電力ケーブルはフラックスフロー状態で電流を流すた
め、臨界状態で使用する従来の高温超電導電力ケーブル
と全く異なり、臨界電流密度による制限を受けず、細線
化をすることなく簡単に製作できるし、流せる電流は冷
却能率だけによって決まり、ヒステリシス損失・交流損
失が少ない。しかも、この高温超電導電力ケーブルは、
フラックスフロー状態で使用するため超電導体中の磁束
が自由に動いていることから、フラックスジャンプが起
こらず、それを原因とする突発的なクエンチも原理的に
起きないため電力系統へ組込む際の信頼が高い。また、
従来の超電導ケーブルより大電流を流せるし低損失とな
る。
第１図は本発明の高温超電導電力ケーブルの結晶配列を
概略的に示す斜視図である。 第２図は本発明に係る高温超電導体の結晶構造図であ
る。 １……高温超電導電力ケーブル。
概略的に示す斜視図である。 第２図は本発明に係る高温超電導体の結晶構造図であ
る。 １……高温超電導電力ケーブル。
Claims (1)
- 【請求項１】臨界電流密度が1000A/m2以下である極めて
低い臨界電流密度をもつ高温超電導導体によって構成
し、かつこの高温超電導体の結晶軸のｃ軸を径方向にと
り、ab面を円周方向に同心状に配向させたことを特徴と
する高温超電導電力ケーブル。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02285932A JP3130033B2 (ja) | 1990-10-25 | 1990-10-25 | 高温超電導電力ケーブル |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02285932A JP3130033B2 (ja) | 1990-10-25 | 1990-10-25 | 高温超電導電力ケーブル |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04162309A JPH04162309A (ja) | 1992-06-05 |
| JP3130033B2 true JP3130033B2 (ja) | 2001-01-31 |
Family
ID=17697863
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02285932A Expired - Fee Related JP3130033B2 (ja) | 1990-10-25 | 1990-10-25 | 高温超電導電力ケーブル |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3130033B2 (ja) |
-
1990
- 1990-10-25 JP JP02285932A patent/JP3130033B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04162309A (ja) | 1992-06-05 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |