JP4658839B2 - 超伝導部材のための電気接続構造体 - Google Patents

Description

本発明は、中高電圧下で送電するケーブル等の超伝導部材のための電気接続構造体に関する。

電気接続構造体は、低温の超伝導部材の端部と、常温すなわち通常大気中の温度の装置とを接続する働きをする。
超伝導部材とそれと接続する装置との間の大きな温度差、即ち、常温と低温との約２００℃の温度差のゆえに、超伝導部材と装置との間に接続構造体を配置して、熱損失を最小化しながら、且つ、ケーブルが関係する高電圧等の電気的な制約に従い、温度を変化させる。この接続構造体は、電気ブッシングを備え、電気ブッシングは中央導体およびそれを囲む絶縁性シースによって形成され、超伝導ケーブルから常温の外部接続に電気を送る。この接続構造体は、所望の長さにわたって温度を変化させる必要があり、一方で、熱伝導による損失を低くして、ケーブルを冷却する低温液体が沸騰しないように、および／または、ケーブルの冷却に伴うコストの増加を避けなければならない。
欧州特許出願ＥＰ１ ２８３ ５７６

この問題点の解決手段として、低温の部分と常温の接続構造体の部分との間に配置される断熱中間エンクロージャ、エアーロックまたは所謂バッファエンクロージャを備えた接続構造体がある。電気ブッシングは中間エンクロージャ内を通る。この解決手段は、例えば、欧州特許出願ＥＰ１ ２８３ ５７６に開示されている。中間エンクロージャの側壁は、低温保持装置の側壁で形成されている。底壁および上壁は、その中を電気ブッシングが通る締め付けフランジをそれぞれ備えており、底壁は低温部分に隣接し、上壁は常温部分に隣接している。

中間エンクロージャは、真空状態にするか、ガスが充填される。電気ブッシングが底および上壁を通過する部分の良好な密閉が必要であり、製造上難しくコストが高くなる。例えば、低温部分と中間エンクロージャとの間の非常に小さなリーク（例えば、約１０^−８ミリバール／リッタセコンド（ｍｂａｒ／Ｌ．ｓ））でさえも、必然的にガスの成分に変更が生じ、または、中間エンクロージャの真空レベルを劣化させる。低温液体が液体窒素の場合には、リークによって中間エンクロージャ内に気体の窒素が存在し、先ずは液体窒素の消費が増大し、第２に中間エンクロージャの断熱性および電気絶縁性が劣化する。

上述したリークの結果、中間エンクロージャの圧力が過度に高くなると、安全バルブを開放すると、断熱および誘電体絶縁媒体（真空またはガス）が劣化するので、安全バルブによる制御に適さない。更に、ワークショップから離れて接続構造体等のオンサイトのメインテナンスを行うのが容易でない。例えば、中間エンクロージャでの真空状態の再設定またはオンサイトでのガスの再充填は、特別な施設と熟練の要員を必要とする。

この発明においては、上述した技術的課題を中間エンクロージャにガス又は真空状態を使用することなく解決する。

即ち、この発明は、低温液体によって冷却され、常温と低温液体の温度との間の中間温度のエンクロージャと、常温のエンクロージャとを順次通過し、常温のエンクロージャ内に突出する電気ブッシングに接続される超伝導部材用の電気接続構造体に関する。この発明によると、前記中間エンクロージャが低熱伝導性の固体材料によって少なくとも部分的に充填される。

好ましくは、前記材料がセルラーガラスフォームまたはポリウレタンフォームのフォーム系である。
好ましい態様において、中間エンクロージャに安全バルブが備えられ、常温のエンクロージャが電気絶縁性液体で少なくとも部分的に充填されている。常温エンクロージャの外壁は電気絶縁性の材料で作製されている。前記液体がオイルである。

１つの態様において、電気ブッシングは電気絶縁性のシースによって囲まれた中央導体からなっており、絶縁性シースが低温液体内に突き出すバルブ形の２つの端部の１つで終っている。

この発明の他の利点および特徴は、以下に図面を参照しながら記載されるこの発明の態様から明らかである。これらに限定されることはない。

低温液体によって冷却され、常温と低温液体の温度との間の中間温度のエンクロージャと、常温のエンクロージャとを順次通過し、常温のエンクロージャ内に突出する電気ブッシングに接続される超伝導部材用の電気接続構造体が提供される。

図１に示すように、（図示されない）超伝導ケーブルへの接続構造体は、低温でエンクロージャ１１に位置する底部を介して超伝導部材に接続される電気ブッシング１０を備えている。低温エンクロージャ１１に隣接する中間エンクロージャ１２には、低熱伝導性の固体材料が充填されている。この固体材料は、好ましくは、登録商標「Ｆｏａｍｇｌａｓｓ」として市販されている種類のポリウレタンフォーム、または、セルラーガラスフォーム等のフォームの形である。電気ブッシング１０は、リークタイトな締め付けフランジ１３を介して中間エンクロージャ１２の底壁を通り、リークタイトな締め付けフランジ１４を介して上壁を通る。

電気ブッシング１０は常温のエンクロージャ１５を通って中間エンクロージャ１２の外側に延伸し、ブッシングと電気的に接続する手段１６によって終端処理され、超伝導部材と適切な装置と接続している。中間エンクロージャはこのように常温と低温液体との温度の間に位置している。低温のエンクロージャ１１の壁１７および中間エンクロージャの壁１８は、良好な断熱性の低温保持装置の壁を形成する。中間エンクロージャは（リークプルーフ）漏れないので、安全バルブ１９に嵌合することが好ましく、フランジ１３および１４通過時にリークが起きた場合、余分な圧力増加を軽減する。

この発明によると、フランジ１３および１４を通る小さなリークの問題を解決することができる。たとえフランジ１３または１４を通る小さなリークがあっても、リークは中間エンクロージャ内に充填されている固体材料の絶縁性には何ら影響を及ぼさないので、断熱性は相対的に一定のレベルに効果的に維持できる。

図２はこの発明の１つの実施態様を示す縦断面図である。図２に示すように、超伝導ケーブル３０は、外壁３４および内壁３５を有する低温保持装置に収納された低温液体、即ち、液体窒素によって冷却される。これら２つの壁の間の真空レベルは、例えば、約１０^−５ミリバール（ｍｂａｒ）である。符号３６で示された領域は低温で、所謂高温超伝導は約−２００℃である。

超伝導ケーブルの端部は電気コネクタ３７を介して電気ブッシング３９の底端３８に接続される。電気ブッシングは、例えばエポキシで作製されその周りにモールドされた電気絶縁性シース４１を有する銅またはアルミニウム合金の中央導体４０によって形成されている。シースは底端において締め付けカラー４３を備えたバルブ４２によって終端処理されている。フランジ４４は、バルブ４２を低温保持装置３３の内壁に対してリークタイトに固定している。絶縁性シースの外表面は、例えば金属化によって、導電性材料の層で覆われている。この材料は接地電圧に接続され、超伝導ケーブルは高電圧であるので、絶縁性シースの底端３８はバルブ形状が好ましく、接地電圧と高電圧の間の沿面距離を大きくして、端部３８における電気的故障を回避する。

低温保持装置の内壁３５および外壁３４は、垂直方向に延伸して中間エンクロージャ４５の側壁を形成する。このように中間エンクロージャは断熱性能に優れている。中間エンクロージャの底部は、バルブ４２によってリークタイトに閉塞され、上面は金属合金（例えばステンレス鋼またはアルミニウム合金）で作製されたプレート４６によって閉塞されている。中間エンクロージャは好ましくは熱伝導性の低い個体材料で充填される。固体材料は、例えば登録商標「Ｆｏａｍｇｌａｓｓ」の類のセルラーフォーム等のポリエチレンフォーム、セルラーグラスフォーム等のフォームの形が好ましい。中間エンクロージャをこの固体材料で完全に充填することが好ましい、しかし、部分的に充填してもよい。中間エンクロージャを充填するためには、１またはそれ以上のフォームのブロック、例えば半シェルの形状の２つのブロック、または、電気ブッシング３９の部分に対応した形状の中央孔部を備えた単一のブロックを準備し、それを中間エンクロージャ４５内に配置する。領域４７の温度は低温と常温の間である。

上述した中間エンクロージャ４５の上方には、エンクロージャ４８が常温でプレート４６に固定されている。プレートは優れた熱伝導性を有しているので、大気の温度とエンクロージャ４８の底部との間で優れた熱交換が行われる。電気ブッシング３９は、締め付けおよびシールフランジ４９を介して上壁４６を、リークタイトに通り、エンクロージャの上壁５０を通ってエンクロージャ４８外に突き出る。エンクロージャの側壁は電気絶縁体５１、一般的にファイバ強化ポリマー（ＦＲＰ）と称される、例えば、グラスファイバ強化エポキシによって形成されている。

上述した側壁の外表面は、絶縁性、例えばシリコーンのフィン群５２を備えており、環境汚染および雨により表面に堆積した不純物によって、表面にわたる漏れ電流の経路を長くする働きをする。常温のエンクロージャ４８はレベル５３まで優れた電気絶縁性の液体５４例えばシリコーンオイルによって充填される。電気ブッシング３９に対して優れた電気絶縁性を付与する他に、液体５４はエンクロージャ内における常温での温度を安定化させる。領域５５はこのように常温に近い温度である。

エンクロージャ４８に位置する常温のストレスコーン５６は、電気ブッシング３９を覆い、そこで金属化した層６３が終了している。ストレスコーンの伝導性部分は、金属化された層６３、および、半導体テープを使用するテーピング５７により導電性のリークタイトな締め付けフランジ４９に電気的に接続されている。金属層６３は締め付けフランジ４９のレベルで終了するか、または、ストレスコーン５６の伝導性部分まで直接的に延伸して、主要部分は、金属層６３とストレスコーンの伝導性部分の間で電気的導通性が優れている。ストレスコーンの機能は、電界ラインを変更したり広げたりする。そこで金属化が終わり、電気的な故障を引き起こす不連続を防止する。電気ブッシング３９は常温のエンクロージャ４８の外側で、接続タブ５８で終了する。接続タブ５８は、超伝導ケーブルに中高電圧の電気を供給し、または、超伝導ケーブル３０から装置に常温で中高電圧の電気を供給する。

プレート４６には好ましくは安全バルブ６２が備えられて、冷却液がカラー４３および締め付けフランジ４４を通ってリークし、ガス状で中間エンクロージャ内に進むことによって生じる余分の圧力を、中間エンクロージャから放出する。
常温でのエンクロージャは、オイルが充填される２つの接続バルブ５９および６０を備えており、バルブ５８はポリエチレンのディップ管６１に接続されてエンクロージャ内のオイルのレベルをモニタする。

中間エンクロージャを有する上述した電気接続構造体は、好ましくは固体材料によって充填されて優れた断熱性を発揮して、低温液体への熱流が制限され、装置の操作条件と調和して、低温の部分と常温の部分の間で温度が変化する。サイトとワークショップにおけるメインテナンスは容易である。構造体の高さ、特に中間エンクロージャの高さは、低温部分と常温部分の間の温度が変化する状況および電圧電流値等の電気的な条件に、容易に適応することができる。

上述した態様は超伝導ケーブルの接続に関している。しかし、当業者にとって、この発明は、低温のどのような超伝導部材を接続するためにも適用することができ、常温の装置と接続することは自明である。

図１はこの発明の原理を説明する図である。 この発明の態様の縦断面図である。

符号の説明

１０ 電気ブッシング
１１ 低温エンクロージャ
１２ 中間エンクロージャ
１３、１４ 締め付けフランジ
１５ 常温エンクロージャ
１９ 安全バルブ
３０ ケーブル
３１ 低温液体

Claims (10)

1. 低温液体（３１）によって冷却され、常温と低温液体の温度との間の中間温度のエンクロージャ（１２、４５）と、常温のエンクロージャ（１０、３９）とを順次通過し、常温のエンクロージャ内に突出する電気ブッシング（１０、３９）に接続される超伝導部材用の電気接続構造体であって、
   前記中間エンクロージャ（１２、４５）が低熱伝導性の固体材料によって少なくとも部分的に充填される電気接続構造体。
2. 前記材料がフォーム系である、請求項１に記載の電気接続構造体。
3. 前記材料がセルラーガラスフォームまたはポリウレタンフォームである、請求項１または２に記載の電気接続構造体。
4. 前記中間エンクロージャ（１２、４５）の側壁（１８、３４−３５）は低温の壁で形成されている、請求項１から３の何れか１項に記載の電気接続構造体。
5. 前記中間エンクロージャ（１２、４５）に安全バルブ（１９、６２）が備えられている、請求項１から４の何れか１項に記載の電気接続構造体。
6. 前記常温のエンクロージャ（１５、４８）が電気絶縁性液体（５４）で少なくとも部分的に充填され、前記エンクロージャの外壁は電気絶縁性の材料で作製されている、請求項１から５の何れか１項に記載の電気接続構造体。
7. 前記液体（５４）がオイルである、請求項６に記載の電気接続構造体。
8. 前記電気ブッシング（１０、３９）は電気絶縁性のシース（４１）によって囲まれた中央導体（４１）からなっており、前記電気絶縁性のシースが前記低温液体（３１）内に突き出すバルブ形の２つの端部の１つで終っている、請求項１から７の何れか１項に記載の電気接続構造体。
9. 前記バルブ（４２）は、前記バルブを前記中間エンクロージャに固定するためのシールされた締め付けフランジ（４３）を備えている、請求項８に記載の電気接続構造体。
10. 前記超伝導部材はケーブル（３０）である、請求項１から９の何れか１項に記載の電気接続構造体。