JP4676095B2

JP4676095B2 - 超電導ケーブル

Info

Publication number: JP4676095B2
Application number: JP2001212423A
Authority: JP
Inventors: 晋一向山
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2001-07-12
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2021-07-12
Also published as: JP2003031049A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）や核融合炉などの大型超電導マグネットに大電流を供給する超電導バスラインなどに適した超電導ケーブルの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
前記超電導バスラインなどに用いられる超電導ケーブルは、図２に示すような、超電導導体（以下、適宜、導体と略記する）１、２の外周にそれぞれ電気絶縁層（以下、適宜、絶縁層と略記する）Ａと接地電極層（半導電層）７をこの順に設けてコア３、４とし、このコア３、４を２本平行に並べて銅テープ５で結束し密接させたものである。
前記導体１、２にはそれぞれ順方向と逆方向にそれぞれ数十ｋＡの大電流が流されるが、超電導導体は電気抵抗が０のためジュール損失が生じず、送電ロスが極めて小さく経済的である。
前記導体１、２には、通常、超電導撚線が用いられ、その超電導状態を維持するための冷却は、前記導体１、２の撚素線の隙間、コア３、４と銅テープ５間の冷媒流路８、銅テープの外側などに冷媒を流して行われる。
【０００３】
一方、超電導マグネットを高速度で励減磁したり、超電導マグネットがクエンチしたりすると電磁誘導が発生し、２本の導体１、２間または導体１、２と接地電極層７間に±数十ｋＶの高電圧が発生し、絶縁破壊が起きる。
このため従来の超電導ケーブルでは、コア３、４の絶縁層Ａの厚さは前記高電圧に耐える（絶縁破壊しない）必要最小厚さｔｍｍ以上の厚さにしていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、例えば、前記絶縁層Ａの厚さをｔｍｍにしたとき、図２から分かるように、絶縁層Ａの厚さは、導体１、２と接地電極層７間ではｔｍｍで過不足ないが、導体１、２間では必要厚さの２倍（２ｔｍｍ）になり、このため超電導ケーブルの幅方向のサイズが大きくなって布設に広いスペースを要し、また大サイズのため大量の冷媒を要し、さらにコア３、４の絶縁層Ａが厚いため冷媒流路８からの冷却効率が低下し、十分な電流を流せないといった問題があった。
このようなことから、本発明者等は、超電導ケーブルの小サイズ化および冷却効率の向上を課題に種々検討し、前記課題は絶縁層を分割して設けることにより解決し得ることを知見し、さらに検討を進めて本発明を完成させるに至った。本発明の目的は、小サイズで布設スペースと冷媒流量の削減が図れ、かつ冷却効率に優れる超電導ケーブルを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、超電導導体の外周、または超電導導体の上に半導電層を設けた外周に、電気絶縁層Ａと半導電層または導電層からなる層Ｂがこの順に設けられたコアが２本密接されて形成された密接体と、前記密接体の外周に半導電層または導電層からなる層Ｃと電気絶縁層Ｄがこの順に設けられており、前記密接体と、前記層Ｃの隙間を冷媒が流通することを特徴とする超電導ケーブルである。
【０００６】
請求項２記載の発明は、絶縁層Ａの厚さａ（ｍｍ）および電気絶縁層Ｄの厚さｄ（ｍｍ）を、それぞれ超電導ケーブルに発生する高電圧に耐える絶縁層の必要最小厚さｔ（ｍｍ）の半分またはそれ以上にしたことを特徴とする請求項１記載の超電導ケーブルである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の超電導ケーブルは、図１に示すように、超電導導体１、２の外周に絶縁層Ａと導電層Ｂがこの順に設けられたコア３、４が２本、銅テープ５により結束されて密接されて形成された密接体６と、この密接体６の外周に絶縁層Ｄと接地電極層（半導電層）７が設けられたものである。コア３、４と銅テープ５の間には冷媒流路８が形成されている。
【０００９】
本発明では、絶縁層を、導体１、２の外周と密接体６の外周に分けて設けるので、導体１、２の外周の絶縁層Ａの厚さを薄くでき、そのため導体間の間隔が狭まって超電導ケーブルは小サイズとなり、布設スペースおよび冷媒流量の削減が図れる。さらにコア３、４の絶縁層Ａの厚さが薄いので冷媒流路８を流通する冷媒からの冷却効率が高まり、導体１、２により多くの電流を流せるようになる。
【００１０】
本発明の超電導ケーブルは、幅方向のサイズが〔２Ｓ（超電導導体の径）＋３ｔ＋α〕（図１参照）となり、従来の〔２Ｓ＋４ｔ＋β〕（図２参照）に較べて約２０％（但し、Ｓ＝２０ｍｍ、ｔ＝３０ｍｍ、他は薄いので無視）小さくなり布設スペースと冷媒流量の削減が図れる。
なお、前記α＝半導電層Ｂの幅×４＋銅テープの幅×２＋電極層の幅×２、前記β＝銅テープの幅×２＋電極層の幅×４である。
【００１１】
本発明において、２本の導体１、２を密接させる理由は、２本の導体１、２にそれぞれ順方向と逆方向の電流を流すと、２本の導体（正極）１と導体（負極）２間に電磁誘導による離反力が作用し、導体１、２が離反するためである。
密接にはテープで結束する方法の他、撚合わせる方法など任意の方法が適用できる。
【００１２】
本発明において、絶縁層には、紙や合成フィルムなどを何十層にも巻きつけた積層紙絶縁層、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）や架橋ポリエチレンなどの高分子材料からなる絶縁層など任意の絶縁層が用いられる。因みに、積層紙絶縁層の必要最小厚さは、定格電圧５０ｋＶの場合で３０ｍｍである。
【００１３】
本発明では、絶縁層を、導体の外周とコア密接体６の外周に分割配置するが、絶縁層Ａ、Ｄは、介在する２個の導電層（または半導電層）Ｂ、Ｃが相互に接触しているため電位が同じになり、このため超電導ケーブルの空間部に電界が集中したりせず、安定した電気絶縁特性が得られる。
【００１４】
本発明において、導電層には銅、アルミニウムなどの導電性金属材料が用いられる。
【００１５】
請求項２記載の発明は、絶縁層Ａの厚さａ（ｍｍ）および絶縁層Ｄの厚さｄ（ｍｍ）を、それぞれ超電導ケーブルに発生する高電圧に耐える絶縁層の必要最小厚さｔ（ｍｍ）の半分またはそれ以上にした超電導ケーブルである。
即ち、絶縁層Ａの厚さａ（ｍｍ）・絶縁層Ｄの厚さｄ（ｍｍ）≧ｔ／２（ｔ：絶縁層の必要最小厚さ、ｍｍ）の超電導ケーブルである
この超電導ケーブルでは、導体１、２と接地電極層７間の絶縁層の厚さ（・ａ＋ｄ）および導体１、２間の絶縁層の厚さ（・２ａ）は、いずれも、必要最小厚さｔｍｍまたはそれ以上の厚さとなる。特に、ａ＋ｄ＝２ａ＝ｔとすると超電導ケーブルの幅方向のサイズおよび冷媒流量が最小となり、かつ冷媒流路８からの冷却効率が最高となる。
【００１６】
【実施例】
以下に、本発明を実施例により詳細に説明する。
（実施例１）
図１に示した構造の、設計定格電流２０ｋＡ、設計定格電圧５０ｋＶの超電導ケーブルを製造した。
即ち、超電導導体には外径２０ｍｍのＮｂＴｉ超電導撚線を用い、その外周に紙を何十層にも巻きつけて厚さ１５ｍｍの積層紙絶縁層Ａを設け、その外周に厚さ０．５ｍｍの半導電層Ｂを設けてコア３、４とした。
次に、このコア３、４を２本平行に並べて幅３０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの銅テープ５（導電層Ｃ）で結束し、この銅テープ５の外周に紙を何十層にも巻きつけて厚さ１５ｍｍの積層紙絶縁層Ｄを設け、さらにその外周に厚さ０．５ｍｍの接地電極層（半導電層）７を設けた。
【００１７】
（実施例２）
実施例１において、２本のコア３、４を撚り合わせて密接させ、その上に半導電層Ｃを設けた他は、実施例１と同じ方法により超電導ケーブルを製造した。
【００１８】
（比較例１）
図２に示した構造の、設計定格電流２０ｋＡ、設計定格電圧５０ｋＶの超電導ケーブルを製造した。
即ち、外径２０ｍｍのＮｂＴｉ超電導撚線の外周に紙を何十層にも巻きつけて厚さ３０ｍｍの積層紙絶縁層Ａを設け、その外側に厚さ０．５ｍｍの接地電極層（半導電層）７を設けてコア３、４とし、このコア３、４を２本平行に並べて幅３０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの銅テープ５で結束して両者を密接させた。
【００１９】
（比較例２）
積層紙絶縁層Ａの厚さを１５ｍｍとした他は、比較例１と同じ方法により超電導ケーブルを製造した。
【００２０】
実施例１、２および比較例１、２で製造した各々の超電導ケーブルについて、耐電圧特性および耐クエンチ特性を下記方法により調べた。なお、冷媒量は本発明の超電導ケーブルを冷却するのに十分な量に統一した。
【００２１】
耐電圧特性は、（１）負極導体と接地電極層を接地し、正極導体に５０ｋＶの電圧を印加し、また（２）正極導体と接地電極層を接地し、負極導体に−５０ｋＶの電圧を印加して絶縁破壊の発生有無を調べた。
耐クエンチ特性は、電流を漸次増加させてクエンチが起きる電流値を調べた。
調査中、超電導撚線は、大気圧沸騰状態の液体ヘリウムを超電導撚線の撚素線間および冷媒流路８に流して超電導状態を維持した。結果を表１に示す。
【００２２】
【表１】

【００２３】
表１から明らかなように、本発明例（実施例１、２）では、高電圧を５日間印加後も絶縁破壊せずに安定した耐電圧特性を示した。また超電導導体の臨界電流の９０％の電流を流してもクエンチは起きなかった。
これはコアの積層紙絶縁層Ａの厚さが薄く、また超電導ケーブルのサイズが小さいため、導体が十分に冷却されたためである。
一方、比較例１では、高電圧を５日間印加後も絶縁破壊せずに安定した耐電圧特性を示した。しかし、電流を漸次増加させたところ、臨界電流の７０％の電流でクエンチが起こった。これは、超電導ケーブルのサイズが大きく、またコアの積層紙絶縁層Ａの厚さが厚いため導体が十分冷却されなかったためである。
比較例２では、電流値を漸次増加させ、クエンチが起きる電流値を調べたところ、９０％の電流までクエンチが発生せず、電流を流すことができた。しかし、高電圧を印加したところ、課電直後に絶縁破壊が起きた。これは積層紙絶縁層Ａの厚さが薄いため、耐クエンチ特性は向上したものの、所定の電圧特性を得ることができなかったためである。
【００２４】
なお、超電導ケーブルの断面寸法は、本発明例（実施例１、２）の方が比較例１より幅が約３０ｍｍ小さく、布設スペースを狭くでき、また冷媒流量を節減できた。
【００２５】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明では、絶縁層を導体の外周とコア密接体６の外周に分けて設けるので導体外周の絶縁層Ａの厚さを薄くでき、そのため導体間の間隔が狭まって超電導ケーブルは小サイズとなり、布設スペースおよび冷媒流量の削減が図れ、さらにコアの冷媒流路からの冷却効率が高まって導体に、より多くの電流が流せる。本発明の効果は、コアの絶縁層Ａの厚さａ（ｍｍ）および密接体６の絶縁層Ｄの厚さｄ（ｍｍ）を、それぞれ超電導ケーブルに発生する高電圧に耐える絶縁層の必要最小厚さｔ（ｍｍ）の半分にしたとき極めて良好に発現される。依って、本発明の超電導ケーブルは大型超電導マグネットに大電流を供給する超電導バスラインなどに用いて顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超電導ケーブルの実施形態を示す横断面図である。
【図２】従来の超電導ケーブルの横断面図である。
【符号の説明】
１超電導導体（正極）
２超電導導体（負極）
３コア（正極）
４コア（負極）
５銅テープ（導電層）
６コアの密接体
Ａコアを構成する電気絶縁層
Ｂコアを構成する半導電層または導電層からなる層
Ｃ密接体の外周に設けられる半導電層または導電層からなる層
Ｄ密接体の外周に設けられる電気絶縁層
７接地電極層（半導電層）
８コアと銅テープ間に形成される冷媒流路

Claims

超電導導体の外周、または超電導導体の上に半導電層を設けた外周に、
電気絶縁層Ａと半導電層または導電層からなる層Ｂがこの順に設けられたコアが２本密接されて形成された密接体と、
前記密接体の外周に半導電層または導電層からなる層Ｃと電気絶縁層Ｄがこの順に設けられており、
前記密接体と、前記層Ｃの隙間を冷媒が流通することを特徴とする超電導ケーブル。
電気絶縁層Ａの厚さａ（ｍｍ）および電気絶縁層Ｄの厚さｄ（ｍｍ）を、それぞれ超電導ケーブルに発生する高電圧に耐える絶縁層の必要最小厚さｔ（ｍｍ）の半分またはそれ以上にしたことを特徴とする請求項１記載の超電導ケーブル。