JP4686429B2 - 中電圧または高電圧下にて超伝導装置に給電するためのデバイス - Google Patents

Description

本発明は、中電圧（medium voltage）または高電圧（high voltage）を超伝導装置に給電するためのデバイスであり、大電流量を送ることができるデバイスに関する。

低温液体（cryogenic liquid）で満たされた低温保持装置（cryostat）は、超伝導素子または超伝導装置を備えている。この超伝導素子または超伝導装置は、ジュール効果による損失を受けることなく大電流を送ることができる。しかし、超伝導素子に大電流を供給するためには、中電圧または高電圧にて超伝導素子に電気を送る必要がある。ここで、明細書中に記載した「中電圧または高電圧」は、約５０キロボルト（ｋＶ）より高い電圧を示す場合に使用する。

ブッシング（bushing）という貫通接続デバイス（feed-through device）を使用して、外気中に設置される故に外気温下にある電源から低温保持装置内部に設けられる故に極低温下にある超伝導素子に、電気を供給する。上記ブッシング（bushing）は、主に絶縁被膜（insulating sheath）で覆われた中央導電体（central electrical conductor）からなる。ブッシングは、熱伝導による損失を低く抑えることで低温液体に伝わる熱が過大になり低温液体が沸騰するのを確実に回避しながら、妥当な領域で温度変化を終えなければならない。加えて、ブッシングは、大電流で電気を送ることができなければならず、高電圧に耐えることができなければならない。

超伝導素子に電気を供給するために、一方のブッシングを電流の流入用に、他方のブッシングを電流の流出用に使用する必要がある。もし、給電圧が高いと、外気中にある二つのブッシング末端間で放電が起こるリスクが生じる。言い換えると、二つのブッシング末端間の電界は、外気中に露出しているこの末端間にて電気アークを生じさせるのに十分な大きさとなり得、外気中でブレークダウン（breakdown）が発生し得る。超伝導素子に欠陥があるとき、またはネットワークに過電流が流れるといったような通電容量を超えるときには、電気アークが起きる現象はどうしても回避できないこととなる。このような状況のもとでは、二つのブッシング間の電気的導通（electrical continuity）は少なくとも一時的には遮断され、一方のブッシングには高電位（high voltage potential）、他方のブッシングには地電位（ground potential）付近の電位が検出されることとなる。

そこで、中電圧と高電圧に適し、さらに大電流にも適したブッシングの実施態様が、本発明の出願人が２００５年３月１７日に出願した特許文献１と特許文献２に記載されている。また、日本の特許文献３，４にも、中電圧と高電圧に適し、さらに大電流にも適したブッシングの実施態様が開示されている。
仏国特許出願 05/50694号公報 仏国特許出願 05/50695号公報 特開平０９−１９０８４７号公報 特開２０００−２９４０５７号公報

ブレークダウン（breakdown）が生じるのを防ぐために、ブッシングの間隔を十分に広げる（例えば、数メートル）という手段をとることはできない。なぜなら、超伝導素子を備えた低温保持装置には寸法上の制約があるからである。低温保持装置の大きさは、製造コストとランニングコストの両面から制約を受ける。そこで、本発明の目的は、ブッシング間で放電が生じないデバイスを提供することを目的とする。

さらに、大電流、高電圧にて電気を供給することで、低温液体の温度が局所的に上昇してガスが発生することとなる。これにより超伝導素子に欠陥が生じ、さらには超伝導素子が本来の性質にもどってしまう原因となる、という問題が生じる。例えば、超伝導素子が液体窒素に浸された電流制限器（current limiter）の場合、流入する電流がある値を超えることで電流制限器は超伝導性ではなくなる。その後、前記電流制限器はジュール効果により熱くなることで、液体窒素が、部分的に沸点に達し窒素ガスが発生して泡立つこととなる。この場合、窒素ガスは液体窒素に比べて電気的絶縁性が著しく劣るので、低温保持装置内部、例えば低温保持装置内に取り付けられた二つのブッシング末端間において、放電が起こる可能性がある。本発明の実施態様においては、上記した問題を解消することができる。

より正確には、本発明は、中電圧または高電圧を、低温液体を有する低温保持装置に取り付けられた超伝導装置に給電するデバイスに関する。このデバイスは二つのブッシングを備え、おのおののブッシングには中央導電体がある。ブッシングの第一接続端子（first connection terminal）は低温保持装置外側にあり、第二接続端子は低温保持装置内部にある。ブッシングの第一接続端子は、中電圧または高電圧の電源に接続するためのものである。ブッシングの第二接続端子は、超伝導装置に接続するためのものである。

本発明では、第一接続端子間の間隔は第二接続端子間の間隔よりも大きい。この間隔は、第一接続端子間と第二接続端子間のどちらも放電を回避するのに十分な間隔とする。

実施態様としては、上記ブッシングの中央導電体はほぼ直線であり、少なくとも一つの中央導電体は垂直線に対して傾斜しているのが好ましい。

他に、上記ブッシングの中央導電体の形状はほぼ直線であって、一方の中央導電体は垂直線に対して+ａの角度で傾斜し、他方の中央導電体は垂直線に対して−ａの角度で傾斜している実施態様でもよい。両中央導電体はほぼ一平面（single plane）上にある。おのおののブッシングは、外気温と低温の中間温度のエンクロージャと、このエンクロージャにつながった外気温のエンクロージャを備えている。前記中央導電体は、電気的絶縁被膜で覆われた状態で、このエンクロージャ中を貫通している。

少なくとも、ブッシングの第二接続端子から中間温度のエンクロージャと外気温のエンクロージャ間の接合部に至る部分の絶縁被膜までは、接地された導電性スクリーン（electrically conductive screen）で覆われているのが好ましい。

前記低温保持装置は、その上部に低温液体を入れる空間の拡張部（enlargement）を備えた実施態様であってもよい。この空間の拡張部は、第二接続端子よりも高い位置にある。低温液体中には何らかのガスが存在する。このガスは低温液体中を上昇して、ガスの貯蔵場所となりうる前記拡張部中に溜まることとなる。

前記低温保持装置には、この空間の拡張部上端に安全バルブを備えてもよい。拡張部中のガス圧が所定の値を上回ると、この安全バルブが開く。

本発明の他の特徴及び利点を、以下の実施例の記載と本発明の実施態様を示した図1にて示す。

まず、放電を引き起こす電界の値は、空気中よりも低温液体中の方がはるかに高い、ということを見出した。例えば、空気中では１mm当たり約１キロボルト（１kv／mm）の電圧でブレークダウンが起きるのに対し、低温液体が窒素の場合、１mm当たり３０キロボルト（３０kv／mm）から４０キロボルト（４０kv／mm）程度の電圧でブレークダウンが起きる（この値は、温度や空気の湿度などいくつかの要因によって変化する）。さらに、低温保持装置内の低温液体は、約３＊１０ ^５ パスカル（３バール（bar））の圧力下にあるため、液体窒素内でブレークダウンが起きる電圧は、６０kv／mm付近まで上昇する。従って、低温液体中のブッシングの末端よりも空気中のブッシングの末端の方が、はるかに放電が起こりやすい。

一般的には、液体窒素中にある第二接続端子の両末端の間隔は、超伝導装置の寸法で決まる。つまり、両末端の間隔は、低温保持装置内部の寸法によって制限される。しかし、液体窒素中でブレークダウンが起きる電圧は、空気中でブレークダウンが起きる電圧よりもはるかに高いので、一般的には、液体窒素中の両末端の間隔は、決定的に重要な意味を持つというものではない。しかし、空気中にあるブッシングの両末端の間隔については、これと同様のことは言えない。この両末端の間隔は、許される外形寸法により定められた特定の制限内で、広げられなければならない。

図１は、低温液体を含んだ低温保持装置１４に設けられた超伝導装置１２に、中電圧または高電圧にて給電するためのデバイス１０の態様を示している。一般的には、上記低温液体には、約−２００℃の液体窒素が用いられる。従来技術では、低温保持装置１４は外壁と内壁を備え、この壁面により低温液体を入れる空間１６の範囲が規定される。これにより、この空間１６は低温状態となり、いわゆる「高温」である超伝導体の温度を約−２００℃とする。低温保持装置の内外壁間の真空度は、例えば約１０ ^−３ パスカル（１０ ^−５ ミリバール（mbar））で維持されている。

超伝導装置１２には多種類あり、例えば、電流制限器やテスター（tester）などが挙げられる。液体窒素によりこの装置１２が冷却されることで、超伝導性となる。デバイス１０は二つのブッシング１８、１８´を備え、一方のブッシングは低温保持装置に電流を流すために使用され、他方のブッシングは低温保持装置からの電流を外部に流すために使用される。上記したブッシング両末端の一方には、第一接続端子２０、２０´がある。この端子は低温保持装置外側にあり、外気中に露出している。ブッシングのもう一方の末端には、第二接続端子２２、２２´がある。この第二接続端子は、低温保持装置内部にある。第一接続端子２０、２０´は給電装置に接続され、第二接続端子２２、２２´は超伝導装置１２に接続される。

ブッシング１８、１８´は同一のものであるため、ブッシング１８のみについて詳細に記載する。

中電圧と高電圧に適し、さらに大電流にも適したブッシングの態様が、本発明の出願人が２００５年３月１７日に出願した特許文献１と特許文献２に記載されている。

ブッシング１８は、銅合金製またはアルミニウム合金製であり絶縁被覆（例えばエポキシ樹脂製）２６で覆われた中央導電体２４を有している。低温保持装置１４内部にある中央導電体２４の下端部（bottom end）には第２接続端子２２があり、上端部（top end）には第１接続端子２０がある。

少なくとも、低温保持装置１４と隣接した中間エンクロージャ（intermediate enclosure）２８部には、熱伝導率の低い固体材料を使用するのが好ましい。熱伝導率の低い固体材料には、ポリウレタンフォーム、または例えば「フォームガラス」の商標で市販されている気泡ガラスといった発泡体（foam）の形状をしたものなどがある。

上記絶縁被覆２６で覆われた中央導電体２４は、漏れ止め用のファスナーフランジ（fastener flange）３０と、ファスナーフランジ３０の上側にある中間エンクロージャ（intermediate enclosure）２８の底面と、中間エンクロージャ２８のやや上方に位置する漏れ止め用ファスナーフランジ（fastener flange）３２と、中間エンクロージャ２８の上面を貫通している。さらにこの絶縁被覆２６で覆われた中央導電体２４は、このファスナーフランジ３２の上にある外気温のエンクロージャ３４の内部を貫通している。中央導電体２４は、エンクロージャ３４の上端部から突き出て、第一接続端子２０を形成する。中間エンクロージャの温度は、外気温と低温流動体の間の温度である。

導電性スクリーン（electrically conductive screen）３６は金属製であることが好ましい。さらに、導電性スクリーン３６は、絶縁被覆２６の全体または少なくとも一部分（つまり、絶縁被覆の一定範囲）に、絶縁被膜の周囲に密着させるように設けるのが好ましい。導電性スクリーン３６を用いることで、絶縁被覆２６の前記部分に金属層が形成されるのが好ましい。絶縁被覆外面に形成された金属層の例には、この外面に吹き付けられた亜鉛を挙げることができる。導電性スクリーン３６は、少なくとも、ファスナーフランジ３０のやや上方に位置する中間エンクロージャ２８の底面からフランジ３２の部分（つまり、中間エンクロージャ２８と外気温のエンクロージャ３４の境界部）まで設けられている。導電性スクリーン３６は接地されている。これにより、中央導電体２４に沿った電界は、もっぱらブッシング内部、より正確には中央導電体２４とスクリーン３６の間に制限されることになる。

絶縁被覆２６の底面側末端は、ファスナーカラー（fastener collar）４０を有するバルブ（bulb）３８により終端処理されている。バルブ３８は、カラー４０（collar）の位置において最も張り出た形状をしている。フランジ３０によりバルブ３８のカラー４０が固定され、この結果絶縁被覆２６が固定される。このようにしてフランジ３０により低温保持装置１４内壁の漏れが止められる。バルブ３８の張り出た形状の部分は、カラー４０のところまで導電性スクリーン３６によって覆われている。

外気温のエンクロージャ３４の側壁は、電気絶縁体（例えば、一般に「ファイバー混入強化ポリマー（fiber reinforced polymer）」（FRP）といわれるガラスファイバーを入れて強化したエポキシ）で構成される。この側壁の外面には、絶縁性材料（例えばシリコン）製の一連のフィン（fin）または「シェッド（shed）」がある（図１には記載していない）。これは、側壁外面の漏れ電流が通る経路を延ばすことを目的としたものである。外気温のエンクロージャ３４は、シリコン油（silicone oil）といった優れた電気絶縁性を有する液体で満たされている。さらには、この電気絶縁性の液体が、容易にエンクロージャの温度を外気温に安定させるために、中央導電体２４の周囲に優れた電気絶縁性が与えられる。

導電性スクリーン３６の末端がきている絶縁被覆２６の部分は、外気温のエンクロージャ３４内部にあるストレスコーン（stress cone）４２により囲まれている。ストレスコーン４２には、導電性部位がある。この導電性部位は、導電性スクリーン３６及び例えば半導体テープ（semiconductivetape）からなるタッピング（taping）を経由などして導電性の漏れ止め用ファスナーフランジ３２と、電気的に接続されている。導電性スクリーン３６の末端は、ファスナーフランジ３２のところにあってもよく、または図1で示したようにストレスコーン４２の導電性部位のところまで伸びていてもよい。ここで重要なのは、導電性スクリーン３６とストレスコーン４２の間で優れた電気的導通性を有していることである。ストレスコーン４２には、電界の向きの線（electric field lines）を屈折させるか広げる機能がある。これによりブレークダウンの原因となりうる電気的不連続性を回避することができる。

本発明では、外気中に露出した第一接続端子２０、２０´間の間隔Dは、低温液体中に位置する第二接続端子２２、２２´間の間隔ｄよりも大きい。さらに、上記間隔D、ｄは、第一接続端子間、第二接続端子間それぞれにおいて放電が起きる間隔よりも広い間隔とする必要がある。この間隔Dの最小値は、当然、本発明に係るデバイスが使用される電気的条件（超伝導装置に印加される電圧と電流の最大値）と外気的条件（例えば空気湿度や温度）の影響を受ける。間隔Dは、印加される電圧値に応じて、前記第一接続端子２０、２０´間で生じる電界が１kv/mm以下となるように決定される。

本発明は、いくつかの態様で実施することが可能である。例えば、中央導電体２４、２４´が直線のとき、ブッシング１８、１８´のうちの少なくとも一方が、垂直方向４４に対してaの角度にて傾斜している態様があるが、図１に示したように、両方のブッシングが垂直方向４４に対して傾斜しているのが好ましく、より好ましくはブッシング１８が−ａの角度で、ブッシング１８´が＋aの角度で傾斜している態様である。前記傾斜の角度aは、５°〜９０°の範囲が好ましい。

他に、一方のブッシングが低温保持装置の頂上部に、他方のブッシングが低温保持装置の側面部に設けられ、この二つのブッシングが相互にほぼ垂直の関係で取り付けられている態様であってもよい。二つの中央導電体２４、２４´及び二つのブッシング１８、１８´は一平面上（single plane）にある。このことは図１に示した実施態様にも当てはまる。指摘されている平面は、まさに図１の紙面に相当する。

低温保持装置１４は、その上端部位（top portion）に空間１６の拡張部（enlargement）４６が設けられるのが好ましい。この空間１６の拡張部（enlargement）４６は第二接続端子２２、２２´間の上方に設けられている。気泡が低温保持装置内部に生成すると低温液体表面に向かって上昇し、空間１６の拡張部４６内にたまる。従って、空間１６の拡張部４６にガスの溜りが形成される。ガスの発生原因は、一般的には、ジュール効果により超伝導装置１２が加熱されて、低温液体が沸騰することによる。このとき、低温液体は部分的に加熱される。この加熱される部分には、例えば第二接続端子２２、２２´の周辺部が挙げられる。生成した気泡は低温液体中を上昇し、最終的に気泡は空間１６の拡張部４６中に溜まる。

ブッシングの傾斜には、気泡の上昇を促す効果がある。ブッシングが垂直の場合、生成した気泡が第二接続端末２２、２２´の周辺部やバルブ３８、３８´の底面部に溜まることとなる。ブッシングが傾斜していることにより、気泡が低温液体中、特に第二接続端子２２、２２´周辺部に溜まるのを回避できる。その結果、低温液体中で放電が起きるのを防ぐことができる。ブッシング１８、１８´またはブッシング間の位置より空間１６の拡張部４６の位置が高くても、超伝導装置１２に給電するためのデバイスや低温保持装置の機能を妨げることはない、ということが見出された。さらに、低温保持装置が使用されるとき、空間１６の拡張部４６は低温液体で満たされているため、全体の熱容量（thermal mass）は増大する。

上記空間１６の拡張部４６内のガス圧が設定値を超えると、所定の圧力を検知した安全弁（safety valve）４８が自動的に開く。空間１６の拡張部４６内のガス圧が設定した値に戻ると、安全弁４８は、裂け目のある膜を備えた破裂板（rupture disk）により元の位置に戻される。

本明細書で開示した態様以外の実施態様は、本発明の範囲を超えることのない従来技術を用いて発明することができる。例えば、ブッシングの形状は、直線ではなく曲げたものであってもよい。特にブッシング１８、１８´の実施態様は、単に一例を示したものに過ぎず、ブッシングが中電圧または高電圧に耐えることができる範囲で、他の態様で使用されてもよい。

中電圧または高電圧にて、低温液体を含んだ低温保持装置１４に設けられた超伝導装置１２に給電するためのデバイス１０を示した図である。

Claims (11)

1. 低温液体を含有した低温保持装置（１４）に取り付けられた超伝導装置（１２）に、中電圧または高電圧にて給電するデバイス（１０）であって、
   中央導電体（２４、２４´）と、
   該低温保持装置から露出しており中電圧または高電圧の電源に接続される第一接続端子（２０、２０´）と、
   該低温保持装置内側に設けられた該超伝導装置（１２）に接続される第二接続端子（２２、２２´）とをそれぞれ備える二つのブッシング（１８、１８´）からなり、
   該第一接続端子間の間隔Dが該第二接続端子間の間隔ｄより大きく、該間隔Dが該第一接続端子（２０、２０´）間における放電を、該間隔ｄが該第二接続端子（２２、２２´）間における放電を、回避するのに十分な間隔であり、
   前記低温保持装置（１４）が、その上端部位に前記低温液体を入れる空間（１６）の拡張部（４６）を備え、
   該拡張部は、前記第二接続端子（２２、２２´）よりも高い位置にあって、
   該低温液体中に存在するガスが、該低温液体中を上昇し該拡張部中にガスの溜まりを形成する
   ことを特徴とする中電圧または高電圧にて給電するデバイス（１０）。
2. 前記拡張部（４６）が、前記ブッシング（１８、１８´）の間に設けられることを特徴とする、請求項１記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。
3. 前記低温保持装置（１４）が、前記拡張部（４６）の先端部に安全弁（４８）を備え、
   該安全弁が、該拡張部中に存在するガスの圧力があらかじめ設定された圧力を上回ると開くことを特徴とする、請求項１または２記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。
4. 前記中央導電体（２４、２４´）の形状が、ほぼ直線であり、該導電体の少なくとも一方が垂直線（４４）に対して傾斜していることを特徴とする、請求項１ないし３の何れか１項に記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。
5. 前記中央導電体の垂直線に対する傾斜の角度aが、５°〜９０°の範囲であることを特徴とする、請求項４記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。
6. 前記中央導電体（２４´）の一方が垂直線に対して＋aの角度で傾斜し、前記導電体（２４）の他方が垂直線に対して−aの角度で傾斜していることを特徴とする、請求項４または５記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。
7. 前記中央導電体（２４、２４´）が、ほぼ一平面上にあることを特徴とする、請求項４ないし６の何れか１項に記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。
8. 前記低温保持装置から露出した前記第一接続端子（２０、２０´）において、該第一接続端子間の間隔Dが、印加された電圧値に応じて、該第一接続端子間において生じる電界の強さが１kv/mm以下となるように選択されることを特徴とする、請求項１ないし７の何れか１項に記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。
9. 前記第一接続端子（２０、２０´）が外気温、前記第二接続端子（２２、２２´）が外気温よりも低い温度にあって、
   前記おのおののブッシング（１８、１８´）が、該外気温と低温の中間温度のエンクロージャ（２８）と、該エンクロージャと連なっている外気温のエンクロージャ（３４）を備え、
   該エンクロージャ（２８、３４）内を絶縁被覆（２６）で覆われた前記中央導電体（２４）が貫通していることを特徴とする、
   請求項１ないし８の何れか1項に記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。
10. 前記中間温度のエンクロージャ（２８）が、熱伝導率の低い固体材料で満たされていることを特徴とする、請求項９記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。
11. 接地された導電体スクリーン（３６）が、前記第二接続端子（２２）から少なくとも前記中間温度のエンクロージャと前記外気温のエンクロージャの境界（３２）の範囲まで前記絶縁被覆（２６）を覆っていることを特徴とする、請求項９または１０記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。