JP4766224B2

JP4766224B2 - 直流用超電導ケーブルを用いた直流送電方法

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Publication number: JP4766224B2
Application number: JP2004151934A
Authority: JP
Inventors: 正幸廣瀬
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2024-05-21
Also published as: JP2005332755A

Description

本発明は、直流送電に適した直流用超電導ケーブル、及びこの超電導ケーブルを利用した直流送電方法に関するものである。

従来、交流用超電導ケーブルとして、3つのケーブルコアを一括にした三心一括型のケーブルが知られている。図6は、三心一括型の三相交流用超電導ケーブルの断面図である。この超電導ケーブル100は、断熱管101内に3つのケーブルコア102を撚り合わせて収納させた構成である。断熱管101は、外管101aと内管101bとからなる二重管の間に断熱材(図示せず)が配置され、かつ二重管内が真空引きされた構成である。断熱管101の外周には、防食層104を具える。各ケーブルコア102は、中心から順にフォーマ200、超電導導体層201、絶縁層202、シールド層203、保護層204を具え、内管101bと各ケーブルコア102とで囲まれる空間103が液体窒素などの冷媒の流路となる。

上記超電導ケーブルを用いて交流送電を行うと、インダクタンスによる交流損失が生じたり、短絡時の電流が大きく、このときの損失により、冷媒容量が増加したり、温度が過度に上昇する恐れがある。これに対し、交流送電ではなく、直流用超電導ケーブルによる直流送電の場合、交流損失がなく、短絡電流も小さくすることができる。このような直流用超電導ケーブルとして、特許文献1では、超電導導体と絶縁層とを有するコアを3心撚り合わせた直流用超電導ケーブルが提案されている。この超電導ケーブルは、各ケーブルコアをそれぞれ正極コア、負極コア、中性線コアとして双極送電を行う。

特開2003-249130号公報

上記直流用超電導ケーブルでは、1条のケーブルで双極送電を行うことができる。しかし、1条のケーブルにケーブルコアを3つも具えることからケーブル外径が大きくなるため、布設スペースによっては適用できないことも考えられる。従って、直流送電を行うにあたり、ケーブル外径をより小さくできる超電導ケーブルの開発が望まれる。

そこで、本発明の主目的は、ケーブル外径がより小さい直流用超電導ケーブルを提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記直流用超電導ケーブルを利用した直流送電方法を提供することにある。

本発明は、1条のケーブルに複数のコアを具えるのではなく、複数の超電導導体層を同心円状に具えることで上記目的を達成する。

即ち、本発明の直流用超電導ケーブルは、第一超電導導体層と、前記第一超電導導体層と同心円状に配置され、第一超電導導体層と逆極性の電圧が印加される第二超電導導体層とを具える。前記第一超電導導体層と第二超電導導体層間には、絶縁する第一絶縁層を具える。前記第二超電導導体層上には、第二超電導導体層と対地間を絶縁する第二絶縁層を具える。そして、前記第二絶縁層上に、接地がとられる外側電極層を具える。また、第一絶縁層の中間部には、第一超電導導体層と同心円状に、接地がとられる中間電極層を具える構成としてもよい。

また、本発明直流送電方法は、上記直流用超電導ケーブルを用いた送電方法であって、外側電極層を接地し、第一超電導導体層を正極及び負極のいずれか一極の送電に用い、第二超電導導体層を他極の送電に用いて双極送電を行うことを特徴とする。また、中間電極層を具える場合は、外側電極層及び中間電極層の双方を接地する。

1条の直流用超電導ケーブルにて双極送電を行うにあたり、ケーブル外径をより小さくするべく、本発明者は、1条のケーブルにケーブルコアを2つ具える構成を検討した。具体的には、超電導導体層と、同導体層上に設けられる絶縁層と、絶縁層上に設けられ、超電導導体層と同様に超電導材料からなるシールド層とを具えるケーブルコアを2つ用意し、一方のコアを正極、他方のコアを負極とし、各コアのシールド層を接地して中性線層とする構成を検討した。しかし、1条のケーブルに複数のコアを具える構成では、ケーブル外径が大きくなる。例えば、中心から順にフォーマ、超電導導体層、絶縁層、シールド層(中性線層)、保護層からなるケーブルコアを2つ具える超電導ケーブルにおいて、フォーマを含む超電導導体層の外径を20mm、絶縁層の厚さを5mm、シールド層の厚さを1mm、保護層の厚さを2mmとすると、2つのコアの包絡円の直径は、(20+5×2+1×2+2×2)×2=72mmとなる。また、特許文献1に記載されるようにケーブルコア(中心から順に、フォーマ、超電導導体層、絶縁層、シールド層、保護層を具えるコア)を3つ撚り合わせた超電導ケーブルでは、3つのコアの包絡円の直径は、36+24√3≒77.6mmとなる。このように1条のケーブルに複数のケーブルコアを具える構成とすると、ケーブル外径は大きくなってしまう。そこで、1条のケーブルに複数のケーブルコアを具えるのではなく、一つのコアに複数の超電導導体層を設けることで、ケーブル外径を小さくすることを実現する。以下、本発明をより詳しく説明する。

本発明の超電導ケーブルは、同心円状に二つの超電導導体層を具え、超電導導体層間に絶縁層を具えるものとする。具体的には、中心から順に超電導材料から構成される第一超電導導体層、絶縁材料から構成される第一絶縁層、超電導材料から構成される第二超電導導体層、絶縁材料から構成される第二絶縁層というように、超電導導体層と絶縁層とを交互に具えるものとする。

超電導導体層は、例えば、Bi2223系超電導材料からなる線材を螺旋状に巻回することで形成するとよく、単層でも多層でもよい。多層とする場合、層間絶縁層を設けてもよい。層間絶縁層は、クラフト紙などの絶縁紙やPPLP(住友電気工業株式会社登録商標)などの半合成絶縁紙を巻回して設けることが挙げられる。第一超電導導体層は、上記超電導材料からなる線材をフォーマの外周に巻回して形成する。フォーマは、銅やアルミニウムなどの金属材料にて形成した中実体でも中空体でもよく、例えば、銅線を複数本撚り合わせた構成のものが挙げられる。上記銅線は、絶縁被覆されたものを利用してもよい。フォーマは、第一超電導導体層の形状維持部材として機能する。第二超電導導体層は、上記超電導材料からなる線材を(第一)絶縁層の外周に巻回して形成する。

第一絶縁層、第二絶縁層は、PPLP(登録商標)などの半合成絶縁紙やクラフト紙などの絶縁紙を巻回して形成することが挙げられる。第一絶縁層は、第一超電導導体層と第二超電導導体層間の絶縁に必要な絶縁強度を具えるように設ける。第二絶縁層は、第二超電導導体層と対地間の絶縁に必要な絶縁強度を具えるようにする。

そして、上記第二絶縁層上には、接地可能な外側電極層を設け、双極送電を行う際、接地をとっておき中性線層として利用する。双極送電を行う場合、通常、正極電流と負極電流とは、ほとんど同じ大きさであり互いにキャンセルし合うため、中性線層として機能する外側電極層には、電流がほとんど流れない。そのため、外側電極層は、銅やアルミニウムなどの常電導の導電性材料にて形成してもよいが、正極と負極でアンバランスが生じた際のアンバランス電流を流したり、一方の極に異常が生じて双極送電から単極送電を行う際、送電電流と同等の電流を流す(単極送電の帰路線路として機能させる)ことが望まれる。そこで、帰路線路として利用される外側電極層は、常電導材料よりも超電導材料にて形成することが好ましい。アンバランス電流、即ち、第一、第二超電導導体層のそれぞれに流れる電流の差分の電流を流すことで、外側電極層は、シールド層としても機能する。この外側電極層の外周には、絶縁を兼ねた保護層を具える。

上記構成を具える本発明の超電導ケーブルは、外側電極層を接地し、第一超電導導体層を正極及び負極のいずれか一極の送電に用い、第二超電導導体層を他極の送電に用いることで、双極送電を行うことができる。また、送電システムの一方の極に異常が生じた場合、例えば、その極の超電導導体層やケーブルに接続される直交流変換器などに異常が生じて、一方の極の送電を停止する場合、異常が生じていない極の超電導導体層を利用して、単極送電を行うことができる。このとき、外側電極層は、超電導材料にて形成しておき、超電導導体層に流れる送電電流と同等の電流が流れる帰路線路として機能させる。また、第一絶縁層、第二絶縁層のいずれか一方の絶縁層に異常が生じた場合、異常が生じていない方の絶縁層を利用して、単極送電を行うことができる。

更に、第一超電導導体層と第二超電導導体層間に設ける第一絶縁層の厚さをより小さくするべく、第一絶縁層の中間部に第一超電導導体層と同心円状に中間電極層を具えてもよい。交流用ケーブルにおける絶縁設計を直流用ケーブルにも適用して考える場合、絶縁層の内径をr₁、絶縁層の外径をR、絶縁層に印加される電位差をV、絶縁層内の最大ストレスをEとすると、最大ストレスEは、E＝V/(r₁×ln(R/r₁))で表わされる。仮に、r₁＝10(mm)、第一導体の電位をV₁＝240(kV)、第二導体の電位をV₂＝-240(kV)、E＝90(kV/mm)とすると、第一導体と第二導体間の電位差Vは、V＝|V₁-V₂|＝480(kV)となる。従って、r₁＝10(mm)、V＝480(kV)、E＝90(kV/mm)とすると、R≒17(mm)となり、絶縁層の厚さr₂＝R-r₁は、17-10＝7(mm)となる。

一方、絶縁層の中間部に中間電極層を設けた場合、第一導体と中間電極間の絶縁層Aの厚みは、r₁＝10(mm)、V＝240(V)、E＝90(kV/mm)とすると、R≒13(mm)となるから、A＝13-10＝3(mm)となる。また、中間電極層と第二導体間の絶縁層の厚みは、同様にr₁＝10+3＝13(mm)として、R≒16(mm)となるから、B＝16-13＝3(mm)となる。即ち、第一導体と第二導体間の絶縁層の厚さは、絶縁層Aの厚さ+絶縁層Bの厚さ＝3+3＝6(mm)となり、中間電極層を設けた場合、第一超電導導体層と第二超電導導体層間に設ける第一絶縁層の厚さをより薄くすることができる。このように同軸座標系による導体最大ストレスで絶縁層の厚みを設計する場合、絶縁層の厚さを小さくすることができる。

また、交流用の3相超電導ケーブルにおいて、本発明の直流用超電導ケーブルと同様に同心円状に超電導導体層を3相設ける構成としたとき、超電導導体層間に設けられる各絶縁層は、線間電圧に対する絶縁強度が求められる。そのため、超電導導体層間に設けられる絶縁層のうち、一つの絶縁層Aの中間部に中間電極層を設けて、この中間電極層を接地する場合、この絶縁層Aは、中間電極層がない場合と比較して、接地に対して2/√3倍もの絶縁が必要となるため、絶縁層Aの厚さが大きくなり、引いてはケーブル外径も大きくなる。これに対し、本発明の超電導ケーブルは、直流用であるため、上記交流のような位相によるデメリットが生じない。従って、第一絶縁層の中間部に中間電極層を設けても、ケーブル外径への影響が少なく、本発明の超電導ケーブルは、ケーブル径をより小さくすることができる。

上記中間電極層は、双極送電を行う際、接地をとっておく。このとき、中間電極層は、中性線層として機能する。このような中間電極層は、常電導材料にて形成してもよいが、アンバランス電流や異常時などで送電電流と同等の電流を流すことができるように、また、これらの電流が流れる際の発生熱を抑制するために超電導材料にて形成することが好ましい。なお、外側電極層及び中間電極層の双方を具える場合、少なくとも一方を超電導材料にて形成すると、超電導材料で形成された電極層に上記アンバランス電流などが流れる。両電極層とも超電導材料にて形成してもよい。

上記中間電極層及び外側電極層を具える超電導ケーブルは、外側電極層及び中間電極層の双方を接地し、第一超電導導体層を一方の極の送電に用い、第二超電導導体層を他方の極の送電に用いることで、双極送電を行うことができる。また、両電極層を接地しておくことで、双極送電において、いずれか一方の極に異常が生じた際、異常が生じていない極の超電導導体層を用いて単極送電を行うことができる。上記外側電極層のみを具えるケーブルの場合、第二超電導導体層側の極に異常が生じた場合、第二超電導導体層は接地された状態となり、第二絶縁層に対して高電圧を印加できないが、第一超電導導体層と接地された第二超電導導体層とを利用して単極送電を行うことができる。しかし、第一超電導導体層側の極に異常が生じて、第一超電導導体層が接地された状態となると、第一絶縁層に対して高電圧を印加できない状態となり、単極送電を行うことができない場合が生じる。これに対し、外側電極層に加えて中間電極層を具える場合、いずれの極に異常が生じても単極送電を行うことができる。具体的には、第一超電導導体層側の極に異常が生じた場合は、第二超電導導体層を往路線路、外側電極層及び中間電極層のうち、超電導材料からなる層を帰路線路として利用し、第二超電導導体層側の極に異常が生じた場合は、第一超電導導体層を往路線路、外側電極層及び中間電極層のうち、超電導材料からなる層を帰路線路として単極送電を行うことができる。このように中間電極層を具えることで、絶縁層の厚さを薄くすることができるだけでなく、双極送電から単極送電の移行をより確実に行えるようになる。

また、中間電極層を具えることで、本発明の超電導ケーブルは、端末構造を簡単に形成することができる。本発明の超電導ケーブルでは、第一超電導導体層と、第二超電導導体層とで別個の端末を構成する。そのため、ケーブル端部において、第一超電導導体層と第二超電導導体層間で接地電位をとる必要がある。このとき、外側電極層のみを具える本発明の超電導ケーブルの場合、両超電導導体層間に設ける接地電位部分と第二超電導導体層との間では、ケーブルの長手方向に加わる電界ストレスが大きくなるため、この方向のストレスが小さくなるように絶縁層をこの方向に大きくする必要がある。これに対し、中間電極層を具える場合、この中間電極層を利用して接地電位をとることができるため、上記のように絶縁層を大きくする必要がなく、絶縁設計が容易である。また、各超電導導体層はそれぞれ外側電極層、中間電極層を利用してシールド構造を構築できる。具体的には、第一超電導導体層に対して中間電極層を利用し、第二超電導導体層に対して外側電極層を利用することができる。従って、第一超電導導体層と中間電極層とで一方の極性の端末を、第二超電導導体層と外側電極層で他方の極性の端末を構成することができる。

本発明の超電導ケーブルは、上記のように中心から順にフォーマ、第一超電導導体層、第一絶縁層、第二超電導導体層、第二絶縁層、外側電極層、その他適宜保護層、第一絶縁層の中間部に中間電極層を具えるケーブルコアとし、このコアを断熱管内に収納して構成するとよい。断熱管は、例えば、外管と内管とからなる二重構造の断熱管の間に断熱材を配置し、内管と外管間を真空引きする構成が挙げられる。内管内には、ケーブルコアを冷却する液体窒素などの冷媒を充填する。断熱管の外周には、ポリ塩化ビニルなどの樹脂にて防食層などを設けてもよい。このように同心円状に超電導導体層を配置した本発明の超電導ケーブルは、複数のケーブルコアを有する超電導ケーブルと比較して、ケーブル外径を小さく、即ち、ケーブル断面積を小さくすることができ、ケーブル自体を小型化することができる。

上記構成を具える本発明の直流用超電導ケーブルは、ケーブル外径をより小さくしながら、双極送電を行うことができる。また、一方の極に異常が生じた際には、双極送電から単極送電に切り替えて送電を行うことができる。更に、本発明の超電導ケーブルは、中間電極層を具えることで、ケーブル径をより小さくできるだけでなく、双極送電から単極送電の切り替えをより確実に行うことができる。加えて、中間電極層を具えることで、端末構造をより簡単に構成することができ、ケーブル線路を構築する際、作業性の向上に大きく寄与する。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

図1は、本発明の直流用超電導ケーブルを用いて直流送電線路を構築した状態を示す概略構成図である。以下、図面において同一符号は同一物を示す。本発明の直流用超電導ケーブル1は、異なる極性の電圧が印加される2つの超電導導体層を同心円状に有するケーブルコア1aを断熱管(図示せず)内に1条具える同軸型の直流用ケーブルである。ケーブルコア1aは、第一超電導導体層2aと、第一超電導導体層2aと逆極性の電圧が印加される第二超電導導体層2bと、両超電導導体層2a、2b間を絶縁する第一絶縁層3aと、第二超電導導体層2b上に設けられて第二超電導導体層2bと対地間を絶縁する第二絶縁層3bと、第二絶縁層3b上に設けられて、接地がとられる外側電極層4とを具える。

本例において両超電導導体層2a、2b及び外側電極層4は、Bi2223系超電導テープ線(Ag-Mnシース線)にて形成した。第一超電導導体層2a、第二超電導導体層2b、外側電極層4はそれぞれ、フォーマ5、第一絶縁層3a、第二絶縁層3bの外周に多層に螺旋状に巻回して構成した。第一絶縁層3a、第二絶縁層3bはそれぞれ、第一超電導導体層2a、第二超電導導体層2bの外周に半合成絶縁紙(PPLP：住友電気工業株式会社登録商標)を巻回して構成した。第一絶縁層3aは、第一超電導導体層2aと第二超電導導体層2b間の絶縁に必要な絶縁強度を有するように設けた。第二絶縁層3bは、第二超電導導体層2bと対地間の絶縁に必要な絶縁強度を有するように設けた。フォーマ5は、銅線を複数本撚り合わせたものを用いた。また、本例では、外側電極層4の外周にクラフト紙を巻回して保護層6を設けた。これらフォーマ5、第一超電導導体層2a、第一絶縁層3a、第二超電導導体層2b、第二絶縁層3b、外側電極層4、保護層6からなるケーブルコア1aを収納する断熱管には、SUSコルゲート管を用い、図6に示す従来の超電導ケーブルと同様に、外管と内管とからなる二重管の間に断熱材を多層に配置し、かつ二重管内を真空引きした真空多層断熱構成とした。内管とケーブルコア1aとで囲まれる空間が液体窒素などの冷媒の流路となる。断熱管の外周には、ポリ塩化ビニルで防食層を形成した。

上記構成を具える本発明の超電導ケーブル1は、直流送電、具体的には双極送電、単極送電のいずれにも用いることができる。以下、第一超電導導体層2aを正極、第二超電導導体層2bを負極として双極送電を行う場合を例にして説明する。第一超電導導体層2aの一端には、交流系統(図示せず)に接続される直交流変換器10がリード50を介して接続され、他端には、同直交流変換器11がリード51を介して接続される。第二超電導導体層2bの一端には、同様に直交流変換器12がリード52を介して接続され、他端には、直交流変換器13がリード53を介して接続される。外側電極層4は、リード54、55を介して直交流変換器10〜13に接続されると共に、片端で接地されている。本例では、リード55のみ接地し、片端接地としたが、リード54も接地して両端接地としてもよい。なお、リード50〜55は、超電導導体層や外側電極層と直交流変換器とを接続するものである。

上記構成を具える直流送電線路では、直交流変換器10、リード50、第一超電導導体層2a、リード51、直交流変換器11、リード55、外側電極層4、リード54という正極順路が構築される。また、直交流変換器13、リード53、第二超電導導体層2b、リード52、直交流変換器12、リード54、外側電極層4、リード55という負極順路が構築される。これら正極順路、負極順路により双極送電を行うことができる。なお、図1において矢印は電流の流れる向きを示す。また、本例では、外側電極層4を超電導材料にて形成しているため、中性線層としてだけでなく、異常電流やアンバランス電流を流すシールド層としても機能する。

一方、いずれかの極の超電導導体層や直交流変換器に異常が生じて、その極の超電導導体層による送電を停止した際、異常を生じていない極の超電導導体層を利用して単極送電を行うことができる。この例では、第二超電導導体層側の極、即ち、負極に異常が生じた場合、第二超電導導体層2bを接地することで、第一超電導導体層2aを往路線路、第二超電導導体層2bを帰路線路として単極送電を行うことができる。

上記のように本発明の超電導ケーブルは、双極送電及び単極送電の双方を行うことができる。特に、1条のケーブルにケーブルコアを複数具える構成と比較して、ケーブル外径をより小さくできる。また、本例では、外側電極層を超電導線材にて形成することで、外側電極層がシールド層として機能するため、別途シールド層を設ける必要がなく、ケーブル外径をより小さくすることができる。

上記本発明の超電導ケーブル1の端末構造は、例えば、以下のように構成するとよい。図2は、本発明の超電導ケーブル1の端末構造の概略構成を示す部分断面図である。図2に示す端末構造は、ケーブルコア1aの端部が収納される冷媒槽30a、30bと、これら冷媒槽30a、30bを収納する真空容器(図示せず)と、第一超電導導体層2aと常温側とを接続する第一リード40aと、第二超電導導体層2bと常温側とを接続する第二リード40bとを具える。

冷媒槽30a、30bには、ケーブルコア1aの各層が段剥ぎされ、端末処理されて収納される。具体的には、保護層6、外側電極層4、第二絶縁層3b、第二超電導導体層2b、第一絶縁層3a、第一超電導導体層2aを順に露出させ、第一絶縁層3aの外周及び第二絶縁層3bの外周に所定の絶縁強度を有するように絶縁材料にて補強絶縁層31、32、33を形成する。補強絶縁層32の外周には、シールドリング34を配置している。第一超電導導体層2aの外周には、接続部41aを介して第一リード40aを接続する。第二超電導導体層2bの外周には、接続部41bを介して第二リード40bを接続する。これら第一超電導導体層2aの端部及び第一リード40aを冷媒槽30aに収納し、第二超電導導体層2bの端部及び第二リード40bを冷媒槽30bに収納している。

そして、第一超電導導体層2aと第二超電導導体層2b間には、接地電位をとるべく接地層35を設けている。接地層35は、接地されている冷媒槽30a、30bと接続されることで接地をとる。このような接地層35を設けるため、補強絶縁層32は、ケーブルの長手方向(図2において左右方向)の電界ストレスを緩和できるような大きさとしている。

上記実施例1では、2つの超電導導体層に対して、電極層を一つ具える構成を説明した。この例では、電極層を二つ具える例を説明する。図3は、中間電極層を具える本発明の超電導ケーブルの端部断面を示す概略構成図である。本例に示す超電導ケーブル20は、基本的構成は実施例1に示す超電導ケーブル1と同様であり、異なる点は、外側電極層4に加えて、第一絶縁層3aの中間部に接地可能な中間電極層21を具える点にある。本例において中間電極層21は、外側電極層4と同様にBi2223系超電導テープ線(Ag-Mnシース線)を用いて形成した。具体的には、第一超電導導体層2aと大地電圧(接地)間の絶縁に必要な第一絶縁層3a'を形成した後、この第一絶縁層3a'の外周に上記超電導テープ線を螺旋状に巻回して中間電極層21を形成した。そして、この中間電極層21の外周には、第二超電導導体層2bと大地電圧(接地)間の絶縁に必要な第一絶縁層3a”を形成した。

上記構成を具える本発明の超電導ケーブル20も、実施例1と同様に双極送電、単極送電のいずれも行うことができる。図4は、中間電極層を具える本発明の直流用超電導ケーブルを用いて直流送電線路を構築した状態を示す概略構成図であり、(A)は双極送電線路、(B)は単極送電線路を示す。超電導ケーブル20を用いた直流送電線路の基本的構成は実施例1と同様であり、第一超電導導体層2aの一端には、交流系統(図示せず)に接続される直交流変換器10がリード50を介して接続され、他端には、同直交流変換器11がリード51を介して接続される。第二超電導導体層2bの一端には、直交流変換器12がリード52を介して接続され、他端には、直交流変換器13がリード53を介して接続される。外側電極層4及び中間電極層21はそれぞれ、リード54、55、55a、55bを介して直交流変換器10〜13と接続され、片端で接地される。本例では、リード55のみで接地し、片端接地としたが、リード54も接地して両端接地としてもよい。

上記構成を具える直流送電線路では、図4(A)に示すように直交流変換器10、リード50、第一超電導導体層2a、リード51、直交流変換器11、リード55、リード55a及びリード55b、中間電極層21及び外側電極層4、リード54という正極順路が構築される。また、直交流変換器13、リード53、第二超電導導体層2b、リード52、直交流変換器12、リード54、中間電極層21及び外側電極層4、リード55a及びリード55b、リード55という負極順路が構築される。これら正極順路、負極順路により双極送電を行うことができる。このとき、中間電極層21及び外側電極層4は、正極順路及び負極順路において中性線層として機能する。なお、図4において矢印は電流の流れる向きを示す。また、本例では、中間電極層21及び外側電極層4を超電導材料にて形成しているため、中性線層としてだけでなく、異常電流やアンバランス電流を流すシールド層としても機能する。なお、中間電極層21又は外側電極層4のいずれか一方を超電導材料にて形成し、他方を常電導材料にて形成した場合、双方とも中性線層として機能するが、シールド層として機能するのは、超電導材料にて形成された電極層となる。

一方、いずれかの極の超電導導体層や直交流変換器に異常が生じて、その極の超電導導体層による送電を停止した際、異常を生じていない超電導導体層を利用して単極送電を行うことができる。特に、本例では、中間電極層21を具えることで、正負極のいずれの極に異常が生じた場合であっても、単極送電を行うことができる。例えば、負極(この例では、第二超電導導体層側の極)に異常が生じて負極の送電を停止した場合、図4(B)に示すように、異常が生じていない極側である第一超電導導体層2aを往路線路、中間電極層21及び外側電極層4を帰路線路として単極送電を行うことができる。逆に、正極(この例では、第一超電導導体層側の極)に異常が生じて正極の送電を停止した場合、異常が生じていない極側である第二超電導導体層2bを往路線路、中間電極層21及び外側電極層4を帰路線路として単極送電を行うことができる。なお、本例では中間電極層21及び外側電極層4の双方を超電導材料にて形成したため、単極送電を行う場合、これら電極層21、4は、シールド層としても機能する。また、いずれか一方の電極層を超電導材料にて形成し、他方を常電導材料にて形成した場合、双方とも中性線層として機能するが、シールド層として機能するのは、超電導材料にて形成された電極層となる。

上記のように本発明の超電導ケーブルは、実施例1と同様に、双極送電、単極送電を行うことができる。特に、中間電極層を具えたことで、上記実施例1よりも絶縁層の厚さをより薄くすることができ、ケーブル外径を小さくすることができる。また、中間電極層を具えたことで、いずれの極が停止しても、双極送電から単極送電に移行することができる。

更に、中間電極層を具えることで、端末構造を簡単に構成することができる。図5は、中間電極層を具える本発明の超電導ケーブルの端末構造の概略構成を示す部分断面図である。図5に示す端末構造の基本的構造は、図2に示す構造と同様である。即ち、ケーブルコア1aの端部が収納される冷媒槽30a、30bと、これら冷媒槽30a、30bを収納する真空容器(図示せず)と、第一超電導導体層2aと常温側とを接続する第一リード40aと、第二超電導導体層2bと常温側とを接続する第二リード40bとを具える。

冷媒槽30a、30bには、ケーブルコア1aの各層が段剥ぎされ、端末処理されて収納される。具体的には、保護層6、外側電極層4、第二絶縁層3b、第二超電導導体層2b、第一絶縁層3a"、中間電極層21、第一絶縁層3a'、第一超電導導体層2aを順に露出させ、第一絶縁層3a"の外周、第一絶縁層3a'及び中間電極層21、第二絶縁層3bの外周に所定の絶縁強度を有するように絶縁材料にて補強絶縁層31、32、33を形成する。補強絶縁層32の外周には、シールドリング34を配置している。第一超電導導体層2aの外周には、接続部41aを介して第一リード40aを接続する。第二超電導導体層2bの外周には、接続部41bを介して第二リード40bを接続する。これら第一超電導導体層2aの端部及び第一リード40aを冷媒槽30aに収納し、第二超電導導体層2bの端部及び第二リード40bを冷媒槽30bに収納している。

そして、第一超電導導体層2aと第二超電導導体層2b間において、接地電位をとるべく中間電極層21を接地されている冷媒槽30a、30bと接続させて接地をとっている。このように中間電極層21にて接地をとることで、図2に示す端末構造と比較して、補強絶縁層32に加わるケーブルの長手方向(図2において左右方向)の電界ストレスが小さい。従って、補強絶縁層32を図2に示す端末構造よりも小さくすることができる。

本発明の直流用超電導ケーブルは、電力送電を行う線路に利用することが好適である。特に、本発明の超電導ケーブルは、ケーブル外径が小さく、布設スペースが小さくて済むことに加えて、端末構造を簡単に形成することができる。

本発明の直流用超電導ケーブルを用いて直流送電線路を構築した状態を示す概略構成図である。本発明の超電導ケーブルの端末構造の概略構成を示す部分断面図である。中間電極層を具える本発明の直流用超電導ケーブルの端部断面を示す概略構成図である。中間電極層を具える本発明の直流用超電導ケーブルを用いて直流送電線路を構築した状態を示す概略構成図であり、(A)は双極送電線路、(B)は単極送電線路を示す。中間電極層を具える本発明の超電導ケーブルの端末構造の概略構成を示す部分断面図である。三心一括型の三相交流用超電導ケーブルの断面図である。

符号の説明

1,20 直流用超電導ケーブル 2a 第一超電導導体層 2b 第二超電導導体層
3a,3a',3a" 第一絶縁層 3b 第二絶縁層 4 外側電極層 5 フォーマ
6 保護層 10〜13 直交流変換器 21 中間電極層
30a,30b 冷媒槽 31,32,33 補強絶縁層 34 シールドリング 35 接地層
40a 第一リード 40b 第二リード 41a,41b 接続部
50〜55,55a,55b リード
100 三相交流用超電導ケーブル 101 断熱管 101a 外管 101b 内管
102 ケーブルコア 103 空間 104 防食層
200 フォーマ 201 超電導導体層 202 絶縁層 203 シールド層
204 保護層

Claims

第一超電導導体層と、
前記第一超電導導体層と同心円状に配置され、第一超電導導体層と逆極性の電圧が印加される第二超電導導体層と、
前記第一超電導導体層と第二超電導導体層間を絶縁する第一絶縁層と、
前記第二超電導導体層上に設けられて、第二超電導導体層と対地間を絶縁する第二絶縁層と、
前記第二絶縁層上に設けられ、接地がとられる外側電極層と、
前記第一絶縁層の中間部に前記第一超電導導体層と同心円状に設けられ、接地がとられる中間電極層とを具える直流用超電導ケーブルを用い、
外側電極層及び中間電極層を接地し、
第一超電導導体層を正極及び負極のいずれか一極の送電に用い、
第二超電導導体層を他極の送電に用いて双極送電を行うことを特徴とする直流送電方法。
前記直流用超電導ケーブルにおいて、前記外側電極層及び前記中間電極層の少なくとも一方は、超電導材料からなることを特徴とする請求項１に記載の直流送電方法。
更に、いずれか一方の極に異常が生じたとき、異常が生じていない他方の極の超電導導体層を用いて単極送電を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の直流送電方法。