JP4927804B2

JP4927804B2 - 超電導ケーブルの端末接続構造

Info

Publication number: JP4927804B2
Application number: JP2008277221A
Authority: JP
Inventors: 祐一芦辺
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2028-10-28
Also published as: JP5351249B2; JP2009140912A; JP2012120435A

Description

本発明は、超電導ケーブルの超電導層と常温側導体とを接続するための超電導ケーブルの端末接続構造に関し、特に、低電圧大容量の直流送電に好適な超電導ケーブルの端末接続構造に関する。

超電導線材として、Bi-Sr-Ca-Cu-Oテープ線材に代表されるBi系超電導テープ線材が実用化されつつある。このようなBi系超電導テープ線材を用いた３心一括型の超電導ケーブルは、例えば図２に示すように構成される。即ち、常電導線材からなるフォーマ１を中心として、その外周に、Bi系超電導テープ線材からなる超電導導体層２、絶縁層３、Bi系超電導テープ線材からなる超電導シールド層４が形成され、これらでケーブルコア９が形成される。そして、３本のケーブルコア９が互いに撚り合わされて内管６と外管７とで形成される二重断熱管内に挿入され、内管６内に冷媒流通路５が形成される。また、外管７は防食層８によって覆われ、内管６と外管７の間は真空引きされて真空層とされる。

このような超電導ケーブル１０を常電導側の機器と接続する場合には、従来、例えば図５（ａ）（ｂ）に示すような終端接続箱(低温容器)１３が用いられていた(例えば特許文献1参照)。この終端接続箱１３には、補助接続箱２３が接続され、それぞれ内部に互いに連通する冷媒槽１４，２４と、その外側に形成される真空断熱槽１５，２５と、を備えている。補助接続箱２３に導入された超電導ケーブル１０は、各ケーブルコア９が分離されて、接続部Ｊにおいて、それぞれ常温側と電気的に接続される。即ち、超電導導体層２は、銅スリーブ等の接続部材１１を介して、アルミ合金等で形成されるエポキシユニット中心導体１２と接続され、そのエポキシユニット中心導体１２は、終端接続箱１３内の冷媒槽１４内に延長されて、接続部１６を介して、常温側のブッシング１７に接続される。

接続部Ｊの構成を詳しく説明すると、図５（ａ）に示すように、段剥ぎされた超電導導体層２が、半田によって接続部材１１の一端に接続される一方、接続部材１１の他端が、マルチバンドｍを介して、エポキシユニット中心導体１２に被嵌接続される。これにより、超電導導体層２が、接続部材１１及びマルチバンドｍを介して、エポキシユニット中心導体１２に接続される。そして、そのエポキシユニット１９を含めた接続部分の外周に補強絶縁紙２０が巻回される。このような状態にて、エポキシユニット１９のフランジ１９ａが、終端接続箱１３の縦壁２１に固定される。尚、図５（ｂ）では、３心一括型の超電導ケーブルにおける１心の図示を省略している。
特開２００６−１９６６２８号公報

上述のような従来の端末接続構造では、導体抵抗が高いため、大電流の送電には適さないという問題があった。即ち、まず、超電導導体層２と接続部材１１とを導通接続している半田接続部分が、超電導導体層２に比して高抵抗であった。次いで、銅からなる接続部材１１自体が高抵抗であった。また、アルミ合金等で形成されるエポキシユニット中心導体１２も高抵抗であった。さらに、接続部材１１とエポキシユニット中心導体１２がマルチバンドｍを介したマルチコンタクトによって導通接続されているため、その接続部分が高抵抗であった。このようなことから、従来の接続構造では、接続部Ｊの電気抵抗が高くなるため、極低温状態で、大電流を通電するのは困難であり、その対策が求められていた。また、その端末接続構造が、外付けの補助接続箱２３を要して、部品点数が多く、複雑で嵩高いため、マンホール内での施工作業性が低くなる上に、総じてコスト高になるという問題もあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされ、構成が簡易で接続部の電気抵抗が低くコンパクト化された超電導ケーブルの端末接続構造を提供することを目的とする。

本発明の超電導ケーブルの端末接続構造は、超電導ケーブルの超電導層と常温側導体との接続部を、冷媒槽内に設けた超電導ケーブルの端末接続構造であって、
超電導ケーブルのケーブルコアから引き出された超電導層が、冷媒槽内の冷媒中に浸漬される常温側導体の先端に近接する位置まで延長され、該常温側導体と、前記超電導層と、が冷媒中で電気的に接続されることを特徴とする。

このような構成によれば、超電導層を、冷媒槽内の冷媒中に浸漬される常温側導体の先端に近接する位置まで延長して、その常温側導体と冷媒中で電気的に接続するため、その接続部における構成をきわめて簡素なものにすることができる。これにより、接続部の電気抵抗を顕著に低減化できるため、大容量の通電が可能となり、特に、低電圧大容量の直流送電用として好適となるが、交流用としても使用することができる。このように超電導層を、常温側導体の先端に近接する位置まで延長していることによって、従来必要とされていたスリーブやエポキシユニット中心導体、マルチバンド等が不要になり、かつ、超電導層を常温側導体の先端と共に、冷媒槽内で冷却できるため、補助接続箱も不要になる。従って、部品点数が大幅に削減され、構成の簡素化と著しいコンパクト化が可能となり、現地での施工作業の簡素化とコストの低減化が可能となる。

前記超電導層と、常温側導体と、が編組線により接続されるようにしてもよい。このようにすれば、超電導層と常温側導体とを、編組線を介した半田接続によって現地で作業性よく接続することができる。また、その接続部分の構成がきわめて簡素になるため、部品点数の大幅な削減化が可能となり、それに伴い、電気抵抗を格段に低減することができる。

超電導ケーブルのケーブルコアから引き出されたフォーマの先端が、絶縁体を介して冷媒槽内壁に固定されるようにしてもよい。このようにすれば、例えば、まず、超電導層と常温側導体とを接続し、その後で、ケーブルコアの先端から段剥ぎ状態に引き出しているフォーマを冷媒槽内壁に固定する手順で施工を行うことができる。フォーマを冷媒槽内壁に固定していることにより、ケーブルコアの支持状態が安定化し、冷却・昇温時の熱伸縮に伴うケーブルコアの変動を規制して安定な状態に支持することができる。

前記常温側導体と超電導層との接続部は、電界シールド層によって覆われるようにしてもよい。電界シールドカバーによって、超電導層と常温側導体との接続部を覆うことによって、接続部における電位の安定化を図ることができる。尚、電界シールドカバーは、例えば冷媒槽内の冷媒中に臨む常温側導体の先端部等に吊り下げ状態に取り付けることができる。

前記絶縁体は、エポキシ樹脂で形成されるようにしてもよい。エポキシ樹脂は、成形性及び加工性がよく絶縁性能が良好で適度の剛性を備えているため、例えばボルト締結等によって壁面等に対して容易に取り付けられるようにすることができる。なお、ＦＲＰによっても、略同等の作用効果を得ることができる。

前記超電導ケーブルは、直流用超電導ケーブルであり、前記超電導層は、内側超電導層及び外側超電導層であってもよい。このようにすれば、低電圧大容量の直流送電に好適に適用することができる。

前記内側超電導層と常温側導体の接続部を冷却するための冷媒槽と、前記外側超電導層と常温側導体の接続部を冷却するための冷媒槽と、が互いに連通状態に配設されるようにしてもよい。このようにすれば、冷媒槽に循環供給する冷媒の循環系統を簡略化することができ、冷媒を効率よく循環させることができる。

前記内側超電導層と常温側導体の接続部と、前記外側超電導層と常温側導体の接続部と、が単一の冷媒槽内に収納されるようにしてもよい。このようにすれば、冷媒槽の構成の簡素化とコンパクト化が可能となり、コスト安を実現することができる。

前記超電導ケーブルは、交流用超電導ケーブルであり、前記超電導層は、超電導導体層及び超電導シールド層であってもよい。このようにすれば、大容量の交流送電に好適に対処することができる。

前記超電導導体層と常温側導体の接続部を冷却するための冷媒槽と、前記超電導シールド層と常温側導体の接続部を冷却するための冷媒槽と、が互いに連通状態に配設されるようにしてもよい。このようにすれば、冷媒槽に循環供給する冷媒の循環系統を簡略化することができ、冷媒を効率よく循環させることができる。

前記超電導導体層と常温側導体の接続部と、前記超電導シールド層と常温側導体の接続部と、が単一の冷媒槽内に収納されるようにしてもよい。このようにすれば、冷媒槽の構成の簡素化とコンパクト化が可能となり、コスト安を実現することができる。

本発明の超電導ケーブルの端末接続構造は、超電導層を、冷媒槽内の冷媒中に浸漬される常温側導体の先端に近接する位置まで延長して、超電導層と常温側導体を冷媒中で電気的に接続するので、その接続部における構成をきわめて簡素なものにすることができ、接続部の電気抵抗を顕著に低減化することができる。また、従来必要とされていたスリーブやエポキシユニット中心導体、マルチバンド等が不要になり、かつ、補助接続箱も不要になるため、部品点数が大幅に削減され、構成の簡素化と著しいコンパクト化が可能となり、現地での施工作業の簡素化とコスト安を実現することができる。

以下に、本発明の実施の形態に係る超電導ケーブルの端末接続構造について図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、超電導ケーブルの端末接続構造（端末容器）の基本的な構成を示す説明図で、例えば３心一括型の交流用超電導ケーブル１０の１本のケーブルコア９の接続構造を模式的に図示している。図示のように、この端末容器３１は、真空槽３２内に、冷媒槽３３を備えている。そして、冷媒槽３３の一端側（図中右側）から導入された超電導ケーブル１０のケーブルコア９から段剥ぎ状態に引き出された超電導導体層２が、冷媒槽３３の他端側の冷媒３５中に浸漬されるように垂下される一方の常温側導体（ブッシング）１７の先端に近接する位置まで延長される。そして、該常温側導体１７と超電導導体層２と、が編組線３６等によって導通接続される。つまり、超電導導体層２と常温側導体１７が冷媒３５中で電気的に接続される。常温側導体１７は、真空槽３２と冷媒槽３３の上凸状の突出部分３３ｂに貫通して配設され、その下半部分が冷媒３５中に浸漬され、上半部分が、外部に突出して碍子によって覆われている。また、冷媒槽３３の両側に設けた冷媒３５の導入口４５と排出口４６と、が外部に設けた図示省略の循環装置に接続され、冷媒槽３３内に冷媒３５が循環供給されるように構成される。

このような構成にあって、フォーマ１は、ケーブルコア９からストレイトに引き出されて、絶縁体３７を介して、冷媒槽３３の他端側の壁面３３ａに固定される。具体的には、例えばフォーマ１の先端に固定用スリーブ３８の一端を圧縮接続する一方、冷媒槽３３の壁面３３ａに、エポキシ樹脂又はＦＲＰで形成された絶縁体３７を取り付けるための取付座(図示省略)を設け、固定用スリーブ３８の他端を、ボルト締結又は嵌合等によって絶縁体３７に固定し、その絶縁体３７をボルト締結又は嵌合等によって壁面３３ａの取付座に固定すればよい。尚、実際の施工では、冷媒槽３３の壁面３３ａにフォーマ１を固定する前に、超電導導体層２と常温側導体１７と、を半田により編組線３６を介して接続しておくのが好ましい。また、絶縁体３７は、予め工場等で固定用スリーブ３８を介してフォーマ１の先端に接続しておいて、現地では、絶縁体３７を壁面３３ａに取り付けるようにしてもよい。また、その接続部を覆うように電界シールドカバー（電界シールド層）Ｃを設けてもよい。その場合、電界シールドカバーＣは、例えば樹脂材に金属箔を一体化させた構成として、その金属箔を接地させればよい。

フォーマ先端を冷媒槽内壁に固定する構造の一例を図３に示す。この固定構造は、図３（ａ）に示すように、冷媒槽３３の壁面３３ａに固定される取付座５０と、エポキシ樹脂又はＦＲＰからなる絶縁体３７と、銅製の固定用スリーブ３８と、絶縁体３７と固定用スリーブ３８とを中継接続する固定金具５１とを備える。取付座５０は、一方の端面が平面に形成され、他方の端面が半球状（ドーム状）面に形成されたステンレス製のドーム状の円板であり、図３（ｂ）に示すように、他方の端面には絶縁体３７の一端を挿入固定する開口部５０ｍが設けられている。また、取付座５０には、ボルト５５を挿通する挿通孔５２が設けられている。固定金具５１は、取付座５０と同形状をしたステンレス製のドーム状の円板であり、一方の端面が平面に形成され、他方の端面がドーム状面に形成されると共に、他方の端面には絶縁体３７の他端を挿入固定する開口部５１ｍが設けられている。固定用スリーブ３８は、固定金具５１と類似形状をしており、一方の端面が平面に形成され、他方の端面がドーム状面に形成されると共に、他方の端面にはフォーマ１の先端を挿入嵌合する筒状部５３が設けられている。

絶縁体３７の両端に対する取付座５０及び固定金具５１の固定は、接着剤５４を介して行われている。一方、フォーマ１の先端に固定用スリーブ３８を接続するときは、フォーマ先端を筒状部５３内に挿入した後、筒状部５３をかしめて圧縮することで行われている。また、固定金具５１と固定用スリーブ３８とは、平面に形成された一方の端面同士を重ね合わせてボルト締結することで接続されている。そして、壁面３３ａに取付座５０をボルト５５で固定し取り付けることで、フォーマ１の先端が絶縁体３７を介して壁面３３ａに固定されることになる。さらに、取付座５０、固定金具５１及び固定用スリーブ３８は、いずれもドーム状の部材であり、角部が曲面で形成されているため、電界の集中を緩和することができ、絶縁破壊を起し難い。フォーマ１の先端に対する固定用スリーブ３８の接続は、圧縮接続の他、溶接などにより行ってもよい。

このような超電導導体層２と常温側導体１７の接続作業に先立って、冷媒槽３３内で絶縁層３の中間部を支持するために、絶縁層３の中間部外周に補強絶縁紙４０をストレスコーン状に巻回すると共に、その円筒状部分の端部に、電界制御用のベルマウス４１を立設しておく。そして、冷媒槽３３の底部に立設したケーブルコア支持用の半円弧状の支持座４２に、補強絶縁紙４０の円筒状部分を載置して締結バンドｂ等によって固定する。これにより、ケーブルコア９の中間部を冷媒槽３３内に安定に支持することができる。

そして、冷媒槽３３の一端側には、ケーブルコア９から段剥ぎされた超電導シールド層４が、冷媒３５中に浸漬されるように垂下される他方の常温側導体（ブッシング）２７の先端に近接する位置に臨んでおり、その超電導シールド層４が、編組線３６を介して、常温側導体２７と導通接続される。その常温側導体２７は、真空槽３２と冷媒槽３３の上凸状の突出部分３３ｃに貫通して配設され、その下半部分が冷媒３５中に浸漬され、上半部分が、外部に突出して碍子によって覆われている。また、ケーブルコア９の導入側端末部は冷媒槽３３の一端側の壁面３３ｄに形成された導入孔に支持される。従って、端末容器３１内に導入されたケーブルコア９は、先端部と中間部及び端末部の３点で安定に支持されることになる。

このような構成によれば、超電導導体層２を、冷媒槽３３内の冷媒３５中に浸漬される常温側導体１７の先端に近接する位置まで延長して、超電導導体層２と常温側導体１７とを、編組線３６で導通接続しているため、部品点数が大幅に削減され、その接続部における構成がきわめて簡素なものとなる。これにより、接続部の電気抵抗を顕著に低減化できるため、大容量の通電が可能となり、特に、低電圧大容量の直流送電に好適となるが、交流用としても使用することができる。また、このように超電導導体層２を、常温側導体１７の先端に近接する位置まで延長していることによって、従来必要とされていたスリーブやエポキシユニット中心導体、マルチバンド等が不要になり、かつ、超電導導体層２を常温側導体１７の先端と共に、冷媒槽３３内で冷却できるため、補助接続箱も不要になる。従って、部品点数が大幅に削減され、構成の簡素化と著しいコンパクト化が可能となり、コスト安を実現することができる。また、本実施の形態では、単一の冷媒槽３３内で、超電導シールド層４をも他方の常温側導体２７の先端に導通接続しているため、冷媒３５の循環経路を簡素化できると共に、全体として、顕著なコンパクト化を達成することができる。ちなみに、従来の補助接続箱２３を含めた終端接続箱１３の全長Ｌ０は、５〜７ｍであるのに対して（図５（ｂ）参照）、この終端接続箱１３に対応する超電導導体層側の接続部分が占める端末容器３１の長さＬ１は、２〜３ｍ以内に納めることができる。また、超電導シールド層側の接続部分の長さＬ２は、さらに短くなり、１〜２ｍ以内に納めることができる。以上説明した実施の形態では、真空槽３２内に、超電導導体層側接続部と超電導シールド層側接続部を収納する単一の冷媒槽３３を設けているが、冷媒槽については、それぞれ独立に設けてもよい。その場合、相互に冷媒の流通が可能な連通状態としてもよい。

また、端末容器３１（冷媒槽３３）内に導入された３心のケーブルコア９の各超電導シールド層４同士を接続し、共通の常温側導体２７に導通接続する構成としてもよい。ケーブルコアの超電導シールド層同士を接続する構造の一例を図４に示す。この接続構造は、例えばＹ型のシールド接続用導体６０を利用しており、シールド接続用導体６０は、常温側導体２７に接続される１つの共通端子６１と、共通端子６１と各超電導シールド層４とを接続する３つの結線部材６２とを備える。共通端子６１及び結線部材６２は導電性材料からなり、共通端子６１は円板状であり、結線部材６２は編組線で構成されている。そして、各結線部材６２の一端を各超電導シールド層４に半田接続し、各結線部材６２の他端をそれぞれ共通端子６１に半田接続することで、各超電導シールド層４同士がシールド接続用導体６０で接続されることになる。

このような構成によれば、共通端子６１を常温側導体２７に導通接続することで、各超電導シールド層４がシールド接続用導体６０を介して常温側導体２７に導通接続されることになる。そのため、複数の超電導シールド層に対して常温側導体が一つで済むことになり、部品点数が大幅に削減され、構成の簡素化と著しいコンパクト化が可能となる。また、３心一括型の超電導ケーブルを三相交流送電に利用した場合、３つの超電導シールド層４に120°位相の異なる交流が流れ、各超電導シールド層４に流れる電流を合成した電流がシールド接続用導体６０を介して常温側導体２７に流れることになる。つまり、常温側導体には三相間のアンバランス分の電流が流れることになるため、常温側導体の電流容量を小さくすることができ、常温側導体のコンパクト化が可能となる。その他、結線部材６２には、棒状体などを利用することもできる。

尚、本発明は、実施の形態に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、適宜、必要に応じて改良、変更等は自由である。また、本発明の超電導ケーブルの接続構造は、超電導ケーブルの構成を特定するものではなく、３心一括型の他に、単心型の超電導ケーブル等にも適用することができる。また、その超電導ケーブルの超電導層を形成する素材は、Ｂｉ系超電導テープに限らずＲＥ系超電導薄膜であってもよい。

本発明の超電導ケーブルの端末接続構造は、電気抵抗の低減化とコンパクト化が達成されるので、低電圧大容量の直流送電用として好適に採用することができる。

本発明の実施の形態に係る超電導ケーブルの端末接続構造の基本的な構成を示す説明図である。３心一括型の超電導ケーブルの断面図である。フォーマ先端を冷媒槽内壁に固定する構造の一例を示し、（a）は模式的な拡大部分図、（b）は取付座の平面図である。ケーブルコアの超電導シールド層同士を接続する構造の一例を模式的に示す断面図である。（ａ）は従来の超電導ケーブルの端末接続における超電導導体と常温側導体の接続の拡大断面図、（ｂ）は同端末構造の部分破断説明図である。

符号の説明

１フォーマ２超電導層（超電導導体層，内側超電導層）
３絶縁層４超電導層（超電導シールド層，外側超電導層）
５冷媒流通路６内管７外管８防食層
９ケーブルコア１０超電導ケーブル
１１接続部材１２エポキシユニット中心導体
１３終端接続箱(低温容器) １４冷媒槽１５真空断熱層
１６接続部１７，２７常温側導体（ブッシング）
１９エポキシユニット１９a フランジ２０補強絶縁紙
２１縦壁２３補助接続箱２４冷媒槽２５真空断熱槽
Ｊ接続部ｍマルチバンドＣ電界シールドカバー
３１端末容器３２真空槽３３冷媒槽
３３ａ，３３ｄ壁面３３ｂ，３３ｃ突出部分
３５冷媒３６編組線３７絶縁体３８固定用スリーブ
４０補強絶縁紙４１ベルマウス４２支持座ｂバンド
４５導入口４６排出口
５０取付座５１固定金具５０ｍ，５１ｍ開口部
５２挿通孔５３筒状部５４接着剤５５ボルト
６０シールド接続用導体６１共通端子６２結線部材

Claims

超電導ケーブルの超電導層と常温側導体との接続部を、冷媒槽内に設けた超電導ケーブルの端末接続構造であって、
前記超電導層は、Ｂｉ系超電導テープ又はＲＥ系超電導薄膜によって形成されており、
前記冷媒槽の一端側の壁面から超電導ケーブルのケーブルコアが導入され、
超電導ケーブルのケーブルコアから引き出された超電導層が、冷媒槽内の冷媒中に浸漬される常温側導体の先端に近接する位置まで延長され、該常温側導体と、前記超電導層と、が冷媒中で電気的に接続され、
超電導ケーブルのケーブルコアから引き出されたフォーマの先端が、絶縁体を介して、前記冷媒槽の他端側の壁面に固定されることを特徴とする超電導ケーブルの端末接続構造。
前記超電導層と、常温側導体と、が編組線により接続されることを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブルの端末接続構造。
前記常温側導体と超電導層との接続部は、電界シールド層によって覆われることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導ケーブルの端末接続構造。
冷媒槽内に導入された複数のケーブルコアの各超電導シールド層同士を接続するシールド接続用導体を備え、
各超電導シールド層が、シールド接続用導体を介して共通の常温側導体と電気的に接続されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の超電導ケーブルの端末接続構造。