JP5018502B2

JP5018502B2 - 超電導ケーブル

Info

Publication number: JP5018502B2
Application number: JP2008009800A
Authority: JP
Inventors: 正義大屋
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2008-01-18
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2028-01-18
Also published as: JP2009170364A

Description

本発明は、超電導薄膜線材を主材とする超電導ケーブルにおいて、超電導薄膜線材に異種の超電導線材を含めて形成される超電導導体層又は超電導シールド層を備え、特に、臨界電流密度の対温度特性の安定化を図った超電導ケーブルに関する。

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(BSCCO（商品名）)が実用化されつつある。このＢｉ系超電導テープ線材は、例えばBi2223相からなる複数本の超電導フィラメントを銀などの安定化材中に埋設した構造のテープ線材である。その断面は、例えば図３に示すように、ビスマス系酸化物超電導体からなる多数本の超電導フィラメント２１aを銀材等からなる金属シース（金属安定化材）２１bで覆ってテープ状に形成される。このようなＢｉ系超電導テープ線材２１は、後で説明するように、液体窒素の沸点である77K付近で、温度変化に対する臨界電流（臨界電流密度(Jc)）の変化率が少なく、臨界温度も高いという特徴を備えているが、冷媒温度を下げても臨界電流（臨界電流密度(Jc)）の大きな増加が望めないという難点がある。

一方、次世代超電導線材として、いわゆる超電導薄膜線材であるＹ系超電導薄膜線材(YBCO)の開発が進められている（例えば特許文献１）。Ｙ系超電導薄膜線材の構成は図４に示される。このＹ系超電導薄膜線材１１は、テープ状の金属基板１２上に順次中間層１３、超電導薄膜１４、保護層１５を積層して形成される。具体例としては、金属基板１２としてハステロイ（登録商標）、中間層１３としてYSZ、超電導薄膜１４としてY系123構造(YBa₂Cu₃Oy)薄膜、保護層１５として銀が利用されている。通常、これら中間層１３や超電導薄膜１４はレーザ蒸着などにより金属基板１２の片面のみに形成されている。このようなＹ系超電導薄膜線材１１は、後で説明するように、77K付近で、温度変化に対する臨界電流（臨界電流密度(Jc)）の変化率が大きいことから、冷媒温度を下げることによって臨界電流（臨界電流密度(Jc)）が大きく上昇するという特徴を備えているが、運転温度が上昇した場合の臨界電流（臨界電流密度(Jc)）の減少が大きいという難点がある。

Ｙ系超電導薄膜線材とＢｉ系超電導テープ線材の臨界電流密度(Jc)の対温度特性は、例えば図５に示すように、かなり明瞭な差異が認められる。即ち、超電導ケーブルの運転温度近傍の65K〜77K（液体窒素の沸点）においては、一点鎖線で示すＹ系超電導薄膜線材は、二点鎖線で示すＢｉ系超電導テープ線材に比べて、温度の上昇に対する臨界電流密度(Jc)の減少がかなり大きく、両線材の臨界電流密度曲線の対温度勾配に明瞭な相違が認められる。

このような両線材の臨界電流密度(Jc)の対温度特性の相違に起因して、短絡事故時に一時的に大きな電流が流れた場合において、瞬時復帰が可能な温度上昇幅に大きな相違が認められる。通常、送電線路システムに大きな短絡電流が流れた場合、遮断器の仕様によって決まる所定の時間の後に、ケーブルは線路より遮断されるが、遮断されるまでの間に超電導ケーブルに流れる短絡電流によってケーブルの温度が上昇する。瞬時復帰とは、このような大電流が流れた場合においても、超電導ケーブルが常電導転移することなく、事故除去後にすぐに運転が再開される状態をいう。Ｙ系超電導薄膜線材は、Ｂｉ系超電導テープ線材よりも瞬時復帰を可能とする許容温度上昇幅も小さい。許容温度上昇幅とは、運転時における冷媒の設定温度から、瞬時復帰できる最大の温度に至るまでの温度上昇幅をいう。

従来、このようなＢｉ系超電導テープ線材又はＹ系超電導薄膜線材により、例えば交流用の超電導ケーブルを構成する場合、超電導導体層と超電導シールド層は、Ｂｉ系超電導テープ線材又はＹ系超電導薄膜線材の何れか１種類の線材のみで構成されていた。つまり、Ｂｉ系超電導ケーブルでは、Ｂｉ系超電導テープ線材のみによって超電導導体層と超電導シールド層が形成されていた(例えば特許文献２参照)。また、Ｙ系超電導ケーブルでは、Ｙ系超電導薄膜線材のみによって超電導導体層と超電導シールド層が形成されていた(例えば特許文献３参照)。
特開2001-31418号公報特開2006-331893号公報特開2007-188844号公報

Ｙ系超電導ケーブルは、Ｂｉ系超電導ケーブルに比して、運転温度から常電導転移するまでの温度幅が小さいため、送電線路システムの中間ジョイント部や端末接続部での発熱によりクエンチが発生しやすい。また、短絡電流に対して瞬時復帰を可能とする許容温度上昇幅が小さく、瞬時復帰しない場合でも、回復するまでに要する時間が長くなる。従って、Ｙ系超電導ケーブルでは、システムの安定性を確保するための対策が望まれていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされ、臨界電流密度の対温度特性を安定化させた超電導ケーブルを提供することを目的とする。

本発明は、超電導導体層と超電導シールド層を備えた超電導ケーブルであって、
前記超電導導体層が、超電導薄膜線材に異種の超電導線材を含めて形成され、前記超電導線材が、Ｂｉ系超電導テープ線材で形成されることを特徴とする。

このような構成によれば、運転温度が上昇した際の臨界電流密度(Jc)の減少率が大きいというＹ系超電導薄膜線材の難点を、Ｂｉ系超電導テープ線材によって補うことができる。即ち、超電導導体層に、Ｂｉ系超電導テープ線材が含まれるので、運転温度が上昇した際の臨界電流密度(Jc)の減少率が少ないというＢｉ系超電導テープ線材の特性を超電導導体層に加味することができる。これにより、超電導導体層全体として、運転温度が上昇した際の臨界電流密度(Jc)の減少率を小さくすることができ、超電導導体層における臨界電流密度(Jc)の対温度特性を改善することができる。

前記Ｂｉ系超電導テープ線材は、前記超電導導体層の内側の層に配設されるようにしてもよい。超電導導体層は、外層ほど外部平行磁場が大きくなるため、Ｂｉ系超電導テープ線材を超電導導体層の内側の層に配設することによって、外部平行磁場に対する交流損失が少なく外部平行磁場に対する臨界電流の減少が少ない超電導薄膜線材を外層側に配置することができる。従って、全体として、交流損失が少なく大容量な超電導導体層を形成することができる。その超電導薄膜線材には、例えばＹ系超電導薄膜線材を用いることができる。

また、別の発明は、超電導導体層と超電導シールド層を備えた超電導ケーブルであって、
前記超電導シールド層が、超電導薄膜線材に異種の超電導線材を含めて形成され、前記超電導線材が、Ｂｉ系超電導テープ線材で形成されることを特徴とする。

このような構成によれば、運転温度が上昇した際の臨界電流密度(Jc)の減少率が大きいというＹ系超電導薄膜線材の難点を、Ｂｉ系超電導テープ線材によって補うことができる。即ち、超電導シールド層にＢｉ系超電導テープ線材が含まれるので、運転温度が上昇した際の臨界電流密度(Jc)の減少率が少ないというＢｉ系超電導テープ線材の特性を超電導シールド層に加味することができる。これにより、超電導シールド層全体として、運転温度が上昇した際の臨界電流密度(Jc)の減少率を小さくすることができ、超電導シールド層における臨界電流密度(Jc)の対温度特性を改善することができる。

前記Ｂｉ系超電導テープ線材は、前記超電導シールド層の外側の層に配設されるようにしてもよい。超電導シールド層は、内層ほど外部平行磁場が大きくなるため、Ｂｉ系超電導テープ線材を超電導シールド層の外側の層に配設することによって、外部平行磁場に対する交流損失が少なく外部平行磁場に対する臨界電流の減少が少ない超電導薄膜線材を内層側に配置することができる。従って、全体として、交流損失が少なく大容量な超電導シールド層を形成することができる。その超電導薄膜線材には、例えばＹ系超電導薄膜線材を用いることができる。

本発明の超電導ケーブルは、超電導導体層の少なくとも１層がＢｉ系超電導テープ線材で形成されるので、超電導導体層における臨界電流密度(Jc)の対温度特性が改善され、事故電流に対して瞬時復帰しうる許容温度上昇幅が拡大された送電線路システムを構築することができる。

本発明の別の超電導ケーブルは、超電導シールド層の少なくとも１層がＢｉ系超電導テープ線材で形成されるので、超電導シールド層における臨界電流密度(Jc)の対温度特性が改善され、事故電流に対して瞬時復帰しうる許容温度上昇幅が拡大された送電線路システムを構築することができる。

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、超電導ケーブルのケーブルコアの主要な構成を示す斜視図である。このケーブルコアは、中心から順に、フォーマ１と、超電導導体層２と、絶縁層３と、超電導シールド層４と、を備えている。フォーマ１は、Cuなどの常電導材料からなる素線を撚り合せた撚り線又は中空パイプ等で形成され、絶縁層３は、クラフト紙やクラフト紙とポリオレフィンフィルムをラミネートした複合紙等で形成される。そして、超電導導体層２は、例えば図３に示すようなＢｉ系超電導テープ線材２１で形成される内側層と、Ｙ系超電導薄膜線材１１で形成される中間層と外側層と、を備えている。また、超電導シールド層４は、Ｙ系超電導薄膜線材１１で形成される内側層と、Ｂｉ系超電導テープ線材２１で形成される外側層と、を備えている。

このようなケーブルコアを備えた超電導ケーブルにおける超電導導体層２では、外層ほど外部平行磁場が大きくなるため、その中間層と外側層は、外部平行磁場に対する交流損失が少なく外部平行磁場に対する臨界電流(Ic)の減少が少ないＹ系超電導薄膜線材１１で形成している。そして、その内側層（例えば層数で１〜２層）を、温度上昇に対して臨界電流密度(Jc)の減少が少ないＢｉ系超電導テープ線材２１で形成している。このような構成によって、磁場による臨界電流(Ic)の低下が少なく磁場特性に優れているＹ系超電導薄膜線材１１の特徴を生かしつつ、超電導導体層２における臨界電流密度(Jc)の対温度特性を改善することができ、かつ、交流損失を少なくして大容量を確保することができる。

また、超電導シールド層４では、内層ほど外部平行磁場が大きくなるため、その内側層を、外部平行磁場に対する交流損失が少なく外部平行磁場に対する臨界電流(Ic)の減少が少ないＹ系超電導薄膜線材１１で形成している。そして、その外側層を、温度上昇に対して臨界電流密度(Jc)の減少が少ないＢｉ系超電導テープ線材２１で形成している。このような構成により、外部平行磁場による臨界電流(Ic)の低下が少なく磁場特性に優れているＹ系超電導薄膜線材１１の特徴を生かしつつ、超電導シールド層４における臨界電流密度(Jc)の対温度特性を改善することができ、かつ、交流損失を少なくして大容量を確保することができる。

従って、上述のようなＢｉ系超電導テープ線材を混用した超電導導体層２と超電導シールド層４を備えた超電導ケーブルによって送電線路システムを構成した場合、事故電流に対して瞬時復帰が可能となる温度領域も拡大される。また、瞬時復帰が許容されず送電停止状態(シャットダウン)になった場合であっても、運転を再開までの冷却に要する時間が短縮化される。

このような超電導ケーブルの対温度特性については、Ｂｉ系超電導テープ線材とＹ系超電導薄膜線材の臨界電流密度(Jc)の対温度特性を比較して示す図２のグラフによって確認することができる。尚、図２では、横軸に冷媒の温度(絶対温度K)、縦軸にＹ系超電導薄膜線材とＢｉ系超電導テープ線材の臨界電流密度(Jc)を、冷媒の沸点77Kにおける値を基準値(＝1.0)として、その基準値に対する比率で表示している。図示のように、77K付近では、Ｙ系超電導薄膜線材の臨界電流密度曲線の勾配がＢｉ系超電導テープ線材よりもかなり大きいことが判る。つまり、Ｙ系超電導薄膜線材は、冷媒温度を下げれば、臨界電流密度(Jc)が大きく上昇し、温度変化に対する臨界電流密度(Jc)の変化率が大きい。従って、冷媒温度を下げることによって臨界電流密度(Jc)を大きく上昇させることができる反面、運転温度が上昇した場合の臨界電流密度(Jc)の減少が大きいため、事故電流に対して瞬時復帰を可能とする許容温度上昇幅も小さい。これに対して、Ｂｉ系超電導テープ線材は、運転温度が上昇した場合の臨界電流密度(Jc)の減少率が少なく、臨界温度も高いことから、事故電流に対して瞬時復帰を可能とする許容温度上昇幅も大きい。

例えば、送電線路システムで、短絡事故等の原因で、超電導ケーブルに一時的に大電流が流れると、超電導ケーブルの温度が上昇するが、その上昇幅が、常電導転移しない温度範囲内であれば、瞬時復帰が可能となり、継続的に超電導状態を維持して送電を継続することができる。従来のＹ系超電導薄膜線材のみで超電導層が形成されるＹ系超電導ケーブルでは、瞬時復帰を可能とする許容温度上昇幅が小さいため、送電停止状態に至るケースが多くなる。これに対して、従来のＢｉ系超電導テープ線材のみで超電導層を形成したＢｉ系超電導ケーブルでは、瞬時復帰を可能とする許容温度上昇幅も比較的大きいため、Ｙ系超電導ケーブルよりも送電停止状態になるケースは少なくなる。

Ｙ系超電導ケーブルで構築された送電線路システムでＢｉ系超電導ケーブルと同等の許容温度上昇幅を確保するためには、線材量を増やすことで負荷率を低下させて運転せざるを得ない。しかし、このような対応をとれば、コンパクトで高密度送電という超電導ケーブルの特徴が失われ、ケーブルのコストも増加してしまう。そこで、本発明の超電導ケーブルでは、超電導導体層２と超電導シールド層４に、運転温度が上昇した際の臨界電流密度(Jc)の減少率が小さいＢｉ系超電導テープ線材２１をそれぞれ混用した構成として、Ｙ系超電導薄膜線材１１の特徴を生かしつつ、臨界電流密度(Jc)の対温度特性の改善を図り、事故電流に対して瞬時復帰が可能な許容温度上昇幅の大きい送電線路システムを構築できるようにしている。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。

本発明の超電導ケーブルは、臨界電流密度(Jc)の対温度特性が安定化されているので、システムの安定化や大容量化が求められる送電線路システムの構築に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ケーブルコアの要部構成を示す斜視図である。Ｂｉ系超電導テープ線材とＹ系超電導薄膜線材の臨界電流密度(Jc)の対温度特性を比較して示すグラフである。Ｂｉ系超電導テープ線材の断面図である。Ｙ系超電導薄膜線材の破断した構成説明図である。Ｙ系超電導薄膜線材とＢｉ系超電導テープ線材の臨界電流密度(Jc)の対温度特性を示すグラフである。

符号の説明

１フォーマ２超電導導体層３絶縁層４超電導シールド層
１１Ｙ系超電導薄膜線材１２金属基板１３中間層
１４超電導薄膜１５保護層２１Ｂｉ系超電導テープ線材
２１ａ超電導フィラメント２１ｂ金属シース

Claims

超電導導体層と、その外側に絶縁層を介して形成される超電導シールド層を備えた超電導ケーブルであって、
前記超電導導体層が、Ｙ系超電導薄膜線材の層とＢｉ系超電導テープ線材の層で形成されることを特徴とする超電導ケーブル。
前記Ｂｉ系超電導テープ線材は、前記超電導導体層の内側の層に配設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。
超電導導体層と、その外側に絶縁層を介して形成される超電導シールド層を備えた超電導ケーブルであって、
前記超電導シールド層が、Ｙ系超電導薄膜線材の層とＢｉ系超電導テープ線材の層で形成されることを特徴とする超電導ケーブル。
前記Ｂｉ系超電導テープ線材は、前記超電導シールド層の外側の層に配設されることを特徴とする請求項３に記載の超電導ケーブル。