JP5118815B2 - 超伝導部材のための電気ブッシング - Google Patents

Description

本発明は、中高電圧下で送電するケーブル等の超伝導部材のための電気ブッシングに関する。

電気ブッシングは、低温の超伝導部材の端部と、常温すなわち通常大気中の温度の装置とを接続する働きをする。
超伝導部材とそれと接続する装置との間の大きな温度差、即ち、常温と低温との約２００℃の温度差のゆえに、超伝導部材と装置との間に接続部材を配置して、熱損失を最小化しながら、且つ、ケーブルが関係する高電圧等の電気的な制約に従い、温度を変化させる。この接続構造は、電気ブッシングを備え、電気ブッシングは中央導体およびそれを囲む絶縁性シースによって形成され、超伝導ケーブルから常温の外部接続に電気を送る。

この接続構造体は、所望の長さにわたって温度を変化させる必要があり、一方で、電気ブッシングに沿う熱伝導損失を低くして、ケーブルを冷却する低温液体が沸騰しないようにしなければならない。従って、中央導体部分はあまり大きくてはいけない。しかしながら、一方で、高い電流は、導体がジュール効果によって加熱されるので、熱損失を生じる。このような状況下では、中央導体部分を大きくするほうが有利である。このように相反する２つの要求がある。
欧州特許出願ＥＰ１ ２８３ ５７６

解決すべき他の課題は、電気ブッシングの中央導体の中高電圧によって生じる電場の分布を制御して、故障を避けることである。
この熱損失の問題点の公知の解決手段として、低温の部分と常温の接続部分との間に配置される断熱中間エンクロージャ、エアーロックまたは所謂バッファエンクロージャを備えた接続構造がある。電気ブッシングは中間エンクロージャ内を通る。

この解決手段は、例えば、欧州特許出願ＥＰ１ ２８３ ５７６に開示されている。中間エンクロージャの側壁は、低温保持装置で形成されている。底壁および上壁は、その中を電気ブッシングが通る締め付けフランジをそれぞれ備えており、底壁は低温部分に隣接し、上壁は常温部分に隣接している。中間エンクロージャは、真空状態にするか、良好な断熱性および電気絶縁性を提供するガスが充填される。真空レベルまたはガスの成分は、上述した断熱性および絶縁性を達成できるように選択する。中間エンクロージャの外壁は接地電位に接続されている。

この解決手段の問題点は、中間エンクロージャ、特に電気ブッシングが底および上壁を通過する部分の良好な密閉が必要であり、製造上難しくコストが高くなる。例えば、低温部分と中間エンクロージャとの間の非常に小さなリーク（例えば、約１０^−８ミリバール／リッタセコンド（ｍｂａｒ／Ｌ．ｓ））でさえも、必然的にガスの成分に変更が生じ、または、中間エンクロージャの真空レベルを劣化させる。低温液体が液体窒素の場合には、リークによって中間エンクロージャ内に気体の窒素が存在し、先ずは液体窒素の消費が増大し、第２に中間エンクロージャの断熱性および電気絶縁性が劣化する。上述したリークの結果、中間エンクロージャの圧力が過度に高くなると、安全バルブを開放すると、断熱および誘電体絶縁媒体（真空またはガス）が劣化するので、安全バルブによる制御に適さない。

この発明においては、上述した技術的課題を、特に電気ブッシングの構造を改善することによって解決する。
即ち、この発明は、低温でのエンクロージャ内に位置する超伝導部材と常温とを接続することができ、常温と低温の間の中間エンクロージャと、常温のエンクロージャとを順次通過し、そして、絶縁性シースに囲まれた少なくとも中間電気導体を備えている電気ブッシングを提供する。この発明によると、接地電位に接続された導電性スクリーンが、前記絶縁シースを、低温のエンクロージャと接触する電気ブッシングの端部から少なくとも中間温度のエンクロージャと常温のエンクロージャの接合点までの部分を覆っている。

他の態様において、前記スクリーンは上記部分の絶縁性シースの外壁に接合された金属層、例えば亜鉛層または銀含有ペイントから形成されている。
好ましくは、電気ブッシングは電界偏向手段を備えている。例えば、低温のエンクロージャに隣接する前記部分の絶縁性シースの端部は、形状が広がり、金属スクリーンに覆われている。広がった形状は、低温エンクロージャに隣接する前記部分の絶縁性シースの端部を形成するバルブの頂部の形状である。更に、常温のチャンバ内に位置する前記部分の絶縁性シースの端部は、好ましくはストレスコーンを備えている。

好ましくは、前記中央導体および前記絶縁性シースを形成する材料の熱膨張係数は概ね同一であるように選択され、前記材料は低温および常温と適合する。例えば、前記絶縁性シースはエポキシで作製され、前記中央導体はアルミニウム合金で作製されている。

低温のエンクロージャの近傍に位置している中央導体の部分は、所定の長さにわたって、常温のエンクロージャ内に位置する中央導体の部分よりも小さい。
中間温度のエンクロージャは低熱伝導性の固体材料によって少なくとも一部が充填されている。

この発明の他の利点及び特徴は、図面を参照して以下に記述するこの発明の態様から明らかである。これらは説明のためであって、これらに限定されるものではない。

この発明は、低温でのエンクロージャ内に位置する超伝導部材と常温とを接続することができ、常温と低温の間の中間エンクロージャと、常温のエンクロージャとを順次通過し、そして、絶縁性シースに囲まれた少なくとも中間電気導体を備えている電気ブッシングを提供することができる。

図１に示すように、（図示されない）超伝導ケーブルへの接続構造は、低温でエンクロージャ１１に位置する底部を介して超伝導部材に接続される電気ブッシング１０を備えている。低温エンクロージャ１１に隣接する中間エンクロージャ１２には、好ましくは、低熱伝導性の固体材料が充填されている。この固体材料は登録商標「Ｆｏａｍｇｌａｓｓ」として市販されている種類のポリウレタンフォーム、または、セルラーガラスフォーム等のフォームの形である。

電気ブッシング１０は、リークタイトな締め付けフランジ１３を介して中間エンクロージャ１２の底壁を通り、リークタイトな締め付けフランジ１４を介して上壁を通る。電気ブッシング１０は常温のエンクロージャ１５を通って中間エンクロージャ１２の外側に延伸し、ブッシングと電気的に接続する手段１６によって終端処理され、超伝導部材と適切な装置と接続している。中間エンクロージャはこのように常温と低温液体との温度の間に位置している。低温のエンクロージャ１１の壁１７および中間エンクロージャの壁１８は、良好な断熱性の低温保持装置を形成する。中間エンクロージャは（リークプルーフ）漏れないので、（図示しない）安全バルブに嵌合することが好ましく、フランジ１３および１４通過時にリークが起きた場合、余分な圧力増加を軽減する。

電気ブッシング１０は絶縁性シース２０に囲まれた中央導体１９からなっている。この発明によると、好ましくは金属で作製された導電性スクリーン２１が絶縁性シース２０の少なくともシース部分を、即ち、所定の長さにわたって覆っている。スクリーンは好ましくは絶縁性シースをシース部分にわたって金属化して、低温に接する中間エンクロージャの部分から少なくともフランジ１４、即ち、中間エンクロージャ１２と常温のエンクロージャ１５との接点まで延伸している。

スクリーンは電気的には接地電位に接続されている。その機能は、電場を電気ブッシングにおける導体に沿った部分のみに閉じ込め、より正確には、中央導体とスクリーンの間に閉じ込めることである。フランジ１３および１４を通る小さなリークの問題は、中間エンクロージャ１２をガスまたは真空ではなく、固体で充填することによって、現実的に排除することができる。たとえフランジ１３および１４を通る小さなリークがあっても、リークは中間エンクロージャ内に充填されている固体材料の絶縁性には何ら影響を及ぼさないので、断熱性は相対的に一定のレベルに効果的に維持できる。

図２はこの発明の１つの実施態様を示す縦断面図である。図２に示すように、超伝導ケーブル３０は、外壁３４および内壁３５を有する低温保持装置に収納された低温液体、即ち、液体窒素によって冷却される。これら２つの壁の間の真空レベルは、例えば、約１０^−５ミリバール（ｍｂａｒ）である。符号３６で示された領域は低温で、所謂高温超伝導は約−２００℃である。

超伝導ケーブルの端部は電気コネクタ３７を介して電気ブッシング３９の底端３８に接続される。電気ブッシングは、例えばエポキシで作製されその周りにモールドされた電気絶縁性シース４１を有する銅またはアルミニウム合金の中央導体４０によって形成されている。ブッシングは底端において締め付けカラー４３を有するバルブ４２によって終端処理されている。カラー４３の上に位置するバルブの部分は、最も広く張り出した部分がフランジ形をしている。フランジ４４は、バルブ４２を低温保持装置３３の内壁に対してリークタイトに固定している。

低温保持装置の内壁３５および外壁３４は、垂直方向に延伸して中間エンクロージャ４５の側壁を形成する。このように中間エンクロージャは断熱性能に優れている。中間エンクロージャの底部は、バルブ４２によってリークタイトに閉塞され、上面は金属合金（例えばステンレス鋼またはアルミニウム合金）で作製されたプレート４６によって閉塞されている。領域４７の温度は低温と常温の間である。

絶縁性シースの部分の外壁は金属化によって導電性の材料の層６３に覆われている。この外壁に形成（堆積）された金属は、例えば、外壁上にスプレーされた亜鉛であってもよい。または、外壁は導電性のペイント、銀を含むペイントの層に覆われて導電性になっている。金属層６３に覆われた絶縁性シースの部分は、バルブ４２のカラー４３から中間エンクロージャ４５の上面を閉塞する上プレート４６の締め付けおよびシールフランジ４９まで延伸している。金属層６３は接地電位に電気的に接続されている。かくして、中央導体４０と金属層６３の間に電界の向きを示す線を張り巡らせた効果を有する電気スクリーンを形成する。

金属層が接地電位に接続され、超伝導ケーブルが高電圧であるので、絶縁性シースの底面３８、金属層６３は好ましくはカラー４３の上に位置するバルブ４２の部分のように広がった部分を備えており、接地電圧と高電圧の間の沿面距離を大きくして、端部３８における電気的故障を回避する。この発明の好ましい態様であるケーブルの絶縁性の外壁に堆積された導電性層６３の代わりに、絶縁性シース４１の外壁を囲む、バルブ４２に近い端部で広がり形状部分を有する円筒状の金属管を使用することができる。導電性層６３のように、金属管は接地電位に接続される。

領域４７における中央導体４０の温度はバルブ４２での低温から上プレート４６での常温まで変化する。中央導体の電気抵抗は温度の上昇に伴って低下するので、低温では中央導体４０の部分を小さくして、常温の部分と低温の部分との間で導体に沿う熱の流れを制限し、ジュール効果による熱損失を低く維持する。かくして図２においては、中央導体４０の部分は、中間チャンバ（エンクロージャ）４５の上部におけるよりもバルブ４２における方が小さい。理論では、導体の部分は超伝導部材と接するコネクタ３７から常温の上プレート４６に向かって大きくなる。しかし、このような導体を形成するのはコストがかかり、図２に示すように、短い部分において変化させるだけで十分である。

中間エンクロージャは好ましくは熱伝導性の低い個体材料で充填される。固体材料は、例えば登録商標「Ｆｏａｍｇｌａｓｓ」の類のセルラーフォーム等のポリエチレンフォーム、セルラーグラスフォーム等のフォームの形が好ましい。中間エンクロージャをこの固体材料で完全に充填することが好ましい、しかし、部分的に充填してもよい。中間エンクロージャを充填するためには、１またはそれ以上のフォームのブロック、例えば半シェルの形状の２つのブロック、または、電気ブッシング３９の部分に対応した形状の中央孔部を備えた単一のブロックを準備し、それを中間エンクロージャ４５内に配置する。

上述した中間エンクロージャ４５の上方には、エンクロージャ４８が常温でプレート４６に固定されている。プレートは優れた熱伝導性を有しているので、大気の温度とエンクロージャ４８の底部との間で優れた熱交換が行われる。電気ブッシング３９は、締め付けおよびシールフランジ４９を介して上壁４６を、リークタイトに通り、エンクロージャの上壁５０を通ってエンクロージャ４８外に突き出る。エンクロージャの側壁は電気絶縁体５１、一般的にファイバ強化ポリマー（ＦＲＰ）と称される、例えば、グラスファイバ強化エポキシによって形成されている。

上述した側壁の外表面は、絶縁性、例えばシリコーンのフィン群５２を備えており、環境汚染および雨により表面に堆積した不純物によって、表面にわたる漏れ電流の経路を長くする働きをする。常温のエンクロージャ４８はレベル５３まで優れた電気絶縁性の液体５４例えばシリコーンオイルによって充填される。電気ブッシング３９に対して優れた電気絶縁性を付与する他に、液体５４はエンクロージャ内における常温での温度を安定化させる。領域５５はこのように常温に近い温度である。

エンクロージャ４８に位置する常温のストレスコーン５６は、電気ブッシング３９を覆い、そこで金属化した層６３が終了している。ストレスコーンの伝導性部分は、金属化された層６３、および、半導体テープを使用するテーピング５７により導電性のリークタイトな締め付けフランジ４９に電気的に接続されている。金属層６３は締め付けフランジ４９のレベルで終了するか、または、ストレスコーン５６の伝導性部分まで直接的に延伸して、主要部分は、金属層６３とストレスコーンの伝導性部分の間で電気的導通性が優れている。

ストレスコーンの機能は、電界ラインを変更したり広げたりする。そこで金属化が終わり、電気的な故障を引き起こす不連続を防止する。電気ブッシング３９は常温のエンクロージャ４８の外側で、接続タブ５８で終了する。接続タブ５８は、超伝導ケーブルに中高電圧の電気を供給し、または、超伝導ケーブル３０から装置に常温で中高電圧の電気を供給する。

プレート４６には好ましくは安全バルブ６２が備えられて、冷却液がカラー４３および締め付けフランジ４４を通ってリークし、ガス状で中間エンクロージャ内に進むことによって生じる余分の圧力を、中間エンクロージャから放出する。
常温でのエンクロージャは、オイルが充填される２つの接続バルブ５９および６０を備えており、バルブ５８はポリエチレンのディップ管６１に接続されてエンクロージャ内のオイルのレベルをモニタする。

電界は中央導体４０と導体層６３との間に閉じ込められて、導体層６３の両端部で先ずバルブ４２の形状によって広がった形状に曲げられ、次いで、ストレスコーンによって曲げられるので、中間エンクロージャが真空状態にされ、または、電気的に絶縁性の材料（例えばガス）で充填される必要は無い。

中間エンクロージャを有する上述した電気接続構造は、好ましくは固体材料によって充填されて優れた断熱性を発揮して、低温液体への熱流が制限され、装置の操作条件と調和して、低温の部分と常温の部分の間で温度が変化する。サイトとワークショップにおけるメインテナンスは容易である。構造の高さ、特に中間エンクロージャの高さは、低温部分と常温部分の間の温度が変化する状況および電圧電流値等の電気的な条件に、容易に適応することができる。

上述した態様は超伝導ケーブルの接続に関している。しかし、当業者にとって、この発明は、低温のどのような超伝導部材を接続するためにも適用することができ、常温の装置と接続することは自明である。

この発明を示す図である。 この発明の１つの態様の縦断面である。

符号の説明

１０ 電気ブッシング
１１ 低温エンクロージャ
１２ 中間エンクロージャ
１３ フランジ
１４ フランジ
１５ 常温のエンクロージャ
１６ 接続手段
１７、１８ 壁
２０ 絶縁性シース
２１ 導電性スクリーン
３０ 超伝導ケーブル

Claims (13)

1. 常温と低温の間の中間エンクロージャ（４５）と、常温のエンクロージャ（４８）とを順次通過し、そして、絶縁性シース（４１）に囲まれた少なくとも中間電気導体（４０）を備えて、低温でのエンクロージャ（３１）内に位置する超伝導部材と常温とを接続することができる電気ブッシング（３９）であって、
   接地電位に接続された導電性スクリーン（６３）が、前記絶縁シース（４１）を、低温のエンクロージャと接触する電気ブッシングの端部（４３）から少なくとも中間温度のエンクロージャと常温のエンクロージャの接合点までの部分を覆い、
   前記絶縁性シース（４１）は、前記部分の２つの端部の少なくとも１つに、電界偏向手段（４２，５６）を備えている、ことを特徴とする電気ブッシング。
2. 前記スクリーンは上記部分の絶縁性シース（４１）の外壁に接合された金属層（６３）から形成されている、請求項１に記載の電気ブッシング。
3. 前記金属層（６３）は前記部分の絶縁性シース（４１）の外壁に堆積した亜鉛層によって形成されている、請求項２に記載の電気ブッシング。
4. 前記金属層（６３）は銀含有ペイントによって形成されている、請求項２に記載の電気ブッシング。
5. 低温のエンクロージャに隣接する前記部分の絶縁性シースの端部（４２）は、形状が広がり、前記金属層（６３）に覆われている、請求項２から４の何れか１項に記載の電気ブッシング。
6. 低温のエンクロージャに隣接する前記部分の絶縁性シースの端部は、バルブ部分を構成し、低温のエンクロージャと中間温度のエンクロージャ（４５）の間に配置され、中間温度のエンクロージャ内に位置する前記バルブ部分は、前記形状が広がった部分を備えている、請求項５に記載の電気ブッシング。
7. 前記スクリーン（６３）は常温のエンクロージャ（４８）内に延伸し、そして、前記電界偏向手段として、ストレスコーン（５６）は前記絶縁性シースの周りに固定されて、常温のエンクロージャに位置するスクリーンの端部に電気的に接続されている、請求項１から４の何れか１項に記載の電気ブッシング。
8. 前記中央導体および前記絶縁性シースを形成する材料の熱膨張係数は概ね同一であり、前記材料は低温および常温に対応する、請求項１から７の何れか１項に記載の電気ブッシング。
9. 前記絶縁性シース（４１）はエポキシで作製され、前記中央導体はアルミニウム合金で作製されている、請求項８に記載の電気ブッシング。
10. 低温の近傍に位置している中央導体（４０）の部分は、所定の長さにわたって、常温のエンクロージャ内に位置する中央導体の部分よりも小さい、請求項１から９の何れか１項に記載の電気ブッシング。
11. 中間温度のエンクロージャ（４５）は低熱伝導性の固体材料によって少なくとも一部が充填されている、請求項１から１０の何れか１項に記載の電気ブッシング。
12. 前記材料がフォーム系である、請求項１１に記載の電気ブッシング。
13. 前記材料がセルラーガラスフォームまたはポリウレタンフォームである、請求項１１に記載の電気ブッシング。