JP5229482B2

JP5229482B2 - 超電導ケーブルの健全性検査方法

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Publication number: JP5229482B2
Application number: JP2009006676A
Authority: JP
Inventors: 正義大屋
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2029-01-15
Also published as: JP2010165551A

Description

本発明は、超電導ケーブルの健全性を検査する方法に関するものである。特に、長尺な超電導ケーブルに対して、局所的な劣化を検出することができる超電導ケーブルの健全性検査方法に関する。

昨今、電力ケーブルとして、超電導導体層を有するケーブルコアを断熱管に収納した超電導ケーブルを用いることが提案されている。

超電導ケーブルが有する超電導特性の一つに臨界電流Icがある。臨界電流Icは、超電導ケーブルを布設した後の竣工試験や定期検査などで測定される。測定は、超電導ケーブルの両端部に直流電源を取り付けて直流電流を流し、電流値を一定のスイープ速度で増加させたときの電圧の変化を調べることで行われ、一般に、1μV/cmの電界が発生したときの電流値を臨界電流Icとする。

一方、超電導ケーブル線路において、線路途中に設けられる接続部の健全性の検査や、線路の運転中において超電導から常電導に転移する、いわゆるクエンチ現象の監視に、ケーブルコアに内蔵する光ファイバを利用することが提案されている(例えば、特許文献1,2)。接続部に異常があったり、クエンチが生じると、ケーブルの温度が上昇する。この温度変化を光ファイバにより検知する。

特開2008-026218号公報実開平02-133817号公報

超電導特性の劣化は、超電導ケーブルの全長に亘って一様に生じるのではなく、超電導導体層の一部が損傷するなどして局所的に生じる。しかし、従来、長尺な超電導ケーブルに対して、超電導特性の局所的な劣化を検出する方法が十分に検討されていない。

例えば、長尺な超電導ケーブルを複数の短い区間に区切り、区間ごとに電位タップを設けることで、局所的な劣化を検出することができる。しかし、長尺な超電導ケーブルに対して、複数の電位タップを設けることは、事実上不可能である。仮に電位タップを超電導導体層に埋め込めたとしても、高電圧がかかる超電導導体層からリード線などを超電導ケーブルの外部に引き出すことは非常に困難である。

そこで、本発明の目的は、超電導ケーブルにおける局所的な劣化を容易に検出することができる超電導ケーブルの健全性検査方法を提供することにある。

竣工試験や定期検査などで臨界電流を測定する際、超電導ケーブルの全長の臨界電流特性しか測定しない。そのため、超電導特性が劣化した箇所が局所的に存在しても、測定した超電導ケーブルの全長における臨界電流Ic_allには、この局所的な劣化が顕著に現れ難い。

例えば、全長10000cm(100m)の超電導ケーブルにおいて、一部(10cm)の区間(以下、劣化部と呼ぶ)で劣化が生じているとする。ここでは、劣化していない健全部(9990cm(99.9m))の臨界電流(目標設定値)Ic_sをIc_s=5000A、n_s値をn_s=20とし、劣化部(10cm(0.1m))の臨界電流Ic_dをIc_d=3000A、n_d値をn_d=10とすると、健全部及び劣化部に発生する電圧は、図1に示すグラフのようになる。また、超電導ケーブルの全長に発生する電圧は、健全部の電圧と、劣化部の電圧とを足し合わせたグラフで示される。この全長におけるグラフも図1に示す。なお、超電導相に発生する電圧Vは、電流Iのべき乗に比例する(V∝Iⁿ)ことが知られており、べき乗の指数をn値と呼ぶ。より具体的には、n値モデルより以下の関係が成り立つ。但し、V:電圧、I:電流、Ic:臨界電流、L:超電導相の長さ(cm)を示す。
V=1(μV/cm)×(I/Ic)ⁿ×L

図1に示すグラフを用いて、超電導ケーブルの全長の臨界電流Ic_allは、Ic_all=4960A、n_all値は、n_all=18と求められる。このように超電導ケーブルの全長に対して臨界電流の測定を行うと、図1の全長におけるグラフのように超電導特性の局所的な劣化が顕著に観測されない。そのため、例えば、超電導ケーブルを布設後、このケーブルの全長試験の結果を利用して運転時の通電電流を設定すると、運転時、劣化部に、劣化部の臨界電流を超える電流が流されて、ケーブルを損傷する恐れがある。

そこで、本発明は、特定の大きさの直流電流を比較的長い時間超電導ケーブルに流したときのケーブルの長手方向に亘って温度変化を調べると共に、温度変化の結果に応じて直流電流の大きさを段階的に変化させることで、超電導特性の局所的な劣化を検出する。

具体的には、本発明超電導ケーブルの健全性検査方法は、光ファイバを内蔵した超電導ケーブルの健全性を検査する方法であって、以下の工程を具える。
(1)上記超電導ケーブルの全長における臨界電流Ic_allを測定する工程。
(2)上記臨界電流Ic_all以下であって、一定の大きさの直流電流I_nを上記超電導ケーブルに一定時間流し、この通電中において超電導ケーブルの長手方向の温度分布T_nを上記光ファイバにより測定する工程。
(3)上記温度分布T_nの温度を閾値と比較して、以下を行う工程。
上記温度分布T_nの全ての温度が閾値以下である場合、直流電流の電流値を増加させ、この直流電流I_n+1を上記超電導ケーブルに一定時間流して、超電導ケーブルの長手方向の温度分布T_nを測定する。
上記温度分布T_nのうち、閾値超である温度が存在する場合、この温度が上昇した箇所を上記光ファイバにより検出する。

上記構成によれば、超電導ケーブルの一部にのみ劣化箇所が存在しても、光ファイバを利用することで、その劣化箇所の存在を温度の変化(上昇度合い)により検出することができる。従って、上記構成を具える本発明検査方法は、長尺な超電導ケーブルに対して、超電導特性の局所的な劣化を適切に検出することができる。また、本発明検査方法は、光ファイバを内蔵する超電導ケーブルを対象とするため、複数の電位タップを設ける必要がなく、局所的な劣化を簡単に検出することができる。更に、本発明検査方法は、劣化箇所の検出にあたり直流電流を用いるため、大容量の交流電源を用意する必要がない。

本発明検査方法の対象となる超電導ケーブルは、フォーマと、このフォーマの外周に配置される超電導導体層と、この超電導導体層の外周に配置される電気絶縁層とを具える構成が代表的である。光ファイバの収納箇所は、(1)フォーマ内、(2)超電導導体層内、(3)フォーマと超電導導体層との間、(4)超電導導体層と電気絶縁層との間が挙げられる。具体的な構成は、後述する。

本発明超電導ケーブルの健全性検査方法は、長尺な超電導ケーブルに対して、超電導特性の局所的な劣化を容易に検出することができる。

劣化箇所を局所的に有する超電導ケーブルにおいて、電流と電圧との関係を示すグラフである。光ファイバを内蔵する超電導ケーブルの概略を示す斜視図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。まず、本発明検査方法の対象となる超電導ケーブルを説明する。

図2は、3心一括型の交流用超電導ケーブルの概略を示す斜視図である。超電導ケーブル1は、超電導層4を具える3心のケーブルコア2が撚り合わされて断熱管6内に収納された構成である。超電導層4は、複数の超電導フィラメントを金属マトリクス中に内蔵する超電導線材40を螺旋状に巻回して構成され、超電導導体層4cと超電導シールド層4sとを具える。以下、各構成をより詳細に説明する。

[ケーブルコア]
各ケーブルコア2は、中心から順に、フォーマ3、超電導導体層4c、電気絶縁層5、超電導シールド層4sを具える。

＜フォーマ(芯材)＞
フォーマは、銅といった常電導材料からなる中空のパイプや、複数の素線を撚り合わせた撚り線、更に、複数の撚り線を撚り合わせた撚り線集合体を利用することができる。この例に示すフォーマ3は、中心に光ファイバ3oを有し、その外周に複数の銅素線3wを撚り合わせた撚り線構造である。この構成により、超電導ケーブル1は、その長手方向に沿って光ファイバ3oが存在する。このようなフォーマ3は、光ファイバ3oと共に銅素線3wを撚り合わせることで形成できる。光ファイバは、温度センサとして利用されている市販のものを利用することができる。各ケーブルコアに存在させる光ファイバの数は、1本でも複数本でもよい。光ファイバの数を多くすると、検出精度を高められる。また、光ファイバは、2次被覆を具えるものの他、ステンレス鋼(SUS)といった金属管に収納されたものを利用してもよい。

＜超電導導体層＞
超電導導体層4cは、フォーマ3の外周にテープ状の超電導線材40を螺旋状に巻回して形成される。この例に示す超電導導体層4cは、4層構造であり、層間に、クラフト紙といった絶縁材を巻回して形成された層間絶縁層を具える。超電導線材40を構成する超電導フィラメントは、Bi2223酸化物超電導体といったビスマス系酸化物超電導相、金属シースは、銀や、Ag-Au合金、Ag-Mg合金、Ag-Sb合金、Ag-Mn合金といった銀合金が挙げられる(ここでは、銀合金)。

＜電気絶縁層5＞
電気絶縁層は、PPLP(登録商標)といった半合成絶縁紙やクラフト紙といった絶縁紙を巻回して形成される(ここでは、PPLP(登録商標))。また、超電導ケーブル1は、電気絶縁層5の内側に内部半導電層、外側に外部半導電層を具える。

＜超電導シールド層4s＞
超電導シールド層4sは、電気絶縁層5の外周に、超電導導体層4cと同様の超電導線材40(上述のBi2223系テープ線材)を螺旋状に巻回して形成された2層構造であり、基本的な構成は超電導導体層4cと同様である。この超電導シールド層4sは、超電導導体層4cとほぼ同じ大きさで逆方向の電流が誘導されることで、ケーブル1の外部への磁界の発生を打ち消す作用を有する。

＜その他＞
この例に示す超電導ケーブル1は、超電導シールド層4sの外周に、超電導線材40を保護するために、銅といった常電導材料からなる常電導保護層9、及び常電導保護層9の外周にクラフト紙などからなる保護層を具える。

＜断熱管＞
断熱管は、例えば、ステンレス鋼(SUS)といった強度に優れる金属からなり、可撓性に富むコルゲート管からなる二重構造管が利用できる。断熱管6は、ケーブルコア2を収納すると共に、コア2を冷却する冷媒(図示せず)が充填される内管6iと、内管6iの外周に配置され、内部が真空引きされる外管6oとを具える。両管6i,6oは、SUSコルゲート管からなる。内管6iと外管6oとの間には、スーパーインシュレーションといった断熱材7を配置させて、断熱効果を高めている。冷媒は、液体窒素が代表的であり、その他、液体水素、液体ヘリウム、水素ガス、ヘリウムガスなどを利用できる。断熱管6の外周には、ポリ塩化ビニルからなる防食層8を具えて、耐食性を高めている。

次に、上記超電導ケーブルの健全性の検査方法を説明する。
＜全長の臨界電流Ic_allの測定＞
上記構成を具える超電導ケーブルの両端部に直流電源を接続し、一定のスイープ速度で直流電流を増加させ、このときの電圧の変化を調べ、ケーブルの全長における臨界電流Ic_allを測定する。ここでは、1μV/cmの電界が発生する電流値を臨界電流Ic_allとし、Ic_all=5000Aとする。

＜電流値の設定＞
次に、一定の大きさの直流電流を上記超電導ケーブルに一定時間流す。本発明検査方法では、この一定の電流を一定時間流す操作を1回以上繰り返し行うと共に、各回で電流値を異ならせる。具体的には、電流値を徐々に大きくしていく。いずれの回の電流値も、ケーブルの全長における臨界電流Ic_all以下の範囲で任意に決定することができる。また、最初の電流値I₁や各回の電流値の増加度合いI_αが小さいと、劣化箇所の特定や劣化度合いの検出を高精度に行えるものの、試験時間が長くなり易い。従って、所望の精度と試験時間とを考慮して、最初の電流値I₁や増加度合いI_αを適宜設定するとよい。一例として、最初の電流値I₁は、臨界電流Ic_allの半分程度、即ち、0.5×Ic_all程度、増加度合いI_αは、50A〜500A程度が挙げられる。一方、通電時間tは、長いほど温度変化を検出し易いため、超電導ケーブルの性能にもよるが10分以上が好ましく、1時間以内で十分に温度変化を検出できると考えられる。電流値の増加度合いI_αや通電時間tは、回ごとに異ならせてもよい。例えば、通電する電流値が臨界電流Ic_allに近づいたら、増加度合いI_αを小さくしたり、通電時間tを長くすると、劣化箇所の特定や劣化度合いの検出をより精度良く行なえる。ここでは、I₁=3000A(=0.6×Ic_all)、ｔ=30分とする。

＜温度の測定＞
決定した電流値(I₁)を決定した通電時間tだけ超電導ケーブルに流し、光ファイバを用いて、ケーブル(ケーブルコア)の長手方向の温度分布を経時的に測定する。具体的には、レーザ光源を有する温度検出装置を光ファイバの端部に接続し、光ファイバの一端或いは両端からパルス波形のレーザ光を入射して、そのラマン後方散乱光の強度を検出する。この散乱光の強度が温度に依存する性質から、ケーブルコアの長手方向の温度分布を連続的に求められる。また、レーザ光を入射してからその散乱光が検出されるまでの往復時間により、散乱光の発生位置を特定することで、光ファイバの各地点の温度が求められ、この温度を光ファイバが存在するケーブルコアの各地点の温度として、読み替えられる。従って、光ファイバをケーブルコアの長手方向に沿って配置させることで、ケーブルコアの各地点の温度を測定することができる。

ここで、超電導ケーブルは、通常、冷媒を流通させることで超電導状態を維持するため、冷媒の流通状態などにより温度が変化することが考えられる。そこで、冷媒などの影響による温度変化を排除できるように、温度の閾値を設定し、通電時間tが経過した後に測定した温度分布の各温度(上記各地点の温度に相当)と閾値とを比較する。

＜劣化箇所の判定＞
超電導ケーブルの一部に劣化箇所が存在した場合、劣化箇所における臨界電流以上の電流が流れると、この劣化箇所は発熱して温度が上昇する。即ち、温度が上昇した箇所を劣化箇所として判別することができる。そこで、超電導ケーブルの全長に亘って測定した各地点の温度が設定した上記閾値以下か否かを判定する。閾値を超える地点が存在する場合、この地点は、劣化箇所であると考えられる。従って、この地点を劣化箇所と判定すると共に、上述のように光ファイバを利用して劣化箇所の位置を特定する。

一方、超電導ケーブルの全長に亘って測定した各地点の温度が上記閾値以下である場合(温度が変化しない場合を含む)、この電流値(I₁)が臨界電流値となるような劣化箇所が存在しないと考えられる。そこで、この場合、電流値を変更して、温度分布の測定を改めて行う。ここでは、新たな電流値I₂をI₂=4000A(=0.8×Ic_all)、ｔ=30分とする。

新たな電流値I₂を通電時間tだけ超電導ケーブルに流した後、測定した温度分布の各温度と閾値とを比較し、閾値超である地点が存在する場合、その地点を上述と同様に劣化箇所と判定し、測定した温度分布の各温度が閾値以下の場合、電流値を変更して、温度分布の測定を改めて行う。ここでは、新たな電流値I₃をI₃=4500A(=0.9×Ic_all)、ｔ=60分とする。

以下、同様に電流値の変更(増加)を行い、その電流値における温度変化を調べることで、長尺な超電導ケーブルに対して、超電導特性の局所的な劣化を検出することができる。

上述のように電流値を変更していって、電流値I_nをI_n=5000A=Ic_allとしたときに劣化箇所が検出されなければ、この超電導ケーブルは、全長に亘って健全であると判断することができる。一方、竣工試験や定期試験で劣化箇所が検出された場合は、劣化箇所を含む区間のケーブルを健全なケーブルと入れ替えることができ、布設前試験で劣化箇所が検出された場合は、当該超電導ケーブルを利用しないようにすることができる。

[光ファイバの収納箇所]
上述した超電導ケーブル1は、撚り線構造のフォーマの内部に光ファイバを収納した構成であるが、以下のような構成としてもよい。

＜光ファイバの収納箇所:フォーマ内＞
フォーマを中空のパイプとする場合、光ファイバをフォーマ内に容易に収納できる上に、光ファイバが存在してもフォーマの外形が変化しないため、フォーマ上に超電導導体層などを形成し易い。或いは、フォーマを撚り線集合体とする場合、撚り線間に生じる隙間などに光ファイバを収納したり、素線や撚り線を撚り合わせる際に光ファイバをも撚り合わせることで、光ファイバをフォーマ内に容易に存在させることができる。

＜光ファイバの収納箇所:超電導導体層内＞
超電導導体層を形成するにあたり、超電導線材を巻回する際に光ファイバをも巻回することで、光ファイバを超電導導体層内に容易に存在させられる。また、この構成は、光ファイバが超電導導体層に接した状態で存在するため、最も感度がよく、温度を精度良く測定することができる。

＜光ファイバの収納箇所:フォーマと超電導導体層との間＞
フォーマを撚り線構造や撚り線集合体とする場合、その外周面を滑らかにしてフォーマの上に超電導線材を巻回し易いように、クラフト紙などを巻回したクッション層を設ける。このクッション層を形成する際にクラフト紙と共に光ファイバをも巻回することで、フォーマと超電導導体層との間に容易に光ファイバを存在させられる。また、この構成では、フォーマを構成する素線や超電導線材により光ファイバが圧迫され難く、圧迫により光ファイバが破壊される可能性が少ない。

＜光ファイバの収納箇所:超電導導体層と電気絶縁層との間＞
電気絶縁層を構成する絶縁紙は、フォーマを構成する素線や超電導線材といった金属を含有する線材と比較して柔らかい。そのため、超電導導体層の外周に光ファイバを巻回し、その上に絶縁紙を巻回して、超電導導体層と電気絶縁層との間に光ファイバを存在させた構成とすると、光ファイバがフォーマを構成する素線や超電導線材により圧迫され難い。なお、電気絶縁層を形成する際に絶縁紙と共に光ファイバをも巻回して、電気絶縁層の中間部に光ファイバが存在する構成とすることもできる。或いは、電気絶縁層の中間部に光ファイバ層を別途設けてもよい。

上述した実施形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した構成に限定されるものではない。例えば、検査対象を単心ケーブルや三相同軸ケーブル、或いは直流用超電導ケーブルとしてもよい。

本発明超電導ケーブルの健全性検査方法は、長尺な超電導ケーブルにおける超電導特性の劣化を検出する際に好適に利用することができる。

1 超電導ケーブル 2 ケーブルコア 3 フォーマ 3o 光ファイバ
3w 銅素線 4 超電導層 4c 超電導導体層 4s 超電導シールド層
40 超電導線材 5 電気絶縁層 6 断熱管 6i 内管 6o 外管
7 断熱材 8 防食層 9 常電導保護層

Claims

光ファイバを内蔵した超電導ケーブルの健全性を調べる超電導ケーブルの健全性検査方法であって、
前記超電導ケーブルの全長における臨界電流Ic_allを測定する工程と、
前記臨界電流Ic_all以下であって、一定の大きさの直流電流I_nを前記超電導ケーブルに一定時間流し、この通電中において超電導ケーブルの長手方向の温度分布T_nを前記光ファイバにより測定する工程と、
前記温度分布T_nの全ての温度が閾値以下である場合、直流電流の電流値を増加させ、この直流電流I_n+1を前記超電導ケーブルに一定時間流して、超電導ケーブルの長手方向の温度分布T_n+1を測定し、
前記温度分布T_nのうち、閾値超である温度が存在する場合、この温度が上昇した箇所を前記光ファイバにより検出する工程とを具えることを特徴とする超電導ケーブルの健全性検査方法。
前記超電導ケーブルは、フォーマと、このフォーマの外周に配置される超電導導体層とを具え、
前記光ファイバは、前記フォーマ内に収納されてい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健全性検査方法。
前記超電導ケーブルは、フォーマと、このフォーマの外周に配置される超電導導体層とを具え、
前記光ファイバは、前記超電導導体層内に収納されてい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健全性検査方法。
前記超電導ケーブルは、フォーマと、このフォーマの外周に配置される超電導導体層とを具え、
前記光ファイバは、前記フォーマと前記超電導導体層との間に収納されてい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健全性検査方法。
前記超電導ケーブルは、フォーマと、このフォーマの外周に配置される超電導導体層と、この超電導導体層の外周に配置される電気絶縁層とを具え、
前記光ファイバは、前記超電導導体層と前記電気絶縁層との間に収納されてい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健全性検査方法。