JP5257595B2 - 超電導ケーブル - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバと、フォーマと、フォーマの外周に配置される超電導導体層とを備える超電導ケーブルであって、運転時のケーブル温度を検出する機能を有する超電導ケーブルに関するものである。

送電に利用される超電導ケーブルは、超電導ケーブルコアを断熱管に収納した構成を有する。超電導ケーブルコアは、中心から順にフォーマ、超電導導体層、絶縁層、超電導シールド層、保護層を備えている。通常、超電導導体層および超電導シールド層は、いずれも超電導線材にて形成されている。一方、断熱管は、コルゲート構造の内管と外管とからなる二重管の間に断熱材が配置され、且つ二重管内が真空引きされた構成を有する。

上記のような超電導ケーブルは、極低温に冷却された状態で運転されるが、何らかの要因によりケーブル温度が上昇すると、超電導線材が超電導状態から常電導状態に転移し、ケーブルが破損する虞がある。そのため、超電導ケーブルの運転時におけるケーブルの温度管理が非常に重要である。この点に関し、例えば、特許文献１では、運転時のケーブルの温度を監視するための温度モニタリング層を備えた超電導ケーブルが提案されている。温度モニタリング層は、金属テープ材を巻回して形成した金属層と、この金属層に形成した溝に配置され、温度を測定する光ファイバとからなり、超電導導体層もしくは超電導シールド層の外周側に設けられている。

特開２００６−５９７５３号公報

しかし、特許文献１の超電導ケーブルでは、次に示すような問題点がある。超電導ケーブルは、従来の常電導ケーブルよりも小型でありながら大容量の送電が可能であることが特徴である。しかし、温度モニタリング層の分だけケーブルコアが太径化することは明らかであり、例えば、断熱管内に複数のコアを収納する構成の超電導ケーブルでは、無視できない太径化を招く。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、超電導ケーブルの温度をケーブルの長手方向にわたって監視するための光ファイバを備えていても太径化しない超電導ケーブルを提供することにある。

従来、光ファイバを配置する位置は、実際に電流の流路たる超電導線材の層に近接している方が良いと考えられていた。しかし、本発明者らが種々検討した結果、必ずしも超電導導体層の温度を直接的に監視しなくても、局所的な温度の上昇が超電導ケーブルのおおよそどの位置で起こっているのかを把握できれば、超電導ケーブルが異常な状態で運転される事態を避ける上では事足りることを見いだした。この知見に基づいて本発明を以下に規定する。

本発明超電導ケーブルは、光ファイバと、フォーマと、フォーマの外周に配置される超電導導体層とを備える超電導ケーブルであって、前記フォーマは、複数の素線を撚り合わせて形成される撚り線構造であり、前記光ファイバは、超電導導体層よりも内側で超電導ケーブルの温度をその全長にわたって測定できるように前記フォーマに組み合わされていることを特徴とする。

上記構成によれば、超電導ケーブルの運転時の温度を監視するための光ファイバがフォーマの位置にあるため、光ファイバを配置するための新たな層が超電導ケーブルに追加されることがなく、ケーブルの太径化を避けることができる。

本発明の超電導ケーブルにおいて、光ファイバを超電導導体層よりも内側でフォーマに組み合わせる構成には、以下に挙げる４つの構成が含まれる。

＜第一の構成＞
本発明超電導ケーブルの一形態として、複数の素線を撚り合わせて形成された断面扇形のセグメントを、フォーマの中心に中空部が形成されるように複数集合して形成される場合がある。この場合、超電導ケーブルに備わる光ファイバは、フォーマの中心に形成される中空部に挿通される構成とすることができる。

上記構成によれば、セグメント構造のフォーマがもともと備えている中空部を有効活用して光ファイバを配置することができる。また、この構成によれば、ケーブルコアの外部から作用する応力に対して光ファイバを効果的に保護することができる。

＜第二の構成＞
本発明超電導ケーブルの一形態として、フォーマを構成する一部の素線を、光ファイバに置換した構成とすることができる。

上記構成によれば、光ファイバがフォーマの一部となっているので、超電導ケーブルが太径化することがないし、ケーブルコアの外部から作用する応力に対して光ファイバを効果的に保護することもできる。

＜第三の構成＞
本発明超電導ケーブルの一形態として、フォーマの外周部における素線間の撚り溝に沿って光ファイバが配置されている構成とすることができる。

上記構成によれば、従来の撚り線構造のフォーマをそのまま使用して、そのフォーマに後から光ファイバを配置することができる。また、フォーマに光ファイバを配置する際、単に光ファイバを沿わせれば良いので光ファイバに無用な応力が加わることがない。

＜第四の構成＞
本発明超電導ケーブルの一形態として、フォーマと超電導導体層との間に、テープ材を巻回することで形成されるクッション層を備える場合がある。この場合、クッション層を構成するテープ材に沿って光ファイバを配置する構成とすることができる。

通常、超電導ケーブルでは、超電導導体層を形成する際、フォーマの外周にテープ材を巻回して形成したクッション層を設け、超電導線材を平滑な面に対して巻くことができるようにしておく。そのため、上記第四の構成のようにクッション層に沿って光ファイバを配置しておけば、別段ケーブルコアの外径を大きくすることなく、光ファイバを損傷し難い位置に配置することができる。

＜その他＞
その他、光ファイバは、光ファイバを保護する金属管に収納された状態で配置されていても良い。金属管は、光ファイバの外径よりも若干大きい程度の内径を有するものであれば良い。

この構成によれば、光ファイバをより効果的に保護することができる。

本発明超電導ケーブルによれば、光ファイバを配置するための新たな層が超電導ケーブルに追加されることがなく、ケーブルの太径化を避けることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。実施形態の説明にあたり、まず初めに超電導ケーブルの全体構成を説明する。

＜超電導ケーブルの全体構成＞
図５は、三心一括型の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、３心の超電導ケーブルコア１０と、このコア１０を収納する断熱管２０とを有する。

コア１０は、中心から順に、フォーマ１１、クッション層（図示せず）、超電導導体層１２、内部半導電層（図示せず）、絶縁層１３、外部半導電層（図示せず）、超電導シールド層１４、保護層１５を有している。これらの各層のうち、導体層１２とシールド層１４には超電導線材が用いられる。このコア１０を構成する超電導線材は、断熱管２０内とコア１０の間の空間に冷媒（例えば液体窒素）を流通させることで、超電導状態に保持される。

フォーマ１１は、導体層１２を所定形状に保形するものであり、事故電流の分流路でもある。本発明超電導ケーブルのフォーマ１１は、後段で詳述するように、複数の素線を撚り合わせた撚り線構造を有する。フォーマ１１の材質は、銅やステンレス、アルミニウムなどの非磁性の金属材料が好適である。

フォーマ１１上に設けられるクッション層は、クラフト紙をフォーマ１１上にらせん状に巻きつけることで形成できる。このクッション層により、フォーマ１１表面を平滑化することができ、導体層１２がフォーマ１１に直接接触して損傷することを防止できる。

導体層１２は、超電導線材をクッション層の上に多層に巻回することで形成できる。このような導体層１２を構成する各層は、通常、超電導線材の撚りピッチが異なっている。加えて、各層ごと又は複数層ごとに巻き方向を変えることで、各層に流れる電流の均流化を図ることができる。導体層１２を構成する超電導線材としては、ビスマス系超電導線材（例えば、Ｂｉ２２２３系Ａｇ−Ｍｎシーステープ線材）や、イットリウム系超電導薄膜（例えば、ＹＢＣＯ系薄膜）などを使用することができる。

絶縁層１３は、例えばクラフト紙とポリプロピレンなどの樹脂フィルムとをラミネートした半合成紙（住友電気工業株式会社製ＰＰＬＰ：登録商標）を内部半導電層の外周に巻回することで形成できる。

導体層１２と絶縁層１３との間に設けられる内部半導電層、および絶縁層１３とシールド層１４との間に設けられる外部半導電層は、例えばカーボン紙を巻回することで形成できる。これら内部半導電層と外部半導電層はそれぞれ、導体層１２と絶縁層１３との界面、および絶縁層１３とシールド層１４との界面に微小な空隙が生じることを抑制し、その空隙での部分放電を防止する。

上記の外部半導電層の上に設けられる超電導シールド層１４は、導体層１２に用いたものと同様の超電導線材を巻回することで形成できる。このシールド層１４には、導体層１２とほぼ同じ大きさで逆方向の電流が誘導されることで導体層１２から生じる磁場を実質的に相殺し、外部への磁場の漏洩を防止することができる。

保護層１５は、例えば、クラフト紙を巻回することで形成することができる。この保護層１５は、シールド層１４を機械的に保護すると共に、断熱管２０との間を絶縁させるためのものである。

一方、断熱管２０は、コルゲート状の内管２１と外管２２とを有するステンレス製の二重管構造である。通常、内管２１と外管２２との間は空間が形成され、その空間は真空引きされている。真空引きされる空間内には、断熱材（図示せず）となるスーパーインシュレーションが配置され、輻射熱の反射が行なわれる。また、コルゲート外管２２の外側には、ポリ塩化ビニルなどの樹脂からなる防食層２３が形成されている。

以上の構成を備える超電導ケーブルにおいて、ケーブルの温度を測定するための光ファイバを超電導導体層１２よりも内側に配置し、光ファイバを温度センサとして使用する分布型光ファイバ温度計測システム（ＤＴＳ）を構築する。ＤＴＳは、光ファイバを温度センサとして、光ファイバに沿った連続的な温度分布を測定できるシステムである。具体的には、光ファイバの一端側からパルス光を入射したとき、光ファイバの各位置から反射されるラマン後方散乱光を入射側で測定し、反射された散乱光をデータ解析することで、反射された位置と、この位置での温度を測定することができるシステムである。

以下、光ファイバの配置状態が異なる４つの実施形態についてそれぞれ図１〜図４を用いて説明する。なお、これらの図において同一符号は、共通の構成を示す。

＜実施形態１＞
本実施形態では、撚り線を集合して形成したセグメントを更に集合して形成したフォーマにおいて、その中心部分に形成される中空部に光ファイバを配置した例を図１に基づいて説明する。

図１（Ａ）は撚り線の断面、（Ｂ）はセグメントを形成するために集合させた撚り線の断面、（Ｃ）はセグメントを備えるフォーマに光ファイバを配置した状態を示す概略構成図である。

図１（Ｃ）に示す状態とするには、まず、図１（Ａ）に示すように、例えば、１本の中心素線１の周りに６本の外周素線２が撚り合わされて撚り線３を形成する（図１（Ａ）参照）。各撚り線１，２には、個々に絶縁被覆が施されており、素線１，２間が互いに絶縁されている。

次いで、図１（Ｂ）に示すように、例えば、７本の撚り線３を集合した状態で撚り合わせつつ、セグメント形成用のプレフォーマーにより断面が扇形状の撚り線束であるセグメント４を形成する。各セグメントの断面は、外周円弧、内周円弧、および径方向に伸びる一対の直線部で囲まれる輪郭を有し、両直線部の中心角は６０°である。つまり、セグメントの内周側には、扇状の切欠が形成されている。そして、図１（Ｃ）に示すように、６本のセグメント４を集合して断面円形状に成形した後、その外周に例えばステンレス線材等からなるバインダーｂを螺旋状に巻回してフォーマ１１を形成する。ここで、図１（Ｃ）は、フォーマ１１の断面を模式的に示したものであり、実際には、各素線１，２は圧縮成形によって互いに押圧されてその一部が塑性変形してほとんど隙間なく密着した状態になり、フォーマ１１の外形はほぼ真円に近い状態になる。

このように構成されるフォーマ１１の中心には、セグメント内周側の扇状の切欠が集合されることで、中空部Ｈが形成される。本実施形態では、この中空部Ｈの位置に光ファイバＦを挿通させる。

使用される光ファイバＦは、コアとコアの外周を覆うクラッドとからなる裸の光ファイバはもちろん、光ファイバの外周に一次被覆（例えば、ウレタンなど）と、二次被覆（例えば、ナイロンなど）を備えた光ファイバ心線も含むし、光ファイバ心線の外周にさらに抗張材（例えば、アラミド樹脂など）と、外被（例えば、ビニルなど）を備えた光ファイバコードも含む。本発明超電導ケーブルでは、さらに光ファイバＦをステンレスなどの金属管内に収納した状態で使用しても良い。金属管は、超電導ケーブルが使用される極低温においても強度が低下し難いし、光ファイバを外部から保護することができる。

以上説明した実施形態１の構成によれば、以下の効果を奏する。
［１］セグメント構造のフォーマ１１にもともと備わっている中空部Ｈに光ファイバＦが配置されているので、光ファイバＦによりケーブルコアの外径が大きくなることがない。
［２］中空部Ｈを光ファイバＦの配置に使用しているので、フォーマ１１の構成を全く変える必要がなく、光ファイバＦの配置が容易である。
［３］光ファイバＦが、フォーマ１１により保護されているため、仮にケーブルコアの外部からケーブルコアに応力が作用したとしても、光ファイバＦが損傷することが殆どない。
［４］ケーブルコアにおける超電導導体層から外側の層に凹凸が形成されることがないため、ケーブルコアの電気的性能に影響が生じることがない。

＜実施形態２＞
実施形態２では、フォーマの素線の一部を光ファイバに置換した例を図２に基づいて説明する。図２のフォーマ１１における実施形態１との相違点は、セグメント４の断面形状が、円を６分割した形状で、内周側に扇形の切欠がないことである。

図２のフォーマ１１では、撚り線構造を有するフォーマ１１を構成する素線１、または素線２の一つが光ファイバＦに置換されている。ここで、撚り線構造のフォーマ１１は、もともと事故電流の分流路として十分な断面積を有しているので、フォーマ１１の素線１，２の一部を光ファイバＦに置換したところで分流路としてのフォーマ１１の機能は低下しない。

光ファイバＦは、セグメント４中のどの位置の素線１，２と入れ替えても良い。しかし、光ファイバＦは短いピッチで螺旋を描くように配置されると損傷する虞があるので、フォーマ１１を構成する素線のうち、直線状に配置される素線、あるいは直線に近い状態で配置される素線を光ファイバＦに置換することが好ましい。例えば、図１（Ａ）の７本撚りの撚り構造を例にすれば、撚りの中心にある中心素線１を光ファイバＦに置換すれば良い。また、導体層からの熱伝導を考慮すれば、フォーマ１１の外周側の素線１，２を光ファイバＦに置換すれば良い。

以上説明した本実施形態の構成によれば、光ファイバＦがフォーマ１１の一部となっているので、ケーブルコアの外径が大きくなることがないし、ケーブルコアの外部から作用する応力に対して光ファイバＦを効果的に保護することができる。

＜実施形態３＞
実施形態３では、フォーマの外周部における撚り溝に光ファイバに配置した例を図３に基づいて説明する。

図３のフォーマ１１では、フォーマ１１の外周部、つまりセグメント４の外周部に形成される素線１，２間の撚り溝の位置に光ファイバＦが沿った状態で配置されている。撚り線構造のフォーマ１１には、その外周部に必ず撚り溝が形成されるので、撚り溝を有効に利用して光ファイバＦを配置していることになる。仮に、配置する光ファイバＦが撚り溝に収まり切らない場合であっても、光ファイバＦ自体がもともと細径であるし、たとえ金属管に収納したとしても撚り溝からの突出量は微々たるものである。そもそも、フォーマ１１の外周にはテープ材を巻回したクッション層が形成されるので、撚り溝に光ファイバＦを配置したことによりケーブルコアの外径が大きくなることは殆どない。

本実施形態のその他の構成として、複数のセグメント４を集合する際、フォーマ１１の外周部における隣接するセグメント４の間に隙間ができるようにして、その隙間に光ファイバＦが配置されるようにすることが挙げられる。なお、上記隙間は、隣接する素線により形成される撚り溝と同義である。

以上説明した本実施形態の構成によれば、フォーマ１１の撚り溝に光ファイバＦが配置されているので、別段ケーブルコアの外径を大きくすることなく光ファイバＦを配置できる。また、この構成によれば、従来構成のフォーマ１１に対して光ファイバＦを配置すれば良いだけなので、生産性が良い。

＜実施形態４＞
本実施形態では、フォーマの外周において、クッション層を構成するテープ材に沿って光ファイバを配置した例を図４に基づいて説明する。

図４の超電導ケーブルでは、フォーマ１１表面に形成されるクッション層を構成するテープ材ＣＴに沿って光ファイバＦが配置されている。クッション層は、フォーマ１１の外周面を平滑化する目的で設けられ、通常、テープ材ＣＴを複数層に巻回して形成される。このような構成のため、光ファイバＦの配置状態には、以下に例示するような種々の構成を選択することができる。

図４のテープ材ＣＴは、ギャップ巻きされている。ギャップ巻きは、あるターンとそのターンに隣接するターンとの間に間隔が設けられるようにした巻回方法である。この場合、光ファイバＦは、ギャップ巻きされるテープ材ＣＴの隣接するターンの間でテープ材ＣＴに沿って螺旋巻きする。配置された光ファイバＦは、光ファイバＦを沿わせたテープ材ＣＴの層の次層のテープ材ＣＴにより外周側から押さえつければ良い。また、あるターンの側縁とそのターンに隣接するターンの側縁とが突き合わされた状態でテープ材ＣＴが巻回される場合（突き合わせ巻き）、あるいは、あるターンとそのターンに隣接するターンの一部が重なる状態でテープ材ＣＴが巻回される場合（重ね巻き）、光ファイバＦを先に巻回したテープ材ＣＴに沿わせた後、光ファイバＦの外周からテープ材ＣＴで押えるようにすれば良い。

その他、クッション層に溝を切って、その溝に光ファイバＦを配置しても良い。例えば、まず、フォーマ１１にテープ材ＣＴを巻回して形成した仮のクッション層に溝を切って、その溝に光ファイバＦを配置する。そして、光ファイバＦを配置したら、仮のクッション層の上にさらにテープ材ＣＴを巻回し、クッション層を完成すれば良い。その際、溝はテープ材ＣＴを切断しないようにテープ材ＣＴに沿って形成する。

以上説明した本実施形態の構成によれば、ケーブルコアにもともと備わっているクッション層に光ファイバＦが配置されているので、別段ケーブルコアの外径を大きくすることなく光ファイバＦを損傷し難い位置に配置できる。また、テープ材ＣＴの巻回によりクッション層を平滑化しているので、超電導導体層よりも外側の層に凹凸が形成されず、ケーブルコアの電気的性能が低下することもない。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるわけではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明超電導ケーブルは、運転時の温度を測定する機能を備えた超電導ケーブル線路の構成部品として好適に利用可能である。

実施形態１に係る超電導ケーブルのフォーマの概略構成図であって、（Ａ）は撚り線の断面を、（Ｂ）は複数の撚り線を集合してセグメントを形成する状態を、（Ｃ）はフォーマにおけるセグメントの撚り合わせ中心に形成される中空部に光ファイバを配置した状態を示す。 実施形態２に係る超電導ケーブルのフォーマの概略構成図であって、セグメント内の素線の一部を光ファイバに置換した状態を示す。 実施形態３に係る超電導ケーブルのフォーマの概略構成図であって、セグメントにおける素線間の撚り溝に沿って光ファイバを配置した状態を示す。 実施形態４に係る超電導ケーブルのフォーマの概略構成図であって、フォーマ外周に形成されるクッション層を構成するテープ材に沿って光ファイバを配置した状態を示す。 超電導ケーブルの横断面図である。

符号の説明

１００ 超電導ケーブル
１０ ケーブルコア
１１ フォーマ １２ 超電導導体層 １３ 絶縁層
１４ 超電導シールド層 １５ 保護層
２０ 断熱管 ２１ 内管 ２２ 外管 ２３ 防食層
１ 中心素線 ２ 外周素線 ３ 撚り線 ４ セグメント
Ｆ 光ファイバ
Ｈ 中空部 Ｂ バインダー ＣＴ テープ材

Claims (5)

1. 光ファイバと、フォーマと、フォーマの外周に配置される超電導導体層とを備える超電導ケーブルであって、
   前記フォーマは、複数の素線を撚り合わせて形成された断面扇形のセグメントを、フォーマの中心に中空部が形成されるように複数集合して形成され、
   前記光ファイバは、超電導導体層よりも内側で超電導ケーブルの温度をその全長にわたって測定できるように、前記中空部に挿通されていることを特徴とする超電導ケーブル。
2. 光ファイバと、フォーマと、フォーマの外周に配置される超電導導体層とを備える超電導ケーブルであって、
   前記フォーマは、複数の素線を撚り合わせて形成される撚り線構造であり、
   前記光ファイバは、超電導導体層よりも内側で超電導ケーブルの温度をその全長にわたって測定できるように、前記フォーマを構成する一部の素線と置換されていることを特徴とする超電導ケーブル。
3. 光ファイバと、フォーマと、フォーマの外周に配置される超電導導体層とを備える超電導ケーブルであって、
   前記フォーマは、複数の素線を撚り合わせて形成される撚り線構造であり、
   前記光ファイバは、超電導導体層よりも内側で超電導ケーブルの温度をその全長にわたって測定できるように、前記フォーマの外周部における素線間の撚り溝に沿って配置されていることを特徴とする超電導ケーブル。
4. 光ファイバと、フォーマと、フォーマの外周に配置される超電導導体層とを備える超電導ケーブルであって、
   前記フォーマと超電導導体層との間に、テープ材を巻回することで形成されるクッション層を備え、
   前記フォーマは、複数の素線を撚り合わせて形成される撚り線構造であり、
   前記光ファイバは、超電導導体層よりも内側で超電導ケーブルの温度をその全長にわたって測定できるように、前記テープ材に沿って配置されていることを特徴とする超電導ケーブル。
5. 前記光ファイバは、光ファイバを保護する金属管に収納された状態で配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の超電導ケーブル。

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