JP5397994B2

JP5397994B2 - 超電導ケーブル

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Publication number: JP5397994B2
Application number: JP2009146883A
Authority: JP
Inventors: 正義大屋
Original assignee: International Superconductivity Technology Center; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: International Superconductivity Technology Center; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2029-06-19
Also published as: JP2011003468A

Description

本発明は、多層構造の超電導導体層を有する超電導ケーブルに関する。特に、交流損失の低減が可能である超電導ケーブルに関する。

超電導ケーブルは、従来の電力ケーブルと比較して、コンパクトな形状で、かつ、大容量の電力を送電できることから、省エネルギー技術として期待されている。最近では、超電導線材そのものの高性能化はもちろんのこと、より低損失なケーブル構造の研究開発が活発に進められている（例えば、特許文献１を参照）。

超電導ケーブルは、超電導導体層を有するケーブルコアを二重管構造の断熱管内に収納し、この断熱管内に冷媒（例、液体窒素（LN₂））を流通させることで、超電導導体層を冷却して超電導状態とする構造のものが代表的である。

図３は、超電導ケーブルの代表的な基本構造を示す図である。超電導ケーブル100は、３心のケーブルコア10を撚り合わせた状態で断熱管20内に一括に収納した構造である。断熱管20は、内管21と外管22とからなる二重管構造のコルゲート管であり、両管21、22の間に断熱材23が配置されている。また、断熱管20（外管22）の外周には防食層24が形成されている。

一方、ケーブルコア10は、中心から順にフォーマ11、超電導導体層12、絶縁層13、超電導シールド層14、常電導保護層15を配置した構造である。フォーマ11は、通常、外形が円形状であり、一般的には絶縁被覆を施した銅素線を複数本撚り合わせて形成されている。超電導導体層12は、フォーマの外周にテープ状の複数の超電導線材120をスパイラル巻きして形成されており、図示するように、ケーブルコアの径方向に超電導線材120が積層された多層構造である。また、超電導導体層12において、各層を構成する超電導線材の間（図４（B）中、内周側の層12aと外周側の層12bとの間）には、例えばクラフト紙などの層間紙を巻回した層間絶縁層（図４（B）中、符号12iで示す）が形成されており、電気的に絶縁されている。層間紙のサイズは、幅20mm、厚さ50〜100μm程度である。

超電導線材としては、Bi（ビスマス）系銀シース線材やRE123系薄膜線材が知られている（RE：希土類元素、例えばY（イットリウム）、Ho（ホルミウム）、Nd（ネオジウム）、Sm（サマリウム）、Gd（ガドリウム）など）。Bi系銀シース線材は、銀又は銀合金のシース内に例えばBi₂Sr₂CaCu₂O_x（Bi2212）或いは(BiPb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+d（Bi2223）で表される超電導体の原料粉末を充填し、伸線・焼結・圧延加工することで製造されている。一方、RE123系薄膜線材は、ステンレスやNi基合金（例：ハステロイ（登録商標））などの基板上に例えばREBa₂Cu₃O_7-d（RE123）で表される超電導体の薄膜を蒸着することで製造されている。特に、薄膜線材は、超電導薄膜の厚みが薄いため、一般的に銀シース線材よりも平行磁場に対する損失特性に優れているといわれている。

また、例えば特許文献２には、超電導導線の周囲に２重の磁気遮蔽体が配設された電力ケーブルが開示されている。

特開２００５‐１００７７７号公報特開昭５８‐１４７９０６号公報

しかし、従来の超電導ケーブルは、交流損失の低減が不十分であり、更なる改善が望まれている。

超電導導体層は、ケーブルコアの曲げ特性を考慮して、図４（A）に示すように、隣り合う超電導線材120間にギャップgが設けられている。また、超電導線材には、加工性、機械的強度、取り扱い性を考慮して、銀シースや基板が使用されている。そして、超電導線材をフォーマにスパイラル巻きしたとき、線材はフォーマに沿って湾曲変形し難く、図４（A）に示すように、線材120が巻回されたフォーマ11を断面視した場合、線材120が描く外形（輪郭）が多角形となる。

このような超電導ケーブルにおいて、超電導線材に交流電流が流れると、それに伴い、線材が構成する超電導導体層の各層において周方向に沿って交流磁場が発生する。このときの周方向の磁場は、線材が描く外形に依存し、円形ではなく、多角形となるため、中心から同一半径の周方向では不均一となり、また、多角形の頂点に位置する箇所では、径方向の磁場が生成される。特に、この箇所にはギャップが設けられていることから、磁場の乱れが大きい。その結果、図４（B）に例示するような従来のケーブルコア構造では、内周側の層12aを構成する線材120に流れる電流に起因して生成された径方向の磁場が、線材間に設けられたギャップから漏れ、外周側の層12bを構成する線材120のテープ面に対して垂直に印加されるため、外周側の層に大きな交流損失が発生する。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、交流損失の低減が可能である超電導ケーブルを提供することにある。

外周側の層に発生する交流損失を低減するには、内周側の層における周方向の磁場を円形に近づくように平滑化することが挙げられる。そこで、線材が描く外形を円形に近づける一手段として、線材をより細線化することが考えられる。しかし、線材の細線化は、線材の使用本数の増加に伴う巻回作業性の低下により、巻回作業に多大な時間を要する。また、線材の使用本数の増加により、隣り合う線材間のギャップの管理が難しくなる。

本発明の超電導ケーブルは、フォーマの外周に複数の超電導線材をスパイラル巻きして形成された超電導導体層を有するケーブルコアを備え、超電導導体層は、ケーブルコアの径方向に超電導線材が積層された多層構造である。そして、超電導導体層において、内周側の層と外周側の層との間に磁性材料からなる磁場平滑化層が設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、磁性材料からなる磁場平滑化層が、内周側の層が生成する磁場を周方向に沿って円形に近づくように平滑化することで、外周側の層に印加される径方向の磁場が減少するため、交流損失の低減が可能である。

磁場平滑化層を構成する磁性材料としては、比透磁率が高いことが好ましく、例えば比透磁率が10以上、特に20以上であることが望ましい。比透磁率が高い磁性材料は、磁場を通し易く、磁場の平滑化に寄与する。

より好ましくは、磁性材料の比透磁率が、超電導線材を構成するいずれの材料の比透磁率より高い方がよい。これは、磁場平滑化層を構成する磁性材料の比透磁率が超電導線材を構成する材料の比透磁率より低い場合、内周側の層に生成された径方向の磁場が磁場平滑化層に比べて外側層を構成する超電導線材に通り易くなるため、交流損失の低減効果が不十分になる虞がある。一方、磁場平滑化層の比透磁率が超電導線材の比透磁率より高い場合、交流損失の低減効果が得られ易い。

上述したように、磁性材料は、高透磁率であることが好ましいが、より好ましくは高透磁率かつ低ヒステリシス損の軟磁性材料であることが好ましい。低ヒステリシス損であれば、磁場平滑化層に印加される磁場によって発生するヒステリシス損を低減することができ、以って交流損失の低減が期待できる。具体的な軟磁性材料としては、例えば純鉄、ニッケル、コバルト、ケイ素鋼、パーマロイ及びフェライトなどが挙げられる。

磁場平滑化層の厚みは、0.5μm以上2μm以下であることが好ましい。磁場平滑化層が厚くなると、その分ヒステリシス損が増大する傾向がある。そこで、磁場平滑化層の厚みを0.5μm以上とすることで、磁路を確保しつつ、2μm以下とすることで、ヒステリシス損の抑制を図ることができる。

超電導線材は、薄膜線材であることが好ましい。上述したように、薄膜線材は、銀シース線材に比べて平行磁場に対する損失特性に優れており、本発明による交流損失の低減効果が大きくなることが期待される。また、薄膜線材を用いることで、超電導導体層の厚みを薄くすることが可能であり、ケーブルコアひいては超電導ケーブル全体の小径化を図ることができる。

本発明の超電導ケーブルは、多層構造の超電導導体層において内周側の層と外周側の層との間に磁場平滑化層が設けられていることで、交流損失の低減が可能である。

実施の形態１に係る超電導ケーブルにおけるケーブルコアの超電導導体層の要部概略断面図であり、（A）は、磁場平滑化層の断面形状を線材が描く外形に沿って形成した場合を示し、（B）は、磁場平滑化層の断面形状を円形に形成した場合を示す。磁性テープの概略斜視図であり、（A）は、磁性材料のみからなる磁性テープを示し、（B）は、基材表面に磁性材料を被覆した磁性テープを示す。超電導ケーブルの代表的な基本構造を説明する概略斜視図である。 (A)は、超電導線材をフォーマに巻回した状態を説明する概略断面図である。(B)は、超電導線材を巻回して形成された超電導導体層を説明する部分拡大概略断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。また、図中において同一部材には同一符号を付している。なお、実施の形態で説明する超電導ケーブルの基本構造は、図３、４を用いて説明した従来の超電導ケーブルの基本構造と同様であり、以下では従来との相違点を中心に説明し、その他の点については説明を省略する。

［実施の形態１］
図１は、超電導ケーブルにおけるケーブルコアの超電導導体層をその長手方向に直交する方向に切断した断面を示す。実際には、超電導導体層は、フォーマの外周に複数の超電導線材をスパイラル巻きして形成され、かつ、ケーブルコアの径方向に超電導線材が積層された多層構造であるが、この図１では、超電導線材120が構成する超電導導体層の各層のうち、フォーマ11に最も近接する内周側の層12a（１層目）のみを示す。

超電導導体層において、内周側の層12aの外周には、同じように超電導線材をスパイラル状に巻回して外周側の層（２層目）が形成されているが、内周側の層と外周側の層との間には磁性材料からなる磁場平滑化層12mが設けられている。この磁場平滑化層12mは、内周側の層12aの外周に、例えば後述する磁性テープを巻回することで、周方向にほぼ一様に形成されている。磁場平滑化層12mを構成する磁性材料としては、比透磁率が10以上の軟磁性材料が好ましく、例えば純鉄、ニッケル、コバルト、ケイ素鋼（例、Fe‐3〜4％Si）、パーマロイ（例、Fe‐35〜85％Ni）及びフェライト（例、Mn‐Zn系フェライト、Ni‐Zn系フェライト）などが挙げられる。ここでは、磁場平滑化層12mは、例えばニッケルで構成されている。

磁性テープとしては、例えば図２に示す態様のものが挙げられる。図２（A）に示す磁性テープM1は、磁性材料mのみからなる磁性テープである。また、磁性テープM1で磁場平滑化層12m（図１参照）を構成した場合に、内周側の層と外周側の層との間の層間絶縁を確保することができない場合などは、例えば層間紙を巻回した層間絶縁層と磁場平滑化層とを組み合わせて設けてもよい。磁性テープのサイズを、幅20mm、厚さ50〜100μm程度とすれば、現状の層間紙と同じようにして巻回することができる。

図２（B）に示す磁性テープM2は、基材sの表面に磁性材料mを被覆した磁性テープである。基材sとしては、例えばクラフト紙、クラフト紙とプラスチックフィルムとを積層した複合紙（PPLP（登録商標、Polypropylene Laminated Paper））やステンレスなどを用いることができる。磁性材料mの被覆方法としては、例えば真空蒸着法、スパッタリング法などの各種物理的蒸着法や化学的蒸着法、或いは電解めっき法、無電解めっき法などのめっき法を用いることができる。磁性テープM1では、磁性材料mを例えば2μm以下といった所定の厚みに加工することが困難であるが、磁性テープM2では、磁性材料mの厚さを所定の厚みに調整し易い。基材のサイズは、幅20mm、厚さ50〜100μm程度とすることが好ましい。

このような磁性テープを巻回して内周側の層の外周に磁場平滑化層を形成した場合、磁場平滑化層の断面形状が磁性テープの性質によって変化する。例えば磁性テープが剛性が低く変形し易い場合には、巻回したときに磁性テープが内周側の層の外形に対応して変形するので、図１（A）に示すように、線材120が描く外形に沿って磁場平滑化層12mの断面形状が形成されることになる。一方、磁性テープが高剛性でかつある程度の曲げ性を有する場合には、磁性テープを内周側の層の外形に関係なく円形となるように巻回できるので、図１（B）に示すように、磁場平滑化層12mの断面形状が円形に形成されることになる。磁性テープの剛性や曲げ性などの性質は、磁性テープM1の場合では構成する磁性材料mで決まる。磁性テープM2の場合は、基材sと磁性材料mの組み合わせと厚みで決まり、例えば、基材にクラフト紙といった剛性の低い材料を選択すれば磁性テープの剛性が低下し、一方、ステンレスといった剛性の高い材料を選択すれば磁性テープの剛性が向上する。

以上説明した実施の形態1に係る超電導ケーブルは、次の効果を奏する。超電導導体層に電流が流れたときに、内周側の層が生成する周方向の磁場の乱れを磁場平滑化層が抑制し、周方向の磁場が円形に近づくように平滑化されるため、外周側の層に印加される径方向の磁場が減少し、交流損失を低減することができる。磁場平滑化層を比透磁率10以上の軟磁性材料で構成することにより、磁場を通り易くして平滑化を図り易く、また、磁場平滑化層におけるヒステリシス損を低減することができる。特に、図１（B）に示すように、磁場平滑化層の断面形状を円形に近づけた場合、内周側の層における周方向の磁場がより円形に近づくように平滑化されるため、効果的に交流損失を低減することができる。

（変形例１）
この例では、磁場平滑化層の厚みが2μm以下である。磁場平滑化層の厚みは、磁性材料の比透磁率や保持力などの磁気特性との関係から、磁場平滑化層に求められる特性に応じて適宜決定すればよい。しかし、磁場平滑化層の厚みが厚くなると、その分ヒステリシス損が増大する傾向がある。そこで、磁場平滑化層の厚みを2μm以下にすることで、ヒステリシス損を十分に抑制することができる。一方、磁場平滑化層の厚みの下限値は、磁路を確保するため、0.5μmとすることが好ましい。

（変形例２）
この例では、超電導線材がRE123系薄膜線材である。超電導線材としては、銀シース線材、薄膜線材のいずれでもよく、特に限定されないが、薄膜線材を用いることが好ましい。薄膜線材は、銀シース線材に比べて平行磁場に対する損失特性に優れており、交流損失の低減効果が大きくなることが期待できる。また、薄膜線材を用いることで、超電導導体層の厚みを薄くすることが可能であり、ケーブルコアひいては超電導ケーブル全体の小径化を図ることができる。具体的なRE123系薄膜線材としては、例えばY系（YBCO）薄膜線材、Ho系（HoBCO）薄膜線材などが挙げられる。

薄膜線材の場合、フォーマの外周にスパイラル巻きする際に、薄膜線材の超電導薄膜側をケーブルコアの径方向内周側に向ける場合、径方向外周側に向ける場合のいずれでもよい。径方向内周側に向ける場合、超電導薄膜に引張応力が作用し難く、超電導特性の劣化が少ない。径方向外周側に向ける場合、超電導ケーブルの中間接続部又は終端接続部において超電導導体層とその接続対象との電気的導通が取り易い。

（変形例３）
この例では、磁性材料の比透磁率が、超電導線材を構成するいずれの材料の比透磁率より高い。超電導線材には、超電導体の他、銀シース或いはステンレスの基板などが用いられている。これらを構成する材料よりも磁性材料の比透磁率を高くすることで、磁場が外側層を構成する超電導線材よりも磁場平滑化層を通り易くなり、磁場平滑層による交流損失の低減効果が大きくなることが期待できる。銀やステンレスよりも比透磁率が高い磁性材料としては、上記列挙した軟磁性材料、例えばニッケルが挙げられる。

（変形例４）
上記した実施の形態１では、磁性テープを巻回して内周側の層の外周に磁場平滑化層を形成した例を説明したが、ここでは、磁場平滑化層の別の形成方法について説明する。例えば、磁性材料からなる筒状磁性部材を内周側の層の外周に設置して磁場平滑化層を形成することができる。筒状磁性部材は、複数の磁性材料の分割片を組み合わせて筒状にしたものでもよい。また、筒状磁性部材は、筒状基材の表面に磁性材料を被覆したものでもよいし、磁性材料を被覆した分割基材を複数組み合わせて筒状にしたものでもよい。筒状磁性部材は、複数のユニットを長手方向に直列させて連結する必要があるため、ケーブル長が短い場合に好適である。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。実施の形態１では、超電導導体層の１層目と２層目との間に磁場平滑化層を設けた例を説明したが、例えば超電導導体層が３層以上の多層構造である場合、各層間のいずれかに磁場平滑化層を設ければ、本発明による交流損失の低減効果が得られる。また、各層間の全てに磁場平滑化層を設ければ、交流損失の低減効果が大きい。

本発明の超電導ケーブルは、交流超電導送電の分野に好適に利用可能である。

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 常電導保護層
20 断熱管
21 内管 22 外管 23 断熱材 24 防食層
120 超電導線材
12a 内周側の層 12b 外周側の層
12i 層間絶縁層 12m 磁場平滑化層
g ギャップ
M1,M2 磁性テープ m 磁性材料 s 基材

Claims

フォーマの外周に複数の超電導線材をスパイラル巻きして形成された超電導導体層を有するケーブルコアを備える超電導ケーブルであって、
前記超電導導体層は、ケーブルコアの径方向に超電導線材が積層された多層構造であり、
前記超電導導体層において、内周側の層と外周側の層との間に磁性材料からなる磁場平滑化層が設けられており、
前記磁場平滑化層は、前記超電導導体層における内周側の層を形成した後に、前記超電導導体層における内周側の層の外周に、前記磁性材料からなる又は基材の表面に前記磁性材料を被覆した磁性テープを巻回することで形成されており、
前記磁場平滑化層を形成した後に、前記超電導導体層における外周側の層が形成されている超電導ケーブル。
前記磁性材料の比透磁率が、１０以上である請求項１に記載の超電導ケーブル。
前記磁性材料が、軟磁性材料である請求項１又は請求項２に記載の超電導ケーブル。
前記磁性材料の比透磁率が、前記超電導線材を構成するいずれの材料の比透磁率より高い請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
前記磁場平滑化層の厚みが、０．５μｍ以上２μｍ以下である請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
前記超電導線材が、薄膜線材である請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。