JP5423692B2 - 超電導ケーブル - Google Patents
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Description
ケーブル全体として超電導材料の使用量を少なくする手段として、ケーブルコア1心あたりの超電導材料の使用量を少なくすることを提案する。
具体的には、超電導層と絶縁層とを有するケーブルコアを複数撚り合わせてなる超電導ケーブルであって、以下の構成のコアを具える超電導ケーブルを提案する。
第一コア:第一超電導層を有する。
第二コア:第二超電導層を有する。この第二超電導層は、第一超電導層の外径よりも大きな内径を有する。
(単極送電)
第一コアに具える第一超電導層を往路線路に用い、第二コアに具える第二超電導層を帰路線路に用いる。
(双極送電)
第一コアを複数具えておき、そのうち少なくとも一つの第一コアに具える第一超電導層を正極及び負極のいずれか一極の送電に用い、残りの第一コアに具える第一超電導層を他極の送電に用いる。そして、第二コアに具える第二超電導層を中性線として用いる。
即ち、本発明は、複数のケーブルコアを撚り合わせてなる超電導ケーブルであって、このケーブルは、ケーブルコアと同径である冷媒管と、以下の構成を具える2条のケーブルコアとを撚り合わせて形成されることを特徴とする。
ケーブルコア:超電導導体層と、この超電導導体層の外周に設けられる絶縁層と、この絶縁層の外周に設けられる外部超電導層とを具える。
(単極送電)
両コアに具える超電導導体層を往路線路に用い、両コアに具える外部超電導層を帰路線路に用いる。
(双極送電)
一方のコアに具える超電導導体層を正極及び負極のいずれか一極の送電に用い、他方のコアに具える超電導導体層を他極の送電に用いる。そして、各コアに具える外部超電導層を中性線として用いる。
タイプ1の超電導ケーブルは、超電導層と絶縁層とを有する第一コア及び第二コアを撚り合わせてなるものとする。第一コアは、超電導材料から構成される第一超電導層を具え、かつ、この第一超電導層のほかに超電導材料からなる超電導層を具えていないものとする。第二コアは、超電導材料から構成される第二超電導層を具え、かつ、この第二超電導層の他に超電導材料からなる超電導層を具えていないものとする。即ち、第一コアは、コアの中心部側に超電導層を有し、コアの外周側に超電導層を有しておらず、第二コアは、コアの外周側に超電導層を有し、コアの内周側に超電導層を有していない。そして、第二コアの第二超電導層は、第一超電導層の外径よりも大きな内径を有するように形成する。
タイプ2の本発明超電導ケーブルは、2条のケーブルコアと、1つの冷媒管とを撚り合わせてなる3心撚り合わせ構造である。各ケーブルコアは、中心から順に、超電導材料から構成される超電導導体層、絶縁材料から構成される絶縁層、超電導材料からなる外部超電導層とを具える。
図1は、タイプ1の超電導ケーブルを用いて単極送電用の直流送電線路を構築した状態を示す概略構成図である。以下、図面において同一符号は同一物を示す。この超電導ケーブル1は、構成の異なる2種類のケーブルコア(第一コア2、第二コア3)を撚り合わせ、断熱管7内に収納させたケーブルである。具体的には、第一コア2は、絶縁層4の内周側に超電導材料からなる第一超電導層2aを具え、絶縁層4の外周側に超電導材料からなる層を具えていない。第二コア3は、中心部側に芯材5bを具え、この芯材5bの外周側に超電導材料からなる第二超電導層3aを具え、芯材5bの内周側に超電導材料からなる層を具えていない。そして、第二超電導層3aの内径を第一超電導層2aの外径よりも大きくしている。
本例において第一超電導層2aは、Bi2223系超電導テープ線(Ag-Mnシース線)を用い、フォーマ5aの外周にこのテープ線を多層に螺旋状に巻回して構成した。フォーマ5aは、銅線を複数本撚り合わせたものを用い、フォーマ5aと第一超電導層2aとの間には、絶縁紙によりクッション層(図示せず)を形成した。第一超電導層2aの外周には、絶縁層4を設けている。絶縁層4は、第一超電導層2aと対地間の絶縁に必要な絶縁強度を有するように、半合成絶縁紙(PPLP:住友電気工業株式会社 登録商標)を巻回して構成した。本例では、このような第一コア2を2条用意した。また、いずれの第一コア2も同径とした。
本例において第二コア3は、1条(1心)とし、その外径が上記第一コア2の外径と同径となるように形成した。まず、芯材5bを形成した。本例では銅線を撚り合わせた芯材(図示せず)の外周に、半合成絶縁紙(PPLP:住友電気工業株式会社 登録商標)を巻回して芯材5bを構成した。この芯材5bの外周に第二超電導層3aを設けている。第二超電導層3aは、上記第一コア2の第一超電導層2aと同様の超電導材料(Bi2223系超電導テープ線(Ag-Mnシース線))を用い、同様に多層に螺旋状に巻回して構成した。第二超電導層3aの形成に用いたテープ線の量は、上記2条の第一コア2の第一超電導層2aを構成するのに用いたテープ線の量と同量とした。そして、第二コア3において芯材5bの大きさを調整し、第一コア2の第一超電導層2aの外径(絶縁層4の内径)よりも、第二コア3の第二超電導層3aの内径(芯材5bの外径)が大きくなるようにした。そのため、第二超電導層3aの巻き付け数(層数)を過剰に多くすることなく第二超電導層3aを形成することができ、第二コア3の曲げ剛性が過度に大きくなることがなかった。そして、この第二超電導層3aの外周に絶縁層6を設けた。絶縁層6は、第二超電導層3aと対地間の絶縁に必要な絶縁強度を有するように、クラフト紙を巻回して形成した。
超電導ケーブル1は、超電導材料からなる層として第一超電導層2aのみを有する第一コア2と、超電導材料からなる層として第二超電導層3aのみを有する第二コア3とを撚り合わせて、断熱管7に収納して構成している。本例においてこれら3条のコア2,コア3は、冷媒により冷却されて熱収縮を生じた際、その収縮代を有するように弛みを持たせて撚り合わせた。具体的には、第一コア2間、第一コア2と第二コア3間にそれぞれスペーサ(図示せず)を介在させて撚り合わせ、断熱管7に収納する際(断熱管7を形成する際)にスペーサを除去することで、弛みを持たせた状態で断熱管7に収納されるようにした。本例においてスペーサは、断面矩形状の5mm厚みのフェルトを用いた。また、本例において断熱管7は、SUSコルゲート管を用い、図7に示す従来の超電導ケーブルと同様に、外管7aと内管7bとからなる二重管の間に断熱材(図示せず)を多層に配置し、かつ二重管内を真空引きした真空多層断熱構成とした。内管7bと3心のコア2,コア3とで囲まれる空間8が液体窒素などの冷媒の流路となる。断熱管7の外周には、ポリ塩化ビニルで防食層(図示せず)を形成した。
次に、双極送電を行う場合を説明する。図2(A)は、タイプ1の超電導ケーブルを用いて双極送電用の直流送電線路を構築した状態を示す概略構成図、(B)は2心の第一コアのうち一方の第一コアと第二コアとを用いて単極送電を行う直流送電線路を構築した状態を示す概略構成図である。参考例1で用いた超電導ケーブル1は、双極送電にも用いることができる。双極送電を行うには、図2(A)に示すような送電線路を構築するとよい。具体的には、2心の第一コアのうち一方の第一コア2(図2(A)のおいて上側の第一コア2)に具える第一超電導層2aの一端側に、交流系統(図示せず)に接続される直交流変換器11aがリード30を介して接続され、同第一超電導層2aの他端側に、交流系統(図示せず)に接続される直交流変換器11bがリード31を介して接続される。他方の第一コア2(図2(A)において左側の第一コア2)に具える第一超電導層2aの一端側に、交流系統(図示せず)に接続される直交流変換器12aがリード32を介して接続され、同第一超電導層2aの他端側に、交流系統(図示せず)に接続される直交流変換器12bがリード33を介して接続される。第二コア3に具える第二超電導層3aの一端側にリード34を介して直交流変換器11a,12aが接続され、同第二超電導層3aの他端側に、リード35を介して直交流変換器11b,12bが接続される。そして、リード34を接地している。この接地により、第二超電導層3aは接地電位となる。本例では、リード34のみ接地して片端接地としたが、リード35も接地して両端接地としてもよい。なお、リード30〜35は、超電導層2a,3aと直交流変換器11a,11b,12a,12bとを電気的に接続するものである。
低ρ層:比率k=60%、抵抗率ρ(20℃)= X Ω・cm、誘電率ε=Y
中ρ層:比率k=70%、抵抗率ρ(20℃)=約1.2X Ω・cm、誘電率ε=約0.95Y
高ρ層:比率k=80%、抵抗率ρ(20℃)=約1.4X Ω・cm、誘電率ε=約0.9Y
上記参考例1,2では、第二コアの芯材として、銅撚り線を利用した構成について説明したが、芯材として冷媒管を用いてもよい。図3は、第二コアの第二超電導層の内側に冷媒管を具えるタイプ1の超電導ケーブルの断面模式図である。この例に示す第二コア3は、基本的構成は参考例1、2に示したものと同様であり、芯材5bの芯材として冷媒管9aを具える点が異なる。以下、この点を中心に説明する。
図4は、本発明の超電導ケーブルを用いて単極送電用の直流送電線路を構築した状態を示す概略構成図である。なお、図4及び後述する図5において冷媒循環路は省略している。超電導ケーブル40は、超電導材料からなる超電導導体層44及び外部超電導層46を同軸状に具える2条のケーブルコア41と、1条の冷媒管42とを撚り合わせ、断熱管7内に収納させたケーブルである。各ケーブルコア41は、中心から順にフォーマ43、超電導導体層44、絶縁層45、外部超電導層46、保護層47を具える。
本例において超電導導体層44及び外部超電導層46は、Bi2223系超電導テープ線(Ag-Mnシース線)にて形成した。超電導導体層44はフォーマ43の外周に、外部超電導層46は絶縁層45の外周にそれぞれ、上記超電導テープ線を螺旋状に多層に巻回して構成した。フォーマ43は、銅線を複数本撚り合わせたものを用い、フォーマ43と超電導導体層44との間には、絶縁紙によりクッション層(図示せず)を形成した。絶縁層45は、超電導導体層44の外周に半合成絶縁紙(PPLP:住友電気工業株式会社 登録商標)を巻回して構成した。この絶縁層45は、超電導導体層44と対地間の絶縁に必要な絶縁強度を有するように設けた。保護層47は、外部超電導層46の外周にクラフト紙を巻回して設けた。このようなケーブルコア41を2条用意した。また、いずれのコア41の外径も同径である。
上記2条のケーブルコア41と撚り合わせる冷媒管42として、本例では、コア41の外径と同径の外径を有するSUSコルゲート管を用いた。
超電導ケーブル40は、上記超電導導体層44及び外部超電導層46を具える2条のケーブルコア41と冷媒管42とを撚り合わせ、断熱管7内に収納して構成している。2条のコア41は、冷媒により冷却された際、熱収縮に必要な収縮代を有するように弛みをもたせて撚り合わせた。弛みは、参考例1と同様にコア41間にスペーサ(5mm厚のフェルト)を配置して撚り合わせ、断熱管7に収納する際にスペーサを除去することで形成した。冷媒管42は、伸縮可能なコルゲート管を利用しているため、特に弛みを持たせることなくコア41と撚り合わせても、十分な収縮代を確保することができる。本例において断熱管7は、SUSコルゲート管を用い、図7に示す従来の超電導ケーブルと同様に、外管7aと内管7bとからなる二重管の間に断熱材(図示せず)を多層に配置し、かつ二重管内を真空引きした真空多層断熱構成とした。内管7bと2心のケーブルコア41及び冷媒管42とで囲まれる空間8が液体窒素などの冷媒の往路となり、冷媒管42が冷媒の復路となる。また、断熱管7の外周には、ポリ塩化ビニルで防食層(図示せず)を形成した。
次に、双極送電を行う場合を説明する。図5(A)は、本発明の超電導ケーブルを用いて双極送電用の直流送電線路を構築した状態を示す概略構成図、(B)は一方のコアの超電導導体層及び外部超電導層を用いて単極送電を行う直流送電線路を構築した状態を示す概略構成図である。実施例1で用いた超電導ケーブル40は、双極送電にも用いることができる。双極送電を行うには、図5(A)に示すような送電線路を構築するとよい。具体的には、一方のコア41(図5(A)のおいて右側のコア41)に具える超電導導体層44の一端側に、交流系統(図示せず)に接続される直交流変換器14aがリード60を介して接続され、同超電導導体層44の他端側に、交流系統(図示せず)に接続される直交流変換器14bがリード61を介して接続される。また、このコア41に具える外部超電導層46の一端側に直交流変換器14aがリード62,リード63を介して接続され、同外部超電導層46の他端側に、直交流変換器14bがリード64を介して接続される。他方のコア41(図5(A)において左側のコア41)に具える超電導導体層44の一端側に、交流系統(図示せず)に接続される直交流変換器15aがリード65を介して接続され、同超電導導体層44の他端側に、交流系統(図示せず)に接続される直交流変換器15bがリード66を介して接続される。また、このコア41に具える外部超電導層46の一端側に直交流変換器15aがリード67,リード63を介して接続され、同外部超電導層46の他端に、直交流変換器15bがリード64を介して接続される。そして、リード63を接地している。この接地により、両コア41の外部超電導層46は接地電位となる。本例では、リード63のみ接地して片端接地としたが、リード64も接地して両端接地としてもよい。なお、リード60〜67は、超電導導体層44や外部超電導層46と直交流変換器14a,14b,15a,15bとを電気的に接続するものである。
低ρ層:比率k=60%、抵抗率ρ(20℃)= X Ω・cm、誘電率ε=Y
中ρ層:比率k=70%、抵抗率ρ(20℃)=約1.2X Ω・cm、誘電率ε=約0.95Y
高ρ層:比率k=80%、抵抗率ρ(20℃)=約1.4X Ω・cm、誘電率ε=約0.9Y
実施例1,2に示す構造では、2条のケーブルコア41と冷媒管42とを撚り合わせて断熱管(図4,5参照)に挿入する際、冷媒管42の外周面と断熱管(内管)の内周面とが接触して、金属粉が生じたり、冷媒管42や断熱管が損傷する恐れがある。そこで、図6に示すように冷媒管42aの外周に、冷媒管42aと断熱管との接触を防止する保護層42bを設けてもよい。本例において保護層42bは、クラフト紙を巻回して形成した。また、本例では、保護層42bを設けた状態でケーブルコア41の外径と同径となるように冷媒管42aの径を選択した。この構成により、冷媒管42aと断熱管とが接触することがなく、接触による不具合を防止できる。
3 第二コア 3a 第二超電導層 4,6,9b 絶縁層 5a フォーマ 5b 芯材
7 断熱管 7a 外管 7b 内管 8 空間 9a 冷媒管
10a,10b,11a,11b,12a,12b,13a,13b,14a,14b,15a,15b 直交流変換器
20〜25,30〜35,50〜57,60〜67 リード
41 ケーブルコア 42,42a 冷媒管 42b 保護層 43 フォーマ
44 超電導導体層 45 絶縁層 46 外部超電導層 47 保護層
100 三相交流用超電導ケーブル 101 断熱管 101a 外管 101b 内管
102 ケーブルコア 103 空間 104 防食層
200 フォーマ 201 超電導導体層 202 絶縁層 203 超電導シールド層
204 保護層
Claims (10)
- 複数のケーブルコアを撚り合わせてなる超電導ケーブルであって、
このケーブルは、ケーブルコア2条と冷媒管とを撚り合わせて形成され、
前記ケーブルコアは、
超電導導体層と、
前記超電導導体層の外周に設けられる絶縁層と、
前記絶縁層の外周に設けられる外部超電導層とを具え、
冷媒管は、ケーブルコアと同径であることを特徴とする超電導ケーブル。 - 前記ケーブルコア2条は、ケーブル冷却時の収縮代を有するように弛みをもたせて撚り合わせ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。
- 冷媒管は、ケーブル冷却時に収縮可能な伸縮性を有し、ケーブル冷却時に収縮するための弛みを持たせることなく、2条のコアと撚り合わされていることを特徴とする請求項1又は2に記載の超電導ケーブル。
- 冷媒管は、金属コルゲート管であることを特徴とする請求項3に記載の超電導ケーブル。
- 冷媒管の外周に保護層を具えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の超電導ケーブル。
- 絶縁層は、その径方向の直流電界分布が平滑化されるように、絶縁層の内周側の抵抗率が低く、外周側の抵抗率が高くなるようにρグレーディングが施されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の超電導ケーブル。
- 絶縁層は、超電導導体層の近傍に、他の箇所よりも誘電率が高い高ε層を有することを特徴とする請求項6に記載の超電導ケーブル。
- 絶縁層は、その内周側ほど誘電率εが高く、外周側ほど誘電率εが低く構成されていることを特徴とする請求項6に記載の超電導ケーブル。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載の超電導ケーブルを用いた直流送電方法であって、
両コアに具える超電導導体層を往路線路に用い、
両コアに具える外部超電導層を帰路線路に用いて単極送電を行うことを特徴とする直流送電方法。 - 請求項1〜8のいずれか1項に記載の超電導ケーブルを用いた直流送電方法であって、
一方のコアに具える超電導導体層を正極及び負極のいずれか一極の送電に用い、
他方のコアに具える超電導導体層を他極の送電に用い、
各コアに具える外部超電導層を中性線として双極送電を行うことを特徴とする直流送電方法。
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