JP5757987B2 - 極低温ケーブルの終端接続部 - Google Patents

Description

本発明は、超電導ケーブル等の極低温ケーブルの終端接続部に関する。

従来、極低温で超電導状態になる超電導線材を導体として用いた超電導ケーブルが知られている。超電導ケーブルは、大電流を低損失で送電可能な電力ケーブルとして期待されており、実用化に向けて開発が進められている。
超電導ケーブルは、断熱管内に一心又は複数心のケーブルコアが収容された構造を有する。ケーブルコアは、例えば中心から順に、フォーマ、超電導導体層、電気絶縁層、ケーブルシールド層、及び保護層等を有する。断熱管は、ケーブルコアを収容し内部に冷媒（例えば液体窒素）が充填される内管（以下「断熱内管」）と、断熱内管の外周を覆う外管（以下「断熱外管」）を有する。断熱内管と断熱外管の間は、断熱のために真空状態とされる。

超電導ケーブルの終端接続部においては、低温部となる低温容器に超電導ケーブルの端末部が収容され、超電導ケーブルの導体（例えば超電導導体層）が導体引出部を介して常温部に引き出される。低温容器は、超電導ケーブルの端末部を収容し運転時に液体窒素等の冷媒が充填される冷媒槽と、冷媒槽を収容し運転時に真空状態とされる真空槽とからなる二重構造を有する。

ところで、超電導ケーブルの終端接続部においては、冷却時に超電導ケーブルや冷媒槽が熱収縮することが知られている。そのため、従来の終端接続部においては、冷却時の熱収縮を吸収するための手段（以下「収縮吸収部」）が講じられている（例えば特許文献１〜６）。
特許文献１、２には、冷媒槽と真空槽とをベローズ管等の収縮吸収部を介して接続することが開示されている。特許文献３〜６には、導体引出部の一部（超電導ケーブルとの接続部を含む）を編組線等のフレキシブル導体で構成することが開示されている。

特開２００２−２８０６２８号公報 特許第４２９２４１６号公報 特開２００５−２３７０６２号公報 特開２００５−２５３２０４号公報 特許第４５５０６９９号公報 特許第４９２７８０４号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載の終端接続部は、導体引出部（特許文献１における銅パイプ３３、特許文献２における導体部１１）が柔軟性のないリジッド構造を有するため、冷媒槽の熱収縮（特に水平方向の熱収縮）を吸収することは困難である。また、特許文献３〜６に記載の終端接続部は、収縮吸収部が冷媒槽の内部に配置されているため、冷却時の超電導ケーブルの熱収縮は吸収することができるが、冷却槽の熱収縮を吸収することは困難である。
すなわち、特許文献１〜６の終端接続部は、冷却時における冷却槽の熱収縮によって導体引出部に応力が生じ、この応力によって導体引出部等が破損する虞がある。

本発明の目的は、冷却時における冷却槽の熱収縮により導体引出部等が損傷するのを防止できる信頼性の高い極低温ケーブルの終端接続部を提供することである。

本発明に係る極低温ケーブルの終端接続部の一態様は、極低温ケーブルの端末部と、
前記極低温ケーブルの導体に接続され電流を外部に引き出す導体引出部と、
前記極低温ケーブルの端末部を収容し、運転時に冷媒が導入される冷媒槽と、
真空槽本体部及び前記真空槽本体部から上方に向けて垂設される筒状部を有し、前記冷媒槽を収容し、運転時に真空状態とされる真空槽と、
内部が中空であり前記筒状部に連通するように前記筒状部の上部に気密に固定される碍管と、を備え、
前記導体引出部は、前記冷媒槽の内部から前記冷媒槽の長手方向と交差する方向に前記冷媒槽を気密かつ水密に貫通して前記筒状部及び前記碍管を通して前記碍管の上部まで延在し、前記冷媒槽の外側であって前記筒状部に対応する部分に、フレキシブル導体からなる収縮吸収部を有することを特徴とする。
本発明に係る極低温ケーブルの終端接続部の他の態様は、極低温ケーブルの端末部と、
前記極低温ケーブルの導体に接続され電流を外部に引き出す導体引出部と、
前記極低温ケーブルの端末部を収容し、運転時に冷媒が導入される冷媒槽と、
真空槽本体部及び前記真空槽本体部から上方に向けて垂設される筒状部を有し、前記冷媒槽を収容し、運転時に真空状態とされる真空槽と、
内部が中空であり前記筒状部に連通するように前記筒状部の上部に気密に固定される碍管と、を備え、
前記導体引出部は、前記冷媒槽の内部から前記冷媒槽の長手方向と交差する方向に前記冷媒槽を気密かつ水密に貫通して前記筒状部及び前記碍管を通して前記碍管の上部まで延在し、前記冷媒槽の外側であって前記碍管の上部から前記筒状部にわたる部分に、フレキシブル導体からなる収縮吸収部を有し、
前記収縮吸収部の外周を覆う遮へい筒を備えることを特徴とする。

本発明によれば、冷却時における冷却槽の熱収縮がフレキシブル導体からなる収縮吸収部によって吸収されるので、冷媒槽の熱収縮により導体引出部等が損傷するのを防止することができる。したがって、信頼性の高い極低温ケーブルの終端接続部が実現される。

本発明の一実施の形態に係る終端接続部を示す図である。 本発明に係る終端接続部の他の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る終端接続部１を示す図である。説明の便宜上、極低温ケーブル１０が導入される側を後端側（図１では右側）、反対側を先端側（図１では左側）として説明する。

図１に示すように、終端接続部１は、極低温ケーブル１０の端末部、低温容器２０、導体引出部３０、シールド通電部４０、碍管５０等を備える。低温容器２０（詳細には冷媒槽２１）に極低温ケーブル１０の端末部が所定の状態で収容され、導体引出部３０を介して極低温ケーブル１０の導体電流が電力機器等の実系統側に引き出される。また、シールド通電部４０を介して、極低温ケーブル１０のケーブルシールド層１１４が接地される。

極低温ケーブル１０は、断熱管１２内に一心のケーブルコア１１が収容された単心型の超電導ケーブルである。なお、極低温ケーブル１０は、ケーブルコア１１が３本撚り合わせた状態で断熱管１２内に収容される三心一括型の三相超電導ケーブルであってもよい。

ケーブルコア１１は、例えば中心から順に、フォーマ１１１、超電導導体層１１２、電気絶縁層１１３、ケーブルシールド層１１４、及び保護層１１５等を有する。

極低温ケーブル１０の端末部においては、ケーブルコア１１に段剥ぎ加工が施され、先端側から順に各層が露出する。超電導導体層１１２の外周には、超電導導体層１１２に電気的に接続される導体接続端子１３が配置される。ケーブルシールド層１１４の外周には、ケーブルシールド層１１４に電気的に接続されるシールド接続端子１４が配置される。導体接続端子１３とシールド接続端子１４の間に位置する電気絶縁層１１３の外周には、ストレスコーン等の電界緩和層１５が配置される。

断熱管１２は、内側の断熱内管１２１と外側の断熱外管１２２とからなる二重管構造を有する。
断熱内管１２１は、ケーブルコア１１を収容し、運転時には冷媒（例えば液体窒素）が充填される。これにより、超電導導体層１１２は、超電導状態に維持される。断熱内管１２１と断熱外管１２２の間は、断熱のために、運転時に真空状態に保持される。

低温容器２０は、内側の冷媒槽２１と外側の真空槽２２とからなる二重構造を有する。
冷媒槽２１は、例えば中空円筒形状を有し、極低温ケーブル１０の端末部を収容する。冷媒槽２１は、導体引出部３０を導入する導体引出口２１Ａ及びシールド通電部４０を導入するシールド引出口２１Ｂを有する。冷媒槽２１は、例えば真空槽２２内に配置された架台（図示略）に載置してもよい。

冷媒槽２１には後端側から極低温ケーブル１０の端末部が導入される。冷媒槽２１の後端部２１２には、極低温ケーブル１０の断熱内管１２１が接続される。冷媒槽２１には、運転時に冷媒循環装置（図示略）により冷媒が循環供給される。冷媒槽２１に連通する断熱内管１２１の内部も冷媒で充填される。

冷媒槽２１の導体引出口２１Ａには、導体引出部３０及び冷媒槽２１の外面に密着して、絶縁スペーサー６２が配置される。絶縁スペーサー６２は、例えばエポキシ樹脂や繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）で構成される。冷媒槽２１のシールド引出口２１Ｂには、冷媒槽２１の外面に密着して、蓋６３が配置される。絶縁スペーサー６２と蓋６３により冷媒槽２１と真空槽２２とが仕切られ、冷媒槽２１は気密かつ水密に封止される。

真空槽２２は、例えば中空円筒形状を有し、冷媒槽２１を収容する真空槽本体部２２Ａ、真空槽本体部２２Ａから上方に向けて垂設される第１の筒状部２２Ｂ、及び第１の筒状部２２Ｂと離間して真空槽本体部２２Ａから上方に向けて垂設される第２の筒状部２２Ｃを有する。一般に、第１の筒状部２２Ｂ及び第２の筒状部２２Ｃは、温度勾配部と呼ばれる。

真空槽２２の内部には、第１の筒状部２２Ｂの下方に導体引出口２１Ａが位置し、第２の筒状部２２Ｃの下方にシールド引出口２１Ｂが位置するように位置決めされた状態で、冷媒槽２１が配置される。真空槽２２の後端部２２２には、極低温ケーブル１０の断熱外管１２２が接続される。

第１の筒状部２２Ｂには導体引出部３０が配置され、第１の筒状部２２Ｂの上部には碍管５０が配置される。第２の筒状部２２Ｃには測定用配管６１、及びシールド通電部４０が配置される。
冷媒槽２１の導体引出口２１Ａ及びシールド引出口２１Ｂが真空槽２２の真空槽本体部２２Ａに収容されるので、熱伝達経路となる導体引出部３０、シールド通電部４０、及び測定用配管６１は真空槽本体部２２Ａの内部まで導入される。これにより、熱侵入を低減するための熱伝達経路長を確保しやすくなるので、第１の筒状部２２Ｂ及び第２の筒状部２２Ｃの長さを最小限にすることができ、終端接続部１の小型化を図ることができる。

真空槽２２は、運転時に真空ポンプ（図示略）により真空引きされ、真空状態に保持される。真空槽２２に連通する断熱内管１２１と断熱外管１２２の間の空間、及び碍管５０の内部も真空状態に保持される。

導体引出部３０は、極低温ケーブル１０から実系統に電流を引き出すための導体である。導体引出部３０は、第１の導体引出部３１、第２の導体引出部３２、及び第３の導体引出部３３を有する。第３の導体引出部３３が、冷却時における冷却槽２１の熱収縮を吸収する収縮吸収部として機能する。

第１の導体引出部３１及び第２の導体引出部３２は、例えば銅製の棒材またはパイプ材からなる導体引出棒で構成される。第１の導体引出部３１の一端は碍管５０を気密に貫通して外部に引き出され、他端は第１の筒状部２２Ｂまで延出して第３の導体引出部３３に接続される。第２の導体引出部３２の一端は第１の筒状部２２Ｂまで延出して第３の導体引出部３３に接続され、他端は冷媒槽２１の内部まで延出して導体接続端子１３に接続される。すなわち、収縮吸収部としての第３の導体引出部３３は、第１の筒状部２２Ｂに配置される。

第３の導体引出部３３は、本体部３３１、本体部３３１の上部に接続される上部接続端子３３２、及び本体部３３１の下部に接続される下部接続端子３３３を有する。上部接続端子３３２及び下部接続端子３３３は、例えば圧縮により本体部３３１に接続される。
本体部３３１は、例えば平編銅線等のフレキシブル導体で構成され、収縮吸収部として機能する。本体部３３１は可撓性を有するので、冷却時における冷媒槽２１の熱収縮（特に水平方向の熱収縮）を容易に吸収することができる。
上部接続端子３３２は、第１の導体引出部３１の下端部が挿嵌される凹部を有する。下部接続端子３３３は、第２の導体引出部３２の上端部が挿嵌される凹部を有する。

第１の導体引出部３１と第３の導体引出部３３との接続、及び第２の導体引出部３２と第３の導体引出部３３との接続には、例えばマルチコンタクト方式を適用できる。この場合、第１の導体引出部３１の下端部には導電性のバネ状接触子（いわゆるマルチコンタクト）が配置される。第１の導体引出部３１の下端部が上部接続端子３３２の凹部に挿嵌されることにより、第１の導体引出部３１と第３の導体引出部３２は電気的に接続される。
同様に、第２の導体引出部３２の上端部には導電性のバネ状接触子が配置される。第２の導体引出部３２の上端部が下部接続端子３３３の凹部に挿嵌されることにより、第２の導体引出部３２と第３の導体引出部３３は電気的に接続される。

なお、第１の導体引出部３１と第３の導体引出部３３との接続、及び第２の導体引出部３２と第３の導体引出部３３との接続には、例えば、圧縮接続方式、端子接続方式、あるいはその他の既知の接続方式を適用してもよい。

シールド通電部４０は、極低温ケーブル１０のケーブルシールド層１１４を接地するための導体である。シールド通電部４０は、例えば銅製の棒材またはパイプ材からなるシールド引出棒を有する。なお、シールド通電部４０の構成はこれに限定されず、公知の構成を適用することができる。シールド通電部４０（シールド引出棒）の一端は真空槽２２の第２の筒状部２２Ｃを気密に貫通して外部に引き出され、他端はシールド接続端子１４に接続される。シールド通電部４０は、シールド接続端子１４を介して極低温ケーブル１０のケーブルシールド層１１４と電気的に接続する。

シールド通電部４０は、少なくとも一部に、例えば平編銅線等のフレキシブル導体（図示略）を有するのが好ましい。これにより、極低温ケーブル１０の熱伸縮によりシールド接続端子１４の位置が水平方向に（図１の左右方向）に移動しても、容易に追従することができるので、蓋６３等の損傷を防止できる。

碍管５０は、ポリマー套管５１及び遮へい金具５２を有する。
ポリマー套管５１は、絶縁筒５１ａと、ポリマー被覆体５１ｂと、を有する。絶縁筒５１ａは、機械的強度の高いＦＲＰ（繊維強化プラスチック）で構成される。ポリマー被覆体５１ｂは、電気絶縁性能に優れる材料、例えばシリコーンポリマー（シリコーンゴム）などの高分子材料で構成される。ポリマー被覆体５１ｂは、絶縁筒５１ａの外周に設けられており、ポリマー被覆体５１ｂの外周面には、複数個の傘状の襞部が長手方向に離間して形成される。ポリマー套管５１の内部（絶縁筒５１ａの内部）は中空となっている。

遮へい金具５２は、ポリマー套管５１と同心状に埋設される円筒部５２ａと、円筒部５２ａの下端から径方向外側に延出するフランジ部５２ｂを有する。円筒部５２ａは電界緩和機能を有し、碍管５０の電界を緩和する。

真空槽２２の第１の筒状部２２Ｂの上部に碍管５０を載置し、遮へい金具５２のフランジ部５２ｂをボルト等の接続部材（図示略）で接続することにより、碍管５０は真空槽２２に気密に固定される。碍管５０の内部は第１の筒状部２２Ｂに連通し、運転時には真空状態となる。これにより、真空断熱部を大きく確保することができるので、導体引出部３０を介する外部からの熱侵入を低減することができる。

このように、終端接続部１は、極低温ケーブル１０の端末部と、極低温ケーブル１０の超電導導体層１１２（導体）に接続され電流を外部に引き出す導体引出部３０と、極低温ケーブル１０の端末部を収容し、運転時に冷媒が導入される冷媒槽２１と、真空槽本体部２２Ａ及び真空槽本体部２２Ａから上方に向けて垂設される第１の筒状部２２Ｂ（筒状部）を有し、冷媒槽２１を収容し、運転時に真空状態とされる真空槽２２と、第１の筒状部２２Ｂの上部に気密に固定される碍管５０と、を備える。導体引出部３０は、冷媒槽２１の外側に、フレキシブル導体からなる第３の導体引出部３３（収縮吸収部）を有する。具体的には、第３の導体引出部３３は、第１の筒状部２２Ｂに配置される。

終端接続部１によれば、冷媒槽２１の外側に、フレキシブル導体からなる第３の導体引出部３３（収縮吸収部）を有することにより、冷却時における冷媒槽２１の高さ方向の熱収縮だけでなく、水平方向の熱収縮も第３の導体引出部３３によって吸収されるので、冷媒槽２１の熱収縮により導体引出部３０等が損傷するのを防止することができる。
また、第３の導体引出部３３が、碍管５０よりも下方の第１の筒状部２２Ｂに配置されるので、碍管５０の周囲の電界に影響を与えない。さらには、収縮吸収部としての第３の導体引出部３３を冷媒槽２１の外側に配置する、すなわち温度勾配部として必要な第１の筒状部２２Ｂの内部空間を有効利用して配置するので、収縮吸収部を設けることによって終端接続部１が大型になることはない。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、図２に示すように、導体引出部３０を上部導体引出部３４と下部導体引出部３５とで構成し、上部導体引出部３４を収縮吸収部として機能させてもよい。つまり、碍管５０内の上部から第１の筒状部２２Ｂにわたって配置される上部導体引出部３４が、フレキシブル導体で構成される。この場合、フレキシブル導体で構成された収縮吸収部としての上部導体引出部３４は、碍管５０の上部を気密に貫通する碍管上部接続導体５３の下部と電気的に接続される。また、この場合、柔軟性を有する上部導体引出部３４による電界への影響を抑制するために、上部導体引出部３４の外周は遮へい筒３６で覆われる。

また例えば、実施の形態におけるシールド通電部４０を導体引出部として、本発明を適用することもできる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 終端接続部
１０ 極低温ケーブル
１１ ケーブルコア
１１１ フォーマ
１１２ 超電導導体層
１１３ 電気絶縁層
１１４ ケーブルシールド層
１１５ 保護層
１２ 断熱管
１２１ 断熱内管
１２２ 断熱外管
１３ 導体接続端子
１４ シールド接続端子
１５ 電界緩和層
２０ 低温容器
２１ 冷媒槽
２１Ａ 導体引出口
２１Ｂ シールド引出口
２１１ 先端部
２１２ 後端部
２２ 真空槽
２２Ａ 真空槽本体部
２２Ｂ 第１の筒状部
２２Ｃ 第２の筒状部
２２１ 先端部
２２２ 後端部
３０ 導体引出部
３１ 第１の導体引出部
３２ 第２の導体引出部
３３ 第３の導体引出部（収縮吸収部）
４０ シールド通電部
５０ 碍管
５１ ポリマー套管
５１ａ 絶縁筒
５１ｂ ポリマー被覆体
５２ 遮へい金具
５２ａ 円筒部
５２ｂ フランジ部
５３ 碍管上部接続導体
６１ 測定用配管
６２ 絶縁スペーサー
６３ 蓋

Claims (2)

1. 極低温ケーブルの端末部と、
   前記極低温ケーブルの導体に接続され電流を外部に引き出す導体引出部と、
   前記極低温ケーブルの端末部を収容し、運転時に冷媒が導入される冷媒槽と、
   真空槽本体部及び前記真空槽本体部から上方に向けて垂設される筒状部を有し、前記冷媒槽を収容し、運転時に真空状態とされる真空槽と、
   内部が中空であり前記筒状部に連通するように前記筒状部の上部に気密に固定される碍管と、を備え、
   前記導体引出部は、前記冷媒槽の内部から前記冷媒槽の長手方向と交差する方向に前記冷媒槽を気密かつ水密に貫通して前記筒状部及び前記碍管を通して前記碍管の上部まで延在し、前記冷媒槽の外側であって前記筒状部に対応する部分に、フレキシブル導体からなる収縮吸収部を有することを特徴とする極低温ケーブルの終端接続部。
2. 極低温ケーブルの端末部と、
   前記極低温ケーブルの導体に接続され電流を外部に引き出す導体引出部と、
   前記極低温ケーブルの端末部を収容し、運転時に冷媒が導入される冷媒槽と、
   真空槽本体部及び前記真空槽本体部から上方に向けて垂設される筒状部を有し、前記冷媒槽を収容し、運転時に真空状態とされる真空槽と、
   内部が中空であり前記筒状部に連通するように前記筒状部の上部に気密に固定される碍管と、を備え、
   前記導体引出部は、前記冷媒槽の内部から前記冷媒槽の長手方向と交差する方向に前記冷媒槽を気密かつ水密に貫通して前記筒状部及び前記碍管を通して前記碍管の上部まで延在し、前記冷媒槽の外側であって前記碍管の上部から前記筒状部にわたる部分に、フレキシブル導体からなる収縮吸収部を有し、
   前記収縮吸収部の外周を覆う遮へい筒を備えることを特徴とする極低温ケーブルの終端接続部。
   

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