JP5909800B2 - 超電導ケーブル線路 - Google Patents
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Description
ケーブルコア11は、フォーマ111、超電導導体層112、電気絶縁層113、超電導シールド層114、常電導シールド層115、保護層116等で構成される。超電導導体層112は、フォーマ111の上に複数条の超電導線材を螺旋状に巻回することにより形成される。同様に、超電導シールド層114は、電気絶縁層113の上に複数条の超電導線材を螺旋状に巻回することにより形成される。
超電導ケーブル10の定常運転時には、内管121の内部に液体窒素などの冷媒が循環され、極低温状態で超電導導体層112に送電電流が流れることとなる。
また、超電導ケーブル10同士を接続する箇所には、中間接続部を使用した端末処理が施される。中間接続部においては、2本の超電導ケーブル10が低温容器に導入され、この低温容器内でケーブルコア11が接続される。
特に、終端接続部又は中間接続部において、ケーブルコア11が長手方向に移動困難となっている場合、ケーブルコア11が熱伸縮すると超電導ケーブル10に局所的な応力が加わる。そして、超電導導体層112や超電導シールド層114を構成する超電導線材に座屈が発生するなどして、超電導ケーブル10の性能が著しく低下してしまう。
さらには、中間接続部の両側にオフセット部を設けておき、ケーブルコアの熱伸縮により超電導ケーブルに歪みが生じた場合に、中間接続部を上下に移動させて歪みを解消する方法が提案されている(例えば特許文献2)。このようにオフセット部とは、ケーブルを蛇行させて布設する事を意味しており、ケーブルの熱伸縮を吸収する方法である。
その結果、熱伸縮距離を多めに見積もって終端接続部又は中間接続部を設計する必要があるため、終端接続部や中間接続部の小型化が困難となる。また、終端接続部又は中間接続部を可動にすると、他の機器との接続や架台への固定に支障をきたすため、実用化が困難である。
当該超電導ケーブル線路は、前記ケーブルコアの熱伸縮距離が吸収されるように前記超電導ケーブルが曲線敷設されたオフセット部を備え、
前記オフセット部の外管の一部を固定した固定部を有し、
冷却時に前記超電導ケーブルが変形して、前記ケーブルコア及び前記内管が曲げの内側に移動して前記外管に当接した後、前記ケーブルコア及び前記内管が前記外管に対して押し付けられるように構成されていることを特徴とする。
例えば、超電導ケーブル線路は、前記終端接続部又は前記中間接続部の近傍に、オフセット部を備えている。
ここで、「近傍」とは、例えば熱伸縮距離を10cm以内とした場合、コンパクトな接続部が可能となる距離で30mである。よって、オフセット部の設定が許されるならば、50m(熱伸縮距離は、15cm)であってもよいし、100m(熱伸縮距離は、30cm)であってもよい。
前記固定部が、前記オフセット部を構成する弧の端部を形成する曲線の変極点間を結んだ直線に対し垂直方向に最も離れた前記弧の曲線上の点を含む領域、又は前記曲線上の点と前記変極点間の領域にあることを特徴とする。
前記曲線上の点から、前記曲線上の点の最も近い前記終端接続部又は前記中間接続部と接続される前記超電導ケーブル端部までの前記ケーブルコアの40℃における長さと−196℃における長さの差をa、とし、
−196℃における前記ケーブルコアの長さから伸長して、前記終端接続部又は前記中間接続部が収容可能なケーブルコアの長さをx、とし、
x≧aを満たす範囲に、前記曲線上の点が配置されることを特徴とする。
ここで、「収容可能」とは、接続部(終端接続部又は中間接続部)中の電気的・機械的性能を維持しうる状態をいう。
また、「40℃」は夏の外気の温度を想定した温度をいう。
前記曲線上の点から、前記曲線上の点の最も近い前記終端接続部又は前記中間接続部における前記超電導ケーブル端部までの−196℃における前記ケーブルコアの長さをX、とし、
−196℃における前記ケーブルコアの長さから伸長して、前記終端接続部又は前記中間接続部が収容可能なケーブルコアの長さをx、とし、
x≧X×0.003を満たす範囲に、前記曲線上の点が配置されることを特徴とする。
ここで、「収容可能」とは、接続部(終端接続部又は中間接続部)中の電気的・機械的性能を維持しうる状態をいう。
前記オフセット部を構成する弧の曲線が複数あり、前記終端接続部又は前記中間接続部に最も近い弧の曲線上、次に近い弧の曲線上、又は複数の弧の曲線の中で前記変極点間を結んだ直線と前記曲線上の点の間の長さが最も大きい弧の曲線上に前記固定部を有することを特徴とする。
ここで、オフセット部を構成する弧の曲線形状とは、変極点で区切られた曲線形状をいう。
前記オフセット部は、スネークオフセット構造であることを特徴とする。
前記オフセット部は、曲がりオフセット構造であることを特徴とする。
図1は、実施形態に係る超電導ケーブル線路の概略構成を示す図である。図1に示すように、超電導ケーブル線路Sでは、地中に設けられた管路Lに超電導ケーブル10が敷設されている。そして、超電導ケーブル10の両端には実系統に電力を引き出すための終端接続部1、2が配設され、マンホールMH内では2本の超電導ケーブル10、10が中間接続部3で接続されている。また、終端接続部1には、冷却システム4が接続され、超電導ケーブル10内に冷媒(例えば液体窒素)を循環供給できるようになっている。
超電導導体層112を構成する超電導線材は、例えば、テープ状の金属基板上に中間層、超電導層、保護層等が順に形成された積層構造を有している。超電導層を構成する超電導体には、液体窒素温度以上で超電導を示すRE系超電導体(RE:希土類元素)、例えば化学式YBa2Cu3O7-yで表されるY系超電導体を適用できる。
保護層116は、例えば絶縁紙、高分子不織布などで構成され、常電導シールド層115の上に巻回することにより形成される。
内管121及び外管122は、例えばステンレス製のコルゲート管である。内管121と外管122の間には、例えばアルミを蒸着したポリエチレンフィルムの積層体で構成された多層断熱層(スーパーインシュレーション)123が介在され、真空状態に保持される。また、外管122の外周はポリエチレンなどの防食層124で被覆されている。
図3に示すように、終端接続部1は、低温容器20に超電導ケーブル10の端部が所定の状態で収容され、導体用電流リード31及びシールド用電流リード32を介して電流が実系統側に引き出される構成となっている。
終端接続部1では、超電導ケーブル10の超電導導体層112と導体用電流リード31とが、導体用可動接続端子50を介して電気的に接続されている(導体接続部C1)。導体用可動接続端子50は、ケーブルコア11を、長手方向に移動可能で、かつ周方向に回転可能な状態で、導体用電流リード31に接続するための端子である。導体用可動接続端子50は、例えば超電導導体層112の外周に装着される導体用プラグ51と、この導体用プラグ51が移動可能に取り付けられる導体用ソケット52で構成される。
この終端接続部1における導体用可動接続端子50の導体用プラグ51部分の端部が、超電導ケーブル10(ケーブルコア11)のケーブル端部に相当する。
つまり、終端接続部1では、ケーブルコア11が導体接続部C1とシールド接続部C2で支持され、長手方向に移動可能で、かつ周方向に回転可能となっている。
導体用電流リード31の外周には、例えば繊維強化プラスチック(FRP:Fiber Reinforced Plastics)からなるブッシング41が配設され、導体用電流リード31の下端部(導体用可動接続端子50との接続部)には、電極シールド42が配設されている。すなわち、導体用電流リード31には高電圧が印加されるため、ブッシング41及び電極シールド42を配設することで、接地される低温容器20との電気的絶縁を保持するようにしている。
定常運転時には、超電導ケーブル10の内管121の内部及びこれに連通する冷媒槽21には、冷却システム4(図1参照)により冷媒が循環供給される。また、超電導ケーブル10の内管121と外管122の間隙及びこれに連通する真空槽22は、真空ポンプ(図示略)により真空状態に保持される。
なお、ケーブルコア11が水平状態で真っ直ぐに支持されるように、導体接続部C1、シールド接続部C2、及びケーブル接続部C3の位置(高さ)は調整される。また、導体接続部C1、シールド接続部C2、及びケーブル接続部C3によるケーブルコア11の支持間隔が長すぎると、ケーブルコア11が撓んで水平状態が損なわれるおそれがあるので、これらによるケーブルコア11の支持間隔は2m以内とするのが望ましい。
図4に示すように、中間接続部3は、2本の超電導ケーブル10a、10bのケーブル端部が低温容器70に所定の状態で収容され、この低温容器70内でケーブル端部に相当するケーブルコア11a、11bが接続された構成を有する。
電気絶縁層113a、113b間には、補強絶縁紙(例えばクラフト紙)118が巻回されている。超電導シールド層114a、114bは、超電導導体層112a、112bの接続と同様に、所定長だけ離間させた状態で端面同士を対向させて配置され、一方の超電導シールド層114aから他方の超電導シールド層114bにわたってシールド接続用の超電導線材119を架設して半田付けで接着することにより接続されている。
常電導シールド層115a、115bは、銅編組線(図示略)を用いて圧着接続されている。また、保護層116a、116b間には、保護層(図示略)が巻回されている。
一方、中間接続部3には、終端接続部1にあるような可動接続端子は存在しない。
ところで、中間接続部3のケーブル接続部分は、他のケーブルコア11に比べ太くなっており、ケーブルの内管121に入らないため、特別なボックス(低温容器70)に収納されている(図4参照)。このケーブル接続部分のスロープ部分(太くなっている部分)がケーブルコア11の熱伸縮により、内管121やボックスの内側に当たることにより形がくずれると、接続部分の絶縁機能が期待通り発揮されない。従って、ボックスに収納されたまま、あまり動かない状態が好ましい。そのため、オフセットは、中間接続部3の両側にあることが望ましく、また、ケーブルコア11の熱伸縮が予測でき、両側の熱伸縮が同じになるように調節できることが求められている。
したがって、中間接続部3における許容されるケーブルコア11の熱伸縮の吸収許容距離は、ボックス内のケーブルコア接続部分が、ボックス内の内側に接しない範囲のケーブルコア接続部分のたわみとなる。これは、(1)中間接続部3のケーブルコア11の熱伸縮の許容距離には限度があること(ボックスの内側にあたるから)と、(2)中間接続部3の両側のケーブルコア11の熱伸縮距離が同程度であることが求められていること(ボックスから管側にずれて、通常のケーブルコアに比べ太い接続部分が、狭い管内にはさまってしまうから)による。
定常運転時には、超電導ケーブル10の内管121の内部及びこれに連通する冷媒槽71に冷媒が循環供給され、超電導ケーブル10の内管121と外管122の間隙及びこれに連通する真空槽72は真空状態に保持される。
なお、最大変位部Pとは、オフセット部OS1を構成する弧の曲線形状の端部に有する曲線の変極点間を結んだ直線に対し垂直方向に最も変位するケーブルコアの部分をいう。
ケーブルの固定部材には、通常ケーブルクリートが使用される。ケーブルクリートでケーブルを挟み込んで、このケーブルクリートを架台等に固定する事で、ケーブルの外管122が固定される。固定は、室温時か冷却(昇温)過程中に行う。室温時に行えば、接続部への伸縮量を小さくできるが、固定部での熱侵入量は大きくなる。一方、冷却過程中に行えば、固定部での熱侵入量は小さくなるが、固定するまではケーブルコアは移動するので接続部への伸縮量は大きくなる。
より具体的には、最大振幅部Pからオフセット部OS1直近の終端接続部1におけるケーブル端部(51)までのケーブル長さをX、終端接続部1におけるケーブルコア11が熱伸縮する吸収許容距離をx、とした場合、x≧X×0.003(0.3%)を満たす範囲に、オフセット部OS1が設置されることが好ましい。例えば、オフセット部OS1を構成する弧の曲線形状上の点から、その曲線形状上の点の直近の終端接続部又は中間接続部におけるケーブル端部までの−196℃におけるケーブルコアの長さをX、−196℃における長さから伸長して終端接続部又は中間接続部が収容可能なケーブルコアの長さをx、とした場合、x≧X×0.003を満たす範囲に、曲線形状上の点が配置されるようになっている。
これにより、終端接続部1に発現する熱伸縮距離が小さくなるので、この熱伸縮距離をより精度良く推測することができるとともに、終端接続部1の小型化を図ることができる。
なお、最大振幅部Pとは、オフセット部OS1を構成する弧の曲線形状の端部に有する曲線の変極点間を結んだ直線に対し垂直方向に最も離れた弧の曲線形状上の点である。また、変極点とは、図5,9等(黒点)に示すようにオフセット部における曲線形状の曲線で曲がる方向が変わる点をいう。具体的にはオフセット部を固定させる際、または再設定させる際における曲線形状の曲線の変極点をいう。
つまり、最大振幅部Pが必ず不動領域に含まれる構成になっており、熱伸縮距離も最大振幅点Pからケーブル端部51までの長さを考慮すればよい。
したがって、推測された熱伸縮距離に基づいて終端接続部1を容易に設計することができるとともに、終端接続部1の小型化を図ることができる。具体的には、導体用可動接続端子50(導体用プラグ51及び導体用ソケット52)とシールド用可動接続端子60(シールド用プラグ61及びシールド用ソケット62)の長さや位置等を、冷却時又は昇温時にケーブルコア11と電流リード31、32との電気的接続が阻害されない程度に設計すればよい。
例えば、最大振幅部Pからオフセット部OS2直近の終端接続部1におけるケーブル端部(51)までのケーブル長さについての熱伸縮距離をa、終端接続部1におけるケーブルコア11が熱伸縮する吸収許容距離をx、とした場合、x≧aを満たす範囲に、オフセット部OS2が設置されることが好ましい。
より具体的には、最大振幅部Pからオフセット部OS2直近の終端接続部1におけるケーブル端部(51)までのケーブル長さをX、終端接続部1におけるケーブルコア11が熱伸縮する吸収許容距離をx、とした場合、x≧X×0.003(0.3%)を満たす範囲に、オフセット部OS2が設置されることが好ましい。
また、昇温時には超電導ケーブル10が全体的に曲げの外側に変形しようとするが、ケーブルコア11及び内管121が曲げの外側に移動して外管122に当接した後は、ケーブルコア11及び内管121が外管122に対して押し付けられる。そのため、ケーブルコア11の熱伸張に対して大きな摩擦抵抗が生じることとなり、ケーブルコア11の移動が制限される。つまり、超電導ケーブル10の最大振幅部Pが不動点となり、それ以降はケーブルコア11が最大振幅部Pを基準として終端接続部1側に伸張することとなる。
つまり、最大振幅部Pが必ず不動領域に含まれる構成になっており、熱伸縮距離も最大振幅点Pからケーブル端部51までの長さを考慮すればよい。
したがって、推測された熱伸縮距離に基づいて終端接続部1を容易に設計することができるとともに、終端接続部1の小型化を図ることができる。
したがって、ケーブルコア11が熱伸縮したときに超電導ケーブル10に残留する応力が低減され、ケーブルコア11及び内管121が外管122に対して過度に押し付けられるのを防止できるので、ケーブルコア11への局所的な熱侵入が抑制される。特に、冷却時にケーブルコア11への局所的な熱侵入が抑制されるので、熱侵入により超電導ケーブル10の送電性能が低下するのを防止できる。
実施例では、外径150mm、ケーブル長50mの超電導ケーブル10の一端に終端接続部1を接続し、他端を固定端として、不動領域の端部(固定端に相当)から終端接続部1までを模擬した超電導ケーブル線路を構築した(図10参照)。そして、異なる形状のオフセット部OSを設けた場合(直線敷設を含む)について、室温から液体窒素温度まで冷却したときの熱収縮量と、液体窒素温度から室温まで昇温させたときの熱伸張量を比較した。具体的には、X線やγ線等の放射線を利用した観察装置を用いて、終端接続部1における導体用可動接続端子50の内部を観察し、導体用ソケット52内での導体用プラグ51の移動量を測定した。また、冷却時に固定端に発生する軸力を測定し、ケーブルコア11の熱収縮に伴い超電導ケーブル10に生じる残留応力を比較した。
ここでは、オフセット部OSにおいて、最大振幅部が移動不能となるように超電導ケーブル10を固定する場合、終端接続部1から最大振幅部までの距離が以下の値となるようにした。
なお、オフセット部OSの曲げ半径は15D(D:超電導ケーブル10の外径)とした。
また、ケーブルの許容曲げ半径(R)、オフセット幅(F)、オフセット長さ(L)には、以下の一般式(1)の関係が成り立つ。
L≧√(4RF−F2) ・・・(1)
ここで、ケーブル外径(D)=150mm、許容曲げ半径(R)=2250mm、オフセット幅(F)=300mmであり、オフセット長は式(1)に基づき、オフセット長さ(L)=1615.5mmであった。
図5は、一例として、一般式(1)においてL=√(4RF−F2)が成り立つ場合のオフセット長を例示した。
この場合、冷却時の熱収縮量は6mmで、昇温時の熱伸張量は5.5mmであった。また、固定端における発生軸力は8000Nであった。
図7は図5のオフセット形状を左右対称の形状としたものである。それゆえ図7のオフセットの長さは、図5のオフセットの長さの2倍となる。よって、オフセット長さ(L)=1615.5mm×2mm=3231mmであった。
(なお、図7は図5の形状を応用したものであり、図7は図5のオフセット形状を左右対称の形状としただけゆえ、一般式(1)でL=√(4RF−F2)は成立しない。)
この場合、冷却時の熱収縮量、昇温時の熱伸張量は、何れも5mmであった。また、固定端における発生軸力は2000Nであった。
図9は図7のオフセット形状を左右対称の形状としたものである。それゆえ図9のオフセットの長さは、図7のオフセットの長さの2倍となる。よって、オフセット長さ(L)=3231mm×2mm=6462mmであった。
(なお、図9は図5の形状を応用したものであり、図9は図7のオフセット形状を左右対称の形状としただけゆえ、一般式(1)でL=√(4RF−F2)は成立しない。)
この場合、冷却時の熱収縮量、昇温時の熱伸張量は、何れも5mmであった。また、固定端における発生軸力は500Nであった。
比較例2では、終端接続部1に発現する熱伸縮量(熱伸縮距離)が比較例1の場合の1/3程度になっている。すなわち、オフセット部OSにおける超電導ケーブル10の形状変化により、ケーブルコア11の熱伸縮が効果的に吸収されている。しかし、冷却時と昇温時で終端接続部1に発現する熱伸縮量(熱伸縮距離)が異なっている(昇温後に冷却前のオフセット形状に戻らない)ことから、冷却時と昇温時とで不動領域が変化していると考えられる。
比較例1、2のように、冷却時の熱伸縮と昇温時の熱伸縮が可逆的な関係にない場合、熱伸縮量(熱伸縮距離)を多めに見積もって終端接続部1を設計しなければならないため、終端接続部1の小型化が困難となる。
また、実施例1〜3では、固定された最大振幅部よりも右側のオフセット部で超電導ケーブル10が移動可能となっているので、この部分で超電導ケーブル10の形状変化により熱伸縮が吸収される。実施例2では、超電導ケーブル10が移動可能となっている部分が実施例1よりも大きい(オフセット長が長い)ので、超電導ケーブル10に発生する残留応力が実施例1よりも低減される。同様に、実施例3では、超電導ケーブル10が移動可能となっている部分が実施例2よりも大きい(オフセット長が長い)ので、さらに超電導ケーブル10に発生する残留応力が低減される。
実施形態で示したように、終端接続部1に発現する熱伸縮距離は、オフセット部OSにおける固定された最大振幅部から終端接続部1までの距離に依存するため、この距離が短ければ短いほど、終端接続部1に発現する熱伸縮距離を小さくできる。ただし、終端接続部1での熱伸縮の吸収量が十分であれば、超電導ケーブル線路S内でのオフセット部OSの設置箇所は特に規定されない。
これにより、超電導ケーブル10に生じる残留応力が低減されるので、冷却時にケーブルコア11への局所的な熱侵入が抑制される。したがって、熱侵入により超電導ケーブル10の送電性能が低下するのを防止できる。
なお、冷却時の熱収縮量と昇温時の熱伸張量は同じであるので、実施例2と同様に、終端接続部1に発現する熱伸縮距離を推測することは容易である。
また、超電導ケーブル線路Sが有する終端接続部1、2又は中間接続部3の構成は、実施形態で示したものに限定されない。例えば、終端接続部1、2において、ケーブルコア11の超電導導体層112と導体用電流リード31、又は超電導シールド層114とシールド用電流リード32を、可とう性を有する接続端子(可とう接続端子)を用いて接続するようにしてもよい。
3 中間接続部
4 冷却システム
10 超電導ケーブル
11 ケーブルコア
12 断熱管
111 フォーマ
112 超電導導体層
L 管路
MH マンホール
OS(OS1、OS2、OS3)オフセット部
P 最大振幅部
S 超電導ケーブル線路
Claims (7)
- 超電導導体層を有するケーブルコアが外管と内管を含む断熱管内に収容されてなる超電導ケーブルが敷設され、この超電導ケーブルが終端接続部又は中間接続部に接続される超電導ケーブル線路であって、
当該超電導ケーブル線路は、前記ケーブルコアの熱伸縮距離が吸収されるように前記超電導ケーブルが曲線敷設されたオフセット部を備え、
前記オフセット部の外管の一部を固定した固定部を有し、
冷却時に前記超電導ケーブルが変形して、前記ケーブルコア及び前記内管が曲げの内側に移動して前記外管に当接した後、前記ケーブルコア及び前記内管が前記外管に対して押し付けられるように構成されていることを特徴とする超電導ケーブル線路。 - 前記固定部が、前記オフセット部を構成する弧の端部を形成する曲線の変極点間を結んだ直線に対し垂直方向に最も離れた前記弧の曲線上の点を含む領域、又は前記曲線上の点と前記変極点間の領域にあることを特徴とする請求項1に記載の超電導ケーブル線路。
- 前記曲線上の点から、前記曲線上の点の最も近い前記終端接続部又は前記中間接続部と接続される前記超電導ケーブル端部までの前記ケーブルコアの40℃における長さと−196℃における長さの差をa、とし、
−196℃における前記ケーブルコアの長さから伸長して、前記終端接続部又は前記中間接続部が収容可能なケーブルコアの長さをx、とし、
x≧aを満たす範囲に、前記曲線上の点が配置されることを特徴とする請求項2に記載の超電導ケーブル線路。 - 前記曲線上の点から、前記曲線上の点の最も近い前記終端接続部又は前記中間接続部における前記超電導ケーブル端部までの−196℃における前記ケーブルコアの長さをX、とし、
−196℃における前記ケーブルコアの長さから伸長して、前記終端接続部又は前記中間接続部が収容可能なケーブルコアの長さをx、とし、
x≧X×0.003を満たす範囲に、前記曲線上の点が配置されることを特徴とする請求項2に記載の超電導ケーブル線路。 - 前記オフセット部を構成する弧の曲線が複数あり、前記終端接続部又は前記中間接続部に最も近い弧の曲線上、次に近い弧の曲線上、又は複数の弧の曲線の中で前記変極点間を結んだ直線と前記曲線上の点の間の長さが最も大きい弧の曲線上に前記固定部を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の超電導ケーブル線路。
- 前記オフセット部は、スネークオフセット構造であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の超電導ケーブル線路。
- 前記オフセット部は、曲がりオフセット構造であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の超電導ケーブル線路。
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