JP5910996B2 - 超電導ケーブル、及び超電導ケーブルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、フォーマの外周に超電導線材を螺旋状に巻回してなる超電導導体層を有する超電導導体部と、超電導導体部を収納すると共に超電導導体部との空間が冷媒の流路となる断熱管とを備える超電導ケーブル及びその製造方法に関する。特に、冷媒による超電導導体層の冷却効率が高く、事故時に事故電流を分流（バイパス）するための分流導体に通常時の送電電流が分流されることを抑制できる超電導ケーブルに関する。

超電導ケーブルは、フォーマの外周に超電導導体層を有する超電導導体部が断熱管に収納され、この断熱管に冷媒（例、液体窒素、液体ヘリウムなど）を流通させることで、超電導導体部（超電導導体層）を冷却する構造が代表的である。

超電導ケーブルの構造としては、超電導導体層の外側に主電気絶縁層を有し、主電気絶縁層が冷媒温度に冷却される低温絶縁型（特許文献１の段落０００４及び図３、特許文献２の図３及び図５参照）と、断熱管の外側に主電気絶縁層を有し、主電気絶縁層が常温に保持される常温絶縁型（特許文献１の段落０００３及び図２、特許文献２の図４参照）とがある。低温絶縁型の構造では、超電導導体層の外側に主電気絶縁層を有する超電導導体部（所謂ケーブルコア）が断熱管に収納され、主電気絶縁層が断熱管の内側に配置されて、主電気絶縁層も冷媒温度に冷却される構造である。一方、常温絶縁型の構造では、超電導導体層の外側に主電気絶縁層を有しない超電導導体部が断熱管に収納され、主電気絶縁層が断熱管の外側に配置されて、主電気絶縁層が常温に保持される構造である。なお、主電気絶縁層とは、超電導ケーブルの定格電圧が印加されたとき、その電圧に対して絶縁に必要な電気絶縁強度を有する絶縁層のことである。

超電導導体部は、巻芯となるフォーマの外周に超電導線材を螺旋状に巻回して超電導導体層を同軸状に配置した構造が代表的である。

短絡や地絡などの事故が発生し、超電導ケーブルの定格電流（臨界電流）を超える事故電流が超電導導体層（超電導線材）に流れると、超電導導体層の温度が上昇し、クエンチが生じる虞があることから、事故電流を超電導導体層以外に分流（バイパス）することが検討されている。そこで、フォーマを銅などの常電導導体で形成すると共に、フォーマに事故電流を分流させるために十分な断面積を持たせることで、事故電流を分流するための分流導体にフォーマを利用することが提案されている（特許文献３の段落０００３参照）。フォーマとしては、例えば、絶縁被覆を有する複数の銅素線を撚り合わせた銅撚線が採用されている。

また、管状のフォーマを利用し、フォーマの内部空間にも冷媒を流通させることで、超電導導体層を内側（中心側）から冷却して超電導導体層の冷却効率を高め、超電導導体層の温度上昇を抑制することが提案されている（特許文献３の段落００２９参照）。例えば特許文献３には、中心側に設けられる中心側フォーマと、この中心側フォーマの外周に設けられる外側フォーマとからなるフォーマが開示されている。この特許文献３には、中心側フォーマをステンレス鋼管で形成し、その中心側フォーマの外周に銅などの常電導素線を螺旋状に巻回して外側フォーマを形成することで、中心側フォーマを冷媒流路に利用し、外側フォーマを分流導体に利用することが記載されている。

特開平８−６４０４１号公報 特開２００６−５９６９５号公報 特開２００８−２２６６２４号公報

今後、超電導ケーブルは、従来に比較してより大きな送電電流（例えば、3kA以上、特に10kA以上の交流電流）が流れる電力系統に連系することが考えられる。そのため、超電導導体層において、損失に伴う更なる温度上昇が予想されることから、冷媒による超電導導体層の冷却効率をより高めることが求められる。

一般に、超電導導体層の冷却は、断熱管に冷媒を流通させることで、超電導導体部と断熱管との間の空間に外側冷媒流路が形成され、この外側冷媒流路に流通する冷媒によって超電導導体層を外側から冷却している。特に、低温絶縁型の超電導ケーブルの場合は、超電導導体層の外側に主電気絶縁層を有しており、超電導導体層と外側冷媒流路とが主電気絶縁層を介して離間して配置され、主電気絶縁層が熱抵抗となる。そのため、冷媒による超電導導体層の冷却効率が低く、超電導導体層の温度上昇を低減することが難しい。そこで、特許文献３に記載のフォーマのように、管状の中心側フォーマに冷媒を流通させることで、フォーマの内部空間に内側冷媒流路が形成され、この内側冷媒流路に流通する冷媒によって超電導導体層を内側から冷却することが考えられる。しかし、特許文献３に記載のフォーマでは、内側冷媒流路が形成される中心側フォーマの外周に事故電流の分流導体となる外側フォーマが形成されており、超電導導体層と内側冷媒流路とが外側フォーマを介して離間して配置され、外側フォーマが熱抵抗となるから、冷却効率の低下を招く。

また、本発明者が鋭意研究した結果、特許文献３に記載されるようなフォーマを利用した場合、通常時において、外側フォーマ（分流導体）に分流される送電電流の割合が高いとの知見を得た。これは、特許文献３に記載の超電導ケーブルの構成では、外側フォーマが中心側フォーマの外周に常電導素線を螺旋状に巻回して形成され、超電導導体層が外側フォーマの外周に超電導線材を螺旋状に巻回して形成されることから、外側フォーマの径と超電導導体層の径の差が小さい（外側フォーマの外径と超電導導体層の内径がほぼ等しい）。そのため、外側フォーマのインダクタンスと超電導導体層のインダクタンスの差が小さく、外側フォーマにも送電電流が分流されることが原因である。そして、分流導体となる外側フォーマに送電電流が分流されると、常電導導体に電流が流れることになり、損失が大きくなる。さらに、電流が流れることで外側フォーマが発熱することから、超電導導体層と内側冷媒流路との間の温度差が大きくなり、超電導導体層の冷却を阻害する。特に、超電導ケーブルに流れる送電電流が大きいほど、分流導体に分流される送電電流も大きくなる傾向がある。そこで、分流導体に分流される送電電流を低減することも望まれる。

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、冷媒による超電導導体層の冷却効率が高く、事故時に事故電流を分流するための分流導体に通常時の送電電流が分流されることを抑制できる超電導ケーブル及びその製造方法を提供することにある。

本発明の超電導ケーブルは、フォーマの外周に超電導線材を螺旋状に巻回してなる超電導導体層を有する超電導導体部と、超電導導体部を収納すると共に超電導導体部との間の空間に冷媒が流通する外側冷媒流路が形成される断熱管と、を備える。フォーマは、内部空間に冷媒が流通する内側冷媒流路が形成される管状である。そして、このフォーマの内部空間に事故電流を分流するための常電導導体で形成された分流導体を備える。

本発明の超電導ケーブルによれば、内側冷媒流路が形成される管状のフォーマの外周に超電導導体層が形成されており、超電導導体層と内側冷媒流路とが近接して配置され、超電導導体層と内側冷媒流路との間の熱抵抗が小さい。そのため、内側冷媒流路に流通する冷媒によって超電導導体層を内側から効果的に冷却することができる。よって、冷媒による超電導導体層の冷却効率が高く、超電導導体層の温度上昇を低減することができる。また、分流導体は、フォーマの内部空間に配置され、超電導導体層の径に比較して径が小さい。即ち、分流導体の径と超電導導体層の径の差を大きくすることができる。そのため、分流導体のインダクタンスが超電導導体層のインダクタンスに対して大きくなり、分流導体に送電電流が分流されることを抑制でき、分流導体に分流される送電電流を低減することができる。よって、分流導体に送電電流が分流されることによる損失（発熱）が小さい。

本発明の超電導ケーブルでは、フォーマは、巻芯としての超電導導体層の形状を維持する機能を有すればよく、特に材質は問わないが、例えば、ステンレス鋼や、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金などの金属材料で形成することができる。また、フォーマの形状としては、管状であればよく、例えば、ストレート管やコルゲート管、又は、帯材を螺旋状に巻回して管状に成形したスパイラル管などが挙げられる。コルゲート管やスパイラル管であれば、フォーマに可撓性を持たせることができる。なお、フォーマは、送電電流が分流され難いように、電気抵抗が高くなるように構成する。例えば、ステンレス鋼などの低導電材料や樹脂などの絶縁材料でフォーマを形成することが挙げられる。又は、銅やアルミニウムなどの高導電材料でフォーマを形成する場合は、フォーマの断面積を小さく（管の厚さ（肉厚）を薄く）したり、中間接続部や終端接続部といった電流接続部で超電導導体層及び分流導体とフォーマを電気的に切り離すことが挙げられる。フォーマの肉厚は、超電導導体層と内側冷媒流路との間の熱抵抗を低減する観点から、例えば5mm以下とする。

一方で、分流導体は、事故電流を分流する機能を有することから、常電導導体で形成されている。常電導導体としては、例えば、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金などの高導電材料が好適に利用できる。また、分流導体の断面積は、分流導体に分流させる事故電流の大きさによって適宜決めればよく、事故電流を分流させるために必要な断面積を確保する。

本発明の超電導ケーブルの一形態としては、分流導体は、常電導導体からなる複数の素線（以下、単に常電導素線と呼ぶ）が撚り合わされた撚線で形成され、各素線間が絶縁されていることが挙げられる。

撚線における各素線間が絶縁されていることで、超電導導体層に送電電流が流れることで発生する磁場が分流導体に鎖交しても、分流導体に生じる渦電流を低減でき、損失が小さくなる。撚線は、例えば、絶縁被覆を有する複数の常電導素線を撚り合わせることで形成することができる。常電導素線としては、例えば、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金などの高導電材料からなる素線が好適に利用できる。絶縁被覆としては、例えば、エナメルやポリイミド、ポリアミドイミドなどが利用できる。

分流導体が撚線で形成されている上記形態において、分流導体が、複数の撚線が更に撚り合わされた多心撚線で形成されていることが挙げられる。

分流導体は、例えば超電導ケーブルの終端接続部で終端接続箱（容器）に固定され、超電導ケーブル（超電導導体部）を常温から冷媒温度に冷却した際に、熱収縮による応力（引張力）が作用する。複数の撚線が撚り合わされた多心撚線で分流導体を構成した場合、分流導体の熱収縮に伴い多心撚線の撚りが締まることで、熱収縮による応力を緩和することができる。一方、１本の撚線で分流導体を構成した場合、熱収縮による応力を緩和する能力が低い。そのため、熱収縮による応力を負担しても耐えられる機械的強度が容器に要求され、容器の強度を十分に大きくする必要がある。多心撚線における撚線の数は、特に限定されないが、例えば３本以上とする。

分流導体が多心撚線で形成されている上記形態において、分流導体が、常温状態において多心撚線の撚りに緩みが設けられていることが挙げられる。

分流導体を構成する多心撚線の撚りに緩みが設けられていることで、熱収縮による応力を効果的に緩和することができる。例えば、多心撚線を銅の素線で形成した場合、常温から液体窒素温度（約-200℃）に冷却すると、約0.3％収縮する。つまり、100m当たり30cm程度の熱収縮が分流導体に生じる。多心撚線における撚りの緩みは、冷却時の熱収縮を吸収できる緩みであればよく、例えば0.3％程度の熱収縮を吸収できる緩みを持たせることが挙げられる。

本発明の超電導ケーブルの一形態としては、超電導導体層の外側に主電気絶縁層を有し、この主電気絶縁層が、断熱管の内側に配置され、冷媒温度に冷却される低温絶縁型の構造であることが挙げられる。

低温絶縁型の超電導ケーブルの場合、超電導導体層と外側冷媒流路との間に主電気絶縁層が存在し、これが熱抵抗となることから、外側冷媒流路に流通する冷媒による超電導導体層の冷却効率が低い。本発明では、管状のフォーマの内部空間に内側冷媒流路が形成され、かつ、超電導導体層と内側冷媒流路との間に介在物が少ないため、内側冷媒流路に流通する冷媒によって超電導導体層を内側から効果的に冷却でき、超電導導体層の冷却効率を改善できる。したがって、本発明の超電導ケーブルは、低温絶縁型の構造において優位である。

本発明の超電導ケーブルの一形態としては、断熱管の外側に主電気絶縁層を有し、この主電気絶縁層が、断熱管の外側に配置され、常温に保持される常温絶縁型の構造であることが挙げられる。

常温絶縁型の超電導ケーブルの場合、超電導導体層の外側に主電気絶縁層を有しないため、上記した低温絶縁型の超電導ケーブルに比較すれば、外側冷媒流路に流通する冷媒によって超電導導体層を外側から冷却し易く、超電導導体層の冷却効率が高い。しかし、超電導ケーブルに流れる送電電流が大きい、例えば3kA以上、特に10kA以上の場合は、損失に伴う温度上昇が大きくなる。本発明では、上記したように、内側冷媒流路に流通する冷媒によって超電導導体層を内側からも効果的に冷却でき、超電導導体層の冷却効率を改善できる。したがって、本発明の超電導ケーブルは、常温絶縁型の構造においても好適に利用できる。

本発明の超電導ケーブルの製造方法は、次の工程を備える。
管状のフォーマの外周に超電導線材を螺旋状に巻回して超電導導体層を形成し、超電導導体部を作製する超電導導体部作製工程。
超電導導体部を断熱管に収納する断熱管収納工程。
超電導導体部におけるフォーマの内部空間に事故電流を分流するための常電導導体で形成された分流導体を引き入れる分流導体引き入れ工程。

従来の超電導ケーブル製造方法は、一般に、中心側から外側に向かって部材を形成している。具体的には、フォーマの形成→超電導導体層の形成→（低温絶縁型の場合：主電気絶縁層の形成）→断熱管の形成→（常温絶縁型の場合：主電気絶縁層の形成）の順序で行われている。そのため、製造工程の初期段階から最終段階までフォーマを保持し続ける必要がある。一方で、巻芯としての機能の他、分流導体としての機能も有するフォーマの場合、事故電流を分流させるために十分な断面積を有する常電導導体で形成されており、その分、重量も重くなる。したがって、製造設備において、フォーマを含めた重量に耐えられるように設計する必要がある。また、フォーマが重いと、例えばフォーマの外周に超電導線材を巻回する際にフォーマが弛み、超電導線材の巻回作業に支障がでたり、フォーマによって超電導導体部が重くなると、超電導導体部を断熱管に収納する作業が行い難くなる虞がある。

これに対し、本発明では、フォーマは原則、巻芯としての機能のみ有していればよく、軽量にできる。また、フォーマと分流導体とは個別に取り扱うことができ、製造工程の初期段階からフォーマと分流導体とを組み合わせておく必要もない。したがって、本発明の製造方法では、フォーマの外周に超電導線材を巻回して超電導導体部を作製した後、フォーマの内部空間に分流導体を引き入れることで、超電導線材の巻回作業を改善できるなどの効果が期待できる。ここで、分流導体の引き入れ作業は、超電導導体部の作製後であればよく、超電導導体部を断熱管に収納する前に行ってもよく、断熱管に収納した後に行ってもよい。さらに、分流導体の引き入れ作業は、超電導導体部を断熱管に収納した後、超電導ケーブルを出荷する前に行ってもよく、超電導ケーブルを布設した後に行ってもよい。フォーマの内部空間に分流導体を引き入れる前に、超電導導体部を断熱管に収納すれば、分流導体を有しない分、超電導導体部が軽いため、超電導導体部を断熱管に収納する作業が行い易くなると期待される。

本発明の超電導ケーブルは、管状のフォーマの内部空間に内側冷媒流路が形成され、かつ、フォーマの内部空間に分流導体を備えることで、冷媒による超電導導体層の冷却効率が高く、分流導体に送電電流が分流されることを抑制できる。

実施の形態１に係る超電導ケーブルの概略断面図である。 実施の形態１に係る超電導ケーブルの変形例を示す概略断面図である。 実施の形態２に係る超電導ケーブルの概略断面図である。 実施の形態２に係る超電導ケーブルの変形例を示す概略断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。また、各図において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

［実施の形態１］
（超電導ケーブルの構成）
図１に示す実施の形態１に係る超電導ケーブル10は、超電導導体部110と、この超電導導体部110を収納する断熱管120とを備え、超電導導体層112の外側に主電気絶縁層113を有する超電導導体部110が断熱管120に流通する冷媒50によって冷却される。つまり、この超電導ケーブル10は、主電気絶縁層113が断熱管120の内側に配置され、主電気絶縁層113も冷媒温度に冷却される低温絶縁型の構造である。また、この例では、１本の超電導導体部110が断熱管120に収納された単心型超電導ケーブルである。

超電導導体部110は、中心から順に、フォーマ111、超電導導体層112、主電気絶縁層113及び保護層115を有する。フォーマ111は、フォーマ111の外周に超電導線材を螺旋状に巻回して超電導導体層112を形成する際の巻芯として利用され、超電導導体層112の形状を維持する機能を有する。また、フォーマ111は、円管状であり、その内部空間に冷媒50が流通する内側冷媒流路51が形成されている。そして、このフォーマ111の内部空間に事故電流を分流するための分流導体130が配置されている。

フォーマ111は、実質的に巻芯としての機能のみ有している。フォーマ111は、例えば、ステンレス鋼や、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金などの金属材料で形成したり、ＦＲＰなどの複合材料やＰＴＦＥなどの樹脂材料で形成することができる。また、フォーマ111の形状としては、例えば、ストレート管やコルゲート管、又は、帯材を螺旋状に巻回して管状に成形したスパイラル管などが挙げられる。この例では、フォーマ111がステンレス鋼製のコルゲート管であり、フォーマ111の肉厚は5mm以下である。フォーマ111の外径は、分流導体130の外径（外寸）や内側冷媒流路51に流通させる冷媒50の量などに応じて適宜決めればよく、例えば30mm〜100mm程度とすることが挙げられる。また、フォーマ111の外周には、フォーマ111の外周面を平滑化すると共に、超電導線材を巻回する際に超電導線材が損傷することを防止するため、クッション層（図示せず）が形成されている。クッション層は、例えば、クラフト紙や半合成絶縁紙（例、ＰＰＬＰ（登録商標））をフォーマ111の外周に螺旋状に巻回することで形成できる。このクッション層は、フォーマ111の外周面を平滑にする程度に設ければよく、その厚さは薄く、クッション層の厚さは1mm程度である。なお、フォーマの外周面にこのようなクッション層などを設ける場合は、超電導導体層と内側冷媒流路との間の熱抵抗を低減する観点から、厚さを例えば3mm以下とする。

分流導体130は、短絡や地絡などの事故時に流れる事故電流を分流する機能を有し、常電導導体で形成されている。常電導導体としては、例えば、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金などの高導電材料が好適に利用できる。この例では、分流導体130が絶縁被覆を有する複数の常電導素線が撚り合わされた撚線131で形成されており、具体的には、エナメル被覆を施した複数の銅素線を撚り合わせた１本の撚線131である。また、分流導体130の断面積は、分流させる事故電流の大きさによって適宜決めればよく、3kA以上、特に10kA以上の大電流送電用の超電導ケーブルの場合、例えば500mm²〜1000mm²程度とすることが挙げられる。なお、分流導体130は、例えば超電導ケーブルの終端接続部で容器（図示せず）に固定され、超電導ケーブル10（超電導導体部110）を常温から冷媒温度に冷却した際に作用する応力（引張力）を負担する機能も有する。

分流導体130は、フォーマ111の内部空間に配置されるため、超電導導体層112の内径よりも分流導体130の外径（外寸）が小さく、超電導導体部110において超電導導体層112が外周に形成されるフォーマ111よりも中心側に位置する。超電導導体層の径（内径）に対する分流導体の径（外径）の比は、事故電流を分流させるために必要な分流導体の断面積などにもよるが、例えば0.9以下、より好ましくは0.8以下とすることが挙げられる。

超電導導体層112は、フォーマ111の外周に超電導線材を螺旋状に巻回して形成されている。超電導線材としては、酸化物超電導導体を用いたテープ状の超電導線材が好適に利用でき、具体的には、Bi系銀シース超電導線材やRE系薄膜超電導線材（RE：希土類元素（例、Y、Ho、Nd、Sm、Gdなど））が挙げられる。超電導導体層112は、単層に形成してもよいし、２層以上の多層に形成してもよい。超電導導体層112の内径は、フォーマの外径と略等しい。

主電気絶縁層113は、超電導導体層112の外周に絶縁紙を螺旋状に巻回して形成されている。絶縁紙としては、低温での電気絶縁強度に優れるＰＰＬＰ（登録商標）が好適に利用できる。主電気絶縁層113の厚さは、超電導ケーブルの定格電圧に応じて適宜決めればよい。また、主電気絶縁層113の外周には、断熱管12（内管121）と接触して損傷することを防止するため、保護層115が形成されている。保護層115は、例えば、クラフト紙を主電気絶縁層113の外周に螺旋状に巻回することで形成できる。この保護層115は、主電気絶縁層113を機械的に保護する程度に設ければよく、その厚さは薄く、保護層115の厚さは1mm程度である。

断熱管120は、内管121と外管122とを有する二重管構造であり、内管121と外管122との間の空間を真空引きして断熱層123が形成されている。この断熱層123には、断熱性を高めるために、スーパーインシュレーションなどの断熱材を配置してもよい。また、断熱管120（内管121）には冷媒50が流通し、超電導導体部110と断熱管120（内管121）との間の空間に外側冷媒流路52が形成されている。この例では、内管121と外管122とがステンレス鋼で形成され、それぞれにコルゲート加工が施されている。また、断熱管120（外管122）の外周には、外部環境から保護したり、電気的・機械的に保護するため、防食層125が形成されている。

フォーマ111に形成される内側冷媒流路51に流通する冷媒50の流通方向と、断熱管120に形成される外側冷媒流路52の冷媒50の流通方向とは、同じであってもよいし、異なってもよい。例えば、内側冷媒流路51と外側冷媒流路52のうち、一方を超電導ケーブル10に流通する冷媒50の往路、他方を冷媒50の復路とすることができる。

以上説明した超電導ケーブルは、次の効果を奏する。内側冷媒流路51が形成される管状のフォーマ111の外周に超電導導体層112が形成されており、超電導導体層112と内側冷媒流路51とが近接して配置され、超電導導体層112と内側冷媒流路51との間の熱抵抗が小さい。そのため、内側冷媒流路51に流通する冷媒50によって超電導導体層112を内側から効果的に冷却することができ、冷媒50による超電導導体層112の冷却効率を高め、超電導導体層112の温度上昇を低減することができる。特に、超電導ケーブル10のように低温絶縁型の構造では、超電導導体層112と外側冷媒流路52との間に主電気絶縁層113が存在し、これが熱抵抗となることから、外側冷媒流路52に流通する冷媒50による超電導導体層112の冷却効率が劣る。しかし、超電導ケーブル10では、低温絶縁型の構造であっても、内側冷媒流路51に流通する冷媒50によって超電導導体層112を内側から効果的に冷却して、冷媒50による超電導導体層112の冷却効率を改善できるので、超電導導体層112の温度上昇を十分に低減できる。

また、フォーマ111の内部空間に分流導体130が配置され、超電導導体層112の径に比較して分流導体130の径が小さい。即ち、分流導体130の径と超電導導体層112の径の差を大きくすることができる。そのため、分流導体130のインダクタンスが超電導導体層112のインダクタンスに対して大きくなり、通常時に分流導体130に送電電流が分流されることを抑制でき、分流導体130に分流される送電電流を低減することができる。よって、分流導体130に送電電流が分流されることによる損失（発熱）が小さい。

さらに、フォーマ111が実質的に巻芯としての機能のみ有し、分流導体130が事故電流を分流する機能の他、熱収縮による応力を負担する機能も有している。つまり、フォーマ111には、超電導導体層112の形状を維持できる程度の機械的強度があればよく、熱収縮による応力に耐えられる機械的強度は求められない。そのため、例えば終端接続部において、内側冷媒流路51から冷媒50を取り出せるように、フォーマ111に内部空間に連通する貫通孔などを形成しても、熱収縮による応力の問題は生じない。

（製造方法）
超電導ケーブル10は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、超電導導体部110を作製する。超電導ケーブル10の場合は、管状のフォーマ111（ステンレス鋼製のコルゲート管）を用意し、その外周に超電導線材を螺旋状に巻回して超電導導体層112を形成する。次いで、超電導導体層112の外周に主電気絶縁層113及び保護層115を形成して、超電導導体部110を作製する。

次に、超電導導体部110を断熱管120に収納する。一例としては、超電導導体部110の外側に内管121と外管122とを形成することが挙げられる。具体的には、超電導導体部110を供給しながら、超電導導体部110を被覆するように板材（ステンレス鋼板）を管状に成形、溶接して内管121を形成し、内管121にコルゲート加工を施した後、内管121と同じように外管122を形成し、外管122にコルゲート加工を施すことで、超電導導体部110を断熱管120に収納する。或いは、断熱管120を用意しておき、断熱管120に超電導導体部110を引き入れて収納してもよい。

その後、作製した超電導導体部110におけるフォーマ111の内部空間に分流導体130（銅素線の撚線）を引き入れる。分流導体130の引き入れは、超電導導体部110を断熱管120に収納した後、超電導ケーブル10を出荷する前に行ってもよく、超電導ケーブル10を布設した後に行ってもよい。また、この例では、超電導導体部110を断熱管120に収納した後、フォーマ111の内部空間に分流導体130を引き入れているが、超電導導体部110を断熱管120に収納した前にフォーマ111の内部空間に分流導体130を引き入れることも可能である。

以上説明した超電導ケーブルの製造方法は、次の効果を奏する。超電導導体部110を作製した後、フォーマ111の内部空間に分流導体130を引き入れることから、超電導線材の巻回作業において、分流導体130の重みでフォーマ111が弛むことがないので、巻回作業が行い易い。さらに、フォーマ111の内部空間に分流導体130を引き入れる前に、超電導導体部110を断熱管120に収納すれば、分流導体130を有しない分、超電導導体部110が軽いため、超電導導体部110を断熱管120に収納する作業が行い易くなると期待される。

（変形例）
図２に示す超電導ケーブル10aは、分流導体130の構成が、図１に示す実施形態１の超電導ケーブル10と異なり、基本的な構成は同様であるので、以下では相違点を中心に説明する。

分流導体130は、複数の撚線131が更に撚り合わされた多心撚線で形成されており、具体的には、３本の撚線131を撚り合わせて形成している。また、この例では、冷却時の熱収縮を吸収できるように、常温状態において多心撚線の撚りに緩みが設けられており、具体的には、0.3％の熱収縮を吸収できる緩みを持たせている。このような多心撚線の撚りに緩みを設ける技術としては、例えば、特開２００２−２１６５５５号公報や特開２００７−２００７８３号公報、特開２００８−１３０２９８号公報などに記載されている多心一括型超電導ケーブルの技術を転用することができる。これら文献には、複数のケーブルコアを撚り合わせた多心ケーブルコアの撚りに冷却時の熱収縮を吸収するための緩みを持たせる技術が開示されている。

したがって、常温から冷媒温度に冷却した際に熱収縮による応力が分流導体130に作用しても、分流導体130の熱収縮に伴い多心撚線の撚りが締まることで、熱収縮による応力を緩和することができる。特に、分流導体130を構成する多心撚線の撚りに予め緩みが設けられているので、熱収縮による応力を効果的に緩和することができる。

［実施の形態２］
（超電導ケーブルの構成）
図３に示す実施の形態２に係る超電導ケーブル20は、断熱管120の外側に主電気絶縁層213を有する常温絶縁型の構造である点で、図１に示す実施形態１の超電導ケーブル10と異なり、基本的な構成は同様であるので、以下では相違点を中心に説明する。

超電導ケーブル20は、超電導導体部210において超電導導体層112の外側に主電気絶縁層を有しておらず、主電気絶縁層213が断熱管120の外側に配置され、主電気絶縁層213が常温に保持される。

超電導導体部210は、中心から順に、フォーマ111、超電導導体層112、及び保護層115を有する。そして、このフォーマ111の内部空間に事故電流を分流するための分流導体130が配置されている。フォーマ111、超電導導体層112、及び保護層115、並びに分流導体130の構成は、実施形態１と同様であるので、説明を省略する。

断熱管120は、実施形態１と同様であり、内管121と外管122とを有する二重管構造であり、内管121と外管122との間の空間を真空引きして断熱層123が形成されている。この断熱管120の外周に主電気絶縁層213が形成されている。この主電気絶縁層213は、既存の常電導ケーブルで実績があり、常温での電気絶縁強度に優れる絶縁材料、代表的にはＣＶケーブルに使用されている架橋ポリエチレン（ＸＬＰＥ）などの樹脂を押出しより被覆することで形成できる。また、主電気絶縁層213の外周には、外部環境から保護したり、電気的・機械的に保護するため、防食層125が形成されている。

以上説明した超電導ケーブル20は、実施形態１の超電導ケーブル10と同様の効果を奏する。超電導ケーブル20のように常温絶縁型の構造では、超電導導体層112の外側に主電気絶縁層を有しないため、実施形態１で説明した低温絶縁型の超電導ケーブル10に比較すれば、外側冷媒流路52に流通する冷媒50によって超電導導体層112を外側から冷却し易く、超電導導体層112の冷却効率が高い。しかし、常温絶縁型の構造であっても、超電導ケーブル20に流れる送電電流が大きい、例えば3kA以上、特に10kA以上の場合は、損失に伴う温度上昇が大きくなる。超電導ケーブル20では、内側冷媒流路51に流通する冷媒50によって超電導導体層112を内側からも効果的に冷却でき、超電導導体層112の冷却効率を改善できることから、特に大電流送電用に好適に利用できる。

（変形例）
図４に示す超電導ケーブル20aは、分流導体130の構成が、図３に示す実施形態２の超電導ケーブル20と異なり、基本的な構成は同様であるので、以下では相違点を中心に説明する。

分流導体130は、実施形態１の変形例（図２に示す超電導ケーブル10a）で説明した分流導体130と同様の構成である。つまり、分流導体130は、複数の撚線131が更に撚り合わされた多心撚線で形成されていると共に、常温状態において多心撚線の撚りに緩みが設けられている。したがって、常温から冷媒温度に冷却した際に熱収縮による応力が分流導体130に作用しても、分流導体130の熱収縮に伴い多心撚線の撚りが締まることで、熱収縮による応力を緩和することができる。

（分流導体に分流される送電電流の概算）
表１は、超電導導体層の径（内径）に対する分流導体の径（外径）と分流導体に分流される送電電流の関係を概算した結果である。具体的には、超電導導体層の径は80mmとし、分流導体の径を表１に示す範囲で変化させたときの、超電導導体層に流れる送電電流（超電導導体層電流）、分流導体に分流される送電電流（分流導体電流）、及び分流導体での損失（分流導体損失）を概算で求めた。ここでは、次のように仮定した。分流導体は、銅素線を螺旋状に巻回して形成された円管状のもの（つまり、特許文献３に記載の外側フォーマと同様の構成）とし、導体断面積を500mm²とした。また、送電電流は14000A（14kA）とした。

表１に示す結果から、分流導体の径が小さい、即ち分流導体が超電導導体層に対して中心側に位置するほど、分流導体に分流される送電電流を低減できることが分かる。この例でいえば、分流導体の径が60mm以下、即ち超電導導体層の径に対する分流導体の径の比（分流導体径／超電導導体層径）が0.75以下の場合、分流導体に流れる送電電流の割合を6％以下にでき、分流導体損失を3.0W/m以下にできる。また、分流導体の径が50mm以下、即ち超電導導体層の径に対する分流導体の径の比が0.625以下の場合、分流導体に流れる送電電流の割合を5％以下にでき、分流導体損失を2.0W/m以下にできる。さらに、分流導体の径が40mm以下、即ち超電導導体層の径に対する分流導体の径の比が0.5以下の場合、分流導体に流れる送電電流の割合を4％以下にでき、分流導体損失を1.0W/m以下にできる。

本発明の超電導ケーブルは、フォーマの内部空間に分流導体が配置されることから、分流導体の径が超電導導体層の径よりも小さく、かつ、分流導体がフォーマよりも中心側に位置する。したがって、上記の結果から、分流導体に送電電流が分流されることによる損失を低減できることが分かる。

以上説明した実施形態では、１本の超電導導体部が断熱管に収納された単心型超電導ケーブルを例に挙げて説明したが、本発明は、複数の超電導導体部が一括して断熱管に収納された多心一括型超電導ケーブルにも適用可能である。具体的には、３本の超電導導体部を撚り合わせて断熱管に収納した三心一括型超電導ケーブルが挙げられる。また、超電導ケーブルに流れる送電電流は、交流であってもよいし、直流であってもよい。

上述した実施形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、本発明の範囲は上述した構成に限定されるものではない。

本発明の超電導ケーブルは、電力送電に利用することができる。特に、大電流送電用に好適に利用することができる。

10,10a,20,20a 超電導ケーブル
110,210 超電導導体部
111 フォーマ 112 超電導導体層 113,213 主電気絶縁層
115 保護層
120 断熱管
121 内管 122 外管 123 断熱層
125 防食層
130 分流導体 131 撚線
50 冷媒 51 内側冷媒流路 52 外側冷媒流路

Claims (7)

1. フォーマの外周に超電導線材を螺旋状に巻回してなる超電導導体層を有する超電導導体部と、前記超電導導体部を収納すると共に前記超電導導体部との間の空間に冷媒が流通する外側冷媒流路が形成される断熱管と、を備える超電導ケーブルであって、
   前記フォーマは、内部空間に冷媒が流通する内側冷媒流路が形成される管状であり、
   このフォーマの内部空間に事故電流を分流するための常電導導体で形成された分流導体を備える超電導ケーブル。
2. 前記分流導体は、常電導導体からなる複数の素線が撚り合わされた撚線で形成され、各素線間が絶縁されている請求項１に記載の超電導ケーブル。
3. 前記分流導体が、複数の前記撚線が更に撚り合わされた多心撚線で形成されている請求項２に記載の超電導ケーブル。
4. 前記分流導体が、常温状態において前記多心撚線の撚りに緩みが設けられている請求項３に記載の超電導ケーブル。
5. 前記超電導導体層の外側に主電気絶縁層を有し、
   この主電気絶縁層が、前記断熱管の内側に配置され、冷媒温度に冷却される低温絶縁型の構造である請求項１〜４のいずれか一項に記載の超電導ケーブル。
6. 前記断熱管の外側に主電気絶縁層を有し、
   この主電気絶縁層が、前記断熱管の外側に配置され、常温に保持される常温絶縁型の構造である請求項１〜４のいずれか一項に記載の超電導ケーブル。
7. 管状のフォーマの外周に超電導線材を螺旋状に巻回して超電導導体層を形成し、超電導導体部を作製する超電導導体部作製工程と、
   前記超電導導体部を断熱管に収納する断熱管収納工程と、
   前記超電導導体部における前記フォーマの内部空間に事故電流を分流するための常電導導体で形成された分流導体を引き入れる分流導体引き入れ工程と、を備える超電導ケーブルの製造方法。

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