JP6200344B2 - 超電導ケーブル敷設装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば液体窒素等の極低温液体で冷却される超電導送電ケーブルの敷設装置に関する。

電力ケーブルを敷設する際にケーブルの温度変化による収縮を吸収する方法として線路全体にスネークを作製するのが一般的である。しかし、線路によっては、スペースの関係上スネークを作製できない場合がある。そのような場合は、一部にオフセットを設け、収縮を吸収させる。超電導ケーブルの場合温度変化が大きい（常温→‐１９６℃＝約２１０℃）ため従来の電力ケーブルのオフセット方式では、ケーブルの収縮が均等にならない可能性がある。充分な熱収縮対策がされない場合、ケーブルの張力があがり、端末などでケーブルが破損する可能性があるため、対策が必要である。

特開２００８−２１１８７８号（特許文献１）では、ケーブルの応力により中間接続部を固定するしないを判定する設計方法によって、熱収縮対策をおこなっている。
特開２０００−３３１５４７号（特許文献２）では、接続部の両側にオフセットを設け、ケーブルの熱歪をモニタし、歪に応じてオフセットを調整する。
これにより、ケーブルの熱歪による中間接続部の破損を防いでいる。
特開２００６−１４５４７号（特許文献３）は、ケーブルの中間接続部に摺動可能部分を設け両側のオフセットを省略する接続装置である。
また、ＷＯ２０１２／１０８４２７（特許文献４）がある。この文献４では、線路中にオフセットを設けケーブル移動量が最大となる最大変位部が移動不可となるようケーブルを固定することによって、終端末や中間接続部をコンパクトにすることができる。

特開２００８−２１１８７８号公報 特開２０００−３３１５４７号公報 特開２００６−１４５４７号公報 ＷＯ２０１２／１０８４２７号公報

しかしながら、特許文献１、２の場合、ケーブルの歪を測定する必要があり、測定器等が必要となり、さらに歪に対応しケーブルを動かす必要があるため、設備が大型になる。
特許文献３は、終端末の中に摺動部分を設けることで、熱収縮を解消しているが、ケーブル長が長くなると収縮長さが大きくなり、摺動部分が大きくなり、端末が大きくなる。
特許文献４ではオフセット部分を設けケーブルを固定しているが、ケーブルが冷却によって、収縮した後、メンテナンス等でケーブルを昇温させた場合、ケーブルが元に戻ろうとした際、もとの位置に戻らない可能性がある。

そこで、本発明の目的は、設備を大型化することなく、端末を大きくすることなく、メンテナンス等でケーブルを昇温させた場合に、ケーブルを、もとの位置にほぼ確実に戻すことができ、超電導ケーブルへの局所的なダメージを避けることができる超電導ケーブル敷設装置を提供することにある。

本発明は、ケーブル導体と、ケーブル導体を冷却する冷媒流路とを備え、常温から極低温までのヒートサイクル下で熱伸縮する超電導ケーブルの敷設装置において、前記超電導ケーブルは、熱伸縮を吸収するためのオフセット部を有し、前記オフセット部は、前記超電導ケーブルを把持しレール上を案内することで、冷却、昇温時の前記超電導ケーブルの熱伸縮の挙動を制御する複数のスライド部を左右対称に備え、前記オフセット部の両端には、前記超電導ケーブルの長手方向への伸縮は許すが、前記超電導ケーブルの長手方向に対して直交する方向への移動を防ぐダクトが固定されていることを特徴とする。

この場合において、前記スライド部が前記超電導ケーブルを把持する把持部と、前記把持部を案内するレールとを備えていてもよい。
また、前記オフセット部は４箇所の曲げ半径から構成され、外側２箇所の曲げ半径が左右でほぼ等しくなり、内側２箇所の曲げ半径が左右でほぼ等しくなってもよい。
また、前記スライド部が前記曲げ半径の境目となってもよい。

本発明によれば、オフセット部は、超電導ケーブルを把持しレール上を案内することで、冷却、昇温時の超電導ケーブルの熱伸縮の挙動を制御するスライド部を備えたため、超電導ケーブルが伸縮する場合、オフセット部が例えば左右均等に伸縮する。そのため、超電導ケーブルへの局所的なダメージを避けることができる。

本発明の実施形態に係る超電導ケーブルの敷設装置を示す図である。 超電導ケーブルを示した斜視図である。 オフセット部を示す上面図である。 オフセット部の一部を示す斜視図である。 Ａは、スライド部の断面図、Ｂは、ＡのＢ―Ｂ断面図である。 オフセット部を示す説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、超電導ケーブル１の敷設装置１００を示す。
敷設装置１００は、超電導ケーブル１へと液体窒素などの冷媒を供給する終端末３（３Ａ、３Ｂ）を両端に有している。
超電導ケーブル１の一区間には、オフセット部２０が設けられている。オフセット部２０の両端には、超電導ケーブル１の長手Ｌ方向への伸縮は許すが、Ｗ方向へと移動することを防ぐダクト５（５Ａ、５Ｂ）が設けられている。

図２は、超電導ケーブル１を示した図である。
超電導ケーブル１は、断熱管８０内に一心のケーブルコア７０が収納された単心型であり、ケーブルコア７０は、フォーマ７１、超電導導体層７２、電気絶縁層７３、超電導シールド層７４、常電導シールド層７５、保護層７６等により構成されている。
フォーマ７１は、ケーブルコア７０を形成するための巻心であり、例えば、銅線等の常電導線材で構成される。フォーマ７１には、短絡事故時に超電導導体層７２に流れる事故電流が分流される。
超電導導体層７２は、フォーマ７１の上に複数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。超電導導体層７２には、運転時には常時送電電流が流される。超電導導体層７２を構成する超電導線材には、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が備えられている。
電気絶縁層７３は、超電導導体層７２の上に巻回することにより形成される。電気絶縁層７３は、例えば、絶縁紙、絶縁紙とポリプロピレンフィルムを接合した半合成紙などで構成されている。

超電導シールド層７４は、電気絶縁層７３の上に複数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。超電導シールド層７４には、定常運転時に電磁誘導によって導体電流とほぼ同じ電流が逆位相で流れる。超電導シールド層７４を構成する超電導線材には、超電導導体層７２と同様のものを適用できる。
常電導シールド層７５は、超電導シールド層７４の上に銅線などの常電導線材を巻回することにより形成される。常電導シールド層７５には、短絡事故時に超電導シールド層７４に流れる事故電流が分流される。
保護層７６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７５の上に巻回することで形成される。

断熱管８０は、ケーブルコア７０を収容するとともに、例えば液体窒素などの冷媒が充填される内管８１と、内管８１の外周を覆うように配設された外管８２からなる二重環構造を有している。
内管８１及び外管８２は、例えばステンレス製のコルゲート管である。内管８１と外管８２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８３が介在され、真空状態に保持される。また、外管８２の外周はポリエチレンなどの防食層８４で被覆されている。

図３は、本実施の形態に係るオフセット部２０の上面図である。
超電導ケーブル１のオフセット部２０は、複数設けられた一辺が約１メートルのチャンネル１０を土台に敷設される。
超電導ケーブル１に液体窒素が流入され、超電導ケーブル１が常温から極低温状態になると、オフセット部２０における超電導ケーブル１は、常温伸長位置１２から、低温収縮位置１３に収縮する。
オフセット部２０には、超電導ケーブル１を把持しレール上を案内することで、冷却、昇温時の超電導ケーブル１の熱伸縮の挙動を制御する右側スライド部１０１、中央スライド部１０２、左側スライド部１０３が、左右対称に３か所設けられている。

図４は、右側スライド部１０１を示す斜視図である。
右側スライド部１０１は、超電導ケーブル１を把持する把持具（把持部）３５と、把持具３５を案内するレール６０とを備えている。把持具３５は、図５Ａに示すように、半割さされた上部材３５Ａと、下部材３５Ｂとを備え、各部材３５Ａ、３５Ｂをボルト３５Ｃで結合して、超電導ケーブル１を把持固定する。
下部材３５Ｂの下面には、平板状の突起３５Ｄが一体に形成され、この突起３５Ｄがレール６０の溝６０Ａに嵌合されている。把持具３５は、レール６０に案内され、レール６０の溝６０Ａの延びた方向に移動可能とされている。
把持具３５は、図５Ｂに示すように、首部３５Ｅが断面円形であり、レール６０の溝６０Ａの内部で回転可能である。
図示は省略したが、図３中の中央スライド部１０２、左側スライド部１０３は、右側スライド部１０１と同様の構成とされている。

中央スライド部１０２は、図３に示すように、常温伸長位置１２の中央点１２Ａと、低温収縮位置１３の中央点１３Ａとを結ぶ中央線Ｌ１上に配置される。右側スライド部１０１は、常温伸長位置１２の右側点１２Ｂと、低温収縮位置１３の右側点１３Ｂとを結ぶ右斜線Ｌ２上に配置される。左側スライド部１０３は、常温伸長位置１２の左側点１２Ｃと、低温収縮位置１３の左側点１３Ｃとを結ぶ左斜線Ｌ３上に配置される。
右側スライド部１０１と、左側スライド部１０３は、中央スライド部１０２を基準に左右対称に配置されている。

超電導ケーブル１が、常温伸長位置１２から、低温収縮位置１３に収縮する際、中央スライド部１０２では、把持具３５が、中央線Ｌ１上に配置された中央点１２Ａと中央点１３Ａの間をレール６０の溝６０Ａに沿って移動する。
右側スライド部１０１では、把持具３５が、右斜線Ｌ２上に配置された右側点１２Ｂと右側点１３Ｂの間をレール６０の溝６０Ａに沿って移動する。
左側スライド部１０３では、把持具３５が、左斜線Ｌ３上に配置された左側点１２Ｃと左側点１３Ｃの間をレール６０の溝６０Ａに沿って移動する。
右側スライド部１０１の右斜線Ｌ２と、左側スライド部１０３の左斜線Ｌ３とは、中央線Ｌ１を基準に略左右対称に設定されている。

オフセット部２０は、右側スライド部１０１と、中央スライド部１０２と、左側スライド部１０３とを境目として、４箇所の曲げ半径から構成されている。
常温伸長位置１２において、外側２箇所の曲げ半径Ｒ１、Ｒ４は、左右でほぼ等しく、内側２箇所の曲げ半径Ｒ２、Ｒ３は、左右でほぼ等しく構成される。また低温収縮位置１３にて、外側２箇所の曲げ半径Ｒ５、Ｒ８は、左右でほぼ等しく、内側２箇所の曲げ半径Ｒ６、Ｒ７は、左右でほぼ等しく構成される。

つぎに、図６を参照して説明する。
超電導ケーブル１の線路の常温から極低温になる際の超電導ケーブル１の伸縮率と、ケーブル長から超電導ケーブル１の収縮長さを求める。
例えば収縮率が０．３％、ケーブル長が３００ｍの場合、超電導ケーブル１が０．９ｍ縮む。オフセット部２０は、この収縮以上の長さを吸収する必要がある。オフセット部２０は、常温の際に超電導ケーブル１をたるませ、極低温になると直線に近づくかたちにする。オフセット部２０の長さを２Ｌとし、片側から長さＬの中心の点で曲がりを最大にし、中心から曲がり始めの半分１／２Ｌの点を中心に両側の超電導ケーブル１の曲げ半径を同じにする。このとき、超電導ケーブル１は左右対称となる。

オフセット部２０の位置が決定したら、中央スライド部１０２を取り付ける。中央スライド部１０２では、まずレール６０の溝６０Ａに把持具３５の下部材３５Ｂを嵌合し、下部材３５Ｂの上に超電導ケーブル１を配置し、超電導ケーブル１の上に上部材３５Ａを重ねて、上部材３５Ａと下部材３５Ｂをボルト３５Ｃで結合して、超電導ケーブル１を把持固定する。中央スライド部１０２は、超電導ケーブル１の収縮に沿って中心部分が超電導ケーブル１と垂直方向にのみ移動できるようにする。
また同様にして、右側スライド部１０１と、左側スライド部１０３においては、各把持具３５が、超電導ケーブル１の外周部を把持し、この把持具３５が、各レール６０の溝６０Ａに嵌合する。右側スライド部１０１と、左側スライド部１０３は、各斜線Ｌ２、Ｌ３が、超電導ケーブル１と垂直ではなく、中心から外側の向きに取り付けられる。この取り付け位置は事前に計算した超電導ケーブル１の位置を参考にし、実際に、冷却した際の超電導ケーブル１の位置で固定する。

具体的には、図３を参照し、超電導ケーブル１が、常温伸長位置１２にあるとき、中央スライド部１０２のレール６０の中央点１２Ａを、土台のチャンネル１０に仮固定する。この際、中央スライド部１０２のレール６０の中央点１３Ａは、仮固定せず、フリー状態としておく。また、右側スライド部１０１のレール６０の右側点１２Ｂを、土台のチャンネル１０に仮固定する。この際、中央スライド部１０２のレール６０の右側点１３Ｂは、仮固定せず、フリーとしておく。さらに、右側スライド部１０１のレール６０の左側点１２Ｃを、土台のチャンネル１０に仮固定する。この際、中央スライド部１０２のレール６０の左側点１３Ｃは、仮固定せず、フリーとしておく。

この状態で、超電導ケーブル１に液体窒素が供給されると、超電導ケーブル１が、常温伸長位置１２から低温収縮位置１３に収縮する。
超電導ケーブル１の収縮につれて、フリーとした各レール６０の各点１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃがケーブル収縮後の正規の位置に移動する。この正規の位置で最終位置決めし、各スライド部１０１、１０２、１０３の各レール６０の各点１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃを、チャンネル１０に溶接で固定し、仮固定した中央点１２Ａ、右側点１２Ｂ、左側点１２Ｃを、チャンネル１０に溶接で固定する。

本実施形態では、オフセット部２０に、右側スライド部１０１と、中央スライド部１０２と、左側スライド部１０３とを配置した。したがって、熱収縮により超電導ケーブル１の位置がずれる場合に、右側スライド部１０１は矢印Ｆに沿って、中央スライド部１０２は矢印Ａに沿って、左側スライド部１０３は矢印Ｃに沿って移動する。また昇温時には、右側スライド部１０１は矢印Ｅに沿って、中央スライド部１０２は矢印Ｂに沿って、左側スライド部１０３は矢印Ｄに沿って移動し、冷却前の超電導ケーブル１の位置（常温伸長位置１２）に正常に戻すことができる。
これにより、超電導ケーブル１の組立施工時、又は保守点検時に生じる常温から極低温まで、又は極低温から常温までに変化するヒートサイクルの下で、超電導ケーブル１の熱伸縮に生じる伸縮を、オフセット部２０で均等に対応でき、超電導ケーブル１への局所的なダメージを防ぐことができる。

以上、一実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本実施の形態では、スライド部１０１、１０２、１０３を、中心部を基点に左右対称に合計３ヶ所に設けたが、これに限定されず、中心部を基点に左右対称となる４ヶ所、６ヶ所に設けてもよい。また、オフセット部２０の中心部には設けず、左右対称に２ヶ所、４ヶ所、６ヶ所に設けてもよい。

１ 超電導ケーブル
１０ チャンネル
１２ 常温伸長位置
１３ 低温収縮位置
２０ オフセット部
３５ 把持具（把持部）
６０ レール
６０Ａ 溝
１００ 敷設装置
１０１ 右側スライド部
１０２ 中央スライド部
１０３ 左側スライド部

Claims (4)

1. ケーブル導体と、ケーブル導体を冷却する冷媒流路とを備え、常温から極低温までのヒートサイクル下で熱伸縮する超電導ケーブルの敷設装置において、
   前記超電導ケーブルは、熱伸縮を吸収するためのオフセット部を有し、
   前記オフセット部は、前記超電導ケーブルを把持しレール上を案内することで、冷却、昇温時の前記超電導ケーブルの熱伸縮の挙動を制御する複数のスライド部を左右対称に備え、
   前記オフセット部の両端には、前記超電導ケーブルの長手方向への伸縮は許すが、前記超電導ケーブルの長手方向に対して直交する方向への移動を防ぐダクトが固定されていることを特徴とする超電導ケーブル敷設装置。
2. 前記スライド部が前記超電導ケーブルを把持する把持部と、前記把持部を案内するレールとを備えたことを特徴とする請求項１記載の超電導ケーブル敷設装置。
3. 前記オフセット部は４箇所の曲げ半径から構成され、外側２箇所の曲げ半径が左右でほぼ等しくなり、内側２箇所の曲げ半径が左右でほぼ等しくなることを特徴とする請求項１又は２記載の超電導ケーブル敷設装置。
4. 前記スライド部が前記曲げ半径の境目となることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の超電導ケーブル敷設装置。

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