JPH09102224A - 極低温用ケーブル - Google Patents
極低温用ケーブルInfo
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- JPH09102224A JPH09102224A JP7279749A JP27974995A JPH09102224A JP H09102224 A JPH09102224 A JP H09102224A JP 7279749 A JP7279749 A JP 7279749A JP 27974995 A JP27974995 A JP 27974995A JP H09102224 A JPH09102224 A JP H09102224A
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
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- Insulated Conductors (AREA)
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 高真空雰囲気中に配置された積層絶縁体につ
いて、最適な絶縁構造を得る。 【解決手段】 超電導撚線１は、積層絶縁紙より成る積
層絶縁体３により絶縁されているコルゲート管２の中で
液体ヘリウムにより冷却されている。コルゲート管２と
コルゲート管１０の間は、高真空に保たれ、積層絶縁体
３は、下記の式を満たす。ここで、ｒk は、ｋ層目の物
質の外半径を表す。
いて、最適な絶縁構造を得る。 【解決手段】 超電導撚線１は、積層絶縁紙より成る積
層絶縁体３により絶縁されているコルゲート管２の中で
液体ヘリウムにより冷却されている。コルゲート管２と
コルゲート管１０の間は、高真空に保たれ、積層絶縁体
３は、下記の式を満たす。ここで、ｒk は、ｋ層目の物
質の外半径を表す。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、積層卷回されて高
真空雰囲気中に置かれる積層絶縁体を有する構造の極低
温用ケーブルに関するものである。
真空雰囲気中に置かれる積層絶縁体を有する構造の極低
温用ケーブルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】最近、超電導ケーブル，極低温ケーブル
等、極低温用ケーブルの絶縁体として、導線の周囲に積
層卷回されて高真空雰囲気中に置かれる構造の積層絶縁
体が開発された（例、特開平6-89617 号公報，特願平6-
69862 号）。図１は、積層絶縁体を有する超電導ケーブ
ルの構造の一例を示す図である。図１において、１は超
電導撚線、２はコルゲート管、３は積層絶縁体、４は導
電層、５はバインドテープ層、６は断熱層、７は銅テー
プ層、８は液体窒素が流される銅管、９は断熱層、１０
はコルゲート管である。
等、極低温用ケーブルの絶縁体として、導線の周囲に積
層卷回されて高真空雰囲気中に置かれる構造の積層絶縁
体が開発された（例、特開平6-89617 号公報，特願平6-
69862 号）。図１は、積層絶縁体を有する超電導ケーブ
ルの構造の一例を示す図である。図１において、１は超
電導撚線、２はコルゲート管、３は積層絶縁体、４は導
電層、５はバインドテープ層、６は断熱層、７は銅テー
プ層、８は液体窒素が流される銅管、９は断熱層、１０
はコルゲート管である。
【０００３】超電導撚線１はコルゲート管２に挿通され
て、コルゲート管２との間には螺旋状にスペーサ（図示
せず）を介在させて液体ヘリウムの流路が形成されてお
り、それにより超電導撚線１が極低温に保たれるように
している。コルゲート管２の上側には、絶縁紙を積層卷
回した積層絶縁体３が形成されており、積層絶縁体３
は、ケーブルの屈曲性を良くするため、小さなギャップ
をあけて絶縁紙テープを卷回することにより形成されて
いる。そして、その上側に導電層４，バインドテープ層
５，断熱層６が形成されている。
て、コルゲート管２との間には螺旋状にスペーサ（図示
せず）を介在させて液体ヘリウムの流路が形成されてお
り、それにより超電導撚線１が極低温に保たれるように
している。コルゲート管２の上側には、絶縁紙を積層卷
回した積層絶縁体３が形成されており、積層絶縁体３
は、ケーブルの屈曲性を良くするため、小さなギャップ
をあけて絶縁紙テープを卷回することにより形成されて
いる。そして、その上側に導電層４，バインドテープ層
５，断熱層６が形成されている。
【０００４】断熱層６の上側には、銅テープ層７が設け
られ、その上に螺旋状に液体窒素銅管８が設けられ、そ
れら銅テープ層７，液体窒素銅管８により液体窒素シー
ルドが形成されている。さらに、断熱層９が設けられ、
その上に螺旋状にスペーサ（図示せず）を介在させてコ
ルゲート管１０が形成されている。また、コルゲート管
２とコルゲート管１０との間は高真空にして、断熱効果
が上がるようにしている。
られ、その上に螺旋状に液体窒素銅管８が設けられ、そ
れら銅テープ層７，液体窒素銅管８により液体窒素シー
ルドが形成されている。さらに、断熱層９が設けられ、
その上に螺旋状にスペーサ（図示せず）を介在させてコ
ルゲート管１０が形成されている。また、コルゲート管
２とコルゲート管１０との間は高真空にして、断熱効果
が上がるようにしている。
【０００５】この超電導ケーブルのように、積層絶縁体
を高真空雰囲気中に配置した絶縁方式によれば、次のよ
うな利点がある。すなわち、 絶縁紙積層構造を用いることによりフレキシビリティ
が確保される。 クライオ効果により高真空の維持が容易となる。 電気絶縁層にスペーサを用いる場合のような沿面が存
在しないことにより、耐電圧特性が向上する。 積層絶縁体が電気絶縁の機能の他に熱絶縁の機能をも
兼ね具えているため、その分、断熱層の厚さ等を軽減す
ることができる。
を高真空雰囲気中に配置した絶縁方式によれば、次のよ
うな利点がある。すなわち、 絶縁紙積層構造を用いることによりフレキシビリティ
が確保される。 クライオ効果により高真空の維持が容易となる。 電気絶縁層にスペーサを用いる場合のような沿面が存
在しないことにより、耐電圧特性が向上する。 積層絶縁体が電気絶縁の機能の他に熱絶縁の機能をも
兼ね具えているため、その分、断熱層の厚さ等を軽減す
ることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た従来の技術は、積層絶縁体が高真空雰囲気中に配置さ
れており、従来の積層絶縁体とは配置される環境が著し
く異なるため、未だ積層絶縁体の設計方針が確立されて
いないのが現状である。
た従来の技術は、積層絶縁体が高真空雰囲気中に配置さ
れており、従来の積層絶縁体とは配置される環境が著し
く異なるため、未だ積層絶縁体の設計方針が確立されて
いないのが現状である。
【０００７】そこで、本発明は、このような高真空雰囲
気中に配置された積層絶縁体を有する極低温用ケーブル
について、最適な絶縁構造を得ることを課題とするもの
である。
気中に配置された積層絶縁体を有する極低温用ケーブル
について、最適な絶縁構造を得ることを課題とするもの
である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の極低温用ケーブルでは、高真空雰囲気中に
配置された積層絶縁紙より成る積層絶縁体を有する極低
温用ケーブルにおいて、前記積層絶縁体(3) が、関係式
め、本発明の極低温用ケーブルでは、高真空雰囲気中に
配置された積層絶縁紙より成る積層絶縁体を有する極低
温用ケーブルにおいて、前記積層絶縁体(3) が、関係式
【数２】 ただし、Ｖは、設計電圧（ｋＶ） ε1 は、真空の誘電率（Ｆ／ｍ） εk は、導体側からｋ層目の物質の誘電率（Ｆ／ｍ） ｒ0 は、導体の半径（ｍｍ） ｒk は、導体側からｋ層目の物質の外半径（ｍｍ） ｎは、絶縁紙の積層数 が成り立つようにした。また、積層絶縁紙に半合成紙を
用いることとした。
用いることとした。
【０００９】
【発明の実施の形態】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。高真空雰囲気中に配置され
た積層絶縁体について、最適な絶縁構造を解明すべく、
積層絶縁紙によるモデルケーブル試料を作成して、絶縁
破壊特性と部分放電特性を実験により求め、極低温、高
真空雰囲気下における積層絶縁体の破壊機構を以下のよ
うに調べた。
に基づいて詳細に説明する。高真空雰囲気中に配置され
た積層絶縁体について、最適な絶縁構造を解明すべく、
積層絶縁紙によるモデルケーブル試料を作成して、絶縁
破壊特性と部分放電特性を実験により求め、極低温、高
真空雰囲気下における積層絶縁体の破壊機構を以下のよ
うに調べた。
【００１０】（絶縁破壊特性）図２は、積層絶縁体の絶
縁破壊試験用モデルケーブル試料を示す図である。図２
において、１１は真鍮製の電極棒、１２はカーボン紙、
１３は積層絶縁紙試料、１４はストレスコーン、１５は
ＦＲＰキャップ、１６はクレープカーボン紙、１７はア
ルミ箔、１８は錫メッキ銅線である。
縁破壊試験用モデルケーブル試料を示す図である。図２
において、１１は真鍮製の電極棒、１２はカーボン紙、
１３は積層絶縁紙試料、１４はストレスコーン、１５は
ＦＲＰキャップ、１６はクレープカーボン紙、１７はア
ルミ箔、１８は錫メッキ銅線である。
【００１１】真鍮製の電極棒１１には、電界緩和用のカ
ーボン紙１２を卷回した上に、幅２０ｍｍ、厚さ約１２
０μｍの絶縁紙テープを１ｍｍのギャップ、１／３ラッ
プで積層卷回した。絶縁紙としては、クラフト紙，合成
紙及び半合成紙の３種類用意した。
ーボン紙１２を卷回した上に、幅２０ｍｍ、厚さ約１２
０μｍの絶縁紙テープを１ｍｍのギャップ、１／３ラッ
プで積層卷回した。絶縁紙としては、クラフト紙，合成
紙及び半合成紙の３種類用意した。
【００１２】図３は、モデルケーブル試料を取り付けた
絶縁試験装置を示す図である。符号１１〜１７は、図２
のものに対応し、１９はリード線、２０は絶縁試験装
置、２１はステンレス容器、２２は真空室、２３はＦＲ
Ｐ製の冷媒容器、２４は接続棒、２５は冷媒室、２６は
断熱用バッフル板、２７は断熱層、２８は液体窒素ガー
ドタンクである。冷媒容器２３の冷媒室２５は、液体ヘ
リウムで満たされていて、その下側の真空室２２に、接
続棒２４を介してモデルケーブル試料が設置されてい
る。この場合は、２つのモデルケーブル試料が取り付け
られているが、それぞれのモデルケーブル試料は、それ
ぞれ別々に試験が行われる。
絶縁試験装置を示す図である。符号１１〜１７は、図２
のものに対応し、１９はリード線、２０は絶縁試験装
置、２１はステンレス容器、２２は真空室、２３はＦＲ
Ｐ製の冷媒容器、２４は接続棒、２５は冷媒室、２６は
断熱用バッフル板、２７は断熱層、２８は液体窒素ガー
ドタンクである。冷媒容器２３の冷媒室２５は、液体ヘ
リウムで満たされていて、その下側の真空室２２に、接
続棒２４を介してモデルケーブル試料が設置されてい
る。この場合は、２つのモデルケーブル試料が取り付け
られているが、それぞれのモデルケーブル試料は、それ
ぞれ別々に試験が行われる。
【００１３】モデルケーブル試料は、接続棒２４の熱伝
導によって冷媒室２５の温度４．２°Ｋとほぼ同じ温度
まで冷却される。また、真空室２２の真空度は、１×１
０-6〜２×１０-7Ｔｏｒｒに保つようにした。また、モ
デルケーブル試料のアルミ箔１７はリード線１９により
ステンレス容器２１に接続されて、アース電位に保たれ
る。そして、接続棒２４を介して電極棒１１に正負の直
流電圧，交流電圧及びインパルス電圧を印加し、接続棒
２４とアルミ箔１７との間にある積層絶縁紙試料１３の
絶縁破壊試験を行った。昇圧ステップは、正負の直流電
圧及び交流電圧の場合は、１ｋＶ／５ minとし、インパ
ルス電圧の場合は、２ｋＶ／３cycle とした。
導によって冷媒室２５の温度４．２°Ｋとほぼ同じ温度
まで冷却される。また、真空室２２の真空度は、１×１
０-6〜２×１０-7Ｔｏｒｒに保つようにした。また、モ
デルケーブル試料のアルミ箔１７はリード線１９により
ステンレス容器２１に接続されて、アース電位に保たれ
る。そして、接続棒２４を介して電極棒１１に正負の直
流電圧，交流電圧及びインパルス電圧を印加し、接続棒
２４とアルミ箔１７との間にある積層絶縁紙試料１３の
絶縁破壊試験を行った。昇圧ステップは、正負の直流電
圧及び交流電圧の場合は、１ｋＶ／５ minとし、インパ
ルス電圧の場合は、２ｋＶ／３cycle とした。
【００１４】図４は、直流絶縁破壊電圧の積層枚数依存
性を示す図である。試験は、厚さ１２０μｍの半合成紙
（２軸延伸ポリプロピレンフィルムの上下面にクラフト
紙を貼り合わせたもの）を用い、その積層枚数を３層，
５層，８層と変えて行った。
性を示す図である。試験は、厚さ１２０μｍの半合成紙
（２軸延伸ポリプロピレンフィルムの上下面にクラフト
紙を貼り合わせたもの）を用い、その積層枚数を３層，
５層，８層と変えて行った。
【００１５】ここで、破壊電圧ＶBDと積層絶縁紙の厚さ
ｄとの関係を、
ｄとの関係を、
【数３】ＶBD＝Ｋｄn （Ｋは定数) で表すと、正の直流電圧，負の直流電圧共ほぼ直線上に
乗ることが判る。また、積層絶縁紙の厚さ１ｍｍでの破
壊ストレスは、正の直流電圧で２１．７ｋＶ／ｍｍ、負
の直流電圧で４１．５ｋＶ／ｍｍというように、負の直
流電圧を印加した場合の方が正の直流電圧を印加した場
合の２倍程度の値を示し、顕著な極性効果が現れた。
乗ることが判る。また、積層絶縁紙の厚さ１ｍｍでの破
壊ストレスは、正の直流電圧で２１．７ｋＶ／ｍｍ、負
の直流電圧で４１．５ｋＶ／ｍｍというように、負の直
流電圧を印加した場合の方が正の直流電圧を印加した場
合の２倍程度の値を示し、顕著な極性効果が現れた。
【００１６】図５は、交流，インパルス絶縁破壊電圧の
積層枚数依存性を示す図である。この試験も、図４の場
合と同様な絶縁紙を用いて行った。交流破壊電圧は、実
効値では正の直流破壊電圧より低下し、積層絶縁紙の厚
さ１ｍｍでの破壊ストレスは、１８ｋＶ／ｍｍであっ
た。一方、インパルス破壊電圧は、交流破壊電圧の２〜
３倍の値を示した。
積層枚数依存性を示す図である。この試験も、図４の場
合と同様な絶縁紙を用いて行った。交流破壊電圧は、実
効値では正の直流破壊電圧より低下し、積層絶縁紙の厚
さ１ｍｍでの破壊ストレスは、１８ｋＶ／ｍｍであっ
た。一方、インパルス破壊電圧は、交流破壊電圧の２〜
３倍の値を示した。
【００１７】また、以上の試験結果に基づいて、数３に
おけるスケーリングパラメータＫとｎを求めると表１の
ようになる。
おけるスケーリングパラメータＫとｎを求めると表１の
ようになる。
【表１】
【００１８】油浸ケーブルに用いられている油浸セルロ
ース紙ではｎ＝１に近い範囲でｎ＜１となる場合は、絶
縁体の表面及び内部のボイド等の内部欠陥が原因となっ
て、そこから放電が起こり絶縁破壊に進展する場合であ
ると考えられている。今回の場合も、ｎ＝０．７〜０．
９５となり、内部欠陥からの放電破壊メカニズムがある
ことを暗示している。そして、その内部欠陥としては、
絶縁体を形成する際に絶縁紙テープをギャップ巻きした
結果生じるバットギャップが考えられる。
ース紙ではｎ＝１に近い範囲でｎ＜１となる場合は、絶
縁体の表面及び内部のボイド等の内部欠陥が原因となっ
て、そこから放電が起こり絶縁破壊に進展する場合であ
ると考えられている。今回の場合も、ｎ＝０．７〜０．
９５となり、内部欠陥からの放電破壊メカニズムがある
ことを暗示している。そして、その内部欠陥としては、
絶縁体を形成する際に絶縁紙テープをギャップ巻きした
結果生じるバットギャップが考えられる。
【００１９】そこで、絶縁破壊が発生した試料を解体し
て調べた結果、図７に示すように、有効長部でいずれも
バットギャップ（図中の斜線部分）を起点にした２つの
タイプの破壊経路が観察された。その内の１つは、図７
に実線矢印Ｐ1 で示すような、最も内側（電極棒１１
側）のバットギャップＢＧを起点として、積層された絶
縁紙を貫通して形成された経路である（貫通破壊）。そ
して、もう１つの経路は、図７に点線矢印Ｐ2 で示すよ
うな、同じく最も内側のバットギャップＢＧを起点と
し、積層された絶縁紙の間を通って形成された経路であ
る（積層沿面破壊）。
て調べた結果、図７に示すように、有効長部でいずれも
バットギャップ（図中の斜線部分）を起点にした２つの
タイプの破壊経路が観察された。その内の１つは、図７
に実線矢印Ｐ1 で示すような、最も内側（電極棒１１
側）のバットギャップＢＧを起点として、積層された絶
縁紙を貫通して形成された経路である（貫通破壊）。そ
して、もう１つの経路は、図７に点線矢印Ｐ2 で示すよ
うな、同じく最も内側のバットギャップＢＧを起点と
し、積層された絶縁紙の間を通って形成された経路であ
る（積層沿面破壊）。
【００２０】それら２種類の絶縁破壊の内の多くは、貫
通破壊であった。その破壊孔の一例を図８に示す。図８
（イ）は、電極棒１１の直上に卷回された絶縁紙であ
る。そのギャップ部分に破壊孔Ａがあいていた。図８
（ロ）は、図８（イ）のものの直上に卷回された絶縁紙
である。前記破壊孔Ａに対応する位置に破壊孔Ｂがあい
ていた。
通破壊であった。その破壊孔の一例を図８に示す。図８
（イ）は、電極棒１１の直上に卷回された絶縁紙であ
る。そのギャップ部分に破壊孔Ａがあいていた。図８
（ロ）は、図８（イ）のものの直上に卷回された絶縁紙
である。前記破壊孔Ａに対応する位置に破壊孔Ｂがあい
ていた。
【００２１】図６は、絶縁材料別の交流絶縁破壊電圧の
積層枚数依存性を示す図である。この試験は、図４の場
合と同様な半合成紙に加えて、クラフト紙（セルロー
ス）と合成紙（ポリエチレン）を用いて、３者の交流破
壊電圧の比較を行った。極低温下での１枚シート試験に
おける絶縁紙本来の破壊電圧は、通常、半合成紙＞合成
紙＞クラフト紙の順になるのに対して、上の試験では図
示のとおり、３者の間に顕著な差が現れなかった。この
ことから判断しても、この場合の絶縁破壊機構は、絶縁
紙本来の絶縁破壊強度に依存せずにバットギャップを起
点としたものであることが推測される。
積層枚数依存性を示す図である。この試験は、図４の場
合と同様な半合成紙に加えて、クラフト紙（セルロー
ス）と合成紙（ポリエチレン）を用いて、３者の交流破
壊電圧の比較を行った。極低温下での１枚シート試験に
おける絶縁紙本来の破壊電圧は、通常、半合成紙＞合成
紙＞クラフト紙の順になるのに対して、上の試験では図
示のとおり、３者の間に顕著な差が現れなかった。この
ことから判断しても、この場合の絶縁破壊機構は、絶縁
紙本来の絶縁破壊強度に依存せずにバットギャップを起
点としたものであることが推測される。
【００２２】なお、７７°Ｋ，５×１０-6〜１×１０-6
Ｔｏｒｒの条件下でも同様な試験を行ったが、その結果
は、上記のものと同様であった。
Ｔｏｒｒの条件下でも同様な試験を行ったが、その結果
は、上記のものと同様であった。
【００２３】（部分放電特性）次に、部分放電特性につ
いて説明する。図９は、積層絶縁紙の部分放電測定用モ
デルケーブル試料を示す図である。符号は、図２のもの
に対応し、１７−１〜１７−３は、分割配置したアルミ
箔である。このようなモデルケーブル試料を、図３に示
した絶縁試験装置に取り付けて部分放電測定を行った。
いて説明する。図９は、積層絶縁紙の部分放電測定用モ
デルケーブル試料を示す図である。符号は、図２のもの
に対応し、１７−１〜１７−３は、分割配置したアルミ
箔である。このようなモデルケーブル試料を、図３に示
した絶縁試験装置に取り付けて部分放電測定を行った。
【００２４】図１０は、積層絶縁紙の部分放電測定にお
ける接続図である。符号は、図３及び図９のものに対応
している。一方の接続棒２４へモデルケーブル試料を取
り付け、電極棒１１に交流の高電圧Ｈ．Ｖ．を印加す
る。そして、中央のアルミ箔１７−１は、検出抵抗Ｒd1
を介してアースに接続する。また、それと並列に結合コ
ンデンサＣｋと検出抵抗Ｒd2の直列回路を接続する。一
方、両側のアルミ箔１７−２，１７−３は、他方の接続
棒２４を介してアースに接続する。
ける接続図である。符号は、図３及び図９のものに対応
している。一方の接続棒２４へモデルケーブル試料を取
り付け、電極棒１１に交流の高電圧Ｈ．Ｖ．を印加す
る。そして、中央のアルミ箔１７−１は、検出抵抗Ｒd1
を介してアースに接続する。また、それと並列に結合コ
ンデンサＣｋと検出抵抗Ｒd2の直列回路を接続する。一
方、両側のアルミ箔１７−２，１７−３は、他方の接続
棒２４を介してアースに接続する。
【００２５】そのような装置において、検出抵抗Ｒd1，
Ｒd2の電圧Ｖ1 ，Ｖ2 を検出することにより、部分放電
の発生及びその強さを測定する。測定回路としては、図
１１に示すように、部分放電の測定器として同調式部分
放電測定器を使用し、さらに感度良く測定を行うために
外部雑音の低減装置として、電源のノイズをカットする
ための平衡入力型部分放電検出器及び空中のノイズをカ
ットするための論理制御雑音弁別器を用いた。なお、図
１１中のＣａはモデルケーブル試料を示している。
Ｒd2の電圧Ｖ1 ，Ｖ2 を検出することにより、部分放電
の発生及びその強さを測定する。測定回路としては、図
１１に示すように、部分放電の測定器として同調式部分
放電測定器を使用し、さらに感度良く測定を行うために
外部雑音の低減装置として、電源のノイズをカットする
ための平衡入力型部分放電検出器及び空中のノイズをカ
ットするための論理制御雑音弁別器を用いた。なお、図
１１中のＣａはモデルケーブル試料を示している。
【００２６】実験は、ノイズレベル１ｐｃ（ピコクーロ
ン）、電極温度７７°Ｋ、真空度１×１０-6Ｔｏｒｒ、
昇圧ステップ１ｋＶ／１０ｍｉｎの条件で行った。試料
は、半合成紙，合成紙，クラフト紙について、それぞれ
積層枚数３枚と５枚で実施した。その結果を表２に示
す。
ン）、電極温度７７°Ｋ、真空度１×１０-6Ｔｏｒｒ、
昇圧ステップ１ｋＶ／１０ｍｉｎの条件で行った。試料
は、半合成紙，合成紙，クラフト紙について、それぞれ
積層枚数３枚と５枚で実施した。その結果を表２に示
す。
【００２７】
【表２】 なお、表２中の放電開始電界は、導体直上のバットギャ
ップの電界強度を後述する計算式により計算して求めた
値である。
ップの電界強度を後述する計算式により計算して求めた
値である。
【００２８】一方、部分放電の発生パターンは、最初、
電圧ピーク部（図１２中の＋Ｐ，−Ｐ）で起こり、その
後電圧が上昇するに従って部分放電は、ピーク付近から
第１，第３象限（図１２中のＩ，III の範囲）側で起こ
るようになった。この傾向は、ボイドに起因する放電に
特徴的に現れることが知られており、このことからも、
この場合の部分放電がバットギャップに起因するもので
あると推測できる。
電圧ピーク部（図１２中の＋Ｐ，−Ｐ）で起こり、その
後電圧が上昇するに従って部分放電は、ピーク付近から
第１，第３象限（図１２中のＩ，III の範囲）側で起こ
るようになった。この傾向は、ボイドに起因する放電に
特徴的に現れることが知られており、このことからも、
この場合の部分放電がバットギャップに起因するもので
あると推測できる。
【００２９】さらに、第１象限からピーク領域＋Ｐにか
かる部分の方が第３象限からピーク領域−Ｐにかかる部
分より部分放電の発生割合が多く、また、放電電荷量も
大きいという顕著な極性効果が観測された。このこと
は、図４に示したように、正の直流電圧印加時の絶縁破
壊電圧が負の直流電圧印加時の絶縁破壊電圧より低いこ
と、及び交流電圧印加時の絶縁破壊電圧がピーク値で正
の直流電圧印加時の絶縁破壊電圧とほぼ同レベルである
ことにも対応している。この原因としては、バットギャ
ップ内部において、真空中のコロナ放電による極性効果
と同様な現象が起きていると推測される。
かる部分の方が第３象限からピーク領域−Ｐにかかる部
分より部分放電の発生割合が多く、また、放電電荷量も
大きいという顕著な極性効果が観測された。このこと
は、図４に示したように、正の直流電圧印加時の絶縁破
壊電圧が負の直流電圧印加時の絶縁破壊電圧より低いこ
と、及び交流電圧印加時の絶縁破壊電圧がピーク値で正
の直流電圧印加時の絶縁破壊電圧とほぼ同レベルである
ことにも対応している。この原因としては、バットギャ
ップ内部において、真空中のコロナ放電による極性効果
と同様な現象が起きていると推測される。
【００３０】以上に示した絶縁破壊試験と部分放電測定
との結果から、高真空雰囲気中に配置された積層絶縁紙
より成る極低温用ケーブルの積層絶縁体の絶縁破壊は、
積層絶縁体のバットギャップに起因して起きていること
が判る。そして、積層絶縁体のバットギャップの内、最
も電界強度が高くなるのは導体直上にあるバットギャッ
プである。そこで、本発明では、導体直上にあるバット
ギャップの電界強度が所定値以上にならないように積層
絶縁体を形成することとした。
との結果から、高真空雰囲気中に配置された積層絶縁紙
より成る極低温用ケーブルの積層絶縁体の絶縁破壊は、
積層絶縁体のバットギャップに起因して起きていること
が判る。そして、積層絶縁体のバットギャップの内、最
も電界強度が高くなるのは導体直上にあるバットギャッ
プである。そこで、本発明では、導体直上にあるバット
ギャップの電界強度が所定値以上にならないように積層
絶縁体を形成することとした。
【００３１】ところで、積層絶縁体を持つ電気ケーブル
の絶縁体各層の電界強度Ｅi は、次に示す数４で表され
ることが知られている（例、「高電圧工学」コロナ社
第７章）。
の絶縁体各層の電界強度Ｅi は、次に示す数４で表され
ることが知られている（例、「高電圧工学」コロナ社
第７章）。
【数４】 ただし、Ｖは、設計電圧（ｋＶ） εi は、導体側からｉ層目の物質の誘電率（Ｆ／ｍ） εk は、導体側からｋ層目の物質の誘電率（Ｆ／ｍ） ｒi は、導体側からｉ層目の物質の外半径（ｍｍ） ｒk は、導体側からｋ層目の物質の外半径（ｍｍ） ｎは、絶縁紙の積層数
【００３２】この式を使って、導体直上のバットギャッ
プにかかる電界強度ＥBGを示すと、次の数５のようにな
る。
プにかかる電界強度ＥBGを示すと、次の数５のようにな
る。
【数５】 ただし、Ｖは、設計電圧（ｋＶ） ε1 は、真空の誘電率（Ｆ／ｍ） εk は、導体側からｋ層目の物質の誘電率（Ｆ／ｍ） ｒ0 は、導体の半径（ｍｍ） ｒk は、導体側からｋ層目の物質の外半径（ｍｍ） ｎは、絶縁紙の積層数
【００３３】この場合、各層の誘電率は、例えば、図７
の一点鎖線で示すように、導体直上のバットギャップを
通る垂直面内にある部分の誘電率を用いて計算する。す
なわち、その部分にバットギャップがある第１層と第２
層の誘電率ε1,ε4 は、真空の誘電率を用い、その他の
層の誘電率ε2,ε3,ε5 は、絶縁紙の誘電率を用いて計
算する。
の一点鎖線で示すように、導体直上のバットギャップを
通る垂直面内にある部分の誘電率を用いて計算する。す
なわち、その部分にバットギャップがある第１層と第２
層の誘電率ε1,ε4 は、真空の誘電率を用い、その他の
層の誘電率ε2,ε3,ε5 は、絶縁紙の誘電率を用いて計
算する。
【００３４】ここで、各種絶縁紙の極低温下での誘電率
がどのようになるかを示す。図１３は、各種絶縁紙の比
誘電率の温度依存性を示す図である。図１３において、
実線はセルロース、点線はポリプロピレン、一点鎖線は
ポリエチレンの比誘電率の温度依存性を示している。一
般的に絶縁紙に使用されているセルロース，ポリプロピ
レン及びポリエチレンの比誘電率は、図１３から明らか
なように、７７°Ｋ以下の極低温においては、２．２〜
２．６の範囲でほとんど温度によって変化しない（この
ことは、バットギャップにおける電界強度は、絶縁紙の
種類によって顕著な変化がないことを意味している）。
がどのようになるかを示す。図１３は、各種絶縁紙の比
誘電率の温度依存性を示す図である。図１３において、
実線はセルロース、点線はポリプロピレン、一点鎖線は
ポリエチレンの比誘電率の温度依存性を示している。一
般的に絶縁紙に使用されているセルロース，ポリプロピ
レン及びポリエチレンの比誘電率は、図１３から明らか
なように、７７°Ｋ以下の極低温においては、２．２〜
２．６の範囲でほとんど温度によって変化しない（この
ことは、バットギャップにおける電界強度は、絶縁紙の
種類によって顕著な変化がないことを意味している）。
【００３５】前記表２の放電開始電界は、上記数５を使
って求めたものである。そこで、表２を見ると、放電開
始電界は、多少のばらつきはあるものの、ほぼ２１ｋＶ
／ｍｍとなっている。その値に安全率３０％（当技術分
野で安全率として、この程度の数字が良く用いられる）
を見込んで、導体直上のバットギャップにかかる電界強
度が１５ｋＶ／ｍｍ以下になるようにすれば、極低温ケ
ーブルの積層絶縁体の絶縁破壊の発生を防止することが
できることになる。
って求めたものである。そこで、表２を見ると、放電開
始電界は、多少のばらつきはあるものの、ほぼ２１ｋＶ
／ｍｍとなっている。その値に安全率３０％（当技術分
野で安全率として、この程度の数字が良く用いられる）
を見込んで、導体直上のバットギャップにかかる電界強
度が１５ｋＶ／ｍｍ以下になるようにすれば、極低温ケ
ーブルの積層絶縁体の絶縁破壊の発生を防止することが
できることになる。
【００３６】一方、導体直上のバットギャップにかかる
電界強度を低く抑えることは、同一の絶縁紙を用いた場
合、積層絶縁体の積層厚さを厚くすることにつながる。
すなわち、ケーブル外径が一定の場合、積層絶縁体の積
層厚さを厚くするとその分、断熱層の厚さを薄くするこ
とになって断熱効果が低下してしまう。すなわち、導体
直上のバットギャップにかかる電界強度を低くすればす
るほど良いという分けではなく、そのことによるマイナ
ス面も生じる。そこで、本発明では、マイナス面である
断熱効果の低下がほとんど影響しない範囲となるよう
に、導体直上のバットギャップにかかる電界強度の下限
を１０ｋＶ／ｍｍとすると良い。
電界強度を低く抑えることは、同一の絶縁紙を用いた場
合、積層絶縁体の積層厚さを厚くすることにつながる。
すなわち、ケーブル外径が一定の場合、積層絶縁体の積
層厚さを厚くするとその分、断熱層の厚さを薄くするこ
とになって断熱効果が低下してしまう。すなわち、導体
直上のバットギャップにかかる電界強度を低くすればす
るほど良いという分けではなく、そのことによるマイナ
ス面も生じる。そこで、本発明では、マイナス面である
断熱効果の低下がほとんど影響しない範囲となるよう
に、導体直上のバットギャップにかかる電界強度の下限
を１０ｋＶ／ｍｍとすると良い。
【００３７】なお、表２から明らかなように、半合成紙
を用いた場合は、部分放電開始電圧が安定している。そ
の理由を本発明者は、クラフト紙や合成紙に比べて、半
合成紙は、上下のクラフト紙の間にポリプロピレンフィ
ルムを有しているため、テープ作成時のカットをシャー
プに行うことができてテープ端面がきれいであるうえ、
半合成紙は、引っ張り強度が大きいため、絶縁テープを
導体に卷回する際の作業性が良いという特性を有する結
果であると考えている。
を用いた場合は、部分放電開始電圧が安定している。そ
の理由を本発明者は、クラフト紙や合成紙に比べて、半
合成紙は、上下のクラフト紙の間にポリプロピレンフィ
ルムを有しているため、テープ作成時のカットをシャー
プに行うことができてテープ端面がきれいであるうえ、
半合成紙は、引っ張り強度が大きいため、絶縁テープを
導体に卷回する際の作業性が良いという特性を有する結
果であると考えている。
【００３８】
【発明の効果】以上述べた如く、本発明の極低温用ケー
ブルによれば、積層絶縁体を最適な絶縁構造とすること
ができる。また、絶縁紙に半合成紙を用いれば、絶縁特
性が安定し、しかも絶縁テープを導体に卷回する際の作
業性が向上する。
ブルによれば、積層絶縁体を最適な絶縁構造とすること
ができる。また、絶縁紙に半合成紙を用いれば、絶縁特
性が安定し、しかも絶縁テープを導体に卷回する際の作
業性が向上する。
【図１】 積層絶縁体を有する超電導ケーブルの構造の
一例を示す図
一例を示す図
【図２】 積層絶縁体の絶縁破壊試験用モデルケーブル
試料を示す図
試料を示す図
【図３】 モデルケーブル試料を取り付けた絶縁試験装
置を示す図
置を示す図
【図４】 直流絶縁破壊電圧の積層枚数依存性を示す図
【図５】 交流，インパルス絶縁破壊電圧の積層枚数依
存性を示す図
存性を示す図
【図６】 絶縁材料別の交流絶縁破壊電圧の積層枚数依
存性を示す図
存性を示す図
【図７】 積層絶縁紙の破壊経路説明図
【図８】 貫通破壊の破壊孔の一例を示す図
【図９】 積層絶縁紙の部分放電測定用モデルケーブル
試料を示す図
試料を示す図
【図１０】 積層絶縁紙の部分放電測定における接続図
【図１１】 積層絶縁紙の部分放電測定回路図
【図１２】 部分放電測定時に課電する交流電圧波形を
示す図
示す図
【図１３】 各種絶縁紙の比誘電率の温度依存性を示す
図
図
１ 超電導撚線 ２，１０ コルゲート管 ３ 積層絶縁体 ４ 導電層 ５ バインドテープ層 ６，９ 断熱層 ７ 銅テープ層 ８ 銅管 １１ 電極棒 １２ カーボン紙 １３ 積層絶縁紙試料 １４ ストレスコーン １５ ＦＲＰキャップ １６ クレープカーボン紙 １７ アルミ箔 １８ 錫メッキ銅線 １９ リード線 ２０ 絶縁試験装置 ２１ ステンレス容器 ２２ 真空室 ２３ 冷媒容器 ２４ 接続棒 ２５ 冷媒室 ２６ 断熱用バッフル板 ２７ 断熱層 ２８ 液体窒素ガードタンク
Claims (2)
- 【請求項１】 高真空雰囲気中に配置された積層絶縁紙
より成る積層絶縁体を有する極低温用ケーブルにおい
て、前記積層絶縁体(3) が、関係式 【数１】 ただし、Ｖは、設計電圧（ｋＶ） ε1 は、真空の誘電率（Ｆ／ｍ） εk は、導体側からｋ層目の物質の誘電率（Ｆ／ｍ） ｒ0 は、導体(1) の半径（ｍｍ） ｒk は、導体側からｋ層目の物質の外半径（ｍｍ） ｎは、絶縁紙の積層数 を満足するものであることを特徴とする極低温用ケーブ
ル。 - 【請求項２】 積層絶縁紙に半合成紙を用いたことを特
徴とする請求項１記載の極低温用ケーブル。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7279749A JPH09102224A (ja) | 1995-10-03 | 1995-10-03 | 極低温用ケーブル |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7279749A JPH09102224A (ja) | 1995-10-03 | 1995-10-03 | 極低温用ケーブル |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09102224A true JPH09102224A (ja) | 1997-04-15 |
Family
ID=17615378
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7279749A Pending JPH09102224A (ja) | 1995-10-03 | 1995-10-03 | 極低温用ケーブル |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09102224A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE202012008574U1 (de) | 2011-09-09 | 2012-10-08 | Ferenc Bölcskei | Reinheitseinlage für WC-Becken |
| CN110211743A (zh) * | 2019-03-20 | 2019-09-06 | 天津大学 | 一种新型气体绝缘超导输电管道 |
-
1995
- 1995-10-03 JP JP7279749A patent/JPH09102224A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE202012008574U1 (de) | 2011-09-09 | 2012-10-08 | Ferenc Bölcskei | Reinheitseinlage für WC-Becken |
| CN110211743A (zh) * | 2019-03-20 | 2019-09-06 | 天津大学 | 一种新型气体绝缘超导输电管道 |
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