JPH11506260A - 撚られた電気導体を有する交流ケーブル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 交流ケーブルは中央に保持体（４）を有する少なくとも１つのケーブル心線を有し、保持体の周りに少なくとも３つの導体層（Ｌ_j）に常伝導または超伝導導体（３）が撚られて配置されている。導体は好ましくは高‐Ｔｃ超伝導体材料を有する。本発明によれば、個々の導体層（Ｌ_j）の撚り角度（α_j）は、それらが半径方向に見て層かち層へ段階的に層から層へ増大または減少するように選ばれていなければならない。ケーブル心線は有利には電流往線および電流復線の同心の配置を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 撚られた電気導体を有する交流ケーブル 本発明は、少なくとも１つのケーブル心線を有する交流ケーブルを有し、中央 の保持体の周りに少なくとも３つの導体層にらせん状に所定の撚り角度を有する 電気導体が配置されている交流ケーブルに関する。このようなケーブルはたとえ ばドイツ特許第3811051 号明細書から知られている。 導体材料として超伝導性の金属酸化化合物を含んでいる電気導体を有する交流 ケーブルの開発には現在特別な関心が寄せられている。好ましくは７７Ｋを越え る高い跳躍温度Ｔ_cを有し、従って液体窒素により常圧で冷却することのできる このような超伝導金属酸化化合物は一般に知られている。従ってこれらの化合物 は高Ｔ_cまたは高温超伝導材料（略してＨＴＳＬ材料）とも呼ばれる。相応の金 属酸化化合物は特に、たとえば物質系Ｙ‐Ｂａ‐Ｃｕ‐Ｏまたは（Ｂｉ，Ｐｂ） Ｓｒ‐Ｃａ‐Ｃｕ‐Ｏをベースとするキュプレート（Ｃｕｐｒａｔｅ）である。 これらのＨＴＳＬ材料から、わずかな損失および小さい断面積で電気エネルギ ーを伝送するための交流ケーブルの超伝導性のケーブル心線を構成し得る導体が 製造される。超伝導ケーブルを採用すれば、その冷却のための冷却設備における エネルギー消費を含めて交番磁界損失が比較可能な常伝導ケーブルにおける損失 よりも小さいかぎり、公知の常伝導ケーブルにくらべて経済的な利点が得られる 。 ケーブルモデルにおける見積および損失測定から、この目標は、予定されてい る通電能力に対してたとえば帯状のＨＴＳＬ素導体の多数の層を有するケーブル 心線が必要とされる場合には、容易には達成できないと予想される。その原因と しては、超伝導体におけるおよびそれからの固有磁界の損失を伴う磁束運動と、 導体の金属成分中に誘起される渦電流にあることが判明した。 実験により支持されている公知の損失理論によれば、超伝導体の導体表面にお ける磁界は可能なかぎり小さく選ばれなければならない。しかしこのことは交流 ケーブルに応用すると、ケーブル心線の直径を、電流が個々の超伝導体を有する 単層の層により担われるまで、大きくしなければならないことを意味する。しか し、このことは −製造、輸送および布設の際の小さい湾曲可能性または大きい許容半径、 −電気絶縁体における大きい体積、大きい誘電損失および大きいキャパシタンス −超低温シースの大きい表面および冷却材へのかなりの熱搬入 に関する問題に通ずる。 しかし、これらの問題を解決するための対策はこれまでに知られていない。 従って本発明の課題は、冒頭に記載した特徴を有する交流ケーブルを、特に超 伝導材料を使用する際の前記の問題の少なくとも大部分が生じないように構成す ることにある。本発明による交流ケーブルは常伝導性の導体に対しても適用され るものとする。 この課題は、本発明によれば、個々の導体層における導体の撚り角度が、半径 方向に最も内側の導体層の第１の値と半径方向に最も外側の導体層の第２の値と の間で段階的に層から層へ増大もしくは減少することにより解決される。 本発明では、撚り角度αにより撚られた導体から成るただ１つの単一層を有す るケーブル心線において電流Ｉがらせん軌道をたどり、またケーブル心線の軸線 （ｚ方向）に沿う軸線方向成分Ｉ_z＝Ｉ・ｃｏｓαの他に周縁方向の方位成分Ｉ φ＝Ｉ・ｓｉｎαも有するという事実から出発している。すなわち、電流負担Ｊ を有する個別層は磁界の２つの成分を発生する。 −導体層の周りの（半径ｒ＞Ｒを有する）外部空間では磁界は純粋に方位角成分 である。 Ｈφ＝Ｊ_zＲ／ｒ＝Ｊ・ｃｏｓα・Ｒ／ｒ −導体層により囲まれる（半径ｒ＜Ｒを有する）内部空間では磁界は均等であり 、 ケーブル軸線ｚに沿って方向付けられている。 Ｈ_z＝Ｊφ＝Ｊ・ｓｉｎα その際に α 個々の超伝導体とケーブル軸線方向（ｚ方向）との間の撚り角度 Ｒ 単一の導体層の半径 Ｊ＝Ｉ／（２πＲ・ｃｏｓα） 導体表面上の電流負担（帯状の個別導体におけ る帯幅あたりの電流） である。 このような単層のケーブル心線では交流磁界損失は外側表面における磁界成分 Ｈφ（Ｒ）＝Ｊ_z＝Ｉ／（２πＲ） により惹起される。これに対して多層に撚られたケーブル心線では個々の導体層 の磁界の大きさの重畳が考慮に入れられなければならない。ここで磁界の和は外 部にφ成分だけ、また内部にｚ成分だけを有する。しかし隣接する導体層の間の 中間空間には両方の磁界成分が存在している。 さて、中間空間におけるこれらの両方の磁界成分に起因する交流磁界損失が交 流ケーブルの多層のケーブル心線に対する本発明による撚りコンセプトにより、 磁束が導体を越えて外部から個々の層の間に存在している中間空間に入り込まな いことによって、少なくとも大幅に減ずることが認識されている。それにより有 利なことに、それと結び付けられる比較的高い損失も生じない。これらの考察は 特にＨＴＳＬ材料を有する超伝導性の導体に対しても常伝導性の導体に対しても 当てはまる。 本発明による交流ケーブルの有利な実施態様は従属請求項から明らかである。 以下、図面を参照して本発明を一層詳細に説明する。 図１および図２は個々のケーブル心線の撚りの一部分の斜視図および切断図を 、 図３は同心の往線および復線を有するケーブルの横断面図を、また 図４はこのケーブルの斜視図をそれぞれ概略的に示す。 その際に図面中で対応する部分には同一の符号が付されている。 図１および図２には、好ましくは中実または中空の円筒状の軸線Ａを囲む保持 体４の上に個々の並び合って位置している導体３の第１の層Ｌ₁を有する本発明 による交流ケーブルのケーブル心線２が示されている。軸線Ａはｚ座標の方向を 有する。導体材料としてこの実施例では特に７７Ｋを越える高い跳躍温度Ｔ_cを 有する超伝導材料が選ばれている。ワイヤまたは帯状の超伝導体３は好ましくは ＡｇまたはＡｇ合金から成る常伝導性マトリックスに埋め込むことのできるたと えば（Ｂｉ、Ｐｂ）₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_xのようなＨＴＳＬ材料を含んでいる。 ＨＴＳＬ材料は常伝導性保持体の上に層の形態で被覆することもできる。超伝導 体は単心導体または多心導体（＝マルチフィラメント導体）として構成でき、 その際に丸いまたは好ましくは平坦な断面形状を有する。たとえば銀から成るマ トリックス中にほぼ楕円形断面の少なくとも１９本のフィラメントを有するＨＴ ＳＬ‐マルチフィラメント‐平形ワイヤを設けることができる。銀含有マトリッ クス材料は０．１ないし４％のビスマス、鉛、アンチモン、アルミニウムまたは 錫と合金することもできるが、その際に７７Ｋにおいて少なくとも１０^-6Ω・ｃ ｍの固有電気抵抗を有していなければならない。相応の多心導体は１ｃｍ〜１０ ｃｍの“ツイスト（Ｔｗｉｓｔ）”長を有する撚られた導体コア（フィラメント ）を有することができる。帯状の超伝導体では幅対厚みの比は好ましくは１０： １〜５０：１である。 多数の並び合って延びている相応の超伝導性の単心または多心導体３から成る 半径方向に最も内側の導体層Ｌ₁においてこれらの導体はそれぞれ所定の撚り長 ｌ₁をもってねじ状またはらせん状に配置されていなければならない。その場合 保持体４の直径ｄに関係して、各超伝導体３の長手方向と保持体４の長手方向（ 軸線方向ｚ）との間に所定の撚り角度α₁が生ずる。 層Ｌ₁の周りに、有利には層Ｌ₁の個別導体に相応する超伝導体３から成る少な くとも２つの別の図１および２中に概略のみを示されている層Ｌ_jが配置されて いる。（添字ｊに対しては１≦ｊ≦Ｎ、ここでＮ≧３が当てはまる）。その際に 薄い電気絶縁材５を隣接する導体層の間に設けることができる。しかしまたこれ らの層の間に薄い導電層を設けることも可能である。この層は１０^-2Ω・ｃｍ〜 １０^-6Ω・ｃｍの面抵抗を有するたとえばカーボン紙から成る導電性の悪い材料 から成っていてよい。本発明によれば、前記の別の層Ｌ_jの超伝導体３に対して 所定の撚り長ｌ_j、従ってまたそれに関係する撚り角度α_jが設定されなければな らない。その際撚り長ｌ₁およびｌ_jまたは撚り角度α₁およびα_jに対する具体的 な値は本発明によれば、ケーブルの輸送電流が少なくとも近似的に均等にすべて の導体層Ｌ_jここで（１≦ｊ≦Ｎ）に分布するように選ばれる。すなわち、超伝 導体３のＮ（≧３）のケーブル心線２において、これらの層の各々は少なくとも ほぼ均等な電流負担Ｊ_j＝Ｊを有していなければならない。その際に第ｊの導体 層Ｌ_jの電流負担Ｊ_jとは、それぞれ導体層Ｌ_jの周囲長およびこの層における導 体の撚り角度α_jのコサインに対する全電流を意味する。すなわち Ｊ_j＝Ｉ_ges／（２πｒ_j・Ｎ・ｃｏｓα_j） ここでＩ_ges＝すべてのケーブル心線中の全電流 ｒ_j＝導体層Ｌ_jの平均半径 が成り立つ。 このことは、本発明によれば、半径方向に導体層を考察する際に撚り角度α_j の値が、角度変化Δα_j＝α_j+1−α_jの極性符号の切換が生ずることなしに、層 から層へ段階的に変化することにより達成される。すなわち、最も内側の導体層 から最も外側の導体層へ向かって撚り角度α_jは常に１つの方向にのみ変化する 。まさにこのことは公知のケーブルコンセプトとは事情が異なる（たとえばドイ ツ特許出願公開第 1814036号またはヨーロッパ特許出願公開第0623937 号明細書 参照）。本発明によるケーブルでは、α_jは、好ましくは、最初の層の負の値α₁ から最後の層の正の値α_Nへ段階Δα_jで増大し、または反対方向に正の値α_Nか ら負の値α₁へ減少する。その際に隣接する導体層Ｌ_jとＬ_j+1との間の角度変化 Δα_jは必ずしも等大である必要はない。個々の導体層Ｌ_jに対する量ｌ_jまたは α_jの具体的な値は一般に実験的に求められる。 方向ｚ（たとえば往方向）にのみ電流の流れを有する図１および図２中に概要 を示されているケーブル心線２において、個々の導体層Ｌ_jの撚り長ｌ_jまたは撚 り角度α_jが少なくとも近似的に下記の数式を満足すると特に有利である。 その際に Ｒ すべての導体層Ｌ_jの全体の平均半径、 Ｈ_z／Ｊ 電流負担Ｊ_j＝Ｊあたりのケーブル心線２の内部における軸線方向 の磁界Ｈ_z、 ΔＲ 個々の導体層の間の半径方向の間隔（この間隔は個別導体３の厚み と場合によっては存在する層絶縁材５の厚みとの和に相当する）、 ｊ それぞれの導体層Ｌ_jの添字、 Ｎ ケーブル心線のすべての導体層の全数 を表す。 上記の回帰式の分母中に値Ｈ_z／Ｊは既にすべての検出すべき角度α_jを含んで いるので、上記の式は反復法で解かれなければならない。各々の予め与えられる （軸線方向ｚの）値Ｈ_z／Ｊに対して、角度（α_j）のそれぞれ１つの組が得られ る。一般に、たとえば１つの電流案内方向のみを有する本発明による交流ケーブ ルでは撚り角度α_jは半径方向に内側から外側へ観察して段階的に層から層へと 増大のみ、もしくは減少のみをすることが確かめられる。 ４層および６層のケーブル心線を有するいくつかの実施例に対する撚り角度α_j は下記の表１に示されている。その際にただ１つの往線が考察されている。示 されている撚り角度はケーブル心線の結合体全体の機械的安定性の理由から選ば れた。導体層、たとえば選ばれた実施例による平均導体層の小さい角度は相応に 大きい撚り長を意味するので、ケーブル心線の製造の際にはそこに場合によって は個々の超伝導体の固定に関する問題が生じ得よう。しかし、完成したケーブル 心線では最も外側の層は常に最も短い撚り長を有し、またこうしてさらに内側に 位置する導体層がしっかり保持される。 表中に示されている値では２ΔＲ／Ｒ＝０．０２が仮定された。 図１および図２の基礎となっている実施例では、ケーブル２がたとえばただ１ つの往線であるように交流電流をその軸線Ａの方向にのみ導くべきであることが 前提となっている。その結果復線も必要である。特に三相交流伝送のための交流 ケーブルでは、一般に外方に電気的および磁気的に中性のケーブル心線が望まし い。従って各相の電流は同心の外側導体上で戻される。その場合各ケーブル心線 の外側に磁界は存在しない。往線および復線を有する超伝導体ケーブルでは相応 の配置が不可欠である。さもなければ平行に位置している相線の漂流磁界が撚り 線の個別導体の間の追加的な平衡電流を誘起するであろう。その場合に超伝導性 の個別導体に対して垂直な不可避の交流磁界成分は是認できない高い損失を惹起 するであろう。さらに追加的な渦電流損失が金属材料から成る超低温ジャケット に生ずるおそれがある。 図３は相応の交流ケーブル心線７を通る概略断面図を示す。ケーブル心線は、 その導体層Ｌ_jからの巻線の平均半径Ｒ_iを有する内側導体８と、それに対して同 心にその導体層Ｌ_j′からの巻線の平均半径Ｒ_aを有する外側導体９とを含んでい る。その際に外側導体の導体層中の電流負担は内側導体の導体層中の電流負担に 対して反対に、すなわち−Ｊでなければならない。内側導体８もしくは外側導体 ９もしくはすべての両導体はその際にらせん状に図面中には概要のみを示されて いる保持体４または４′の周りに巻かれた電気個別導体３から成る少なくとも３ つの導体層を有していなければならない。少なくとも３つの導体層Ｌ_jまたはＬ_j ′を有するこれらの導体８および／または９の各々に対して、個々の導体層にお ける個別導体の撚り角度αが、半径方向に最も内側の導体層の第１の値と半径方 向に最も外側の導体層の第２の値との間で段階的に層から層へ増大もしくは減少 するように選ばれていなければならないという本発明による規則が当てはまる。 図３を基礎とされる実施例によれば内側導体８のみが少なくとも３つの導体層、 すなわち５つの導体層Ｌ₁ないしＬ₅を有し、他方において外側導体９はただ２つ の導体層Ｌ₁′およびＬ₂′から形成されるので、ここでは本発明による規則はも ちろん内側導体に対してのみ当てはまる。すなわち本発明による交流ケーブルは 、３つよりも多い導体層Ｌ_jを有する内側導体と、３つよりも少ない導体層Ｌ_j′ 、たとえば２つまたはただ１つの導体層を有する外側導体とを有する。内側導体 の導体層Ｌ_jはその際に半径方向に内から外へ数えられ、他方において外側導体 の導体層Ｌ_j′は反対方向に数えられる。内側導体の内部空間１１ では内側および外側導体の軸線方向の磁界の重畳Ｈ_zi＋Ｈ_zaが作用し、内側導体 と外側導体との間のたとえば保持体４′の材料で満たされている中間空間１２で は外側導体の軸線方向の磁界Ｈ_zaのみが作用する。またそこには、内側導体から 発生される方位角磁界Ｈφ_iも作用する。外部空間１３は無磁界である（Ｈφ＝ Ｈ_z＝０）。 図４は内側導体８および外側導体９を有する本発明による交流ケーブルの相応 に撚られたケーブル心線１５を示す。内側導体は、保持体４を同心に囲み層絶縁 材５により互いに間隔をおかれている６つの導体層Ｌ_j（ｊ＝１…６２）を有す る。導体層Ｌ_iから成る巻線を囲む、たとえば電気絶縁の形態の別の保持体４′ は図示の実施例によれば外側導体９のただ２つの同心の相応に間隔をおかれた導 体層Ｌ_j′（ｊ＝１および２）を保持する。図面からわかるように、内側および 外側導体のすべての導体層はそれぞれ相い異なる撚り角度α_jまたはα_j′を有し 、その際に内側および外側導体に対する相い異なる数え方を考慮に入れてそれぞ れ負の角度から段階的に正の角度へ移行される。しかしこの規則性は常に必要な ものではない。段階的な角度変化は逆の方向に行われてもよい。 図３および図４の基礎とされているような同心の往線および復線を有するケー ブルコンセプトの際に、往線に対する撚り角度α_jを求めるための前記の数式は 、復線が往線から十分に大きい距離に位置し従って復線の場所における復線の磁 界が無視可能な値に低下している場合対してのみ正確に成り立つ。この考察の際 に往線および復線の機能はもちろん交換されていてもよい。しかし一般に、同心 の往線および復線を有する本発明による交流ケーブルでは層Ｌ_jから層Ｌ_j+1への 角度変化Δα_Jが常に等しい極性符号を有することが確認される。その際層の数 え方は図３および図４により説明したように行われる。さらに内側および外側導 体の層Ｌ₁の導体の回転方向が一般に等しい極性符号を有すること、すなわちα_{L i} おα_Laが共に正または負であることが確認される。 以上に説明した実施例によれば、本発明による交流ケーブルの電気導体がＨＴ ＳＬ材料から成る少なくとも１つの導体心線を有する導体であるべきことを前提 とした。これに対して選ぶべき特別な撚り角度の選定に関する措置は確かにこの ような材料から成る導体に対して特に有利であると考えられる。しかしこれらの 角度の基礎となっている考察は同じく、液体Ｈｅ冷却技術を必要とするＮｂＴｉ またはＮｂ₃Ｓｎのようないわゆる古典的な超伝導体材料を有する導体に対して も同じく当てはまる。 さらに、本発明による措置はたとえばＣｕまたはＣｕ合金から成る常伝導性の 導体を有する交流ケーブルにも有利に応用され得る。なぜならば、これらの措置 によりこれらの材料から成る導体における電流駆逐効果（表皮効果）に基づく交 流損失の上昇が避けられるからである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．中央の保持体を有する少なくとも１つのケーブル心線を有する交流ケーブル であって、保持体の周りに少なくとも３つの導体層にらせん状に所定の撚り角度 を有する電気導体が配置されている交流ケーブルにおいて、個々の導体層（Ｌ_j 、Ｌ_j′）における導体（３）の撚り角度（α_j、α_j′）が、半径方向に最も内 側の導体層（Ｌ_l）の第１の値（α_l）と半径方向に最も外側の導体層（Ｌ_N）の 第２の値（α_N）との間で段階的に層から層へ増大もしくは減少することを特徴 とする交流ケーブル。 ２．導体が超伝導材料から成ることを特徴とする請求項１記載のケーブル。 ３．導体（３）が高‐Ｔc 超伝導体材料から成ることを特徴とする請求項２記載 のケーブル。 ４．導体（３）の高‐Ｔc 超伝導体材料がＡｇまたはＡｇ合金から成るマトリッ クスに少なくとも１つのコアの形態で存在していることを特徴とする請求項３記 載のケーブル。 ５．導体が常伝導材料から成ることを特徴とする請求項１記載のケーブル。 ６．ケーブル心線（２）が１つの方向（ｚ）に交流電流を導くために設けられて いることを特徴とする請求項１ないし５の１つに記載のケーブル。 ７．以下の式 ここで その際に １_J 第ｊの導体層（Ｌ_j）の導体（３）の撚り長 α_J 第ｊの導体層（Ｌ_j）の導体（３）の撚り角度 Ｈ_z ケーブル心線（２）の内部の軸線方向磁界 Ｊ 各導体層（Ｌ_j）の電流負担 Ｒ すべての導体層（Ｌ_j）の全体の平均半径 ΔＲ 隣接する導体層の平均半径の間の差 および Ｎ ケーブル心線（２）の導体層（Ｌ_j）の数 が少なくともほぼ満足されることを特徴とする請求項６記載のケーブル。 ８．内側の電流往線（８）およびその周りに同心に配置されている電流復線（９ ）を有する少なくとも１つのケーブル心線（７、１５）を有し、その際にこれら の導体（８、９）の少なくとも１つが少なくとも３つの導体層（Ｌ_jまたはＬ_j′ ）を有することを特徴とする請求項１ないし５の１つに記載のケーブル。 ９．内側の電流往線（８）が３つの導体層（Ｌ_j）を、また外側の電流復線（９ ）が２つの導体層（Ｌ_j′）を有し、また両導体（８、９）において角度変化が 層から層へそれぞれ等しい極性符号を有することを特徴とする請求項８記載のケ ーブル。 １０．内側の電流往線（８）の最も内側の導体層（Ｌ_l）の電気導体（３）の回 転方向と外側の電流復線（９）の最も外側の導体層（Ｌ_l′）の電気導体（３） の回転方向とが等しいことを特徴とする請求項８または９記載のケーブル。 １１．導体（３）が線状または帯状の形態を有することを特徴とする請求項１な いし１０の１つに記載のケーブル。 １２．帯状の導体（３）の幅対厚みの比が１０：１〜５０：１であることを特徴 とする請求項１１記載のケーブル。 １３．隣接する導体層（Ｌ_j、Ｌ_j′）の間に絶縁または導電材料から成る層（５ ）が配置されていることを特徴とする請求項１ないし１２の１つに記載のケーブ ル。