KR101306519B1 - 초전도 케이블 코어 및 초전도 케이블 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 도체와, 초전도 도체의 외주를 덮는 절연층을 구비하는 초전도 케이블 코어에 있어서, 초전도 케이블 코어가, 길이 방향으로 케이블부와, 케이블부의 양 단부에 위치하여, 다른 도체 부재와 접속하였을 때에 보강 절연 구조가 형성되는 접속 구조 형성부로 구분되고, 접속 구조 형성부는 초전도 케이블 코어 중 적어도 초전도 케이블 코어의 단부로부터 보강 절연 구조의 단부까지의 범위이고, 접속 구조 형성부에 있어서의 절연층의 절연 성능을, 케이블부에 있어서의 절연층의 절연 성능보다 높게 함으로써, 케이블 자체에 충분히 여유도가 있는 절연 설계를 실시할 수 없는 경우이더라도, 높은 신뢰성의 접속부를 형성할 수 있는 초전도 케이블 코어를 제공한다.

Description

초전도 케이블 코어 및 초전도 케이블{SUPERCONDUCTING CABLE CORE AND SUPERCONDUCTING CABLE}

본 발명은 초전도 케이블 코어 및 이 초전도 케이블 코어를 사용한 초전도 케이블의 구조에 관한 것이다. 특히, 초전도 케이블끼리를 접속하는 중간 접속부 또는 초전도 케이블과 다른 전력기기를 접속하는 종단 접속부에 있어서, 절연 성능이 좋은 초전도 케이블 코어 및 초전도 케이블의 구조에 관한 것이다.

최근 전력 케이블로서 상전도(常電導) 케이블보다 송전 용량이 높은 초전도 케이블을 이용하는 것이 제안되어 있다. 초전도 케이블로서는, 예를 들어 특허문헌 1에 기재된 바와 같은 3심의 초전도 케이블 코어를 합쳐서 꼬아 단열관에 수납한 구성의 초전도 케이블을 들 수 있다.

이 초전도 케이블 코어는, 중심부터 순서대로 포머, 초전도 도체, 절연층, 외부 도체층, 보호층을 구비하고 있다. 통상, 초전도 도체 및 외부 도체층은 모두 초전도 선재로 형성되어 있다. 또, 절연층은 절연지를 권회하여 구성되고, 원하는 절연 성능을 확보하고 있다. 이들 초전도 도체, 절연층, 외부 도체층은 케이블 코 어의 전체길이에 걸쳐서 균일한 두께를 갖고 있다.

한편, 단열관은 내관과 외관으로 이루어지는 이중관 사이에 단열재가 배치되고, 또한 이중관 내가 진공배기된 구성이다. 또한, 단열관의 외측에는 방식층(防食層)이 형성되어 있다. 이와 같은 초전도 케이블에 있어서, 통상 내관과 케이블 코어로 둘러싸이는 공간이 냉매의 유로가 된다.

초전도 케이블 코어는 냉매에 의하여 극저온으로 냉각되어 수축되기 때문에, 이 수축에 의하여 초전도 선재에 장력이 작용하여 초전도 선재가 손상되는 일이 있다. 이 때문에, 다심 코어의 초전도 케이블에서는 각 코어의 꼬임을 느슨하게 하여 단열관 내에 배치함으로써 케이블 코어의 수축 여유분을 확보하고 있다.

이와 같은 초전도 케이블을 이용하여 장거리에 걸친 선로를 구축하는 경우, 선로의 도중에서, 다른 케이블로부터 인출한 케이블 코어끼리를 접속하는 중간 접속부나, 선로의 단부에서 다른 전력기기(상전도 도체 등의 도전 부재)에 접속하는 종단 접속부가 필요하게 된다(이하에서는 중간 접속부 및 종단 접속부를 간단하게 접속부라 함). 이들 접속부에서는 초전도 케이블 코어의 단부를 단(段) 벗기기 하여 초전도 도체를 노출시킨다. 다음으로, 노출시킨 초전도 도체와, 이 초전도 도체와 동일하게 하여 노출시킨 다른 도전 부재를 접속한다. 그리고, 노출시킨 도체의 외주와 그 근방을 덮도록 보강 절연 구조를 형성한다. 통상, 보강 절연 구조의 양 단부에서는 단부를 향하여 끝이 가늘어지는 스트레스콘부를 형성하여, 접속부에서의 전계의 집중을 완화하고 있다.

특허문헌 1 : 일본 공개특허 제 2006-59695 호 공보(도 5)

발명이 해결하고자 하는 과제

그런데, 초전도 케이블은 이미 상전도 케이블이 설치되어 있는 기존의 관로에 상전도 케이블 대신에 포설되는 것이 검토되고 있다. 이와 같은 사정 때문에, 초전도 케이블은 이미 관로 직경이 정해져 있는 관로에 인입 가능하도록 외경이 제약되어 있는 것을 생각할 수 있다. 그에 따라, 케이블 코어의 외경도 제약을 받아, 두꺼운 절연층을 설치하기가 곤란하기 때문에, 케이블 코어 자체에 충분한 여유도를 갖고 절연 설계하기가 어렵다.

또, 이와 같은 초전도 케이블을 사용하여 접속부를 형성하였을 경우, 접속부의 절연 설계에 여유도를 확보하기는 한층더 곤란해진다. 원래 접속부에서는 초전도 케이블 코어의 단부의 단 벗기기 된 부분에 전계가 국부적으로 집중되어 전기적 약점이 되는 부분이 생기기 쉽다. 특히, 보강 절연 구조에 있어서의 스트레스콘부의 일어선 부분에 전계가 집중되어, 그 부분에 충분한 설계 여유도를 취할 수 없는 일이 있다. 그 때문에, 보다 신뢰성이 높은 접속부를 형성할 수 있는 초전도 케이블의 개발이 요구되고 있다.

그래서, 본 발명의 주된 목적은, 케이블의 외경에 제약이 있는 경우이더라도, 신뢰성이 높은 접속부를 형성할 수 있는 초전도 케이블 코어를 제공하는 데에 있다. 또, 본 발명의 다른 목적은 이 초전도 케이블 코어를 이용한 초전도 케이블 및 초전도 케이블 선로를 제공하는 데에 있다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명은 케이블 코어의 단부를 다른 부분과 다른 절연 구조로 함으로써 상기의 목적을 달성한다.

본 발명의 초전도 케이블 코어는, 초전도 도체와, 초전도 도체의 외주를 덮는 절연층을 구비한다. 본 발명의 초전도 케이블 코어는, 길이 방향으로 케이블부와, 케이블부의 양 단부에 위치하여, 다른 도전 부재와 접속했을 때에 보강 절연 구조가 형성되는 접속 구조 형성부로 구분된다. 여기서, 접속 구조 형성부는 초전도 케이블 코어 중 적어도 초전도 케이블 코어의 단부부터 보강 절연 구조의 단부까지의 범위이다. 그리고, 접속 구조 형성부에 있어서의 절연층의 절연 성능(전기 절연 성능)을, 케이블부에 있어서의 절연층의 절연 성능(전기 절연 성능)보다 높게 한 것을 특징으로 한다.

보강 절연 구조란, 접속부에 있어서 단 벗기기에 의하여 노출된 초전도 도체와 그 근방의 외주를 덮는 절연 부재로 형성된 구조를 가리킨다. 보강 절연 구조는, 초전도 케이블 코어의 초전도 도체와 절연층의 외주 중, 적어도 단 벗기기 된 부분 전체를 덮도록 형성된다. 또, 보강 절연 구조는 통상, 양 단부를 향하여 끝이 가늘어지는 테이퍼 형상으로 형성된 스트레스콘부를 갖고 있고, 스트레스콘부의 일어선 부분(보강 절연 구조의 단부)은 단 벗기기 되어 있지 않은 절연층의 외주에 위치한다. 따라서, 스트레스콘부가 형성되어 있는 경우, 본 발명에 있어서의 초전도 케이블 코어의 접속 구조 형성부는, 적어도 초전도 케이블 코어의 단부로부터 스트레스콘의 일어선 부분까지를 가리킨다. 그리고, 초전도 케이블 코어 중 상기 접속 구조 형성부 이외의 부분이 케이블부이다.

이와 같이, 초전도 케이블의 단부에 위치하는 접속 구조 형성부를 케이블부와 다른 절연 구조로 형성할 수 있는 것은, 초전도 케이블의 경우, 접속부의 형성에 이용되는 케이블 단부를 특정할 수 있기 때문이다.

상전도 케이블의 경우, 임의의 부분에서 절단하여 접속부를 형성할 수 있다. 그 때문에, 케이블 선로의 단위 길이에 정확하게 맞춰서 케이블을 제조하고 있는 것이 아니라, 케이블 출하시에 케이블 단부가 특정되어 있다고는 할 수 없다. 한편, 초전도 케이블은 통상, 진공 단열 구조의 단열관을 구비하고 있다. 이 단열관을 임의의 위치에서 절단하면, 그 진공상태가 파괴되어 버리기 때문에, 초전도 케이블은 선로의 단위 길이에 맞춰서 정확하게 길이를 정하여 제조된다. 그 때문에, 초전도 케이블에서는 케이블의 단부가 특정되어 있어, 접속부의 형성에 이용되는 케이블 단부의 절연 특성을 다른 부분과 바꾸는 것을 비교적 용이하게 할 수 있다.

그리고, 케이블 코어에 있어서의 접속 구조 형성부의 절연 성능(전기 절연 성능)을 케이블부의 절연 성능(전기 절연 성능)보다 높게 함으로써, 접속부를 형성했을 때에, 그 접속부에 더 큰 설계 여유도를 갖게 할 수 있다.

초전도 케이블 코어의 접속 구조 형성부에 있어서의 절연 성능(전기 절연 성능)을 케이블부의 그것보다 높게 하기 위해서는, 예를 들어, 접속 구조 형성부에 있어서의 절연층의 두께를 두껍게 하여 초전도 도체와 외부 도체층의 절연 거리를 확보하거나, 보강 절연 구조의 스트레스콘부에 전계가 집중되지 않도록 구성하면 된다.

전자의 경우, 가장 간단하게는 접속 구조 형성부의 절연층에 테이프 형상 절연부재를 더 감는 것을 들 수 있다. 이 구성에 의하여, 케이블 단부의 절연 성능이 보강되어, 접속부를 형성했을 때, 그 접속부에 더 높은 절연 설계 여유도를 갖게 할 수 있다.

후자의 경우, 대표적으로는 초전도 도체의 바로 위의 위치에, 다른 부분보다 유전율(ε)이 높은 절연성의 층을 배치하는 것을 들 수 있다. 구체적으로는 절연층을 주 절연층과 초전도 도체 바로 위의 내부 절연층으로 구분하고, 내부 절연층에 있어서의 유전율을 주 절연층에 있어서의 유전율보다 높게 한다.

이와 같이 함으로써, 절연층 중, 도체에 근접하여 높은 전계 강도가 되는 부분의 전기 스트레스를 완화할 수 있다. 그에 따라, 케이블의 접속부에서는, 스트레스콘의 절연 설계에 한층 더 여유도를 갖게 할 수 있다. 바람직하게는, 다시 주 절연층을 유전율이 다른 층으로 분할하고, 초전도 도체 바로 위부터 순서대로 유전율(ε)이 높음 → 중간 → 낮음으로 늘어서도록 하는, 이른바 ε 그레이딩을 실시하면 된다.

그런데, 전력 케이블(초전도 케이블이나 상전도 케이블)로 송전을 행하는 경우, 음극성의 천둥 임펄스(lightning impulse) 또는 개폐 임펄스가 케이블 선로에 인가되어, 절연층의 외주에 설치되는 외부 도체층(실드층)의 바로 아래의 위치가 최대 전계 강도가 될 가능성이 있다. 따라서, 본 발명의 초전도 케이블 코어는, 상기한 가능성을 고려한 구성을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 내부 절연층에 부가하여, 절연층의 외주에서 외부 도체층의 바로 아래에 유전율(ε)을 주 절연층보다 높게 한 외부 절연층을 설치하는 것을 들 수 있다. 내부 절연층과 외부 절연층의 양쪽을 설치하여 ε 그레이딩을 형성하는 경우에는 내부 절연층, 주 절연층, 외부 절연층의 유전율(ε)을 각각 높음, 중간, 높음으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 주 절연층을 복수 층으로 분할하여 ε 그레이딩을 실시해도 된다.

그 외에, 본 발명의 케이블 코어는 직류 초전도 케이블, 교류 초전도 케이블 중 어느 것에나 적용할 수 있다. 직류 송전을 상정한 초전도 케이블이라면, 초전도 도체 바로 위의 위치에 있는 내부 절연층의 저항율(ρ)을, 절연층의 다른 부분(예를 들어, 주 절연층)에 있어서의 저항율(ρ)과 다르게 하는 것이 바람직하다. 초전도 도체 바로 위의 내부 절연층의 저항율(ρ)은, 다른 부분에 있어서의 저항율(ρ)보다 낮아도 되고 높아도 되며, 절연층 전체에서 단계적으로 저항율(ρ)이 변화되도록 하면 된다. 특히, 내부 절연층의 저항율(ρ)을 다른 부분에 있어서의 절연층의 저항율(ρ)보다 낮게 하였을 경우, 내부 절연층을 포함하는 절연층 전체에서 전계를 평활화할 수 있으므로 바람직하다. 초전도 도체 바로 위에 저항율(ρ)이 낮은 절연층을 형성하는 경우, 대표적으로는 도체 바로 위부터 순서대로 저항율(ρ)이 낮음 → 중간 → 높음으로 늘어서도록 하는, 이른바 ρ 그레이딩을 실시하는 것을 들 수 있다.

상기 ρ 그레이딩은 ε 그레이딩과 조합해도 된다. 이 경우, 예를 들어 도체 바로 위에 고ε 저ρ인 층을 배치하고, 도체로부터 떨어진 위치에는 저ε 고ρ인 층을 배치한다. 이와 같은 구성을 갖는 초전도 케이블에 의하면, 직류 및 교류 중 어느 경우이더라도 절연 성능이 좋은 초전도 케이블 선로로 할 수 있다. 따라서, 한번 포설한 초전도 케이블 선로를 어느 송전 형식에서나 안전하게 운전할 수 있다. 예를 들어, 교류 송전에 사용하고 있던 초전도 케이블을 직류 송전으로 전환할 때에, 케이블의 재포설을 행할 필요가 없는 것은 물론, 접속부 등에 절연 성능을 향상시키는 보강도 행하지 않아도 된다.

ε 그레이딩이나 ρ 그레이딩을 실시하기 위해서는, 각 절연층을 구성하는 절연 부재의 재질을 변화시키는 것을 들 수 있다. 대표적으로는 절연층을 테이프 형상의 절연 부재에 의하여 형성하면, 각 층에 있어서의 유전율(ε)나 저항율(ρ)을 조절하기 쉽다. 예를 들어, 크라프트지는 그 기밀도를 높게 하면 고ρ 고ε가 된다. 일반적인 크라프트지의 저항율(ρ)(20℃)은 1O¹⁴∼1O¹⁷Ω·cm 정도, 유전율(ε)은 3.2∼3.7 정도이다. 한편, 크라프트지에 플라스틱 필름을 라미네이트한 복합지(예를 들어, PPLP : 스미토모덴키고교주식회사의 등록상표)는 복합지 전체에 대한 플라스틱의 비율을 높게 함으로써, ρ가 높아지고 ε가 낮아진다. 예를 들어, 복합지 전체의 두께에 대한 플라스틱 필름의 비율(k)이 60%인 복합지의 저항율(ρ)(20℃)은 10¹⁷∼10¹⁹Ω·cm 정도, 유전율(ε)은 2.5∼3.0 정도, 그 비율(k)이 8O%인 복합지의 저항율(ρ)(2O℃)은 1O¹⁸∼10²⁰Ω·cm 정도, 유전율(ε)은 2.0∼2.5 정도이다. 이와 같은 성질을 고려하여, 원하는 특성을 갖는 절연층을 형성하면 된다.

접속 구조 형성부에 더 감는 테이프 형상 절연 부재는 테이프 1매분의 두께 때문에 절연 성능의 향상에 효과가 있다. 예를 들어, 두께가 약 125㎛인 PPLP이더라도, 이 두께만큼 내부 절연층을 형성한 것만으로도 접속 구조 형성부에 있어서의 절연 성능의 향상이 확인된다. 더 감는 테이프 형상 절연 부재의 층수는 더 감는 수고 등을 고려하여 1∼5층 정도로 하면 된다. 바람직하게는, 높은 전계가 작용하는 부분의 테이프 형상 절연 부재의 층수를 더 많게 한다. 예를 들어, 내부 절연층이라면 케이블 코어의 단부 근방을 다른 부분보다 두껍게 형성하는 것을 들 수 있다. 또, 외부 절연층이라면 스트레스콘부의 일어선 부분을 두껍게 형성하는 것을 들 수 있다.

접속 구조 형성부에 있어서의 절연층의 두께를 조절하기 위해서는, 대표적으로는 접속 구조 형성부에 있어서의 절연 부재의 중첩 여유분을 조절하면 된다. 여기서, 중첩 여유분이란, 테이프 형상의 절연 부재를 권회하였을 때에, 어떤 턴(turn)과, 그 턴에 인접하는 턴이 겹치는 폭이다. 즉, 중첩 여유분을 크게 하면, 절연 부재의 중복 부분이 많아지므로, 결과적으로 절연층의 두께가 두꺼워진다. 이 때, 인접하는 두 개의 턴 사이의 중첩 여유분에, 이 두 개의 턴에 인접하는 턴의 단부가 겹치도록 함으로써, 효율적으로 절연층의 두께를 두껍게 할 수 있다.

접속 구조 형성부에 있어서의 이들 절연 보강은, 케이블 제조시에 형성해 두는 것이 바람직하다. 미리 접속 구조 형성부에 절연 보강을 실시해 둠으로써, 케이블 포설 현장에서의 작업에서는 사실상 불가능한 부분에 절연 보강을 행할 수 있고, 또한 포설 현장에서의 절연 보강 작업을 경감할 수 있다. 주 절연층을 테이프 형상 절연 부재의 권회에 의하여 형성하고 있는 경우, 초전도 케이블 선로의 포설 현장에 있어서, 주 절연층 아래에 내부 절연층을 형성하기 위해서는, 주 절연층의 권회를 풀어야만 한다. 그 때문에, 권회를 풀어서 다시 감거나 할 때에, 층간에 공극이 생기거나 주름지거나 하여 절연 성능이 저하한다. 무엇보다, 주 절연층의 권회는 매우 다층으로 형성되어 있기 때문에, 포설 현장에서 내부 절연층을 형성하는 것은 사실상 불가능하다. 케이블을 제조할 때라면, 이와 같은 부분에의 절연 보강도 용이하게 행할 수 있다.

상술한 바와 같이 접속 구조 형성부를 절연 보강하면, 접속 구조 형성부만 직경이 커진다. 그러나, 본 발명의 코어에서는 이 코어의 국부적인 확대직경화에 관계없이, 초전도 케이블을 구성하였을 경우에 그 케이블(단열관)의 외경을 크게 하지 않아도 된다. 그 주된 이유는 다음과 같다.

(1) 다심 코어의 경우, 단부에서는 코어끼리의 간격을 조정하기 쉽다.

통상, 다심 코어의 초전도 케이블에서는, 케이블 운용시의 냉각에 따른 코어의 수축을 흡수하기 위하여, 합쳐서 꼰 케이블 코어의 꼬임에 느슨함을 갖게 하고 있다. 그 때문에, 케이블의 단부에서는 각 코어의 간격을 조정하기 쉽다. 그에 따라, 케이블 단부만 절연 보강을 실시하여 코어의 외경이 다소 커지더라도, 케이블 단부에 있어서의 코어끼리의 간격을 작게 함으로써 전체 코어의 포락원 직경이 커지는 것을 회피할 수 있다. 그 결과, 이들 코어를 수납하는 단열관의 외경이 커지는 것도 회피할 수 있다.

(2) 초전도 케이블의 단부에서는 진공 단열 구조로 되지 않아도 된다.

초전도 케이블을 관로 내에 포설하는 경우, 통상, 케이블 단부에 풀링아이를 장착하고, 이 풀링아이를 견인함으로써 케이블을 관로 내에 인입하고 있다. 이 풀링아이는 단열관의 단부에 보조 관을 더 잇고, 그 보조 관에 고정되는 일이 많다. 그 때, 보조 관은 진공 단열 구조로 할 필요가 없고, 1중관이어도 상관없다. 그 때문에, 보조 관을 단열관의 외관을 따라서 설치하면, 보조 관의 내측은 이중관으로 되어 있는 단열관의 내측보다 넓은 공간을 확보할 수 있다. 그 결과, 코어의 단부가 절연 보강에 의하여 국부적으로 굵어지더라도, 단열관의 외경을 바꾸지 않고, 코어의 단부를 보조 관 내에 수납할 수 있다.

그리고, 이러한 사정을 고려하면, 초전도 케이블 코어의 외주에 이중관 구조로 이루어지는 단열층을 설치하여 초전도 케이블로 하였을 경우, 이 이중관의 단부로부터 돌출하도록 접속 구조 형성부를 구성하는 것이 바람직하다. 접속 구조 형성부가 이중관 구조의 단열층의 단부로부터 돌출되어 있으면, 케이블 단부에 있어서의 코어끼리의 간격 조정이나, 접속 구조 형성부를 수납하는 공간의 확보를 용이하게 행할 수 있다.

또한, 본 발명의 초전도 케이블 코어는 다심 케이블에 한정하지 않고 단심 케이블에도 이용할 수 있다.

발명의 효과

본 발명의 초전도 케이블 코어에 의하면, 그 단부에 위치하는 접속 구조 형성부를 국부적으로 절연 보강해 둠으로써, 중간 접속부나 종단 접속부에 있어서의 절연 성능을 현저하게 향상시킬 수 있다. 따라서, 이 초전도 케이블 코어를 사용한 초전도 케이블 선로의 전체 선에 걸쳐서 매우 높은 안전성을 확보할 수 있다. 특히, 코어 전체 길이에 걸쳐서 그 외경을 크게 할 필요가 없고, 케이블(단열관) 외경도 크게 할 필요가 없기 때문에, 케이블을 관로에 인입할 때의 작업성을 저해하는 일도 없다.

도 1은 초전도 케이블의 단면도,

도 2는 실시예 1의 초전도 케이블 코어의 단부를 도시하는 부분 단면도,

도 3은 실시예 1의 초전도 케이블의 단부에 풀링아이를 장착한 상태를 도시한 설명도,

도 4a 및 도 4b는 실시예 1의 초전도 케이블 선로의 중간 접속부를 도시한 부분 단면도로서, 도 4a는 개략 구성도, 도 4b는 도 4a의 부분 단면도,

도 5는 실시예 2의 초전도 케이블 선로의 중간 접속부를 도시한 부분 단면도,

도 6은 변형예 2-1의 초전도 케이블 선로의 중간 접속부를 도시한 부분 단면도.

이하에 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서는 동일 요소에는 동일 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 생략한다. 또, 도면의 치수 비율은 설명한 것과 반드시 일치하지 않는다.

< 실시예 1 >

본 실시예에서는, 초전도 케이블 코어의 단부에 있어서, 초전도 도체 바로 위에 고유전율의 층을 설치한 초전도 케이블과, 이 초전도 케이블을 이용한 초전도 케이블 선로를 도 1∼4에 의거하여 설명한다.

본 예에서 사용하는 초전도 케이블은, 도 1에 도시한 바와 같이, 3개의 초전도 케이블 코어(10)를 합쳐서 꼬아 단열관(20)의 내부에 수납한 3심 일괄형의 초전도 케이블(1)이다.

초전도 케이블 코어(10)는 중심부터 순서대로 포머(11), 초전도 도체(12), 절연층(13), 외부 도체층(14), 보호층(15)을 구비한다. 포머(11)로는 소선 절연된 복수 개의 구리 소선을 합쳐서 꼰 꼬인 선 구조의 포머로 하였다. 초전도 도체(12) 및 외부 도체층(14)에는 두께 0.24mm, 폭 3.8mm의 Bi2223계 Ag-Mn 시스 테이프 선재를 사용하였다. 이 테이프 선재를 포머(11) 위에 다층으로 권회하여 초전도 도체(12)를 형성하고, 초전도 도체(12)의 외주에 두께 125㎛, 폭 20mm의 PPLP(스미토모덴키고교주식회사의 등록상표)를 다층으로 권회하여 절연층(13)을 형성하였다. 또한, 절연층(13)의 외주에 시스 테이프 선재를 다층으로 권회하여 외부 도체층(14)을 형성하였다. 그 외에, 도시하지 않았으나, 초전도 도체(12)와 절연층(13) 사이에 내부 반(半)도전층이, 절연층(13)과 외부 도체층(14) 사이에 외부 반도전층이 형성된다.

이 초전도 케이블 코어의 양 단부(접속 구조 형성부)에 있어서, 초전도 도체의 바로 위(내부 반도전층을 설치하는 경우, 내부 반도전층의 바로 위)에 절연층보다 유전율(ε)이 높고 저항율(ρ)이 낮은 내부 절연층을 형성하였다. 도 2는 초전도 케이블 코어(10)의 단부를 확대한 부분 단면도이다. 초전도 케이블 코어(10)의 중간부(도 2의 중앙의 점선으로부터 오른쪽)는 포머(11), 초전도 도체(12), 절연층(13), 외부 도체층(14), 보호층(15) 모두가, 길이 방향에 걸쳐서 균등한 두께인 케이블부(1Ok)이다. 한편, 초전도 케이블 코어(10)의 단부(도 2의 점선으로부터 왼쪽)는, 초전도 도체(12)의 바로 위에 내부 절연층(13a)을 설치한 접속 구조 형성부(10c)이다. 접속 구조 형성부(10c)에 있어서의 내부 절연층(13a) 이외의 층의 두께는 케이블 코어(10)의 길이 방향으로 균일하다. 또, 접속 구조 형성부(10c)에 있어서의 주 절연층(13b)은 케이블부(10k)로부터 연속적으로 형성된 절연층(13)이다.

여기서, 내부 절연층(13a), 주 절연층(13b)의 유전율(ε) 및 저항율(ρ)의 관계는 이하에 나타낸 바와 같다. 다만, A 및 B는 정수이다.

유전율(ε) 저항율(ρ)(20℃)

내부 절연층 약 1.5A 약 0.7BΩ·cm

주 절연층 A BΩ·cm

내부 절연층(13a)은 그 두께가 케이블 코어(10)의 단부를 향하여 서서히 두꺼워지도록 권회된 PPLP의 층이며, 주 절연층(13b)을 형성하는 PPLP와는 유전율(ε)이 다르다. 구체적으로는 접속 구조 형성부(10c)의 일어선 부분의 위치에 있는 내부 절연층(13a)의 두께는 PPLP 1매분(약 125㎛)이며, 접속 구조 형성부(1Oc)의 단부에 있어서의 내부 절연층(13a)의 두께는 PPLP 5매분(약 625㎛)이다. 또한, 내부 절연층(13a)의 각 부분에 있어서의 두께는 상기의 두께에 한정되는 일은 없고, 접속부에 있어서의 전계의 집중을 완화하고, 원하는 여유도를 확보할 수 있도 록 적절히 선택하면 된다.

초전도 도체(12)의 바로 위에 유전율(ε)이 높은 내부 절연층(13a)이 형성되어 있음으로써, 전계 강도가 높은 초전도 도체(12) 근방에서의 전계를 완화할 수 있다.

한편, 초전도 케이블 코어(10)를 수납하는 단열관(20)은, 내관(21)과 외관(22)으로 이루어지는 이중관 구조를 갖고 있다(도 1을 참조). 또, 내관(21)과 외관(22) 사이에 슈퍼 인슐레이션 등의 단열재를 배치하였다. 내관(21)과 상술한 케이블 코어(10)로 둘러싸인 공간(16)이 냉매의 유로가 된다. 그리고, 단열관(20)의 단부에 칸막이를 형성하여, 내관(21)과 외관(22) 사이를 밀봉하고, 양자 사이를 진공배기함으로써 단열층을 형성하였다. 외관(22)의 외주에는 방식층(23)이 설치되어 있다.

이와 같은 초전도 케이블의 단부에 풀링아이를 장착하여, 이 풀링아이를 견인함으로써 초전도 케이블을 관로에 인입한다. 도 3은 풀링아이(100)를 장착한 초전도 케이블(1)의 단부를 도시한 부분 확대도이다. 또한, 도 3에서는 2심의 케이블 코어밖에 도시하고 있지 않으나, 실제로는 3심이 존재한다.

케이블 코어(10)의 단부, 즉 접속 구조 형성부(10c)는 내관(21)과 외관(22)으로 이루어지는 단열관(20)의 단부로부터 돌출시킨 상태로 하고, 돌출시킨 접속 구조 형성부(10c)의 외주를 덮도록 보조 관(50)을 배치하였다. 그리고, 보조 관(50)의 일단을 외관(22)에 고정하고, 타단을 풀링아이(100)에 장착하였다. 풀링아이(100)를 장착함에 있어서, 단열관(20)의 단부로부터 돌출한 접속 구조 형성 부(1Oc)의 단부를 단 벗기기 하고, 노출된 초전도 도체(12)의 단부에 캡(C)을 씌워, 초전도 도체(12)를 보호하는 동시에, 초전도 도체(12)가 갈라지지 않게 하였다. 또, 포머(11)를 풀링아이(100)의 코어 고정부(101)에 고정하였다. 이와 같은 구성에 의하여, 케이블 코어(10)을 견인할 때의 장력을, 주로 보조 관(50)에 이어지는 단열관(20)과 포머(11)에 분담시키도록 하였다.

풀링아이(100)가 부착되는 보조 관(50)은 이중관 구조일 필요는 없으므로, 외관(22)의 외경에 대략 일치한 내경인 것을 사용하였다. 이 보조 관(50)의 내부의 공간(51)은 단열관(20) 내부의 공간과 비교하여 직경 방향으로 여유가 있으므로, 내부 절연층을 더 감아 직경이 커진 접속 구조 형성부(10c)를 보조 관(50) 내에 수납할 수 있었다. 따라서, 단열관(20)의 직경[초전도 케이블(1)의 직경]을 크게 하지 않고 초전도 케이블(1)을 제작할 수 있었다.

여기서, 내부 절연층(13a)의 두께를 더 두껍게 하여, 접속 구조 형성부(10c)의 직경을 크게 하였을 경우, 각 케이블 코어(10)의 꼬임을 조임으로써 보조 관(50) 내에 수납할 수 있다. 이 때, 케이블 코어의 꼬임이 조여졌다고 하더라도, 케이블부(1Ok)에서 꼬임의 느슨해짐을 확보하고 있으므로, 전체로서 충분한 케이블 코어의 꼬임의 느슨해짐이 확보되어 있다.

다음으로, 풀링아이를 견인함으로써 관로에 인입한 초전도 케이블을, 다른 도전 부재와 접속하여, 이 접속부에 있어서 보강 절연 구조를 형성한다. 보강 절연 구조가 형성되는 접속부로서는, 구체적으로는 하나의 초전도 케이블과 다른 초전도 케이블을 접속하는 중간 접속부나, 초전도 케이블과 다른 전력기기를 접속하는 종단 접속부를 들 수 있다. 양 접속부의 구성은, 기본적으로 절연성의 테이프 형상 부재를 권회하여 보강 절연층을 형성하는 점, 보강 절연층의 단부를 펜슬 다운 형상으로 형성하는 점에서 공통되기 때문에, 여기서는 중간 접속부만을 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한다.

도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 중간 접속부(30)는 2개의 초전도 케이블 코어의 단부를 접속 부재(32)를 거쳐서 도통시키고, 이 접속 부재(32)의 외주의 근방을 보강 절연층(31)으로 덮은 구성이다.

이 중간 접속부(30)를 형성함에 있어서, 먼저 처음에 케이블 코어의 단부(접속 구조 형성부의 단부)를 단 벗기기 하고, 포머(11), 초전도 도체(12), 절연층(13), 외부 도체층(14)을 노출시켰다. 포머(11)과 초전도 도체(12)는 접속 부재(32)를 거쳐서, 다른 포머(11)와 초전도 도체(12)에 각각 접속된다. 절연층(13)의 단부는 단 벗기기한 부분에서 전계의 집중을 완화하도록, 코어의 단부측을 향해서 끝이 가늘어지는 테이퍼 형상인 펜슬 다운부(13p)를 형성하였다. 또, 외부 도체층(14)은 보강 절연층(31)을 형성할 수 있도록, 케이블부(1Ok)와 접속 구조 형성부(1Oc)의 경계부분 근방까지 초전도 선재(시스 테이프 선재)의 권회를 푼 상태로 하였다.

다음으로, 접속 부재(32), 초전도 도체(12) 및 절연층(13)[주로 펜슬 다운부(13p)]의 외주를 덮도록 보강 절연층(31)을 형성하였다. 보강 절연층(31)에는 양 단부를 향해서 끝이 가늘어지는 테이퍼 형상으로 형성한 스트레스콘부(31p)가 형성되어 있다. 스트레스콘부(31)의 일어선 부분(s)은 전계가 집중하기 쉬워, 절 연의 약점이 되기 쉽다.

마지막으로, 권회를 풀어 둔 외부 도체층(14)이 인접하는 케이블 사이에서 접속되도록, 외부 도체층(14)을 보강 절연층(31)의 외주에 연장하여 형성하였다.

이상에서 설명한 중간 접속부(30)에서는 초전도 도체(12)의 바로 위에 고유전율의 내부 절연층(13a)을 설치함으로써, 전계강도가 높은 초전도 도체(12) 근방에서의 전계를 완화할 수 있다. 이 부분에서 이미 전계를 완화하고 있음으로써, 초전도 도체(12)로부터 비교적 떨어진 위치에 있는 스트레스콘부의 일어선 부분(s)에 있어서의 전계강도도 작게 할 수 있다.

또한, 내부 절연층(13a)의 저항율(ρ)이 주 절연층(13b)의 저항율(ρ)과 비교해서 작으므로, 본 예의 초전도 케이블에 의하여 직류 송전을 행한 경우, 이들 절연층(13) 전체에서 전계를 평활화할 수 있다. 따라서, 중간 접속부(30)에 있어서의 절연 성능을 향상시킬 수 있으며, 그 결과, 초전도 케이블 선로 전체의 신뢰성을 높일 수 있다.

또, 이미 설명한 바와 같이 절연층(13)은, 테이프 형상 선재를 다층으로 권회하여 형성하고 있어, 케이블 코어(10)의 포설 현장에서 다층으로 권회된 절연층(13)[주 절연층(13b)]을 풀기는 매우 곤란하다. 그러나, 본 발명의 초전도 케이블 코어(10)에 의하면, 미리 초전도 도체(12)의 바로 위에 내부 절연층(13a)을 설치하고 있으므로, 초전도 케이블 선로의 포설시에 절연층[주 절연층(13b)]의 권회를 풀 필요가 없게 할 수 있다.

< 실시예 2 >

본 예에서는 실시예 1의 구성에 부가하여, 외부 도체층의 바로 아래에 절연층보다 유전율(ε)이 높고, 저항율(ρ)이 높은 절연성의 층(외부 절연층)을 설치한 초전도 케이블 코어를 설명한다. 또한, 초전도 케이블 코어에 외부 반도전층을 설치하는 경우, 외부 반도전층의 바로 아래에 외부 절연층을 설치한다. 본 예의 초전도 케이블 코어는, 외부 절연층을 설치하는 것 이외에는, 실시예 1의 초전도 케이블 코어와 동일한 구성을 갖기 때문에, 상이점에 대해서만 설명한다.

도 5는 본 예의 초전도 케이블 코어를 이용한 중간 접속부를 도시한 부분 단면도이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 이 초전도 케이블 코어(10)의 주 절연층(13b)과 외부 도체층(14) 사이에는 외부 절연층(13c)이 설치되어 있다. 외부 절연층(13c)은, 내부 절연층(13a)과 마찬가지로, 케이블부(1Ok)와 접속 구조 형성부(1Oc)의 경계부분으로부터 케이블 코어(10)의 단부를 향해서 서서히 두꺼워지도록 형성되어 있다. 외부 절연층(13c)을 케이블 코어의 단부를 향해서 두꺼워지도록 형성하기 위해서는, PPLP(등록상표)를 권회할 때의 중첩 여유분을 조절함으로써 용이하게 행할 수 있다.

상술한 각 절연층(13a∼13c)의 유전율(ε)과 저항율(ρ)을 이하에 나타낸다. 단, A 및 B는 정수이다.

유전율(ε) 저항율(ρ)(20℃)

내부 절연층 약 1.5A 약 0.8BΩ·cm

주 절연층 A BΩ·cm

외부 절연층 약 1.5A 약 1.2BΩ·cm

상기와 같이, 유전율(ε)은 초전도 도체(12)로부터 외부 도체층(14)을 향해서 높음 → 중간 → 높음으로 되어 있다. 따라서, 내부 절연층(13a)의 위치에 부가하여, 외부 절연층(13c)의 위치에서도 전계를 완화할 수 있다. 또, 외부 절연층(13c)이 존재함에 따라, 극성이 반전된 경우, 즉 외부 도체층(14)으로부터 초전도 도체(12)를 향해서 전계가 형성된 경우이더라도 효과적으로 전계를 완화할 수 있다.

한편, 저항율(ρ)은 초전도 도체(12)로부터 외부 도체층(14)을 향해서 낮음 → 중간 →높음으로 되어 있다. 따라서, 본 예의 초전도 케이블 선로에 의하여 직류 송전을 행한 경우, 직류 전계 분포를 절연층의 두께 방향으로 평활화할 수 있다. 또, 가령 음극성의 천둥 임펄스 또는 개폐 임펄스가 케이블 선로에 인가되고, 절연층의 외주에 설치되는 외부 도체층(14)의 바로 아래의 위치가 최대 전계 강도가 된 경우이더라도, 저항율(ρ)이 높은 외부 절연층(13c)에 의하여 최대 전계 강도에 견딜 수 있다.

< 변형예 2-1 >

본 예에서는 실시예 2의 구성 중 외부 절연층의 두께를 변화시킨 초전도 케이블 선로를 설명한다. 이 선로에서는 초전도 케이블 코어의 외부 절연층의 구성이 다른 것 이외에는 실시예 2와 동일하기 때문에, 도 6을 참조하여 상이점에 대해서만 설명한다.

도 6은 본 예의 초전도 케이블(코어)을 이용한 중간 접속부의 근방을 도시한 부분 단면도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 본 예의 외부 절연층(13c)은 초전도 케이블 코어(10)의 단부로부터 케이블부(10k)를 향해서 서서히 두껍게 형성되어, 스트레스콘부(31p)의 일어선 부분(s)의 위치에서 최대의 두께가 되어 있다. 그리고, 일어선 부분(s)으로부터 접속 구조 형성부(1Oc)와 케이블부(1Ok)의 경계부분을 향해서 서서히 얇아지고 있다. 여기서, 외부 절연층(13c)은 스트레스콘부(31p)에 있어서 단차가 생기지 않도록 형성하면 된다.

상기 구성으로 함으로써, 보강 절연층(31) 중 특별히 전계가 집중되기 쉬운 스트레스콘의 일어선 부분(s)에 있어서 효과적으로 전계를 완화할 수 있다. 따라서, 신뢰성이 더 높은 접속부를 형성할 수 있다.

본 발명의 초전도 케이블 코어를 구비하는 초전도 케이블은, 이미 설치한 관로에 포설 가능하므로, 신뢰성이 높은 초전도 케이블 선로에 적절히 이용 가능하다. 또, 본 발명의 초전도 케이블 선로는 AC, DC의 양쪽에 적절히 이용 가능하다.

Claims (11)

1. 초전도 도체와, 초전도 도체의 외주를 덮어 전기적으로 절연하는 절연층을 구비하는 초전도 케이블 코어에 있어서,

   초전도 케이블 코어는, 길이 방향으로 케이블부와, 케이블부의 양 단부에 위치하여, 다른 도전 부재와 접속했을 때에 보강 절연 구조가 형성되는 접속 구조 형성부로 구분되고,

   접속 구조 형성부는, 초전도 케이블 코어 중 길이 방향으로 적어도 초전도 케이블 코어의 단부로부터 보강 절연 구조의 단부까지의 범위이며,

   접속 구조 형성부에 있어서의 절연층의 전기 절연 성능을, 케이블부에 있어서의 절연층의 전기 절연 성능보다 높게 한 것을 특징으로 하는

   초전도 케이블 코어.
2. 제 1 항에 있어서,

   접속 구조 형성부에 있어서의 절연층은, 주 절연층 및 주 절연층과 초전도 도체 사이에 배치되는 내부 절연층을 구비하고,

   내부 절연층의 유전율이, 주 절연층의 유전율보다 높은 것을 특징으로 하는

   초전도 케이블 코어.
3. 제 2 항에 있어서,

   또한, 접속 구조 형성부에 있어서의 주 절연층의 외주에, 주 절연층보다 유전율이 높은 외부 절연층을 배치한 것을 특징으로 하는

   초전도 케이블 코어.
4. 제 1 항에 있어서,

   절연층은, 테이프 형상의 절연 부재를 다층으로 권회하여 형성되어 있고, 접속 구조 형성부의 적어도 일부에 있어서 다른 부분보다 두껍게 형성한 부분이 존재 하는 것을 특징으로 하는

   초전도 케이블 코어.
5. 제 2 항에 있어서,

   절연층은, 테이프 형상의 절연 부재를 다층으로 권회하여 형성되어 있고, 접속 구조 형성부의 적어도 일부에 있어서 다른 부분보다 두껍게 형성한 부분이 존재 하는 것을 특징으로 하는

   초전도 케이블 코어.
6. 제 3 항에 있어서,

   절연층은, 테이프 형상의 절연 부재를 다층으로 권회하여 형성되어 있고, 접속 구조 형성부의 적어도 일부에 있어서 다른 부분보다 두껍게 형성한 부분이 존재 하는 것을 특징으로 하는

   초전도 케이블 코어.
7. 제 4 항에 있어서,

   접속 구조 형성부에 있어서 인접하는 절연부재의 턴의 중첩 여유분을 크게 함으로써 절연층의 두께를 조절한 것을 특징으로 하는

   초전도 케이블 코어.
8. 제 5 항에 있어서,

   접속 구조 형성부에 있어서 인접하는 절연부재의 턴의 중첩 여유분을 크게 함으로써 절연층의 두께를 조절한 것을 특징으로 하는

   초전도 케이블 코어.
9. 제 6 항에 있어서,

   접속 구조 형성부에 있어서 인접하는 절연부재의 턴의 중첩 여유분을 크게 함으로써 절연층의 두께를 조절한 것을 특징으로 하는

   초전도 케이블 코어.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 초전도 케이블 코어와,

    초전도 케이블 코어의 외주에 배치되는 이중관 구조로 이루어지는 단열층을 갖고,

    이 이중관의 단부로부터 접속 구조 형성부가 돌출하도록 구성한 것을 특징으로 하는

    초전도 케이블.
11. 제 10 항에 기재된 초전도 케이블을 사용하여 포설된 초전도 케이블 선로에 있어서,

    이 초전도 케이블 선로는 직류 초전도 케이블 선로 또는 교류 초전도 케이블 선로 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는

    초전도 케이블 선로.

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