KR20060135800A - 초전도 케이블의 중간 접속부 - Google Patents

초전도 케이블의 중간 접속부 Download PDF

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Abstract

포머와, 초전도 도체와, 절연층을 갖는 초전도 케이블끼리를 접속하는 초전도 케이블의 중간 접속부로서, 맞대어지는 각 포머 단부에 접속 슬리브를 끼워 넣어, 압축 접속에 의해 접속 슬리브의 외경과 포머의 외경이 동등하게 되도록 포머끼리를 접속하고, 이 접속 슬리브의 바깥쪽에서 맞대어지는 초전도 도체끼리를, 초전도 케이블에서의 초전도 도체의 외경과 동등하게 하여 접속함으로써, 소형화가 가능한 초전도 케이블의 중간 접속부를 제공한다.

Description

초전도 케이블의 중간 접속부{INTERMEDIATE JOINT OF SUPERCONDUCTING CABLE}
본 발명은 초전도 케이블의 중간 접속부에 관한 것이다. 특히, 사이즈를 소형화할 수 있는 초전도 케이블의 중간 접속부에 관한 것이다.
종래, Bi계 고온 초전도 테이프선 등으로 이루어지는 초전도 도체를 구비한 초전도 케이블에 있어서, 케이블 코아를 1개 구비하는 단상 케이블뿐만 아니라, 복수의 케이블 코아를 일괄로 한 다심 일괄형의 다상 케이블이 개발되고 있다. 도 2(a) 및 도 2(b)에 3심 일괄형의 삼상 초전도 케이블을 나타낸다. 이 초전도 케이블(100)은 단열관(101) 내에 3개의 케이블 코아(102)를 꼬아서 합쳐 수납시킨 구성이다.
단열관(101)은 외관(101a)과 내관(101b)으로 이루어지는 이중관 사이에 단열재(도시하지 않음)가 배치되고, 또한 이중관 내가 진공으로 된 구성이다. 이 중, 외관(101a) 상에는 방식층(104)이 형성되어 있다. 각 케이블 코아(102)는 중심으로부터 순서대로 포머(200), 초전도 도체(201), 전기 절연층(202), 쉴드층(203), 보호층(204)을 구비하고 있다. 초전도 도체(201)는 포머(200) 상에 초전도 선재를 다층으로 나선 형상으로 권회하여 구성된다. 전기 절연층(202)은 반합성 절연지를 권회하여 구성된다. 쉴드층(203)은 전기 절연층(202) 상에 초전도 도체(201)와 마찬가지의 초전도 선재를 나선 형상으로 권회하여 구성된다. 이 쉴드층(203)에는, 정상시, 초전도 도체(201)에 흐르는 전류와 역방향으로 거의 동일한 크기의 전류가 유기된다. 이 유도 전류에 의해 발생하는 자장으로써, 초전도 도체(201)로부터 발생하는 자장을 없애는 경우, 케이블 코아(102) 외부로의 누설 자장을 거의 제로로 할 수 있다. 통상, 내관(101b)과 각 케이블 코아(102)로 둘러싸이는 공간(103)이 냉매의 유로로 된다.
이러한 다상 초전도 케이블을 이용하여 장거리에 걸친 선로를 구축하는 경우, 선로 도중에서, 상이한 케이블로부터 인출한 케이블 코아끼리를 접속하는 중간 접속이 필요해진다. 이 중간 접속부로서, 예를 들면, 특허 문헌 1에 기재된 것이 있다. 이 구조에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 접속 상자(500)에 수납한 초전도 도체(201)의 단부끼리를 Cu 등의 상전도의 접속 슬리브(510)로써 접속하고, 이들 초전도 도체(201)의 단부 및 접속 슬리브(510)의 외주에 스트레스 콘(520)을 장착하고 있다. 그리고, 이 스트레스 콘(520)을 FRP제의 지지봉(530)으로써 지지하고, 또한 접속 상자 내의 케이블 코아(102)를 FRP제의 파지부(540)로써 지지하고 있다(특허 문헌 1 참조).
[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 제2000-340274호 공보(도 1)
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
그러나, 상기의 기술에서는 다음과 같은 문제가 있었다.
(1) 중간 접속부에서의 발열량이 커진다.
상기의 접속부에서는 접속 슬리브에 상전도 재료를 이용하고 있어, 이 개소가 초전도 도체에 비해서 도체 저항이 커지고, 접속부에서 줄(Joule) 손실에 의한 발열을 발생하여, 냉매의 냉각 시스템에 부담이 된다.
(2) 중간 접속부의 사이즈가 커진다.
상기의 접속부에서는 접속 슬리브의 외경이 초전도 도체보다도 커져, 층방향으로 전계 스트레스가 발생하기 때문에, 그 완화에 스트레스 콘을 마련할 필요가 있다. 이 스트레스 콘은, 예를 들면 절연지의 권회에 의해 형성된다. 그 때문에, 직경 방향 및 길이 방향으로 중간 접속부가 커진다. 또한, 열저항이 큰 절연지를 대량으로 이용하여 스트레스 콘을 형성하고 있기 때문에, 스트레스 콘의 열저항이 크고, 상기 줄(Joule) 손실에 의한 접속 슬리브의 발열과 더불어, 중간 접속부가 냉각 상의 최대 장해로 될 수 있는 것도 생각된다.
(3) 중간 접속부에서 냉매의 압력 손실이 발생하는 경우가 있다.
상기의 접속부에서는 스트레스 콘을 마련하여, FRP제의 지지봉으로 스트레스 콘을 지지하고 있다. 그 때문에, 이 지지봉이 냉매의 유통에 대하여 장해로 되어, 압력 손실을 발생하는 결과, 접속부의 냉각 능력에 영향이 미치는 경우가 있다.
따라서, 본 발명의 주목적은 사이즈를 작게 할 수 있는 초전도 케이블의 중 간 접속부를 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 접속부에서의 줄(Joule) 손실의 발생을 억제할 수 있는 초전도 케이블의 중간 접속부를 제공하는 것에 있다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명은 같이 행동한 초전도 도체끼리를 중간 접속부와 그 이외의 개소에서 동일 직경으로 되도록 접속함으로써 상기의 목적을 달성한다.
본 발명의 중간 접속부는 포머와, 초전도 도체와, 절연층을 갖는 초전도 케이블끼리를 접속하는 초전도 케이블의 중간 접속부이다. 맞대어지는 각 포머단부에 접속 슬리브를 끼워 넣어, 압축 접속에 의해 접속 슬리브의 외경과 포머의 외경을 동등하게 하여 포머끼리를 접속한다. 그리고, 이 접속 슬리브의 바깥쪽에서 맞대어지는 초전도 도체끼리를, 초전도 케이블에서의 초전도 도체의 외경과 동등하게 하여 접속한 것을 특징으로 한다.
맞대어진 포머끼리의 외주에 배치한 도체 접속 슬리브를 압축기에 의해 압축하고, 이 접속 슬리브의 외경을 포머와 실질적으로 동등한 직경으로 압축함으로써, 접속 개소의 직경을 크게 하지 않고 포머끼리의 접속을 실행할 수 있다. 그 때문에, 포머 상에 위치하는 초전도 도체도 접속부의 개소만 직경이 커지는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 스트레스 콘을 이용할 필요가 없어, 직접 맞대어진 초전도 도체끼리 또는 일부를 오버랩시킨 초전도 도체끼리를 접속함으로써, 접속부의 사이즈, 특히 외경을 작게 할 수 있다.
또한, 초전도 도체끼리를 직접 접속할 수 있기 때문에, 상전도 도체의 접속 슬리브를 이용할 필요가 없어, 줄(Joule) 손실의 발생을 억제할 수 있다.
여기서, 포머의 접속은 접속 슬리브를 이용한 압축 접속이 바람직하다. 그 때문에, 압축 접속이 가능하도록, 포머는 중실 구조 또는 꼬임선 구조가 바람직하다. 예를 들면, 복수의 금속선을 꼬아서 합친 것을 들 수 있다.
접속 슬리브에는 압축 접속이 가능하도록 소성 변형이 용이한 금속 슬리브가 바람직하다. 대표적으로는 동슬리브 등을 이용할 수 있다. 이 슬리브의 두께는, 예를 들면 압축 후에 있어서, 상기 포머의 공칭 단면적의 50% 이상의 단면적을 확보할 수 있는 치수로 되도록 한다. 이러한 접속 슬리브를 이용함으로써, 접속 슬리브의 외경과 포머의 외경이 실질적으로 일치하는 압축 접속을 실행한 경우, 접속 개소에서의 통전 용량이나 기계적 강도를 쉽게 확보할 수 있다.
초전도 도체로서는, 은 등의 매트릭스 중에 Bi2223계 등의 초전도 필라멘트가 다수개 매립된 초전도 선재를 포머 상에 나선 형상으로 권회한 구성을 들 수 있다. 이 초전도 선재는 통상 다층으로 권회된다. 초전도 도체끼리의 접속은, 예를 들면 납땜에 의해 실행하면 된다. 초전도 도체끼리를 상전도 도체를 개재시키지 않고 직접 접속함으로써, 상전도 도체를 이용한 경우의 줄(Joule) 손실을 회피할 수 있다.
또한, 초전도 도체의 바깥쪽에 보강 절연층을 마련하고, 이 보강 절연층의 외경을 초전도 케이블의 절연층의 외경과 동등하게 하는 것이 바람직하다. 보강 절연층은 중간 접속부에서 전기 절연을 확보하는 부재이다. 이 보강 절연재는 절 연지의 권회 등으로 형성하면 되지만, 스트레스 콘과 같이 두께를 크게 하거나 방추 형상으로 형성할 필요가 없어, 종래의 접속부에 비해서 사이즈를 대폭 축소할 수 있다.
본 발명의 중간 접속부에서 접속되는 초전도 케이블은 쉴드층을 더 갖더라도 무방하다. 예를 들면, 절연층 상에 초전도 도체와 마찬가지의 초전도 선재를 나선 형상으로 권회 또는 직선 형상으로 배치함으로써 쉴드층으로 한다. 그 경우도, 중간 접속부에서의 초전도 도체의 바깥쪽에는 상술한 보강 절연층을 마련한다. 이 보강 절연층도 초전도 케이블에서의 절연층과 동일한 외경으로 해 놓는다. 그리고, 이 보강 절연층의 바깥쪽에서 맞대어지는 쉴드층끼리를, 초전도 케이블에서의 쉴드층의 외경과 동등하게 해서 접속하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 쉴드층을 갖는 케이블에 있어서도, 접속부의 외경이 커지는 것을 억제할 수 있다. 쉴드층끼리의 접속도, 예를 들면 납땜으로써 실행하면 된다.
또한, 통상, 초전도 케이블은 초전도 도체를 냉각하는(쉴드층을 갖는 경우는 쉴드층도 냉각함) 냉매의 유로를 갖는다. 본 발명의 중간 접속부는 이 초전도 케이블의 냉매 유로와 동등한 단면적을 확보할 수 있는 외부 케이스를 갖는 것이 바람직하다. 중간 접속부에서도 초전도 케이블의 냉매 유로와 동등한 단면적을 확보함으로써, 접속부에서의 냉매의 압력 손실을 억제할 수 있다. 외부 케이스는, 예를 들면 중간 접속부에서의 보강 절연층의 바깥쪽을 덮는 단열 케이스로 구성하는 것을 들 수 있다. 중간 접속부에 쉴드층이 있는 경우는 쉴드층의 바깥쪽을 덮는 단열 케이스로 하면 된다. 이 외부 케이스는 초전도 케이블의 길이 방향으로 분할 가능한 구성으로 하는 것이 바람직하다. 외부 케이스를 분할 구조로 함으로써, 좁은 작업 공간에서의 중간 접속부의 조립을 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 중간 접속부는 단심 초전도 케이블의 접속은 물론, 3심으로 합쳐서 초전도 케이블의 각 심의 접속에도 이용할 수 있다.
발명의 효과
본 발명의 중간 접속부에 의하면, 포머의 접속부의 외경을 포머의 외경과 동등하게 형성할 수 있기 때문에, 중간 접속부의 사이즈를 작게 할 수 있다. 또한, 초전도 도체끼리를 상전도 도체를 거쳐서 접속할 필요가 없기 때문에, 줄(Joule) 손실에 의한 발열을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 중간 접속부의 부분 종단면도,
도 2(a)는 본 발명의 접속부에 의해 접속되는 초전도 케이블의 단면도,
도 2(b)는 동일 케이블 코아의 단계적으로 박리된 상태를 나타내는 사시도,
도 3은 종래의 중간 접속부의 부분 단면도.
부호의 설명
100 : 삼상 초전도 케이블 101 : 단열관
101a : 외관 101b : 내관
102 : 케이블 코아 103 : 공간
104 : 방식층 200 : 포머
201 : 초전도 도체 202 : 절연층
203 : 쉴드층 204 : 보호층
300 : 접속 슬리브 310 : 외부 케이스
311, 312 : 반체 320 : 보강 절연층
500 : 접속 상자 510 : 상전도 접속 슬리브
520 : 스트레스 콘 530 : 지지봉
540 : 파지부
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 발명의 실시예를 설명한다. 또한, 도면의 치수 비율은 설명한 것과 반드시 일치하고 있지 않다.
본 발명의 중간 접속부의 설명에 앞서서, 접속되는 초전도 케이블의 구성을 설명한다. 이 중간 접속부에서 접속되는 초전도 케이블도, 도 2에서 설명한 초전도 케이블(100)과 마찬가지의 구성이다. 즉, 단열관(101) 내에 3심의 코아(102)가 수납되어 있다. 각 코아(102)는 중심으로부터 순서대로 포머(200), 초전도 도체(201), 절연층(202), 쉴드층(203), 보호층(204)을 구비하고 있다. 포머(200)는 복수의 동선을 다층으로 꼬아 합쳐서 구성하고 있다. 초전도 도체(201)는 포머(200) 상에 초전도 선재를 다층으로 나선 형상으로 권회하여 구성된다. 이 초전 도 선재는 은 매트릭스 내에 Bi2223계 초전도 필라멘트가 다수개 매립되어서 형성된다. 절연층(202)은 절연지와 폴리프로필렌 필름을 접합한 반합성지를 초전도 도체(201) 상에 권회하여 구성하고 있다. 또한, 쉴드층(203)은 초전도 도체(201)에 이용한 것과 마찬가지의 초전도 선재를 절연층(202) 상에 다층으로 권회하여 구성하고 있다.
다음에, 상기의 초전도 케이블(100)끼리를 접속하는 중간 접속부를 도 1에 나타낸다. 이러한 초전도 케이블끼리를 접속할 때, 단열관의 단부로부터 각 코아를 일정 길이 노출해 놓고, 또한, 코아의 단부에 있어서, 각 층의 길이 조정을 실행한다. 구체적으로는, 포머(200), 초전도 도체(201), 쉴드층(203)은 절단 단부까지의 길이로 해 놓고, 절연층(202)은 절단 단부로부터 일정 길이만큼 제거한다. 이 절연층(202)의 제거를 실행하기 위해서는, 초전도 선재의 권회에 의해 구성된 쉴드층(203)의 단부를 일단 풀어서 확대하여, 절연층(202)을 노출시킨다. 그 상태에서 일정 길이만큼의 절연층(202)을 제거한다. 이 제거되는 길이는, 후술하는 포머(200)에 대한 접속 슬리브(300)의 압축 작업을 충분히 실행할 수 있는 정도의 길이로 해 놓는다. 그 외에, 도시하고 있지 않지만, 초전도 케이블의 단부로부터 초전도 도체, 절연층, 쉴드층을 일정 길이 절단해 놓고서 포머만을 일정 길이 노출해도 된다. 이 경우, 초전도 도체끼리, 쉴드층끼리를 접속하기 위해서는, 각각 접속용 초전도 선재를 별도 개재시킨다.
1쌍의 초전도 케이블끼리의 접속에는, 먼저 후술하는 외부 케이스(310)의 반체(311, 312)를 3심 코아의 집합체의 단부에 끼워 넣고, 이 외부 케이스(310)를 코 아의 단부로부터 떨어진 위치에 일단 놓아둔다. 도 1에서는 코아는 1심밖에 나타내고 있지 않다.
다음에, 압축 후에 있어서, 포머(200)의 공칭 단면적의 50% 이상의 단면적을 확보할 수 있는 두께의 접속 슬리브(300)를 준비하고, 이 슬리브(300)의 각 단부로부터 포머(200)를 삽입한다. 여기서는 터프피치(tough pitch) 동막대(1100BD)제이고, 포머의 외경보다도 약간 큰 내경을 갖는 슬리브(300)를 이용하였다. 그 상태에서 접속 슬리브(300)를 압축하여, 포머(200)끼리를 접속한다. 이 접속에 의해, 슬리브는 포머에 파고들어 압축 후에 있어서의 접속 슬리브(300)의 외경과 압축 개소 이외의 포머의 외경과는 실질적으로 동등하게 된다.
계속해서, 접속된 포머(200) 상에서 초전도 도체(201)를 납땜으로써 접속한다. 접속 슬리브 표면과 포머 표면 사이에 단차가 형성되어 있지 않기 때문에, 일단 풀어서 열려 있었던 초전도 선재를 감아 돌리거나 또는 다른 접속용 초전도 선재를 준비하여 접속하면, 초전도 도체(201) 자체도 접속 슬리브(300)를 덮는 위치와 그 이외의 개소에서 외경이 상이한 것을 회피할 수 있다. 그리고, 초전도 선재를 개재하여 초전도 도체의 접속을 실행할 필요도 없어, 접속부에서의 줄(Joule) 손실에 따른 발열을 억제할 수 있다.
다음에, 접속된 초전도 도체(201) 상에 보강 절연층(320)을 형성한다. 초전도 케이블의 각 코아 중, 절연층(202)은 단부로부터 일정 길이만큼이 제거되어 있기 때문에, 이 제거되어 있는 개소에 예를 들어 절연지를 권회하여 보강 절연층(320)을 형성하면 된다. 이 보강 절연층(320)의 외경도 코아의 절연층(202)의 외경에 맞춰 놓는다. 초전도 도체 또는 이 도체와 전기적으로 접속된 개소가 부분적으로 직경 방향으로 부풀어올라서 접속되어 있지 않기 때문에, 스트레스 콘을 형성할 필요는 없고, 코아의 절연층(202)과 동등한 두께의 보강 절연층(320)이더라도 필요한 전기 절연은 확보할 수 있다.
다음에, 보강 절연층(320) 상에, 일단 풀어서 열려 있었던 초전도 선재를 감아 돌리거나 또는 다른 접속용 초전도 선재를 준비하여 쉴드층(203)을 씌운다. 그리고, 이 초전도 선재끼리 또는 쉴드층을 구성하는 초전도 선재와 접속용 초전도 선재를 납땜하여 접속한다. 이 쉴드층(203)의 접속에 의해, 쉴드층(203) 자신도 보강 절연층(320)을 덮는 위치와 그 이외의 개소에서 외경이 상이한 것을 회피할 수 있다. 이상과 같이 코아의 각 층을 접속하면, 접속부의 외경을 초전도 케이블의 코아의 외경과 동등하게 할 수 있어, 접속부의 사이즈를 극력 작게 할 수 있다.
또한, 일단 코아의 단부로부터 멀어지는 방향에 놓여 있었던 외부 케이스의 반체(311, 312)를 보강 절연층(320)이 형성된 위치의 바깥쪽으로 되돌려 접속한다. 이 반체(311, 312)는 한쪽 단이 작은 직경이고 다른쪽 단이 큰 직경인 단열 구조를 갖는 원통체이다. 이 반체(311, 312)의 큰 직경쪽 개구부끼리를 맞대어서, 용접이나 플랜지를 이용한 볼트에 의한 조임으로 일체화한다. 이 반체(311, 312)의 접합에 의해, 양단부가 작은 직경이고 중간부가 큰 직경인 외부 케이스(310)가 형성된다. 도 1에서는 도시하고 있지 않지만, 외부 케이스(310)의 양단부는 초전도 케이블의 단열관(101)(도 2)의 단부와 접속된다.
외부 케이스(310)의 작은 직경 개소의 내경은 초전도 케이블의 단열관의 내 경 이상을 확보해 놓는다. 외부 케이스(310)의 안쪽과 쉴드층 바깥쪽 사이의 공간은 냉매 유로로 되기 때문에, 상기 외부 케이스(310)의 내경 확보에 의해, 초전도 케이블 내와 동등한 냉매 유로 단면적을 확보할 수 있어, 접속부에서의 냉매의 압력 손실을 억제할 수 있다.
본 발명의 중간 접속부는 전력 수송로 등에 이용되는 초전도 케이블 선로에 있어서, 초전도 케이블끼리의 접속 개소로서 이용하는 것이 기대된다.

Claims (4)

  1. 포머와, 초전도 도체와, 절연층을 갖는 초전도 케이블끼리를 접속하는 초전도 케이블의 중간 접속부로서,
    맞대어지는 각 포머 단부에 접속 슬리브를 끼워 넣어, 압축 접속에 의해 접속 슬리브의 외경과 포머의 외경이 동등하게 되도록 포머끼리를 접속하고,
    이 접속 슬리브의 바깥쪽에서 맞대어지는 초전도 도체끼리를, 초전도 케이블에서의 초전도 도체의 외경과 동등하게 하여 접속한 것
    을 특징으로 하는 초전도 케이블의 중간 접속부.
  2. 제 1 항에 있어서,
    초전도 도체의 바깥쪽에 보강 절연층을 마련하고, 이 보강 절연층의 외경을 초전도 케이블의 절연층의 외경과 동등하게 한 것을 특징으로 하는 초전도 케이블의 중간 접속부.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 초전도 케이블은 쉴드층을 갖고,
    상기 보강 절연층의 바깥쪽에서 맞대어지는 쉴드층끼리를, 초전도 케이블에 서의 쉴드층의 외경과 동등하게 하여 접속한 것
    을 특징으로 하는 초전도 케이블의 중간 접속부.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초전도 케이블은 초전도 도체를 냉각하는 냉매의 유로를 갖고,
    상기 중간 접속부는 이 초전도 케이블의 냉매 유로와 동등한 단면적을 확보할 수 있는 외부 케이스를 갖는 것
    을 특징으로 하는 초전도 케이블의 중간 접속부.
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