KR20070038049A

KR20070038049A - 초전도 케이블 선로

Info

Publication number: KR20070038049A
Application number: KR1020067027899A
Authority: KR
Inventors: 마사유키 히로세; 유이치 야마다
Original assignee: 스미토모 덴키 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2007-04-09
Also published as: NO20071085L; RU2006143759A; CA2569427A1; US20070179062A1; EP1772875A1; EP1772875A4; TWI356426B; TW200620330A; WO2006011357A1; RU2356118C2; US8173897B2; JP4609121B2; KR101118350B1; JP2006066383A

Abstract

액체 수소(1)가 수송되는 유체용 단열관(2)과, 이 유체용 단열관(2) 내에 수납되는 초전도 케이블(2)과, 액체 수소(1)와 케이블(10)의 냉매 사이에서 열교환을 하는 열교환 수단을 구비하는 초전도 케이블 선로이다. 초전도 케이블(1)은, 케이블용 단열관 내에 케이블 코아를 구비하여, 유체용 단열관(2)에 수납됨으로써, 케이블(1)의 외주가 저온 환경으로 되고, 또한, 단열관(2)과의 이중의 단열 구조로 된다. 따라서, 본 발명의 선로는 초전도 케이블(10)로의 칩임열이 저감되고, 또한, 액체 수소(1)에 의해 냉매가 냉각되기 때문에, 냉매를 냉각하는 에너지를 저감할 수 있다.

Description

초전도 케이블 선로{SUPERCONDUCTIVE CABLE LINE}

본 발명은 초전도 케이블을 구비하는 전력 공급용 선로에 관한 것이다. 특히, 초전도 케이블로의 열침입을 저감하여 케이블에 이용하는 냉매의 냉각 에너지의 저감을 도모하여, 선로 전체적으로 에너지 소비 효율(COP)을 향상시킬 수 있는 초전도 케이블 선로에 관한 것이다.

종래, 초전도 도체층을 갖는 케이블 코아를 단열관 내에 수납시킨 초전도 케이블이 알려져 있다. 이러한 초전도 케이블로서, 예를 들면, 단열관 내에 1개의 케이블 코아를 수납한 단심 케이블이나, 3개의 케이블 코아를 일괄적으로 수납한 3심 일괄형인 것이 있다. 도 7은 3심 일괄형의 3상 교류용 초전도 케이블의 단면도이다. 도 8은 각 케이블 코아(102)의 단면도이다. 이 초전도 케이블(100)은 단열관(101) 내에 3개의 케이블 코아(102)를 꼬아서 수납시킨 구성이다. 단열관(101)은 외관(101a)과 내관(101b)으로 이루어지는 이중관의 사이에 단열재(도시하지 않음)가 배치되고, 또한 양쪽 관(101a, 101b) 사이를 진공으로 한 구성이다. 각 케이블 코아(102)는 중심으로부터 순서대로 포머(200), 초전도 도체층(201), 전기 절 연층(202), 초전도 쉴드층(203), 보호층(204)을 구비하고, 내관(101b)과 각 케이블 코아(102)로 둘러싸이는 공간(103)이 액체 질소 등의 냉매의 유로로 된다. 케이블 코아(102)의 초전도 도체층(201)이나 초전도 쉴드층(203)은 이 냉매에 의해 냉각되어, 초전도 상태가 유지된다. 단열관(101)의 외주에는 방식층(104)을 구비한다.

초전도 케이블에서는 초전도 도체층이나 초전도 쉴드층이 초전도 상태를 유지할 수 있도록, 액체 질소 등의 냉매에 의해 상시 냉각할 필요가 있다. 따라서, 초전도 케이블을 이용한 선로에는 통상 냉매의 냉각 시스템을 구비하고, 이 시스템에 의해 케이블로부터 배출된 냉매를 냉각하여, 냉각된 냉매를 재차 케이블에 유입한다고 한 순환 냉각을 하고 있다.

상기 냉각 시스템에 의해 냉매를 적절한 온도로 냉각함으로써 초전도 케이블은 통전에 의한 발생열이나 대기 등의 외부로부터의 케이블로의 침입열에 의한 냉매의 온도 상승을 충분히 저감시켜 초전도 도체층이나 초전도 쉴드층의 초전도 상태를 유지할 수 있다. 그러나, 냉매가 액체 질소인 경우, 이들 발생열이나 침입열을 처리하기 위해서 냉매를 냉각하는 에너지는, 냉매가 케이블을 냉각하기 위해서 처리하는 에너지의 10배 이상으로 된다. 따라서, 냉매의 냉각 시스템을 포함하는 초전도 케이블 선로 전체에서 생각하면, 에너지 소비 효율(COP)이 0.1 이하 정도로 낮아져 버린다. 이 COP의 저하는 초전도 케이블이라고 한 초전도 기기의 적용 효과를 작게 하는 요인의 하나이다. 그래서, 일본 특허 공개 제2002-130851호 공보(특허 문헌 1) 및 일본 특허 공개 평성 제10-092627호 공보(특허 문헌 2)에서는, 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용하여, 초전도 코일의 냉매를 냉각하는 것을 제 안하고 있다.

한편, 연료 전지 자동차의 개발이 진행되는 동안, 일본의 각지에, 연료 전지 자동차에 공급하는 압축 수소나 액체 수소를 저류하는 수소 스테이션의 건설이 검토되고 있다. 수소 스테이션은, 예컨대, 공장에서 제조 운반되어 온 액체 수소나 스테이션 내에서 제조된 액체 수소를 저류하는 탱크와, 액체 상태를 유지하기 위해서 기화한 수소를 재액화하기 위한 냉각 시스템을 구비한다. 이 냉각 시스템에 의해, 적절한 온도로 냉각함으로써 수소를 액체 상태로 유지할 수 있지만, 액체 수소는 비점이 약 20K로 극저온으로서, 상온의 대기와의 온도차가 매우 크기 때문에, 외부로부터의 케이블로의 침입열도 많아진다. 따라서, 침입열에 의한 온도 상승을 저감하기 위해서 액체 수소를 냉각하는 에너지는 막대한 것으로 된다.

특허 문헌 1: 일본 특허 공개 제2002-130851호 공보

특허 문헌 2: 일본 특허 공개 평성 제10-092627호 공보

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

상기 특허 문헌 1, 2에서는, 초전도 코일의 냉매의 냉각에 LNG의 냉열을 이용하는 것을 개시하고 있는 것에 불과하고, 외부로부터의 침입열 그 자체의 저감에 대해서는 검토되고 있지 않다. 한편, 상기한 바와 같이 액체 수소 스테이션에 있어서도 수소를 냉각하기 위한 에너지를 삭감하는 것이 요구되고 있다.

그래서, 본 발명의 주목적은, 초전도 케이블로의 침입열을 저감할 수 있어, 초전도 케이블의 냉각 에너지 및 액체 수소의 냉각 에너지를 종합적으로 저감할 수 있는 초전도 케이블 선로를 제공하는 것에 있다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명은 액체 수소를 수송하는 단열관 내에 초전도 케이블을 배치하고, 또한, 액체 수소와 케이블의 냉매 사이에서 열교환을 함으로써 상기 목적을 달성한다. 즉, 본 발명의 초전도 케이블 선로는, 액체 수소를 수송하는 유체용 단열관과, 상기 유체용 단열관에 수납되어, 액체 수소보다 온도가 높은 냉매로 초전도부를 냉각하는 초전도 케이블을 구비한다. 그리고, 상기 액체 수소를 냉각하고, 또한, 액체 수소에 의해 냉각된 초전도 케이블의 냉매를 승온시키는 열교환 수단을 구비한다. 이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에 있어서 초전도 케이블은, 초전도 재료로 이루어지는 초전도부와, 이 초전도부를 수납하고, 또한, 초전도부를 냉각하는 냉매가 충전되는 단열관(이하, 케이블용 단열관이라고 부름)을 구비하는 구성인 것을 이용한다. 초전도부로서는, 전력 공급용 전류가 흐르는 초전도 도체층 외에, 초전도 도체층과 거의 동일한 크기로 반대 방향의 전류가 흐르는 외부 초전도층을 들 수 있다. 이들 초전도부는 통상 케이블 코아에 형성된다. 따라서, 초전도 케이블은 상기 초전도층을 구비하는 케이블 코아를 케이블용 단열관에 수납하여 구성하면 된다. 케이블 코아의 보다 구체적인 구성으로서는, 중심으로부터 순서대로 포머, 초전도 도체층, 전기 절연층, 외부 초전도층, 보호층을 구비한 것을 들 수 있다. 케이블용 단열관에 수 납하는 케이블 코아는 1개(단심(1심))로 해도 되고, 복수개(복수심) 구비하고 있어도 무방하다. 구체적으로는, 예를 들면, 본 발명의 선로를 3상 교류 송전에 이용하는 경우, 3개의 코아를 꼬아서 케이블용 단열관에 수납한 3심 케이블을 이용하면 되고, 단상 교류 송전에 이용하는 경우, 1개의 코아를 케이블용 단열관에 수납한 단심 케이블을 이용하면 된다. 본 발명의 선로를 직류 송전(단극 송전)에 이용하는 경우, 예를 들면, 1개의 코아를 케이블용 단열관에 수납한 단심 케이블을 이용하면 되고, 직류 송전(쌍극 송전)에 이용하는 경우, 2개의 코아 또는 3개의 코아를 꼬아서 케이블용 단열관에 수납한 2심 케이블 또는 3심 케이블을 이용하면 된다. 이와 같이 본 발명의 초전도 케이블 선로는 직류 송전, 교류 송전 중 어디에도 이용할 수 있다.

초전도 도체층은, 예를 들면, Bi계 산화물 초전도 재료, 구체적으로는 Bi2223계 초전도 재료로 이루어지는 복수개의 필라멘트가 은 시트 등의 매트릭스 중에 배치된 테이프 형상 선재를 나선 형상으로 권회함으로써 형성하면 되고, 단층이더라도 다층이더라도 무방하다. 다층으로 하는 경우, 층간 절연층을 마련해도 된다. 층간 절연층은 크래프트지 등의 절연지나 PPLP(스미토모 전기 공업 주식회사 등록상표) 등의 반합성 절연지를 권회하여 마련하는 것을 들 수 있다. 이러한 초전도 도체층은 상기 초전도 재료로 이루어지는 선재를 포머의 외주에 권회하여 형성한다. 포머는 구리나 알루미늄 등의 금속 재료로 형성한 중실체이더라도 중공체이더라도 무방하고, 예를 들면, 구리선을 복수개 꼬은 구성인 것을 들 수 있다. 상기 구리선은 절연 피복된 것을 이용해도 된다. 포머는 초전도 도체층의 형상 유 지 부재로서 기능한다. 포머와 초전도 도체층 사이에 쿠션층을 개재시켜도 무방하다. 쿠션층은 포머와 초전도 선재 사이에 있어서의 금속끼리의 직접 접촉을 회피하여, 초전도 선재의 손상을 방지한다. 특히, 포머를 꼬임선 구조로 한 경우, 쿠션층은 포머 표면을 보다 평활한 면으로 하는 기능도 갖는다. 쿠션층의 구체적 재질로서는 절연지나 카본지를 바람직하게 이용할 수 있다.

전기 절연층은 PPLP(등록상표) 등의 반합성 절연지나 크래프트지 등의 절연지를 초전도 도체층 상에 권회하여 형성하는 것을 들 수 있다. 전기 절연층의 내외주의 적어도 한쪽, 즉 초전도 도체층과 전기 절연층 사이나, 전기 절연층과 외부 초전도층(후술) 사이에 카본지 등으로 반도전층(semi-conducting layer)을 형성해도 된다. 전자의 내부 반도전층, 후자의 외부 반도전층을 형성함으로써, 초전도 도체층과 전기 절연층간, 또는 전기 절연층과 외부 초전도층간에서의 밀착성을 높여, 부분 방전의 발생 등에 따르는 열화를 억제한다.

본 발명의 선로를 직류 송전에 이용하는 경우, 상기 전기 절연층에는, 그 직경 방향(두께 방향)의 직류 전계 분포가 평활화되도록, 전기 절연층의 내주측의 저항율이 낮고 외주측의 저항율이 높아지도록 ρ그레이딩을 실시해도 된다. 이와 같이 ρ그레이딩이란, 전기 절연층의 두께 방향에서 단계적으로 저항율을 다르게 하는 것으로서, 전기 절연층의 두께 방향 전체의 직류 전계 분포를 평활화할 수 있어, 전기 절연층의 두께를 저감할 수 있다. 저항율을 다르게 한 층수는 특별히 문제되지 않지만, 실용적으로는 2, 3층 정도이다. 특히, 이들 각 층의 두께를 균등하게 하면, 직류 전계 분포의 평활화를 보다 효과적으로 실행할 수 있다.

ρ그레이딩을 실시하기 위해서는, 저항율(ρ)이 상이한 절연 재료를 이용하면 되고, 예를 들면, 크래프트지라고 한 절연지를 이용하는 경우, 크래프트지의 밀도를 변화시키거나, 크래프트지에 디시안디아미드를 첨가하는 것에 의해, 저항율을 변경할 수 있다. 절연지와 플라스틱 필름으로 이루어지는 복합지, 예를 들면 PPLP(등록상표)의 경우, 복합지 전체의 두께 T에 대한 플라스틱 필름의 두께 tp의 비율 k=(tp/T)×100을 변경하거나, 절연지의 밀도, 재질, 첨가물 등을 변경함으로써, 저항율을 변경할 수 있다. 비율 k의 값은 예를 들면 40%~90% 정도의 범위가 바람직하다. 통상, 비율 k가 클수록 저항율 ρ이 커진다.

또한, 전기 절연층은 초전도 도체층의 근방에 다른 개소보다 유전율이 높은 고ε층을 갖으면, 직류 내전압(withstand voltage) 특성의 향상에 부가하여, Imp. 내압 특성도 향상시킬 수 있다. 또한, 유전율 ε(20℃)은 일반적인 크래프트지에서 3.2~4.5 정도, 비율 k가 40%인 복합지에서 2.8 정도, 비율 k가 60%인 복합지에서 2.6 정도, 비율 k가 80%인 복합지에서 2.4 정도이다. 특히, 비율 k가 높고 또한 기밀도도 높은 크래프트지를 이용한 복합지에 의해 전기 절연층을 구성하면, 직류 내전압과 Imp. 내압의 쌍방이 우수하여 바람직하다.

상기 ρ그레이딩에 부가하여, 전기 절연층은 그 내주측일수록 유전율 ε가 높고 외주측일수록 유전율 ε가 낮아지도록 구성하면, 교류 송전에도 적합한 케이블로 된다. 이 ε그레이딩도 전기 절연층의 직경 방향 전역에 걸쳐서 형성한다. 또한, 상술한 바와 같이 ρ그레이딩을 실시한 초전도 케이블은 직류 특성이 우수한 케이블로 되어, 직류 송전 선로에 바람직하게 이용할 수 있다. 한편, 현행의 송전 선로는 대부분이 교류로 구성되어 있다. 금후, 송전 방식을 교류로부터 직류로 이행하는 것을 생각한 경우, 직류 송전으로 이행하기 전에 과도적으로 상기 ρ그레이딩을 실시한 초전도 케이블을 이용하여 교류를 송전하는 경우가 상정된다. 예컨대, 송전 선로의 일부의 케이블을 상기 ρ그레이딩을 실시한 초전도 케이블로 교환했지만 나머지 부분이 교류 송전용 케이블 그대로이거나, 송전 선로의 교류 송전용 케이블을 상기 ρ그레이딩을 실시한 초전도 케이블로 교환했지만 케이블에 접속되는 송전 기기는 교류용 그대로 되어 있는 경우 등이다. 이 경우, 상기 ρ그레이딩을 실시한 초전도 케이블로 과도적으로 교류 송전을 하고, 그 후, 최종적으로 직류 송전으로 이행되게 된다. 따라서, 초전도 케이블에 있어서는 직류 특성이 우수할 뿐만 아니라, 교류 특성도 고려한 설계로 하는 것이 바람직하다. 교류 특성을 고려한 경우, 내주측일수록 유전율 ε이 높고 외주측일수록 유전율 ε이 낮은 전기 절연층으로 함으로써, 서지 등의 임펄스 특성이 우수한 초전도 케이블을 구축할 수 있다. 그리고, 상기 과도기가 지나가고 직류 송전이 행해지게 된 경우에는, 과도기에 이용하고 있었던 상기 ρ그레이딩된 초전도 케이블을 그대로 직류 케이블로서 이용할 수 있다. 즉, ρ그레이딩에 부가하여 ε그레이딩을 실시한 초전도 케이블을 이용한 선로에서는, 직류 송전, 교류 송전의 각각에 바람직하게 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 교류 직류 양쪽용 선로로서 바람직하게 이용할 수 있다.

통상, 상술한 PPLP(등록상표)는 비율 k를 높게 하면 고ρ 저ε로 된다. 그 때문에, 전기 절연층의 외주측일수록 비율 k가 높은 PPLP(등록상표)를 이용하여 전기 절연층을 구성하면, 외주측일수록 고ρ로 되고, 동시에 외주측일수록 저ε로 할 수 있다.

한편, 크래프트지는 일반적으로 기밀도를 높게 하면 고ρ 저ε로 된다. 그 때문에, 크래프트지만으로 외주측일수록 고ρ이고 또한 외주측일수록 저ε의 전기 절연층을 구성하는 것은 어렵다. 그래서, 크래프트지를 이용하는 경우에는, 복합지와 조합하여 전기 절연층을 구성하는 것이 바람직하다. 예컨대, 전기 절연층의 내주측에 크래프트지층을 형성하고, 그 바깥쪽에 PPLP층을 형성함으로써, 저항율 ρ은 크래프트지층<PPLP층으로 되며, 유전율 ε은 크래프트지층>PPLP층으로 되도록 하면 좋다.

상기 전기 절연층의 외주에는 외부 초전도층을 마련한다. 외부 초전도층은 상기 초전도 도체층과 마찬가지로 초전도 재료로 형성한다. 외부 초전도층에 이용하는 초전도 재료는 상기 초전도 도체층의 형성에 이용한 것과 마찬가지인 것을 이용해도 된다. 이 외부 초전도층은 본 발명의 초전도 케이블 선로를 직류 송전에 이용하는 경우, 예를 들면, 단극 송전에서는 귀로 도체로서, 쌍극 송전에서는 중성선층(neutral conductor layer)으로서 이용하면 좋다. 특히, 쌍극 송전을 행하는 경우, 이 외부 초전도층은 정극과 부극에서 언밸런스가 발생했을 때에 언밸런스 전류를 흘리거나, 한쪽 극에 이상이 발생하여 쌍극 송전으로부터 단극 송전으로 변경할 때, 초전도 도체층에 흐르는 송전 전류와 동등한 전류를 흘리는 귀로 도체에 이용해도 된다. 본 발명의 초전도 케이블 선로를 교류 송전에 이용하는 경우, 외부 초전도층은 초전도 도체층에 흐르는 전류에 의해 유도되는 쉴드 전류를 흘리는 쉴드층으로서 이용하면 된다. 외부 초전도층의 외주에는 절연을 겸한 보호층을 마련 하고 있어도 된다.

상기 구성을 구비하는 케이블 코아를 수납하는 케이블용 단열관으로서는, 외관과 내관으로 이루어지는 이중 구조이고, 양쪽관 사이에 단열재를 구비하여 소정의 진공도로 진공으로 한 진공 단열 구성인 것을 들 수 있다. 내관 내는 케이블 코아(특히, 초전도 도체층이나 외부 초전도층)를 냉각하는 액체 질소 등의 냉매를 충전하는 냉매 유로로서 이용한다. 이러한 케이블용 단열관은 가요성을 갖는 코러게이트관이 바람직하다. 특히, 케이블용 단열관은 강도가 우수한 스테인리스 등의 금속 재료로 형성된 것이 바람직하다.

상기 케이블용 단열관에 충전되는 냉매로서, 본 발명에서는 유체용 단열관 내에서 수송되는 액체 수소보다 고온인 것을 이용한다. 예를 들면, 냉매로서 액체 질소를 이용한다. 액체 수소가 초전도 케이블의 냉매보다 저온인 것이고, 유체용 단열관에 수납된 초전도 케이블의 냉매는 액체 수소에 의해 냉각된다. 따라서, 본 발명의 선로에서는 초전도 케이블의 냉매를 냉각하도록 별도의 냉매용 냉각 시스템을 마련하지 않고, 초전도부의 초전도 상태를 유지할 수 있는 온도로 하는 것이 가능하다.

본 발명의 선로에서는, 상기 케이블용 단열관을 갖는 초전도 케이블을 액체 수소의 수송에 이용되는 유체용 단열관에 수납한다. 이 구성에 의해, 유체용 단열관에 수납된 초전도 케이블은 케이블 외주가 상온 미만의 저온 환경, 구체적으로는, 액체 수소 온도인 약 20K의 극저온 환경으로 되고, 대기중 포설되는 경우와 비교하여 케이블용 단열관 내외의 온도차가 200K 미만으로 작아진다. 특히 케이블의 냉매를 액체 질소로 하는 경우, 케이블용 단열관의 내외의 온도차는 50K 정도로 된다. 또한, 유체용 단열관에 수납된 초전도 케이블은 액체 수소의 단열 구조와 케이블 자체의 단열 구조를 합친 이중의 단열 구조를 구비한다. 따라서, 본 발명의 선로에서는 상술한 바와 같이 케이블용 단열관 내외의 온도차가 작고, 초전도 케이블이 이중의 단열 구조를 구비함으로써, 대기중에 포설된 초전도 케이블 선로와 비교하여, 케이블 부분에 대한 외부로부터의 침입열을 효과적으로 저감할 수 있다.

상기 초전도 케이블이 수납되는 유체용 단열관은 수송하는 액체 수소에 따른 단열 성능을 구비하는 것을 이용하면 된다. 예컨대, 상기 초전도 케이블과 마찬가지로 외관 및 내관의 이중 구조이고, 양쪽관 사이에 단열재를 구비하여 진공으로 한 구성인 것을 이용해도 된다. 이 때, 내관 내가 액체 수소의 수송로로 된다.

유체용 단열관에 초전도 케이블을 수납하기 위해서는, 예를 들면, 스테인리스나 강철 등으로 이루어지는 금속 판재를 용접하여 유체용 단열관을 형성하는 경우, 판재 위에 케이블을 배치하여, 케이블을 덮도록 판재를 만곡시키고, 판재의 끝 가장자리끼리를 용접하는 것을 들 수 있다. 또한, 유체용 단열관으로서 스테인리스나 강철 등으로 이루어지는 금속 튜브를 사용하는 경우, 튜브 내에 초전도 케이블을 삽입시킴으로써 유체용 단열관 내에 케이블을 수납할 수 있다. 이 때, 초전도 케이블의 삽입성을 향상하기 위해서, 케이블의 외주에 스키드 와이어(skid wire)(미끄럼선(slide wire))를 나선 형상으로 권회하여 삽입해도 된다. 특히, 케이블용 단열관이 요철이 있는 코러게이트관인 경우, 스키드 와이어가 코러게이트관의 오목부에 빠지지 않도록 코러게이트관의 요철보다 큰 피치(롱 피치(long pitch))로 스키드 와이어를 권회하고, 상기 요철 위에 스키드 와이어를 존재시켜, 코러게이트관의 외주가 유체용 단열관에 직접 접촉하지 않도록 하는, 즉, 코러게이트관의 외주에 권회한 스키드 와이어가 유체용 단열관에 점접촉하는 구성으로 하면, 삽입성이 좋다. 또한, 강도 부재(tension member) 등을 초전도 케이블에 부착하여, 유체용 단열관 내에 인입해도 무방하다.

유체용 단열관에 수납시킨 초전도 케이블은 유체용 단열관 내에서 수송되는 액체 수소와 접촉하도록 배치해도 되고, 접촉시키지 않도록 해도 된다. 전자의 경우, 초전도 케이블을 액체 수소에 침지시키는 구성으로 하면 좋다. 이 때, 초전도 케이블의 전체 주위가 극저온의 액체 수소에 접촉해 있기 때문에, 외부로부터 케이블로의 침입열을 효과적으로 저감할 수 있고, 또한, 액체 수소에 의해 케이블의 냉매를 충분히 냉각할 수 있다.

한편, 초전도 케이블을 액체 수소에 침지시킨 상태로 함으로써, 만일 초전도 케이블이 단락되어 불꽃이 발생했을 때, 액체 수소에 인화해서 폭발하는 등의 불량이 발생하는 것도 생각된다. 그래서, 유체용 단열관 내를 액체 수소의 수송 영역과 초전도 케이블이 배치되는 영역으로 구획해도 된다. 예컨대, 수송 영역으로서 별도의 액체 수소의 수송관을 유체용 단열관 내에 배치하고, 초전도 케이블은 상기 수송관에 세로로 배치하는 것을 들 수 있다. 이 때, 유체용 단열관 내에서 수송관과 초전도 케이블을 제외한 공간에 열전도성이 우수한 열전도 스페이서를 배치하면, 열전도 스페이서를 거쳐서 액체 수소로부터의 열을 케이블로 효율적으로 전해지기 때문에, 케이블의 냉각을 효과적으로 행할 수 있다. 이러한 열전도 스페이서 는, 예를 들면, 알루미늄 등의 열전도성이 우수한 재료로 형성하면 좋다. 구체적으로는, 열전도 스페이서는 알루미늄박을 권회함으로써 형성하는 것을 들 수 있다.

본 발명에서는 액체 수소보다 고온인 냉매를 이용하는 초전도 케이블을 이용하고, 이 케이블을 액체 수소가 수송되는 유체용 단열관에 수납함으로써, 액체 수소에 의해 냉매를 냉각할 수 있다. 그러나, 초전도 케이블의 냉매가 액체 수소에 의해서 과잉으로 냉각되어, 냉매가 고화하는 것이 생각된다. 그래서, 유체용 단열관에 수납함으로써 지나치게 냉각되어 초전도 케이블의 냉매를 초전도 상태로 유지할 수 있는 온도 범위 내에서 승온시키는 것이 요구된다. 한편, 액체 수소는 액체 상태를 유지하기(재액화하기) 위해서 냉각시키는 것이 요구된다. 그래서, 본 발명에서는 액체 수소의 냉각을 행하고, 또한, 액체 수소에 의해 과잉으로 냉각된 냉매의 승온을 행하도록, 액체 수소와 액체 질소 사이에서 열교환을 하는 열교환 수단을 구비한다.

상기 열교환 수단으로서는, 예컨대, 열교환용 매체가 유통되는 유로와, 이 열교환용 매체를 팽창시키는 팽창 밸브와, 팽창된 열교환용 매체를 압축하는 압축기와, 이들 유로, 팽창 밸브, 압축기를 수납하는 단열 케이스를 구비한 구성을 들 수 있다. 그리고, 팽창된 열교환용 매체로 액체 수소가 냉각되도록, 상기 유로에 있어서 팽창 밸브를 통과한 부분에 액체 수소의 수송 배관을 배치하고, 압축된 열교환용 매체로 초전도 케이블의 냉매가 승온되도록, 상기 유로에 있어서 압축기를 통과한 부분에 케이블의 냉매의 수송 배관을 배치한다. 상기 액체 수소의 수송 배 관은, 예컨대, 유체용 단열관으로부터 배출된 액체 수소가 다시 유체용 단열관에 유입되는 순환 경로로 되도록 마련해도 되고, 유체용 단열관에 액체 수소를 저류하는 탱크를 접속하여, 이 탱크로부터 배출된 액체 수소가 다시 탱크에 유입되는 순환 경로로 되도록 마련해도 된다. 그리고, 이러한 액체 수소의 수송 배관의 일부를, 상기 열교환용 매체의 유로에 있어서 팽창 밸브를 통과한 부분에 접하도록 배치하거나, 혹은 상기 부분의 근방에 배치한다. 상기 냉매의 수송 배관은 케이블용 단열관으로부터 배출된 냉매가 다시 케이블용 단열관에 유입되는 순환 경로로 되도록 마련하면 좋다. 그리고, 이러한 냉매의 수송 배관의 일부를, 상기 열교환용 냉매의 유로에 있어서 압축기를 통과한 부분에 접하도록 배치하거나, 혹은 상기 부분의 근방에 배치한다. 또한, 열교환 수단에 있어서 냉매의 승온은 초전도부의 초전도 상태가 유지되는 온도 범위 내에서 실행하는 것으로 한다. 이러한 액체 수소의 냉각과 케이블의 냉매의 가열을 동시에 실행하는 열교환 수단을 구비함으로써, 본 발명은 초전도 케이블의 냉매의 승온이라는 요구와, 액체 수소의 냉각이라는 요구의 쌍방의 요구를 동시에 만족할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서 유체용 단열관에 수납된 초전도 케이블은 상기한 바와 같이 케이블로의 열침입이 저감되기 때문에, 케이블용 단열관의 단열 구조를 간단하게 하는, 즉, 외부로부터의 케이블로의 침입열에 대한 단열 성능의 레벨을 낮게 하는 것도 가능하다. 단열 성능을 변화시키기 위해서는, 예컨대, 케이블용 단열관이 외관과 내관의 이중 구조이고, 양쪽관 사이에 단열재를 배치하고 또한 진공으로 한 구성인 경우, 외관과 내관의 진공도를 변화시키는, 외관과 내관 사이에 배 치하는 단열재의 감는 횟수를 변화시키는, 단열재의 재료를 바꾸는 것 등을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 초전도 케이블 선로에서는, 선로를 구축하는 초전도 케이블의 길이 방향의 전체 길이에 걸쳐서 유체용 단열관에 수납시켜도 되고, 일부의 케이블만을 유체용 단열관에 수납해도 된다. 열침입의 저감을 고려하면, 초전도 케이블의 전체 길이를 유체용 단열관에 수납시키고 있는 것이 바람직하다.

이러한 본 발명의 초전도 케이블 선로는, 예컨대, 액체 수소를 제조하는 수소 플랜트와 액체 수소를 저류하는 수소 스테이션을 접속하는 단열 구조의 파이프 라인이나, 수소 스테이션 내에서 액체 수소를 수송하는 단열관에 초전도 케이블을 수납하여, 수소 스테이션 근방에 열교환 수단을 마련하여 구축하는 것을 들 수 있다. 그리고, 본 발명의 선로는 수소 스테이션에서 이용되는 각종 전력 기기의 전력 공급에 이용해도 좋고, 파이프 라인으로부터 적절히 전력을 인출하여, 각처에서의 전력 공급에 이용해도 좋다.

본 발명의 초전도 케이블 선로는 상술한 바와 같이 직류 송전, 교류 송전 중 어디에도 이용할 수 있다. 예컨대, 3상 교류 송전을 하는 경우, 3심 초전도 케이블로 하여, 각 코아의 초전도 도체층을 각각 상(相)의 송전에 이용하고, 각 코아의 외부 초전도층을 쉴드층으로서 이용하면 좋다. 단상 교류 송전을 하는 경우, 단심 초전도 케이블로 하여, 코아에 구비하는 초전도 도체층을 상의 송전에 이용하고, 외부 초전도층을 쉴드층으로서 이용하면 좋다. 단극 직류 송전을 하는 경우, 단심 초전도 케이블로 하여, 이 코아의 초전도 도체층을 왕로 도체에 이용하고, 외부 초 전도층을 귀로 도체로서 이용하면 좋다. 쌍극 직류 송전을 하는 경우, 2심 초전도 케이블로 하여, 하나의 코아의 초전도 도체층을 정극 송전에 이용하고, 다른 코아의 초전도 도체층을 부극 송전에 이용하며, 양쪽 코아의 외부 초전도층을 중성선층으로서 이용하면 좋다.

또한, 본 발명의 초전도 케이블 선로는 상술한 바와 같이 ρ그레이딩, ε그레이딩이 실시된 전기 절연층을 갖는 케이블 코아를 구비하는 초전도 케이블을 이용함으로써, 직류 교류 양쪽용 선로로서도 이용할 수 있다. 이 때, 초전도 케이블뿐만 아니라, 선로 단부에 형성되어, 초전도 케이블과 상온측의 도전부(상전도 케이블이나 상전도 케이블에 접속되는 리드 등)를 접속하는 단말 구조도 직류 교류 양쪽용에 적합한 구성으로 해 놓는 것이 바람직하다. 단말 구조는 초전도 케이블의 단부로부터 인출한 케이블 코아의 단부와, 상온측의 도전부에 접속되는 인출 도체부와, 코아 단부와 인출 도체부를 전기적으로 접속하는 접속부와, 이들 코아 단부, 인출 도체부의 코아 접속측 단부, 접속부를 수납하는 종단 접속 상자를 구비하는 구성이 대표적이다. 종단 접속 상자는, 통상, 코아 단부나 인출 도체부의 단부를 냉각하는 냉매조와, 냉매조의 외주에 배치되는 진공 단열조를 구비한다. 이러한 단말 구조에 있어서, 교류 송전과 직류 송전에서는 인출 도체부에 흘리는 전류의 크기가 상이한 경우가 있기 때문에, 인출 도체부의 도체 단면적을 변화시킬 수 있는 것이 요구된다. 그래서, 직류 교류 양쪽용의 단말 구조로서는, 부하에 따라 인출 도체부의 도체 단면적을 변화 가능한 구성으로 하는 것이 바람직하다. 이러한 단말 구조로서, 예컨대, 인출 도체부를 코아 단부에 접속되는 저온측 도체부와, 상온측의 도전부측에 배치되는 상온측 도체부로 분할하여, 이들 저온측 도체부와 상온측 도체부가 착탈 가능한 구성을 들 수 있다. 그리고, 이 착탈 가능한 인출 도체부를 복수 구비하여, 저온측 도체부와 상온측 도체부의 접속수에 의해, 인출 도체부 전체의 도체 단면적을 변화시킬 수 있다. 각 인출 도체부의 도체 단면적은 모두 동일하게 해도 되고, 상이하게 해도 된다. 이러한 단말 구조를 구비하는 본 발명의 초전도 케이블 선로는, 인출 도체부를 착탈함으로써 직류 송전으로부터 교류 송전으로의 변경, 또는 교류 송전으로부터 직류 송전으로의 변경을 용이하게 실행할 수 있다. 또한, 이와 같이 인출 도체부의 도체 단면적을 변경할 수 있음으로써, 교류 송전시 또는 직류 송전시에 있어서, 공급 전력의 변경이 이루어진 경우에도 도체 단면적을 다양하게 변경함으로써 대응할 수 있다.

발명의 효과

상기 구성을 구비하는 본 발명의 초전도 케이블 선로는, 액체 수소를 수송하는 단열관 내에 초전도 케이블을 수납함으로써, 케이블용 단열관의 내외의 온도차를 작게 하고, 케이블의 단열 구조를 케이블용 단열관과 유체용 단열관의 이중의 단열 구조로 하여, 케이블로의 침입열을 효과적으로 저감한다. 또한, 본 발명의 선로에서는, 유체용 단열관에 수송되는 액체 수소에 의해 초전도 케이블의 냉매의 냉각도 실행할 수 있다. 이 열침입의 저감 및 유체를 이용한 냉매의 냉각에 의해, 본 발명의 선로는 케이블의 냉매를 냉각하기 위한 에너지를 대폭 삭감하거나, 혹은 거의 없앨 수 있다. 특히, 초전도 케이블의 냉매용 냉각 시스템을 마련하지 않아 도 되거나, 혹은 마련하더라도 종래보다 냉각 성능의 레벨을 낮게 할 수 있다.

따라서, 상기 구성을 구비하는 본 발명의 초전도 케이블 선로는, 초전도 케이블의 냉매의 냉각까지를 포함해서 고려한 경우, 상술한 바와 같이 케이블로의 침입열을 저감함으로써 냉매의 냉각 에너지를 대폭 저감할 수 있기 때문에, 종래보다 에너지 소비 효율을 향상시키는 것이 가능하다. 특히, 본 발명의 선로를 통전에 의한 발생열(도체 손실)이 거의 발생하지 않는 직류용 선로로 하는 경우, 에너지 손실의 원인은 주로 침입열로 되기 때문에, 이 침입열의 저감은 에너지 소비 효율의 향상에 매우 유효하다.

또한, 본 발명의 선로에서는, 액체 수소를 냉각하기 위한 열교환 대상으로서 초전도 케이블의 냉매를 이용함으로써, 액체 수소의 냉각 에너지도 각별히 삭감한다. 그 때문에, 본 발명은 초전도 케이블의 냉매를 냉각하기 위한 냉각 에너지 및 액체 수소를 냉각하기 위한 냉각 에너지를 종합적으로 저감하여, 에너지 소비 효율을 각별히 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 선로에서 ρ그레이딩을 실시한 전기 절연층을 갖는 케이블 코아를 구비하는 초전도 케이블을 이용함으로써, 직류 내전압 특성이 우수하여, 직류 송전에 적합한 선로로 할 수 있다. 또한, ρ그레이딩에 부가하여 초전도 도체층의 근방이 고ε로 되도록 전기 절연층을 마련한 케이블 코아를 구비하는 초전도 케이블을 본 발명의 선로에 이용한 경우, 상술한 직류 내전압 특성의 향상에 부가하여, Imp. 내압 특성도 향상할 수 있다. 특히, 전기 절연층의 내주측일수록 고ε로 하고 외주측일수록 저ε라고 하면, 본 발명의 선로는 교류 전기 특성도 우수 하다. 그 때문에, 본 발명의 초전도 케이블 선로는 직류 송전, 교류 송전의 각각 바람직하게 이용할 수 있다. 부가하여, 본 발명의 선로로서 상기 ρ그레이딩 및 ε그레이딩이 실시된 전기 절연층을 갖는 케이블 코아를 구비하는 초전도 케이블을 이용하고, 또한 선로 단부에 형성되는 단말 구조를, 초전도 케이블과 상온측 도전부 사이에 배치되는 인출 도체부의 도체 단면적을 변화 가능한 구성으로 함으로써, 송전 방식을 교류와 직류 사이에서 변경하는 과도기에서도, 본 발명의 선로는 바람직하게 이용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 초전도 케이블 선로의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명의 초전도 케이블 선로에 있어서, 초전도 케이블 부분 근방의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도,

도 3은 본 발명의 초전도 케이블 선로를 구축한 상태를 나타내는 개략적인 구성도,

도 4는 유체용 단열관 내에 액체 수소의 수송관, 초전도 케이블 및 열전도 스페이서를 구비하는 본 발명의 초전도 케이블 선로의 개략적인 구성도로서, 케이블 부분 근방의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도,

도 5는 교류 송전 선로의 경우에 3심 일괄형의 초전도 케이블을 이용한 본 발명의 초전도 케이블 선로에 있어서, 선로 단부에 형성되는 단말 구조의 개략적인 구성도,

도 6은 직류 송전 선로의 경우에 3심 일괄형의 초전도 케이블을 이용한 본 발명의 초전도 케이블 선로에 있어서, 선로 단부에 형성되는 단말 구조의 개략적인 구성도,

도 7은 3심 일괄형의 3상 교류용 초전도 케이블의 단면도,

도 8은 각 케이블 코아의 단면도.

부호의 설명

1 액체 수소, 2 유체용 단열관, 2a 외관, 2b 내관, 3 수송관, 4 열전도 스페이서, 10 초전도 케이블, 11 케이블용 단열관, 11a 외관, 11b 내관, 12 케이블 코아, 13 공간, 14 초전도 도체층, 15 외부 초전도층, 16 수송 배관, 20 수소 스테이션, 21 탱크, 22 수송 배관, 30 열교환 수단, 31 유로, 32 팽창 밸브, 33 압축기, 34 단열 케이스, 40 인출 도체부, 41 저온측 도체부, 41a 저온측 밀봉부, 42 상온측 도체부, 42a 상온측 밀봉부, 43 리드, 44 접지선, 50 종단 접속 상자, 51, 52 냉매조, 53 진공 단열조, 53a 신축부, 60 부싱, 61 인출 도체부, 62 애관, 63 에폭시 유닛, 70 단락부, 100 3상 교류용 초전도 케이블, 101 단열관, 101a 외관, 101b 내관, 102 케이블 코아, 103 공간, 104 방식층, 200 포머, 201 초전도 도체층, 202 전기 절연층, 203 초전도 쉴드층, 204 보호층

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.

(실시예 1)

도 1은 본 발명의 초전도 케이블 선로의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도, 도 2는 본 발명의 초전도 케이블 선로에 있어서, 초전도 케이블 부분 근방의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도, 도 3은 본 발명의 초전도 케이블 선로를 구축한 상태를 나타내는 개략적인 구성이다. 이하, 도면 중 동일 부호는 동일물을 나타낸다. 본 발명의 초전도 케이블 선로는 액체 수소(1)가 수송되는 유체용 단열관(2)과, 유체용 단열관(2)에 수납되는 초전도 케이블(10)과, 액체 수소(1)의 온도 조정과 케이블의 냉매의 온도 조정을 행하는 열교환 수단(30)을 구비한다.

본 예에서 이용한 초전도 케이블(10)은 케이블용 단열관(11)에 3개의 케이블 코아(12)를 꼬아서 수납시킨 구성이며, 기본적 구성은 도 7에 나타내는 초전도 케이블과 마찬가지이다. 각 케이블 코아(12)는 중심으로부터 순서대로 포머, 초전도 도체층, 전기 절연층, 외부 초전도층, 보호층을 구비한다. 초전도 도체층 및 외부 초전도층은 Bi2223계 초전도 테이프선(Ag-Mn 시스선)으로 형성하였다. 초전도 도체층은 포머의 외주에, 외부 초전도층은 전기 절연층의 외주에 각각, 상기 초전도 테이프선을 나선 형상으로 권회하여 구성하였다. 포머는 구리선을 복수개 꼬은 것을 이용하였다. 포머와 초전도 도체층 사이에는 절연지에 의해 쿠션층을 형성하였다. 전기 절연층은 초전도 도체층의 외주에 반합성 절연지(PPLP:스미토모 전기 공 업 주식회사 등록상표)를 권회하여 구성하였다. 보호층은 외부 초전도층의 외주에 크래프트지를 권회하여 마련하였다. 전기 절연층의 내주측에 내부 반도전층, 상기 외주측(외부 초전도층 아래)에 외부 반도전층을 마련해도 된다. 이러한 케이블 코아(12)를 3개 준비하고, 열수축에 필요한 수축대를 갖도록 느슨한 부분을 갖게 하여 꼬아서, 케이블용 단열관(11) 내에 수납하고 있다. 본 예에 있어서 케이블용 단열관(11)에는 SUS 코러게이트관을 이용하여, 외관(11a)과 내관(11b)으로 이루어지는 이중관 사이에 단열재(도시하지 않음)를 다층으로 배치하고, 또한 외관(11a)과 내관(11b) 사이를 소정의 진공도로 진공으로 한 진공 다층 단열 구성으로 하였다. 내관(11b)의 내주면과 3심의 케이블 코아(12)의 외주면으로 둘러싸이는 공간(13)이 냉매의 유로로 된다. 이 유로 내에, 펌프 등을 이용하여 초전도 도체층이나 외부 초전도층을 냉각하는 냉매를 유통시킨다. 본 예에서는, 냉매로서 액체 질소(약 77K)를 이용하였다. 이 초전도 케이블(10)의 케이블용 단열관(11)에는, 상기 단열관(11)으로부터 열교환 수단(30) 쪽을 향해서 냉매가 배출되고, 열교환 수단(30) 쪽으로부터 상기 단열관(11)을 향해서 냉매가 유입된다고 한 냉매의 순환 수송을 행하는 배관(16)이 접속된다. 이 배관(16)의 도중에는, 냉매를 유통시키도록 도시되지 않은 펌프가 배치된다.

상기 구성을 구비하는 초전도 케이블(10)을 유체용 단열관(2) 내에 수납하고 있다. 본 예에 있어서 유체용 단열관(2)은 외관(2a)과 내관(2b)의 이중 구조로, 양쪽 관(2a, 2b) 사이에 단열재(도시하지 않음)를 배치하여, 진공으로 한 구성이다. 내관(2b)의 내주와 초전도 케이블(10)의 외주로 둘러싸이는 공간이 액체 수 소(1)의 수송로로 된다. 양쪽 관(2a, 2b)은 모두 강철제의 용접관이며, 내관(2b)을 구성하는 강철판에 초전도 케이블(10)을 배치하여, 강철판의 양쪽 끝 가장자리를 용접함으로써, 내관(2b) 내에 케이블(10)을 수납하였다. 그리고, 본 예에 있어서 초전도 케이블(10)은 액체 수소에 침지된 상태로 내관(2b)에 배치된다. 본 예에 있어서 유체용 단열관(2)은 수소 플랜트(도시하지 않음)로부터 각 수소 스테이션(20)에 액체 수소를 수송하는 파이프 라인을 구성하는 것으로 하였다. 각 수소 스테이션(20)은 각각, 액체 수소를 저류하는 탱크(21)와, 액체 수소(1)와 초전도 케이블(10)의 냉매 사이에서 열교환을 하는 열교환 수단(30)을 구비한다. 탱크(21)는 유체용 단열관(2)에 접속되어, 유체용 단열관(2)에 의해 수송된 액체 수소를 저류한다. 또한, 탱크(21)에는, 탱크(21)로부터 열교환 수단(30) 쪽을 향해서 액체 수소가 배출되고, 열교환 수단(30) 쪽으로부터 탱크(21)를 향해서 액체 수소가 유입된다고 한 액체 수소를 순환 수송하는 배관(22)이 접속된다. 또한, 배관(22)의 도중에는, 액체 수소를 유통시키도록 도시되지 않은 펌프를 구비한다.

본 예에 있어서 열교환 수단(30)은 헬륨 등의 열교환용 매체가 유통되는 유로(31)와, 이 열교환용 매체를 팽창시키는 팽창 밸브(32)와, 팽창된 열교환용 매체를 압축하는 압축기(33)와, 이들을 수납하는 단열 케이스(34)를 구비한다. 그리고, 팽창된 열교환용 매체로 액체 수소가 냉각되도록, 유로(31)에 있어서 팽창 밸브(32)를 통과한 부분에, 액체 수소를 순환 수송하는 배관(22)의 일부가 접하도록 배관(22)을 배치한다. 이 구성에 의해, 배관(22)에 있어서 상기 유로(31)의 팽창 밸브(32)를 통과한 부분에 접하는 개소 근방에서는, 액체 수소가 냉각된다. 따라 서, 탱크(21)로부터 배출된 액체 수소는 배관(22)을 통해서 열교환 수단(30)에 의해 냉각되어 탱크(21)로 되돌려진다. 또한, 액체 수소에 의해 냉각된 초전도 케이블(10)의 냉매가 초전도 상태를 유지할 수 있는 온도 범위 내에서 압축된 열교환용 매체로 승온되도록, 유로(31)에 있어서, 압축기(33)를 통과한 부분에 케이블(10)의 냉매(액체 질소)를 순환 수송하는 배관(16)의 일부가 접하도록 배관(16)을 배치한다. 이 구성에 의해, 배관(16)에 있어서 상기 유로(31)의 압축기(33)를 통과한 부분에 접하는 개소 근방에서는, 냉매가 승온된다. 따라서, 케이블용 단열관(11)으로부터 배출된 냉매는 배관(16)을 통해서 열교환 수단(30)에 의해 승온되어 상기 단열관(11)으로 되돌려진다.

유체용 단열관에 수납된 초전도 케이블은 케이블의 외주가 극저온의 액체 수소로 덮여지고, 또한, 케이블 자체의 단열관과 액체 수소의 단열관으로 이중의 단열 구조를 구비한다. 이 구성에 의해, 본 발명의 선로는 외부로부터 초전도 케이블로의 침입열을 대폭 저감할 수 있다. 또한, 초전도 케이블의 외주가 극저온의 액체 수소에 덮여짐으로써, 액체 수소로부터의 열이 케이블에 전해져 케이블의 냉매가 냉각된다. 따라서, 초전도 케이블의 냉매를 냉각하는 냉각 시스템을 불필요하게 하는 것도 가능하다. 그 때문에, 본 발명의 초전도 케이블 선로를 구축함으로써, 초전도 케이블의 냉매를 냉각하는 냉각 에너지를 저감하여, 에너지 소비 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 선로는 초전도 케이블의 냉매와 액체 수소 사이에서 열의 교환을 행하여, 냉매의 가온과 액체 수소의 냉각을 동시에 실행하는 열교환 수단을 구비함으로써, 열교환 대상간의 온도차를 작게 할 수 있으며, 이 열교환 수단에 의해, 액체 수소를 냉각할 때에 냉각 에너지를 저감할 수 있다. 또한, 본 발명의 선로는 상기 열교환 수단을 구비함으로써, 유체용 단열관에 수납시킴으로써 지나치게 냉각되어 초전도 케이블의 냉매의 승온에 액체 수소의 냉각에 수반되는 열을 이용할 수 있다. 따라서, 액체 수소와 초전도 케이블의 냉매 사이에서 열교환을 행하도록 구성한 열교환 수단을 이용함으로써, 본 발명의 선로는 액체 수소를 적절한 온도로 조정할 수 있고, 또한, 케이블의 냉매도 적절한 온도로 조정할 수 있다. 그 때문에, 본 발명의 초전도 케이블 선로를 구축함으로써, 초전도 케이블의 냉매를 냉각하는 냉각 에너지와 액체 수소를 냉각하는 냉각 에너지의 쌍방을 저감할 수 있다.

또한, 본 예에서는, 초전도 케이블의 길이 방향의 전체 길이를 유체용 단열관에 수납한 구성을 나타냈지만, 일부의 케이블만을 수납한 구성으로 해도 된다. 본 발명의 선로에 있어서 초전도 케이블을 유체용 단열관에 수납시킨 부분이 적으면, 침입열의 저감 효과가 적어지고, 또한, 열교환 수단에 의한 초전도 케이블의 냉매의 온도 조절이 행해지기 어렵게 될 우려가 있다. 그래서, 본 발명의 선로에서는, 초전도 케이블의 냉매의 온도 조절이 열교환 수단에 의해서 실행할 수 있는 정도로 초전도 케이블을 유체용 단열관에 수납시키는 부분을 마련해 놓는다.

(실시예 2)

상기 실시예 1에서는, 초전도 케이블을 액체 수소에 침지시킨 구성으로 했지 만, 액체 수소에 침지시키지 않도록 유체용 단열관에 초전도 케이블을 수납하는 구성으로 해도 무방하다. 예를 들면, 유체용 단열관 내에 액체 수소의 수송로를 별도로 마련해도 된다. 도 4는 유체용 단열관 내에 액체 수소의 수송관 및 열전도 스페이서를 구비하는 본 발명의 초전도 케이블 선로의 개략적인 구성도로서, 케이블 부분 근방의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 이 초전도 케이블 선로에서는, 유체용 단열관(2)의 내관(2b) 내에 별도의 액체 수소의 수송관(3)을 구비하는 구성이다. 그리고, 내관(2b)의 내주면과 수송관(3)의 외주면과 초전도 케이블(10)의 외주면으로 둘러싸이는 공간에는, 열전도성이 우수한 열전도 스페이서(4)를 배치하고 있다. 이 구성에 의해 상기 실시예 1과 마찬가지로 초전도 케이블(10)은 유체용 단열관(2)과 케이블(10) 자신의 단열관(11)(도 1, 2 참조)의 이중 단열 구조를 구비하기 때문에, 외부로부터의 케이블로의 침입열을 저감할 수 있다. 또한, 액체 수소로부터의 열이 열전도 스페이서(4)를 거쳐서 초전도 케이블(10)로 전해지기 때문에, 액체 수소(1)에 의해 케이블(10)을 냉각하는 것도 가능하다. 또한, 수송관(3)을 구비함으로써, 초전도 케이블(10)과 액체 수소(1)가 물리적으로 격절되어 있기 때문에, 케이블(10)에 단락 등의 사고가 발생하여 불꽃이 발생했을 때에 액체 수소(1)에 인화하는 등의 불량을 방지할 수 있다. 본 예에 있어서 열전도 스페이서는 알루미늄을 권회함으로써 형성하였다.

상기 실시예 1, 2에 나타내는 본 발명의 초전도 케이블 선로는 직류 송전, 교류 송전 중 어디에도 이용할 수 있다. 직류 송전을 하는 경우, 초전도 케이블로서, 내주측의 저항율이 낮고 외주측의 저항율이 높아지도록 ρ그레이딩을 실시한 전기 절연층을 갖는 케이블 코아를 구비하는 것을 이용하면, 전기 절연층의 두께 방향의 직류 전계 분포를 평활화하여, 직류 내전압 특성을 향상시킬 수 있다. 저항율은 비율 k가 상이한 PPLP(등록상표)를 이용함으로써 변화시킬 수 있어, 비율 k가 커지면 저항율이 높아지는 경향이 있다. 또한, 전기 절연층에 있어서 초전도 도체층의 근방에 고ε층을 마련하면, 직류 내전압 특성의 향상에 부가하여, Imp. 내압 특성도 향상시킬 수 있다. 고ε층은, 예를 들면, 비율 k가 작은 PPLP(등록상표)를 이용하여 형성하는 것을 들 수 있다. 이 때, 고ε층은 저ρ층으로도 된다. 또한, 상기 ρ그레이딩에 부가하여, 내주측일수록 유전율 ε이 높고 외주측일수록 유전율 ε이 낮아지도록 전기 절연층을 형성한 케이블 코아를 구비하는 초전도 케이블은 교류 특성도 우수하기 때문에, 이 케이블을 이용한 본 발명의 선로는 교류 송전에도 바람직하게 이용할 수 있다. 예컨대, 이하와 같이 비율 k가 상이한 PPLP(등록상표)를 이용하여, 저항율 및 유전율이 3단계로 상이하도록 전기 절연층을 마련하는 것을 들 수 있다. 이하의 3층은 내주측으로부터 순서대로 구비하면 된다(X, Y는 정수).

저ρ층: 비율 k=60%, 저항율 ρ(20℃)=X[Ωㆍ㎝], 유전율 ε=Y

중ρ층: 비율 k=70%, 저항율 ρ(20℃)=약 1.2X[Ωㆍ㎝], 유전율 ε=약 0.95Y

고ρ층: 비율 k=80%, 저항율 ρ(20℃)=약 1.4X[Ωㆍ㎝], 유전율 ε=약 0.9Y

상기 ρ그레이딩, ε그레이딩을 실시한 초전도 케이블을 이용한 본 발명의 선로에 의해 단극 송전을 하는 경우, 3심의 케이블 코아(12)(도 2 참조) 중, 2심의 코아를 예비심으로 하여, 하나의 코아의 초전도 도체층을 왕로 도체, 이 코아의 외 부 초전도층을 귀로 도체로 해도 되고, 각 코아의 초전도 도체층을 왕로 도체, 이들 코아의 외부 초전도층을 귀로 도체로 하여, 3회선의 단극 송전 선로를 구축해도 된다. 한편, 쌍극 송전을 하는 경우, 3심의 코아 중, 1심의 코아를 예비심으로 하여, 하나의 코아의 초전도 도체층을 정극 선로, 다른 코아의 초전도 도체층을 부극 선로, 양쪽 코아의 외부 초전도층을 중성선층으로 하면 된다.

또한, 상기 ρ그레이딩, ε그레이딩을 실시한 초전도 케이블을 이용하고, 또한, 이하의 단말 구조를 구비한 본 발명의 선로는, 교류 송전을 행한 후, 단극 송전이나 쌍극 송전이라고 한 직류 송전을 행하거나, 직류 송전 후 교류 송전을 행하는 것을 용이하게 할 수 있다. 도 5, 6은 3심 일괄형의 초전도 케이블을 이용한 본 발명의 초전도 케이블 선로의 단부에 형성된 단말 구조에 있어서, 착탈 가능한 인출 도체부를 갖는 단말 구조의 개략적인 구성도로서, 도 5는 교류 송전 선로의 경우, 도 6은 직류 송전 선로의 경우를 나타낸다. 또한, 도 5, 6에서는, 2심의 케이블 코아(12)만 나타내고 있지만, 실제로는 3심 존재한다.

이 단말 구조는 초전도 케이블(10)의 단부로부터 인출한 케이블 코아(12)의 단부와, 상온측의 도전부(도시하지 않음)에 접속되는 인출 도체부(40, 61)와, 코아(12)의 단부와 인출 도체부(40) 및 코아(12)의 단부와 인출 도체부(61)를 전기적으로 접속하는 접속부와, 이들 코아(12)의 단부, 인출 도체부(40, 61)의 코아 접속측 단부, 접속부를 수납하는 종단 접속 상자(50)를 구비한다. 종단 접속 상자(50)는 코아(12)의 단부를 단계적으로 박리하여 노출된 초전도 도체층(14)이 도입되어, 초전도 도체층(14)을 냉각하는 냉매가 충전되는 냉매조(51)와, 마찬가지로 단계적 으로 박리하여 노출된 외부 초전도층(15)이 도입되어, 외부 초전도층(15)을 냉각하는 냉매가 충전되는 냉매조(52)와, 이들 냉매조(51, 52)의 외주에 배치되는 진공 단열조(53)를 구비한다. 초전도 도체층(14)에는, 상온측 도전부와 초전도 도체층(14) 사이에 배치되는 부싱(bushing)(60)에 내장되는 인출 도체부(61)가 조인트(접속부)를 사이에 두고서 접속되어, 초전도 케이블(10)과 상온측 도전부와의 전력의 수수(授受)를 가능하게 한다. 부싱(60)에 있어서 상온측 도전부와의 접속측(상온측)은 진공 단열조(53)로부터 돌출되어 있고, 진공 단열조(53)에 돌출되어 마련되는 애관(62) 내에 수납된다.

한편, 외부 초전도층(15)은 상온측 도전부와 외부 초전도층(15) 사이에 배치되는 인출 도체부(40)가 후술하는 단락부(70)(접속부)를 사이에 두고서 접속되어, 초전도 케이블(10)과 상온측 도전부와의 전력의 수수를 가능하게 하고 있다. 이 인출 도체부(40)는 단락부(70)에 접속되는 저온측 도체부(41)와, 상온측에 배치되어, 저온측 도체부(41)에 대하여 착탈 가능한 상온측 도체부(42)로 이루어진다. 본 예에서는, 상온측 도체부(42)를 소정의 단면적을 갖는 막대 형상으로 하고, 저온측 도체부(41)를 막대 형상의 상온측 도체부(42)가 감합 가능한 통 형상으로 하여, 상온측 도체부(42)를 저온측 도체부(41)에 꽂음으로써 양쪽 부분(41, 42)은 전기적으로 접속되어, 저온측과 상온측 사이의 전력의 수수를 가능하게 하고, 상온측 도체부(42)를 저온측 도체부(41)로부터 뽑음으로써 양쪽 부분(41, 42)은 비도통 상태로 된다. 이 단말 구조에서는 이러한 인출 도체부(40)를 복수 구비하고 있다. 저온측 도체부(41)는 한쪽 단을 단락부(70)에 전기적으로 접속시키고, 다른쪽 단이 진공 단열조(53)에 돌출하게 배치되도록 냉매조(52)에 고정되어 있으며, 그 고정 개소의 외주에는 냉매의 누설이나 냉매조(52)와 도체부(41)와의 단락 등을 방지하는 FRP제의 저온측 밀봉부(41a)를 마련하고 있다. 상온측 도체부(42)는 한쪽 단이 진공 단열조(53) 내에 배치되고, 다른쪽 단이 상온인 외부에 돌출하게 배치되도록 진공 단열조(53)에 고정되어 있으며, 그 고정 개소의 외주에는 열침입을 저감할 수 있고 진공 단열조(53)와 도체부(42)와의 단락 등을 방지하는 FRP제의 상온측 밀봉부(42a)를 마련하고 있다. 또한, 인출 도체부(40)를 착탈시킬 때, 진공 단열조(53)의 진공 상태가 유지되도록 진공 단열조(53)에 있어서 상온측 도체부(42)의 고정 개소 근방에는, 코러게이트관으로 이루어지는 신축부(53a)를 마련하고 있다. 또한, 3심의 코아(12)의 외부 초전도층(15)은 단락부(70)로 단락시키고 있다. 또한, 상온측 도체부(42)의 상온측 단부에는 외부의 기기 등과 접속되는 리드(43) 또는 접지선(44)이 부착된다. 초전도 도체층(14)에 있어서 냉매조(51, 52) 사이의 근방에 배치되는 개소의 외주에는 에폭시 유닛(63)을 배치하고 있다.

상기 구성의 단말 구조를 구비하는 본 발명의 초전도 케이블 선로를 예를 들어 3상 교류 선로로서 이용하는 경우, 외부 초전도층(15)에 접속되는 인출 도체부(40)는 대지 전압을 취하는 데 필요한 도체 단면적을 갖고 있으면 된다. 그래서, 필요한 도체 단면적으로 되도록, 도 5에 나타내는 바와 같이 인출 도체부(40)의 저온측 도체부(41)와 상온측 도체부(42)를 접속시켜, 불필요한 인출 도체부(40)의 저온측 도체부(41)와 상온측 도체부(42)를 이탈시켜 놓는다. 또한, 본 예에서는, 접속시킨 인출 도체부(40)의 상온측 도체부(42)의 상온측 단부에는 접지선(44) 을 접속하여 접지하고 있다.

한편, 도 5에 나타내는 3상 교류 송전으로부터 직류 송전으로 변경하는 요구가 있었을 때, 외부 초전도층(15)에는 초전도 도체층(14)과 동등한 전류가 흐른다. 즉, 도 5에 표시되는 교류 송전의 경우와 비교하여, 외부 초전도층(15)에 흐르는 전류가 커져, 인출 도체부(40)에 흐르는 전류도 커진다. 그래서, 도 6에 나타내는 바와 같이 교류 송전의 경우에 이탈해 있었던 인출 도체부(40)의 저온측 도체부(41)와 상온측 도체부(42)를 접속시켜, 필요한 전류를 흘리는 데 충분한 도체 단면적을 확보한다. 본 예에서는, 접속시킨 인출 도체부(40)의 상온측 도체부(42)의 상온측 단부에는 리드(43)를 접속하여 접지하고 있다. 반대로, 도 6에 나타내는 직류 송전으로부터 교류 송전으로 변경하는 요구가 있었을 때는, 직류 송전에 있어서 도통시키고 있었던 인출 도체부(40) 중, 한쪽을 분리하여 비도통 상태로 한다.

본 발명의 초전도 케이블 선로는 각종 전력 기기로의 전력 송전을 행하는 선로에 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 액체 수소를 수송하는 파이프 라인에 초전도 케이블을 수납하고, 파이프 라인에 접속된 수소 스테이션에 열교환 수단을 배치하여, 본 발명의 초전도 케이블 선로를 구축해도 된다. 이 때, 본 발명의 선로는 수소 스테이션 내의 전력 기기의 전력 공급용 선로로서 이용해도 되고, 유체용 단열관으로부터 적절하게 전력을 인출하여, 임의의 전력 기기의 전력 공급용 선로로서 이용하는 것도 가능하다. 또한, 액체 수소의 수송로나 수소 스테이션을 구 축할 때, 본 발명의 케이블 선로를 구축할 수 있어, 포설 작업성이 우수하다.

Claims

액체 수소(1)를 수송하는 유체용 단열관(2)과,

상기 유체용 단열관(2)에 수납되어, 상기 액체 수소(1)보다 온도가 높은 냉매로 초전도부(12)를 냉각하는 초전도 케이블(10)과,

상기 액체 수소(1)를 냉각함과 아울러, 상기 액체 수소(1)로 냉각된 케이블의 냉매를 승온시키는 열교환 수단(30)

을 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 선로.
제 1 항에 있어서,

상기 초전도 케이블(10)은 상기 액체 수소(1) 내에 침지되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 선로.
제 1 항에 있어서,

상기 유체용 단열관(2) 내에는, 상기 액체 수소(1)가 수송되는 수송 영역과 상기 초전도 케이블(10)이 구획되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 선로.
제 1 항에 있어서,

상기 초전도 케이블(10)의 냉매는 액체 질소인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 선로.
제 1 항에 있어서,

상기 초전도 케이블(10)은, 초전도 도체층(14)과, 상기 초전도 도체층(14)의 외주에 마련되는 전기 절연층를 구비하고,

상기 전기 절연층은, 그 직경 방향의 직류 전계 분포가 평활화되도록, 상기 전기 절연층의 내주측의 저항율이 낮고 외주측의 저항율이 높아지도록 ρ그레이딩이 실시되어 있는

것을 특징으로 하는 초전도 케이블 선로.
제 5 항에 있어서,

상기 전기 절연층은, 상기 초전도 도체층(14)의 근방에, 다른 개소보다 유전율이 높은 고ε층을 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 선로.
제 5 항에 있어서,

상기 전기 절연층은, 그 내주측일수록 유전율 ε이 높고 외주측일수록 유전율 ε이 낮게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블 선로.