WO2005029509A1 - 超電導ケーブル - Google Patents

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WO2005029509A1
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superconducting
wire
normal
cable
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PCT/JP2004/013119
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Hiroyasu Yumura
Masanobu Nishimura
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries, Ltd.
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    • H01B12/00—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines
    • H01B12/02—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by their form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
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    • H01B12/02—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by their form
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a superconducting cable including a former, a superconducting layer, and an electric insulating layer.
  • the present invention relates to a superconducting cable that can shunt a large current in a short circuit accident or the like to suppress heat generation in a superconducting layer and reduce an AC loss when a steady current flows.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view of a three-core batch type three-phase superconducting cable having three cable cores
  • FIG. 2B is a perspective view showing an example of the core.
  • the superconducting cable 100 has a configuration in which three cable cores 102 are twisted and housed in a heat insulating tube 101.
  • the heat insulating pipe 101 has a heat insulating material (not shown) disposed between a double pipe composed of a corrugated outer pipe 101a and a corrugated inner pipe 101b. And the inside of the double tube is evacuated.
  • Each cable core 102 includes a former 200, a superconductor 201, an electrical insulating layer 202, a shield layer 203, and a trauma protection layer 204 in the order of the central force.
  • the foam 200 is formed from a normal conductive material such as copper or aluminum in a hollow or solid state.
  • the superconducting conductor 201 is formed by spirally winding a superconducting wire on a former 200 in multiple layers.
  • the electric insulating layer 202 is formed by winding an insulating material such as semi-synthetic insulating paper.
  • the shield layer 203 is formed by spirally winding a superconducting wire similar to the superconducting conductor 201 on the electric insulating layer 202. Then, in the shield layer 203, in the steady state, a current having substantially the same magnitude as the current flowing through the superconducting conductor 201 is induced in the opposite direction. The magnetic field generated by the superconducting conductor 201 is canceled by the magnetic field generated by the induced current, and the leakage magnetic field to the outside of the cable core 102 can be reduced to almost zero.
  • a space 103 surrounded by the inner tube 101b and each cable core 102 usually serves as a refrigerant flow path. Further, a reinforcing layer (anticorrosion layer) 104 made of polyvinyl chloride or the like is formed on the outer corrugated pipe 101a.
  • a short-circuit current of 5 kAZsec (for example, a current of about 31.5 kA flows for about 1 second) occurs.
  • a large current exceeding the critical current value flows into the superconducting conductor, the superconducting conductor transitions to normal conduction (taints), causing Joule loss (heat loss) due to this transition.
  • a large current is similarly induced in the shield layer, and transitions to normal conduction, causing Joule loss.
  • Patent Document 1 a copper layer is provided between the superconducting conductor and the electrically insulating layer (see Patent Document 1), or a copper layer is provided on the outer periphery of the protective layer (see Patent Document 2).
  • Patent Document 3 describes a configuration in which a shield layer and a copper layer are provided in multiple layers on the outer periphery of an electric insulating layer, and a shield layer is provided between the copper layers.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-067663 (Claims, see FIG. 1)
  • Patent document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-052542 (Claims, see FIG. 1)
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-008459 (Claims, see FIG. 1)
  • the layer disposed inside the cable core has a larger inductance. Therefore, in the conventional configuration, since the inductance of the copper layer is smaller than the inductance of the superconducting layer, the current flows more easily in the copper layer when a steady current flows, and the Joule loss increases. You. In particular, in the technique described in Patent Document 3, since a copper layer is provided more than a superconducting layer and a copper layer is always provided outside each superconducting layer, AC loss due to current flowing through the copper layer is extremely low. Seems to be big.
  • a main object of the present invention is to suppress a rise in the temperature of the superconducting layer in the event of an accident such as a short circuit, and to reduce AC loss when a steady current is supplied. It is to provide a superconducting cable.
  • the present invention specifies that a superconducting layer, particularly a protective layer made of a normal conducting metal material, is provided on the inner periphery of the second superconducting layer as a configuration for further reducing the Joule loss in a steady state.
  • the present invention provides a former which also has a normal conducting metal force, a first superconducting layer formed on an outer periphery of the former, an electric insulating layer formed on an outer periphery of the first superconducting layer, A second superconducting layer formed on the outer periphery of the layer; and a normal conducting metal layer formed between the electric insulating layer and the second superconducting layer.
  • the present invention is directed to a superconducting cable including a cable core having a former, a first superconducting layer, an electrical insulating layer, and a second superconducting layer in this order from the inside. Therefore, the cable may be a single-phase cable having one cable core or a multi-phase cable having a plurality of cores. In the case of a multi-phase cable, for example, a three-core batch type three-phase superconducting cable in which three cable cores are twisted and housed in a heat insulating tube is exemplified.
  • the first superconducting layer includes a layer to be a superconducting conductor, and the second superconducting layer includes a shield layer.
  • a wire made of a superconducting material For the formation of these superconducting layers, use of a wire made of a superconducting material can be mentioned.
  • superconducting wires include those manufactured by a powder-in-tube method.
  • a powder of superconducting phase such as Bi-based, specifically Bi2223-based or Bi2212-based, is filled in a silver or silver alloy metal pipe and drawn, and the obtained wires are bundled and inserted into the same noive.
  • the accident current is shunted to the normal metal layer or the former provided on the inner periphery of the second superconducting layer, but the accident current is also shunted to the superconducting layer.
  • the superconducting layer is formed of a superconducting wire composed of the above matrix and a superconducting material
  • the superconducting layer shifts from the superconducting state to the normal conducting state due to a rise in temperature accompanying the passage of a fault current, the superconducting material is insulated. Because it is a body, current flows through the matrix.
  • the superconducting wire In order to suppress heat generation due to energization of the matrix, it is desirable that the superconducting wire has a certain amount of matrix.
  • the ratio of the matrix in the superconducting wire is increased, the critical current density decreases because the portion of the superconducting material in the superconducting wire decreases. Therefore, if the critical current density is to be increased, it is not preferable to increase the diameter of the superconducting wire, that is, to increase the superconducting cable itself. Therefore, in order to realize both suppression of heat generation and suppression of decrease in critical current density in a well-balanced manner, it is preferable that the matrix ratio is 1.5 or more and 3.0 or less.
  • the matrix ratio is the ratio of the cross-sectional area of the matrix to the cross-sectional area of the superconducting material (cross-sectional area of the matrix Z cross-sectional area of the superconducting material) in each superconducting wire constituting the superconducting layer.
  • the superconducting layer may be a single layer or a multi-layer formed by spirally winding such a superconducting material wire.
  • the number of superconducting wires used should be designed so that the superconducting layer can maintain the superconducting state at the operating temperature when a steady current and a maximum current flow.
  • the number of layers may be designed in the same manner as in the case of setting the number.
  • an interlayer insulating layer is provided by winding kraft paper or the like between the layers. This is preferable because AC loss can be reduced.
  • the winding direction and the winding pitch of the superconducting wire are adjusted so that the current shared by each layer is substantially uniform, so that the AC loss generated in the superconducting layer can be reduced.
  • the feature of the present invention resides in that a protective layer (normal conductive metal layer) made of a normal conductive metal material is provided between the electric insulating layer and the second superconducting layer, that is, inside the second superconducting layer. It is in.
  • the superconducting layer in particular, the outer periphery of the second superconducting layer is not provided with a normal conducting metal layer for passing a current.
  • the normal conducting metal the temperature of the refrigerant in which the superconducting cable is used, such as copper, aluminum, silver, copper alloy, aluminum alloy, silver alloy, etc., for example, when liquid nitrogen is used as the refrigerant, the temperature is close to the temperature of liquid nitrogen.
  • the normal-conducting metal layer may be formed by using a pipe made of the above-described normal-conducting metal material, but may be formed by processing the same material into a tape-shaped wire rod or by drawing into a circular cross section. It is preferable to use a round wire because it is easy to form.
  • a normal conductive metal layer may be formed by winding a wire made of a plurality of normal conductive metal materials around the outer periphery of the electrical insulating layer.
  • the normal conductive metal layer when a wire made of a normal conductive metal material is used for forming the normal conductive metal layer, not only is it easy to form, but also an electric insulating layer, a first superconducting layer, and a former formed below the normal conductive metal layer. It is preferable because the refrigerant easily enters the air.
  • each wire has a structure in which a wire insulating layer is provided on an outer periphery thereof.
  • An eddy current is generated in the normal conductive metal layer by a magnetic field generated by a current flowing through the superconductor.
  • the outer periphery of the normal conducting metal wire is covered with an insulating material.
  • the wire insulation layer may be formed by enamel coating or the like.
  • the normal conducting metal layer may be a single layer, but if it has a multilayer structure, the cross-sectional area can be increased and the fault current can be efficiently diverted.
  • the cross-sectional area of the same layer can be arbitrarily adjusted by adjusting the number of wires. It is preferable because it can easily meet the demand. The larger the cross-sectional area of the normal conducting metal layer, the more the fault current can be shunted. If the force is too large, the cable will be too large.
  • the layers constituting the metal layer are electrically insulated from each other.
  • the method of electrically insulating include forming an interlayer insulating layer by winding kraft paper, mylar paper, Kapton (registered trademark) tape, or the like.
  • the normal conducting metal layer is provided inside the second superconducting layer, it is preferable that the normal conducting metal layer be electrically connected to the second superconducting layer.
  • the second superconducting layer and the normal conducting metal layer are electrically connected over the entire length of the superconducting cable (cable core), the current flows not only in the superconducting layer but also in the normal conducting current.
  • the AC loss may increase due to the flow into the conductive metal layer. Therefore, it is preferable to connect only at both ends of the cable instead of connecting them both over the entire length.
  • the middle portion of the cable is preferably electrically insulated to reduce the increase in AC loss.
  • an interlayer insulating layer is provided between the second superconducting layer and the normal conductive metal layer over the entire length of the cable, and the interlayer insulating layer is removed at both ends of the cable, and the second superconducting layer and the normal superconducting layer are removed. It is preferable to connect the conductive metal layer with solder or the like.
  • the inter-layer insulating layer may be formed, for example, by winding kraft paper, mylar paper, Kapton (registered trademark) tape, or the like.
  • Examples of the former provided on the inner periphery of the first superconducting layer include those formed of a normal conducting metal having a small electric resistance near a refrigerant temperature at which a superconducting cable such as copper or aluminum is used. .
  • the shape may be, for example, a hollow pipe shape.However, in the event of an accident such as a short circuit, the former also shares the accident current. Are preferred.
  • the cable structure can be further reduced.
  • a solid-shaped former is formed by twisting a plurality of normal conducting metal wires. By twisting a plurality of normal conducting metal wires, mechanical strength can be improved.
  • the normal metal wire forming the former can be reduced in eddy current loss by providing a wire insulation layer around the metal wire in the same way as the normal metal wire forming the normal metal layer. Preferred. Further, it is desirable that the twisted normal conducting metal wire be subjected to compression molding so that the cross section becomes circular. By performing the compression molding, the gap between the strands is reduced, so that the outer diameter of the former can be reduced and the cable structure can be downsized.
  • the irregularities on the outer surface of the former can be made smaller and smoother.
  • the shape of the first superconducting layer is irregular, Instead, the influence on the shape of the first superconducting layer can be reduced.
  • the electric insulating layer provided on the outer periphery of the first superconducting layer may be formed by winding semi-synthetic insulating paper such as PPLP (registered trademark) or kraft paper.
  • the thickness of the electrical insulation layer should be set appropriately according to the voltage applied to the cable line to be applied and the voltage applied to the impulse.
  • a reinforcing layer may be provided on the outer periphery of the second superconducting layer.
  • the reinforcing layer may be formed by winding a kraft paper / cloth tape.
  • the superconducting cable of the present invention is provided with a normal-conducting metal layer, and shunts a large fault current generated in the event of an accident such as a short circuit into the normal-conducting metal layer.
  • This has the specific effect of preventing the superconducting layer from being excessively heated due to the flow of an accidental current and from being damaged due to the temperature rise.
  • the normal-conducting metal layer is disposed inside the superconducting layer, in particular, the shield layer, and the inductance of the metal layer is made larger than that of the superconducting layer. Since the current to the metal layer is suppressed and the current hardly flows, the AC loss of the superconducting layer can be reduced.
  • the normal-conducting metal layer is formed of a tape-shaped wire made of a normal-conducting metal or a round wire having a circular cross section
  • the superconducting conductor or the former provided in a lower layer than the normal-conducting metal layer can easily form the refrigerant. Is easy to immerse.
  • those wires having a wire insulation layer on the outer periphery of the metal portion are used, eddy current loss generated in the normal conducting metal layer can be reduced.
  • liquid nitrogen is used as a refrigerant, and a cable line is used. Is constructed, the liquid nitrogen is used by circulating in the cable. For this reason, a system is used in which a refrigerant whose temperature has risen due to heat loss caused by cooling each part of the cable is cooled by a refrigerant machine provided in the middle of the cable line. If the superconducting cable of the present invention is used for the cable line used by such a system, the heat loss is small when a steady current is applied as described above, so that the cooling capacity required for the refrigerator can be small, and the cooling cost can be reduced. And the time for cooling to a desired operating temperature can be shortened.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a cable core constituting a superconducting cable of the present invention.
  • FIG. 2 (A) is a sectional view of a three-core batch type three-phase superconducting cable
  • FIG. 2 (B) is a perspective view schematically showing a cable core.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a cable core constituting the superconducting cable of the present invention.
  • the cable core 1 also includes a former 2, a superconducting conductor 3, an electrical insulating layer 4, a shield layer 6, and a reinforcing layer 7 in order of inner force.
  • a feature of the present invention is that a copper layer (normally conductive metal layer) 5 is provided on the inner periphery of the shield layer 6, that is, between the electrical insulating layer 4 and the shield layer 6.
  • the former 2 has a solid shape obtained by twisting a plurality of normal conducting metal wires each having a wire insulating layer having an enamel covering power on the surface of a copper wire and then compressing the wire into a circular cross section.
  • a solid-shaped former By using a solid-shaped former, the cross-sectional area becomes larger than that of a hollow-shaped former, so even if a large current is generated in the event of a short circuit, this large current can be efficiently diverted to the former. Together with the cable structure Can do. Further, since each wire is insulated, eddy current loss can be reduced.
  • the mechanical strength is excellent, and the concentric superconducting conductor 3 is easily formed on the outer periphery of the former 2.
  • the former 2 is electrically connected to the superconducting conductor 3 at both ends of the cable core 1, and can shunt fault current to the former 2 in the event of a short circuit or the like.
  • the superconducting conductor 3 and the shield layer 6 are composed of a superconducting wire made by a powder-in-tube method, specifically, a matrix made of silver or silver alloy, and a Bi2223-based superconducting material contained in the matrix.
  • the superconducting wire composed of the above was formed by winding multiple times.
  • a superconducting wire adjusted so that the matrix ratio was 1.5 or more and 3.0 or less was used.
  • the superconducting conductor 3 is formed by winding the above superconducting wire on the former 2, so that the shield layer 6 is formed.
  • both the superconducting conductor 3 and the shield layer 6 have a multilayer structure. Specifically, the superconducting conductor 3 has four layers and the shield layer
  • the currents shared by the layers were adjusted to be substantially uniform. With these configurations, it is possible to efficiently reduce the AC loss generated in the superconductor and the shield layer.
  • the electrical insulating layer 4 was formed by winding semi-synthetic insulating paper (PPLP: registered trademark, manufactured by Sumitomo Electric Industries, Ltd.) on the superconducting conductor 3.
  • PPLP semi-synthetic insulating paper
  • the copper layer 5 is provided outside the electrical insulation layer 4, that is, inside the shield layer 6 between the shield layer 6 and the reinforcing layer 7, that is, between the electrical insulation layer 4 and the shield layer 6, so that the copper layer 5 also increase the inductance.
  • AC loss can be reduced when a steady current is applied, but in the event of a short-circuit accident, etc. It functions to reduce the heat loss of superconducting conductor 3 and shield layer 6 by shunting the current.
  • the copper layer 5 was formed by winding a tape-shaped wire made of copper and having a wire insulating layer formed by enamel coating on the outer periphery thereof on the electric insulating layer 4.
  • the refrigerant is easily immersed in the former 2, the superconducting conductor 3, and the electric insulating layer 4 existing below the copper layer 5.
  • a wire having a wire insulating layer eddy current loss generated in the copper layer 5 due to a magnetic field generated by energizing the superconducting conductor 3 can be reduced.
  • the copper layer 5 has a multilayer structure and a large cross-sectional area so that a fault current can be efficiently diverted in the event of a short circuit fault or the like.
  • An interlayer insulating layer formed by winding kraft paper is formed between the layers constituting the copper layer 5, so that eddy current loss generated between the layers can be reduced.
  • the copper layer 5 may be formed by winding a round wire having a circular cross section, or a wire insulating layer may be formed on the outer periphery of the wire. Further, the copper layer 5 may have a multilayer structure, and each layer constituting the multilayer structure may be electrically insulated.
  • an interlayer insulating layer formed by winding kraft paper over the entire length of the cable core 1 is formed (not shown). Then, at both ends of the cable core 1, the interlayer insulating layer provided between the copper layer 5 and the shield layer 6 is partially removed, and the shield layer 6 and the copper layer 5 are electrically connected by solder. .
  • this configuration it is possible to prevent an increase in AC loss due to current flowing through the copper layer 5 when a steady current flows, and to divide the fault current into the copper layer 5 in the event of a short circuit or the like.
  • the reinforcing layer 7 was formed by winding kraft paper on the shield layer 6.
  • a protective layer formed by winding a cloth tape is provided on the reinforcing layer 7.
  • a single-phase superconducting cable may be formed using one cable core 1 shown in Fig. 1 !, or a three-phase superconducting cable as shown in Fig. 2 using three cores 1. As well.
  • a three-core superconducting three-phase superconducting cable as shown in Fig. 2 was fabricated by twisting the three cable cores shown in Fig. 1 above, and a short-circuit test was performed. Below, the configuration conditions of each layer of the cable core are shown. [0041] Cable core: outer diameter 41 mm ⁇
  • Superconducting conductor and shield layer Use of Bi2223-based superconducting wire with matrix ratio of 2.0 Number of wires used (in order from inside);
  • Superconducting conductor 170mm (Z winding), 350mm (Z winding),
  • Shield layer 350mm (Z winding), 480mm (Z winding)
  • the interlayer insulation layer was 0.15 mm thick
  • Copper layer tape-shaped wires used in the cross-sectional area lmm 2, 2-layer structure,
  • the temperatures of the superconductor and the shield layer were 140 K and 120 K at the maximum, respectively. After that, the temperatures of the superconductor and the shield layer returned to the values before the current was applied, and the superconductor and the shield layer were not damaged.
  • the Joule loss when a steady current (1000 A) was applied was examined, 3% of the total current flowed through the copper layer, and the Joule loss was 0.03 WZm.
  • the present invention can suppress a rise in the temperature of the superconducting layer in an accident such as a short circuit.
  • AC loss can be reduced during normal energization. Therefore, the present invention can be effectively used in the field of power supply.

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  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Abstract

　フォーマ（２）と、フォーマ（２）の外周に形成される超電導導体層（３）と、導体層（３）の外周に形成される電気絶縁層（４）と、絶縁層（４）の外周に形成されるシールド層（６）と、絶縁層（４）とシールド層（６）間に形成される常電導金属層（５）とを具える。シールド層（６）の内側に存在する常電導金属層（５）は、シールド層（６）よりもインダクタンスが大きいことで、短絡などの事故の際に超電導層の温度上昇を抑制することができると共に、通常電流の通電時において、シールド層（６）により電流が流れるため、交流損失を低減することができる。

Description

明 細 書
超電導ケーブル
技術分野
[0001] 本発明は、フォーマと、超電導層と、電気絶縁層とを具える超電導ケーブルに関す るものである。特に、短絡事故などの際の大電流を分流して超電導層の発熱を抑制 することができると共に、定常電流の通電の際における交流損失を低減することがで きる超電導ケーブルに関する。
背景技術
[0002] 従来、 Bi系高温超電導線材などからなる超電導導体を具えた超電導ケーブルが知 られている。図 2 (A)は、ケーブルコアを 3本具える三芯一括型の三相超電導ケープ ルの断面図、（B)はコアの一例を示す斜視図である。この超電導ケーブル 100は、 断熱管 101内に 3本のケーブルコア 102を撚り合わせて収納させた構成である。
[0003] 図 2 (A)、（B)を参照して、断熱管 101は、コルゲート外管 101aとコルゲート内管 1 01bとからなる二重管の間に断熱材（図示せず)が配置され、かつ二重管内が真空 引きされた構成である。各ケーブルコア 102は、中心力 順にフォーマ 200、超電導 導体 201、電気絶縁層 202、シールド層 203、外傷保護層 204を具えている。フォー マ 200は、銅やアルミニウムなどの常電導材料にて中空状、又は中実状に形成され る。超電導導体 201は、フォーマ 200上に超電導線材を多層に螺旋状に卷回して形 成される。電気絶縁層 202は、半合成絶縁紙などの絶縁材料を卷回して形成される 。シールド層 203は、電気絶縁層 202上に超電導導体 201と同様の超電導線材を螺 旋状に卷回して形成される。そして、シールド層 203には、定常時、超電導導体 201 に流れる電流と逆向きでほぼ同じ大きさの電流が誘起される。この誘導電流により生 じる磁場にて、超電導導体 201から生じる磁場を打ち消し合い、ケーブルコア 102外 部への漏れ磁場をほぼゼロにすることができる。内管 101bと各ケーブルコア 102とで 囲まれる空間 103が通常、冷媒の流路となる。また、コルゲート外管 101aの上には、 ポリ塩ィ匕ビニル等による補強層（防食層） 104が形成されている。
[0004] 超電導ケーブルの電力系統において短絡や地絡などの事故が発生した場合、大 電流が生じる。そのため、限流器の設置など、事故電流に対する抑制対策を行わな ければ、超電導ケーブルに定常時の電流を超えるような大電流が流れることになる。 例えば、定格電圧 350MV、定格電流 3kAとする場合、短絡事故の際には、約 31.
A
5kAZsec (線路の一例としては、約 31. 5kAの電流が約 1秒流れる）の短絡電流が 生じる。そして、臨界電流値を越える大電流が超電導導体に流れると、同導体は、常 電導に転移し (タエンチし)、この転移によるジュール損 (熱損失）が生じる。同時に、 シールド層にも同様に大電流が誘導されて、常電導に転移し、ジュール損が生じる。 特に、ジュール損が大きな場合は、超電導導体やシールド層を構成する超電導線材 が焼損したり、焼損に至らなくても、急激な温度上昇により線材内部のボイドに入って V、た冷媒が気化して超電導線材にバルーニング (窒素膨れ)が生じ臨界電流値を低 下させる。また、冷媒の気化に伴い、絶縁破壊を引き起こす可能性もある。そして、こ のような事故による損傷などを復旧するまでには、非常に長い時間を要する。
[0005] そこで、超電導導体と電気絶縁層間に銅層を設けたり（特許文献 1参照）、保護層 の外周に銅層を設け (特許文献 2参照）、短絡などの事故で大電流が生じた際、上記 金属層に電流を分流させることで、超電導層の発熱を抑制させる技術が知られて 、 る。また、特許文献 3には、電気絶縁層の外周にシールド層及び銅層を多層に設け、 銅層間にシールド層を具える構成が記載されて 、る。
特許文献 1：特開 2000-067663号公報 (特許請求の範囲、図 1参照）
特許文献 2 :特開 2001-052542号公報 (特許請求の範囲、図 1参照）
特許文献 3 :特開 2002— 008459号公報 (特許請求の範囲、図 1参照）
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] しかし、従来の技術では、定常電流の通電時にお!、て交流損失が大きくなると 、う 問題がある。
[0007] 上記特許文献 1一 3に記載される技術は、いずれも銅層を設けることで、短絡など の事故の際、銅層に事故電流を分流して、超電導層の保護を図ることができると共に 、定常電流の通電時において渦電流損失の低減を図ることができる。しかし、いずれ も、超電導線材からなる超電導層 (超電導導体又はシールド層）の外周に銅層を設 ける構成、即ち、銅層が超電導層よりも外側に存在する構成である。この構成では、 定常電流の通電時において、超電導層よりも銅層に電流が流れ易ぐ交流損失、特 に、ジュール損が大きくなるという問題がある。
[0008] 超電導層や銅層は、定常電流の通電時、短絡などの事故時に係わらず、ケーブル コアにおいて内側に配置される層ほどインダクタンスが大きくなる。従って、従来の構 成では、超電導層のインダクタンスと比較して銅層のインダクタンスの方が小さくなる ため、定常電流の通電時、銅層の方がより電流が流れ易くなり、ジュール損が増大す る。特に、特許文献 3に記載される技術では、超電導層よりも銅層を多く設けると共に 、各超電導層の外側に必ず銅層を設けているため、銅層に電流が流れることによる 交流損失が非常に大きいと思われる。
[0009] そこで、本発明の主目的は、短絡などの事故の際に超電導層の温度上昇を抑制す ることができると共に、定常電流の通電時にお!、て交流損失を低減することができる 超電導ケーブルを提供することにある。
課題を解決するための手段
[0010] 上記課題を鑑み、本発明者らが種々検討した結果、定常電流の通電時における渦 電流損失よりもジュール損の方がはるかに大きいとの知見を得た。この知見に基づき 、定常時におけるジュール損をより減少させる構成として、本発明は、超電導層、特 に第二超電導層の内周に常電導金属材料からなる保護層を設けることを規定する。
[0011] 即ち、本発明は、常電導金属力もなるフォーマと、前記フォーマの外周に形成され る第一超電導層と、前記第一超電導層の外周に形成される電気絶縁層と、前記電気 絶縁層の外周に形成される第二超電導層と、前記電気絶縁層と第二超電導層間に 形成される常電導金属層とを具えることを特徴とする。
[0012] 以下、本発明をより詳しく説明する。
[0013] 本発明は、内側から順にフォーマ、第一超電導層、電気絶縁層、第二超電導層を 有するケーブルコアを具える超電導ケーブルを対象とする。従って、上記ケーブルコ ァを 1本具える単相ケーブルでもよ 、し、上記コアを複数具える多相ケーブルでもよ い。多相ケーブルの場合、例えば、 3本のケーブルコアを撚り合わせて断熱管に収納 された三芯一括型の三相超電導ケーブルが挙げられる。 [0014] 第一超電導層としては、超電導導体となる層、第二超電導層としては、シールド層 が挙げられる。これら超電導層の形成は、いずれも超電導材料からなる線材を用いる ことが挙げられる。超電導線材としては、パウダーインチューブ法により製造されたも のが挙げられる。例えば、 Bi系、具体的には Bi2223系、 Bi2212系などの超電導相 の原料粉末を銀や銀合金の金属パイプに充填して伸線加工し、得られた線材を束 ねて同ノイブに挿入して多芯線材としたものや、この多芯線材を更に圧延してテー プ状にしたもの、即ち、銀又は銀合金力もなるマトリクスと、このマトリクスに内蔵される 超電導材料とから構成されるものが挙げられる。
[0015] 本発明ケーブルでは、短絡などの事故の際、第二超電導層の内周に設ける常電導 金属層やフォーマに事故電流を分流させるが、超電導層にも事故電流が分流される 。例えば、上記マトリクスと超電導材料とからなる超電導線材にて超電導層を形成し ている場合、事故電流の通電に伴う温度上昇により、超電導層が超電導状態から常 電導状態に移行すると、超電導材料は絶縁体となるため、マトリクスに電流が流れる ことになる。マトリクスへの通電に伴う発熱を抑制するためには、超電導線材にある程 度の量のマトリクスを有していることが望まれる。一方、超電導線材中のマトリクスの比 率を高めると、超電導線材中の超電導材料部分が減少することで、臨界電流密度が 減少してしまう。そのため、臨界電流密度を大きくしょうとすると、超電導線材の径を 大きぐ即ち、超電導ケーブル自体を大きくする必要がある力 コンパクトなケーブル 構造を望む場合好ましくない。そこで、発熱の抑制と臨界電流密度の減少抑制との 双方をバランスよく実現させるためには、マトリクス比が 1. 5以上 3. 0以下であること が好ましい。マトリクス比とは、超電導層を構成する各超電導線材において、超電導 材料の断面積に対するマトリクスの断面積の比率 (マトリクスの断面積 Z超電導材料 の断面積)とする。
[0016] 上記超電導層は、このような超電導材線材を螺旋状に卷回することで形成するとよ ぐ単層でも多層でもよい。用いる超電導線材の本数は、定常電流、及び最大電流 が流れた場合に、運転温度において超電導層が超電導状態を維持できるように設計 するとよい。多層とする場合、その層数も上記本数の設定の場合と同様に設計すると よい。また、多層とする場合、層間にクラフト紙などを卷回して層間絶縁層を設けると 、交流損失を低減することができて好ましい。更に、多層とする場合、超電導線材の 巻き付け方向及び巻き付けピッチは、各層が分担する電流がほぼ均一となるように調 整すると、超電導層に生じる交流損失を低減することができる。
[0017] そして、本発明の特徴とするところは、電気絶縁層と第二超電導層間、即ち、第二 超電導層の内側に常電導金属材料からなる保護層（常電導金属層）を具えるところ にある。そして、超電導層、特に、第二超電導層の外周には、電流を流すための常 電導金属層を設けない。常電導金属としては、銅、アルミニウム、銀、銅合金、アルミ ニゥム合金、銀合金などのように、超電導ケーブルが使用される冷媒温度、例えば、 冷媒として液体窒素を用いる場合、液体窒素の温度近傍においても電気的抵抗が 小さい金属（銅、アルミニウムでは、 77Kの比抵抗 p = 2 X 10— 7 Ω 'cm)が挙げられる 。常電導金属層は、上記常電導金属材料カゝらなるパイプなどを用いて形成してもよ いが、同材料をテープ状に加工したテープ状線材、又は断面円形状に伸線加工し た丸線材を用いると形成し易く好ましい。例えば、複数の常電導金属材料からなる線 材を電気絶縁層の外周に卷回して常電導金属層を形成するとよい。また、常電導金 属層の形成に常電導金属材料からなる線材を用いた場合、形成し易 ヽだけでなく、 常電導金属層よりも下層に具えられる電気絶縁層や第一超電導層、フォーマに冷媒 が浸入し易く好ましい。
[0018] 更に、上記常電導金属材料カゝらなる線材を複数用いて常電導金属層を形成する 場合、各線材は、その外周に素線絶縁層を具えた構成であることが好ましい。超電 導導体に電流が流れることによって発生する磁場により、常電導金属層には、渦電 流が発生する。この渦電流の発生を低減するには、常電導金属線材の外周が絶縁 材料にて被覆されていることが好適である。素線絶縁層の形成は、エナメル被覆など が挙げられる。
[0019] 上記常電導金属層は、単層でもよいが、多層構造にすると、断面積を大きくするこ とができ、事故電流を効率よく分流させることができる。常電導金属材料からなる線材 を用いて常電導金属層を形成する場合、線材の本数を調整することにより同層の断 面積を任意に調整することができるため、パイプにより同層を形成する場合よりも要求 に応じ易く好ましい。常電導金属層の断面積は、大きいほど事故電流を分流させるこ とができる力 大き過ぎると、ケーブルが大型化してしまうため、事故電流を十分に分 流できる大きさがあればよい。
[0020] また、常電導金属層を多層構造とする場合、同金属層を構成する各層は、互いに 電気的に絶縁されていることが好ましい。互いに絶縁されていることで、常電導金属 層を構成する各層間に生じる渦電流損失を低減することができる。電気的に絶縁す る方法としては、例えば、クラフト紙、マイラー紙、カプトン (登録商標)テープなどを卷 回することで層間絶縁層を形成することなどが挙げられる。
[0021] 短絡などの事故が生じた際、常電導金属層に事故電流を分流させるためには、超 電導層と電気的に接続されている必要がある。本発明において常電導金属層は、第 二超電導層の内側に具えることから、第二超電導層と電気的に接続させるとよい。こ のとき、超電導ケーブル (ケーブルコア）の全長に亘り、第二超電導層と常電導金属 層とを電気的に接続させると、定常電流を通電している際に電流が超電導層だけで なく常電導金属層にも流れて交流損失が増大する恐れがある。そこで、両者を全長 に亘つて接続するのではなぐケーブルの両端部のみで接続させることが好ましい。 そして、ケーブルの中間部は、交流損失の増大を減少するべぐ電気的に絶縁させ ておくことが好ましい。具体的には、例えば、ケーブルの全長に亘つて第二超電導層 と常電導金属層間に層間絶縁層を設けておき、ケーブルの両端部でこの層間絶縁 層を除去し、第二超電導層と常電導金属層とをハンダなどにより接続するとよい。層 間絶縁層は、例えば、クラフト紙、マイラー紙、カプトン (登録商標)テープなどを卷回 することで形成することが挙げられる。
[0022] 第一超電導層の内周に具えられるフォーマは、銅やアルミニウムなどの超電導ケー ブルが使用される冷媒温度近傍において、電気的抵抗が小さい常電導金属から形 成されたものが挙げられる。形状は、例えば、中空のパイプ状のものとしてもよいが、 短絡などの事故の際、フォーマも事故電流を分担するため、フォーマに事故電流を 分流させ易いように、断面積が大きくとれる中実のものが好ましい。また、中実のフォ 一マの場合、ケーブル構造をより小型化することもできる。中実形状のフォーマは、 例えば、複数の常電導金属線材を撚り合わせて構成されるものが挙げられる。複数 の常電導金属線材を撚り合わせることにより、機械的強度を向上させることができる。 フォーマを構成する常電導金属線材も、常電導金属層を構成する常電導金属線材 と同様に、金属線材の外周に素線絶縁層を具えておくと、渦電流損失の低減を図る ことができて好ましい。また、撚り合わせた常電導金属線材は、断面が円形状となるよ うに圧縮成型を行うことが望ましい。圧縮成型を行うことで、各素線間の隙間が小さく なるため、フォーマの外径を小さくして、ケーブル構造を小型化することができる。ま た、圧縮成型を行うことでフォーマの外表面の凹凸を小さくして滑らかにすることがで き、フォーマの外周に第一超電導層を形成する際、第一超電導層の形状がいびつ にならず、第一超電導層の形状への影響を小さくすることが可能である。
[0023] 第一超電導層の外周に設ける電気絶縁層は、 PPLP (登録商標)などの半合成絶 縁紙やクラフト紙などを卷回して形成することが挙げられる。電気絶縁層の厚さは、適 用するケーブル線路の課電電圧や、インパルス課電電圧に応じて適宜設定するとよ い。第二超電導層の外周には、補強層を設けるとよい。補強層は、クラフト紙ゃ布テ 一プを卷回して形成することが挙げられる。
発明の効果
[0024] 本発明超電導ケーブルは、常電導金属層を設けて、短絡などの事故の際に生じた 大きな事故電流をこの常電導金属層に分流させることで、事故の際、超電導層に過 大な事故電流が流れて超電導層が過剰に温度上昇したり、この温度上昇に伴い損 傷することを防止することができるという特有の効果を奏する。特に、本発明では、上 記常電導金属層を超電導層、特にシールド層よりも内側に配置し、同金属層のイン ダクタンスを超電導層よりも大きくすることで、定常電流の通電時において、同金属層 への電流が抑制されて電流が流れにくくなるため、超電導層の交流損失を低減する ことができる。
[0025] また、常電導金属からなるテープ状線材、断面円形状の丸線材により常電導金属 層を形成すると、形成し易いと共に、常電導金属層よりも下層に具える超電導導体や フォーマに冷媒を浸漬させ易い。更に、これら線材として、金属部分の外周に素線絶 縁層を具えるものを用いると、常電導金属層に生じる渦電流損失を低減することがで きる。
[0026] 一方、高温超電導ケーブルでは、冷媒として液体窒素が用いられ、ケーブル線路 を構築した場合、上記液体窒素は、ケーブル内を循環させて用いられる。そのため、 ケーブル各部の冷却により生じた熱損失により温度上昇した冷媒をケーブル線路途 中に設けた冷媒機により冷却するシステムが利用されている。このようなシステムが利 用したケーブル線路に本発明超電導ケーブルを用いると、上記のように定常電流の 通電時において熱損失が小さいため、冷凍機に必要な冷却容量も小さくて済み、冷 却コストを低減できると共に、所望の運転温度に冷却する時間も短くできる。
図面の簡単な説明
[0027] [図 1]本発明超電導ケーブルを構成するケーブルコアの概略を示す斜視図である。
[図 2] (A)は、三芯一括型の三相超電導ケーブルの断面図、（B)は、ケーブルコアの 概略を示す斜視図である。
符号の説明
[0028] 1 ケーブルコア、 2 フォーマ、 3 超電導導体、 4 電気絶縁層、 5 常電導金属層 、 6 シールド層、 7 補強層、 100 三相超電導ケーブル、 101 断熱管、 101a 外 管、 101b 内管、 102 ケーブルコア、 103 空間、 104 補強層、 200 フォーマ、 2 01 超電導導体、 202 電気絶縁層、 203 シールド層、 204 外傷保護層。
発明を実施するための最良の形態
[0029] 以下、本発明の実施の形態を説明する。
[0030] 図 1は、本発明超電導ケーブルを構成するケーブルコアの概略を示す斜視図であ る。ケーブルコア 1は、内側力も順にフォーマ 2、超電導導体 3、電気絶縁層 4、シー ルド層 6、補強層 7を具える。本発明の特徴とするところは、シールド層 6の内周、即ち 、電気絶縁層 4とシールド層 6間に、銅層（常電導金属層） 5を具える点にある。以下、 各構成を詳しく説明する。
[0031] (フォーマ）
本例において、フォーマ 2は、銅線の表面にエナメル被覆力 なる素線絶縁層を具 える常電導金属線材を複数本撚り合わせた後、断面が円形状となるように圧縮成型 した中実形状のものを用いた。中実形状のフォーマとすることで、中空形状のものより も断面積が大きくなるため、短絡事故などの際に大電流が生じても、この大電流を効 率よくフォーマに分流させることができると共に、ケーブル構造をコンパクトィ匕すること ができる。また、各線材が絶縁されていることで、渦電流損失を低減することができる 。更に、複数本撚り合わせてから圧縮成型したことで、機械的強度に優れると共に、 フォーマ 2の外周に同心円状の超電導導体 3を形成し易い。なお、フォーマ 2は、ケ 一ブルコア 1の両端部にお ヽて超電導導体 3と電気的に接続されており、短絡事故 などの際、事故電流をフォーマ 2に分流させることができる。
[0032] (超電導導体及びシールド層）
本例において、超電導導体 3及びシールド層 6は、パウダーインチューブ法により 作製した超電導線材、具体的には、銀または銀合金カゝらなるマトリクスと、このマトリク スに内蔵される Bi2223系超電導材料とから構成される超電導線材を複数卷回して 形成した。特に、本例では、マトリクス比が 1. 5以上 3. 0以下となるように調整した超 電導線材を用いた。マトリクス比が上記範囲を満たすことで、臨界電流密度を減少さ せることがなぐかつ短絡事故などの際に常電導に移行してマトリクスに分流された事 故電流の通電により生じる発熱を抑制することができる。
[0033] 超電導導体 3は、上記超電導線材をフォーマ 2上に卷回することで、シールド層 6は
、上記線材を銅層 5上に卷回することで形成した。本例では、超電導導体 3及びシー ルド層 6の双方とも、多層構造とした。具体的には、超電導導体 3は 4層、シールド層
6は 2層とした。そして、超電導導体 3、シールド層 6を構成する各層間には、クラフト 紙の卷回による層間絶縁層を設けた。また、各層の巻き付け方向、巻き付けピッチは
、各層が分担する電流がほぼ均一となるように調整した。これら構成により、超電導導 体やシールド層に生じる交流損失を効率よく低減することができる。
[0034] (電気絶縁層）
本例にお 1、て電気絶縁層 4は、超電導導体 3上に半合成絶縁紙 (住友電気工業株 式会社製 PPLP：登録商標）を卷回して構成した。
[0035] (銅層）
銅層 5は、電気絶縁層 4の外側、即ち、シールド層 6と補強層 7間ではなぐシールド 層 6の内側、即ち、電気絶縁層 4とシールド層 6間に設けることで、シールド層 6よりも インダクタンスを大きくしている。この構成により、定常電流の通電時において、交流 損失を低減することができながら、短絡事故などの際において、フォーマ 2と共に事 故電流を分流させて、超電導導体 3やシールド層 6の熱損失を低減する機能を果た す。本例において銅層 5は、銅からなるテープ状線材で、外周にエナメル被覆による 素線絶縁層を具えるものを電気絶縁層 4上に卷回して形成した。テープ状線材を用 いることで、銅層 5の下層に存在するフォーマ 2、超電導導体 3、電気絶縁層 4に冷媒 が浸漬し易い。また、素線絶縁層を具える線材を用いることで、超電導導体 3の通電 により生じる磁場にて銅層 5に生じる渦電流損失を低減することができる。また、本例 では、図示していないが、銅層 5は、短絡事故などの際に事故電流を効率よく分流さ せることができるように多層構造として断面積を大きくしている。これら銅層 5を構成す る各層間には、クラフト紙を卷回した層間絶縁層を形成し、層間に生じる渦電流損失 を低減可能な構成とした。
[0036] また銅層 5は、断面円形状の丸線材を卷回して形成されたものであっても良ぐそ の線材の外周には素線絶縁層が形成されて ヽても良 ヽ。また銅層 5は多層構造であ つても良く、多層構造を構成する各層は電気的に絶縁されて 、ても良 ヽ。
[0037] 銅層 5とシールド層 6間は、ケーブルコア 1の全長に亘りクラフト紙を卷回した層間絶 縁層を形成している（図示せず)。そして、ケーブルコア 1の両端部において、銅層 5 とシールド層 6間に設けた層間絶縁層を部分的に除去し、ハンダにより、シールド層 6 と銅層 5とを電気的に接続している。この構成により、定常電流の通電時に銅層 5に 電流が流れて交流損失が増大するのを防止すると共に、短絡事故などの際、事故電 流を銅層 5〖こ分流させることができる。
[0038] (補強層）
本例において補強層 7は、シールド層 6上にクラフト紙を卷回して構成した。なお、 この補強層 7上には布テープを卷回して構成した保護層を具える。
[0039] なお、図 1に示すケーブルコア 1を 1本用いて単相の超電導ケーブルを構成しても よ!、し、コア 1を 3本用いて図 2に示すような三相の超電導ケーブルとしてもよ 、。
[0040] (試験例）
上記図 1に示すケーブルコアを 3本撚り合わせて図 2に示すような三芯一括型の三 相超電導ケーブルを作製して、短絡試験を行ってみた。以下、ケーブルコアの各層 の構成条件を示す。 [0041] ケーブルコア：外径 41mm φ
フォーマ：直径 2. 5mm φの銅線を 37本使用
圧縮成型後の圧縮成形体の直径 15. 6mm
圧縮成形体の外周にクラフト紙 (厚さ 0. 1mm)を三層卷きにして表面 の凹凸を小さくなくしたものを使用（クラフト紙卷回後の直径 16. 2 mm φ j
超電導導体及びシールド層：マトリクス比 2. 0の Bi2223系超電導線材使用 線材の使用本数（内側から順に）；
超電導導体：13本、 14本、 15本、 14本
シールド層： 28本、 29本
各層のピッチ（内側力も順に）；
超電導導体： 170mm (Z巻き）、 350mm (Z巻き）、
550mm (S巻き）、 150mm (S巻き）
シールド層： 350mm (Z巻き）、 480mm (Z巻き）
層間絶縁層は、厚さ 0. 15mmとした
電気絶縁層：厚さ 7mm
銅層：断面積 lmm2のテープ状線材使用、 2層構造、
線材の使用本数（内側から順に） 27本、 28本
層間絶縁層の厚さ 0. 15mm
冷媒:液体窒素
[0042] 上記構成を具える超電導ケーブルに 31. 5kAの電流を 1秒通電したところ、超電導 導体、シールド層の温度は、それぞれ最大で 140K、 120Kであった。その後、超電 導導体及びシールド層の温度は、通電前の値に戻り、超電導導体やシールド層が損 傷することがな力つた。また、定常電流（1000A)を通電した際のジュール損を調べ たところ、全電流の 3%が銅層に流れ、ジュール損は 0. 03WZmであった。比較とし て、シールド層の内周ではなぐシールド層の外周に銅層を設けた超電導ケーブル を作製して、同様の電流を流してジュール損を調べたところ、全電流の 6%が銅層に 流れ、ジュール損は 0. 13WZmであった。従って、シールド層の内周に銅層を設け た本発明ケーブルは、通常電流の通電時において、交流損失を低減できることがわ かる。
[0043] 今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと 考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲に よって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含ま れることが意図される。
産業上の利用可能性
[0044] 本発明は、短絡などの事故の際に超電導層の温度上昇を抑制することができる。ま た、通常通電時において交流損失を低減することができる。従って、電力供給を行う 分野において、本発明を効果的に利用することができる。

Claims

請求の範囲
[1] 常電導金属からなるフォーマ (2)と、
前記フォーマ（2)の外周に形成される第一超電導層 (3)と、
前記第一超電導層 (3)の外周に形成される電気絶縁層 (4)と、
前記電気絶縁層 (4)の外周に形成される第二超電導層 (6)と、
前記電気絶縁層 (4)と前記第二超電導層 (6)との間に形成される常電導金属層（5 )とを具えることを特徴とする超電導ケーブル。
[2] 前記第二超電導層 (6)と前記常電導金属層（5)とは、ケーブルの中間部において 電気的に絶縁されており、ケーブルの両端部にお ヽて電気的に接続されて ヽること を特徴とする請求項 1記載の超電導ケーブル。
[3] 前記常電導金属層（5)は、常電導金属からなるテープ状線材、又は断面円形状の 丸線材を卷回して形成されることを特徴とする請求項 1記載の超電導ケーブル。
[4] 上記線材の外周には、素線絶縁層を具えることを特徴とする請求項 3記載の超電 導ケーブル。
[5] 前記常電導金属層（5)は、多層構造であることを特徴とする請求項 3記載の超電導 ケーブル。
[6] 前記常電導金属層（5)を構成する各層は、電気的に絶縁されていることを特徴とす る請求項 5記載の超電導ケーブル。
[7] 前記超電導層（3、 6)は、銀又は銀合金力もなるマトリクスと、このマトリクスに内蔵さ れる超電導材料とから構成される超電導線材を卷回して形成されることを特徴とする 請求項 1記載の超電導ケーブル。
[8] 前記超電導線材のマトリクス比が 1. 5以上 3. 0以下であることを特徴とする請求項
7記載の超電導ケーブル。
[9] 前記フォーマ（2)は、複数の常電導金属線材を撚り合わせて構成され、前記常電 導金属線材は、その外周に素線絶縁層を具えることを特徴とする請求項 1記載の超 電導ケーブル。
[10] 前記フォーマ（2)は、複数の常電導金属線材を撚り合わせ、断面円形状に圧縮成 型されて形成されることを特徴とする請求項 1記載の超電導ケーブル。
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