WO2006098069A1 - 超電導ケーブル及びこの超電導ケーブルを利用した直流送電方法 - Google Patents

超電導ケーブル及びこの超電導ケーブルを利用した直流送電方法 Download PDF

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WO2006098069A1
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cable
power transmission
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PCT/JP2005/023180
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Masayuki Hirose
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Sumitomo Electric Industries, Ltd.
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01B12/02—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by their form
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B12/00—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines
    • H01B12/02—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by their form
    • H01B12/08—Stranded or braided wires
    • H—ELECTRICITY
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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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 formed by twisting a plurality of cable cores, and a direct current power transmission method using the superconducting cable.
  • the present invention relates to a superconducting cable that can easily form a twisted structure.
  • a three-core package type cable including three cable cores twisted together is known.
  • Fig. 7 is a cross-sectional view of a three-core type superconducting cable for three-phase AC.
  • 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 tube 101 has a structure in which a heat insulating material (not shown) is disposed between the outer tube 101a and the inner tube 101b and a powerful double tube, and a vacuum is drawn between the outer tube 101a and the inner tube 101b. is there.
  • Each cable core 102 includes, in order from the center, a former 200, a superconducting conductor layer 201, an insulating layer 202, a superconducting shield layer 203, and a protective layer 204, and a space 103 surrounded by the inner tube 101b and each cable core 102. Becomes a flow path of a refrigerant such as liquid nitrogen.
  • Patent Document 1 proposes a superconducting cable in which three cable cores having a superconducting conductor and an insulating layer are twisted together.
  • each core includes a superconducting conductor, an insulating layer provided on the outer periphery thereof, and a return conductor made of a superconducting wire provided on the outer periphery of the insulating layer.
  • a return conductor made of a superconducting wire provided on the outer periphery of the insulating layer.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-249130
  • the present invention achieves the above object by reducing the amount of superconducting material used in the entire cable.
  • the present invention is a superconducting cable formed by twisting a plurality of cable cores each having a superconducting layer and an insulating layer, and includes a core having the following configuration.
  • First core having a first superconducting layer.
  • Second core has a second superconducting layer.
  • the second superconducting layer has an inner diameter that is larger than the outer diameter of the first superconducting layer.
  • the DC power transmission method of the present invention proposes the following as a power transmission method using a type 1 superconducting cable including the first core and the second core.
  • the first superconducting layer provided in the first core is used for the outgoing line, and the second superconducting layer provided in the second core is used for the return line.
  • a plurality of first cores are provided, and the first superconducting layer provided for at least one of the first cores is used for power transmission between the positive electrode and the negative electrode, and the first core provided for the remaining first cores.
  • the superconducting layer is used for power transmission from the other electrode.
  • the second superconducting layer provided in the second core is used as a neutral wire.
  • the present invention is a superconducting cable formed by twisting a plurality of cable cores, and this cable is formed by twisting a refrigerant pipe having the same diameter as the cable core and two cable cores having the following configuration. It is formed.
  • Cable core a superconducting conductor layer, an insulating layer provided on the outer periphery of the superconducting conductor layer, and an external superconducting layer provided on the outer periphery of the insulating layer.
  • the DC power transmission method of the present invention proposes the following as a power transmission method using a type 2 superconducting cable formed by twisting the two cores and the refrigerant pipe.
  • the superconducting conductor layer provided in both cores is used for the outgoing line, and the external superconducting layer provided in both cores is used for the return line.
  • the superconducting conductor layer provided in one core is used for power transmission between the positive electrode and the negative electrode, and the superconducting conductor layer provided in the other core is used for power transmission in the other electrode.
  • the external superconducting layer provided in each core is used as a neutral wire.
  • the AC superconducting cable shown in FIG. 7 and the DC superconducting cable disclosed in Patent Document 1 have a twisted structure of a three-core core that ensures a contraction allowance when the cable is cooled.
  • a superconducting conductor and a return conductor are connected to a superconducting material for unipolar power transmission. It is proposed to use the core formed by the material. However, if a large amount of superconducting material is used in the cable core of the superconducting cable, the bending rigidity of each core becomes high, and the three strands are twisted. Therefore, in the present invention, it is proposed to reduce the amount of superconducting material used per cable core (one) and to make it easier to twist.
  • an external superconducting layer a layer used as a return conductor in DC power transmission, a layer used as a shield in AC power transmission
  • a superconducting conductor layer used as a forward conductor in DC power transmission
  • Layer (which is used as a conductor for AC power transmission) (corresponding to the first core)
  • the superconducting conductor layer is not provided and the external superconducting layer is not provided.
  • a core having only a layer (corresponding to the second core) is used.
  • one of the three cores be a member that does not use any superconducting material so that it can be easily twisted.
  • a refrigerant pipe is used instead of the single cable core.
  • the superconducting cable of the present invention is formed by twisting a first core and a second core having a superconducting layer and an insulating layer.
  • the first core includes a first superconducting layer made of a superconducting material, and does not have a superconducting layer made of a superconducting material in addition to the first superconducting layer.
  • the second core includes a second superconducting layer made of a superconducting material, and also includes a superconducting layer made of a superconducting material in addition to the second superconducting layer.
  • the first core has a superconducting layer on the center side of the core, has no superconducting layer on the outer peripheral side of the core, and the second core has a superconducting layer on the outer peripheral side of the core. There is no superconducting layer on the inner circumference side. Then, the second superconducting layer of the second core is formed to have an inner diameter larger than the outer diameter of the first superconducting layer.
  • the superconducting layers of the first core and the second core are formed by, for example, spirally winding a tape-like wire rod in which a plurality of filaments made of a Bi2223 superconducting material are arranged in a matrix such as a silver sheath.
  • a single layer or a multilayer may be formed.
  • an interlayer insulating layer may be provided.
  • the interlayer insulating layer may be formed by winding insulating paper such as kraft paper or semi-synthetic insulating paper such as PPLP (registered trademark of Sumitomo Electric Industries, Ltd.).
  • the first superconducting layer is formed by winding a wire made of the superconducting material on the outer periphery of the former.
  • the former may be a solid body or a hollow body made of a metal material such as copper or aluminum.
  • the copper wire may be an insulating coating.
  • This former functions as a shape maintaining member for the first superconducting layer.
  • a cushion layer may be interposed between the former and the first superconducting layer. The cushion layer prevents direct contact between metals between the former and the superconducting wire, and prevents damage to the superconducting wire.
  • the cushion layer also has a function of making the former surface smoother.
  • insulating paper or carbon paper can be suitably used.
  • the second superconducting layer is formed by winding a wire made of the above superconducting material around the outer periphery of the core.
  • the core material may be formed of an insulating material rather than a material that does not increase the rigidity of the second core as compared to a cable core having both a superconducting conductor layer and an external superconducting layer.
  • a conductive material (excluding a superconducting material) may be used.
  • plastic may be used, metal wires such as copper wires may be twisted together, plastic Or a structure in which an insulating material is wound around the outer periphery of a metal stranded wire.
  • a refrigerant pipe may be used as the core material.
  • the refrigerant pipe By having the refrigerant pipe on the inner peripheral side of the second core, the space surrounded by the first core and the second core and the heat insulation pipe is not reduced by the existence of the refrigerant pipe, and the forward and backward paths of the refrigerant in the heat insulation pipe Can have.
  • the configuration including the refrigerant pipe in the second core is surrounded by the first core, the second core, and the heat insulating pipe as compared with the configuration including the refrigerant pipe for the return path separately from the core in the heat insulating pipe.
  • a sufficient space can be secured. That is, it is possible to secure a sufficient refrigerant going path and to allow a sufficient amount of refrigerant to flow through the refrigerant going path.
  • the refrigerant circulation path formed by the forward path and the return path includes a refrigerator for cooling the refrigerant and a pump for pumping the refrigerant, and the refrigerant is circulated at an appropriate temperature by these devices.
  • the size of the circulation path (cooling section) is determined.
  • the refrigerant in an appropriate temperature state in which the temperature rise of the refrigerant due to intrusion heat is smaller due to a large refrigerant flow rate is transported over a long distance. 1 cooling section can be made long because it can be sent.
  • the circulation pressure of the refrigerant can be reduced, and the pressure loss, for example, the driving power of the pump can be reduced.
  • the refrigerant pipe is preferably a metal material having an excellent strength even at a refrigerant temperature and flexible enough to be twisted together.
  • metal pipes, spiral steel strips, and hollow ones in which metal wires (copper strands, etc.) are wound on spiral steel strips can be mentioned.
  • a metal corrugated tube is preferable because it is excellent in flexibility and is easy to twist and shrinks when the cable is cooled.
  • an insulating layer is formed of an insulating material on the outer periphery of the refrigerant pipe, and the second superconducting layer is provided on the insulating layer.
  • this insulating layer is preferably provided on the corrugated tube so that the surface forming the second superconducting layer is smooth.
  • An insulating layer is provided on the outer periphery of the first superconducting layer in the first core.
  • an insulating layer is provided on the outer periphery of the second superconducting layer in the second core.
  • These insulating layers may be formed by winding semi-synthetic insulating paper such as PPLP (registered trademark) or insulating paper such as kraft paper.
  • the insulating layer provided on the first core is provided on the first superconducting layer so as to have an insulation strength necessary for the first superconducting layer to be insulated against the ground voltage.
  • the insulating layer provided on the second core is provided on the second superconducting layer so as to have an insulation strength necessary for the second superconducting layer to be insulated against the ground voltage.
  • the insulating layer has a resistivity on the inner peripheral side of the insulating layer so that the DC electric field distribution in the radial direction (thickness direction) is smoothed.
  • Low p-grading may be applied to increase the outer peripheral resistivity.
  • the number of layers with different resistivity is not particularly limited, but practically it is about 2 or 3 layers. In particular, if the thickness of each of these layers is made uniform, the DC electric field distribution can be smoothed more effectively.
  • insulating materials having different resistivity For example, when using insulating paper such as kraft paper, the density of kraft paper can be changed, The resistivity can be changed by adding dicyandiamide to the paper.
  • the ratio of the thickness of plastic film to the total thickness T of composite paper tp ratio k (tpZT) X 100
  • the resistivity can be changed by changing the density, material, additive, and the like.
  • the value of the ratio k is preferably in the range of about 40% to 90%, for example. Normally, the resistance ratio P increases as the ratio k increases.
  • the Imp. Withstand voltage characteristic is improved in addition to the improvement of the DC withstand voltage characteristic.
  • the dielectric constant ⁇ (20 ° C) is about 3.2 to 4.5 for general kraft paper, about 2.8 for composite paper with a ratio k of 40%, about 2.6 for composite paper of 60%, and about 80% for composite paper. It is about 2.4 on paper.
  • the insulating layer is composed of composite paper using kraft paper with a high ratio k and high air density, it is preferable for both DC and Imp.
  • the insulating layer may be configured such that the dielectric constant ⁇ increases toward the inner peripheral side and decreases toward the outer peripheral side. This ⁇ grading is also formed over the entire radial direction of the insulating layer.
  • the superconducting cable of the present invention becomes a cable having excellent direct current characteristics by performing the grading of the ⁇ and is suitable for direct current power transmission.
  • most of the current transmission lines are composed of alternating current. In the future, considering the transition from AC to DC, it is assumed that AC will be transmitted transiently using the cable of the present invention before switching to DC transmission.
  • the cable of the present invention is preferably designed not only with excellent direct current characteristics but also with consideration for alternating current characteristics.
  • an insulating layer having a higher dielectric constant ⁇ on the inner peripheral side and lower dielectric constant ⁇ on the outer peripheral side can be used to construct a cable with excellent impulse characteristics such as surge.
  • the cable can be used as it is as a DC cable.
  • the cable of the present invention that has been subjected to ⁇ -grading in addition to p-grading can be suitably used as a cable for both AC and DC.
  • the above-mentioned PPLP (registered trademark) has a high p low ⁇ when the ratio k is increased. Therefore, if the insulating layer is configured using PPLP (registered trademark) having a ratio k toward the outer peripheral side of the insulating layer, the outer peripheral side becomes higher p and the outer peripheral side becomes lower ⁇ .
  • kraft paper generally becomes high ⁇ high ⁇ when the air density is increased. For this reason, it is difficult to construct an insulating layer having a high ⁇ at the outer peripheral side and a low ⁇ at the outer peripheral side only with kraft paper. Therefore, when kraft paper is used, it is preferable to form an insulating layer in combination with composite paper. For example, by forming a kraft paper layer on the inner circumference side of the insulating layer and forming a PPLP layer on the outer side, the resistivity p becomes a kraft paper layer PPPP layer, and the dielectric constant ⁇ becomes kraft paper layer> PPLP layer What should I do!
  • a semiconductive layer may be formed between the first superconducting layer and the insulating layer, or between the insulating layer and the second superconducting layer.
  • the superconducting cable of the present invention is a multi-core cable in which the first core and the second core having the above-described configuration are twisted together in total of two or more.
  • the number of first cores and the number of second cores may be the same or different, but the amount of superconducting material used for the first superconducting layer of the first core and the number of second cores Adjust the number of cores so that the amount of superconducting material used for the second superconducting layer is the same. For example, if the first core is provided more than the second core, the amount of superconducting material used per core (1) of the second core should be greater than the amount used per 1 core (1). Good.
  • the cable of the present invention is provided with the first superconducting layer and the second superconducting layer so that the inner diameter of the second superconducting layer is larger than the outer diameter of the first superconducting layer. Therefore, even if the number of first cores is made larger than the number of second cores and the same amount of superconducting material is used, the thickness of the second superconducting layer of the second core is not excessively increased. Therefore, the bending rigidity of the second core is not excessively increased.
  • a superconducting cable that has at least one first core and two second cores, twist them, and have at least one first core and at least one second core. Use.
  • first cores and one second core are twisted together, and a multi-core superconducting cable with two first cores and one second core is used.
  • the core should be used for pole power transmission and the second core as a neutral wire.
  • the type 1 superconducting cable having the first core and the second core may be configured by accommodating a twisted first core and second core in a heat insulating tube.
  • An example of the heat insulating tube is a structure in which a heat insulating material is disposed between a double-structured tube composed of an outer tube and an inner tube, and the inner tube and the outer tube are evacuated.
  • a space surrounded by the outer peripheral surfaces of the first core and the second core in the inner tube and the inner peripheral surface of the inner tube is filled with a refrigerant such as liquid nitrogen that cools the first core and the second core.
  • An anti-corrosion layer or the like may be provided on the outer periphery of the heat insulating tube with a resin such as polysalt cocoon bulb. The same is true for the type 2 superconducting cable described later.
  • the superconducting cable of type 1 has a twisted structure of a plurality of cores, it can have a shrinkage allowance when the cable is cooled, like a conventional superconducting cable having a three-core twisted structure.
  • a shrinkage allowance for example, twisting the core with a slack is mentioned.
  • a spacer is arranged between the cores, the cores are twisted together, and the twisted cores are stored in a pre-formed heat insulating pipe, or the outer periphery of the twisted cores is insulated.
  • a method of removing the spacer is used when forming the spacer. Examples of the spacer include felt having a thickness of about 5 mm. The thickness of the spacer should be changed appropriately according to the cable core diameter. The same applies to the shrinkage allowance for Type 2 superconducting Cape Nore, which will be described later.
  • the type 1 superconducting cable having the above configuration performs unipolar power transmission by using the first superconducting layer of the first core as the outgoing line and the second superconducting layer of the second core as the return line. be able to.
  • the type 1 superconducting cable having the above-described configuration includes a plurality of first cores, and the first superconducting layer provided in at least one first core is a positive electrode or a negative electrode.
  • Bipolar power transmission can be performed by using the first superconducting layer provided in the remaining first core for power transmission in the other pole and using the second superconducting layer provided in the second core as a neutral wire.
  • an abnormality occurs in one of the poles, for example, an abnormality occurs in the first superconducting layer of that pole or the cross-flow converter connected to the cable, and one pole
  • unipolar power transmission can be performed using the first core and the second core of the pole where no abnormality has occurred.
  • the first superconducting layer of the first core is the outgoing line
  • the second superconducting layer of the first nickel is the returning line.
  • the second superconducting layer is set to the ground potential in both the unipolar transmission and the bipolar transmission.
  • the positive and negative currents are usually almost the same size and cancel each other, so that almost no voltage is applied to the second superconducting layer that functions as a neutral line.
  • a current equivalent to the transmission current is used.
  • the second superconducting layer is kept at ground potential in order to flow (function as a return line for unipolar transmission).
  • the superconducting cable of the present invention having the first core and the second core is suitable not only for direct current power transmission but also suitable for alternating current power transmission by providing an insulating layer with ⁇ -grading as described above. Can be used.
  • the first core and the second core do not have a conductor portion that functions as a shield. Therefore, if high-voltage power transmission is performed using this superconducting cable, the leakage electric field may increase. Therefore, when AC transmission is performed using this superconducting cable, it is preferable to use low-voltage transmission.
  • a superconducting cable is used, in which the first core and the second core are twisted one by one, and each core has one core.
  • the superconducting layer of one of the cores may be used for phase transmission, and the remaining core may be used as a spare.
  • DC transmission is performed after single-phase AC transmission using this superconducting cable, it can be used for single-pole transmission.
  • superconducting cables with a total of three or more cores are used. The extra core should be reserved.
  • DC transmission is performed after three-phase AC transmission with this superconducting cable, either unipolar transmission or bipolar transmission can be performed.
  • 2 cables Since the total number of cores is 4 cores, 1 core should be reserved.
  • each cable should be used for power transmission in each phase. In other words, it is better to perform the target power transmission with two cores.
  • the type 2 superconducting cable of the present invention has a three-core twisted structure in which two cable cores and one refrigerant pipe are twisted together.
  • Each cable core includes, in order from the center, a superconducting conductor layer composed of a superconducting material, an insulating layer composed of an insulating material, and an external superconducting layer composed of a superconducting material.
  • the superconducting conductor layer can be formed by spirally winding a wire material having a Bi2223 superconducting material force in the same manner as the first superconducting layer of the first core and the second superconducting layer of the second core. Can be mentioned.
  • the superconducting conductor layer may be a single layer or multiple layers, like the first superconducting layer of the first core and the second superconducting layer of the second core. This superconducting conductor layer is formed on the outer periphery of the former in the same manner as the first superconducting layer of the first core.
  • the insulating layer may be formed by winding semi-synthetic insulating paper, kraft paper or the like on the superconducting conductor layer in the same manner as the first core insulating layer.
  • This insulation layer should provide the necessary insulation strength for insulation between the superconducting conductor layer and the ground.
  • this insulating layer like the first core and second core insulating layers, is insulated by applying p-grading so that the resistivity on the outer peripheral side is low and the resistivity on the outer peripheral side is high.
  • the DC electric field distribution in the entire thickness direction of the layer may be smoothed.
  • the insulating layer may include a high ⁇ layer having a dielectric constant higher than that of other portions in the vicinity of the superconducting conductor layer, like the insulating layer of the first core or the second core.
  • a superconducting cable suitable for direct current transmission can be obtained.
  • this insulating layer is configured so that the dielectric constant ⁇ is higher on the inner peripheral side and lower on the outer peripheral side, together with ⁇ -grading, in the same way as the insulating layer of the first core and the second nickel. By doing so, a superconducting cable suitable for both DC transmission and AC transmission can be obtained.
  • the external superconducting layer is formed of a superconducting material on the outer periphery of the insulating layer in the same manner as the superconducting conductor layer. You may form with the material similar to what was utilized for formation of a superconducting conductor layer. This external superconducting layer is kept at ground potential. Bipolar transmission using type 2 superconducting cable In general, the positive electrode current and the negative electrode current have almost the same magnitude and cancel each other, so that the voltage is hardly applied to the external superconducting layer functioning as a neutral line.
  • the outer superconducting layer is made of a superconducting material in order to flow through the outer conductor layer (to function as a return line for unipolar power transmission). It is preferable to provide a protective layer also serving as an insulation on the outer periphery of the external superconducting layer.
  • a semiconductive layer may be formed at least one of the inner and outer circumferences of the insulating layer, that is, between the superconducting conductor layer and the insulating layer, or between the insulating layer and the external superconducting layer.
  • the refrigerant pipe twisted with the two cable cores described above has a space (refrigerant flow path) surrounded by both cores and the refrigerant pipe and the heat insulation pipe as a refrigerant forward path, whereas the refrigerant return path (return) ).
  • a refrigerant pipe is preferably a metal material having an excellent strength even at the refrigerant temperature as in the case of the refrigerant pipe provided in the second core, and has a flexibility that can be twisted together.
  • the corrugated tube is stretchable, it is possible to absorb the heat shrinkage due to the elasticity of the tube itself, without providing a slack as a shrinkage allowance during cooling of the cable when twisted with both cores. That is, when a corrugated pipe is used as the refrigerant pipe, the shrinkage at the time of cooling the cable can be sufficiently coped with even if the core is twisted without providing the slack.
  • the outer diameter of the refrigerant pipe is set to the outside of the core so as to ensure a sufficient size as a refrigerant return path and to stably form a twisted structure with the two cable cores. Same diameter (same diameter).
  • This type 2 superconducting cable is constructed by accommodating the above-mentioned two cable cores and a refrigerant pipe, which are twisted together in the heat insulating pipe.
  • a protective layer may be provided on the outer periphery of the refrigerant pipe so as not to come into contact with the beg heat insulating pipe to prevent problems caused by contact with the heat insulating pipe.
  • the protective layer may be formed by winding kraft paper.
  • a type 2 superconducting cable having the above configuration uses a superconducting conductor layer provided in both cores for an outgoing line, and an external superconducting layer provided in both cores for a return line, thereby enabling single-pole power transmission. It can be carried out. Also, the superconducting conductor layer of one core is used for power transmission of either the positive electrode or the negative electrode, the superconducting conductor layer of the other core is used for power transmission of the other electrode, and the external superconducting layer of each core is used for the neutral wire Thus, bipolar transmission can be performed.
  • an abnormality occurs in one pole during bipolar power transmission, for example, an abnormality occurs in the cross-flow converter connected to the cable of the superconducting conductor layer of that pole, and the one pole When power transmission is stopped, unipolar power transmission can be performed using the core of the pole where no abnormality has occurred. At this time, it is advisable to use the superconducting conductor layer of the core of the pole where no abnormality has occurred as the outgoing line and the external superconducting layer as the return line. Note that the external superconducting layer of both cores is kept at the ground potential for both single-pole transmission and bipolar transmission.
  • the superconducting cable of type 2 according to the present invention can be suitably used for AC power transmission by providing an insulating layer subjected to ⁇ -grading as described above, which is not only DC power transmission.
  • one superconducting cable may be used, the superconducting layer of each core may be used for phase transmission, the outer superconducting layer of each core may be used as a shield layer, or a single core
  • This superconducting conductor layer can be used for phase transmission, the outer superconducting layer of this core can be used as a shield layer, and the remaining core can be used as a spare core.
  • the superconducting conductor layer of each cable should be used for power transmission in each phase, and the external superconducting layer provided on the outer periphery of these superconducting conductor layers should be used as the shield layer. Immediately In other words, it is better to transmit the eyes with two cores.
  • the superconducting cable of the present invention having the above-described configuration reduces the bending rigidity by reducing the amount of superconducting material used per one core of the cable core, or uses a superconducting material. By making it easy to twist together using a refrigerant pipe), it is easy to form a twisted structure.
  • the refrigerant pipe is prevented from coming into contact with the heat insulation pipe, thereby suppressing the damage to the heat insulation pipe or the heat insulation pipe due to this contact or the generation of metal powder. Can do.
  • the DC electric field distribution is smoothed over the entire thickness direction of the insulating layer, and the DC resistance is increased.
  • the voltage characteristics can be improved and the thickness of the insulating layer can be reduced.
  • Imp. Withstand voltage characteristics can be improved by providing an insulating layer so that the superconducting layer used as a conductor in addition to grading has a high ⁇ .
  • the superconducting cable of the present invention can be made into a cable having excellent AC electrical characteristics by setting the ⁇ higher on the inner peripheral side of the insulating layer and lower ⁇ on the outer peripheral side. Therefore, the superconducting cable of the present invention can be suitably used even in a transition period in which a power transmission method that can be suitably used for both direct current transmission and alternating current power transmission is changed between alternating current and direct current.
  • FIG. 1 shows a DC transmission line for unipolar transmission using the superconducting cable of the present invention. It is a schematic block diagram which shows a state.
  • the superconducting cable 1 is a cable in which two types of cable cores (first core 2 and second core 3) having different configurations are twisted and housed in a heat insulating tube 7.
  • the first core 2 has a first superconducting layer 2a made of a superconducting material on the inner peripheral side of the insulating layer 4, and does not have a layer having a superconducting material force on the outer peripheral side of the insulating layer 4. .
  • the second core 3 has a core material 5b on the center side, a second superconducting layer 3a having superconducting material force on the outer peripheral side of the core material 5b, and a layer having superconducting material force on the inner peripheral side of the core material 5b. It does not have.
  • the inner diameter of the second superconducting layer 3a is made larger than the outer diameter of the first superconducting layer 2a.
  • the first superconducting layer 2a is formed by using a Bi2223 superconducting tape wire (Ag-Mn sheath wire) and winding the tape wire around the former 5a in a spiral manner in multiple layers.
  • the former 5a was made by twisting a plurality of copper wires, and a cushion layer (not shown) was formed of insulating paper between the former 5a and the first superconducting layer 2a.
  • An insulating layer 4 is provided on the outer periphery of the first superconducting layer 2a.
  • the insulating layer 4 was formed by winding a semi-synthetic insulating paper (PPLP: registered trademark of Sumitomo Electric Industries, Ltd.) so as to have an insulation strength necessary for insulation between the first superconducting layer 2a and the ground.
  • PPLP semi-synthetic insulating paper
  • two such first cores 2 were prepared. All the first cores 2 have the same diameter.
  • the second core 3 has one (one core) and the outer diameter is the same as the outer diameter of the first core 2.
  • the core material 5b was formed.
  • a semi-synthetic insulating paper PPLP: registered trademark of Sumitomo Electric Industries, Ltd.
  • PPLP registered trademark of Sumitomo Electric Industries, Ltd.
  • a second superconducting layer 3a is provided on the outer periphery of the core material 5b.
  • the second superconducting layer 3a is made of the same superconducting material as the first superconducting layer 2a of the first core 2 (Bi2223-based superconducting tape wire (Ag-Mn sheath wire)).
  • the amount of the tape wire used for forming the second superconducting layer 3a was the same as the amount of the tape wire used for forming the first superconducting layer 2a of the first core 2 in the above-mentioned 2 articles. Then, in the second core 3, the size of the core material 5 b is adjusted so that the second core 3 has a second diameter larger than the outer diameter of the first superconducting layer 2 a of the first core 2 (the inner diameter of the insulating layer 4). Make the inner diameter of the superconducting layer 3a (the outer diameter of the core 5b) larger. It was.
  • the second superconducting layer 3a can be formed without excessively increasing the number of windings (layers) of the superconducting tape wire, and the bending rigidity of the second core 3 was not excessively increased.
  • an insulating layer 6 was provided on the outer periphery of the second superconducting layer 3a.
  • the insulating layer 6 was formed by winding kraft paper so as to have insulation strength necessary for insulation between the second superconducting layer 3a and the ground.
  • the superconducting cable 1 is insulated by twisting a first core 2 having only a first superconducting layer 2a as a layer made of a superconducting material and a second core 3 having only a second superconducting layer 3a as a layer also having a superconducting material force. Contained in tube 7.
  • a spacer (not shown) is interposed between the first core 2 and between the first core 2 and the second core 3 and twisted together and stored in the heat insulating pipe 7 (heat insulating pipe).
  • the spacer When forming 7), the spacer was removed so that it was stored in the heat insulating tube 7 in a slackened state.
  • a 5 mm thick felt having a rectangular cross section was used as the spacer.
  • the heat insulating pipe 7 is a SUS corrugated pipe, and in the same way as the conventional superconducting cable shown in FIG. 7, a heat insulating material (Fig. (Not shown) were arranged in multiple layers, and a vacuum multilayer insulation structure was formed in which the inside of the double tube was evacuated.
  • a space 8 surrounded by the inner tube 7b and the cores 2 and 3 of the three cores becomes a flow path for a refrigerant such as liquid nitrogen.
  • An anticorrosion layer (not shown) was formed on the outer periphery of the heat insulating tube 7 with polyvinyl chloride vinyl.
  • the superconducting cable 1 of the present invention having the above-described configuration can be used for direct current power transmission, specifically, bipolar power transmission or unipolar power transmission.
  • a transmission line as shown in Fig. 1 should be constructed.
  • a cross flow converter 10a connected to an AC system (not shown) is connected to one end side of the first superconducting layer 2a included in one first core 2 via leads 20 and 21.
  • a cross flow transformer 10b connected to an AC system (not shown) via a lead 22.
  • a cross flow converter 10a is connected to one end side of the first superconducting layer 2a provided in the other first core 2 via a lead 23 and a lead 21, and to the other end side of the first superconducting layer 2a, Cross flow lOb is connected via lead 22.
  • the cross flow converter 10a is connected to the end side via a lead 24, and the cross flow change 101) is connected to the other end side of the second superconducting layer 3a via a lead 25.
  • Lead 24 is grounded. By this grounding, the second superconducting layer 3a becomes the ground potential. In this example, one end is grounded, but the lead 25 may be grounded and both ends grounded.
  • the leads 20 to 25 electrically connect the superconducting layers 2a and 3a and the cross current transformations 10a and 10b.
  • the second superconductor layer 2a provided in the second core 3 is used as a forward line by flowing a unipolar current through the first superconducting layer 2a provided in the two first cores 2.
  • Unipolar power transmission can be performed by applying a return current to the superconducting layer 3a and using it as a return line.
  • the slack can absorb the heat shrinkage of the core during cooling.
  • this superconducting cable 1 is a superconducting material per core, compared to a conventional superconducting cable in which three layers of cable cores comprising two layers of superconducting material (superconducting conductor and external superconducting layer) are twisted together. Use less. Therefore, it is easy to form a twisted structure with the bending rigidity of the core.
  • FIG. 2 (A) is a schematic configuration diagram showing a state in which a DC power transmission line for bipolar transmission is constructed using the superconducting cable of the present invention, and (B) is one of the first cores of two cores.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing a state in which a DC transmission line that performs unipolar power transmission using a second core is constructed.
  • the superconducting cable 1 used in Example 1 can also be used for bipolar power transmission.
  • a transmission line as shown in Fig. 2 (A) should be constructed.
  • an AC system is connected to one end side of the first superconducting layer 2a included in one of the two cores of the first core 2 (the upper first core 2 in FIG. 2A).
  • (Not shown) la is connected via a lead 30, and a cross flow transformation l ib connected to an AC system (not shown) is connected via a lead 31 to the other end of the first superconducting layer 2 a.
  • Cross flow conversion connected to an AC system (not shown) on one end side of the first superconducting layer 2a provided in the other first core 2 (the first core 2 on the left side in FIG.
  • the transformer 12a is connected via the lead 32, and the cross flow converter 12b connected to the AC system (not shown) is connected via the lead 33 to the other end of the first superconducting layer 2a.
  • Second superconducting layer 3 in the second core 3 l a and 12a are connected, and cross flow change 1 lb and 12b are connected to the other end of the second superconducting layer 3a through a lead 35.
  • the lead 34 is grounded. By this grounding, the second superconducting layer 3a becomes the ground potential. In this example, only lead 34 is grounded and one end is grounded, but lead 35 may be grounded and both ends grounded.
  • the leads 30 to 35 are for electrically connecting the superconducting layers 2a and 3a and the cross flow change lla, llb, 12a and 12b.
  • the cross flow converter l lb, the lead 31, the first superconducting layer 2a of the upper first core 2 in FIG. 2 (A), the lead 30, the cross flow converter l la, the lead 34, the first A positive electrode path consisting of a two-core 3 second superconducting layer 3a and a lead 35 is constructed.
  • a negative electrode path of layer 3a and lead 35 is constructed. Bipolar power transmission can be performed by these positive and negative routes.
  • the second superconducting layer 3a of the second core 3 is used not only as a neutral wire but also for flowing positive and negative imbalance currents and abnormal currents.
  • the force using the upper first core 2 as the positive electrode and the left first core 2 as the negative electrode S is, of course, the reverse.
  • the first superconducting layer of the pole that does not cause an abnormality is used.
  • Unipolar power transmission is possible. For example, if an abnormality occurs in the left first core 2 or the cross flow converters 12a, 12b in FIG. 2 (A), that is, if an abnormality occurs in the negative electrode, the left first core 2 in FIG. Stop power transmission using one core 2. At this time, as shown in FIG. 2 (B), a transmission line for unipolar transmission with one first core 2 (the upper first core 2 in FIG.
  • Unipolar power transmission can be performed using the first superconducting layer 2a of one core 2 as an outgoing line and the second superconducting layer 3a of the second core 3 as a return line.
  • the first superconducting layer 2a of the other first core 2 (V in FIG. 2 and the first core 2 on the left side) is the outgoing line
  • the second superconducting layer 3a of the second core 3 is the return line. I'll do power transmission.
  • the superconducting cable of the present invention can perform both bipolar power transmission and monopolar power transmission.
  • the resistivity on the outer peripheral side is low and the resistivity on the inner peripheral side is low in the insulating layer 4 of the first core 1 and the insulating layer 6 of the second core 2. If p grading is performed, the DC electric field distribution in the thickness direction of the insulating layer can be smoothed.
  • the resistivity can be changed by using PPLP (registered trademark) having a different ratio k, and the resistivity tends to increase as the ratio k increases.
  • the Imp. Withstand voltage characteristic can be improved in addition to the improvement in the DC withstand voltage characteristic.
  • the high ⁇ layer may be formed using PPLP (registered trademark) having a small ratio k. At this time, the high ⁇ layer also becomes the low p layer.
  • the insulating layers 4 and 6 are formed so that the dielectric constant ⁇ is higher on the inner peripheral side and lower on the outer peripheral side than the ⁇ grading, the AC characteristics are also excellent. Therefore, the superconducting cable 1 can be suitably used for AC power transmission.
  • an insulating layer may be provided so that the resistivity and the dielectric constant differ in three stages.
  • the following three layers should be provided in order from the inner circumference ( ⁇ and ⁇ are constants).
  • the superconducting layers 2a and 3a of the cores 2 and 3 are used for phase power transmission, respectively.
  • superconducting layers 2a and 3a of cores 2 and 3 may be used for power transmission in the same phase.
  • Each of the cores 2 and 3 has a superconducting layer that functions as a shield. Therefore, when performing AC power transmission using the superconducting cable 1, it is preferable to use low-voltage power transmission.
  • the superconducting cable 1 can perform direct current power transmission such as unipolar power transmission or bipolar power transmission described above after performing the above alternating current power transmission.
  • the superconducting cable of the present invention having the insulating layer subjected to p-grading or ⁇ -grading can be suitably used as a DC / AC dual-purpose cable. The same matters regarding ⁇ -grading and ⁇ -grading are applied to Example 3 described later.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the superconducting cable of the present invention having a refrigerant tube inside the second superconducting layer of the second core.
  • the basic structure of the second core 3 shown in this example is the same as that shown in Examples 1 and 2, except that a refrigerant pipe 9a is provided as an inner core material of the core material 5b.
  • a refrigerant pipe 9a is provided as an inner core material of the core material 5b.
  • the refrigerant tube 9a is a SUS corrugated tube, and semi-synthetic insulating paper is wound around the outer periphery of the refrigerant tube 9a to form the insulating layer 9b.
  • semi-synthetic insulating paper is wrapped around the corrugated tube so that it has a uniform insulation thickness with respect to the second superconducting layer 3a, so that the outer peripheral surface of the insulating layer 9b is smooth.
  • An insulating layer 9b was provided.
  • the second superconducting layer 3a and then the insulating layer 6 are provided on the outer periphery of the insulating layer 9b in the same manner as in Example 1 so that the outer diameter of the second core 3 is the same as the outer diameter of the first core 2. did.
  • the space 8 surrounded by the inner pipe 7b and the three cores 2 and 3 is used as a forward path for a refrigerant such as liquid nitrogen, and the refrigerant pipe 9a Can be used as the return path of the refrigerant.
  • a refrigerant such as liquid nitrogen
  • the refrigerant pipe 9a can be used as the return path of the refrigerant.
  • the refrigerant pipe 9a is provided in the second core 3
  • a refrigerant return path that does not reduce the volume of the space 8 is provided. Can be prepared.
  • the use of a corrugated pipe having excellent flexibility as the refrigerant pipe 9a makes it easy to twist the first core 2 and the refrigerant pipe 9a itself can be easily cooled when the cable is cooled. Can shrink.
  • the core material 5b provided inside the second superconducting layer 3a may be formed of different materials (in this example, the refrigerant pipe 9a and the insulating layer 9b).
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a state where a DC transmission line for monopolar power transmission is constructed using the superconducting cable of the present invention. Note that the refrigerant circulation path is omitted in FIG. 4 and FIG. 5 described later.
  • the superconducting cable 40 is a superconducting conductor layer 44 made of a superconducting material and an outer superconducting layer 46 that are coaxially arranged, and two cable cores 41 and one refrigerant pipe 42 are twisted together and stored in the heat insulating pipe 7. Cable.
  • Each cable core 41 includes a format 43, a superconducting conductor layer 44, an insulating layer 45, an external superconducting layer 46, and a protective layer 47 in order of central force.
  • the superconducting conductor layer 44 and the external superconducting layer 46 were formed of 2223 superconducting tape wire (Ag-Mn sheath wire).
  • the superconducting conductor layer 44 was formed on the outer periphery of the former 43, and the outer superconducting layer 46 was formed on the outer periphery of the insulating layer 45, respectively.
  • the former 43 was formed by twisting a plurality of copper wires, and a cushion layer (not shown) was formed between the former 43 and the superconducting conductor layer 44 with insulating paper.
  • the insulating layer 45 was formed by winding semi-synthetic insulating paper (PPLP: Sumitomo Electric Industries, Ltd.
  • the protective layer 47 was provided by winding a craft paper around the outer periphery of the external superconducting layer 46. Two such cable cores 41 were prepared. In addition, the outer diameter of any core 41 is the same.
  • a SUS corrugated pipe having the same outer diameter as the outer diameter of the core 41 was used as the refrigerant pipe 42 twisted together with the two cable cores 41 described above.
  • the superconducting cable 40 is configured by twisting two cable cores 41 including the superconducting conductor layer 44 and the external superconducting layer 46 and the refrigerant pipe 42 and storing them in the heat insulating pipe 7.
  • the two cores 41 were twisted with a slack so as to have a shrinkage margin necessary for heat shrinkage when cooled by the refrigerant.
  • the slack was formed by disposing a spacer (5 mm thick felt) between the cores 41 and twisting them in the same manner as in Example 1 and removing the spacer when housed in the heat insulating tube 7.
  • the refrigerant pipe 42 uses a corrugated pipe that can be expanded and contracted, a sufficient allowance for contraction can be secured even when twisted with the core 41 without giving any slack.
  • the heat insulating pipe 7 is a SUS corrugated pipe, and in the same manner as the conventional superconducting cable shown in FIG. 7, a heat insulating material (not shown) is interposed between the double pipes composed of the outer pipe 7a and the inner pipe 7b. ) Are arranged in multiple layers, and the double-pipe is evacuated into a vacuum multilayer insulation structure.
  • a space 8 surrounded by the inner pipe 7b, the two-core cable core 41 and the refrigerant pipe 42 serves as a forward path for a refrigerant such as liquid nitrogen, and the refrigerant pipe 42 serves as a return path for the refrigerant.
  • an anticorrosion layer (not shown) was formed on the outer periphery of the heat insulating tube 7 with a polysalt tube.
  • the superconducting cable 40 of the present invention having the above-described configuration is a DC power transmission, specifically, a bipolar transmission. It can be used for both electricity and unipolar power transmission.
  • a transmission line as shown in Fig. 4 should be constructed. Specifically, a cross flow change l3 a connected to an AC system (not shown) is connected to one end side of the superconducting conductor layer 44 included in the right core 41 in FIG. 4 via leads 50 and 51. Then, a cross flow 13b connected to an AC system (not shown) is connected to the other end of the superconducting conductor layer 44 via a lead 52.
  • a cross flow change l3 a connected to an AC system (not shown) is connected to one end side of the superconducting conductor layer 44 included in the right core 41 in FIG. 4 via leads 50 and 51.
  • a cross flow 13b connected to an AC system (not shown) is connected to the other end of the superconducting conductor layer 44 via a lead 52.
  • one end of the superconducting conductor layer 44 included in the left core 41 is similarly connected to the cross flow l3 a via the lead 53 and the lead 51, and the other end of the superconducting conductor layer 44 is connected.
  • the cross flow transducer 13b is connected via a lead 52.
  • the external superconducting layers 46 of both cores 41 are connected to the cross flow converter 13 & via the lead 54, the lead 55 and the lead 56, and are connected to the cross flow converter 13b via the lead 57.
  • the lead 56 is grounded. By this grounding, the external superconducting layer 46 becomes a ground potential.
  • one end is grounded, but the lead 57 may be grounded and both ends grounded.
  • the leads 50 to 57 are for electrically connecting the superconducting conductor layer 44 and the external superconducting layer 46 to the cross flow change 13 & , 13b.
  • a unipolar current is passed through the superconducting conductor layer 44 provided in both cores 41 to be used as an outgoing line, and a return current is supplied to the external superconducting layer 46 provided in both cores 41.
  • a return current is supplied to the external superconducting layer 46 provided in both cores 41.
  • the superconducting cable 40 has a slack in the two cable cores 41 and is twisted with a refrigerant pipe 42 that can be expanded and contracted. The amount of contraction can be absorbed.
  • this superconducting cable 40 has a refrigerant tube 42 instead of a single core, as compared with a superconducting cable in which three cores are twisted, each having a superconducting conductor layer made of a superconducting material and an external superconducting layer. Due to the configuration, it is possible to have a refrigerant return path (return) without reducing the volume of the space 8.
  • the cable 40 can have a refrigerant return path with the maximum volume.
  • the cable 40 can have the same diameter as that of the cable having a three-core twisted structure, the cable diameter must not be increased.
  • FIG. 5 (A) shows the use of the superconducting cable of the present invention.
  • Fig. 2 is a schematic configuration diagram showing a state in which a DC transmission line for bipolar transmission is constructed
  • (B) is a state in which a DC transmission line for unipolar transmission is constructed using the superconducting conductor layer and the external superconducting layer of one core.
  • It is a schematic block diagram which shows.
  • the superconducting cable 40 used in Example 4 can also be used for bipolar power transmission. To perform bipolar transmission, it is recommended to construct a transmission line as shown in Fig. 5 (A).
  • a cross-flow converter connected to an AC system is connected to one end side of the superconducting conductor layer 44 provided in one core 41 (the right core 41 in FIG. 5A).
  • 14a is connected via a lead 60, and is connected to the other end of the superconducting conductor layer 44 via a cross flow l4b card 61 connected to an AC system (not shown).
  • a cross flow converter 14a is connected to one end side of the external superconducting layer 46 provided in the core 41 via leads 62 and 63, and a cross flow converter 14b is connected to the other end side of the external superconducting layer 46. Connected through lead 64.
  • a cross flow 15a connected to an AC system is connected via a lead 65.
  • a cross flow converter 15b force S lead 66 connected to an AC system (not shown).
  • the cross flow converter 15a is connected to one end of the external superconducting layer 46 included in the core 41 via the lead 67 and the lead 63, and the cross flow converter 15b is connected to the other end of the external superconducting layer 46.
  • the lead 63 is grounded. By this grounding, the external superconducting layers 46 of both cores 41 become ground potential.
  • the lead 63 is grounded and one end is grounded, but the lead 64 may be grounded and both ends grounded.
  • the leads 60 to 67 electrically connect the superconducting conductor layer 44 and the external superconducting layer 46 to the cross flow transducers 14a, 14b, 15a, and 15b.
  • a positive electrode path consisting of the outer superconducting layer 46 and the lead 64 is constructed.
  • cross flow transducer 15b, lead 66, superconducting conductor layer 44 of left core 41 in FIG. 5 (A), lead 65, cross flow transducer 15a, lead 63, lead 67, external superconductivity of left core 41 A negative path, layer 46, lead 64, is constructed. Bipolar power transmission can be performed by these positive and negative paths.
  • the external superconducting layer 46 of both cores 41 is used not only as a neutral wire, but also as a positive / negative unbalanced current or an abnormal current.
  • the right core in FIG. was used for the positive electrode and the core on the left side for the negative electrode.
  • the superconducting cable of the present invention can perform both bipolar power transmission and monopolar power transmission.
  • the number of cable cores included in a single cable is two, and one core is a refrigerant tube, so the amount of superconducting material used for the entire cable is reduced compared to a configuration with three cores.
  • the twisted structure can be formed more easily.
  • the insulating layer 45 of the core 41 may also be p-graded as in Example 2 above to smooth the DC electric field distribution in the thickness direction of the insulating layer.
  • a high ⁇ layer may be provided in the insulating layer 45 in the vicinity of the superconducting conductor layer 44 to improve DC withstand voltage characteristics and Imp. Withstand voltage characteristics.
  • ⁇ -grading is applied as in Example 2 above so that the AC characteristics are also excellent, so that the superconducting cable 40 that uses only DC power transmission is AC It may be suitably used for power transmission.
  • an insulating layer may be provided so that the resistivity and the dielectric constant differ in three stages.
  • the following three layers should also have inner peripheral force in order ( ⁇ and ⁇ are constants).
  • each cable 40 is used for phase transmission.
  • the second core 41 included in each cable 40 is used for power transmission.
  • the superconducting conductor layer 44 of the two cores 41 provided in each cable 40 is used for phase power transmission, and the external superconducting layer 46 provided on the outer periphery of these superconducting conductor layers 44 is used as a shield layer.
  • superconducting cable 40 When single-phase AC power transmission is performed using superconducting cable 40, one superconducting cable 1 is prepared, superconducting conductor layer 44 of each core 41 is used for power transmission in the same phase, and the outer periphery of these superconducting conductor layers 44 is provided. Use the external superconducting layer 46 as a shield layer.
  • the superconducting cable 40 can perform direct current power transmission such as the above-described unipolar power transmission or bipolar power transmission after performing the above alternating current power transmission.
  • the superconducting cable of the present invention having the insulating layer subjected to p-grading or ⁇ -grading can be suitably used as a DC / AC dual-purpose cable.
  • the same matters regarding ⁇ -grading and ⁇ -grading apply to Example 6 described later.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example in which a protective layer is provided on the outer periphery of the refrigerant pipe.
  • a protective layer 42b for preventing contact between the refrigerant pipe 42a and the heat insulating pipe may be provided on the outer periphery of the refrigerant pipe 42a.
  • the protective layer 42b was formed by winding kraft paper.
  • the diameter of the refrigerant pipe 42a is selected so as to be the same as the outer diameter of the cable core 41 with the protective layer 42b provided. With this configuration, it is possible to prevent a malfunction due to contact between the refrigerant pipe 42a and the heat insulation pipe.
  • the superconducting cable of the present invention is preferably used for a power transmission line.
  • the superconducting cable of the present invention can be suitably used for transmitting alternating current in a transition period in which the power transmission method is changed from alternating current to direct current, in addition to direct current power transport means.
  • the direct current power transmission method of the present invention can be suitably used when direct current power transmission is performed using the superconducting cable of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a state where a DC transmission line for monopolar power transmission is constructed using a superconducting cable of the present invention formed by twisting a first core and a second core.
  • FIG. 2 (A) is a schematic configuration diagram showing a state in which a DC transmission line for bipolar transmission is constructed using the superconducting cable of the present invention formed by twisting a first core and a second core, (B) Fig. 2 is a schematic configuration diagram showing a state in which a DC transmission line for unipolar transmission is constructed using one first core first superconducting layer and second core second superconducting layer in the same superconducting cable. It is.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example in which a refrigerant pipe is provided inside the second superconducting layer of the second core in the superconducting cable of the present invention in which the first core and the second core are twisted together.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a state where a DC transmission line for monopolar power transmission is constructed using the superconducting cable of the present invention in which two cores and a refrigerant pipe are twisted together.
  • FIG. 5 (A) is a schematic configuration diagram showing a state in which a DC transmission line for bipolar transmission is constructed using the superconducting cable of the present invention in which two cores and a refrigerant pipe are twisted together, (B) FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a state in which a DC transmission line for monopolar power transmission is constructed using the superconducting conductor layer of one core and the external superconducting layer in the same superconducting cable.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another configuration in the superconducting cable of the present invention in which two cores and a refrigerant pipe are twisted together, and is an example in which a protective layer is provided on the outer periphery of the refrigerant pipe.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a three-core bulk type superconducting cable for three-phase AC.

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Abstract

　複数のケーブルコアを用いていても撚り合わせ構造を形成し易い超電導ケーブル、及びこの超電導ケーブルを利用した直流送電方法を提供する。 　超電導ケーブル1は、構成の異なる2種類のケーブルコア(第一コア2,第二コア3)を撚り合わせ、断熱管7内に収納させた構成である。第一コア2は、直流送電において往路線路又は極の送電に用いられる第一超電導層2aを具え、第一超電導層2a以外の超電導層を有していない。第二コア3は、直流送電において帰路線路又は中性線に用いられる第二超電導層3aを具え、第二超電導層3a以外の超電導層を有していない。第二超電導層3aは、第一超電導層2の外径よりも大きな内径を有する。

Description

明 細 書 超電導ケーブル及びこの超電導ケーブルを利用した直流送電方法 技術分野
[0001] 本発明は、複数のケーブルコアを撚り合わせてなる超電導ケーブル、及びこの超電 導ケーブルを利用した直流送電方法に関するものである。特に、撚り合わせ構造が 形成し易い超電導ケーブルに関するものである。
背景技術
[0002] 従来、交流用超電導ケーブルとして、 3条のケーブルコアを撚り合わせて具える三 心一括型のケーブルが知られている。図 7は、三心一括型の三相交流用超電導ケー ブルの断面図である。この超電導ケーブル 100は、断熱管 101内に 3条のケーブルコ ァ 102を撚り合わせて収納させた構成である。断熱管 101は、外管 101aと内管 101bと 力 なる二重管の間に断熱材 (図示せず)が配置され、かつ外管 101aと内管 101bとの 間が真空引きされた構成である。断熱管 101の外周には、防食層 104を具える。各ケ 一ブルコア 102は、中心から順にフォーマ 200、超電導導体層 201、絶縁層 202、超電 導シールド層 203、保護層 204を具え、内管 101bと各ケーブルコア 102とで囲まれる空 間 103が液体窒素などの冷媒の流路となる。
[0003] 上記超電導ケーブルを用いて交流送電を行うと、インダクタンスによる交流損失が 生じたり、短絡時の電流が大きぐこのときの損失により温度が過度に上昇する恐れ がある。これに対し、交流送電ではなぐ超電導ケーブルによる直流送電の場合、交 流損失がなぐ短絡電流も小さくすることができる。直流用超電導ケーブルとして、特 許文献 1では、超電導導体と絶縁層とを有するケーブルコアを 3条撚り合わせた超電 導ケーブルが提案されている。この超電導ケーブルでは、各コアに超電導導体と、そ の外周に設けられる絶縁層と、この絶縁層の外周に設けられる超電導線材からなる 帰路導体とを具えるものを用い、超電導導体を往路線路、帰路導体を帰路線路に用 V、ることで単極送電を行って!/、る。
[0004] 特許文献 1：特開 2003-249130号公報
発明の開示 発明が解決しょうとする課題
[0005] 上記特許文献 1の超電導ケーブルでは、 1条のケーブルで単極送電及び双極送電 といった直流送電を行うことができる。また、この超電導ケーブルは、複数のケーブル コアの撚り合わせ構造として 、ることから、ケーブル冷却時の収縮代を持たせることが できる。しかし、このケーブルでは、超電導材料からなる超電導導体及び帰路導体を 具えるケーブルコアを用いることから、各コアの超電導材料の使用量が多くなることで 、コアの曲げ剛性が高くなる傾向にある。そのため、 3条のケーブルコアを撚り合わせ にくぐ改善が望まれている。また、図 7に示す交流用超電導ケーブルの場合も、超 電導材料からなる超電導導体及び超電導シールド層を具えるケーブルコアを用いる ことから、コアの撚り合わせが行いにくい。
[0006] そこで、本発明の主目的は、複数のケーブルコアを用いながら、撚り合わせ構造が 形成し易い超電導ケーブルを提供することにある。また、本発明の他の目的は、直流 送電に適した超電導ケーブルを提供することにある。更に、本発明の他の目的は、 上記超電導ケーブルを利用した直流送電方法を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0007] 本発明は、ケーブル全体として超電導材料の使用量を少なくすることで、上記目的 を達成する。
[0008] (2種類の構成が異なるケーブルコアを撚り合わせたタイプ：タイプ 1)
ケーブル全体として超電導材料の使用量を少なくする手段として、まず、ケーブル コァ 1心あたりの超電導材料の使用量を少なくすることを提案する。
本発明は、超電導層と絶縁層とを有するケーブルコアを複数撚り合わせてなる超電 導ケーブルであって、以下の構成のコアを具えることを特徴とする。
第一コア:第一超電導層を有する。
第二コア:第二超電導層を有する。この第二超電導層は、第一超電導層の外径より も大きな内径を有する。
[0009] 本発明直流送電方法は、上記第一コア及び第二コアを具えるタイプ 1の超電導ケ 一ブルを用いた送電方法として以下を提案する。
(単極送電） 第一コアに具える第一超電導層を往路線路に用い、第二コアに具える第二超電導 層を帰路線路に用いる。
(双極送電）
第一コアを複数具えておき、そのうち少なくとも一つの第一コアに具える第一超電 導層を正極及び負極の 、ずれか一極の送電に用い、残りの第一コアに具える第一 超電導層を他極の送電に用いる。そして、第二コアに具える第二超電導層を中性線 として用いる。
[0010] 上記 2種類の異なるケーブルコアを具えるタイプと別の形態として、超電導材料から なる超電導層を有するコアと、超電導層を有していない部材とを撚り合わせた構成を 提案する。
[0011] (冷媒管を具えるタイプ：タイプ 2)
本発明は、複数のケーブルコアを撚り合わせてなる超電導ケーブルであって、この ケーブルは、ケーブルコアと同径である冷媒管と、以下の構成を具える 2条のケープ ルコアとを撚り合わせて形成されることを特徴とする。
ケーブルコア:超電導導体層と、この超電導導体層の外周に設けられる絶縁層と、 この絶縁層の外周に設けられる外部超電導層とを具える。
[0012] また、本発明直流送電方法は、上記 2条のコアと冷媒管とを撚り合わせてなるタイプ 2の超電導ケーブルを用いた送電方法として以下を提案する。
(単極送電）
両コアに具える超電導導体層を往路線路に用い、両コアに具える外部超電導層を 帰路線路に用いる。
(双極送電）
一方のコアに具える超電導導体層を正極及び負極の 、ずれか一極の送電に用い 、他方のコアに具える超電導導体層を他極の送電に用いる。そして、各コアに具える 外部超電導層を中性線として用いる。
[0013] 上述の図 7に示す交流超電導ケーブルや、特許文献 1の直流超電導ケーブルでは 、ケーブル冷却時の収縮代を確保するべぐ 3心コアの撚り合わせ構造としている。ま た、特許文献 1では、単極送電を行うにあたり、超電導導体と帰路導体とを超電導材 料にて形成したコアを利用することを提案している。しかし、超電導ケーブルのケー ブルコアにおいて超電導材料を多く用いると、各コアの曲げ剛性が高くなつて、 3条 の撚り合わせが行いに《なる。そこで、本発明では、ケーブルコア 1心 (1条)あたりの 超電導材料の使用量を低減して、撚り合わせやすくすることを提案する。具体的には 、外部超電導層 (直流送電において帰路導体として利用される層、交流送電におい てシールドとして利用される層)を有しておらず超電導導体層 (直流送電において往 路導体として利用される層、交流送電にぉ 、て導体として利用される層)のみを有す るコア (第一コアに相当)と、このコアとは逆に上記超電導導体層を有しておらず上記 外部超電導層のみを有するコア (第二コアに相当)とを利用する。或いは、本発明で は、 3条のコアのうち 1条を、超電導材料を全く使用しない部材とすることで、撚り合わ せやすくすることを提案する。具体的には、 1条のケーブルコアの代わりに冷媒管を 用いる。以下、本発明をより詳しく説明する。
[0014] (タイプ 1)
本発明の超電導ケーブルは、超電導層と絶縁層とを有する第一コア及び第二コア を撚り合わせてなるものとする。第一コアは、超電導材料から構成される第一超電導 層を具え、かつ、この第一超電導層のほかに超電導材料からなる超電導層を具えて いないものとする。第二コアは、超電導材料から構成される第二超電導層を具え、か つ、この第二超電導層の他に超電導材料からなる超電導層を具えて!/ヽな!ヽものとす る。即ち、第一コアは、コアの中心部側に超電導層を有し、コアの外周側に超電導層 を有しておらず、第二コアは、コアの外周側に超電導層を有し、コアの内周側に超電 導層を有していない。そして、第二コアの第二超電導層は、第一超電導層の外径より も大きな内径を有するように形成する。
[0015] 第一コア及び第二コアの超電導層は、例えば、 Bi2223系超電導材料からなる複数 本のフィラメントが銀シースなどのマトリクス中に配されたテープ状線材を螺旋状に卷 回することで形成するとよぐ単層でも多層でもよい。多層とする場合、層間絶縁層を 設けてもよい。層間絶縁層は、クラフト紙などの絶縁紙や PPLP (住友電気工業株式会 社 登録商標)などの半合成絶縁紙を卷回して設けることが挙げられる。
[0016] 第一超電導層は、上記超電導材料からなる線材をフォーマの外周に卷回して形成 する。フォーマは、銅やアルミニウムなどの金属材料にて形成した中実体でも中空体 でもよぐ例えば、銅線を複数本撚り合わせた構成のものが挙げられる。上記銅線は 、絶縁被覆されたものを利用してもよい。このフォーマは、第一超電導層の形状維持 部材として機能する。フォーマと第一超電導層との間にクッション層を介在させてもよ い。クッション層は、フォーマと超電導線材との間における金属同士の直接接触を回 避し、超電導線材の損傷を防止する。特に、フォーマを撚り線構造とした場合、クッシ ヨン層はフォーマ表面をより平滑な面にする機能も有する。クッション層の具体的材質 としては、絶縁紙やカーボン紙が好適に利用できる。
[0017] 第二超電導層は、上記超電導材料からなる線材を芯材の外周に卷回して形成する 。芯材は、超電導導体層及び外部超電導層の双方を具えるケーブルコアと比較して 、第二コアの剛性を高めることがない材料にて形成するとよぐ絶縁材料にて形成し てもよいし、導電性材料 (超電導材料を除く)にて形成してもよい。例えば、後述する 絶縁層の形成材料と同様の絶縁材料にて形成してもよ 、し、プラスチックを用いても よいし、銅線などの金属線を撚り合わせて形成してもよいし、プラスチックや金属撚り 線の外周に絶縁材料を卷回した構成としてもよ 、。
[0018] 上記芯材として、冷媒管を利用してもよい。このとき、第一コア及び第二コアと後述 する断熱管とで囲まれる空間 (冷媒流路)を冷媒の往路とし、芯材とした冷媒管を冷媒 の復路 (リターン)として利用することが好適である。第二コアの内周側に冷媒管を有 することで、第一コア及び第二コアと断熱管とで囲まれる空間が冷媒管の存在により 縮小されることなぐ断熱管内に冷媒の往路及び復路を具えることができる。従って、 第二コア内に冷媒管を具える構成では、断熱管内にコアと別個に復路用の冷媒管を 具える構成と比較して、第一コア及び第二コアと断熱管とで囲まれる空間を十分に確 保することができる。即ち、十分な冷媒往路を確保し、冷媒往路に冷媒を十分流通さ せられる。ここで、往路と復路とでつくられる冷媒の循環路には、冷媒を冷却するため の冷凍機や冷媒を圧送させるためのポンプなどが具えられ、これらの機器により冷媒 が適切な温度で循環されるように循環路の大きさ (冷却区間)が決められる。上記のよ うに冷媒往路に冷媒が十分流通される構成の場合、冷媒流量が多いことで侵入熱な どによる冷媒の温度上昇がより小さぐ適切な温度状態にある冷媒を長距離に亘り輸 送できるため、 1冷却区間を長尺にできる。また、上記のように冷媒が流通するための 十分な空間を確保できることから、冷媒の流通圧力を低減でき、圧力損失の低減、例 えば、ポンプの駆動電力の低減を図ることができる。
[0019] 上記冷媒管は、冷媒温度においても強度に優れる金属材料力 なり、撚り合わせる ことが可能な程度に可撓性を有するものが好ましい。例えば、金属管、スパイラル鋼 帯、スパイラル鋼帯上に金属線 (銅素線など)を巻き付けた中空形状のものが挙げら れる。金属コルゲート管は、可撓性に優れるため、撚り合せ易ぐまた、ケーブル冷却 時に収縮し易く好ましい。なお、冷媒管として金属材料力もなるものを用いる場合、冷 媒管の外周には絶縁材料にて絶縁層を形成し、この絶縁層上に第二超電導層を設 けるようにする。特に、コルゲート管を用いる場合、この絶縁層は、第二超電導層を形 成する面が平滑になるようにコルゲート管上に設けることが好ましい。
[0020] 第一コアにおいて第一超電導層の外周には、絶縁層を設ける。また、第二コアにお いて第二超電導層の外周には、絶縁層を設ける。これら絶縁層は、 PPLP (登録商標） などの半合成絶縁紙やクラフト紙などの絶縁紙を卷回して形成することが挙げられる 。第一コアに設ける絶縁層は、第一超電導層が対地電圧に対して絶縁されるのに必 要な絶縁強度を具えるように第一超電導層上に設ける。第二コアに設ける絶縁層は 、第二超電導層が対地電圧に対して絶縁されるのに必要な絶縁強度を具えるように 第二超電導層上に設ける。
[0021] 本発明超電導ケーブルを直流送電に用いる場合、上記絶縁層には、その径方向（ 厚さ方向)の直流電界分布が平滑化されるように、絶縁層の内周側の抵抗率が低ぐ 外周側の抵抗率が高くなるように pグレーデイングを施してもよい。このように pダレ ーデイングを施して、絶縁層の厚さ方向において段階的に抵抗率を異ならせることで 、絶縁層の厚さ方向全体の直流電界分布を平滑化でき、絶縁層の厚みを低減するこ とができる。抵抗率を異ならせる層数は、特に問わないが、実用的には、 2,3層程度 である。特に、これら各層の厚みを均等にすると、直流電界分布の平滑化をより効果 的に行える。
[0022] グレーデイングを施すには、抵抗率 ( p )の異なる絶縁材料を用いるとよぐ例えば 、クラフト紙といった絶縁紙を利用する場合、クラフト紙の密度を変化させたり、クラフ ト紙にジシアンジアミドを添加するなどにより、抵抗率を変えることができる。絶縁紙と プラスチックフィルムカゝらなる複合紙、例えば PPLP (登録商標)の場合、複合紙全体の 厚み Tに対するプラスチックフィルムの厚み tpの比率 k= (tpZT) X 100を変えたり、絶 縁紙の密度、材質、添加物などを変えることにより、抵抗率を変えることができる。比 率 kの値は、例えば 40%〜90%程度の範囲が好ましい。通常、比率 kが大きいほど抵 抗率 Pが大きくなる。
[0023] 更に、絶縁層は、超電導層の近傍に、他の箇所よりも誘電率が高い高 ε層を有す ると、直流耐電圧特性の向上にカ卩えて、 Imp.耐圧特性も向上させることができる。な お、誘電率 ε (20°C)は一般的なクラフト紙で 3.2〜4.5程度、比率 kが 40%の複合紙で 2.8程度、同 60%の複合紙で 2.6程度、同 80%の複合紙で 2.4程度である。特に、比率 kが高ぐかつ気密度も高めのクラフト紙を用いた複合紙により絶縁層を構成すれば、 直流耐電圧と Imp.耐圧の双方に優れて好まし!/、。
[0024] 上記 pグレーデイングに加えて、絶縁層は、その内周側ほど誘電率 εが高ぐ外周 側ほど誘電率 εが低くなるように構成してもよい。この εグレーデイングも絶縁層の径 方向全域に亘つて形成する。上述のよう〖こ ρグレーデイングを施すことで本発明超電 導ケーブルは、直流特性に優れたケーブルとなり、直流送電に好適である。一方、現 行の送電線路は、大半が交流で構成されている。今後、送電方式を交流から直流へ 移行することを考えた場合、直流送電に移行する前に、過渡的に本発明ケーブルを 用いて交流を送電するケースが想定される。例えば、送電線路の一部のケーブルを 本発明超電導ケーブルに交換したが残部が交流送電用ケーブルのままであるとか、 送電線路の交流送電用ケーブルを本発明超電導ケーブルに交換した力 ケーブル に接続される送電機器は交流用のままとなっている場合などである。この場合、本発 明ケーブルで過渡的に交流送電を行い、その後、最終的に直流送電に移行されるこ とになる。そのため、本発明ケーブルにおいては、直流特性に優れているのみならず 、交流特性をも考慮した設計とすることが好ましい。交流特性をも考慮した場合、内 周側ほど誘電率 εが高ぐ外周側ほど誘電率 εが低い絶縁層とすることで、サージ などのインパルス特性に優れたケーブルを構築することができる。そして、上記過渡 期が過ぎて直流送電が行われることになつた場合には、過渡期に用いていた本発明 ケーブルをそのまま直流ケーブルとして利用することができる。即ち、 pグレーディン グに加えて εグレーデイングを施した本発明ケーブルは、交流直流両用のケーブル として好適に利用することができる。
[0025] 通常、上述した PPLP (登録商標)は、比率 kを高くすると高 p低 εとなる。そのため、 絶縁層の外周側ほど比率 kの高 ヽ PPLP (登録商標)を用いて絶縁層を構成すれば、 外周側ほど高 pになり、同時に外周側ほど低 εにできる。
[0026] 一方、クラフト紙は、一般に気密度を高くすると高 ρ高 εになる。そのため、クラフト 紙だけで外周側ほど高 ρであると共に外周側ほど低 εの絶縁層を構成することは難 しい。そこで、クラフト紙を用いる場合は、複合紙と組み合わせて絶縁層を構成するこ とが好適である。例えば絶縁層の内周側にクラフト紙層を形成し、その外側に PPLP 層を形成することで、抵抗率 pはクラフト紙層く PPLP層となり、誘電率 εはクラフト紙 層 > PPLP層となるようにすればよ!、。
[0027] その他、第一超電導層と絶縁層との間や、絶縁層と第二超電導層との間に半導電 層を形成してもよい。このような半導電層を形成することで、超電導層と絶縁層の間 での密着性を高め、部分放電の発生などに伴う劣化を抑制する。
[0028] 本発明超電導ケーブルは、上記構成を具える第一コア、第二コアをそれぞれ 1条ず つ合計 2条以上撚り合わせた多心ケーブルとする。第一コアの数と第二コアの数とは 、それぞれ同数としてもよいし、異ならせてもよいが、第一コアの第一超電導層に使 用した超電導材料の量と、第二コアの第二超電導層に使用した超電導材料の量とが 同等になるように各コアの数を調整する。例えば、第一コアを第二コアよりも多く具え る場合、第二コア 1心 (1条)あたりの超電導材料の使用量を第一コア 1心 (1条)あたりの 使用量よりも多くするとよい。本発明ケーブルは、上記のように、第一超電導層の外 径よりも第二超電導層の内径が大きくなるように第一超電導層、第二超電導層を設 ける。従って、第一コアの数を第二コアの数よりも多くして、同量の超電導材料を使用 しても、第二コアの第二超電導層の厚みを過度に厚くすることがない。そのため、第 二コアの曲げ剛性を過度に大きくすることがない。単極送電を行う場合は、第一コア 、第二コアのそれぞれを少なくとも 1条ずつ用意して撚り合わせ、第一コアを少なくと も 1心、第二コアを少なくとも 1心具える超電導ケーブルを利用する。単極送電だけで なく双極送電も行う場合は、少なくとも第一コア 2条と第二コア 1条とを撚り合わせ、第 一コアを 2心、第二コアを 1心具える多心超電導ケーブルを利用し、第一コアを極の 送電に、第二コアを中性線として利用するとよい。また、これら第一コアの外径及び第 二コアの外径は、同径としておくと撚り合わせやすく好ましい。
[0029] 上記第一コア及び第二コアを具えるタイプ 1の超電導ケーブルは、第一コア及び第 二コアを撚り合わせたものを断熱管内に収納して構成するとよい。断熱管は、例えば 、外管と内管とからなる二重構造の管の間に断熱材を配置し、内管と外管間を真空 引きする構成が挙げられる。内管内の第一コア及び第二コアの外周面と内管の内周 面とで囲まれる空間には、第一コア及び第二コアを冷却する液体窒素などの冷媒を 充填する。断熱管の外周には、ポリ塩ィ匕ビュルなどの榭脂にて防食層などを設けて もよい。これら断熱管に関する事項は、後述するタイプ 2の超電導ケーブルにおいて も同様である。
[0030] 上記タイプ 1の超電導ケーブルは、複数のコアの撚り合わせ構造であるため、従来 の 3心撚り合わせ構造の超電導ケーブルと同様に、ケーブル冷却時の収縮代を持た せることができる。収縮代を設けるには、例えば、弛みを持たせてコアを撚り合わせる ことが挙げられる。弛みを持たせる方法としては、コア間にスぺーサを配置してコアを 撚り合わせ、撚り合わせたコアを予め形成された断熱管に収納する際、或いは撚り合 せたコアの外周に断熱管を形成する際、スぺーサを除去する方法が挙げられる。ス ぺーサは、例えば、 5mm程度の厚さのフェルトなどが挙げられる。スぺーサの厚さは、 ケーブルコア径に応じて適宜変更するとよい。これら収縮代に関する事項は、後述す るタイプ 2の超電導ケープノレにお!ヽても同様である。
[0031] 上記構成を具えるタイプ 1の超電導ケーブルは、第一コアの第一超電導層を往路 線路に用い、第二コアの第二超電導層を帰路線路に用いることで、単極送電を行う ことができる。
[0032] また、上記構成を具えるタイプ 1の超電導ケーブルは、第一コアを複数具えておき、 少なくとも一つの第一コアに具える第一超電導層を正極及び負極のいずれか一極の 送電に用い、残りの第一コアに具える第一超電導層を他極の送電に用い、第二コア に具える第二超電導層を中性線として用いることで、双極送電を行うことができる。更 に、双極送電を行っている際、一方の極に異常が生じた場合、例えば、その極の第 一超電導層やケーブルに接続される直交流変換器などに異常が生じて、一方の極 の送電を停止する場合、異常が生じていない極の第一コアと第二コアとを利用して、 単極送電を行うことができる。このとき、第一コアの第一超電導層を往路線路、第ニコ ァの第二超電導層を帰路線路とするとよい。
[0033] なお、単極送電、双極送電のいずれの送電においても、第二超電導層は、接地電 位としておく。双極送電を行う場合、通常、正極電流と負極電流とは、ほとんど同じ大 きさであり互いにキャンセルし合うため、中性線として機能する第二超電導層には、 電圧がほとんど力からない。しかし、本発明では、正極と負極でアンバランスが生じた 際のアンバランス電流を流したり、一方の極に異常が生じて双極送電から単極送電 に変更する際、送電電流と同等の電流を流す (単極送電の帰路線路として機能させ る)ため、第二超電導層を接地電位にしておく。
[0034] 第一コア及び第二コアを具える本発明超電導ケーブルは、直流送電だけでなぐ 上述のよう〖こ εグレーデイングを施した絶縁層を設けることで、交流送電にも好適に 禾 IJ用することができる。交流送電を行う場合、第一コア及び第二コアはシールドとして 機能する導体部分を有していないため、この超電導ケーブルにて高圧送電を行うと、 漏洩電界が大きくなる恐れがある。従って、この超電導ケーブルにて交流送電を行う 場合は、低圧送電とすることが好ましい。また、単相交流送電を行う場合、第一コア 及び第二コアをそれぞれ 1条ずつ撚り合わせ、各コアを 1心ずつ具える超電導ケープ ルを利用するとよぐ両コアの超電導層を相の送電に利用してもよいし、いずれか一 方のコアの超電導層を相の送電に利用し、残り 1心を予備心としてもよい。この超電 導ケーブルにて単相交流送電後に直流送電を行う場合、単極送電に利用することが できる。一方、 3相交流送電を行う場合、第一コア及び第二コアを合計で 3心以上具 えた超電導ケーブルを利用する。余条のコアは、予備心とするとよい。この超電導ケ 一ブルにて 3相交流送電後に直流送電を行う場合、単極送電、双極送電のいずれも 行うことができる。或いは、 3相交流送電を行う場合、第一コア及び第二コアをそれぞ れ 1条ずつ撚り合わせ、それぞれ 1心ずつ具える超電導ケーブルを 2条又は 3条用意 して、コア数の合計が 3心以上となるようにしてもよい。 2条のケーブルを用いる場合、 コア数の合計は、 4心となるため、 1心を予備心とするとよい。 3条のケーブルを用いる 場合、各ケーブルをそれぞれの相の送電に利用するとよい。即ち、 2心のコアで 目 の送電を行うとよい。
[0035] (タイプ 2)
タイプ 2の本発明超電導ケーブルは、 2条のケーブルコアと、 1つの冷媒管とを撚り 合わせてなる 3心撚り合わせ構造である。各ケーブルコアは、中心から順に、超電導 材料から構成される超電導導体層、絶縁材料から構成される絶縁層、超電導材料か らなる外部超電導層とを具える。
[0036] 超電導導体層は、上記第一コアの第一超電導層や第二コアの第二超電導層と同 様に Bi2223系超電導材料力 なる線材を螺旋状に卷回することで形成することが挙 げられる。また、上記第一コアの第一超電導層や第二コアの第二超電導層と同様に 超電導導体層は、単層でも多層でもよい。この超電導導体層は、第一コアの第一超 電導層と同様にフォーマの外周に形成する。
[0037] 絶縁層は、上記第一コアの絶縁層と同様に半合成絶縁紙やクラフト紙などを上記 超電導導体層上に卷回して形成することが挙げられる。この絶縁層は、超電導導体 層と対地間の絶縁に必要な絶縁強度を具えるようにする。また、この絶縁層は、上記 第一コアや第二コアの絶縁層と同様に、内周側の抵抗率が低ぐ外周側の抵抗率が 高くなるよう〖こ pグレーデイングを施して、絶縁層の厚さ方向全体の直流電界分布を 平滑ィ匕させるようにしてもよい。更に、この絶縁層は、上記第一コアや第二コアの絶 縁層と同様に、超電導導体層の近傍に、他の箇所よりも誘電率が高い高 ε層を具え てもよい。このような ρグレーディングゃ高 ε層を具えることで、直流送電により適した 超電導ケーブルとすることができる。加えて、この絶縁層は、上記第一コアや第ニコ ァの絶縁層と同様に、 ρグレーデイングと共に、内周側ほど誘電率 εが高ぐ外周側 ほど誘電率 εが低くなるように構成することで、直流送電及び交流送電の双方により 適した超電導ケーブルとすることができる。
[0038] 外部超電導層は、超電導導体層と同様に超電導材料にて、絶縁層の外周に形成 する。超電導導体層の形成に利用したものと同様の材料にて形成してもよい。この外 部超電導層は、接地電位にしておく。タイプ 2の超電導ケーブルを利用して双極送電 を行う場合、通常、正極電流と負極電流とは、ほとんど同じ大きさであり互いにキャン セルし合うため、中性線として機能する外部超電導層には、電圧がほとんど力からな い。しかし、本発明では、正極と負極でアンバランスが生じた際のアンバランス電流を 流したり、一方の極に異常が生じて双極送電から単極送電に変更する際、送電電流 と同等の電流を外部導体層に流す (単極送電の帰路線路として機能させる)ため、外 部超電導層を超電導材料にて形成する。外部超電導層の外周には、絶縁を兼ねた 保護層を設けることが好ましい。
[0039] その他、絶縁層の内外周の少なくとも一方、つまり超電導導体層と絶縁層との間や 、絶縁層と外部超電導層との間に半導電層を形成してもよい。前者の内部半導電層 、後者の外部半導電層を形成することで、超電導導体層と絶縁層の間或いは絶縁層 と外部超電導層の間での密着性を高め、部分放電の発生などに伴う劣化を抑制する
[0040] 上記 2条のケーブルコアと撚り合わせる冷媒管は、両コア及び冷媒管と断熱管とで 囲まれる空間 (冷媒流路)を冷媒の往路とするのに対して、冷媒の復路 (リターン)として 利用する。このような冷媒管は、上記第二コアに具える冷媒管と同様に冷媒温度に おいても強度に優れる金属材料力 なり、撚り合わせることが可能な程度の可撓性を 有するものが好ましい。特に、冷媒管は、可撓性に優れる形状のもの、具体的には金 属コルゲート管を用いることが好ましい。コルゲート管は、伸縮自在であるため、両コ ァと撚り合わせる際、ケーブル冷却時の収縮代となる弛みを設けなくても、管自体の 伸縮性で熱収縮分の吸収を行うことができる。即ち、冷媒管としてコルゲート管を利 用する場合、上記弛みを設けることなくコアと撚り合せても、ケーブル冷却時の収縮 に対して十分対応することができる。また、本発明では、冷媒復路として十分な大きさ を確保すると共に、 2条のケーブルコアとの撚り合わせ構造を安定して形成することが できるように、この冷媒管の外径をコアの外径と同等 (同径)とする。そして、このタイプ 2の超電導ケーブルは、上記 2条のケーブルコアと冷媒管とを撚り合わせたものを上 記断熱管内に収納して構成する。
[0041] 上記冷媒管として金属製のものを利用する場合、両コアと冷媒管との撚り合わせた 一体ィ匕物を断熱管 (内管)に収納する際に冷媒管が断熱管と接触して、断熱管や冷 媒管が損傷したり、金属粉が発生して、この金属粉が冷媒の流通によりケーブル端 部に流され、端部において電気的な不具合を生じる恐れがある。そこで、冷媒管の 外周には、断熱管との接触による不具合を防止するべぐ断熱管と接触しないように するための保護層を設けてもよい。保護層は、例えば、クラフト紙を卷回して構成する ことが挙げられる。
[0042] 上記構成を具えるタイプ 2の超電導ケーブルは、両コアに具える超電導導体層を往 路線路に用い、両コアに具える外部超電導層を帰路線路に用いることで、単極送電 を行うことができる。また、一方のコアの超電導導体層を正極及び負極のいずれか一 極の送電に用い、他方のコアの超電導導体層を他極の送電に用い、各コアの外部 超電導層を中性線に用いることで、双極送電を行うことができる。更に、双極送電を 行っている際に一方の極に異常が生じた場合、例えば、その極の超電導導体層ゃケ 一ブルに接続される直交流変換器などに異常が生じて、一方の極の送電を停止する 場合、異常が生じていない極のコアを利用して、単極送電を行うことができる。このと き、異常が生じていない極のコアの超電導導体層を往路線路、外部超電導層を帰路 線路として用いるとよい。なお、単極送電、双極送電のいずれの送電の場合も、両コ ァの外部超電導層は、接地電位にしておく。
[0043] また、タイプ 2の本発明超電導ケーブルは、直流送電だけでなぐ上述のように εグ レーディングを施した絶縁層を設けることで、交流送電にも好適に利用することがで きる。単相交流送電を行う場合、この超電導ケーブルを 1条用い、各コアの超電導導 体層を相の送電に、各コアの外部超電導層をシールド層として利用してもよいし、 1 心のコアの超電導導体層を相の送電に、このコアの外部超電導層をシールド層とし て利用し、残り 1心を予備心としてもよい。一方、 3相交流送電を行う場合、この超電導 ケーブルを 2条又は 3条用意して、コア数の合計力 ¾心以上となるようにする。 2条のケ 一ブルを用いる場合、コア数の合計は、 4心となるため、 1心のコアを予備心とし、残り 3心のコアの超電導導体層をそれぞれの相の送電に利用し、これら超電導層の外周 に設けられた外部超電導層をシールド層として利用するとよ 、。 3条のケーブルを用 いる場合、各ケーブルの超電導導体層をそれぞれの相の送電に利用し、これら超電 導導体層の外周に設けられた外部超電導層をシールド層として利用するとよい。即 ち、 2心のコアで 目の送電を行うとよい。
発明の効果
[0044] 上記構成を具える本発明超電導ケーブルは、ケーブルコア 1心あたりの超電導材 料の使用量を少なくして曲げ剛性を小さくしたり、超電導材料を用 、て!、な!、部材（ 冷媒管)を用いて撚り合わせやすくすることで、撚り合わせ構造を形成し易!ヽと!ヽぅ特 有の効果を奏する。
[0045] 特に、異なる 2種類のコアを撚り合わせたタイプ 1の超電導ケーブルにおいて、冷媒 管を内蔵する第二コアを用いた場合、コアと断熱管とで囲まれる空間を十分に確保し ながら、冷媒の復路を有することができる。一方、コア 2条と冷媒管とを撚り合わせたタ イブ 2の超電導ケーブルでは、 1心のコアの代わりに冷媒管を具えることで、冷媒の復 路として最大容積を有する流路を確保することができる。また、この冷媒管の外周に 保護層を設けることで、冷媒管が断熱管に接触するのを防止して、この接触による冷 媒管ゃ断熱管の損傷や金属粉の生成などを抑制することができる。
[0046] 更に、本発明超電導ケーブルに具えるコアにおいて、 pグレーデイングを施した絶 縁層とすることで、絶縁層の厚さ方向の全体にわたって直流電界分布を平滑ィ匕して 、直流耐電圧特性を改善し、絶縁層の厚みを減少することができる。 グレーディン グに加えて導体として利用される超電導層の近傍が高 εとなるように絶縁層を設ける ことで、上述した直流耐電圧特性の向上に加えて、 Imp.耐圧特性も向上できる。特に 、絶縁層の内周側ほど高 εとし外周側ほど低 εとすることで、本発明超電導ケープ ルは、交流の電気特性にも優れたケーブルとすることができる。そのため、本発明超 電導ケーブルは、直流送電用、交流送電用のそれぞれに好適に利用できるだけで なぐ送電方式を交流と直流の間で変更する過渡期においても好適に利用すること ができる。
発明を実施するための最良の形態
[0047] 以下、本発明の実施の形態を説明する。まず、構成の異なる 2種類のコアを撚り合 わせたタイプ 1の本発明の超電導ケーブルについて説明する。
実施例 1
[0048] 図 1は、本発明の超電導ケーブルを用いて単極送電用の直流送電線路を構築した 状態を示す概略構成図である。以下、図面において同一符号は同一物を示す。この 超電導ケーブル 1は、構成の異なる 2種類のケーブルコア (第一コア 2、第二コア 3)を 撚り合わせ、断熱管 7内に収納させたケーブルである。具体的には、第一コア 2は、絶 縁層 4の内周側に超電導材料カゝらなる第一超電導層 2aを具え、絶縁層 4の外周側に 超電導材料力もなる層を具えていない。第二コア 3は、中心部側に芯材 5bを具え、こ の芯材 5bの外周側に超電導材料力 なる第二超電導層 3aを具え、芯材 5bの内周側 に超電導材料力もなる層を具えていない。そして、第二超電導層 3aの内径を第一超 電導層 2aの外径よりも大きくしている。
[0049] (第一コア 2)
本例にお \、て第一超電導層 2aは、 Bi2223系超電導テープ線 (Ag-Mnシース線)を用 い、フォーマ 5aの外周にこのテープ線を多層に螺旋状に卷回して構成した。フォーマ 5aは、銅線を複数本撚り合わせたものを用い、フォーマ 5aと第一超電導層 2aとの間に は、絶縁紙によりクッション層 (図示せず)を形成した。第一超電導層 2aの外周には、 絶縁層 4を設けている。絶縁層 4は、第一超電導層 2aと対地間の絶縁に必要な絶縁 強度を有するように、半合成絶縁紙 (PPLP :住友電気工業株式会社 登録商標)を卷 回して構成した。本例では、このような第一コア 2を 2条用意した。また、いずれの第一 コア 2も同径とした。
[0050] (第二コア 3)
本例において第二コア 3は、 1条 (1心)とし、その外径が上記第一コア 2の外径と同径 となるように形成した。まず、芯材 5bを形成した。本例では銅線を撚り合わせた内側 芯材 (図示せず)の外周に、半合成絶縁紙 (PPLP:住友電気工業株式会社 登録商標 )を卷回して芯材 5bを構成した。この芯材 5bの外周に第二超電導層 3aを設けて ヽる。 第二超電導層 3aは、上記第一コア 2の第一超電導層 2aと同様の超電導材料 (Bi2223 系超電導テープ線 (Ag-Mnシース線))を用い、同様に多層に螺旋状に卷回して構成 した。第二超電導層 3aの形成に用いたテープ線の量は、上記 2条の第一コア 2の第 一超電導層 2aを構成するのに用いたテープ線の量と同量とした。そして、第二コア 3 にお 、て芯材 5bの大きさを調整し、第一コア 2の第一超電導層 2aの外径 (絶縁層 4の 内径)よりも、第二コア 3の第二超電導層 3aの内径 (芯材 5bの外径)が大きくなるようにし た。そのため、超電導テープ線の巻き付け数 (層数)を過剰に多くすることなく第二超 電導層 3aを形成することができ、第二コア 3の曲げ剛性が過度に大きくなることがなか つた。そして、この第二超電導層 3aの外周に絶縁層 6を設けた。絶縁層 6は、第二超 電導層 3aと対地間の絶縁に必要な絶縁強度を有するように、クラフト紙を卷回して形 成した。
[0051] (超電導ケーブル 1)
超電導ケーブル 1は、超電導材料からなる層として第一超電導層 2aのみを有する第 一コア 2と、超電導材料力もなる層として第二超電導層 3aのみを有する第二コア 3とを 撚り合わせて、断熱管 7に収納して構成している。本例においてこれら 3条のコア 2,コ ァ 3は、冷媒により冷却されて熱収縮を生じた際、その収縮代を有するように弛みを持 たせて撚り合わせた。具体的には、第一コア 2間、第一コア 2と第二コア 3間にそれぞ れスぺーサ (図示せず)を介在させて撚り合わせ、断熱管 7に収納する際 (断熱管 7を 形成する際)にスぺーサを除去することで、弛みを持たせた状態で断熱管 7に収納さ れるようにした。本例においてスぺーサは、断面矩形状の 5mm厚みのフェルトを用い た。また、本例において断熱管 7は、 SUSコルゲート管を用い、図 7に示す従来の超電 導ケーブルと同様に、外管 7aと内管 7bとからなる二重管の間に断熱材 (図示せず)を 多層に配置し、かつ二重管内を真空引きした真空多層断熱構成とした。内管 7bと 3心 のコア 2,コア 3とで囲まれる空間 8が液体窒素などの冷媒の流路となる。断熱管 7の外 周には、ポリ塩ィ匕ビニルで防食層 (図示せず)を形成した。
[0052] 上記構成を具える本発明の超電導ケーブル 1は、直流送電、具体的には双極送電 、単極送電のいずれにも用いることができる。まず、単極送電を行う場合を説明する。 単極送電を行うには、図 1に示すような送電線路を構築するとよい。具体的には、一 方の第一コア 2に具える第一超電導層 2aの一端側に、交流系統 (図示せず)に接続さ れる直交流変換器 10aがリード 20,リード 21を介して接続され、同第一超電導層 2aの他 端側に、交流系統 (図示せず)に接続される直交流変翻 10bがリード 22を介して接 続される。また、他方の第一コア 2に具える第一超電導層 2aの一端側に、直交流変換 器 10aがリード 23,リード 21を介して接続され、同第一超電導層 2aの他端側に、直交流 変 lObがリード 22を介して接続される。第二コア 3に具える第二超電導層 3aの一 端側には、直交流変換器 10aがリード 24を介して接続され、同第二超電導層 3aの他 端側に、直交流変 101)がリード 25を介して接続される。そして、リード 24を接地し ている。この接地により、第二超電導層 3aは接地電位となる。なお、本例では片端接 地としたが、リード 25も接地して両端接地としてもよい。リード 20〜25は、超電導層 2a, 3aと直交流変翻 10a, 10bとを電気的に接続するものである。
[0053] 上記構成を具える直流送電線路では、 2心の第一コア 2に具える第一超電導層 2aに 単極の電流を流して往路線路として用い、第二コア 3に具える第二超電導層 3aに帰 路電流を流して帰路線路として用いることで単極送電を行うことができる。また、この 超電導ケーブル 1は、弛みをとつて 3条のコアを撚り合わせているため、この弛みによ り、冷却時、コアの熱収縮分を吸収することができる。更に、この超電導ケーブル 1は 、超電導材料からなる層 (超電導導体及び外部超電導層)を二層具えるケーブルコア を 3条撚り合わせた従来の超電導ケーブルと比較して、コア 1条あたりの超電導材料 の使用量が少ない。そのため、コアの曲げ剛性力 、さぐ撚り合わせ構造を形成し易 い。
実施例 2
[0054] 次に、双極送電を行う場合を説明する。図 2(A)は、本発明の超電導ケーブルを用 いて双極送電用の直流送電線路を構築した状態を示す概略構成図、（B)は 2心の第 一コアのうち一方の第一コアと第二コアとを用いて単極送電を行う直流送電線路を構 築した状態を示す概略構成図である。実施例 1で用いた超電導ケーブル 1は、双極 送電にも用いることができる。双極送電を行うには、図 2(A)に示すような送電線路を 構築するとよい。具体的には、 2心の第一コアのうち一方の第一コア 2(図 2(A)のおい て上側の第一コア 2)に具える第一超電導層 2aの一端側に、交流系統 (図示せず)に
Figure imgf000019_0001
laがリード 30を介して接続され、同第一超電導層 2aの他 端側に、交流系統 (図示せず)に接続される直交流変翻 l ibがリード 31を介して接 続される。他方の第一コア 2(図 2(A)にお 、て左側の第一コア 2)に具える第一超電導 層 2aの一端側に、交流系統 (図示せず)に接続される直交流変換器 12aがリード 32を 介して接続され、同第一超電導層 2aの他端側に、交流系統 (図示せず)に接続される 直交流変換器 12bがリード 33を介して接続される。第二コア 3に具える第二超電導層 3
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la,12aが接続され、同第二超電導層 3a の他端側に、リード 35を介して直交流変 1 lb, 12bが接続される。そして、リード 34 を接地している。この接地により、第二超電導層 3aは接地電位となる。本例では、リー ド 34のみ接地して片端接地としたが、リード 35も接地して両端接地としてもよい。なお 、リード 30〜35は、超電導層 2a,3aと直交流変 l la, l lb,12a,12bとを電気的に接続 するものである。
[0055] 上記構成により、直交流変換器 l lb、リード 31、図 2(A)において上側の第一コア 2の 第一超電導層 2a、リード 30、直交流変換器 l la、リード 34、第二コア 3の第二超電導層 3a、リード 35という正極順路が構築される。また、直交流変換器 12b、リード 33、図 2(A) において左側の第一コア 2の第一超電導層 2a、リード 32、直交流変換器 12a、リード 34 、第二コア 3の第二超電導層 3a、リード 35という負極順路が構築される。これら正極順 路,負極順路により双極送電を行うことができる。このとき、第二コア 3の第二超電導層 3aは、中性線として利用される他、正負極のアンバランス電流や異常電流を流すの に利用される。なお、本例では、図 2(A)において上側の第一コア 2を正極、左側の第 一コア 2を負極に用いた力 Sもちろん逆でもよ 、。
[0056] 一方、 、ずれかの極の第一超電導層や直交流変換器に異常が生じて、その極の 送電を停止した際、異常を生じていない極の第一超電導層を利用して単極送電を行 うことができる。例えば、図 2(A)において左側の第一コア 2や直交流変換器 12a,12bな どに異常が生じた場合、即ち、負極に異常が生じた場合、図 2(A)において左側の第 一コア 2を利用した送電を停止する。このとき、図 2(B)に示すように一方の第一コア 2( 図 2にお 、て上側の第一コア 2)を用 V、た単極送電用の送電線路が構築され、この第 一コア 2の第一超電導層 2aを往路線路、第二コア 3の第二超電導層 3aを帰路線路と して単極送電を行うことができる。なお、本例では、負極に異常が生じた場合を説明 したが、正極に異常が生じた場合も同様である。このとき、他方の第一コア 2(図 2にお V、て左側の第一コア 2)の第一超電導層 2aを往路線路、第二コア 3の第二超電導層 3a を帰路線路として単極送電を行うとよ ヽ。
[0057] 上記のように本発明の超電導ケーブルは、双極送電及び単極送電の双方を行うこ とがでさる。 [0058] 上記のように直流送電を行う場合、第一コア 1の絶縁層 4,第二コア 2の絶縁層 6にお いて内周側の抵抗率が低ぐ外周側の抵抗率が高くなるように pグレーディングを施 すと、絶縁層の厚み方向の直流電界分布を平滑化することができる。抵抗率は、比 率 kが異なる PPLP (登録商標)を用いることで変化させることができ、比率 kが大きくなる と抵抗率が高くなる傾向にある。また、絶縁層 4において第一超電導層 2aの近傍に高 ε層を設けると、直流耐電圧特性の向上に加えて、 Imp.耐圧特性も向上させることが できる。高 ε層は、例えば、比率 kが小さい PPLP (登録商標)を用いて形成することが 挙げられる。このとき、高 ε層は、低 p層ともなる。更に、上記 ρグレーデイングにカロ えて、内周側ほど誘電率 εが高ぐ外周側ほど誘電率 εが低くなるように絶縁層 4,6 を形成すると、交流特性にも優れる。従って、上記超電導ケーブル 1を交流送電にも 好適に利用することができる。例えば、以下のように比率 kが異なる PPLP (登録商標） を用いて、抵抗率及び誘電率が 3段階に異なるように絶縁層を設けることが挙げられ る。以下の三層は、内周側から順に具えるとよい (Χ,Υは定数)。
低 ρ層:比率 k= 60%、抵抗率 p (20°C) = X Ω - cm,誘電率 ε =Υ
中 ρ層:比率 k= 70%、抵抗率 p (20°C) =約 1.2X Ω - cm,誘電率 ε =約 0.95Υ 高 ρ層:比率 k= 80%、抵抗率 p (20°C) =約 1.4X Ω - cm,誘電率 ε =約 0.9Υ
[0059] 超電導ケーブル 1を用いて 3相交流送電を行う場合、各コア 2,3の超電導層 2a,3aを それぞれ相の送電に利用するとよ 、。超電導ケーブル 1を用いて単相交流送電を行 う場合、各コア 2,3の超電導層 2a,3aを同じ相の送電に利用するとよい。なお、各コア 2, 3は 、ずれもシールドとして機能させる超電導層を有して 、な 、ため、超電導ケープ ル 1を用いて交流送電を行う場合、低圧送電とすることが好ま 、。
[0060] 超電導ケーブル 1は、上記交流送電を行った後、上述した単極送電や双極送電と いった直流送電を行うことも可能である。このように pグレーデイングや εグレーディ ングを施した絶縁層を具える本発明超電導ケーブルでは、直流交流両用ケーブルと して好適に利用することができる。これら ρグレーデイング、 εグレーデイングに関す る事項は、後述の実施例 3についても同様である。
実施例 3
[0061] 上記実施例 1 ,2では、第二コアの芯材として、銅撚り線を利用した構成について説 明したが、芯材として冷媒管を用いてもよい。図 3は、第二コアの第二超電導層の内 側に冷媒管を具える本発明超電導ケーブルの断面模式図である。この例に示す第 二コア 3は、基本的構成は実施例 1、 2に示したものと同様であり、芯材 5bの内側芯材 として冷媒管 9aを具える点が異なる。以下、この点を中心に説明する。
[0062] 本例において冷媒管 9aは、 SUSコルゲート管を用いており、この冷媒管 9aの外周に 半合成絶縁紙を巻き付けて絶縁層 9bを形成した。特に本例では、第二超電導層 3a に対して均一な絶縁厚さを有するように、コルゲート管の凹凸をならすように半合成 絶縁紙を巻き付け、絶縁層 9bの外周面が平滑になるように絶縁層 9bを設けた。絶縁 層 9bの外周には、実施例 1と同様にして第二超電導層 3a、次いで絶縁層 6を設け、第 二コア 3の外径が第一コア 2の外径と同径となるようにした。
[0063] 上記冷媒管 9aを具える第二コア 3を用いることで、内管 7bと 3心のコア 2,3とで囲まれ る空間 8を液体窒素などの冷媒の往路とし、冷媒管 9aを冷媒の復路 (リターン)として用 いることができる。特に、冷媒管 9aを第二コア 3内に具えるため、冷媒管 9aを第二コア 3の外部である空間 8内に設ける場合と比べて、空間 8の体積を減らすことなぐ冷媒 の復路を具えることができる。また、本例では、冷媒管 9aとして可撓性に優れるコルゲ 一ト管を利用したことで、第一コア 2との撚り合せが行い易ぐまた、ケーブル冷却時 に冷媒管 9a自体が容易に収縮することができる。このように第二超電導層 3aの内側 に設ける芯材 5bは、異なる材料 (本例では冷媒管 9aと絶縁層 9b)にて形成してもよ 、。
[0064] 次に、ケーブルコア 2条と冷媒管とを撚り合わせたタイプ 2の本発明の超電導ケープ ルについて説明する。
実施例 4
[0065] 図 4は、本発明の超電導ケーブルを用いて単極送電用の直流送電線路を構築した 状態を示す概略構成図である。なお、図 4及び後述する図 5において冷媒循環路は 省略している。超電導ケーブル 40は、超電導材料からなる超電導導体層 44及び外部 超電導層 46を同軸状に具える 2条のケーブルコア 41と、 1条の冷媒管 42とを撚り合わ せ、断熱管 7内に収納させたケーブルである。各ケーブルコア 41は、中心力 順にフ ォーマ 43、超電導導体層 44、絶縁層 45、外部超電導層 46、保護層 47を具える。
[0066] (ケーブルコア 41) 本例にお \ヽて超電導導体層 44及び外部超電導層 46は、 ΒΪ2223系超電導テープ線 (Ag-Mnシース線)にて形成した。超電導導体層 44はフォーマ 43の外周に、外部超電 導層 46は絶縁層 45の外周にそれぞれ、上記超電導テープ線を螺旋状に多層に卷 回して構成した。フォーマ 43は、銅線を複数本撚り合わせたものを用い、フォーマ 43 と超電導導体層 44との間には、絶縁紙によりクッション層 (図示せず)を形成した。絶 縁層 45は、超電導導体層 44の外周に半合成絶縁紙 (PPLP:住友電気工業株式会社 登録商標)を卷回して構成した。この絶縁層 45は、超電導導体層 44と対地間の絶縁 に必要な絶縁強度を有するように設けた。保護層 47は、外部超電導層 46の外周にク ラフト紙を卷回して設けた。このようなケーブルコア 41を 2条用意した。また、いずれの コア 41の外径も同径である。
[0067] (冷媒管 42)
上記 2条のケーブルコア 41と撚り合わせる冷媒管 42として、本例では、コア 41の外径 と同径の外径を有する SUSコルゲート管を用いた。
[0068] (超電導ケーブル 40)
超電導ケーブル 40は、上記超電導導体層 44及び外部超電導層 46を具える 2条の ケーブルコア 41と冷媒管 42とを撚り合わせ、断熱管 7内に収納して構成している。 2条 のコア 41は、冷媒により冷却された際、熱収縮に必要な収縮代を有するように弛みを もたせて撚り合わせた。弛みは、実施例 1と同様にコア 41間にスぺーサ (5mm厚のフエ ルト)を配置して撚り合わせ、断熱管 7に収納する際にスぺーサを除去することで形成 した。冷媒管 42は、伸縮可能なコルゲート管を利用しているため、特に弛みを持たせ ることなくコア 41と撚り合わせても、十分な収縮代を確保することができる。本例にお いて断熱管 7は、 SUSコルゲート管を用い、図 7に示す従来の超電導ケーブルと同様 に、外管 7aと内管 7bとからなる二重管の間に断熱材 (図示せず)を多層に配置し、か つ二重管内を真空引きした真空多層断熱構成とした。内管 7bと 2心のケーブルコア 4 1及び冷媒管 42とで囲まれる空間 8が液体窒素などの冷媒の往路となり、冷媒管 42が 冷媒の復路となる。また、断熱管 7の外周には、ポリ塩ィ匕ビュルで防食層 (図示せず） を形成した。
[0069] 上記構成を具える本発明の超電導ケーブル 40は、直流送電、具体的には双極送 電、単極送電のいずれにも用いることができる。まず、単極送電を行う場合を説明す る。単極送電を行うには、図 4に示すような送電線路を構築するとよい。具体的には、 図 4において右側のコア 41に具える超電導導体層 44の一端側に、交流系統 (図示せ ず)に接続される直交流変 l3aがリード 50,リード 51を介して接続され、同超電導 導体層 44の他端側に、交流系統 (図示せず)に接続される直交流変翻 13bがリード 5 2を介して接続される。図 4にお ヽて左側のコア 41に具える超電導導体層 44の一端側 には、同様に直交流変 l3aがリード 53,リード 51を介して接続され、同超電導導体 層 44の他端側に、直交流変換器 13bがリード 52を介して接続される。両コア 41の外部 超電導層 46は、リード 54,リード 55,リード 56を介して直交流変翻13&に接続され、リ ード 57を介して直交流変換器 13bに接続される。そして、本例では、リード 56を接地し ている。この接地により、外部超電導層 46は接地電位となる。なお、本例では片端接 地としたが、リード 57も接地して両端接地としてもよい。また、リード 50〜57は、超電導 導体層 44や外部超電導層 46と直交流変 13&, 13bとを電気的に接続するものであ る。
[0070] 上記構成を具える直流送電線路では、両コア 41に具える超電導導体層 44に単極 の電流を流して往路線路として用い、両コア 41に具える外部超電導層 46に帰路電流 を流して帰路線路として用いることで単極送電を行うことができる。また、この超電導 ケーブル 40は、 2条のケーブルコア 41に弛みを持たせると共に、伸縮可能なコルゲー ト管力 なる冷媒管 42を撚り合わせているため、この弛み及び伸縮機能により、冷却 時、熱収縮分を吸収することができる。更に、この超電導ケーブル 40は、超電導材料 からなる超電導導体層及び外部超電導層を具える 3条のコアを撚り合わせた超電導 ケーブルと比較して、 1心のコアの代わりに冷媒管 42を具えた構成であるため、空間 8 の体積を減らすことなく冷媒の復路 (リターン)を有することができる。特に、冷媒管 42 の外径がケーブルコア 41の外径と同径であるため、このケーブル 40は、最大容積の 冷媒復路を有することができる。また、このケーブル 40は、 3心撚り合わせ構造のケー ブルのケーブル径と同径とできるため、ケーブル径を大きくすることがな 、。
実施例 5
[0071] 次に、双極送電を行う場合を説明する。図 5(A)は、本発明の超電導ケーブルを用 いて双極送電用の直流送電線路を構築した状態を示す概略構成図、（B)は一方のコ ァの超電導導体層及び外部超電導層を用 ヽて単極送電を行う直流送電線路を構築 した状態を示す概略構成図である。実施例 4で用いた超電導ケーブル 40は、双極送 電にも用いることができる。双極送電を行うには、図 5(A)に示すような送電線路を構 築するとよい。具体的には、一方のコア 41(図 5(A)のおいて右側のコア 41)に具える超 電導導体層 44の一端側に、交流系統 (図示せず)に接続される直交流変換器 14aがリ ード 60を介して接続され、同超電導導体層 44の他端側に、交流系統 (図示せず)に接 続される直交流変 l4bカ^ード 61を介して接続される。また、このコア 41に具える 外部超電導層 46の一端側に直交流変換器 14aがリード 62,リード 63を介して接続され 、同外部超電導層 46の他端側に、直交流変換器 14bがリード 64を介して接続される。 他方のコア 41(図 5(A)において左側のコア 41)に具える超電導導体層 44の一端側に、 交流系統 (図示せず)に接続される直交流変翻 15aがリード 65を介して接続され、同 超電導導体層 44の他端側に、交流系統 (図示せず)に接続される直交流変換器 15b 力 Sリード 66を介して接続される。また、このコア 41に具える外部超電導層 46の一端側 に直交流変換器 15aがリード 67,リード 63を介して接続され、同外部超電導層 46の他 端に、直交流変換器 15bがリード 64を介して接続される。そして、リード 63を接地して いる。この接地により、両コア 41の外部超電導層 46は接地電位となる。本例では、リ ード 63のみ接地して片端接地としたが、リード 64も接地して両端接地としてもよい。な お、リード 60〜67は、超電導導体層 44や外部超電導層 46と直交流変換器 14a, 14b, 15 a, 15bとを電気的に接続するものである。
上記構成により、直交流変換器 14b、リード 61、図 5(A)において右側のコア 41の超 電導導体層 44、リード 60、直交流変換器 14a、リード 63、リード 62、右側のコア 41の外 部超電導層 46、リード 64という正極順路が構築される。また、直交流変換器 15b、リー ド 66、図 5(A)において左側のコア 41の超電導導体層 44、リード 65、直交流変換器 15a 、リード 63、リード 67、左側のコア 41の外部超電導層 46、リード 64という負極順路が構 築される。これら正極順路,負極順路により双極送電を行うことができる。このとき、両 コア 41の外部超電導層 46は、中性線として利用される他、正負極のアンバランス電 流や異常電流を流すのに利用される。なお、本例では、図 5(A)において右側のコア を正極、左側のコアを負極に用いたがもちろん逆でもよ 、。
[0073] 一方、 、ずれかの極の超電導導体層や直交流変換器に異常が生じて、その極の 超電導導体層による送電を停止した際、異常を生じて ヽな ヽ極の超電導導体層及 び外部超電導層を利用して単極送電を行うことができる。例えば、図 5(A)において左 側のコア 41や直交流変換器 l5a, 15bなどに異常が生じた場合、即ち、負極に異常が 生じた場合、図 5(A)において左側のコア 41を利用した送電を停止する。このとき、図 5 (B)に示すように一方のコア 41(図 5において右側のコア 41)を用いた単極送電用の送 電線路が構築され、このコア 41の超電導導体層 44を往路線路、外部超電導層 46を 帰路線路として単極送電を行うことができる。なお、本例では、負極に異常が生じた 場合を説明したが、正極に異常が生じた場合も同様である。このとき、他方のコア 41( 図 5にお 、て左側のコア 41)の超電導導体層 44を往路線路、外部超電導層 46を帰路 線路として単極送電を行うとよ ヽ。
[0074] 上記のように本発明の超電導ケーブルは、双極送電及び単極送電の双方を行うこ とができる。特に、 1条のケーブルに具えるケーブルコア数を 2心とし、 1心を冷媒管と したため、 3心のケーブルコアを具える構成と比較して、ケーブル全体として超電導材 料の使用量を低減し、撚り合わせ構造をより簡単に形成することができる。
[0075] 上記のように直流送電を行う場合、コア 41の絶縁層 45も上述の実施例 2のように p グレーデイングを施して、絶縁層の厚み方向の直流電界分布を平滑化させてもよい し、絶縁層 45において超電導導体層 44の近傍に高 ε層を設けて、直流耐電圧特性 及び Imp.耐圧特性を向上させてもよい。また、絶縁層 45において上記 pグレーディン グにカ卩えて、上述の実施例 2のように εグレーデイングを施して、交流特性にも優れる ようにして、直流送電だけでなぐ超電導ケーブル 40を交流送電にも好適に利用でき るようにしてもよい。例えば、以下のように比率 kが異なる PPLP (登録商標)を用いて、 抵抗率及び誘電率が 3段階に異なるように絶縁層を設けることが挙げられる。以下の 三層は、内周側力も順に具えるとよい (Χ,Υは定数)。
低 ρ層:比率 k= 60%、抵抗率 p (20°C) = X Ω - cm,誘電率 ε =Υ
中 ρ層:比率 k= 70%、抵抗率 p (20°C) =約 1.2X Ω - cm,誘電率 ε =約 0.95Υ 高 ρ層:比率 k= 80%、抵抗率 p (20°C) =約 1.4X Ω - cm,誘電率 ε =約 0.9Υ [0076] 超電導ケーブル 40を用いて 3相交流送電を行う場合、超電導ケーブル 40を 2条又は 3条を用意して行うとよい。 2条のケーブル 40を用いる場合、 2条のケーブル 40に具え る 4心のコア 41のうち、 1心のコア 41を予備心とし、残りの 3心のコア 41の超電導導体層 44をそれぞれ相の送電に利用し、これらのコア 41の外部超電導層 46をシールド層と して利用するとよい。 3条のケーブル 40を用いる場合、各ケーブル 40をそれぞれ相の 送電に利用する。即ち、各ケーブル 40に具える 2心のコア 41で 目の送電を行う。この とき、各ケーブル 40に具える 2心のコア 41の超電導導体層 44を相の送電に利用し、こ れら超電導導体層 44の外周に具える外部超電導層 46をシールド層として利用する。 超電導ケーブル 40を用いて単相交流送電を行う場合、超電導ケーブル 1を 1条用意 し、各コア 41の超電導導体層 44を同じ相の送電に利用し、これら超電導導体層 44の 外周に具える外部超電導層 46をシールド層として利用するとよ 、。
[0077] 超電導ケーブル 40は、上記交流送電を行った後、上述した単極送電や双極送電と いった直流送電を行うことも可能である。このように pグレーデイングや εグレーディ ングを施した絶縁層を具える本発明超電導ケーブルでは、直流交流両用ケーブルと して好適に利用することができる。これら ρグレーデイング、 εグレーデイングに関す る事項は、後述の実施例 6についても同様である。
[0078] 次に、ケーブルコア 2条と冷媒管とを撚り合わせてなる本発明の超電導ケーブルに おいて、別の構成を説明する。図 6は、冷媒管の外周に保護層を具える例を示す断 面模式図である。
実施例 6
[0079] 実施例 4,5に示す構造では、 2条のケーブルコア 41と冷媒管 42とを撚り合わせて断 熱管 (図 4,5参照)に挿入する際、冷媒管 42の外周面と断熱管 (内管)の内周面とが接 触して、金属粉が生じたり、冷媒管 42や断熱管が損傷する恐れがある。そこで、図 6 に示すように冷媒管 42aの外周に、冷媒管 42aと断熱管との接触を防止する保護層 42 bを設けてもよい。本例において保護層 42bは、クラフト紙を卷回して形成した。また、 本例では、保護層 42bを設けた状態でケーブルコア 41の外径と同径となるように冷媒 管 42aの径を選択した。この構成により、冷媒管 42aと断熱管とが接触することがなぐ 接触による不具合を防止できる。 産業上の利用可能性
[0080] 本発明の超電導ケーブルは、電力送電を行う線路に利用することが好適である。特 に、本発明超電導ケーブルは、直流の電力輸送手段の他、送電方式を交流から直 流に移行する過渡期において、交流を送電することにも好適に利用できる。また、本 発明直流送電方法は、上記本発明超電導ケーブルを用いて直流送電を行う際に好 適に利用することができる。
図面の簡単な説明
[0081] [図 1]第一コアと第二コアとを撚り合わせてなる本発明の超電導ケーブルを用いて単 極送電用の直流送電線路を構築した状態を示す概略構成図である。
[図 2](A)は、第一コアと第二コアとを撚り合わせてなる本発明の超電導ケーブルを用 いて双極送電用の直流送電線路を構築した状態を示す概略構成図、（B)は同超電 導ケーブルにお 、て、一方の第一コアの第一超電導層及び第二コアの第二超電導 層を用いて単極送電用の直流送電線路を構築した状態を示す概略構成図である。
[図 3]第一コアと第二コアとを撚り合わせてなる本発明の超電導ケーブルにおいて、 第二コアの第二超電導層の内側に冷媒管を具える例を示す断面模式図である。
[図 4]2条のコアと冷媒管とを撚り合わせてなる本発明の超電導ケーブルを用いて単 極送電用の直流送電線路を構築した状態を示す概略構成図である。
[図 5](A)は、 2条のコアと冷媒管とを撚り合わせてなる本発明の超電導ケーブルを用 いて双極送電用の直流送電線路を構築した状態を示す概略構成図、（B)は同超電 導ケーブルにおいて、一方のコアの超電導導体層及び外部超電導層を用いて単極 送電用の直流送電線路を構築した状態を示す概略構成図である。
[図 6]2条のコアと冷媒管とを撚り合わせてなる本発明の超電導ケーブルにおいて、 別の構成を示す断面模式図であり、冷媒管の外周に保護層を具える例である。
[図 7]三心一括型の三相交流用超電導ケーブルの断面図である。
符号の説明
[0082] 1,40 超電導ケーブル 2 第一コア 2a 第一超電導層
3 第二コア 3a 第二超電導層 4,6,9b 絶縁層 5a フォーマ 5b 芯材 7 断熱管 7a 外管 7b 内管 8 空間 9a 冷媒管 a, 10b,l la, l lb,12a,12b,13a,13b,14a,14b,15a,15b 直交流変換器 〜25,30〜35,50〜57,60〜67 リード
ケーブルコア 42,42a 冷媒管 42b 保護層 43 フォーマ 超電導導体層 45 絶縁層 46 外部超電導層 47 保護層
0 三相交流用超電導ケーブル 101 断熱管 101a 外管 101b 内管2 ケーブルコア 103 空間 104 防食層
0 フォーマ 201 超電導導体層 202 絶縁層 203 超電導シールド層4 保護層

Claims

請求の範囲
[1] 超電導層と絶縁層とを有するケーブルコアを複数撚り合わせてなる超電導ケープ ノレであって、
第一超電導層を有する第一コアと、
前記第一超電導層の外径よりも大きな内径である第二超電導層を有する第二コア とを具えることを特徴とする超電導ケーブル。
[2] 第二コアは、第二超電導層の内側に冷媒管を有していることを特徴とする請求の範 囲第 1項に記載の超電導ケーブル。
[3] 冷媒管は、金属管、スパイラル鋼帯、金属コルゲート管のいずれかであることを特 徴とする請求の範囲第 2項に記載の超電導ケーブル。
[4] 第一コア 2条と第二コア 1条とを撚り合わせてなることを特徴とする請求の範囲第 1項 に記載の超電導ケーブル。
[5] 第一コアの外径と第二コアの外径とは同径であることを特徴とする請求の範囲第 1 項に記載の超電導ケーブル。
[6] コアの撚り構造が、ケーブル冷却時の収縮代を有することを特徴とする請求の範囲 第 1項に記載の超電導ケーブル。
[7] 絶縁層は、その径方向の直流電界分布が平滑ィ匕されるように、絶縁層の内周側の 抵抗率が低ぐ外周側の抵抗率が高くなるように pグレーデイングが施されていること を特徴とする請求の範囲第 1項に記載の超電導ケーブル。
[8] 絶縁層は、超電導層の近傍に、他の箇所よりも誘電率が高い高 ε層を有することを 特徴とする請求の範囲第 7項に記載の超電導ケーブル。
[9] 絶縁層は、その内周側ほど誘電率 εが高ぐ外周側ほど誘電率 εが低く構成され ていることを特徴とする請求の範囲第 7項に記載の超電導ケーブル。
[10] 請求の範囲第 1項〜第 9項のいずれかに記載の超電導ケーブルを用いた直流送電 方法であって、
第一コアに具える第一超電導層を往路線路に用い、
第二コアに具える第二超電導層を帰路線路に用いて単極送電を行うことを特徴と する直流送電方法。
[11] 請求の範囲第 1項〜第 9項のいずれかに記載の超電導ケーブルを用いた直流送電 方法であって、
超電導ケーブルは、第一コアを複数具え、
少なくとも一つの第一コアに具える第一超電導層を正極及び負極のいずれか一極 の送電に用い、
残りの第一コアに具える第一超電導層を他極の送電に用い、
第二コアに具える第二超電導層を中性線として双極送電を行うことを特徴とする直 流 方法。
[12] 複数のケーブルコアを撚り合わせてなる超電導ケーブルであって、
このケーブルは、ケーブルコア 2条と冷媒管とを撚り合わせて形成され、 前記ケーブルコアは、
超電導導体層と、
前記超電導導体層の外周に設けられる絶縁層と、
前記絶縁層の外周に設けられる外部超電導層とを具え、
冷媒管は、ケーブルコアと同径であることを特徴とする超電導ケーブル。
[13] 2心コアの撚り構造が、ケーブル冷却時の収縮代を有することを特徴とする請求の 範囲第 12項に記載の超電導ケーブル。
[14] 冷媒管は、ケーブル冷却時に収縮可能な伸縮性を有し、ケーブル冷却時に収縮 するための弛みを持たせることなぐ 2条のコアと撚り合わされていることを特徴とする 請求の範囲第 12項に記載の超電導ケーブル。
[15] 冷媒管は、金属コルゲート管であることを特徴とする請求の範囲第 14項に記載の超 電導ケーブル。
[16] 冷媒管の外周に保護層を具えることを特徴とする請求の範囲第 12項に記載の超電 導ケーブル。
[17] 絶縁層は、その径方向の直流電界分布が平滑ィヒされるように、絶縁層の内周側の 抵抗率が低ぐ外周側の抵抗率が高くなるように pグレーデイングが施されていること を特徴とする請求の範囲第 12項に記載の超電導ケーブル。
[18] 絶縁層は、超電導導体層の近傍に、他の箇所よりも誘電率が高い高 ε層を有する ことを特徴とする請求の範囲第 17項に記載の超電導ケーブル。
[19] 絶縁層は、その内周側ほど誘電率 εが高ぐ外周側ほど誘電率 εが低く構成され ていることを特徴とする請求の範囲第 17項に記載の超電導ケーブル。
[20] 請求の範囲第 12項〜第 19項のいずれかに記載の超電導ケーブルを用いた直流送 電方法であって、
両コアに具える超電導導体層を往路線路に用い、
両コアに具える外部超電導層を帰路線路に用いて単極送電を行うことを特徴とする 直流送電方法。
[21] 請求の範囲第 12項〜第 19項のいずれかに記載の超電導ケーブルを用いた直流送 電方法であって、
一方のコアに具える超電導導体層を正極及び負極の 、ずれか一極の送電に用い
他方のコアに具える超電導導体層を他極の送電に用い、
各コアに具える外部超電導層を中性線として双極送電を行うことを特徴とする直流 送電方法。
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