WO2015033768A2 - 超伝導ケーブル - Google Patents

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照男 松下
荘司 小田部
勝 木内
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国立大学法人九州工業大学
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    • 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
    • H01B12/06—Films or wires on bases or cores
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/30—Devices switchable between superconducting and normal states
    • 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 having a current limiting function utilizing a longitudinal magnetic field effect.
  • Patent Document 1 As a superconducting cable that realizes a force-free state or a state close to a force-free state using the longitudinal magnetic field effect, a technique shown in Patent Document 1 developed by the inventors is known.
  • the longitudinal direction of the superconducting cable is set as a reference direction, and at a positive or negative angle with respect to the reference direction.
  • the reference direction an outer layer disposed in a spiral direction opposite to a spiral direction of the conductive portion disposed in the inner layer, and an insulation disposed between the inner layer and the outer layer.
  • a direct current superconducting reciprocating transmission cable comprising a layer.
  • FIG. 4A shows the difference in critical current density between a metallic superconductor under a transverse magnetic field (white circle) and a longitudinal magnetic field (black circle).
  • white circle a transverse magnetic field
  • black circle a longitudinal magnetic field
  • FIG. 4B the structure shown in FIG. 4B is used, and the current flowing through the outer shield superconductor on the return path is twisted in one direction so as to give a longitudinal magnetic field to the inner superconductor.
  • FIG. 4C is a calculation example, and shows that the current capacity increases dramatically as the number of conductor layers in the cable increases.
  • one of the obstacles to the spread of power generation using solar energy and wind power using renewable energy is the processing of surplus power, and for that purpose, without installing an expensive energy storage device, It is effective to achieve regional stabilization by expanding the power grid over a wide area and smoothing excesses and deficiencies.
  • a power network for such a stable power supply at present, an excessive current due to a short circuit accident or a lightning strike becomes a problem, and a sufficient power network is not formed.
  • current limiters are being developed at a rapid pace.
  • Resistance transition type and (2) Inductance type are well known as current limiters using superconductivity.
  • the resistance transition type uses a high electrical resistance generated by the transition of the superconductor to the normal state
  • (2) the inductance type is a current transformer with a large number of windings. The current is limited by utilizing the fact that the impedance viewed from the primary side becomes extremely large when the secondary side transitions to the normal conduction state, and is dedicated to alternating current.
  • Patent Document 2 a technique disclosed in Patent Document 2 is disclosed as a technique related to the above.
  • the technique shown in Patent Document 2 is a cryogenic container connected to the end of the superconducting cable so as to be able to flow through the cooling medium flow path of the superconducting cable, and cooling for circulating and supplying liquid nitrogen to the cryogenic container.
  • a superconducting current limiting element disposed in a cryogenic container and immersed in liquid nitrogen and electrically connected to a normal device through a current lead.
  • Patent Document 2 has a problem that it is necessary to separately provide a current-limiting function for the superconducting cable, and the structure becomes complicated, and the manufacturing and maintenance are troublesome.
  • the present invention provides a superconducting cable that can flow a large current using the longitudinal magnetic field effect and can realize a function for limiting the current with the cable itself when an excessive current occurs.
  • the superconducting cable according to the present invention increases the longitudinal magnetic field in the inner layer outside the insulating layer, the inner layer that conducts a direct current using the longitudinal magnetic field effect, the insulating layer that covers the inner layer, and the insulating layer.
  • a superconducting cable having an outer layer that conducts a direct current in the opposite direction to the inner layer, the current capacity of the outer layer being smaller than the current capacity of the inner layer, and the outermost layer of the outer layer.
  • the outer layer has a conductive layer for shunting current when the current flowing through the outer layer exceeds the current capacity of the outer layer, and when the current is passed through the conductive layer, The conductive layer is formed so that the magnetic field is reduced.
  • the inner layer that conducts a direct current using the longitudinal magnetic field effect the insulating layer that covers the inner layer, and the inner layer outside the insulating layer
  • the outermost layer has a conductive layer for shunting the current when the current flowing through the outer layer exceeds the current capacity of the outer layer, and the current is passed through the conductive layer
  • the conductive layer is formed so that the longitudinal magnetic field is reduced by the current, when an excessive current flows, the current is shunted to the conductive layer included in the outer layer, and the longitudinal magnetic field is generated by the shunted current.
  • the longitudinal direction of the superconducting cable is a reference direction
  • the inner layer is spirally arranged at an angle of either positive or negative with respect to the reference direction.
  • a plurality of superconducting layers made of a superconducting member, wherein an angle of the spiral is gradually increased with respect to the reference direction from the innermost layer to the outermost layer of the plurality of superconducting layers, and the outer layer Has a superconducting layer made of a superconducting member disposed in a spiral direction opposite to the spiral direction of the superconducting layer included in the inner layer with respect to the reference direction, and the conductive layer is formed on the outer side.
  • the conductive layer is disposed in a spiral direction opposite to the spiral direction of the superconducting layer of the layer.
  • the longitudinal direction of the superconducting cable is a reference direction
  • the inner layer is spiral at an angle of either positive or negative with respect to the reference direction.
  • a plurality of superconducting layers made of superconducting members, and the angle of the spiral is gradually increased with respect to the reference direction from the innermost layer to the outermost layer of the plurality of superconducting layers.
  • the outer layer has a superconducting layer made of a superconducting member disposed in a spiral direction opposite to the spiral direction of the superconducting layer included in the inner layer with respect to the reference direction, and the conductive layer Since the layer is made of a conductive member arranged in a spiral direction opposite to the spiral direction of the superconducting layer of the outer layer, the longitudinal magnetic field can be reduced by the current flowing in the conductive layer, and the current limiting function The effect that can be realized .
  • the superconducting cable according to the present invention is such that the direction of the current flowing through the conductive layer is the same as the direction of the current flowing through the outer layer.
  • the direction of the current flowing in the conductive layer is the same as the direction of the current flowing in the outer layer, so that the longitudinal magnetic field can be reduced by the current flowing in the conductive layer.
  • the current limiting function can be realized.
  • the superconducting cable according to the present invention increases the longitudinal magnetic field in the inner layer outside the insulating layer, the inner layer that conducts a direct current using the longitudinal magnetic field effect, the insulating layer that covers the inner layer, and the insulating layer.
  • a superconducting cable having an outer layer that conducts a direct current in the opposite direction to the inner layer, the current capacity of the outer layer being smaller than the current capacity of the inner layer, A conductive layer for shunting the current when the current flowing through the inner layer exceeds the current capacity of the inner layer, the outer layer being inside the insulating layer;
  • the conductive layer is formed so that the longitudinal magnetic field is reduced by the current.
  • the inner layer that conducts a direct current using the longitudinal magnetic field effect the insulating layer that covers the inner layer, and the inner layer outside the insulating layer
  • the longitudinal direction of the superconducting cable is a reference direction
  • the inner layer is spirally arranged at an angle of either positive or negative with respect to the reference direction.
  • a plurality of superconducting layers made of a superconducting member, wherein an angle of the spiral is gradually increased with respect to the reference direction from the innermost layer to the outermost layer of the plurality of superconducting layers, and the outer layer Has a superconducting layer made of a superconducting member disposed in a spiral direction opposite to the spiral direction of the superconducting layer included in the inner layer with respect to the reference direction, and the conductive layer is formed on the inner side.
  • the conductive layer is disposed in a spiral direction opposite to the spiral direction of the superconducting layer of the layer.
  • the longitudinal direction of the superconducting cable is a reference direction
  • the inner layer is spiral at an angle of either positive or negative with respect to the reference direction.
  • a plurality of superconducting layers made of superconducting members, and the angle of the spiral is gradually increased with respect to the reference direction from the innermost layer to the outermost layer of the plurality of superconducting layers.
  • the outer layer has a superconducting layer made of a superconducting member disposed in a spiral direction opposite to the spiral direction of the superconducting layer included in the inner layer with respect to the reference direction, and the conductive layer Since the layer is made of a conductive member disposed in a spiral direction opposite to the spiral direction of the superconducting layer of the inner layer, the longitudinal magnetic field can be reduced by the current flowing in the conductive layer, and the current limiting function The effect that can be realized .
  • the superconducting cable according to the present invention is such that the direction of the current flowing through the conductive layer is the same as the direction of the current flowing through the inner layer.
  • the direction of the current flowing through the conductive layer is the same as the direction of the current flowing through the inner layer, so that the longitudinal magnetic field can be reduced by the current flowing through the conductive layer.
  • the current limiting function can be realized.
  • the superconducting cable according to the present invention increases the longitudinal magnetic field in the inner layer outside the insulating layer, the inner layer that conducts a direct current using the longitudinal magnetic field effect, the insulating layer that covers the inner layer, and the insulating layer.
  • a superconducting cable having an outer layer that conducts a direct current in the opposite direction to the inner layer, the current capacity of the outer layer being smaller than the current capacity of the inner layer, and the outermost layer of the outer layer.
  • the outer layer has an outer conductive layer for shunting the current when the current flowing through the outer layer exceeds the current capacity of the outer layer, and is the outermost layer of the inner layer and inside the insulating layer.
  • the inner conductive layer for shunting the current is provided, and the current is passed through the outer conductive layer and the inner conductive layer. , So that the longitudinal magnetic field is reduced by the current The one in which the outer conductive layer and the inner conductive layer is formed.
  • the inner layer that conducts a direct current using the longitudinal magnetic field effect the insulating layer that covers the inner layer, and the inner layer outside the insulating layer
  • the outermost layer of the outer layer has an outer conductive layer for shunting current when the current flowing through the outer layer exceeds the current capacity of the outer layer, and is the outermost layer of the inner layer, Inside the insulating layer, there is an inner conductive layer for shunting the current when the current flowing through the inner layer exceeds the current capacity of the inner layer, and current is passed through the outer conductive layer and the inner conductive layer.
  • the current When energized, the current Since the outer conductive layer and the inner conductive layer are formed so as to reduce the magnetic field, when an excessive current flows, the current is divided into the conductive layers included in the inner layer and the outer layer, and the divided current flows. By reducing the longitudinal magnetic field due to the current, it is possible to transition to the resistance state and realize the current limiting function.
  • the longitudinal direction of the superconducting cable is a reference direction
  • the inner layer is spirally arranged at an angle of either positive or negative with respect to the reference direction.
  • the outer layer has a superconducting layer made of a superconducting member disposed in a spiral direction opposite to the spiral direction of the superconducting layer included in the inner layer with respect to the reference direction, and the outer conductive layer includes The conductive layer is disposed in a spiral direction opposite to the spiral direction of the superconducting layer of the outer layer, and the inner conductive layer is opposite to the spiral direction of the superconducting layer of the inner layer.
  • the conductive member is arranged in the spiral direction.
  • the longitudinal direction of the superconducting cable is a reference direction
  • the inner layer is spiral at an angle of either positive or negative with respect to the reference direction.
  • a plurality of superconducting layers made of superconducting members, and the spiral angle gradually increases with respect to the reference direction from the innermost layer to the outermost layer of the plurality of superconducting layers.
  • the superconducting layer is composed of a superconducting member disposed in a spiral direction opposite to the spiral direction of the superconducting layer included in the inner layer with respect to the reference direction.
  • the outer conductive layer is made of a conductive member disposed in a spiral direction opposite to the spiral direction of the superconductive layer included in the outer layer, and the inner conductive layer is formed of the superconductive layer included in the inner layer.
  • Conductive member disposed in a spiral direction opposite to the spiral direction To become al, by the current flowing in the conductive layer can be reduced vertical magnetic field, an effect that it is possible to realize a current limiting function.
  • the direction of the current flowing in the outer conductive layer is the same as the direction of the current flowing in the outer layer
  • the direction of the current flowing in the inner conductive layer is the direction of the current flowing in the inner layer. And the same direction.
  • the direction of the current flowing through the outer conductive layer is the same as the direction of the current flowing through the outer layer, and the direction of the current flowing through the inner conductive layer is the inner layer. Therefore, the longitudinal magnetic field can be reduced by the current flowing through the conductive layer, and the current limiting function can be realized.
  • the spiral angles of the outer conductive layer and the inner conductive layer with respect to the reference direction are 20 ° or more and 60 ° or less, respectively.
  • a sufficient current-limiting effect can be obtained by setting the spiral angles of the outer conductive layer and the inner conductive layer with respect to the reference direction to 20 ° or more and 60 ° or less, respectively. While achieving the above, there is an effect that the amount of the conductive wire in the conductive layer can be suppressed and winding can be facilitated to increase manufacturing efficiency.
  • the superconducting cable according to the present embodiment is obtained by adding a current limiting function to a force-free superconducting power cable that can realize a force-free state or a state close to a force-free state and allow a large current to flow. That is, the present invention relates to a current limiting function of a superconducting cable that increases the current capacity by utilizing the longitudinal magnetic field effect.
  • the force-free superconducting power cable is formed in a cylindrical shape and has a structure in which inner conductors having different cross-sectional diameters are laminated in multiple layers (three layers in the figure).
  • the laminated inner conductor is covered with an insulating layer.
  • a shield layer is formed in a multilayer structure (three layers in the figure) that energizes current in the opposite direction to the inner conductor and shields the magnetic field generated by the inner conductor.
  • Each layer is hollow and is filled with a refrigerant such as liquid nitrogen.
  • the inner conductor is formed by juxtaposing a plurality of superconducting tapes, and the superconducting tape in each layer has a longitudinal direction of the force-free superconducting power cable as a reference direction and is positive or negative with respect to the reference direction. They are arranged in a spiral at any one angle.
  • the outer shield layer is formed by arranging a plurality of superconducting tapes in the same manner as the inner conductor, and the superconducting tape in each layer has a spiral in a direction opposite to the spiral direction in the inner conductor with respect to the reference direction. If the inner conductor is a positive angle, the shield layer is disposed at a negative angle, and if the inner conductor is a negative angle, the shield layer is disposed at a positive angle.
  • the angle of the spiral in which the superconducting tape is disposed is changed from the innermost layer which is the innermost layer to the radial direction to the outermost layer with respect to the radial direction.
  • the spiral angle with respect to the reference direction gradually increases toward the outermost layer.
  • the direction of the arrow in each layer in FIG. 4B is the direction in which the superconducting tape is disposed, and indicates the direction in which current flows. That is, the current flows in a spiral shape toward the reference direction and is transmitted.
  • the current flowing through the inner conductor is I
  • the current I can be divided into a vertical component parallel to the reference direction and a horizontal component perpendicular to the reference direction.
  • the longitudinal component current I cos ⁇ generates a transverse magnetic field for the force-free superconducting power cable
  • the transverse component current I sin ⁇ is A longitudinal magnetic field is generated for the force-free superconducting power cable.
  • the spiral direction is opposite to the inner conductor, and the current direction is also opposite. Therefore, the transverse magnetic field generated in the inner conductor can be canceled for the longitudinal current (ie, , And a longitudinal magnetic field generated by the inner conductor can be increased with respect to the current of the transverse component. That is, as shown in FIG. 4C, the critical current density can be significantly increased by applying a larger longitudinal magnetic field.
  • the angle is set and disposed (refer to Patent Document 1 for details).
  • the characteristic of the resistance transition type fault current limiter is that when an excessive current flows, it quickly transitions to a resistance state and quickly attenuates the excessive current by generating a high resistance.
  • the superconducting cable according to the embodiment uses the characteristic structure of the force-free superconducting power cable.
  • FIG. 1 is a diagram showing a first structure of a superconducting cable according to the present embodiment.
  • a superconducting cable 1 includes a former 2 disposed in a central portion and a plurality of layers (three layers in the figure) of inner conductors formed by arranging a plurality of superconducting tapes outside the former 2. 3, an insulating layer 4 outside the inner conductor 3, a plurality of layers (three layers in the figure) of the shielding layer 5 formed by arranging a plurality of superconducting tapes outside the insulating layer 4, and a shielding layer 5
  • a conductive layer 6 for diverting an excessive current is formed on the outside.
  • each layer of the inner conductor 3 moves from the innermost layer toward the outermost layer in order to realize a force-free state or a force-free state.
  • the spiral angle with respect to the reference direction is gradually increased.
  • the conductive layer 6 is not a superconductor but is made of a normal conductor (for example, copper or aluminum), and the current that was flowing in the shield layer 5 when an excessive current is generated is divided and flows in the shield layer 5. Current flows along the conductor in the same direction as the reference direction, that is, in the direction opposite to the reference direction.
  • the conductive layer 6 is formed by being wound in a direction opposite to the spiral direction of the shield layer 5. That is, the transverse magnetic field of the inner conductor 3 is canceled by the longitudinal component current, and the longitudinal magnetic field of the inner conductor 3 is canceled by the transverse component current. As the longitudinal magnetic field of the inner conductor 3 decreases, the critical current decreases and the transition to the resistance state is performed at high speed.
  • the following describes the current-limiting process when an excessive current flows due to a ground fault or lightning strike.
  • the superconducting cable 1 is formed such that the current capacity of the shield layer 5 is smaller than the current capacity of the inner conductor 3. Since the outer shield layer 5 is not realized force-free, there is no significant increase in current density. That is, the current capacity is reduced by reducing the superconducting material used for the shield layer 5.
  • the shield current exceeding the current capacity of the shield layer 5 starts to shunt to the conductive layer 6, but the conductive layer 6 is wound in a direction opposite to the spiral direction of the shield layer 5, The longitudinal magnetic field is reduced. As a result, the current capacity of the inner conductor 3 decreases, resistance transition easily occurs, and a current limiting function is realized.
  • FIG. 2 is a diagram showing a second structure of the superconducting cable according to the present embodiment. 2 is different from the case of FIG. 1 in that the conductive layer 6 is formed between the inner conductor 3 and the insulating layer 4. That is, when a resistance transition occurs in the inner conductor 3, a current flows along the conductor in the same direction as the current flowing in the inner conductor 3 in the conductive layer 6, that is, in the reference direction. Since the conductive layer 6 is wound in a direction opposite to the spiral direction of the inner conductor 3, the longitudinal magnetic field of the inner conductor 3 is reduced. Thereby, the current capacity of the inner conductor 3 is reduced, resistance transition is easily caused, and the current limiting function is realized.
  • FIG. 3 is a diagram showing a third structure of the superconducting cable according to the present embodiment.
  • the superconducting cable 1 in FIG. 3 has a structure in which the superconducting cable 1 in FIGS. 1 and 2 is combined, and an inner conductive layer 6 a is formed between the inner conductor 3 and the insulating layer 4, and the shield layer 5.
  • An outer conductive layer 6b is formed on the outer side of the first electrode.
  • the inner conductive layer 6 a and the outer conductive layer 6 b are made of a normal conductor such as copper or aluminum, and when an excessive current is generated in the inner conductor 3 or the shield layer 5, the current flowing through each layer is divided.
  • a current flows in the outer conductive layer 6b along the conductor in the same direction as the current flowing in the shield layer 5, that is, in a direction opposite to the reference direction, and the current flowing in the inner conductor 3 in the inner conductive layer 6a.
  • a current flows along the conductor in the same direction, that is, in the reference direction.
  • the inner conductive layer 6a is wound in a spiral direction opposite to the spiral direction of the inner conductor 3, and the outer conductive layer 6b is wound in a spiral direction opposite to the spiral direction of the shield layer 5.
  • the reduction of the longitudinal magnetic field of the inner conductor 3 is promoted by the currents in the outer conductive layer 6b and the inner conductive layer 6a. Thereby, the current capacity of the inner conductor 3 is reduced, resistance transition is easily caused, and the current limiting function is realized.
  • the superconducting cable 1 is formed such that the current capacity of the shield layer 5 is smaller than the current capacity of the inner conductor 3. Since the outer shield layer 5 is not realized in a force-free state or a state close to a force-free state, there is no significant increase in current density. That is, the current capacity is reduced by reducing the superconducting material used for the shield layer 5.
  • the shield current exceeding the current capacity of the shield layer 5 starts to shunt to the outer conductive layer 6b.
  • the outer conductive layer 6b is wound in a direction opposite to the spiral direction of the shield layer 5. Therefore, the longitudinal magnetic field is reduced. As a result, the current capacity of the inner conductor 3 is reduced, and resistance transition easily occurs.
  • the inner conductor 3 starts a resistance transition
  • a part of the current flows to the inner conductive layer 6a.
  • the inner conductive layer 6a formed just outside the inner conductor 3 has a direction opposite to the spiral direction of the inner conductor 3.
  • the longitudinal magnetic field is greatly reduced, the critical current is greatly reduced, the resistance transition is accelerated at once, and a strong current limit occurs.
  • each layer of the inner conductor 3 has a configuration in which the spiral angle with respect to the reference direction is sequentially increased from the innermost layer to the outermost layer in order to realize a force-free state or a force-free state.
  • the spiral angle may be 0 °, that is, a state parallel to the reference direction. That is, the inner conductor 3 may have a configuration in which the current is supplied by increasing the current capacity in the reference direction of the inner conductor 3 by the longitudinal magnetic field effect by the shield layer 5 without generating a longitudinal magnetic field.
  • the current I Cu flowing in the copper layer of the center conductor portion (former of the cable center portion) is used.
  • the transport current I when a decrease of the current capacity and [Delta] I t,
  • ⁇ is a proportionality constant. Since the shield layer 5 is almost out of the force-free state, there is no need to consider the change in the critical current density due to the change in the longitudinal magnetic field, and ⁇ B s is simply determined by the transport current I being the current capacity (1- ⁇ ) of the shield layer 5. determined by the amount that exceeds the I t.
  • the current of 2.60 kA flows through the stabilized copper, which is the outer conductive layer 6b facing in the opposite direction, and reduces the longitudinal magnetic field.
  • the decrease in longitudinal magnetic field due to this is
  • the current limiting characteristics vary greatly depending on the winding angle of the conductive layer 6, and the effect appears approximately 25 ° to 30 ° or more. In addition, the larger the angle, the greater the current limiting effect. However, in reality, winding at an angle of 60 ° or more requires a large amount of copper in addition to a technical problem. It is considered to be the upper limit.
  • the superconducting cable according to the present invention not only can increase the current capacity by using force-free, but also has an excellent current limiting function for preventing excessive current.
  • the inner conductive layer 6a alone when used, and when the outer conductive layer 6b is used alone, a current limiting effect can be seen in each case, but both the inner conductive layer 6a and the outer conductive layer 6b are provided. In the case of, the effect is greatly increased. Since this is considered to be due to each synergistic effect, the inner conductive layer 6a alone and the outer conductive layer 6b may be configured alone, but preferably both the inner conductive layer 6a and the outer conductive layer 6b are combined. It is good to have a configuration provided.

Landscapes

  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

　縦磁界効果を利用して大電流を流すことができると共に、過大電流が生じた場合に、限流するための機能をケーブル自体で実現することができる超伝導ケーブルを提供する。　縦磁界効果を利用して直流電流を通電する内側導体３と、当該内側導体３における縦磁界が増加するように前記内側導体と逆方向に直流電流を通電するシールド層５とを有する超伝導ケーブル１であって、前記シールド層５の電流容量が前記内側導体３の電流容量より小さくなっており、前記シールド層５が、当該シールド層５に流れる電流が当該シールド層５の電流容量を超えた場合に、電流が分流するための外側導電層６ｂを有し、前記内側導体３が、当該内側導体３に流れる電流が当該内側導体３の電流容量を超えた場合に、電流が分流するための内側導電層６ａを有し、前記外側導電層６ｂ及び前記内側導電層６ａに電流が通電される場合に、当該電流により縦磁界が減少するように前記外側導電層６ｂ及び前記内側導電層６ａが形成されている。

Description

超伝導ケーブル
　本発明は、縦磁界効果を利用した限流機能付きの超伝導ケーブルに関する。
　縦磁界効果を利用してフォースフリー状態又はフォースフリー状態に近い状態を実現する超伝導ケーブルとして、発明者らにより開発された特許文献１に示す技術が知られている。特許文献１に示す技術は、超伝導体を用いて電力を送電する超伝導ケーブルにおいて、超伝導ケーブルの長手方向を基準方向とし、基準方向に対して正、又は負のいずれか一の角度で螺旋状に配設される超伝導材からなる導電部を備え、導電部が複数の層からなり、最内層から最外層に向かって、螺旋の角度が基準方向に対して順次異なる角度であり、導電部に流れる電流により当該電流の流れと同方向に磁界を生じさせるものであり、前記導電部で形成される層を内側層とし、前記超伝導材からなる導電部で形成され、当該導電部が前記基準方向に対して、前記内側層に配設される導電部の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される外側層と、前記内側層と外側層の間に配設された絶縁層とを備える直流の超伝導往復送電ケーブルである。
　この特許文献１に示すフォースフリー超伝導電力ケーブルは、縦磁界下で臨界電流密度が大幅に増加するという縦磁界効果を直流用超伝導電力ケーブルに応用したものである。図４（Ａ）は、金属系超伝導体の横磁界下（白丸）及び縦磁界下（黒丸）における臨界電流密度の違いであり、フォースフリー超伝導電力ケーブルでは、この縦磁界下の特性を利用する。そのため、図４（Ｂ）に示すような構造とし、帰路の外側遮蔽超伝導体を流れる電流が内側の超伝導体に縦磁界を与えるように一の方向に捻る。一方、こうした縦磁界下において、内側導体で局所的な電流の方向（巻く超伝導材の方向）と磁界とが平行になるフォースフリー状態（Ｌｏｒｅｎｔｚ力が働かない状態）が達成されるよう、特殊な超伝導線の巻き方を施す。こうした構造にすることで、通常の超伝導ケーブルに比べて大幅な電流容量の増大を可能としている。図４（Ｃ）は計算例であり、ケーブル内の導体層の数の増加と共に飛躍的に電流容量が増大することを示している。
　ところで、再生可能エネルギーを利用した太陽光や風力による発電の普及の障害の一つになっているのが余剰電力の処理であり、そのためには、高価なエネルギー貯蔵装置の設置しなくても、広範囲に電力網を広げて過不足と不足をならすことによって地域的な安定化を図ることが有効である。このような安定な電力供給のために電力ネットワークを整備することが望まれているが、現状では短絡事故や落雷などによる過大電流が問題となり、十分な電力ネットワークが形成されていない。こうした広域電力ネットワークの構築のためには、事故時の過大電流を阻止できる限流器の設置が重要であり、特に欧米では限流器の開発が急ピッチで行われている。
　超伝導を利用した限流器として、（１）抵抗遷移型、（２）インダクタンス型がよく知られている。（１）抵抗遷移型は、超伝導体が常伝導状態に転移して生じる高い電気抵抗を利用して限流するものであり、（２）インダクタンス型は、巻線数の多い変流器の２次側が常伝導状態に転移したときに１次側から見たインピーダンスが極めて大きくなることを利用して限流するものであり、交流専用となる。これ以外にも、例えば、（２）を利用して超伝導変圧器に限流機能を持たせたものがある。
　上記に関連する技術として、例えば特許文献２に示す技術が開示されている。特許文献２に示す技術は、超伝導ケーブルの冷却媒体流通路と流通可能な状態となるように超伝導ケーブルの端末に接続される低温容器と、低温容器に液体窒素を循環供給するための冷却システムと、低温容器内に配設されて液体窒素に埋没状態に浸漬され、かつ電流リードを介して常伝導機器に電気的に接続される超伝導限流素子とを備えるものである。
国際公開第２０１１／０４３３７６号 特開２００９－２７８４３号公報
　しかしながら、特許文献２に示す技術は、超伝導ケーブルに限流機能を別途設ける必要があり、構造が複雑になってしまうと共に、製造やメンテナンスに手間が掛かってしまうという課題を有する。
　本発明は、縦磁界効果を利用して大電流を流すことができると共に、過大電流が生じた場合に、限流するための機能をケーブル自体で実現することができる超伝導ケーブルを提供する。
　本発明に係る超伝導ケーブルは、縦磁界効果を利用して直流電流を通電する内側層と、当該内側層を被覆する絶縁層と、当該絶縁層の外側に前記内側層における縦磁界が増加するように前記内側層と逆方向に直流電流を通電する外側層とを有する超伝導ケーブルであって、前記外側層の電流容量が前記内側層の電流容量より小さくなっており、前記外側層の最外層に、当該外側層に流れる電流が当該外側層の電流容量を超えた場合に、電流が分流するための導電層を有し、前記導電層に電流が通電される場合に、当該電流により縦磁界が減少するように前記導電層が形成されているものである。
　このように、本発明に係る超伝導ケーブルにおいては、縦磁界効果を利用して直流電流を通電する内側層と、当該内側層を被覆する絶縁層と、当該絶縁層の外側に前記内側層における縦磁界が増加するように前記内側層と逆方向に直流電流を通電する外側層とを有する超伝導ケーブルであって、前記外側層の電流容量が前記内側層の電流容量より小さくなっており、前記外側層の最外層に、当該外側層に流れる電流が当該外側層の電流容量を超えた場合に、電流が分流するための導電層を有し、前記導電層に電流が通電される場合に、当該電流により縦磁界が減少するように前記導電層が形成されているため、過大電流が流れた場合には、外側層が有する導電層に電流が分流され、その分流された電流により縦磁界が減少することで、抵抗状態に遷移し、限流機能を実現することができるという効果を奏する。
　本発明に係る超伝導ケーブルは、前記超伝導ケーブルの長手方向を基準方向とし、前記内側層が、前記基準方向に対して正、又は負のいずれか一の角度で螺旋状に配設される超伝導部材からなる複数の超伝導層を有し、当該複数の超伝導層の最内層から最外層に向かって、螺旋の角度が前記基準方向に対して順次大きくなる角度であり、前記外側層が、前記基準方向に対して、前記内側層に有する超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される超伝導部材からなる超伝導層を有し、前記導電層が、前記外側層が有する前記超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される導電部材からなるものである。
　このように、本発明に係る超伝導ケーブルにおいては、前記超伝導ケーブルの長手方向を基準方向とし、前記内側層が、前記基準方向に対して正、又は負のいずれか一の角度で螺旋状に配設される超伝導部材からなる複数の超伝導層を有し、当該複数の超伝導層の最内層から最外層に向かって、螺旋の角度が前記基準方向に対して順次大きくなる角度であり、前記外側層が、前記基準方向に対して、前記内側層に有する超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される超伝導部材からなる超伝導層を有し、前記導電層が、前記外側層が有する前記超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される導電部材からなるため、導電層に流れる電流により縦磁界を減少させることができ、限流機能を実現することができるという効果を奏する。
　本発明に係る超伝導ケーブルは、前記導電層に流れる電流の方向を前記外側層に流れる電流の方向と同方向とするものである。
　このように、本発明に係る超伝導ケーブルにおいては、導電層に流れる電流の方向を外側層に流れる電流の方向と同方向とするため、導電層に流れる電流により縦磁界を減少させることができ、限流機能を実現することができるという効果を奏する。
　本発明に係る超伝導ケーブルは、縦磁界効果を利用して直流電流を通電する内側層と、当該内側層を被覆する絶縁層と、当該絶縁層の外側に前記内側層における縦磁界が増加するように前記内側層と逆方向に直流電流を通電する外側層とを有する超伝導ケーブルであって、前記外側層の電流容量が前記内側層の電流容量より小さくなっており、前記内側層の最外層であって前記絶縁層の内側に、前記内側層に流れる電流が当該内側層の電流容量を超えた場合に、電流が分流するための導電層を有し、前記導電層に電流が通電される場合に、当該電流により縦磁界が減少するように前記導電層が形成されているものである。
　このように、本発明に係る超伝導ケーブルにおいては、縦磁界効果を利用して直流電流を通電する内側層と、当該内側層を被覆する絶縁層と、当該絶縁層の外側に前記内側層における縦磁界が増加するように前記内側層と逆方向に直流電流を通電する外側層とを有する超伝導ケーブルであって、前記外側層の電流容量が前記内側層の電流容量より小さくなっており、前記内側層の最外層であって前記絶縁層の内側に、前記内側層に流れる電流が当該内側層の電流容量を超えた場合に、電流が分流するための導電層を有し、前記導電層に電流が通電される場合に、当該電流により縦磁界が減少するように前記導電層が形成されているため、過大電流が流れた場合には、内側層が有する導電層に電流が分流され、その分流された電流により縦磁界が減少することで、抵抗状態に遷移し、限流機能を実現することができるという効果を奏する。
　本発明に係る超伝導ケーブルは、前記超伝導ケーブルの長手方向を基準方向とし、前記内側層が、前記基準方向に対して正、又は負のいずれか一の角度で螺旋状に配設される超伝導部材からなる複数の超伝導層を有し、当該複数の超伝導層の最内層から最外層に向かって、螺旋の角度が前記基準方向に対して順次大きくなる角度であり、前記外側層が、前記基準方向に対して、前記内側層に有する超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される超伝導部材からなる超伝導層を有し、前記導電層が、前記内側層が有する前記超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される導電部材からなるものである。
　このように、本発明に係る超伝導ケーブルにおいては、前記超伝導ケーブルの長手方向を基準方向とし、前記内側層が、前記基準方向に対して正、又は負のいずれか一の角度で螺旋状に配設される超伝導部材からなる複数の超伝導層を有し、当該複数の超伝導層の最内層から最外層に向かって、螺旋の角度が前記基準方向に対して順次大きくなる角度であり、前記外側層が、前記基準方向に対して、前記内側層に有する超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される超伝導部材からなる超伝導層を有し、前記導電層が、前記内側層が有する前記超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される導電部材からなるため、導電層に流れる電流により縦磁界を減少させることができ、限流機能を実現することができるという効果を奏する。
　本発明に係る超伝導ケーブルは、前記導電層に流れる電流の方向を前記内側層に流れる電流の方向と同方向とするものである。
　このように、本発明に係る超伝導ケーブルにおいては、導電層に流れる電流の方向を内側層に流れる電流の方向と同方向とするため、導電層に流れる電流により縦磁界を減少させることができ、限流機能を実現することができるという効果を奏する。
　本発明に係る超伝導ケーブルは、縦磁界効果を利用して直流電流を通電する内側層と、当該内側層を被覆する絶縁層と、当該絶縁層の外側に前記内側層における縦磁界が増加するように前記内側層と逆方向に直流電流を通電する外側層とを有する超伝導ケーブルであって、前記外側層の電流容量が前記内側層の電流容量より小さくなっており、前記外側層の最外層に、当該外側層に流れる電流が当該外側層の電流容量を超えた場合に、電流が分流するための外側導電層を有し、前記内側層の最外層であって前記絶縁層の内側に、前記内側層に流れる電流が当該内側層の電流容量を超えた場合に、電流が分流するための内側導電層を有し、前記外側導電層及び前記内側導電層に電流が通電される場合に、当該電流により縦磁界が減少するように前記外側導電層及び前記内側導電層が形成されているものである。
　このように、本発明に係る超伝導ケーブルにおいては、縦磁界効果を利用して直流電流を通電する内側層と、当該内側層を被覆する絶縁層と、当該絶縁層の外側に前記内側層における縦磁界が増加するように前記内側層と逆方向に直流電流を通電する外側層とを有する超伝導ケーブルであって、前記外側層の電流容量が前記内側層の電流容量より小さくなっており、前記外側層の最外層に、当該外側層に流れる電流が当該外側層の電流容量を超えた場合に、電流が分流するための外側導電層を有し、前記内側層の最外層であって前記絶縁層の内側に、前記内側層に流れる電流が当該内側層の電流容量を超えた場合に、電流が分流するための内側導電層を有し、前記外側導電層及び前記内側導電層に電流が通電される場合に、当該電流により縦磁界が減少するように前記外側導電層及び前記内側導電層が形成されているため、過大電流が流れた場合には、内側層及び外側層が有する導電層に電流が分流され、その分流された電流により縦磁界が減少することで、抵抗状態に遷移し、限流機能を実現することができるという効果を奏する。
　本発明に係る超伝導ケーブルは、前記超伝導ケーブルの長手方向を基準方向とし、前記内側層が、当該基準方向に対して正、又は負のいずれか一の角度で螺旋状に配設される超伝導部材からなる複数層の超伝導層を有し、当該複数層の超伝導層の最内層から最外層に向かって、螺旋の角度が前記基準方向に対して順次大きくなる角度であり、前記外側層が、前記基準方向に対して、前記内側層に有する超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される超伝導部材からなる超伝導層を有し、前記外側導電層が、前記外側層が有する前記超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される導電部材からなり、前記内側導電層が、前記内側層が有する前記超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される導電部材からなるものである。
　このように、本発明に係る超伝導ケーブルにおいては、前記超伝導ケーブルの長手方向を基準方向とし、前記内側層が、当該基準方向に対して正、又は負のいずれか一の角度で螺旋状に配設される超伝導部材からなる複数層の超伝導層を有し、当該複数層の超伝導層の最内層から最外層に向かって、螺旋の角度が前記基準方向に対して順次大きくなる角度であり、前記外側層が、前記基準方向に対して、前記内側層に有する超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される超伝導部材からなる超伝導層を有し、前記外側導電層が、前記外側層が有する前記超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される導電部材からなり、前記内側導電層が、前記内側層が有する前記超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される導電部材からなるため、導電層に流れる電流により縦磁界を減少させることができ、限流機能を実現することができるという効果を奏する。
　本発明に係る超伝導ケーブルは、前記外側導電層に流れる電流の方向を前記外側層に流れる電流の方向と同方向とし、前記内側導電層に流れる電流の方向を前記内側層に流れる電流の方向と同方向とするものである。
　このように、本発明に係る超伝導ケーブルにおいては、前記外側導電層に流れる電流の方向を前記外側層に流れる電流の方向と同方向とし、前記内側導電層に流れる電流の方向を前記内側層に流れる電流の方向と同方向とするため、導電層に流れる電流により縦磁界を減少させることができ、限流機能を実現することができるという効果を奏する。
　本発明に係る超伝導ケーブルは、前記外側導電層及び前記内側導電層の前記基準方向に対する螺旋角度が、それぞれ２０°以上、６０°以下とするものである。
　このように、本発明に係る超伝導ケーブルにおいては、前記外側導電層及び前記内側導電層の前記基準方向に対する螺旋角度が、それぞれ２０°以上、６０°以下とすることで、十分な限流効果を実現しつつ、導電層における導線の量を抑え、巻き易くして製造効率を上げることができるという効果を奏する。
第１の実施形態に係る超伝導ケーブルの第１の構造を示す図である。 第１の実施形態に係る超伝導ケーブルの第２の構造を示す図である。 第１の実施形態に係る超伝導ケーブルの第３の構造を示す図である。 フォースフリー超伝導電力ケーブルの特徴を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態を説明する。本発明は多くの異なる形態で実施可能である。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。
　　（本発明の第１の実施形態）
　本実施形態に係る超伝導ケーブルについて、図１ないし図３を用いて説明する。本実施形態に係る超伝導ケーブルは、フォースフリー状態又はフォースフリー状態に近い状態を実現して大電流を流すことが可能なフォースフリー超伝導電力ケーブルに限流機能を付加したものである。すなわち、縦磁界効果を利用することで電流容量を増加させる超伝導ケーブルの限流機能に関するものである。
　フォースフリー超伝導電力ケーブルは、図４（Ｂ）に示すように、円筒状に形成され、それぞれが異なる断面径を有する内側導体が、多層（図では３層）に積層された構造となっており、積層された内側導体は、絶縁層により被覆されている。絶縁層の外側には、内側導体とは逆方向に電流を通電すると共に、内側導体により発生する磁界をシールドするシールド層が、多層（図では３層）に積層された構造で形成されている。各層間は中空となっており、液体窒素等の冷媒が充填される。
　内側導体は、複数の超伝導テープを並設して形成されており、各層における超伝導テープは、フォースフリー超伝導電力ケーブルの長手方向を基準方向とし、基準方向に対して正、又は負のいずれか一の角度で螺旋状に配設されている。また、外側のシールド層は、内側導体と同様に複数の超伝導テープを並設して形成されており、各層における超伝導テープは、基準方向に対して内側導体における螺旋方向と反対方向の螺旋方向（すなわち、内側導体が正の角度であればシールド層は負の角度、内側導体が負の角度であればシールド層は正の角度）に配設されている。
　また、内側導体及び外側のシールド層の各層において、超伝導テープが配設される螺旋の角度は、半径方向に対して最も内側の層である最内層から、半径方向に対して最も外側の層である最外層に向けて基準方向に対する螺旋角度が順次大きくなっている。図４（Ｂ）における各層の矢印の方向は、超伝導テープが配設されている方向であり、電流が流れる方向を示している。つまり、電流は基準方向に向かって螺旋状に流れて送電される。
　ここで、内側導体を流れる電流をＩとすると、電流Ｉは基準方向に平行な縦成分と基準方向に垂直な横成分に分けることができる。内側導体を電流Ｉが流れることで、基準方向からの螺旋の角度をθとすると、縦成分の電流Ｉｃｏｓθは、フォースフリー超伝導電力ケーブルに対して横磁界を発生させ、横成分の電流Ｉｓｉｎθは、フォースフリー超伝導電力ケーブルに対して縦磁界を発生させる。前述したように、縦磁界下では超伝導体の臨界電流密度が増大することから、大容量の電力を送電することが可能となる。
　また、外側のシールド層においては、内側導体に対して螺旋方向が逆であり、電流の方向も逆であるため、縦成分の電流については、内側導体で生じる横磁界を打ち消すことができ（すなわち、シールド機能を有しており）、横成分の電流については、内側導体で生じる縦磁界を増加させることができる。つまり、図４（Ｃ）に示すように、より大きな縦磁界を加えることで、臨界電流密度を大幅に増加させることが可能となる。
　フォースフリー超伝導電力ケーブルにおける超伝導テープは、理想的には流れる電流の方向と縦磁界の方向とが平行となる角度、つまりＪ×Ｂ＝０を満たすフォースフリー状態で電流が流れるように螺旋角度を設定して配設される（詳細は特許文献１を参照）。なお、フォースフリー超伝導電力ケーブルには、理想的にＪ×Ｂ＝０を満たすフォースフリー状態のものに加えて、Ｊ×Ｂ＝０を完全には満たさないものの、フォースフリー状態に近い状態のものも含まれるとする。
　このようなフォースフリー超伝導電力ケーブルに限流機能を付加する。つまり、上述したように、抵抗転移型限流器の特徴は、過大電流が流れた場合にすばやく抵抗状態に転移し、高い抵抗を発生させることによって過大電流を速やかに減衰させるものであり、本実施形態に係る超伝導ケーブルにおいては、フォースフリー超伝導電力ケーブルの特徴的な構造を利用したものである。
　図１は、本実施形態に係る超伝導ケーブルの第１の構造を示す図である。図１において、超伝導ケーブル１は、中心部分に配設されるフォーマ２と、フォーマ２の外側に複数の超伝導テープを並設して形成された複数層（図では３層）の内側導体３と、内側導体３の外側に絶縁層４と、絶縁層４の外側に複数の超伝導テープを並設して形成された複数層（図では３層）のシールド層５と、シールド層５の外側に過大電流を分流するための導電層６が形成されている。
　内側導体３においては、電流は基準方向に流れ、上記で説明したように、内側導体３の各層は、フォースフリー状態又はフォースフリーに近い状態を実現するために、最内層から最外層に向けて基準方向に対する螺旋角度が順次大きくなっている。一方、シールド層５においては、電流は基準方向とは逆方向に流れ、その各層は内側導体３の各層に対して螺旋方向が逆方向に形成されている。
　導電層６は超伝導体ではなく、通常の導体（例えば、銅やアルミニウム）からなり、過大電流が生じた場合にシールド層５に流れていた電流が分流してシールド層５に流れていた電流と同方向、すなわち基準方向と逆方向に導体に沿って電流が流れる。この導電層６は、シールド層５の螺旋方向とは逆方向に巻かれて形成されている。すなわち、縦成分の電流により、内側導体３の横磁界を打ち消し、横成分の電流により、内側導体３の縦磁界を打ち消す。内側導体３の縦磁界が減少することで、臨界電流が減少し、抵抗状態への転移が高速に行われる。
　以下に、地絡事故や落雷などにより過大電流が流れた場合の限流プロセスを説明する。超伝導ケーブル１においては、シールド層５の電流容量が内側導体３の電流容量より小さくなるように形成されている。外側のシールド層５は、フォースフリーが実現されているわけではないため、大きな電流密度の増加はない。つまり、シールド層５に使用する超伝導材料を減らしておくことで、電流容量を小さくしておく。
　過大電流が生じた場合に、シールド層５の電流容量を超えた遮蔽電流は導電層６へ分流を始めるが、その導電層６がシールド層５の螺旋方向と逆方向に巻かれているため、縦磁界が減少する。これにより、内側導体３の電流容量が減少し、抵抗遷移が起こり易くなり、限流機能が実現される。
　図２は、本実施形態に係る超伝導ケーブルの第２の構造を示す図である。図２において、図１の場合と異なるのは、導電層６が、内側導体３と絶縁層４との間に形成されている点である。つまり、内側導体３に抵抗遷移が起こった際に、導電層６に内側導体３に流れていた電流と同方向、すなわち基準方向に導体に沿って電流が流れる。この導電層６は、内側導体３の螺旋方向と逆方向に巻かれているため、内側導体３の縦磁界が減少する。これにより、内側導体３の電流容量を減少させ、抵抗遷移を起こり易くして、限流機能が実現される。
　図３は、本実施形態に係る超伝導ケーブルの第３の構造を示す図である。図３における超伝導ケーブル１は、図１及び図２における超伝導ケーブル１を組み合わせた構造となっており、内側導体３と絶縁層４との間に内側導電層６ａが形成され、シールド層５の外側に外側導電層６ｂが形成されている。これらの内側導電層６ａ及び外側導電層６ｂは、銅やアルミニウム等の通常の導体からなり、内側導体３やシールド層５に過大電流が生じた場合に各層を流れていた電流が分流する。つまり、外側導電層６ｂに、シールド層５に流れていた電流と同方向、すなわち基準方向と逆方向に導体に沿って電流が流れ、内側導電層６ａに、内側導体３に流れていた電流と同方向、すなわち基準方向に導体に沿って電流が流れる。内側導電層６ａは、内側導体３の螺旋方向とは逆方向の螺旋方向に巻かれており、外側導電層６ｂは、シールド層５の螺旋方向とは逆方向の螺旋方向に巻かれているため、内側導体３の縦磁界の減少が、外側導電層６ｂ及び内側導電層６ａの電流により促進される。これにより、内側導体３の電流容量を減少させ、抵抗遷移を起こり易くして、限流機能が実現される。
　以下に、過大電流が流れた場合の限流プロセスを説明する。ここでも、超伝導ケーブル１においては、シールド層５の電流容量が内側導体３の電流容量より小さくなるように形成されている。外側のシールド層５は、フォースフリー状態又はフォースフリー状態に近い状態が実現されているわけではないため、大きな電流密度の増加はない。つまり、シールド層５に使用する超伝導材料を減らしておくことで、電流容量を小さくしておく。
　過大電流が生じた場合に、シールド層５の電流容量を超えた遮蔽電流は、外側導電層６ｂへ分流を始めるが、その外側導電層６ｂがシールド層５の螺旋方向と逆方向に巻かれているため、縦磁界が減少する。これにより、内側導体３の電流容量が減少し、抵抗遷移が起こり易くなる。
　内側導体３が抵抗遷移を始めれば、電流の一部が内側導電層６ａに流れるが、特に内側導体３のすぐ外側に形成された内側導電層６ａに、内側導体３の螺旋方向とは逆方向の螺旋方向に電流が流れることで、縦磁界が大幅に減少し、臨界電流が大きく減少し、一気に抵抗遷移が加速され、強い限流が起こる。このようなプロセスにより、高速な抵抗状態への転移が始まれば、発生熱による温度上昇のスピードが速まり、一気に常伝導状態への転移が起こり、安全で確実に限流が行われる。
　このように、フォースフリー超伝導電力ケーブルにおいて、過大電流が流れた場合に縦磁界を減少するような構造とすることで、臨界電流が減少し、常伝導状態への転移を高速に行って、安全で確実な限流機能を実現することができる。
　なお、上記実施形態において、内側導体３の各層は、フォースフリー状態又はフォースフリーに近い状態を実現するために、最内層から最外層に向けて基準方向に対する螺旋角度が順次大きくなっている構成としたが、螺旋角度が０°、すなわち基準方向と平行の状態であってもよい。つまり、内側導体３では縦磁界を生じることなく、シールド層５による縦磁界効果により内側導体３の基準方向への電流容量を増加させて電流を通電する構成であればよい。
　以下、１つの超伝導ケーブルを例にとって限流特性の解析を行う。ここでは、図３に示す超伝導ケーブル１の構造をベースにして解析を行う。
　内側導体の超伝導層数ｎが８の場合を考える。この超伝導層の半径はＲ＝２．０×１０－２ｍとし、この場合、シールド層５を流れる返流による縦磁界はμ０Ｈｅ＝０．５１７Ｔ、シールド層５の平均遮蔽電流密度は＜Ｊｃ⊥＞＝４．０×１０１０Ａ／ｍ２、フォースフリー状態にある内側導体３の臨界電流密度はＪｃ∥＝８．０×１０１０Ａ／ｍ２であり、このときのケーブルの電流容量はＩｔ＝８９．６ｋＡである。なお、これらの演算の詳細については、参考文献（T.Matsushita, M.Kiuchi, E.S.Otabe "Innovative superconducting force-free cable concept", Superconductors Science and Technology, Vol.25 (2012) 125009, 8pp）に基づくものである。
　ここで、シールド層５の電流容量を（１－ε）Ｉｔとし、ここではε＝０．０５とする。次に、外側導電層６ｂ（銅）の半径をＲｓ＝２．５×１０－２ｍ、その巻き角度θｓを４０°とする。そして、絶縁層４の内側に配設する安定化銅のうち、内側導体３の外側に配する割合、すなわち内側導電層６ａ（銅）の割合をβで表し（１－βは中央のフォーマ（銅）の割合となる）、β＝１とし、巻き角度θｉを同じく４０°とする。
　以下、具体的な計算に入る前に簡単に概略を説明する。まず、電流容量を超えた電流が超伝導層に流れたとすると、磁束フロー状態に達することになるが、これに対応した超伝導体の抵抗を求める。例えば、発生に寄与し、シールド層５の超伝導体の断面積は、超伝導コート線材の超伝導層の厚さをｄ＝１．０μｍとして、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
となる。したがって、フロー抵抗率をρｆ＝１．０μΩｃｍとすると、長さ１ｍあたりの超伝導体の抵抗はＲｆ’＝１．０×１０－８／１．２５×１０－６＝８０［ｍΩ／ｍ］となる。しかしながら、安定化銅の抵抗は１ｍΩ／ｍよりはるかに小さいので、すべての余剰電流は安定化銅を流れるとしてよい。
　限流特性の指標として、中心導体部の銅層（ケーブル中心部のフォーマ）に流れる電流ＩＣｕを用いることにする。輸送電流をＩ、電流容量の減少分をΔＩｔとすると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
と書ける。この電流容量の減少は縦磁界の減少によるもので、このうち、シールド層５の電流による縦磁界の減少分をΔＢｓ、内側導体３の電流による縦磁界の減少分をΔＢｉとすると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
のようになる。ここでαは比例定数である。シールド層５はほとんどフォースフリー状態から外れているので、縦磁界の変化による臨界電流密度の変化は考えなくてよく、ΔＢｓは単純に輸送電流Ｉがシールド層５の電流容量（１－ε）Ｉｔを超えた量によって決まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
一方、ΔＢｉは簡単には求まらない。それは、単純に電流容量を超えた電流Ｉ－Ｉｔによって逆向きに作られる縦磁界の２倍では与えられず、それによってさらに減少する電流容量を求め、その効果も考慮しなければならないためである。以下、具体的な計算を行いながらそれらの確認を行う。
　（１）Ｉ＝Ｉｔのとき
　まず、電流容量Ｉｔに等しい電流がケーブルに流れたとする。まだ、超伝導体の温度が変わらないとすると、シールド層５における電流の５％である４．４８ｋＡは磁束フロー状態に対応した抵抗発生に寄与し、これをＩｆと表す。外側導電層６ｂは、逆向きに４０°傾けてあるので、この電流はこれまで作っていた方向とは逆向きの縦磁界を作り、縦磁界の減少分は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
となる。次に、この縦磁界の減少による内側導体の電流容量の減少を計算する。正しくは、磁界が電流の方向から少しずれるため、これによる影響も加わるが、そのはずれの影響は相対的に小さいので、ここでは単純に縦磁界の減少による変化として電流容量の減少分を計算する。縦磁界のΔＢｓだけの減少による臨界電流密度の減少分は、縦磁界Ｂに対する依存性をＪｃ∥＝５．０×１０１０＋６．０×１０１０Ｂと近似していたので、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
となる。元々のＪｃ∥＝８．０×１０１０Ａ／ｍ２に対する減少分ΔＪ’ｃ∥の割合から、電流容量の減少分は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
となる。この２．６０ｋＡの電流は外側の逆向きの外側導電層６ｂである安定化銅を流れて、逆に縦磁界を減少させる。これによる縦磁界の減少分は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
となる。この縦磁界の減少分はさらに中心の導体の電流容量を減少させる。その減少の割合をδとすると、それは最初の原因であるΔＢｓに対するその結果としてもたらされたΔＢｉ （１）の割合で与えられ、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
ΔＢｉ （１）は同じ割合で次の減少分ΔＢｉ （２）をもたらし、それもさらに減少分をもたらす。電流容量の減少も同じ割合で生じるので、結局最終的な電流容量の減少分は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
となる。今の場合、（２）式の第１項は０なので、ＩＣｕ＝９．４９×１０３Ａとなり、電流容量の１０．６％が銅層に流れることになる。
　（２）Ｉ＝１．０２Ｉｔのとき
　外側導電層６ｂの銅を流れる電流はＩｆ＝０．０７Ｉｔ＝６．２７ｋＡであり、（５）式と同様な計算で縦磁界の減少分ΔＢｓ＝５．４０×１０－２［Ｔ］を得る。これは上述のように、内側導体３の電流容量を下げ、それによって内側導電層６ａを流れる電流をもたらし、さらに縦磁界を減少させる。その総量は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
となる。また、内側導体３の過剰電流ΔＩ＝Ｉ－Ｉｔ＝１．７９×１０３［Ａ］によって直接生じる縦磁界の減少は、（８）式同様に、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
となる。したがって、これによる最終的な縦磁界の減少分は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
となる。これより、全体の縦磁界の減少分は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
となる。これによる臨界電流密度の減少分は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
となり、電流容量は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
だけ減少する。したがって、銅に流れる電流は
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
となり、Ｉｔの２２．１％に達する。
　（３）Ｉ＝１．０４Ｉｔのとき
　外側導電層６ｂの銅を流れる電流による縦磁界の減少分は、（１１）式よるＩｆに比例することから、単純に、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
  
となる。一方、内側導体３の過剰電流は０．０４Ｉｔと、Ｉ＝１．０２Ｉｔのときの２倍となるので、これによる縦磁界の減少分は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
となる。これより、全体の縦磁界減少分は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
となる。これによる臨界電流密度の減少分は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
となり、電流容量は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
だけ減少する。したがって、銅に流れる電流は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
となり、Ｉｔの３４．４％に達する。
　以下、解析結果について検討する。解析の手法について上述したので、ここで、パラメータの影響について考慮してみる。具体的には銅層の捻る角度θｓ、θｉの影響を考える。
　（４）θｓ＝θｉ＝３０°のとき
　まず、Ｉ＝Ｉｔのとき、（５）式はΔＢｓ＝２．０１×１０－２Ｔとなる。（７）式のΔＩｔ （１）も同じ割合だけ変化し、ΔＩｔ （１）＝１．３９×１０３Ａとなる。これによる（８）式のＢｉ （１）はＢｉ （１）＝０．８０３×１０－２Ｔとなり、δ＝０．３８９となる。この結果、電流容量の減少分は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
となり、電流容量の２．５％が銅層に流れる。
　次に、Ｉ＝１．０２Ｉｔのとき、ΔＢｓ＝２．８１×１０－２Ｔ、ΔＢｓ＋ΔＢｉ１＝４．６０×１０－２Ｔを得る。また、Ｂｉ２ （１）＝１．０３×１０－２Ｔ、ΔＢｉ２＝１．６９×１０－２ＴよりΔＢ＝６．２９×１０－２Ｔとなり、ΔＪｃ∥＝３．７７×１０９［Ａｍ－２］、ΔＩｔ＝４．２３×１０３Ａ、ＩＣｕ＝６．０２×１０３Ａを得る。これはＩｔの６．７％である。同様な解析により、Ｉ＝１．０４ＩｔのときはＩＣｕ＝９．８３×１０３Ａで、Ｉｔの１１．０％である。
　（５）θｓ＝θｉ＝３５°のとき
　詳細を省略するが、銅に流れる電流ＩＣｕは、Ｉ＝ＩｔのときＩＣｕ＝４．０９×１０３Ａ（４．６％）、Ｉ＝１．０２ＩｔのときＩＣｕ＝９．７８×１０３Ａ（１０．９％）、Ｉ＝１．０４ＩｔのときＩＣｕ＝１．５４×１０４Ａ（１７．１％）となる。
　（６）θｓ＝θｉ＝２５°のとき
　結果のみを示す。ＩＣｕは、Ｉ＝ＩｔのときＩＣｕ＝１．２９×１０３Ａ（１．４％）、Ｉ＝１．０２ＩｔのときＩＣｕ＝３．５９×１０３Ａ（４．０％）、Ｉ＝１．０４ＩｔのときＩＣｕ＝５．９０×１０３Ａ（６．６％）となる。
　以上の結果を下記の表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000025
  
　限流特性は、導電層６の巻き角度によって大きく変化し、その効果が現れるのは概ね２５°～３０°以上である。また、角度を大きくすればするほど限流効果が大きくなるが、現実的には６０°以上の角度で巻くのは技術的な問題に加え、多量の銅を必要とすることから、６０°が上限値になると考えられる。
　このように、上記解析の結果から、本発明に係る超伝導ケーブルでは、急速に銅に電流が分流することが明らかとなった。したがって、実際には銅に電流が流れることにより発熱し、一気に常伝導転移が起こり限流される。以上のことから、本発明の超伝導ケーブルは、フォースフリーを利用して電流容量を大きくできるのみならず、過大電流を防止する限流機能にも優れているものであることが明らかである。
　第２の解析として、内側導電層６ａのみを備える構成とした場合、外側導電層６ｂのみを備える構成とした場合、内側導電層６ａ及び外側導電層６ｂを備える構成とした場合の縦磁界の減少分を比較する解析を行った。その結果を以下の表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000026
　表からわかるように、内側導電層６ａの単独の場合、外側導電層６ｂの単独の場合には、それぞれに限流効果が見られるものの、内側導電層６ａ及び外側導電層６ｂの双方を備える構成の場合には、その効果が格段に大きくなっている。これは、それぞれの相乗効果によるものであると考えられるため、内側導電層６ａ単独、外側導電層６ｂ単独の構成であってもよいが、好ましくは内側導電層６ａ及び外側導電層６ｂの双方を備える構成とするのがよい。
　　１　超伝導ケーブル
　　２　フォーマ
　　３　内側導体
　　４　絶縁層
　　５　シールド層
　　６　導電層
　　６ａ　内側導電層
　　６ｂ　外側導電層

Claims (10)

  1. 　縦磁界効果を利用して直流電流を通電する内側層と、当該内側層を被覆する絶縁層と、当該絶縁層の外側に前記内側層における縦磁界が増加するように前記内側層と逆方向に直流電流を通電する外側層とを有する超伝導ケーブルであって、
    　前記外側層の電流容量が前記内側層の電流容量より小さくなっており、
    　前記外側層の最外層に、当該外側層に流れる電流が当該外側層の電流容量を超えた場合に、電流が分流するための導電層を有し、
    　前記導電層に電流が通電される場合に、当該電流により縦磁界が減少するように前記導電層が形成されていることを特徴とする超伝導ケーブル。
  2. 　請求項１に記載の超伝導ケーブルにおいて、
    　前記超伝導ケーブルの長手方向を基準方向とし、
    　前記内側層が、前記基準方向に対して正、又は負のいずれか一の角度で螺旋状に配設される超伝導部材からなる複数の超伝導層を有し、当該複数の超伝導層の最内層から最外層に向かって、螺旋の角度が前記基準方向に対して順次大きくなる角度であり、
    　前記外側層が、前記基準方向に対して、前記内側層に有する超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される超伝導部材からなる超伝導層を有し、
    　前記導電層が、前記外側層が有する前記超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される導電部材からなることを特徴とする超伝導ケーブル。
  3. 　請求項２に記載の超伝導ケーブルにおいて、
    　前記導電層に流れる電流の方向が前記外側層に流れる電流の方向と同方向であることを特徴とする超伝導ケーブル。
  4. 　縦磁界効果を利用して直流電流を通電する内側層と、当該内側層を被覆する絶縁層と、当該絶縁層の外側に前記内側層における縦磁界が増加するように前記内側層と逆方向に直流電流を通電する外側層とを有する超伝導ケーブルであって、
    　前記外側層の電流容量が前記内側層の電流容量より小さくなっており、
    　前記内側層の最外層であって前記絶縁層の内側に、前記内側層に流れる電流が当該内側層の電流容量を超えた場合に、電流が分流するための導電層を有し、
    　前記導電層に電流が通電される場合に、当該電流により縦磁界が減少するように前記導電層が形成されていることを特徴とする超伝導ケーブル。
  5. 　請求項４に記載の超伝導ケーブルにおいて、
    　前記超伝導ケーブルの長手方向を基準方向とし、
    　前記内側層が、前記基準方向に対して正、又は負のいずれか一の角度で螺旋状に配設される超伝導部材からなる複数の超伝導層を有し、当該複数の超伝導層の最内層から最外層に向かって、螺旋の角度が前記基準方向に対して順次大きくなる角度であり、
    　前記外側層が、前記基準方向に対して、前記内側層に有する超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される超伝導部材からなる超伝導層を有し、
    　前記導電層が、前記内側層が有する前記超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される導電部材からなることを特徴とする超伝導ケーブル。
  6. 　請求項５に記載の超伝導ケーブルにおいて、
    　前記導電層に流れる電流の方向が前記内側層に流れる電流の方向と同方向であることを特徴とする超伝導ケーブル。
  7. 　縦磁界効果を利用して直流電流を通電する内側層と、当該内側層を被覆する絶縁層と、当該絶縁層の外側に前記内側層における縦磁界が増加するように前記内側層と逆方向に直流電流を通電する外側層とを有する超伝導ケーブルであって、
    　前記外側層の電流容量が前記内側層の電流容量より小さくなっており、
    　前記外側層の最外層に、当該外側層に流れる電流が当該外側層の電流容量を超えた場合に、電流が分流するための外側導電層を有し、
    　前記内側層の最外層であって前記絶縁層の内側に、前記内側層に流れる電流が当該内側層の電流容量を超えた場合に、電流が分流するための内側導電層を有し、
    　前記外側導電層及び前記内側導電層に電流が通電される場合に、当該電流により縦磁界が減少するように前記外側導電層及び前記内側導電層が形成されていることを特徴とする超伝導ケーブル。
  8. 　請求項７に記載の超伝導ケーブルにおいて、
    　前記超伝導ケーブルの長手方向を基準方向とし、
    　前記内側層が、当該基準方向に対して正、又は負のいずれか一の角度で螺旋状に配設される超伝導部材からなる複数の超伝導層を有し、当該複数の超伝導層の最内層から最外層に向かって、螺旋の角度が前記基準方向に対して順次大きくなる角度であり、
    　前記外側層が、前記基準方向に対して、前記内側層に有する超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される超伝導部材からなる超伝導層を有し、
    　前記外側導電層が、前記外側層が有する前記超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される導電部材からなり、前記内側導電層が、前記内側層が有する前記超伝導層の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される導電部材からなることを特徴とする超伝導ケーブル。
  9. 　請求項８に記載の超伝導ケーブルにおいて、
    　前記外側導電層に流れる電流の方向が前記外側層に流れる電流の方向と同方向であり、前記内側導電層に流れる電流の方向が前記内側層に流れる電流の方向と同方向であることを特徴とする超伝導ケーブル。
  10. 　請求項８又は９に記載の超伝導ケーブルにおいて、
    　前記外側導電層及び前記内側導電層の前記基準方向に対する螺旋角度が、それぞれ２５°以上、６０°以下であることを特徴とする超伝導ケーブル。
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