JP2012174669A - 常温絶縁型超電導ケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも生産性に優れる常温絶縁型超電導ケーブルを提供する。
【解決手段】フォーマ１１の外周に超電導導体層１２を形成してなる導体部１０と、その導体部１０を内部に収納して導体部１０を極低温に維持する多重管構造の断熱管１３と、その断熱管１３の外周を取り囲む電気絶縁層２３と、を備える常温絶縁型超電導ケーブル１００である。常温絶縁型超電導ケーブル１００に備わる断熱管１３を構成する内管１４と外管１５のうち、最外周にある外管（最外管）１５がストレート管であり、その外管（最外管）１５の外周に上記電気絶縁層２３が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォーマの外周に超電導導体層を形成してなる導体部と、その導体部を内部に収納して導体部を極低温に維持する多重管構造の断熱管と、前記断熱管の外周を取り囲む電気絶縁層と、を備える常温絶縁型超電導ケーブルに関するものである。

超電導ケーブルでは、一般にフォーマの外周上に超電導導体層を有する導体部を二重の金属管で構成される断熱管内に収納してなる構成を備える。このような超電導ケーブルにおいて、超電導ケーブルを外部から電気的に絶縁する構成には以下の二つが挙げられる。一つ目の構成は、超電導導体層の上に電気絶縁層を備えた導体部が上記断熱管に収納され、導体部に備わる当該電気絶縁層も冷媒により冷却される低温絶縁型の構成である。二つ目の構成は、フォーマと超電導導体層を備える低温導電部が上記断熱管に収納され、その断熱管の上に電気絶縁層が形成されており、当該電気絶縁層が冷媒により冷却されない常温絶縁型の構成である（例えば、特許文献１の明細書０００３を参照）。特に、後者の常温絶縁型超電導ケーブルは、既存の常電導ケーブルの絶縁材料および構造が適用できるという利点がある。

特開平０８−０６４０４１号公報

しかし、上述した常温絶縁型超電導ケーブルは、生産性の面で改善の余地がある。

常温絶縁型超電導ケーブルの断熱管を構成する金属管は、全てコルゲート管とすることが一般的である。それは、断熱管の可撓性を向上させるためである。ところが、コルゲート管のように外周面に凹凸があると、コルゲート管の外周に電気絶縁層を形成する際、コルゲート管と電気絶縁層との間や電気絶縁層中に隙間ができ易い。例えば、樹脂の押出により電気絶縁層を形成する場合、コルゲート管の溝の部分に樹脂が行き渡らずに隙間ができることがあるし、樹脂中に気泡が混入したりすることがある。また、絶縁紙の巻回により電気絶縁層を形成する場合も、コルゲート管の凹凸に沿って隙間なくコルゲート管の外周に絶縁紙を巻回するのは難しい。このように、作製の段階で、電気絶縁層に隙間ができると、その隙間が電気的弱点になるため、隙間がある電気絶縁層を備える常温絶縁型超電導ケーブルは不良品となり、超電導ケーブルの歩留まりを低下させる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、従来よりも生産性に優れる常温絶縁型超電導ケーブルを提供することにある。

本発明常温絶縁型超電導ケーブルは、フォーマの外周に超電導導体層を形成してなる導体部と、その導体部を内部に収納して導体部を極低温に維持する多重管構造の断熱管と、前記断熱管の外周を取り囲む電気絶縁層と、を備える。この本発明常温絶縁型超電導ケーブルでは、断熱管を構成する管のうち最外周にある最外管がストレート管であり、その最外管の外周に前記電気絶縁層が形成されていることを特徴とする。

上記構成のように、断熱管の最外管をストレート管とすることで、常温絶縁型超電導ケーブルの作製にあたり、最外管の外側に電気絶縁層を形成し易く、しかもその形成の際に、最外管と電気絶縁層との間や、電気絶縁層中に隙間ができ難い。電気絶縁層周りに隙間ができ難いということは、作製された常温絶縁型超電導ケーブルにおける不良品の発生率も低く抑えられる。つまり、上記構成を備える本発明常温絶縁型超電導ケーブルは、生産性良く製造された常温絶縁型超電導ケーブルと言える。

本発明常温絶縁型超電導ケーブルの一形態として、最外管はアルミニウムまたはその合金からなることが好ましい。

最外管をアルミニウムやその合金とすることで、最外管をストレート管としても、断熱管の可撓性（即ち、常温絶縁型超電導ケーブルの可撓性）が低下することを抑制できる。

本発明常温絶縁型超電導ケーブルの一形態として、断熱管は２重管構造であっても良いし、３重管構造であっても良い。

断熱管が２重管構造あるいは３重管構造であれば、断熱管の大径化（即ち、常温絶縁型超電導ケーブルの大径化）を抑制しつつ、断熱管の断熱性能を十分に確保することができる。

本発明常温絶縁型超電導ケーブルの一形態として、最外管以外の管が、コルゲート管であることが好ましい。

最外管以外の管をコルゲート管とすることで、断熱管の強度を維持したまま断熱管の可撓性を向上させることができる。最外管以外の管は、アルミニウムまたはその合金としても良いし、耐食性・耐熱性を考慮してステンレス鋼としても良い。高硬度のステンレス鋼であっても、コルゲート管であれば十分な可撓性を維持することができる。

本発明常温絶縁型超電導ケーブルの一形態として、電気絶縁層は、押出により形成される樹脂で構成することができる。その樹脂としては、架橋ポリエチレン（ＰＥＸ）を用いることが好ましい。

既に述べたように、本発明常温絶縁型超電導ケーブルは、断熱管の最外管がストレート管であるため、その最外管の外周に押出で樹脂を被覆させることが容易であるし、樹脂中などに隙間ができ難い。特に、ＰＥＸは、優れた電気絶縁性と強度を兼ね備えており、電気絶縁層の構成材料として好適である。

本発明常温絶縁型超電導ケーブルの一形態として、電気絶縁層は、断熱管の外周に巻回された絶縁紙で構成することができる。

絶縁紙で形成された電気絶縁層は、樹脂で形成される電気絶縁層よりも絶縁特性に優れるため、このような常温絶縁型超電導ケーブルは、大電流での送電に好適な超電導ケーブルとなる。

本発明常温絶縁型超電導ケーブルは、生産性良く製造することができる。

（Ａ）は実施形態１に記載される２重管構造の断熱管を有する常温絶縁型超電導ケーブルの概略横断面図、（Ｂ）は当該常温絶縁型超電導ケーブルの部分縦断面図である。 （Ａ）は実施形態２に記載される３重管構造の断熱管を有する常温絶縁型超電導ケーブルの概略横断面図、（Ｂ）は当該常温絶縁型超電導ケーブルの部分縦断面図である。

以下、図面に基づいて、本発明常温絶縁型超電導ケーブルの実施形態を説明する。図において同一符号は、同一名称物を示す。

＜実施形態１＞
≪全体構成≫
図１に示す常温絶縁型超電導ケーブル１００は、導体部１０と、導体部１０を内部に収納する断熱管１３とを有する低温導電部１、およびその低温導電部１の外周を覆う常温被覆部２を備える。この常温絶縁型超電導ケーブル１００のもっとも特徴とするところは、断熱管１３を構成する金属管のうち、最外周にある最外管（後述する外管１５）がストレート管であることである。以下、常温絶縁型超電導ケーブル１００の各構成を順次詳細に説明する。

≪低温導電部≫
低温導電部１は、断熱管１３の内部に、導体部１０が収納されてなる長尺体である。

［導体部］
導体部１０は、代表的には、中心から順にフォーマ１１、超電導導体層１２、保護層（図示せず）を備える。フォーマ１１は、超電導導体層１２の支持体に利用される部材であり、例えば、図１に示すようなパイプ状の中空体をフォーマ１１として利用できる。中空体のフォーマ１１は、その内部を冷媒１３１の流路として利用することができる。フォーマ１１の形状としては、中空体の他、中実体を利用することもできる。一方、フォーマ１１の材質も特に限定されない。単に超電導導体層１２の支持体としてフォーマ１１を利用するのであれば、フォーマ１１は樹脂などの非導電性材料から構成すると良い。その他、短絡電流などに代表される異常時電流の分流路としての機能をフォーマ１１に持たせるのであれば、銅やアルミニウムなどの常電導の金属材料から構成しても良い。但し、フォーマ１１を非導電性材料から構成するのであれば、後述する分流導体２２を形成することが好ましい。以上の点を考慮してフォーマ１１の具体的な構成を例示すると、中空体のフォーマ１１としては例えば、金属材料からなるパイプを挙げることができるし、中実体のフォーマ１１としては例えば、エナメルなどの絶縁被覆を備える複数の金属線を撚り合わせたものを挙げることができる。

次に、超電導導体層１２としては、例えば、酸化物超電導体を備えるテープ状線材が好適に利用できる。テープ状線材は、例えば、Ｂｉ２２２３系超電導テープ線（Ａｇ−ＭｎやＡｇなどの安定化金属中に酸化物超電導体からなるフィラメントが配されたシース線）、ＲＥ１２３系薄膜線材（ＲＥ：希土類元素、例えばＹ、Ｈｏ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄなど。金属基板に酸化物超電導相が成膜された積層線材）が挙げられる。超電導導体層１２は、上記テープ状線材を螺旋状に巻回して形成した単層構造又は多層構造が挙げられる。

図示しない保護層は、上記超電導導体層１２を保護し、断熱管１３との絶縁を確保するためのものであり、クラフト紙などを巻回することで形成できる。

［断熱管］
上記導体部１０を収納する本実施形態の断熱管１３は、導体部１０を内部に収納する内管１４と、内管１４を内部に収納する外管（最外管）１５と、を備える２重管構造である。内管１４は、その内部に、超電導導体層１２を超電導状態に維持するための冷媒１３１（代表的には、液体窒素や液体ヘリウム、ヘリウムガスなど）が充填され、冷媒流路として機能する。この内管１４と、内管１４の外周に設けられる外管１５とで断熱管１３を構成することで、外部からの侵入熱などにより冷媒１３１の温度が上昇することを抑制する。内管１４と外管１５との間は真空引きされ、それによって真空断熱層が形成されている。その他、内管１４と外管１５との間にスーパーインシュレーションといった断熱材や、内管１４と外管１４とを離隔させるスペーサを配置すると、断熱管１３の断熱性を高められる。

本実施形態における断熱管１３を構成する金属管のうち、最外周にある外管（最外管）１５はストレート管、内周側にある内管１４はコルゲート管である。外管１５をストレート管とすることで、後述するように、電気絶縁層２３の形成を容易にすることができる。ここで、外管１５をストレート管とすると、断熱管１３（即ち、常温絶縁型超電導ケーブル１００）が曲げ難くなるという問題があるが、そのような問題は外管１５をアルミニウムやその合金で構成することで解決できる。一方、断熱管１３の内周側にある内管１４は、断熱管１３を曲げたときに外管１５よりも曲げ半径が小さくなるため、曲げ難い。これに対して、本実施形態では、内管１４をコルゲート管としているので、断熱管１３全体の可撓性が確保されている。この内管１４は、外管１５と同様にアルミニウムやその合金で構成しても良いし、耐熱性・耐食性を考慮してステンレス鋼で構成しても良い。内管１４はコルゲート管なので、内管１４をステンレス鋼で構成しても、内管１４の可撓性が大幅に低下することはない。もちろん、内管１４もストレート管としても良く、その場合はアルミニウムやその合金で内管１４を構成することが好ましい。

≪常温被覆部≫
常温被覆部２は、断熱管１３の外周に形成される電気絶縁層２３を備える。ここで、常温被覆部２はさらに、断熱管１３と電気絶縁層２３との間に、異常時電流の分流路となる分流導体２２を備えることが好ましい。この実施形態では、分流導体２２を備える常温被覆部２を説明する。

［分流導体］
分流導体２２は、異常時電流が生じたときに、その異常時電流を分担する常電導導体である。この分流導体２２は、超電導ケーブル線路の長手方向の接続部（超電導ケーブル１００の中間接続部や終端接続部など）で超電導導体層１２、およびフォーマ１１に接続されることで、異常時電流を超電導導体層１２、およびフォーマ１１と分担できるようになっている。

分流導体２２は、異常時電流を分担する役割を担う観点から、電気抵抗値が低い銅やアルミニウム、銀などの金属材料から構成される。特に、銅は、銀に次ぐ高い導電率を有し、銀よりも格段に安価である点で、分流導体２２として好適である。このような分流導体２２は、銅撚り線で構成されるセグメント導体など既存常電導ケーブルの導体に準じた部材を外管１５上に巻回することで形成することができる。この際も、外管１５がストレート管であるため、分流導体２２の形成を容易に行える。

上記分流導体２２の断面積は、超電導ケーブル線路の運転上、どの程度の異常時電流が発生し得るか、その発生した異常時電流を分流導体２２にどの程度負担させるかによって適宜選択すれば良い。例えば、上述した低温導電部１のフォーマ１１を非導電性材料で構成する場合、異常時電流の大部分を分流導体２２に流せるように分流導体２２の断面積を決定し、分流導体２２と超電導導体層１２の金属成分とで異常時電流を分担させることで、超電導導体層１２を保護する。また、当該フォーマ１１を導電性材料とし、異常時電流を分流導体２２と超電導導体層１２の金属成分に分担させるだけでなく、フォーマ１１にも分担させる構成であれば、分流導体２２に分担させる異常時電流を流せるように分流導体２２の断面積を決定すれば良い。

［電気絶縁層］
電気絶縁層２３は、超電導ケーブル１００を外部環境から電気的に絶縁する層である。この電気絶縁層２３には、常電導ケーブルで実績がある電気絶縁強度に優れる材料、代表的にはＣＶケーブルに利用される架橋ポリエチレン（ＰＥＸ）などを利用できる。架橋ポリエチレンなどの絶縁性樹脂であれば、断熱管１３に分流導体２２を形成した筒状部材の外周に絶縁性樹脂を押し出すだけで電気絶縁層２３を容易に形成できる。その他、電気絶縁層２３には、ＯＦケーブルにおける絶縁層と同様の構成を採用することができる。例えば、分流導体２２の外周にテープ状のクラフト紙や半合成紙を多層に巻回し、その絶縁層に合成油などの絶縁油を含浸させることで電気絶縁層２３を形成することができる。電気絶縁層２３としていずれの構成を選択するにしても、断熱管１３の最外周にある外管１５がストレート管であるため、電気絶縁層２３周りに隙間が形成され難い。その結果、隙間に起因する電気的な弱点が電気絶縁層２３周りに形成されることを効果的に防止することができる。

［その他の構成］
常温側電気絶縁層２３の外周には、代表的には、銅やアルミニウムなどの常電導材料から構成された外側遮蔽層（図示せず）が設けられる。外側遮蔽層は、絶縁層２３の外側の電位を与えるもので、従来の電力ケーブルと同様に常電導材料を利用できる。そのため、常温絶縁型超電導ケーブル１００は製造性に優れる。また、外側遮蔽層の外周には、所定の絶縁特性を有し、外側遮蔽層を保護する防食層（図示せず）が設けられている。

≪常温絶縁型超電導ケーブルの効果≫
実施形態に示す構成とすることで、生産性に優れる常温絶縁型超電導ケーブル１００とすることができる。それは、超電導ケーブル１００に備わる断熱管１３の外管１５がストレート管でできているため、その外管１５の外周に電気絶縁層２３を形成し易いからである。また、電気絶縁層２３の形成時に、隙間などの電気的な弱点が形成され難いことから、不良品の発生率を大幅に低下させることができるし、出来上がる超電導ケーブル１００の信頼性を向上させることもできる。

＜実施形態２＞
実施形態２では、３重管構造の断熱管１３´を用いた常温絶縁型超電導ケーブル２００を図２に基づいて説明する。断熱管１３´以外の構成は、実施形態１と共通するため、ここでは、断熱管１３´の構成を中心に説明する。

断熱管１３´は、最内周にあるコルゲート管の内管１４と、最外周にあるストレート管の外管１５との間に、コルゲート管の中管１６を備える。このような３重管構造とすることで、断熱管１３´の断熱性能を向上させることができる。また、中管１６はコルゲート管であるので、断熱管１３´の可撓性（即ち、常温絶縁型超電導ケーブル２００の可撓性）が大幅に低下することがない。

本実施形態における断熱管１３´も、外管１５がストレート管であるため、その外周に分流導体２２と電気絶縁層２３を形成し易い。また、これら分流導体２２や電気絶縁層２３を形成する際に、隙間などの電気的な弱点が形成され難く、信頼性に優れる常温絶縁型超電導ケーブル２００とすることができる。

なお、本発明の実施形態は、上述した実施形態に限定されるわけではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更することが可能である。例えば、実施形態では説明を省略したが、電気絶縁層２３の内周部と外周部の各々に内部半導電層と外部半導電層を形成するのが一般的である。

本発明常温絶縁型超電導ケーブルは、大電流送電網の形成に好適に利用することができる。

１００，２００ 常温絶縁型超電導ケーブル
１ 低温導電部
１０ 導体部 １１ フォーマ １２ 超電導導体層
１３，１３´ 断熱管 １４ 内管 １５ 外管（最外管） １６ 中管
１３１ 冷媒
２ 常温被覆部
２２ 分流導体
２３ 電気絶縁層

Claims (8)

1. フォーマの外周に超電導導体層を形成してなる導体部と、その導体部を内部に収納して導体部を極低温に維持する多重管構造の断熱管と、前記断熱管の外周を取り囲む電気絶縁層と、を備える常温絶縁型超電導ケーブルであって、
   前記断熱管を構成する管のうち最外周にある最外管がストレート管であり、
   その最外管の外周に前記電気絶縁層が形成されていることを特徴とする常温絶縁型超電導ケーブル。
2. 前記最外管は、アルミニウムまたはその合金から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の常温絶縁型超電導ケーブル。
3. 前記断熱管は、２重管構造であることを特徴とする請求項１または２に記載の常温絶縁型超電導ケーブル。
4. 前記断熱管は、３重管構造であることを特徴とする請求項１または２に記載の常温絶縁型超電導ケーブル。
5. 前記最外管以外の管が、コルゲート管であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の常温絶縁型超電導ケーブル。
6. 前記電気絶縁層は、押出により形成される樹脂であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の常温絶縁型超電導ケーブル。
7. 前記樹脂は、架橋ポリエチレンであることを特徴とする請求項６に記載の常温絶縁型超電導ケーブル。
8. 前記電気絶縁層は、絶縁紙を巻回してなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の常温絶縁型超電導ケーブル。

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