並列接続ＨＴＳＦＣＬデバイス
超伝導電気ケーブルシステムが、既知の故障電流レベルを有する電力公益事業電力格子内に含まれるように構成されている。この超伝導電気ケーブルシステムは、電力公益事業電力格子の第１の分岐点と第２の分岐点の間に相互接続された非超伝導電気経路を備えている。超伝導電気経路が、電力公益事業電力格子の第１の分岐点と第２の分岐点の間に相互接続されている。超伝導電気経路および非超伝導電気経路は並列に電気接続されており、超伝導電気経路は、臨界電流レベルおよび臨界温度未満で動作する場合、非超伝導電気経路より小さい直列インピーダンスを有する。超伝導電気経路は、臨界電流レベルおよび超伝導体臨界温度のうちの１つまたは複数で動作し、あるいはそれより高いレベルまたは高い温度で動作する場合、非超伝導電気経路の直列インピーダンスの少なくともＮ倍の直列インピーダンスを有するように構成されている。Ｎは１より大きく、非超伝導電気経路のインピーダンスと相まって既知の故障電流レベルを少なくとも１０％減衰させるように選択される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示はＨＴＳデバイスに関し、より詳細には故障電流制限デバイスとして動作するように構成されたＨＴＳデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力の需要は世界的な規模で著しく増加し続けており、したがって電力公益事業は、発電の観点ならびに配電の観点の両方から、増加する一方のこれらの需要に合致するべく懸命な努力を続けている。
【０００３】
既存の設置済み送電および配電インフラストラクチャの容量が限られており、また、従来の追加送電線および配電線ならびに送電ケーブルおよび配電ケーブルを追加するために利用することができる空間が限られているため、電力公益事業による送電ネットワークおよび配電ネットワークを介した使用者への電力の引渡しには、重大な課題が依然として存在している。この課題は、容量を拡張するために利用することができる既存の空間が極めて限られている混雑した都市および首都圏地域にとりわけ関連している。
【０００４】
電力公益事業の電力送電ネットワークおよび配電ネットワークにおける電力容量を増し、その一方で設置をより容易にするために比較的小さいフットプリントを維持し、かつ、冷却のために環境的にきれいな液体窒素を使用した、高温超伝導（ＨＴＳ）ワイヤを使用した可撓性長距離電力ケーブルが開発されている。本開示では、ＨＴＳ材料は、臨界温度が３０Ｋ（マイナス２４３°センチグレード）以上の超伝導体として定義されており、イットリウムすなわち希土類・バリウム・銅・酸化物（本明細書においてはＹＢＣＯと呼ばれている）、タリウム・バリウム・カルシウム・銅・酸化物、ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸化物（本明細書においてはＢＳＣＣＯと呼ばれている）、水銀・バリウム・カルシウム・銅・酸化物およびマグネシウム・ジボライド（ＭｇＢ２）などの材料が含まれている。ＹＢＣＯは約９０Ｋの臨界温度を有している。ＢＳＣＣＯは、１つの組成において約９０Ｋの臨界温度を有しており、また、第２の組成において約１１０Ｋの臨界温度を有している。ＭｇＢ２は、最大約４０Ｋの臨界温度を有している。材料には置換、付加および不純物が可能であり、臨界温度を３０°Ｋ未満に下げない限り、これらの組成族には、これらの可能な置換、付加および不純物が包含されているものとして理解されたい。このようなＨＴＳケーブルを使用することにより、電力公益事業電力ネットワークの混雑した地域に、より多くの電力を経済的に、かつ、高い信頼性で提供することができ、ひいては混雑が緩和され、電力公益事業は、それらの送電および配電容量の問題に対処することができる。
【０００５】
ＨＴＳ電力ケーブルには、電気を送電し、かつ、配電するためのケーブルの一次導体としてＨＴＳワイヤが使用されている（つまり従来の銅導体の代わりに）。ＨＴＳケーブルの設計により、従来の架空線路および地下ケーブルと比較すると、それらの超伝導状態における直列インピーダンスが著しく小さくなっている。ここでは、ケーブルまたは線路の直列インピーダンスは、電力を運ぶ導体の抵抗性インピーダンスと、ケーブルアーキテクチャまたは架空線路と結合した無効（誘導性）インピーダンスとの組合せとして参照されている。ケーブルの断面積が同じである場合、ＨＴＳワイヤを使用することにより、従来の交流（ＡＣ）ケーブルと比較すると電流容量を３倍乃至５倍にすることができ、また、従来の直流（ＤＣ）ケーブルと比較すると電流容量を最大１０倍にすることができる。
【０００６】
ＨＴＳケーブルは、連続可撓性波形巻型の周囲に螺旋状に巻かれたＨＴＳワイヤを使用して設計することができ、あるいは様々なスタックおよびねん回構成の複数のＨＴＳワイヤをそれらに持たせることができる。これらのいずれの場合においても、ケーブルは、輸送のためにドラムに便利に巻き付けることができ、また、電線管の中、あるいは他の電力デバイス間で、湾曲またはねじることによって設置することができるよう、連続した可撓性のあるものにすることができる。ＨＴＳケーブルは、ＨＴＳワイヤと接触し、かつ、ケーブルの長さに沿って展開している液体冷媒を使用して設計することができる。液体窒素は、最も一般的な液体冷媒であるが、液体水素または液体ネオンを使用して、マグネシウム・ジボライドのような超伝導材料の温度を低くすることも可能である。
【０００７】
容量の問題に加えて、電力需要の増加（したがって発電され、かつ、送電ネットワークおよび配電ネットワークを介して送電される電力のレベルが高くなること）に起因する電力公益事業の他の重大な問題は、故障によって生じる「故障電流」の増加である。故障は、場合によっては、ネットワークデバイスの故障、自然の作用（例えば雷）、人間による作用（例えば自動車事故による電柱の破損）、または接地への短絡、あるいは電力公益事業ネットワークの１つの相から他の相への短絡をもたらす他の何らかのネットワークの問題によって生じる。通常、このような故障は、電力公益事業ネットワーク上で即座に有形化する極端に大きい負荷として出現する。ネットワークは、この負荷の出現に応答して、負荷への大量の電流の引渡しを試行する（つまり故障）。電力格子のネットワーク内における所与のリンクは、すべて、最大故障状態に突如として陥らせることになる短絡の間、故障電流制限手段がない場合に流れることになる最大故障電流によって特性化される。故障電流制限手段がない大きな電力格子の場合、故障電流が非常に大きく、格子内のほとんどの電気設備が損傷または破壊されることになる。故障電流から保護する従来の方法は、遮断器を速やかに開路し、電流および電力の流れを完全に遮断することである。
【０００８】
遮断器に結合された検出器回路がネットワークを監視し、故障（または過電流）状況の出現を検出する。故障（または過電流）状況の出現が検出されると、数ミリ秒以内に検出器回路から起動信号を発信して遮断器を開路し、様々なネットワークコンポーネントの破壊を防止することができる。既存の遮断器デバイスの最大能力は、現在、約８０，０００アンペアであり、これらは送電レベル電圧専用である。２０世紀に構築された電力公益事業ネットワークの多くのセクションは、４０，０００アンペア〜６３，０００アンペアの故障電流しか耐えることができないネットワークデバイスを使用して構築されている。残念なことには、電力公益事業ネットワーク上の発電レベルおよび送電レベルが高くなっている現在、故障電流レベルは、配電レベル電圧および送電レベル電圧の両方に対して、現在設置されている遮断器デバイスあるいは最新技術の遮断器デバイスの能力を超えるポイントまで（つまり８０，０００アンペアを超えるレベルまで）高くなっている。たとえもっと小さい故障電流レベルであっても、より低いレベルからもっと高いレベルへ格子全体にわたって遮断器をアップグレードするコストは、場合によっては極めて高くなる。ほとんどの場合、格子の動作の改善を有意義なものにするためには、故障電流を少なくとも１０％小さくすることが望ましい。したがって電力公益事業は、高くなる一方の故障電流レベルに対処するための新しい解決法を探し求めている。開発中のこのような解決法の１つは、ＨＴＳ故障電流制限器（ＦＣＬ）と呼ばれているデバイスである。
【０００９】
ＨＴＳ ＦＣＬは、電力公益事業ネットワークに相互接続された専用デバイスであって、容易に入手することができ、あるいは既に設置されている従来の遮断器が取り扱うことができるレベルまで故障電流の大きさを小さくするための専用デバイスである。Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆａｕｌｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｅｒｓ ｂｙ Ｎｏｅ ａｎｄ Ｍ．Ｓｔｅｕｒｅｒ、Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．２０（２００７）Ｒ１５〜Ｒ２９を参照されたい。このようなＨＴＳ ＦＣＬは、通常、ＨＴＳ材料の固体バーすなわちシリンダでできた短い剛直モジュールで構成されており、このモジュールは、それらの超伝導臨界電流で抵抗状態に駆動されると極めて大きい抵抗を有することになる。残念なことには、このような独立型ＨＴＳ ＦＣＬは、現在、極めて大型で、かつ、高価である。空間は、とりわけ、ＨＴＳケーブルを最も必要とする密集した都市環境における変電所内では極めて高価である。また、電力公益事業は、大型インダクタを使用することも可能であるが、それらは、余計な損失、電圧調整および格子安定性の問題の原因になることがある。また、残念なことには、花火電流制限器（例えばヒューズ）の場合、故障が発生する毎に交換が必要である。さらに、新しい電力エレクトロニックＦＣＬも開発中であるが、それらをフェイルセーフにすることができるかどうか、また、それらを高い信頼性で送電電圧レベルまで拡張することができるかどうか疑問である。
【００１０】
ＨＴＳケーブルを故障電流の流れに耐えることができるようにするために、かなりの量の銅がＨＴＳワイヤと共に導入されてもよいが、そのためにケーブルの重量が重くなり、また、サイズが大きくなっている。Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｌｏｎｇ Ｌｅｎｇｔｈ ＨＴＳ Ｃａｂｌｅ ｔｏ Ｏｐｅｒａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｌｏｎｇ Ｉｓｌａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ａｕｔｈｏｒｉｔｙ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｇｒｉｄ ｂｙ Ｊ．Ｆ．Ｍａｇｕｉｒｅ、Ｆ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｓ．Ｂｒａｔｔ、Ｔ．Ｅ．Ｗｅｌｓｈ、Ｊ．Ｙｕａｎ、Ａ．Ａｌｌａｉｓ、ａｎｄ Ｆ．Ｈａｍｂｅｒ、ｔｏ ｂｅ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙを参照されたい。しばしば、周囲にＨＴＳワイヤが螺旋状に巻き付けられたＨＴＳケーブルのコア中の中央巻型に銅が充填されるが、これは、液体窒素が流れる通路としてコアが使用されるのを防止している。別法としては、とりわけ多相ケーブルの場合、螺旋状に巻かれたケーブルの層の中で銅線とＨＴＳワイヤが混合される。これらの銅線または構造は、ＨＴＳワイヤと電気的に並列にすることができ、ＨＴＳケーブル内の「銅分路」と呼ぶことができる。ケーブルのＨＴＳワイヤの臨界電流を超える大きな故障電流が存在すると、ＨＴＳワイヤは、抵抗性Ｉ２Ｒ損失によって加熱することができる抵抗状態に急冷すなわちスイッチする（Ｉは電流であり、Ｒはケーブルの抵抗である）。「銅分路」は、ＨＴＳワイヤの過熱を防止するために、故障電流を吸収して運ぶように設計することができる。銅の量は非常に多く、したがってケーブル中におけるその総合抵抗は比較的小さく、したがって故障電流のレベルを小さくする効果は無視し得る程度のものである。銅は、純粋な銅または少量の不純物を含有した銅であり、したがって７７〜９０Ｋの温度範囲におけるその抵抗率が比較的小さいこと（例えば＜０．５マイクロオーム−ｃｍあるいは０．２マイクロオーム−ｃｍ程度の小さい抵抗率であること）を意味するものとして定義することができる。
【００１１】
欧州ＳＵＰＥＲＰＯＬＩプログラム（ＳＵＰＥＲＰＯＬＩ Ｆａｕｌｔ−Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｅｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＹＢＣＯ−Ｃｏａｔｅｄ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ Ｔａｐｅｓ ｂｙ Ａ．Ｕｓｏｓｋｉｎ ｅｔ ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．２、２００３年６月、１９７２〜５頁、Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｋ ｂｙ Ｐａａｓｉ ｅｔ ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、Ｖｏｌ．１１、Ｎｏ．１、Ｍａｒｃｈ ２００１年３月、１９２８〜３１頁、ＨＴＳ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｆ ＡＣ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ａｎｄ Ｆａｕｌｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｂｙ Ｖｅｒｈａｅｇｅ ｅｔ ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、Ｖｏｌ．１１、Ｎｏ．１、２００１年３月、２５０３〜６頁、および「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ」という名称の米国特許第５，８５９，３８６号参照）では、同じく電流を制限することができる超伝導電力リンクが調査された。
【００１２】
初期の独立型ＦＣＬのための典型的な手法に引き続いて、このプログラムでは、電力リンクのためのモジュールすなわち母線を形成していたＨＴＳ材料の剛直固体ロッドすなわちシリンダが調査された。モジュールすなわち母線の典型的な長さは５０ｃｍ乃至２メートルであった。第２の手法では、コーティングが施された導体ワイヤが使用され、抵抗の大きいステンレス鋼基板の上にＹＢＣＯ材料がコーティングされた。金スタビライザ層が使用されたが、長さ当たりの抵抗を可能な限り大きい値に維持するために、この金スタビライザ層は極めて薄い状態で維持された。ワイヤは、電力リンクのためのモジュールすなわち母線のための他のオプションを形成していた剛直な円筒状コアの上に螺旋状に巻き付けられた。故障電流に応答してこれらのモジュールの両方が極めて大きい抵抗状態に切り換わり、それにより電流を制限する。ＳＵＰＥＲＰＯＬＩプログラムの中で提案されている、長さがより長いケーブルを生成するための概念は、剛直モジュールと可撓性編組銅相互接続部を相互接続することであった。「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ」という名称の米国特許第５，８５９，３８６号を参照されたい。故障電流制限機能を備えた長距離連続可撓性ケーブルを、抵抗がより小さく、かつ、熱容量がより大きいワイヤ、つまり局部加熱のレベルがより低いワイヤを使用して設計し、かつ、製造する可能性については考慮されなかった。また、リンクの機能を最適化することができる追加格子エレメントの可能性についても考慮されなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許出願第１１／６７３，２８１号
【特許文献２】一部継続米国特許出願第１１／６８８，８２７号
【特許文献３】一部継続米国特許出願第１１／６８８，８１７号
【特許文献４】一部継続米国特許出願第１１／６８８，８０９号
【特許文献５】米国特許第５，８５９，３８６号
【特許文献６】同時係属米国特許出願第１１／４５９，１６７号
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆａｕｌｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｅｒｓ ｂｙ Ｎｏｅ ａｎｄ Ｍ．Ｓｔｅｕｒｅｒ、Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．２０（２００７）Ｒ１５〜Ｒ２９
【非特許文献２】Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｌｏｎｇ Ｌｅｎｇｔｈ ＨＴＳ Ｃａｂｌｅ ｔｏ Ｏｐｅｒａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｌｏｎｇ Ｉｓｌａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ａｕｔｈｏｒｉｔｙ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｇｒｉｄ ｂｙ Ｊ．Ｆ．Ｍａｇｕｉｒｅ、Ｆ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｓ．Ｂｒａｔｔ、Ｔ．Ｅ．Ｗｅｌｓｈ、Ｊ．Ｙｕａｎ、Ａ．Ａｌｌａｉｓ、 ａｎｄ Ｆ．Ｈａｍｂｅｒ、ｔｏ ｂｅ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ．
【非特許文献３】ＳＵＰＥＲＰＯＬＩ Ｆａｕｌｔ−Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｅｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＹＢＣＯ−Ｃｏａｔｅｄ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ Ｔａｐｅｓ ｂｙ Ａ．Ｕｓｏｓｋｉｎ ｅｔ ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．２、２００３年６月、１９７２〜５頁
【非特許文献４】Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｋ ｂｙ Ｐａａｓｉ ｅｔ ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、Ｖｏｌ．１１、Ｎｏ．１、Ｍａｒｃｈ ２００１年３月、１９２８〜３１頁
【非特許文献５】ＨＴＳ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｆ ＡＣ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ａｎｄ Ｆａｕｌｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｂｙ Ｖｅｒｈａｅｇｅ ｅｔ ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、Ｖｏｌ．１１、Ｎｏ．１、２００１年３月、２５０３〜６頁
【非特許文献６】Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ＹＢＣＯ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｉｎ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｆａｕｌｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｅｒｓ ｂｙ Ｈ．−Ｐ．Ｋｒａｅｍｅｒ ｅｔ ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．２、２００３年６月、２０４４〜７頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ＨＴＳケーブルが故障電流を処理する方法が改善され、また、例えば、電力リンクを形成している、長さ当たりの抵抗が大きい故障電流制限モジュールなどの独立型ＦＣＬまたは他の故障電流制限デバイスの使用に取って代わる改良型代替が提供されることが望ましい。故障電流制限機能を組み込んだ実用的な長距離連続可撓性ＨＴＳ電力ケーブルは、容量が大きく、フットプリントが小さく、かつ、環境的にきれいな電力送電および配電の確立に大きな利点を提供することができ、また、それと同時に、込み合った電力公益事業変電所における高価な個別の故障電流制限デバイスの必要性を回避することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本開示の第１の実施態様では、超伝導電気ケーブルシステムが、既知の故障電流レベルを有する電力公益事業電力格子内に含まれるように構成されている。この超伝導電気ケーブルシステムは、電力公益事業電力格子の第１の分岐点と第２の分岐点の間に相互接続された非超伝導電気経路を備えている。超伝導電気経路が、電力公益事業電力格子の第１の分岐点と第２の分岐点の間に相互接続されている。超伝導電気経路および非超伝導電気経路は並列に電気接続されており、超伝導電気経路は、臨界電流レベルおよび臨界温度未満で動作する場合、非超伝導電気経路より小さい直列インピーダンスを有する。超伝導電気経路は、臨界電流レベルおよび超伝導体臨界温度のうちの１つまたは複数で動作し、あるいはそれより高いレベルまたは高い温度で動作する場合、非超伝導電気経路の直列インピーダンスの少なくともＮ倍の直列インピーダンスを有するように構成されている。Ｎは１より大きく、非超伝導電気経路のインピーダンスと相まって既知の故障電流レベルを少なくとも１０％減衰させるように選択される。
【００１７】
以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。非超伝導電気経路は非低温温度に維持することができる。非低温温度は、少なくとも２７３Ｋにすることができる。超伝導電気経路はケーブルアセンブリ内に備えることができ、また、非超伝導電気経路はケーブルアセンブリの外側に配置することができる。インピーダンス調整デバイスは、非超伝導電気経路のインピーダンスを調整することができる。インピーダンス調整デバイスは、リアクトルアセンブリを備えることができる。
【００１８】
高速スイッチは、超伝導電気経路に直列に電気結合することができる。超伝導電気経路は、第１の超伝導ケーブル部分および少なくとも第２の超伝導ケーブル部分を備えることができる。第１の超伝導ケーブル部分は第１のＨＴＳ超伝導材料を備えることができる。少なくとも第２の超伝導ケーブル部分は第２のＨＴＳ超伝導材料を備えることができる。第１のＨＴＳ超伝導材料はＹＢＣＯ材料を備えることができる。第２のＨＴＳ超伝導材料はＢＳＣＣＯ材料を備えることができる。
【００１９】
Ｎは３以上にすることができる。Ｎは５以上にすることができる。非超伝導電気経路は、少なくとも１つの非超伝導電気ケーブルを備えることができる。非超伝導電気経路は、少なくとも１つの非超伝導電気架空線路を備えることができる。超伝導電気経路は、１つまたは複数の超伝導電気ケーブルおよび１つまたは複数の高速スイッチアセンブリのうちの１つまたは複数を備えることができる。非超伝導電気経路は、１つまたは複数の非超伝導電気ケーブル、１つまたは複数の母線、１つまたは複数の変電所および１つまたは複数のリアクトルアセンブリのうちの少なくとも１つを備えることができる。
【００２０】
少なくとも１つの超伝導電気ケーブルは、中央に配置された軸方向の冷媒通路を備えることができる。この中央に配置された軸方向の冷媒通路は、該冷媒通路を介して冷媒を軸方向に分配することができるように構成されている。超伝導電気経路は、９０Ｋの温度範囲で０．８マイクロオーム−ｃｍより大きい抵抗率を個々に有する複数の導電コンポーネントを備えることができる。
【００２１】
少なくとも１つの超伝導電気ケーブルは、１つまたは複数のＨＴＳワイヤを備えることができる。複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つは、イットリウムすなわち希土類・バリウム・銅・酸化物、タリウム・バリウム・カルシウム・銅・酸化物、ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸化物、水銀・バリウム・カルシウム・銅・酸化物およびマグネシウム・ジボライドからなるグループから選択される材料で構築することができる。
【００２２】
複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つはカプセル封じ剤を備えることができる。１つまたは複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つは、２００〜６００ミクロンの範囲内の総合厚さを有し、かつ、９０Ｋで０．８〜１５．０マイクロオーム−ｃｍの範囲内の抵抗率を有する１つまたは複数のスタビライザ層を備えることができる。
【００２３】
スタビライザ層は、少なくとも部分的に黄銅材料で構築することができる。１つまたは複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つは、２００〜１０００ミクロンの範囲内の総合厚さを有し、かつ、９０Ｋで１〜１０マイクロオーム−ｃｍの範囲内の抵抗率を有する１つまたは複数のスタビライザ層を備えることができる。１つまたは複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つは、臨界電流レベル未満の超伝導モードで動作するように構成することができる。１つまたは複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つは、臨界電流レベル以上の非超伝導モードで動作するように構成することができる。
【００２４】
本開示の他の実施態様では、超伝導電気ケーブルシステムが、既知の故障電流レベルを有する電力公益事業電力格子内に含まれるように構成されている。この超伝導電気ケーブルシステムは、電力公益事業電力格子の第１の分岐点と第２の分岐点の間に相互接続された非低温非超伝導電気経路を備えている。超伝導電気経路が、電力公益事業電力格子の第１の分岐点と第２の分岐点の間に相互接続されている。超伝導電気経路および非超伝導電気経路は並列に電気接続されている。超伝導電気経路は、臨界電流レベル未満で動作する場合、非超伝導電気経路より小さい直列インピーダンスを有する。超伝導電気経路は、臨界電流レベルで動作し、あるいはそれより高いレベルで動作する場合、非超伝導電気経路の直列インピーダンスの少なくともＮ倍の直列インピーダンスを有するように構成されている。Ｎは１より大きい。
【００２５】
以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。非低温非超伝導電気経路は、少なくとも２７３Ｋの非低温温度に維持することができる。超伝導電気経路はケーブルアセンブリ内に備えることができ、また、非低温非超伝導電気経路はケーブルアセンブリの外側に配置することができる。インピーダンス調整デバイスは、非低温非超伝導電気経路のインピーダンスを調整することができる。インピーダンス調整デバイスは、リアクトルアセンブリを備えることができる。
【００２６】
超伝導電気経路は、第１の超伝導ケーブル部分および少なくとも第２の超伝導ケーブル部分を備えることができる。第１の超伝導ケーブル部分は、第１のＨＴＳ超伝導材料を備えることができ、また、少なくとも第２の超伝導ケーブル部分は、第２のＨＴＳ超伝導材料を備えることができる。第１のＨＴＳ超伝導材料はＹＢＣＯ材料を備えることができ、また、第２のＨＴＳ超伝導材料はＢＳＣＣＯ材料を備えることができる。Ｎは３以上にすることができる。Ｎは５以上にすることができる。
【００２７】
添付の図面は、１つまたは複数の実施態様の詳細を示したものであり、以下、それらについて説明する。他の特徴および利点は、以下の説明、図面および特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】電力公益事業電力格子内に設置された銅コアＨＴＳケーブルの略図である。
【図２】図１の銅コアＨＴＳケーブルの等角図である。
【図３】中空コアＨＴＳケーブルの等角図である。
【図４】電力公益事業電力格子内に設置された図３の中空コアＨＴＳケーブルの略図である。
【図５】電力公益事業電力格子の略図である。
【図６】超伝導ケーブル／従来のケーブル対のモデルを示す図である。
【図７Ａ】ＨＴＳワイヤの横断面図である。
【図７Ｂ】代替実施形態ＨＴＳワイヤの横断面図である。
【図８】図７のＨＴＳワイヤのモデルを示す図である。
【図９】図６の超伝導ケーブル／従来のケーブル対の代替モデルを示す図である。
【図１０】超伝導モードである間の図９の超伝導ケーブル／従来のケーブル対のモデルを示す図である。
【図１１】非超伝導モードである間の図９の超伝導ケーブル／従来のケーブル対のモデルを示す図である。
【図１２】電力公益事業電力格子内に設置された図３の中空コアＨＴＳケーブルの代替実施形態の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
すべての図を通して、同様の参照記号は同様の構成要素を表している。
【００３０】
概説
図１を参照すると、電力公益事業電力格子１０の一部は、高温超伝導体（ＨＴＳ）ケーブル１２を備えることができる。ＨＴＳケーブル１２は、数百メートルまたは数千メートルの長さにすることができ、また、発電所（図示せず）から電力を引き渡すための、あるいは遠隔の電力公益事業（図示せず）から電力を引き入れるための、電流が比較的大きく／抵抗が比較的小さい電気経路を提供することができる。
【００３１】
ＨＴＳケーブル１２の断面積は、従来の銅コアケーブルの断面積のほんの数分の１にすることができ、また、同じ量の電流を運ぶことができる。上で説明したように、ＨＴＳケーブルは、同じ断面積以内で従来のＡＣケーブルの３倍乃至５倍の電流容量を提供することができ、また、従来のＤＣケーブルの最大１０倍の電流容量を提供することができる。ＨＴＳの技術が発達するにつれて、これらの比率を大きくすることができる。
【００３２】
以下でより詳細に説明するように、ＨＴＳケーブル１２は、同様のサイズの銅線の１５０倍程度の電流を処理することができるＨＴＳワイヤを備えることができる。したがって、比較的少量のＨＴＳワイヤを使用して（従来のＡＣケーブルのコア内でより合わされた大量の銅導体ではなく）、同様のサイズの従来の銅導体電力ケーブルの３倍乃至５倍程度の電力を提供することができるＨＴＳ電力ケーブルを構築することができる。
【００３３】
ＨＴＳケーブル１２は、例えば１３８ｋＶのレベルで電圧を運ぶ送電格子セグメント１４内で接続し、格子セグメント１４から、この電圧を受け取り、かつ、受け取った電圧のレベルを例えば６９ｋＶのより低いレベルに変換する格子セグメント１６まで展開させることができる。例えば、送電格子セグメント１４は、７６５ｋＶの電力を受け取ることができ（架空線路すなわちケーブル１８を介して）、また、この送電格子セグメント１４は、１３８ｋＶ変電所２０を備えることができる。１３８ｋＶ変電所２０は、ケーブル１８上で受け取った７６５ｋＶの電力を１３８ｋＶに逓降させるための７６５ｋＶ／１３８ｋＶ変圧器（図示せず）を備えることができる。次に、この「逓降された」１３８ｋＶの電力を例えばＨＴＳケーブル１２を介して送電格子セグメント１６に提供することができる。送電格子セグメント１６は、ＨＴＳケーブル１２を介して受け取った１３８ｋＶの電力を６９ｋＶの電力に逓降させるための１３８ｋＶ／６９ｋＶ変圧器（図示せず）を備えることができる６９ｋＶ変電所２４を備えることができ、６９ｋＶに逓降された電力を例えばデバイス２６、２８、３０、３２に配電することができる。デバイス２６、２８、３０、３２の例には、それには限定されないが３４．５ｋＶ変電所を含むことができる。
【００３４】
上で説明した電圧レベルは、説明を目的としたものにすぎず、本開示を制限することを意図したものではない。したがって本開示は、送電システムおよび配電システムの両方における様々な電圧レベルおよび電流レベルに等しく適用することができる。同様に、本開示は、産業用電力配電または車両用電力配電（例えば船舶、列車、航空機および宇宙船）などの非公益事業アプリケーションにも等しく適用することができる。
【００３５】
１つまたは複数の遮断器３４、３６を例えばＨＴＳケーブル１２の各末端で接続することができ、また、電力公益事業電力格子１０からＨＴＳケーブル１２を速やかに開放することができる。故障管理システム３８は、ＨＴＳケーブル１２が損傷することになるポイント未満の温度にＨＴＳケーブル１２が確実に維持されるよう、ＨＴＳケーブル１２のための過電流保護を提供することができる。
【００３６】
故障管理システム３８は、ＨＴＳケーブル１２が結合されている電力公益事業格子のセグメントに流入する電流を監視することによってこのような過電流保護を提供することができる。例えば故障管理システム３８は、１３８ｋＶ変電所２０を通って流れる電流を知覚することができ（例えば電流センサ４０を使用して）、また、電流センサ４０によって提供される信号に少なくとも部分的に基づいて遮断器３４、３６の動作を制御することができる。
【００３７】
この実施例の場合、ＨＴＳケーブル１２は、大きさが５１ｋＡ程度で、継続期間が２００ｍｓの故障電流（つまり１２サイクルの６０Ｈｚ電力）に耐えるように設計することができる。２００６年７月２１日に出願した、Ｆａｕｌｔ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ＨＴＳ Ｐｏｗｅｒ Ｃａｂｌｅという名称の同時係属米国特許出願第１１／４５９，１６７号に、故障管理システム３８の詳細が記載されている。そのためには、通常、ＨＴＳケーブルは、大きい故障電流の運搬を補助し、ひいてはＨＴＳワイヤの保護を補助するかなりの量の銅を含有しなければならない。銅は、ＨＴＳケーブルを保護するために提供されるが、抵抗が極めて小さいため、電流の制限に関しては有意な効果は有していない。
【００３８】
また、図２を参照すると、より合わされた銅コア１００を備えることができる単相銅コアＨＴＳケーブル１２の典型的な実施形態が示されており、第１のＨＴＳ層１０２、第２のＨＴＳ層１０４、高電圧誘電体絶縁層１０６、銅遮蔽層１０８、ＨＴＳ遮蔽層１１０、冷媒通路１１２、内部クライオスタット壁１１４、熱絶縁１１６、真空空間１１８、外部クライオスタット壁１２０および外部ケーブルシース１２２が、半径方向に連続的にこのより合わされた銅コア１００を取り囲んでいる。銅遮蔽層１０８は、別法として、ＨＴＳ遮蔽層１１０の外側に配置することも可能である。ＨＴＳ層１０２およびＨＴＳ層１０４は、「相導体」と呼ぶことも可能である。動作中、冷媒（例えば液体窒素、図示せず）を外部冷媒源（図示せず）から供給することができ、また、冷媒通路１１２内で、その長さに沿って循環させることができる。ケーブルのすべてのコンポーネントは、ＨＴＳケーブル１２の可撓性を可能にするように設計されている。例えば、より合わされた銅コア１００（その上に第１のＨＴＳ層１０２および第２のＨＴＳ層１０４が巻かれている）は可撓性である。したがって、より合わされた可撓性銅コア１００を利用することによって、その長さに沿って連続的に可撓性であるＨＴＳケーブル１２が実現されている。任意選択で、螺旋状に巻かれたＨＴＳワイヤを波形金属巻型を使用して支持し、連続した可撓性をケーブルの長さに沿って提供することができる。
【００３９】
追加／別法として、追加同軸ＨＴＳ層および絶縁層を利用することも可能である。例えば、３層以上のＨＴＳワイヤを単相に使用することができる。また、絶縁層（図示せず）によって分離された３つのグループのＨＴＳ層を利用して３相電力を運ぶことも可能である。Ｕｌｔｅｒａ（つまりジョージア州キャロルトン在所のＳｏｕｔｈｗｉｒｅ Ｃｏｍｐａｎｙと、ドイツのケルン在所のｎｋｔケーブルの合弁会社）によって提案されたＴｒｉａｘ ＨＴＳ Ｃａｂｌｅ構造は、このようなケーブル構造の一例である。ＨＴＳケーブル１２の他の実施形態は、それらに限定されないが、暖および／または冷誘電体構成、単相対３相構成および様々な異なる遮蔽構成（例えば非遮蔽およびクライオスタットに基づく遮蔽）を備えることができる。
【００４０】
銅コア１００および銅遮蔽層１０８は、ケーブル１２内に出現し得る故障電流（例えば故障電流１２４）を運ぶように構成することができる。例えば、ケーブル１２内に故障電流１２４が出現すると、ＨＴＳ層１０２、１０４内の電流が、場合によってはＨＴＳ層１０２、１０４の臨界電流レベル（つまりＩｃ）を超えるレベルまで劇的に大きくなり、そのためにＨＴＳ層１０２、１０４がそれらの超伝導特性を失う原因になることがある（つまりＨＴＳ層１０２、１０４が「通常の状態」になることがある）。臨界電流レベルＩｃの典型的な値は、定格が３０００Ａｒｍｓのケーブルの場合、４２４２Ａｐｅａｋである（Ａｒｍｓは、電流のルート平均二乗アンペアと呼ばれている）。
【００４１】
ＨＴＳ材料の臨界電流レベルは、場合によっては電界レベルの選択で決まる。従来、臨界電流レベルＩｃは、１マイクロボルト／ｃｍの電界レベルとして定義されているが、もっと小さい値を使用することも可能である。しかしながら、通常、超伝導体は、ゼロ抵抗（つまり超伝導）状態と電流レベルを関数とした完全な抵抗性（つまり非超伝導）状態の間の移行領域を示す。この移行領域での動作によって生じるワイヤ損失は、完全な抵抗性状態での動作によって生じるワイヤ損失より小さい。したがって、ＨＴＳケーブル１２中のワイヤの一部は、場合によっては、１マイクロボルト／ｃｍの基準で定義されている従来の臨界電流レベルＩｃの係数（「ｆ」）倍の臨界電流レベルＩｃで完全な抵抗性状態に切り換わることがある。ＹＢＣＯ薄膜を備えた蛇行線ワイヤの場合、この係数は２になるように決定されたが、この係数は時間と共に若干変化することが分かった。Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ＹＢＣＯ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｉｎ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｆａｕｌｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｅｒｓ ｂｙ Ｈ．−Ｐ．Ｋｒａｅｍｅｒ ｅｔ ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．２、２００３年６月、２０４４〜７頁を参照されたい。同様のＹＢＣＯ薄膜を備えたＨＴＳワイヤのｆ−係数は同じ範囲になることが期待され、その範囲は１〜４であることが予測されている。
【００４２】
したがって、臨界電流レベル（上で定義した）とｆ−係数の積が超過すると、場合によってはＨＴＳ層１０２、１０４の抵抗が著しく大きくなることがあり、また、かなり非常に大きくなることがある（つまり銅コア１００と比較すると）。複数の並列ワイヤを通って流れる電流は、個々のワイヤの抵抗に反比例して分配されるため、ＨＴＳ層１０２、１０４に並列に接続されている銅コア１００に故障電流１２４の大部分を向けることができる。銅コア１００を通る故障電流１２４のこの流れは、故障電流１２４が減退するか、あるいはＨＴＳケーブル１２を通る故障電流１２４の流れを適切な遮断器（例えば遮断器３４、３６）が遮断するまで継続することができる。
【００４３】
ＨＴＳケーブル１２内のＨＴＳワイヤの過熱は、銅コア１００によって提供される２つの利点によって回避することができる。第１に、故障電流１２４（または少なくともその一部）をＨＴＳ層１０２、１０４から銅コア１００へ向けることにより、ＨＴＳケーブル１２内のＨＴＳワイヤの過熱を回避することができる。また、第２に、銅コア１００によって熱容量が追加され、それによりＨＴＳ層１０２および１０４の温度上昇が抑制される。故障電流１２４（または少なくともその一部）がＨＴＳ層１０２、１０４から銅コア１００へ向けられなかった場合、ＨＴＳ層１０２、１０４の抵抗が大きいため、故障電流１２４によってＨＴＳケーブル１２内のＨＴＳワイヤが著しく加熱されることになり、ひいては液体窒素のガス状「気泡」が形成されることになる（つまり冷媒通路１１２内で液体窒素が液体の状態から気体の状態に変換されるため）。残念なことには、液体窒素のガス状「気泡」が形成されると、誘電体層の絶縁耐力が低下し、ひいては電圧破壊によってＨＴＳケーブル１２が破壊されることになる。暖誘電体ケーブル構成の場合（図示せず）、ＨＴＳ層１０２、１０４から方向転換されなかった故障電流は、ＨＴＳ層１０２、１０４を単純に過熱し、破壊することになる。
【００４４】
ＨＴＳケーブル１２の例には、それらに限定されないが、フランスのパリ在所のＮｅｘａｎｓ、日本の大阪在所の住友電気工業株式会社およびＵｌｔｅｒａ（つまりジョージア州キャロルトン在所のＳｏｕｔｈｗｉｒｅ Ｃｏｍｐａｎｙと、ドイツのケルン在所のｎｋｔケーブルの合弁会社）から入手することができるＨＴＳケーブルを含むことができる。
【００４５】
銅コア１００は、故障電流（またはその一部）を周囲のＨＴＳ層１０２、１０４に向けているが、このような「内部」銅コアを利用することには欠点がある。例えば銅コア１００には、場合によってはＨＴＳケーブル１２を物理的により大きく、かつ、より重くする必要があり、そのためにコストが高くなり、また、より多くの熱がＨＴＳケーブル１２内に保持されることになる。したがって余分に保持される熱を補償するためにはより多くの冷凍が必要になり、ひいては総合システムコストおよび運転コストがより高くなることになる。さらに、銅コア１００の熱容量が大きく、また、誘電体層のためにＨＴＳ層１０２、１０４と冷媒との間の熱抵抗が大きく、そのために場合によっては回復時間が著しく長くなり、したがって故障電流のエネルギーによって、ＨＴＳ層１０２、１０４の超伝導性を維持することができるポイントを超えて温度が上昇することになる。例えば、故障電流が銅コア１００を介して方向転換される場合、ＨＴＳケーブル１２を適切な動作温度範囲内（例えば６５〜７７°Ｋ）に冷却するためには、冷凍システム（図示せず）は場合によっては数時間を要することになる。ＨＴＳケーブル１２をケーブルの動作範囲内に冷却するために要する時間は、一般に「回復時間」と呼ばれており、電力公益事業は、送電デバイスのためにはこの回復時間を場合によっては数秒（またはそれ未満）にしなければならず、あるいは配電デバイスのためにはこの回復時間を数十分の一秒（またはそれ未満）にしなければならない。別法としては、独立型故障電流制限器をＨＴＳケーブル１２と共に使用して故障電流を制限することも可能であるが、それには、大型で、かつ、コストのかかる他の電気設備をＨＴＳケーブル１２にリンクされた変電所内に設置しなければならない欠点がある。
【００４６】
図３を参照すると、本開示による可撓性中空コアＨＴＳケーブル１５０が示されている。ＨＴＳケーブル１５０は、従来技術による銅コアＨＴＳケーブル１２の様々なコンポーネントを備えることができるが、ＨＴＳケーブル１５０は、より合わされた銅コア１００（図２）を備えていない。より合わされた銅コア１００は、可撓性中空コア（例えば内部冷媒通路１５２）に置き換えられた。内部冷媒通路１５２の一実施例は、それには限定されないが可撓性波形ステンレス鋼管を備えることができる。また、すべての銅遮蔽層が除去されている。冷媒（例えば液体窒素）は、内部冷媒通路１５２を通って流れることができる。
【００４７】
銅コアＨＴＳケーブル１２の場合と同様の方法で、第１のＨＴＳ層１０２、第２のＨＴＳ層１０４（通常、層１０２とは逆のヘリシティで螺旋状に巻かれている）、高電圧誘電体絶縁層１０６、支持構造１０８、ＨＴＳ遮蔽層１１０、冷媒通路１１２、内部クライオスタット壁１１４、熱絶縁１１６、真空空間１１８、外部クライオスタット壁１２０および外部ケーブルシース１２２によって、半径方向に連続的にこの内部冷媒通路１５２を取り囲むことができる。動作中、冷媒（例えば液体窒素、図示せず）を外部冷媒源（図示せず）から供給することができ、また、冷媒通路１１４内および内部冷媒通路１５２内で、それらの長さに沿って循環させることができる。ＭｇＢ２のように転位温度がより低い材料の場合、代替冷媒（例えば液体ネオンまたは液体水素）を使用することも可能である。
【００４８】
ＨＴＳケーブル１２の場合と同様、ＨＴＳケーブル１５０のすべてのコンポーネントは、ケーブルの長さに沿った連続的な可撓性を可能にするように設計されている。例えば、上で説明したように、内部冷媒通路１５２（その上に第１のＨＴＳ層１０２および第２のＨＴＳ層１０４が巻かれている）は可撓性である。したがって、可撓性内部冷媒通路１５２を利用することによって可撓性ＨＴＳケーブル１５０が実現されている。
【００４９】
図４を参照すると、電力公益事業電力格子部分１０’は、可撓性長距離ケーブル１５０を備えることができる。ここでは、長距離は、２００ｍより長い距離として定義されている。また、電力公益事業電力格子部分１０’は、ＨＴＳケーブル１５０に並列に接続された従来のケーブル（つまり非超伝導ケーブル）２００を備えることも可能である。従来のケーブル２００の例には、それには限定されないが、コネチカット州シーモア在所のＴｈｅ Ｋｅｒｉｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙから入手することができる５００ｋｃｍｉｌ、１３８ｋＶ Ｓｈｉｅｌｄｅｄ Ｔｒｉｐｌｅ Ｐｅｒｍａｓｈｉｅｌｄ（ＴＰＳ）電力ケーブルを含むことができる。従来のケーブル２００は、レトロフィットアプリケーションにおける既存のケーブルであってもよく、例えば電気格子の電力容量を増すためにＨＴＳケーブル１５０が追加され、１つまたは複数の従来のケーブルと置換される。別法としては、従来のケーブル２００は、ＨＴＳケーブル１５０と同時に設置され、かつ、適切なバスワークおよび遮断器に相互接続される新しい従来のケーブルであってもよい。
【００５０】
ＨＴＳケーブル１５０および／または追加ＨＴＳケーブル（図示せず）は、電力公益事業電力格子の一部を含むことができる超伝導電気経路２０２内に含めることができる。さらに、超伝導電気経路２０２は、母線（図示せず）、変圧器（図示せず）、故障電流制限器（図示せず）および変電所（図示せず）などの他の超伝導電力配電デバイスを備えることができる。
【００５１】
高速スイッチアセンブリ２０２は、ＨＴＳケーブル１５０に直列に結合することができる。ペンシルベニア州グリーンズバーグ在所のＡＢＢ社が製造している１３８ｋＶ Ｔｙｐｅ ＰＭ Ｐｏｗｅｒ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｒｅａｋｅｒは、高速スイッチアセンブリ２０２の一例である。高速スイッチアセンブリ２０２（例えば４サイクルで開くことができるスイッチ）は、故障管理システム３８によって制御することができる。例えば、故障管理システム３８は、故障電流１２４（図３）を知覚すると高速スイッチアセンブリ２０２を開くことができ、それによりＨＴＳケーブル１５０を本質的に故障電流１２４から分離することができる。多相電力の場合、複数の高速スイッチアセンブリ２０２を利用することができる。別法としては、いくつかの高速スイッチアセンブリまたは遮断器を単一の３相デバイスとして構築することができる。高速スイッチアセンブリ２０２は、ＨＴＳケーブル１５０がその超伝導状態に復帰することができるよう、十分な時間が経過した後、再度閉じることができる。既存の電力公益事業遮断器３４、３６が十分な速さでスイッチし、以下で説明する加熱要求事項に合致する場合、高速スイッチアセンブリ２０２は、場合によっては不要である。
【００５２】
従来のケーブル２００（図示せず）および／または従来の追加ケーブル（図示せず）は、電力公益事業電力格子の一部を含むことができる非超伝導電気経路２０４内に含めることができる。さらに、非超伝導電気経路２０４は、母線（図示せず）、変圧器（図示せず）、故障電流制限器（図示せず）および変電所（図示せず）などの他の配電デバイスを備えることができる。非超伝導電気経路２０４は、非低温温度（例えば０℃に相当する少なくとも２７３Ｋの温度）に維持することができる。例えば、非超伝導電気経路２０４を冷却することは不可能であり、したがって周囲温度にあることを前提にすることができる。
【００５３】
以下でより詳細に説明するように、銅コア１００（図２）および銅遮蔽層１０８（図２）を可撓性長距離ＨＴＳケーブル１５０の内側から除去し、かつ、従来の外部（つまりＨＴＳケーブル１５０に対して）並列接続ケーブル２００を利用して例えば故障電流１２４を運ぶことにより、ＨＴＳケーブル１５０を物理的により小さくすることができ、ひいては製造コストを低減し、また、ＨＴＳケーブル１５０からの熱損失をより少なくすることができる。したがって、ＨＴＳケーブル１５０は、必要な冷凍をより少なくすることができ（より大きい熱保持を有しているＨＴＳケーブル１２と比較すると）、ひいては総合システムコストおよび運転コストをより少なくすることができる。さらに、銅コア１００をＨＴＳケーブル１２の内側からＨＴＳケーブル１５０の外側へ移動させることにより（従来のケーブル２００の形態で）、ＨＴＳケーブル１５０の熱容量およびＨＴＳ層１０２、１０４と冷媒との間の熱抵抗の両方が小さくなり、したがって故障電流１２４によって、ＨＴＳ層１０２、１０４の超伝導性を維持することができるポイントを超えてＨＴＳケーブル１５０の温度が上昇した場合に、その回復時間をより短くすることができる。銅コア１００をＨＴＳケーブル１２の内側から除去し、かつ、適切に最適化されたＨＴＳワイヤを使用することにより、故障電流制限機能をＨＴＳケーブル１５０に直接組み込むことができ、したがって、ＨＴＳケーブルまたは下流側の電力公益事業設備を故障電流から保護することを望む場合に、個別の独立型故障電流制限器の必要性が除去される。
【００５４】
ＨＴＳケーブルおよび故障電流制限器
もう一度図１を参照すると、格子セクション１０内の故障電流によって、ＨＴＳケーブル１２を通って流れる電流が従来の遮断器３４、３６の制限を超えて大きくなる場合、ＨＴＳ ＦＣＬデバイス４２（仮想線で示されている）または従来のリアクトル技術（図示せず）を格子セクション１０内に組み込むことができ、それにより、ＨＴＳケーブル１２を通って流れる故障電流の大きさを従来の遮断器３４、３６が遮断することができるレベルに制限することができる。通常の状態の下で公称電流レベルが格子セクション１０内を流れる場合、電力潮流に直列に接続されるＨＴＳ ＦＣＬデバイス４２は、極めて小さいインピーダンスが格子に導入されるように設計することができる（他の格子インピーダンスと比較して）。しかしながら、故障電流が格子セクション１０に出現すると、その電流によってＨＴＳ ＦＣＬ４２内の超伝導体が瞬時に「通常」すなわち非超伝導状態（つまり抵抗性）になり、そのために極めて大きいインピーダンスが格子セクション１０に追加されることになる。ＨＴＳ ＦＣＬ４２は、故障電流を従来の遮断器３４、３６の遮断能力の範囲内である所定のレベルに制限するように設計される。
【００５５】
独立型ＨＴＳ ＦＣＬデバイス４２は、Ｓｉｅｍｅｎｓ ＡＧ（ドイツ）と共にＡｍｅｒｉｃａｎ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（マサチューセッツ州ウェストバラ在所）を始めとする様々な会社によって開発されている。残念なことには、ＨＴＳ ＦＣＬデバイス４２を格子セクション１０に追加することは、場合によってはコストが非常に高くつき、また、場合によってデバイス４２を収容するためのかなりの量の空間が必要であり、そのためにとりわけ都市地域における収容が場合によっては困難である。故障電流制限能力を備えた短い母線すなわちモジュールは、Ｎｅｘａｎｓ（フランス）およびＥＨＴＳ（ドイツ）を始めとする様々な会社によって開発されている。故障電流制限母線は、特定のアプリケーションを有することができるが、それらは、送電および配電アプリケーションのための長距離連続可撓性ケーブルによって提供される、必要とされる大きい容量、小さいフットプリントおよび可撓性を提供していない。
【００５６】
本開示によれば、ＨＴＳデバイス、例えば連続可撓性長距離ＨＴＳケーブル１５０（図３）は、適切に設計されると、ＨＴＳ ＦＣＬ４２（図１）などの個別のＨＴＳ ＦＣＬを組み込む必要のない故障電流制限器自体として使用することができる。例えばＨＴＳケーブル１５０の通常状態（抵抗性）インピーダンスを制御することにより、ＨＴＳケーブル自体を利用して、典型的な独立型ＨＴＳ ＦＣＬの望ましい効果（例えば故障電流の減衰）を得ることができ、かつ、典型的な独立型ＨＴＳ ＦＣＬの望ましくない効果が（例えばコストおよびサイズ）が回避される。故障電流制限効果および利点をさらに達成するために、ＨＴＳケーブルを従来のケーブル（つまり非超伝導ケーブル）と並列に配置することができる。例えば、超伝導ケーブル１５０および従来のケーブル２００を並列に配置する場合、この組合せは、以下でより詳細に説明する故障電流制限ケーブルシステムとして作用するように設計し、かつ、動作させることができる。
【００５７】
本開示は、他のＨＴＳデバイスにも適用することができる。例えば、他のタイプの超伝導デバイス（例えば超伝導変圧器、図示せず）を従来の変圧器（図示せず）と並列に配置する場合、これらのデバイスのこの組合せは、故障電流制限システムとして作用するように設計し、かつ、動作させることができる。その場合、従来の変圧器がアクティブであるのは、その回復期間の間、高速スイッチが超伝導変圧器を通って流れる電力を遮断する故障事象の間のみであるため、定常状態定格の関数として従来の変圧器をサイズ化することができる。別法としては、故障電流を減衰させる必要がない場合、必ずしもすべての故障電流が超伝導変圧器を通って流れるわけではなく、その代わりに優先的に従来の変圧器を通って流れることになるため、この構造によって超伝導変圧器をより小さくすることができる。したがって、従来のデバイスを本開示による超伝導デバイスに並列に配置することにより、格子上の故障電流の大きさを所望のレベルに制限することができ（従来の並列デバイスおよび／または超伝導デバイスを適切にサイズ化することによって）、ひいては容易に入手することができる遮断器を使用することが可能になる。
【００５８】
ＨＴＳデバイス（例えば図４のＨＴＳケーブル１５０）が通常の動作をしている間、ＨＴＳデバイスのインピーダンス（つまり実インピーダンスおよび無効インピーダンスの両方）を従来のデバイス（例えば従来のケーブル２００）のインピーダンスより著しく小さくすることができる。例えば、ＨＴＳケーブル１５０の典型的なインピーダンスは、本質的に１キロメートル当たり０．００＋ｊ０．００７オームであり（超伝導の場合）、また、１キロメートル当たり１．４６＋ｊ０．００７オームである（超伝導ではなく、完全な抵抗性の場合）。また、従来のケーブル２００の典型的なインピーダンスは、１キロメートル当たり０．０９５＋ｊ０．１７１オームである。ＨＴＳケーブル１５０は、超伝導である場合、本質的にゼロ抵抗を有していることに留意されたい。したがってＨＴＳケーブル１５０が超伝導である場合、遮断器３４、３６を通って流れる電流の大部分はＨＴＳケーブル１５０を通って流れることになる（従来のケーブル２００を通って流れる電流は極めてわずかであるか、あるいはゼロである）。しかしながら超伝導ではない場合、電流の大部分は従来のケーブル２００を通って流れることになる（ＨＴＳケーブル１５０を通って流れる電流はほんのわずかにすぎない）。
【００５９】
インピーダンス調整デバイス（例えば過渡定格または全定格リアクトルアセンブリ２０６）は、従来のケーブル２００に直列に結合することができる。リアクトルアセンブリ２０６の一実施例は、それには限定されないが、カナダのオンタリオ州スカーボロー在所のＴｒｅｎｃｈ（登録商標）Ｌｉｍｉｔｅｄが製造している空気コア・ドライ・タイプ電力リアクトルを備えることができる。リアクトルアセンブリ２０６は、インピーダンス（Ｚ）の虚数部分であるリアクタンス（Ｘ）を非超伝導電気経路２０４に導入することができる。誘導性リアクトルアセンブリの場合、リアクタンス（Ｘ）は２π（ｆ）（Ｌ）として定義することができ、（ｆ）はリアクトルアセンブリ２０６に印加される信号の周波数であり、（Ｌ）はリアクトルアセンブリ２０６のインダクタンスである。したがってリアクトルアセンブリ２０６に印加される信号が本質的に一定であるシステム（例えば６０Ｈｚ電力配電システム）の場合、リアクトルアセンブリ２０６のインダクタンスを変化させることによってリアクトルアセンブリ２０６のリアクタンス（Ｘ）を変化させることができる。
【００６０】
さらに、高速スイッチアセンブリ２０８は、ＨＴＳケーブル１５０に直列に結合することができる。ペンシルベニア州グリーンズバーグ在所のＡＢＢ社が製造している１３８ｋＶ Ｔｙｐｅ ＰＭ Ｐｏｗｅｒ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｒｅａｋｅｒは、高速スイッチアセンブリ２０８の一例である。リアクトルアセンブリ２０６および／または高速スイッチアセンブリ２０８（例えば４サイクルで動作させることができるスイッチ）のうちの一方または両方を故障管理システム３８によって制御することができる。例えば、故障管理システム３８は、故障電流１２４を知覚すると高速スイッチアセンブリ２０８を開くことができ、それにより従来のケーブル２００に沿ったリアクトルアセンブリ２０６は、故障電流１２４の電力の一部を吸収し、事実上、ＨＴＳケーブル１５０を故障電流１２４から分離することができる。また、高速スイッチは、電流制限によって高速スイッチングＨＴＳケーブルから保護されている。多相電力の場合、複数のリアクトルアセンブリ２０６および／または高速スイッチアセンブリ２０８を利用することができる。高速スイッチは、数分後にＨＴＳケーブルがその超伝導状態に復帰すると、再度閉じることができる。
【００６１】
また、図５を参照すると、電力公益事業電力格子２５０のコンテキストにおけるＦＣＬとしてのＨＴＳケーブル１５０の動作が示されている。この特定の実施例では、図に示されている電力公益事業電力格子２５０は、７６５ｋＶ母線２５２、６９ｋＶ母線２５４および３４．５ｋＶ母線２５６を備えている。さらに、図に示されている電力公益事業電力格子２５０は、３つの１３８ｋＶ変電所２０、２５８、２６０を備えており、これらの変電所の各々は、３つの６９ｋＶ変電所２４、２６２、２６４を介して６９ｋＶ母線２５４に電力を提供している。３つの３４．５ｋＶ変電所２６６、２６８、２７０は、６９ｋＶ母線２５４から３４．５ｋＶ母線２５６へ電力を提供することができる。図に示されているＨＴＳケーブルおよびＦＣＬシステム１５０、２００は、変電所２０と２４の間に配置されている。
【００６２】
故障電流（例えば故障電流１２４）が電力公益事業電力格子２５０内に存在している場合、電流は、相互接続されているすべての変電所から利用可能なすべての経路を通って流れ、場合によっては電力公益事業電力格子２５０上に置かれた極めて大きい負荷として出現する故障を供給することができる。故障状態の間に実現可能な故障電流を計算する場合、接地への短絡として故障をモデル化することができる。
【００６３】
また、図６を参照すると、特定の変電所（例えば１３８ｋＶ変電所２０）が例えば故障電流１２４に寄与する故障電流の量を決定する場合、開路が発生する電圧を理想電圧源３００としてモデル化することができる。さらに、ケーブル１５０、２００のインピーダンスは、それらの抵抗性等価回路エレメントおよび無効等価回路エレメントとしてモデル化することができ、また、上流側インピーダンスは、変圧器インピーダンスと組み合わせることができ、電源インピーダンス３０２として表すことができる。このコンテキストにおけるインピーダンスは、実成分および無効成分からなる複素ベクトル量であってもよい。数学的にはインピーダンスＺ＝Ｒ＋ｊＸであり、Ｒは実（つまり抵抗性）成分であり、Ｘは無効成分である。この実施例では、無効成分は誘導性であり、ｊωＬに等しい。ω＝２πｆであり、ｆは電流の周波数（例えば北アメリカでは６０Ｈｚ）である。
【００６４】
ケーブルも同様に複素インピーダンスとしてモデル化することができる。例えば、図に示されているケーブル１５０、２００は、上で説明したように接地への短絡として故障がモデル化されているため、接地に終端されている。オームの法則を使用して、１３８ｋＶ変電所２０によって提供される故障電流の期待レベルを決定することができる。この手法を格子２５０内の他の変電所に対して使用して、総合故障電流寄与を計算することができ、また、ケーブル１５０を通って流れることが期待される故障電流を決定することができる。次に、このさもなければ期待される故障電流１２４を従来の遮断器が取り扱うことができるもっと低い所定のレベルに制限するようにＨＴＳケーブル１５０および従来のケーブル２００を設計することができる。
【００６５】
ＨＴＳデバイスおよび従来のデバイスがＦＣＬとして適切に動作するように設計するためには、特定の基準を考慮しなければならない。例えば、故障状態の間、ＨＴＳケーブル１５０は、故障電流を所望のレベルまで小さくするだけの十分なインピーダンスを格子に提供するだけの十分な大きさの抵抗が達成されるように構成しなければならない。また、故障電流１２４の大部分が従来のケーブル２００を通って流れるようにするためには、このインピーダンスは、従来のケーブル２００のインピーダンスと比較して十分に大きくしなければならない。例えば、超伝導電気経路２０２は、超伝導電気経路２０２がその完全な抵抗性状態で動作している場合、非超伝導電気経路２０４の直列インピーダンスの少なくともＮ倍（例えば１より大きい）の直列インピーダンスを有するように構成することができる。Ｎの典型的な値は１より大きく、また、５より大きくすることも可能である。Ｎは、従来の並列リンクのインピーダンスと相まって既知の故障電流レベルを少なくとも１０％減衰させるように選択することができる。
【００６６】
この分圧器は、故障中におけるＨＴＳケーブル１５０の両端間の電圧降下によって、冷媒（例えば液体窒素または他の液体冷媒）が液体の状態から気体の状態に変化するポイントまでケーブルの温度が上昇しないように設計しなければならない。これが生じると、高電圧ケーブルコア（例えばＨＴＳ層１０２、１０４）と遮蔽（例えばＨＴＳ遮蔽層１０８）の間の液体窒素の絶縁耐力が維持されなくなり、ＨＴＳケーブル１５０内で電圧破壊が生じ、そのために場合によってはケーブルが損傷することになる。
【００６７】
そのスタビライザを備えたＨＴＳワイヤの、超伝導状態から通常の状態（つまり非超伝導状態）への移行後における抵抗率が十分に大きいため、故障電流の大部分を従来のデバイスの方へ導くための十分な大きさの抵抗をＨＴＳデバイスが達成する基準を達成することは可能である。すべての超伝導体の場合と同様、温度、電流密度および磁界強度が特定の臨界値未満を維持している限り、電流は、抵抗が本質的にゼロである超伝導体を通って流れることになる。しかしながら、ＨＴＳワイヤの抵抗性状態における加熱は、スタビライザの抵抗率が大きくなるにつれて大きくなる。したがって抵抗率は、以下でさらに説明するように、中間の範囲に存在していなければならない。
【００６８】
ＨＴＳケーブル１５０は、長さが２．６０ｋｍのＨＴＳケーブルであることが仮定されており、その定格は、１３８ｋＶ、直流２４００Ａである。ＨＴＳケーブル１５０のＨＴＳワイヤ（例えばＨＴＳ層１０２、１０４）は、２８本のＨＴＳワイヤのより線を並列に備えることができる。さらに、ケーブル１５０は、３００ミクロンの黄銅が積層された（片面に１５０ミクロンずつ）、幅０．４４ｃｍ、９０Ｋにおける抵抗率が５マイクロオーム−ｃｍのＨＴＳワイヤを使用して構築されていることが仮定されている。この場合、このＨＴＳワイヤの１本のより線は、１キロメートル当たり約３７．９オームの９０Ｋ抵抗を有している。Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎは、ＨＴＳワイヤに対する黄銅スタビライザの積層を立証している。したがって、相当たりのケーブル抵抗は、３７．９Ω／ｋｍ＊２．６ｋｍ＊１．０８／２８より線＝３．８０Ωになる。係数１．０８は、個々のより線の長さをＨＴＳケーブル１５０の長さより長くする必要がある螺旋状ケーブル敷設プロセスからきている。従来のケーブル２００の場合、インピーダンスは、２．６ｋｍ＊（０．０９５＋ｊ０．１７）Ω／ｋｍ＝０．２５＋ｊ０．４４Ωである。したがってＨＴＳケーブル１５０は、超伝導の場合、従来のケーブル２００より実質的に小さいインピーダンス値（つまり０．００＋ｊ０．００７Ω／ｋｍ）を有しているが、ＨＴＳケーブル１５０が超伝導ではない場合（例えば高温状態が発生した場合）、ＨＴＳケーブル１５０のインピーダンスは、従来のケーブル２００（０．０９５＋ｊ０．１７Ω／ｋｍの誘導性インピーダンスを有している）より実質的に大きい（１．４６＋ｊ０．００７Ω／ｋｍのインピーダンスを有している）。
【００６９】
また、図７Ａを参照すると、ＨＴＳ層１０２、１０４を構築するために使用される、ＨＴＳコーティングが施された１本の導体ワイヤ３５０の横断面図が示されている。図に示されているこの実施例では、ＨＴＳ層１０２、１０４に使用されているＨＴＳワイヤ３５０は、２つのスタビライザ層３５２、３５３および基板３５４を備えている。スタビライザ層３５２、３５３の一実施例は、それらに限定されないが、黄銅もしくは他の銅またはニッケル合金を備えることができる。基板３５４の一実施例は、それらに限定されないが、ニッケル・タングステン、ステンレス鋼およびＨａｓｔｅｌｌｏｙを備えることができる。スタビライザ層３５２と基板層３５４の間に、バッファ層３５６、ＨＴＳ層３５８（例えばイットリウム・バリウム・銅・酸化物層）および例えば銀からなるキャップ層３６０を配置することができる。バッファ層３５６の一実施例は、酸化イットリウム、酸化イットリウム安定化酸化ジルコニウムおよび酸化セリウム（ＣｅＯ２）の組合せであり、また、キャップ層３６０の一実施例は銀である。はんだ層３６２（例えばＳｎＰｂＡｇ層）を使用して、スタビライザ層３５２および３５３をキャップ層３６０および基板層３５４に結合することができる。追加ＨＴＳ層、基板およびスラビライザならびに可能なカプセル封じ剤を備えた他の構成も、本発明の範囲内で考慮されている。
【００７０】
上で説明したワイヤ構成に加えて、他のワイヤ構成も本開示の範囲に包含されるものと見なされている。例えば単一のスタビライザ層を使用することができる。別法としては、第２のＨＴＳ層（そのバッファ層およびキャップ層と共に、図示せず）を第２のスタビライザ層３５３と基板３５４の下面との間に配置することができる。任意選択で、ＨＴＳワイヤは、２つの基板（それぞれバッファ層、ＨＴＳ層およびキャップ層を備えている）が、２つの基板層の間に配置された第３のスタビライザ層で分離される状態で、ＨＴＳワイヤの外側に配置された２つのスタビライザ層からなっていてもよい。はんだ層を使用することにより、必要なあらゆる結合を容易にすることができる（場合によっては基板層３５４、バッファ層３５６、ＨＴＳ層３５８およびキャップ層３６０の間を除く）。
【００７１】
また、図７Ｂを参照すると、ＨＴＳワイヤ３５０の一代替実施形態であるＨＴＳワイヤ３５０’が示されている。ＨＴＳワイヤ３５０’は、第２のスタビライザ層３５３と第３のスタビライザ層３８２の間に配置された第２の基板層３８０を備えることができる。スタビライザ層３５３（および／またはスタビライザ層３８２）と基板層３８０の間に、バッファ層、ＨＴＳ層（例えばイットリウム・バリウム・銅・酸化物すなわちＹＢＣＯ層）、キャップ層およびはんだ層を配置することができる。
【００７２】
安定化ＨＴＳワイヤの周囲に付着し、あるいは安定化ＨＴＳワイヤを覆っている、安定化ＨＴＳワイヤをカプセル封じするための、導電性に乏しい「絶縁体」層を任意選択で追加することによって追加比熱を提供することができる。導電性に乏しいこの絶縁体層は、カプセル封じ剤３６４と呼ぶことができる。カプセル封じ剤３６４は、熱伝達係数が概ね制限された液体不浸透層を形成することができ、それにより周囲の液体冷媒（例えば液体窒素）への熱の導入を遅延させ、ひいてはＨＴＳワイヤの温度を熱化させる、つまりＨＴＳワイヤの断面全体をより一様になるようにすることができ、したがってホットスポットの発生を最少化し、また、液体冷媒中のガス気泡の形成を最少化することができる。また、ＨＴＳワイヤの表面を最適化し（例えば表面特徴および界面化学を使用して）、液体冷媒の泡立ちまたは沸騰の発生を抑制することも可能である。
【００７３】
カプセル封じ剤３６４は、共通の電気絶縁材料を含有した重合体（例えばポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、エポキシ、ポリメタクリル酸メチル、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレンおよびポリウレタン）であってもよい。カプセル封じ剤３６４の厚さは、周囲の液体冷媒への熱伝達によってＨＴＳワイヤを冷却する必要性と、周囲の液体冷媒中におけるガス気泡の形成を伴うことなくＨＴＳワイヤの温度を最低化する必要性とが平衡するように選択することができる。カプセル封じ剤３６４の一般的な厚さの範囲は、２５〜３００マイクロメートルであり、また、カプセル封じ剤３６４の望ましい厚さの範囲は、５０〜１５０マイクロメートルである。
【００７４】
好ましい形態では、恐らくは金属、黒鉛または炭素粉末などの導電性粒子を加えることによってカプセル封じ剤３６４に若干の導電性を持たせることも可能であり、あるいは部分的に導電性であるいくつかの重合体からカプセル封じ剤３６４を選択することも可能である。カプセル封じ剤３６４の正味電気抵抗率は、０．０００１〜１００オームｃｍの範囲にすることができる。この控え目な導電率は、ＨＴＳワイヤのその抵抗性状態すなわち通常の状態における故障電流制限抵抗を著しく小さくすることは不可能であるが、この導電率によってＨＴＳケーブル内のＨＴＳワイヤが個々の断面で確実に等電位を維持し、それによりＨＴＳケーブル１５０内の異なるＨＴＳワイヤ間における電流共有を確実に可能にすることができる。電流がサージする場合、等電位を維持することが重要であり、さもなければＨＴＳワイヤ間に電位差が誘導的に誘導され、それにより絶縁破壊が生じて場合によってはＨＴＳワイヤが損傷することになる。カプセル封じ剤３６４は、任意選択で、抵抗率が大きい金属であるか、またはこの範囲の抵抗を有する半導電性材料であるか、あるいは導電率改善材料を含有することもできるエナメル、ガラスまたは結晶性酸化物材料であってもよい。
【００７５】
カプセル封じ剤３６４の外部表面は、カプセル封じ剤３６４と周囲の液体冷媒（例えば液体窒素）との間の熱伝達係数を小さくする材料でコーティングすることができる。別法としては、カプセル封じ剤３６４の表面をテクスチャード加工し、カプセル封じ剤３６４と周囲の液体冷媒（例えば液体窒素）との間の熱伝達係数を改善することも可能である。さらに、カプセル封じ剤３６４の表面は、周囲の液体冷媒に向かって外側に急激に散逸する熱による核形成を抑制するために、例えば導電率がより大きい金属粒子または押出し金属繊維でコーティングすることができる。しかしながら、このような表面処理は、すべて、同じく液体状態における絶縁耐力の低下を回避しなければならない。
【００７６】
カプセル封じ剤３６４は、例えば、単一パス手法と比較すると貫通の発生率が統計的に減少するマルチパス手法を始めとする様々なラッピング／コーティング方法を使用して加えることができる。別法としては、カプセル封じ剤３６４は、浸漬、押出し、めっき、気相成長または噴霧などのコーティング方法によって加えることができる。
【００７７】
カプセル封じ剤３６４は、例えば最大０．３％のワイヤ引張りひずみの軸方向張力（例えば１００メガパスカル程度）がＨＴＳワイヤにかかっている間に加えることができ、したがって塗布プロセスが終了すると圧縮状態でカプセル封じ剤３６４を置くことができるため、カプセル封じ剤３６４中における貫通の可能性が減少する。したがって完成すると、カプセル封じ剤３６４中のＨＴＳワイヤに軸方向の張力がかかっている間に、カプセル封じ剤３６４を軸方向に圧縮することができる（それらの初期状態と比較して）。
【００７８】
ラッピング手順を使用してカプセル封じ剤３６４を加える場合、カプセル封じ剤３６４中のあらゆる隙間／開口から不浸透性材料のラップ層に浸入する追加含浸コーティング（例えば重合体、ペイントまたはワニス、図示せず）を加えることができ、したがって気密封止カプセル封じ剤が形成される。別法としては、ラップされたカプセル封じ剤を上で参照した隙間／開口を密閉するローリングプロセスまたは圧縮プロセス（例えばアイソスタティック圧縮）によって気密にすることも可能である。ワイヤの金属スタビライザ層に向かって浸入する液体冷媒は、故障中、ガス気泡核形成および沸騰を開始させることになるため、隙間または開口を回避することは重要である。
【００７９】
他の等級のカプセル封じ剤またはスタビライザは、融解構造相転移または結晶構造相転移などの吸熱相転移する材料である。ＨＴＳワイヤの動作温度より高い何らかの温度で（かつ、ＨＴＳワイヤの最大許容温度未満で）このような吸熱相変化する材料が使用されることが好ましい。吸熱相変化の一例は、例えば、複合物補強材料中の離散埋込み粒子としてカプセル封じ剤３６４に加えることができ、カプセル封じ剤３６４の表面／界面に加えることができるゲル／ペイントとしてカプセル封じ剤３６４に加えることができ、あるいはカプセル封じ剤３６４の特定の領域（例えば内部コンジット領域の縁、フィレットまたは中）に選択的に加えることができる低融解温度有機材料または低融解温度無機材料の融解である。また、吸熱相変化には、例えば、特定の金属間相変化、順序相変化または他の二次相転移を含むことも可能である。例えば、カプセル封じ剤３６４用に選択される材料は、−１６０℃乃至−７０℃の範囲で融解させることができ、約−５０℃より高い温度で沸騰する（好ましい沸点は周囲温度より高い温度である）ため、液体または複合物の状態で（つまりペイント、膜コーティング、乳濁液またはゲルとして）比較的容易に、かつ、経済的にカプセル封じ剤３６４に加えることができる。
【００８０】
また、図８を参照すると、ＨＴＳワイヤ３５０の等価電気モデル４００が示されている。説明を目的として、等価電気モデル４００は、モデル４００の下半分が超伝導層４０２であり、また、モデル４００の上半分が、抵抗性金属層４０４を形成するために他のすべてのワイヤ構造が結合されたＨＴＳワイヤ３５０を示している。ＨＴＳワイヤ３５０が超伝導モードにある場合、電流は、すべて、本質的にゼロ抵抗超伝導層４０２の中を流れる。非超伝導モードにある場合、電流は、主としてスタビライザからなる抵抗性金属層４０４の中を流れる。
【００８１】
また、図９を参照すると、上で説明したように、臨界電流レベルを超えるということは、ＨＴＳワイヤ３５０が超伝導モードで機能しているのか、あるいは非超伝導モードで機能しているのかを区別することである。ＨＴＳワイヤ３５０は、電流が小さい場合（つまり臨界電流レベル未満の場合）に閉じて金属層４０４の抵抗４０８を分路するスイッチ４０６を備えるようにモデル化することができる。したがって、スイッチ４０６が閉じると、電流は、すべて、ゼロ抵抗としてモデル化されている超伝導層４０２を通って流れる。臨界電流レベルを超えると、超伝導層４０２が高度に抵抗性になり、スイッチ４０６を開いて、すべての電流が抵抗性金属層４０４を通って流れるようにすることができる。
【００８２】
また、図１０を参照すると、超伝導動作モード時におけるＨＴＳケーブル１５０と従来のケーブル２００の組合せモデルが示されている。このモデルの場合、７９．７ｋＶ線路−接地の典型的な電源電圧および０．１５５＋ｊ１．５５オームの電源インピーダンスが仮定されている（図６のＶｓ、ＬｓおよびＲｓ）。これらの値は、ケーブル１５０、２００の前段の変電所２０における故障に対して５１ｋＡの故障電流をもたらすことになる。電流（つまり臨界電流レベル未満の電流）が１つの変電所から他の変電所へ流れる通常の動作中に、例えば２６００メートルのケーブルに典型的な実インピーダンス値および無効インピーダンス値を挿入することによってスイッチが閉じ、電流の９６％がＨＴＳケーブル１５０の中を流れる。
【００８３】
また、図１１を参照すると、故障状態の間、臨界電流レベルが合致するかあるいは超過し、それによりスイッチ４０６（図９）が開く。ＨＴＳケーブル１５０の金属層４０２（図８）の追加抵抗により、故障電流の大部分が従来のケーブル２００の中を流れるようにすることができる。詳細には、示されている値の場合、ＨＴＳケーブルが完全に抵抗性になると、故障電流の８８％が従来のケーブル２００の中を流れ、１２％がＨＴＳケーブル１５０の中を流れる。ケーブル１５０、２００の中を流れる総故障電流は４０ｋＡであり、これは、利用可能な５１ｋＡから著しく低減されている。利用可能な故障電流のこの２０％の低減は、故障電流制限器に必要とされることになる典型的な低減である。
【００８４】
故障中におけるＨＴＳケーブル１５０の過度の加熱を防止するためにいくつかの対策を講じることができる。通常、ＨＴＳケーブル１５０と直列である高速スイッチアセンブリ２０８（図４）は、例えば４サイクル後に開くことができ、また、ＨＴＳケーブル１５０が許容可能な開始温度まで冷却されるまでの間は閉じることはない。別法としては、遮断器３４および／または遮断器３６を開くことも可能である。
【００８５】
温度上昇をさらに最小化するために、スタビライザ層３５２（図７）を極めて分厚くして（例えば３００ミクロン）熱容量を大きくすることができる。また、それと同時に、抵抗性加熱による温度上昇が最小化され、かつ、それと同時に、その切り換えられた状態のＨＴＳケーブル１５０が、故障電流１２４（図５）の大部分が従来のケーブル２００を通って流れることを保障するだけの十分な大きさの抵抗を有することを保障するだけの十分な大きさになるようにスタビライザ層３５２の抵抗率の値を選択することができる。通常、典型的なアプリケーションに対するこれらの要求事項を満足する値の範囲は、９０Ｋ近辺で０．８〜１５マイクロオーム−ｃｍであり、より好ましくは１〜１０マイクロオーム−ｃｍである。このような値を達成するための便利な材料族は黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ合金）であるが、ＣｕＮｉおよびＣｕＭｎなどの他の多くの合金も可能である。これらの値は、単に説明を目的として提供されたものにすぎず、本開示の制限を意図したものではない。例えば、上で説明した事例の場合、幅がそれぞれ０．４４ｃｍである２８本の並列ＨＴＳワイヤを使用し、かつ、抵抗率が５．０マイクロオーム−ｃｍである合計３００ミクロンのスタビライザを使用することにより、１．３５オーム／ｋｍの抵抗が提供され、また、実効臨界電流が３５０Ａ／ｃｍである場合、高速スイッチが開く前の４サイクル（０．０６７秒）のホールド時間の間に上昇する温度は、約５×１０−６（３５０／０．０３）２×０．０６７／（２×２）＝１１Ｋである（熱容量が２Ｊ／ｃｍ３Ｋであり、また、ｆ−係数が１である断熱温度上昇を仮定して）。１５〜２０バールの範囲の圧力で加圧されたケーブルシステムの場合、窒素気泡の温度は約１１０Ｋより高いため、この温度上昇は、７０〜８０Ｋの温度範囲での動作に対しては許容可能である。臨界電流がもっと小さい約２５０Ａ／ｃｍ−幅のワイヤの場合、約１０マイクロオーム−ｃｍの抵抗率によって同じ温度上昇が得られる。ｆ−係数が２であるワイヤの場合、温度上昇は約４４Ｋであり、この場合、３マイクロオーム−ｃｍの抵抗率によって、７７Ｋ未満で動作するケーブルに対して許容可能な約２６Ｋの温度上昇が得られる。ｆ−係数が３であるワイヤの場合、１マイクロオーム−ｃｍの抵抗率によって約２０Ｋの温度上昇が得られる。
【００８６】
したがってスタビライザ抵抗率の値は、１〜１０マイクロオームｃｍの範囲であることが好ましい。開始パラメータの範囲がもう少し広い場合、より広い０．８〜１５マイクロオームｃｍの範囲の抵抗率も可能である。これらの値は、文献で取り上げられているＨＴＳケーブルのための先行手法の値とは異なっている。一方では、電流を制限するためではなく、どちらかと言えば保護を目的として設計されたほとんどのＨＴＳケーブルは、７７〜９０Ｋの温度範囲における抵抗率が０．５マイクロオーム−ｃｍ未満である低抵抗率銅分路を使用して構築された。他方では、電流制限ケーブルのための従来の設計（ＳＵＰＥＲＰＯＬＩ Ｆａｕｌｔ−Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｅｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＹＢＣＯ−Ｃｏａｔｅｄ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ Ｔａｐｅｓ ｂｙ Ａ．Ｕｓｏｓｋｉｎ ｅｔ ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．２、２００３年６月、１９７２〜５頁参照）には、通常の抵抗性状態で約１００マイクロオーム−ｃｍの抵抗率を有する超伝導体自体のロッドまたはシリンダか、あるいはステンレス鋼によって安定化された、＞５０マイクロオーム−ｃｍの抵抗率を有するＨＴＳワイヤのロッドまたはシリンダのいずれかが使用された。中間の範囲のスタビライザ抵抗率を使用している本発明の解決法は、これまで認識されていなかった。
【００８７】
次に、長さが６００ｍの同じケーブル（つまり同じワイヤ特性を使用して同じ方法で構築された１３８ｋＶ、２４００Ａのケーブル）の実施例について考察する。図９の電源電圧およびインピーダンスの値は、同じ値がそのまま維持されている。しかしながら、従来のケーブル２００のインピーダンスは、非超伝導状態で０．５７＋ｊ０．１０オームであり、また、ＨＴＳケーブル１５０のインピーダンスは、非超伝導状態で０．８８＋ｊ０．００５オームである。このシナリオの場合、故障電流は、５１ｋＡから４８ｋＡまでしか低減されない。故障電流をさらに小さくするために、リアクトル（例えばリアクトル２０６）を従来のケーブル２００に直列に挿入することができる。例えば１．４ｍＨのリアクトルは０＋ｊ０．５３オームのインピーダンスを有しており、このインピーダンスが従来のケーブルインピーダンスに追加されると（それらが直列に接続されるため）、ケーブルの中を流れる総故障電流は４０ｋＡまで低減される。
【００８８】
故障電流制限ケーブル１５０の正味効果は、ケーブルシステムの衝撃分岐における電流をｆ−係数と臨界電流Ｉｃの積以下のレベルまで制限すること、高速スイッチアセンブリ２０８を保護すること、および残りの故障電流を非超伝導ケーブル２００およびリアクトル２０６の方へ向けることである。上記実施例の場合、本開示による故障電流制限ＨＴＳケーブル設計を使用することなく、ケーブルシステムの分岐における故障電流を著しく大きくすることができる（例えば一桁程度大きくすることができる）。しかしながら、正確な電流レベルは、電気経路内のインピーダンスおよび電力レベルで決まる。高速スイッチアセンブリ２０８が開くと、故障電流は、遮断器３４、３６が開くまでの間、非超伝導ケーブル２００およびリアクトル２０６を通って流れる。非超伝導ケーブル２００およびリアクトル２０６のインピーダンスを適切に選択することにより、所望のレベルまで故障電流を制限することができる。数分後に超伝導ケーブル１５０がその超伝導状態に復帰すると、高速スイッチアセンブリ２０８を閉じてシステムにその元の動作を再開させることができる。
【００８９】
超伝導ケーブル１５０は、上では、ケーブル全体が共通の超伝導パラメータを有する単一の超伝導ケーブル（例えば単一の超伝導材料でできたケーブル）として説明されているが、他の構成も可能であり、本開示の範囲内であると見なされている。例えば同じく図１２を参照すると、複数のまったく異なる超伝導ケーブル部分４５０、４５２を備えた代替実施形態超伝導ケーブル１５０’が示されている。図に示されている代替実施形態超伝導ケーブル１５０’は、２つの超伝導ケーブル部分４５０、４５２を備えているが、これは単に説明を目的としたものにすぎず、超伝導ケーブル部分の実際の数はアプリケーションに応じて増／減させることができるため、本開示を制限することは意図されていない。
【００９０】
超伝導材料によって移行特性が変化するため（つまり超伝導状態から通常の状態へ移行する間）、いくつかの超伝導材料は、本来、故障電流制限アプリケーションにおいては他の超伝導材料より良好である。例えば、ＹＢＣＯ（つまりイットリウム・バリウム・銅・酸化物）導体は、そのｎ値がより大きいため、故障電流制限アプリケーションの場合、通常、ＢＳＣＣＯ（つまりビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸化物）導体より優れていると見なされている。超伝導体のｎ値は、超伝導状態から通常の状態への移行の突発性を表すために使用されている。ｎ値の典型的な例は、場合によっては１０〜１００の範囲に存在しており、ＹＢＣＯワイヤは２５〜３０のｎ値を有しており、また、ＢＳＣＣＯワイヤは１５〜２０のｎ値を有している。
【００９１】
したがって超伝導ケーブル部分は、複数の超伝導ケーブル部分（例えばケーブル部分４５０、４５２）で構築することができ、超伝導ケーブル部分４５０、４５２は、それぞれ異なる超伝導材料を使用して構築されている。例えば超伝導ケーブル部分４５０をＢＳＣＣＯ（つまりビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸化物）ワイヤで構築し、一方、超伝導ケーブル部分４５２をＹＢＣＯ（つまりイットリウムすなわち希土類・バリウム・銅・酸化物）ワイヤで構築することができる。ＢＳＣＣＯケーブル部分４５０の例には、それには限定されないが、日本の大阪在所の住友電気工業株式会社およびマサチューセッツ州ウェストバラ在所のＡｍｅｒｉｃａｎ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが製造しているＢＳＣＣＯワイヤを含むことができる。ＹＢＣＯケーブル部分４５２の例には、それには限定されないが、マサチューセッツ州ウェストバラ在所のＡｍｅｒｉｃａｎ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが製造しているＹＢＣＯワイヤを含むことができる。
【００９２】
したがって全体がＢＳＣＣＯワイヤのみで構築された超伝導ケーブルは、故障電流制限デバイスとしてのその有効性は場合によっては限られているが（つまりｎ値が小さいために）、より大きいｎ値を有するワイヤを使用して構築されたケーブル部分を追加することにより、ケーブル全体（つまりケーブル部分４５０、４５２の組合せ）を故障電流制限デバイスとして有効なものにすることができる。したがって、ｎ値が大きいケーブル部分（例えば本開示の中で説明されているように設計されたＹＢＣＯワイヤを使用して構築された超伝導ケーブル部分４５２）をｎ値が小さい既存のケーブル部分（例えばＢＳＣＣＯワイヤを使用して構築された超伝導ケーブル部分４５０）に追加することによって故障電流制限超伝導ケーブル１５０’を実現することができる。この構成の場合、ケーブル部分４５２の大きいｎ値の移行特性を使用して、所望の故障電流制限効果を超伝導ケーブル１５０’（ｎ値が小さいケーブル部分４５０を備えている）の中に達成することができる。
【００９３】
以上、多くの実施態様について説明した。しかしながら、様々な修正を加えることができることは理解されよう。したがって他の実施態様は、以下の特許請求の範囲の範疇である。
【技術分野】
【０００１】
本開示はＨＴＳデバイスに関し、より詳細には故障電流制限デバイスとして動作するように構成されたＨＴＳデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力の需要は世界的な規模で著しく増加し続けており、したがって電力公益事業は、発電の観点ならびに配電の観点の両方から、増加する一方のこれらの需要に合致するべく懸命な努力を続けている。
【０００３】
既存の設置済み送電および配電インフラストラクチャの容量が限られており、また、従来の追加送電線および配電線ならびに送電ケーブルおよび配電ケーブルを追加するために利用することができる空間が限られているため、電力公益事業による送電ネットワークおよび配電ネットワークを介した使用者への電力の引渡しには、重大な課題が依然として存在している。この課題は、容量を拡張するために利用することができる既存の空間が極めて限られている混雑した都市および首都圏地域にとりわけ関連している。
【０００４】
電力公益事業の電力送電ネットワークおよび配電ネットワークにおける電力容量を増し、その一方で設置をより容易にするために比較的小さいフットプリントを維持し、かつ、冷却のために環境的にきれいな液体窒素を使用した、高温超伝導（ＨＴＳ）ワイヤを使用した可撓性長距離電力ケーブルが開発されている。本開示では、ＨＴＳ材料は、臨界温度が３０Ｋ（マイナス２４３°センチグレード）以上の超伝導体として定義されており、イットリウムすなわち希土類・バリウム・銅・酸化物（本明細書においてはＹＢＣＯと呼ばれている）、タリウム・バリウム・カルシウム・銅・酸化物、ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸化物（本明細書においてはＢＳＣＣＯと呼ばれている）、水銀・バリウム・カルシウム・銅・酸化物およびマグネシウム・ジボライド（ＭｇＢ２）などの材料が含まれている。ＹＢＣＯは約９０Ｋの臨界温度を有している。ＢＳＣＣＯは、１つの組成において約９０Ｋの臨界温度を有しており、また、第２の組成において約１１０Ｋの臨界温度を有している。ＭｇＢ２は、最大約４０Ｋの臨界温度を有している。材料には置換、付加および不純物が可能であり、臨界温度を３０°Ｋ未満に下げない限り、これらの組成族には、これらの可能な置換、付加および不純物が包含されているものとして理解されたい。このようなＨＴＳケーブルを使用することにより、電力公益事業電力ネットワークの混雑した地域に、より多くの電力を経済的に、かつ、高い信頼性で提供することができ、ひいては混雑が緩和され、電力公益事業は、それらの送電および配電容量の問題に対処することができる。
【０００５】
ＨＴＳ電力ケーブルには、電気を送電し、かつ、配電するためのケーブルの一次導体としてＨＴＳワイヤが使用されている（つまり従来の銅導体の代わりに）。ＨＴＳケーブルの設計により、従来の架空線路および地下ケーブルと比較すると、それらの超伝導状態における直列インピーダンスが著しく小さくなっている。ここでは、ケーブルまたは線路の直列インピーダンスは、電力を運ぶ導体の抵抗性インピーダンスと、ケーブルアーキテクチャまたは架空線路と結合した無効（誘導性）インピーダンスとの組合せとして参照されている。ケーブルの断面積が同じである場合、ＨＴＳワイヤを使用することにより、従来の交流（ＡＣ）ケーブルと比較すると電流容量を３倍乃至５倍にすることができ、また、従来の直流（ＤＣ）ケーブルと比較すると電流容量を最大１０倍にすることができる。
【０００６】
ＨＴＳケーブルは、連続可撓性波形巻型の周囲に螺旋状に巻かれたＨＴＳワイヤを使用して設計することができ、あるいは様々なスタックおよびねん回構成の複数のＨＴＳワイヤをそれらに持たせることができる。これらのいずれの場合においても、ケーブルは、輸送のためにドラムに便利に巻き付けることができ、また、電線管の中、あるいは他の電力デバイス間で、湾曲またはねじることによって設置することができるよう、連続した可撓性のあるものにすることができる。ＨＴＳケーブルは、ＨＴＳワイヤと接触し、かつ、ケーブルの長さに沿って展開している液体冷媒を使用して設計することができる。液体窒素は、最も一般的な液体冷媒であるが、液体水素または液体ネオンを使用して、マグネシウム・ジボライドのような超伝導材料の温度を低くすることも可能である。
【０００７】
容量の問題に加えて、電力需要の増加（したがって発電され、かつ、送電ネットワークおよび配電ネットワークを介して送電される電力のレベルが高くなること）に起因する電力公益事業の他の重大な問題は、故障によって生じる「故障電流」の増加である。故障は、場合によっては、ネットワークデバイスの故障、自然の作用（例えば雷）、人間による作用（例えば自動車事故による電柱の破損）、または接地への短絡、あるいは電力公益事業ネットワークの１つの相から他の相への短絡をもたらす他の何らかのネットワークの問題によって生じる。通常、このような故障は、電力公益事業ネットワーク上で即座に有形化する極端に大きい負荷として出現する。ネットワークは、この負荷の出現に応答して、負荷への大量の電流の引渡しを試行する（つまり故障）。電力格子のネットワーク内における所与のリンクは、すべて、最大故障状態に突如として陥らせることになる短絡の間、故障電流制限手段がない場合に流れることになる最大故障電流によって特性化される。故障電流制限手段がない大きな電力格子の場合、故障電流が非常に大きく、格子内のほとんどの電気設備が損傷または破壊されることになる。故障電流から保護する従来の方法は、遮断器を速やかに開路し、電流および電力の流れを完全に遮断することである。
【０００８】
遮断器に結合された検出器回路がネットワークを監視し、故障（または過電流）状況の出現を検出する。故障（または過電流）状況の出現が検出されると、数ミリ秒以内に検出器回路から起動信号を発信して遮断器を開路し、様々なネットワークコンポーネントの破壊を防止することができる。既存の遮断器デバイスの最大能力は、現在、約８０，０００アンペアであり、これらは送電レベル電圧専用である。２０世紀に構築された電力公益事業ネットワークの多くのセクションは、４０，０００アンペア〜６３，０００アンペアの故障電流しか耐えることができないネットワークデバイスを使用して構築されている。残念なことには、電力公益事業ネットワーク上の発電レベルおよび送電レベルが高くなっている現在、故障電流レベルは、配電レベル電圧および送電レベル電圧の両方に対して、現在設置されている遮断器デバイスあるいは最新技術の遮断器デバイスの能力を超えるポイントまで（つまり８０，０００アンペアを超えるレベルまで）高くなっている。たとえもっと小さい故障電流レベルであっても、より低いレベルからもっと高いレベルへ格子全体にわたって遮断器をアップグレードするコストは、場合によっては極めて高くなる。ほとんどの場合、格子の動作の改善を有意義なものにするためには、故障電流を少なくとも１０％小さくすることが望ましい。したがって電力公益事業は、高くなる一方の故障電流レベルに対処するための新しい解決法を探し求めている。開発中のこのような解決法の１つは、ＨＴＳ故障電流制限器（ＦＣＬ）と呼ばれているデバイスである。
【０００９】
ＨＴＳ ＦＣＬは、電力公益事業ネットワークに相互接続された専用デバイスであって、容易に入手することができ、あるいは既に設置されている従来の遮断器が取り扱うことができるレベルまで故障電流の大きさを小さくするための専用デバイスである。Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆａｕｌｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｅｒｓ ｂｙ Ｎｏｅ ａｎｄ Ｍ．Ｓｔｅｕｒｅｒ、Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．２０（２００７）Ｒ１５〜Ｒ２９を参照されたい。このようなＨＴＳ ＦＣＬは、通常、ＨＴＳ材料の固体バーすなわちシリンダでできた短い剛直モジュールで構成されており、このモジュールは、それらの超伝導臨界電流で抵抗状態に駆動されると極めて大きい抵抗を有することになる。残念なことには、このような独立型ＨＴＳ ＦＣＬは、現在、極めて大型で、かつ、高価である。空間は、とりわけ、ＨＴＳケーブルを最も必要とする密集した都市環境における変電所内では極めて高価である。また、電力公益事業は、大型インダクタを使用することも可能であるが、それらは、余計な損失、電圧調整および格子安定性の問題の原因になることがある。また、残念なことには、花火電流制限器（例えばヒューズ）の場合、故障が発生する毎に交換が必要である。さらに、新しい電力エレクトロニックＦＣＬも開発中であるが、それらをフェイルセーフにすることができるかどうか、また、それらを高い信頼性で送電電圧レベルまで拡張することができるかどうか疑問である。
【００１０】
ＨＴＳケーブルを故障電流の流れに耐えることができるようにするために、かなりの量の銅がＨＴＳワイヤと共に導入されてもよいが、そのためにケーブルの重量が重くなり、また、サイズが大きくなっている。Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｌｏｎｇ Ｌｅｎｇｔｈ ＨＴＳ Ｃａｂｌｅ ｔｏ Ｏｐｅｒａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｌｏｎｇ Ｉｓｌａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ａｕｔｈｏｒｉｔｙ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｇｒｉｄ ｂｙ Ｊ．Ｆ．Ｍａｇｕｉｒｅ、Ｆ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｓ．Ｂｒａｔｔ、Ｔ．Ｅ．Ｗｅｌｓｈ、Ｊ．Ｙｕａｎ、Ａ．Ａｌｌａｉｓ、ａｎｄ Ｆ．Ｈａｍｂｅｒ、ｔｏ ｂｅ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙを参照されたい。しばしば、周囲にＨＴＳワイヤが螺旋状に巻き付けられたＨＴＳケーブルのコア中の中央巻型に銅が充填されるが、これは、液体窒素が流れる通路としてコアが使用されるのを防止している。別法としては、とりわけ多相ケーブルの場合、螺旋状に巻かれたケーブルの層の中で銅線とＨＴＳワイヤが混合される。これらの銅線または構造は、ＨＴＳワイヤと電気的に並列にすることができ、ＨＴＳケーブル内の「銅分路」と呼ぶことができる。ケーブルのＨＴＳワイヤの臨界電流を超える大きな故障電流が存在すると、ＨＴＳワイヤは、抵抗性Ｉ２Ｒ損失によって加熱することができる抵抗状態に急冷すなわちスイッチする（Ｉは電流であり、Ｒはケーブルの抵抗である）。「銅分路」は、ＨＴＳワイヤの過熱を防止するために、故障電流を吸収して運ぶように設計することができる。銅の量は非常に多く、したがってケーブル中におけるその総合抵抗は比較的小さく、したがって故障電流のレベルを小さくする効果は無視し得る程度のものである。銅は、純粋な銅または少量の不純物を含有した銅であり、したがって７７〜９０Ｋの温度範囲におけるその抵抗率が比較的小さいこと（例えば＜０．５マイクロオーム−ｃｍあるいは０．２マイクロオーム−ｃｍ程度の小さい抵抗率であること）を意味するものとして定義することができる。
【００１１】
欧州ＳＵＰＥＲＰＯＬＩプログラム（ＳＵＰＥＲＰＯＬＩ Ｆａｕｌｔ−Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｅｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＹＢＣＯ−Ｃｏａｔｅｄ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ Ｔａｐｅｓ ｂｙ Ａ．Ｕｓｏｓｋｉｎ ｅｔ ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．２、２００３年６月、１９７２〜５頁、Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｋ ｂｙ Ｐａａｓｉ ｅｔ ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、Ｖｏｌ．１１、Ｎｏ．１、Ｍａｒｃｈ ２００１年３月、１９２８〜３１頁、ＨＴＳ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｆ ＡＣ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ａｎｄ Ｆａｕｌｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｂｙ Ｖｅｒｈａｅｇｅ ｅｔ ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、Ｖｏｌ．１１、Ｎｏ．１、２００１年３月、２５０３〜６頁、および「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ」という名称の米国特許第５，８５９，３８６号参照）では、同じく電流を制限することができる超伝導電力リンクが調査された。
【００１２】
初期の独立型ＦＣＬのための典型的な手法に引き続いて、このプログラムでは、電力リンクのためのモジュールすなわち母線を形成していたＨＴＳ材料の剛直固体ロッドすなわちシリンダが調査された。モジュールすなわち母線の典型的な長さは５０ｃｍ乃至２メートルであった。第２の手法では、コーティングが施された導体ワイヤが使用され、抵抗の大きいステンレス鋼基板の上にＹＢＣＯ材料がコーティングされた。金スタビライザ層が使用されたが、長さ当たりの抵抗を可能な限り大きい値に維持するために、この金スタビライザ層は極めて薄い状態で維持された。ワイヤは、電力リンクのためのモジュールすなわち母線のための他のオプションを形成していた剛直な円筒状コアの上に螺旋状に巻き付けられた。故障電流に応答してこれらのモジュールの両方が極めて大きい抵抗状態に切り換わり、それにより電流を制限する。ＳＵＰＥＲＰＯＬＩプログラムの中で提案されている、長さがより長いケーブルを生成するための概念は、剛直モジュールと可撓性編組銅相互接続部を相互接続することであった。「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ」という名称の米国特許第５，８５９，３８６号を参照されたい。故障電流制限機能を備えた長距離連続可撓性ケーブルを、抵抗がより小さく、かつ、熱容量がより大きいワイヤ、つまり局部加熱のレベルがより低いワイヤを使用して設計し、かつ、製造する可能性については考慮されなかった。また、リンクの機能を最適化することができる追加格子エレメントの可能性についても考慮されなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許出願第１１／６７３，２８１号
【特許文献２】一部継続米国特許出願第１１／６８８，８２７号
【特許文献３】一部継続米国特許出願第１１／６８８，８１７号
【特許文献４】一部継続米国特許出願第１１／６８８，８０９号
【特許文献５】米国特許第５，８５９，３８６号
【特許文献６】同時係属米国特許出願第１１／４５９，１６７号
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆａｕｌｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｅｒｓ ｂｙ Ｎｏｅ ａｎｄ Ｍ．Ｓｔｅｕｒｅｒ、Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．２０（２００７）Ｒ１５〜Ｒ２９
【非特許文献２】Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｌｏｎｇ Ｌｅｎｇｔｈ ＨＴＳ Ｃａｂｌｅ ｔｏ Ｏｐｅｒａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｌｏｎｇ Ｉｓｌａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ａｕｔｈｏｒｉｔｙ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｇｒｉｄ ｂｙ Ｊ．Ｆ．Ｍａｇｕｉｒｅ、Ｆ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｓ．Ｂｒａｔｔ、Ｔ．Ｅ．Ｗｅｌｓｈ、Ｊ．Ｙｕａｎ、Ａ．Ａｌｌａｉｓ、 ａｎｄ Ｆ．Ｈａｍｂｅｒ、ｔｏ ｂｅ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ．
【非特許文献３】ＳＵＰＥＲＰＯＬＩ Ｆａｕｌｔ−Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｅｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＹＢＣＯ−Ｃｏａｔｅｄ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ Ｔａｐｅｓ ｂｙ Ａ．Ｕｓｏｓｋｉｎ ｅｔ ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．２、２００３年６月、１９７２〜５頁
【非特許文献４】Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｋ ｂｙ Ｐａａｓｉ ｅｔ ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、Ｖｏｌ．１１、Ｎｏ．１、Ｍａｒｃｈ ２００１年３月、１９２８〜３１頁
【非特許文献５】ＨＴＳ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｆ ＡＣ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ａｎｄ Ｆａｕｌｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｂｙ Ｖｅｒｈａｅｇｅ ｅｔ ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、Ｖｏｌ．１１、Ｎｏ．１、２００１年３月、２５０３〜６頁
【非特許文献６】Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ＹＢＣＯ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｉｎ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｆａｕｌｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｅｒｓ ｂｙ Ｈ．−Ｐ．Ｋｒａｅｍｅｒ ｅｔ ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．２、２００３年６月、２０４４〜７頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ＨＴＳケーブルが故障電流を処理する方法が改善され、また、例えば、電力リンクを形成している、長さ当たりの抵抗が大きい故障電流制限モジュールなどの独立型ＦＣＬまたは他の故障電流制限デバイスの使用に取って代わる改良型代替が提供されることが望ましい。故障電流制限機能を組み込んだ実用的な長距離連続可撓性ＨＴＳ電力ケーブルは、容量が大きく、フットプリントが小さく、かつ、環境的にきれいな電力送電および配電の確立に大きな利点を提供することができ、また、それと同時に、込み合った電力公益事業変電所における高価な個別の故障電流制限デバイスの必要性を回避することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本開示の第１の実施態様では、超伝導電気ケーブルシステムが、既知の故障電流レベルを有する電力公益事業電力格子内に含まれるように構成されている。この超伝導電気ケーブルシステムは、電力公益事業電力格子の第１の分岐点と第２の分岐点の間に相互接続された非超伝導電気経路を備えている。超伝導電気経路が、電力公益事業電力格子の第１の分岐点と第２の分岐点の間に相互接続されている。超伝導電気経路および非超伝導電気経路は並列に電気接続されており、超伝導電気経路は、臨界電流レベルおよび臨界温度未満で動作する場合、非超伝導電気経路より小さい直列インピーダンスを有する。超伝導電気経路は、臨界電流レベルおよび超伝導体臨界温度のうちの１つまたは複数で動作し、あるいはそれより高いレベルまたは高い温度で動作する場合、非超伝導電気経路の直列インピーダンスの少なくともＮ倍の直列インピーダンスを有するように構成されている。Ｎは１より大きく、非超伝導電気経路のインピーダンスと相まって既知の故障電流レベルを少なくとも１０％減衰させるように選択される。
【００１７】
以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。非超伝導電気経路は非低温温度に維持することができる。非低温温度は、少なくとも２７３Ｋにすることができる。超伝導電気経路はケーブルアセンブリ内に備えることができ、また、非超伝導電気経路はケーブルアセンブリの外側に配置することができる。インピーダンス調整デバイスは、非超伝導電気経路のインピーダンスを調整することができる。インピーダンス調整デバイスは、リアクトルアセンブリを備えることができる。
【００１８】
高速スイッチは、超伝導電気経路に直列に電気結合することができる。超伝導電気経路は、第１の超伝導ケーブル部分および少なくとも第２の超伝導ケーブル部分を備えることができる。第１の超伝導ケーブル部分は第１のＨＴＳ超伝導材料を備えることができる。少なくとも第２の超伝導ケーブル部分は第２のＨＴＳ超伝導材料を備えることができる。第１のＨＴＳ超伝導材料はＹＢＣＯ材料を備えることができる。第２のＨＴＳ超伝導材料はＢＳＣＣＯ材料を備えることができる。
【００１９】
Ｎは３以上にすることができる。Ｎは５以上にすることができる。非超伝導電気経路は、少なくとも１つの非超伝導電気ケーブルを備えることができる。非超伝導電気経路は、少なくとも１つの非超伝導電気架空線路を備えることができる。超伝導電気経路は、１つまたは複数の超伝導電気ケーブルおよび１つまたは複数の高速スイッチアセンブリのうちの１つまたは複数を備えることができる。非超伝導電気経路は、１つまたは複数の非超伝導電気ケーブル、１つまたは複数の母線、１つまたは複数の変電所および１つまたは複数のリアクトルアセンブリのうちの少なくとも１つを備えることができる。
【００２０】
少なくとも１つの超伝導電気ケーブルは、中央に配置された軸方向の冷媒通路を備えることができる。この中央に配置された軸方向の冷媒通路は、該冷媒通路を介して冷媒を軸方向に分配することができるように構成されている。超伝導電気経路は、９０Ｋの温度範囲で０．８マイクロオーム−ｃｍより大きい抵抗率を個々に有する複数の導電コンポーネントを備えることができる。
【００２１】
少なくとも１つの超伝導電気ケーブルは、１つまたは複数のＨＴＳワイヤを備えることができる。複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つは、イットリウムすなわち希土類・バリウム・銅・酸化物、タリウム・バリウム・カルシウム・銅・酸化物、ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸化物、水銀・バリウム・カルシウム・銅・酸化物およびマグネシウム・ジボライドからなるグループから選択される材料で構築することができる。
【００２２】
複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つはカプセル封じ剤を備えることができる。１つまたは複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つは、２００〜６００ミクロンの範囲内の総合厚さを有し、かつ、９０Ｋで０．８〜１５．０マイクロオーム−ｃｍの範囲内の抵抗率を有する１つまたは複数のスタビライザ層を備えることができる。
【００２３】
スタビライザ層は、少なくとも部分的に黄銅材料で構築することができる。１つまたは複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つは、２００〜１０００ミクロンの範囲内の総合厚さを有し、かつ、９０Ｋで１〜１０マイクロオーム−ｃｍの範囲内の抵抗率を有する１つまたは複数のスタビライザ層を備えることができる。１つまたは複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つは、臨界電流レベル未満の超伝導モードで動作するように構成することができる。１つまたは複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つは、臨界電流レベル以上の非超伝導モードで動作するように構成することができる。
【００２４】
本開示の他の実施態様では、超伝導電気ケーブルシステムが、既知の故障電流レベルを有する電力公益事業電力格子内に含まれるように構成されている。この超伝導電気ケーブルシステムは、電力公益事業電力格子の第１の分岐点と第２の分岐点の間に相互接続された非低温非超伝導電気経路を備えている。超伝導電気経路が、電力公益事業電力格子の第１の分岐点と第２の分岐点の間に相互接続されている。超伝導電気経路および非超伝導電気経路は並列に電気接続されている。超伝導電気経路は、臨界電流レベル未満で動作する場合、非超伝導電気経路より小さい直列インピーダンスを有する。超伝導電気経路は、臨界電流レベルで動作し、あるいはそれより高いレベルで動作する場合、非超伝導電気経路の直列インピーダンスの少なくともＮ倍の直列インピーダンスを有するように構成されている。Ｎは１より大きい。
【００２５】
以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。非低温非超伝導電気経路は、少なくとも２７３Ｋの非低温温度に維持することができる。超伝導電気経路はケーブルアセンブリ内に備えることができ、また、非低温非超伝導電気経路はケーブルアセンブリの外側に配置することができる。インピーダンス調整デバイスは、非低温非超伝導電気経路のインピーダンスを調整することができる。インピーダンス調整デバイスは、リアクトルアセンブリを備えることができる。
【００２６】
超伝導電気経路は、第１の超伝導ケーブル部分および少なくとも第２の超伝導ケーブル部分を備えることができる。第１の超伝導ケーブル部分は、第１のＨＴＳ超伝導材料を備えることができ、また、少なくとも第２の超伝導ケーブル部分は、第２のＨＴＳ超伝導材料を備えることができる。第１のＨＴＳ超伝導材料はＹＢＣＯ材料を備えることができ、また、第２のＨＴＳ超伝導材料はＢＳＣＣＯ材料を備えることができる。Ｎは３以上にすることができる。Ｎは５以上にすることができる。
【００２７】
添付の図面は、１つまたは複数の実施態様の詳細を示したものであり、以下、それらについて説明する。他の特徴および利点は、以下の説明、図面および特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】電力公益事業電力格子内に設置された銅コアＨＴＳケーブルの略図である。
【図２】図１の銅コアＨＴＳケーブルの等角図である。
【図３】中空コアＨＴＳケーブルの等角図である。
【図４】電力公益事業電力格子内に設置された図３の中空コアＨＴＳケーブルの略図である。
【図５】電力公益事業電力格子の略図である。
【図６】超伝導ケーブル／従来のケーブル対のモデルを示す図である。
【図７Ａ】ＨＴＳワイヤの横断面図である。
【図７Ｂ】代替実施形態ＨＴＳワイヤの横断面図である。
【図８】図７のＨＴＳワイヤのモデルを示す図である。
【図９】図６の超伝導ケーブル／従来のケーブル対の代替モデルを示す図である。
【図１０】超伝導モードである間の図９の超伝導ケーブル／従来のケーブル対のモデルを示す図である。
【図１１】非超伝導モードである間の図９の超伝導ケーブル／従来のケーブル対のモデルを示す図である。
【図１２】電力公益事業電力格子内に設置された図３の中空コアＨＴＳケーブルの代替実施形態の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
すべての図を通して、同様の参照記号は同様の構成要素を表している。
【００３０】
概説
図１を参照すると、電力公益事業電力格子１０の一部は、高温超伝導体（ＨＴＳ）ケーブル１２を備えることができる。ＨＴＳケーブル１２は、数百メートルまたは数千メートルの長さにすることができ、また、発電所（図示せず）から電力を引き渡すための、あるいは遠隔の電力公益事業（図示せず）から電力を引き入れるための、電流が比較的大きく／抵抗が比較的小さい電気経路を提供することができる。
【００３１】
ＨＴＳケーブル１２の断面積は、従来の銅コアケーブルの断面積のほんの数分の１にすることができ、また、同じ量の電流を運ぶことができる。上で説明したように、ＨＴＳケーブルは、同じ断面積以内で従来のＡＣケーブルの３倍乃至５倍の電流容量を提供することができ、また、従来のＤＣケーブルの最大１０倍の電流容量を提供することができる。ＨＴＳの技術が発達するにつれて、これらの比率を大きくすることができる。
【００３２】
以下でより詳細に説明するように、ＨＴＳケーブル１２は、同様のサイズの銅線の１５０倍程度の電流を処理することができるＨＴＳワイヤを備えることができる。したがって、比較的少量のＨＴＳワイヤを使用して（従来のＡＣケーブルのコア内でより合わされた大量の銅導体ではなく）、同様のサイズの従来の銅導体電力ケーブルの３倍乃至５倍程度の電力を提供することができるＨＴＳ電力ケーブルを構築することができる。
【００３３】
ＨＴＳケーブル１２は、例えば１３８ｋＶのレベルで電圧を運ぶ送電格子セグメント１４内で接続し、格子セグメント１４から、この電圧を受け取り、かつ、受け取った電圧のレベルを例えば６９ｋＶのより低いレベルに変換する格子セグメント１６まで展開させることができる。例えば、送電格子セグメント１４は、７６５ｋＶの電力を受け取ることができ（架空線路すなわちケーブル１８を介して）、また、この送電格子セグメント１４は、１３８ｋＶ変電所２０を備えることができる。１３８ｋＶ変電所２０は、ケーブル１８上で受け取った７６５ｋＶの電力を１３８ｋＶに逓降させるための７６５ｋＶ／１３８ｋＶ変圧器（図示せず）を備えることができる。次に、この「逓降された」１３８ｋＶの電力を例えばＨＴＳケーブル１２を介して送電格子セグメント１６に提供することができる。送電格子セグメント１６は、ＨＴＳケーブル１２を介して受け取った１３８ｋＶの電力を６９ｋＶの電力に逓降させるための１３８ｋＶ／６９ｋＶ変圧器（図示せず）を備えることができる６９ｋＶ変電所２４を備えることができ、６９ｋＶに逓降された電力を例えばデバイス２６、２８、３０、３２に配電することができる。デバイス２６、２８、３０、３２の例には、それには限定されないが３４．５ｋＶ変電所を含むことができる。
【００３４】
上で説明した電圧レベルは、説明を目的としたものにすぎず、本開示を制限することを意図したものではない。したがって本開示は、送電システムおよび配電システムの両方における様々な電圧レベルおよび電流レベルに等しく適用することができる。同様に、本開示は、産業用電力配電または車両用電力配電（例えば船舶、列車、航空機および宇宙船）などの非公益事業アプリケーションにも等しく適用することができる。
【００３５】
１つまたは複数の遮断器３４、３６を例えばＨＴＳケーブル１２の各末端で接続することができ、また、電力公益事業電力格子１０からＨＴＳケーブル１２を速やかに開放することができる。故障管理システム３８は、ＨＴＳケーブル１２が損傷することになるポイント未満の温度にＨＴＳケーブル１２が確実に維持されるよう、ＨＴＳケーブル１２のための過電流保護を提供することができる。
【００３６】
故障管理システム３８は、ＨＴＳケーブル１２が結合されている電力公益事業格子のセグメントに流入する電流を監視することによってこのような過電流保護を提供することができる。例えば故障管理システム３８は、１３８ｋＶ変電所２０を通って流れる電流を知覚することができ（例えば電流センサ４０を使用して）、また、電流センサ４０によって提供される信号に少なくとも部分的に基づいて遮断器３４、３６の動作を制御することができる。
【００３７】
この実施例の場合、ＨＴＳケーブル１２は、大きさが５１ｋＡ程度で、継続期間が２００ｍｓの故障電流（つまり１２サイクルの６０Ｈｚ電力）に耐えるように設計することができる。２００６年７月２１日に出願した、Ｆａｕｌｔ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ＨＴＳ Ｐｏｗｅｒ Ｃａｂｌｅという名称の同時係属米国特許出願第１１／４５９，１６７号に、故障管理システム３８の詳細が記載されている。そのためには、通常、ＨＴＳケーブルは、大きい故障電流の運搬を補助し、ひいてはＨＴＳワイヤの保護を補助するかなりの量の銅を含有しなければならない。銅は、ＨＴＳケーブルを保護するために提供されるが、抵抗が極めて小さいため、電流の制限に関しては有意な効果は有していない。
【００３８】
また、図２を参照すると、より合わされた銅コア１００を備えることができる単相銅コアＨＴＳケーブル１２の典型的な実施形態が示されており、第１のＨＴＳ層１０２、第２のＨＴＳ層１０４、高電圧誘電体絶縁層１０６、銅遮蔽層１０８、ＨＴＳ遮蔽層１１０、冷媒通路１１２、内部クライオスタット壁１１４、熱絶縁１１６、真空空間１１８、外部クライオスタット壁１２０および外部ケーブルシース１２２が、半径方向に連続的にこのより合わされた銅コア１００を取り囲んでいる。銅遮蔽層１０８は、別法として、ＨＴＳ遮蔽層１１０の外側に配置することも可能である。ＨＴＳ層１０２およびＨＴＳ層１０４は、「相導体」と呼ぶことも可能である。動作中、冷媒（例えば液体窒素、図示せず）を外部冷媒源（図示せず）から供給することができ、また、冷媒通路１１２内で、その長さに沿って循環させることができる。ケーブルのすべてのコンポーネントは、ＨＴＳケーブル１２の可撓性を可能にするように設計されている。例えば、より合わされた銅コア１００（その上に第１のＨＴＳ層１０２および第２のＨＴＳ層１０４が巻かれている）は可撓性である。したがって、より合わされた可撓性銅コア１００を利用することによって、その長さに沿って連続的に可撓性であるＨＴＳケーブル１２が実現されている。任意選択で、螺旋状に巻かれたＨＴＳワイヤを波形金属巻型を使用して支持し、連続した可撓性をケーブルの長さに沿って提供することができる。
【００３９】
追加／別法として、追加同軸ＨＴＳ層および絶縁層を利用することも可能である。例えば、３層以上のＨＴＳワイヤを単相に使用することができる。また、絶縁層（図示せず）によって分離された３つのグループのＨＴＳ層を利用して３相電力を運ぶことも可能である。Ｕｌｔｅｒａ（つまりジョージア州キャロルトン在所のＳｏｕｔｈｗｉｒｅ Ｃｏｍｐａｎｙと、ドイツのケルン在所のｎｋｔケーブルの合弁会社）によって提案されたＴｒｉａｘ ＨＴＳ Ｃａｂｌｅ構造は、このようなケーブル構造の一例である。ＨＴＳケーブル１２の他の実施形態は、それらに限定されないが、暖および／または冷誘電体構成、単相対３相構成および様々な異なる遮蔽構成（例えば非遮蔽およびクライオスタットに基づく遮蔽）を備えることができる。
【００４０】
銅コア１００および銅遮蔽層１０８は、ケーブル１２内に出現し得る故障電流（例えば故障電流１２４）を運ぶように構成することができる。例えば、ケーブル１２内に故障電流１２４が出現すると、ＨＴＳ層１０２、１０４内の電流が、場合によってはＨＴＳ層１０２、１０４の臨界電流レベル（つまりＩｃ）を超えるレベルまで劇的に大きくなり、そのためにＨＴＳ層１０２、１０４がそれらの超伝導特性を失う原因になることがある（つまりＨＴＳ層１０２、１０４が「通常の状態」になることがある）。臨界電流レベルＩｃの典型的な値は、定格が３０００Ａｒｍｓのケーブルの場合、４２４２Ａｐｅａｋである（Ａｒｍｓは、電流のルート平均二乗アンペアと呼ばれている）。
【００４１】
ＨＴＳ材料の臨界電流レベルは、場合によっては電界レベルの選択で決まる。従来、臨界電流レベルＩｃは、１マイクロボルト／ｃｍの電界レベルとして定義されているが、もっと小さい値を使用することも可能である。しかしながら、通常、超伝導体は、ゼロ抵抗（つまり超伝導）状態と電流レベルを関数とした完全な抵抗性（つまり非超伝導）状態の間の移行領域を示す。この移行領域での動作によって生じるワイヤ損失は、完全な抵抗性状態での動作によって生じるワイヤ損失より小さい。したがって、ＨＴＳケーブル１２中のワイヤの一部は、場合によっては、１マイクロボルト／ｃｍの基準で定義されている従来の臨界電流レベルＩｃの係数（「ｆ」）倍の臨界電流レベルＩｃで完全な抵抗性状態に切り換わることがある。ＹＢＣＯ薄膜を備えた蛇行線ワイヤの場合、この係数は２になるように決定されたが、この係数は時間と共に若干変化することが分かった。Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ＹＢＣＯ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｉｎ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｆａｕｌｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｅｒｓ ｂｙ Ｈ．−Ｐ．Ｋｒａｅｍｅｒ ｅｔ ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．２、２００３年６月、２０４４〜７頁を参照されたい。同様のＹＢＣＯ薄膜を備えたＨＴＳワイヤのｆ−係数は同じ範囲になることが期待され、その範囲は１〜４であることが予測されている。
【００４２】
したがって、臨界電流レベル（上で定義した）とｆ−係数の積が超過すると、場合によってはＨＴＳ層１０２、１０４の抵抗が著しく大きくなることがあり、また、かなり非常に大きくなることがある（つまり銅コア１００と比較すると）。複数の並列ワイヤを通って流れる電流は、個々のワイヤの抵抗に反比例して分配されるため、ＨＴＳ層１０２、１０４に並列に接続されている銅コア１００に故障電流１２４の大部分を向けることができる。銅コア１００を通る故障電流１２４のこの流れは、故障電流１２４が減退するか、あるいはＨＴＳケーブル１２を通る故障電流１２４の流れを適切な遮断器（例えば遮断器３４、３６）が遮断するまで継続することができる。
【００４３】
ＨＴＳケーブル１２内のＨＴＳワイヤの過熱は、銅コア１００によって提供される２つの利点によって回避することができる。第１に、故障電流１２４（または少なくともその一部）をＨＴＳ層１０２、１０４から銅コア１００へ向けることにより、ＨＴＳケーブル１２内のＨＴＳワイヤの過熱を回避することができる。また、第２に、銅コア１００によって熱容量が追加され、それによりＨＴＳ層１０２および１０４の温度上昇が抑制される。故障電流１２４（または少なくともその一部）がＨＴＳ層１０２、１０４から銅コア１００へ向けられなかった場合、ＨＴＳ層１０２、１０４の抵抗が大きいため、故障電流１２４によってＨＴＳケーブル１２内のＨＴＳワイヤが著しく加熱されることになり、ひいては液体窒素のガス状「気泡」が形成されることになる（つまり冷媒通路１１２内で液体窒素が液体の状態から気体の状態に変換されるため）。残念なことには、液体窒素のガス状「気泡」が形成されると、誘電体層の絶縁耐力が低下し、ひいては電圧破壊によってＨＴＳケーブル１２が破壊されることになる。暖誘電体ケーブル構成の場合（図示せず）、ＨＴＳ層１０２、１０４から方向転換されなかった故障電流は、ＨＴＳ層１０２、１０４を単純に過熱し、破壊することになる。
【００４４】
ＨＴＳケーブル１２の例には、それらに限定されないが、フランスのパリ在所のＮｅｘａｎｓ、日本の大阪在所の住友電気工業株式会社およびＵｌｔｅｒａ（つまりジョージア州キャロルトン在所のＳｏｕｔｈｗｉｒｅ Ｃｏｍｐａｎｙと、ドイツのケルン在所のｎｋｔケーブルの合弁会社）から入手することができるＨＴＳケーブルを含むことができる。
【００４５】
銅コア１００は、故障電流（またはその一部）を周囲のＨＴＳ層１０２、１０４に向けているが、このような「内部」銅コアを利用することには欠点がある。例えば銅コア１００には、場合によってはＨＴＳケーブル１２を物理的により大きく、かつ、より重くする必要があり、そのためにコストが高くなり、また、より多くの熱がＨＴＳケーブル１２内に保持されることになる。したがって余分に保持される熱を補償するためにはより多くの冷凍が必要になり、ひいては総合システムコストおよび運転コストがより高くなることになる。さらに、銅コア１００の熱容量が大きく、また、誘電体層のためにＨＴＳ層１０２、１０４と冷媒との間の熱抵抗が大きく、そのために場合によっては回復時間が著しく長くなり、したがって故障電流のエネルギーによって、ＨＴＳ層１０２、１０４の超伝導性を維持することができるポイントを超えて温度が上昇することになる。例えば、故障電流が銅コア１００を介して方向転換される場合、ＨＴＳケーブル１２を適切な動作温度範囲内（例えば６５〜７７°Ｋ）に冷却するためには、冷凍システム（図示せず）は場合によっては数時間を要することになる。ＨＴＳケーブル１２をケーブルの動作範囲内に冷却するために要する時間は、一般に「回復時間」と呼ばれており、電力公益事業は、送電デバイスのためにはこの回復時間を場合によっては数秒（またはそれ未満）にしなければならず、あるいは配電デバイスのためにはこの回復時間を数十分の一秒（またはそれ未満）にしなければならない。別法としては、独立型故障電流制限器をＨＴＳケーブル１２と共に使用して故障電流を制限することも可能であるが、それには、大型で、かつ、コストのかかる他の電気設備をＨＴＳケーブル１２にリンクされた変電所内に設置しなければならない欠点がある。
【００４６】
図３を参照すると、本開示による可撓性中空コアＨＴＳケーブル１５０が示されている。ＨＴＳケーブル１５０は、従来技術による銅コアＨＴＳケーブル１２の様々なコンポーネントを備えることができるが、ＨＴＳケーブル１５０は、より合わされた銅コア１００（図２）を備えていない。より合わされた銅コア１００は、可撓性中空コア（例えば内部冷媒通路１５２）に置き換えられた。内部冷媒通路１５２の一実施例は、それには限定されないが可撓性波形ステンレス鋼管を備えることができる。また、すべての銅遮蔽層が除去されている。冷媒（例えば液体窒素）は、内部冷媒通路１５２を通って流れることができる。
【００４７】
銅コアＨＴＳケーブル１２の場合と同様の方法で、第１のＨＴＳ層１０２、第２のＨＴＳ層１０４（通常、層１０２とは逆のヘリシティで螺旋状に巻かれている）、高電圧誘電体絶縁層１０６、支持構造１０８、ＨＴＳ遮蔽層１１０、冷媒通路１１２、内部クライオスタット壁１１４、熱絶縁１１６、真空空間１１８、外部クライオスタット壁１２０および外部ケーブルシース１２２によって、半径方向に連続的にこの内部冷媒通路１５２を取り囲むことができる。動作中、冷媒（例えば液体窒素、図示せず）を外部冷媒源（図示せず）から供給することができ、また、冷媒通路１１４内および内部冷媒通路１５２内で、それらの長さに沿って循環させることができる。ＭｇＢ２のように転位温度がより低い材料の場合、代替冷媒（例えば液体ネオンまたは液体水素）を使用することも可能である。
【００４８】
ＨＴＳケーブル１２の場合と同様、ＨＴＳケーブル１５０のすべてのコンポーネントは、ケーブルの長さに沿った連続的な可撓性を可能にするように設計されている。例えば、上で説明したように、内部冷媒通路１５２（その上に第１のＨＴＳ層１０２および第２のＨＴＳ層１０４が巻かれている）は可撓性である。したがって、可撓性内部冷媒通路１５２を利用することによって可撓性ＨＴＳケーブル１５０が実現されている。
【００４９】
図４を参照すると、電力公益事業電力格子部分１０’は、可撓性長距離ケーブル１５０を備えることができる。ここでは、長距離は、２００ｍより長い距離として定義されている。また、電力公益事業電力格子部分１０’は、ＨＴＳケーブル１５０に並列に接続された従来のケーブル（つまり非超伝導ケーブル）２００を備えることも可能である。従来のケーブル２００の例には、それには限定されないが、コネチカット州シーモア在所のＴｈｅ Ｋｅｒｉｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙから入手することができる５００ｋｃｍｉｌ、１３８ｋＶ Ｓｈｉｅｌｄｅｄ Ｔｒｉｐｌｅ Ｐｅｒｍａｓｈｉｅｌｄ（ＴＰＳ）電力ケーブルを含むことができる。従来のケーブル２００は、レトロフィットアプリケーションにおける既存のケーブルであってもよく、例えば電気格子の電力容量を増すためにＨＴＳケーブル１５０が追加され、１つまたは複数の従来のケーブルと置換される。別法としては、従来のケーブル２００は、ＨＴＳケーブル１５０と同時に設置され、かつ、適切なバスワークおよび遮断器に相互接続される新しい従来のケーブルであってもよい。
【００５０】
ＨＴＳケーブル１５０および／または追加ＨＴＳケーブル（図示せず）は、電力公益事業電力格子の一部を含むことができる超伝導電気経路２０２内に含めることができる。さらに、超伝導電気経路２０２は、母線（図示せず）、変圧器（図示せず）、故障電流制限器（図示せず）および変電所（図示せず）などの他の超伝導電力配電デバイスを備えることができる。
【００５１】
高速スイッチアセンブリ２０２は、ＨＴＳケーブル１５０に直列に結合することができる。ペンシルベニア州グリーンズバーグ在所のＡＢＢ社が製造している１３８ｋＶ Ｔｙｐｅ ＰＭ Ｐｏｗｅｒ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｒｅａｋｅｒは、高速スイッチアセンブリ２０２の一例である。高速スイッチアセンブリ２０２（例えば４サイクルで開くことができるスイッチ）は、故障管理システム３８によって制御することができる。例えば、故障管理システム３８は、故障電流１２４（図３）を知覚すると高速スイッチアセンブリ２０２を開くことができ、それによりＨＴＳケーブル１５０を本質的に故障電流１２４から分離することができる。多相電力の場合、複数の高速スイッチアセンブリ２０２を利用することができる。別法としては、いくつかの高速スイッチアセンブリまたは遮断器を単一の３相デバイスとして構築することができる。高速スイッチアセンブリ２０２は、ＨＴＳケーブル１５０がその超伝導状態に復帰することができるよう、十分な時間が経過した後、再度閉じることができる。既存の電力公益事業遮断器３４、３６が十分な速さでスイッチし、以下で説明する加熱要求事項に合致する場合、高速スイッチアセンブリ２０２は、場合によっては不要である。
【００５２】
従来のケーブル２００（図示せず）および／または従来の追加ケーブル（図示せず）は、電力公益事業電力格子の一部を含むことができる非超伝導電気経路２０４内に含めることができる。さらに、非超伝導電気経路２０４は、母線（図示せず）、変圧器（図示せず）、故障電流制限器（図示せず）および変電所（図示せず）などの他の配電デバイスを備えることができる。非超伝導電気経路２０４は、非低温温度（例えば０℃に相当する少なくとも２７３Ｋの温度）に維持することができる。例えば、非超伝導電気経路２０４を冷却することは不可能であり、したがって周囲温度にあることを前提にすることができる。
【００５３】
以下でより詳細に説明するように、銅コア１００（図２）および銅遮蔽層１０８（図２）を可撓性長距離ＨＴＳケーブル１５０の内側から除去し、かつ、従来の外部（つまりＨＴＳケーブル１５０に対して）並列接続ケーブル２００を利用して例えば故障電流１２４を運ぶことにより、ＨＴＳケーブル１５０を物理的により小さくすることができ、ひいては製造コストを低減し、また、ＨＴＳケーブル１５０からの熱損失をより少なくすることができる。したがって、ＨＴＳケーブル１５０は、必要な冷凍をより少なくすることができ（より大きい熱保持を有しているＨＴＳケーブル１２と比較すると）、ひいては総合システムコストおよび運転コストをより少なくすることができる。さらに、銅コア１００をＨＴＳケーブル１２の内側からＨＴＳケーブル１５０の外側へ移動させることにより（従来のケーブル２００の形態で）、ＨＴＳケーブル１５０の熱容量およびＨＴＳ層１０２、１０４と冷媒との間の熱抵抗の両方が小さくなり、したがって故障電流１２４によって、ＨＴＳ層１０２、１０４の超伝導性を維持することができるポイントを超えてＨＴＳケーブル１５０の温度が上昇した場合に、その回復時間をより短くすることができる。銅コア１００をＨＴＳケーブル１２の内側から除去し、かつ、適切に最適化されたＨＴＳワイヤを使用することにより、故障電流制限機能をＨＴＳケーブル１５０に直接組み込むことができ、したがって、ＨＴＳケーブルまたは下流側の電力公益事業設備を故障電流から保護することを望む場合に、個別の独立型故障電流制限器の必要性が除去される。
【００５４】
ＨＴＳケーブルおよび故障電流制限器
もう一度図１を参照すると、格子セクション１０内の故障電流によって、ＨＴＳケーブル１２を通って流れる電流が従来の遮断器３４、３６の制限を超えて大きくなる場合、ＨＴＳ ＦＣＬデバイス４２（仮想線で示されている）または従来のリアクトル技術（図示せず）を格子セクション１０内に組み込むことができ、それにより、ＨＴＳケーブル１２を通って流れる故障電流の大きさを従来の遮断器３４、３６が遮断することができるレベルに制限することができる。通常の状態の下で公称電流レベルが格子セクション１０内を流れる場合、電力潮流に直列に接続されるＨＴＳ ＦＣＬデバイス４２は、極めて小さいインピーダンスが格子に導入されるように設計することができる（他の格子インピーダンスと比較して）。しかしながら、故障電流が格子セクション１０に出現すると、その電流によってＨＴＳ ＦＣＬ４２内の超伝導体が瞬時に「通常」すなわち非超伝導状態（つまり抵抗性）になり、そのために極めて大きいインピーダンスが格子セクション１０に追加されることになる。ＨＴＳ ＦＣＬ４２は、故障電流を従来の遮断器３４、３６の遮断能力の範囲内である所定のレベルに制限するように設計される。
【００５５】
独立型ＨＴＳ ＦＣＬデバイス４２は、Ｓｉｅｍｅｎｓ ＡＧ（ドイツ）と共にＡｍｅｒｉｃａｎ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（マサチューセッツ州ウェストバラ在所）を始めとする様々な会社によって開発されている。残念なことには、ＨＴＳ ＦＣＬデバイス４２を格子セクション１０に追加することは、場合によってはコストが非常に高くつき、また、場合によってデバイス４２を収容するためのかなりの量の空間が必要であり、そのためにとりわけ都市地域における収容が場合によっては困難である。故障電流制限能力を備えた短い母線すなわちモジュールは、Ｎｅｘａｎｓ（フランス）およびＥＨＴＳ（ドイツ）を始めとする様々な会社によって開発されている。故障電流制限母線は、特定のアプリケーションを有することができるが、それらは、送電および配電アプリケーションのための長距離連続可撓性ケーブルによって提供される、必要とされる大きい容量、小さいフットプリントおよび可撓性を提供していない。
【００５６】
本開示によれば、ＨＴＳデバイス、例えば連続可撓性長距離ＨＴＳケーブル１５０（図３）は、適切に設計されると、ＨＴＳ ＦＣＬ４２（図１）などの個別のＨＴＳ ＦＣＬを組み込む必要のない故障電流制限器自体として使用することができる。例えばＨＴＳケーブル１５０の通常状態（抵抗性）インピーダンスを制御することにより、ＨＴＳケーブル自体を利用して、典型的な独立型ＨＴＳ ＦＣＬの望ましい効果（例えば故障電流の減衰）を得ることができ、かつ、典型的な独立型ＨＴＳ ＦＣＬの望ましくない効果が（例えばコストおよびサイズ）が回避される。故障電流制限効果および利点をさらに達成するために、ＨＴＳケーブルを従来のケーブル（つまり非超伝導ケーブル）と並列に配置することができる。例えば、超伝導ケーブル１５０および従来のケーブル２００を並列に配置する場合、この組合せは、以下でより詳細に説明する故障電流制限ケーブルシステムとして作用するように設計し、かつ、動作させることができる。
【００５７】
本開示は、他のＨＴＳデバイスにも適用することができる。例えば、他のタイプの超伝導デバイス（例えば超伝導変圧器、図示せず）を従来の変圧器（図示せず）と並列に配置する場合、これらのデバイスのこの組合せは、故障電流制限システムとして作用するように設計し、かつ、動作させることができる。その場合、従来の変圧器がアクティブであるのは、その回復期間の間、高速スイッチが超伝導変圧器を通って流れる電力を遮断する故障事象の間のみであるため、定常状態定格の関数として従来の変圧器をサイズ化することができる。別法としては、故障電流を減衰させる必要がない場合、必ずしもすべての故障電流が超伝導変圧器を通って流れるわけではなく、その代わりに優先的に従来の変圧器を通って流れることになるため、この構造によって超伝導変圧器をより小さくすることができる。したがって、従来のデバイスを本開示による超伝導デバイスに並列に配置することにより、格子上の故障電流の大きさを所望のレベルに制限することができ（従来の並列デバイスおよび／または超伝導デバイスを適切にサイズ化することによって）、ひいては容易に入手することができる遮断器を使用することが可能になる。
【００５８】
ＨＴＳデバイス（例えば図４のＨＴＳケーブル１５０）が通常の動作をしている間、ＨＴＳデバイスのインピーダンス（つまり実インピーダンスおよび無効インピーダンスの両方）を従来のデバイス（例えば従来のケーブル２００）のインピーダンスより著しく小さくすることができる。例えば、ＨＴＳケーブル１５０の典型的なインピーダンスは、本質的に１キロメートル当たり０．００＋ｊ０．００７オームであり（超伝導の場合）、また、１キロメートル当たり１．４６＋ｊ０．００７オームである（超伝導ではなく、完全な抵抗性の場合）。また、従来のケーブル２００の典型的なインピーダンスは、１キロメートル当たり０．０９５＋ｊ０．１７１オームである。ＨＴＳケーブル１５０は、超伝導である場合、本質的にゼロ抵抗を有していることに留意されたい。したがってＨＴＳケーブル１５０が超伝導である場合、遮断器３４、３６を通って流れる電流の大部分はＨＴＳケーブル１５０を通って流れることになる（従来のケーブル２００を通って流れる電流は極めてわずかであるか、あるいはゼロである）。しかしながら超伝導ではない場合、電流の大部分は従来のケーブル２００を通って流れることになる（ＨＴＳケーブル１５０を通って流れる電流はほんのわずかにすぎない）。
【００５９】
インピーダンス調整デバイス（例えば過渡定格または全定格リアクトルアセンブリ２０６）は、従来のケーブル２００に直列に結合することができる。リアクトルアセンブリ２０６の一実施例は、それには限定されないが、カナダのオンタリオ州スカーボロー在所のＴｒｅｎｃｈ（登録商標）Ｌｉｍｉｔｅｄが製造している空気コア・ドライ・タイプ電力リアクトルを備えることができる。リアクトルアセンブリ２０６は、インピーダンス（Ｚ）の虚数部分であるリアクタンス（Ｘ）を非超伝導電気経路２０４に導入することができる。誘導性リアクトルアセンブリの場合、リアクタンス（Ｘ）は２π（ｆ）（Ｌ）として定義することができ、（ｆ）はリアクトルアセンブリ２０６に印加される信号の周波数であり、（Ｌ）はリアクトルアセンブリ２０６のインダクタンスである。したがってリアクトルアセンブリ２０６に印加される信号が本質的に一定であるシステム（例えば６０Ｈｚ電力配電システム）の場合、リアクトルアセンブリ２０６のインダクタンスを変化させることによってリアクトルアセンブリ２０６のリアクタンス（Ｘ）を変化させることができる。
【００６０】
さらに、高速スイッチアセンブリ２０８は、ＨＴＳケーブル１５０に直列に結合することができる。ペンシルベニア州グリーンズバーグ在所のＡＢＢ社が製造している１３８ｋＶ Ｔｙｐｅ ＰＭ Ｐｏｗｅｒ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｒｅａｋｅｒは、高速スイッチアセンブリ２０８の一例である。リアクトルアセンブリ２０６および／または高速スイッチアセンブリ２０８（例えば４サイクルで動作させることができるスイッチ）のうちの一方または両方を故障管理システム３８によって制御することができる。例えば、故障管理システム３８は、故障電流１２４を知覚すると高速スイッチアセンブリ２０８を開くことができ、それにより従来のケーブル２００に沿ったリアクトルアセンブリ２０６は、故障電流１２４の電力の一部を吸収し、事実上、ＨＴＳケーブル１５０を故障電流１２４から分離することができる。また、高速スイッチは、電流制限によって高速スイッチングＨＴＳケーブルから保護されている。多相電力の場合、複数のリアクトルアセンブリ２０６および／または高速スイッチアセンブリ２０８を利用することができる。高速スイッチは、数分後にＨＴＳケーブルがその超伝導状態に復帰すると、再度閉じることができる。
【００６１】
また、図５を参照すると、電力公益事業電力格子２５０のコンテキストにおけるＦＣＬとしてのＨＴＳケーブル１５０の動作が示されている。この特定の実施例では、図に示されている電力公益事業電力格子２５０は、７６５ｋＶ母線２５２、６９ｋＶ母線２５４および３４．５ｋＶ母線２５６を備えている。さらに、図に示されている電力公益事業電力格子２５０は、３つの１３８ｋＶ変電所２０、２５８、２６０を備えており、これらの変電所の各々は、３つの６９ｋＶ変電所２４、２６２、２６４を介して６９ｋＶ母線２５４に電力を提供している。３つの３４．５ｋＶ変電所２６６、２６８、２７０は、６９ｋＶ母線２５４から３４．５ｋＶ母線２５６へ電力を提供することができる。図に示されているＨＴＳケーブルおよびＦＣＬシステム１５０、２００は、変電所２０と２４の間に配置されている。
【００６２】
故障電流（例えば故障電流１２４）が電力公益事業電力格子２５０内に存在している場合、電流は、相互接続されているすべての変電所から利用可能なすべての経路を通って流れ、場合によっては電力公益事業電力格子２５０上に置かれた極めて大きい負荷として出現する故障を供給することができる。故障状態の間に実現可能な故障電流を計算する場合、接地への短絡として故障をモデル化することができる。
【００６３】
また、図６を参照すると、特定の変電所（例えば１３８ｋＶ変電所２０）が例えば故障電流１２４に寄与する故障電流の量を決定する場合、開路が発生する電圧を理想電圧源３００としてモデル化することができる。さらに、ケーブル１５０、２００のインピーダンスは、それらの抵抗性等価回路エレメントおよび無効等価回路エレメントとしてモデル化することができ、また、上流側インピーダンスは、変圧器インピーダンスと組み合わせることができ、電源インピーダンス３０２として表すことができる。このコンテキストにおけるインピーダンスは、実成分および無効成分からなる複素ベクトル量であってもよい。数学的にはインピーダンスＺ＝Ｒ＋ｊＸであり、Ｒは実（つまり抵抗性）成分であり、Ｘは無効成分である。この実施例では、無効成分は誘導性であり、ｊωＬに等しい。ω＝２πｆであり、ｆは電流の周波数（例えば北アメリカでは６０Ｈｚ）である。
【００６４】
ケーブルも同様に複素インピーダンスとしてモデル化することができる。例えば、図に示されているケーブル１５０、２００は、上で説明したように接地への短絡として故障がモデル化されているため、接地に終端されている。オームの法則を使用して、１３８ｋＶ変電所２０によって提供される故障電流の期待レベルを決定することができる。この手法を格子２５０内の他の変電所に対して使用して、総合故障電流寄与を計算することができ、また、ケーブル１５０を通って流れることが期待される故障電流を決定することができる。次に、このさもなければ期待される故障電流１２４を従来の遮断器が取り扱うことができるもっと低い所定のレベルに制限するようにＨＴＳケーブル１５０および従来のケーブル２００を設計することができる。
【００６５】
ＨＴＳデバイスおよび従来のデバイスがＦＣＬとして適切に動作するように設計するためには、特定の基準を考慮しなければならない。例えば、故障状態の間、ＨＴＳケーブル１５０は、故障電流を所望のレベルまで小さくするだけの十分なインピーダンスを格子に提供するだけの十分な大きさの抵抗が達成されるように構成しなければならない。また、故障電流１２４の大部分が従来のケーブル２００を通って流れるようにするためには、このインピーダンスは、従来のケーブル２００のインピーダンスと比較して十分に大きくしなければならない。例えば、超伝導電気経路２０２は、超伝導電気経路２０２がその完全な抵抗性状態で動作している場合、非超伝導電気経路２０４の直列インピーダンスの少なくともＮ倍（例えば１より大きい）の直列インピーダンスを有するように構成することができる。Ｎの典型的な値は１より大きく、また、５より大きくすることも可能である。Ｎは、従来の並列リンクのインピーダンスと相まって既知の故障電流レベルを少なくとも１０％減衰させるように選択することができる。
【００６６】
この分圧器は、故障中におけるＨＴＳケーブル１５０の両端間の電圧降下によって、冷媒（例えば液体窒素または他の液体冷媒）が液体の状態から気体の状態に変化するポイントまでケーブルの温度が上昇しないように設計しなければならない。これが生じると、高電圧ケーブルコア（例えばＨＴＳ層１０２、１０４）と遮蔽（例えばＨＴＳ遮蔽層１０８）の間の液体窒素の絶縁耐力が維持されなくなり、ＨＴＳケーブル１５０内で電圧破壊が生じ、そのために場合によってはケーブルが損傷することになる。
【００６７】
そのスタビライザを備えたＨＴＳワイヤの、超伝導状態から通常の状態（つまり非超伝導状態）への移行後における抵抗率が十分に大きいため、故障電流の大部分を従来のデバイスの方へ導くための十分な大きさの抵抗をＨＴＳデバイスが達成する基準を達成することは可能である。すべての超伝導体の場合と同様、温度、電流密度および磁界強度が特定の臨界値未満を維持している限り、電流は、抵抗が本質的にゼロである超伝導体を通って流れることになる。しかしながら、ＨＴＳワイヤの抵抗性状態における加熱は、スタビライザの抵抗率が大きくなるにつれて大きくなる。したがって抵抗率は、以下でさらに説明するように、中間の範囲に存在していなければならない。
【００６８】
ＨＴＳケーブル１５０は、長さが２．６０ｋｍのＨＴＳケーブルであることが仮定されており、その定格は、１３８ｋＶ、直流２４００Ａである。ＨＴＳケーブル１５０のＨＴＳワイヤ（例えばＨＴＳ層１０２、１０４）は、２８本のＨＴＳワイヤのより線を並列に備えることができる。さらに、ケーブル１５０は、３００ミクロンの黄銅が積層された（片面に１５０ミクロンずつ）、幅０．４４ｃｍ、９０Ｋにおける抵抗率が５マイクロオーム−ｃｍのＨＴＳワイヤを使用して構築されていることが仮定されている。この場合、このＨＴＳワイヤの１本のより線は、１キロメートル当たり約３７．９オームの９０Ｋ抵抗を有している。Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎは、ＨＴＳワイヤに対する黄銅スタビライザの積層を立証している。したがって、相当たりのケーブル抵抗は、３７．９Ω／ｋｍ＊２．６ｋｍ＊１．０８／２８より線＝３．８０Ωになる。係数１．０８は、個々のより線の長さをＨＴＳケーブル１５０の長さより長くする必要がある螺旋状ケーブル敷設プロセスからきている。従来のケーブル２００の場合、インピーダンスは、２．６ｋｍ＊（０．０９５＋ｊ０．１７）Ω／ｋｍ＝０．２５＋ｊ０．４４Ωである。したがってＨＴＳケーブル１５０は、超伝導の場合、従来のケーブル２００より実質的に小さいインピーダンス値（つまり０．００＋ｊ０．００７Ω／ｋｍ）を有しているが、ＨＴＳケーブル１５０が超伝導ではない場合（例えば高温状態が発生した場合）、ＨＴＳケーブル１５０のインピーダンスは、従来のケーブル２００（０．０９５＋ｊ０．１７Ω／ｋｍの誘導性インピーダンスを有している）より実質的に大きい（１．４６＋ｊ０．００７Ω／ｋｍのインピーダンスを有している）。
【００６９】
また、図７Ａを参照すると、ＨＴＳ層１０２、１０４を構築するために使用される、ＨＴＳコーティングが施された１本の導体ワイヤ３５０の横断面図が示されている。図に示されているこの実施例では、ＨＴＳ層１０２、１０４に使用されているＨＴＳワイヤ３５０は、２つのスタビライザ層３５２、３５３および基板３５４を備えている。スタビライザ層３５２、３５３の一実施例は、それらに限定されないが、黄銅もしくは他の銅またはニッケル合金を備えることができる。基板３５４の一実施例は、それらに限定されないが、ニッケル・タングステン、ステンレス鋼およびＨａｓｔｅｌｌｏｙを備えることができる。スタビライザ層３５２と基板層３５４の間に、バッファ層３５６、ＨＴＳ層３５８（例えばイットリウム・バリウム・銅・酸化物層）および例えば銀からなるキャップ層３６０を配置することができる。バッファ層３５６の一実施例は、酸化イットリウム、酸化イットリウム安定化酸化ジルコニウムおよび酸化セリウム（ＣｅＯ２）の組合せであり、また、キャップ層３６０の一実施例は銀である。はんだ層３６２（例えばＳｎＰｂＡｇ層）を使用して、スタビライザ層３５２および３５３をキャップ層３６０および基板層３５４に結合することができる。追加ＨＴＳ層、基板およびスラビライザならびに可能なカプセル封じ剤を備えた他の構成も、本発明の範囲内で考慮されている。
【００７０】
上で説明したワイヤ構成に加えて、他のワイヤ構成も本開示の範囲に包含されるものと見なされている。例えば単一のスタビライザ層を使用することができる。別法としては、第２のＨＴＳ層（そのバッファ層およびキャップ層と共に、図示せず）を第２のスタビライザ層３５３と基板３５４の下面との間に配置することができる。任意選択で、ＨＴＳワイヤは、２つの基板（それぞれバッファ層、ＨＴＳ層およびキャップ層を備えている）が、２つの基板層の間に配置された第３のスタビライザ層で分離される状態で、ＨＴＳワイヤの外側に配置された２つのスタビライザ層からなっていてもよい。はんだ層を使用することにより、必要なあらゆる結合を容易にすることができる（場合によっては基板層３５４、バッファ層３５６、ＨＴＳ層３５８およびキャップ層３６０の間を除く）。
【００７１】
また、図７Ｂを参照すると、ＨＴＳワイヤ３５０の一代替実施形態であるＨＴＳワイヤ３５０’が示されている。ＨＴＳワイヤ３５０’は、第２のスタビライザ層３５３と第３のスタビライザ層３８２の間に配置された第２の基板層３８０を備えることができる。スタビライザ層３５３（および／またはスタビライザ層３８２）と基板層３８０の間に、バッファ層、ＨＴＳ層（例えばイットリウム・バリウム・銅・酸化物すなわちＹＢＣＯ層）、キャップ層およびはんだ層を配置することができる。
【００７２】
安定化ＨＴＳワイヤの周囲に付着し、あるいは安定化ＨＴＳワイヤを覆っている、安定化ＨＴＳワイヤをカプセル封じするための、導電性に乏しい「絶縁体」層を任意選択で追加することによって追加比熱を提供することができる。導電性に乏しいこの絶縁体層は、カプセル封じ剤３６４と呼ぶことができる。カプセル封じ剤３６４は、熱伝達係数が概ね制限された液体不浸透層を形成することができ、それにより周囲の液体冷媒（例えば液体窒素）への熱の導入を遅延させ、ひいてはＨＴＳワイヤの温度を熱化させる、つまりＨＴＳワイヤの断面全体をより一様になるようにすることができ、したがってホットスポットの発生を最少化し、また、液体冷媒中のガス気泡の形成を最少化することができる。また、ＨＴＳワイヤの表面を最適化し（例えば表面特徴および界面化学を使用して）、液体冷媒の泡立ちまたは沸騰の発生を抑制することも可能である。
【００７３】
カプセル封じ剤３６４は、共通の電気絶縁材料を含有した重合体（例えばポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、エポキシ、ポリメタクリル酸メチル、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレンおよびポリウレタン）であってもよい。カプセル封じ剤３６４の厚さは、周囲の液体冷媒への熱伝達によってＨＴＳワイヤを冷却する必要性と、周囲の液体冷媒中におけるガス気泡の形成を伴うことなくＨＴＳワイヤの温度を最低化する必要性とが平衡するように選択することができる。カプセル封じ剤３６４の一般的な厚さの範囲は、２５〜３００マイクロメートルであり、また、カプセル封じ剤３６４の望ましい厚さの範囲は、５０〜１５０マイクロメートルである。
【００７４】
好ましい形態では、恐らくは金属、黒鉛または炭素粉末などの導電性粒子を加えることによってカプセル封じ剤３６４に若干の導電性を持たせることも可能であり、あるいは部分的に導電性であるいくつかの重合体からカプセル封じ剤３６４を選択することも可能である。カプセル封じ剤３６４の正味電気抵抗率は、０．０００１〜１００オームｃｍの範囲にすることができる。この控え目な導電率は、ＨＴＳワイヤのその抵抗性状態すなわち通常の状態における故障電流制限抵抗を著しく小さくすることは不可能であるが、この導電率によってＨＴＳケーブル内のＨＴＳワイヤが個々の断面で確実に等電位を維持し、それによりＨＴＳケーブル１５０内の異なるＨＴＳワイヤ間における電流共有を確実に可能にすることができる。電流がサージする場合、等電位を維持することが重要であり、さもなければＨＴＳワイヤ間に電位差が誘導的に誘導され、それにより絶縁破壊が生じて場合によってはＨＴＳワイヤが損傷することになる。カプセル封じ剤３６４は、任意選択で、抵抗率が大きい金属であるか、またはこの範囲の抵抗を有する半導電性材料であるか、あるいは導電率改善材料を含有することもできるエナメル、ガラスまたは結晶性酸化物材料であってもよい。
【００７５】
カプセル封じ剤３６４の外部表面は、カプセル封じ剤３６４と周囲の液体冷媒（例えば液体窒素）との間の熱伝達係数を小さくする材料でコーティングすることができる。別法としては、カプセル封じ剤３６４の表面をテクスチャード加工し、カプセル封じ剤３６４と周囲の液体冷媒（例えば液体窒素）との間の熱伝達係数を改善することも可能である。さらに、カプセル封じ剤３６４の表面は、周囲の液体冷媒に向かって外側に急激に散逸する熱による核形成を抑制するために、例えば導電率がより大きい金属粒子または押出し金属繊維でコーティングすることができる。しかしながら、このような表面処理は、すべて、同じく液体状態における絶縁耐力の低下を回避しなければならない。
【００７６】
カプセル封じ剤３６４は、例えば、単一パス手法と比較すると貫通の発生率が統計的に減少するマルチパス手法を始めとする様々なラッピング／コーティング方法を使用して加えることができる。別法としては、カプセル封じ剤３６４は、浸漬、押出し、めっき、気相成長または噴霧などのコーティング方法によって加えることができる。
【００７７】
カプセル封じ剤３６４は、例えば最大０．３％のワイヤ引張りひずみの軸方向張力（例えば１００メガパスカル程度）がＨＴＳワイヤにかかっている間に加えることができ、したがって塗布プロセスが終了すると圧縮状態でカプセル封じ剤３６４を置くことができるため、カプセル封じ剤３６４中における貫通の可能性が減少する。したがって完成すると、カプセル封じ剤３６４中のＨＴＳワイヤに軸方向の張力がかかっている間に、カプセル封じ剤３６４を軸方向に圧縮することができる（それらの初期状態と比較して）。
【００７８】
ラッピング手順を使用してカプセル封じ剤３６４を加える場合、カプセル封じ剤３６４中のあらゆる隙間／開口から不浸透性材料のラップ層に浸入する追加含浸コーティング（例えば重合体、ペイントまたはワニス、図示せず）を加えることができ、したがって気密封止カプセル封じ剤が形成される。別法としては、ラップされたカプセル封じ剤を上で参照した隙間／開口を密閉するローリングプロセスまたは圧縮プロセス（例えばアイソスタティック圧縮）によって気密にすることも可能である。ワイヤの金属スタビライザ層に向かって浸入する液体冷媒は、故障中、ガス気泡核形成および沸騰を開始させることになるため、隙間または開口を回避することは重要である。
【００７９】
他の等級のカプセル封じ剤またはスタビライザは、融解構造相転移または結晶構造相転移などの吸熱相転移する材料である。ＨＴＳワイヤの動作温度より高い何らかの温度で（かつ、ＨＴＳワイヤの最大許容温度未満で）このような吸熱相変化する材料が使用されることが好ましい。吸熱相変化の一例は、例えば、複合物補強材料中の離散埋込み粒子としてカプセル封じ剤３６４に加えることができ、カプセル封じ剤３６４の表面／界面に加えることができるゲル／ペイントとしてカプセル封じ剤３６４に加えることができ、あるいはカプセル封じ剤３６４の特定の領域（例えば内部コンジット領域の縁、フィレットまたは中）に選択的に加えることができる低融解温度有機材料または低融解温度無機材料の融解である。また、吸熱相変化には、例えば、特定の金属間相変化、順序相変化または他の二次相転移を含むことも可能である。例えば、カプセル封じ剤３６４用に選択される材料は、−１６０℃乃至−７０℃の範囲で融解させることができ、約−５０℃より高い温度で沸騰する（好ましい沸点は周囲温度より高い温度である）ため、液体または複合物の状態で（つまりペイント、膜コーティング、乳濁液またはゲルとして）比較的容易に、かつ、経済的にカプセル封じ剤３６４に加えることができる。
【００８０】
また、図８を参照すると、ＨＴＳワイヤ３５０の等価電気モデル４００が示されている。説明を目的として、等価電気モデル４００は、モデル４００の下半分が超伝導層４０２であり、また、モデル４００の上半分が、抵抗性金属層４０４を形成するために他のすべてのワイヤ構造が結合されたＨＴＳワイヤ３５０を示している。ＨＴＳワイヤ３５０が超伝導モードにある場合、電流は、すべて、本質的にゼロ抵抗超伝導層４０２の中を流れる。非超伝導モードにある場合、電流は、主としてスタビライザからなる抵抗性金属層４０４の中を流れる。
【００８１】
また、図９を参照すると、上で説明したように、臨界電流レベルを超えるということは、ＨＴＳワイヤ３５０が超伝導モードで機能しているのか、あるいは非超伝導モードで機能しているのかを区別することである。ＨＴＳワイヤ３５０は、電流が小さい場合（つまり臨界電流レベル未満の場合）に閉じて金属層４０４の抵抗４０８を分路するスイッチ４０６を備えるようにモデル化することができる。したがって、スイッチ４０６が閉じると、電流は、すべて、ゼロ抵抗としてモデル化されている超伝導層４０２を通って流れる。臨界電流レベルを超えると、超伝導層４０２が高度に抵抗性になり、スイッチ４０６を開いて、すべての電流が抵抗性金属層４０４を通って流れるようにすることができる。
【００８２】
また、図１０を参照すると、超伝導動作モード時におけるＨＴＳケーブル１５０と従来のケーブル２００の組合せモデルが示されている。このモデルの場合、７９．７ｋＶ線路−接地の典型的な電源電圧および０．１５５＋ｊ１．５５オームの電源インピーダンスが仮定されている（図６のＶｓ、ＬｓおよびＲｓ）。これらの値は、ケーブル１５０、２００の前段の変電所２０における故障に対して５１ｋＡの故障電流をもたらすことになる。電流（つまり臨界電流レベル未満の電流）が１つの変電所から他の変電所へ流れる通常の動作中に、例えば２６００メートルのケーブルに典型的な実インピーダンス値および無効インピーダンス値を挿入することによってスイッチが閉じ、電流の９６％がＨＴＳケーブル１５０の中を流れる。
【００８３】
また、図１１を参照すると、故障状態の間、臨界電流レベルが合致するかあるいは超過し、それによりスイッチ４０６（図９）が開く。ＨＴＳケーブル１５０の金属層４０２（図８）の追加抵抗により、故障電流の大部分が従来のケーブル２００の中を流れるようにすることができる。詳細には、示されている値の場合、ＨＴＳケーブルが完全に抵抗性になると、故障電流の８８％が従来のケーブル２００の中を流れ、１２％がＨＴＳケーブル１５０の中を流れる。ケーブル１５０、２００の中を流れる総故障電流は４０ｋＡであり、これは、利用可能な５１ｋＡから著しく低減されている。利用可能な故障電流のこの２０％の低減は、故障電流制限器に必要とされることになる典型的な低減である。
【００８４】
故障中におけるＨＴＳケーブル１５０の過度の加熱を防止するためにいくつかの対策を講じることができる。通常、ＨＴＳケーブル１５０と直列である高速スイッチアセンブリ２０８（図４）は、例えば４サイクル後に開くことができ、また、ＨＴＳケーブル１５０が許容可能な開始温度まで冷却されるまでの間は閉じることはない。別法としては、遮断器３４および／または遮断器３６を開くことも可能である。
【００８５】
温度上昇をさらに最小化するために、スタビライザ層３５２（図７）を極めて分厚くして（例えば３００ミクロン）熱容量を大きくすることができる。また、それと同時に、抵抗性加熱による温度上昇が最小化され、かつ、それと同時に、その切り換えられた状態のＨＴＳケーブル１５０が、故障電流１２４（図５）の大部分が従来のケーブル２００を通って流れることを保障するだけの十分な大きさの抵抗を有することを保障するだけの十分な大きさになるようにスタビライザ層３５２の抵抗率の値を選択することができる。通常、典型的なアプリケーションに対するこれらの要求事項を満足する値の範囲は、９０Ｋ近辺で０．８〜１５マイクロオーム−ｃｍであり、より好ましくは１〜１０マイクロオーム−ｃｍである。このような値を達成するための便利な材料族は黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ合金）であるが、ＣｕＮｉおよびＣｕＭｎなどの他の多くの合金も可能である。これらの値は、単に説明を目的として提供されたものにすぎず、本開示の制限を意図したものではない。例えば、上で説明した事例の場合、幅がそれぞれ０．４４ｃｍである２８本の並列ＨＴＳワイヤを使用し、かつ、抵抗率が５．０マイクロオーム−ｃｍである合計３００ミクロンのスタビライザを使用することにより、１．３５オーム／ｋｍの抵抗が提供され、また、実効臨界電流が３５０Ａ／ｃｍである場合、高速スイッチが開く前の４サイクル（０．０６７秒）のホールド時間の間に上昇する温度は、約５×１０−６（３５０／０．０３）２×０．０６７／（２×２）＝１１Ｋである（熱容量が２Ｊ／ｃｍ３Ｋであり、また、ｆ−係数が１である断熱温度上昇を仮定して）。１５〜２０バールの範囲の圧力で加圧されたケーブルシステムの場合、窒素気泡の温度は約１１０Ｋより高いため、この温度上昇は、７０〜８０Ｋの温度範囲での動作に対しては許容可能である。臨界電流がもっと小さい約２５０Ａ／ｃｍ−幅のワイヤの場合、約１０マイクロオーム−ｃｍの抵抗率によって同じ温度上昇が得られる。ｆ−係数が２であるワイヤの場合、温度上昇は約４４Ｋであり、この場合、３マイクロオーム−ｃｍの抵抗率によって、７７Ｋ未満で動作するケーブルに対して許容可能な約２６Ｋの温度上昇が得られる。ｆ−係数が３であるワイヤの場合、１マイクロオーム−ｃｍの抵抗率によって約２０Ｋの温度上昇が得られる。
【００８６】
したがってスタビライザ抵抗率の値は、１〜１０マイクロオームｃｍの範囲であることが好ましい。開始パラメータの範囲がもう少し広い場合、より広い０．８〜１５マイクロオームｃｍの範囲の抵抗率も可能である。これらの値は、文献で取り上げられているＨＴＳケーブルのための先行手法の値とは異なっている。一方では、電流を制限するためではなく、どちらかと言えば保護を目的として設計されたほとんどのＨＴＳケーブルは、７７〜９０Ｋの温度範囲における抵抗率が０．５マイクロオーム−ｃｍ未満である低抵抗率銅分路を使用して構築された。他方では、電流制限ケーブルのための従来の設計（ＳＵＰＥＲＰＯＬＩ Ｆａｕｌｔ−Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｅｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＹＢＣＯ−Ｃｏａｔｅｄ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ Ｔａｐｅｓ ｂｙ Ａ．Ｕｓｏｓｋｉｎ ｅｔ ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．２、２００３年６月、１９７２〜５頁参照）には、通常の抵抗性状態で約１００マイクロオーム−ｃｍの抵抗率を有する超伝導体自体のロッドまたはシリンダか、あるいはステンレス鋼によって安定化された、＞５０マイクロオーム−ｃｍの抵抗率を有するＨＴＳワイヤのロッドまたはシリンダのいずれかが使用された。中間の範囲のスタビライザ抵抗率を使用している本発明の解決法は、これまで認識されていなかった。
【００８７】
次に、長さが６００ｍの同じケーブル（つまり同じワイヤ特性を使用して同じ方法で構築された１３８ｋＶ、２４００Ａのケーブル）の実施例について考察する。図９の電源電圧およびインピーダンスの値は、同じ値がそのまま維持されている。しかしながら、従来のケーブル２００のインピーダンスは、非超伝導状態で０．５７＋ｊ０．１０オームであり、また、ＨＴＳケーブル１５０のインピーダンスは、非超伝導状態で０．８８＋ｊ０．００５オームである。このシナリオの場合、故障電流は、５１ｋＡから４８ｋＡまでしか低減されない。故障電流をさらに小さくするために、リアクトル（例えばリアクトル２０６）を従来のケーブル２００に直列に挿入することができる。例えば１．４ｍＨのリアクトルは０＋ｊ０．５３オームのインピーダンスを有しており、このインピーダンスが従来のケーブルインピーダンスに追加されると（それらが直列に接続されるため）、ケーブルの中を流れる総故障電流は４０ｋＡまで低減される。
【００８８】
故障電流制限ケーブル１５０の正味効果は、ケーブルシステムの衝撃分岐における電流をｆ−係数と臨界電流Ｉｃの積以下のレベルまで制限すること、高速スイッチアセンブリ２０８を保護すること、および残りの故障電流を非超伝導ケーブル２００およびリアクトル２０６の方へ向けることである。上記実施例の場合、本開示による故障電流制限ＨＴＳケーブル設計を使用することなく、ケーブルシステムの分岐における故障電流を著しく大きくすることができる（例えば一桁程度大きくすることができる）。しかしながら、正確な電流レベルは、電気経路内のインピーダンスおよび電力レベルで決まる。高速スイッチアセンブリ２０８が開くと、故障電流は、遮断器３４、３６が開くまでの間、非超伝導ケーブル２００およびリアクトル２０６を通って流れる。非超伝導ケーブル２００およびリアクトル２０６のインピーダンスを適切に選択することにより、所望のレベルまで故障電流を制限することができる。数分後に超伝導ケーブル１５０がその超伝導状態に復帰すると、高速スイッチアセンブリ２０８を閉じてシステムにその元の動作を再開させることができる。
【００８９】
超伝導ケーブル１５０は、上では、ケーブル全体が共通の超伝導パラメータを有する単一の超伝導ケーブル（例えば単一の超伝導材料でできたケーブル）として説明されているが、他の構成も可能であり、本開示の範囲内であると見なされている。例えば同じく図１２を参照すると、複数のまったく異なる超伝導ケーブル部分４５０、４５２を備えた代替実施形態超伝導ケーブル１５０’が示されている。図に示されている代替実施形態超伝導ケーブル１５０’は、２つの超伝導ケーブル部分４５０、４５２を備えているが、これは単に説明を目的としたものにすぎず、超伝導ケーブル部分の実際の数はアプリケーションに応じて増／減させることができるため、本開示を制限することは意図されていない。
【００９０】
超伝導材料によって移行特性が変化するため（つまり超伝導状態から通常の状態へ移行する間）、いくつかの超伝導材料は、本来、故障電流制限アプリケーションにおいては他の超伝導材料より良好である。例えば、ＹＢＣＯ（つまりイットリウム・バリウム・銅・酸化物）導体は、そのｎ値がより大きいため、故障電流制限アプリケーションの場合、通常、ＢＳＣＣＯ（つまりビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸化物）導体より優れていると見なされている。超伝導体のｎ値は、超伝導状態から通常の状態への移行の突発性を表すために使用されている。ｎ値の典型的な例は、場合によっては１０〜１００の範囲に存在しており、ＹＢＣＯワイヤは２５〜３０のｎ値を有しており、また、ＢＳＣＣＯワイヤは１５〜２０のｎ値を有している。
【００９１】
したがって超伝導ケーブル部分は、複数の超伝導ケーブル部分（例えばケーブル部分４５０、４５２）で構築することができ、超伝導ケーブル部分４５０、４５２は、それぞれ異なる超伝導材料を使用して構築されている。例えば超伝導ケーブル部分４５０をＢＳＣＣＯ（つまりビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸化物）ワイヤで構築し、一方、超伝導ケーブル部分４５２をＹＢＣＯ（つまりイットリウムすなわち希土類・バリウム・銅・酸化物）ワイヤで構築することができる。ＢＳＣＣＯケーブル部分４５０の例には、それには限定されないが、日本の大阪在所の住友電気工業株式会社およびマサチューセッツ州ウェストバラ在所のＡｍｅｒｉｃａｎ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが製造しているＢＳＣＣＯワイヤを含むことができる。ＹＢＣＯケーブル部分４５２の例には、それには限定されないが、マサチューセッツ州ウェストバラ在所のＡｍｅｒｉｃａｎ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが製造しているＹＢＣＯワイヤを含むことができる。
【００９２】
したがって全体がＢＳＣＣＯワイヤのみで構築された超伝導ケーブルは、故障電流制限デバイスとしてのその有効性は場合によっては限られているが（つまりｎ値が小さいために）、より大きいｎ値を有するワイヤを使用して構築されたケーブル部分を追加することにより、ケーブル全体（つまりケーブル部分４５０、４５２の組合せ）を故障電流制限デバイスとして有効なものにすることができる。したがって、ｎ値が大きいケーブル部分（例えば本開示の中で説明されているように設計されたＹＢＣＯワイヤを使用して構築された超伝導ケーブル部分４５２）をｎ値が小さい既存のケーブル部分（例えばＢＳＣＣＯワイヤを使用して構築された超伝導ケーブル部分４５０）に追加することによって故障電流制限超伝導ケーブル１５０’を実現することができる。この構成の場合、ケーブル部分４５２の大きいｎ値の移行特性を使用して、所望の故障電流制限効果を超伝導ケーブル１５０’（ｎ値が小さいケーブル部分４５０を備えている）の中に達成することができる。
【００９３】
以上、多くの実施態様について説明した。しかしながら、様々な修正を加えることができることは理解されよう。したがって他の実施態様は、以下の特許請求の範囲の範疇である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
既知の故障電流レベルを有する電力公益事業電力格子内に含まれるように構成された超伝導電気ケーブルシステムであって、
前記電力公益事業電力格子の第１の分岐点と第２の分岐点の間に相互接続された非超伝導電気経路と、
前記電力公益事業電力格子の前記第１の分岐点と前記第２の分岐点の間に相互接続された超伝導電気経路であって、当該超伝導電気経路および前記非超伝導電気経路が並列に電気接続され、当該超伝導電気経路が臨界電流レベルおよび臨界温度未満で動作する場合、前記非超伝導電気経路より小さい直列インピーダンスを有する超伝導電気経路と
を備え、
前記超伝導電気経路が、臨界電流レベルおよび超伝導体臨界温度のうちの１つまたは複数で動作し、あるいはそれより高いレベルまたは高い温度で動作する場合、前記非超伝導電気経路の前記直列インピーダンスの少なくともＮ倍の直列インピーダンスを有するように構成され、Ｎが１より大きく、かつ、前記非超伝導電気経路のインピーダンスと相まって前記既知の故障電流レベルを少なくとも１０％減衰させるように選択される超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２】
前記非超伝導電気経路が非低温温度に維持される、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項３】
前記非低温温度が少なくとも２７３Ｋである、請求項２に記載の超伝導電気ケーブル。
【請求項４】
前記超伝導電気経路がケーブルアセンブリ内に含まれ、また、前記非超伝導電気経路が前記ケーブルアセンブリの外側に位置している、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項５】
前記非超伝導電気経路の前記インピーダンスを調整するためのインピーダンス調整デバイスをさらに備えた、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項６】
前記インピーダンス調整デバイスがリアクトルアセンブリを備えた、請求項５に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項７】
前記超伝導電気経路に直列に電気結合された高速スイッチをさらに備えた、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項８】
前記超伝導電気経路が第１の超伝導ケーブル部分および少なくとも第２の超伝導ケーブル部分を備えた、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項９】
前記第１の超伝導ケーブル部分が第１のＨＴＳ超伝導材料を備え、前記少なくとも第２の超伝導ケーブル部分が第２のＨＴＳ超伝導材料を備えた、請求項８に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１０】
前記第１のＨＴＳ超伝導材料がＹＢＣＯ材料を備え、前記第２のＨＴＳ超伝導材料がＢＳＣＣＯ材料を備えた、請求項８に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１１】
Ｎが３以上である、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１２】
Ｎが５以上である、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１３】
前記非超伝導電気経路が少なくとも１つの非超伝導電気ケーブルを備えた、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１４】
前記非超伝導電気経路が少なくとも１つの非超伝導電気架空線路を備えた、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１５】
前記超伝導電気経路が、１つまたは複数の超伝導電気ケーブルおよび１つまたは複数の高速スイッチアセンブリのうちの１つまたは複数を備えた、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１６】
前記非超伝導電気経路が、１つまたは複数の非超伝導電気ケーブル、１つまたは複数の母線、１つまたは複数の変電所および１つまたは複数のリアクトルアセンブリのうちの少なくとも１つを備えた、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの超伝導電気ケーブルが、中央に配置された軸方向冷媒通路であって、前記中央に配置された軸方向冷媒通路を介して冷媒を軸方向に分配することができるように構成された冷媒通路を備えた、請求項１６に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１８】
前記超伝導電気経路が、９０Ｋの温度範囲で０．８マイクロオーム−ｃｍより大きい抵抗率を個々に有する複数の導電コンポーネントを備えた、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの超伝導電気ケーブルが１つまたは複数のＨＴＳワイヤを備えた、請求項１６に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２０】
前記複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つが、イットリウムすなわち希土類・バリウム・銅・酸化物、タリウム・バリウム・カルシウム・銅・酸化物、ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸化物、水銀・バリウム・カルシウム・銅・酸化物およびマグネシウム・ジボライドからなるグループから選択される材料で構築される、請求項１９に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２１】
前記複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つがカプセル封じ剤を備えた、請求項１９に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２２】
前記１つまたは複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つが、２００〜６００ミクロンの範囲内の総合厚さを有し、かつ、９０Ｋで０．８〜１５．０マイクロオーム−ｃｍの範囲内の抵抗率を有する１つまたは複数のスタビライザ層を備えた、請求項１９に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２３】
前記スタビライザ層が少なくとも部分的に黄銅材料で構築された、請求項２２に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２４】
前記１つまたは複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つが、２００〜１０００ミクロンの範囲内の総合厚さを有し、かつ、９０Ｋで１〜１０マイクロオーム−ｃｍの範囲内の抵抗率を有する１つまたは複数のスタビライザ層を備えた、請求項１９に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２５】
前記１つまたは複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つが、臨界電流レベル未満の超伝導モードで動作するように構成された、請求項２４に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２６】
前記１つまたは複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つが、臨界電流レベル以上の非超伝導モードで動作するように構成された、請求項１９に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２７】
既知の故障電流レベルを有する電力公益事業電力格子内に含まれるように構成された超伝導電気ケーブルシステムであって、
前記電力公益事業電力格子の第１の分岐点と第２の分岐点の間に相互接続された非低温非超伝導電気経路と、
前記電力公益事業電力格子の前記第１の分岐点と前記第２の分岐点の間に相互接続された超伝導電気経路であって、当該超伝導電気経路および前記非超伝導電気経路が並列に電気接続され、当該超伝導電気経路が臨界電流レベル未満で動作する場合、前記非超伝導電気経路より小さい直列インピーダンスを有する超伝導電気経路と
を備え、
前記超伝導電気経路が、臨界電流レベルで動作し、あるいはそれより高いレベルで動作する場合、前記非超伝導電気経路の前記直列インピーダンスの少なくともＮ倍の直列インピーダンスを有するように構成され、Ｎが１より大きい超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２８】
前記非低温非超伝導電気経路が少なくとも２７３Ｋの非低温温度に維持される、請求項２７に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２９】
前記超伝導電気経路がケーブルアセンブリ内に含まれ、また、前記非低温非超伝導電気経路が前記ケーブルアセンブリの外側に位置している、請求項２７に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項３０】
前記非低温非超伝導電気経路の前記インピーダンスを調整するためのインピーダンス調整デバイスをさらに備えた、請求項２７に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項３１】
前記インピーダンス調整デバイスがリアクトルアセンブリを備えた、請求項３０に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項３２】
前記超伝導電気経路が第１の超伝導ケーブル部分および少なくとも第２の超伝導ケーブル部分を備えた、請求項２７に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項３３】
前記第１の超伝導ケーブル部分が第１のＨＴＳ超伝導材料を備え、前記少なくとも第２の超伝導ケーブル部分が第２のＨＴＳ超伝導材料を備えた、請求項３２に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項３４】
前記第１のＨＴＳ超伝導材料がＹＢＣＯ材料を備え、前記第２のＨＴＳ超伝導材料がＢＳＣＣＯ材料を備えた、請求項３２に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項３５】
Ｎが３以上である、請求項２７に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項３６】
Ｎが５以上である、請求項２７に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１】
既知の故障電流レベルを有する電力公益事業電力格子内に含まれるように構成された超伝導電気ケーブルシステムであって、
前記電力公益事業電力格子の第１の分岐点と第２の分岐点の間に相互接続された非超伝導電気経路と、
前記電力公益事業電力格子の前記第１の分岐点と前記第２の分岐点の間に相互接続された超伝導電気経路であって、当該超伝導電気経路および前記非超伝導電気経路が並列に電気接続され、当該超伝導電気経路が臨界電流レベルおよび臨界温度未満で動作する場合、前記非超伝導電気経路より小さい直列インピーダンスを有する超伝導電気経路と
を備え、
前記超伝導電気経路が、臨界電流レベルおよび超伝導体臨界温度のうちの１つまたは複数で動作し、あるいはそれより高いレベルまたは高い温度で動作する場合、前記非超伝導電気経路の前記直列インピーダンスの少なくともＮ倍の直列インピーダンスを有するように構成され、Ｎが１より大きく、かつ、前記非超伝導電気経路のインピーダンスと相まって前記既知の故障電流レベルを少なくとも１０％減衰させるように選択される超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２】
前記非超伝導電気経路が非低温温度に維持される、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項３】
前記非低温温度が少なくとも２７３Ｋである、請求項２に記載の超伝導電気ケーブル。
【請求項４】
前記超伝導電気経路がケーブルアセンブリ内に含まれ、また、前記非超伝導電気経路が前記ケーブルアセンブリの外側に位置している、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項５】
前記非超伝導電気経路の前記インピーダンスを調整するためのインピーダンス調整デバイスをさらに備えた、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項６】
前記インピーダンス調整デバイスがリアクトルアセンブリを備えた、請求項５に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項７】
前記超伝導電気経路に直列に電気結合された高速スイッチをさらに備えた、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項８】
前記超伝導電気経路が第１の超伝導ケーブル部分および少なくとも第２の超伝導ケーブル部分を備えた、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項９】
前記第１の超伝導ケーブル部分が第１のＨＴＳ超伝導材料を備え、前記少なくとも第２の超伝導ケーブル部分が第２のＨＴＳ超伝導材料を備えた、請求項８に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１０】
前記第１のＨＴＳ超伝導材料がＹＢＣＯ材料を備え、前記第２のＨＴＳ超伝導材料がＢＳＣＣＯ材料を備えた、請求項８に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１１】
Ｎが３以上である、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１２】
Ｎが５以上である、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１３】
前記非超伝導電気経路が少なくとも１つの非超伝導電気ケーブルを備えた、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１４】
前記非超伝導電気経路が少なくとも１つの非超伝導電気架空線路を備えた、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１５】
前記超伝導電気経路が、１つまたは複数の超伝導電気ケーブルおよび１つまたは複数の高速スイッチアセンブリのうちの１つまたは複数を備えた、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１６】
前記非超伝導電気経路が、１つまたは複数の非超伝導電気ケーブル、１つまたは複数の母線、１つまたは複数の変電所および１つまたは複数のリアクトルアセンブリのうちの少なくとも１つを備えた、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの超伝導電気ケーブルが、中央に配置された軸方向冷媒通路であって、前記中央に配置された軸方向冷媒通路を介して冷媒を軸方向に分配することができるように構成された冷媒通路を備えた、請求項１６に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１８】
前記超伝導電気経路が、９０Ｋの温度範囲で０．８マイクロオーム−ｃｍより大きい抵抗率を個々に有する複数の導電コンポーネントを備えた、請求項１に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの超伝導電気ケーブルが１つまたは複数のＨＴＳワイヤを備えた、請求項１６に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２０】
前記複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つが、イットリウムすなわち希土類・バリウム・銅・酸化物、タリウム・バリウム・カルシウム・銅・酸化物、ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸化物、水銀・バリウム・カルシウム・銅・酸化物およびマグネシウム・ジボライドからなるグループから選択される材料で構築される、請求項１９に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２１】
前記複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つがカプセル封じ剤を備えた、請求項１９に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２２】
前記１つまたは複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つが、２００〜６００ミクロンの範囲内の総合厚さを有し、かつ、９０Ｋで０．８〜１５．０マイクロオーム−ｃｍの範囲内の抵抗率を有する１つまたは複数のスタビライザ層を備えた、請求項１９に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２３】
前記スタビライザ層が少なくとも部分的に黄銅材料で構築された、請求項２２に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２４】
前記１つまたは複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つが、２００〜１０００ミクロンの範囲内の総合厚さを有し、かつ、９０Ｋで１〜１０マイクロオーム−ｃｍの範囲内の抵抗率を有する１つまたは複数のスタビライザ層を備えた、請求項１９に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２５】
前記１つまたは複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つが、臨界電流レベル未満の超伝導モードで動作するように構成された、請求項２４に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２６】
前記１つまたは複数のＨＴＳワイヤのうちの少なくとも１つが、臨界電流レベル以上の非超伝導モードで動作するように構成された、請求項１９に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２７】
既知の故障電流レベルを有する電力公益事業電力格子内に含まれるように構成された超伝導電気ケーブルシステムであって、
前記電力公益事業電力格子の第１の分岐点と第２の分岐点の間に相互接続された非低温非超伝導電気経路と、
前記電力公益事業電力格子の前記第１の分岐点と前記第２の分岐点の間に相互接続された超伝導電気経路であって、当該超伝導電気経路および前記非超伝導電気経路が並列に電気接続され、当該超伝導電気経路が臨界電流レベル未満で動作する場合、前記非超伝導電気経路より小さい直列インピーダンスを有する超伝導電気経路と
を備え、
前記超伝導電気経路が、臨界電流レベルで動作し、あるいはそれより高いレベルで動作する場合、前記非超伝導電気経路の前記直列インピーダンスの少なくともＮ倍の直列インピーダンスを有するように構成され、Ｎが１より大きい超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２８】
前記非低温非超伝導電気経路が少なくとも２７３Ｋの非低温温度に維持される、請求項２７に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項２９】
前記超伝導電気経路がケーブルアセンブリ内に含まれ、また、前記非低温非超伝導電気経路が前記ケーブルアセンブリの外側に位置している、請求項２７に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項３０】
前記非低温非超伝導電気経路の前記インピーダンスを調整するためのインピーダンス調整デバイスをさらに備えた、請求項２７に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項３１】
前記インピーダンス調整デバイスがリアクトルアセンブリを備えた、請求項３０に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項３２】
前記超伝導電気経路が第１の超伝導ケーブル部分および少なくとも第２の超伝導ケーブル部分を備えた、請求項２７に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項３３】
前記第１の超伝導ケーブル部分が第１のＨＴＳ超伝導材料を備え、前記少なくとも第２の超伝導ケーブル部分が第２のＨＴＳ超伝導材料を備えた、請求項３２に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項３４】
前記第１のＨＴＳ超伝導材料がＹＢＣＯ材料を備え、前記第２のＨＴＳ超伝導材料がＢＳＣＣＯ材料を備えた、請求項３２に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項３５】
Ｎが３以上である、請求項２７に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【請求項３６】
Ｎが５以上である、請求項２７に記載の超伝導電気ケーブルシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公表番号】特表２０１０−５１８８０３（Ｐ２０１０−５１８８０３Ａ）
【公表日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５４９１７０（Ｐ２００９−５４９１７０）
【出願日】平成２０年１月２９日（２００８．１．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０５２２９３
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１２１４３０
【国際公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【出願人】（５０９２２５１６６）アメリカン スーパーコンダクター コーポレーション (4)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２９日（２００８．１．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０５２２９３
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１２１４３０
【国際公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【出願人】（５０９２２５１６６）アメリカン スーパーコンダクター コーポレーション (4)
【Ｆターム（参考）】
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