超電導ケーブル
【課題】小径でありながら、事故時の温度上昇を抑制することができる超電導ケーブルを提供する。
【解決手段】超電導ケーブル100は、中心から順にフォーマ11、超電導導体層12、電気絶縁層13、超電導シールド層14、保護層15を有するケーブルコア10を具える。超電導シールド層14は、シールド用超電導線材1sから構成され、その内周側及び外周側の双方に、銅などからなる常電導シールド層を具えていない。シールド用超電導線材1sにおける常電導相が占める割合が、超電導導体層12を構成する導体用超電導線材1cにおける常電導相が占める割合よりも小さい。超電導ケーブル100は、常電導シールド層を具えていないことで小径である。超電導シールド層14は、常電導相が少ないシールド用超電導線材1sからなることで、事故時に誘導電流が流れ難く、当該常電導相への誘導電流による発熱に伴う温度上昇を抑制できる。
【解決手段】超電導ケーブル100は、中心から順にフォーマ11、超電導導体層12、電気絶縁層13、超電導シールド層14、保護層15を有するケーブルコア10を具える。超電導シールド層14は、シールド用超電導線材1sから構成され、その内周側及び外周側の双方に、銅などからなる常電導シールド層を具えていない。シールド用超電導線材1sにおける常電導相が占める割合が、超電導導体層12を構成する導体用超電導線材1cにおける常電導相が占める割合よりも小さい。超電導ケーブル100は、常電導シールド層を具えていないことで小径である。超電導シールド層14は、常電導相が少ないシールド用超電導線材1sからなることで、事故時に誘導電流が流れ難く、当該常電導相への誘導電流による発熱に伴う温度上昇を抑制できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導導体層と、磁気遮蔽層として機能する超電導シールド層とを具える超電導ケーブルに関するものである。特に、小径でありながら、短絡や地絡などの事故時の温度上昇を抑制することができる超電導ケーブルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力供給路を構成する電力ケーブルとして、超電導ケーブルが開発されつつある。超電導ケーブルは、代表的には、内周側から順にフォーマ、超電導導体層、電気絶縁層、超電導シールド層を有するケーブルコアと、このケーブルコアを収納すると共に、液体窒素といった冷媒が満たされる断熱管とを具える。上記超電導導体層及び上記超電導シールド層は、一般に、同じ仕様の複数の超電導線材を巻回して構成される。超電導線材は、酸化物からなる超電導相と、銅やアルミニウムといった超電導ケーブルの使用温度においても比抵抗が小さい良導体の常電導材料からなる常電導相とを含むものが代表的である。
【０００３】
上記超電導ケーブルにより、例えば交流送電を行う場合、上記超電導シールド層には、通常運転時、超電導導体層に流れる電流(導体電流)と逆向きでほぼ同じ大きさの電流が誘導される。この誘導電流(シールド電流)による磁場で導体電流による磁場を打ち消すことで、超電導ケーブルの外部への漏れ磁場をほぼゼロにすることができる。
【０００４】
上記超電導ケーブルを実線路に導入した場合、短絡や地絡といった事故により超電導導体層に大電流(事故電流)が流れる恐れがある。このとき、上記超電導シールド層にも大電流が誘導される。ここで、超電導線材に臨界電流Icを超える大電流が流れると、超電導相が常電導状態に転移する(クエンチする)。すると、超電導線材の超電導相ではなく、常電導相に主として電流が流れることでジュール熱が生じ、この発熱による温度上昇に伴い超電導線材に損傷を与える恐れがある。そこで、超電導線材に流れる事故電流を低減するために、上記フォーマを銅などの良導体の常電導材料により構成し、事故電流をこのフォーマに分流させたり、上記超電導シールド層の直上(外周)や直下(内周)に銅などからなる常電導シールド層を具え、上記事故電流に基づく誘導電流をこの常電導シールド層に分流させることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2006-331894号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記常電導シールド層を具えると、超電導ケーブルが大型化する、という問題がある。
超電導ケーブル線路の構築にあたり、OFケーブルが布設されている既存の管路に、OFケーブルの代替として超電導ケーブルを布設することが検討されている。上記管路への引き入れを考慮すると、超電導ケーブルは、できる限り小径であることが望まれる。また、超電導ケーブルが小径であることで、製造性に優れる上に、搬送や布設などを容易に行える。
【０００７】
例えば、上記常電導シールド層の具備に代えて、上記事故電流が流れた場合でも常電導状態に転移しない電流容量を有するように超電導線材の使用量を多くすることが考えられる。しかし、この構成も、超電導ケーブルの大型化を招く上に、高価な超電導線材が大量に必要であるため、不経済である。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、小径でありながら、事故時の温度上昇を抑制することができる超電導ケーブルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、事故電流(誘導電流)を分流させるために上記常電導シールド層を具える、という発想ではなく、特に、上記超電導シールド層の温度上昇の原因となる誘導電流の通電自体を抑制する構成とすることを提案する。より具体的には、上記超電導シールド層を構成する超電導線材として、事故電流が誘導され難い特定の構造の線材を具える。
【００１０】
本発明は、中心から順にフォーマと、超電導導体層と、電気絶縁層と、超電導シールド層とを有するケーブルコアを具える超電導ケーブルに係るものである。上記超電導導体層及び上記超電導シールド層は、超電導相と常電導相とを含む複数の超電導線材で構成されている。そして、上記超電導シールド層を構成する超電導線材(以下、シールド用超電導線材と呼ぶ)の少なくとも1本において常電導相が占める割合が、上記超電導導体層を構成する超電導線材(以下、導体用超電導線材と呼ぶ)において常電導相が占める割合よりも小さい。
【００１１】
上記構成によれば、超電導シールド層を構成するシールド用超電導線材は、常電導相が少ないことで、事故時、常電導状態に転移した場合に電気抵抗が高いことになる。そのため、事故時、超電導導体層やフォーマに事故電流が流れても、上記超電導シールド層には、当該事故電流から誘導される電流が少ない。換言すれば、誘導電流を十分に減衰することができる。特に、シールド用超電導線材における常電導相の割合によっては、上記事故電流からの誘導電流を実質的に無くすことができる。即ち、本発明超電導ケーブルの一形態として、上記ケーブルコアが、上記超電導シールド層の内周側及び外周側の双方に、常電導材料から構成され、事故電流(誘導電流)を分流するための常電導シールド層を有していない形態とすることができる。このような本発明超電導ケーブルは、シールド用超電導線材の常電導相に誘導電流が流れることによる温度上昇を抑制できるため、この温度上昇に伴う超電導線材の損傷を抑制できる。
【００１２】
かつ、本発明超電導ケーブルは、上述のように事故時、超電導シールド層に誘導電流をできるだけ流さない構成であることから、従来、事故対策に必須であった常電導シールド層の割合を低減することができる。究極的には、超電導シールド層に誘導される誘導電流を分流するための常電導シールド層を省略できる。そのため、本発明超電導ケーブルは、従来の超電導ケーブルよりも小径である。
【００１３】
また、本発明超電導ケーブルに具えるフォーマを、従来のように銅やアルミニウムといった、超電導ケーブルの使用温度における比抵抗が小さい良導体の常電導材料で構成することで、事故電流を主としてフォーマに流すことができる。そのため、本発明超電導ケーブルは、事故電流の通電により超電導導体層の温度が上昇することも抑制することができる。
【００１４】
上述のように本発明超電導ケーブルは、事故時の温度上昇に伴う超電導線材の損傷を回避することが出来ながら、従来の超電導ケーブルよりも小径である。
【００１５】
以下、本発明をより詳細に説明する。
上記超電導線材に含まれる超電導相は、液体窒素を冷媒に使用することができ、臨界電流が高い高温酸化物超電導相、代表的には、BSCCOと呼ばれるBi系酸化物超電導相やREBCOと呼ばれるRE系酸化物超電導相(RE:希土類元素。例えば、Y,Ho,Gdなど)が好ましい。上記Bi系酸化物超電導相を具える線材は、Bi系酸化物超電導相の粉末を銀又は銀合金のパイプに詰めて、このパイプに塑性加工と熱処理とを施してテープ状とした線材(以下、Bi系酸化物超電導線材と呼ぶ)が代表的である。RE系酸化物超電導相を具える線材は、ステンレス鋼やニッケル合金などの金属からなる基板に、RE系酸化物超電導相を成膜し、この膜の上に銀や銅、その合金といった良導体からなる安定化層を形成した薄膜線材(以下、RE系酸化物薄膜線材と呼ぶ)が挙げられる。
【００１６】
上述のように超電導線材は、一般に、銀や銀合金、銅といった超電導ケーブルの使用温度(冷媒に液体窒素を用いる場合、65K〜80K程度)における比抵抗が1×10-8Ω・m以下、更には5×10-9Ω・m以下の良導体の常電導材料から構成された常電導相を具える。比抵抗が小さい上記常電導材料によりシールド用超電導線材の常電導相が構成される場合、事故時にこの線材に流れる誘導電流が大きくなり易い。そこで、本発明では、複数のシールド用超電導線材のうち、少なくとも1本について常電導相の割合が導体用超電導線材よりも小さいものを具えることで、事故時の温度上昇を抑制する。超電導シールド層を構成する全てのシールド用超電導線材が、上述した常電導相の割合の小さい線材であることがより好ましい。
【００１７】
上記超電導線材における常電導相が占める割合は、例えば、超電導線材の横断面(超電導線材の長手方向に直交する方向に切断した面)をとり、この横断面における常電導相の面積割合を画像処理装置などを利用して求め、この面積割合を利用することができる。或いは、上記横断面における常電導相の面積と等しい面積を有し、かつ所定の幅(長辺)を有する長方形に上記常電導相を変形したときの当該長方形の厚さ(短辺)を等価厚さとし、この等価厚さを上記常電導相が占める割合に利用することができる。上記長方形の幅は、例えば、シールド用超電導線材の基板の幅を利用することができる。
【００１８】
上記等価厚さにより常電導相の割合を評価する場合、上記シールド用超電導線材における常電導相の等価厚さをとったとき、この等価厚さは、上記導体用超電導線材における常電導相の等価厚さよりも薄い。特に、上記シールド用超電導線材において上述のように基板の幅に対して常電導相の等価厚さをとったとき、この等価厚さが10μm以下であると、当該超電導線材における常電導相が占める割合が十分に少なく、超電導シールド層に事故電流が誘導され難く好ましい。上記等価厚さは、5μm以下がより好ましく、薄いほど好ましいため、特に下限は設けない。
【００１９】
本発明の一形態として、上記導体用超電導線材と上記シールド用超電導線材とが仕様が異なる超電導線材である形態、例えば、上記導体用超電導線材が上記Bi系酸化物超電導線材であり、上記シールド用超電導線材が上記RE系酸化物薄膜線材である形態が挙げられる。一般に、RE系酸化物薄膜線材は、当該線材における常電導相の割合が、Bi系酸化物超電導線材における常電導相の割合よりも小さい上に、薄い。従って、シールド用超電導線材がRE系酸化物薄膜線材であると、事故時に超電導シールド層に誘導される電流を低減できる上に、超電導ケーブルの更なる小径化に寄与することができる。
【００２０】
本発明の一形態として、上記シールド用超電導線材が、比抵抗が高い材料からなる補強層を具える形態が挙げられる。上述のように本発明では、シールド用超電導線材における常電導相の割合を低減することから、熱容量や強度といった機械的特性が低下する恐れがある。これに対し、上記比抵抗が高い材料による補強層を具えることで、熱容量や機械的特性の低下を低減する、或いは熱容量や機械的特性を向上することができる。上記補強層の構成材料は、超電導ケーブルの使用温度における比抵抗が1×10-8Ω・m超の材料が好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明超電導ケーブルは、小径でありながら、事故時の温度上昇を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図1は、実施形態1の超電導ケーブルの概略構成を示す斜視図である。
【図２】図2(I)は、試験例に用いたシールド用超電導線材の模式断面図であり、図2(II)は、このシールド用超電導線材における常電導相の等価厚さtを説明する模式断面図である。
【図３】図3は、事故時のシミュレーション試験において、導体電流の波形、及びシールド電流の波形を描くグラフである。
【図４】図4は、事故時のシミュレーション試験において、事故電流が流れる時間と、超電導シールド層の温度上昇度合いΔTとの関係を示すグラフである。
【図５】図5は、事故時のシミュレーション試験において、シールド用超電導線材における常電導相の等価厚さtと、超電導シールド層の温度上昇度合いΔTとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
(実施形態1)
以下、図1を参照して実施形態1の超電導ケーブル100を説明する。
[全体構成]
超電導ケーブル100は、3心のケーブルコア10が撚り合わされて一つの断熱管20に収納された、3心一括型のケーブルであり、代表的には交流送電に利用される。ケーブルコア10は、導体用超電導線材1cから構成される超電導導体層12と、シールド用超電導線材1sから構成される超電導シールド層14とを具える。また、超電導ケーブル100は、超電導シールド層14の内周側及び外周側の双方に、銅といった常電導材料からなる常電導シールド層を具えていない。以下、各構成をより詳細に説明する。
【００２４】
[断熱管]
断熱管20は、内管21と外管22とからなる二重構造管であり、内管21と外管22との間が真空引きされた真空断熱構造である。内管21内には、液体窒素といった冷媒が充填され、この冷媒によりケーブルコア10の超電導導体層12及び超電導シールド層14が冷却されて、超電導状態に維持される。内管21と外管22との間には、スーパーインシュレーションといった断熱材23や、両管21,22の間隔を保持するスペーサ(図示せず)が配置される。外管22の外周には、ポリ塩化ビニルといった耐食性に優れる材料を押出して形成した防食層24を具える。
【００２５】
[ケーブルコア]
各ケーブルコア10は、中心から順にフォーマ11、超電導導体層12、電気絶縁層13、超電導シールド層14、保護層15を具える。
【００２６】
＜フォーマ＞
フォーマ11は、超電導導体層12の支持体として機能する他、超電導ケーブル100では、短絡や地絡などの事故時に瞬間的に生じる大きな事故電流を分流するための流路に利用される。このようなフォーマ11は、銅やアルミニウムといった超電導ケーブル100の使用温度(ここでは、65K〜80K程度)における比抵抗が1×10-8Ω・m以下である良導体の常電導材料にて形成された中実体や中空体(管体)を利用することができる。ここでは、フォーマ11は、ポリ塩化ビニル(PVC)やエナメルなどの絶縁被覆を具える銅線を複数本撚り合わせて構成された中実体としている。撚り線構造であることで、交流送電時における渦電流損の低減や曲げ特性に優れるといった効果が得られる。
【００２７】
＜超電導導体層＞
超電導導体層12及び超電導シールド層14は、酸化物超電導相を具えるテープ状の超電導線材を単層又は多層に螺旋状に巻回することで構成されている。ここでは、導体用超電導線材1cとして、超電導相にBi2Sr2Ca2Cu3O10+δ(Bi2223)を具え、Agを金属マトリクスとするBi系酸化物超電導線材を利用している。上記金属マトリクスは、超電導ケーブル100の使用温度(ここでは、65K〜80K程度)において比抵抗:1×10-8Ω・m以下であり、導体用超電導線材1cの常電導相を構成する。超電導導体層12は、この導体用超電導線材1cを四層に巻回した多層構造である。超電導導体層12は、所望の電流容量に応じて、超電導線材の仕様(金属マトリクス比、断面積など)や本数を選択するとよい。
【００２８】
超電導導体層12を多層構造とする場合、導体用超電導線材1cがつくる各層の間にクラフト紙などの絶縁紙を巻回した層間絶縁層を設けることができる。超電導導体層12は、導体用超電導線材1cからなる部分に加えて、層間絶縁層を含むことを許容する。更に、超電導導体層12の直上に、カーボン紙などを巻回して内側半導電層を設けることができる。
【００２９】
なお、上記フォーマ11の外周に、クラフト紙といった絶縁紙や、クラフト紙とプラスチックとを複合した半合成絶縁紙(例えば、PPLP(住友電気工業株式会社 登録商標))からなる絶縁性テープを巻回して、クッション層を形成すると、超電導導体層12を形成し易い上に、フォーマ11を構成する銅線により超電導導体層12が損傷することを防止することができる。
【００３０】
＜電気絶縁層＞
電気絶縁層13は、上記超電導導体層12(或いは内側半導電層)の上に、上述したクラフト紙や半合成絶縁紙などの絶縁性テープを巻回することで形成されている。ここでは、電気絶縁層13は、PPLP(住友電気工業株式会社 登録商標)により構成されている。更に、電気絶縁層13の直上に、カーボン紙などを巻回して外側半導電層を設けることができる。
【００３１】
＜超電導シールド層＞
上記電気絶縁層13(或いは外側半導電層)の上に超電導シールド層14が形成されている。ここでは、シールド用超電導線材1sとして、REBa2Cu3Ox(RE123)、例えばYBCO,HoBCO,GdBCOといったRE系酸化物超電導相が基板の上に形成されたRE系酸化物薄膜線材を利用している。より具体的には、ステンレス鋼といった鉄系合金やハステロイ(登録商標)といったNi合金などからなる基板の上に、YSZ(イットリア安定化ジルコニア),MgOといった酸化物などからなる中間層を介して上記超電導相が形成され、この超電導相を覆うように銀や銅といった常電導材料からなる安定化層を具える。上記安定化層は、超電導ケーブル100の使用温度(ここでは、65K〜80K程度)において比抵抗が1×10-8Ω・m以下であり、上記基板は、上記比抵抗が1×10-8Ω・m超である。ここでは、シールド用超電導線材1sにおいて上記比抵抗が1×10-8Ω・m以下の材料からなる部分を常電導相とする。従って、ここでは、シールド用超電導線材1sの常電導相は、上記安定化層により構成される。超電導シールド層14は、このシールド用超電導線材1sを二層に巻回した多層構造である。
【００３２】
上述した超電導導体層12と同様に、シールド用超電導線材1sがつくる各層の間に層間絶縁層を設けることができる。超電導シールド層14は、シールド用超電導線材1sからなる部分に加えて、層間絶縁層を含むことを許容する。
【００３３】
上記超電導シールド層14は、通常運転時、超電導導体層12に流れる電流(導体電流)と実質的に同じ大きさの誘導電流が流され、この誘導電流がつくる磁界により導体電流がつくる磁界を打ち消して、導体電流による磁界が外部に漏れることを抑制する機能を有する。従って、超電導シールド層14は、少なくとも導体電流と同じ大きさの電流を流すことができるように、超電導線材の仕様や本数を選択するとよい。
【００３４】
なお、例えば、超電導ケーブル100を三相交流送電に利用する場合、3心のケーブルコア10の両端において、各ケーブルコア10の超電導シールド層14同士を短絡させた状態に構成することで、各ケーブルコア10の超電導シールド層14に上記誘導電流を流すことができる。
【００３５】
そして、超電導ケーブル100の最も特徴とするところは、シールド用超電導線材1sにおける常電導相(ここでは、安定化層)が占める割合が、導体用超電導線材1cにおける常電導相(ここでは金属マトリクス)が占める割合よりも小さいことにある。
【００３６】
より具体的には、導体用超電導線材1c及びシールド用超電導線材1sの横断面をとる。各線材1c,1sの横断面において各線材1c,1sの常電導相が占める面積と等しい面積を有し、シールド用超電導線材1sの基板の幅を長辺とする長方形に各線材1c,1sの常電導相を変形したときの厚さ(短辺)を等価厚さとする。このとき、シールド用超電導線材1sの等価厚さが導体用超電導線材1cの等価厚さよりも小さくなっている(薄くなっている)。また、ここでは、超電導シールド層14を構成する全てのシールド用超電導線材1sの等価厚さが導体用超電導線材1cの等価厚さよりも小さい。
【００３７】
＜保護層＞
超電導シールド層14の外周に、超電導シールド層14を機械的に保護するための保護層15を具える。保護層15は、上述したクラフト紙や半合成絶縁紙などの絶縁性テープを巻回することで形成することができる。
【００３８】
[効果]
上記構成を具える超電導ケーブル100は、短絡や地絡などの事故時に瞬間的に大きな事故電流が生じても、この事故電流は、主としてフォーマ11に流れ、超電導導体層12を構成する導体用超電導線材1cに流れる量を低減することができる。そのため、超電導導体層12の温度上昇を抑制することができる。従って、超電導ケーブル100は、導体用超電導線材1cの常電導相に事故電流が流れて温度が上昇することで、導体用超電導線材1cが損傷することを抑制することができる。
【００３９】
かつ、超電導シールド層14を構成するシールド用超電導線材1sは、常電導相が導体用超電導線材1cよりも少ないことで、フォーマ11及び超電導導体層12に流れる事故電流からの誘導電流が流れ難い。即ち、シールド用超電導線材1sに流れる誘導電流を非常に小さく抑えることができる、或いは実質的に無くすることができる。そのため、超電導シールド層14の温度上昇をも抑制することができる。従って、超電導ケーブル100は、シールド用超電導線材1sの常電導相に上記事故電流の誘導電流が流れて温度が上昇することで、シールド用超電導線材1sが損傷することを抑制することができる。
【００４０】
このように超電導ケーブル100は、事故時の対策を十分に具えた構成でありながら、超電導シールド層14が実質的にシールド用超電導線材1sのみで構成され、超電導シールド層14の内周側及び外周側のいずれにも銅といった常電導材料からなる常電導シールド層を具えていない。そのため、ケーブルコア10は、上記常電導シールド層を具える従来の超電導ケーブルのケーブルコアと比較して小径であることから、超電導ケーブル100は、従来の超電導ケーブルよりも小径である。
【００４１】
また、超電導導体層12を構成する導体用超電導線材1cがBi系酸化物超電導線材であり、超電導シールド層14を構成するシールド用超電導線材1sがRE系酸化物薄膜線材であることで、シールド用超電導線材1sにおける常電導相が占める割合を導体用超電導線材1cよりも小さい超電導ケーブル100を容易に実現することができる。
【００４２】
＜変形例1＞
実施形態1では、3心のケーブルコアを一つの断熱管に収納した三心一括型の形態を説明したが、1心のケーブルコアを一つの断熱管に収納した単心型の形態としてもよいし、2又は4以上の複数心のケーブルコアを一つの断熱管に収納した多心一括型の形態としてもよい。
【００４３】
＜変形例2＞
実施形態1では、銅といった常電導材料からなる常電導シールド層を有していない形態を説明したが、超電導シールド層の内周側及び外周側の少なくとも一方に常電導シールド層を具えた形態とすることができる。この形態では、事故時、常電導シールド層に誘導電流を分流させられるため、シールド用超電導線材に通電されることによる温度上昇をより効果的に低減することができる。但し、超電導ケーブルの小径化を考慮すると、実施形態1のように、上記常電導シールド層を具えていないことが好ましい。
【００４４】
(実施形態2)
実施形態1では、導体用超電導線材がBi系酸化物超電導線材からなり、シールド用超電導線材がRE系酸化物薄膜線材からなる形態を説明したが、導体用超電導線材及びシールド用超電導線材の双方を同様の仕様の超電導線材としてもよい。
【００４５】
例えば、導体用超電導線材及びシールド用超電導線材の双方を、Bi系酸化物超電線材とすることができる。このとき、シールド用超電導線材は、上記金属マトリクス比(代表的には銀比又は銀合金比)が少ない線材とする。金属マトリクス比とは、超電導線材の横断面における超電導相部分の面積に対する金属マトリクス部分の面積の比をいう。
【００４６】
或いは、導体用超電導線材及びシールド用超電導線材の双方をRE系酸化物薄膜線材とすることができる。このとき、シールド用超電導線材は、上記安定化層が少ない線材、例えば、上述した等価厚さが薄い線材とする。超電導ケーブルに具える超電導部分が上記薄膜線材により構成されることで、当該超電導部分が上記Bi系酸化物超電導線材により構成される場合よりも、超電導ケーブルを更に小径にすることができる。
【００４７】
(実施形態3)
実施形態1では、シールド用超電導線材として、基板と、超電導相と、安定化層とを具える形態を説明したが、更に、補強層を具える超電導線材とすることができる。
【００４８】
上記補強層の構成材料は、超電導ケーブルの使用温度(冷媒が液体窒素の場合、65K〜80K程度)における比抵抗が1×10-8Ω・m超の材料が好ましい。このような材料として、例えば、CuNi合金といった銅合金やステンレス鋼といった鉄系合金などの金属が挙げられる。これらの金属は、銅や銀、銀合金と比較して高強度である上に、導電率が低く、高抵抗である。或いは、カーボン繊維、ガラス繊維、これらの繊維を含む樹脂といった高強度で、高抵抗、又は絶縁性の材料が挙げられる。このような補強層は、基板又は安定化層に接着剤やロウ材、半田を利用したり、溶接したりすることで、超電導線材に一体化することができる。上記シールド用超電導線材として、上述したRE系酸化物薄膜線材であって、基板にステンレス鋼といった上記比抵抗が高い材料からなる基板を利用する場合、基板の厚さを若干厚めにしてもよい。
【００４９】
このような補強層を具える超電導線材とすることで、常電導相が少なくても、強度といった機械的特性を高められる上に、超電導ケーブルを過度に大径化することなく、当該超電導線材の熱容量を大きくすることができる。即ち、温度の上昇度合いを緩やかにする、換言すれば昇温速度を遅くすることができる。従って、補強層を具える超電導線材を利用した超電導ケーブルは、事故時における超電導線材の温度上昇をより効果的に抑制することができる。なお、上記補強層は、高抵抗又は絶縁性が高いため、事故電流が非常に誘導され難い、或いは実質的に誘導されない。
【００５０】
[試験例]
実施形態1で説明した3心一括型の超電導ケーブルについて、超電導導体層に事故電流を想定した過電流を流した場合に超電導シールド層に誘導される電流の大きさ、及び超電導シールド層の温度上昇度合いをシミュレーションにより調べた。
【００５１】
この試験では、常電導相の等価厚さが異なる超電導線材を使用したケーブルコアを具える試料No.1〜4を用意した。この試験で用いた超電導ケーブルのケーブルコアの仕様を表1に以下に示す。試料No.1〜4の外径は等価厚さが異なるため正確には異なるが誤差範囲であるため、試料No.1〜4のいずれについても、表1に示す仕様とする。
【００５２】
【表１】
【００５３】
超電導導体層に用いた導体用超電導線材は、住友電気工業株式会社製 BSCCO線材であり、1層目及び2層目:TypeHT(ラミネーション材料:銅合金)、3層目及び4層目:TypeACT(ラミネーション材料:銅合金)である。
【００５４】
超電導シールド層に用いたシールド用超電導線材1sは、図2(I)に示すように、幅w:4.5mm×厚さtb:100μmのステンレス鋼(SUS鋼)からなる基板110の一面に、幅w:4.5mm×厚さts:1μmの超電導相(ここではYBCO)111を被覆し、この基板110と超電導相111との積層体の外周を常電導相112で被覆した形態である。常電導相112は、銀層及び銅めっき層で構成され、超電導ケーブルの使用温度(ここでは、65K〜80K程度)における比抵抗が1×10-8以下を満たす。上記基板110は、上記比抵抗が1×10-8超である(5×10-7程度)。
【００５５】
このシールド用超電導線材1sの横断面において上記常電導相112が占める面積を変えずに、図2(II)に示すように基板110の幅w:4.5mmを長辺とする長方形に変形したときの短辺を等価厚さtとする。この試験では、等価厚さtが50μm、20μm、10μm、5μmである試料をそれぞれ用意した(順に試料No.1,2,3,4)。試料No.1〜4に用いられるシールド用超電導線材における常電導相が占める割合は、導体用超電導線材(上記TypeHT及びTypeACTの双方とも)における常電導相が占める割合よりも小さい。なお、図2では、わかり易いように、各構成要素の厚さを誇張して示す。
【００５６】
上記各ケーブルコアの両端において各ケーブルコアの超電導シールド層同士は短絡された状態とし、超電導導体層からの誘導電流が流れ得る状態とする。
【００５７】
そして、この試験では、超電導導体層に31.5kA×2secの過電流が流れる場合を想定し、解析プログラムを利用して、各試料の超電導シールド層に流れる電流の大きさ、超電導シールド層の温度上昇度合いΔT(過電流を通電後、0.001sec(1msec)ごとに測定した温度Tnと過電流の通電前の温度T0との差:Tn-T0)、及び等価厚さtと温度上昇度合いΔTとの関係を調べた。上記電流の大きさを図3に、上記温度上昇度合いΔTを図4に、上記等価厚さtと上記温度上昇度合いΔTとの関係を図5及び表2に示す。なお、上記解析プログラムは、電気回路方程式と熱伝導方程式とを利用して電流分布と温度分布とを計算可能なものであり、磁場解析と温度解析とが可能な市販の電磁界解析ソフトを利用することができる。
【００５８】
【表２】
【００５９】
図5及び表2に示すように、シールド用超電導線材における常電導相が占める割合(ここでは等価厚さ)が小さいほど(薄いほど)、超電導シールド層の温度上昇度合いΔTが小さいことが分かる。この理由は、図3に示すように、上記常電導相が占める割合が小さくなるほど、フォーマと超電導導体層とに流れる事故電流(導体電流)に対して、超電導シールド層に誘導される電流(シールド電流)が小さくなっているため、シールド電流の通電に伴う温度上昇が抑えられたからである、と考えられる。また、図4に示すように、上記常電導相が占める割合が多いほど、超電導シールド層の温度の上昇速度も速く、温度上昇に伴って超電導線材が損傷する可能性が大きくなる、と考えられる。
【００６０】
更に、この試験結果から、超電導ケーブルの使用温度における比抵抗が1×10-8Ω・m以下である材料により上記常電導相が構成されている場合であっても、当該常電導相の等価厚さが10μm以下であると、事故時に超電導シールド層の温度上昇を十分に抑制できることが分かる。実際、上記等価厚さが10μmである試料No.3では、導体電流に対するシールド電流の割合が5％程度であり、試料No.4では、2％程度である。上記導体電流に対するシールド電流の割合は、遮断寸前である過電流発生から2sec後の電流値を用いて求めている。このように導体電流に対するシールド電流の割合が5％以下程度になるように、上記等価厚さを調整すると、温度上昇の抑制に効果があると考えられる。
【００６１】
なお、この試験では、実施形態1に説明した3心一括型の超電導ケーブルについて調べたが、上述した実施形態2,3や変形例1,2についても同様の結果が得られると期待される。特に、補強層を設けた場合は、熱容量を大きくすることができるため、温度上昇度合いΔTをより低減することができると期待される。
【００６２】
上述した実施形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した構成に限定されるものではない。例えば、本発明超電導ケーブルを交流送電だけなく、直流送電に用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明超電導ケーブルは、超電導ケーブル線路の構成部材に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００６４】
1c 導体用超電導線材 1s シールド用超電導線材
10 ケーブルコア 11 フォーマ 12 超電導導体層 13 電気絶縁層
14 超電導シールド層 15 保護層
20 断熱管 21 内管 22 外管 23 断熱材 24 防食層
100 超電導ケーブル
110 基板 111 超電導相 112 常電導相
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導導体層と、磁気遮蔽層として機能する超電導シールド層とを具える超電導ケーブルに関するものである。特に、小径でありながら、短絡や地絡などの事故時の温度上昇を抑制することができる超電導ケーブルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力供給路を構成する電力ケーブルとして、超電導ケーブルが開発されつつある。超電導ケーブルは、代表的には、内周側から順にフォーマ、超電導導体層、電気絶縁層、超電導シールド層を有するケーブルコアと、このケーブルコアを収納すると共に、液体窒素といった冷媒が満たされる断熱管とを具える。上記超電導導体層及び上記超電導シールド層は、一般に、同じ仕様の複数の超電導線材を巻回して構成される。超電導線材は、酸化物からなる超電導相と、銅やアルミニウムといった超電導ケーブルの使用温度においても比抵抗が小さい良導体の常電導材料からなる常電導相とを含むものが代表的である。
【０００３】
上記超電導ケーブルにより、例えば交流送電を行う場合、上記超電導シールド層には、通常運転時、超電導導体層に流れる電流(導体電流)と逆向きでほぼ同じ大きさの電流が誘導される。この誘導電流(シールド電流)による磁場で導体電流による磁場を打ち消すことで、超電導ケーブルの外部への漏れ磁場をほぼゼロにすることができる。
【０００４】
上記超電導ケーブルを実線路に導入した場合、短絡や地絡といった事故により超電導導体層に大電流(事故電流)が流れる恐れがある。このとき、上記超電導シールド層にも大電流が誘導される。ここで、超電導線材に臨界電流Icを超える大電流が流れると、超電導相が常電導状態に転移する(クエンチする)。すると、超電導線材の超電導相ではなく、常電導相に主として電流が流れることでジュール熱が生じ、この発熱による温度上昇に伴い超電導線材に損傷を与える恐れがある。そこで、超電導線材に流れる事故電流を低減するために、上記フォーマを銅などの良導体の常電導材料により構成し、事故電流をこのフォーマに分流させたり、上記超電導シールド層の直上(外周)や直下(内周)に銅などからなる常電導シールド層を具え、上記事故電流に基づく誘導電流をこの常電導シールド層に分流させることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2006-331894号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記常電導シールド層を具えると、超電導ケーブルが大型化する、という問題がある。
超電導ケーブル線路の構築にあたり、OFケーブルが布設されている既存の管路に、OFケーブルの代替として超電導ケーブルを布設することが検討されている。上記管路への引き入れを考慮すると、超電導ケーブルは、できる限り小径であることが望まれる。また、超電導ケーブルが小径であることで、製造性に優れる上に、搬送や布設などを容易に行える。
【０００７】
例えば、上記常電導シールド層の具備に代えて、上記事故電流が流れた場合でも常電導状態に転移しない電流容量を有するように超電導線材の使用量を多くすることが考えられる。しかし、この構成も、超電導ケーブルの大型化を招く上に、高価な超電導線材が大量に必要であるため、不経済である。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、小径でありながら、事故時の温度上昇を抑制することができる超電導ケーブルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、事故電流(誘導電流)を分流させるために上記常電導シールド層を具える、という発想ではなく、特に、上記超電導シールド層の温度上昇の原因となる誘導電流の通電自体を抑制する構成とすることを提案する。より具体的には、上記超電導シールド層を構成する超電導線材として、事故電流が誘導され難い特定の構造の線材を具える。
【００１０】
本発明は、中心から順にフォーマと、超電導導体層と、電気絶縁層と、超電導シールド層とを有するケーブルコアを具える超電導ケーブルに係るものである。上記超電導導体層及び上記超電導シールド層は、超電導相と常電導相とを含む複数の超電導線材で構成されている。そして、上記超電導シールド層を構成する超電導線材(以下、シールド用超電導線材と呼ぶ)の少なくとも1本において常電導相が占める割合が、上記超電導導体層を構成する超電導線材(以下、導体用超電導線材と呼ぶ)において常電導相が占める割合よりも小さい。
【００１１】
上記構成によれば、超電導シールド層を構成するシールド用超電導線材は、常電導相が少ないことで、事故時、常電導状態に転移した場合に電気抵抗が高いことになる。そのため、事故時、超電導導体層やフォーマに事故電流が流れても、上記超電導シールド層には、当該事故電流から誘導される電流が少ない。換言すれば、誘導電流を十分に減衰することができる。特に、シールド用超電導線材における常電導相の割合によっては、上記事故電流からの誘導電流を実質的に無くすことができる。即ち、本発明超電導ケーブルの一形態として、上記ケーブルコアが、上記超電導シールド層の内周側及び外周側の双方に、常電導材料から構成され、事故電流(誘導電流)を分流するための常電導シールド層を有していない形態とすることができる。このような本発明超電導ケーブルは、シールド用超電導線材の常電導相に誘導電流が流れることによる温度上昇を抑制できるため、この温度上昇に伴う超電導線材の損傷を抑制できる。
【００１２】
かつ、本発明超電導ケーブルは、上述のように事故時、超電導シールド層に誘導電流をできるだけ流さない構成であることから、従来、事故対策に必須であった常電導シールド層の割合を低減することができる。究極的には、超電導シールド層に誘導される誘導電流を分流するための常電導シールド層を省略できる。そのため、本発明超電導ケーブルは、従来の超電導ケーブルよりも小径である。
【００１３】
また、本発明超電導ケーブルに具えるフォーマを、従来のように銅やアルミニウムといった、超電導ケーブルの使用温度における比抵抗が小さい良導体の常電導材料で構成することで、事故電流を主としてフォーマに流すことができる。そのため、本発明超電導ケーブルは、事故電流の通電により超電導導体層の温度が上昇することも抑制することができる。
【００１４】
上述のように本発明超電導ケーブルは、事故時の温度上昇に伴う超電導線材の損傷を回避することが出来ながら、従来の超電導ケーブルよりも小径である。
【００１５】
以下、本発明をより詳細に説明する。
上記超電導線材に含まれる超電導相は、液体窒素を冷媒に使用することができ、臨界電流が高い高温酸化物超電導相、代表的には、BSCCOと呼ばれるBi系酸化物超電導相やREBCOと呼ばれるRE系酸化物超電導相(RE:希土類元素。例えば、Y,Ho,Gdなど)が好ましい。上記Bi系酸化物超電導相を具える線材は、Bi系酸化物超電導相の粉末を銀又は銀合金のパイプに詰めて、このパイプに塑性加工と熱処理とを施してテープ状とした線材(以下、Bi系酸化物超電導線材と呼ぶ)が代表的である。RE系酸化物超電導相を具える線材は、ステンレス鋼やニッケル合金などの金属からなる基板に、RE系酸化物超電導相を成膜し、この膜の上に銀や銅、その合金といった良導体からなる安定化層を形成した薄膜線材(以下、RE系酸化物薄膜線材と呼ぶ)が挙げられる。
【００１６】
上述のように超電導線材は、一般に、銀や銀合金、銅といった超電導ケーブルの使用温度(冷媒に液体窒素を用いる場合、65K〜80K程度)における比抵抗が1×10-8Ω・m以下、更には5×10-9Ω・m以下の良導体の常電導材料から構成された常電導相を具える。比抵抗が小さい上記常電導材料によりシールド用超電導線材の常電導相が構成される場合、事故時にこの線材に流れる誘導電流が大きくなり易い。そこで、本発明では、複数のシールド用超電導線材のうち、少なくとも1本について常電導相の割合が導体用超電導線材よりも小さいものを具えることで、事故時の温度上昇を抑制する。超電導シールド層を構成する全てのシールド用超電導線材が、上述した常電導相の割合の小さい線材であることがより好ましい。
【００１７】
上記超電導線材における常電導相が占める割合は、例えば、超電導線材の横断面(超電導線材の長手方向に直交する方向に切断した面)をとり、この横断面における常電導相の面積割合を画像処理装置などを利用して求め、この面積割合を利用することができる。或いは、上記横断面における常電導相の面積と等しい面積を有し、かつ所定の幅(長辺)を有する長方形に上記常電導相を変形したときの当該長方形の厚さ(短辺)を等価厚さとし、この等価厚さを上記常電導相が占める割合に利用することができる。上記長方形の幅は、例えば、シールド用超電導線材の基板の幅を利用することができる。
【００１８】
上記等価厚さにより常電導相の割合を評価する場合、上記シールド用超電導線材における常電導相の等価厚さをとったとき、この等価厚さは、上記導体用超電導線材における常電導相の等価厚さよりも薄い。特に、上記シールド用超電導線材において上述のように基板の幅に対して常電導相の等価厚さをとったとき、この等価厚さが10μm以下であると、当該超電導線材における常電導相が占める割合が十分に少なく、超電導シールド層に事故電流が誘導され難く好ましい。上記等価厚さは、5μm以下がより好ましく、薄いほど好ましいため、特に下限は設けない。
【００１９】
本発明の一形態として、上記導体用超電導線材と上記シールド用超電導線材とが仕様が異なる超電導線材である形態、例えば、上記導体用超電導線材が上記Bi系酸化物超電導線材であり、上記シールド用超電導線材が上記RE系酸化物薄膜線材である形態が挙げられる。一般に、RE系酸化物薄膜線材は、当該線材における常電導相の割合が、Bi系酸化物超電導線材における常電導相の割合よりも小さい上に、薄い。従って、シールド用超電導線材がRE系酸化物薄膜線材であると、事故時に超電導シールド層に誘導される電流を低減できる上に、超電導ケーブルの更なる小径化に寄与することができる。
【００２０】
本発明の一形態として、上記シールド用超電導線材が、比抵抗が高い材料からなる補強層を具える形態が挙げられる。上述のように本発明では、シールド用超電導線材における常電導相の割合を低減することから、熱容量や強度といった機械的特性が低下する恐れがある。これに対し、上記比抵抗が高い材料による補強層を具えることで、熱容量や機械的特性の低下を低減する、或いは熱容量や機械的特性を向上することができる。上記補強層の構成材料は、超電導ケーブルの使用温度における比抵抗が1×10-8Ω・m超の材料が好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明超電導ケーブルは、小径でありながら、事故時の温度上昇を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図1は、実施形態1の超電導ケーブルの概略構成を示す斜視図である。
【図２】図2(I)は、試験例に用いたシールド用超電導線材の模式断面図であり、図2(II)は、このシールド用超電導線材における常電導相の等価厚さtを説明する模式断面図である。
【図３】図3は、事故時のシミュレーション試験において、導体電流の波形、及びシールド電流の波形を描くグラフである。
【図４】図4は、事故時のシミュレーション試験において、事故電流が流れる時間と、超電導シールド層の温度上昇度合いΔTとの関係を示すグラフである。
【図５】図5は、事故時のシミュレーション試験において、シールド用超電導線材における常電導相の等価厚さtと、超電導シールド層の温度上昇度合いΔTとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
(実施形態1)
以下、図1を参照して実施形態1の超電導ケーブル100を説明する。
[全体構成]
超電導ケーブル100は、3心のケーブルコア10が撚り合わされて一つの断熱管20に収納された、3心一括型のケーブルであり、代表的には交流送電に利用される。ケーブルコア10は、導体用超電導線材1cから構成される超電導導体層12と、シールド用超電導線材1sから構成される超電導シールド層14とを具える。また、超電導ケーブル100は、超電導シールド層14の内周側及び外周側の双方に、銅といった常電導材料からなる常電導シールド層を具えていない。以下、各構成をより詳細に説明する。
【００２４】
[断熱管]
断熱管20は、内管21と外管22とからなる二重構造管であり、内管21と外管22との間が真空引きされた真空断熱構造である。内管21内には、液体窒素といった冷媒が充填され、この冷媒によりケーブルコア10の超電導導体層12及び超電導シールド層14が冷却されて、超電導状態に維持される。内管21と外管22との間には、スーパーインシュレーションといった断熱材23や、両管21,22の間隔を保持するスペーサ(図示せず)が配置される。外管22の外周には、ポリ塩化ビニルといった耐食性に優れる材料を押出して形成した防食層24を具える。
【００２５】
[ケーブルコア]
各ケーブルコア10は、中心から順にフォーマ11、超電導導体層12、電気絶縁層13、超電導シールド層14、保護層15を具える。
【００２６】
＜フォーマ＞
フォーマ11は、超電導導体層12の支持体として機能する他、超電導ケーブル100では、短絡や地絡などの事故時に瞬間的に生じる大きな事故電流を分流するための流路に利用される。このようなフォーマ11は、銅やアルミニウムといった超電導ケーブル100の使用温度(ここでは、65K〜80K程度)における比抵抗が1×10-8Ω・m以下である良導体の常電導材料にて形成された中実体や中空体(管体)を利用することができる。ここでは、フォーマ11は、ポリ塩化ビニル(PVC)やエナメルなどの絶縁被覆を具える銅線を複数本撚り合わせて構成された中実体としている。撚り線構造であることで、交流送電時における渦電流損の低減や曲げ特性に優れるといった効果が得られる。
【００２７】
＜超電導導体層＞
超電導導体層12及び超電導シールド層14は、酸化物超電導相を具えるテープ状の超電導線材を単層又は多層に螺旋状に巻回することで構成されている。ここでは、導体用超電導線材1cとして、超電導相にBi2Sr2Ca2Cu3O10+δ(Bi2223)を具え、Agを金属マトリクスとするBi系酸化物超電導線材を利用している。上記金属マトリクスは、超電導ケーブル100の使用温度(ここでは、65K〜80K程度)において比抵抗:1×10-8Ω・m以下であり、導体用超電導線材1cの常電導相を構成する。超電導導体層12は、この導体用超電導線材1cを四層に巻回した多層構造である。超電導導体層12は、所望の電流容量に応じて、超電導線材の仕様(金属マトリクス比、断面積など)や本数を選択するとよい。
【００２８】
超電導導体層12を多層構造とする場合、導体用超電導線材1cがつくる各層の間にクラフト紙などの絶縁紙を巻回した層間絶縁層を設けることができる。超電導導体層12は、導体用超電導線材1cからなる部分に加えて、層間絶縁層を含むことを許容する。更に、超電導導体層12の直上に、カーボン紙などを巻回して内側半導電層を設けることができる。
【００２９】
なお、上記フォーマ11の外周に、クラフト紙といった絶縁紙や、クラフト紙とプラスチックとを複合した半合成絶縁紙(例えば、PPLP(住友電気工業株式会社 登録商標))からなる絶縁性テープを巻回して、クッション層を形成すると、超電導導体層12を形成し易い上に、フォーマ11を構成する銅線により超電導導体層12が損傷することを防止することができる。
【００３０】
＜電気絶縁層＞
電気絶縁層13は、上記超電導導体層12(或いは内側半導電層)の上に、上述したクラフト紙や半合成絶縁紙などの絶縁性テープを巻回することで形成されている。ここでは、電気絶縁層13は、PPLP(住友電気工業株式会社 登録商標)により構成されている。更に、電気絶縁層13の直上に、カーボン紙などを巻回して外側半導電層を設けることができる。
【００３１】
＜超電導シールド層＞
上記電気絶縁層13(或いは外側半導電層)の上に超電導シールド層14が形成されている。ここでは、シールド用超電導線材1sとして、REBa2Cu3Ox(RE123)、例えばYBCO,HoBCO,GdBCOといったRE系酸化物超電導相が基板の上に形成されたRE系酸化物薄膜線材を利用している。より具体的には、ステンレス鋼といった鉄系合金やハステロイ(登録商標)といったNi合金などからなる基板の上に、YSZ(イットリア安定化ジルコニア),MgOといった酸化物などからなる中間層を介して上記超電導相が形成され、この超電導相を覆うように銀や銅といった常電導材料からなる安定化層を具える。上記安定化層は、超電導ケーブル100の使用温度(ここでは、65K〜80K程度)において比抵抗が1×10-8Ω・m以下であり、上記基板は、上記比抵抗が1×10-8Ω・m超である。ここでは、シールド用超電導線材1sにおいて上記比抵抗が1×10-8Ω・m以下の材料からなる部分を常電導相とする。従って、ここでは、シールド用超電導線材1sの常電導相は、上記安定化層により構成される。超電導シールド層14は、このシールド用超電導線材1sを二層に巻回した多層構造である。
【００３２】
上述した超電導導体層12と同様に、シールド用超電導線材1sがつくる各層の間に層間絶縁層を設けることができる。超電導シールド層14は、シールド用超電導線材1sからなる部分に加えて、層間絶縁層を含むことを許容する。
【００３３】
上記超電導シールド層14は、通常運転時、超電導導体層12に流れる電流(導体電流)と実質的に同じ大きさの誘導電流が流され、この誘導電流がつくる磁界により導体電流がつくる磁界を打ち消して、導体電流による磁界が外部に漏れることを抑制する機能を有する。従って、超電導シールド層14は、少なくとも導体電流と同じ大きさの電流を流すことができるように、超電導線材の仕様や本数を選択するとよい。
【００３４】
なお、例えば、超電導ケーブル100を三相交流送電に利用する場合、3心のケーブルコア10の両端において、各ケーブルコア10の超電導シールド層14同士を短絡させた状態に構成することで、各ケーブルコア10の超電導シールド層14に上記誘導電流を流すことができる。
【００３５】
そして、超電導ケーブル100の最も特徴とするところは、シールド用超電導線材1sにおける常電導相(ここでは、安定化層)が占める割合が、導体用超電導線材1cにおける常電導相(ここでは金属マトリクス)が占める割合よりも小さいことにある。
【００３６】
より具体的には、導体用超電導線材1c及びシールド用超電導線材1sの横断面をとる。各線材1c,1sの横断面において各線材1c,1sの常電導相が占める面積と等しい面積を有し、シールド用超電導線材1sの基板の幅を長辺とする長方形に各線材1c,1sの常電導相を変形したときの厚さ(短辺)を等価厚さとする。このとき、シールド用超電導線材1sの等価厚さが導体用超電導線材1cの等価厚さよりも小さくなっている(薄くなっている)。また、ここでは、超電導シールド層14を構成する全てのシールド用超電導線材1sの等価厚さが導体用超電導線材1cの等価厚さよりも小さい。
【００３７】
＜保護層＞
超電導シールド層14の外周に、超電導シールド層14を機械的に保護するための保護層15を具える。保護層15は、上述したクラフト紙や半合成絶縁紙などの絶縁性テープを巻回することで形成することができる。
【００３８】
[効果]
上記構成を具える超電導ケーブル100は、短絡や地絡などの事故時に瞬間的に大きな事故電流が生じても、この事故電流は、主としてフォーマ11に流れ、超電導導体層12を構成する導体用超電導線材1cに流れる量を低減することができる。そのため、超電導導体層12の温度上昇を抑制することができる。従って、超電導ケーブル100は、導体用超電導線材1cの常電導相に事故電流が流れて温度が上昇することで、導体用超電導線材1cが損傷することを抑制することができる。
【００３９】
かつ、超電導シールド層14を構成するシールド用超電導線材1sは、常電導相が導体用超電導線材1cよりも少ないことで、フォーマ11及び超電導導体層12に流れる事故電流からの誘導電流が流れ難い。即ち、シールド用超電導線材1sに流れる誘導電流を非常に小さく抑えることができる、或いは実質的に無くすることができる。そのため、超電導シールド層14の温度上昇をも抑制することができる。従って、超電導ケーブル100は、シールド用超電導線材1sの常電導相に上記事故電流の誘導電流が流れて温度が上昇することで、シールド用超電導線材1sが損傷することを抑制することができる。
【００４０】
このように超電導ケーブル100は、事故時の対策を十分に具えた構成でありながら、超電導シールド層14が実質的にシールド用超電導線材1sのみで構成され、超電導シールド層14の内周側及び外周側のいずれにも銅といった常電導材料からなる常電導シールド層を具えていない。そのため、ケーブルコア10は、上記常電導シールド層を具える従来の超電導ケーブルのケーブルコアと比較して小径であることから、超電導ケーブル100は、従来の超電導ケーブルよりも小径である。
【００４１】
また、超電導導体層12を構成する導体用超電導線材1cがBi系酸化物超電導線材であり、超電導シールド層14を構成するシールド用超電導線材1sがRE系酸化物薄膜線材であることで、シールド用超電導線材1sにおける常電導相が占める割合を導体用超電導線材1cよりも小さい超電導ケーブル100を容易に実現することができる。
【００４２】
＜変形例1＞
実施形態1では、3心のケーブルコアを一つの断熱管に収納した三心一括型の形態を説明したが、1心のケーブルコアを一つの断熱管に収納した単心型の形態としてもよいし、2又は4以上の複数心のケーブルコアを一つの断熱管に収納した多心一括型の形態としてもよい。
【００４３】
＜変形例2＞
実施形態1では、銅といった常電導材料からなる常電導シールド層を有していない形態を説明したが、超電導シールド層の内周側及び外周側の少なくとも一方に常電導シールド層を具えた形態とすることができる。この形態では、事故時、常電導シールド層に誘導電流を分流させられるため、シールド用超電導線材に通電されることによる温度上昇をより効果的に低減することができる。但し、超電導ケーブルの小径化を考慮すると、実施形態1のように、上記常電導シールド層を具えていないことが好ましい。
【００４４】
(実施形態2)
実施形態1では、導体用超電導線材がBi系酸化物超電導線材からなり、シールド用超電導線材がRE系酸化物薄膜線材からなる形態を説明したが、導体用超電導線材及びシールド用超電導線材の双方を同様の仕様の超電導線材としてもよい。
【００４５】
例えば、導体用超電導線材及びシールド用超電導線材の双方を、Bi系酸化物超電線材とすることができる。このとき、シールド用超電導線材は、上記金属マトリクス比(代表的には銀比又は銀合金比)が少ない線材とする。金属マトリクス比とは、超電導線材の横断面における超電導相部分の面積に対する金属マトリクス部分の面積の比をいう。
【００４６】
或いは、導体用超電導線材及びシールド用超電導線材の双方をRE系酸化物薄膜線材とすることができる。このとき、シールド用超電導線材は、上記安定化層が少ない線材、例えば、上述した等価厚さが薄い線材とする。超電導ケーブルに具える超電導部分が上記薄膜線材により構成されることで、当該超電導部分が上記Bi系酸化物超電導線材により構成される場合よりも、超電導ケーブルを更に小径にすることができる。
【００４７】
(実施形態3)
実施形態1では、シールド用超電導線材として、基板と、超電導相と、安定化層とを具える形態を説明したが、更に、補強層を具える超電導線材とすることができる。
【００４８】
上記補強層の構成材料は、超電導ケーブルの使用温度(冷媒が液体窒素の場合、65K〜80K程度)における比抵抗が1×10-8Ω・m超の材料が好ましい。このような材料として、例えば、CuNi合金といった銅合金やステンレス鋼といった鉄系合金などの金属が挙げられる。これらの金属は、銅や銀、銀合金と比較して高強度である上に、導電率が低く、高抵抗である。或いは、カーボン繊維、ガラス繊維、これらの繊維を含む樹脂といった高強度で、高抵抗、又は絶縁性の材料が挙げられる。このような補強層は、基板又は安定化層に接着剤やロウ材、半田を利用したり、溶接したりすることで、超電導線材に一体化することができる。上記シールド用超電導線材として、上述したRE系酸化物薄膜線材であって、基板にステンレス鋼といった上記比抵抗が高い材料からなる基板を利用する場合、基板の厚さを若干厚めにしてもよい。
【００４９】
このような補強層を具える超電導線材とすることで、常電導相が少なくても、強度といった機械的特性を高められる上に、超電導ケーブルを過度に大径化することなく、当該超電導線材の熱容量を大きくすることができる。即ち、温度の上昇度合いを緩やかにする、換言すれば昇温速度を遅くすることができる。従って、補強層を具える超電導線材を利用した超電導ケーブルは、事故時における超電導線材の温度上昇をより効果的に抑制することができる。なお、上記補強層は、高抵抗又は絶縁性が高いため、事故電流が非常に誘導され難い、或いは実質的に誘導されない。
【００５０】
[試験例]
実施形態1で説明した3心一括型の超電導ケーブルについて、超電導導体層に事故電流を想定した過電流を流した場合に超電導シールド層に誘導される電流の大きさ、及び超電導シールド層の温度上昇度合いをシミュレーションにより調べた。
【００５１】
この試験では、常電導相の等価厚さが異なる超電導線材を使用したケーブルコアを具える試料No.1〜4を用意した。この試験で用いた超電導ケーブルのケーブルコアの仕様を表1に以下に示す。試料No.1〜4の外径は等価厚さが異なるため正確には異なるが誤差範囲であるため、試料No.1〜4のいずれについても、表1に示す仕様とする。
【００５２】
【表１】
【００５３】
超電導導体層に用いた導体用超電導線材は、住友電気工業株式会社製 BSCCO線材であり、1層目及び2層目:TypeHT(ラミネーション材料:銅合金)、3層目及び4層目:TypeACT(ラミネーション材料:銅合金)である。
【００５４】
超電導シールド層に用いたシールド用超電導線材1sは、図2(I)に示すように、幅w:4.5mm×厚さtb:100μmのステンレス鋼(SUS鋼)からなる基板110の一面に、幅w:4.5mm×厚さts:1μmの超電導相(ここではYBCO)111を被覆し、この基板110と超電導相111との積層体の外周を常電導相112で被覆した形態である。常電導相112は、銀層及び銅めっき層で構成され、超電導ケーブルの使用温度(ここでは、65K〜80K程度)における比抵抗が1×10-8以下を満たす。上記基板110は、上記比抵抗が1×10-8超である(5×10-7程度)。
【００５５】
このシールド用超電導線材1sの横断面において上記常電導相112が占める面積を変えずに、図2(II)に示すように基板110の幅w:4.5mmを長辺とする長方形に変形したときの短辺を等価厚さtとする。この試験では、等価厚さtが50μm、20μm、10μm、5μmである試料をそれぞれ用意した(順に試料No.1,2,3,4)。試料No.1〜4に用いられるシールド用超電導線材における常電導相が占める割合は、導体用超電導線材(上記TypeHT及びTypeACTの双方とも)における常電導相が占める割合よりも小さい。なお、図2では、わかり易いように、各構成要素の厚さを誇張して示す。
【００５６】
上記各ケーブルコアの両端において各ケーブルコアの超電導シールド層同士は短絡された状態とし、超電導導体層からの誘導電流が流れ得る状態とする。
【００５７】
そして、この試験では、超電導導体層に31.5kA×2secの過電流が流れる場合を想定し、解析プログラムを利用して、各試料の超電導シールド層に流れる電流の大きさ、超電導シールド層の温度上昇度合いΔT(過電流を通電後、0.001sec(1msec)ごとに測定した温度Tnと過電流の通電前の温度T0との差:Tn-T0)、及び等価厚さtと温度上昇度合いΔTとの関係を調べた。上記電流の大きさを図3に、上記温度上昇度合いΔTを図4に、上記等価厚さtと上記温度上昇度合いΔTとの関係を図5及び表2に示す。なお、上記解析プログラムは、電気回路方程式と熱伝導方程式とを利用して電流分布と温度分布とを計算可能なものであり、磁場解析と温度解析とが可能な市販の電磁界解析ソフトを利用することができる。
【００５８】
【表２】
【００５９】
図5及び表2に示すように、シールド用超電導線材における常電導相が占める割合(ここでは等価厚さ)が小さいほど(薄いほど)、超電導シールド層の温度上昇度合いΔTが小さいことが分かる。この理由は、図3に示すように、上記常電導相が占める割合が小さくなるほど、フォーマと超電導導体層とに流れる事故電流(導体電流)に対して、超電導シールド層に誘導される電流(シールド電流)が小さくなっているため、シールド電流の通電に伴う温度上昇が抑えられたからである、と考えられる。また、図4に示すように、上記常電導相が占める割合が多いほど、超電導シールド層の温度の上昇速度も速く、温度上昇に伴って超電導線材が損傷する可能性が大きくなる、と考えられる。
【００６０】
更に、この試験結果から、超電導ケーブルの使用温度における比抵抗が1×10-8Ω・m以下である材料により上記常電導相が構成されている場合であっても、当該常電導相の等価厚さが10μm以下であると、事故時に超電導シールド層の温度上昇を十分に抑制できることが分かる。実際、上記等価厚さが10μmである試料No.3では、導体電流に対するシールド電流の割合が5％程度であり、試料No.4では、2％程度である。上記導体電流に対するシールド電流の割合は、遮断寸前である過電流発生から2sec後の電流値を用いて求めている。このように導体電流に対するシールド電流の割合が5％以下程度になるように、上記等価厚さを調整すると、温度上昇の抑制に効果があると考えられる。
【００６１】
なお、この試験では、実施形態1に説明した3心一括型の超電導ケーブルについて調べたが、上述した実施形態2,3や変形例1,2についても同様の結果が得られると期待される。特に、補強層を設けた場合は、熱容量を大きくすることができるため、温度上昇度合いΔTをより低減することができると期待される。
【００６２】
上述した実施形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した構成に限定されるものではない。例えば、本発明超電導ケーブルを交流送電だけなく、直流送電に用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明超電導ケーブルは、超電導ケーブル線路の構成部材に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００６４】
1c 導体用超電導線材 1s シールド用超電導線材
10 ケーブルコア 11 フォーマ 12 超電導導体層 13 電気絶縁層
14 超電導シールド層 15 保護層
20 断熱管 21 内管 22 外管 23 断熱材 24 防食層
100 超電導ケーブル
110 基板 111 超電導相 112 常電導相
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心から順にフォーマと、超電導導体層と、電気絶縁層と、超電導シールド層とを有するケーブルコアを具える超電導ケーブルであって、
前記超電導導体層及び前記超電導シールド層は、超電導相と常電導相とを含む複数の超電導線材で構成され、
前記超電導シールド層を構成する超電導線材の少なくとも1本において常電導相が占める割合が、前記超電導導体層を構成する超電導線材において常電導相が占める割合よりも小さいことを特徴とする超電導ケーブル。
【請求項２】
前記超電導シールド層を構成する超電導線材において常電導相は、前記超電導ケーブルの使用温度における比抵抗が1×10-8Ω・m以下である常電導材料から構成されていることを特徴とする請求項1に記載の超電導ケーブル。
【請求項３】
前記超電導シールド層を構成する超電導線材において、前記常電導相の等価厚さをとったとき、当該等価厚さは、前記超電導導体層を構成する超電導線材における常電導部の等価厚さよりも薄いことを特徴とする請求項1又は2に記載の超電導ケーブル。
【請求項４】
前記超電導シールド層を構成する超電導線材は、基板上にRE系酸化物超電導相を具える薄膜線材であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の超電導ケーブル。
【請求項５】
前記超電導導体層を構成する超電導線材は、Bi系酸化物超電導相を具える線材であることを特徴とする請求項4に記載の超電導ケーブル。
【請求項６】
前記超電導シールド層を構成する超電導線材において、前記基板の幅に対して前記常電導相の等価厚さをとったとき、前記常電導相の等価厚さが10μm以下であることを特徴とする請求項4又は5に記載の超電導ケーブル。
【請求項７】
前記超電導シールド層を構成する超電導線材は、前記超電導ケーブルの使用温度における比抵抗が1×10-8Ω・m超の材料からなる補強層を具えることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の超電導ケーブル。
【請求項８】
前記ケーブルコアは、前記超電導シールド層の内周側及び外周側の双方に、常電導材料から構成される常電導シールド層を有していないことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の超電導ケーブル。
【請求項１】
中心から順にフォーマと、超電導導体層と、電気絶縁層と、超電導シールド層とを有するケーブルコアを具える超電導ケーブルであって、
前記超電導導体層及び前記超電導シールド層は、超電導相と常電導相とを含む複数の超電導線材で構成され、
前記超電導シールド層を構成する超電導線材の少なくとも1本において常電導相が占める割合が、前記超電導導体層を構成する超電導線材において常電導相が占める割合よりも小さいことを特徴とする超電導ケーブル。
【請求項２】
前記超電導シールド層を構成する超電導線材において常電導相は、前記超電導ケーブルの使用温度における比抵抗が1×10-8Ω・m以下である常電導材料から構成されていることを特徴とする請求項1に記載の超電導ケーブル。
【請求項３】
前記超電導シールド層を構成する超電導線材において、前記常電導相の等価厚さをとったとき、当該等価厚さは、前記超電導導体層を構成する超電導線材における常電導部の等価厚さよりも薄いことを特徴とする請求項1又は2に記載の超電導ケーブル。
【請求項４】
前記超電導シールド層を構成する超電導線材は、基板上にRE系酸化物超電導相を具える薄膜線材であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の超電導ケーブル。
【請求項５】
前記超電導導体層を構成する超電導線材は、Bi系酸化物超電導相を具える線材であることを特徴とする請求項4に記載の超電導ケーブル。
【請求項６】
前記超電導シールド層を構成する超電導線材において、前記基板の幅に対して前記常電導相の等価厚さをとったとき、前記常電導相の等価厚さが10μm以下であることを特徴とする請求項4又は5に記載の超電導ケーブル。
【請求項７】
前記超電導シールド層を構成する超電導線材は、前記超電導ケーブルの使用温度における比抵抗が1×10-8Ω・m超の材料からなる補強層を具えることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の超電導ケーブル。
【請求項８】
前記ケーブルコアは、前記超電導シールド層の内周側及び外周側の双方に、常電導材料から構成される常電導シールド層を有していないことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の超電導ケーブル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−６５８７９（Ｐ２０１１−６５８７９Ａ）
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１５８２６（Ｐ２００９−２１５８２６）
【出願日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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