(57)【要約】   本発明は、クエンチ検出が可能な超伝導電力ケーブル及びこれを用いたクエンチ検出システムに関するものである。本発明によるクエンチ検出が可能な超伝導電力ケーブルは、フォーマー、超伝導線材から構成され上記フォーマーを包む超伝導導体層、上記フォーマーと上記超伝導導体層との間に介在され上記フォーマーを包む光ファイバーからなる導体層クエンチ検出コイル、上記超伝導導体層を包む絶縁層、及び上記絶縁層を包む遮蔽層を含む。本発明によると、超伝導電力ケーブルの運用中に発生するクエンチをリアルタイムで検出することができる。【選択図】      図４
2008527669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォーマー、
超伝導線材から構成され上記フォーマーを包む超伝導導体層、
上記フォーマーと上記超伝導導体層との間に介在され上記フォーマーを包む導体層クエンチ検出コイル、
上記超伝導導体層を包む絶縁層、及び
上記絶縁層を包む遮蔽層
を含むことを特徴とするクエンチ検出が可能な超伝導電力ケーブル。
【請求項２】
上記導体層クエンチ検出コイルは、光ファイバーからなることを特徴とする請求項１に記載のクエンチ検出が可能な超伝導電力ケーブル。
【請求項３】
上記遮蔽層は、超伝導線材から構成され、
上記遮蔽層を包む遮蔽層クエンチ検出コイルをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のクエンチ検出が可能な超伝導電力ケーブル。
【請求項４】
上記遮蔽層クエンチ検出コイルは、光ファイバーまたは導体からなることを特徴とする請求項３に記載のクエンチ検出が可能な超伝導電力ケーブル。
【請求項５】
上記フォーマーの表面には多数の凹凸部が形成され、上記導体層クエンチ検出コイルは多数の上記凹凸部のうち何れか一つの凹凸部の凹部を包むことを特徴とする請求項１に記載のクエンチ検出が可能な超伝導電力ケーブル。
【請求項６】
フォーマー、
超伝導線材から構成され上記フォーマーを包む超伝導導体層、
上記超伝導導体層を包む絶縁層、
超伝導線材から構成され上記絶縁層を包む遮蔽層、及び
上記遮蔽層を包む遮蔽層クエンチ検出コイルを含むことを特徴とするクエンチ検出が可能な超伝導電力ケーブル。
【請求項７】
上記遮蔽層クエンチ検出コイルは、光ファイバーまたは導体からなることを特徴とする請求項６に記載のクエンチ検出が可能な超伝導電力ケーブル。
【請求項８】
超伝導電力ケーブルのクエンチ検出システムにおいて,
超伝導電力ケーブルと、
上記超伝導電力ケーブルに連結された信号処理部とを含み、
上記超伝導電力ケーブルは,
フォーマー、
超伝導線材から構成され上記フォーマーを包む超伝導導体層、
上記フォーマーと上記超伝導導体層との間に介在され上記フォーマーを包む光ファイバーからなる導体層クエンチ検出コイル、
上記超伝導導体層を包む絶縁層、及び
上記絶縁層を包む遮蔽層
を含み、
上記信号処理部は、
上記導体層クエンチ検出コイルに連結され上記導体層クエンチ検出コイルの入射光を発生させ、
上記導体層クエンチ検出コイルより偏光された出射光を受光して導体層クエンチ発生信号を出力する
ことを特徴とする超伝導電力ケーブルのクエンチ検出システム。
【請求項９】
上記超伝導電力ケーブルは、遮蔽層が超伝導線材から構成され上記遮蔽層を包む光ファイバーからなる遮蔽層クエンチ検出コイルをさらに含み、
上記信号処理部は、上記遮蔽層クエンチ検出コイルに連結され上記遮蔽層クエンチ検出コイルの入射光を発生させ、上記遮蔽層クエンチ検出コイルより偏光された出射光を受光して遮蔽層クエンチ発生信号をさらに出力することを特徴とする請求項８に記載の超伝導電力ケーブルのクエンチ検出システム。
【請求項１０】
上記超伝導電力ケーブルは、遮蔽層が超伝導線材から構成され上記遮蔽層を包む導体材質の遮蔽層クエンチ検出コイルをさらに含み、
上記遮蔽層クエンチ検出コイルに連結され遮蔽層のクエンチの際に上記遮蔽層クエンチ検出コイルの電圧を検出する電圧検出部をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の超伝導電力ケーブルのクエンチ検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導電力ケーブル及びこれを用いたクエンチ検出システムに関するものであって、より詳しくは、超伝導電力ケーブルの運用中に発生し得る超伝導線材のクエンチ（ＱＵＥＮＣＨ）をリアルタイムで検出することができる超伝導電力ケーブル及びこれを用いたクエンチ検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導体は、常温より非常に低い温度で電気抵抗が完全に消えてエネルギーの損失が全くない完全伝導体であって、多様な分野にて応用されており、最近では大都市における急増する電力需要を充足させるために超伝導線材を用いた電力ケーブルが用いられている。
【０００３】
超伝導線材を用いた電力ケーブルは、銅より通電能力が優れているため既存の銅を用いた電力ケーブルより大容量の電力を伝送することができるだけでなく、送電損失も減らすことができる。従って、大容量の電力を伝送するためにケーブルの断面積を増加させる必要がないため、ケーブルを小型で製造しても大容量の電力を効率的に伝送できるという長所がある。
【０００４】
一方、超伝導体は、三つの臨界値、即ち、臨界温度、臨界磁場、及び臨界電流密度内でのみ超伝導性が維持されるため、臨界値の範囲から離れると超伝導性を失い常伝導状態へと相転移するようになる。従って、超伝導電力ケーブルの運用中に超伝導線材の超伝導性が維持されているのかをチェックする必要がある。
【０００５】
図１は、超伝導導体層のクエンチ検出システムを備えた従来の超伝導電力ケーブルの横断面図である。図面を参照すれば、超伝導電力ケーブルは、フォーマー１、超伝導線材から構成されフォーマー１を包む導体層２、導体層２を絶縁する絶縁層３、及び電気的な遮蔽のために絶縁層３を包む遮蔽層４を備える。フォーマー１の表面を平坦にするためにフォーマー１及び導体層２間に介在されフォーマー１を包む平滑層（図示せず）をさらに含ませることもできる。
【０００６】
上記導体層２は、フォーマー１の円周面に配列されたテープ形状の超伝導線材から構成された層であって、大容量の電力を送電するために多層構造に形成される。上記超伝導線材は、超伝導線材自体の欠陷、ケーブリング過程で発生し得る欠陷、及び超伝導線材を臨界温度以下に維持させる冷媒に含まれた不純物による冷却システムの欠陥などにより、前述した臨界領域から離れて超伝導性を失う現象がしばしば発生する。このように超伝導体が超伝導性を失い常伝導状態へと相転移する現象をクエンチと称する。
【０００７】
このように、超伝導電力ケーブルの何れかの超伝導線材にクエンチが発生して常伝導状態へと相転移すれば、流すことのできる電流の量が減るようになる。従って、超伝導導体層２の各層ごとに流れる電流の量が均一になるように超伝導電力ケーブルが製造されても、クエンチが発生する場合にはその分の電流はクエンチが発生しなかった他の超伝導線材に流れるようになり、結果的にクエンチが発生しなかった他の超伝導線材も臨界電流を超過する恐れが大きくなる。仮に、臨界電流を超過して他の超伝導線材にもクエンチが発生すればケーブル全体の超伝導状態が崩れるようになりケーブルの送電能力が大きく低下する。
【０００８】
従って、超伝導電力ケーブルの運転中にクエンチの発生を検出することが重要になる。このために導体層２の長さ方向の両端に備えられた電圧端子５を用いて両端の電圧を測定することによってクエンチを検出することができるが、超伝導電力ケーブルの導体層２には高電圧が印加されるため、クエンチにより発生する微細な信号は測定が不可能である。仮に、測定が可能であっても高電圧により計測器が損傷されるので実際に電力を伝送する際にはクエンチの検出が不可能になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記のような問題点を考慮して創案されたものであって、超伝導電力ケーブルの運用時に発生するクエンチを感知することができる超伝導電力ケーブル及びこれを用いたクエンチ検出システムを提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記技術的課題を達成するための本発明による超伝導電力ケーブルは、フォーマー、超伝導線材から構成され上記フォーマーを包む超伝導導体層、上記フォーマーと上記超伝導導体層との間に介在され上記フォーマーを包む光ファイバーからなる導体層クエンチ検出コイル、上記超伝導導体層を包む絶縁層、及び上記絶縁層を包む遮蔽層を含む。
【００１１】
本発明による超伝導電力ケーブルにおいて、上記遮蔽層は、超伝導線材から構成され上記遮蔽層を包む遮蔽層クエンチ検出コイルをさらに含むことが望ましい。
【００１２】
本発明による超伝導電力ケーブルにおいて、上記遮蔽層クエンチ検出コイルは、光ファイバーまたは導体からなることが望ましい。
【００１３】
本発明による超伝導電力ケーブルにおいて、上記フォーマーの表面には多数の凹凸部が形成され、上記導体層クエンチ検出コイルは多数の上記凹凸部のうち何れか一つの凹凸部の凹部を包むことが望ましい。
【００１４】
上記技術的課題を達成するための本発明の一側面による超伝導電力ケーブルのクエンチ検出システムは、超伝導電力ケーブルと、上記超伝導電力ケーブルに連結された信号処理部とを含み、
上記超伝導電力ケーブルは、フォーマー、超伝導線材から構成され上記フォーマーを包む超伝導導体層、上記フォーマーと上記超伝導導体層との間に介在され上記フォーマーを包む光ファイバーからなる導体層クエンチ検出コイル、上記超伝導導体層を包む絶縁層、及び上記絶縁層を包む遮蔽層を含み、
上記信号処理部は、上記導体層クエンチ検出コイルに連結され上記導体層クエンチ検出コイルの入射光を発生させ、上記導体層クエンチ検出コイルより偏光された出射光を受光して導体層クエンチ発生信号を出力する。
【００１５】
本発明による超伝導電力ケーブルのクエンチ検出システムにおいて、上記超伝導電力ケーブルは、遮蔽層が超伝導線材から構成され上記遮蔽層を包む光ファイバーからなる遮蔽層クエンチ検出コイルをさらに含み,
上記信号処理部は、上記遮蔽層クエンチ検出コイルに連結され上記遮蔽層クエンチ検出コイルの入射光を発生させ、上記遮蔽層クエンチ検出コイルより偏光された出射光を受光して遮蔽層クエンチ発生信号をさらに出力することが望ましい。
【００１６】
本発明による超伝導電力ケーブルのクエンチ検出システムにおいて、上記超伝導電力ケーブルは、遮蔽層が超伝導線材から構成され上記遮蔽層を包む導体材質の遮蔽層クエンチ検出コイルをさらに含み、
上記遮蔽層クエンチ検出コイルに連結され遮蔽層のクエンチの際に上記遮蔽層クエンチ検出コイルの電圧を検出する電圧検出部をさらに含むことが望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付された図面を参照しながら本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立って、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはいけず、発明者はその自分の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に則して本発明の技術的思想に符合する意味と概念とに解釈されなければならない。従って、本明細書に記載された実施例と図面とに示された構成は本発明の最も望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的思想を全て代弁するものではないため、本出願時点においてこれらに代替できる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。
【００１８】
図２は、定常状態時の超伝導電力ケーブルの磁場分布を示した超伝導電力ケーブルの断面図であり、図３は、超伝導導体層のクエンチ発生時の超伝導ケーブルの磁場分布を示した超伝導電力ケーブルの断面図である。図２を参照すれば、導体層２を形成するそれぞれの超伝導線材に均一に電流が流れる場合には、導体層２の外部には一定の大きさの外部磁場６ｂが形成されるが、導体層２の内部には磁場が形成されない。しかし、ケーブルを運用する途中に一部の超伝導線材７が超伝導性を失いクエンチが発生すれば、クエンチされた超伝導線材７に流れる電流は減少し、その分の電流は周辺の超伝導線材に再分配されて流れるようになり、図３に示したように導体層の内部に磁場６ａが形成される。従って、導体層２の内部に流れる磁場６ａの変化を感知することによって導体層２のクエンチを検出することができる。
【００１９】
図４は、本発明の一実施例による皺型フォーマーを備えた超伝導電力ケーブルのクエンチ検出システムの構成図である。図面を参照すれば、上記システムは導体層２の内部の磁場６ａの変化を感知する導体層クエンチ検出コイル８を備えた超伝導電力ケーブル１０とクエンチ発生時のクエンチ信号を検出する信号処理部１１とを含む。
【００２０】
超伝導電力ケーブル１０は、皺型フォーマー１ａ、超伝導線材から構成され皺型フォーマー１ａを包む導体層２、導体層２を包む絶縁層３、及び絶縁層３を包む遮蔽層４を含み、皺型フォーマー１ａをリング型に包むように設けられた導体層クエンチ検出コイル８をさらに備える。
【００２１】
本実施例による皺型フォーマー１ａは、表面に多数の凹凸部が形成されたフォーマーであって、内部には中空部が形成され超伝導線材が超伝導性を維持するように臨界温度の以下に冷却させる液体窒素の通路となる。
【００２２】
導体層クエンチ検出コイル８は、超伝導導体層２のクエンチを検出するため、皺型フォーマー１ａと導体層２との間に介在され、皺型フォーマー１ａをリング型に包む光ファイバーコイルである。導体層クエンチ検出コイル８は導体層２にクエンチが発生する場合に、磁場の変化を検出して導体層クエンチ検出コイル８の両端に連結された信号処理部１１に伝達する。そして、導体層クエンチ検出コイル８は光ファイバーからなっており、導体層２との電気的な干渉を起こさないため超伝導電力ケーブル１０の電力伝送には影響を及ぼさない。
【００２３】
信号処理部１１は、超伝導電力ケーブル１０の外部に設けられ、導体層２にクエンチが発生する場合に導体層クエンチ検出コイル８に発生したクエンチ信号を検出する。信号処理部１１は、レーザーダイオードのような光発生素子である発光部１２と、フォトダイオードのような光検出素子である受光部１３とを備える。従って、信号処理部１１は、導体層クエンチ検出コイル８の一端に連結された発光部１２より発生された光を導体層クエンチ検出コイル８に入射させ、導体層クエンチ検出コイル８より出射された光を導体層クエンチ検出コイル８の他端に連結された受光部１３を通じて受光する。
【００２４】
上記のように構成された超伝導電力ケーブル１０のクエンチ検出過程を以下に説明する。
【００２５】
発光部１２より発生され導体層クエンチ検出コイル８に入射された光は、光検出素子である受光部１３によって電気信号として検出される。もし、導体層２にクエンチが発生すれば導体層クエンチ検出コイル８を通過する光は、磁場の変化により偏光されて受光部１３に出力される。
【００２６】
即ち、磁場内の透明物質に平面偏光された光を入射させれば上記透明物質を通過して出てくる光の偏光面は回転されるというファラデー（Ｆａｒａｄａｙ）の光磁気法則に従って、クエンチが発生しなかった場合には導体層２の内部には磁場の大きさが０になるので、フォーマーを横巻した導体層クエンチ検出コイル８を通過する光の偏光面は回転しない。しかし、クエンチが発生した場合には導体層２の内部磁場６ａの大きさが０より大きい値になるので、光の偏光面が回転するようになる。
【００２７】
上記偏光面が回転する角度は下記の数式のようになる。
【数１】
2008527669.tif 000003
【００２８】
θ：偏光面の回転角度、ｋ：比例定数、Ｎ：フォーマーを横巻した光ファイバーの横巻数、Ｉ：磁場の大きさ
【００２９】
従って、磁場が大きいほど、フォーマーを横巻した導体層クエンチ検出コイル８の横巻数が多くなるほど、偏光面の回転角度が大きくなる。このように偏光された光は受光部１３に出力されるが、偏光面（図示せず）を通過した光の強さによって下記のように受光部１３で電圧が発生され、これを通じてクエンチ発生を感知することができる。
【００３０】
【数２】
2008527669.tif 000004
【００３１】
ＶＯＵＴ：受光部の出力電圧、ＶＩＮ：発光部の入力電圧、θ：偏光面の回転角度
【００３２】
クエンチの発生可否を敏感に感知するためには、上記数式で説明したように、フォーマーの周囲に導体層クエンチ検出コイル８の横巻数を多くすることが望ましい。
【００３３】
一方、図４に示したように、皺型フォーマー１ａの表面に形成された多数の凹凸部のうち何れか一つの凹凸部の凹部を包むように導体層クエンチ検出コイル８を設けることによって、超伝導電力ケーブル１０の外径に影響を与えないようにすることが望ましい。
【００３４】
図５は、本発明の他の実施例による導体素線フォーマーを備えた超伝導電力ケーブルの導体層のクエンチ検出システムの構成図である。図５を参照すれば、本実施例による超伝導電力ケーブル１０は銅のような導体素線型フォーマー１ｂを用いるため、図４の皺型フォーマー１ａとは異なり超伝導電力ケーブル１０の表面は平坦である。従って、図５に示したように、導体層クエンチ検出コイル８を所定の薄い層で導体素線型フォーマー１ｂを包んで、超伝導電力ケーブル１０の外径に影響を与えないようにすることが望ましい。
【００３５】
一方、超伝導電力ケーブル１０の遮蔽層４は、通常の導体から構成されることもできるが、超伝導線材から構成することもできる。従って、導体層はもちろん超伝導遮蔽層においてもクエンチが発生し得る。
【００３６】
図６は、超伝導遮蔽層のクエンチ発生時の超伝導ケーブル内の磁場分布を示した超伝導電力ケーブルの断面図である。クエンチが発生しなかった超伝導遮蔽層４は導体層２より発生した磁束を完全に遮断するため、超伝導遮蔽層４の内部には一定の大きさの磁場が形成されるが、超伝導遮蔽層４の外部には磁場が形成されない。しかし、超伝導電力ケーブル１０を運用する途中に一部の超伝導線材１４が超伝導性を失いクエンチが発生すれば、図６に示したように、クエンチが発生した超伝導遮蔽層４の一部の超伝導線材１４に磁束が漏洩され超伝導遮蔽層４の外部には磁場１５が形成される。従って、超伝導遮蔽層４の外部磁場１５の変化を感知することによって、超伝導遮蔽層４のクエンチを検出することができる。
【００３７】
図７は、本発明のさらに他の実施例による超伝導電力ケーブルの導体層または遮蔽層のクエンチ検出システムの構成図である。図面を参照すれば、上記システムは、超伝導電力ケーブル１０、超伝導電力ケーブル１０に連結され導体層２及び超伝導遮蔽層４のクエンチを検出する信号処理部１２を含む。
【００３８】
超伝導電力ケーブル１０は、皺型フォーマー１ａ、超伝導導体層２、絶縁層３、遮蔽層４、及び導体層クエンチ検出コイル８を含み、超伝導遮蔽層４を包む銅からなる遮蔽層のクエンチ検出コイル１５をさらに備える。図７の実施例は皺型フォーマー１ａを備えた超伝導電力ケーブル１０を挙げて説明するが、導体素線型フォーマー１ｂが備えられた超伝導電力ケーブル１０を用いることができるのは勿論である。導体層クエンチ検出コイル８及び遮蔽層クエンチ検出コイル１５の両端は発光部１２及び受光部１３にそれぞれ連結されるため、信号処理部１２は導体層２だけでなく遮蔽層４のクエンチも検出することができる。クエンチを検出する過程は図４に説明された過程と同様である。
【００３９】
一方、遮蔽層クエンチ検出コイル１５は導体層クエンチ検出コイル８と同様に光ファイバーから構成できることは勿論、銅のような導体から構成されることもできる。なぜなら、高電圧が印加される超伝導導体層２とは異なり超伝導遮蔽層４は接地されるため、超伝導遮蔽層４と遮蔽層クエンチ検出コイル１５が連結されても電気的な問題が発生しないからである。
【００４０】
図８は、本発明のさらに他の実施例による超伝導電力ケーブルの導体層または遮蔽層のクエンチ検出システムの構成図である。図面を参照すれば、上記システムは、超伝導電力ケーブル１０、超伝導電力ケーブル１０に連結され導体層２のクエンチを検出する信号処理部１２、及び超伝導電力ケーブル１０に連結され遮蔽層４のクエンチを検出する電圧検出部１６を含む。
【００４１】
超伝導電力ケーブル１０は、皺型フォーマー１ａ、超伝導導体層２、絶縁層３、遮蔽層４、及び導体層クエンチ検出コイル８を含み、超伝導遮蔽層４を包む導体からなる遮蔽層クエンチ検出コイル１５をさらに備える。図８の実施例は皺型フォーマー１ａを備えた超伝導電力ケーブル１０を挙げて説明するが、導体素線フォーマー１ｂが備えられた超伝導電力ケーブル１０を用いることができるのは勿論である。
【００４２】
遮蔽層４にクエンチが発生しなかった場合、即ち、遮蔽層４の外部に磁束が漏洩されなければ遮蔽層クエンチ検出コイル１５には電圧が誘起されない。しかし、遮蔽層４にクエンチが発生した場合、即ち、遮蔽層４の外部に磁束が漏洩され遮蔽層クエンチ検出コイル１５には所定電圧が誘起される。従って、遮蔽層クエンチ検出コイル１５の両端に連結された電圧検出部１６により電圧信号が検出されることによって遮蔽層４のクエンチを検出することができる。電圧検出部１６としては、電圧計、オシロスコープなどが用いられる。
【００４３】
本実施例によると、導体層２のクエンチ発生時には光信号を処理する信号処理部１１によりクエンチが検出され、遮蔽層４のクエンチ発生時には電圧信号を検出する電圧検出部１６によりクエンチが検出される。
【００４４】
以上のように、本発明はたとえ限定された実施例と図面とによって説明されたが、本発明はこれによって限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を持つ者により本発明の技術思想と以下に記載する特許請求範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能なのは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明によると、超伝導電力ケーブルの電力伝送に影響を及ぼさずに、超伝導電力ケーブルの運用中に発生するクエンチをリアルタイムで検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は、超伝導導体層のクエンチ検出システムを備えた従来の超伝導電力ケーブルの横断面図である。
【図２】図２は、定常状態時の超伝導ケーブル内の磁場分布を示した超伝導電力ケーブルの断面図である。
【図３】図３は、超伝導導体層のクエンチ発生時の超伝導ケーブル内の磁場分布を示した超伝導電力ケーブルの断面図である。
【図４】図４は、本発明の一実施例による皺型フォーマーを備えた超伝導電力ケーブルの導体層のクエンチ検出システムの構成図である。
【図５】図５は、本発明の他の実施例による導体素線フォーマーを備えた超伝導電力ケーブルの超伝導導体層のクエンチ検出システムの構成図である。
【図６】図６は、超伝導遮蔽層のクエンチ発生時の超伝導ケーブル内の磁場分布を示した超伝導電力ケーブルの断面図である。
【図７】図７は、本発明のさらに他の実施例による超伝導電力ケーブルの導体層または遮蔽層のクエンチ検出システムの構成図である。
【図８】図８は、本発明のさらに他の実施例による超伝導電力ケーブルの導体層または遮蔽層のクエンチ検出システムの構成図である。
【図１】
2008527669.tif 000005
【図２】
2008527669.tif 000006
【図３】
2008527669.tif 000007
【図４】
2008527669.tif 000008
【図５】
2008527669.tif 000009
【図６】
2008527669.tif 000010
【図７】
2008527669.tif 000011
【図８】
2008527669.tif 000012
【国際調査報告】
2008527669.tif 000013
2008527669.tif 000014