(57)【要約】  低温冷却ＨＴＳケーブルが、その低温冷却ＨＴＳケーブルがない場合に生じることになる最大故障電流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。この低温冷却ＨＴＳケーブルは、液体冷媒を循環させるための連続液体低温冷媒経路を備えている。ＨＴＳワイヤの連続可撓性構造が、最大故障電流を少なくとも１０％減衰させるインピーダンス特性を有している。ＨＴＳワイヤのこの連続可撓性構造は、最大故障状態が発生している間、ＨＴＳワイヤ内の最大温度上昇が、液体冷媒中のガス気泡の形成を防止するだけの十分に小さい状態で低温冷却ＨＴＳケーブルを動作させることができるように構成されている。
2010519679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温冷却ＨＴＳケーブルであって、当該低温冷却ＨＴＳケーブルがない場合に生じることになる最大故障電流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、
液体冷媒を循環させるための連続液体低温冷媒経路と、
前記最大故障電流を少なくとも１０％減衰させるインピーダンス特性を有するＨＴＳワイヤの連続可撓性構造であって、最大故障状態が発生している間、前記ＨＴＳワイヤ内の最大温度上昇が、前記液体冷媒中のガス気泡の形成を防止するだけの十分に小さい状態で前記低温冷却ＨＴＳケーブルを動作させることができるように構成されたＨＴＳワイヤの連続可撓性構造と
を備えた低温冷却ＨＴＳケーブル。
【請求項２】
連続可撓性巻線支持構造をさらに備え、前記複数のＨＴＳワイヤのうちの１つまたは複数が前記連続可撓性巻線支持構造に対して同軸で配置された、請求項１に記載の低温冷却ＨＴＳケーブル。
【請求項３】
前記連続可撓性巻線支持構造が軸方向の中空コアを備えた、請求項２に記載の低温冷却ＨＴＳケーブル。
【請求項４】
前記連続可撓性巻線支持構造が波形ステンレス鋼管を備えた、請求項２に記載の低温冷却ＨＴＳケーブル。
【請求項５】
連続可撓性巻線支持構造に対して同軸で配置された遮蔽層と、
前記連続可撓性巻線支持構造に対して同軸で配置され、かつ、１つまたは複数の導電層と前記遮蔽層の間に配置された絶縁層と
をさらに備えた、請求項２に記載の低温冷却ＨＴＳケーブル。
【請求項６】
前記液体冷媒が液体窒素である、請求項１に記載の低温冷却ＨＴＳケーブル。
【請求項７】
前記液体窒素が大気圧より高い圧力に加圧され、かつ、７７Ｋ未満に過冷される、請求項６に記載の低温冷却ＨＴＳケーブル。
【請求項８】
前記液体冷媒が液体水素である、請求項１に記載の低温冷却ＨＴＳケーブル。
【請求項９】
前記低温冷却ＨＴＳケーブルが１つまたは複数のＨＴＳワイヤを備えた、請求項１に記載の低温冷却ＨＴＳケーブル。
【請求項１０】
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ＨＴＳ材料で構築される、請求項５に記載の低温冷却ＨＴＳケーブル。
【請求項１１】
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、１００〜６００マイクロメートルの範囲内の総合スタビライザ厚さと、９０°Ｋで０．８〜１５．０マイクロオーム−ｃｍの範囲内の抵抗率とを有する少なくとも１つのスタビライザ層を備えた、請求項１に記載の低温冷却ＨＴＳケーブル。
【請求項１２】
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、２００〜５００マイクロメートルの範囲内の総合スタビライザ厚さと、９０°Ｋで１〜１０．０マイクロオーム−ｃｍの範囲内の抵抗率とを有する少なくとも１つのスタビライザ層を備えた、請求項１に記載の低温冷却ＨＴＳケーブル。
【請求項１３】
故障状態の間のインピーダンス特性および最大温度上昇が、前記複数のＨＴＳワイヤのうちの１つまたは複数の１つまたは複数の設計パラメータを構成することによって画定される、請求項１に記載の低温冷却ＨＴＳケーブル。
【請求項１４】
前記１つまたは複数の設計パラメータが、スタビライザ抵抗率係数、スタビライザ厚さ係数、ワイヤ比熱係数および動作臨界電流密度係数のうちの１つまたは複数を含む、請求項１３に記載の低温冷却ＨＴＳケーブル。
【請求項１５】
前記低温冷却ＨＴＳケーブルに直列に結合された１つまたは複数の高速スイッチをさらに備え、前記１つまたは複数の高速スイッチが、故障状態が発生した後に開くように構成される、請求項１に記載の低温冷却ＨＴＳケーブル。
【請求項１６】
前記低温冷却ＨＴＳケーブルが、複数の変電所をリンクするバス・タイアプリケーションに使用されるように構成される、請求項１に記載の低温冷却ＨＴＳケーブル。
【請求項１７】
低温冷却ＨＴＳケーブルを構成する方法であって、
前記低温冷却ＨＴＳケーブルのための最大許容動作温度を決定する処理であって、前記低温冷却ＨＴＳケーブルが可撓性巻線支持構造を備え、前記可撓性巻線支持構造が、前記可撓性巻線支持構造に対して同軸で配置された超伝導材料の１つまたは複数の導電層を支持するように構成された、最大許容動作温度を決定する処理と、
最大故障状態が生じている間、前記低温冷却ＨＴＳ超伝導ケーブルの実際の動作温度が前記最大許容動作温度未満のレベルに維持され、最大故障電流が少なくとも１０％小さくなるように、前記低温冷却ＨＴＳケーブルの１つまたは複数の設計パラメータを構成する処理と
を含む方法。
【請求項１８】
前記最大許容動作温度が、本質的に、前記低温冷却ＨＴＳケーブルの少なくとも一部の中を循環する冷媒が液体の状態からガス状の状態に変化する温度に対応する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記冷媒が加圧液体窒素である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記１つまたは複数の設計パラメータが、ワイヤ抵抗率係数、スタビライザ厚さ係数、比熱係数、故障電流継続期間係数および単位幅当たりのワイヤ動作臨界電流係数のうちの１つまたは複数を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記低温冷却ＨＴＳケーブルの前記実際の動作温度を決定する処理をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記低温冷却ＨＴＳケーブルの前記実際の動作温度を前記低温冷却ＨＴＳケーブルのための前記最大許容動作温度と比較する処理をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
１つまたは複数の設計パラメータを構成する処理が、前記低温冷却ＨＴＳケーブルのインピーダンスを調整することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
前記低温冷却ＨＴＳ超伝導ケーブルの前記インピーダンスを調整する処理が、
最短値より長い前記低温冷却ＨＴＳケーブルの長さを調整する処理と、
前記低温冷却ＨＴＳケーブルの抵抗率を調整する処理と、
前記低温冷却ＨＴＳケーブル内のＨＴＳワイヤに結合されたスタビライザ層の厚さを調整する処理と、
前記低温冷却ＨＴＳケーブル内のカプセル封じ剤によってＨＴＳワイヤの比熱を調整する処理と、
前記低温冷却ＨＴＳケーブル内に含まれているＨＴＳワイヤの動作臨界電流密度を調整する処理
とのうちの１つまたは複数を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
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る、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記低温冷却ＨＴＳ超伝導ケーブルが１つまたは複数のＨＴＳワイヤを備え、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１７に記載の方法。
【請求項２７】
前記低温冷却ＨＴＳ超伝導ケーブルが、電圧源インピーダンスを有する電圧源に結合され、前記方法が、
前記電圧源の前記電圧源インピーダンスを決定する処理
をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００７年２月９日に出願した米国特許出願第１１／６７３，２８１号の優先権を主張した、２００７年３月２０に出願した一部継続米国特許出願第１１／６８８，８２７号の優先権を主張した、２００７年３月２０日に出願した一部継続米国特許出願第１１／６８８，８１７号の優先権を主張した、２００７年３月２０日に出願した一部継続米国特許出願第１１／６８８，８０２号の優先権を主張するものである。
【０００２】
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】
【０００３】
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。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３０°ケルビン（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、希土類すなわちイットリウム・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、それらの超伝導動作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することができる。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、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アンペア乃至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、ある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。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。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。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るが、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）。これらの銅分路は、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１１／６８８，８０２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、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、低温冷却ＨＴＳケーブルが、その低温冷却ＨＴＳケーブルがない場合に生じることになる最大故障電流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。この低温冷却ＨＴＳケーブルは、液体冷媒を循環させるための連続液体低温冷媒経路を備えている。ＨＴＳワイヤの連続可撓性構造が、最大故障電流を少なくとも１０％減衰させるインピーダンス特性を有している。ＨＴＳワイヤのこの連続可撓性構造は、最大故障状態が発生している間、ＨＴＳワイヤ内の最大温度上昇が、液体冷媒中のガス気泡の形成を防止するだけの十分に小さい状態で低温冷却ＨＴＳケーブルを動作させることができるように構成されている。
【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。低温冷却ＨＴＳケーブルは、連続可撓性巻線支持構造を備えることができる。複数のＨＴＳワイヤのうちの１つまたは複数は、連続可撓性巻線支持構造に対して同軸で配置することができる。連続可撓性巻線支持構造は、軸方向の中空コアを備えることができる。連続可撓性巻線支持構造は、波形ステンレス鋼管を備えることができる。
【００１８】
遮蔽層は、連続可撓性巻線支持構造に対して同軸で配置することができる。絶縁層は、連続可撓性巻線支持構造に対して同軸で配置することができ、また、１つまたは複数の導電層と遮蔽層の間に配置することができる。液体冷媒は液体窒素であってもよい。液体窒素は大気圧より高い圧力に加圧することができ、また、７７Ｋ未満に過冷することができる。液体冷媒は液体水素であってもよい。
【００１９】
低温冷却ＨＴＳ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ＨＴＳ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、１００〜６００マイクロメートルの範囲内の総合スタビライザ厚さと、９０°Ｋで０．８〜１５．０マイクロオーム−ｃｍの範囲内の抵抗率とを有する少なくとも１つ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、２００〜５００マイクロメートルの範囲内の総合スタビライザ厚さと、９０°Ｋで１〜１０．０マイクロオーム−ｃｍの範囲内の抵抗率とを有する少なくとも１つのスタビライザ層を備えることができる。故障状態の間のインピーダンス特性および最大温度上昇は、複数のＨＴＳワイヤのうちの１つまたは複数の１つまたは複数の設計パラメータを構成することによって画定することができる。１つまたは複数の設計パラメータには、スタビライザ抵抗率係数、スタビライザ厚さ係数、ワイヤ比熱係数および動作臨界電流密度係数のうちの１つまたは複数を含めることができる。
【００２０】
１つまたは複数の高速スイッチを低温冷却ＨＴＳケーブルに直列に結合することができる。この１つまたは複数の高速スイッチは、故障状態が発生した後に開くように構成することができる。低温冷却ＨＴＳケーブルは、複数の変電所をリンクするバス・タイアプリケーションに使用されるように構成することができる。
【００２１】
本開示のもう１つの実施態様では、低温冷却ＨＴＳケーブルを構成する方法には、低温冷却ＨＴＳケーブルのための最大許容動作温度を決定することが含まれている。低温冷却ＨＴＳケーブルは可撓性巻線支持構造を備えており、該可撓性巻線支持構造は、該可撓性巻線支持構造に対して同軸で配置された超伝導材料の１つまたは複数の導電層を支持するように構成されている。低温冷却ＨＴＳケーブルの１つまたは複数の設計パラメータは、最大故障状態が生じている間、低温冷却ＨＴＳ超伝導ケーブルの実際の動作温度が最大許容動作温度未満のレベルに維持され、最大故障電流が少なくとも１０％小さくなるように構成されている。
【００２２】
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。最大許容動作温度は、本質的に、低温冷却ＨＴＳケーブルの少なくとも一部の中を循環する冷媒が液体の状態からガス状の状態に変化する温度に対応させることができる。この冷媒は、加圧された液体窒素であってもよい。１つまたは複数の設計パラメータには、ワイヤ抵抗率係数、スタビライザ厚さ係数、比熱係数、故障電流継続期間係数および単位幅当たりのワイヤ動作臨界電流係数のうちの１つまたは複数を含めることができる。低温冷却ＨＴＳケーブルの実際の動作温度は決定することができる。低温冷却ＨＴＳケーブルの実際の動作温度は、低温冷却ＨＴＳケーブルのための最大許容動作温度と比較することができる。
【００２３】
１つまたは複数の設計パラメータの構成には、低温冷却ＨＴＳケーブルのインピーダンスの調整を含めることができる。低温冷却ＨＴＳ超伝導ケーブルのインピーダンスの調整には、最短値より長い低温冷却ＨＴＳケーブルの長さの調整、低温冷却ＨＴＳケーブルの抵抗率の調整、低温冷却ＨＴＳケーブル内のＨＴＳワイヤに結合されたスタビライザ層の厚さの調整、低温冷却ＨＴＳケーブル内のカプセル封じ剤によるＨＴＳワイヤの比熱の調整、および低温冷却ＨＴＳケーブル内に含まれているＨＴＳワイヤの動作臨界電流密度の調整のうちの１つまたは複数を含めることができる。
【００２４】
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。低温冷却ＨＴＳ超伝導ケーブルは、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。低温冷却ＨＴＳ超伝導ケーブルは、電圧源インピーダンスを有する電圧源に結合することができる。電圧源の電圧源インピーダンスは決定することができる。
【００２５】
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】
【００２６】
【図１】電力公益事業電力格子内に設置された銅コアＨＴＳケーブルシステムの略図である。
【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５Ａ】ＨＴＳワイヤの横断面図である。
【図５Ｂ】代替実施形態ＨＴＳワイヤの横断面図である。
【図６】電力公益事業電力格子の略図である。
【図７】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ケーブルのモデルを示す図である。
【図８】図３の中空コアＨＴＳケーブルを構成する方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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ワイヤを備えている。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。
【００３０】
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ことができる格子セグメント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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。通常、このレベルの故障電流に耐えるために、ＨＴＳケーブルは、大きい故障電流の運搬を補助することができ、したがってＨＴＳワイヤを保護することができるかなりの量の銅を含有することができる。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。
【００３５】
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。ＨＴＳ層１０２およびＨＴＳ層１０４は、「相導体」と呼ぶことも可能である。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。動作中、冷媒すなわち液体冷媒（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。
【００３６】
追加／別法として、追加同軸ＨＴＳ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、単相対多相構成および様々な遮蔽構成（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。
【００３７】
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、４，２４２Ａｐｅａｋ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）。
【００３８】
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、典型的な超伝導体は、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導体損失は、完全な抵抗性状態での動作によって生じる導体損失より小さい。したがって、実際には、ＨＴＳケーブル中の導体の一部は、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、この係数は約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、同様の範囲（例えば１〜４）になることが期待される。
【００３９】
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）。複数の並列導体を通って流れる電流は、個々の導体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。
【００４０】
ＨＴＳケーブル１２内のＨＴＳ導体の過熱は、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導体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導体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。
【００４１】
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。
【００４２】
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°ケルビン）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、場合によってはこの回復時間を可能な限り短くしなければならない（例えば数秒）。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。
【００４３】
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。
【００４４】
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、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１１２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。
【００４５】
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。
【００４６】
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ＨＴＳ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、図示せず）を備えることも可能である。従来のケーブルの例には、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。
【００４７】
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２００内に含めることができる。さらに、超伝導電気経路２００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。
【００４８】
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３３２（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。
【００４９】
従来のケーブル（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内に含めることができる。さらに、非超伝導電気経路は、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。
【００５０】
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、ＨＴＳケーブル１５０のインピーダンスを制御することにより、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（銅コア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１５０の内側から除去することにより、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を小さくすることができ、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を可撓性長距離ＨＴＳケーブル１５０の内側から除去し、かつ、ＨＴＳケーブル１５０のインピーダンスを制御することにより、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。
【００５１】
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に流入する場合、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することができる。
【００５２】
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。
【００５３】
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  ＦＣＬデバイス４２（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デバイス（例えばＨＴＳ  ＦＣＬ４２）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デバイス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。詳細には、以下でより詳細に説明するように、ＨＴＳケーブル１５０の長さが十分な長さであり、また、ＨＴＳケーブル１５０が望ましいインピーダンス特性を示すように製造されている場合、連続可撓性長距離ＨＴＳケーブル１５０は、それだけで、液体冷媒中にガス気泡が生成され、誘電体が破壊する危険のあるポイントまで加熱することなく、故障電流１２４（図３）の著しい減衰を提供することができる。
【００５４】
故障電流制限（ＦＣＬ）ＨＴＳケーブルの概説およびＦＣＬケーブルのためのＨＴＳワイヤの設計
以下でより詳細に説明するように、可撓性長距離ＨＴＳケーブル１５０の様々なパラメータ（例えばケーブル１５０内のＨＴＳワイヤの電気抵抗率およびスタビライザ厚さ）を制御することにより、同時に１）ケーブル中の故障電流の著しい低減を達成するために必要な正味抵抗を提供し、かつ、２）故障電流によってＨＴＳケーブル１５０全体に誘導される温度上昇を、ケーブル内を循環する液体窒素冷媒の泡立ちを防止する最大値未満のレベルに維持するＨＴＳケーブルを実現することができる。上で説明したように、液体窒素のガス状「気泡」が形成されると、ＨＴＳケーブル１５０の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１５０が破壊されることになる。
【００５５】
場合によっては比電気抵抗としても知られている電気抵抗率は、電流の流れを阻止する材料の強さの程度を表す測度である。詳細には、小さい電気抵抗率は、電荷の移動を容易に許容する材料を表すことができる。抵抗率の便利な測度はマイクロオーム−ｃｍである。
【００５６】
以下でより詳細に説明するように、ＨＴＳケーブル１５０の構造およびＨＴＳケーブル１５０内のＨＴＳワイヤの設計は、独立型ＨＴＳ  ＦＣＬまたは故障電流制限母線のために提案されている設計とは基本的に異なっている。
【００５７】
また、図５を参照すると、故障電流制限ＨＴＳケーブル１５０のＨＴＳ層１０２、１０４を構築するために使用される１本のＨＴＳワイヤ２５０の横断面図が示されている。このワイヤアーキテクチャは、緩衝基板の上に超伝導体の薄い層（すなわちＨＴＳ層）がコーティングされているため、「コーティングが施されたワイヤ」アーキテクチャと呼ぶことも可能である。通常、ＨＴＳ層は、上で定義した、詳細にはＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７の組成の超伝導体ＹＢＣＯを備えており、Ｙを希土類元素に置換することができる。不純物相を層の中に存在させることができるため、総合組成はこの組成とは異なっていてもよいことは理解されよう。コーティングが施された導体アーキテクチャには他のＨＴＳ材料を使用することも可能である。
【００５８】
この実施例では、ＨＴＳ層１０２、１０４の中に使用されているＨＴＳワイヤ２５０は、２つのスタビライザ層２５２、２５３および基板層２５４を備えていることが分かる。基板層２５４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２５２と基板層２５４の間に、バッファ層２５６、ＨＴＳ層２５８（例えばイットリウム・バリウム・銅・酸化物すなわちＹＢＣＯ層）およびキャップ層２６０を配置することができる。バッファ層２５６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２６０の一実施例は銀である。はんだ層２６２（例えばＳｎＰｂＡｇ層）を使用して、スタビライザ層２５２および２５３をキャップ層２６０および基板層２５４に結合することができる。
【００５９】
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２５３と基板２５４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２５４、バッファ層２５６、ＨＴＳ層２５８およびキャップ層２６０の間を除く）。
【００６０】
また、図５Ｂを参照すると、ＨＴＳワイヤ２５０の一代替実施形態であるＨＴＳワイヤ２５０’が示されている。ＨＴＳワイヤ２５０’は、第２のスタビライザ層２５３と第３のスタビライザ層２８２の間に配置された第２の基板層２８０を備えることができる。スタビライザ層２５３（および／またはスタビライザ層２８２）と基板層２８０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。
【００６１】
ＨＴＳワイヤのスタビライザ層
ＨＴＳワイヤは、ＨＴＳワイヤの熱容量が大きく、また、ＨＴＳワイヤの電気抵抗率が最適レベルにある場合、故障電流制限器として最も有効かつ経済的に機能する。スタビライザ層２５２は、これらの特性を達成するためには場合によっては不可欠である。スタビライザ層２５２に場合によってはとりわけ適した合金の例は、例えばＺｎの範囲が３〜４０重量％である低合金黄銅（例えばＣｕ−Ｚｎ）ならびに場合によっては例えばＣｕ−Ｓｎ合金系に基づく他の黄銅合金である。抵抗率の範囲が０．８〜１５マイクロオームｃｍである合金の場合、場合によっては７７〜１１０Ｋの範囲の温度が最適である。特定の黄銅合金には、それらに限定されないが、黄銅２１０（９５Ｃｕ−５Ｚｎ）、２２０（９０Ｃｕ−１０Ｚｎ）および２３０（８５Ｃｕ−１５Ｚｎ）、２４０（８０Ｃｕ−２０Ｚｎ）および２６０（７０Ｃｕ−３０Ｚｎ）を含むことができる。他の銅ベース合金には、例えば、上で説明した範囲の抵抗率を提供することもできるモネルシリーズ（Ｃｕ−Ｎｉ）を含むことができる。磁気移行の範囲が７０〜１１０ＫのＣｕ−Ｎｉ合金または他の合金を使用することができ、また、この温度範囲における比熱ピークが大きい追加利点を有することができる。しかしながら、これらの合金を使用する場合、保磁度を最小化することによって磁気ＡＣ損失を最小化するよう注意しなければならない。
【００６２】
ケーブル敷設に適切な柔軟性を提供するために、スタビライザ層２５２、２５３を軟焼きもどし状態にすることができ、例えば１／２の硬さまたは１／４の硬さにすることができる。所与のＨＴＳワイヤのスタビライザ層２５２、２５３の典型的な総合厚さは、１００〜６００マイクロメートルの範囲にすることができ、２００〜５００マイクロメートルの範囲であることがより好ましい。ワイヤが分厚く、かつ、剛直になりすぎると、場合によってはそれらをより合わせて連続可撓性ケーブルの螺旋状巻線にすることが困難になる。スタビライザ層２５２、２５３の熱伝導率は、故障の初期段階の間のＨＴＳ層（例えばＨＴＳ層１０２、１０４）の過熱を抑制し、かつ、十分に迅速な回復を提供するために、７７〜１１０Ｋの温度範囲で０．１Ｗ／ｃｍＫより大きくすることができる。スタビライザ層２５２、２５３は、例えばはんだ積層または粘着結合によって加えることができる。さらに、スタビライザ層２５２、２５３は、金属または複合物のいずれかとして、浸漬、めっき、気相成長、電着、金属有機液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も可能である。
【００６３】
ＨＴＳワイヤのためのカプセル封じ剤
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２６４と呼ぶことができる。カプセル封じ剤２６４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。
【００６４】
カプセル封じ剤２６４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２６４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２６４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２６４の望ましい厚さの範囲は、５０〜１５０マイクロメートルである。
【００６５】
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２６４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２６４を選択することも可能である。カプセル封じ剤２６４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２６４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。
【００６６】
カプセル封じ剤２６４の外部表面は、カプセル封じ剤２６４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２６４の表面をテクスチャード加工し、カプセル封じ剤２６４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２６４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。
【００６７】
カプセル封じ剤２６４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２６４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。
【００６８】
カプセル封じ剤２６４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２６４を置くことができるため、カプセル封じ剤２６４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２６４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２６４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）。
【００６９】
ラッピング手順を使用してカプセル封じ剤２６４を加える場合、カプセル封じ剤２６４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。
【００７０】
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２６４に加えることができ、カプセル封じ剤２６４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２６４に加えることができ、あるいはカプセル封じ剤２６４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２６４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２６４に加えることができる。
【００７１】
ワイヤおよびケーブル設計基準の概要
上で説明したＨＴＳワイヤ設計基準（つまりスタビライザ層がより分厚いこと、抵抗率の値が中間であること、カプセル封じ剤を備えていること）は、第１世代のＨＴＳワイヤを使用し、また、導電率が大きい（７７Ｋの温度範囲で＜０．５マイクロオーム−ｃｍ）銀のマトリックスを備えたマルチフィラメンタリ複合物を使用している従来の故障電流保護ＨＴＳケーブルの基準とは基本的に異なっている。このような従来の故障電流保護ＨＴＳケーブルの場合、その目的は、可能な限り導電率が大きい材料をＨＴＳワイヤに使用するか、あるいは大量の銅をケーブル内に含んだＨＴＳケーブル構造に使用することであった。また、ＦＣＬケーブルに使用するためのＨＴＳワイヤ設計も、短距離モジュールにおける大きい抵抗を保証するために抵抗率が極めて大きい材料が使用され、かつ、すべてのスタビライザ層が可能な限り薄い状態に維持される独立型ＦＣＬまたはＳＵＰＥＲＰＯＬＩ母線のための設計基準とは基本的に異なっている。詳細には、独立型ＦＣＬまたはＳＵＰＥＲＰＯＬＩ母線の場合、バルク超伝導体（これらのバルク超伝導体は、それらがそれらの通常の状態つまり抵抗性の状態まで急冷されると、９０〜１１０Ｋの温度範囲で１００マイクロオーム−ｃｍの抵抗率を有することができる）か、あるいはコーティングが施された導体ワイヤのいずれかが、ステンレス鋼のように抵抗が大きい基板と共に使用される。これらの基板は、２０マイクロオーム−ｃｍを超える抵抗率を有することができ、いくつかのケースでは、７７Ｋの温度範囲で７０マイクロオーム−ｃｍ程度の大きい抵抗率を有することができる。
【００７２】
電力公益事業格子における動作
また、図６を参照すると、電力公益事業電力格子３００のコンテキスト内における故障電流制限ＨＴＳケーブル１５０の動作が示されている。この特定の実施例の場合、図に示されている電力公益事業電力格子３００は、７６５ｋＶ母線３０２、６９ｋＶ母線３０４および３４．５ｋＶ母線３０６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３００は、３つの１３８ｋＶ変電所２０、３０８、３１０を備えており、それらの各々は、３つの６９ｋＶ変電所２４、３１２、３１４を介して６９ｋＶ母線３０４に電力を提供している。３つの３４．５ｋＶ変電所３１６、３１８、３２０は、６９ｋＶ母線３０４から３４．５ｋＶ母線３０６に電力を提供することができる。図に示されている故障電流制限ＨＴＳケーブル１５０は、変電所２０と２４の間に結合されている。
【００７３】
故障電流（例えば故障電流１２４）が電力公益事業電力格子３００内に存在している場合、様々な電流成分３２２、３２４、３２６、３２８、３３０、３３２（つまり故障電流１２４のうちのＨＴＳケーブル１５０を通って流れる部分）は、すべての相互接続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３００上に置かれた極めて大きい負荷として出現する故障電流１２４を供給することができる。故障状態の間に実現可能な電流成分を計算する場合、故障電流１２４は、接地への短絡としてモデル化することができる。
【００７４】
また、図７および８を参照すると、特定の変電所（例えば変電所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３５０としてモデル化することができる。さらに、上流側インピーダンス（つまりＨＴＳケーブル１５０から上流側を見たインピーダンス）は、変圧器インピーダンス（つまり変電所２０のインピーダンス）と組み合わせることができ、電源インピーダンス３５２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）はＲ＋ｊＸに等しく、Ｒは実（つまり抵抗性）成分であり、Ｘは無効（つまり誘導性／容量性）成分である。この実施例では、無効成分は誘導性インピーダンスであり、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。
【００７５】
図に示されているＨＴＳケーブル１５０は、上で説明したように故障電流１２４は接地への短絡としてモデル化されているため、接地３５４に終端されている。オームの法則を使用して、変電所２０によって提供される故障電流の期待レベル（つまり電流成分３３２）を決定することができる。この手法を格子３００内の他の変電所に対して使用して、総合故障電流寄与（つまり、例えば電流成分３２２、３２４、３２６、３２８、３３０の値）を計算することができ、また、ＨＴＳケーブル１５０を通って流れることが期待される故障電流成分（つまり電流成分３３２）を決定することができる。残念なことには、電流成分３３２は、遮断器３４、３６が取り扱うことができるレベルを超えることがある。したがってＨＴＳケーブル１５０は、このさもなければ期待される故障電流成分３３２を、遮断器３４、３６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設計することができる。
【００７６】
故障電流制限ＨＴＳケーブルのもう１つの重要なアプリケーションは、変電所内にバス・タイを確立するアプリケーション、より詳細には、図６の線路３０４および３０６によって示されているように、異なる変電所におけるバス・タイ間の相互接続を確立するアプリケーションに存在している。これらの相互接続により、異なる変電所間で、あるいは変電所内における異なる変圧器間で、格子負荷要求事項に応じて電力を共有することができ、また、それと同時に、さもなければこのような相互接続の構築が増加することになる故障電流の制御を維持することができる。
【００７７】
故障電流制限ＨＴＳケーブルの設計
故障電流制限ＨＴＳケーブル１５０を設計する場合、故障電流が流れている間にＨＴＳケーブル１５０内に生じるあらゆる温度上昇（ΔＴ）が最大温度上昇（つまりΔＴｍａｘ）より低いレベルになるように、ＨＴＳケーブル１５０の１つまたは複数の設計特性を構成することができる（ΔＴｍａｘを超えると、場合によってはガス状の窒素気泡が形成されることになるため）。上で説明したように、ガス状の窒素気泡が生成されると、場合によっては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１５０が損傷することになる。また、それと同時に、ＨＴＳケーブル１５０は、故障電流を制限するための適切な抵抗を提供するために、ＨＴＳケーブル１５０内のＨＴＳワイヤがその通常の状態（つまり抵抗性の状態）に駆動されると適切な長さになるように（つまり最短の長さより長くなるように）設計することができる。
【００７８】
したがってＨＴＳケーブル１５０を設計する場合、決定４００は、例えばＨＴＳケーブル１５０の最大許容動作温度に関連して実施することができる。１５バールの圧力の液体窒素で冷却されるＨＴＳケーブルの場合、最大許容動作温度は、１１０°Ｋ（つまり１５バールにおける液体窒素の沸点）に近い。したがって７２°Ｋに過冷される液体窒素の場合、ΔＴｍａｘは３８°Ｋであり、あるいは何らかの設計マージンを提供するために、ΔＴｍａｘは、３０°Ｋになるように選択される。これらは、実用的なＨＴＳケーブルに対する典型的な値であるが、圧力および温度上昇は、特定の設計に応じて変更することができる。
【００７９】
上で説明したように、すべてのケーブルは実インピーダンスおよび無効インピーダンスを有しているため、すべてのケーブル（従来のケーブルおよびＨＴＳケーブルの両方）は、ある程度故障電流を減衰させる。しかしながら、大量の銅を含有している典型的な故障電流保護ＨＴＳケーブルは、ＨＴＳワイヤがたとえその通常の状態に急冷されても、極めて小さい抵抗性インピーダンスを有している。したがって、急冷されたＨＴＳワイヤの抵抗による最大故障電流の低減は極めて小さく、恐らく１％以下であり、電力公益事業格子の動作を著しく改善するための最小レベルである１０％よりはるかに小さい。また、上で説明したように、ＨＴＳケーブル（例えばＨＴＳケーブル１５０）の実インピーダンス成分および（たいした大きさではないが）無効インピーダンス成分は、ＨＴＳケーブル１５０を通って流れる電流が臨界電流レベル（上で定義した）を超えると、数桁大きくすることができる。したがって、銅が排除され、かつ、そのスタビライザを備えたワイヤの抵抗が最適化されるように適切に設計されると、ＨＴＳケーブル１５０は、故障電流制限デバイスとして機能することができ、また、超伝導臨界電流の数倍未満のレベルまで故障電流を減衰させることができ、したがって１０％を超える最大故障電流レベルの低減を提供することができる。詳細には、ＨＴＳケーブル１５０は、臨界電流のｆ−係数（上で定義した）倍の値まで故障電流を制限するように設計することができる。
【００８０】
これまでに明らかにされている従来技術によるすべての重要なＨＴＳケーブルには、超伝導体の低温温度のかなりの量の銅が含まれており、ほぼ超伝導体に近くなっている。したがって故障電流が臨界電流レベルを超えると、故障電流の大部分が銅を通って流れ、したがって従来技術によるＨＴＳケーブルの熱容量が大きくなり、従来技術によるＨＴＳケーブル内の温度上昇が制限される。これは、従来技術によるＨＴＳケーブルを損傷から保護しているが、導電率が大きく、かつ、抵抗が小さい大量の銅のため、この構造は故障電流の大きさを極めて小さくしている。
【００８１】
ＨＴＳケーブル１５０の場合、導電率が大きい銅（および／または導電率が大きい他の金属）が除去されており、また、比較的分厚い（例えば総合厚さが１００〜６００マイクロメートル、好ましくは２００〜５００マイクロメートル）、比較的大きい抵抗率（０．８〜１５マイクロオーム−ｃｍ、好ましくは１〜１０マイクロオーム−ｃｍ）を有するスタビライザを有するＨＴＳワイヤ（上で説明した）が利用されている。急冷された安定化ＨＴＳケーブル１５０の総合抵抗を十分に大きくし、最大故障電流を臨界電流のほぼ係数ｆ倍まで小さくするためには、ＨＴＳケーブル１５０の長さを十分に長くしなければならない（例えば典型的には２００ｍより長くしなければならない）。
【００８２】
この望ましい結果を達成し、かつ、それと同時に、容量が大きい可撓性ＨＴＳケーブル１５０を提供する能力の基本は、コーティングが施されたＨＴＳ導体ワイヤ２５０（上で説明し、また、図５に示されている）を使用していることである。ＨＴＳ層２５８は比較的薄くしなければならず、また、比較的分厚い（つまり典型的にはＨＴＳ層２５８および基板層２５４より分厚い）スタビライザ層２５２、２５３を備えていなければならない。ＨＴＳ層２５８は、大きい電流容量（例えば７７Ｋで１平方センチメートル当たり１メガアンペアより大きい電流容量）を有していなければならない。動作温度における単位ワイヤ幅当たりの典型的な臨界電流Ｉｃ、ｗは３５０Ａ／ｃｍ−幅であるが、異なる研究所または商用製造者からの異なるワイヤの値は、１００Ａ／ｃｍ−幅から１０００Ａ／ｃｍ−幅までの範囲にすることができる。この場合、ＨＴＳワイヤ２５０が抵抗性状態に切り換わると、ＨＴＳワイヤ２５０の抵抗が比較的大きくなり、その結果、ほとんどすべての電流がスタビライザ層２５２、２５３を通って流れることになる。ＨＴＳワイヤ２５０は、ＨＴＳケーブル１５０内で螺旋状に巻くことができるようにするためには、十分に可撓性でなければならない。実際には、可撓性要求事項は、場合によっては、スタビライザ層２５２および２５３を組み合わせた総合厚さを約６００マイクロメートルに制限している。
【００８３】
ここでは、説明を目的として、変電所２０は３相１３．８ｋＶ変電所であると仮定する。したがって変電所２０によって提供される線路−接地電圧は７．９７ｋＶである。さらに、故障電流成分３３２の非制限値は４０ｋＡであり、また、Ｘ／Ｒ電源インピーダンス比は５（つまり典型的な値）であることが仮定されている。したがって、電源インピーダンス３５２の実（Ｒｓ）インピーダンス値および無効（Ｘｓ）インピーダンス値は、次のように０．０３９＋ｊ０．１９５Ωになるように決定することができる４０２。４０ｋＡ＝７．９７ｋＶ／（Ｒｓ２＋Ｘｓ２）１／２およびＸｓ／Ｒｓ＝５。この計算および後続する計算のために、所与の線路−線路電圧（ＶＬＬ）の３相システムは、線路−接地電圧（ＶＬＧ）を使用した等価単相モデルとしてモデル化されており、ＶＬＬ＝ＶＬＧ＊（３）１／２である。
【００８４】
この実施例の場合、さらに、ＨＴＳケーブル１５０は、その長さ（Ｌｃａｂｌｅ）が１，２００メートルであり、定格が３，０００アンペアｒｍｓすなわち３０００Ａｒｍｓ（つまりルート平均二乗アンペア単位のＩｒａｔｅｄ）であることが仮定されている。上で説明したように、ＨＴＳケーブル１５０の内部冷媒通路１５２は、第１のＨＴＳ層１０２および第２のＨＴＳ層１０４によって半径方向に連続的に取り囲むことができる。第１のＨＴＳ層１０２および第２のＨＴＳ層１０４のワイヤは、内部冷媒通路１５２の周囲に螺旋状に巻かれているため、ＨＴＳ層１０２、１０４内に含まれている個々のＨＴＳワイヤ（例えばＨＴＳワイヤ２５０）の実際の長さは、ＨＴＳケーブル１５０の長さより長い。この実施例の場合、螺旋係数は１．０８であることが仮定されており、ＨＴＳワイヤの実際の長さは、ＨＴＳケーブル１５０の長さより８．００％長い。
【００８５】
さらに、この実施例の場合、ＨＴＳケーブル１５０は、Ｉｒａｔｅｄの１．６倍で通常の状態になるように設計されていることが仮定されている。この係数は、トリップ電流係数ｆｔｃと呼ぶことができる。したがってＨＴＳケーブル１５０は、４，８００Ａｒｍｓまで超伝導特性を示すように設計することができる。したがってケーブルの臨界電流は、その動作温度で４８００×１．４１４＝６７８７Ａである。
【００８６】
ＨＴＳケーブル１５０を構築する場合、多数の設計パラメータを構成することができ４０４、これらのパラメータの例には、それらに限定されないが、ＨＴＳワイヤ幅（Ｗ）、単位幅当たりの臨界電流（Ｌｃ、ｗ）、トリップ電流係数ｆｔｃ、ｆ−係数（以下を参照）、スタビライザまたは複合物の抵抗率（ρ）、スタビライザまたは複合物の厚さ（ｔ）、導体比熱（Ｃ）、故障電流継続期間（τ）、個々の相におけるワイヤ数（Ｎ）およびケーブルインダクタンス（Ｘ）を含めることができる。総ＨＴＳケーブル臨界電流は、場合によってはＩｃ、ｗＷＮである。これらの設計パラメータを構成することにより４０４、ＨＴＳケーブル１５０のインピーダンスを調整することができ４０６、および／またはＨＴＳケーブルを流れる故障電流を総ケーブル臨界電流のｆ−係数倍に減衰させるようにＨＴＳケーブル１５０を構成することができ、典型的な格子状態の場合、元の最大故障電流の１０％をはるかに超えて減衰させることができる。
【００８７】
ＨＴＳワイヤ幅（Ｗ）：この設計パラメータは、ＨＴＳ層１０２、１０４の中に利用される個々のＨＴＳワイヤ（例えばＨＴＳワイヤ２５０）の幅を表している。この実施例の場合、Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒから商用的に入手することができる０．４４ｃｍのＨＴＳワイヤ幅（Ｗ）（３４４超伝導体）であることが仮定されている。この幅は、主として、電力ケーブルの可撓性巻型の周囲にＨＴＳワイヤを螺旋状に巻き付ける機械的要求事項によって決定される。
【００８８】
単位幅当たりの臨界電流（Ｉｃ、ｗ）：この設計パラメータは、上で説明した標準電界基準において個々のＨＴＳワイヤによって実現可能なテープ形導体の幅当たりの最大電流レベルを表している。この実施例の場合、単位幅当たりの臨界電流（Ｉｃ、ｗ）は、動作温度で１ｃｍ−幅当たり３５０アンペア（つまり３５０Ａ／ｃｍ−幅）であることが仮定されている。このパラメータは、主として、ケーブルの必要な定格によって決定され、また、ＨＴＳケーブルを製造するために使用されるＨＴＳワイヤの数（Ｎ）を最少化する必要性によって決定される。
【００８９】
トリップ電流係数ｆｔｃ。上で説明したように、典型的な電力公益事業設計要求事項は、ｆｔｃ＝１．６である。
【００９０】
ｆ−係数（ｆ）。最初にＫｒａｅｍｅｒらによって提案されたこの設計パラメータ（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頁参照）は、ＨＴＳ層１０２、１０４が完全に通常の状態つまり抵抗性の状態になった場合の電流と臨界電流の間の比率を表している。上で説明したように、この実施例の場合、ＨＴＳケーブル１５０は、４，８００Ａｒｍｓ（または約６，７９０Ａピーク）で通常の状態になる。このピーク値（つまり６，７９０Ａ）にｆ−係数を掛け合わせることにより、ＨＴＳケーブル１５０が完全に通常（つまり非超伝導）状態になる値を決定することができる。ＹＢＣＯ薄膜のためにＳｉｅｍｅｎｓによって実施された最初の決定（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頁参照）により、約２のｆ−係数値が得られた。このｆ−係数は、コーティングが施されたＹＢＣＯ導体ワイヤの範囲と同じ範囲（例えば１から４までの範囲）になることが期待される。この実施例および後続する実施例に対して、ここではＳｉｅｍｅｎｓの結果に従ってｆ−係数が２であることが仮定されている。したがって上で説明した実施例の場合、本発明者らは、ＨＴＳケーブル１５０は、約６，７９０アンペア×２（つまりｆ−係数）すなわち１３，５８０アンペアで完全に通常（つまり非超伝導）状態になるであろうことを予測した。したがって、適切に構成された４０８ケーブル（以下を参照）を使用することにより、４０，０００Ａｒｍｓ（５６，６００Ａｐｅａｋ）の故障電流を１３，５８０Ａｐｅａｋに制限することができる。これは、故障電流を７６％低減し、電力格子の動作を有効に改善するために必要な最低レベルである１０％より著しく大きいことを表している。
【００９１】
抵抗率（ρ）：この設計パラメータ（場合によっては比電気抵抗としても知られている）は、電流の流れを阻止する材料の強さの程度を表す測度である。通常、抵抗率（ρ）は温度の関数であり、ρｘｘで表すことができる。「ｘｘ」は、抵抗率が計算される温度を画定している。この実施例の場合、９０°Ｋの温度における抵抗率（ρ９０）は４．０マイクロオーム−ｃｍであることが仮定されており、また、分かり易くするために、ここでは、以下の予測においては７０Ｋから１１０Ｋまでの範囲における温度依存性は無視し得ることが仮定されている。このような抵抗率は、例えば黄銅に見出すことができる。亜鉛の濃度を変化させることによって抵抗率を制御することができ、合金中の亜鉛の量が多いほど抵抗率が大きくなる。他の多くの合金も、場合によっては合金組成を変化させることによって同様の抵抗率変化を示すため、スタビライザ材料のための多くの選択肢が存在している。
【００９２】
スタビライザ厚さ（ｔ）：この設計パラメータは、ＨＴＳワイヤ２５０の中に含まれているスタビライザ層２５２の厚さを表している。この実施例の場合、総合スタビライザ厚さ（ｔ）は約３５０マイクロメートルであることが仮定されている。より正確には、基板層、超伝導体層、キャップ層、はんだ層、スタビライザ層およびカプセル封じ剤を備えたＨＴＳワイヤは多層複合物であってもよく、また、正味複合物抵抗率およびＨＴＳワイヤの厚さによって特性化することができる。スタビライザ層はワイヤのうちの優勢な部分であるため、多層複合物の抵抗率はスタビライザ層の抵抗率に近くすることができる。しかしながら以下の予測を分かり易くするために、ここではその急冷状態では電流は主としてスタビライザ層の中を流れることが仮定されている。このタイプのさらなる改善は、当業者には明らかであろう。
【００９３】
体積当たりの比熱（Ｃ）：この設計パラメータは、基板層、ＨＴＳ層、キャップ層、はんだ層およびスタビライザ層を備えた複合ＨＴＳワイヤの体積当たりの比熱を表している。ＨＴＳワイヤに使用される典型的な材料の場合、Ｃは、約７７Ｋの温度に対して２ジュール／ｃｍ３Ｋに近い。Ｃは、特定の材料によっては７０〜１１０Ｋの温度範囲で場合によっては１０〜２０％だけ変化することがあるが、分かり易くするために、ここでは、この温度範囲全体を通してこの２ジュール／ｃｍ３Ｋの値が仮定されている。ＨＴＳワイヤが導電性に乏しいカプセル封じ剤を備えている場合、そのカプセル封じ剤は、熱拡散によってワイヤを熱化し、ワイヤを一定の温度にすることができる数秒後に、そのワイヤの比熱を大きくすることができる。以下の温度上昇計算のための単純な近似として、複合物の比熱が係数１＋（Ｃｉｔｉ／Ｃｔ）だけ大きくなると仮定することによってカプセル封じ剤の効果を近似することができる。添字ｉはカプセル封じ剤を表している。ほとんどの場合、７７Ｋの温度範囲ではカプセル封じ剤の熱容量も約２ジュール／ｃｍ３Ｋであり、したがってカプセル封じ剤の厚さが複合ワイヤの厚さと同じである場合、この係数は２である。
【００９４】
故障電流継続期間（τ）：この設計パラメータは、高速スイッチアセンブリ２０２または遮断器３４、３６がＨＴＳケーブル１５０を格子部分１０’から開放するまでの間の時間を表している。ケーブル内に熱として蓄積されるエネルギーを最小化し、ひいては熱上昇を最小化するためには、この時間を可能な限り短くすることが望ましい。４サイクル（つまり６７ｍｓｅｃ）で開く最も速いスイッチをそれらの知覚回路と共に商用的に容易に入手することができる。したがって故障電流継続期間は６７ｍｓｅｃであると見なすことができる。将来的にもっと速いスイッチを入手することができるようになると、それらを使用することが望ましい。
【００９５】
ワイヤ数（Ｎ）：このパラメータは、ＨＴＳケーブルの個々の相の相導体の中に含まれているワイヤの総数を表している。通常、これらのワイヤは、２つのＨＴＳ層（例えばＨＴＳ層１０２、１０４）の中に配置されており、２つの層の巻線の方向を逆にして螺旋状に巻かれている（つまりヘリシティ）。定格が３，０００Ａｒｍｓで、動作温度における幅当たりの臨界電流が３５０Ａ／ｃｍ−幅、レットスルー電流係数が１．６およびワイヤ幅が０．４４ｃｍのケーブルの場合、必要な導体数Ｎは４４である。
【００９６】
リアクタンス（Ｘ）：この設計パラメータは、単位長さ当たりのインダクタンスを表しており、単位長さ当たりの所与の電流に対して生成される磁束の量によって決定される。この実施例の場合、以下で説明するＴｒｉａｘケーブルのその超伝導状態における特性である０．０１７ｍＨ／ｋｍのインダクタンス（Ｘ）が仮定されている。
【００９７】
変電所２０（この実施例の場合）は３相１３．８ｋＶ変電所であるため、ＨＴＳケーブル１５０は、Ｔｒｉａｘケーブル（例えば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であるＵｌｔｅｒａによって提案されているＴｒｉａｘ  ＨＴＳケーブル構造）であってもよい。相の各々は、螺旋状巻線の２つの層からなっており、すべて同軸で構成され、かつ、誘電体によって分離されている。Ｕｌｔｅｒａからの現在のＴｒｉａｘケーブル中の銅より線には、それを除去する必要があり、また、上で説明したワイヤを使用するためには、ＴｒｉａｘケーブルをＦＣＬケーブルに修正する必要がある。
【００９８】
図７に示されているＨＴＳケーブル１５０のその急冷状態におけるインピーダンス（Ｚ）の抵抗性成分Ｒｈｔｓ（ｑｕｅｎｃｈｅｄ）は、上で与えられたパラメータを使用して、以下のように計算することができる。
【数１】
2010519679.tif 000003
【００９９】
ケーブルの誘導性インピーダンスは、この比較的大きい抵抗性インピーダンスと比較すると、無視することができる。典型的なケーブルの場合、０．０１７ｍＨ／ｋｍの仕様書値が与えられると、０．０１７ｍＨ／ｋｍ＊１．２ｋｍ＝０．０２０４ｍＨとして等価インダクタンスＬｈｔｓを計算することができる。無効インピーダンスは、ω＝２πｆであり、また、ｆが電流の周波数（例えば北アメリカでは６０Ｈｚ）であるＸ＝ｊωＬであり、したがってＸｈｔｓ＝０．００７６９Ωであり、これはＲｈｔｓ（ｑｕｅｎｃｈｅｄ）より１００倍小さい。
【０１００】
オームの法則および図７に示されている等価回路を、上で与えられた電源インピーダンス０．０３９＋ｊ０．１９５Ωと共に使用することにより、標準キルヒホッフの法則を使用して、７，３４８ＶｒｍｓになるようにＨＴＳケーブル１５０の１つの相の両端間の電圧降下（Ｖｃａｂｌｅ）を計算することができる。ＨＴＳケーブル１５０を通って流れる対応するｒｍｓ電流（Ｉｃａｂｌｅ）３５６は、Ｖｒｍｓ／Ｒｈｔｓ（ｑｕｅｎｃｈｅｄ）＝９，６０４Ａｒｍｓであり、これは９６０４×１．４１４すなわち１３，５８０Ａのピーク電流に対応している。したがって電流成分３３２は、４０，０００Ａｒｍｓから９，６０４Ａｒｍｓに低減された（つまり７６．０％の低減）。
【０１０１】
上で説明したように、故障電流が流れている間にＨＴＳケーブル１５０内に生じる温度上昇（ΔＴ）は、最大温度上昇（つまりΔＴｍａｘ）より低いレベルに維持しなければならない（ΔＴｍａｘを超えると、場合によってはガス状の窒素気泡が形成されることになるため）。
【０１０２】
ＨＴＳケーブル１５０の実際の動作温度を決定する場合４１０、ＨＴＳケーブル１５０によって実現される温度上昇（ΔＴ）は、生成される熱ρ９０Ｊ２τ（急冷された超伝導体ワイヤ中のｒｍｓ電流密度Ｊは、Ｉｃａｂｌｅ／ＷＮｔ＝ｆＩｃ、ｗ／√２ｔである）を吸収される熱ＣΔＴに等化する単純な断熱計算によって決定することができる。この関係から、上で与えられたパラメータを使用して以下のようにΔＴを計算することができる。
【数２】
2010519679.tif 000004
【０１０３】
したがって、ＨＴＳケーブル１５０によって実現される温度上昇（ΔＴ）は、最大許容温度上昇（ΔＴｍａｘ）未満であるため、ガス状の窒素気泡が形成されることも、誘電体層の絶縁耐力が低下することもなく、また、ＨＴＳケーブル１５０が絶縁破壊する危険にさらされることもなく、したがってケーブルが永久的に損傷することもない。詳細には、圧力が１５バールのＨＴＳケーブルの場合、液体窒素の沸点は１１０°Ｋである。したがって、７２°Ｋまで過冷される液体窒素で動作するケーブルの場合、２６．９°Ｋの温度上昇（ΔＴ）によって実際の動作温度が９８．９°Ｋになり、これは、液体窒素の沸点である１１０°Ｋと比較する４１２と、安全な動作温度である。
【０１０４】
上の式を吟味すると、分母の値が大きくなると温度上昇（ΔＴ）が小さくなり、また、分子の値が大きくなると温度上昇（ΔＴ）が大きくなることが分かる。したがって故障電流継続期間（τ）が長くなり、かつ／または抵抗率（ρ９０）が大きくなると温度上昇（ΔＴ）が大きくなることになる。一方、スタビライザの厚さ（ｔ）が分厚くなるか、あるいは比熱（Ｃ）が大きくなると温度上昇（ΔＴ）が小さくなることになる。ワイヤ幅Ｗおよびワイヤの数Ｎは、ケーブルをより合わせる実用的要求事項によって、また、ワイヤの幅当たりの臨界電流と結合したケーブル定格によって既に決定済みである。
【０１０５】
それと同時に、必要な抵抗を達成するためには、ケーブル内のＨＴＳワイヤの長さを十分な長さにしなければならない。ａ）最大制限電流は、ｆ−係数×幅当たりのワイヤ臨界電流Ｉｃ、ｗ×すべてのワイヤの総合幅ＷＮであり、また、ｂ）抵抗はρＬ／ＷＮｔであるため、ＨＴＳケーブル１５０内のワイヤの最短長さは、
Ｌｍｉｎ＝（Ｖｐｅａｋ）（ｔ）／（ｆ）（Ｉｃ、ｗ）（ρ）［式１］
である。
【０１０６】
上の値を使用すると、
Ｌｍｉｎ＝（１．４１４×７３４８Ｖ）（０．０３５ｃｍ）／（２）（３５０Ａ／ｃｍ）（０．０００００４Ωｃｍ）
Ｌｍｉｎ＝１，３００ｍ
である。
【０１０７】
１．０８の螺旋係数を考慮すると、この長さは、最初に仮定された１２００ｍのケーブル長に対応している。長さがもっと長い場合、最大温度上昇（ΔＴ）は、電流がｆＩｃ、ｗＷＮに制限される限り、ケーブルのいたる所で、上で計算されたレベルを維持することができることに留意されたい。その場合、Ｓｉｅｍｅｎｓによって示されている方法（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頁参照）で急冷することができるのはＨＴＳワイヤの一部にすぎず、また、レベルｆＩｃ、ｗＷＮを維持するのは限られた電流である。しかしながら、長さがもっと短い場合、Ｉ＝Ｖ／Ｒｈｔｓ、ｑｕｅｎｃｈｅｄに従う所与の電圧に対して、急冷された状態のＨＴＳワイヤの抵抗が小さくなり、また、電流が大きくなる。そのために、上で与えられたΔＴの式に従って、より大きい加熱および大きい温度上昇がもたらされることになる。したがって、ケーブルの長さは、上で計算された長さ（つまり１，３００メートル）より長くしなければならない。
【０１０８】
また、温度上昇は、以下のように計算することも可能であることに留意されたい。
ΔＴ＝ρ（ｆＩｃ、ｗ／ｔ）２τ／２Ｃ［式２］
【０１０９】
式１および２で表されているこれらの最後の２つの式から、抵抗率ρまたは臨界電流密度Ｉｃ、ｗを大きくすることによって、あるいはスタビライザの厚さを薄くすることによって最短ワイヤ長および最短ケーブル長を短くしたい場合、温度上昇ΔＴが大きくなることが分かる。別法としては、カプセル封じ剤を使用することによってもたらされる熱容量の増加によって温度上昇を小さくすることも可能である。例えば、熱容量を２倍にすることによって同じ温度上昇で抵抗率を２倍にすることができ、また、熱容量を２倍にすることによって最短ケーブル長を２分の１にすることができる。これらの式は、ワイヤの幅Ｗまたはワイヤの数Ｎがケーブルの動作定格および幅当たりの臨界電流Ｉｃ、ｗまたはＨＴＳワイヤによって決定されている場合のみを除き、ワイヤの幅Ｗまたはワイヤの数Ｎには無関係であることに留意されたい。
【０１１０】
このケーブル設計解析の結論は、すべての故障電流がＨＴＳケーブル１５０を通って流れるアプリケーションの場合、ＦＣＬ  ＨＴＳケーブルの最短長は、１３．８ｋＶクラスの配電システムの場合、キロメートルの範囲に存在していることである。これは、例えば上で説明したより大きい熱容量を使用することによってさらに短くすることができる。当業者は、上で与えられた式から、あるいはすべてのパラメータの温度依存性を考慮したもっと完全な解析から、他の電圧およびパラメータに対する最短長を計算することができる。
【０１１１】
しかしながら、ケーブル１５０の両端間に並列インピーダンスが直接提供される場合（例えば図４の遮断器３４から遮断器３６へ）、ケーブル１５０上の電圧が場合によっては著しく小さくなる。例えば、本発明者らは、１３．８ｋＶシステムにおける電源インピーダンスは、単相電圧が８ｋＶｒｍｓである１３．８ｋＶｒｍｓ格子における４０ｋＡｒｍｓの単相故障電流に対応する０．２Ω（誘導性）であると見なしている。ＨＴＳケーブル１５０と並列の０．０４６Ωの従来の誘導性インピーダンスは、場合によってはケーブル１５０上の電圧を１５００Ｖｒｍｓに低減し、３２．５ｋＡの故障電流をもたらすことがある。低減されたこの電圧および上記パラメータ（図５のカプセル封じ剤２６４を使用した熱容量の２倍の増加を含む）を使用すると、臨界長数式によって約１００ｍの最短ケーブル長が得られる。したがって、１３．８ｋＶ格子の場合、並列インピーダンスを使用することができることを条件として、長さが１００ｍの短いＦＣＬケーブルを設計することができる。
【０１１２】
長さがもっと長いケーブルの場合、抵抗率を小さくし、それに応じて温度上昇を小さくすることができる。これには、場合によっては、ケーブルがその元の動作温度に復帰する回復時間を短くする利点がある。例えば、長さが４．８ｋｍのケーブルの場合、上記実施例の抵抗率を１マイクロオーム−ｃｍまで小さくすることができ、また、温度上昇を２６．９Ｋ（図５のカプセル封じ剤２６４がない場合）から６．７Ｋに小さくすることができる。
【０１１３】
将来的には、もっと速いスイッチアセンブリを入手することが可能である。その場合、故障継続期間τを短くすることができ、また、もっと大きい抵抗率が可能になる。例えば故障継続期間が２７ｍｓｅｃの場合、抵抗率を１０マイクロオーム−ｃｍまで大きくすることができ、また、ケーブルの最短長を２．５分の１（１０マイクロオーム−ｃｍ÷４マイクロオーム−ｃｍ）だけ短くすることができる（カプセル封じ剤がない場合）。
【０１１４】
したがって、ここで開示されているＦＣＬケーブルの概念は、上で考察したパラメータに何らかの他の調整を加えながら、１マイクロオーム−ｃｍから１０マイクロオーム−ｃｍまでの抵抗率の範囲で実践することができ、この範囲は、０．８マイクロオーム−ｃｍから１５マイクロオーム−ｃｍまで拡張することができる。しかしながら、銅の低７７Ｋ抵抗率（０．２マイクロオーム−ｃｍ）あるいはステンレス鋼の大きい抵抗率（５０マイクロオーム−ｃｍ）は、実用的な連続可撓性長距離ＦＣＬケーブルにとっては範囲外である。
【０１１５】
スタビライザ厚さｔおよびＩｃ、ｗのパラメータには対応する変化が可能であるが、いずれの場合においても、ケーブル敷設要求事項によってこれらを拘束することができ（つまりＨＴＳワイヤがケーブルに対して過度に硬くなることを回避するためには、スタビライザを過度に分厚くすることはできない）、また、電力公益事業電流定格に合致する必要性によってこれらを拘束することができる。
【０１１６】
１３８ｋＶなどの送電レベル電圧の場合、熱容量を２倍にし、かつ、抵抗率を４マイクロオームｃｍから８マイクロオームｃｍに大きくするカプセル封じ剤を含めて最短長を予測することができる。長さの数式（上で説明した）によれば、２倍の大きさの抵抗率に結合された１３．８ｋＶクラスの配電システムと比較すると、１０倍の大きさの電圧は、（１０／２）×１．２ｋｍすなわち６ｋｍの最短長を意味している。送電レベルケーブルの場合、このような長さが一般的であり、この場合、ＦＣＬケーブル設計も可能であることを示している。
【０１１７】
本開示の他の実施形態は、複数のタイプのＨＴＳワイヤ、例えばＨＴＳ材料ＢＳＣＣＯ（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸化物）に基づくワイヤ、およびにＨＴＳ材料ＹＢＣＯ（希土類すなわちイットリウム・バリウム・銅・酸化物）に基づくワイヤを備えたＨＴＳケーブルである。異なる超伝導材料は、超伝導状態から通常状態への異なる移行特性を有することができる。これらの材料はいずれも、ＦＣＬ特性を立証するために過去に使用されたものではあるが（例えばＳＵＰＥＲＰＯＬＩプログラムで）、例えばＹＢＣＯはＢＳＣＣＯよりはるかに急峻な移行を有しており、ＦＣＬアプリケーションにおける有効性をより優れたものにしている。この実施形態の場合、ＢＳＣＣＯワイヤでできたＨＴＳケーブルを設計することができ、また、ＹＢＣＯがコーティングされた導体ワイヤでできた超伝導ケーブルの適切な長さのセクションを追加することによって故障電流制限ケーブルとして作用するように動作させることができる。これは、ＦＣＬ動作のために設計されたケーブルのＹＢＣＯセクション内におけるスプライス接続によって達成することができる。通常の動作条件では、両方のセクションが超伝導である。
【０１１８】
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。
【図１】
2010519679.tif 000005
【図２】
2010519679.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
2010519679.tif 000012
【図８】
2010519679.tif 000013
【国際調査報告】
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2010519679.tif 000015