(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導導体と絶縁層とを有するコアを3心撚り合わせて形成され、
コアを構成する超電導導体が、偶数層に巻回した超電導線材で構成され、各層毎に巻き方向を交互に変え、かつ巻き付けピッチは巻き方向の異なる少なくとも1組のペアが同じピッチであり、超電導線材によるシールド層を有しないことを特徴とする直流超電導ケーブル。
【請求項２】
さらに前記絶縁層の外側に導電体からなる接地層を設けたことを特徴とする請求項1に記載の直流超電導ケーブル。
【請求項３】
3心コアの撚り構造が、ケーブル冷却時の収縮代を有することを特徴とする請求項1または2に記載の直流超電導ケーブル。
【請求項４】
超電導導体と絶縁層とを有するコアを3心撚り合わせて形成され、
各コアにおける絶縁層の外側に超電導線材からなる帰路導体を有しており、
各コアの電流容量が異なることを特徴とする直流超電導ケーブル。
【請求項５】
請求項1ないし3のいずれかに記載の超電導ケーブルを用いた双極送電方式の直流超電導ケーブル線路であって、各コアが正極コア、負極コア、中性線コアであることを特徴とする直流超電導ケーブル線路。
【請求項６】
超電導ケーブルを用いた単極送電方式の直流超電導ケーブル線路であって、
前記超電導ケーブルは、超電導導体と絶縁層とを有するコアを3心撚り合わせて形成され、各コアにおける絶縁層の外側に超電導線材からなる帰路導体を有し、
前記帰路導体が接地されて電流の帰路流路となることを特徴とする直流超電導ケーブル線路。
【請求項７】
各コアの電流容量が異なることを特徴とする請求項6に記載の直流超電導ケーブル線路。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直流超電導ケーブルと直流超電導ケーブル線路に関するものである。特に、冷却時の熱収縮対策を容易に確保できる直流超電導ケーブルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の交流超電導ケーブルとして、3心一括超電導ケーブルが知られている（例えば、特許文献1および特許文献2参照）。このケーブルは、断熱管内に撚り合わせた3心のケーブルコアを収納したものである。各ケーブルコアは、中心から順にフォーマ、超電導導体、絶縁層、シールド層を具えている。一般に、フォーマ内ならびに断熱管とケーブルコアとの間に形成される空間は冷媒流路となる。また、超電導導体は超電導線材を多層に撚り合わせて構成され、各層のインピーダンスを均一にして電流が均一に流れるように、スパイラルピッチおよび巻回方向を調整する。シールド層も超電導線材を用いて超電導導体と同様の構成が利用される。
【０００３】
このように、交流超電導ケーブルでは、超電導線材をコイル状に巻回して導体を形成することで電流の均流化を図っているが、インダクタンスにより生じる交流損失があり、その分送電電流が制限される。また、交流系統では事故時に流れる短絡電流が大きく、その際の温度上昇も問題である。
【０００４】
そのため、直流超電導ケーブルによる送電も検討されている。直流超電導ケーブルは、長距離あるいは大容量送電に用いられ、大容量送電するには導体サイズを大きくする必要があり、必然的に単心ケーブルの利用が考えられてきた。
【０００５】
【特許文献１】
特開平9-134620号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開2001-202837号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の単心直流超電導ケーブルでは、次のような問題があった。
▲１▼冷却システムを簡略化することが難しい。
双極送電の場合、複数のケーブルが必要になるが、各超電導ケーブルを独立して冷却するとシステムが煩雑になり、システムコストも高くなる。
【０００８】
▲２▼冷却時のケーブルコアの収縮対策が困難である。
従来の交流ケーブルでは、コアそのものの収縮代を確保するために、3心撚りコアをあらかじめ弛ませたり、あるいは撚り合わせの中心にスペーサーを介在させる等の対策が採られている。しかし、単心ケーブルを用いる直流超電導ケーブルでは、撚り合わせの調整による収縮対策を採ることができない。一方、コアを弛ませない場合、冷却時に超電導線に引張り応力が生じ、この応力に耐える線材を用いる必要があり、収縮対策を採ることが容易にできないと言う問題があった。
【０００９】
従って、本発明の主目的は、冷却システムが煩雑化することなく冷却時の収縮吸収対策を容易に採ることができる直流超電導ケーブルを提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、上記直流超電導ケーブルを用いた超電導ケーブル線路を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、撚り合わせた複数のコアを一括して冷却することで上記の目的を達成する。
【００１２】
すなわち、本発明直流超電導ケーブルは、超電導導体と絶縁層とを有するコアを3心撚り合わせて形成することを特徴とする。
【００１３】
3心のコアを撚り合わせた構成とすることで、コアの撚り合わせ程度を調整することで、冷却時の収縮吸収構造を容易に実現することができる。
【００１４】
また、3心をまとめて断熱管内に収納することができ、3心のコアを一括して冷却して、冷却システムを簡略化することもできる。
【００１５】
このケーブルコアは、中心から順に、フォーマ、超電導導体、絶縁層を具えている。
【００１６】
フォーマは、金属線を撚り合わせた中実のものや、金属パイプを用いた中空のものが利用できる。中空のフォーマを用いた場合、その内部は冷媒の流路とできる。
【００１７】
超電導導体は、テープ状超電導線材をフォーマの上にらせん状に巻回したものが好適である。テープ状超電導線材は、ビスマス系超電導体などの酸化物高温超電導体を銀シースで被覆した材料が挙げられる。このようなテープ状超電導線材は、全積層数を偶数層とし、各層ごとに巻き付け方向を逆にして巻き付けることが好ましい。その際、巻き付け方向の異なるペア毎あるいは各層毎のテープ線材の巻き付けピッチを同じとする。この導体構造により、外部に漏洩する軸方向の磁界を打ち消すことができる。
【００１８】
絶縁層は、公知の種々の絶縁材料を用いて形成すればよい。
【００１９】
本発明ケーブルでは、各コアに磁気シールドのためのシールド層を設けなくても良い。従来の交流超電導ケーブルでは、超電導線の交流損失を減らすためにも超電導導体の外周に漏れる磁束を遮蔽するシールド層が必要であるが、本発明の直流ケーブルでは、シールド層を設けなくても良い。その結果、シールド層材料の節約と巻付け工程の省略によりコストダウンを図ることができる。
【００２０】
また、各コアにおいて、絶縁層の外側に接地層を設けてもよい。接地層は金属等の導電体で構成される。接地層の主な役割は以下の通りである。断熱管は接地されているのが一般的であり、各コアの導体に電圧を印加した場合、各コアの絶縁層と断熱管の間に電圧が加わる。よって、絶縁層と断熱管との間に存在する冷媒も電圧を分担することとなり、印加電圧が高い場合には、冷媒の絶縁性能がケーブル性能に影響することとなり得る。そこで、絶縁層の外側に接地層を設ければ、冷媒には電圧は加わらず、冷媒の絶縁性能がケーブルの絶縁性能に影響することを回避できる。
【００２１】
一方、各コアにおいて、絶縁層の外側に帰路導体を設けることは単極方式の送電を行う際に必要な構成である。つまり、各コアにおける絶縁層の外側に超電導線からなる帰路導体を設けることで、単極送電における帰路電流流路として用いることができる。この帰路導体は、超電導導体と同一の電流容量を具える構成とすることが好ましい。
【００２２】
このような帰路導体を持つケーブルは、各コアの電流容量が異なってもよい。単極送電に用いる場合、各コアを負荷側の状況に応じた設計とし、各々のコアで異なる容量の電力供給を行うことができる。各コアの仕様は、例えば超電導導体や帰路導体を構成する超電導線材の線材固有の性能、断面積や用いる本数などを変えることで異なる電流容量に対応させることができる。
【００２３】
また、この3心コアの撚り合わせ構造で、ケーブル冷却時の収縮代を持たせることができる。例えば、撚り合わせたケーブルコアをスネーク状に配置したり、各コアの撚り合わせに弛みを持たせたり、各コアの間にスペーサを配置することにより、熱収縮分を吸収させることが挙げられる。
【００２４】
上記のような直流超電導ケーブルを用いて線路を構成し、単極送電、双極送電のいずれも行うことができる。その場合、3心のコアの使用方法は任意に選択できる。双極送電の場合、各コアを正極コア、負極コア、中性線コアとし、中性線コアは正極コアおよび負極コアの予備とすることができる。単極送電を行う場合、各コアに帰路導体を有する超電導ケーブルを用いることで、帰路電流の流路に利用することができる。いずれの送電方式の場合も、3心のコアを一括して冷却できるため、冷却機構を簡略化することができる。さらには、3心のコアをより合わせた構造にしていることで、冷却時の収縮代を持たせることも容易にできる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図1(A)は帰路導体を有しない本発明超電導ケーブルの断面図、(B)は帰路導体を有する本発明超電導ケーブルの断面図である。
【００２６】
[全体構造]
このケーブルは断熱管10の内部に3心のケーブルコア20を撚り合わせて収納したものである。
【００２７】
[断熱管]
断熱管10は内管11および外管12を具える２重管からなり、内外管11、12の間に真空断熱層13が構成される。真空断熱層内には、プラスチック製網状体と金属箔を積層したいわゆるスーパーインシュレーションが配置されている。内管11の内側とコア20との間に形成される空間は液体窒素などの冷媒の流路となる。また、必要に応じて、断熱管の外周にポリ塩化ビニルなどで防食層を形成しても良い。
【００２８】
[コア]
この断熱管内に収納されるコア20の各々は、図1(A)に示すように、中心から順に、フォーマ21、超電導導体22、絶縁層23を具える。導体に印加される電圧が高い場合、絶縁層23の外側に接地された接地層（図示せず）を設けることが好ましい。さらに、図1(B)に示すように、絶縁層23の外側に帰路導体24および保護層25を設けても良い。
【００２９】
＜フォーマ＞
フォーマ21には、金属線を撚り合わせた中実のものや、金属パイプを用いた中空のものが利用できる。中実のフォーマの一例としては、複数の銅素線を撚り合わせたものが挙げられる。中空のフォーマを用いた場合、その内部は冷媒の流路とできる。
【００３０】
＜超電導導体＞
超電導導体22には、ビスマス系超電導体などの酸化物高温超電導体を銀シースで被覆したテープ線材が好適である。このテープ線材をフォーマの上に多層に巻回して導体を構成する。超電導線材の巻き付けは、偶数層からなる多層構造とし、各層交互にテープ状線材の巻き付け方向を逆にすることが好ましい。この多層構造により、外部への磁束の漏れを小さくすることができる。また、交流ケーブルとは異なり、各層の電流の均流化を考慮する必要はなく、巻き付けピッチは、巻き方向の異なる少なくとも１組のペアが同じピッチであれば全層同じでなくてもよい。
【００３１】
＜絶縁層＞
このような超電導導体の外周には絶縁層23が形成される。この絶縁層23はクラフト紙や、半合成絶縁紙（例えば住友電気工業株式会社製PPLP：登録商標）を巻回して構成すれば良い。本発明ケーブルでは、絶縁層23の外側に磁気シールドのためのシールド層を設ける必要はない。交流用ケーブルのケーブルコアでは、絶縁層の外側に超電導線材を巻回してシールド層を形成し、このシールド層に超電導導体とほぼ同じ大きさで逆方向の電流が誘導されることで外部への磁界の発生をキャンセルしている。本発明ケーブルでは、前述したように導体自体における超電導線材の巻き付け構造で外部磁界の発生を小さくしており、超電導線材を用いた磁気シールドのためのシールド層を設けなくても構わない。また、絶縁層23の外周に接地の役目としての接地層を設けることが好ましい。この接地層により、断熱管と絶縁層との間に存在する冷媒に電圧負担させることを回避する。
【００３２】
＜帰路導体＞
本発明ケーブルで単極送電を行うためには、帰路導体24が必要となる。直流では電流の往復流路が必要なため、３心のコアを独立して使用する単極送電では帰路導体を設けて帰路電流の流路として利用する。帰路導体24は、超電導導体22と同様の超電導線材で構成され、超電導導体22と同様の送電容量を有している。帰路導体24を用いる場合、帰路導体24の外側に絶縁材料で構成される保護層25を設けることが必要である。この保護層25により、帰路導体24の機械的保護と共に、断熱管（内管11）との絶縁をとり、断熱管10への帰路電流の分流を防ぐことができる。
【００３３】
〔コアの撚り合わせ構造〕
このような3心コアの撚り合わせ構造で、ケーブル冷却時の収縮代を持たせることができる。例えば、撚り合わせたケーブルコアをスネーク状に配置したり、各コアの撚り合わせに弛みを持たせたり、各コアの間にスペーサを配置することにより、熱収縮分を吸収させることが挙げられる。
【００３４】
撚り合わせたケーブルコアをスネーク状に配置する構成としては、特開平1-309212号公報に示す技術を応用することができる。例えば、断熱管の内部に突部を形成し、この断熱管内に撚り合わせたコアを挿入してスネーク状に収納することが挙げられる。
【００３５】
予め弛みをとってコアを撚り合わされることでもコアの熱収縮分を吸収することができる。図2(A)に示すように、冷却時、各コア20が収縮すると、弛みがほぼなくなる程度に撚りが締まることで収縮量を吸収し、コア自体に過大な張力がかかることを防止する。
【００３６】
各コアの撚り合わせに弛みを持たせる具体的手段としては、特開平9-134624号公報に示す技術が利用できる。これは、撚り合わせたコアを断熱管内に収納し、この管内に冷媒を供給してコアを収縮させる。このとき、断熱管の一端から他端までコアがほぼ直線状になるように配置し、断熱管の両端部をキャップで覆う。その後、この断熱管を昇温すると断熱管管内で各コアがスネーク状に蛇行され、撚り合わせに弛みが得られる。
【００３７】
その他、各コアの撚り合わせに弛みを持たせる手段としては、特開2001-67950号公報に記載の技術がある。これは、撚り合わせたコアの外周を断熱管（内管）で覆う工程を具え、この被覆形成工程またはそれより下流工程の進行速度をコアの供給速度以下として、コアの撚りに冷却時の熱収縮分を吸収できる弛みを生じさせるものである。
【００３８】
より具体的には、次の２通りが挙げられる。
▲１▼断熱管形成速度を撚り合わせたコアの供給速度以下として、コアの撚りに冷却時の熱収縮分を吸収できる弛みを生じさせる。
▲２▼さらに断熱管をコルゲート成形する工程を具え、コルゲート成形速度を撚り合わせたコアの供給速度以下として、コアの撚りに冷却時の熱収縮分を吸収できる弛みを生じさせる。
【００３９】
その他、各コア間にスペーサを介在させる技術としては、特開平9-134620号公報に記載の技術がある。図2（B）に示すように、各コア体の中心にスペーサ30を介在して撚り合わせを行う。常温時、スペーサ30により、各コア20は弛みを持った状態と同様な撚り合わせ状態に保持されている。冷却時、各コア20は収縮するがスペーサ30も収縮し、スペーサ30の外径が小さくなることに伴ってコア20の撚りも締まって熱収縮量を吸収する。
【００４０】
[ケーブル線路]
以上のような直流超電導ケーブルを用いれば、双極送電、単極送電のいずれも行うことができる。いずれの場合も、3心のコアの使用方法は任意に選択できる。
【００４１】
まず、図3に基づいて、双極送電方式の線路を説明する。ここでは、3心とも同構造のコアで図1(A)と同様の超電導ケーブルを用いて線路を構成する。つまり、各コアは、中心から順にフォーマ、超電導導体、絶縁層を具える。ただし、絶縁層の外周に接地層を設けることが好ましい。一般に、断熱管は接地されている。この断熱管と導体との間の電位分布を考えると、各コアの絶縁層と同じく、断熱管と絶縁層との間に存在する冷媒も電位分担をすることになる。その場合、送電電圧が高ければ、冷媒の絶縁性能が問題になりえる。そこで、各コアの絶縁層の周囲に接地層を設けることで、冷媒に電圧がかからないようにすることができる。接地層には原則として電流は流れないため、その材料として超電導導体を用いる必要はなく、金属等の常電導の導電体であれば良い。
【００４２】
ここで、３心のコアを各々正極コア20A、中性線コア20B、負極コア20Cとして用い、正極コア20Aと中性線コア20Bおよび中性線コア20Bと負極コア20Cとの間に電源40を配置する。また、中性線コア20Bは接地される。この接地は、片端接地と両端接地のいずれでも良い。通常、正極コア20Aおよび負極コア20Cを用いて送電を行う。この場合、送電容量は2×I×Vとなる。ここでＩは送電電流、Vは送電電圧である。正極コア20Aまたは負極コア20Cの１本に事故が生じた場合、中性線コア20Bに電流が流れることになる。
【００４３】
従来、単心直流ケーブルを用いて双極送電を行うには複数のケーブルが必要とされ、その各々を独立して冷却する必要があった。これに対して本発明ケーブルでは１本のケーブルが３心構造となっており、3心を一括して冷却することで冷却システムを簡略化することができる。
【００４４】
さらに、単極送電を行う本発明超電導ケーブル線路を図4に示す。本例では、図1(B)に示す超電導ケーブルと同一の構成のケーブルを用いて線路を構成する。つまり、各コアは、中心から順にフォーマ、超電導導体、絶縁層、帰路導体、保護層を具える。各コア20A〜20Cに各々独立して電源40A〜40Cを接続し、電力供給を行う。電源40A〜40Cは各々異なる仕様でも良いし、共通の仕様でも良い。各コア20A〜20Cの帰路導体24は、超電導導体と同様の超電導線材で構成され、超電導導体と同様の送電容量を有している。また、帰路導体24は接地されている。この帰路導体24は帰路電流の電流流路として利用する。その場合、コア外部への漏洩磁束をキャンセルできる。図4では帰路導体24を長手方向の一部しか模式的に示していないが、実際には長手方向の全長に帰路導体24が存在する。
【００４５】
図4に示す単極送電方式の線路では、3心のコアの各々を送電に用いることができる。そのため、送電容量は3×I×Vとなり、双極送電方式の線路に比べて1.5倍の送電容量を確保することができる。
【００４６】
また、本例の線路において、各コア20A〜20Cは同一の送電容量でも良いし、異なる送電容量でも良い。すなわち、単極送電方式では、各コアごとに各々独立して送電を行うため、各コア20A〜20Cの送電容量を同一とする必要がなく、最大3つの独立した電源の送電線路として機能する。そのため、各コア20A〜20Cの導体構造を負荷に応じた異なる構成とできる。例えば、各コア20A〜20Cの送電容量を2000A仕様、1500A仕様、1000A仕様と分けることが可能である。各コア20A〜20Cの仕様の違いは、例えば超電導導体や帰路導体を構成する超電導線材の線材固有の性能、断面積や用いる本数を変えることで対応することができる。
【００４７】
本例の線路では、冷却構造を3心一括して行える他、各コアの仕様を任意に設定することで、負荷側に接続される容量に見合うケーブル設計が可能となり、線路のトータルコストを低減することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明直流超電導ケーブルおよび線路によれば、複数心のコアを一括して冷却することができ、単心ケーブルの各々を独立して冷却する場合に比べて冷却システムの簡素化、冷却効率の向上、ケーブル自体のコスト低減を図ることができる。
【００４９】
また、複数心のコアを撚り合わせているため、コアの撚り合わせ程度を調整することで、冷却時の収縮吸収構造を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  (A)は帰路導体を有しない本発明超電導ケーブルの断面図、(B)は帰路導体を有する本発明超電導ケーブルの断面図である。
【図２】コアの撚り合わせ状態を示す説明図で、（A）は弛みを持った撚り合わせ、（B）はスペーサを介在させた撚り合わせを示している。
【図３】双極送電方式の本発明線路を示す概略構成図である。
【図４】単極送電方式の本発明線路を示す概略構成図である。
【符号の説明】
10  断熱管
11  内管
12  外管
13  真空断熱層
20、20A〜20C  ケーブルコア
21  フォーマ
22  超電導導体
23  絶縁層
24  帰路導体
25  保護層
30  スペーサ
40、40A〜40C  電源
【図１】
0004482851.tif 000002
【図２】
0004482851.tif 000003
【図３】
0004482851.tif 000004
【図４】
0004482851.tif 000005