(57)【要約】交流損失の少ない可撓性酸化物超電導ケーブルを提供するため、安定化金属で被覆したテープ状超電導線を可撓性フォーマに巻き付ける。前記超電導線は、曲げひずみが０．２％を越えないように前記フォーマに配置することが好ましい。フォーマに配置する際、多数のテープ状超電導線を心材に並列配置することにより、第１層を形成する。所定数のテープ状超電導線を前記第１層上に並列配置することにより、第２層を形成する。前記フォーマは、金属、プラスチック、強化プラスチック、重合体、または複合体から製造でき、前記超電導線およびケーブルに可撓性を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓心材と、
基本的に酸化物超電導体とそれを被覆する安定化金属とから各々を形成し２ｋｇｆ／ｍｍ２を越えない引張力によって前記心材上に配置した複数のテープ状酸化物超電導線とを備え、
前記複数のテープ状超電導線を並列配置して層を形成し、かかる層を複数配置し、
前記複数の層は、前記複数の層と前記心材との間に絶縁層を入れずに、前記心材に連続して積み重ね、
前記心材は、前記超電導ケーブルに可撓性を付与し、
前記超電導ケーブルは、液体窒素温度において超電導状態を維持し、
前記線は、実質的に均一な超電導相を前記線の長手方向に有し、
前記超電導相のｃ軸は、実質的に前記線の厚さ方向に平行であり、
前記超電導線は、平行に整列して前記線の長手方向に延びた結晶粒によって形成し、
前記結晶粒は、前記線の厚さ方向に積み重なる、酸化物超電導体を用いたケーブル。
【請求項２】
前記ケーブルの直径の約５０倍までの曲げにおいて前記ケーブルの超電導性が実質的に劣化しないような可撓性を有する、請求項１記載の超電導ケーブル。
【請求項３】
前記心材は、基本的に金属、プラスチック、強化プラスチック、重合体、複合体からなるグループから選択する、請求項１記載の超電導ケーブル。
【請求項４】
前記心材は、前記テープ状超電導線用外面に螺旋溝面、網状面、編組面、マット状面から選択した表面を有する管である、請求項１記載の超電導ケーブル。
【請求項５】
前記複数の層間に絶縁層が存在しない、請求項１記載の超電導ケーブル。
【請求項６】
前記心材上に第１のテープ状超電導線層を配置した後、前記複数のテープ状超電導線層を各層の表面上に配置した、請求項５記載の超電導ケーブル。
【請求項７】
前記線は、前記テープ状安定化金属被覆内において撚り合わせる、請求項１記載の超電導ケーブル。
【請求項８】
前記テープ状超電導線は、約９０度までの角度で配置する、請求項１記載の超電導ケーブル。
【請求項９】
前記テープ状超電導線は、約１０度から約６０度の角度において配置する、請求項８記載の超電導ケーブル。
【請求項１０】
前記テープ状超電導線は、約２０度から約４０度の角度において配置する、請求項９記載の超電導ケーブル。
【請求項１１】
少なくとも２つの別個のテープ状超電導線層グループをさらに備える、請求項１記載の超電導ケーブル。
【請求項１２】
前記テープ状超電導線層の配置角度は、連続する層間において配置方向またはピッチが交替する、請求項１１記載の超電導ケーブル。
【請求項１３】
連続する前記テープ状超電導線層の各々は少なくとも２本のテープ状超電導線からなり、４層以上の層を構成する、請求項１２記載の超電導ケーブル。
【請求項１４】
誘電体層により前記少なくとも２つの独立したテープ状超電導線層グループを分離する、請求項１１記載の超電導ケーブル。
【請求項１５】
誘電体層により前記心材から前記心材に最も近いテープ状超電導線層を分離する、請求項１１記載の超電導ケーブル。
【請求項１６】
前記誘電体は、ポリプロピレン、ポリエチレン、およびポリブチレンからなるグループから選択する、請求項１１記載の超電導ケーブル。
【請求項１７】
前記少なくとも２つの別個のテープ状超電導線層グループは、前記ケーブル内においてほぼ等しい量の電流を搬送する、請求項１１記載の超電導ケーブル。
【請求項１８】
前記少なくとも２つの別個のテープ状超電導線層グループのうち第１のものは、前記ケーブルを流れる電流の５０パーセント以上を搬送する、請求項１１記載の超電導ケーブル。
【請求項１９】
前記少なくとも２つの別個のテープ状超電導線層グループのうち第２のものは、前記ケーブルを流れる電流の５０パーセント以上を搬送する、請求項１１記載の超電導ケーブル。
【請求項２０】
前記心材から最も遠いテープ状超電導線層グループは、それ以外の層を流れる電流の遮蔽を提供して前記ケーブル内の磁界あるいは渦電流を減少する、請求項１７記載の超電導ケーブル。
【請求項２１】
前記安定化金属は、銀、銀合金、ニッケル、およびニッケル合金からなるグループから選択する、請求項１記載の超電導ケーブル。
【請求項２２】
前記複数の層の各々は、少なくとも２本のテープ状線を含む、請求項１記載の超電導ケーブル。
【請求項２３】
前記複数の層の各々は、少なくとも４本のテープ状線を含む、請求項１記載の超電導ケーブル。
【請求項２４】
前記複数の層のうち第２層と第３層との間に絶縁層を含む、請求項２３記載の超電導ケーブル。
【請求項２５】
前記複数の層のうち第２層と第３層との間毎に絶縁層を含む、請求項２３記載の超電導ケーブル。
【請求項２６】
前記誘電体の最大誘電率は約３．０である、請求項１４記載の超電導ケーブル。
【請求項２７】
前記誘電体の最大誘電率は約２．３である、請求項２６記載の超電導ケーブル。
【請求項２８】
前記誘電体は、縦方向において約５：１から約１０：１の比率で２軸延伸される、請求項１４記載の超電導ケーブル。
【請求項２９】
前記誘電体は、縦方向において約５：１から約６：１の比率で２軸延伸される、請求項２８記載の超電導ケーブル。
【請求項３０】
前記誘電体は、横方向において約２：１の比率までさらに２軸延伸される、請求項２８記載の超電導ケーブル。
【請求項３１】
前記２軸延伸された誘電体をエンボス加工して不規則なおよび／または無作為の溝を形成する、請求項２８記載の超電導ケーブル。
【請求項３２】
前記誘電体にエンボス加工して作成する溝の深さは、約０．５から約２ミル（ｍｌ）である、請求項３１記載の超電導ケーブル。
【請求項３３】
前記エンボス加工は、ローラにより約８０℃から約１４０℃の温度において行う、請求項３１記載の超電導ケーブル。
【請求項３４】
前記エンボス加工により前記誘電体テープに形成するパターンは、前記誘電体テープを横断して含浸物が流れるようにする、請求項３０記載の超電導ケーブル。
【請求項３５】
前記エンボス加工により前記誘電体テープに形成するパターンは、前記誘電体テープの横方向を向いた不規則な山および谷である、請求項３１記載の超電導ケーブル。
【請求項３６】
前記誘電体テープは、有機染料を百万分率で１００から１０００の範囲で含む材料から製造する、請求項１４記載の超電導ケーブル。
【請求項３７】
前記エンボス加工により前記誘電体テープに形成するパターンは、有効テープ厚さを増加する、請求項３１記載の超電導ケーブル。
【請求項３８】
前記エンボス加工により前記誘電体テープに形成するパターンは、隣接ピーク間距離が約０．２ｍｍまでである、請求項３１記載の超電導ケーブル。
【請求項３９】
前記エンボス加工により前記誘電体テープに形成するパターンは、ピーク間距離が約０．０５ｍｍまでである、請求項３８記載の超電導ケーブル。
【請求項４０】
前記誘電体テープの引張り係数は、少なくとも２５０，０００ｐｓｉである、請求項１４記載の超電導ケーブル。
【請求項４１】
位相導体と中性導体とを冷却する導管と外周絶縁とを有し、３相導体の全てに対して共通中性点を提供し、前記冷却導管を同心円状に配置した、交流用超電導ケーブル。
【請求項４２】
前記冷却導管の前記第１相導体は導電ケーブル芯と境界を接し、前記第１相導体と前記第２相導体との間、前記第２相導体と前記第３相導体との間、および前記第３相導体と前記中性導体との間に所定厚さの絶縁層をそれぞれ提供し、前記中性導体と前記外周絶縁との間に環状冷却導管を提供し、前記各位相導体を超電導材料で製造した、請求項４１記載の超電導ケーブル。
【請求項４３】
前記各位相導体は、酸素多孔金属にセラミック超電導材料を詰めた圧延平スリーブからなる超電導テープで製造した、請求項４１記載の超電導ケーブル。
【請求項４４】
前記各位相導体は、銀スリーブにセラミック超電導材料を詰めてなるテープで製造した、請求項４１記載の超電導ケーブル。
【請求項４５】
前記導管に液体窒素を流して前記超電導位相を冷却する、請求項４１記載の超電導ケーブル。
【請求項４６】
前記中性導体は、銅製である、請求項４１記載の超電導ケーブル。
【請求項４７】
前記位相導体間の前記絶縁層は、ポリエチレンまたはポリプロピレンで製造した、請求項４１記載の超電導ケーブル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、可撓酸化物超電導体を使用する超電導ケーブルに関する。特に超電導ケーブルの形成に関する。
【０００２】
背景技術
超電導物質は、臨界温度以下において電気抵抗がゼロ（１ｕｖ／ｃｍ）に近づく物質である。この臨界温度は、物質に依存する。超電導は、臨界表面内で定義される。すなわち温度、電流、および磁界を軸とするグラフまたは図において定義される。所定の使用温度に対して臨界電流曲線が定義される。この臨界電流は、超電導体が発生するあるいは超電導体に印加する磁界の関数である。
【０００３】
最も良く知られている超電導物質は、ＮｂＴｉおよびＮｂ３Ｓｎである。しかしながらこれら物質の使用温度は、わずかに４．２Ｋである。これは液体ヘリウムの沸騰温度である。これが大きな制限となり、これら超電導物質を大規模に応用できない。従ってこれら超電導体は、ほとんど磁石巻線だけに使用されている。線（ＮｂＴｉおよびＮｂ３Ｓｎ）またはテープ（Ｎｂ３Ｓｎ）から製造し高い臨界電流密度（ＮｂＴｉでは３５００Ａ／ｍｍ２５テスラ）を提供する巻線を用いた小型磁石は、大容量の高磁界（１８テスラまで）を作り出す。
【０００４】
このような超電導体磁石は、核磁気共鳴（ＭＲＩ）による医療用画像の形成や、同じ原理（ＮＭＲ）による物質分析に使用する。例えば鉱石分離用磁石、高磁界研究用磁石などがある。また大型粒子加速器（ＳＳＣ、ＨＥＲＡ、ＫＥＫ等）などに使用する。
【０００５】
より高い臨界温度を有する酸化物超電導体が、１９８６年に発見された。これらは、金属間化合物であり、金属酸化物および希土類を含み、ペロブスカイト（マイカ）結晶構造を有する。これら物質の臨界温度は、３０Ｋから室温に近い値まで様々であり、それらの臨界磁界は６０テスラ以上である。従ってこれら物質は、有望視され、磁石製造においてＮｂＴｉおよびＮｂ３Ｓｎに置き換わると考えられ、液体ヘリウムでは実現できない例えば送電のような分野への応用が期待される。このような物質は、これまで線、ケーブル、フィルム、テープ、シートとしては利用できなかった。
【０００６】
酸化物超電導体は、液体窒素温度において超電導状態に入るため、液体窒素の冷却媒質を有する超電導ケーブルへの応用に有利と思われる。このような分野において、酸化物超電導体は、液体ヘリウムを必要とする超電導ケーブルに比べ、断熱システムの簡素化および冷却コストの削減を同時に実現できる。
【０００７】
超電導ケーブルは、小型導体において高い電流を低いエネルギ損失で送電できなければならない。一般に送電は、交流で行われる。交流で使用する超電導体は、一般に交流損失と呼ぶエネルギ損失を避けられない。交流損失は、ヒステリシス損失、結合損失、渦電流損失等であり、超電導体の臨界電流密度、フィラメントサイズ、導体構造等に依存する。
【０００８】
金属超電導体を用いて様々なタイプの超電導ケーブルが試作され、交流損失を減らすための構造が研究されてきた。例えば、通常の導体の外周に複合マルチフィラメント超電導体を螺旋状に巻き付けた超電導体が試作された。これは、複合マルチフィラメント超電導体の層を時計方向および反時計方向に巻き付け、交互に重ね合わせて形成する。導体の巻き方向は、各層ごとに異ならせ、導体内に発生する磁界を減少させ、インピーダンスを減らし、電流搬送能力を増加させる。この導体は、各層間に高抵抗層または絶縁層を有する。
【０００９】
酸化物超電導体を用いてケーブル導体を作成する場合、金属超電導体の技術は使えない。酸化物超電導体すなわちセラミック超電導体は、金属超電導体に比べ、機械的ひずみにもろく、弱い。例えば一従来例の開示によれば、通常導体に超電導体を螺旋状に巻き付け、巻きピッチを各超電導体の直径に等しくする。しかしながら銀シースで被覆した酸化物超電導体からなる超電導線をそのように短いピッチで巻き付けると、酸化物超電導体が破損し、電流を遮断する可能性が高い。酸化物超電導線を極端に曲げると、臨界電流が極めて低くなる。ケーブル導体は、取り扱い易くするため、ある程度可撓性がなければならない。固くもろい酸化物超電導体から可撓ケーブル導体を製造することは難しい。
【００１０】
米国には約３５００マイルの銅導体を使用した高圧地下電力ケーブルが大都市地域に電力を提供している。これらケーブルは老化が進み、その多くがこれから２０年間に交換されると思われる。また都市地域は、成長を続け、新しいケーブルを必要とする。電力会社は、電力密度を高め、損失とコストを減らし、従来ケーブル同様の高信頼性を維持する新しいケーブル技術を求めている。超電導ケーブルは、これら困難な要求に応えられる可能性を持っている。
【００１１】
都市地域における新ケーブルの敷設コストは高い。そのコストの約３０％から５０％がケーブルコストであり、残りのほとんどは敷設コストである。超電導ケーブルは、既存の銅ケーブルに代わることができ、電力密度を３〜８倍に増加できる。既存ケーブル設計のほとんどは、高圧油入パイプ型ケーブルであり、４インチから８インチ径の鋼管に３本の銅ケーブルと油とを収納している。これら古い銅ケーブルと油とを取り除き、超電導ケーブルに交換すれば、電流能力が極めて高くなり、新ケーブルシステムの敷設コストを節約できる。
【００１２】
超電導ケーブルは、都市地域に対し、ケーブルの新しい応用を提案する。既存技術の高圧銅ケーブルは、都市の周辺から中心部へ送電する。そして送電変電所で電圧を低め、配電系統によって顧客へ配電する。新しい超電導技術の低電圧高電流超電導ケーブルは、都市中心部への送電が可能であるため、電力会社は高電圧送電変電所を都市中心部の外へ移動できる。これら変電所は、都市中心部への設置および維持が極めて高価である。都市部の土地価格は、１平方フィート当たり１００ドルから６００ドルするからである。
【００１３】
本発明は、配電電圧であって高電流の超電導ケーブルを公益事業へ応用すること可能にする。適用可能な公益事業は、１）変電所から顧客、２）変電所から変電所、３）変電所母線延長、４）変電所高速給電線、５）発電装置から昇圧変圧器、における送電を含む。
【００１４】
発明の開示
本発明の目的は、可撓性を有し優れた超電導性を示し、特に高い臨界電流と高い臨界電流密度とを示す酸化物超電導体からなる超電導ケーブルを提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、交流損失が少ない超電導ケーブルを提供することである。
【００１６】
本発明に基づく超電導ケーブルは、酸化物超電導体を使用する。このケーブルは、可撓心材と、当該心材に巻いた複数のテープ状酸化物超電導線とを備える。前記超電導線間あるいは前記心材と前記超電導線との間には、電気絶縁層を介在させない。本発明において、前記酸化物超電導線の各々は、基本的に酸化物超電導体とそれを被覆する安定化金属とから形成する。前記心材上に配置した前記複数のテープ状超電導線は、複数の層を形成する。各層は、複数の前記テープ状超電導線を並列配置して形成する。これら複数の層は、前記心材上に連続して積み重ねる。前記心材は、本発明の超電導ケーブルに可撓性を付与する。本発明に基づく超電導ケーブルは、液体窒素温度において超電導状態を維持する。
【００１７】
さらに本発明に基づく導体は、交流損失の少ない交流導体を提供する。
【００１８】
本発明の前記およびその他目的、特徴、態様、利点は、添付図面を参照しながら以下において詳細に説明する。
【００１９】
発明を実施するための最良の形態
本発明は、遮蔽構造あるいは非遮蔽構造において使用する高温超電導ケーブルに関する。遮蔽ケーブルおよび非遮蔽ケーブルの用途は広い。
【００２０】
本実施例の変更形態は、前記ケーブルの高温超電導テープを誘電体で絶縁し、その誘電体の上に他の高温超電導層を設ける。そしてケーブル全体をクライオスタット（クライオスタット）に入れるか、ケーブルを覆うようにクライオスタットを構築する。このような同軸構造は、高温超電導テープの内層と外層との間に磁界を閉じこめる。従って高温超電導テープの外側には、実質的に磁界は存在せず、金属外装に渦電流は流れない。この構造により、ケーブル内のテープ数に応じて大容量電流を搬送できる。このケーブルデザインにおける制限は、誘電体を極低温に維持するので、極低温で物理的および機械的に劣化しない材料を使わねばならないことである。本発明の一実施例に基づく重合誘電体は、液体窒素温度以下において良好な物理的および機械的特性を有する。この材料は、高い絶縁耐力と高い降伏電圧とを有する。本発明ケーブルは、可撓ステンレス鋼波形管を用いることが好ましい。この波形管は、編組ワイヤあるいは網ワイヤで被覆しても良い。前記波形管には穴を開けることが好ましい。この穴のサイズおよびパターンは、液体窒素を流せるようなものとし、その液体窒素が高温超電導テープの突合せ隙間に入り、前記誘電体を浸すようにする。高温超電導テープは、特別の方法で配置し、２層構造を構成し、ケーブルに流れる電流を最大にする。
【００２１】
前記誘電体は、半導電テープ、アルミニウム蒸着遮蔽テープ、および重合誘電体テープで構成することが好ましい。図３は、遮蔽ケーブルの代表的構造を示す。非遮蔽ケーブルは、高温超電導テープの外層を省略することにより形成できる。そのようなケーブル構造を図２に示す。本発明は、遮蔽高温超電導ケーブルおよび非遮蔽高温超電導ケーブルの両方を含む。本発明の非遮蔽ケーブル構造は、断熱クライオスタットの上に誘電体を押し出す場合、既知のケーブル構造とはデザインが異なる。遮蔽高温超電導ケーブルについては、その形成方法を開示した従来例は無い。
【００２２】
図１は、本発明に基づく超電導ケーブル１０を示す。超電導ケーブル１０は、可撓真空二重壁外管１１を有する。液体窒素１２は、外管１１を通り、冷却器へ流れる。接地電位超電導遮蔽材１７は、誘電体遮蔽層１６を取り巻く。遮蔽層１６は、電流搬送超電導体１５を取り巻く。超電導体１５は、可撓多孔壁内管１３を取り巻く。内管１３は、中心の管状部であり、前記冷却器からの液体窒素を搬送する。一実施例において、内管１３は、編組表面を有し、この編組表面が超電導体１５に接触する。
【００２３】
図２は、非遮蔽ケーブルの一実施例を示す。フォーマ２１を取り巻いて半導電下地テープ２２を配置する。その上に超電導テープ２３を配置する。超電導テープ２３の上に他の半導電下地テープ２４を巻く。下地テープ２４の上に遮蔽層２５を巻く。遮蔽層２５の上に誘電層２６を巻く。誘電層２６の上に遮蔽層２７を巻く。遮蔽層２７の上に半導電下地層２８を巻く。下地層２８の上に固着テープ２９を巻く。固着テープ２９の上に調心リング３０を巻く。調心リング３０の上に、被覆クライオスタット３１を巻く。
【００２４】
図３は、遮蔽ケーブルの一実施例を示す。外装クライオスタット５３は、調心リング５２を取り巻く。調心リング５２は、固着テープ５１を取り巻く。固着テープ５１は、半導電テープ５０を取り巻く。半導電テープ５０は、超電導テープ４９を取り巻く。超電導テープ４９は、半導電下地テープ４８を取り巻く。下地テープ４８は、遮蔽層４７を取り巻く。誘電体４６は、遮蔽層４５を取り巻く。遮蔽層４５は、半導電テープ４４を取り巻く。超電導テープ４３は、半導電下地テープ４２を取り巻く。下地テープ４２は、フォーマ４１を取り巻く。
【００２５】
本発明は、酸化物超電導体を用いたケーブルに関する。このケーブルは、可撓心材と、２ｋｇｆ／ｍｍ２を越えない引張力および約０．２％を越えない曲げひずみによって前記心材上に配置した複数のテープ状酸化物超電導線とを備える。前記テープ状超電導線の各々は、基本的に酸化物超電導体とそれを被覆する安定化金属とからなる。前記複数のテープ状超電導線を並列配置して層を形成し、かかる層を複数形成する。前記複数の層は、前記複数の層と前記心材との間に絶縁層を入れずに、前記心材に連続して積み重ねる。前記心材は、前記超電導ケーブルに可撓性を付与する。前記超電導ケーブルは、液体窒素温度において超電導状態を維持できる。前記線は、実質的に均一な超電導相を前記線の長手方向に有する。前記超電導相のｃ軸は、実質的に前記線の厚さ方向に平行である。前記超電導線は、平行に整列して前記線の長手方向に延びた結晶粒によって形成する。前記結晶粒は、前記線の厚さ方向に積み重なっている。
【００２６】
前記超電導ケーブルは、ケーブル直径の約５０倍までの曲げにおいて超電導性を実質的に劣化しないような可撓性を有することが好ましい。前記心材は、基本的に金属、プラスチック、強化プラスチック、重合体、複合体からなるグループから選択することが好ましい。一実施例において、前記超電導ケーブルの心材は、前記テープ状超電導線用外面に螺旋溝面、網状面、編組面、マット状面から選択した表面を有する管である。本発明の超電導ケーブルは、前記テープ状超電導線の複数の層間に絶縁層を持たない。前記テープ状超電導線は、前記心材上に前記複数のテープ状超電導線層を各層の表面上に順次配置することが好ましい。他の実施例において、前記線は、前記テープ状安定化金属被覆内において撚り合わせる。前記超電導ケーブル内において、前記テープ状超電導線は、約９０度の角度、好ましくは約１０度から約６０度の角度、より好ましくは約２０度から約４０度の角度で配置する。本発明の一実施例は、少なくとも２つの別個のテープ状超電導線層グループを備える超電導ケーブルを提供する。前記テープ状超電導線層の配置角度は、連続する層間において配置方向またはピッチが交替するように設定することが好ましい。連続する前記テープ状超電導線層の各々は少なくとも２本のテープ状超電導線からなることが好ましい。誘電体層により前記少なくとも２つの独立したテープ状超電導線層グループを分離することが好ましい。誘電体層により前記心材から前記心材に最も近いテープ状超電導線層を分離することが好ましい。前記誘電体は、ポリプロピレン、ポリエチレン、およびポリブチレンからなるグループから選択することが好ましい。本発明の一実施例において、前記少なくとも２つの別個のテープ状超電導線層グループは、前記ケーブル内においてほぼ等しい量の電流を搬送する。前記心材から最も遠いテープ状超電導線層グループは、それ以外の層を流れる電流の遮蔽を提供して前記ケーブル内の磁界あるいは渦電流を減少させることが好ましい。前記安定化金属は、銀、銀合金、ニッケル、およびニッケル合金からなるグループから選択することが好ましく、緩衝層を設けても良い。
【００２７】
本発明の一実施例において、各テープ状マルチフィラメント酸化物超電導線は、多数のフィラメントからなる構造である。これらは基本的に、銀、銀合金、ニッケル、およびニッケル合金の安定化金属内に酸化物超電導体を含んだ構造である。前記酸化物超電導体は、ビスマス、ストロンチウム、カルシウム等の酸化物および銅酸化物から作成できる。
【００２８】
前記複数層の各々は、少なくとも２本のテープ状銀外装超電導線を含むことが好ましい。前記複数層の各々は、少なくとも４本のテープ状線を含むことが好ましい。本発明の一実施例において、前記複数層の第２層と第３層との間に絶縁層を介在させることが好ましい。前記複数層が４層以上である場合、第２層と第３層との間毎に絶縁層を介在させることが好ましい。
【００２９】
本発明ケーブルにおいて、前記心材は、一般にフォーマと呼び、所定範囲の曲げひずみにおいて前記テープ状超電導線を保持する。このフォーマは、前記超電導ケーブル導体が必要とする長さを有し、前記超電導ケーブル導体の中心に配置する。前記フォーマは、実質的に円筒形または螺旋形であり、その上にテープ状線を配置し、全長に渡ってほぼ一定の直径を有する。前記フォーマは、基本的にステンレス鋼、銅、アルミニウム等の金属、プラスチック、強化プラスチック、およびセラミックからなるグループから選択した少なくとも１つの材料から製造できる。
【００３０】
本発明において、前記フォーマは可撓性を有する管状部材であることが好ましい。螺旋溝を有するパイプ（以下では螺旋管と呼ぶ）を十分な強度および可撓性を有するフォーマとして使用することもできる。ベローズを有するベローズ管をフォーマとして使用しても良い。またフォーマは、螺旋鋼帯のような螺旋状に巻いた部材から形成しても良い。これら各形状は、フォーマに十分な可撓性を提供するために採用する。可撓性フォーマは、本発明の導体に可撓性を付与する。本発明の可撓導体は、ドラムに巻き付けることができる。
【００３１】
本発明の実施において、数本のテープ状マルチフィラメント超電導線をフォーマに配置することあるいは巻き付けることが可能である。テープ状線を２層以上に配置し、その表面をフォーマに向けるようにしても良い。各層は、任意数のテープ状線で形成できる。数本のテープ状線を互いに平行にフォーマに配置し、フォーマ表面をテープ状線で覆い、さらに別のテープ状線をその上に巻き付けることもできる。第１層のテープ状線の上に十分な数のテープ状線を第２層として巻き付け、第３層のテープ状線をその上に巻き付ける。各隣接層間には絶縁層を配置しない。
【００３２】
本発明方法において、各テープ状マルチフィラメント酸化物超電導線は、所定範囲の曲げひずみあるいは曲率と所定範囲のピッチとにおいて、所定直径を有するフォーマに配置あるいは巻き付ける。このテープ状線には、長さ方向に沿って比較的ゆるい曲げを適用する。フォーマに巻き付けたテープ状線は、０．４％好ましくは０．３％を越えない曲げひずみにおいて曲げる。このような範囲の曲げひずみにおける曲げの場合、テープ状線の超電導性は、直線状態と比較してほとんど減少しない。
【００３３】
本発明は、フォーマのピッチおよび直径を調整し、超電導線の曲げひずみが０．２％を越えないようにすることが好ましい。各テープ状マルチフィラメント酸化物超電導体をフォーマに巻き付ける場合、引張力は２ｋｇｆ／ｍｍ−２を越えないようにし、０．５から２ｋｇｆ／ｍｍ−２の範囲とすることが好ましい。
【００３４】
前記心材（フォーマ）は、電気絶縁材料または電気導体で作ることができる。交流損失を減らすことを考慮した場合、電気絶縁材料が好ましい。強度を考慮した場合は、導体である金属が好ましい。螺旋溝を有する金属パイプまたは金属ベローズ管を心材として使用すれば、導体に可撓性を付与すると同時に一定強度を維持できる。金属心材を使用すれば、偶然に異常電流が発生した場合に安全である。この場合、導体の交流損失および心材に対する異常電流を考慮して、心材の最適抵抗を設定できる。
【００３５】
任意に螺旋溝を持つことができる金属パイプ、あるいは金属ベローズ管を心材として使用する場合、その心材の上に金属テープ導体を配置あるいは巻き付ける。そしてその金属テープの外表面に誘電体テープを配置する。前記金属テープは、心材の全ての溝を覆ってなめらかな表面を形成できるため、超電導テープは座屈しない。心材の可撓性を維持しながら金属テープで溝を覆うことは可能である。
【００３６】
本発明は、撚り合わせフィラメントを有するテープ状マルチフィラメント線を使用しても良い。超電導マルチフィラメントテープを形成するフィラメントは、所定ピッチで撚り合わせる。フィラメントを撚り合わせることにより、安定化金属とフィラメントとの間を流れる誘導電流は、撚り合わせピッチ毎に小ループに分離し、電流値を制限する。これは、非撚り合わせフィラメントを有する超電導線に比べ、安定化金属におけるジュール熱の発生を抑制し、交流損失を低減する。
【００３７】
本発明に基づく超電導ケーブル導体は、可撓性を有しているため、ケーブル直径の５０倍まで曲げても、その超電導性は劣化しない。この導体はドラムに巻き付け、貯蔵および／または輸送できる。
【００３８】
本発明は、可撓性と優れた超電導性とを持つ長尺酸化物超電導ケーブル導体を提供できる。本発明の一実施例において、超電導テープ間を流れるあるいは横断する渦電流および結合電流は、管状超電導線層の第２層あるいはそれ以降の層が抑制する。本発明は、実用的な交流超電導ケーブル導体を提供する。
【００３９】
超電導材料は、セラミック結晶粒を銀管に挿入し、それを約１〜２ｍｍに延伸したものである。ケーブルの最終的必要容量に応じた多数の前記延伸管を銀管に挿入し、必要使用サイズに延伸する。あるいは、それら管をまず小区間に切断し、それを第２の銀管に加え、延伸しても良い。このようにして形成した銀製平坦テープ状材料は、その重量において約８０〜６０パーセントが銀、約２０〜４０パーセントがセラミックである。好ましくは、約６５パーセントが銀、約３５パーセントがセラミックである。
【００４０】
さらに本発明は、極低温動作の超電導電力ケーブル用として好適な重合テープを製造する新規な処理あるいは方法、およびそのようにして製造したテープに関する。この処理は、約３．０の最大誘電率を有するポリエチレン、ポリプロピレン、またはポリブチレンフィルムを２軸延伸し、無作為パターンをそのフィルムにエンボス加工する。この低誘電率２軸延伸エンボス加工フィルムとしての重合材料は、もろさ、ひび割れ、極端な縮みの問題を克服する。既知の処理方法で製造した重合材料は、これら問題を有しているため、極低温動作電力ケーブルシステムには使用できない。フィルムにエンボス加工を施すと、誘電流体がケーブル内を比較的自由に流れることができる。
【００４１】
ポリオレフィンシート素材は、本発明のケーブルに使用する前、２軸延伸する。これは、前記シートを約５：１から約１０：１の延伸率で長さ方向に延伸し、同時に横方向にも延伸することを含む。
【００４２】
このようにしてポリオレフィン素材から適切な延伸率で処理したシートまたはそのシートから作ったテープは、ケーブル製造において多くの優れた品質を有する。テープの微小繊維化を防止するため、および１つの裂け目が全長に広がることを防止するため、さらなる処理が必要である。この処理は、シート横方向における２軸延伸を含む。これは、シートを横方向に約５０％までの率で延伸し、テープを形成する。このテープは、十分に２軸延伸しており、微小繊維化を十分に抑制する。
【００４３】
前記処理により製造するポリエチレン、ポリプロピレン、およびポリブチレンテープは、所定条件の下で特定パターンをエンボス加工し、適切な含浸と熱伝達とを確保する。前記エンボス加工パターンは、無作為なあるいは不規則な溝からなり、横方向を向く。延伸シートを切断しあるいはテープ状にし、単一層、複数層、または積層の形態で使用する。
【００４４】
前記パターンは、長手方向および横方向に含浸物の流れを可能にすると共に、テープを横断する流れ、および突合せ隙間間の流れを可能にする。このような流れは、層から層への含浸を助け、対流による熱伝達を促進する。ケーブル自体は、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリブチレン、またはポリプロピレンからなるテープの複数層で構成する。ケーブルを曲げやすくするため、各層において異なる幅のポリオレフィンテープを使用しても良い。このテープ幅は、ケーブル導体からの距離が大きくなるに従って大きくしても良い。
【００４５】
本発明に基づくポリエチレン、ポリプロピレン、またはポリブチレンフィルムは、約３．０を越えない誘電率を有する。この好適最大値は、約２．３である。第１の処理ステップは２軸延伸または引き抜きであり、好ましくは長手方向において約５：１から約６：１の比率で行い、横方向において約２：１までの比率で行う。次に延伸したテープを約８０℃から約１４０℃の温度でエンボス加工し、前記テープに、基本的に横方向を向いた不規則なあるいは無作為の溝パターンを形成する。
【００４６】
前記した新規処理ステップを行わない重合テープは、いくつかの固有な問題を有するため、極低温動作超電導電力ケーブルシステムに使用できない。例えば、７７°Ｋの液体窒素環境において、ほとんどの重合テープはガラス状に固くなる。このためテープは、固有伸び率を越える熱縮小による引張破壊や、単純な崩壊を起こす。他の問題は、液体窒素中におけるひび割れである。液体窒素は、７７°Ｋの沸点を有し、重合体にとっては強力なひび割れ剤であることが知られている。ひび割れは応力破断を引き起こし、最終的にテープを破砕する。前記２軸延伸処理は、これら脆性、極端な縮小、およびひび割れ問題を克服する。
【００４７】
多くの重合体は、２つの顕著な降伏モードを呈する。降伏モードの１つは、印加剪断応力によるものである。ただし降伏現象自体は、降伏面に作用する垂直応力成分による。もう１つの降伏モードは、最大主応力によるものである。このタイプの降伏は、ひび割れあるいは垂直応力降伏である。ひび割れは、応力、あるいは応力と溶解作用との組合せで発生しうる。ひび割れは、それを発生する全ての重合体において、同様の特徴を呈する。ひび割れは、微細な網状ひびであり、ほとんど常に最大主応力の直角方向に進行する。一般にひび割れは、表面の局所応力集中点において発生する。静的テストにおいては、ひび割れは、応力またはひずみがある臨界値に達すると発生する。しかしながらひび割れは、長期負荷の場合、比較的低い応力レベルでも発生しうる。
【００４８】
ひび割れ領域に対する詳細な電子顕微鏡的検査によれば、分子鎖配向がひび割れ領域に発生しており、配向微小繊維がひび割れ表面を横切っている。
【００４９】
ケーブルの敷設を支援するため、極めて透明なポリオレフィン絶縁テープに染料を加えることが好ましい。この技術は、非常に有用なケーブルを製造できる。なぜなら作業者は、テープの各螺旋層を区別しなければならないからである。一般的な極めて透明なポリエチレン、ポリブチレン、またはポリプロピレンテープを使用すると、作業者は８層あるいは１０層のテープ層において各層毎の突合せ隙間を区別できない。所定量の選択した染料をテープに加えることにより、作業者は容易に各テープ層の縁部や突合せ隙間を層毎に区別できる。なぜなら色の暗さが層毎にはっきりと増加するからである。この染料は、原材料の損失係数の増加を最小にするように選択する。
【００５０】
テープ幅を変化させることもできる。導体の近くは幅を狭くし、外側はより広くする。層毎の方向を所定半径方向厚さにおいて反転しても良い。その厚さはテーピング機械の設計によって決めればよい。
【００５１】
誘電体テープは、重ね合わせて螺旋状の層に巻き、同一層の螺旋間の各突合せ隙間は、その下の層の突合せ隙間からずらす。この構造は、前記染料含有絶縁テープにより、作りやすくなる。
【００５２】
ポリエチレン、ポリブチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンテープは、本発明が要求するように高配向とした場合、透明である。この透明性は、多くの層の突合せ隙間がケーブル表面を介して鮮明に見える場合、欠点となる。作業者は、突合せ隙間が各層においてずれている状態において、各層の突合せ隙間を区別することが困難になる。
【００５３】
従って本発明のテープは染料を含む。従ってケーブル内において下の層ほど暗く見える。染料としては有機染料がよい。有機染料は、無機金属塩に比べ、テープの損失係数および誘電率への悪影響が少ない。
【００５４】
必要とする色と電気特性への影響とをバランスさせるため、有機染料を百万分率で１００から１０００の割合で添加する。
【００５５】
これは、テープの光透過率を１０〜５０パーセント低減する結果となる。このテープをケーブルに使用すると、可視性が１〜４層に低減する。これに対し染料を添加しないと、絶縁領域において８〜１０層の深さの突合せ隙間まで見える。
【００５６】
長手方向の延伸は、シートの引き伸ばしあるいは幅出しにより、５：１〜１０：１の厚さ減少率を実現する。
【００５７】
この厚さ減少率は、実際にはシートの線形延伸を測定したものであり、重合体の引張特性変化の指標となる。この処理は、約８０℃〜１４０℃の温度で行うことが好ましい。
【００５８】
前記シートをさらに横方向に５０％までの減少率において延伸処理する。この処理を行わないと、重合体は微小繊維化し、その幅方向に繊維が分離し、テープが長手方向に裂けてしまう。
【００５９】
これに対し、前記処理を施したポリオレフィンテープは、長手方向において少なくとも２５０，０００ｐｓｉの引張り係数を有し、ケーブル製造要件を全て満たす。
【００６０】
前記処理を通じて得られるこのテープ引張り強さは、劣化に対する抵抗を示すと共に、ケーブルテーピング機械での使用においては必要条件となる。前記処理を施したテープは、従来のケーブル製造機において、十分堅固にケーブルに巻き付けることができる。
【００６１】
最終的にケーブルとして構成する前に、ポリオレフィンテープにエンボス加工を施し、テープ層間に隙間を作り、ケーブル内における含浸物の比較的自由な流れを実現し、熱伝達を促進する。
【００６２】
これは、特定のエンボス加工技術によって実現する。テープのエンボス加工は、ローラによって行うことが好ましい。図４は、エンボス加工の代表的パターンを示す上面図であり、テープ６０の一部を示す。図において谷６１は、パターン中に暗い線として見える。
【００６３】
前記エンボス加工パターンの特徴は、不規則であり、含浸物の流れをテープの長手方向に抗して横方向に促進することである。図４に示すように、不規則な谷パターンは基本的にテープ幅を横断するように走り、前記要求を満たす。このパターンは、規則的な溝や通路パターンとは異なり、隣接テープ層をかみ合わせない。従って不均一で不規則なパターンは、各テープ層が短い距離を相互に移動できるようにし、ケーブルの製造および設置に必要な可撓性をもたらす。
【００６４】
横方向の流れを提供するパターンは、熱伝達と浸透性とをケーブルに付与する。ポリマーは非浸透性であるが、本発明ケーブルが提供する浸透および熱伝達構造は、材料自体の浸透性に依存しない。
【００６５】
前記エンボス加工パターンは、有効テープ厚さを増加する。すなわちそのピークピーク厚さは、元のテープ厚さの２倍になる。テープは、巻き付け中に圧縮される。エンボス加工は、ローラによって行う。これらローラは、テープの一面をくぼませ、他面を突出させる。テープをケーブルに巻き付けると、前記不規則表面は、テープ層を分離する。しかしながらパターンが横方向の流れを促すので、含浸物は、突合せ隙間から最大でテープ幅の二分の一を流れれば、テープ間の次の隙間へ進むことができる。これにより、ケーブル外部から導体までの通路は、比較的短くなる。
【００６６】
代表的な２つのエンボス加工パターンは、次の通りである。１つは粗パターンであり、代表的に谷の中間高さ幅０．１ｍｍ、隣接ピーク間距離０．２ｍｍを有する。他の１つは細パターンであり、代表的に谷の中間高さ幅０．０２５ｍｍ、隣接ピーク間距離０．０５ｍｍを有する。
【００６７】
粗パターンから細パターンまでの範囲のエンボス加工パターンを利用可能にすれば、設計者は熱伝達と動作ストレスとの間で妥協点を探し出せる。前記粗パターンは、最良の熱伝達を提供するが、動作電圧ストレスをやや低減する。細パターンは、これと逆の作用をする。
【００６８】
本発明は、ケーブル、端末、およびテスト手順をさらに含む。ケーブルテスト設備は、２つの端末間の５メートル高温超電導ケーブルおよび関連支援システムを含む。関連支援システムは、交流および直流電源、極低温冷却装置、およびデータ取得システムを含む。極低温システムは、副冷却装置を使用し、ケーブルおよび端末用に１ｋＷまでの冷却を提供する。副冷却装置における液体窒素の沸騰は、総設備熱負荷に対応する。副冷却装置の外殻側は、真空ポンプにより液体窒素温度を７０〜７７Ｋの範囲に維持する。ただしテストプログラムの多くは、副冷却を使わず、ケーブル平均温度範囲７９〜８１ｋで行った。システムサイクルは、オープンであり、副冷却装置の外殻側からの排気は、最終的に大気へ排出する。冷却流体（１０バール以下の窒素）は、副冷却装置の管側を通過し、ケーブル供給多岐管へ向かう。ケーブルあるいは端末からの窒素は、液体窒素循環ポンプの入り口へ流れる。このポンプは、加圧窒素の閉ループ流に圧力水頭を与える。
【００６９】
電気的データおよび極低温データは、専用センサで取得する。これらセンサは、３台の１０チャネルマルチメータで走査する。このマルチメータは、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）ベースのデータ取得システムに接続する。このシステムはＬａｂＶＩＥＷプログラムを使用する。これにより、ケーブルの直流ＶＩ特性および交流損失の測定、部分放電測定を介しての絶縁の完全性、定格電圧（７．２ｋＶ交流実効値）および定格電流（１２５０Ａ）における極低温性能を診断できる。高電圧電源（１Ａ、１８ｋＶ定格）により動作電圧の２．５倍のピーク電圧レベルでケーブルをテストする。専用インパルス電源を１００ｋＶから２００ｋＶに増強し、２５ｋＡパルス電源を配置し、システム障害によるケーブルの過電流をシミュレートする。
【００７０】
２つの端末構想を開発した。ケーブルテストプログラムのほとんどは、真空端末構想で実行した。これは、電気端末および熱端末の両方に真空を使う。各真空端末は、２セットの貫通接続を有する。このうち１セットは位相導体用であり、他のセットは高温超電導中性導体用である。各セットは、保温セラミックブッシングを有し、外気（２９５Ｋ、１気圧）から真空（２９５Ｋ）への移行を行う。各セットはさらに第２セラミックブッシングを有し、真空から１０バール以下の液体窒素（７２〜８１Ｋ）への移行を行う。これらブッシングの定格は、最高ケーブル電流および電圧である。前記２つの端末は、機械式ターボ分子ポンプステーションによる共通真空ヘッダにより排気する。ここでの代表的な真空は、１０−５〜１０−４トルの範囲である。この真空と多層超断熱との組合せにより十分な断熱を提供する。冷却中および長期間運転における信頼性に関して心配があった。熱応力または電気機械的応力によって低温ブッシングにわずかの漏れが生ずると、端末における真空を劣化させる恐れがあった。少量の液体窒素の漏れでも、真空は窒素ガスのパッシェン最小値となり、２５０Ｖまでの電圧で降伏してしまう。この電圧は、動作電圧よりもはるかに低い。従って、加圧流体および気体窒素で動作する代替端末実施例を開発した。これを図５に示す。
【００７１】
真空式のものと同様、図５のシステムは、１８ｋＶ交流耐圧および１１０ｋＶ基本インパルス絶縁レベルに設定している。これは図６の真空端末に比べ、より小型である。基本構想は、低温相または遮蔽ブッシングが存在しないことである。各端末は、２つの従来の保温ブッシングを有し、顕著な熱ストレスを有さない。これら保温ブッシングと高温超電導ケーブルの端部との間に、銅管を同心円配置する。これら銅管は、動作ケーブル電流において軸方向熱伝達を最小にするよう設計してある。非金属円筒を使用して、位相銅管および中性銅管の間の電気絶縁を行う。動的真空システムを省略し、通常の静的真空システムを使用し、さらに多層超断熱を用いて放射熱損失を低減する。端末全体は、極低温システム圧力にあり、銅導電管に沿っての液体から気体への自然熱伝達が存在する。漏れがあると、内圧は徐々に大気窒素圧に減少し（３０ｋＶ／ｃｍに耐え得る）、システムはこのような場合に破壊を防止するように設計してある。この端末設計は、真空漏れテストにおいて、より動作効率に優れ、ポンプ障害を排除できる。
【００７２】
加圧端末における長期テストプログラムにおいて、次のテストを無事完了した。
【００７３】
・設計電流（１２５０Ａ交流実効値）および電圧（７．２ｋＶ位相−接地）における長期動作。
【００７４】
・破壊せずに１８ｋＶに３０分間耐える交流耐圧テスト。
【００７５】
・９０ｋＶへのインパルステスト（ケーブルテストに関する下記記述参照）。
【００７６】
・端末熱負荷の測定。
【００７７】
図７に示すように、熱負荷は一連の設計改良を通して徐々に減少した。３０ｍケーブル端末において最良の性能を見た。
【００７８】
３相３０ｍ高温超電導ケーブルにおける加圧端末のうち、６個をテストした。３０ｍケーブルに設置した加圧端末の熱負荷は、交流電流６００Ａにおいて端末当たり約２３０Ｗであった。各端末は、２個の伝導冷却銅リード（パイプ）を有する。各リードの理論最低熱負荷は４４Ｗ／ｋＡである。
【００７９】
テストした単相５ｍケーブルは、内部ケーブル導体を有し、その導体にはＢｉ−２２２３／Ａｇテープを螺旋状に４層巻き付けた。この４層は、１２５０Ａの設計電流に対して十分な性能を提供すべく選択した。これらテープは、外径３８ｍｍのステンレス鋼フォーマに３０°の角度で機械巻き付けした。クリオフレックス（登録商標）誘電テープを内側および外側高温超電導体間に巻き付けた。外側高温超電導ケーブル導体は、内側導体と類似であり、内側導体を流れる電流の遮蔽を提供し、外部構造での磁界あるいは渦電流を排除する。外側高温超電導体は、接地電位である。
【００８０】
５ｍケーブルテスト結果は、２秒パルス長での１２．８ｋＡまでの過電流テストの成功を含む（図８参照）。これは設計電流の１０倍を越え、負荷側の短絡をシミュレートする。
【００８１】
さらにケーブルの基準インパルス絶縁レベル（ＢＩＬ）をテストし、落雷等のサージをシミュレートした。１５ｋＶクラス配電ケーブルの必要条件は、基準インパルス絶縁レベル１１０ｋＶであり、パルスはこの最大値に１．２μｓで上昇する。高温超電導ケーブルおよび端末は、約９０ｋＶの基準インパルス絶縁レベルに耐え（図９参照）、この値以上において破壊すると思われる。テスト電圧を９０ｋＶ以下に下げると、システムは再びテストパルスに耐えた。
【００８２】
テスト設備から５ｍケーブルを取り外し、ケーブル出荷スプールと同一径（２．４４ｍ）の木枠上で曲げた。ケーブルは１方向とその反対方向に曲げ、これを４回繰り返した。曲げ前後のテーブルテストにおいて、誘電系に障害は見られなかった。すなわち耐圧およびインパルス絶縁は、以前のテストから変化しなかった。曲げの後、ケーブル臨界電流は、約１５％減少した（図１０参照）。
【００８３】
低温誘電トライアキシャルケーブルを開発しテストした。１．５ｍ長までのケーブルを製作した。この構造は、個別の単相ケーブル３本より小型であり、高温超電導テープの量が極めて少なくて済む。なぜなら、バランスの取れた負荷により、３相同心円層の外側に正味誘起電流が発生しないからである。図１１はケーブルの断面図を示し、単相ケーブルとトライアキシャルケーブルのサイズを比較して示す。液体窒素が流れる断面積はほぼ同じであるが、トライアキシャルケーブルの誘電体はやや厚い。これは、トライアキシャルケーブルの高温超電導体間における位相−位相電圧が、同軸単相ケーブルの位相−接地電圧に比べ、より高いからである。
【００８４】
交流用超電導ケーブルは、低損失送電能力を提供する。この用途には既知の超電導ケーブルもあるが、その構造は複雑であり製造が極めて高価である。位相導体は、金属超電導材料で製造し、各相別々の冷却を必要とする。このため位相導体内の空間を冷却物質の通路として使い、冷却システムに閉ループの液体窒素または液体ヘリウムを使う。
【００８５】
本発明の一実施例において、超電導ケーブルはさらに小型であり、必要材料が少なく、冷却機構は既知の超電導ケーブルよりも小型である。
【００８６】
本発明の超電導ケーブルは、３相導体（Ｒ、Ｓ、Ｔ）に対し１本の中性導体だけで良い構成である。さらに位相導体、中性導体、および冷却通路は、互いの周囲に同心円上に配置し、極めて小型の構造を実現する。ケーブルの冷却は、液体窒素で行う。電気絶縁はポリエチレンまたはポリプロピレンで製造し、位相導体（Ｒ、Ｓ、Ｔ）間および中性導体との間に配置する。このケーブルは、真空および／または断熱によって外側への熱損失を制限する。冷媒はケーブル心と環状通路とを循環する。この環状通路は、真空／断熱に直接接続する。
【００８７】
図２７は、本発明に基づく超電導ケーブル（１）の断面を示す。ケーブル心は、通路（２）の周囲に形成し、約５０〜２００ｍｍの直径を有し、冷媒を通過させる。この直径は、他の寸法でも構わない。通路（２）は、第１位相導体（Ｒ）の境界を定義する。通路（２）の外殻は、超電導体により形成する。位相導体（Ｒ）は、超電導テープで形成することが好ましい。この超電導テープは、銀スリーブに高温超電導セラミック材を充填したものである。これらスリーブを表面テープ状に圧延する。そしてこれらテープを心棒に巻き付け導体（Ｒ）を形成する。導体（Ｒ）の厚さは、約０．１〜１０ｍｍが好ましい。電気絶縁（３）を第１位相導体の上に配置する。この絶縁は、ポリエチレンまたはポリプロピレンで形成することが好ましい。位相導体テープ（Ｒ）にこれら絶縁を所望厚さまで巻き付ける。絶縁の厚さは、約１０〜５０ｍｍが好ましい。第２位相導体（Ｓ）を絶縁（３）の上に巻き付ける。この導体も超電導体テープとし、絶縁（３）の周囲に巻き付ける。位相導体（Ｓ）は、位相導体（Ｒ）と同一容量とする。位相導体（Ｓ）の上に絶縁（４）を巻き付ける。この絶縁の作成方法および容量は、絶縁（３）と同一にする。第３位相導体（Ｔ）を位相導体（Ｒ）および（Ｓ）と同一方法および容量で形成し、絶縁（４）の上に巻き付ける。さらに絶縁（５）を絶縁（３）および（４）と同一方法で形成し、位相導体（Ｔ）に巻き付ける。絶縁（５）の厚さは、絶縁（３）あるいは（４）の厚さより薄くしても良い。中性導体（６）の境界は、絶縁（５）の外側である。この中性導体（６）は、対称的負荷の元で、小電流を搬送するだけであり、一般の導体、好ましくは銅で作成すればよい。そしてその厚さは、数ミリメートルで良い。この帰路導体は、閉リング冷却通路（７）の境界としても働く。この冷却通路は、液体窒素を循環させる。冷却通路（７）の直径は、約１５０〜５００ｍｍであることが好ましい。冷却通路（７）の外側は、真空または超断熱であり、境界内面（８Ｉ）と境界外面（８Ａ）とを定義する。両境界面間には環状空間が形成され、この空間は真空とするか超断熱材を充填する。
【００８８】
本発明ケーブルを液体窒素によって約８１Ｋまで冷却した。この液体窒素は、約４．７気圧であり約０．１９　ｌ／ｓ（３ｇｐｍ）の流量であった。ケーブルの臨界電流Ｉｃ（約９１０Ａ）よりもかなり大きな短い電流パルスをケーブルに与え、動作中短絡における障害電流をシミュレートした。パルス期間およびパルス後の期間において、位相導体とジョイント間の電圧、遮蔽導体の電流および電圧、冷媒の温度および圧力を観察した。パルス印加は、１秒パルスから開始し、電流を４．８から１２．８ｋＡへ徐々に上げた。次にパルス長さを２秒に延ばし、再び１２．８ｋＡまでの電流パルスを印加した。パルス長を０．５秒に短縮し、１５．３ｋＡの電流を印加した。最後にパルス長を５秒に延ばし、６．８ｋＡの電流を印加した。
【００８９】
図１２は、代表的パルス印加におけるケーブルの電流および電圧経過を示す。約１２．８ｋＡの障害電流を２秒間ケーブルに印加するようプログラムした。電流が１２．８ｋＡに達するとすぐ、約３．２Ｖの電圧（ケーブル電圧）がケーブルを横断して発生した。この電圧および端末と外部電源ケーブルに沿った電圧降下は、明らかに電源限度（１２Ｖ）を越えており、電流低下を引き起こした。２秒パルスの終了までに、電流は約６．９ｋＡまで低下した。しかしながらケーブル電圧は５Ｖを越えるまで上昇し続け、導体内の発熱を示した。一方、ケーブルとコネクタジョイントとの間の電圧（ジョイント電圧）は、約０．３Ｖから０．１７Ｖへ低下した。これは電流低下と同じ割合である。
【００９０】
ケーブル電圧上昇は、温度上昇が起きたことを示している。測定した電圧を対応する電流で除算し、ケーブルの抵抗応答を得た。その結果を図１３に示す。１２．８ｋＡパルスの開始において、ケーブル抵抗は０．２５ｍΩ（臨界電流における０．５４μΩと比較）となり、２秒パルスの終了において０．７２ｍΩへ上昇した。（電流パルスの開始時および終了時における不連続は、ケーブル電圧をゼロに近い電流で除算したことによる）。温度の関数としての銀抵抗変化に基づけば、前記ケーブル抵抗の変化は、高温超電導体がパルス終了までに約１７０Ｋに発熱したことを示す。図１２によれば、ケーブル電圧は電流パルス後にほとんど消滅しているが、図１３のケーブル抵抗の低下は比較的遅く、７秒後に約０．１ｍΩとなっている。
【００９１】
ケーブル構造において、高温超電導テープは、内径部においては下地テープによって冷媒から分離し、外径部においては極低温誘電テープによって冷媒から分離している。このため高温超電導テープの冷却は、基本的に熱伝導のみにより行う。障害電流パルス期間における高温超電導テープの発熱は、断熱的であると見なすことができる。図１２において電流と電圧の積（電力）を積分すると、このパルス印加における導体の合計発熱エネルギは、約８０ｋＪとなる。銀比熱積分を用いると、導体は断熱的に約１７５Ｋまで発熱すると推定される。図１３は、パルス印加中のジョイント抵抗が２４μΩにとどまっていることを示す。ジョイントには目立った温度上昇がない。ジョイントの冷却条件が良いためである（液体窒素との直接接触）。
【００９２】
ケーブル抵抗が、過電流に応じて、Ｉｃにおける値よりもかなり高くなる事実は、高温超電導ケーブルが固有の電流制限機能を有することを意味する。過電流期間におけるケーブル抵抗上昇範囲を決定することは、ケーブルが有する電流制限範囲を示すことになる。１５の過電流パルスにつき、パルス電流のピーク到達時間に基づき、ケーブル抵抗を求めた。その結果を電流の関数として図１４に示す。５ｍケーブルの抵抗は、Ｉｃにおける０．５４μΩから１５．３ｋＡにおける０．３１ｍΩまで急上昇した。ほぼ６００倍上昇したことになる。
【００９３】
直流Ｖ−Ｉ曲線（図１８参照）によれば、本発明ケーブルは、Ｉｃより上においてＩの３．８乗（ｎ値）に比例して増加する。このため過電流Ｉにおける超電導体の抵抗は、Ｉｃにおける値０．５４μΩから（Ｉ／Ｉｃ）２．８の係数によって求まる。本発明の高温超電導テープは、超電導体に加え７０％の銀を含有する。０．３ｍΩの抵抗を用いることにより、ケーブル内の銀基材の抵抗は、液体窒素温度において約０．２５ｍΩと推定される。このため、過電流状況におけるケーブル抵抗は、求めた高温超電導体抵抗と銀抵抗とを比較することにより計算した。その結果の計算曲線を図１４に示す。この計算曲線は、測定データに良く一致している。従ってＩｃ以上の高温超電導体抵抗をべき乗則により求めることは適切である。
【００９４】
これは、本発明ケーブルにおける高温超電導体が、８．１ｋＡ（臨界電流の約９倍）において、銀基材と同等に障害電流を共有したことを意味する。この値以下の場合、電流はほとんど超電導体を流れ、この値以上の場合、徐々に銀基材を流れる電流が増える。１５ｋＡにおいて、超電導体は障害電流のわずか１５％を搬送できる。１０ｋＡ以上では、測定データは計算曲線を越える。これは障害電流前にテープ発熱がピーク値に達したことを示す。
【００９５】
障害過電流期間においてはケーブルを横断する高い電圧降下が発生するため、パルス長が長ければその電力は大きくなり、総エネルギ損失が著しくなる。このエネルギが冷媒に捨てられると、温度上昇および圧力上昇を引き起こし、冷却系を損なう。図１２のパルス印加は、全パルス印加の中で最大のエネルギ損失を発生した。図１５は、そのパルス印加における温度センサの応答を示す。センサ「Ｔ外」は、端末内部におけるケーブルの冷媒出口に近接配置した。センサ「Ｔ遠」は、遠方端の端末のケーブル側に配置した。これらセンサは、流れている冷媒中に存在するが、電流パルス期間中およびその後においていずれも温度上昇を示していない。遠方端の端末の母線側に配置したセンサ「Ｔ母線」だけが、パルスの３秒後に約５Ｋの温度上昇を示した。このセンサは、滞留ガスによる冷却を受け、約９６Ｋのより高い温度にあった。
【００９６】
このパルス印加におけるケーブル内発生総エネルギは、約８０ｋＪであった。このエネルギの半分が即座に内側パイプ（フォーマ）内の液体窒素に捨てられたとすれば、温度上昇は約５Ｋであったろう。しかしながら、そのような温度上昇は観察されなかった。位相導体は、冷媒によって直接冷却されていない。そして導体が冷える（冷媒に熱を放出する）には数十秒かかる。パイプ内における約０．２ｍ／ｓの液体窒素流量は、測定可能な冷媒温度上昇を防止するには十分である。
【００９７】
図１６は、同一パルス印加において、対応する圧力変化を示す。温度応答とは逆に、入り口圧力および出口圧力とも、パルス開始から１秒後に上昇を始め、パルス後１秒で約０．３４気圧（５ｐｓｉ）のピーク値に到達する。両圧力測定点ともケーブルの冷媒入り口および冷媒出口から数メートル離れていた。圧力波は、数分の１秒（液体窒素中の音の速度で）そこに到達した。冷媒中の温度上昇は観察されなかったため、圧力上昇は端末内の過渡発熱に起因した。
【００９８】
１５の障害電流パルス印加による１時間に渡るシミュレートおいて、ケーブル出口冷媒の累積温度上昇は、約１Ｋであった。顕著なシステム圧力変化は無かった。数分間毎に障害電流を繰り返したが、本発明の高温超電導ケーブルおよび極低温システムに破損はなかった。
【００９９】
位相導体における障害電流が遮蔽ループに引き起こす電圧および電流も問題である。実験において、超電導遮蔽の２端部を銅ケーブルと分流器でつなぎ、誘導電流を観察した。図１７Ａは、１２．８ｋＡの障害電流を２秒間印加した時の、遮蔽ループの誘導電流を示す。約３５０Ａおよび１２０Ａの過渡電流のみが、位相導体過電流の立ち上がりおよび立ち下がりにおいて遮蔽内に誘導された。これら低い値は、本電源からの過電流の立ち上がり時間および立ち下がり時間（約３００ｍｓ）が比較的長いことが一因である。障害電流の立ち上がりがもっと速ければ、遮蔽内の誘導過渡電流は、もっと高いであろう。過電流の２秒間に渡るゆっくりした低下の間、遮蔽内には測定可能な誘導電流は無かった。
【０１００】
図１７Ｂは、遮蔽導体に発生した最大電圧が０．３５ｍＶ以下であったことを示す。この電圧は本ケーブル用臨界電流電圧の０．５ｍＶよりも低く、誘導過渡電流は臨界電流より低かったので、遮蔽導体は障害電流パルス期間において超伝導状態を保った。
【０１０１】
障害電流パルスによるシミュレートがケーブル品質を低下させたか否かを判断するため、ケーブルの直流Ｖ−Ｉ曲線を本障害電流テスト後に測定した。図１８は、ケーブルのＶ−Ｉ曲線を１年前の測定と比較して示す。２本のＶ−Ｉ曲線には差異が見られない。これら直流Ｖ−Ｉの２測定間において、１８ｋＶの耐高電圧テスト、９０ｋＶのインパルステスト、設計電流および電圧における長時間（７２時間）テスト、数十回の冷却・暖機の繰り返しを行った。これらテストにおいて、ケーブルは直流特性の劣化を示さなかった。１μＶ／ｃｍの基準において、ケーブルの臨界電流は約９１０Ａを維持した。
【０１０２】
高温超電導ケーブルは、既存地下ケーブルの交換用として提案されている。一般的な地下ケーブル敷設では、個別の３相を別々のダクトに敷設する。極低温液体窒素を供給する冷却装置は、ケーブルの一端に設ければ良いと思われる。図１９は、高温超電導ケーブルの単一極低温向流冷却配置を示す。高温超電導ケーブルフォーマおよび極低温壁は、代表的に可撓性波形ステンレス鋼管である。本発明の高温超電導ケーブルは、低温誘電構成であり、超電導遮蔽層を必要とし、それを誘電体によって主導体から隔離する。この遮蔽層は、主導体と同じ電流を搬送する。
【０１０３】
向流冷却配置において、液体窒素は、高温超電導ケーブルフォーマを通過し、端末およびケーブルを冷却し、ケーブル外側と内部極低温壁との間の環状路を戻る。平行流配置においては、液体窒素はケーブルフォーマと環状路とを同一方向に流れる。液体窒素は、別の真空ジャケットダクトを通じて戻す。この戻り流用単一極低温装置は、ケーブル用極低温装置と同一である。表５は、これら２事例の研究に使用した寸法を示す。
【０１０４】
【表５】
2004510290.tif 000003
高温超電導ケーブル送電システムにおいては、液体窒素の２相流は許可されないものとする。その第１の理由は、２相流の圧力低下は、単相流の場合より高いからである。さらに、誘電体中の気泡がケーブル電気絶縁レベルを低下させうるからである。
【０１０５】
高温超電導送電ケーブルシステムの向流損失および熱分析を行った。これは、ケーブルシステムのエネルギ収支を実行することにより行った。高温超電導ケーブルの１次元エネルギ収支は、次のように書ける。
【０１０６】
【数１】
2004510290.tif 000004
ここでρは密度、Ｃは熱容量、ｚはケーブル軸に沿った座標方向、ｋは熱伝導率、Ａはケーブル断面積である。
【０１０７】
高温超電導ケーブルエネルギ収支は、対流熱伝導項Ｑｃｏｎｖ，ｉを含む。この項は、フォーマにおけるおよびケーブルと極低温内側パイプとの間の環状領域における液体窒素流への対流を含む。熱伝導率とケーブル断面積との積ｋＡＨＴＳは、本例において定数であり、１ケルビン当たり０．１６ワットメートルに等しい。液体流のために次のエネルギ収支式がさらに必要である。
【０１０８】
【数２】
2004510290.tif 000005
ここでｉは各液体窒素流（フォーマ流、環状流、および該当する場合は戻り流）である。内側流への対流熱伝導は、高温超電導ケーブルフォーマ内のみに存在する。外側窒素流は、高温超電導ケーブルの外側と２重壁可撓極低温の内側とに対し、対流熱交換を行う。
【０１０９】
対流熱伝達係数は次の式により計算する。
【０１１０】
【数３】
2004510290.tif 000006
ここでＮＮｕはヌッセルト数、Ｃｈは熱伝達係数、ｋＬＮ２は液体窒素の熱伝導率、ＮＲｅはレイノルズ数、ＮＰｒはプラントル数である。
【０１１１】
前記式を差分法に適用し、時間的に数的に積分し、定常状態を得る。温度特性を決定したら、流路全長に渡って次の式を積分することにより、圧力低下を近似する。
【０１１２】
【数４】
2004510290.tif 000007
ここでＶは流速であり、ｆは摩擦係数である。
【０１１３】
厳密な処理の場合、熱水力解法を結合する必要がある。しかしながら圧縮降下および密度変化は、本例において考慮している条件下での液体窒素については、小さいと考えられる。従って、温度および圧力特性解法を個別に実行した。波形ベローズにおける極低温液体流の摩擦係数は、滑らかなパイプの４倍であると考えられている。本例において、レイノルズ数は、１０５〜１０６の範囲にあり、一定摩擦係数ｆ＝０．０７を用いた。端末の圧力低下は、小さいと推定されるので無視する。
【０１１４】
高温超電導ケーブルクライオスタットは、表５に示した寸法を有する可撓２重壁構造とする。シンク温度は、Ｔ∞＝３００Ｋである。代表的な市販真空断熱可撓クライオスタットは、有効実際設置熱伝導率ｋｅｆｆ＝０．０００８ワット／メートル／ケルビンを有する。単位長当たりの局所熱伝達は、計算可能であり、局所液体窒素温度Ｔｖｉ（ｘ）およびクライオスタット内側管径Ｄｃｉおよび外側管径Ｄｃｏに依存する。この熱伝達項を駆動する温度差は、外側クライオスタットについて代表的に２２０Ｋである。
【０１１５】
【数５】
2004510290.tif 000008
臨界電流は、５メートルシステムにおける以前の測定から計算した。測定温度の線形近似と７７Ｋにおける３０００Ａの基準値とを用いることにより、温度に対応する臨界電流は次のように求まる。
【０１１６】
【数６】
2004510290.tif 000009
交流損失ＰＡＣ（ワット／メートル）は、モノブロックモデルを用いて計算する。
【０１１７】
【数７】
2004510290.tif 000010
ここでＦ＝Ｉｐ／Ｉｃは交流サイクルにおけるピーク電流と超電導体の臨界電流との比率、ｆは周波数、ｈ＝（Ｄｏ２−Ｄｉ２）／Ｄｏ２である。この研究は、１５００Ａｒｍｓおよび２０００Ａｒｍｓの動作電流に対する結果を示す。
【０１１８】
誘電損失は、ケーブルの設計電圧に依存する。定格値として０．０５ワット／メートルが予測され、この値は初期のテストと一致している。
【０１１９】
このモデルを５メートル高温超電導ケーブルシステムでの測定値と比較した。図２０は、測定動作温度との比較を示す。この測定において、５メートル高温超電導ケーブルは、２１０グラム／秒の流量の液体窒素を７９．２Ｋの温度および５．４気圧の圧力で供給して冷却した。ケーブルには１２５０Ａｒｍｓの電流を印加した。測定値は、定性的に計算値と一致している。温度の相違の主原因は、端末用に簡易熱モデルを使用したことにある。短いケーブルの場合、端末はシステム熱負荷の大部分を発生する。端末は、真空断熱および電気絶縁を有する。各端末は、２本の最適化した電流リードを含み、定格電流１２５０Ａｒｍｓを越える電流を搬送する。端末熱負荷は、各端部に付き約３００ワットである。動作電流のレベルにより端末熱負荷には多少の変動があるものの、その差は小さく、長いケーブルでは特にその差が小さいため、無視する。
【０１２０】
高温超電導送電システムに関し、端末熱負荷は一定であり、送電ケーブルシステムの長さには関係しない。クライオスタットを介する交流損失および熱負荷は、高温超電導送電ケーブルシステムの長さと、冷媒流の構成、供給温度、流量とに依存する。
【０１２１】
液体窒素の条件を一定とした。すなわち圧力１０気圧、温度６７Ｋとした。液体窒素の特性は、ＧＡＳＰＡＫを使用して取得した。前記圧力は、市販可撓クライオスタットの性能内に十分納まり、前記温度は、極低温冷却装置の代表的な温度である。窒素の三重点は約６３．２Ｋであるため、例えば６５Ｋの低温は閉サイクル冷却装置を用いて実現できる。
【０１２２】
図２１および図２２は、２例の長ケーブルについて、１０００グラム／秒／位相の流量における両冷却配置の臨界電流および温度曲線を示す。向流の場合に温度限界の存在がはっきりと分かる。この場合、下温度線はフォーマ流温度であり、中央線は高温超電導ケーブル温度であり、上線は環状戻り流温度である。図２３において、５００メートル長向流の圧力低下は、４．７バールである。ケーブル温度を下げるために流量を上昇させると、圧力低下も大きくなる。圧力はすでに高いため、ケーブル内での沸騰の可能性が出てくる。両冷却構成において、電流が高い場合、より高い温度が発生し、高温超電導ケーブル臨界電流を下げ、交流損失を上昇させる。
【０１２３】
図２３および図２４は、両冷却構成の６７Ｋにおける冷却負荷を長さの関数として示す。これら結果から、ケーブルで搬送する電流がより低いと交流損失が著しく低減するが、クライオスタット損失はケーブル内の電流レベルに全く依存しないことが分かる。
【０１２４】
高温超電導送電ケーブルシステムでは、重要な要素の多くが冷媒流量に依存する。２５０メートル向流の場合および１０００メートル平行流の場合に関し分析を行い、異なる流量における電流２０００Ａｒｍｓでの最大ケーブル温度および圧力低下を求めた。その結果を図２５および図２６に示す。
【０１２５】
両構成において、低流量においてケーブル内温度は高くなる。向流の場合、液体窒素が冷却装置へ戻るシステム温度は、ケーブル最大温度よりも低い。平行流冷却構成の場合、それとは逆になる。流量が低いと、向流冷却ケーブル最大温度は高くなるため、ケーブルの超電導特性が著しく低下する。流量を増やすと、最大温度が下がるが、圧力低下が大きくなる。これら流量に関する事柄は、平行流の場合、２０００メートルの長さでも見られない。
【０１２６】
図１９に示す高温超電導ケーブル構成は、単一クライオスタット向流冷却構成である。高温超電導ケーブルのフォーマは、可撓波形ステンレス鋼管である。高温超電導ケーブルは、低温誘電構成であり、超電導遮蔽層を必要とする。この遮蔽層は、誘電体によって主導体から分離する。前記遮蔽は、主導体と同じ電流を搬送するような設計である。
【０１２７】
同軸設計の特徴は、１）遮蔽層内のイメージ電流は、外部磁界およびクライオスタットおよびダクト内の渦電流を減少させる、２）高温超電導体および誘電体はテープ状態で巻く、３）極低温誘電体は、サイズを小さくして、電流搬送能力を上げる、４）可撓ケーブルはリール巻きを可能にする。
【０１２８】
超電導テープをフォーマに巻き付けるための特別設計機械を用いて、３０メートル高温超電導ケーブルを製造した。主導体、極低温誘電体、および遮蔽を含む第１の２本のケーブルを巻いた後、それらをクライオスタットに配置した。クライオスタット用特別エンドキャップを用意し、大気圧において液体窒素でのケーブル冷却を可能にした。主導体および遮蔽導体の端部に臨時電圧タップを設け、超電導体だけの臨界電流を測定可能にした。図２８は、３０メートル高温超電導ケーブルの第２位相主導体の直流Ｖ−Ｉ曲線を示す。１μＶ／ｃｍ基準において観察した臨界電流Ｉｃは２９８０Ａ、ｎ値は９であった。第１位相主導体の臨界電流は３０００Ａ（電力供給限界）以上であった。同じく図２８に示す通り、５メートルケーブルの１例の場合、臨界電流が１０９０Ａ、ｎ値が３である。５メートルケーブルおよび３０メートルケーブルの設計電流は、１２５０Ａであった。５メートルケーブルおよび３０メートルケーブルには、同一数の層および同一数の超電導テープを使用した。５メートルケーブル用超電導テープを調達した時から３０メートルケーブル用超電導テープを調達するまでの期間に、テープ性能は劇的に向上した。その結果、３０メートルケーブルは定格１２５０Ａに設計されているにもかかわらず、実際には３０００Ａまでの導体となっている。このように大きなマージンを有するため、約１５００Ａ以下の電流で動作する場合、超電導体は抵抗を示さなかった。これは図２８で明らかである。２５００Ａにおいて、電圧降下は０．２５μＶ／ｃｍ、直流抵抗は０．０１μΩ／ｍであった。臨界電流の測定後、臨時電圧タップを取り外した。
【０１２９】
図２９において高温超電導ケーブルの敷設箇所は、点線で囲んだ部分であり、３カ所の製造工場への配電システムの一部である。このプロジェクト用に建設した切換変電所は、超電導ケーブルおよび架空線の一方または両方によって負荷を提供できる。制御棟は、超電導ケーブル用電気制御および保護パネル、極低温制御システム、および会議室を含む。
【０１３０】
２本の１１５ｋＶ送電線により、前記送電変電所へ電力を提供する。送電変電所は、総容量４０ＭＶＡを有し、２台の２０ＭＶＡ整合非調整降圧変圧器を有する。これら変圧器の高圧側は１１５ｋＶ、低圧側は１２．４ｋＶである。
【０１３１】
２本の１２．４ｋＶ給電線が変電所を出る。両給電線は、１０３３．５ＡＣＳＲ（鋼心アルミより線）を使用する。これは代表的タイプの導線である。１２．４ｋＶ保護システムとして真空遮断器を設け、ロックアウト前に３回の再閉路を行う再閉路継電器を用いる。対称３相障害電流は、１２．４ｋＶにおいて約１４，０００Ａである。５メートル超電導ケーブルは、このレベル以上の障害電流におけるテストに合格している。
【０１３２】
高温超電導ケーブルは、極低温液体窒素を３相に循環させて冷却する。５メートルケーブルテストプログラムに基づき、３０メートルケーブル極低温システムの条件を、熱負荷３０００Ｗ、動作温度範囲７０〜８０Ｋ、流量１．３ｌ／ｓ（２１ｇｐｍ）、最大動作圧力１０バールと決定した。２つの極低温冷却システム設計をオプションとして検討した。これらは、開ループ沸騰槽冷却装置と閉サイクル冷却装置である。開ループ装置を選択した理由は、資本設備コストが安いからである。両装置の運転コストは同等である。その理由は、小型冷却装置よりも大型の液体窒素製造プラントの方が高効率だからである。この小型冷却装置は、３０メートル高温超電導ケーブルシステムに使用する予定だったものである。ケーブルシステムの動作寿命を長くするためには、主装置の保守中に使用する開ループ窒素バックアップ装置を含む閉ループ冷却装置がより良い選択であろう。なぜなら閉ループ冷却装置は、大型貯蔵デュワーを頻繁に補給しないでよいからである。
【０１３３】
極低温システム設計は、３つの主要部からなる。すなわち液体窒素貯蔵タンク、極低温スキッド、および真空外装配管である。
【０１３４】
極低温スキッドは、低温ボックスを含む。この低温ボックスは共通断熱真空にあり、過冷却装置、分相器、２個の緩衝容器を含む。低温ボックスと関連配管とは、多層断熱で覆うことにより背景熱負荷を最小にする。極低温スキッドは、さらに３台の真空ポンプを含む。これらは過冷却槽の圧力を下げ、システムの動作温度を下げるために使用する。主およびバックアップ用液体窒素循環ポンプを設ける。液体窒素の流れは、前記循環ポンプからシステムを通過し、過冷却器を通過し、ケーブルへの供給ラインを通過し、戻りラインを通過し、ポンプ入り口の分相器へ戻る。分相器は、システム起動時に使用し、蒸気が循環ポンプに至るのを防止する。過冷却器は、大量貯蔵タンクから補充を受ける。過冷却器の沸騰は、８０Ｋ以下で運転の際、真空ポンプを経由して大気へ放出する。緩衝タンクは交互に使用する。すなわち１つはシステム圧力印加に使用し、別の１つは補充して待機する。
【０１３５】
液体窒素貯蔵タンクは、４０，０００リットル容量である。このタンクは、コンクリート土台に水平設置し高さを抑えてある。タンク液面は、電話回線を利用して遠隔監視し、必要に応じて液体窒素供給装置によって補填する。
【０１３６】
真空外装配管は、スキッドとケーブルとを接続する。３本の配管がある。すなわち入り口配管、戻り配管、冷却配管であり、ケーブル３相をそれぞれ接続する。この構成により、ケーブル３相のどのような組合せでも、稼働、非稼働、冷却処理できる。
【０１３７】
通常運転中は、プログラム可能論理制御システムを使用して極低温システムを動作させる。システム冷却および再始動は手動で行う。これは、これら動作の回数が少ないからであり、プログラミングの費用がかさむからである。
【０１３８】
最初のオフラインテストは、可変交流電圧電源を使用してケーブルに電圧を印加した。その電源から１１〜１２ｋＶの電圧を１度に１相印加し、それを３０分間保持し、ケーブル誘電システムをテストした。位相１および位相２は、定格電圧の１６６％に維持して絶縁破壊を起こさなかった。位相３は、少し異なる形状を有し、定格電圧の２３０％に維持して絶縁破壊を起こさなかった。
【０１３９】
テスト中、充電電流を測定し、それを元にケーブル静電容量を決定し、計算静電容量と比較した。これを表６に示す。また計算ケーブルインダクタンスも示す。ケーブルサージインピーダンスは４Ωであり、これは従来の銅ケーブルより低い。この低いサージインピーダンスにより、交流超電導ケーブルは、従来の銅ケーブルと比較すると、より長い臨界長さ（充電電流が定格電流と等しくなる長さ）を有する。このため超電導ケーブルは、充電電流がケーブルの電流搬送能力の大半を占めるまで、より長い連続長さにおいて敷設できる。
【０１４０】
【表６】
2004510290.tif 000011
ケーブルの直流電圧と電流の関係（Ｖ−Ｉ曲線）を測定するため、３０００Ａ直流電力を供給した。主ブッシングおよび遮蔽ブッシングの外部に電圧タップを臨時に設けた。Ｖ−Ｉ曲線は１度に２相測定した。この測定は、一端において２相に直流電源を接続し、他端において相間に短いジャンパ線を接続した。位相２および位相３を測定し、次に位相１および位相２を測定した。従って位相２は２回測定した。主導体のＶ−Ｉ曲線を測定した。次に遮蔽導体を測定した。これはケーブルが、同軸導体を有する低温誘電設計だからである。直流臨界電流は、高温超電導テープ性能およびケーブル設計から予測されたものだった。図３０は、位相２および位相３のＶ−Ｉ曲線を示す。電流範囲のほとんどにおいて線形挙動が見られるが、これは外部電圧タップの位置による。外部電圧タップは、超電導ケーブル各端部の先に延びる銅母線およびコネクタを含む。
【０１４１】
直流電圧電流テストは、６ヶ月間の運転および４〜６回の冷却・暖機サイクル運転の後、２０００年６月に可変負荷条件下で再度実施し、ケーブル性能を求めた。
【０１４２】
超電導ケーブルの平均負荷、定格負荷、および緊急負荷をシミュレートするため、直流負荷電流テストを行った。図３１に示す通りの広範な負荷電流テストを、８００Ａ，１２００Ａ，１４００Ａにおいて、各８時間、１度に２本の主導体に対して直流電源を用いて行った。この第１回負荷テストにおいて、ケーブル冷却システム温度に変化は見られなかった。
【０１４３】
次のテストは、広範な開回路定格電圧テストであり、変電所から電力を供給して行った。一端のケーブル遮断器を閉じ、他端を開放に維持し、ケーブルに電流を流さないようにした。各相の位相電圧をいくつかの順序で１２時間まで維持した。ケーブル誘電性能は設計通りであった。
【０１４４】
図３２は、位相１における液体窒素帰路温度変化を示す（Ｙ軸値は示さず）。ケーブル温度変化は、約１Ｋである。
【０１４５】
図３３は、位相１における液体窒素帰路圧力を示す（Ｙ軸値は示さず）。ケーブル圧力変化は、約０．２８バール（４ｐｓｉ）である。
【０１４６】
極低温熱負荷テストを数度行い、ケーブルシステムの総熱損失を測定した。３０メートルケーブルおよび端末の全３相に対する６００Ａでの熱損失は、１４９０Ｗであった。様々な成分を直接あるいは別々に測定し、熱損失の内訳を推定した。各ケーブル端末について熱損失は２３０Ｗであり、６個の端末がある。ケーブルクライオスタットは、各々７．６２ｃｍｘ１２．７ｃｍ（３”ｘ５”）の真空外装パイプであり、１Ｗ／ｍ／相である。６００Ａにおいて導体および遮蔽は、０．２Ｗ／ｍ／相に相当する。
【０１４７】
本発明を詳細に説明し図示したが、これらは例示的なものであり、本発明を制限するものではない。本発明の精神および範囲は、請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に基づく多層構造を示す斜視図である。
【図２】
本発明の一実施例を示す断面図である。
【図３】
本発明の他の実施例を示す断面図である。
【図４】
本発明に使用するエンボス加工パターンを示す図である。
【図５】
2004510290.tif 000012
【図７】
2004510290.tif 000013
【図８】
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【図９】
2004510290.tif 000015
【図１０】
2004510290.tif 000016
【図１１】
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【図１２】
2004510290.tif 000018
【図１３】
2004510290.tif 000019
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2004510290.tif 000025
【図２０】
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【図２１】
2004510290.tif 000027
【図２２】
2004510290.tif 000028
【図２３】
2004510290.tif 000029
【図２４】
2004510290.tif 000030
【図２５】
2004510290.tif 000031
【図２６】
2004510290.tif 000032
【図２８】
2004510290.tif 000033
【図２９】
2004510290.tif 000034
【図３０】
2004510290.tif 000035
【図３１】
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【図３２】
2004510290.tif 000037
【図３３】
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【国際公開パンフレット】
2004510290.tif 000039
2004510290.tif 000040
2004510290.tif 000041
2004510290.tif 000042
2004510290.tif 000043
2004510290.tif 000044
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004510290.tif 000119
2004510290.tif 000120
【国際調査報告】
2004510290.tif 000121