(57)【要約】【課題】本発明は、高電圧下、低温保持装置（１４）に備え付ける超伝導装置（１２）に電気を送るためのデバイスを提供する。【解決手段】本発明に係るデバイスは、二つのブッシング（１８、１８´）を有し、それぞれのブッシングは、低温保持装置の外側にある第一接続端子（２０、２０´）と低温保持装置内側の第二接続端子（２２、２２´）からなる。本発明によれば、第一接続端子間の間隔Dは、第二接続端子間の間隔ｄよりも大きい。この間隔Dとｄは、第一端子（２０、２０´）間においても第二端子（２２、２２´）間においても放電を回避するのに十分な間隔である。さらに、本発明に係るデバイスは、両ブッシングの上またはそれらの間に位置した空間（１６）の拡張部（４６）を備えているのが好ましい。【選択図】図１
2007104895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温液体を含有した低温保持装置（１４）に取り付けられた超伝導装置（１２）に、中電圧または高電圧にて給電するデバイス（１０）であって、
中央導電体（２４、２４´）と、該低温保持装置から露出しており中電圧または高電圧の電源に接続される第一接続端子（２０、２０´）と、該低温保持装置内側に設けられた該超伝導装置（１２）に接続される第二接続端子（２２、２２´）とをそれぞれ備える二つのブッシング（１８、１８´）からなり、
該第一接続端子間の間隔Dが該第二接続端子間の間隔ｄより大きく、該間隔Dが該第一接続端子（２０、２０´）間における放電を、該間隔ｄが該第二接続端子（２２、２２´）間における放電を、回避するのに十分な間隔である
ことを特徴とする中電圧または高電圧にて給電するデバイス（１０）。
【請求項２】
前記中央導電体（２４、２４´）の形状が、ほぼ直線であり、該導電体の少なくとも一方が垂直線（４４）に対して傾斜していることを特徴とする、請求項１記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。
【請求項３】
前記中央導電体の垂直線に対する傾斜の角度aが、５°〜９０°の範囲であることを特徴とする、請求項２記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。
【請求項４】
前記中央導電体（２４´）の一方が垂直線に対して＋aの角度で傾斜し、前記導電体（２４）の他方が垂直線に対して−aの角度で傾斜していることを特徴とする、請求項２または３記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。
【請求項５】
前記中央導電体（２４、２４´）が、ほぼ一平面上にあることを特徴とする、請求項２ないし４の何れか１項に記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。
【請求項６】
前記低温保持装置から露出した前記第一接続端子（２０、２０´）において、該第一接続端子間の間隔Dが、印加された電圧値に応じて、該第一接続端子間において生じる電界の強さが１kv/mm以下となるように選択されることを特徴とする、請求項１ないし５の何れか１項に記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。
【請求項７】
前記第一接続端子（２０、２０´）が外気温、前記第二接続端子（２２、２２´）が外気温よりも低い温度にあって、
前記おのおののブッシング（１８、１８´）が、該外気温と低温の中間温度のエンクロージャ（２８）と、該エンクロージャと連なっている外気温のエンクロージャ（３４）を備え、
該エンクロージャ（２８、３４）内を絶縁被覆（２６）で覆われた前記中央導電体（２４）が貫通していることを特徴とする、請求項１ないし６の何れか1項に記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。
【請求項８】
前記中間温度のエンクロージャ（２８）が、熱伝導率の低い固体材料で満たされていることを特徴とする、請求項７記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。
【請求項９】
接地された導電体スクリーン（３６）が、前記第二接続端子（２２）から少なくとも前記中間温度のエンクロージャと前記外気温のエンクロージャの境界（３２）の範囲まで前記絶縁被覆（２６）を覆っていることを特徴とする、請求項７または8記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。
【請求項１０】
前記低温保持装置（１４）が、その上端部位に前記低温液体を入れる空間（１６）の拡張部（４６）を備え、
該拡張部は、前記第二接続端子（２２、２２´）よりも高い位置にあって、
該低温液体中に存在するガスが、該低温液体中を上昇し該拡張部中にガスの溜まりを形成することを特徴とする、請求項１ないし9の何れか1項に記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。
【請求項１１】
前記拡張部（４６）が、前記ブッシング（１８、１８´）の間に設けられることを特徴とする、請求項１０記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。
【請求項１２】
前記低温保持装置（１４）が、前記拡張部（４６）の先端部に安全弁（４８）を備え、
該安全弁が、該拡張部中に存在するガスの圧力があらかじめ設定された圧力を上回ると開くことを特徴とする、請求項１０または１１記載の中電圧または高電圧にて給電するデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中電圧（medium voltage）または高電圧（high voltage）を超伝導装置に給電するためのデバイスであり、大電流量を送ることができるデバイスに関する。
【０００２】
低温液体（cryogenic liquid）で満たされた低温保持装置（cryostat）は、超伝導素子または超伝導装置を備えている。この超伝導素子または超伝導装置は、ジュール効果による損失を受けることなく大電流を送ることができる。しかし、超伝導素子に大電流を供給するためには、中電圧または高電圧にて超伝導素子に電気を送る必要がある。ここで、明細書中に記載した「中電圧または高電圧」は、約５０キロボルト（ｋＶ）より高い電圧を示す場合に使用する。
【０００３】
ブッシング（bushing）という貫通接続デバイス（feed-through device）を使用して、外気中に設置される故に外気温下にある電源から低温保持装置内部に設けられる故に極低温下にある超伝導素子に、電気を供給する。上記ブッシング（bushing）は、主に絶縁被膜（insulating sheath）で覆われた中央導電体（central electrical conductor）からなる。ブッシングは、熱伝導による損失を低く抑えることで低温液体に伝わる熱が過大になり低温液体が沸騰するのを確実に回避しながら、妥当な領域で温度変化を終えなければならない。加えて、ブッシングは、大電流で電気を送ることができなければならず、高電圧に耐えることができなければならない。
【０００４】
超伝導素子に電気を供給するために、一方のブッシングを電流の流入用に、他方のブッシングを電流の流出用に使用する必要がある。もし、給電圧が高いと、外気中にある二つのブッシング末端間で放電が起こるリスクが生じる。言い換えると、二つのブッシング末端間の電界は、外気中に露出しているこの末端間にて電気アークを生じさせるのに十分な大きさとなり得、外気中でブレークダウン（breakdown）が発生し得る。超伝導素子に欠陥があるとき、またはネットワークに過電流が流れるといったような通電容量を超えるときには、電気アークが起きる現象はどうしても回避できないこととなる。このような状況のもとでは、二つのブッシング間の電気的導通（electrical continuity）は少なくとも一時的には遮断され、一方のブッシングには高電位（high voltage potential）、他方のブッシングには地電位（ground potential）付近の電位が検出されることとなる。
【０００５】
そこで、中電圧と高電圧に適し、さらに大電流にも適したブッシングの実施態様が、本発明の出願人が２００５年３月１７日に出願した特許文献１と特許文献２に記載されている。
【特許文献１】仏国特許出願 05/50694号公報
【特許文献２】仏国特許出願 05/50695号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ブレークダウン（breakdown）が生じるのを防ぐために、ブッシングの間隔を十分に広げる（例えば、数メートル）という手段をとることはできない。なぜなら、超伝導素子を備えた低温保持装置には寸法上の制約があるからである。低温保持装置の大きさは、製造コストとランニングコストの両面から制約を受ける。そこで、本発明の目的は、ブッシング間で放電が生じないデバイスを提供することを目的とする。
【０００７】
さらに、大電流、高電圧にて電気を供給することで、低温液体の温度が局所的に上昇してガスが発生することとなる。これにより超伝導素子に欠陥が生じ、さらには超伝導素子が本来の性質にもどってしまう原因となる、という問題が生じる。例えば、超伝導素子が液体窒素に浸された電流制限器（current limiter）の場合、流入する電流がある値を超えることで電流制限器は超伝導性ではなくなる。その後、前記電流制限器はジュール効果により熱くなることで、液体窒素が、部分的に沸点に達し窒素ガスが発生して泡立つこととなる。この場合、窒素ガスは液体窒素に比べて電気的絶縁性が著しく劣るので、低温保持装置内部、例えば低温保持装置内に取り付けられた二つのブッシング末端間において、放電が起こる可能性がある。本発明の実施態様においては、上記した問題を解消することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
より正確には、本発明は、中電圧または高電圧を、低温液体を有する低温保持装置に取り付けられた超伝導装置に給電するデバイスに関する。このデバイスは二つのブッシングを備え、おのおののブッシングには中央導電体がある。ブッシングの第一接続端子（first connection terminal）は低温保持装置外側にあり、第二接続端子は低温保持装置内部にある。ブッシングの第一接続端子は、中電圧または高電圧の電源に接続するためのものである。ブッシングの第二接続端子は、超伝導装置に接続するためのものである。
【０００９】
本発明では、第一接続端子間の間隔は第二接続端子間の間隔よりも大きい。この間隔は、第一接続端子間と第二接続端子間のどちらも放電を回避するのに十分な間隔とする。
【００１０】
実施態様としては、上記ブッシングの中央導電体はほぼ直線であり、少なくとも一つの中央導電体は垂直線に対して傾斜しているのが好ましい。
【００１１】
他に、上記ブッシングの中央導電体の形状はほぼ直線であって、一方の中央導電体は垂直線に対して+ａの角度で傾斜し、他方の中央導電体は垂直線に対して−ａの角度で傾斜している実施態様でもよい。両中央導電体はほぼ一平面（single plane）上にある。おのおののブッシングは、外気温と低温の中間温度のエンクロージャと、このエンクロージャにつながった外気温のエンクロージャを備えている。前記中央導電体は、電気的絶縁被膜で覆われた状態で、このエンクロージャ中を貫通している。
【００１２】
少なくとも、ブッシングの第二接続端子から中間温度のエンクロージャと外気温のエンクロージャ間の接合部に至る部分の絶縁被膜までは、接地された導電性スクリーン（electrically conductive screen）で覆われているのが好ましい。
【００１３】
前記低温保持装置は、その上部に低温液体を入れる空間の拡張部（enlargement）を備えた実施態様であってもよい。この空間の拡張部は、第二接続端子よりも高い位置にある。低温液体中には何らかのガスが存在する。このガスは低温液体中を上昇して、ガスの貯蔵場所となりうる前記拡張部中に溜まることとなる。
【００１４】
前記低温保持装置には、この空間の拡張部上端に安全バルブを備えてもよい。拡張部中のガス圧が所定の値を上回ると、この安全バルブが開く。
【００１５】
本発明の他の特徴及び利点を、以下の実施例の記載と本発明の実施態様を示した図1にて示す。
【００１６】
まず、放電を引き起こす電界の値は、空気中よりも低温液体中の方がはるかに高い、ということを見出した。例えば、空気中では１mm当たり約１キロボルト（１kv／mm）の電圧でブレークダウンが起きるのに対し、低温液体が窒素の場合、１mm当たり３０キロボルト（３０kv／mm）から４０キロボルト（４０kv／mm）程度の電圧でブレークダウンが起きる（この値は、温度や空気の湿度などいくつかの要因によって変化する）。さらに、低温保持装置内の低温液体は、約３バール（bar）の圧力下にあるため、液体窒素内でブレークダウンが起きる電圧は、６０kv／mm付近まで上昇する。従って、低温液体中のブッシングの末端よりも空気中のブッシングの末端の方が、はるかに放電が起こりやすい。
【００１７】
一般的には、液体窒素中にある第二接続端子の両末端の間隔は、超伝導装置の寸法で決まる。つまり、両末端の間隔は、低温保持装置内部の寸法によって制限される。しかし、液体窒素中でブレークダウンが起きる電圧は、空気中でブレークダウンが起きる電圧よりもはるかに高いので、一般的には、液体窒素中の両末端の間隔は、決定的に重要な意味を持つというものではない。しかし、空気中にあるブッシングの両末端の間隔については、これと同様のことは言えない。この両末端の間隔は、許される外形寸法により定められた特定の制限内で、広げられなければならない。
【００１８】
図１は、低温液体を含んだ低温保持装置１４に設けられた超伝導装置１２に、中電圧または高電圧にて給電するためのデバイス１０の態様を示している。一般的には、上記低温液体には、約−２００℃の液体窒素が用いられる。従来技術では、低温保持装置１４は外壁と内壁を備え、この壁面により低温液体を入れる空間１６の範囲が規定される。これにより、この空間１６は低温状態となり、いわゆる「高温」である超伝導体の温度を約−２００℃とする。低温保持装置の内外壁間の真空度は、例えば約１０−5ミリバール（mbar）で維持されている。
【００１９】
超伝導装置１２には多種類あり、例えば、電流制限器やテスター（tester）などが挙げられる。液体窒素によりこの装置１２が冷却されることで、超伝導性となる。デバイス１０は二つのブッシング１８、１８´を備え、一方のブッシングは低温保持装置に電流を流すために使用され、他方のブッシングは低温保持装置からの電流を外部に流すために使用される。上記したブッシング両末端の一方には、第一接続端子２０、２０´がある。この端子は低温保持装置外側にあり、外気中に露出している。ブッシングのもう一方の末端には、第二接続端子２２、２２´がある。この第二接続端子は、低温保持装置内部にある。第一接続端子２０、２０´は給電装置に接続され、第二接続端子２２、２２´は超伝導装置１２に接続される。
【００２０】
ブッシング１８、１８´は同一のものであるため、ブッシング１８のみについて詳細に記載する。
【００２１】
中電圧と高電圧に適し、さらに大電流にも適したブッシングの態様が、本発明の出願人が２００５年３月１７日に出願した特許文献１と特許文献２に記載されている。
【００２２】
ブッシング１８は、銅合金製またはアルミニウム合金製であり絶縁被覆（例えばエポキシ樹脂製）２６で覆われた中央導電体２４を有している。低温保持装置１４内部にある中央導電体２４の下端部（bottom end）には第２接続端子２２があり、上端部（top end）には第１接続端子２０がある。
【００２３】
少なくとも、低温保持装置１４と隣接した中間エンクロージャ（intermediate enclosure）２８部には、熱伝導率の低い固体材料を使用するのが好ましい。熱伝導率の低い固体材料には、ポリウレタンフォーム、または例えば「フォームガラス」の商標で市販されている気泡ガラスといった発泡体（foam）の形状をしたものなどがある。
【００２４】
上記絶縁被覆２６で覆われた中央導電体２４は、漏れ止め用のファスナーフランジ（fastener flange）３０と、ファスナーフランジ３０の上側にある中間エンクロージャ（intermediate enclosure）２８の底面と、中間エンクロージャ２８のやや上方に位置する漏れ止め用ファスナーフランジ（fastener flange）３２と、中間エンクロージャ２８の上面を貫通している。さらにこの絶縁被覆２６で覆われた中央導電体２４は、このファスナーフランジ３２の上にある外気温のエンクロージャ３４の内部を貫通している。中央導電体２４は、エンクロージャ３４の上端部から突き出て、第一接続端子２０を形成する。中間エンクロージャの温度は、外気温と低温流動体の間の温度である。
【００２５】
導電性スクリーン（electrically conductive screen）３６は金属製であることが好ましい。さらに、導電性スクリーン３６は、絶縁被覆２６の全体または少なくとも一部分（つまり、絶縁被覆の一定範囲）に、絶縁被膜の周囲に密着させるように設けるのが好ましい。導電性スクリーン３６を用いることで、絶縁被覆２６の前記部分に金属層が形成されるのが好ましい。絶縁被覆外面に形成された金属層の例には、この外面に吹き付けられた亜鉛を挙げることができる。導電性スクリーン３６は、少なくとも、ファスナーフランジ３０のやや上方に位置する中間エンクロージャ２８の底面からフランジ３２の部分（つまり、中間エンクロージャ２８と外気温のエンクロージャ３４の境界部）まで設けられている。導電性スクリーン３６は接地されている。これにより、中央導電体２４に沿った電界は、もっぱらブッシング内部、より正確には中央導電体２４とスクリーン３６の間に制限されることになる。
【００２６】
絶縁被覆２６の底面側末端は、ファスナーカラー（fastener collar）４０を有するバルブ（bulb）３８により終端処理されている。バルブ３８は、カラー４０（collar）の位置において最も張り出た形状をしている。フランジ３０によりバルブ３８のカラー４０が固定され、この結果絶縁被覆２６が固定される。このようにしてフランジ３０により低温保持装置１４内壁の漏れが止められる。バルブ３８の張り出た形状の部分は、カラー４０のところまで導電性スクリーン３６によって覆われている。
【００２７】
外気温のエンクロージャ３４の側壁は、電気絶縁体（例えば、一般に「ファイバー混入強化ポリマー（fiber reinforced polymer）」（FRP）といわれるガラスファイバーを入れて強化したエポキシ）で構成される。この側壁の外面には、絶縁性材料（例えばシリコン）製の一連のフィン（fin）または「シェッド（shed）」がある（図１には記載していない）。これは、側壁外面の漏れ電流が通る経路を延ばすことを目的としたものである。外気温のエンクロージャ３４は、シリコン油（silicone oil）といった優れた電気絶縁性を有する液体で満たされている。さらには、この電気絶縁性の液体が、容易にエンクロージャの温度を外気温に安定させるために、中央導電体２４の周囲に優れた電気絶縁性が与えられる。
【００２８】
導電性スクリーン３６の末端がきている絶縁被覆２６の部分は、外気温のエンクロージャ３４内部にあるストレスコーン（stress cone）４２により囲まれている。ストレスコーン４２には、導電性部位がある。この導電性部位は、導電性スクリーン３６及び例えば半導体テープ（semiconductivetape）からなるタッピング（taping）を経由などして導電性の漏れ止め用ファスナーフランジ３２と、電気的に接続されている。導電性スクリーン３６の末端は、ファスナーフランジ３２のところにあってもよく、または図1で示したようにストレスコーン４２の導電性部位のところまで伸びていてもよい。ここで重要なのは、導電性スクリーン３６とストレスコーン４２の間で優れた電気的導通性を有していることである。ストレスコーン４２には、電界の向きの線（electric field lines）を屈折させるか広げる機能がある。これによりブレークダウンの原因となりうる電気的不連続性を回避することができる。
【００２９】
本発明では、外気中に露出した第一接続端子２０、２０´間の間隔Dは、低温液体中に位置する第二接続端子２２、２２´間の間隔ｄよりも大きい。さらに、上記間隔D、ｄは、第一接続端子間、第二接続端子間それぞれにおいて放電が起きる間隔よりも広い間隔とする必要がある。この間隔Dの最小値は、当然、本発明に係るデバイスが使用される電気的条件（超伝導装置に印加される電圧と電流の最大値）と外気的条件（例えば空気湿度や温度）の影響を受ける。間隔Dは、印加される電圧値に応じて、前記第一接続端子２０、２０´間で生じる電界が１kv/mm以下となるように決定される。
【００３０】
本発明は、いくつかの態様で実施することが可能である。例えば、中央導電体２４、２４´が直線のとき、ブッシング１８、１８´のうちの少なくとも一方が、垂直方向４４に対してaの角度にて傾斜している態様があるが、図１に示したように、両方のブッシングが垂直方向４４に対して傾斜しているのが好ましく、より好ましくはブッシング１８が−ａの角度で、ブッシング１８´が＋aの角度で傾斜している態様である。前記傾斜の角度aは、５°〜９０°の範囲が好ましい。
【００３１】
他に、一方のブッシングが低温保持装置の頂上部に、他方のブッシングが低温保持装置の側面部に設けられ、この二つのブッシングが相互にほぼ垂直の関係で取り付けられている態様であってもよい。二つの中央導電体２４、２４´及び二つのブッシング１８、１８´は一平面上（single plane）にある。このことは図１に示した実施態様にも当てはまる。指摘されている平面は、まさに図１の紙面に相当する。
【００３２】
低温保持装置１４は、その上端部位（top portion）に空間１６の拡張部（enlargement）４６が設けられるのが好ましい。この空間１６の拡張部（enlargement）４６は第二接続端子２２、２２´間の上方に設けられている。気泡が低温保持装置内部に生成すると低温液体表面に向かって上昇し、空間１６の拡張部４６内にたまる。従って、空間１６の拡張部４６にガスの溜りが形成される。ガスの発生原因は、一般的には、ジュール効果により超伝導装置１２が加熱されて、低温液体が沸騰することによる。このとき、低温液体は部分的に加熱される。この加熱される部分には、例えば第二接続端子２２、２２´の周辺部が挙げられる。生成した気泡は低温液体中を上昇し、最終的に気泡は空間１６の拡張部４６中に溜まる。
【発明の効果】
【００３３】
ブッシングの傾斜には、気泡の上昇を促す効果がある。ブッシングが垂直の場合、生成した気泡が第二接続端末２２、２２´の周辺部やバルブ３８、３８´の底面部に溜まることとなる。ブッシングが傾斜していることにより、気泡が低温液体中、特に第二接続端子２２、２２´周辺部に溜まるのを回避できる。その結果、低温液体中で放電が起きるのを防ぐことができる。ブッシング１８、１８´またはブッシング間の位置より空間１６の拡張部４６の位置が高くても、超伝導装置１２に給電するためのデバイスや低温保持装置の機能を妨げることはない、ということが見出された。さらに、低温保持装置が使用されるとき、空間１６の拡張部４６は低温液体で満たされているため、全体の熱容量（thermal mass）は増大する。
【００３４】
上記空間１６の拡張部４６内のガス圧が設定値を超えると、所定の圧力を検知した安全弁（safety valve）４８が自動的に開く。空間１６の拡張部４６内のガス圧が設定した値に戻ると、安全弁４８は、裂け目のある膜を備えた破裂板（rupture disk）により元の位置に戻される。
【００３５】
本明細書で開示した態様以外の実施態様は、本発明の範囲を超えることのない従来技術を用いて発明することができる。例えば、ブッシングの形状は、直線ではなく曲げたものであってもよい。特にブッシング１８、１８´の実施態様は、単に一例を示したものに過ぎず、ブッシングが中電圧または高電圧に耐えることができる範囲で、他の態様で使用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】中電圧または高電圧にて、低温液体を含んだ低温保持装置１４に設けられた超伝導装置１２に給電するためのデバイス１０を示した図である。
【図１】
2007104895.tif 000003
【外国語明細書】
1.  Title of Invention
A DEVICE FOR FEEDING ELECTRICITY TO A SUPERCONDUCTIVE APPARATUS UNDER MEDIUM OR HIGH VOLTAGE
2. Detailed Description of Invention
The present invention relates to a device for feeding electricity to a superconductive apparatus under medium or high voltage, where the magnitude of the current can be high.
A superconductive element or apparatus contained in a cryostat filled with a cryogenic liquid can transport high-current electricity without losses by the Joule effect.  However, in order to supply high-current electricity to the superconductive element, it can be necessary to feed it under medium or high voltage.  Below, when describing the present invention, the term "medium or high voltage" is used to designate voltages greater than about 50 kilovolts (kV).
Electricity is conveyed from a source situated in ambient air, and thus at ambient temperature, to the superconductive element situated in a cryostat, and thus at cryogenic temperature, by using a feed-through device known as a "bushing", which mainly comprises a central electrical conductor surrounded by an insulating sheath.  A bushing must accomplish the temperature transition over a reasonable length while ensuring that losses by thermal conduction are low so as to avoid too great a flow of heat being transmitted into the cryogenic liquid, thereby leading to it boiling.  In addition, the bushing must be capable of conveying electricity at high current and it must be capable of withstanding high voltage.
In order to feed a superconductive element with electricity, it is necessary to use one bushing for current inflow and another bushing for current outflow.  If the feed voltage is high, there is a risk of electrical discharge occurring between the two ends of the two bushings that are situated in the ambient air.  In other words, the electric field between those two ends can become great enough to lead to an electric arc forming between the two ends that are situated in air, i.e. to a "breakdown" in air.  That phenomenon occurs essentially when there is a fault in the superconductive element, or when its current-carrying capacity is exceeded, e.g. during a current surge on the network.  Under such circumstances, electrical continuity between the two bushings is interrupted, at least temporarily, meaning that one of the bushings remains at the high voltage potential while the other is to be found at a potential close to ground potential.  Spacing the two bushings apart by a distance that is sufficient to avoid a breakdown occurring, e.g. a distance of several meters, cannot be envisaged because of the dimensional constraints imposed on the cryostat containing the superconductive element.  The size of the cryostat is limited for reasons of cost, both manufacturing cost and running cost.  The present invention proposes a device that makes it possible to avoid an electric discharge appearing.
Another problem associated with feeding electricity that might be at high current and under high voltage, lies in the temperature of the cryogenic fluid being raised locally, and thus to gas forming, which might be due to a defect in the superconductive element, or more simply to the nature of said element.  For example, if the superconductive element is a current limiter immersed in liquid nitrogen, the current limiter ceases to be superconductive if the magnitude of the current carried thereby exceeds a certain threshold.  The current limiter then heats up by the Joule effect, thereby leading to local boiling of the liquid nitrogen, and thus to bubbles of nitrogen gas forming.  Since nitrogen in gaseous form is much less electrically insulating than nitrogen in liquid form, an electric discharge can then occur within the cryostat, e.g. between the two ends of the two bushings that are situated inside the cryostat.  An embodiment of the present invention provides a solution to this problem.
More precisely, the present invention relates to a device for feeding electricity under medium or high voltage to a superconductive apparatus contained in a cryostat including a cryogenic liquid, the device comprising two bushings, each comprising a central electrical conductor, a first connection terminal situated outside the cryostat, and a second terminal situated inside the cryostat, the first terminals of the bushings being for connection to a source of electricity under medium or high voltage, and the second terminals of the bushings being for connection to the superconductive apparatus.
According to the invention, the distance between the first connection terminals is greater than the distance between the second connection terminals, said distances being sufficient to avoid an electric discharge either between the first terminals or between the second terminals.
In a preferred embodiment, the electrical conductors are substantially rectilinear in shape, and at least one of the conductors is inclined relative to the vertical.
In another embodiment, the electrical conductors of the bushings are substantially rectilinear in shape, one of the conductors being inclined at angle +a relative to the vertical and the other being inclined at an angle -a relative to the vertical.  The electrical conductors may both be contained substantially in a single plane.
Advantageously, each of the bushings comprises in succession an enclosure at intermediate temperature between ambient temperature and cryogenic temperature, and an enclosure at ambient temperature, said central conductor passing through said enclosures and being surrounded by an electrically insulating sheath.
Preferably, an electrically conductive screen connected to ground potential surrounds the insulating sheath over a segment that extends substantially from the second connection terminal of the bushing to at least the junction between the intermediate enclosure and the enclosure at ambient temperature.
In another embodiment, the cryostat includes an enlargement in its upper portion, the enlargement being situated higher than the second terminals.  Any gas present in the cryogenic liquid can rise through the liquid and then become located in the enlargement where it might possibly form a pocket of gas.
The cryostat may include a safety valve situated above the enlargement, said valve opening when the pressure of the gas present in the enlargement, if any, exceeds a predetermined value.
3.  Brief Description of Drawings
Other characteristics and advantages of the invention appear from the following description given purely by way of example and made with reference to the drawing in which the sole figure shows an embodiment of the invention.
Firstly, it should be observed that the electric field value that leads to an electric discharge is much higher in the cryogenic liquid than it is in air.  By way of example, if the liquid is nitrogen, the breakdown voltage is about 30 kilovolts per millimeter (kV/mm) to 40 kV/mm as compared with about 1 kV/mm for air (which value varies depending on several factors including temperature and air humidity).  In addition, the cryogenic liquid inside the cryostat is under pressure, about 3 bars, thereby increasing the breakdown voltage in liquid nitrogen to a value close to 60 kV/mm.  An electric discharge is therefore much more likely to occur between the ends of the bushings situated in air than between the ends of the bushings situated in the cryogenic liquid.  The distance between these two ends in the liquid nitrogen is generally determined by the dimensions of the superconductive apparatus, and in any event is imposed by the inside dimensions of the cryostat.  However, since the breakdown voltage in liquid nitrogen is much higher than the breakdown voltage in air, this distance is generally not critical.  However, the same is not true of the distance between the two ends of the bushings that are situated in air.  This distance must therefore be increased, within certain limits determined by acceptable overall size.
The sole figure shows an embodiment of a device 10 for feeding electricity under medium or high voltage to a superconductive apparatus 12 contained in a cryostat 14 including a cryogenic liquid.  The liquid is generally liquid nitrogen at a temperature of about -200°C.  In conventional manner, the cryostat 14 comprises an outer wall and an inner wall, which defines a space 16 containing the cryogenic liquid.  This space is thus at cryogenic temperature, which for so-called "high temperature" superconductors is about -200°C.  A vacuum e.g. of about 10-5 millibars (mbar) is maintained between the two walls of the cryostat.
The apparatus 12 can be of various types, such as a current limiter or a tester, for example.  The apparatus 12 is cooled by the liquid nitrogen so as to be found in a state of superconductivity.
The device 10 comprises two bushings 18 and 18', one serving for current inflow into the cryostat and the other serving for current outflow from the cryostat.  Each bushing has a first connection terminal 20 or 20' at one of its two ends that is situated outside the cryostat in ambient air, and has a second connection terminal 22 or 22' at its other end situated inside the cryostat.  The first terminals 20 and 20' are connected to an electricity feed and the second terminals 22 and 22' are connected to the apparatus 12.
Since the bushings 18 and 18' are identical, only the bushing 18 is described in detail.
By way of example, two embodiments of bushings suitable for medium and high voltages and for currents that might be high are described in patent applications FR 05/50694 and FR 05/50695 filed by the present Applicant on March 17, 2005.
The bushing 18 comprises a central conductor 24 made of copper or of aluminum alloy, surrounded by an electrically insulating sheath 26, e.g. made of epoxy.  The bottom end of the central conductor 24 that is situated inside the cryostat 14 constitutes the second connection terminal 22.  The top end of the central conductor forms the first connection terminal 20.
An intermediate enclosure 28, adjacent to the cryostat 14, is preferably filled at least in part with a solid material presenting low thermal conductivity.  This material may be in the form of a foam, such as a polyurethane foam or a cellular glass foam, e.g. of the kind that is commercially available under the trademark Foamglass.  The central conductor 24 and the sheath 26 pass through the bottom wall of the intermediate enclosure 28 via a leaktight fastener flange 30, and through the top wall via a leaktight fastener flange 32.  Above this fastener 32, the central conductor and the sheath are contained in an enclosure 34 at ambient temperature.  The central conductor 24 projects from the top of the enclosure 34 to form the first connection terminal 20.  The intermediate enclosure is at a temperature that lies between ambient temperature and the temperature of the cryogenic fluid.
An electrically conductive screen 36 is preferably made of metal and fits tightly around the insulating sheath 26 over at least a segment of the sheath, i.e. over a certain length thereof.  This screen is advantageously implemented by metallizing the insulating sheath over said segment.  The metal deposited on this outer wall may be constituted by zinc, for example, sprayed onto the outer wall of the sheath.  The screen 36 extends from the bottom of the intermediate enclosure 28 slightly above the fastener flange 30, to a point at least as far as the flange 32, i.e. to the junction between the intermediate enclosure 28 and the enclosure 34 at ambient temperature.  The screen is electrically connected to ground potential.  Its function is to confine the electric field along the central conductor 24 solely inside the bushing, and more precisely between the central conductor 24 and the screen 36.
The bottom end of the insulating sheath 26 is terminated by a bulb 38 that includes a fastener collar 40.  The portion of the bulb situated above the collar 40 presents a flaring shape with the most widely flared portion being at the collar.  The flange 30 fastens the collar 40 of the bulb 38, and thus the sheath 26, in leaktight manner to the inside wall of the cryostat 14.  The screen 36 covers the flared shape of the bulb 38 as far as the collar 40.
The side wall of the enclosure 34 at ambient temperature is constituted by an electrical insulator, for example glass fiber reinforced epoxy commonly referred to as "fiber reinforced polymer" (FRP).  The outside surface of this wall carries a succession of fins or "sheds" (not shown) of insulating material, e.g. silicone, for the purpose of lengthening the path followed by any leakage current on its surface.  The enclosure 34 at ambient temperature is filled with a liquid that is a good electrical insulator, such as silicone oil.  In addition to providing good electrical insulation for the central conductor 24, the insulating liquid makes it easier to stabilize the temperature of the enclosure to ambient temperature.
A stress cone 42 situated inside the enclosure 34 at ambient temperature surrounds the sheath 26 where the screen 36 comes to an end.  The stress cone 42 includes a conductive portion which is electrically connected to the screen and also to the electrically conductive leaktight fastener flange 32, e.g. via taping made up of semiconductive tapes.  The screen 36 may come to an end at the fastener flange 32, or as shown in the sole figure, it is extended directly as far as the conductive portion of the stress cone 42, the essential point being to provide good electrical continuity between the screen 36 and the conductive portion of the stress cone.  The function of the stress cone is to deflect or flare the electric field lines where the screen comes to an end so as to avoid any discontinuity that could lead to electrical breakdown.
According to the present invention, the distance D between the two first connection terminals 20 and 22 situated in air is greater than the distance dbetween the two second connection terminals situated in the cryogenic liquid.  In addition, the distances D and d must be greater than the distances at which electric discharge would occur respectively between the two first connection terminals or between the two second connection terminals.  The minimum value for the distance D naturally depends on limiting atmospheric and electrical conditions in which the device is to be used, such as air humidity and temperature, and on maximum values for the current and the voltage that are to be applied to the superconductive apparatus.  For a given voltage value, the distance D is selected so that the electric field created between said first terminals 20 and 20' is less than 1 kV/mm.
Several embodiments are possible for achieving this result.  For example, when the central conductors 24 and 24' are rectilinear, as is the case for the embodiment shown in the sole figure, at least one of the bushings 18 and 18' is inclined at an angle arelative to a vertical direction 44.  Advantageously, both bushings are inclined relative to the vertical, the bushing 18 being inclined at an angle -a and the bushing 18' at an angle +a.  The angle of inclination amay lie in the range 5° to 90°.  It is possible to envisage an embodiment in which one of the bushings is at the top of the cryostat and the other on one side, the two bushings then extending substantially perpendicularly.  The two central conductors 24 and 24', and by extension the two bushings 18 and 18', may be contained in a single plane.  This applies to the embodiment shown, where the plane in question is that of the drawing.
The cryostat 14 preferably includes an enlargement 46 in its top portion.  This enlargement is situated above the second terminals 22 and 22' and between said terminals.  If bubbles of gas form inside the cryostat, the gas will rise to the surface of the cryogenic liquid and accumulate in the enlargement 46, thus forming a pocket of gas.  Gas formation is generally the result of the cryogenic liquid boiling, due to the superconductive apparatus 12 heating by the Joule effect.  Such heating may be localized, e.g. around the second connection terminals 22 and 22'.  In which case bubbles of gas form that rise through the liquid so as to end up being trapped in the enlargement 46.  The inclination of the bushings encourages the bubbles to rise.  If the bushings were in a vertical position, then the bubbles of gas would tend to accumulate around the terminals 22 and 22' and the bottom portions of the bulbs 38 and 38'.  This thus serves to avoid bubbles accumulating in the liquid, in particular around the second terminals 22 and 22', thus preventing an electric discharge in the cryogenic liquid.  It should be observed that the location of the enlargement 46, higher than the bushings 18 and 18' and between them, does not in any way impede the operation of the device or of the cryostat.  In addition, the enlargement 46 may advantageously be full of cryogenic liquid when the cryostat begins to be used, thereby increasing its overall thermal mass.
A safety valve 48, rated to a predetermined pressure, opens automatically when the pressure of the gas in the enlargement 46 exceeds the threshold pressure.  This valve may be replaced by a rupture disk comprising a membrane that tears when the pressure of the gas reaches the threshold pressure.
Embodiments other than those described and shown can be devised by the person skilled in the art without going beyond the ambit of the present invention.  For example, the bushings could be curved in shape rather than being rectilinear.  Similarly, the particular embodiment of the bushings 18 and 18' is merely one example and other embodiments could be used, insofar as the bushings are capable of withstanding medium or high voltages.
Claims
1. A device (10) for feeding electricity under medium or high voltage to a superconductive apparatus (12) contained in a cryostat (14) including a cryogenic liquid, the device comprising two bushings (18, 18') each comprising a central electrical conductor (24, 24'), a first connection terminal (20, 20') situated outside the cryostat, and a second terminal (22, 22') situated inside the cryostat, the first terminals (20, 20') of said bushings being for connection to an electricity source under medium or high voltage, and the second terminals (22, 22') of said bushings being for connection to said apparatus (12), said device being characterized in that the distance D between said first connection terminals is greater than the distance d between said second connection terminals, said distances D and d being sufficient to avoid an electric discharge either between said first terminals (20, 20') or between said second terminals (22, 22').
2. A device according to claim 1, characterized in that said electrical conductors (24, 24') are substantially rectilinear in shape, and at least one of said conductors is inclined relative to the vertical (44).
3. A device according to claim 2, characterized in that the angle of inclination a formed by said conductor relative to the vertical is an angle lying in the range 5° to 90°.
4. A device according to claim 2 or claim 3, characterized in that one of the conductors (24') is inclined at an angle +a relative to the vertical, and the other conductor (24) is inclined at an angle -a relative to the vertical.
5. A device according to any one of claims 2 to 4, characterized in that said electrical conductors (24, 24') are contained substantially in a single plane.
6. A device according to any preceding claim, characterized in that said first connection terminals (20, 20') are situated in air, with the distance D between said first terminals being selected for a given voltage value in such a manner that the electric field created between said first terminals is less than 1 kV/mm.
7. A device according to any preceding claim, characterized in that said first and second terminals (20, 20'; 22, 22') are respectively at ambient temperature and at cryogenic temperature, each of said bushings (18, 18') comprising in succession an enclosure (28) at a temperature intermediate between ambient temperature and cryogenic temperature, and an enclosure (34) at ambient temperature, said central conductor (24) passing through said enclosures and being surrounded by an electrically insulating sheath (26).
8. A device according to claim 7, characterized in that said enclosure (28) at intermediate temperature is filled with a solid material of low thermal conductivity.
9. A device according to claim 7 or claim 8, characterized in that an electrically-conductive screen (36) connected to ground potential surrounds said insulating sheath (26) over a segment extending substantially from said second connection terminal (22) at least as far as the junction (32) between the enclosure at intermediate temperature and the enclosure at ambient temperature.
10. A device according to any preceding claim, characterized in that the cryostat (14) includes an enlargement (46) in its top portion, said enlargement being situated higher than said second terminals (22, 22'), any gas present in said cryogenic liquid rising through said liquid and becoming located in said enlargement in which it may form a pocket of gas.
11. A device according to claim 10, characterized in that said enlargement (46) is situated between said bushings (18, 18').
12. A device according to claim 10 or claim 11, characterized in that said cryostat (14) includes a safety valve (48) situated at the top of said enlargement (46), said valve opening when the pressure of any gas present in said enlargement exceeds a predetermined threshold pressure.
１.Abstract
The invention provides a device (10) for feeding electricity under high voltage to a superconductive apparatus (12) situated in a cryostat (14).  The device comprises two bushings (18, 18') each comprising a first connection terminal (20, 20') situated outside the cryostat, and a second connection terminal (22, 22') situated inside the cryostat.  According to the invention, the distance D between the first connection terminals is greater than the distance d between the second connection terminals, the distances D and dbeing sufficient to avoid electric discharge either between the first terminals (20, 20') or between the second terminals (22, 22').  Advantageously, the cryostat includes an enlargement (46) situated above the two bushings (18, 18') and between them.
2.Representative Drawings  Figure 1
2007104895.tif 000004