昭 和 電 線 レ ビ ュ ー10Vol. 66 (2020)

6 kV 3000 A 三相同軸超電導ケーブル用中間接続部の開発および実証試験開始
Development of Cable Joint for 6 kV 3000 A Tri-Axial
Superconducting Cable System and Start Actual Test
足立和久

Kazuhisa ADACHI中西達尚

Tatsuhisa NAKANISHI

三堂信博

塩原敬

Kei SHIOHARA青木裕治

Nobuhiro MIDO

Yuji AOKI

筆者らは交流損失が少なくコンパクトな三相同軸超電導ケーブルを開発してきた。この度，三相同軸超電導ケーブル用の中間接続部を新たに開発し，BASF ジャパン株式会社殿戸塚工場に全長約 200 m の 6 kV 3000 A
三相同軸超電導ケーブルを敷設し，実証試験を開始した。
本論文では三相同軸超電導ケーブル用中間接続部の設計コンセプト，検証試験，型式試験および実証試験の工事状況，初期冷却状況について報告する。

We had developed tri-axial superconducting cable that is low AC loss and compact. In this time, we have newly
developed a cable joint for tri-axial superconducting cable. Recently, this newly joint and 6 kV 3000 A tri-axial
superconducting cable with a total length of about 200 m, have been installed to the Totsuka site of BASF Japan Ltd, forthe actual test of superconducting cable system.
This paper is scribed to the concept of cable joint of tri-axial superconducting cable, factory test of joint, type test ofcable, and situation of setup cable system.

1．はじめに高温超電導ケーブルシステムは液体窒素温度で抵抗が 0になる超電導現象を利用する事により，送電ロスを大幅に導ケーブルを市内の変電所を繋ぐケーブルとして使用し，3 年間の実証試験を無事に終了した 7）。韓国でも韓国電力が主体となり，同様の開発を進めている 8）。

低減する事が可能となる特長を有している。そのため世界三相同軸超電導ケーブルは以下の特長を有している。

各国で精力的に研究開発が進められている。我々は高温超

1.	外部導体に超電導線材を使用しないため，超電導線材電導線材の第 2 世代と呼ばれる YBa2Cu3Oy（YBCO）線材を他の製造プロセスと比較して低コストの製造が可能なMetal Organic Deposition（MOD）法の線材を開発，製造している 1），2）。この線材を使用して 35 kV 600 A 超電導ケーブルを開発し，KEMA の認証試験に合格した 3），4）。そのの使用量を減らすことができる。
2.	同軸構造にすることで形状的に大幅なコンパクト化が可能となる。
3.	三相同軸構造とすることにより磁場が打ち消しあい漏れ磁界が発生しない。

後，三相同軸ケーブルの開発に着手，22 kV および 11 kV

4.	内部流路と外部流路の往復により液体窒素を循環する

3000 A 三相同軸超電導ケーブルとその終端接続部を開発ことが可能であり，液体窒素のリターン管を別に用意した 5），6）。

する事が不要となる。

三相同軸超電導ケーブルは冷却管として機能するステン

5.	上記の要因が積算される事により大幅に低コスト化でレスフォーマーの上に U，V，W 相の超電導線材と絶縁層きる。

を交互に同軸状に三相重ねて配置，更にその上に遮蔽層を今回，私たちは BASF ジャパン株式会社殿のご協力によ設けた最もコンパクトな超電導電力ケーブルである（図 1）。

り同社戸塚工場に三相同軸ケーブル，中間接続部，終端接三相同軸超電導ケーブルの開発は，世界を見渡すとフラン続部を敷設して，1 年間の実証試験を開始した。YBCO 線スの Nexans S.A. 社が開発を行い，Ampacity プロジェク材を使用した民間プラント内の三相同軸超電導ケーブルのトで試験を行った。このプロジェクトでは，三相同軸超電実証試験は世界で初めてであり，非常に重要な試験である。

6 kV 3000 A 三相同軸超電導ケーブル用中間接続部の開発および実証試験開始

11

内部冷却管
絶縁層
遮へい層

真空断熱層

U相線材
V相線材

図1

三相同軸超電導ケーブルの模式図

2．三相同軸超電導ケーブル
2.1

防食層

W相線材

図3

中間接続部モデル

中間接続部開発

設計コンセプトブッシング

今回開発した三相同軸超電導ケーブル用中間接続部は，接続する双方のケーブルの中心に位置する内部冷却管をスリーブで接続し，その上に U 相，V 相，W 相，各相の線材と絶縁層を交互に同軸状に配置し，その上に遮へい層をクライオスタット配置した。超電導層は接続用の線材を渡して接続した。各相の外径は，ケーブルと同じ外径となるように設計した。
中間接続部の絶縁外径をケーブルと同じにすることで液体窒素の流れを阻害する事や流れの乱れを低減し，冷却時の熱収縮による位置ずれの影響も無くした。

図4

中間接続部単体耐電圧試験形態

また，ケースはスライド式とする事により，中間接続部全体をコンパクト化する事に成功した。設計した中間接続部の外観図を図 2 に示す。

図22.2電圧

三相同軸超電導ケーブル用中間接続部外観図

中間接続部

工場内試験

設計した中間接続部の性能を確認するために，単相接続した 1.2 m 長の中間接続部モデルを試作した。試作したモデルを図 3 に示す。
絶縁性能確認のために中間接続部モデルをブッシング

図5に吊るし，クライオスタット内に配置した。クライオス

中間接続部

直流通電試験モデルの形態

タットを一晩真空引きし，その後液体窒素で 4 時間以上浸漬して冷却した後，商用周波耐電圧試験，雷インパルス

表1

中間接続部単体検証結果

耐電圧試験と部分放電試験を行った。試験時の状況（機材No.

試験規格配置）を図 4 に，結果を表 1 に示す。

1商用周波耐電圧試験

26 kV 30 分

良2

雷インパルス耐電圧試験± 75 kV/ 各 10 回

良3

商用周波部分放電試験

19 kV にて発生せず

良

4単体モデル通電試験

臨界電流（Ic）3000 A 以上

良通電性能の確認のために，図 5 に示す様に，50 cm 程度の単相中間接続部モデルを作った。この試料をオープンバスタイプの容器を用いて液体窒素浸漬冷却を行い，直流四端子法により臨界電流（Ic）測定を行った。
試作した中間接続部モデルは表 1 に示す様に全ての試験を満足した。

2.3

結果

中間接続部を含めた CIGRE TB538 型式試験

型式試験のために 30 m 長の三相同軸超電導ケーブルを試作した。2 つの終端接続部と 1 つの中間接続部を含めたループを作り，CIGRETB538 に準拠した型式試験を実施した。試験状況を図 6 に示す。表 2 に示す通り全ての試験を満足し，問題ないことを確認した。

昭 和 電 線 レ ビ ュ ー

12Vol. 66 (2020)

万が一短絡事故等が発生した場合，瞬間的（数波程度）に超電導ケーブルに大電流が流れるが，超電導ケーブルはフラックスフロー状態（磁束に働くローレンツ力がピンニング力を超えて磁束が動き出す状態）となる為に抵抗が発生，限流作用を示す事が以前実施した短絡試験で分かっている。
本回路は，超電導ケーブルの臨界電流（Ic）を超える電流を常電導ケーブル側に分流し，超電導ケーブルはケーブル独自の限流作用により通電電流を限流する為にクウェンチから保護されることを意図したものになっている 9）。
図6

CIGRE
表2項目

3.2

TB538 型式試験の状況

ケーブル敷設のために地上高 5 m の既設ガス配管の上に型式試験結果
要求性能結果圧力試験

設計値圧力× 10 分保持，漏れが無い事

合格

課通電試験

AC21 kV の電圧を印加，8 時間通電と 16 時間の非通電を 20 回繰り返す

合格

交流耐電圧

AC26 kV の電圧負荷に耐えること

合格

AC11 kV × 30 分の電圧印加後，± 60 kV ×
10 回 の イ ン パ ル ス 電 圧 を 印 加 し， 其 の 後AC26 kV × 30 分の電圧に耐えること

合格

AC19 kV の電圧印加に対して部分放電を発しないこと

合格

雷インパルス耐電圧試験
部分放電試験

ケーブル敷設

トラフを設置した。トラフ形状としたのは，事故時に漏れ出した液体窒素を受ける為の安全上の配慮である。
敷設のために地上から地上高 5 m の位置に至る緩いステージを作り，ケーブルを設置するトラフに平行に足場を設置した。製造した三相同軸超電導ケーブルを低床トレーラーにて BASF ジャパン株式会社殿戸塚工場に搬入した。敷設の際にはキャタピラを用いてケーブルを引き込んだ。ケーブルは送電側と受電側の両側から各々敷設し，中央部で 2 か所の中間接続部により両側のケーブルを接続した。2 か所の3．実証試験（戸塚プロジェクト）

中間接続部の間隔は約 10 m であり，この間のケーブルにはBASF ジャパン株式会社殿のご協力により，同社戸塚工BASF 社の関連会社が製造した超電導線材を使用した 10）。

場内で実証試験を行う為の構内配線の提供を受けた。この冷却時の熱収縮を緩和する事を考慮して，敷設後にスネー

線路は約 200 m 離れた 2 つの建屋を接続し，電力を供給すク処理を施した。ケーブル敷設方法を図 8 に，敷設状況をる線路であり，約 1 年間に亘る実証試験を計画した。

図 9 に示す。

変電設備や終端接続部は地上に配置されているが，化学系のプラントである為，構内のユーティリティは地上高 5 m のラック上に配置する事が求められており，超電導ケーブルも同ケーブル延線作業概要様に敷設する必要が生じた。そのため，超電導ケーブルは地上から 5 m 上まで，限られた敷地内で立ち上がる必要がある。
中間接続部は 2 か所，地上高 5 m の位置に配置した。
なお，今回の課電電圧は 6 kV である。
概略図を図 7 に示す。

②ケーブル延線①仮設足場構築
D501側

D501側

グランド

グランド

D307側

D307側

④ケーブル設置③ケーブル延線

D501側

D501側

グランド

グランド

D307側

図8D307側

ケーブル敷設方法

出典：国土交通省 国土地理院

図73.1

BASF ジャパン株式会社殿戸塚工場内
三相同軸超電導実証試験概略図

ケーブル回路

今回敷設する超電導ケーブルは従来使用してきた常電導ケーブル 6 kV CVT3 × 60 sq 200 m と並行して敷設する回路とし，既設の CVT ケーブルを保護回路として利用した（図 13 参照）。

図9

BASF ジャパン株式会社殿戸塚工場

ケーブル敷設状況

6 kV 3000 A 三相同軸超電導ケーブル用中間接続部の開発および実証試験開始

3.3

中間接続部組み立て

13

サブクーラー容器内部の液体窒素から気化した窒素ガス

地上高 5 m の位置に組み立てブースを作製し，中間接続を真空ポンプで排気する事により，更に液体窒素を蒸発さ部の組み立てを実施した。ケース端部はアルミコルゲートせる。この時生じる蒸発潜熱を利用してサブクーラー内部に現地で溶接した。完成した中間接続部を図 10 に示す。の液体窒素を冷やしてサブクール状態にする機構である。
ケーブル内を循環する液体窒素は，サブクーラー内部に設置された熱交換器を通過する際に冷却されるシステムとなっている。また，液体窒素を圧送する循環ポンプも本プロジェ
クト内で株式会社エア・ウォーター殿が開発したものであり，連続 10000 時間，メンテナンスフリーで運転する事を狙ったものである。
冷却装置を図 12 に示す。

図 103.4

三相同軸超電導ケーブル中間接続部

終端接続部組み立て

終端接続部は変電設備付近の地上に設置した。ケーブルは，終端接続部の第 1 クリートに固定された位置からすぐ

図 12に 5 m 上まで立ち上がる構造とした。
冷却時の熱収縮対策として 800 mm 収縮可能なベローズ

3.6

戸塚工場に設置したサブクール冷却装置

監視システムを準備し，終端接続部本体は車輪により収縮方向に移動可超電導ケーブルシステム各部の温度，圧力，液面，真空度，能な構造とした。終端接続部先端にケーブル側の温度，圧及び冷却システムで管理する各部の温度，圧力，液面，流力，液面レベルセンサーを配置し，終端接続部の状況がわ量を常時監視して記録するシステムを導入した。サンプリン

かる構造とした。

グタイムは 1 秒間に 1 回とし，各データを記録できるシス

加えて，終端接続部には放出弁と安全弁を設置し，万一終端接続部やケーブル内部の液体窒素が気化して内圧が上昇した場合にも安全を維持する為に対応可能な機構を付与テムとした。記録したデータは戸塚工場外部からも参照可能となるようにした。
各データが管理値を超えた場合には超電導ケーブルを系統から切り離し，既設の常電導ケーブルによる通電に切りした。
図 11 に完成した終端接続部を示す。

替え，予め登録した担当者に自動的にメールが届くようにした。
監視システム系統図を図 13 に示す。
光ファイバー
異常時は電話回線で各社のPCにメール送信

監視
シス
テム
main
高圧
切換
盤

制御ケーブル
冷却装置

制御ケーブル
中間接続部

出入口側
終端接続部

監視
シス
テム
SUb

折返し側
終端接続部

既設常電導ケーブル

高圧
切換盤

制御ケーブル

図 113.5

冷却装置

冷却装置は本プロジェクトの再委託研究先である株式会社エア・ウォーター殿が開発したサブクールシステムを使用した。

図 13

三相同軸超電導ケーブル終端接続部

3.7

監視システム系統図

ケーブル側初期冷却

完成した超電導ケーブルシステムに乾燥窒素ガスを吹き流して内部を乾燥させて，露点を−60℃以下とした。
その後，初期冷却用に準備した液体窒素槽の中に設置した

昭 和 電 線 レ ビ ュ ー

14Vol. 66 (2020)

熱交換機内部を通すことで冷やした窒素ガスを作り，ケーブステムを含めた設備の構築を行った経過と初期冷却の結果ルに吹き流してケーブルを 4 K/h のスピードで徐々に冷却についても報告を行った。

した。途中，ガス窒素から液体窒素に冷媒を変更し，液体初期冷却では，5 m の高低差も超えて反対側まで順調に窒素温度まで冷却後，折り返し側終端の先端のバルブを閉冷却が進んだ。サブクール窒素を使用して，1 年間の実証じることで，液体窒素がケーブル中心のコルゲート冷却管試験を継続する。とケーブル内管を行き来させる go/return 方式で循環冷却謝させた。

辞

初期冷却時の温度変化を図 14 に，終端接続部の移動量

この論文作成に当たり，冷却システム技術について各種を図 15 に示す。終端の温度が液体窒素温度になった状態

ご教授頂いた株式会社エア・ウォーター殿，試験場所を提で収縮量が増えて，設計通りの収縮量であることを確認で供いただき，多大なるご支援を頂いている BASF ジャパン

きた。

株式会社殿に心から感謝いたします。
この成果の一部は，国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の助成金事業として得られたものです。

参考文献
1）‌中西達尚，他：昭和電線レビュー，Vol. 58，No. 1，P12-16（2008）2）‌木村一成，他：昭和電線レビュー，Vol. 60，P20-24（2014）3）‌足立和久，他：昭和電線レビュー，Vol. 61，P15-19（2015）4）‌菅根秀夫，他：昭和電線レビュー，Vol. 62，P5-8（2015）
5）‌K. Adachi, et, al: IEEE Trans. Appl. Supercond., 26, 4, Article
number 5400604, 2016. 06.
図 146）‌K. Adachi, et, al: IEEE Trans. Appl. Supercond., 27, 4, Article

初期冷却時の各部の温度変化

number 5401105, 2017. 06.
7）‌Mark Stemmle, et, al: IEEE Xplore: DOI: 10. 1049/cp. 2013. 0905.

400
出入口終端

350
300

移動量[mm]8）Eun Young Ko, et. al: IEEE Trans. Appl. Supercond., 29, 5, DOI: 10.

折返し終端

1109/TASC. 2019. 29086119）K. Adachi, et, al: IEEE Trans. Appl. Supercond., 28, 4, DOI: 10.

2501109/TASC. 2018. 279805820010）S. C. Hopkins, et. al: EEE Trans. Appl. Supercond., 26, 5, DOI: 10.
1109/TASC. 2016. 2542001

150100500020406080100120

図 15

初期冷却時の終端接続部移動量

140160Time [h]3.8

冷却装置との接続

冷却装置単体で液体窒素温度まで冷却し，超電導ケーブルと接続し，液体窒素を循環させた。今後，1 年間実証試験を継続する。

4．まとめ

我々は，第 2 世代と呼ばれる YBCO 超電導線材を使用した三相同軸型超電導ケーブルシステムの開発を実施しており，今回その中間接続部の開発を行い，本論文において設計コンセプトと工場内試験の結果について紹介した。また，BASF ジャパン株式会社殿戸塚工場内の構内配線の提供を受け，全長約 200 m の超電導ケーブルの敷設，冷却シ

6 kV 3000 A 三相同軸超電導ケーブル用中間接続部の開発および実証試験開始

昭和電線ケーブルシステム㈱足立 和久（あだち かずひさ）
基盤技術商品開発部 超電導応用製品開発課
博士（工学）
超電導ケーブルシステムの研究・開発に従事

昭和電線ケーブルシステム㈱中西 達尚（なかにし たつひさ）
基盤技術商品開発部 超電導応用製品開発課
超電導ケーブルシステムの研究・開発に従事

昭和電線ケーブルシステム㈱塩原敬（しおはら けい）
基盤技術商品開発部 超電導応用製品開発課
博士（工学）
超電導ケーブルシステムの研究・開発に従事

昭和電線ケーブルシステム㈱三堂 信博（みどう のぶひろ）
基盤技術商品開発部 超電導応用製品開発課
超電導ケーブルシステムの研究・開発に従事

昭和電線ケーブルシステム㈱青木 裕治（あおき ゆうじ）
基盤技術商品開発部 超電導応用製品開発課
課長
超電導ケーブルシステムの研究・開発に従事

15