電線･機材･エネルギー

日本初の超電導ケーブルによる実線路実証プロジェクト（高温超電導ケーブル実証プロジェクト）
大
芦
南
本
野

屋
辺
野
庄
口

正
祐
忠
昇

＊

義 ・湯
一・滝
彦・西
一・三
裕

村
川
村
村

洋
裕
智

康・渡
史・伊
崇・増
男・鬼

部
藤
田
頭

充
秀
孝

彦
樹
人
豊

The Japan’s First In-Grid Demonstration of Superconducting Cable (High-Temperature Superconducting Cable
Demonstration Project) ─ by Masayoshi Ohya, Hiroyasu Yumura, Michihiko Watanabe, Yuichi Ashibe, Hiroshi
Takigawa, Hideki Ito, Tadahiko Minamino, Takashi Nishimura, Takato Masuda, Shoichi Honjo, Tomoo Mimura, Yutaka
Kito and Yu Noguchi ─ The high-temperature superconducting (HTS) cable demonstration project has taken placesince 2007, aiming to verify the reliability and operation stability of a 66-kV, 200-MVA HTS cable in the actual power
grid. An HTS cable, termination and joint have been finalized for this demonstration project, and installed into
Sumitomo Electric’s facility as a 30-meter HTS cable system before the actual demonstration in Tokyo Electric Power
Company’s Asahi Substation in Yokohama. This verification test consists of three steps (three cooling tests) andcurrently the 1st cooling test has been completed to confirm the good properties of the system. A long-term
operation test for 30 days has also shown positive results. Subsequently, a heat-cycle test and tolerance
confirmation test will be conducted as the 2nd and 3rd cooling with this 30-meter HTS cable system.
Keywords: high-temperature superconductors, superconducting cables, power cable installation

1.

緒

言

地球温暖化対策としての CO2 排出量の削減は、電力事業

ケーブルの適用に対しては、国内実系統における実用規模においても喫緊の課題であるが、現在 5 ％前後で推移していでの実証試験が必要である。このため、2007 年度から、

る送配電ロスを低減できる有効な対策がないのが実状であ新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）による、る。また、老朽化した大容量の POF ケーブル ※ 1 の取替が国内初の超電導ケーブル実線路運転を実施する「高温超電2016 年頃から本格化すると想定されているが、容量が小さ

導ケーブル実証プロジェクト」が開始された。当社は本プ

い CV ケーブル※2 を用いる場合には増回線が必要であり、都ロジェクトに参画し、日本の電力系統において超電導ケーを建設することが困難である。

ブルシステムの信頼性を実証することで、実用化に結びつ

市部においては新たな洞道※3

超電導ケーブルは、大容量・低損失送電をコンパクトなけるべく取り組んでいる。

ことから、上記の課題を解決できる革

本稿では、「高温超電導ケーブル実証プロジェクト」を新的な技術として期待されており、次世代電力送電網の構通じた超電導ケーブルの開発状況、及び実証試験に先立っ築においても重要な技術として位置づけられ、国内外で開て実施している検証試験の結果について報告する。

形状で実現できる（1）

発及び実証試験が活発に実施されている。
当社は、高温超電導材料が発見された 1986 年より高温
超電導線材そのものを、1991 年よりその応用である三心2.

開発ターゲット

一括型高温超電導ケーブル（商標“3-in-One”）の開発を

具体的な超電導ケーブルの適用例の一つとして、現在。2006 年には、米国 ALBANY プ

275kV の地中送電ケーブルで構成される基幹系の電力送電

ロジェクトにおいて、世界で初めて実線路における送電に網への導入が挙げられる。老朽化した 275kV の POF ケー

成功した 。その後、現地無人運転にて運用を継続し、約ブルの取替策として、CV ケーブルでの代替が検討されて9 ヶ月にわたる長期送電試験を良好に完了した（5）。

いるが、CV ケーブルは POF ケーブルに比べて送電容量が継続して進めている

（2）
（
、3）

（4）

米国では実系統における超電導ケーブルの実証試験が複小さいため、CV ケーブルを用いる場合には回線数の増加

数行われているものの、日本の電力系統における超電導が必要である。この場合、新たに洞道の建設が必要である−（ 102 ）− 日本初の超電導ケーブルによる実線路実証プロジェクト（高温超電導ケーブル実証プロジェクト）

が、特に都内においては地下空間に公共インフラが集中し

い、実系統に適用し得る所定の性能、機能を有することをており、新規建設が非常に困難な状況である。一方、大容サンプル試験並びに検証システムによって確認する。その量かつコンパクトな超電導ケーブルを適用すると、既存の後、中間接続部（ジョイント）を有する三心一括型超電導

275kV ケーブルと同容量の電力を、内径 150mm の既設管ケーブルを、冷却システムや保護装置などの付帯設備とと路※4 に収容可能な 66kV 超電導ケーブルで送電可能であり、もに実系統に接続し、長期連系試験を行う。

建設コストを大幅に低減することができる。

（1）実証線路と要求仕様

具体的には、1500MVA 級の送電ルートを考えた場合、従実証試験が実施される旭変電所の定格電圧、電流、容量

来ケーブルでは 275kV 単心 CV ケーブルが 3 回線 9 条必要ではそれぞれ、66kV、1.75kA（過負荷対応時 2.25kA）、あり、ケーブルサイズにもよるが、CV ケーブルの送電損失

200MVA である。ケーブルシステムの概要は図 1 に示す通は 100W/m/回線となる。一方、66kV 三心一括型超電導ケーりであり、内径 150mm の管路内に超電導ケーブルを布設

ブルが 3 回線 3 条の場合は、交流損失 ※ 51W/m/ph@3kA、し、中間にジョイントを設けるとともに、ケーブル両端末

断熱管侵入熱 1W/m、冷却システム効率 0.1 を達成できるにて変電設備と接続される。

と、損失は（1 × 3 ＋ 1）/ 0.1 ＝ 40W/m/回線となり、CVケーブルの損失の半分以下に低減することができる。

実用化に向けた目標である 1W/m/ph@3kA の達成には、
超電導線材の性能向上が不可欠である。本目標はプロジェ

一方で、実系統線路においては、定格電流以上の事故電

クト最終年度の 2012 年度までに達成することとし、旭変流と呼ばれる大電流が流れる場合がある。特に短絡事故※ 6電所に導入する実証試験向け超電導ケーブルの要求仕様時に発生する電流は大きく、66kV 系統での最大短絡電流

は 、 実 証 線 路 の 定 格 電 流 が 1.75kA で あ る こ と か ら

条件は 31.5kA、2 秒と規定されている。超電導ケーブルの

1W/m/ph@2kA とした。ただし、過負荷対応時には最大実用化のためには、このような事故電流が流れてもケーブ

2.25kA の電流が流れるため、3kA 通電が可能なことを要ルの健全性が保たれることが要求される。

求仕様とした。

以上の検討結果より定めた超電導ケーブルの開発ター
ゲットを表 1 にまとめる。

表1

い事故※ 7 電流通過時には、事故点切り離し直後に再送電が実用化に向けた超電導ケーブルの開発ターゲット

目標

プロジェクト開始段階（2007 年）

大容量化

66kV/3kA

66kV/1kA

交流損失

1W/m/ph@3kA

0.7W/m/ph@1kA

耐短絡電流特性31.5kA、2 秒

23kA、0.67 秒

断熱管侵入熱

1W/m

2.5W/m

冷凍機効率

0.1

0.06

ケーブル外径150mm 管路対応

150mm 管路対応

3.

また、東京電力㈱にて、系統事故時に超電導ケーブルに流れる短絡電流解析を行った結果、10kA、2 秒以下のもら
行われることが判明した。このため、10kA、2 秒の事故電
流通過直後に、定格送電が可能なことも要求仕様に加えた。
表 2 に実証試験向け超電導ケーブルの開発ターゲットをま
とめる。

表2

実証試験向け超電導ケーブルの開発ターゲット目標

定格電圧・電流66kV、2kA

最大電流

3kA

交流損失

1W/m/ph@2kA

耐短絡電流特性31.5kA、2 秒（再送電無し）：ダメージなし
10kA、2 秒（再送電有り）：即時再送電可能

ケーブル外径150mm 管路対応

「高温超電導ケーブル実証プロジェクト」の概要
超電導ケーブルの実用化のためには、上記の技術的な目

標を達成するとともに、実系統における実証試験が必要で（2）プロジェクト体制ある。このため、当社は 2007 年度より開始された NEDO

本プロジェクトでは、当社が NEDO からの委託を受け、の「高温超電導ケーブル実証プロジェクト」に参画し、東東京電力㈱及び㈱前川製作所と共に開発を進めている。本

京電力㈱管内の旭変電所（神奈川県横浜市）に超電導ケー体制において、東京電力㈱が実証試験線路の提供とシステ

ブルシステムを構築して国内初の実線路運用を実施するこムの運用・保守技術の検討を行い、㈱前川製作所が冷却シとで、超電導ケーブル単体だけではなく、線路建設、運転

ステムの設計・製造を行い、当社が超電導ケーブルシステ

及び保守を含めたトータルシステムの信頼性を実証するべムの開発・製造・建設・運用を担当している。

く取り組んでいる。

（3）スケジュール

具体的な内容としては、将来の送電系統を想定した、66kV、200MVA 級の超電導ケーブルシステムの開発を行本プロジェクトのスケジュールを表 3 に示す。当初 2 年

間は、ケーブルの低損失化、短絡電流対応といった要素開

2 0 1 0 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 6 号 −（ 103 ）−154kV

66kV

銅撚り線
フォーマ

遮断器

遮断器

電気絶縁
（PPLP®＋液体窒素） 銅シールド

SUS コルゲート2 重断熱管

遮断器

PT

CT

超電導シールド（2 層）

超電導ケーブル

電圧・電流データ

運転
司令室

超電導導体（4 層）

中間接続部

154kV/66kV
変圧器

冷却配管

計測・警報
システム

送電ケーブル
循環ポンプ

LN2
タンク

冷凍機

写真 1

冷却データ

三心一括型超電導ケーブルの構造

フィードバック制御

冷却司令室

図1

実証試験ケーブルシステムの概要

定格電流の数十倍の大電流を超電導線のみで流すように設計すると非経済的である。よって、超電導導体層に対して
表3
FY2007
Cablesystemdevelopment

は銅フォーマを、超電導シールド層に対しては銅シールド

実証プロジェクトのスケジュール
FY2008DesignCable, Joint, Termination
Preliminary tests
AC loss, Fault current test,
Mechanical test, etc.

FY2009FY2010層を設けることにより、事故電流をこれらの保護層に分流

FY2011FY2012させ、温度上昇を抑制する構造を採用している。
ケーブルコアを収納する二重ステンレスコルゲート管のPre-performance
testwith 30m
system間には多層断熱層を設けるとともに、高真空に維持することにより、高い断熱性能を得ている。本構造は、350m 級

Field test

Cable
manufacturing
Analysis of the grid condition
Install

Coolingsystemmanufacturing

Long term test

断熱管を用いた長期特性評価試験（8）において、真空封じきり後 10 万時間以上経過した後も、低熱侵入性能を保つ真
空度を維持できることが確認されている。このことから、
本ケーブル断熱管の真空処理はケーブル製造時に行い、真発を行う。3 年目に検証用 30m ケーブルシステムの建設・評価を行い、開発したケーブルシステムが要求仕様を満足することを確認する。この後に、実証用ケーブルシステムの製造を行い、旭変電所においてケーブルシステムを建設、実系統に連系した長期検証試験を行う。

空を封じ切った状態で出荷した。
（1）大電流化・低損失化
当社の標準線材である DI-BSCCO® TypeHT 線材を用いて構成した超電導ケーブルの交流損失は 2W/m/ph@2kA と計算される。開発目標値である 1W/m/ph@2kA を達成する
ためには、超電導線材の大幅な低損失化が不可欠であった。
このため、当社で交流機器用途として開発した、低損失型

4.

超電導ケーブルシステム要素技術の開発
4−1

超電導ケーブルの開発

三心一括型超電導ケーブルの構造を写真 1 に示す。三本のコアを 1 つの断熱管に収納する構造であり、それぞれのコアに断熱管を必要とする単心型超電導ケーブル・ 3 条と比較して、ケーブルの布設スペースや侵入熱が小さくなるメリットを有している。
ケーブルコアは、銅撚り線フォーマの上に、超電導導体
層、絶縁層、超電導シールド層、銅シールド層を同軸上に巻付けた構造となっている。定常時は超電導導体層に送電電流が流れる。この際、両端末で三心コアのシールド層を短絡接続することにより、超電導シールド層には電磁誘導によって導体電流とほぼ同じ大きさの電流を逆位相で流すことができる。本構造により、磁気遮蔽が実現でき、ケーブルの外部に対して EMI（Electromagnetic Interference;
電磁波障害）フリーとなる。なお、短絡事故時において、TypeACT 線材を超電導ケーブル用線材として採用した。
TypeACT 線材は、写真 2 に示すように、超電導フィラメン
トにツイストを施しており、平行磁場中における交流損失を線材レベルで 1/3 に低減することに成功している。
一方で、全ての線材に TypeACT 線材を用いて構成した
超電導ケーブルにおいては、大電流化のため、線材臨界電流（Ic）特性の向上が必要であった。従って、大電流化の観点から、TypeACT 線材と TypeHT 線材を適材適所で使用するハイブリッド超電導導体の設計を実施した。
さらに、超電導線材の低損失化だけでなく、フォーマ内に発生する渦電流損失を 0.1W/m/ph@3kA 以下に低減するため、直径 0.8mm の素線絶縁銅線を用いた低損失型分
割集合フォーマを開発した。
これらの低損失型分割集合フォーマ、TypeACT 及び
TypeHT 線材を使用したハイブリッド超電導ケーブルを試作し、交流損失特性を評価した結果、図 2 に示すように、
2kArms 通電時の損失は 0.8W/m/ph であり、要求仕様−（ 104 ）− 日本初の超電導ケーブルによる実線路実証プロジェクト（高温超電導ケーブル実証プロジェクト）

0.35mm

TypeHT
4.5mm
TypeACT

写真 2層及び超電導シールド層の温度上昇ΔT はそれぞれ 120K
及び 110K であり、図 3 に示すように、シミュレーション

0.33mm2.7mm

31.5kA、2 秒の短絡電流試験を実施した結果、超電導導体

結果とほぼ一致することを確認した。また、試験前後でサンプルの臨界電流特性に変化はなく、要求される耐過電流

長手方向に超電導フィラメントをツイスト

特性を有することを確認した。

DI-BSCCO®の写真（TypeHT と TypeACT）

さらに、もらい事故模擬試験を実施した結果、10kA、2 秒の短絡電流通過直後に、現地定格である 1.75kA の通電、及び対地 38kV の課電が可能なことを検証し、実証試
験が実施される旭変電所線路で要求される仕様を満足する

101

ことを確認した。

ハイブリッド超電導ケーブル

AC loss (W/m)

10 0（3）電気絶縁特性

従来超電導ケーブル

これまで開発した超電導ケーブルでは、電気絶縁層に
PPLP®（Polypropylene laminated paper）を用い、液体

10 -1

窒素を含浸させた構造を採用している。本構造は、多数の良好な課電実績を有している。また、冷却及び昇温といっ

10 -2

たヒートサイクルに対しても良好な特性を有し、かつ低温

10 -3
10 2

10 2

10 3

104

Current (Arms)

図2

における誘電損失が非常に小さい特性を有している。これらの実績より、本プロジェクトにおいても PPLP®を絶縁材料として採用した。

ハイブリッド超電導ケーブルの交流損失

電気絶縁性能を確認するため、絶縁厚 6mm のケーブル
サンプルを作成し、JEC-3401 に準じて課電試験を行った
結果を表 4 にまとめる。試験結果は良好であり、要求仕様を満足することを確認した。
1W/m/ph 以下の低損失化を達成した。さらに、高 Ic 型のTypeHT 線材を組み合わせたハイブリッド設計により、要表4求仕様である 3kArms の大電流通電にも成功した。
（2）耐短絡電流対応項

目ケーブル課電試験結果

要求仕様

試験結果

短絡電流が流れた際のケーブルコアの温度上昇を、健全AC 課電試験

AC90kV/3h

良好（PD 発生なし）

性が保てる範囲内に抑えるため、短絡電流を分流させる常Imp 課電試験± 385kV/3 回

良好

電導保護層の設計をケーブル外径制約下で検討した。過渡
温度上昇シミュレーションを実施した結果から、フォーマとして 140mm2 の銅撚り線導体を採用し、シールド部には合計 80mm2 の断面積を有する銅シールド層を設けた。
本設計をもとに、ケーブルサンプルを作製して、最大（4）熱機械特性
ケーブルは室温から液体窒素温度（約-200 ℃）に冷却す
ると、約 0.3 ％の熱収縮が発生する。これまでは、三心コ
アを弛ませることで、冷却時の熱収縮を吸収する構造が検討されてきた。しかしながら、本プロジェクトでは、大容量化と短絡電流に対応し、かつ内径 150mm 管路に適用可

15031.5kA120∆T (K)

90
60
20kA

30
0

Experimental results
10kA
Conductor layer
Shield layer
20kA
Conductor layer
Shield layer
30kA
Conductor layer
Shield layer

能なケーブル開発を目指しており、ケーブルのコンパクト

Numerical results
31.5kA
Conductor layer
Shield layer

提にケーブル設計を行った。

化が求められている。設計検討の結果、従来のように三心
コアに弛みを持たせる構造では、内径 150mm 管路に適用することが難しく、三心コアに弛みを持たせないことを前三心に弛みを持たせず、また両端末を固定した状態にお

10kA
0

0.5

1

1.5

2

2.5

Duration (sec)

図3

短絡電流試験時のケーブル温度上昇

33.5

いて、ケーブルを室温から冷却すると、ケーブルコアには熱収縮による引張力が印加される。また、ケーブルを冷却状態から室温まで温度を上昇させる際には、ケーブルが伸びることによる圧縮力が発生する。これらの引張力、圧縮

2 0 1 0 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 6 号 −（ 105 ）−力をモデルケーブルにより実測した結果、冷却時には約 3t

れぞれ接続した後に、窒素槽及び真空槽を組み立てる構造の引張力が、昇温時の弛み形成には約 0.5t の圧縮力が発生である。なお、ケーブルコアは容器と固定せず、ケーブルすることを確認した。さらに、これらの応力が印加されての熱収縮に対応できるように、容器内にて長手方向に可動もケーブルコアにダメージがないことを確認した。本試験代を設けている。

結果より、本プロジェクトにおいては熱収縮吸収のための三心コア弛みを有しない構造を採用した。

ジョイントモデルサンプルを作製して検証した結果、導体接続部は 6.7n Ω／相 @3kA、シールド接続部は 2.5nΩ／

中間接続

相 @3kA の接続抵抗であり、目標である 1µΩ／箇所 @3kA

部は長尺のケーブルシステムには必要不可欠なものであ

以下の接続抵抗を達成した。また、各種試験でも良好な結り、通常はケーブル同士をマンホール内にて接続して送電果が得られ、設計検討した構造において、表 5 に示す要求

4−2

中間接続部及び終端接続部の開発

線路が形成されている。終端接続部は、超電導ケーブルと実系統とを接続する箇所であり、熱的には液体窒素温度部

仕様を満足することを確認した。
（2）終端接続部（端末）の開発と常温部との接続部でもある。旭変電所の要求仕様ならび

図 5 に終端接続部の概略構造図を示す。三心ケーブルコアに JEC-3401 に準じて、66kV 級の中間接続部及び終端接の端末処理部及び 3 相のブッシングを 1 つの容器に収容した続部に要求される仕様を取りまとめた結果を表 5 に示す。

三心一括型端末構造とした。各ケーブルコアに銅製の導体接

表5

き止めるために、本金具を FRP 製の引き止め治具を介して中間接続部及び終端接続部の必要特性

中間接続部

続金具を取り付けた後、ケーブルの熱収縮による引張力を引容器本体に接続する。常電導機器への電流の取り出しは、

終端接続部

ブッシング内の電流リードを介して常温部に引き出す。また、

機械力

引張： 3000kgf/3 相、圧縮： 500kgf/3 相

シールド層は誘導電流が流れるように三相短絡処理を実施す

電流容量

3kA 連続通電る。組立施工終了後に、端末容器は大地に固定される。

短絡電流31.5kA、2 秒でダメージなきこと
10kA、2 秒で再送電可能なこと

接続抵抗1µ Ω/箇所 @3kA 以下

耐電圧

AC ： 90kV/3h
Imp ：± 385kV/3 回
DC ： 152kV/10min

耐内圧設計

0.6MPa ・ G

耐震設計

−

水平：0.3G、垂直：0.15G

電流リード（素線絶縁銅より線）

防食設計

従来ケーブルと同等−

碍子型番：B1452

端末についても、モデルサンプルを作製して各種試験を実施し、設計検討した構造において、表 5 に示す要求仕様−を満足することを確認した。

ストレスコーン
液体窒素槽（1）中間接続部（ジョイント）の開発

引き止め治具図 4 に中間接続部の概略構造図を示す。66kV 級地中送電ケーブルの標準マンホールの大きさは約 7m であり、本スペース内でのジョイント施工を実現するため、コンパク
トな三心一括型構造を採用した。フォーマは従来ケーブル

ハンドホール

導体接続
金具

ケーブル引止
大地固定
液体窒素槽
断熱・固定

オフセット部

断熱層と同様に銅製のスリーブを用いて接続し、超電導導体は半耐震荷重

田を用いて電気的な接続を行う。電気絶縁層として補強紙

図5を巻き付け、超電導シールドは導体と同様に半田を用いて終端接続部構造図

接続する。銅シールド層は編組銅線を用いて圧着接続を行
い、最後に保護層を巻き付ける。三心のケーブルコアをそ5.
ケーブル断熱管

三心コア

真空槽

窒素槽

ø400

30m ケーブルシステム検証試験
超電導ケーブル、ジョイント及び端末の各コンポーネントについて、設計検討ならびに要素試験を実施し、それぞれが要求仕様を満足することを確認した。次のステップとして、4600

最終形態である、ケーブルと各機器を組み合わせたケーブル
システムとして特性評価及び検証を行うため、30m 長の検図4中間接続部概略構造図

証用ケーブルシステムを構築した。

−（ 106 ）− 日本初の超電導ケーブルによる実線路実証プロジェクト（高温超電導ケーブル実証プロジェクト）

5−1

要素試験結果をもケーブル製造・出荷試験

ケーブルコアは、TypeHT 線と TypeACT 線を組み合わせ

L＝8m

た、導体 4 層、シールド 2 層のハイブリッド構造である。

ø150mm管路構造であるが、残り 1 心はダミー線を用いており、それぞ

LN29m

要素試験において、6mm 厚の PPLP®においても要求仕様

中間接続部

マンホール

模擬

冷却
配管

LN2

R＝5m

なお、ケーブルコア 3 心のうち、2 心は超電導線を用いた
れを超電導コア、ダミーコアと称す。主絶縁については、

終端接続部（B端末）15mとに決定した検証用ケーブルの仕様を表 6 にまとめる。

①
②
③

ポンプ
冷凍機 リザーバ（2台） タンク
冷却システムを満足することを確認したが、過去の長期試験の実績を考①超電導コア②超電導コア③ダミーコア慮し、7mm 厚の PPLP®を採用した。
30m ケーブル製造完了後の出荷試験結果を表 7 に示す。

試験の結果、本ケーブルが設計通りの性能を有し、所定の仕様を満足することを確認した。

表6

項

①②③
終端接続部（A端末）

図6

検証用ケーブルシステム構成図

超電導ケーブルの設計

目

諸

元

（1）中間接続部及び終端接続部組立
ケーブル布設完了後に、中間接続部及び終端接続部の組フォーマ

140mm 分割集合撚り線導体

超電導導体

4 層： TypeHT、TypeACT

立施工を行った。中間接続部の組立施工は、開発目標であ

絶縁層

PPLP®、厚さ 7mm

る 7m マンホールを模擬したスペースにて実施した。施工完

超電導シールド

2 層： TypeHT

了後の中間接続部を写真 3 に示す。また、施工完了後の終端

銅シールド

3 層、80mm2

三心撚り

緩みなし三心撚り断熱層

2 重ステンレスコルゲート管
真空多層断熱方式

防食層

PVC

2

表7

接続部を写真 4 に、検証システムの全景を写真 5 に示す。

超電導ケーブル出荷試験結果

試験項目

目標仕様・試験条件

試験結果

臨界電流測定導体設計値： 6kA
シールド設計値： 7kA

良 好（6.1kA, 7.1kA）

交流損失測定1W/m/ph@2kA 以下

良好（0.8W/m/ph）

曲げ試験

18D、D ：ケーブル外径

異常なし

課電試験

AC ： 90kV/3h
Imp ：± 385kV/3 回

構造検査

設計との対比5−2システム建設良

写真 3

中間接続部（ジョイント）

好

異常なし

図 6 に検証システムの構成を示す。ケーブル長さは約 30m であり、途中に半径 5m の 90度曲がりを設け、両端に終端接続部（A 端末、B 端末）、中間に中間接続部（ジョイント）を設けている。本ケーブルシステムを冷却システムに接続し、液体窒素を循環させることでケーブルシステムの運用を行う。冷却システムは、
1kW 級冷凍機 2 台、液体窒素循環ポンプ、リザーバタンク
等で構成されている。
写真 4

終端接続部（端末）

2 0 1 0 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 6 号 −（ 107 ）−等の各種試験を実施中である。表 9 に検証試験での試験内

終端接続部（B 端末）
終端接続部（A 端末）

中間接続部

容を示す。現時点（2009/9/30）では、第一クール（定格確認試験）が終了したところであり、本報では、第一クー
ルの試験結果について報告する。

ケーブル
冷却室

表9
写真 5

30m ケーブル検証システム

試験名

検証試験計画予 定

試験項目・内容①定格確認 H21/7
試験〜9電気特性試験

（2）冷却システム

冷却時の張力測定
機械特性試験 中間接続部のコア移動量確認（X 線）

検証用冷却システムで採用した冷却方式は、冷凍機側と超電導ケーブル側の液体窒素パスが同一であり、冷凍機で冷却された液体窒素が直接超電導ケーブルシステムに送ら熱的特性試験

れる直接冷却方式である。冷却システムの仕様を表 8 に、項

冷却システムの仕様

目

緒

運転温度

66 〜 77K

運転圧力

0.2 〜 0.5MPa・G

流

最大 40L /min

量②ヒートサイクル H21/9
試験
〜 10

元
③限界性能 H21/11
確認試験 〜 H22/1

冷却容量2kW@77K、1.6kW@67K

法規対応

高圧ガス保安法AC ロス測定（2kA）
断熱管侵入熱測定

対地課電 51kV-連続
長期課通電試験 通電 2kA-8hON/16hOFF、
1 ヶ月

製作した冷却システムを写真 6 に示す。

表8

Ic 測定（導体部）
シールド誘導電流計測
C・tan δ特性確認
定格課通電（対地 40kV, 2kA）

一旦昇温し、再度冷却を行い、
上記電気的、機械的、熱的
ヒートサイクル試験
特性に変化がないことを確認する。
ヒートサイクル試験

一旦昇温し、再度冷却を行い、
上記電気的、機械的、熱的特性に変化がないことを確認する。

短絡電流模擬試験（〜 10kA）、
限界性能試験 過電流通電試験（〜 3kA）、冷凍機故障模擬試験

冷凍保安規則（1）初期冷却ケーブル長手方向の温度分布やケーブル張力等を管理しながら初期冷却を実施した。ケーブル内に備えた光ファイバーにより測定した初期冷却過程の温度プロファイルを図 7に示す。冷却はケーブルシステム A 端末側から行った。冷

A端末

写真 6

50

冷却システム0H
3H（3）計測システム
超電導ケーブルシステムの運転を行う際、温度、圧力、流量等の各種運転パラメータは計測システムにより測定され、異常が認められた際には速やかに警報を発信する体制を構築した。監視機能はネットワーク対応とし、遠隔デー
タ監視、警報受信が行える体制とした。
検証試験（第一クール）

Temperature (˚C)

0

5−3

B端末

6H

15H

-50

21H
27H

-100

33H

-150
-200

39H

42H
45H

0

10

20

30

Position (m)構築した 30m 検証用システムを冷却し、電気試験、機械試験及び熱損失測定

9H

図7

初期冷却時のケーブル部温度分布−（ 108 ）− 日本初の超電導ケーブルによる実線路実証プロジェクト（高温超電導ケーブル実証プロジェクト）

却時の温度変化による急激な挙動を抑制するため、-100 ℃

3000の窒素ガスにより全長を徐々に冷却した後に、ケーブルに

2000

ケーブル全長を冷却した。ケーブル入り口温度が-120 ℃となり、ケーブル全体の温度勾配が十分小さくなった時点で液体窒素をケーブルに注入し、最終的にケーブル全長を液
体窒素温度（約-200 ℃）に冷却した。なお、初期冷却に要シールド電流1000

Current (Apeak)

流入する窒素ガスの温度を徐々に下げることで、段階的に

導体電流

0
-1000
-2000

した時間は約 45 時間である。

-3000

冷却過程において、両端端末部に発生した最大張力は三

0

10

20

30

Time (ms)

心で約 2500kgf であり、要素試験にて測定した冷却時の発生張力から想定される値とほぼ一致する結果が得られた。

図92kA 通電時の導体及びシールド電流波形（2）臨界電流測定
初期冷却終了後に、超電導導体の健全性を確認するため、全長の臨界電流（Ic）測定を実施した。Ic 測定は、超電導
コア 2 本の超電導導体に往復通電することにより実施した。
ケーブル出口温度 77.4K において、超電導導体の Ic を測定した結果を図 8 に示す。測定された Ic は 5.4kA（1µV/cm

定義）であり、出荷試験結果（6.1kA）及び 2 コアの超電導導体に往復通電する際に発生する磁場の影響による Ic 低
下率から推定される値とよく一致した。本結果より、ケー
ブル製造、輸送、現地布設、組立施工及び冷却工程を通じて、超電導導体に異常や劣化がないことが確認された。

圧試験である AC76kV/10 分間、系統最大電圧相当の電圧試験である AC42kV/8 時間の課電を実施し、良好な結果が得られた。以上の結果から、検証用 30m ケーブルの健全性が確認された。
（5）長期課通電試験
超電導ケーブルシステムが、30 年にわたる定格課通電を行うことが可能か検証するため、長期課通電試験を実施した。試験期間を 30 日間とし、30 年間運用に相当する加速試験条件として、対地間電圧 51kV を連続で課電し、同時に定格電流 2kA を 8 時間オン、16 時間オフする通電サイ
クル試験を実施した。なお、冷却システムの運転条件は、〈ケーブル出口温度

ケーブル部最低圧力を 0.2MPaG、ケーブル部出口温度を77.4K〉

約 77K、液体窒素流量を 40L/min とした。
試験期間中にケーブル温度等に大きな変化もなく、30 日

2間の長期課通電試験を良好に完了した。試験結果を図 10

Ic 定義（1µV/cm）1に示す。また、長期課通電試験後に実施した部分放電測定においても部分放電は検出されず、良好な結果が得られ、

0-1

第一クールを終了した。
0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Current (A)

図8

今後、第二クール及び第三クールを通じて、ヒートサイ
クル試験や限界性能試験を実施していく。

超電導導体の臨界電流測定結果（Ic）
80

ケーブル出口温度
ケーブル入口温度（3）交流通電試験
超電導シールドの健全性を確認するため、導体層に 2kAの交流通電を行い、シールド層に誘導する電流を測定した。
図 9 に示すように、シールド層には導体電流と逆位相の電流が誘起しており、誘導率は約 92 ％である。本結果はこれまでの実績と同等であり、超電導シールドに大きな異常がないことが確認された。

（4）課電試験温度（K）、課電電圧（kVrms）

75
70

通電電流

65

2
1.5

60
55
課電電圧

50

1

45
0.5

40
35
30

0
8/9 8/11 8/13 8/15 8/17 8/19 8/21 8/23 8/25 8/27 8/29 8/31 9/2 9/4 9/6 9/8 9/10 9/12 9/14
日

最終試験として、66kV 級の電力ケーブルに要求される耐電圧試験を実施した。実証試験現地システムの竣工耐電

2.5通電電流（kArms）

Electric Field (µV/cm)

3

図 10

時

長期課通電試験の結果

2 0 1 0 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 6 号 −（ 109 ）−

7.

結

言

※5

交流損失

地球温暖化問題の解決や、電力ケーブルの大容量代替を

超電導線材・導体に発生する損失。直流電流・磁界に対し実現できる革新的な技術として期待されている超電導ケーて損失は発生しないが、交流電流・磁界に対しては、ヒス

ブルの実用化を加速させるため、日本初の実線路実証試験

テリシス損失、渦電流損失、結合損失などの損失が発生すを実施すべく開発を行っている。これまでに、実系統に適る。これらの損失をまとめて交流損失と呼ぶ。

用し得る性能を有する重要要素（ケーブル、中間・終端接続部、冷却システム等）技術の開発を進め、その性能を最※6終形態であるケーブルシステムとして検証中である。今後、送電ケーブルの相間が導通して起こる事故。

短絡事故

実系統に接続した長期連系試験を行うことにより、超電導
ケーブルシステムの信頼性・安定性を実証するとともに、※7実系統における運転方法やメンテナンス方法を検討し、実保護リレーによる保護区間外で短絡事故が起きた場合で、用化に向けた課題抽出を行っていく。

短絡事故電流が流れた直後も課通電のある場合の系統事故。

もらい事故

本技術は国内だけでなく海外への転用も可能である。米国
では、送電系統の老朽化に伴うエネルギーセキュリティーの観点から基幹送電系の強化（GRID2030）が計画されており、
超電導ケーブルはその重要技術として取り上げられている。
中国でも、国内経済の急成長に伴って、送電線の増設に対する需要が高まっており、海外における超電導ケーブルの需要
は、国内需要の数十倍から数百倍になると推定されている。
なにより、地球規模の環境対策として、CO2 排出量削減は持続可能な社会を切り拓くための喫緊の課題であり、本課題を解決しうる超電導ケーブルの事業化は、まさに社会インフラを支えてきた当社の成すべき使命と考え、早期実用化を実現すべく一層努力していく所存である。

参

考

文

献

（1）廣瀬等、「高温超電導の実製品化検討」、SEI テクニカルレビュー、第168 号（2006 年 3 月）（2）増田等、「高温超電導ケーブルの技術とその開発動向」、SEI テクニカ
ルレビュー、第 165 号（2004 年 9 月）
（3）増田等、「三心一括型超電導ケーブルの実用性検証試験結果（1）（2）
」、2003 年電気学会全国大会、7-094、7-095（4）湯村等、「長尺三心一括型高温超電導ケーブルによる世界初の実線路建設と商用運転（米国 ALBANY プロジェクト）」、SEI テクニカルレ
ビュー、第 170 号（2007 年 1 月）
（5）湯村等、「高温超電導ケーブルの実系統線路への適用（米国 ALBANY
プロジェクト）」、SEI テクニカルレビュー、第 174 号（2009 年 1 月）
（6）増田等、「Albany プロジェクト向け超電導ケーブルの開発」、電学論 B、
126 巻 8 号（2006）

執用 語 集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1

筆者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

大屋

正 義＊：超電導・エネルギー技術開発部
エネルギー科学博士
超電導ケーブルの開発に従事

湯村

洋 康 ：超電導・エネルギー技術開発部

グループ長

渡部

充 彦 ：超電導・エネルギー技術開発部

主席

芦辺

祐 一 ：超電導・エネルギー技術開発部

主査

滝川

裕 史 ：超電導・エネルギー技術開発部

主査

伊藤秀 樹 ：㈱ジェイ・パワーシステムズ
シニアスタッフ南野

忠 彦 ：超電導・エネルギー技術開発部

POF ケーブル

パイプタイプ OF ケーブル。一般的に鋼管などのパイプに
OF ケーブルを引き込み、絶縁油を充填、循環させる電力
ケーブル。
※2

CV ケーブル

Cross linked polyethylene Vinyl cable。架橋ポリエチ
レンを絶縁体とし、外側に遮蔽層と防食層を設けた乾式ケーブル。

電力機器事業部

西村

崇 ：超電導・エネルギー技術開発部

増田孝 人 ：超電導・エネルギー技術開発部

本庄

昇 一 ：東京電力㈱ 技術開発研究所 超電導技術グループ
グループマネージャー

三村智 男 ：東京電力㈱ 技術開発研究所 超電導技術グループ
主任研究員

鬼頭

豊 ：東京電力㈱ 技術開発研究所 超電導技術グループ
主任研究員

主に地中に埋設されて活用される、ケーブルを収容するた野口

裕 ：東京電力㈱ 技術開発研究所 超電導技術グループ 主任

めの管状の部材。ケーブルの引き入れや引き抜きを容易に-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------※3

洞道

地中に構築する暗きょ（トンネル）。床上あるいは棚上にケーブルを布設する。
※4

管路

し、布設後は外傷防止の役目を果たす。

＊主執筆者−（ 110 ）− 日本初の超電導ケーブルによる実線路実証プロジェクト（高温超電導ケーブル実証プロジェクト）

主幹