JP2013105639A - 超電導ケーブル - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、フォーマとその外周に設けられる超電導層と該超電導層の外周に形成される電気絶縁層とを有する超電導ケーブルであり、超電導層が複数本の超電導線材をフォーマの外周に螺旋状に巻き付けた構造であり、フォーマが抵抗皮膜で被覆された常電導材料からなる金属線を複数本撚り合わせた構造の超電導ケーブルに適用されるフォーマであって、抵抗皮膜の77Kにおける体積抵抗率の値が金属線の体積抵抗率の値の104倍以上であり、かつ、この抵抗皮膜の体積抵抗率値が109Ω・cm以下であって、隣接素線の接触長の中心角θが、5゜≦θ≦30゜の範囲であることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
この種の高温超電導ケーブルの一例として、図20に示す如く、三心一括型高温超電導ケーブルであって、撚線からなるフォーマ100の外周に高温超電導線材を巻線状に複数層配置して超電導層101を形成し、その外周に絶縁層102、103と超電導シールド層105と保護層106を形成してコアケーブル107を構成し、このコアケーブル107を3本撚り合わせて断熱管108の内部に冷媒流通用の間隙をあけて収容し、全体を保護層109で覆ってなる構造の高温超電導ケーブル110が知られている。
このような超電導ケーブル導体では、各層の巻き付けピッチを同じにした場合、内層と外層とでは、外層ほどインダクタンスが小さくなり、外層ほど電流が大きくなるという偏流の問題が発生する。この偏流に伴って交流損失が増大すると考えられ、偏流の抑制が求められる。
一方、超電導ケーブルに設けられているフォーマは、超電導素線を機械的に支持するために必要であり、かつ、短絡事故対策として超電導素線の臨界電流を超える電流が流れた際にフォーマが電流を分担し、過電流をバイパスさせ、超電導ケーブルの温度上昇を抑制するといった電流の分流路としての機能も果たす必要があると考えられている。そのため、従来の超電導ケーブルに設けられているフォーマは、銅や銅合金等の金属製の導体から構成され、その形状は前記金属製の導体を互いに撚り合わせて作製された円柱状が一般的であった。
また、フォーマとして金属製の導体の代わりに絶縁体を用いる場合は、渦電流損失は発生しないが、臨界電流を超える電流が流れた際にフォーマに電流を分担させることができないので、超電導ケーブルの温度が上昇してしまう問題がある。
上述の構造のフォーマを備えた超電導ケーブルによれば、長さ方向の抵抗に比べ、隣接する金属線間の抵抗が十分に大きくなるので、撚線構造とされた金属線を電気的に独立した状態とみなすことができるようになり、分割素線の場合は、各金属線をほぼ均一なインダクタンス分を持つようにできる。このため、フォーマを構成する各金属線に均一な電流を流すことが可能となり、表皮効果の低減に寄与し、渦電流損失の削減に寄与する。
また、フォーマの径方向に隣接する金属線は抵抗皮膜で被覆されているが、電気的には接続されるので、超電導線に通電していて、過電流が生じた場合、フォーマを電流のバイパス路とすることができるので、超電導ケーブルへの通電時の安定化に寄与する。
本発明の超電導ケーブルは、前記金属線を複数本撚り合わせた構造における隣接素線の接触長の中心角θが、5゜≦θ≦30゜の範囲であることを特徴とする。
前記隣接素線の接触長の中心角が5゜未満の場合は撚線製造時に撚線間に加わる力を小さく制御する必要があり、製造が困難となり易く非現実的であり、30゜を超えると撚線間の接触部の抵抗が小さくなり、渦電流損失が増大する傾向となる。
抵抗皮膜が上述の厚さ範囲であれば、渦電流損失の削減とともに、フォーマの接続時に皮膜を除去することなく、そのままスリーブ圧縮接続が可能である。
本発明の超電導ケーブルは、前記電気絶縁層の外周に設けられる超電導シールド層と、該超電導シールド層の外周に設けられる金属製のシールド層とを更に具備してなることを特徴とする。
超電導層の外方に超電導シールド層と金属製のシールド層を設けることで、磁界が外部に漏洩して外部に磁気的な影響を及ぼすことを防止できる。
図1に示すように本実施形態の超電導ケーブルAは、中心部に配置された撚線構造のフォーマ1と、その外周側に順次被覆された高温超電導層(高温超電導線材)2と電気絶縁層3と超電導シールド層4と銅などの良導電性金属材料からなるシールド層5とを備えて構成されている。
本実施形態の超電導ケーブルAにおいて、フォーマ1は、銅などの良導電性金属材料からなる金属線6に対し抵抗皮膜として例えば酸化第二銅からなる抵抗皮膜7で被覆した構造の素線8を複数本、所定のピッチで撚線化した構造とされている。
本実施形態において適用される抵抗皮膜7は、体積抵抗率(ρf)が109Ω・cm以下、例えば104Ω・cm以上、106Ω・cm以下の半導電領域の範囲とされる。
ここで例示する酸化第二銅は、黒色を呈するので、エナメル被覆などのように銅色に近い色とは異なり、抵抗皮膜7が存在するか否かを識別しやすい特徴がある。
前記抵抗皮膜7が金属線6の酸化皮膜であるならば、エナメル被覆がその下地の金属との接着構造であるのに対し、抵抗皮膜7と金属線6との接合は金属結合となり強固で剥離し難く、素線8の曲げや膨張収縮時の機械的強度に優れる利点を有する。また、酸化第二銅は融点1148℃であり、酸化第二銅の抵抗皮膜7は耐熱性に優れており、フォーマ1の同径接続は溶接接続方式をそのまま適用できる。また、素線8の外径は0.5mm〜3.0mmの範囲を選択できる。
抵抗皮膜7の抵抗値が半導電領域であるので、フォーマ1とその上の高温超電導層2の間にそのまま適用できる効果があり、超電導ケーブルAのフォーマ1を構成する抵抗皮膜7として望ましい。以上説明の抵抗皮膜7は絶縁皮膜ではなく、抵抗値が半導電領域の皮膜であり、かつ、薄いので、以下の特長を有する。
例えば、フォーマ1のスリーブ圧縮接続時に抵抗皮膜7を除去すること無くそのままスリーブ接続を圧縮接続できる。また、撚線構造のフォーマの抵抗皮膜7を除去することを想定した場合、フォーマの素線間を大きく広げてサンドブラスト等の手法で抵抗皮膜7を除去する必要がある。この際、口出し端部の近傍に存在する高温超電導層2を構成する高温超電導線材に機械的損傷を与えるおそれがある。高温超電導層2を構成する高温超電導線材は機械的歪に非常に敏感である。更に、接続時のフォーマ1の口出し長が長くなる欠点がある。従って、抵抗皮膜7をそのままにしてスリーブ圧着ができるならば、これらの懸念を解消できる。なお、抵抗皮膜7の体積抵抗率が109Ω・cm以下、例えば104Ω・cm以上、106Ω・cm以下の半導電領域の範囲とされているので、超電導ケーブルAと他の常電導部品との接続の面には支障がない。
本実施形態では、このテープ状の高温超電導線材10の一つの例として、図2に示す構造を適用することができる。図2に示す高温超電導線材10は、RE123系酸化物超電導体(REBa2Cu3O7−X:REはYを含む希土類元素)を適用した線材構造の一例であり、本実施形態ではこの例を元に以下に説明するが、高温超電導線材10の構造自体は後述する他の系の高温超電導体を用いた構造であっても良いのは勿論である。
図2に示す高温超電導線材10は、一例として、基材11の上に下地層12、配向性中間層15、キャップ層16、酸化物超電導層17、第一の安定化層18が積層され、それらの外周を絶縁被覆層20で被覆した構造とされている。なお、図2に示す高温超電導線材10は厚みを誇張して示しているが、一般的なRE123系の高温超電導線材10の縦横比として、幅10mm程度、厚さ0.5mm程度であるので、フォーマ1の周囲に必要な巻数で巻き付けることで酸化物超電導層2を形成できる。
下地層12は、耐熱性が高く、界面反応性を低減するためのものであり、その上に配される膜の配向性を得るために用いる。その厚さは例えば10〜200nmである。本発明において、基材11と下地層12との間に拡散防止層が介在された構造としても良い。その厚さは例えば10〜400nmである。基材11と下地層12との間に拡散防止層を介在させる場合の例としては、拡散防止層としてAl2O3、下地層12としてY2O3を例示できる。
この配向性中間層15をイオンビームアシスト蒸着法(IBAD法)により良好な結晶配向性(例えば結晶配向度15゜以下)で成膜するならば、その上に形成するキャップ層16の結晶配向性を良好な値(例えば結晶配向度5゜前後)とすることができ、これによりキャップ層16の上に成膜する酸化物超電導層17の結晶配向性を良好なものとして優れた超電導特性を発揮できるようにすることができる。
キャップ層16の膜厚は、50nm以上であればよいが、500〜1000nmとすることが好ましい。
この第二の安定化層19は、良導電性の金属材料からなることが好ましく、酸化物超電導層17が超電導状態から常電導状態に遷移しようとした時に、第一の安定化層18とともに、酸化物超電導層17の電流が転流するバイパスとして機能する。第二の安定化層19は、銅、黄銅(Cu−Zn合金)等の銅合金等の比較的安価なものを用いるのが好ましい。第二の安定化層19の厚さは10〜300μmとすることができる。
ビスマス系超電導線材の構造はAgなどのテープ状の安定化材からなるシースの内部にビスマス系酸化物超電導層を内包した酸化物超電導線材が主体であるので、このテープ状のビスマス系の酸化物超電導線材を先の高温超電導線材10の代わりに用いることでビスマス系の酸化物超電導線材を用いた高温超電導ケーブルに本発明を適用することができる。
また、本発明で用いる高温超電導線材に適用される超電導層は、RE123系やビスマス系に限らず、他の高温超電導材料からなるものでも良い。例えば、タリウム系(Tl2Ba2Ca2Cu3Ox)酸化物超電導体あるいはMgB2超電導体などを層構造として安定化層や基材に積層した構造であっても良い。
図4はフォーマ20の横断面モデル図であり、このフォーマ20においては1本の素線21を中心にその周囲に6本の素線21を等間隔で配置し、更にそれらの周囲に12本の素線21を等間隔で配置し、更にそれらの周囲に18本の素線21を配置した例として示している。図4に示すフォーマ20においては、フォーマ20を構成する同一層位置にある素線21の隣接する素線21どうしの接触角度ψkを図5のように仮定することができ、以下にフォーマの構造を種々考慮しつつ説明する。
これらに対し、絶縁被覆された素線ではなく、図9に示すように抵抗皮膜26により抵抗被覆された素線27の集合体であるフォーマ28の場合、中心の素線27に生じる渦電流とその他の各層の円周方向より線間を流れる電流とに分けて考えられる。
まず、基本となる円柱導体の渦電流損を計算する。図10に円柱導体からなるフォーマ30の場合を考える。図10のフォーマ30において単位長あたりの損失を考える。
図10において斜線部30aの円環領域の円周方向の抵抗dRは以下の(1)式で示される。
図8にモデル構造を示す絶縁被覆した素線25からなるフォーマ24の場合、絶縁被覆撚線を構成する素線25の1本当たりの渦電流損は、(7)式で直径D→d(素線1本の直径)に置き換えれば良い。撚線の総本数をn本とすれば、総渦電流損W1は、以下の(8)式から求められる。また、(9)式の関係がある。
図11に示すように抵抗皮膜を備えた素線33が撚線構造とされたフォーマ35の渦電流損については、中心の素線33と各層を構成する素線33のフォーマ円周方向の素線33間を流れる電流とに分けて考える。
フォーマ35の中心に配置されている素線33の1本(k=1層とする)の素線内渦電流損w1は前述の(8)式、(9)式から、以下の(10)式の関係となる。
(13)式、(14)式、(15)式の時、以下の(16)式が成立する。
図12(a)は図4、図5と同様に撚線を構成する素線21間の接触角度を想定するための図であり、この図を拡大して抵抗皮膜21aを描いて隣接する素線21間の電流の流れを模式化したものが図12(b)であり、更に左右に隣接する素線21とその間の接触領域に介在する抵抗皮膜21a、21a間の抵抗の関係を図12(c)に示す。図12は素線21の集合体であるフォーマ20において、中心の素線21を除いてその外周に存在する周回りの素線21について接触抵抗等を想定する場合の模式図に相当する。
また、図13に図12(b)と同様にフォーマ20において中心の素線21を除いてその周回りに存在する素線21間の等価抵抗Reの考え方を示す。
図12に示す関係において、(17)式、(18)式、(19)式、(20)式が成立する。
抵抗皮膜同士の接触抵抗Rsは一律には決められないこと、および、Rs=0とした場合の方が渦電流損を真値より大きく見積もり、設計上は安全側であるから、この計算では無視した。素線21を構成する金属の単位長当たりの集中抵抗Rcについては、以下のように楕円関数(第1種完全楕円積分)を用いた等角写像により求めることができる。
これは、図14(a)に示すモデルの下で理論的に正確に導出される。
その導出過程を図14(a)〜(b)、図15(a)〜(b)、図16(a)〜(b)に示す。
図14(a)、(b)は正規化した電極と計算上の原座標設定を示し、図15(a)はw−面(正規化した計算上の原座標)を示し、図15(b)はz面を示す。図14(a)は図14(b)に示すように隣接した複数の素線21において、そのうちの1本の素線21を拡大した断面図に相当し、図14(a)の左右下側に他の素線21との接触部21bを想定した場合、これら接触部21bを通して流れると想定される電流線21cを複数描いた図である。
図15(a)〜(b)は上半平面への写像、写像関数として、z={(1−w)/(1+w)}i、x=tan(θ/2)を採用する。これらの写像関数に図15(a)の各点の座標を代入すると、図15(b)の関係となる。この関係は電磁気学における等角写像による電界解析から導出できる一般式として知られている。
図16(a)はZ面を示し、図16(b)はW面を示す。 図16(a)において、(21)式の関係が成立する。上述の写像関数に図15(b)の座標と図16(a)の座標を代入して、図16(a)に示すA点の座標1/k1 2を求めると(21)式となる。(21)式において、a、p、q、γは図15(b)のA、P、Q、R点の座標を示す。
この関係において、写像関数:Legendre-Jacobiの第一種楕円積分として、(24)式を利用できる。なお、図14〜図16に示す関係の導出過程は、等角写像による二次元抵抗値計算の基本過程に準拠したものとなる。なお、等角写像による二次元抵抗値計算の基本過程は、一例として、電気学会論文誌B(2008年11月号:電力・エネルギー部門誌vol.128,No.11,2008:電子ジャーナル版論文誌公開中、http://www.2.iee.or.jp/ver2/honbu/11-magazine/index050.html参照)に、「楕円関数の電力分野への応用の現状と展望」と題してP1296の図4に示されている等角写像による二次元抵抗値計算の基本過程を参照できる。
ここで、皮膜を施さない撚線からなるフォーマの場合、渦電流損(W0:裸素線の場合)における絶縁皮膜を施した場合の渦電流損(W1:素線絶縁)に対する比率(W0/W1)は、先の(32)式において、tf=0あるいはρf=0とおいて、以下の(39)式となる。
フォーマの外径:D=19mm、撚線を構成する1本の素線の直径:d=2.8mm、撚線本数(素線本数):37本、n1=1本、n2=6本、n3=12本、n4=18本とする。また、tf:抵抗皮膜の厚さ(1μm、2μm、5μm)、接触長の中心角(5゜、10゜、15゜)とする。正味の導体断面積は227mm2であり、占積率は約80%となっている。
第k層 線径d(mm) 撚り本数(nk)
1層目(中心k=1) 2.8 1(n1)
2層目(中心k=2) 2.8 6(n2)
3層目(中心k=3) 2.8 12(n3)
4層目(中心k=4) 2.8 18(n4) 合計37本
以上の条件において計算した渦電流損と皮膜抵抗率の関係を図17、図18、図19に示す。
n2=6、ψ2=120゜、k12 2=0.01013、K’(k12)/K(k12)=2.35、n3=12、ψ2=150゜、k13 2=0.008142、K’(k13)/K(k13)=2.42、n4=18、ψ2=160゜、k14 2=0.007832、K’(k14)/K(k14)=2.42となる。
なお、素線を銅から構成し、素線外周に酸化第二銅の抵抗皮膜を形成した撚線構造のフォーマを用いる場合、ρc:0.2×10−6Ω・cm(−196℃)、ρf:1×106Ω・cm(−196℃)とすると、ρf/ρc≧104に入ることがわかる。
なお、接触長の中心角θが5゜未満の場合、素線間の接触部の抵抗値は、接触長の中心角θ≧5゜の場合に比べて大きくなるので、渦電流損失の低減の面から見て有利と考えられる。しかし、実際にフォーマを撚線から構成する場合に撚線を製造する面から見て素線間に加わる力を小さく制御することが難しいため、接触長の中心角θを5゜未満とすることは非現実的である。一方、接触長の中心角θが30゜を超える範囲では、接触長の中心角θ≦30゜の範囲と比較して撚線間の接触部の抵抗値は小さくなるので、渦電流損は増大することになり不利となる。これらのことを考慮すると、接触長の中心角θは5゜以上、30゜以下の範囲とする必要がある。
なお、接触長の中心角については、フォーマを切断してその横断面を拡大観察することで計測することができる。
Claims (4)
- フォーマとその外周に設けられる超電導層と該超電導層の外周に形成される電気絶縁層とを有する超電導ケーブルであって、前記超電導層が複数本の超電導線材をフォーマの外周に螺旋状に巻き付けた構造であり、前記フォーマが抵抗皮膜で被覆された常電導材料からなる金属線を複数本撚り合わせた構造であり、前記抵抗皮膜の体積抵抗率の値が前記金属線の体積抵抗率の値の104倍以上であり、かつ、この抵抗皮膜の体積抵抗率値が109Ω・cm以下であることを特徴とする超電導ケーブル。
- 前記金属線を複数本撚り合わせた構造における隣接素線の接触長の中心角θが、5゜≦θ≦30゜の範囲であることを特徴とする請求項1に記載の超電導ケーブル。
- 前記抵抗皮膜の厚さが0.5μm以上、1.5μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の超電導ケーブル。
- 前記電気絶縁層の外周に設けられる超電導シールド層と、該超電導シールド層の外周に設けられる金属製のシールド層とを更に具備してなる請求項1〜3のいずれか一項に記載の超電導ケーブル。
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