JP5053466B2 - 超電導ケーブル導体の端末構造 - Google Patents

Description

本発明は、低損失で大電力を送電する超電導電力ケーブル等に用いられる超電導ケーブル導体の端末構造に関する。その利用分野として、超電導ケーブルの終端接続部、中間接続部で導体を接続するのに利用される技術である。

電力を低損失で送電する超電導ケーブルは、ケーブルに可撓性を持たせるために、可撓性のある心材にテープ状超電導線材を螺旋状に巻いて導体層を構成する。大電流を流すケーブルの場合には、導体の層数を増やして多層化することでケーブルの電流容量を増加させている。テープ形状の高温超電導線材としては、たとえばＢｉ系超電導テープ線材やイットリウム系超電導テープ線材が高い臨界電流と、長い線材ができるということで広く使われている。

実際の超電導ケーブル用導体の製造方法に従って以下に説明する。可撓性がありかつ良導体である銅、銅合金、アルミ、アルミ合金の線材を多数本より合わせた円筒形の撚り線導体を中心支持体とし、その外周に、幅４ｍｍ、厚さ０．２ｍｍなどのテープ状超電導線材を隙間なく螺旋状に巻き付け１層目を形成する。さらに、１層目の外周にテープ状超電導線材を１層目と同様に隙間なく螺旋状に巻き付けて２層目を形成する。同様に、３層目を２層目の周囲に巻き付けていき、複数層を形成して多層導体を形成する。さらに超電導ケーブル導体は、その外周に絶縁体（絶縁体層）が構成されるが、絶縁体層はクラフト紙や半合成紙、合成紙などを多数層巻きつけて、電圧に応じた厚さを有する構成とし、導体に高い電圧をかけても絶縁破壊しないようにしている。

この超電導ケーブル導体に電流を流す場合、絶縁体層を剥ぎだして、超電導層を露出させた状態で銅電極と接続する必要がある。特許文献１には、銅電極（端子部材）と超電導層とを電気的に接続する方法として、超電導層の各層の外周部を半田で覆い、銅電極と半田接続する方法が記載されている。この方法は接続抵抗を小さくでき、さらに各超電導層と銅電極との間の接続抵抗を均一化できるために、各層に流れる電流を等しくすることができ、損失の小さな安定した通電を可能とする。

一方で、超電導ケーブルは熱収縮や布設時の張力により、高い引張り応力が電極と超電導ケーブル導体に加わる。そのために、半田で超電導層を接続する上記方法では、引張り応力が加わると線材に大きな力が加わり、テープ状超電導線材を損傷させることがあった。また、超電導ケーブルが用いられた電力系統の中で、地絡や短絡事故が起きた場合、通常流れる電流の十倍から数十倍の電流（事故電流）が瞬間的に流れる。この場合、超電導層だけでは電流を流しきれずに焼損する可能性があるために、超電導ケーブル導体の中心支持体に銅やアルミ撚り線などを用いることで、その中心支持体に事故電流が流れるように工夫している。

超電導ケーブル導体の端末部分はこのような動作中の事故の可能性も考慮して設計する必要がある。特許文献２に記載の超電導ケーブル導体の端末部分は、図７、図８に示すように、中心支持体１１上の超電導層１２（第１層１２ａ、第２層１２ｂ）を露出させるように絶縁シース１３が除去され、さらに中心支持体１１を露出させるように、一定長さの絶縁シース１３と超電導層１２が除去され、２つの連続する部分３１、３２から形成される金属スリーブ３０の第１部分３１が中心支持体１１の露出部分の周りに係合し、金属スリーブ３０の第２部分３２が超電導層１２の露出部分の周りに半田付けされて構成されている。これにより、機械的な引っ張り強度が高められ、さらに、事故電流が流れる時に、金属スリーブ３０の第１部分３２と中心支持体１１とが電気的に接続される終端部が得られている。

特開２００４−０８７２６５ 特開２０１０−０５０１０３

特許文献２に記載のように、金属スリーブ３０の第１部分３１を中心支持体１１の露出部分の周りに係合し、金属スリーブ３０の第２部分３２を超電導層１２の露出部分の周りに半田付けした構造の終端部においては、金属スリーブ３０の端部３０ａと絶縁シース１３との間に隙間が生じる問題があった。

この隙間が存在すると、ケーブルに曲げ応力が加わるときにこの部分が局所的に曲がったり、超電導層を形成する線材が引っ張られて絶縁シース１３の中から引っ張り出されて、線材に極度の応力が加わったりし、曲げ角度や引張り力が大きいと線材が折れたり切れたりする問題が生じていた。

また、金属スリーブ１３０の第１部分と第２部分を有する特許文献２の構造の終端部においては、図９Ａに示すように、超電導ケーブル１１０の冷却時による超電導ケーブル１１０の熱収縮、即ち引っ張りに強いという特徴がある。
しかしながら、超電導ケーブル１１０の極低温状態から、常温状態へのヒートサイクルにおいて、熱による超電導ケーブル１１０の伸びが生じる場合については、対策が施されてはいなかった。熱による超電導ケーブル１１０の伸びが生じる場合、超電導ケーブル１１０に生じる応力は、全体に均等に応力が生じるのではなく、終端接続部などに集中して発生する。その場合に、図９Ｂに示すように、特許文献２に示す超電導ケーブル１３０と導体の端末部分は、曲げ応力等に対応した構造となっておらず、座屈や、折れが生じていた。

よって、本発明は、超電導ケーブル導体と端子部材との接続部分における機械的強度を強く、電気的接続抵抗を小さくすることができる技術を提供することを課題とする。

本発明は、超電動ケーブル導体の端末部分と、良導体の端子部材とを接続するための構造であって、
前記端末部分は、中心支持体の外周に配置された超電導層と、超電導層を囲む絶縁体層とを備え、端部から順に、中心支持体、超電導層が露出するように、絶縁体層、超電導層が除去されており、
前記端子部材は前記端末部分を覆う金属スリーブを備え、
前記金属スリーブは、前記中心支持体の露出部分に内面が密着する第１円筒部分と、前記超電導層の露出部分に半田付けされる第２円筒部分と、内部に前記絶縁体層が挿入される第３円筒部分と、を含み、
前記絶縁体層は、クラフト紙、半合成紙、合成紙のいずれか１つ以上で構成されるテープ状絶縁体が巻きつけられて形成されており、前記第３円筒部分の長さは前記テープ状絶縁体の幅以上であることを特徴とする。

本発明によれば、金属スリーブは、内部に絶縁体層が挿入される第３円筒部分を含む構成としているので、端末部分で超電導ケーブル導体が曲げられた時、絶縁体層と金属スリーブとの間に隙間がないか、密着されているために、ほとんど曲がりがなく直線状態を維持する。このために、従来では露出された超電導層と絶縁体層との境界部で局所的にケーブルが曲がっていたのに対し、本発明では超電導層と絶縁体層との境界部で曲がりが生じることはない。したがって、この部分において超電導層への応力集中や屈曲による線材の切断などの損傷を与えることがなく、電気的にも、引張りや曲げなどの機械的にも、信頼のおける端末構造とすることができる。
また、超電導ケーブルの低温による収縮又は熱による延びが発生する場合でも、金属スリーブの第３円筒部分が、絶縁体層と金属スリーブとの間の曲がりを抑止して信頼のおける端末構造とすることができる。

また、本発明によれば、金属スリーブの第１円筒部分の内面を中心支持体の露出部分に密着させているので、中心支持体を第１円筒部分で拘束することができ、この点からも接続部分の機械的強度を高めることができる。
また、超電導層と金属スリーブとを半田付けしているので、接続抵抗を小さくでき、さらに超電導層と金属スリーブとの間の接続抵抗を均一化できるために、損失の小さな安定した通電を可能とする。

また、本発明によれば、前記絶縁体層は巻き付けられたテープ状絶縁体により形成し、前記第３円筒部分の長さは前記テープ状絶縁体の幅以上である。このようにすることで、巻き付けられたテープ状絶縁体により形成した絶縁体層をそのまま拘束あるいは固定した状態に維持することが可能になる。即ち、絶縁体層に被さる第３円筒部の長さがテープ状絶縁体の幅以下の場合には、巻き付けたテープ状絶縁体どうしが層間で滑ることにより、端部でほどけて、絶縁体層全体を十分に固定できなくなる現象を未然に防ぐことが可能になる。

また、本発明では、前記第３円筒部分には、その第３円筒部分の端部に向かうにしたがって内径が次第に大きくなる拡径部が形成されていることが望ましい。このようにすれば、ケーブルに曲げが加わったときに、拡径部の内面曲率に沿ってケーブルが緩やかに曲がるように設定することができる。

本発明では、前記第３円筒部分が割り構造となっていて、第３円筒部分に超電導ケーブル導体の絶縁体層が収められた状態で、縮径して前記第３円筒部分と絶縁体層とが密着する構造とすることが望ましい。このような構造とした場合、第３円筒部分にバネのような弾力性を与えることができるので、接着剤や外部からの圧縮なしで、第３円筒部分の内面を絶縁体層に密着させる構造とすることができる。

本発明では、前記露出された超電導層が多層構造であり、前記多層構造の最外層から最内層まで順に、超電導層が露出するように階段状に形成されていることが望ましい。このような構造とした場合、すべての超電導線材を金属スリーブの内面に半田接続させることができる。

本発明の金属スリーブは、電気抵抗が小さく、加工性に優れている点から、銅または銅合金、アルミ合金の少なくとも一つで形成されていることが望ましい。

本発明によれば、超電導ケーブル導体と端子部材との接続部分における機械的強度を強く、電気的接続抵抗を小さくすることができる技術を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る超電導ケーブル導体の端末構造を示す側面図。 本発明の実施形態１に係る超電導ケーブル導体の端末部分を示す斜視図。 本発明の実施形態１に係る金属スリーブを備える端子部材の平面図である。 本発明の実施形態１に係る金属スリーブを備える端子部材の側面図である。 本発明の実施形態１に係る金属スリーブを備える端子部材の左端面図である。 本発明の実施形態１に係る金属スリーブを備える端子部材の右端面図である。 本発明の実施形態１に係る金属スリーブが超電導ケーブルの収縮に対して曲げを防止している状態を示す状態説明図である。 本発明の実施形態１に係る金属スリーブが超電導ケーブルの伸長に対して曲げを防止している状態を示す状態説明図である。 本発明実施形態２に係る金属スリーブを備える端子部材を示す平面部である。 本発明の実施形態２に係る金属スリーブを備える端子部材の側面図である。 本発明の実施形態２に係る金属スリーブを備える端子部材の左端面図である。 本発明の実施形態２に係る金属スリーブを備える端子部材の右端面図である。 本発明の実施形態３に係る金属スリーブを備える端子部材の断面図。 従来技術に係る超電導ケーブル導体の端末部分と金属スリーブを示す斜視図。 従来技術に係る超電導ケーブル導体の端末構造を示す斜視図。 従来技術に係る超電導ケーブル導体の端末構造が超電導ケーブルの収縮に対して曲げを防止している状態を示す状態説明図である。 従来技術に係る超電導ケーブル導体の端末構造が超電導ケーブルの伸長に対して曲げを生じている状態を示す状態説明図である。

以下、本発明の実施形態について、図１、図２および図３を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明を多層超電導ケーブルに適用した実施形態１を示す接続部分の側面図である。

［実施形態１］
この実施形態１では、中心支持体１１上に、超電導テープ線材が隙間なく螺旋状に巻かれて超電導層１２が構成され、さらにその外周には絶縁紙が巻き付けられ、絶縁体層１３が構成されている。ここで、中心支持体１１は銅線やアルミ線が複数本より合わされた撚り線導体であり、あるいは内部に螺旋管やフレキシブル管を芯材としてその外側に銅線やアルミ線が巻き付けられた中空導体でもよい。中心支持体１１上に巻き付けられた超電導テープ線材は、Ｂｉ系超電導テープ線またはイットリウム系超電導テープ線であってもよく、本実施形態では幅４ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのイットリウム系超電導テープを巻き付けて超電導層１２を形成している。

絶縁体層１３は、幅２０ｍｍで厚さ０．１ｍｍの絶縁紙（半合成紙）が巻き付けられ、６６ｋＶ級の超電導ケーブルでは約６ｍｍ、１５４ｋＶ級超電導ケーブルでは約１５ｍｍ、２７５ｋＶ級超電導ケーブルでは約２５ｍｍの厚さで構成されている。なお、絶縁紙は、クラフト紙や合成紙であっても良い。超電導ケーブル導体の端部（端末部分）１０は外皮を除去されて図２に示すように階段状構造を形成する。この階段状構造は、ケーブル端部から順に、中心支持体１１、超電導層１２、絶縁体１３がこの順で現れる。超電導層１２は、図２においては、階段状に除去されて露出した超電導層１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄからなる４層構造のものを例示している。

金属スリーブ３０（図３Ａ〜図３Ｄ）は、外皮が除去された中心支持体１１、超電導層１２、絶縁体層１３の上に嵌め込まれる。金属スリーブ３０は、端部同士が接して連続配置された第１、第２および第３円筒部分３１、３２、３３を備える。したがって、この実施形態では、金属スリーブ３０自体が良導体の端子部材を兼ねる構造となっている。なお、金属スリーブ３０には、必要に応じて、例えば、銅、銅合金、アルミ合金などの良導体に接続するための孔付き突起などが設けられる。第１円筒部分３１は、中心支持体１１の直径よりわずかに大きい内径の中空円筒形状である。これにより、金属スリーブ３０の第１円筒部分３１は外部より圧力を加えて縮径させることで、中心支持体１１の露出部分に係合または圧着によって固定可能になっている。例えば、第１円筒部分３１を圧縮加工することにより、中心支持体１１に内面３１ａを密着、あるいは固定することができる。

金属スリーブ３０の第２円筒部分３２の内径は超電導層１２の直径より大きく、これにより、金属スリーブ３０の第２円筒部分３２の内面３２ａと超電導層１２との間に空隙αが残る。金属スリーブ３０の開口３５は第２円筒部分３２を貫通している。この開口３５から、低融点金属である溶融した半田材料を注入することで、溶解した半田合金を第２円筒部分３２の内面３２ａと超電導層１２との間の空隙に浸透させて、超電導層１２を構成する超電導テープ線材と、金属スリーブ３０とを半田で接続することができる。

また、半田材料を第２円筒部分３２の内面３２ａと超電導層１２との間の空隙に浸透させて満たすことで、超電導層１２と金属スリーブ３０との間で接続抵抗の小さい優れた電気接続が可能となる。なお、半田の接着性を向上させるために、金属スリーブ３０の第２円筒部分３２の内面、もしくは内面すべて、または金属スリーブ３０の内面、外面のすべてが銀メッキ、錫メッキ、半田メッキされていてもよい。

第３円筒部分３３は、絶縁体層１３の直径よりわずかに大きい内径の中空円筒形状であり、これにより第３円筒部分３３の中で絶縁体層１３はその内面３３ａによって拘束され、曲げが加わった場合でもこの部分は曲がることができずに直線状態を維持する。なお、第３円筒部分３３の内径としては、絶縁体層１３との間の隙間でケーブルが曲がることができない程度に非常に小さな隙間が形成される内径にしても良い。また、絶縁体層１３部分を挿入可能な隙間を有する内径にして、挿入後に接着剤で隙間を充填する構造や、第３円筒部分３３を縮径して絶縁体１３と密着させる構造にしてもよい。

第３円筒部分３３の長さＬは、最低でも絶縁体層１３を構成する絶縁紙の幅である２０ｍｍ以上に設定してある。その理由は、絶縁紙の幅以下だと、曲げた場合に絶縁紙が滑り、端部でほどけて十分に絶縁体１３を固定できないことからである。

この実施形態１では、金属スリーブ３０を内径の異なる３段構造とし、内径が最も小さい第１円筒部分３１は、超電導ケーブルの中心支持体１１を挿入可能なように、中心支持体１１の外径よりわずかに大きな内径に形成している。第１円筒部分３１に連なる第２円筒部分３２は、超電導層１２との間に必要量の半田が入ることができる隙間を有する大きさの内径に形成している。内径が最も大きい第３円筒部分３３は、超電導ケーブルの絶縁体層１３を挿入可能なように、絶縁体層１３の外径よりもわずかに大きな内径に、例えば嵌め合い公差を含む程度の内径に形成している。

そして、中心支持体１１、超電導層１２、絶縁体層１３を順次露出させた形態の端末部分１０を金属スリーブ３０の中に収納し、その状態で第１円筒部分３１に外部から圧力をかけて縮径させる（圧縮加工する）ことで、中心支持体１１を金属スリーブ３０で把持する構成としている。第２円筒部分には、溶融した半田を内部に流し込んで、超電導層１２を構成する超電導テープ線材のすべてが金属スリーブ３０と半田接続される構造としている。第３円筒部分３３は、超電導ケーブルの絶縁体層１３にほぼ密着させた構造としている。

従って、この実施形態１によれば、金属スリーブ３０は、内部に絶縁体層１３が挿入される第３円筒部分３３を含む構成としているので、端末部分で超電導ケーブル導体が曲げられた時、絶縁体層１３と第３円筒部分３３との間に隙間がないか、密着されているために、ほとんど曲がりがなく直線状態を維持する。このために、従来では露出された超電導層１２と絶縁体層１３との境界部で局所的にケーブルが曲がっていたのに対し、本実施形態では超電導層１２と絶縁体層１３との境界部で曲がりが生じることはない。したがって、この部分において超電導層１２への応力集中や屈曲による線材の切断などの損傷を与えることがなく、電気的にも、引張りや曲げなどの機械的にも、信頼のおける端末構造とすることができる。

また、上記金属スリーブ３０は、図４Ａに示すように、超電導ケーブルが超低温状態に移行した場合の超電導ケーブルの熱収縮時において、引っ張り応力が生じた場合に、第３円筒部分３３が金属スリーブ３０と絶縁体層１３との間で曲げが生じないよう保持することが可能である。
また、同様に、金属スリーブ３０は、図４Ｂに示すように、超電導ケーブルが超低温状態から常温状態に移行した場合の超電導ケーブルの延びが生じた場合でも、第３円筒部分３３が金属スリーブ３０と絶縁体層１３との間で局所的な曲げが生じないよう保持することが可能である。
このように、金属スリーブ３０は、ヒートサイクルにおける極低温状態から常温状態、また、常温状態から極低温状態の双方に対応でき、温度の変化を生じる環境下においても、信頼のおける端末構造とすることができる。

［実施形態２］
図５Ａ〜図５Ｄに本発明の実施形態２を示す。金属スリーブ３０は、端部同士が連続し、かつ同軸に形成された第１円筒部分３１、第２円筒部分３２および第３円筒部分３３を有している。そして、第３円筒部分３３には、縦方向に延びる割り（スリット）３６が第３円筒部分３３の周方向に間隔をおいて複数形成されている。この割り３６は金属スリーブ３０の長さ方向に延び、第３円筒部分３３の全長に亘っている。これにより、第３円筒部分３３は内方へ圧縮（縮径）するバネ状の形態をもつものとして、接着材や外部からの圧縮なしで絶縁体１３に密着する構造となっている。

即ち、第３円筒部分３３は、内部に絶縁体層１３が収められた状態で、縮径して第３円筒部分３３と絶縁体層１３とが密着する構造としている。このような構造とした場合、第３円筒部分３３に径方向のバネのような弾力性を与えることができるので、接着剤や外部からの圧縮なしで、第３円筒部分３３の内面３３ａを絶縁体層１３に密着させる構造とすることができる。この場合、第３円筒部分３３の内径は絶縁体層１３の外径とほぼ等しい程度に設定しておくことが望ましい。第３円筒部分３３の割りによる生じる弾性を利用して、第３円筒部分３３に絶縁体層１３を挿入することができるからである。

［実施形態３］
図６に本発明の実施形態３を示す。金属スリーブ３０は、端部同士が連続し、かつ同軸に形成された第１円筒部分３１、第２円筒部分３２および第３円筒部分３３を有している。第３円筒部分３３の内面３３ａの一部に、ケーブルに曲げが加わったときに、緩やかに曲がるような曲率の丸み３３ｂを形成した構造となっている。第３円筒部分３３の内面３３ａをこのような構造とすることで、ケーブルに曲げが加わっても、これらの内面３３ａおよび３３ｂの全体に沿って緩やかに曲がるため、超電導層１２に損傷が生じないように保護することができる。

なお、以上の実施形態では、金属スリーブが端子部材を兼ねている例を示したが、超電導導体でない例えば、銅、銅合金、アルミ合金などの良導体に電気的に接続するための、孔付き突起などを金属スリーブと一体に形成した構造としても良い。
また、実施形態２では第３円筒部分に割り３６を設けた例を示し、実施形態３では丸み３３ｂを設けた例を示したが、割り３６と丸み３３ｂの両方を設けた構造としても良い。

超電導ケーブルの終端接続部、中間接続部で導体を接続するのに利用される技術分野において利用可能性がある。

１０ 導体端部
１０ 端末部分
１１ 中心支持体
１２ 超導電層
１２ａ 第１層
１２ｂ 第２層
１２ｃ 第３層
１２ｄ 第４層
１３ 絶縁体層
３０ 金属スリーブ
３１ 第１円筒部
３１ａ 内面
３２ 第２円筒部
３２ａ 内面
３３ 第３円筒部
３３ａ 内面
３５ 孔
３６ 割り（スリット）
α 隙間

Claims (5)

1. 超電導ケーブル導体の端末部分と、良導体の端子部材とを接続する構造であって、
   前記端末部分は、中心支持体の外周に配置された超電導層と、超電導層を囲む絶縁体層とを備え、端部から順に、中心支持体、超電導層が露出するように、絶縁体層、超電導層が除去されており、
   前記端子部材は、前記端末部分を覆う金属スリーブを備え、
   前記金属スリーブは、前記中心支持体の露出部分に内面が密着する第１円筒部分と、前記超電導層の露出部分に半田付けされる第２円筒部分と、内部に前記絶縁体層が挿入される第３円筒部分と、を含み、
   前記絶縁体層は、クラフト紙、半合成紙、合成紙のいずれか１つ以上で構成されるテープ状絶縁体が巻きつけられて形成されており、前記第３円筒部分の長さは前記テープ状絶縁体の幅以上である、
   ことを特徴とする超電導ケーブル導体の端末構造。
2. 前記第３円筒部分には、その第３円筒部分の端部に向かうにしたがって内径が次第に大きくなる拡径部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブル導体の端末構造。
3. 前記第３円筒部分が、割り構造となっていて、第３円筒部分に超電導ケーブルの絶縁体層が収められた状態で、縮径して前記第３円筒部分と絶縁体層とが密着す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導体の端末構造。
4. 前記露出された超電導層が多層構造であり、前記多層構造の最外層から最内層まで順に、超電導層が露出するように階段状に形成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の超電導ケーブル導体の端末構造。
5. 前記金属スリーブは、銅または銅合金、アルミ合金の少なくとも一つで形成されている
   ことを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の超電導ケーブル導体の端末構造。

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