JPH11506261A - 撚られた個別導体から成る２つの同心の導体配置を有する交流ケーブル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 交流ケーブルは電流が往復する導体として撚られた個別導体から成る２つの同心の導体配置（８または９）を有する。導体配置（８、９）の少なくとも１つは撚られた常伝導性または超伝導性の個別導体（３）から成る多数の導体層（Ｌ_j、Ｌ_j′）を含んでいる。個別導体は好ましくは高‐Ｔc 超伝導体材料を有する。本発明によれば、個々の導体層（Ｌ_j、Ｌ_j′）の撚り角度（α_j、α_j′）は可能なかぎりわずかな損失が生ずるように選ばれていなければならない。そのため撚り角度（α_j、α_j′）を求めるための計算規則が示されている。

Description

【発明の詳細な説明】 撚られた個別導体から成る２つの同心の導体配置を有する交流ケーブル 本発明は、交流電流往復導体として撚られた個別導体から成る２つの同心の導 体配置を有する少なくとも１つのケーブル心線を有し、その際に導体配置の少な くとも１つがらせん状に保持体の周りに所定の撚り角度で置かれた個別導体の多 数の導体層から形成されている交流ケーブルに関する。このようなケーブルはた とえばドイツ特許第3811051 号明細書から知られている。 導体材料として超伝導性の金属酸化化合物を含んでいる電気導体を有する交流 ケーブルの開発には現在特別な関心が寄せられている。好ましくは７７Ｋを越え る高い跳躍温度Ｔ_cを有し、従って液体窒素により常圧で冷却することができる このような超伝導金属酸化化合物は一般に知られている。従ってこれらの化合物 は高Ｔ_cまたは高温超伝導材料（略してＨＴＳＬ材料）とも呼ばれる。相応の金 属酸化化合物は特に、たとえば物質系Ｙ‐Ｂａ‐Ｃｕ‐Ｏまたは（Ｂｉ、Ｐｂ） ‐Ｓｒ‐Ｃａ‐Ｃｕ‐Ｏをベースとするキュプレート（Ｃｕｐｒａｔｅ）である 。 これらのＨＴＳＬ材料から、わずかな損失および小さい断面積で電気エネルギ ーを伝送するための交流ケーブルの超伝導性のケーブル心線を構成し得る導体が 製造される。超伝導ケーブルを採用すれば、その冷却のための冷却設備における エネルギー消費を含めて交番磁界損失が比較可能な常伝導ケーブルにおける損失 よりも小さいかぎり、公知の常伝導ケーブルにくらべて経済的な利点が得られる 。 ケーブルモデルにおける見積および損失測定から、この目標は、予定されてい る通電能力に対してたとえば帯状のＨＴＳＬ素導体の多数の層を有するケーブル 心線が必要とされる場合には、容易には達成できないと予想される。その原因と しては、超伝導体におけるおよびそれからの固有磁界の損失を伴う磁束運動と、 導体の金属成分中に誘起される渦電流にあることが判明した。 実験により支持されている公知の損失理論によれば、超伝導体の導体表面にお ける磁界は可能なかぎり小さく選ばれなければならない。しかしこのことは交流 ケーブルに応用すると、ケーブル心線の直径を、電流が個々の超伝導体を有する 単層の層により担われるまで、大きくしなければならないことを意味する。しか し、このことは −製造、輸送および布設の際の小さい湾曲可能性または大きい許容半径、 −電気絶縁体における大きい体積、大きい誘電損失および大きいキャパシタンス −超低温シースの大きい表面および冷却材へのかなりの熱搬入 に関する問題に通ずる。 しかし、これらの問題を解決するための対策はこれまでに知られていない。 従って本発明の課題は、冒頭に記載した特徴を有する交流ケーブルを、特に超 伝導材料を使用する際の前記の問題の少なくとも大部分が生じないように構成す ることにある。本発明による交流ケーブルは常伝導性の導体に対しても適用され るものとする。 この課題は、本発明によれば、請求項１に記載されている対策により解決され る。 本発明では、撚り角度αにより撚られた導体から成るただ１つの層を有するケ ーブル心線において電流Ｉがらせん軌道をたどり、またケーブル心線の軸線（ｚ 方向）に沿う軸線方向成分Ｉｚ＝Ｉ・ｃｏｓαの他に周縁方向の方位成分Ｉφ＝ Ｉ・ｓｉｎαも有するという事実から出発している。すなわち、電流負担Ｊを有 する個別層は磁界の２つの成分を発生する。 −導体層の周りの（半径ｒ＞Ｒを有する）外部空間では磁界は純粋に方位角であ る。 Ｈφ＝ＪｚＲ／ｒ＝Ｊ・ｃｏｓα・Ｒ／ｒ である。 −導体層により囲まれる（半径ｒ＜Ｒを有する）内部空間では磁界は均等であり 、ケーブル軸線ｚに沿って方向付けられている。 Ｈｚ＝Ｊφ＝Ｊ・ｓｉｎα その際に α 個々の超伝導体とケーブル軸線方向（ｚ方向）との間の撚り角度 Ｒ 単一の導体層の半径 Ｊ＝Ｉ／（２πＲ・ｃｏｓα） 導体表面上の電流負担（帯状の個別導体におけ る帯幅あたりの電流） である。 このような単層のケーブル心線では交流磁界損失は外側表面における磁界成分 Ｈφ（Ｒ）＝Ｊｚ＝Ｉ／（２πＲ） により惹起される。これに対して多層に撚られたケーブル心線では個々の導体層 の磁界の大きさの重畳が考慮に入れられなければならない。ここで磁界の和は外 部にφ成分だけを、内部にｚ成分だけを有する。しかし隣接する導体層の間の中 間空間には両方の磁界成分が存在している。 さて、中間空間におけるこれらの両方の磁界成分に起因する交流磁界損失が交 流ケーブルの多層のケーブル心線に対する本発明による撚りコンセプトにより、 磁束が導体を越えて外部から個々の層の間に存在している中間空間に入り込まな いことによって、少なくとも大幅に減ずることが認識されている。それにより有 利なことに、それと結び付けられる比較的高い損失も生じない。これらの考察は 特にＨＴＳＬ材料を有する超伝導性の導体に対しても常伝導性の導体に対しても 当てはまる。その結果たとえば、本発明によるケーブルにおいて、少なくとも３ つの導体層を有する各導体においてそれぞれ個別導体の撚り角度が段階的に（変 化量における極性符号の切換わりが生ずることなしに）常に単に増大または単に 減少することになる。これに対して公知のケーブルコンセプトでは極性符号の切 換わりを有する撚り角度の変化が生ずる（たとえばドイツ特許出願公開第 18140 36号またはヨーロッパ特許出願公開第0623937 号明細書参照）。 本発明による交流ケーブルの有利な実施態様は従属請求項から明らかである。 以下、図面を参照して本発明を一層詳細に説明する。 図１および図２は唯一の導体配置の撚りの一部分の切断図、 図３は同心の往復導体配置を有する本発明によるケーブルの横断面図を、また 図４はこのケーブルの斜視図をそれぞれ概略的に示す。 その際図面中で対応する部分には同一の符号が付されている。 図１および図２には本発明による交流ケーブルの一部としてケーブル心線のた だ１つの導体配置２が示されている。この導体配置は好ましくは中実または中空 の円筒状の軸線Ａを囲む保持体４の上に個々に並び合っている個別導体３の第１ の層Ｌ1 を含んでいる。軸線Ａはｚ座標の方向を有する。導体材料としてこの実 施例では特に７７Ｋを越える高い跳躍温度Ｔ_cを有する超伝導材料が選ばれてい る。ワイヤまたは帯状の個別導体３は好ましくはＡｇまたはＡｇ合金から成る常 伝導性マトリックスに埋め込むことのできるたとえば（Ｂｉ，Ｐｂ）₂Ｓｒ₂Ｃａ₂ Ｃｕ₃Ｏ_xのようなＨＴＳＬ材料を含んでいる。ＨＴＳＬ材料は常伝導性保持体 の上に層の形態で被覆することもできる。超伝導性の個別導体は単心導体または 多心導体（＝マルチフィラメント導体）として構成でき、その際に丸いまたは好 ましくは平坦な断面形状を有する。たとえば銀から成るマトリックス中にほぼ楕 円形断面の少なくとも１９本のフィラメントを有するＨＴＳＬ‐マルチフィラメ ント‐平形ワイヤを設けることができる。銀含有マトリックス材料は０．１ない し４％のビスマス、鉛、アンチモン、アルミニウムまたは錫と合金することもで きるが、その際に７７Ｋにおいて少なくとも１０^-6Ω・ｃｍの固有電気抵抗を有 していなければならない。相応の多心導体は１ｃｍ〜１０ｃｍの“ツイスト（Ｔ ｗｉｓｔ）”長を有する撚られた導体コア（フィラメント）を有することができ る。帯状の超伝導体では幅対厚みの比は好ましくは１０：１〜５０：１である。 多数の並び合って延びている相応の超伝導性の単心または多心導体３から成る 半径方向に最も内側の導体層Ｌ₁においてこれらの導体はそれぞれ所定の撚り長 ｌ₁をもってねじ状またはらせん状に配置されていなければならない。その場合 保持体４の直径ｄに関係して、各超伝導体３の長手方向と保持体４の長手方向（ 軸線方向ｚ）との間に所定の撚り角度α₁が生ずる。 層Ｌ₁の周りに、有利には層Ｌ₁の個別導体に相応する超伝導性の個別導体３か ら成る図面中に概略のみを示されている少なくとも１つの別の層Ｌ_jが配置され ている。（添字ｊに対しては１≦ｊ≦Ｎ、ここでＮ≧２が当てはまる。）その際 に薄い電気絶縁材５を隣接する導体層の間に設けることができる。しかしまたこ れらの層の間に薄い導電層を設けることも可能である。この層はたとえば１０^-2 Ω・ｃｍ〜１０^-6Ω・ｃｍの面抵抗を有するカーボン紙から成る導電性の悪い材 料から成っていてよい。本発明によれば、前記の別の層Ｌ_jの個別導体３に対し て所定の撚り長ｌ_j、従ってまたそれに関係する撚り角度α_jが設定されなけれ ばならない。その際撚り長ｌ₁およびｌ_jまたは撚り角度α₁およびα_jに対する具 体的な値は本発明によれば、すべての交流ケーブルの輸送電流がケーブルの往線 および復線としての役割をする導体配置の相互の影響を顧慮して少なくとも近似 的に均等にすべての導体層Ｌ_jに分布するように選ばれる。すなわち、個別導体 ３のＮ（≧２）の層Ｌ_jを有する図示されている導体配置２において、これらの 層の各々は少なくともほぼ均等な電流負担Ｊ_j＝Ｊを有していなければならない 。その際に第ｊの導体層Ｌ_jの電流負担Ｊ_jとは、それぞれの導体層Ｌ_jの周囲長 およびこの層における導体の撚り角度α_jのコサインに対する全電流を意味する 。すなわち Ｊ_j＝Ｉ_ges／（２πｒ_j・Ｎ・ｃｏｓα_j） ここでＩ_ges＝すべてのケーブル心線中の全電流 ｒ_j＝導体層Ｌ_jの平均半径 が成り立つ。 α_jに対する具体的な値を決定するためには、先ず、電流の流れが１つの方向 ｚ（たとえば往方向）にのみ行われる図１および図２中に概要を示されているた だ１つの導体配置２を有するケーブルまたはケーブル心線のみが考察される。こ のようなケーブルに対しては個々の導体層Ｌ_jの撚り長ｌ_jまたは撚り角度α_jは 少なくとも近似的に下記の数式を満足しなければならない。 その際に Ｒ すべての導体層Ｌ_jの全体の平均半径、 Ｈ_z／Ｊ 電流負担Ｊ_j＝Ｊあたりの導体配置２の内部における軸線方向の磁 界Ｈ_z、 ΔＲ 個々の導体層の間の半径方向の間隔（個別導体３の厚みと場合によ っては存在する層絶縁材５の厚みとの和に相当する）、 ｊ それぞれの導体層Ｌ_jの添字、 Ｎ 導体配置のすべての導体層の全数 を表す。 上記の回帰式の分母中に値Ｈ_z／Ｊは既にすべての検出すべき角度α_jを含んで いるので、上記の式は反復法で解くことができる。各々の予め与えられる（軸線 方向ｚの）値Ｈ_z／Ｊに対して、角度（α_j）のそれぞれ１つの組が得られる。そ の際に、撚り角度α_jは半径方向に内側から外側へ観察して段階的に層から層へ と増大のみをもしくは減少のみをすることが確かめられる。まさにこのことは公 知のケーブルコンセプトとは事情が異なる（たとえばドイツ特許出願公開第 181 4036号またはヨーロッパ特許出願公開第0623937 号明細書参照）。 図１および図２の基礎となっているケーブルの実施例では、そのただ１つの導 体配置２がたとえばただ１つの往線であるように交流電流をその軸線Ａの方向に のみ導くことが前提となっている。その結果本発明による交流ケーブルに対して は、もう１つの相応の導体配置が復線として必要である。特に三相交流伝送のた めの交流ケーブルでは、一般に外方に電気的および磁気的に中性のケーブル心線 が望ましい。従って各相の電流は同心の外側導体上で戻される（またはその逆） 。その場合各ケーブル心線の外側に磁界は存在しない。往線および復線を有する 超伝導体ケーブルでは相応のコンセプトが不可欠である。さもなければ平行に位 置している相線の漂流磁界が撚り線の個別導体の間の追加的な平衡電流を誘起す るであろう。その場合に超伝導性の個別導体に対して垂直な不可避の交流磁界成 分は是認できない高い損失を惹起するおそれがある。追加的な渦電流損失が金属 材料から成る超低温ジャケットに生ずるおそれがある。 図３は本発明による交流ケーブルの相応のケーブル心線７を通る断面の概略断 面図を示す。ケーブル心線は、たとえば往線としての役割をしその導体層Ｌ_jか らの巻線の平均半径Ｒ_iを有する内側導体配置８と、それに対して同心にその導 体層Ｌ_j′からの巻線の平均半径Ｒa を有する外側導体配置９とを含んでいる。 その際に外側導体配置の導体層中の電流負担は内側導体配置の導体層中の電流負 担に対して反対に、すなわち−Ｊでなければならない。図面中には内側導体配置 ８の５つの導体層Ｌ_jと外側導体配置９の導体層Ｌ_j′とが示されている。内側 導体配置の５つの導体層Ｌ_jはその際に半径方向に内から外へ数えられ、他方に おいて外側導体配置の導体層Ｌ_j′は反対方向に数えられる。内側導体配置の内 部空間１１では内側および外側導体配置の軸線方向の磁界の重畳Ｈ_zi＋Ｈ_zaが作 用し、内側導体配置と外側導体配置との間の中間空間１２では外側導体配置の軸 線方向の磁界Ｈ_zaのみが作用する。またそこには、内側導体配置から発生される 方位角磁界Ｈφi も作用する。外部空間１３は無磁界である（Ｈφ＝Ｈz ＝０） 。 交流ケーブルのただ１つの往線を形成するケーブル心線に対するｔａｎα_j+i −ｔａｎα_jに対する上記の数式に相応して、同心的に内側導体配置８および外 側導体配置９を有するケーブル心線７を有する本発明による交流ケーブルに対し て、下記の数式が少なくともほぼ守られると有利である。 ａ）内側導体配置８に対して ここで ｂ）外側導体配置９に対して ここで その際添字ｉおよびａはそれぞれ内側および外側導体配置を示す。総和は内側 導体配置の層数Ｎ_iまたは外側導体配置の層数Ｎ_aにわたって求められる。外側 空間１３ではすべての磁界は零に相殺される。外側導体配置９の個々の層Ｌ_j′ の間の方位角磁界Ｈφ_aは内側導体配置とは異なり半径方向に外から中へ増大す る。この事実は外から中への図３による数の順序により考慮に入れられている。 上記の数式は同心の外側および内側導体配置を有するすべての交流ケーブルに 対して当てはまり、その際に層数Ｎ_iおよびＮ_aの一方のみが１よりも大きいこと を必要とする。たとえばこれらの数式はたとえば、２つの導体層を有する内側導 体配置とただ１つの単一の導体層を有する外側導体配置とを有する交流ケーブル に応用可能である。すなわち、Ｎ_i＋Ｎ_a≧３が成立しなければならない。たとえ ば外側導体配置がただ１つの単一の導体層を有するならば、もちろんこの導体層 に関しては撚り角度α_Laに対する寸法規則はなくなる。しかし具体的に選ぶべき α_Laの角度値は内側導体配置に対する計算規則にＨ_zi／Ｊに対する式を介して入 らなければならない。 表１は具体的な実施例として、６／４または３／２導体層を有する内側／外側 導体配置に対して、特定の値対（Ｈ_zi／ＪおよびＨ_za／Ｊ）に対して保つべき撚 り角度α_jのいくつかの組を示す。その際に特別な大きさ２ΔＲ_i／Ｒ_iおよび２ ΔＲ_a／Ｒ_aが基礎とされている。これらの少数の例のほかに、撚り合わせ過程、 撚り結合の機械的安定性、冷却の際の熱膨張への適応などの要求を可能なかぎり かなえるため、パラメータＨ_zi／ＪおよびＨ_za／Ｊのバリエーションにより別の 撚りスキームが得られる。すべてのこれらのバリエーションは交流磁界損失の観 点で等植とみなされる。 図４は内側導体配置８および外側導体配置９を有する本発明による交流ケーブ ルの相応に撚られたケーブル心線１５を示す。内側導体配置は、保持体４を同心 に囲み層絶縁材５により互いに間隔をおかれている６つの導体層Ｌ_j（ｊ＝１… ６）を有する。導体層Ｌ_iから成る巻線を囲む別の保持体４′は外側導体配置９ の４つの同心の相応に間隔をおかれた導体層Ｌ_j′（ｊ＝１…４）を保持する。 図面からわかるように、内側および外側導体配置のすべての導体層はそれぞれ相 い異なる撚り角度α_jまたはα_j′を有し、その際に内側および外側導体配置に対 する相い異なる数え方を考慮に入れてそれぞれ負の角度から段階的に正の角度へ 移行される。しかしこの規則性は常に必要なものではない。段階的な角度変化は 逆の方向に行われてもよい（表１、３／２導体層の実施例参照）。しかし少な くとも３つの導体層を有する少なくとも１つの導体配置を有する本発明による交 流ケーブルにおいて、この導体配置で撚り角度が段階的に常に増大のみまたは減 少のみを（角度変化の極性符号の切換わりなしに）することは確認すべきである 。まさにこの特徴は公知のケーブルコンセプトでは与えられていない（たとえば 前記のドイツ特許出願公開第 1814036号またはヨーロッパ特許出願公開第062393 7 号明細書参照）。 以上に説明した実施例によれば、本発明による交流ケーブルの電気導体がＨＴ ＳＬ材料から成る少なくとも１つの導体心線を有する個別導体であることを前提 とした。これに対して選ぶべき特別な撚り角度の選定に関する措置は確かにこの ような材料から成る個別導体に対して特に有利であると考えられる。しかしこれ らの角度の基礎となっている考察は同じく、液体Ｈｅの冷却技術を必要とするＮ ｂＴｉまたはＮｂ₃Ｓｎのようないわゆる古典的な超伝導体材料を有する個別導 体に対しても同じく当てはまる。 さらに、本発明による措置はたとえばＣｕまたはＣｕ合金から成る常伝導性の 個別導体を有する交流ケーブルにも有利に応用できる。なぜならば、これらの措 置によりこれらの材料から成る導体に生ずる表皮効果が考慮に入れられるからで ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．交流電流が往復する導体として撚られた個別導体から成る２つの同心の導体 配置を有する少なくとも１つのケーブル心線を有する交流ケーブルであって、そ の際に導体配置の少なくとも１つがらせん状に保持体の周りに所定の撚り角度で 置かれた個別導体の多数の導体層から形成されている交流ケーブルにおいて、個 々の導体層（Ｌ_j、Ｌ_j′）の個別導体（３）の撚り角度（α_j、α_j′）が、 ａ）内側導体配置（８）に対して下記の数式が少なくともほぼ満足されており、 ここで また ｂ）外側導体配置（９）に対して下記の数式が少なくともほぼ満足されている ここで その際に ｌ_jiおよびｌ_ja 内側導体配置（８）または外側導体配置（９）の第ｊの導 体層（Ｌ_jまたはＬ_j′）の個別導体の撚り長 α_jiおよびα_ja 内側導体配置（８）または外側導体配置（９）の第ｊの導 体層（Ｌ_jまたはＬ_j′）の個別導体の撚り角度 Ｎ_iおよびＮ_a 内側導体配置（８）または外側導体配置（９）の導体層（ Ｌ_j、Ｌ_j′）の数 Ｈ_ziおよびＨ_za 内側導体配置（８）または外側導体配置（９）によりそれ ぞれケーブル心線（７）の内部に誘起される軸線方向磁界 Ｊ 各導体層（Ｌ_j、Ｌ_j′）の電流負担 Ｒ_iおよびＲ_a 内側導体配置（８）または外側導体配置（９）のすべての 導体層（Ｌ_j、Ｌ_j′）の全体の平均半径 および ΔＲ_iおよびΔＲ_a 内側導体配置（８）または外側導体配置（９）の隣接する 導体層（Ｌ_j、Ｌ_j′）の平均半径の間の差 ように選ばれていることを特徴とする交流ケーブル。 ２．個別導体が超伝導材料から成ることを特徴とする請求項１記載のケーブル。 ３．個別導体（３）が高‐Ｔc 超伝導体材料から成ることを特徴とする請求項２ 記載のケーブル。 ４．個別導体（３）におけるそれらの高‐Ｔc 超伝導体材料がＡｇまたはＡｇ合 金から成るマトリックス中に少なくともコアの形態で存在していることを特徴と する請求項３記載のケーブル。 ５．個別導体が常伝導材料から成ることを特徴とする請求項１記載のケーブル。 ６．個別導体（３）が線状または帯状の形態を有することを特徴とする請求項１ ないし５の１つに記載のケーブル。 ７．帯状の個別導体（３）の幅対厚みの比が１０：１〜５０：１であることを特 徴とする請求項６記載のケーブル。 ８．隣接する導体層（Ｌ_j、Ｌ_j′）の間に絶縁または導電材料から成る層（５） が配置されることを特徴とする請求項１ないし７の１つに記載のケーブル。