WO2011142303A1 - 超電導ケーブル - Google Patents

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WO2011142303A1
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dielectric loss
thickness
dielectric constant
loss tangent
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向山　晋一
八木　正史
米村　徳偉
朋哉 野村
Original Assignee
古河電気工業株式会社
財団法人国際超電導産業技術研究センター
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B12/00—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines
    • H01B12/02—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by their form
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G3/00—Compounds of copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40—Electric properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/02—Disposition of insulation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the present invention relates to a superconducting cable.
  • Superconducting cable is attracting attention as a new power cable that is compact and capable of transmitting large-capacity power with low loss.
  • a superconducting cable is generally configured by sequentially laminating a superconducting conductor layer, an insulating layer, and a superconducting shield layer on a flexible former.
  • the superconducting conductor layer is formed by winding a plurality of tape-shaped oxide superconducting wires.
  • the insulating layer is configured by winding an insulating tape.
  • the superconducting shield layer is formed by winding a plurality of tape-shaped oxide superconducting wires.
  • Patent Document 1 discloses a superconducting cable in which a superconducting conductor layer 3a, an insulating layer 51a, a superconducting shield layer 7a, and the like are sequentially laminated on a former 1a as shown in FIG.
  • a superconducting conductor layer 3a for example, an yttrium-based oxide superconducting wire such as Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X (0 ⁇ X ⁇ 1) is used.
  • the insulating layer 51a is configured by winding insulating paper such as synthetic paper, semi-synthetic insulating paper or kraft paper. When the superconducting cable is cooled by liquid nitrogen, the insulating layer 51a retains liquid nitrogen in the insulating paper or in a gap between the insulating papers (bad gap: bad gap).
  • Formula 1 shows the electric field distribution in the insulating layer 51a made of a uniform insulating material.
  • the withstand voltage performance of the insulating layer 51a needs to be larger than the maximum electric field in the insulating layer 51a.
  • the electric field in the insulating layer 51a becomes the maximum electric field.
  • the insulation design of the superconducting cable is designed such that the maximum electric field in the insulating layer 51a is lower than the withstand voltage performance.
  • Patent Document 2 discloses a configuration of an insulating layer called grading.
  • the insulating layer is made up of two layers. Of the two insulating layers, the dielectric constant epsilon 1 of the inner peripheral side of the insulating layer is high, the dielectric constant epsilon 2 of the outer peripheral side of the insulating layer is low.
  • Formula 2 shows the boundary voltage Va between the inner peripheral insulating layer and the outer peripheral insulating layer.
  • the voltage ⁇ V borne by the inner peripheral insulating layer becomes (V ⁇ Va), in order to increase the dielectric constant ⁇ 1 of the inner peripheral insulating layer and lower the dielectric constant ⁇ 2 of the outer peripheral insulating layer ( ⁇ 1 > ⁇ 2 ), and the voltage ⁇ V decreases.
  • grading has the effect of relaxing (lowering) the internal electric field. Therefore, the maximum electric field directly above the conductor can be reduced, and high withstand voltage performance can be realized.
  • Table 1 shows insulating materials that are normally used as insulating layers for superconducting cables.
  • dielectric constant ⁇ dielectric loss tangent tan ⁇
  • material cost of each insulating material are shown. Note that the values of dielectric constant and dielectric loss tangent are those in liquid nitrogen impregnation (atmospheric pressure 77K).
  • the insulating materials shown in Table 1 have a dielectric breakdown strength of 40 to 50 kV / mm for each single material.
  • the insulating layer is formed in a state of being impregnated with liquid nitrogen (dielectric constant 1.43 (atmospheric pressure 77 K)).
  • dielectric constant ⁇ of the insulating layer is small, the electric field applied to the liquid nitrogen existing in the bad gap becomes high, so that high withstand voltage performance cannot be realized.
  • the dielectric constant ⁇ and dielectric loss tangent ⁇ of the nonwoven fabric itself are preferred, but the nonwoven fabric is a stretchable material, so the nonwoven fabric Is used as the insulating layer, or when the proportion of the nonwoven fabric in the insulating layer is large, the nonwoven fabric can be wrinkled when bending occurs in the superconducting cable. If wrinkles are formed in the insulating layer, a gap is generated in the insulating layer, resulting in a void having low electric field concentration and insulation resistance in terms of electrical insulation, which causes a problem of dielectric breakdown even when a low voltage is applied.
  • a synthetic resin nonwoven fabric plastic fiber nonwoven fabric
  • An object of the present invention is to provide a superconducting cable at a low material cost that suppresses dielectric loss and has high withstand voltage performance.
  • a superconducting cable having an insulating layer on the outer periphery of a conductor,
  • the insulating layer has at least three layers consisting of a first insulating layer, a second insulating layer, and a third insulating layer from an inner layer to an outer layer, and the insulating layer is impregnated with liquid nitrogen,
  • the product of the dielectric constant ⁇ 1 and the dielectric loss tangent tan ⁇ 1 of the first insulating layer and the product of the dielectric constant ⁇ 2 and the dielectric loss tangent tan ⁇ 2 of the second insulating layer satisfy the relationship of ⁇ 1 ⁇ tan ⁇ 1> ⁇ 2 ⁇ tan ⁇ 2.
  • the product of the dielectric constant ⁇ 2 and the dielectric loss tangent tan ⁇ 2 of the second insulating layer and the product of the dielectric constant ⁇ 3 and the dielectric loss tangent tan ⁇ 3 of the third insulating layer satisfy the relationship of ⁇ 2 ⁇ tan ⁇ 2 ⁇ 3 ⁇ tan ⁇ 3.
  • a superconducting cable is provided.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of the superconducting cable 10.
  • the superconducting cable 10 includes a former 1, a smoothing layer 2, a superconducting conductor layer 3, an internal semiconductive layer 4, an insulating layer 5, an external semiconductive layer 6, a superconducting shield layer 7, a shield protective layer 8, and an insulating protective layer 9. Composed.
  • a smooth layer 2 is formed on the surface of a flexible copper twisted wire former 1 having a diameter of 30 mm.
  • a superconducting conductor layer 3 is formed by spirally winding 20 tape-shaped superconducting wires at a pitch of 300 mm.
  • the superconducting wire is, for example, a YBCO wire, and the cross-sectional dimensions are a width of 4 mm and a thickness of 0.2 mm.
  • an internal semiconductive layer 4 is formed with a gap of about 1 mm made of tape-like carbon paper. The role of the internal semiconductive layer 4 is to relieve the concentration of the electric field at the corners of the YBCO wire on the conductor surface and the protrusions on the surface.
  • An insulating layer 5 is formed on the inner semiconductive layer 4.
  • the insulating layer 5 includes a first insulating layer 5a, a second insulating layer 5b, and a third insulating layer 5c, and the first to third insulating layers (5a to 5c) are sequentially stacked from the inner layer to the outer layer. Configured.
  • the first insulating layer 5a is composed of 20 sheets of polyethylene laminated paper (width 20mm, thickness 0.15mm), which is a composite of kraft paper sandwiched between polyethylene paper, with a 1mm gap and a continuous spiral shape. It is formed by wrapping around.
  • the thickness of the first insulating layer 5a is desirably 1/4 or less with respect to the entire insulating layer 5. This is because if the thickness of the first insulating layer 5a exceeds 1/4 of the total thickness of the insulating layer 5, there arises a problem that the dielectric loss increases.
  • polyethylene laminated paper is used for the first insulating layer 5a.
  • the present invention is not limited to this.
  • the first insulating layer 5a may be made of only kraft paper.
  • the first insulating layer 5a may have a dielectric loss tangent tan ⁇ 1 of 0.05% or more and a dielectric constant ⁇ 1 of 1.0 or more.
  • the dielectric loss tangent tan ⁇ 1 is preferably 0.2% or less. This is because when it exceeds 0.2%, there arises a problem that the dielectric loss becomes high.
  • the product of the dielectric constant ⁇ 1 and the dielectric loss tangent tan ⁇ 1 is preferably 0.1% or more and less than 0.4%.
  • the product of the dielectric constant ⁇ 1 and the dielectric loss tangent tan ⁇ 1 is less than 0.1%, there arises a problem that the withstand voltage characteristics deteriorate, and if it exceeds 0.2%, the dielectric loss increases. It is.
  • the second insulating layer 5b is formed by winding 20 sheets of nonwoven fabric having a width of 20 mm and a thickness of 0.15 mm in a continuous spiral with a 1 mm gap.
  • the non-woven fabric is obtained by bonding or intertwining Teflon (registered trademark) fiber, polystyrene fiber, polyethylene non-woven fabric, polypropylene fiber or the like by thermal, mechanical, or chemical action.
  • Teflon registered trademark
  • polystyrene fiber polyethylene non-woven fabric
  • polypropylene fiber or the like by thermal, mechanical, or chemical action.
  • Tyvek registered trademark
  • the thickness of the second insulating layer 5b is in the range of 1/10 to 1/3, and preferably in the range of 1/5 to 1/4 with respect to the entire insulating layer 5.
  • the thickness of the second insulating layer 5b is desirably 5 mm or less. If the thickness of the second insulating layer 5b exceeds 5 mm, the material cost increases, which is not preferable.
  • the second insulating layer 5b may have a dielectric loss tangent tan ⁇ 2 of 0.02% or less and a dielectric constant ⁇ 2 of 1.0 or more. When the dielectric loss tangent tan ⁇ 2 exceeds 0.02%, there is a problem that the dielectric loss increases.
  • the product of dielectric constant ⁇ 2 and dielectric loss tangent tan ⁇ 2 is preferably 0.04% or less.
  • the second insulating layer 5b is preferably calendered in order to increase the density.
  • the third insulating layer 5c is formed by winding 66 sheets of polyethylene laminated paper having a width of 20 mm and a thickness of 0.15 mm, similar to the first insulating layer 5a.
  • the third insulating layer 5c is not limited to polyethylene laminated paper.
  • the thickness of the third insulating layer 5c is a thickness obtained by subtracting the thicknesses of the first insulating layer 5a and the second insulating layer 5c from the total thickness of the insulating layer 5.
  • the third insulating layer 5c may have a dielectric loss tangent tan ⁇ 3 larger than 0.02% and a dielectric constant ⁇ 3 of 1.0 or more.
  • the product of dielectric constant ⁇ 3 and dielectric loss tangent tan ⁇ 3 is preferably greater than 0.04% and less than 0.3%.
  • the product of the dielectric constant ⁇ 3 and the dielectric loss tangent tan ⁇ 3 is less than 0.04%, the withstand voltage characteristic is deteriorated.
  • the product exceeds 0.3% the dielectric loss is increased. It is.
  • FIG. 2 shows the electric field distribution inside the insulating layer 5.
  • the electric field is concentrated because the dielectric constant ⁇ is generally small, the electric field rise is smaller than that of the first insulating layer 5a because it is thinner than the entire thickness of the insulating layer 5. Therefore, even when the second insulating layer 5b is formed using synthetic paper or the like having low withstand voltage performance, the voltage performance of the insulating layer 5 as a whole is not impaired.
  • the configuration outside the insulating layer 5 is different from the main subject of the present invention.
  • the external semiconductive layer 6 is formed on the insulating layer 5.
  • a superconducting shield layer 7 formed by winding 30 superconducting wires on the external semiconductive layer 6 is formed.
  • the material, dimensions and winding method of the superconducting wire used for the superconducting shield layer 7 are the same as those of the superconducting conductor layer 3.
  • a shield protection layer 8 is formed on the upper surface of the superconducting shield layer 7.
  • the shield protective layer 8 is formed by winding a plurality of copper tapes, and plays a role of protecting the superconducting wire of the superconducting shield layer 7 and protecting the conductor by dividing the current when an overcurrent flows through the shield layer. Further, an insulating protective layer 9 having a thickness of 1 mm is formed outside the shield protective layer 8. The insulating protective layer 9 is formed by winding four layers of tape-shaped kraft paper in a spiral manner with a gap of about 1 mm, and plays a role of insulating between the cable core and the heat insulating tube.
  • the first experiment will be described with reference to Table 2.
  • the first experiment was performed by applying an AC voltage of 275 kV class to the superconducting cable 10 including the three insulating layers 5 according to this embodiment and the comparative example.
  • the maximum electric field means that the voltage gradient per mm in the insulator forming the insulator layer is the highest, and the dielectric loss was determined by measuring the dielectric constant and the dielectric loss tangent.
  • the dielectric breakdown strength confirmed the presence or absence of dielectric breakdown and partial discharge when an alternating voltage was applied at 275 kV. A was evaluated when neither dielectric breakdown nor partial discharge occurred when an AC voltage was applied, B was evaluated when partial discharge was generated, and C was evaluated when both were generated.
  • Example 1 is a superconducting cable including an insulating layer in which a first insulating layer is made of polyethylene laminated paper, a second insulating layer is made of polyethylene nonwoven fabric, and a third insulating layer is made of polyethylene laminated paper.
  • the thickness of the first insulating layer 5a was 5 mm
  • the thickness of the second insulating layer 5b was 5 mm
  • the thickness of the third insulating layer 5c was 14 mm.
  • an insulating layer was formed using an insulating material as shown in Table 2, and the thickness of each insulating layer was configured as shown in Table 2.
  • Example 1 the first insulating layer and the third insulating layer were formed using the same insulating material. In Examples 5 to 7, the first insulating layer and the third insulating layer were formed using different insulating materials. In Example 8, the first to third insulating layers of the present embodiment were disposed on the second to fourth layers, and the insulating material having a large product of dielectric constant ⁇ and dielectric loss tangent ⁇ was disposed on the first layer. In Example 9, the first to third insulating layers of the present embodiment are arranged on the first to third layers, and the insulating material having a large product of dielectric constant ⁇ and dielectric loss tangent ⁇ is arranged on the fourth layer.
  • a superconducting cable (Comparative Example 1) provided with a single insulating layer having a large product of dielectric constant ⁇ and dielectric loss tangent ⁇ , and a single insulating layer having a small product of dielectric constant ⁇ and dielectric loss tangent ⁇ .
  • Superconducting cable provided (Comparative Example 2), and superconducting cable (Comparative Example 3) provided with two insulating layers using the insulating layers of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, dielectric from the inner side toward the outer insulating layer
  • a similar experiment was performed on a superconducting cable (Comparative Example 4) having three insulating layers in which the product of the rate ⁇ and the dielectric loss tangent ⁇ increases.
  • Comparative Example 3 the thickness of the inner insulating layer (first insulating layer) is 10 mm, and the thickness of the outer insulating layer (second insulating layer) is 14 mm.
  • Comparative Example 4 the insulation of the first layer The thickness of the layer was 5 mm, the thickness of the second insulating layer was 5 mm, and the thickness of the third insulating layer was 14 mm. The total thickness of the insulating layer was 24 mm in all of Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 4.
  • Example 1 it was possible to suppress the dielectric loss to 0.4 W / m while realizing high withstand voltage performance.
  • the dielectric loss was reduced to about 70%.
  • the cost can be suppressed by reducing the thickness of the expensive second insulating layer 5b to 5 mm.
  • even when an alternating voltage was applied not only dielectric breakdown, but also a phenomenon that caused problems in insulation such as partial discharge did not occur.
  • Comparative Example 1 the dielectric loss was higher than in Example 1 and other Comparative Examples 2, 3, and 4.
  • Comparative Example 2 a voltage of 10 kV / mm is applied at the maximum electric field in spite of the insulating layer having a low withstand voltage performance, which is not preferable as the withstand voltage performance.
  • the dielectric loss is low, but the cost is high.
  • Comparative Example 3 since an expensive insulating layer having a small dielectric constant ⁇ and dielectric loss tangent ⁇ is used as much as 14 mm, the cost is high.
  • Tyvek registered trademark
  • Tyvek which is a stretchable nonwoven fabric on the outside, is used, when the superconducting cable is bent, the outer insulating layer is wrinkled.
  • the comparative example 4 has a three-layer structure and the dielectric breakdown strength is sufficient, the dielectric loss is slightly higher than those of the first example and the first and second comparative examples, and the cost is increased.
  • Example 2 as in Example 1, the dielectric loss could be suppressed to 0.4 W / m. However, partial discharge occurred when an AC voltage was applied. However, the material cost could be reduced compared to Comparative Examples 2-4. Compared with Comparative Example 3, the dielectric loss and the dielectric breakdown strength are equal, but the material cost can be suppressed as compared with Comparative Example 3, which is advantageous. In Example 3, as in Example 1, the dielectric loss could be suppressed to 0.4 W / m. Furthermore, partial discharge did not occur even when an AC voltage was applied. The material cost was higher than those of Examples 1 and 2, but could be suppressed as compared with Comparative Examples 2-4. In Example 4, the dielectric loss could be suppressed to 0.5 W / m, and no partial discharge occurred even when an AC voltage was applied. Moreover, the material cost is also equivalent to that of Example 1, which is preferable.
  • Example 5 the dielectric loss was 0.6 W / m, which was slightly higher than Examples 1 to 4. In addition, partial discharge occurred when an alternating voltage was applied. However, the material cost could be reduced compared to Examples 1 to 4. Compared to Comparative Example 4, the dielectric loss is equivalent, but the dielectric breakdown strength is slightly inferior. However, the material cost is reduced to half that of Comparative Example 4, which is preferable. In Example 6, the dielectric loss could be suppressed to 0.5 W / m. However, both dielectric breakdown and partial discharge occurred when an AC voltage was applied. The material cost is higher than those of Examples 1 to 5, but can be reduced by 30% as compared with Comparative Example 2.
  • Example 7 the dielectric loss could be suppressed to 0.2 W / m, and no partial discharge occurred even when an AC voltage was applied. However, the material cost has increased. However, it is preferable because the dielectric loss equivalent to that in Comparative Example 2 can be realized and the dielectric breakdown strength can be sufficiently increased.
  • Example 8 the dielectric loss was 0.6 W / m, which was slightly higher than Examples 1 to 4, 6, and 7. However, partial discharge did not occur even when an AC voltage was applied. Moreover, the material cost could be suppressed to the same level as in Examples 1 and 4. Compared with Comparative Example 4, the dielectric loss and the dielectric breakdown strength are equal, but the material cost can be reduced by 40%, which is preferable. In Example 9, the dielectric loss could be suppressed to 0.4 W / m, and no partial discharge occurred even when an AC voltage was applied. Furthermore, the material cost can be suppressed lower than that in the first embodiment, which is preferable.
  • Example 1 a preferable range of the product of the dielectric constant ⁇ and the dielectric loss tangent tan ⁇ of each insulating layer will be described.
  • the product of the dielectric constant ⁇ and the dielectric loss tangent tan ⁇ of the second insulating layer ( ⁇ 2 ⁇ tan ⁇ 2) is 0.04% or less, so that the reduction rate of dielectric loss It can be seen that is improved.
  • the value of ⁇ 2 ⁇ tan ⁇ 2 is in the range of 0.04% or less, the dielectric loss and the dielectric breakdown strength do not change, but the material cost increases by using the fluororesin film as in Example 3. I understand that.
  • Examples 8 and 9 when forming a four-layer insulating layer, an insulating material having a larger product of dielectric constant ⁇ and dielectric loss tangent ⁇ was disposed in the fourth layer than in the first layer. It can be seen that the dielectric loss reduction is improved and the material cost can be further reduced. When the dielectric loss, dielectric breakdown strength, and material cost are comprehensively evaluated, Examples 1, 4, and 9 are most preferable. In other words, semi-synthetic paper (polypropylene laminate paper) is used for the first insulating layer, synthetic resin nonwoven fabric is used for the second insulating layer, and the same material as the first insulating layer is used for the third insulating layer. Most preferably, it is used.
  • the relationship between the dielectric loss and the thickness of the insulating layer will be described.
  • the thickness of the first insulating layer 5a and the thickness of the second insulating layer 5b of the superconducting cable 10 including the insulating layer 5 according to the present embodiment are changed, and in each case, the AC voltage of 275 kV class is changed.
  • the value of dielectric loss when is applied is shown.
  • the dielectric loss is reduced, but the reduction rate is reduced from about 8 mm.
  • the cost increases.
  • the thickness of the first insulating layer 5a is reduced, the dielectric loss is reduced, but when the thickness of the first insulating layer 5a is 5 mm, the maximum electric field applied to the second insulating layer 5b is 8 kV / mm.
  • the maximum electric field applied to the second insulating layer 5b is as high as about 9.5 kV / mm, which is a factor that impairs reliability in terms of dielectric strength.
  • the range in which the effect of this configuration is produced is that the thickness of the first insulating layer 5a is 2 mm to 6 mm with respect to the insulating layer 5 having a thickness of 24 mm. ), The thickness of the second insulating layer 5b is 2 mm to 8 mm (1/10 to 1/3 of the thickness of the entire insulating layer 5), and the thickness of the third insulating layer 5c is the remaining thickness. It should be configured.
  • the dielectric loss can be reduced by making the insulating layer 5 in the superconducting cable 10 the grading of the three-layer structure. Furthermore, the voltage distribution of the second insulating layer 5b having a small dielectric loss tangent tan ⁇ but low withstand voltage performance can be kept low, and the insulation layer is made thick without impairing the withstand voltage performance of the entire superconducting cable 10. Therefore, dielectric loss can be reduced.
  • the thickness of the whole insulating layer 5 can be made the same thickness as the conventional polyethylene laminated paper with high insulation performance, and the compactness of the superconducting cable is not impaired.
  • the dielectric loss can be reduced to 80% compared to the superconducting cable made of polyethylene laminated paper, and in addition to reducing the transmission loss due to the power transmission of the cable itself, in order to remove the heat generated by the loss, The required capacity can be lowered and the construction cost of the refrigeration system can be reduced.
  • the thickness of what uses an expensive nonwoven fabric for the 2nd insulating layer 5b can be suppressed, and the whole total system cost can be reduced.
  • the reliability of electrical insulation is equivalent to that of conventional insulation layers, so long-term use of cables and insulation breakdown of cables cause obstacles to urban functions and citizen living functions caused by suspension of power transmission to urban areas. To maintain a reliable social infrastructure.
  • the product of the dielectric constant ⁇ 1 and the dielectric loss tangent tan ⁇ 1 of the first insulating layer and the dielectric constant ⁇ 2 of the second insulating layer is ⁇ 1 ⁇ tan ⁇ 1> ⁇ 2 ⁇ tan ⁇ 2, and the withstand voltage strength F1 of the first insulating layer and the withstand voltage strength F2 of the second insulating layer have a relationship of F1> F2,
  • the magnitude of the dielectric constant is not limited.
  • the relationship between the product of the dielectric constant ⁇ 2 and the dielectric loss tangent tan ⁇ 2 of the second insulating layer and the product of the dielectric constant ⁇ 3 and the dielectric loss tangent tan ⁇ 3 of the third insulating layer is as long as ⁇ 2 ⁇ tan ⁇ 2 ⁇ 3 ⁇ tan ⁇ 3.
  • ⁇ 1 ⁇ tan ⁇ 1 and ⁇ 3 ⁇ tan ⁇ 3 do not have to be the same.
  • RE-based superconducting wires such as YBCO wires and HoBCO wires
  • Bi-based superconducting wires obtained by applying a silver sheath to Bi-based superconductors such as Bi2223
  • RE is a rare earth element
  • the Re-based superconducting material is a superconducting material composed of one or more elements selected from Y, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. It is.
  • the present invention is configured as described above, it can be used as a superconducting cable.

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Abstract

本発明は、誘電損失を抑制し、高い耐電圧性能を有した材料コストの安価な超電導ケーブルを提供することを目的とする。 本発明は、導体の外周に絶縁層５を有する交流用の超電導ケーブル１０において、絶縁層５は、内層から外層に向けて第１の絶縁層５ａ、第２の絶縁層５ｂ及び第３の絶縁層５ｃにより構成され、絶縁層５は液体窒素が含浸された状態であり、第１の絶縁層５ａの誘電率ε１と誘電正接tanδ１の積と第２の絶縁層５ｂの誘電率ε２と誘電正接tanδ２の積とは、ε１×tanδ１＞ε２×tanδ２の関係を満たし、第２の絶縁層５ｂの誘電率ε２と誘電正接tanδ２の積と第３の絶縁層５ｃの誘電率ε３と誘電正接tanδ３の積とは、ε２×tanδ２＜ε３×tanδ３の関係を満たすことを特徴とする超電導ケーブル１０に関する。

Description

超電導ケーブル
　本発明は、超電導ケーブルに関する。
　超電導ケーブルは、コンパクトで大容量の電力を低損失で送電することが可能な新たな電力ケーブルとして注目されている。超電導ケーブルは、一般に、可撓性を有するフォーマ上に超電導導体層、絶縁層及び超電導シールド層が順次積層されて構成される。超電導導体層は、複数本のテープ状酸化物超電導線が巻き付けられて構成される。絶縁層は、絶縁テープが巻き付けられて構成される。超電導シールド層は複数本のテープ状酸化物超電導線が巻き付けられて構成される。
　特許文献１には、図４に示すようにフォーマ１ａ上に超電導導体層３ａ、絶縁層５１ａ、超電導シールド層７ａ等が順次積層された超電導ケーブルが開示されている。なお、超電導導体層３ａのテープ状酸化物超電導線材には、例えば、Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７－Ｘ（０≦Ｘ＜１）等のイットリウム系酸化物超電導線材が用いられる。
　絶縁層５１ａは、合成紙、半合成絶縁紙又はクラフト紙等の絶縁紙が巻き付けられて構成される。絶縁層５１ａは、超電導ケーブルが液体窒素により冷却された際、絶縁紙の内部又は絶縁紙間の隙間（バッドギャップ：bad gap）に液体窒素を保持する。
　式１に、均一な絶縁素材により構成される絶縁層５１ａ内の電界分布を示す。
　絶縁層５１ａの耐電圧性能は、絶縁層５１ａ内の最大電界よりも大きい必要がある。下記式１によれば、ｒ＝ｒ１のときに絶縁層５１ａ内の電界は最大電界となる。超電導ケーブルの絶縁設計は、絶縁層５１ａ内の最大電界が耐電圧性能よりも低くなるようにして設計される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
   
　一方、特許文献２には、グレーディングと呼ばれる絶縁層の構成が開示されている。
　均一な絶縁材料により構成される特許文献１に記載の絶縁層に対して、グレーディングでは絶縁層が２層により構成される。２層の絶縁層のうち、内周側の絶縁層の誘電率ε１は高く、外周側の絶縁層の誘電率ε２は低い。
　内周側の絶縁層の誘電率ε１を高くし、外周側の絶縁層の誘電率ε２を低くすることで、交流特性を考慮した場合に高い耐電圧性能を実現することができる。
　式２に、内周側の絶縁層と外周側の絶縁層との境界電圧Ｖａを示す。
　内周側の絶縁層で負担する電圧ΔＶは、（Ｖ－Ｖａ）となり、内周側の絶縁層の誘電率ε１を高くし、外周側の絶縁層の誘電率ε２を低くするため（ε１＞ε２）、電圧ΔＶは小さくなる。その結果、グレーディングは内部の電界を緩和する（低下させる）効果がある。よって、導体直上の最大電界を下げることができ、高い耐電圧性能を実現することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
   
特開２００６－１５６１６３号公報 特開２００６－１５６３２８号公報
　ところで、超電導ケーブル等の絶縁層を有するケーブルにより交流電力を輸送するには、交流電流と交流電圧を加える必要がある。超電導ケーブルに交流電圧を印加すると、絶縁層の内部では電圧により誘電分極した双極子が電場の変動に追随して振動する。このとき、双極子が振動に後れを伴うと誘電損失が生じる。この位相差による誘電損失を表す値として、誘電正接tanδを用いることができる。
　超電導ケーブルの誘電損失は、下記式３及び４で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
   
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
   
　上記式（３）及び（４）から、誘電損失の小さな超電導ケーブルを実現するには、超電導ケーブル運転時温度（液体窒素温度：７０～７７Ｋ程度）における誘電率εおよび誘電正接tanδの小さな絶縁材を選べばよい。
　表１に、超電導ケーブルの絶縁層として通常用いられる絶縁材を示す。また、各絶縁材料の誘電率ε、誘電正接tanδ、材料コストを示す。なお、誘電率及び誘電正接の値は、液体窒素含浸（大気圧７７Ｋ）におけるものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　表１に記載の絶縁材は、各々の材料単体の絶縁破壊強度としては４０～５０ｋＶ／ｍｍを有している。しかし、絶縁材を巻きつけて超電導ケーブルの絶縁層を形成した場合には、液体窒素（誘電率１．４３（大気圧７７Ｋ））が含浸された状態で絶縁層が形成されている。このような超電導ケーブルの場合には、絶縁層では誘電率εが小さい場合には、バッドギャップに存在する液体窒素にかかる電界が高くなるため、高い耐電圧性能を実現することができない。
　上記表１によれば、（１）クラフト紙を絶縁層として用いた場合、誘電率εが大きいため高い耐電圧性能を実現し得るが、誘電率ε及び誘電正接δの両方が大きいため誘電損失が大きくなる問題がある。
　また、（２）半合成紙（ポリプロピレンラミネート紙：クラフト紙とプラスチックフィルムの複合されたテープ材料）を絶縁層として用いた場合、誘電率ε及び誘電正接δは比較的好ましいが、誘電率εが小さいため、高い耐電圧性能を実現することができない。
　また、（３）合成樹脂製不織布（プラスチック繊維製の不織布）を絶縁層として用いた場合、不織布自体の誘電率ε及び誘電正接δは好ましいが、不織布は伸縮性のある材料であるため、不織布を絶縁層として用いた場合や不織布が絶縁層に占める割合が大きい場合、超電導ケーブルに曲げが生じると不織布に皺ができる。絶縁層中に皺ができると絶縁層に隙間が生じ、電気絶縁的に電界集中と耐絶縁の低いボイドができ、これにより低電圧が印加された場合でも絶縁破壊する問題がある。これ以外にも、不織布を絶縁層に用いることは、コスト面で問題がある。
　また、（４）合成樹脂製フィルム（プラスチックフィルム）を絶縁層として用いた場合、誘電率ε及び誘電正接δの特性とコスト面で適用が難しい。ポリイミド樹脂、ポリアミド合成繊維のナイロン（登録商標）、塩化ビニル樹脂を用いた場合は、誘電率ε及び誘電正接δの両方が大きいため誘電損失が大きくなるという問題を有しており、フッ素樹脂のテフロン（登録商標）やＡＢＳ樹脂を用いた場合には、誘電率ε及び誘電正接δは比較的好ましいが、コスト面で大きな問題があり、更に、誘電率εが小さいため、高い耐電圧性能を実現することができない。
　なお、ここでのコスト評価は、構成材料自体の価格を意味する。
　本発明の課題は、誘電損失を抑制し、高い耐電圧性能を有した材料コストの安価な超電導ケーブルを提供することである。
　本発明によれば、導体の外周に絶縁層を有する超電導ケーブルであって、
　前記絶縁層は、内層から外層にかけて第１の絶縁層、第２の絶縁層及び第３の絶縁層からなる三層を少なくとも有し、前記絶縁層は液体窒素が含浸された状態であり、
　前記第１の絶縁層の誘電率ε１と誘電正接tanδ１の積と前記第２の絶縁層の誘電率ε２と誘電正接tanδ２の積とは、ε１×tanδ１＞ε２×tanδ２の関係を満たし、
　前記第２の絶縁層の誘電率ε２と誘電正接tanδ２の積と前記第３の絶縁層の誘電率ε３と誘電正接tanδ３の積とは、ε２×tanδ２＜ε３×tanδ３の関係を満たすことを特徴とする超電導ケーブルが提供される。
　本発明によれば、誘電損失を抑制し、高い耐電圧性能を有した材料コストの安価な超電導ケーブルを提供することができる。
超電導導体の概略断面図である。 絶縁層の内部の電界分布を示す図である。 誘電損失の値を示す図である。 従来の超電導導体の概略構成図である。
　本実施形態における超電導ケーブルの構成について図面を用いて詳細に説明する。なお、本実施形態は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。
　図１に超電導ケーブル１０の概略断面図を示す。
　超電導ケーブル１０は、フォーマ１、平滑層２、超電導導体層３、内部半導電層４、絶縁層５、外部半導電層６、超電導シールド層７、シールド保護層８、絶縁保護層９を備えて構成される。
　可撓性を有する直径３０ｍｍの銅撚り線導体のフォーマ１の表面には、平滑層２が形成される。平滑層２の外側には、２０本のテープ状超電導線を３００ｍｍのピッチで螺旋状に巻き付けた超電導導体層３が形成される。ここで、超電導線は例えばＹＢＣＯ線材であり、断面寸法は幅４ｍｍ、厚さ０．２ｍｍである。超電導導体層３の上面には、テープ状のカーボン紙で１ｍｍ程のギャップを開けて内部半導電層４が形成される。内部半導電層４の役割は、導体表面のＹＢＣＯ線材の角や、表面上の突起における電界の集中を緩和させるものである。内部半導電層４の上には、絶縁層５が形成される。
　絶縁層５は、第１の絶縁層５ａ、第２の絶縁層５ｂ及び第３の絶縁層５ｃにより構成され、第１～第３の絶縁層（５ａ～５ｃ）が内層から外層にかけて順次積層されて構成される。
　第１の絶縁層５ａは、ポリエチレン紙をクラフト紙がサンドイッチ上に挟みこんで複合化されたポリエチレンラミネート紙（幅２０ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍ）を２０枚、１ｍｍのギャップを開けて連続螺旋状に巻きつけて形成される。第１の絶縁層５ａの厚さは、絶縁層５全体に対して１／４以下であることが望ましい。第１の絶縁層５ａの厚さが、絶縁層５全体の厚さの１／４を超えると、誘電損失が高くなるという問題が生じるためである。
　なお、実施例では第１の絶縁層５ａにポリエチレンラミネート紙を用いたがこれに限らず、例えば第１の絶縁層５ａは、クラフト紙だけで構成してもよい。
　ここで、第１の絶縁層５ａは、誘電正接tanδ１が０．０５％以上であり、誘電率ε１は１．０以上であればよい。誘電正接tanδ１が０．０５％未満の場合には、耐電圧特性が悪くなるという問題がある。また、誘電正接tanδ１は好ましくは０．２％以下であることが好ましい。０．２％を超えた場合には、誘電損失が高くなるという問題が生じるためである。また、誘電率ε１と誘電正接tanδ１の積は好ましくは０．１％以上０．４％未満であることが好ましい。誘電率ε１と誘電正接tanδ１の積が、０．１％未満の場合には耐電圧特性が悪くなるという問題が生じる、０．２％を超える場合には誘電損失が高くなるという問題が生じるためである。
　第２の絶縁層５ｂは、幅２０ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍの不織布を２０枚、１ｍｍのギャップを開けて連続螺旋状に巻きつけて形成される。不織布は、テフロン（登録商標）繊維、ポリスチレン繊維、ポリエチレン不織布、ポリプロピレン繊維等を熱的、機械的又は化学的作用により接着又は絡み合わせたものであり、例えばタイベック（登録商標）を用いることができる。第２の絶縁層５ｂの厚さは、絶縁層５全体に対して１／１０～１／３の範囲であり、好適には１／５～１／４の範囲である。第２の絶縁層５ｂの厚さを上述のようにすることで、安価な絶縁層とすることができる。また、第２の絶縁層５ｂの厚さは、５ｍｍ以下とすることが望ましい。第２の絶縁層５ｂの厚さが５ｍｍを超えると、材料コストが上昇してしまい好ましくない。
　ここで、第２の絶縁層５ｂは、誘電正接tanδ２が０．０２％以下であり、誘電率ε２は１．０以上であればよい。誘電正接tanδ２が０．０２％を超えた場合には、誘電損失が高くなるという問題がある。また、誘電率ε２と誘電正接tanδ２の積は好ましくは０．０４％以下であることが好ましい。誘電率ε２と誘電正接tanδ２の積が、０．０４％を超える場合には誘電損失が高くなるという問題が生じるためである。
　なお、第２の絶縁層５ｂは、高密度化処理するためカレンダー処理されていることが望ましい。
　第３の絶縁層５ｃは、第１の絶縁層５ａと同じく幅２０ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍポリエチレンラミネート紙を６６枚巻きつけて形成される。なお、第３の絶縁層５ｃもポリエチレンラミネート紙に限られない。第３の絶縁層５ｃの厚さは、絶縁層５全体の厚さから第１の絶縁層５ａと第２の絶縁層５ｃの厚さを除いた厚さとなる。
　ここで、第３の絶縁層５ｃは、誘電正接tanδ３が０．０２％より大きく、誘電率ε３は１．０以上であればよい。誘電正接tanδ３が０．０２％以下の場合には、耐電圧特性が悪くなるという問題がある。また、誘電率ε３と誘電正接tanδ３の積は好ましくは０．０４％より大きく０．３％以下であることが好ましい。誘電率ε３と誘電正接tanδ３の積が、０．０４％未満の場合には耐電圧特性が悪くなるという問題が生じる、０．３％を超える場合には誘電損失が大きくなるという問題が生じるためである。
　図２に、絶縁層５の内部の電界分布を示す。
　第２の絶縁層５ｂ内は、一般的に誘電率εが小さいので電界が集中するところ、絶縁層５全体の厚さに対して薄いため電界上昇は第１の絶縁層５ａに比べて小さい。よって、耐電圧性能の低い合成紙等を用いて第２の絶縁層５ｂを形成した場合でも、絶縁層５全体として電圧性能を損なうものではない。
　図１に戻り、絶縁層５の外側の構成については本発明の本題と異なるが、一つの構成の例として説明すると、絶縁層５の上に外部半導電層６が形成される。更に、外部半導電層６上に３０本の超電導線を巻き付けてなる超電導シールド層７が形成される。超電導シールド層７に用いた超電導線の材質、寸法及び巻き付け方法は超電導導体層３と同じである。更に、超電導シールド層７の上面に、シールド保護層８が形成される。シールド保護層８は、銅テープが複数層巻きつけられて構成され、超電導シールド層７の超電導線の保護及び過電流がシールド層を流れたときに分流させて導体を保護する役割を担う。更に、シールド保護層８の外側に、１ｍｍ厚の絶縁保護層９が形成される。絶縁保護層９は、テープ状クラフト紙が１ｍｍ程度のギャップを開けて螺旋状に４層巻き付けられて構成され、ケーブルコアと断熱管の間の絶縁を取る役割を担う。
　表２を参照して、第１の実験について説明する。
　第１の実験は、本実施形態に係る３層の絶縁層５を備えた超電導ケーブル１０及び比較例に対して２７５ｋＶ級の交流電圧を印加させて行った。
　実験結果として、絶縁層５の各層（５ａ～５ｃ）の最大電界、誘電損失及び絶縁破壊強度を得た。
　なお、ここでの最大電界とは、絶縁体層を形成する絶縁体中の１ｍｍ当たりの電圧勾配が最も高いところを意味し、誘電損失は、誘電率と誘電正接を測定することによって求めた。また、絶縁破壊強度は、交流電圧を２７５ｋＶ印加した際の絶縁破壊及び部分放電の有無を確認した。Ａは交流電圧を印加した際の絶縁破壊及び部分放電の両方が生じなかった場合、Ｂは部分放電が生じた場合、Ｃは両方とも生じた場合として評価を行った。
　実施例１は、第１の絶縁層がポリエチレンラミネート紙、第２の絶縁層がポリエチレン不織布、第３の絶縁層がポリエチレンラミネート紙からなる絶縁層を備えた超電導ケーブルである。このときの第１の絶縁層５ａの厚さは５ｍｍ、第２の絶縁層５ｂの厚さは５ｍｍ、第３の絶縁層５ｃの厚さは１４ｍｍとした。
　実施例２～９についても、表２に記載したような絶縁材を用いて絶縁層を形成し、各絶縁層の厚みについても表２に記載したように構成した。
　実施例１～４については、第１の絶縁層と第３の絶縁層が同じ絶縁材を用いて形成した。
　実施例５～７は、第１の絶縁層と第３の絶縁層を異なる絶縁材を用いて形成した。
　実施例８は、２～４層目に本実施形態の第１～３の絶縁層を配し、１層目に誘電率εと誘電正接δの積が大きい絶縁材を配した。
　実施例９は、１～３層目に本実施形態の第１～３の絶縁層を配し、４層目に誘電率εと誘電正接δの積が大きい絶縁材を配した。
　また、比較例として、誘電率εと誘電正接δの積が大きい１層の絶縁層を備えた超電導ケーブル（比較例１）、誘電率εと誘電正接δの積が小さい１層の絶縁層を備えた超電導ケーブル（比較例２）、及び比較例１と比較例２の絶縁層を用いた２層の絶縁層を備えた超電導ケーブル（比較例３）、内側から外側の絶縁層に向かって誘電率εと誘電正接δの積が大きくなっていく３層の絶縁層を備えた超電導ケーブル（比較例４）についても同様の実験を行った。比較例３において、内側の絶縁層（第１の絶縁層）の厚さは１０ｍｍ、外側の絶縁層（第２の絶縁層）の厚さは１４ｍｍとし、比較例４において、第１層の絶縁層の厚さは５ｍｍとし、第２の絶縁層の厚さは５ｍｍとし、第３の絶縁層の厚さは１４ｍｍとした。
　なお、絶縁層全体の厚さは、実施例１～９及び比較例１～４の全てにおいて２４ｍｍとした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　表２に示すように、実施例１～９では、誘電損失を抑制しつつ、更に、安価な絶縁層又は高い耐電圧性能を実現することができた。以下、具体的に各実施例について説明する。
　実施例１では、高い耐電圧性能を実現しつつ、誘電損失を０．４Ｗ／ｍまで抑制することができた。実施例１は比較例１と比較すると、誘電損失が約７０％に削減された。また、高価な第２の絶縁層５ｂの厚さを５ｍｍまで薄くすることで、コストを抑えることができた。なお、交流電圧を印加しても絶縁破壊はもちろん、部分放電等の絶縁上で問題となる現象も起こらなかった。
　一方、比較例１では、実施例１及び他の比較例２、３、４と比較して誘電損失が高かった。
　また、比較例２では、耐電圧性能の低い絶縁層にもかかわらず、最大電界で１０ｋＶ／ｍｍの電圧がかかっており、耐電圧性能としては好ましくない。また、誘電損失は低いものの、コストがかかる。
　また、比較例３では、誘電率ε及び誘電正接δが小さい高価な絶縁層を厚さ１４ｍｍも用いるためコストがかかる。また、外側に伸縮性のある不織布のタイベック（登録商標）を用いるため、超電導ケーブルに曲げが生じると外側の絶縁層に皺ができる。絶縁層中に皺ができると絶縁層に隙間が生じ、電気絶縁的に電界集中と耐絶縁の低いボイドができ、これにより低電圧が印加された場合でも絶縁破壊する問題があるため、好ましくない。
　更に、比較例４では、３層の構成とし、絶縁破壊強度は十分ではあるが、誘電損失が実施例１や比較例１，２に比べてやや高く、更にコストがかかってしまった。
　実施例２では、実施例１と同様に誘電損失を０．４Ｗ／ｍまで抑制することができた。しかし、交流電圧を印加した場合には部分放電が生じてしまった。しかし、材料コストは比較例２～４に比べれば抑えることができた。比較例３と比べて、誘電損失および絶縁破壊強度は同等ではるが、材料コストが比較例３よりも抑えることができ、優位性がある。
　実施例３では、実施例１と同様に誘電損失を０．４Ｗ／ｍまで抑制することができた。更に、交流電圧を印加した場合でも部分放電は生じなかった。材料コストは実施例１，２に比べると高いが、比較例２～４に比べれば抑えることができた。
　実施例４では、誘電損失を０．５Ｗ／ｍまで抑制でき、更に、交流電圧を印加した場合でも部分放電は生じなかった。また、材料コストも実施例１と同等であり、好ましい。
　実施例５では、誘電損失が０．６Ｗ／ｍであり、実施例１～４に比べてやや高くなってしまった。また、交流電圧を印加した場合には部分放電が生じてしまった。しかし、材料コストは実施例１～４に比べれば抑えることができた。比較例４と比べると誘電損失は同等であるが、絶縁破壊強度ではやや劣る。しかし、材料コストが比較例４に比べると半分となり、好ましい。
　実施例６では、誘電損失を０．５Ｗ／ｍまで抑制できた。しかし、交流電圧を印加した際の絶縁破壊及び部分放電の両方が生じてしまった。材料コストは、実施例１～５に比べて高いが、比較例２と比べると３０％削減することができる。
　実施例７では、誘電損失を０．２Ｗ／ｍまで抑制でき、更に、交流電圧を印加した場合でも部分放電は生じなかった。ただし、材料コストが高くなってしまった。しかし、比較例２と比べると同等の誘電損失を実現し、更に絶縁破壊強度も十分とすることができ、好ましい。
　実施例８では、誘電損失が０．６Ｗ／ｍであり、実施例１～４，６，７に比べてやや高くなってしまった。しかし、交流電圧を印加した場合でも部分放電は生じなかった。また、材料コストも実施例１，４と同等に抑えることができた。比較例４と比べると、誘電損失と絶縁破壊強度は同等であるが、材料コストを４０％削減することができ、好ましい。
　実施例９では、誘電損失を０．４Ｗ／ｍまで抑制でき、更に、交流電圧を印加した場合でも部分放電は生じなかった。更に、材料コストについても実施例１よりも低く抑えることができ、好ましい。
　次に、実施例１～９において、各絶縁層の誘電率εと誘電正接tanδの積の好ましい範囲について述べる。
　実施例１と実施例３，４を比較すると、第２の絶縁層の誘電率εと誘電正接tanδの積（ε２×tanδ２）は、０．０４％以下とすることで、誘電損失の低減率が向上していることがわかる。また、ε２×tanδ２の値が０．０４％以下の範囲内であれば誘電損失及び絶縁破壊強度は変化しないが、実施例３のようにフッ素樹脂フィルムを用いることで材料コストが上昇してしまうことが判る。
　実施例２と６を比較すると、第１の絶縁層の誘電率εと誘電正接tanδの積（ε１×tanδ１）は、０．１％以上とすることで、絶縁破壊強度が向上することが判る。
　実施例１と５、実施例３と７をそれぞれ比較すると、第３の絶縁層の誘電率εと誘電正接tanδの積（ε３×tanδ３）が、０．３％以下であれば、絶縁破壊強度が好ましいことが判る。また、ε３×tanδ３の値が、ε２×tanδ２の値よりも高い範囲内であれば、ε３×tanδ３の値が低ければ低いほど誘電損失の低減が向上していることが判る。
　実施例８と９を比較すると、４層の絶縁層を形成する際には、誘電率εと誘電正接δの積が大きい絶縁材を１層目に配するよりも４層目目に配した方が、誘電損失低減が向上し、更に材料コストも削減できることが判る。
　誘電損失、絶縁破壊強度、材料コストを総合評価した場合には、実施例１、４、９が最も好ましいことが判る。つまり、第１の絶縁層には半合成紙（ポリプロピレンラミネート紙）を用い、第２の絶縁層には合成樹脂製不織布を用い、第３の絶縁層には第１の絶縁層と同じ材料を用いることが最も好ましい。
　図３を参照して、誘電損失と絶縁層の厚さとの関係について説明する。
　図３に、本実施形態に係る絶縁層５を備えた超電導ケーブル１０の第１の絶縁層５ａの厚さと第２の絶縁層５ｂの厚さとを変化させ、それぞれの場合に２７５ｋＶ級の交流電圧を印加させた場合の誘電損失の値を示す。
　図３に示すように、第２の絶縁層５ｂを厚くすると誘電損失は低減するが、８ｍｍ程度からその減少率は減ってくる。一方で、第２の絶縁層５ｂを多く用いるとコスト高になる。また、第１の絶縁層５ａの厚さを薄くすると誘電損失は減少するが、第１の絶縁層５ａの厚さが５ｍｍのとき第２の絶縁層５ｂにかかる最大電界は８ｋＶ／ｍｍであるのに対し、第１の絶縁層５ａの厚さが２ｍｍのとき第２の絶縁層５ｂにかかる最大電界は９．５ｋＶ／ｍｍ程度と高くなり、絶縁耐力上信頼性を損なう要因となる。
　以上より、第１の絶縁層５ａと第２の絶縁層５ｂの厚さにも最適な範囲が存在することが分かる。すなわち本構成の効果を生む範囲としては、厚さ２４ｍｍの絶縁層５に対して、第１の絶縁層５ａの厚さは２ｍｍ～６ｍｍ（絶縁層５全体に対して１／４以下の厚さ）、第２の絶縁層５ｂの厚さは２ｍｍ～８ｍｍ（絶縁層５全体に対して１／１０～１／３の厚さ）、第３の絶縁層５ｃの厚さは残りの厚さで構成されるとよい。
　以上のように、本実施形態によれば、超電導ケーブル１０における絶縁層５を３層構造のグレーディングとすることで、誘電損失を低減することができる。さらに、誘電正接tanδは小さいが耐電圧性能が低い第２の絶縁層５ｂについて電圧分布を低く抑えることができ、超電導ケーブル１０全体の耐電圧性能を損なうことなしに、かつ、絶縁層を厚くすることなく、誘電損失を低減することができる。
　また、絶縁層５全体の厚さを従来の絶縁性能の高いポリエチレンラミネート紙と同じ厚さとすることができ、超電導ケーブルのコンパクト性を損なうことがない。
　また、誘電損失をポリエチレンラミネート紙による超電導ケーブルに比べて８０％に低減することができ、ケーブル自身の電力送電による送電損失を低減できることに加えて、その損失による発熱を除去するために冷凍機の必要能力を下げることができ、冷凍システムの建設コストを抑えることができる。
　また、第２の絶縁層５ｂに高価な不織布を使用するものの厚さを抑えることができ、全体のトータルシステムコストを低減することができる。
　また、電機絶縁の信頼性も従来の絶縁層と同等であることから、ケーブルの長期間の使用とケーブルの絶縁破壊により、都市部への送電の停止によりおこる都市機能、市民生活機能への障害をなくし、信頼ある社会的基盤の維持を図ることができる。
　なお、本発明において、材料を特定せずに電気的な特性で示すことも可能であり、第１の絶縁層の誘電率ε１と誘電正接tanδ１の積と第２の絶縁層の誘電率ε２と誘電正接tanδ２の積がε１×tanδ１＞ε２×tanδ２であり、かつ第１の絶縁層の耐電圧強度Ｆ１と第２の絶縁層の耐電圧強度Ｆ２がＦ１＞Ｆ２の関係で有れば良く、誘電率の大小については制限されるものではない。すなわち誘電率については、第１の絶縁層の誘電率＞第２の絶縁層の誘電率、であっても、第１の絶縁層の誘電率＜第２の絶縁層の誘電率、であってもよい。また、第２の絶縁層の誘電率ε２と誘電正接tanδ２の積と第３の絶縁層の誘電率ε３と誘電正接tanδ３の積の関係においても、ε２×tanδ２＜ε３×tanδ３の関係であればよく、ε１×tanδ１とε３×tanδ３が同じで有る必要はない。
　また、超電導導体層３及び超電導シールド層７に用いる超電導線には、ＹＢＣＯ線材やＨｏＢＣＯ線材等のＲＥ系超電導線材、Ｂｉ２２２３等のＢｉ系の超電導体に銀シースを施したＢｉ系超電導線材を用いることができる。なお、ＲＥは希土類元素であり、Ｒｅ系超電導材料はＹ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕから選ばれる１種類または２種類以上の元素からなる超電導材料である。
　本発明は、以上のように構成されていることから、超電導ケーブルとして利用できる。
１　　フォーマ
２　　超電導層
３　　超電導導体層
４　　半導電層
５　　絶縁層
５ａ　第１の絶縁層
５ｂ　第１の絶縁層
５ｃ　第１の絶縁層
６　　半導電層
７　　超電導層
８　　シールド保護層
９　　絶縁保護層
１０　超電導導体

Claims (9)

  1. 　導体の外周に絶縁層を有する超電導ケーブルであって、
    　前記絶縁層は、内層から外層にかけて第１の絶縁層、第２の絶縁層及び第３の絶縁層からなる三層を少なくとも有し、前記絶縁層は液体窒素が含浸された状態であり、
    　前記第１の絶縁層の誘電率ε１と誘電正接tanδ１の積と前記第２の絶縁層の誘電率ε２と誘電正接tanδ２の積とは、ε１×tanδ１＞ε２×tanδ２の関係を満たし、
    　前記第２の絶縁層の誘電率ε２と誘電正接tanδ２の積と前記第３の絶縁層の誘電率ε３と誘電正接tanδ３の積とは、ε２×tanδ２＜ε３×tanδ３の関係を満たすことを特徴とする超電導ケーブル。
  2. 　前記第２の絶縁層の誘電率ε２と誘電正接tanδ２の積は、０．０４％以下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。
  3. 　前記第１の絶縁層の誘電率ε１と誘電正接tanδ１の積は、０．１％以上であり、
    　前記第２の絶縁層の誘電率ε２と誘電正接tanδ２の積は、０．０４％以下であり、
    　前記第３の絶縁層の誘電率ε３と誘電正接tanδ３の積は、０．０４％より大きく０．３％以下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。
  4. 　前記第１の絶縁層は、クラフト紙又はクラフト紙とプラスチックフィルムの複合されたテープ材料が複数枚巻きつけられて構成され、
    　前記第２の絶縁層は、プラスチック繊維製の不織布からなるテープ材料が複数枚巻きつけられて構成され、
    　前記第３の絶縁層は、クラフト紙又はクラフト紙とプラスチックフィルムの複合されたテープ材料が複数枚巻きつけられて構成されることを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の超電導ケーブル。
  5. 　前記第３の絶縁層がクラフト紙とプラスチックフィルムの複合されたテープ材料であって、前記第３の絶縁層の外周に、更に、クラフト紙が複数枚巻きつけられていることを特徴とする請求項４に記載の超電導ケーブル。
  6. 　前記第２の絶縁層を構成するプラスチック繊維製の不織布は、無極性プラスチックであることを特徴とする請求項４又は５に記載の超電導ケーブル。
  7. 　前記第２の絶縁層を構成するプラスチック繊維製の不織布は、高密度化処理するためにカレンダー処理されていることを特徴とする請求項４～６の何れか一項に記載の超電導ケーブル。
  8. 　前記第１の絶縁層は、前記絶縁層全体の厚さに対して１／４以下の厚さであり、
    　前記第２の絶縁層は、前記絶縁層全体の厚さに対して１／１０から１／３の範囲の厚さであり、
    　前記第３の絶縁層は、前記絶縁層全体の厚さから前記第１の絶縁層の厚さ及び前記第２の絶縁層の厚さを除いた厚さであることを特徴とする請求項１～７の何れか一項に記載の超電導ケーブル。
  9. 　前記第２の絶縁層は、５ｍｍ以下の厚さであることを特徴とする請求項１～７の何れか一項に記載の超電導ケーブル。
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