JP4609121B2 - 超電導ケーブル線路 - Google Patents

Description

本発明は、超電導ケーブルを具える電力供給用線路に関するものである。特に、超電導ケーブルへの熱侵入を低減してケーブルに用いる冷媒の冷却エネルギーの低減を図り、線路全体としてエネルギー消費効率(COP)を向上させることができる超電導ケーブル線路に関するものである。

従来、超電導導体層を有するケーブルコアを断熱管内に収納させた超電導ケーブルが知られている。このような超電導ケーブルとして、例えば、断熱管内に1条のケーブルコアを収納した単心ケーブルや、3条のケーブルコアを一括に収納した三心一括型のものがある。図4は、三心一括型の三相交流用超電導ケーブルの断面図である。この超電導ケーブル100は、断熱管101内に3条のケーブルコア102を撚り合わせて収納させた構成である。断熱管101は、外管101aと内管101bとからなる二重管の間に断熱材(図示せず)が配置され、かつ両管101a,101b間を真空引きさせた構成である。各ケーブルコア102は、中心から順にフォーマ200、超電導導体層201、電気絶縁層202、超電導シールド層203、保護層204を具え、内管101bと各ケーブルコア102とで囲まれる空間103が液体窒素などの冷媒の流路となる。ケーブルコア102の超電導導体層201や超電導シールド層203は、この冷媒により冷却されて、超電導状態が維持される。断熱管101の外周には、防食層104を具える。

超電導ケーブルでは、超電導導体層や超電導シールド層が超電導状態を維持できるように、液体窒素などの冷媒により常時冷却する必要がある。従って、超電導ケーブルを用いた線路には、通常、冷媒の冷却システムを具え、このシステムにより、ケーブルから排出された冷媒を冷却し、冷却された冷媒を再度ケーブルに流入するといった循環冷却を行っている。

上記冷却システムにより冷媒を適切な温度に冷却することで超電導ケーブルは、通電による発生熱や大気などの外部からのケーブルへの侵入熱による冷媒の温度上昇を十分に低減させて超電導導体層や超電導シールド層の超電導状態を維持することができる。しかし、冷媒が液体窒素の場合、これら発生熱や侵入熱を処理するために冷媒を冷却するエネルギーは、冷媒がケーブルを冷却するために処理するエネルギーの10倍以上となる。従って、冷媒の冷却システムを含む超電導ケーブル線路全体で考えると、エネルギー消費効率(COP)が0.1以下程度と低くなってしまう。このCOPの低下は、超電導ケーブルといった超電導機器の適用効果を小さくしている要因の一つである。そこで、特許文献1,2では、液化天然ガス(LNG)の冷熱を利用して、超電導コイルの冷媒を冷却することを提案している。

一方、燃料電池自動車の開発が進む中、日本の各地に、燃料電池自動車に供給する圧縮水素や液体水素を貯留する水素ステーションの建設が検討されている。水素ステーションは、例えば、工場で製造されて運搬されてきた液体水素やステーション内で製造された液体水素を貯留するタンクと、液体状態を維持するために気化した水素を再液化するための冷却システムとを具える。この冷却システムにより、適切な温度に冷却することで水素を液体状態に維持することができるが、液体水素は、沸点が約20Kと極低温であり、常温の大気との温度差が非常に大きいため、外部からのケーブルへの侵入熱も多くなる。従って、侵入熱による温度上昇を低減するために液体水素を冷却するエネルギーは、莫大なものとなる。

特開2002-130851号公報 特開平10-92627号公報

上記特許文献1,2では、超電導コイルの冷媒の冷却にLNGの冷熱を利用することを開示しているに過ぎず、外部からの侵入熱そのものの低減については、検討されていない。一方、上記のように液体水素ステーションにおいても水素を冷却するためのエネルギーを削減することが望まれている。

そこで、本発明の主目的は、超電導ケーブルへの侵入熱を低減でき、超電導ケーブルの冷却エネルギー及び液体水素の冷却エネルギーを総合的に低減することができる超電導ケーブル線路を提供することにある。

本発明は、液体水素を輸送する断熱管内に超電導ケーブルを配置すると共に、液体水素とケーブルの冷媒との間で熱交換を行うことで上記目的を達成する。即ち、本発明超電導ケーブル線路は、液体水素を輸送する流体用断熱管と、前記流体用断熱管に収納され、液体水素よりも温度が高い冷媒にて超電導部の冷却を行う超電導ケーブルとを具える。そして、上記液体水素の冷却を行うと共に、液体水素にて冷却された超電導ケーブルの冷媒の昇温を行う熱交換手段を具える。以下、本発明をより詳しく説明する。

本発明において超電導ケーブルは、超電導材料からなる超電導部と、この超電導部を収納すると共に、超電導部の冷却を行う冷媒が充填される断熱管(以下、ケーブル用断熱管と呼ぶ)とを具える構成のものを利用する。超電導部としては、電力供給用の電流が流される超電導導体層の他、超電導導体層とほぼ同じ大きさで逆方向の電流が流される外部超電導層が挙げられる。これら超電導部は、通常、ケーブルコアに形成される。従って、超電導ケーブルは、上記超電導層を具えるケーブルコアをケーブル用断熱管に収納して構成するとよい。ケーブルコアのより具体的な構成としては、中心から順にフォーマ、超電導導体層、電気絶縁層、外部超電導層、保護層を具えたものが挙げられる。ケーブル用断熱管に収納するケーブルコアは、1条(単心(1心))としてもよいし、複数条(複数心)具えていてもよい。具体的には、例えば、本発明線路を3相交流送電に用いる場合、3条のコアを撚り合わせてケーブル用断熱管に収納した三心ケーブルを利用するとよく、単相交流送電に用いる場合、1条のコアをケーブル用断熱管に収納した単心ケーブルを利用するとよい。本発明線路を直流送電(単極送電)に用いる場合、例えば、1条のコアをケーブル用断熱管に収納した単心ケーブルを利用するとよく、直流送電(双極送電)に用いる場合、2条のコア又は3条のコアを撚り合わせてケーブル用断熱管に収納した2心ケーブル又は3心ケーブルを利用するとよい。このように本発明超電導ケーブル線路は、直流送電、交流送電のいずれにも利用することができる。

超電導導体層は、例えば、Bi系酸化物超電導材料、具体的には、Bi2223系超電導材料からなる複数本のフィラメントが銀シースなどのマトリクス中に配されたテープ状線材を螺旋状に巻回することで形成するとよく、単層でも多層でもよい。多層とする場合、層間絶縁層を設けてもよい。層間絶縁層は、クラフト紙などの絶縁紙やPPLP(住友電気工業株式会社 登録商標)などの半合成絶縁紙を巻回して設けることが挙げられる。このような超電導導体層は、上記超電導材料からなる線材をフォーマの外周に巻回して形成する。フォーマは、銅やアルミニウムなどの金属材料にて形成した中実体でも中空体でもよく、例えば、銅線を複数本撚り合わせた構成のものが挙げられる。上記銅線は、絶縁被覆されたものを利用してもよい。フォーマは、超電導導体層の形状維持部材として機能する。フォーマと超電導導体層との間にクッション層を介在させてもよい。クッション層は、フォーマと超電導線材との間における金属同士の直接接触を回避し、超電導線材の損傷を防止する。特に、フォーマを撚り線構造とした場合、クッション層はフォーマ表面をより平滑な面にする機能も有する。クッション層の具体的材質としては、絶縁紙やカーボン紙が好適に利用できる。

電気絶縁層は、PPLP(登録商標)などの半合成絶縁紙やクラフト紙などの絶縁紙を超電導導体層上に巻回して形成することが挙げられる。電気絶縁層の内外周の少なくとも一方、つまり超電導導体層と電気絶縁層との間や、電気絶縁層と外部超電導層(後述)との間にカーボン紙などにて半導電層を形成してもよい。前者の内部半導電層、後者の外部半導電層を形成することで、超電導導体層と電気絶縁層間、又は電気絶縁層と外部超電導層間での密着性を高め、部分放電の発生などに伴う劣化を抑制する。

本発明線路を直流送電に用いる場合、上記電気絶縁層には、その径方向(厚さ方向)の直流電界分布が平滑化されるように、電気絶縁層の内周側の抵抗率が低く、外周側の抵抗率が高くなるようにρグレーディングを施してもよい。このようにρグレーディングを施して、電気絶縁層の厚さ方向において段階的に抵抗率を異ならせることで、電気絶縁層の厚さ方向全体の直流電界分布を平滑化でき、電気絶縁層の厚みを低減することができる。抵抗率を異ならせる層数は、特に問わないが、実用的には、2,3層程度である。特に、これら各層の厚みを均等にすると、直流電界分布の平滑化をより効果的に行える。

ρグレーディングを施すには、抵抗率(ρ)の異なる絶縁材料を用いるとよく、例えば、クラフト紙といった絶縁紙を利用する場合、クラフト紙の密度を変化させたり、クラフト紙にジシアンジアミドを添加するなどにより、抵抗率を変えることができる。絶縁紙とプラスチックフィルムからなる複合紙、例えばPPLP(登録商標)の場合、複合紙全体の厚みTに対するプラスチックフィルムの厚みtpの比率k＝(tp／T)×100を変えたり、絶縁紙の密度、材質、添加物などを変えることにより、抵抗率を変えることができる。比率kの値は、例えば40％〜90％程度の範囲が好ましい。通常、比率kが大きいほど抵抗率ρが大きくなる。

更に、電気絶縁層は、超電導導体層の近傍に、他の箇所よりも誘電率が高い高ε層を有すると、直流耐電圧特性の向上に加えて、Imp.耐圧特性も向上させることができる。なお、誘電率ε(20℃)は一般的なクラフト紙で3.2〜4.5程度、比率kが40％の複合紙で2.8程度、同60％の複合紙で2.6程度、同80％の複合紙で2.4程度である。特に、比率kが高く、かつ気密度も高めのクラフト紙を用いた複合紙により電気絶縁層を構成すれば、直流耐電圧とImp.耐圧の双方に優れて好ましい。

上記ρグレーディングに加えて、電気絶縁層は、その内周側ほど誘電率εが高く、外周側ほど誘電率εが低くなるように構成すると、交流送電にも適したケーブルとなる。このεグレーディングも電気絶縁層の径方向全域に亘って形成する。また、上述のようにρグレーディングを施した超電導ケーブルは、直流特性に優れたケーブルとなり、直流送電線路に好適に利用することができる。一方、現行の送電線路は、大半が交流で構成されている。今後、送電方式を交流から直流へ移行することを考えた場合、直流送電に移行する前に過渡的に上記ρグレーディングを施した超電導ケーブルを用いて交流を送電するケースが想定される。例えば、送電線路の一部のケーブルを上記ρグレーディングを施した超電導ケーブルに交換したが残部が交流送電用ケーブルのままであるとか、送電線路の交流送電用ケーブルを上記ρグレーディングを施した超電導ケーブルに交換したが、ケーブルに接続される送電機器は交流用のままとなっている場合などである。この場合、上記ρグレーディングを施した超電導ケーブルで過渡的に交流送電を行い、その後、最終的に直流送電に移行されることになる。従って、超電導ケーブルにおいては、直流特性に優れているのみならず、交流特性をも考慮した設計とすることが好ましい。交流特性をも考慮した場合、内周側ほど誘電率εが高く、外周側ほど誘電率εが低い電気絶縁層とすることで、サージなどのインパルス特性に優れた超電導ケーブルを構築することができる。そして、上記過渡期が過ぎて直流送電が行われることになった場合には、過渡期に用いていた上記ρグレーディングされた超電導ケーブルをそのまま直流ケーブルとして利用することができる。即ち、ρグレーディングに加えてεグレーディングを施した超電導ケーブルを用いた線路では、直流送電、交流送電のそれぞれに好適に利用できるだけでなく、交流直流両用の線路として好適に利用することができる。

通常、上述したPPLP(登録商標)は、比率kを高くすると高ρ低εとなる。そのため、電気絶縁層の外周側ほど比率kの高いPPLP(登録商標)を用いて電気絶縁層を構成すれば、外周側ほど高ρになり、同時に外周側ほど低εにできる。

一方、クラフト紙は、一般に気密度を高くすると高ρ高εになる。そのため、クラフト紙だけで外周側ほど高ρであると共に外周側ほど低εの電気絶縁層を構成することは難しい。そこで、クラフト紙を用いる場合は、複合紙と組み合わせて電気絶縁層を構成することが好適である。例えば電気絶縁層の内周側にクラフト紙層を形成し、その外側にPPLP層を形成することで、抵抗率ρはクラフト紙層＜PPLP層となり、誘電率εはクラフト紙層＞PPLP層となるようにすればよい。

上記電気絶縁層の外周には、外部超電導層を設ける。外部超電導層は、上記超電導導体層と同様に超電導材料にて形成する。外部超電導層に用いる超電導材料は、上記超電導導体層の形成に利用したものと同様のものを用いてもよい。この外部超電導層は、本発明超電導ケーブル線路を直流送電に利用する場合、例えば、単極送電では帰路導体として、双極送電では中性線層として利用するとよい。特に、双極送電を行う場合、この外部超電導層は、正極と負極でアンバランスが生じた際のアンバランス電流を流したり、一方の極に異常が生じて双極送電から単極送電に変更する際、超電導導体層に流れる送電電流と同等の電流を流す帰路導体に利用してもよい。本発明超電導ケーブル線路を交流送電に利用する場合、外部超電導層は、超電導導体層に流れる電流により誘導されるシールド電流を流すシールド層として利用するとよい。外部超電導層の外周には、絶縁を兼ねた保護層を設けていてもよい。

上記構成を具えるケーブルコアを収納するケーブル用断熱管としては、外管と内管とからなる二重構造で、両管の間に断熱材を具えて所定の真空度に真空引きした真空断熱構成のものが挙げられる。内管内は、ケーブルコア(特に、超電導導体層や外部超電導層)を冷却する液体窒素などの冷媒を充填する冷媒流路として利用する。このようなケーブル用断熱管は、可撓性を有するコルゲート管が好ましい。特に、ケーブル用断熱管は、強度に優れるステンレスなどの金属材料にて形成されたものが好ましい。

上記ケーブル用断熱管に充填される冷媒として、本発明では、流体用断熱管内で輸送される液体水素よりも高温のものを利用する。例えば、冷媒として、液体窒素を利用する。液体水素が超電導ケーブルの冷媒よりも低温であることで、流体用断熱管に収納された超電導ケーブルの冷媒は、液体水素により冷却される。従って、本発明線路では、超電導ケーブルの冷媒を冷却するべく、別途冷媒用冷却システムを設けることなく、超電導部の超電導状態を維持できる温度とすることが可能である。

本発明線路では、上記ケーブル用断熱管を有する超電導ケーブルを液体水素の輸送に用いられる流体用断熱管に収納する。この構成により、流体用断熱管に収納された超電導ケーブルは、ケーブル外周が常温未満の低温環境、具体的には、液体水素温度である約20Kの極低温環境となり、気中布設される場合と比較してケーブル用断熱管内外の温度差が200K未満と小さくなる。特にケーブルの冷媒を液体窒素とする場合、ケーブル用断熱管の内外の温度差は、50K程度となる。かつ、流体用断熱管に収納された超電導ケーブルは、液体水素の断熱構造とケーブル自体の断熱構造を合わせた二重の断熱構造を具える。従って、本発明線路では、上述のようにケーブル用断熱管内外の温度差が小さく、超電導ケーブルが二重の断熱構造を具えることで、大気中に布設された超電導ケーブル線路と比較して、ケーブル部分に対する外部からの侵入熱を効果的に低減することができる。

上記超電導ケーブルが収納される流体用断熱管は、輸送する液体水素に応じた断熱性能を具えるものを利用するとよい。例えば、上記超電導ケーブルと同様に外管及び内管の二重構造で、両管の間に断熱材を具えて真空引きした構成のものを利用してもよい。このとき、内管内が液体水素の輸送路となる。

流体用断熱管に超電導ケーブルを収納するには、例えば、ステンレスや鋼などからなる金属板材を溶接して流体用断熱管を形成する場合、板材の上にケーブルを配置して、ケーブルを覆うように板材を湾曲させ、板材の端縁同士を溶接することが挙げられる。また、流体用断熱管としてステンレスや鋼などからなる金属筒材を使用する場合、筒材内に超電導ケーブルを挿入させることで流体用断熱管内にケーブルを収納できる。このとき、超電導ケーブルの挿入性を向上するために、ケーブルの外周にスキッドワイヤ(すべり線)を螺旋状に巻回して挿入してもよい。特に、ケーブル用断熱管が凹凸のあるコルゲート管である場合、スキッドワイヤがコルゲート管の凹部に落ち込まないようにコルゲート管の凹凸よりも大きなピッチ(ロングピッチ)でスキッドワイヤを巻回して、同凹凸の上にスキッドワイヤを存在させ、コルゲート管の外周が流体用断熱管に直接接触しないようにする、即ち、コルゲート管の外周に巻回したスキッドワイヤが流体用断熱管に点接触する構成とすると、挿入性がよい。更に、テンションメンバなどを超電導ケーブルに取り付けて、流体用断熱管内に引き込んでもよい。

流体用断熱管に収納させた超電導ケーブルは、流体用断熱管内で輸送される液体水素と接触するように配置してもよいし、接触させないようにしてもよい。前者の場合、超電導ケーブルを液体水素に浸漬させる構成とするとよい。このとき、超電導ケーブルの全周が極低温の液体水素に接触しているため、外部からケーブルへの侵入熱を効果的に低減することができると共に、液体水素によりケーブルの冷媒を十分に冷却することができる。

一方、超電導ケーブルを液体水素に浸漬させた状態とすることで、万が一、超電導ケーブルが短絡などして火花が生じた際、液体水素に引火して爆発するなどの不具合が生じることも考えられる。そこで、流体用断熱管内を液体水素の輸送領域と超電導ケーブルが配設される領域とに区画してもよい。例えば、輸送領域として、別途液体水素の輸送管を流体用断熱管内に配置し、超電導ケーブルは、この輸送管に縦添えして配置することが挙げられる。このとき、流体用断熱管内において輸送管と超電導ケーブルとを除く空間に、熱伝導性に優れる伝熱スペーサを配置すると、伝熱スペーサを介して液体水素からの熱をケーブルに効率よく伝えられるため、ケーブルの冷却を効果的に行うことができる。このような伝熱スペーサは、例えば、アルミニウムなどの熱伝導性に優れる材料にて形成するとよい。具体的には、伝熱スペーサは、アルミニウム箔を巻回することで形成することが挙げられる。

本発明では、液体水素よりも高温である冷媒を利用する超電導ケーブルを用い、このケーブルを液体水素が輸送される流体用断熱管に収納することで、液体水素により冷媒を冷却することができる。しかし、超電導ケーブルの冷媒が液体水素によって過剰に冷却されて、冷媒が固化することが考えられる。そこで、流体用断熱管に収納することで冷却され過ぎた超電導ケーブルの冷媒を超電導状態が維持できる温度範囲内において昇温させることが望まれる。一方、液体水素は、液体状態を維持する(再液化する)ために冷却させることが望まれる。そこで、本発明では、液体水素の冷却を行うと共に、液体水素にて過剰に冷却された冷媒の昇温を行うべく、液体水素と液体窒素との間で熱交換を行う熱交換手段を具える。

上記熱交換手段としては、例えば、熱交換用媒体が流通される流路と、この熱交換用媒体を膨張させる膨張弁と、膨張された熱交換用媒体を圧縮する圧縮機と、これら流路、膨張弁、圧縮機を収納する断熱ケースとを具えた構成が挙げられる。そして、膨張された熱交換用媒体にて液体水素が冷却されるように、上記流路において膨張弁を通過した部分に液体水素の輸送配管を配置し、圧縮された熱交換用媒体にて超電導ケーブルの冷媒が昇温されるように、上記流路において圧縮機を通過した部分にケーブルの冷媒の輸送配管を配置する。上記液体水素の輸送配管は、例えば、流体用断熱管から排出された液体水素が再び流体用断熱管に流入される循環経路となるように設けてもよいし、流体用断熱管に液体水素を貯留するタンクを接続し、このタンクから排出された液体水素が再びタンクに流入される循環経路となるように設けてもよい。そして、このような液体水素の輸送配管の一部を、上記熱交換用媒体の流路において膨張弁を通過した部分に接するように配置する、或いは同部分の近傍に配置する。上記冷媒の輸送配管は、ケーブル用断熱管から排出された冷媒が再びケーブル用断熱管に流入される循環経路となるように設けるとよい。そして、このような冷媒の輸送配管の一部を、上記熱交換用冷媒の流路において圧縮機を通過した部分に接するように配置する、或いは同部分の近傍に配置する。なお、熱交換手段において冷媒の昇温は、超電導部の超電導状態が維持される温度範囲内で行うものとする。このような液体水素の冷却とケーブルの冷媒の加熱とを同時に行う熱交換手段を具えることで本発明は、超電導ケーブルの冷媒の昇温という要求と、液体水素の冷却という要求の双方の要求を同時に満たすことができる。

なお、本発明において流体用断熱管に収納された超電導ケーブルは、上記のようにケーブルへの熱侵入が低減されるため、ケーブル用断熱管の断熱構造を簡易にする、即ち、外部からのケーブルへの侵入熱に対する断熱性能のレベルを低くすることも可能である。断熱性能を変化させるには、例えば、ケーブル用断熱管が外管と内管との二重構造で、両管の間に断熱材を配置すると共に真空引きした構成である場合、外管と内管間の真空度を変化させる、外管と内管との間に配置する断熱材の巻数を変化させる、断熱材の材料を変えることなどが挙げられる。

また、本発明超電導ケーブル線路では、線路を構築する超電導ケーブルの長手方向全長に亘って流体用断熱管に収納させてもよいし、一部のケーブルのみを流体用断熱管に収納してもよい。熱侵入の低減を考慮すると、超電導ケーブルの全長を流体用断熱管に収納させていることが好ましい。

このような本発明超電導ケーブル線路は、例えば、液体水素を製造する水素プラントと液体水素の貯留を行う水素ステーションとを接続する断熱構造のパイプラインや、水素ステーション内において液体水素を輸送する断熱管に超電導ケーブルを収納し、水素ステーション近傍に熱交換手段を設けて構築することが挙げられる。そして、本発明線路は、水素ステーションで用いられる各種電力機器の電力供給に利用してもよいし、パイプラインから適宜電力を引き出して、各所における電力供給に利用してもよい。

本発明超電導ケーブル線路は、上述のように直流送電、交流送電のいずれにも利用することができる。例えば、3相交流送電を行う場合、3心超電導ケーブルとし、各コアの超電導導体層をそれぞれ相の送電に利用し、各コアの外部超電導層をシールド層として利用するとよい。単相交流送電を行う場合、単心超電導ケーブルとし、コアに具える超電導導体層を相の送電に利用し、外部超電導層をシールド層として利用するとよい。単極直流送電を行う場合、単心超電導ケーブルとし、このコアの超電導導体層を往路導体に利用し、外部超電導層を帰路導体として利用するとよい。双極直流送電を行う場合、2心超電導ケーブルとし、一つのコアの超電導導体層を正極送電に利用し、他のコアの超電導導体層を負極送電に利用し、両コアの外部超電導層を中性線層として利用するとよい。

また、本発明超電導ケーブル線路は、上述のようにρグレーディング、εグレーディングが施された電気絶縁層を有するケーブルコアを具える超電導ケーブルを利用することで、直流交流両用線路としても利用することができる。このとき、超電導ケーブルだけでなく、線路端部に形成され、超電導ケーブルと常温側の導電部(常電導ケーブルや常電導ケーブルに接続されるリードなど)とを接続する端末構造も直流交流両用に適した構成としておくことが好ましい。端末構造は、超電導ケーブルの端部から引き出したケーブルコアの端部と、常温側の導電部に接続される引出導体部と、コア端部と引出導体部とを電気的に接続する接続部と、これらコア端部、引出導体部のコア接続側端部、接続部を収納する終端接続箱とを具える構成が代表的である。終端接続箱は、通常、コア端部や引出導体部の端部を冷却する冷媒槽と、冷媒槽の外周に配置される真空断熱槽を具える。このような端末構造において、交流送電と直流送電とでは、引出導体部に流す電流の大きさが異なることがあるため、引出導体部の導体断面積を変化できることが望まれる。そこで、直流交流両用の端末構造としては、負荷に応じて引出導体部の導体断面積を変化可能な構成とすることが好適である。このような端末構造として、例えば、引出導体部をコア端部に接続される低温側導体部と、常温側の導電部側に配置される常温側導体部とに分割し、これら低温側導体部と常温側導体部とが着脱可能な構成が挙げられる。そして、この着脱可能な引出導体部を複数具え、低温側導体部と常温側導体部との接続数により、引出導体部全体の導体断面積を変化させることができる。各引出導体部の導体断面積は、いずれも同一としてもよいし、異ならせてもよい。このような端末構造を具える本発明超電導ケーブル線路は、引出導体部の着脱を行うことで、直流送電から交流送電への変更、又は交流送電から直流送電の変更を容易に行うことができる。また、このように引出導体部の導体断面積を変更できることで、交流送電時又は直流送電時において、供給電力の変更がなされた場合にも導体断面積を種々変更することで対応することができる。

上記構成を具える本発明超電導ケーブル線路は、液体水素を輸送する断熱管内に超電導ケーブルを収納することで、ケーブル用断熱管の内外の温度差を小さくし、ケーブルの断熱構造をケーブル用断熱管と流体用断熱管との二重の断熱構造として、ケーブルへの侵入熱を効果的に低減する。また、本発明線路では、流体用断熱管に輸送される液体水素により超電導ケーブルの冷媒の冷却をも行うことができる。この熱侵入の低減及び流体を利用した冷媒の冷却により、本発明線路は、ケーブルの冷媒を冷却するためのエネルギーを大幅に削減する、或いはほとんどなくすことができる。特に、超電導ケーブルの冷媒用冷却システムを設けなくてもよい、或いは設けても従来よりも冷却性能のレベルを低くすることができる。

従って、上記構成を具える本発明超電導ケーブル線路は、超電導ケーブルの冷媒の冷却までを含めて考慮した場合、上述のようにケーブルへの侵入熱を低減することで冷媒の冷却エネルギーを大幅に低減できるため、従来よりもエネルギー消費効率を向上させることが可能である。特に、本発明線路を通電による発生熱(導体ロス)がほとんど生じない直流用線路とする場合、エネルギー損失の原因は、主に侵入熱となるため、この侵入熱の低減は、エネルギー消費効率の向上に非常に有効である。

また、本発明線路では、液体水素を冷却するための熱交換対象として、超電導ケーブルの冷媒を利用することで、液体水素の冷却エネルギーをも格段に削減する。そのため、本発明は、超電導ケーブルの冷媒を冷却するための冷却エネルギー及び液体水素を冷却するための冷却エネルギーを総合的に低減し、エネルギー消費効率を格段に向上させることができる。

更に、本発明線路においてρグレーディングを施した電気絶縁層を有するケーブルコアを具える超電導ケーブルを利用することで、直流耐電圧特性に優れ、直流送電に適した線路とすることができる。また、ρグレーディングに加えて超電導導体層の近傍が高εとなるように電気絶縁層を設けたケーブルコアを具える超電導ケーブルを本発明線路に利用した場合、上述した直流耐電圧特性の向上に加えて、Imp.耐圧特性も向上できる。特に、電気絶縁層の内周側ほど高εとし外周側ほど低εとすると、本発明線路は、交流電気特性にも優れる。そのため、本発明超電導ケーブル線路は、直流送電、交流送電のそれぞれに好適に利用できる。加えて、本発明線路として、上記ρグレーディング及びεグレーディングが施された電気絶縁層を有するケーブルコアを具える超電導ケーブルを利用し、かつ線路端部に形成される端末構造を、超電導ケーブルと常温側導電部との間に配置される引出導体部の導体断面積を変化可能な構成とすることで、送電方式を交流と直流の間で変更する過渡期においても、本発明線路は、好適に利用することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

図1(A)は、本発明超電導ケーブル線路において、超電導ケーブル部分近傍の構成を模式的に示す横断面図、(B)は、本発明超電導ケーブル線路を構築した状態を示す概略構成図である。以下、図中同一符号は同一物を示す。本発明電導ケーブル線路は、液体水素1が輸送される流体用断熱管2と、流体用断熱管2に収納される超電導ケーブル10と、液体水素1の温度調整とケーブルの冷媒の温度調整とを行う熱交換手段30とを具える。

本例で利用した超電導ケーブル10は、ケーブル用断熱管11に3条のケーブルコア12を撚り合わせて収納させた構成であり、基本的構成は図4に示す超電導ケーブルと同様である。各ケーブルコア12は、中心から順にフォーマ、超電導導体層、電気絶縁層、外部超電導層、保護層を具える。超電導導体層及び外部超電導層は、Bi2223系超電導テープ線(Ag-Mnシース線)にて形成した。超電導導体層はフォーマの外周に、外部超電導層は電気絶縁層の外周にそれぞれ、上記超電導テープ線を螺旋状に巻回して構成した。フォーマは、銅線を複数本撚り合わせたものを用いた。フォーマと超電導導体層との間には、絶縁紙によりクッション層を形成した。電気絶縁層は、超電導導体層の外周に半合成絶縁紙(PPLP：住友電気工業株式会社 登録商標)を巻回して構成した。保護層は、外部超電導層の外周にクラフト紙を巻回して設けた。電気絶縁層の内周側に内部半導電層、同外周側(外部超電導層下)に外部半導電層を設けてもよい。このようなケーブルコア12を3条用意し、熱収縮に必要な収縮代を有するように弛みを持たせて撚り合わせ、ケーブル用断熱管11内に収納している。本例においてケーブル用断熱管11には、SUSコルゲート管を用い、外管11aと内管11bとからなる二重管の間に断熱材(図示せず)を多層に配置し、かつ外管11aと内管11bの間を所定の真空度に真空引きした真空多層断熱構成とした。内管11bの内周面と3心のケーブルコア12の外周面とで囲まれる空間13が冷媒の流路となる。この流路内に、ポンプなどを用いて超電導導体層や外部超電導層を冷却する冷媒を流通させる。本例では、冷媒として液体窒素(約77K)を利用した。この超電導ケーブル10のケーブル用断熱管11には、同断熱管11から熱交換手段30側に向かって冷媒が排出され、熱交換手段30側から同断熱管11に向かって冷媒が流入されるといった冷媒の循環輸送を行う配管16が接続される。この配管16の途中には、冷媒を流通させるべく、図示されないポンプが配置される。

上記構成を具える超電導ケーブル10を流体用断熱管2内に収納している。本例において流体用断熱管2は、外管2aと内管2bとの二重構造で、両管2a,2b間に断熱材(図示せず)を配置し、真空引きした構成である。内管2bの内周と超電導ケーブル10の外周とで囲まれる空間が液体水素1の輸送路となる。両管2a,2bは、共に鋼製の溶接管であり、内管2bを構成する鋼板に超電導ケーブル10を配置し、鋼板の両端縁を溶接することで、内管2b内にケーブル10を収納した。そして、本例において超電導ケーブル10は、液体水素に浸漬された状態で内管2bに配置される。本例において流体用断熱管2は、水素プラント(図示せず)から各水素ステーション20に液体水素を輸送するパイプラインを構成するものとした。各水素ステーション20はそれぞれ、液体水素を貯留するタンク21と、液体水素1と超電導ケーブル10の冷媒との間で熱交換を行う熱交換手段30とを具える。タンク21は、流体用断熱管2に接続され、冷媒用輸送管2により輸送された液体水素を貯留する。また、タンク21には、タンク21から熱交換手段30側に向かって液体水素が排出され、熱交換手段30側からタンク21に向かって液体水素が流入されるといった液体水素を循環輸送する配管22が接続される。また、配管22の途中には、液体水素を流通させるべく、図示されないポンプを具える。

本例において熱交換手段30は、ヘリウムなどの熱交換用媒体が流通される流路31と、この熱交換用媒体を膨張させる膨張弁32と、膨張された熱交換用媒体を圧縮する圧縮機33と、これらを収納する断熱ケース34とを具える。そして、膨張された熱交換用媒体にて液体水素が冷却されるように、流路31において膨張弁32を通過した部分に、液体水素を循環輸送する配管22の一部が接するように配管22を配置する。この構成により、配管22において上記流路31の膨張弁32を通過した部分に接する箇所近傍では、液体水素が冷却される。従って、タンク21から排出された液体水素は、配管22を通って熱交換手段30により冷却されてタンク21に戻される。また、液体水素により冷却された超電導ケーブル10の冷媒が超電導状態を維持できる温度範囲内で圧縮された熱交換用媒体にて昇温されるように、流路31において、圧縮機33を通過した部分に、ケーブル10の冷媒(液体窒素)を循環輸送する配管16の一部が接するように配管16を配置する。この構成により、配管16において上記流路31の圧縮機33を通過した部分に接する箇所近傍では、冷媒が昇温される。従って、ケーブル用断熱管11から排出された冷媒は、配管16を通って熱交換手段30により昇温されて同断熱管11に戻される。

流体用断熱管に収納された超電導ケーブルは、ケーブルの外周が極低温の液体水素で覆われると共に、ケーブル自体の断熱管と液体水素の断熱管とで二重の断熱構造を具える。この構成により、本発明線路は、外部から超電導ケーブルへの侵入熱を大幅に低減することができる。また、超電導ケーブルの外周が極低温の液体水素に覆われることで、液体水素からの熱がケーブルに伝わって、ケーブルの冷媒が冷却される。従って、超電導ケーブルの冷媒を冷却する冷却システムを不要とすることも可能である。そのため、本発明超電導ケーブル線路を構築することで、超電導ケーブルの冷媒を冷却する冷却エネルギーを低減し、エネルギー消費効率を向上させることができる。

更に、本発明線路は、超電導ケーブルの冷媒と液体水素との間で熱の受け渡しを行い、冷媒の加温と液体水素の冷却とを同時に行う熱交換手段を具えることで、熱交換対象間の温度差を小さくすることができ、この熱交換手段により、液体水素の冷却を行う際の冷却エネルギーを低減することができる。かつ、本発明線路は、この熱交換手段を具えることで、流体用断熱管に収納させることで冷却され過ぎた超電導ケーブルの冷媒の昇温に液体水素の冷却に伴う熱を利用することができる。従って、液体水素と超電導ケーブルの冷媒との間で熱交換を行うように構成した熱交換手段を利用することで、本発明線路は、液体水素を適切な温度に調整することができると共に、ケーブルの冷媒も適切な温度に調整することができる。そのため、本発明超電導ケーブル線路を構築することで、超電導ケーブルの冷媒を冷却する冷却エネルギーと液体水素を冷却する冷却エネルギーの双方を低減することができる。

なお、本例では、超電導ケーブルの長手方向全長を流体用断熱管に収納した構成を示したが、一部のケーブルのみを収納した構成としてもよい。本発明線路において超電導ケーブルを流体用断熱管に収納させた部分が少ないと、侵入熱の低減効果が少なくなると共に、熱交換手段による超電導ケーブルの冷媒の温度調節が行いにくくなる恐れがある。そこで、本発明線路では、超電導ケーブルの冷媒の温度調節が熱交換手段によって行える程度に超電導ケーブルを流体用断熱管に収納させる部分を設けておく。

上記実施例1では、超電導ケーブルを液体水素に浸漬させた構成としたが、液体水素に浸漬させないように流体用断熱管に超電導ケーブルを収納する構成としてもよい。例えば、流体用断熱管内に液体水素の輸送路を別途設けてもよい。図2は、流体用断熱管内に液体水素の輸送管及び伝熱スペーサを具える本発明超電導ケーブル線路の概略構成図であって、ケーブル部分近傍の構成を模式的に示す横断面図である。この超電導ケーブル線路では、流体用断熱管2の内管2b内に別途液体水素の輸送管3を具える構成である。そして、内管2bの内周面と輸送管3の外周面と超電導ケーブル10の外周面とで囲まれる空間には、熱伝導性に優れる伝熱スペーサ4を配置している。この構成により上記実施例1と同様に超電導ケーブル10は、流体用断熱管2とケーブル10自身の断熱管11(図1参照)との二重の断熱構造を具えるため、外部からのケーブルへの侵入熱を低減することができる。また、液体水素からの熱が伝熱スペーサ4を介して超電導ケーブル10に伝えられるため、液体水素1によりケーブル10を冷却することも可能である。更に、輸送管3を具えることで、超電導ケーブル10と液体水素1とが物理的に隔絶されているため、ケーブル10に短絡などの事故が生じて火花が生じた際に液体水素1に引火するなどの不具合を防止できる。本例において伝熱スペーサは、アルミニウムを巻回することにて形成した。

上記実施例1,2に示す本発明超電導ケーブル線路は、直流送電、交流送電のいずれにも利用することができる。直流送電を行う場合、超電導ケーブルとして、内周側の抵抗率が低く、外周側の抵抗率が高くなるようにρグレーディングを施した電気絶縁層を有するケーブルコアを具えるものを利用すると、電気絶縁層の厚み方向の直流電界分布を平滑化して、直流耐電圧特性を向上できる。抵抗率は、比率kが異なるPPLP(登録商標)を用いることで変化させることができ、比率kが大きくなると抵抗率が高くなる傾向にある。また、電気絶縁層において超電導導体層の近傍に高ε層を設けると、直流耐電圧特性の向上に加えて、Imp.耐圧特性も向上させることができる。高ε層は、例えば、比率kが小さいPPLP(登録商標)を用いて形成することが挙げられる。このとき、高ε層は、低ρ層ともなる。更に、上記ρグレーディングに加えて、内周側ほど誘電率εが高く、外周側ほど誘電率εが低くなるように電気絶縁層を形成したケーブルコアを具える超電導ケーブルは交流特性にも優れるため、このケーブルを利用した本発明線路は、交流送電にも好適に利用することができる。例えば、以下のように比率kが異なるPPLP(登録商標)を用いて、抵抗率及び誘電率が3段階に異なるように電気絶縁層を設けることが挙げられる。以下の三層は、内周側から順に具えるとよい(X,Yは定数)。
低ρ層:比率k＝60％、抵抗率ρ(20℃)＝X Ω・cm、誘電率ε＝Y
中ρ層:比率k＝70％、抵抗率ρ(20℃)＝約1.2X Ω・cm、誘電率ε＝約0.95Y
高ρ層:比率k＝80％、抵抗率ρ(20℃)＝約1.4X Ω・cm、誘電率ε＝約0.9Y

上記ρグレーディング,εグレーディングを施した超電導ケーブルを用いた本発明線路により単極送電を行う場合、3心のケーブルコア12(図1参照)のうち、2心のコアを予備心とし、一つのコアの超電導導体層を往路導体、このコアの外部超電導層を帰路導体としてもよいし、各コアの超電導導体層を往路導体、これらのコアの外部超電導層を帰路導体として、3回線の単極送電線路を構築してもよい。一方、双極送電を行う場合、3心のコアのうち、1心のコアを予備心とし、一つのコアの超電導導体層を正極線路、別のコアの超電導導体層を負極線路、両コアの外部超電導層を中性線層とするとよい。

また、上記ρグレーディング,εグレーディングを施した超電導ケーブルを用いると共に、以下の端末構造を具えた本発明線路は、交流送電を行った後、単極送電や双極送電といった直流送電を行ったり、直流送電後交流送電を行うことが容易にできる。図3は、三心一括型の超電導ケーブルを用いた本発明超電導ケーブル線路の端部に形成された端末構造において、着脱可能な引出導体部を有する端末構造の概略構成図であり、(A)は、交流送電線路の場合、(B)は、直流送電線路の場合を示す。なお、図3では、2心のケーブルコア12のみ示しているが、実際には3心存在する。

この端末構造は、超電導ケーブル10の端部から引き出したケーブルコア12の端部と、常温側の導電部(図示せず)に接続される引出導体部40,61と、コア12の端部と引出導体部40及びコア12の端部と引出導体部61とを電気的に接続する接続部と、これらコア12の端部、引出導体部40,61のコア接続側端部、接続部を収納する終端接続箱50とを具える。終端接続箱50は、コア12の端部を段剥ぎして露出された超電導導体層14が導入され、超電導導体層14を冷却する冷媒が充填される冷媒槽51と、同様に段剥ぎにして露出された外部超電導層15が導入され、外部超電導層15を冷却する冷媒が充填される冷媒槽52と、これら冷媒槽51,52の外周に配置される真空断熱槽53とを具える。超電導導体層14には、常温側の導電部と超電導導体層14との間に配置されるブッシング60に内蔵される引出導体部61がジョイント(接続部)を介して接続されて、超電導ケーブル10と常温側の導電部との電力の授受を可能にする。ブッシング60において常温側の導電部との接続側(常温側)は、真空断熱槽53から突出されており、真空断熱槽53に突設される碍管62内に収納される。

一方、外部超電導層15は、常温側の導電部と外部超電導層15との間に配置される引出導体部40が後述する短絡部70(接続部)を介して接続されて、超電導ケーブル10と常温側の導電部との電力の授受を可能にしている。この引出導体部40は、短絡部70に接続される低温側導体部41と、常温側に配置され、低温側導体部41に対して着脱可能な常温側導体部42とからなる。本例では、常温側導体部42を所定の断面積を有する棒状体とし、低温側導体部41を棒状の常温側導体部42が嵌合可能な筒状体とし、常温側導体部42を低温側導体部41に差し込むことで両部41,42は、電気的に接続されて、低温側と常温側との間の電力の授受を可能とし、常温側導体部42を低温側導体部41から引き抜くことで両部41,42は、非導通状態となる。この端末構造では、このような引出導体部40を複数具えている。低温側導体部41は、一端を短絡部70に電気的に接続させ、他端が真空断熱槽53に突出して配置されるように冷媒槽52に固定しており、その固定箇所の外周には、冷媒の漏洩や冷媒槽52と導体部41との短絡などを防止するFRP製の低温側シール部41aを設けている。常温側導体部42は、一端が真空断熱槽53内に配置され、他端が常温である外部に突出して配置されるように真空断熱槽53に固定しており、その固定箇所の外周には、熱侵入を低減でき、真空断熱槽53と導体部42との短絡などを防止するFRP製の常温側シール部42aを設けている。また、引出導体部40を着脱させる際、真空断熱槽53の真空状態が維持されるように真空断熱槽53において常温側導体部42の固定箇所近傍には、コルゲート管からなる伸縮部53aを設けている。なお、3心のコア12の外部超電導層15は、短絡部70にて短絡させている。また、常温側導体部42の常温側端部には、外部の機器などと接続されるリード43又は接地線44が取り付けられる。超電導導体層14において冷媒槽51,52間の近傍に配置される箇所の外周にはエポキシユニット63を配置している。

上記構成の端末構造を具える本発明超電導ケーブル線路を例えば三相交流線路として利用する場合、外部超電導層15に接続される引出導体部40は、対地電圧をとるのに必要な導体断面積を有していればよい。そこで、必要な導体断面積となるように、図3(A)に示すように引出導体部40の低温側導体部41と常温側導体部42とを接続させ、不用の引出導体部40の低温側導体部41と常温側導体部42とを離脱させておく。なお、本例では、接続させた引出導体部40の常温側導体部42の常温側端部には、接地線44を接続して接地している。

一方、図3(A)に示す三相交流送電から直流送電に変更する要求があった際、外部超電導層15には、超電導導体層14と同等の電流が流される。即ち、図3(A)に示される交流送電の場合と比較して、外部超電導層13に流れる電流が大きくなり、引出導体部40に流される電流も大きくなる。そこで、図3(B)に示すように交流送電の場合に離脱していた引出導体部40の低温側導体部41と常温側導体部42とを接続させて、必要な電流を流すのに十分な導体断面積を確保する。本例では、接続させた引出導体部40の常温側導体部42の常温側端部には、リード43を接続して接地している。逆に、図3(B)に示す直流送電から交流送電に変更する要求があった際は、直流送電において導通状態させていた引出導体部40のうち、一方を取り外して、非導通状態とする。

本発明超電導ケーブル線路は、各種の電力機器への電力送電を行う線路に利用することが好適である。例えば、液体水素を輸送するパイプラインに超電導ケーブルを収納し、パイプラインに接続された水素ステーションに熱交換手段を配置して、本発明超電導ケーブル線路を構築してもよい。このとき、本発明線路は、水素ステーション内の電力機器の電力供給用線路として利用してもよいし、流体用断熱管から適宜電力を引き出し、任意の電力機器の電力供給用線路として利用することも可能である。また、液体水素の輸送路や水素ステーションを構築する際、本発明ケーブル線路の構築を行うことができ、布設作業性に優れる。

(A)は、本発明超電導ケーブル線路において、超電導ケーブル部分近傍の構成を模式的に示す横断面図、(B)は、本発明超電導ケーブル線路を構築した状態を示す概略構成図である。 流体用断熱管内に液体水素の輸送管、超電導ケーブル及び伝熱スペーサを具える本発明超電導ケーブル線路の概略構成図であって、ケーブル部分近傍の構成を模式的に示す横断面図である。 三心一括型の超電導ケーブルを用いた本発明超電導ケーブル線路において、線路端部に形成される端末構造の概略構成図であり、(A)は、交流送電線路の場合、(B)は、直流送電線路の場合を示す。 三心一括型の三相交流用超電導ケーブルの断面図である。

符号の説明

1 液体水素 2 流体用断熱管 2a 外管 2b 内管 3 輸送管
4 伝熱スペーサ
10 超電導ケーブル 11 ケーブル用断熱管 11a 外管 11b 内管
12 ケーブルコア 13 空間 14 超電導導体層 15 外部超電導層
16 輸送配管
20 水素ステーション 21 タンク 22 輸送配管
30 熱交換手段 31 流路 32 膨張弁 33 圧縮機 34 断熱ケース
40 引出導体部 41 低温側導体部 41a 低温側シール部
42 常温側導体部 42a 常温側シール部 43 リード 44 接地線
50 終端接続箱 51,52 冷媒槽 53 真空断熱槽 53a 伸縮部
60 ブッシング 61 引出導体部 62 碍管 63 エポキシユニット
70 短絡部
100 三相交流用超電導ケーブル 101 断熱管 101a 外管 101b 内管
102 ケーブルコア 103 空間 104 防食層
200 フォーマ 201 超電導導体層 202 電気絶縁層
203 超電導シールド層 204 保護層

Claims (7)

1. 液体水素を輸送する流体用断熱管と、
   前記流体用断熱管に収納され、液体水素よりも温度が高い冷媒にて超電導部の冷却を行う超電導ケーブルと、
   液体水素の冷却を行うと共に、液体水素にて冷却されたケーブルの冷媒の昇温を行う熱交換手段とを具えることを特徴とする超電導ケーブル線路。
2. 超電導ケーブルは、液体水素内に浸漬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線路。
3. 流体用断熱管内には、液体水素が輸送される輸送領域と超電導ケーブルとが区画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線路。
4. 超電導ケーブルの冷媒は、液体窒素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線路。
5. 超電導ケーブルは、超電導導体層と、この超電導導体層の外周に設けられる電気絶縁層とを具え、
   前記電気絶縁層は、その径方向の直流電界分布が平滑化されるように、電気絶縁層の内周側の抵抗率が低く、外周側の抵抗率が高くなるようにρグレーディングが施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線路。
6. 電気絶縁層は、超電導導体層の近傍に、他の箇所よりも誘電率が高い高ε層を有することを特徴とする請求項5に記載の超電導ケーブル線路。
7. 電気絶縁層は、その内周側ほど誘電率εが高く、外周側ほど誘電率εが低く構成されていることを特徴とする請求項5に記載の超電導ケーブル線路。

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