CN100524546C - 超导电缆线路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导电缆，其包括用来输送液氢(1)的用于流体的热绝缘管(2)、装在用于流体的热绝缘管(2)中的超导电缆(10)以及用于在液氢(1)和电缆(10)之间执行热交换的热交换装置。由于超导电缆(10)包括在用于电缆的热绝缘管内部的电缆芯，并装设在用于流体(2)的热绝缘管中，从而电缆(10)外周边暴露于低温环境，且该超导电缆形成为与热绝缘管(2)相关的双层热绝缘结构。因此，由于侵入超导电缆(10)中的热降低并用液氢(1)来将冷却剂冷却，所以可以降低冷却冷却剂所需的能量。

Description

超导电缆线路

技术领域

本发明涉及一种包括超导电缆的电源线路。更具体地说，本发明涉及一种超导电缆线路，该超导电缆线路降低侵入超导电缆中的热量，从而降低用于冷却电缆中所用的冷却剂的能量，并该电缆线作为一个整体，能够增加性能系数(COP)。

背景技术

通常已知一种包括热绝缘管的超导电缆，该热绝缘管容纳带有超导体层的电缆芯。这种超导电缆例如包括具有容纳一个电缆芯的热绝缘管的单芯电缆或者容纳成一束的三个电缆芯的三芯电缆。图7是用于三相交流电的三芯超导电缆的横截面视图。图8是每个电缆芯102的横截面视图。这种超导电缆100具有在一个热绝缘管101中容纳三股电缆102的结构。热绝缘管101的结构是热绝缘材料(未示出)设置在双层管之间，该双层管由外管101a和内管101b形成，并排出管101a、101b之间的空气。每个电缆芯102从其中心部分开始包括定径管200、超导体层201、电绝缘层202、超导屏蔽层203和保护层204。内管101b和每个电缆芯102围绕的空间103用作冷却剂如液氮的通道。通过冷却剂冷却来维持电缆芯102的超导体层201和超导屏蔽层203的超导状态。在热绝缘管101的外周边上设有防腐蚀层104。

超导电缆必须用冷却剂如液氮来连续地冷却，从而维持超导体层和超导屏蔽层的超导状态。因此，使用超导电缆的线路通常包括用于冷却剂的冷却系统。利用这种系统来执行循环冷却，其中，将从电缆喷射出的冷却剂冷却，并且该冷却后的冷却剂再次流入电缆。

通过利用冷却系统将冷却剂冷却至适当的温度，通过充分降低冷却剂因电流通过而产生的热或者从外部如环境侵入的热所造成的冷却剂温度增加，超导电缆能够维持超导体层和超导屏蔽层的超导状态。然而，在冷却剂是液氮时，将冷却剂冷却以克服这种产生的或者侵入的热所需的能量变成至少高于由冷却剂来冷却电缆所需的能量的10倍。因此，在包括用于冷却剂的冷却系统的超导电缆线路作为一个整体来考虑时，性能系数(COP)变成0.1或更低。这种低COP是降低超导装置如超导电缆的应用效果的其中一个原因。因此，日本专利申请公开号JP2002-130851(专利文献1)和日本专利申请公开号JP10-092627(专利文献2)中的每一个提出利用液化天然气(LNG)的冷热(cold heat)来冷却超导线圈的冷却剂。

另一方面，随着燃料电池车辆的研制，计划在日本的许多地方建立氢气站，以存储用来供给燃料电池车辆的压缩氢气或者液氢。氢气站例如包括用于存储在工厂生产并输送的液氢或者在氢气站生产的液氢的罐，以及用于将汽化的氢液化以维持其在液态的冷却系统。尽管可以利用冷却系统来冷却至适当的温度，从而可以将氢气维持在液态，但是，由于液氢具有大约20K的低温沸点，这与环境的常温显著不同，从外部侵入的热变得很大。因此，就需要大量的能量来冷却液氢，以降低因热侵入所产生的温度增加。

专利文献1：日本专利申请公开号JP2002-130851

专利文献2：日本专利申请公开号JP10-092627

发明内容

上述的各个专利文献1和2只是披露了使用LNG的冷热来用于冷却超导线圈的冷却剂，并且没有考虑降低从外部侵入的热。另一方面，在液氢气站，也希望能够降低用于冷却氢的能量，如上所述。

因此，本发明的主要目的是提供超导电缆线路，其能够降低侵入超导电缆中的热，并能够总体上降低用于冷却超导电缆的能量和用于冷却液氢的能量。

本发明通过在输送液氢的热绝缘管中设置超导电缆并在液氢和电缆的冷却剂之间交换热来获得上述目的。也就是说，本发明的超导电缆线路包括用于输送液氢的用于流体的热绝缘管和超导电缆，该超导电缆置于该用于流体的热绝缘管内，以用温度高于该液氢的冷却剂冷却超导部分。还包括用于冷却液氢和提升由液氢冷却的超导电缆的冷却剂的温度的热交换装置。以下将更加详细地叙述本发明。

用于本发明的超导电缆的结构包括超导部分和热绝缘管，该超导部分由超导材料形成，该热绝缘管(以下称作用于电缆的热绝缘管)容纳超导部分并充满用于冷却超导部分的冷却剂。超导部分可包括超导体层和外部超导层，其中，超导体层用于流经电源电流，外部超导层用于在相反方向上流经与超导体层的电流值大致相同的电流。超导部分通常形成在电缆芯中。因此，超导电缆可通过将包括超导层的超导电缆装入用于电缆的热绝缘管中而构成。电缆芯的更具体结构从其中心部分开始包括定径管、超导体层、电绝缘层、外部超导层和保护层。用于电缆的热绝缘管可容纳一个电缆芯(单芯(一个芯))或多个电缆芯(多个芯)。更具体地说，例如，在本发明的线路用于三相AC传输时，可以使用具有用于容纳三股芯的用于电缆的热绝缘管的三芯电缆，在本发明的线路用于单相AC传输时，可以使用单芯电缆，该单芯电缆具有容纳一个芯的用于电缆的热绝缘管。例如，在本发明的线路用于DC传输(单极传输)时，可以使用具有用于容纳一个芯的用于电缆的热绝缘管的单芯电缆，在本发明的线路用于DC传输(双极传输)时，可以使用具有容纳两束或三束芯的用于电缆的热绝缘管的两芯电缆或者三芯电缆。如上所述，本发明的超导电缆线路可以用于DC传输或AC传输。

例如，可通过螺旋地卷绕带形导线来形成超导体层，该带形导线包括由基于Bi的氧化物的超导材料的多个金属丝，更具体地说，是基于Bi2223的超导材料的多个金属丝制成，该金属丝设置在如银护套的基体中。超导体层可具有单层或多层结构。在超导体层具有多层结构时，可在其中设置层间绝缘层。层间绝缘层可通过卷绕绝缘纸如牛皮纸或者半合成的绝缘纸如PPLP(Sumitomo Electric Industries，Ltd.的商标)而形成。超导体层通过将由超导材料制成的导线围绕定径管卷绕而形成。定径管可以是由金属材料如铜或铝形成的实心体或中空体，并且具有例如为多束铜导线的结构。可以使用带绝缘涂层的铜导线。定径管用作超导体层的形状维持部件。垫层可插入在定径管和超导体层之间。垫层避免了在定径管和超导导线之间金属的直接接触，从而避免超导导线受到损害。特别地，在定径管为绞合结构时，垫层也具有使得定径管的表面光滑的功能。绝缘纸或复写纸可以适当地用作垫层的指定材料。

电绝缘层可通过将半合成绝缘纸如PPLP(商标)或者绝缘纸如牛皮纸卷绕在超导体层上而形成。半导体层可由复写纸等形成在电绝缘层的内周边或外周边中的至少一个上，也就是说，形成在超导体层和电绝缘层之间以及电绝缘层和外部超导层(以下叙述)之间。通过形成内部半导体层(作为前者)，或者形成外部半导体层(作为后者)，超导体层和电绝缘层之间或者电绝缘层和外部超导层之间的附着力增加，从而抑制因部分放电等而产生的劣化。

在本发明的线路用于DC传输时，电绝缘层可受到ρ分级，以在电绝缘层的内周边侧获得低电阻率，在外周边侧获得高电阻率，从而使得在其直径方向(厚度方向)上的DC电场分布变得平滑。如上所述，“ρ分级”是指在电绝缘层的厚度方向上的电阻率以阶梯方式改变，这可使得电绝缘层的整个厚度方向上的DC电场分布变得平滑，并能够减小电绝缘层的厚度。尽管不具体限制具有不同电阻率的层数，但是，实际采用两层或三层。特别地，在各层的厚度均衡时，可以更有效地执行DC电场分布的平滑度。

可以使用电阻率(ρ)相互不同的绝缘材料来执行ρ分级。在使用绝缘纸如牛皮纸时，例如，可以通过改变牛皮纸的密度或者向牛皮纸中加入双氰胺来改变电阻率。在使用由绝缘纸和塑料薄膜如PPLP(商标)形成的复合纸时，可通过改变比率k、或者通过改变绝缘纸的密度、材料、添加剂等来改变电阻率，其中，比率k＝(tp/T)×100，为塑料薄膜的厚度tp与整个复合纸的厚度T之间的比率。比率k的值优选例如在40-90％的范围内。通常，电阻率ρ随着比率k增加而升高。

此外，在电绝缘层具有高ε层时，除了增加直流耐压特性之外，还可增加Imp.耐压特性，其中高ε层设置在超导导体附近并具有比另一部分高的介电常数。介电常数ε(20℃)在一般牛皮纸中为大约3.2-4.5，在比率为40％的复合纸中为大约2.8，在比率为60％的复合纸中为大约2.6，以及在比率为80％的复合纸中为大约2.4。特别优选由使用高比率k和高气密性的牛皮纸的复合纸构造的电绝缘层，这是因为直流耐压和Imp.耐压增加。

除了上述的ρ分级之外，通过构造介电常数ε向着内周边侧增加并向着外周边侧降低的电绝缘层，形成也适用于AC传输的电缆。在电绝缘层的直径方向上的整个区域内也执行“ε分级”。另外，进行了上述ρ分级的超导电缆的DC特征较好，并且可适用作DC传输线路。另一方面，大部分电流传输线路构造用于AC传输。在传输系统从AC系统转换为DC系统时，会发生其中AC传输在转换成DC传输之前利用进行了ρ分级的超导电缆进行瞬时传输的情况。例如在一部分传输线路的电缆用进行了ρ分级的超导电缆取代，而其他部分仍是用于AC传输的电缆时，或者在用于传输线路的AC传输的电缆用进行了ρ分级的超导电缆取代，而连接到电缆的传输装置仍是用于AC的装置时，可出现这种情况。在这种情况下，利用进行了ρ分级的超导电缆来瞬时执行AC传输，然后，系统最终转换成DC传输。因此，超导电缆优选不仅可设计为具有良好的DC特征，而且还考虑具有AC特征。在也考虑AC特征时，可通过构造介电常数ε朝向内周边侧增加且朝向外周边侧降低的电绝缘层来构造具有良好脉冲特征如浪涌的超导电缆。然后，在上述的瞬变期间结束并且执行DC传输时，在瞬变期间使用的进行了ρ分级的超导电缆可连续地用作DC电缆。也就是说，使用除了ρ分级之外还进行ε分级的超导电缆可适用于各个DC传输和AC传输，并且也适用作AC和DC传输的线路。

上述的PPLP(商标)一般随着比率k增加而具有较高的ρ值和较低的ε值。因此，在电绝缘层用比率k向着电绝缘层的外周边侧增加的PPLP(商标)构成时，ρ可朝向外周边侧增加，同时，ε可朝向外周边侧降低。

另一方面，牛皮纸一般随着气密性增加而具有较高的ρ值和较高的ε值。因此，只使用牛皮纸难以构造ρ值朝向外周边侧增加且ε值朝向外周边侧降低的电绝缘层。因此，可使用牛皮纸与复合纸结合构成电绝缘层。作为一个示例，牛皮纸层可形成在电绝缘层的内周边侧上，PPLP层可形成在其外侧上，从而使得牛皮纸的电阻率ρ值低于PPLP层的ρ值，牛皮纸的介电常数ε值高于PPLP的介电常数ε值。

外部超导层设在上述的电绝缘层的外周边上。外部超导层用超导材料形成，如用于形成超导体层的材料。与用来形成超导体层的材料相同的超导材料可用在外部超导层中。在本发明的超导电缆线路用于DC传输时，外部超导层例如可在单极传输中用作回路导线，在双极传输中用作中性导线层。特别地，在执行双极传输时，外部超导层可用来在正极和负极之间产生不平衡时流经不平衡电流。另外，在一个电极处于异常状态且双极传输变为单极传输时，外部超导层可用作回路导线，以用于流经相当于流过超导体层的传输电流的电流。在本发明的超导电缆线路用于AC传输时，外部超导层可用作屏蔽层，该屏蔽层用来流过由流经超导体层的电流感应形成的屏蔽电流。也用于绝缘的保护层设置在外部超导层的外周边上。

具有如上结构的用于容纳电缆芯的电缆的热绝缘管可具有由内管和外管形成的双层管结构，在管间设有热绝缘材料，并进行抽真空，从而获得用于形成真空绝缘结构所需的规定真空度。内管内部的空间用作冷却剂通道，其充满用于冷却电缆芯(特别是超导体层和外部超导层)的冷却剂如液氮。同样地，用于电缆的热绝缘管优选是柔性波纹管。特别地，用于电缆的热绝缘管优选由金属材料如高强度的不锈钢形成。

充满用于电缆的热绝缘管(其用于本发明中)的冷却剂的温度高于用于流体的热绝缘管内部所输送的液氢的温度。例如，液氮用作冷却剂。由于液氢的温度低于超导电缆的冷却剂的温度，可用液氢将装在用于流体的热绝缘管中的超导电缆的冷却剂冷却。因此，在本发明的线路中，在没有设置用来冷却超导电缆的冷却剂的单独的用于冷却剂的冷却系统的情况下，可设置能够维持超导部分的超导状态的温度。

在本发明的线路中，带有用于电缆的热绝缘管的超导电缆装在用于流体的热绝缘管中，该热绝缘管用于输送液氢。利用这种结构，装在用于流体的热绝缘管中的超导电缆具有温度低于常温的电缆周围的环境，更具体地说，大约20K(其为液氢的温度)的低温环境，并由此与置于环境中的情况相比，用于电缆的热绝缘管的内部和外部之间的温差降低至小于200K。特别地，在液氮用作电缆冷却剂时，用于电缆的热绝缘管的内部和外部之间的温差变成大约50K。另外，装在用于流体的热绝缘管内的超导电缆具有双层热绝缘结构，其由用于液氢的热绝缘结构和用于电缆自身的热绝缘结构形成。因此，由于本发明的线路在用于电缆的热绝缘管的内部和外部之间具有小的温差，且超导电缆具有如上所述的双层热绝缘结构，与置于环境中的超导电缆线路相比，可有效地降低从外部侵入电缆部分中的热。

具有与其内输送的液氢相应的热绝缘性能的热绝缘管可用作用于容纳超导电缆的用于流体的热绝缘管。作为一个示例，可以使用具有与超导电缆的结构类似的热绝缘管，也就是说，具有由外管和内管形成的双层管结构，其包括管间的热绝缘材料并对其抽真空。在这种情况下，内管内部的空间变成用于液氢的输送通道。

例如，在通过焊接由不锈钢、钢等制成的金属板来形成用于流体的热绝缘管时，通过将电缆设置在金属板上、弯曲该金属板以覆盖电缆并焊接该金属板的边缘，可将超导电缆装在用于流体的热绝缘管中。在由不锈钢、钢等制成的金属管用作用于流体的热绝缘管时，通过将超导电缆插入管内，可将电缆装在用于流体的热绝缘管中。在这种情况下，滑线(skidwire)(滑动导线)可螺旋卷绕在电缆周围，从而提高超导电缆的插入特性。特别地，在用于电缆的热绝缘管是具有突起和凹陷的波纹管时，通过用节距大于波纹管的突起和凹陷间的节距(长螺距(long pitch))来卷绕滑线，从而防止滑线进入波纹管的凹陷部分，并且从而将滑线置于波纹管的突起和凹陷的上方，以防止波纹管的外周边与用于流体的热绝缘管直接接触，也就是说，以获得卷绕在波纹管周围的滑线和用于流体的热绝缘管之间的点接触，从而可以提高插入特性。此外，张紧部件等可连接到超导电缆，从而可将其拉入用于流体的热绝缘管中。

装在用于流体的热绝缘管中的超导电缆可设置成与用于流体的热绝缘管内部所输送的液氢接触或者不与液氢接触。在前一种情况下，超导电缆可浸入液氢中。在这种情况下，由于超导电缆的整个周边与低温液氢接触，可有效地降低从外部侵入到电缆中的热，并且可利用液氢将电缆冷却剂充分地冷却。

另一方面，在超导电缆浸入液氢中时，例如在超导电缆短路从而产生火花的情况下会发生诸如液氢爆炸等问题。因此，用于流体的热绝缘管内部的区域可划分成用于液氢的输送区域和用于将超导电缆设置在其内的区域。作为输送区域，例如，用于液氢的输送管可分离地设置在用于流体的热绝缘管内部，超导电缆可沿着输送管纵向设置。在这种情况下，在导热率高的热交换器隔板设置在用于流体的热绝缘管内部的未由输送管和超导电缆占据的空间内时，可通过热交换器隔板将液氢的热有效地传导给电缆，并由此有效地冷却该电缆。这种热交换器隔板例如可由导热率高的材料如铝形成。更具体地说，热交换器隔板可通过卷绕铝箔而形成。

在本发明中，可以使用利用温度高于液氢的温度的冷却剂的超导电缆，并且由于电缆装在用于流体的热绝缘管(其用于输送液氢)内，可利用液氢将冷却剂冷却。然而，超导电缆的冷却剂可被液氢过度冷却，并可发生冷却剂固化。因此，需要将装在用于流体的热绝缘管内的超导电缆的过度冷却的冷却剂的温度升高至能够维持超导状态的范围内。另一方面，需要将液氢冷却，以维持液态(液化)。因此，本发明包括用于交换液氢和液氮之间的热的热交换装置，以便冷却液氢并升高由液氢过度冷却都冷却剂的温度。

热交换装置可具有这种结构，其例如包括用于循环热交换介质的通道、使热交换介质膨胀的膨胀阀、用于压缩热交换介质的压缩机以及用于容纳所述通道、膨胀阀和压缩机的热绝缘壳体。用于液氢的输送管路设置在一部分通道上，该部分通道穿过膨胀阀，以便用膨胀的热交换介质冷却液氢，而用于电缆的冷却剂的输送管路设置在一部分通道上，该部分通道穿过压缩机，以利用压缩的热交换介质将超导电缆的冷却剂的温度升高。用于液氢的输送管路例如可设置形成循环路径，该循环路径中的从用于流体的热绝缘管内喷射的液氢会再次流入该用于流体的热绝缘管。可替换地，存储液氢的液罐可连接到用于流体的热绝缘管，并且可设置输送管路，以形成循环路径，该循环路径中，从液罐喷射的液氢会再次流入该液罐。然后，一部分这种用于液氢的输送管路可设置成与穿过膨胀阀的热交换介质的一部分通道接触，或者设置在该部分附近。用于冷却剂的输送管路可设置成其中从用于电缆的热绝缘管喷射的冷却剂会再次流入该用于电缆的热绝缘管的循环路径。然后，一部分这种用于冷却剂的输送管路可设置成与穿过压缩机的热交换介质的一部分通道接触，或者设置在该部分附近。在热交换装置中，冷却剂的温度上升至能够维持超导部分的超导状态的温度范围内。由于包含用于冷却液氢并同时加热电缆的冷却剂的热交换装置，本发明能够同时满足将超导电缆的冷却剂的温度升高的要求和冷却液氢的要求。

要指出的是，在本发明中，由于如上所述可降低侵入到装在用于流体的热绝缘管内的超导电缆中的热，可以简化用于电缆的热绝缘管的热绝缘结构，也就是说，从外部侵入电缆内的热的热绝缘性能水平可以降低。在用于电缆的热绝缘管具有由外管和内管形成的双层管结构时，例如可通过改变外管和内管之间的真空度、改变设置在外管和内管之间的热绝缘材料的卷绕数目或者改变热绝缘材料的材料来改变热绝缘性能，其中，所述热绝缘材料设置在管间，并进行抽真空。

另外，在本发明的超导电缆线路中，形成线路的超导电缆的纵向上的整个长度可装在用于流体的热绝缘管中，或者只有一部分电缆装在用于流体的热绝缘管中。考虑到降低侵入的热，优选在用于流体的热绝缘管中装入超导电缆的整个长度。

例如可以这样构成本发明的这种超导电缆线路，即，将超导电缆装入具有热绝缘结构的管路中，其中，该管路用于将生产液氢的氢气厂与存储液氢的氢气站相连，或者将超导电缆在氢气站装入用于输送液氢的热绝缘管中，并在氢气站附近设置热交换装置。本发明的线路可用来将电力供给氢气站使用的各种电力装置，或者用来从管路中吸收所需的电力，以将电力供给到各个地方。

如上所述，本发明的超导电缆线路可用作DC传输或AC传输。例如在进行三相AC传输时，电缆可形成为三芯超导电缆，其中，各个。芯的超导体层用于各相传输，各个芯的外部超导层用作屏蔽层。在进行单相AC传输时，电缆可形成为单芯超导电缆，其中，包含在芯中的超导体层可用于相传输，外部超导层可用作屏蔽层。在执行单极DC传输时，电缆可形成为单芯超导电缆，其中，芯的超导体层可用作“去”线(go conductor)，外部超导层可用作回路导线。在执行双极DC传输时，电缆可形成为两芯超导电缆，其中，一个芯的超导体层可用于正极传输，另一个芯的超导体层用于负极传输，各个芯的外部超导层可用作中性导线。

另外，通过使用包含如上所述的进行了ρ分级和ε分级的电绝缘层的电缆芯的超导电缆，本发明的超导电缆也可用作DC和AC传输的线路。在这种情况下，不仅超导电缆而且终端结构优选构造成适于DC和AC传输，其中，该终端结构形成在线路的端部内，用于将超导电缆与常温侧的传导部分相连(普通传导电缆，连接到普通传导电缆的引导部)。终端结构的代表性结构包括从超导电缆的端部延伸的电缆芯端部、连接到常温侧的传导部分的抽出导体部、利用抽出导体部电连接到电缆芯端部的连接部以及端接接线盒，其中，该端接接线盒用来容纳电缆芯端部、在连接到电缆芯一侧上的抽出导体部的端部以及连接部。该端接接线盒通常包括冷却剂池和真空绝热池，该冷却剂池用于冷却电缆芯端部或者抽出导体部的端部，该真空绝热池设置在冷却剂池的外周边上。在这种终端结构中，抽出导体部的导体的横截面积按需要可变，这是因为流过抽出导体部的电流量在AC传输和DC传输中不同。因此，用于AC和DC传输的终端结构的适当结构具有可根据负载改变的抽出导体部的导体横截面积。这种终端结构例如可具有其中抽出导体部划分成连接到电缆芯端部的低温侧导体部和设置在常温侧上的传导部分一侧上的常温侧导体部的这种结构，其中，该低温侧导体部和常温侧导体部可相互拆开。此外，包含多个可拆卸的这种抽出导体部，以容许整个抽出导体部的导体的横截面积根据低温侧导体部和常温侧导体部之间的接头数而改变。各个抽出导体部的导体的横截面积可以彼此相同或互不相同。通过执行抽出导体部的附装和拆卸，本发明的包含这种终端结构的超导电缆线路可容易地从DC传输改变成AC传输，或者从AC传输改变成DC传输。另外，由于抽出导体部的导体的横截面积可作如上所述的变化，导体的横截面积也可在供给的电力量在AC传输或DC传输过程中改变时而适当地变化。

在依照本发明的具有如上结构的超导电缆线路中，超导电缆装在用来输送液氢的热绝缘管中，以降低用于电缆的热绝缘管的内部和外部间的温差，且电缆的热绝缘结构形成为双层热绝缘结构，该双层结构包括用于电缆的热绝缘管和用于流体的热绝缘管，以有效地降低侵入电缆的热。另外，在本发明的线路中，超导电缆的冷却剂可用在用于流体的热绝缘管中输送的液氢冷却。在如上所述的热侵入降低和利用所述的流体将冷却剂冷却的情况下，本发明的线路可充分降低或者充分消除用于冷却用于电缆的冷却剂所需的能量。特别地，不需要用于将超导电缆的冷却剂冷却的冷却系统，或者即使设置了冷却系统，与传统系统相比，可以使其冷却性能的水平更低。

因此，如上所述，在也将超导电缆的冷却剂冷却考虑在内时，与传统的线路相比，本发明的具有如上所述结构的超导电缆的性能系数增加，这是因为如上所述通过降低侵入电缆中的热，可以充分地降低用于将冷却剂冷却所需的能量。特别地，在本发明的线路用作DC传输的线路时，热侵入的降低对增加性能系数极其有效，其中，在本发明的线路中，电流通道几乎不产生热(导体损失)，这是由于在这种情况下热侵入变成能量损失的主要原因。

另外，在本发明的线路中，用于冷却液氢的能量也通过使用超导电缆的冷却剂来作为用于将液氢冷却的热交换对象而大大地降低。因此，本发明可完全降低用于冷却超导电缆的冷却剂所需的能量以及用于冷却液氢所需的能量，从而充分地增加性能系数。

此外，在本发明的线路中使用包括具有进行了ρ分级的电绝缘层的电缆芯的超导电缆时，该线路可具有良好的DC耐压特性并适于DC传输。另外，在本发明的线路中使用包括具有进行了ρ分级并且在靠近超导体层的部分设置为高ε值的电绝缘层的电缆芯的超导电缆，除了上述的DC耐压特性增加之外，Imp.耐压特性也可增加。特别地，在电绝缘层形成为朝向内周边侧的ε值增加且朝向外周边侧的ε值降低时，本发明的线路也可具有良好的AC电特征。因此，本发明的超导电缆可适用于各个DC传输和AC传输。另外，在包括具有进行了ρ分级和ε分级的电绝缘层的电缆芯的超导电缆用作本发明的线路且形成在线路端部的终端结构具有抽出导体部的导体的横截面积可变的结构时，本发明的线路可适用于其中传输系统从AC系统改变为DC系统的瞬变周期，其中，抽出导体部设置在超导电缆和常温侧的传导部分之间。

附图说明

图1是本发明的超导电缆线路的结构的示意性横截面视图；

图2是本发明的超导电缆线路中的超导电缆附近的一部分结构的示意性横截面视图；

图3是其中构造了本发明的超导电缆线路的结构的示意性视图；

图4是本发明的超导电缆线路的结构的示意图，其中，该超导电缆线路的结构包括用于液氢的输送管、超导电缆和用于流体的热绝缘管内部的热交换器隔板，该图为电缆附近的一部分结构的示意性横截面视图；

图5是在AC传输线路情况下利用三芯型式的超导电缆形成在本发明的超导电缆的端部中的终端结构的构造的示意图；

图6是在DC传输线路情况下利用三芯型式的超导电缆形成在本发明的超导电缆的端部中的终端结构的构造的示意图；

图7是用于三相AC传输的三芯型式的超导电缆的横截面视图；

图8是各个电缆芯的横截面视图。

附图标记说明

1：液氢，2：用于流体的热绝缘管，2a：外管，2b：内管，3：输送管，4：热交换器隔板，10：超导电缆，11：用于电缆的热绝缘管，11a：外管，11b：内管，12：电缆芯，13：空间，14：超导体层，15：外部超导层，16：输送管路，20：氢气站，21：罐，22：输送管路，30：热交换装置，31：通道，32：膨胀阀，33：压缩机，34：热绝缘外壳，40：抽出导体部，41：低温侧导体部分，41a：低温侧密封部分，42：常温侧导体部分，42a：常温侧密封部分，43：引导部，44：接地线，50：端接接线盒，51，52：冷却剂池，53：真空绝缘池，53a：可延伸部分，60：绝缘套管，61：抽出导体部，62：瓷管，63：环氧单元，70：短路部分，100：用于三相AC传输的超导电缆，101：热绝缘管，101a：外管，101b：内管，102：电缆芯，103：空间，104：防腐层，200：定径管，201：超导体层，202：电绝缘层，203：超导屏蔽层，204：保护层。

具体实施方式

现将叙述本发明的实施例

示例1

图1是本发明的超导电缆线路的结构的示意性横截面图。图2是在本发明的超导电缆中，超导电缆附近部分的结构的示意性横截面图。图3是其中构造了本发明的传导电缆线路的结构的示意图。附图中的相同字符指示同一部分。本发明的超导电缆包括用来输送液氢1的用于流体的热绝缘管2、装在用于流体的热绝缘管2中的超导电缆10以及用于调节液氢1的温度和电缆的冷却剂的温度的热交换装置30。

用于这个示例中的超导电缆10具有这种结构，即其中，三个电缆芯12绞合并装在用于电缆的热绝缘管11中，其结构大致与图7所示的超导电缆的结构类似。各个电缆芯12从中心部分开始包括定径管、超导体层、电绝缘层、外部超导层和保护层。超导体层和外部超导层都由基于Bi2223的超导带形线路形成(Ag-Mn护套线路)。通过将超导带形线路分别卷绕在定径管的外周边以及电绝缘层的外周边上形成超导体层和外部超导层。多根绞合铜线可用作定径管。垫层利用绝缘纸形成在定径管和超导体层之间。通过将半合成绝缘纸(PPLP：Sumitomo Electric Industries，Ltd.的商标)卷绕在超导体层的外周边上来构造电绝缘层。通过将牛皮纸卷绕在外部超导层的外周边上来形成保护层。内部半导体层和外部半导体层可分别设在电绝缘层的内周边侧和外周边侧(在外部超导层之下)。这种三个电缆芯12被制备、松散地绞合以具有热收缩的公差，并装在用于电缆的热绝缘管11内。在这个示例中，SUS波纹管用于形成用于电缆的热绝缘管11，其中，具有多层结构的热绝缘材料(未示出)设置在由外管11a和内管11b形成的双层管之间，并将外管11a和内管11b之间的空气抽出，从而获得形成真空多层绝缘结构的规定真空度。由内管11b的内周边和三芯电缆12的外周边封闭的空间13就变成冷却剂的通道。用于将超导体层和外部超导层冷却的冷却剂利用泵等在这个通道中循环流动。在这个示例中，液氮(大约77K)用作冷却剂。管路16连接到超导电缆10的用于电缆的热绝缘管11，以执行冷却剂的循环输送，其中，例如，冷却剂从热绝缘管11喷射到热交换装置30的一侧，且该冷却剂从热交换装置30的一侧流入热绝缘管11。泵(未示出)设置在一部分管路16上，以使冷却剂循环流动。

具有上述结构的超导电缆10装在用于流体的热绝缘管2中。在这个示例中，用于流体的热绝缘管2具有由外管2a和内管2b形成的双层管结构，其中，热绝缘材料(未示出)设置在管2a、2b之间，并将管间的空气抽空。由内管2b的内周边和超导电缆10的外周边围成的空间变成用于液氢1的输送通道。各个管2a、2b是用钢制成的焊管，通过将超导电缆10设在用于形成内管2b的钢板上，并将钢板的两边缘焊接，可将电缆10装在内管2b中。在这个示例中，超导电缆10设置在内管2b中，同时浸入液氢中。在这个示例中，用于流体的热绝缘管2构造用于从氢气厂(未示出)向各个氢气站20输送液氢的管路。各个氢气站20包括用来存储液氢的罐21以及用于在液氢1和超导电缆10的冷却剂之间的热交换的热交换装置30。罐21连接到用于流体的热绝缘管2并存储通过用于流体的热绝缘管2输送的液氢。另外，管路22连接到罐21，以执行液氢的循环输送，其中，例如，液氢从罐21喷射到热交换装置30一侧，之后液氢从热交换装置30流入罐21。泵(未示出)包括在一部分管路22中，从而使得液氢循环输送。

在这个示例中，热交换装置30包括使热交换介质如氦气循环输送的通道31、使热交换介质膨胀的膨胀阀32、将膨胀的热交换介质压缩的压缩机33和装设这些元件的热绝缘外壳34。设置管路22，使得用于循环输送液氢的一部分管路22与穿过膨胀阀32的一部分通道31接触，以便用膨胀的热交换介质冷却液氢。利用这种结构，液氢在与穿过膨胀阀32的一部分通道31接触的该部分管路22附近被冷却。因此，从罐21喷射的液氢流过管路22、由热交换装置30冷却并返回罐21。另外，设置管路16，使得用于循环输送电缆10的冷却剂(液氮)的一部分管路16与穿过压缩机33的一部分通道31接触，以便利用处于能够维持超导状态的温度范围内的压缩的热交换介质来升高电缆10的冷却剂的温度，其中，该电缆10的冷却剂用液氢冷却。利用这种结构，冷却剂的温度在与穿过压缩机33的该部分通道31接触的该部分管路16附近上升。因此，从用于电缆的热绝缘管11喷射的冷却剂流过管路16、用热交换装置30来提升其温度并返回热绝缘管11。

装在用于流体的热绝缘管中的超导电缆具有由低温液氢覆盖的外周边，并具有用电缆自身的热绝缘管和用于液氢的热绝缘管形成的双层热绝缘结构。利用这种结构，本发明的线路可充分降低从外部侵入到超导电缆内的热。另外，由于超导电缆的外周边由低温液氢覆盖，液氢的热被传导至电缆，并将电缆的冷却剂冷却。因此，不必需要用来将超导电缆的冷却剂冷却的冷却系统。结果，通过构造本发明的超导电缆线路，用于将超导电缆的冷却剂冷却所需的能量降低，并可增加性能系数。

此外，由于本发明的线路包括热交换装置，以用于超导电缆的冷却剂和液氢之间的热交换，从而同时执行冷却剂的加热和液氢的冷却，所以，利用热交换装置，热交换对象间的温差可以降低，用于冷却液氢所需的能量也可降低。另外，利用包括在本发明的线路中的热交换装置，与液氢的冷却相关的热可用于提高超导电缆的冷却剂的温度，该超导电缆的冷却剂由于装在用于流体的热绝缘管内而被过度冷却。因此，利用构造用于在液氢和超导电缆的冷却剂之间进行热交换的热交换装置，本发明的线路可调节液氢的温度至适当的温度，并也可调节电缆冷却剂的温度至适当的温度。结果，用于冷却超导电缆的冷却剂所需的能量以及用于冷却液氢所需的能量都可以通过构造本发明的超导电缆线路而降低。

应该指出，尽管这个示例中示出的结构在超导电缆的纵向上的整个长度装在用于流体的热绝缘管中，但也可只有一部分电缆装在用于流体的热绝缘管中。在本发明的线路中，可以降低热侵入的效果，并且在只有一小部分超导电缆装在用于流体的热绝缘管中时，用热交换装置来调节超导电缆的冷却剂的温度就变得困难。因此，在本发明的线路中，将足够部分的超导电缆装在用于流体的热绝缘管中，从而容许用热交换装置来调节超导电缆的冷却剂的温度。

示例2

尽管超导电缆在上述示例1中浸入液氢中，但是，超导电缆可装在用于流体的热绝缘管中，而不浸入液氢中。作为一个示例，用于液氢的输送通道可分离地设置在用于流体的热绝缘管中。图4是本发明的超导电缆的结构的示意图，其包括用于液氢的输送管和用于流体的热绝缘管内部的热交换器隔板，该图为电缆附近的结构的示意性横截面图。该超导电缆具有包括分离的输送管3的结构，该分离的输送管3用于输送在用于流体的热绝缘管2的内管2b中的液氢。导热率高的热交换器隔板4设在由内管2b的内周边、输送管3的外周边以及超导电缆10的外周边所围成的空间中。利用这种结构，超导电缆10具有如示例1中由用于流体的热绝缘管2和电缆10自身的热绝缘管11(参见图1，2)所形成的双层热绝缘结构，并由此从可以降低从外部侵入电缆的热。另外，由于液氢的热经由热交换器隔板4传导至超导电缆10，电缆10也可由液氢1冷却。此外，由于输送管3将超导电缆10与液氢1物理上分离，在发生事故如电缆10短路或者产生火花时，就可防止液氢1发生燃烧之类的问题。在这个示例中，热交换器隔板通过卷绕铝而形成。

在上述示例1和2每一个中示出的本发明的超导电缆可用于DC传输或者AC传输。在DC传输情况下，在使用包含电缆芯的超导电缆时，其中，该电缆芯具有进行了ρ分级以在内周边侧上具有低电阻率并在外周边侧上具有高电阻率的电绝缘层，能够使电绝缘层厚度方向上的DC电场分布平滑，并增加DC耐压特性。电阻率可利用具有各种比率k的PPLP(商标)而改变。电阻率随着比率k增加而趋于增加。另外，在高ε层在超导体层附近设在电绝缘层内时，除了增加DC耐压特性之外，还增加了Imp.耐压特性。高ε层例如可用低比率k的PPLP(商标)形成。在这种情况下，高ε层也变成低ρ层。此外，包含电缆芯的超导电缆也具有良好的AC特征，其中，该电缆芯具有进行了ρ分级的电绝缘层，并且也形成为朝向内周边侧的介电常数ε增加，朝向外周边侧的介电常数ε降低。因此，采用这种电缆的本发明的线路也可适用于AC传输。作为一个示例，可使用PPLP(商标)来提供电绝缘层，其中，PPLP具有如下指出的各种比率k，以具有三种不同的电阻率和介电常数。下述的三层可从内周边侧依次设置(X和Y是常数)。

低ρ层：比率k＝60％，电阻率ρ(20℃)＝X [Ω·cm]，介电常数ε＝Y

中间ρ层：比率k＝70％，电阻率ρ(20℃)＝大约1.2 X [Ω·cm]，介电常数ε＝大约0.95Y

高ρ层：比率k＝80％，电阻率ρ(20℃)＝大约1.4 X [Ω·cm]，介电常数ε＝大约0.9Y

在利用本发明的线路(其使用进行了ρ分级和ε分级的超导电缆)执行单极传输时，三个电缆芯12(参见图2)中的两个电缆芯可用作辅助芯，一个芯的超导体层可用作“去”线，且该芯的外部超导层可用作回路导线。可替换地，各个芯的超导体层可用作“去”线，各个芯的外部超导层可用作回路导线，以构成三线路单极传输线路。另一方面，在执行双极传输时，三芯中的一个芯可用作辅助芯，一个芯的超导体层可用作正极线路，另一个芯的超导体层可用作负极线路，且两芯的外部超导层可用作中性导体层。

使用进行了ρ分级和ε分级的超导电缆并包括如上所述的终端结构的本发明的线路可在AC传输之后容易地执行DC传输如单极传输或双极传输，或者在DC传输之后执行AC传输。图5和图6都是具有可拆卸抽出导体部的终端结构的构造的示意图，其利用三芯型式的超导电缆形成在本发明的超导电缆线路的端部。图5示出AC传输线路的情况，图6示出DC传输线路的情况。尽管在图5和6中只示出两个电缆芯12，但其实际上为三芯。

终端结构包括从超导电缆10的端部延伸的电缆芯12的端部、在常温侧连接到传导部分(未示出)的抽出导体部40、61、将电缆芯12的端部与抽出导体部40电连接以及将电缆芯12的端部与抽出导体部61电连接的连接部、以及装设电缆芯12的端部、抽出导体部40、61在连接到电缆芯的一侧上的端部以及连接部的端接接线盒50。端接接线盒50包括充满用于冷却超导体层14的冷却剂池51、用于冷却外部超导层15的冷却剂池52以及设置在冷却剂池51、52的外周边上的真空绝缘池53，其中，将通过台阶形剥去电缆芯12的端部而露出的超导体层14引入冷却剂池51中，将通过台阶形剥去而露出的外部超导层15引入冷却剂池52中。抽出导体部61经由接头(连接部)连接到超导体层14，从而容许超导电缆10和常温侧的传导部分之间的电力传输和接收，其中，抽出导体部61嵌入设在常温侧的传导部分和超导体层14之间的绝缘套管60中。连接到常温侧的传导部分上的绝缘套管60的一侧(常温侧)从真空绝缘池53突出，并装在从真空绝缘池53突出的瓷管62中。

另一方面，外部超导层15经由下述的短路部分70(连接部)连接到设置在常温侧的传导部分和该外部超导层15之间的抽出导体部40上，从而容许超导电缆10和常温侧的传导部分之间电力的传输和接收。抽出导体部40形成有连接到短路部分70的低温侧导体部41和设置在常温侧的常温侧导体部42，该常温侧导体部42可从低温侧导体部41拆卸下来。在这个示例中，常温侧导体部42形成为规定横截面积的杆形，低温侧导体部41形成为圆柱形，其内可装配杆形的常温侧导体部42。在常温侧导体部42插入低温侧导体部41内时，该导体部41、42都相互电连接，从而容许低温侧和常温侧之间的电力的传输和接收。在将常温侧导体部42从低温侧导体部41内拆卸下来时，导体部41和42之间的传导取消。在终端结构中包括多个这种抽出导体部40。低温侧导体部41固定在冷却剂池52中，并且其一端电连接到短路部分70，另一端进入真空绝缘池53中。FRP制成的低温侧密封部分41a设在低温侧导体部41的固定部的外周边上，从而避免冷却剂泄漏、冷却剂池52和导体部41的短路等。常温侧导体部42固定在真空绝缘池上，并且其一端设置在真空绝缘池53内，另一端布置成露出到常温的外侧。FRP制成的常温侧密封部分42a设在常温侧导体部42的固定部的外周边上，从而容许热侵入降低，并避免真空绝缘池53和导体部42短路等。另外，由波纹管形成的可伸长部分53a在常温侧导体部42的固定部附近设在真空绝缘池53上，以在抽出导体部40的附装和拆卸过程中维持真空绝缘池53的真空状态。应该指出，三个芯12中每一个的外部超导层15都在短路部分70中短路。另外，连接到外部装置等或者接地线44的引导部43附装到常温侧导体部42的常温侧端部。环氧单元63设置在一部分超导体层14的外周边上，并设在冷却剂池51、52之间的部分的附近。

在包括具有如上所述结构的终端结构的本发明的超导电缆例如用作三相AC线路时，连接到外部超导层15的抽出导体部40应具有获得对地电压所需的导体的横截面积。因此，如图5所示，在将需要的抽出导体部40的低温侧导体部41和常温侧导体部42相互连接时，不需要将抽出导体部40的低温侧导体部41和常温侧导体部42相互分离开，以获得所需的导体横截面积。在这个示例中，用于接地的接地线连接到被连接的抽出导体部40的常温侧导体部42的常温侧的端部上。

另一方面，在需要将如图5所示的三相AC传输转换为DC传输时，与用于超导体层14相当的电流流过外部超导层15。也就是说，与图5所示的AC传输的情况中的那些电流相比，流过外部超导层15的电流增大，且流过抽出导体部40的电流也增大。因此，如图6所示，将在AC传输过程中相互分离开的抽出导体部40的低温侧导体部41和常温侧导体部42相互连接，从而确保用于流过所需电流量所需的足够导体横截面积。在这个示例中，用于接地的引导部43连接到被连接的抽出导体部40的常温侧导体部42的常温侧端部。相反地，在需要将如图6所示的DC传输转换成AC传输时，将在DC传输过程中形成传导的其中一个抽出导体部40分离开，就使其传导断开。

本发明的超导电缆线路适用于执行将电力传输到各个电源设备(powerapparatus)的线路。例如可通过将超导电缆装入用于输送液氢的管路中并将热交换装置设在连接到管路的氢气站，从而构造成本发明的超导电缆。在这种情况下，本发明的线路可用作氢气站内部的电源装置的电力供给线路或者用作任意电源装置的电力供给线路，该线路按需要从用于流体的热绝缘管吸收电力。另外，由于本发明的电缆线路可在构造用于液氢的输送通道或氢气站过程中构成，因此，可增加铺设的可操作性。

Claims (7)

1.一种超导电缆线路，包括：

用于流体的热绝缘管(2)，该用于流体的热绝缘管用于输送液氢(1)；

超导电缆(10)，该超导电缆包括超导部分(12)，该超导电缆装在所述用于流体的热绝缘管(2)中，从而利用温度高于所述液氢(1)的冷却剂冷却超导部分(12)；以及

热交换装置(30)，该热交换装置用于冷却所述液氢(1)，并升高用所述液氢(1)冷却的该超导电缆的冷却剂的温度。

2.如权利要求1所述的超导电缆线路，其中，所述超导电缆(10)浸入所述液氢(1)中。

3.如权利要求1所述的超导电缆线路，其中，将所述用于流体的热绝缘管(2)内部的区域划分成用于输送所述液氢(1)的输送区域和用于将所述超导电缆(10)设置在其内的区域。

4.如权利要求1所述的超导电缆线路，其中，所述超导电缆(10)的冷却剂是液氮。

5.如权利要求1所述的超导电缆线路，其中，

所述超导电缆(10)包括超导体层(14)和设在所述超导体层(14)的外周边上的电绝缘层，以及

所述电绝缘层受到电阻率分级，以在所述电绝缘层的内周边侧上获得低电阻率，并在其外周边侧上获得高电阻率，从而使得其直径方向上的直流电场分布平稳。

6.如权利要求5所述的超导电缆线路，其中，所述电绝缘层具有高介电常数层，该高介电常数层设在所述超导体层(14)附近，并且该高介电常数层的介电常数高于其他部分的介电常数。

7.如权利要求5所述的超导电缆线路，其中，所述电绝缘层构造成介电常数向着内周边侧增加，介电常数向着外周边侧降低。

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