CN101053043A - 超导电缆 - Google Patents

Abstract

一种超导电缆能够以高效率冷却超导导体并具有足够的绝缘强度。提供一种控制电缆中使用的冷却剂的温度的方法。该超导电缆包括绝热管，该绝热管容纳提供有由超导材料制成的超导导体的电缆芯。该电缆芯还提供有放置在超导导体的外圆周的外侧的不良导热管。不良导热管的内部和外部分别填充具有不同目的的不同类型的冷却剂。不良导热管填充有用于冷却超导导体以使它保持在超导态的导体用冷却剂。该绝热管填充有用于进行超导导体的电绝缘的绝缘用冷却剂。

Description

超导电缆

技术领域

[0001]

本发明涉及一种具有由超导材料制成的超导导体的超导电缆以及控制用于超导电缆的冷却剂的温度的方法。本发明尤其涉及一种不仅能够实现高效率冷却超导导体而且还具有足够绝缘强度的超导电缆。

背景技术

[0002]

作为常规的超导电缆，已知电缆具有如下结构，在该结构中具有超导导体的电缆芯容纳在绝热管内。前述超导电缆的实例包括(a)在绝热管内容纳一个电缆芯的单芯电缆和(b)通过将三个电缆芯绞合在一起并通过在管中容纳该绞合体而形成的三芯绞合型电缆。图5是用于三相AC用途的三芯绞合型超导电缆的截面图。超导电缆100具有三个电缆芯102绞合在一起并容纳在绝热管101内的结构。绝热管101具有由外管101a和内管101b组成的双管结构，在外管101a和内管101b之间放置了绝热材料(未示出)。管101a和101b之间的空间被抽成真空。每个电缆芯102都从中心起以如下顺序包括骨架(former)200、超导导体201、电绝缘层202、超导屏蔽层203和保护层204。由内管101b和电缆芯102包围的空间103形成冷却剂通道。抗腐蚀覆层104提供在绝热管101的外圆周上。

[0003]

电缆芯102的超导导体201和超导屏蔽层203通过在空间103中循环的冷却剂被冷却，以便保持超导态。至于冷却剂，一般公知液态氮。专利文献1描述了一种超导电缆，其(a)使用中空骨架，(b)使用液态空气作为在骨架中循环的冷却剂，和(c)使用液态氮作为在绝热管中循环的冷却剂。

[0004]

专利文献1：公布的日本专利申请特开2001-202837。

发明内容

本发明要解决的问题

[0005]

液态氮不仅具有冷却能力而且具有高的电绝缘性能。因此，使用液态氮作为冷却剂可以实现冷却和电绝缘的功能。另外，当使用液态氮作为冷却剂时，足够的屏蔽电流在超导屏蔽层中流动，以便可以避免电磁干扰(EMI)的问题。因此，常规的超导电缆通常使用液态氮作为冷却剂，以实现超导导体的冷却和电绝缘的功能以及避免EMI问题。

[0006]

在超导电缆中，当超导导体的保持温度降低时，临界电流增加了，由此保持良好的超导态。因此，在两个电缆使用相同量的超导材料来形成超导导体的情况下，具有其冷却超导导体的温度比另一电缆温度低的冷却剂的电缆具有较大临界电流并因此可以传输较大电功率。可选地，在两个电缆传输相同量电功率的情况下，具有其冷却超导导体的温度比另一电缆温度低的冷却剂的电缆可以通过利用少量超导材料形成超导导体来制造，并因此可以使用具有较小直径的超导导体。其也可以利用少量的超导材料形成超导屏蔽层来制造。因此，降低冷却剂的温度能够增加传输功率和降低超导材料所需的量。然而，在利用液态氮作为冷却剂的常规超导电缆中，当打算降低液态氮的温度以便可以增加传输功率并且降低超导导体的直径时，需要使用具有高冷却能力的冷却设备来进一步降低液态氮的温度。该预期系统具有降低的能量效率。此外，当使用液态氮作为冷却剂时，可达到的低温具有局限性。

[0007]

另一方面，在专利文献1中描述的超导电缆具有液态空气用作在骨架中循环的冷却剂的结构。该结构可以将超导导体冷却到比液态氮用作冷却剂时达到的温度低的温度。然而，除了液态空气作为冷却剂来冷却超导导体之外，没有对冷却剂进行研究。另外，专利文献1仅研究了关于中空骨架的技术，没有研究关于实心骨架的技术。

[0008]

考虑到上述的情形，本发明的主要目的是提供一种超导电缆，其能够充分地进行超导导体的冷却和电绝缘，同时增加了传输功率和降低了超导材料的所需量。本发明的另一个目的是提供一种超导电缆，即使在电缆使用实心骨架时其也能够充分地进行超导导体的冷却和电绝缘。再一个目的是提供一种控制用于超导电缆的冷却剂的温度的方法。

解决问题的方式

[0009]

通过隔开提供用于冷却超导导体的冷却剂和用于进行超导导体的电绝缘的冷却剂，而没有通过利用用于进行超导导体的冷却和其电绝缘的单一类型冷却剂，本发明达到了前述目的。更具体地，本发明的超导电缆具有在超导导体和电绝缘层之间放置具有低热传导性的构件的结构，以便用于冷却导体的冷却剂和用于电绝缘的冷却剂可以被该构件隔开。因此，这两种冷却剂分别放置在该构件的内部和外部。换句话说，本发明提供一种提供有容纳电缆芯的绝热管的超导电缆。在该电缆中，电缆芯提供有：

(a)由超导材料制成的超导导体；

(b)放置在超导导体的外圆周的外侧的不良导热管；

(c)放置在不良导热管的外圆周上的电绝缘层；和

(d)放置在电绝缘层的外圆周上的并且由超导材料制成的外超导层。

用于冷却超导导体使其达到超导状态的导体用冷却剂在不良导热管中循环。绝热管用用于进行超导导体的电绝缘的绝缘用冷却剂填充。具体地，希望导体用冷却剂具有比绝缘用冷却剂低的温度。下面更详细地说明本发明。

[0010]

本发明的超导电缆提供有容纳在绝热管内的电缆芯。指定该电缆芯具有超导导体、不良导热管、电绝缘层和外超导层。该电缆芯容纳在绝热管内，以便在芯的外圆周表面和绝热管的内圆周表面之间提供空间。容纳在绝热管内的电缆芯可以是一个芯(单芯)或多个芯(多芯)。更具体地，例如，在本发明的超导电缆用于三相AC传输的情况下，建议将三个芯绞合在一起，以容纳在绝热管中。当其用于单相AC传输时，建议在绝热管中容纳一个芯。当本发明的超导电缆用于具有单极性传输系统的DC传输时，例如，建议在绝热管中容纳一个芯。当其用于具有双极性传输系统的DC传输时，建议将两个或三个芯绞合在一起以容纳在绝热管中。如上所述，本发明的超导电缆可以用于DC传输和AC传输。

[0011]

在电缆芯中提供的超导导体是通过利用超导材料形成的。超导材料的类型包括，例如，Bi系氧化物材料，更具体地含Bi-2223的氧化物材料。例如，通过在骨架上螺旋缠绕带状线可以将超导导体形成为层状，其中带状线具有以矩阵形式放置由上述氧化物超导材料制成的多个细丝的结构，诸如银套。该缠绕的层可以是单层或多层。当使用多层结构时，可以在超导层之间提供绝缘层。例如，可以通过螺旋重叠诸如牛皮纸的绝缘纸，或诸如PPLP(注册商标，由Sumitomo ElectricIndustries公司制造)(PPLP是聚丙烯层压纸的缩写)的半合成绝缘纸，来形成超导层之间的绝缘层。骨架用作保持超导导体形状的构件。骨架可以是利用诸如铜或铝等金属材料形成的实心体或中空体。作为用中空体形成的骨架，例如，可使用螺旋形钢带或金属管。金属管可以是具有光滑表面的光滑管或是在表面上具有交互的背脊和凹槽的波纹管。当波纹管用作骨架时，其具有期望的性质，诸如优良的柔性。当使用中空骨架时，下述的导体用冷却剂至少填充在骨架的内部，以冷却超导导体。作为实心骨架，该骨架可具有例如绞合诸如铜线的许多金属线的结构。作为金属线，诸如铜线，可以使用每个都具有绝缘覆层的线。当使用表面上具有不匀性的诸如波纹管或绞合金属线结构的骨架时，其难以螺旋地缠绕由超导材料制成的线。此外，因为超导线和骨架都是用金属形成的，所以当两个构件直接接触时，会产生超导线的损伤和其他问题。为了避免这些问题，可以通过在骨架的表面上螺旋重叠牛皮纸或复写纸(carbon paper)来提供用于获得光滑表面的垫层。

[0012]

不良导热层管放置在上述超导导体的外圆周的外侧，以允许用于冷却超导导体的(下面将描述的)导体用冷却剂循环通过不良导热管的内部。不良导热管外部的空间(即，在(下面将要描述的)绝热管的内部)用用于进行超导导体的电绝缘的(下面将要描述的)绝缘用冷却剂填充。换句话说，该不良导热管用作用于彼此分离导体用冷却剂和绝缘用冷却剂的构件。该不良导热管防止两种冷却剂从内部到外部穿过(打算放置该管的)该位置而彼此混合，反之亦然。该不良导热管可以直接提供在超导导体上，使其与超导导体接触。可选地，也可以使用具有内径比超导导体的外径大的不良导热管。在这种情况下，超导导体插入到该管中，以便在管的内圆周表面和超导导体的外圆周表面之间提供空隙。当不良导热管直接形成在超导导体上时，骨架形成为中空体。骨架用下述的导体用冷却剂填充，以冷却超导导体。在这种情况下，该结构是这样的，虽然导体用冷却剂在不良导热管的内部循环，但是该管自身不与导体用冷却剂接触。另一方面，如上所述在管和超导导体之间提供空隙来形成不良导热管的情况下，该骨架可以是实心体或中空体。对于实心体，该空隙用导体用冷却剂填充。换句话说，不良导热管用导体用冷却剂填充。在这种情况下，该结构是这样的，即不良导热管自身与导体用冷却剂接触。在中空体的情况下，导体用冷却剂可以填充(a)骨架以及不良导热管和超导导体之间的空隙，或(b)仅骨架。在后者的情况下，上述的空隙可以保持在具有低真空度的真空态，以便在不良导热管外部的热量能够在一定程度上被传递到骨架中的导体用冷却剂，以冷却绝缘用冷却剂。可选地，该空隙可以用与导体用冷却剂不同的并且冷却到可比得上导体用冷却剂的程度的流体填充。

[0013]

上述的不良导热管指定具有低导热能力。虽然指定具有低导热能力，但是特别需要该管具有性能比容纳电缆芯的绝热管的性能低的程度的绝热特性。如果不良导热管具有非常高的导热能力，即，如果其过度地传递热量，当在其内循环的导体用冷却剂具有比绝缘用冷却剂低的温度时，位于不良导热管外部的绝缘用冷却剂被导体用冷却剂冷却。在这种情况下，绝缘用冷却剂会凝固。当其过度凝固时，会不期望地影响绝缘用冷却剂的循环。相反，在具有温度比绝缘用冷却剂的温度低的液体用作导体用冷却剂的情况下，该导体用冷却剂会被绝缘用冷却剂变暖并被气化。这种气化会过度地增加导体用冷却剂的体积，这是不希望的。从而，通过消除导体用冷却剂的过度气化或绝缘用冷却剂的过度凝固，不良导热管的导热能力被指定高到导热能力没有在电缆的操作中产生问题的程度。本发明的电缆提供有具有前述导热能力的不良导热管。从而，该电缆能够形成温度梯度，其中在该管的内部和外部之间的区域中，温度相对逐渐地从不良导热管的内部向管的外部升高。因此，绝缘用冷却剂的热损失可以通过导体用冷却剂补偿。换句话说，甚至当由于侵入的热量导致绝缘用冷却剂的温度上升时，绝缘用冷却剂中升高的温度也可以通过导体用冷却剂的冷却而降低。

[0014]

例如，通过利用具有降低的绝热特性的绝热结构管或通过利用具有低导热性的材料形成管的形状，可以制备这种不良导热管。为了降低绝热性能，例如，首先，可以用具有内管和外管的双管结构形成不良导热管。然后，可以使用下面的任何一种方法来处理两个管之间的空间，例如：

(a)在该空间中放置减少量的绝热材料，并抽空该空间，

(b)抽空该空间而根本不用绝热材料，和

(c)以低真空度抽空该空间，而根本不用绝热材料。

具有低导热性的材料类型包括树脂，其导热性比金属低是已知的(金属通常已知其高导热性)。指定类型的树脂包括氟树脂，例如Teflon(注册商标)和纤维增强塑料(FRP)。可以处理上述的材料以形成中空管的形状(管)，以便在骨架上形成的超导导体插入其中。可选地，上述树脂性材料可以直接挤压在超导导体上以覆盖它，以便形成不良导热管。另外，该不良导热管可以具有结合金属管和树脂性管的结构。

[0015]

在不良导热管上提供电绝缘层。例如，可以通过直接在不良导热管上螺旋重叠诸如PPLP(注册商标)的半合成绝缘纸，或诸如牛皮纸的绝缘纸，形成电绝缘层。希望直接在不良导热管上提供将给定导体电位的电极部分。当提供电极部分时，在电极部分上提供电绝缘层。例如，可以用诸如铜等导电材料形成该电极部分。可以在电绝缘层的内圆周、外圆周或二者上形成半导电层。更具体地，其可以形成在不良导热管(或电极部分)和电绝缘层之间、电绝缘层和外超导层(下文将要描述)之间、或二者之间。当形成作为前者的内半导电层或作为后者的外半导电层时，使不良导热管或外超导层增加与电绝缘层的接触。结果，将抑制伴随产生部分放电等的退化。例如，可以通过利用复写纸形成半导电层。

[0016]

当本发明的超导电缆用于DC传输时，上述电绝缘层可以以ρ(电阻率)分级(grading)构造，以使DC电场的径向(厚度方向)分布变平。进行该ρ分级，以便当径向位置朝着电绝缘层的最内部分移动时，电阻率降低，以及当径向位置朝着最外部分移动时，电阻率增加。进行ρ分级逐步改变了电绝缘层厚度方向上的电阻率。该ρ分级可以使贯穿电绝缘层的DC电场的厚度方向上的分布变平。结果，可以降低电绝缘层的厚度。不特别限制每个都具有不同电阻率的层的数量。然而，实际上，采用大约两层或三层。尤其是，当使各层的厚度相等时，可以更有效地使DC电场的分布变平。

[0017]

为了进行ρ分级，建议使用具有不同电阻率(ρ)的绝缘材料。例如，当使用诸如牛皮纸的绝缘纸时，例如，能够通过改变牛皮纸的密度或通过将双氰胺添加到牛皮纸，来改变电阻率。当使用由绝缘纸和塑料膜组成的诸如PPLP(注册商标)的复合纸时，可以通过改变塑料膜的厚度tp与复合纸的总厚度T的比率k(比率k表示为(tp/T)×100)或者通过改变绝缘纸的密度、质量、添加剂等来改变电阻率。例如，希望比率k的值在40％至90％左右的范围内。通常，当比率k增加时，电阻率ρ也增加。

[0018]

另外，当电绝缘层在超导导体层附近具有比其它部分高的介电常数的高ε(介电常数)层时，不仅可以提高DC耐压性，而且可以提高脉冲耐压性。在下面总结了介电常数ε(在20℃)的值：

(a)普通的牛皮纸：3.2至4.5左右

(b)具有40％的比率k的复合纸：2.8左右

(c)具有60％的比率k的复合纸：2.6左右

(d)具有80％的比率k的复合纸：2.4左右

尤其是，希望通过利用具有高比率k且包括具有相当高气密性的牛皮纸的复合纸来形成电绝缘层，因为该结构在DC和脉冲耐压方面优良。

[0019]

除了上述的ρ分级外，当构造电绝缘层使得当其径向位置朝着最内部分移动时介电常数ε增加以及当径向位置朝着最外部分移动时介电常数ε降低时，电缆还适合于AC传输。还径向地贯穿电绝缘层形成该ε分级。如上所述，通过进行ρ分级，本发明的超导电缆成为具有优良DC性质的电缆，表现出本身适合于DC传输。另一方面，目前，大多数传输线构造为AC系统。鉴于从AC到DC的传输系统的未来传输，可以认为在过渡到DC传输之前，存在通过过渡地利用本发明的电缆进行AC传输的情形。例如，将存在尽管传输线中的部分电缆用本发明的超导电缆代替、但剩余部分仍由AC传输电缆组成的情形。可想到另一情形，尽管传输线中的AC传输电缆用本发明的超导电缆代替，但连接至该电缆的功率传输设备仍保持AC用途。在该情况下，首先，利用本发明的电缆过渡地进行AC传输，然后，最终，将进行到DC传输的转变。因此，希望本发明的电缆不仅具有优良的DC性质，而且通过考虑AC性质来设计。当还考虑AC性质时，可以通过采用当其径向位置朝着最内部分移动时增加其介电常数ε以及当其径向位置朝着最外部分移动时降低其介电常数ε的电绝缘层来构造具有耐受诸如浪涌电压等脉冲电压的优良性质的电缆。在随后的时间，当前述过渡期完成以开始DC传输时，在过渡期中使用的本发明的电缆可以用作DC电缆而不用任何修改。换句话说，不仅通过ρ分级而且通过ε分级构造本发明的电缆，其不仅单独适合用于DC传输和AC传输，而且还用作AC/DC电缆。

[0020]

通常，上述的PPLP(注册商标)具有当比率k增加时电阻率ρ增加以及介电常数ε降低的性质。因此，当以径向位置朝着最外部分移动时使用具有较高比率k的PPLP(注册商标)的这种方式来构造电绝缘层时，该电绝缘层可以具有使得当径向位置朝着最外部分移动时电阻率ρ增加以及同时介电常数ε降低的性质。

[0021]

另一方面，牛皮纸通常具有使得当气密性增加时电阻率ρ增加以及介电常数ε也增加的性质。因此，当仅使用牛皮纸时，难以以径向位置朝着最外部分移动时电阻率ρ增加以及同时介电常数ε降低的这种方式来构造电绝缘层。因此，当使用牛皮纸时，希望通过组合复合纸来构造电绝缘层。例如，建议在电绝缘层的最内部分处形成牛皮纸层和在牛皮纸的外侧形成PPLP层。在该情况下，PPLP层具有比牛皮纸层高的电阻率ρ，同时，PPLP层具有比牛皮纸层低的介电常数ε。

[0022]

在上述的电绝缘层上(或在外半导电层上)提供外超导层。外超导层用作屏蔽层，其允许具有与在超导导体中流动的电流几乎相同幅度的电流(屏蔽电流)在相对方向上流动以防止电磁干扰。由在外超导层中流动的电流产生的磁场抵消由在超导导体中流动的电流产生的磁场，从而可以避免电磁干扰。当本发明的超导电缆用于DC传输时，外超导层可用作回路导体(在单极性传输的情况下)或者用作中性线层(在双极性传输的情况下)。尤其是，在进行双极性传输的情况下，当在正和负极之间出现不平衡时，外超导层可以用于使不平衡的电流循环。另外，当由于一个极的异常情况而引起双极性传输转换成单极性传输时，外超导层可以用作回路导体，电流通过该回路导体流动，该电流可比得上在超导导体中流动的传输电流。上述的外超导层由超导材料形成。可通过利用与用于超导导体的材料相似的超导材料和如同超导导体那样通过螺旋地缠绕超导线来形成外超导层。可在外超导层上提供组合有电绝缘功能的保护层。例如，可通过直接在外超导层上螺旋地重叠牛皮纸或另外的材料，来形成保护层。

[0023]

在绝热管中容纳具有上述结构的电缆芯。用下述的绝缘用冷却剂填充形成在绝热管中的空间，即，由内圆周表面和芯的外圆周表面包围的空间。填充绝热管的绝缘用冷却剂将保护层、外超导层和电绝缘层按照顺序浸入在其中。因此，在冷却外超导层以使其保持超导态的同时，绝缘用冷却剂与电绝缘层一起进行超导导体的电绝缘。因此，本发明的超导电缆通过利用电绝缘层和绝缘用冷却剂实现足够的电绝缘。另外，当本发明的电缆用于AC传输时，外超导层足够地循环由在超导导体中流动的电流引起的屏蔽电流，从而可以降低或避免电磁干扰。此外，当本发明的电缆用于DC传输中的单极性传输时，外超导层可以用作回路导体。在该情况下，外超导层还可以用作屏蔽以降低或避免电磁干扰。在本发明的电缆用于DC传输中的双极性传输的情况下，当以在同一绝热管中容纳两个芯的这种方式在彼此附近放置用于正极传输的芯和用于负极传输的芯时，可以彼此抵消由这两个芯产生的磁场，从而几乎没有磁场泄漏到电缆的外部。

[0024]

上述的绝热管的目的在于抑制填充该管的绝缘用冷却剂由于从外部侵入到管的内部的热量而升高它的温度。因此，与前述的不良导热管不同，指定绝热管具有高绝缘性能的结构。例如，该绝热管可具有如下结构，其中双管结构由外管和内管组成并且两个管之间的空间不仅提供有绝热材料而且以高的真空度抽空。当采用该设计时，该内管填充有绝缘用冷却剂。希望通过利用具有柔性的波纹管形成上述的绝热管。尤其是，希望该绝热管由诸如不锈钢等金属材料形成，其具有良好的强度。

[0025]

本发明具有的最大特征在于，导体用冷却剂用于冷却超导导体和与前述导体用冷却剂不同的绝缘用冷却剂用于电绝缘超导导体。仅需要导体用冷却剂具有将超导导体保持在超导态的冷却能力。然而，尤其是，具有较低温度的导体用冷却剂还可以将超导导体的超导态保持在良好状态下，由此能够实现较大电功率的传输，或者可以降低用于形成超导导体的超导材料的量，由此能够实现导体尺寸的缩小。因此，希望使用具有较低温度的导体用冷却剂。尤其是，适合使用具有比绝缘用冷却剂温度低的温度的冷却剂。另一方面，该电缆使用这样的绝缘用冷却剂，其不仅具有用于电绝缘超导导体的足够的绝缘性能、而且具有足够的冷却能力，以冷却外超导层以便它可以保持超导态。

[0026]

导体用冷却剂还可以是与绝缘用冷却剂相同类型的冷却剂，只要它具有比绝缘用冷却剂温度低的温度。例如，当在电绝缘强度方面优良的液态氮用作绝缘用冷却剂时，可采用以下设计：

(a)作为绝缘用冷却剂，使用具有在其沸点附近的75至77K左右温度的液态氮，以及

(b)作为导体用冷却剂，使用具有比绝缘用冷却剂的温度低的温度的液态氮；例如，液态氮具有在其熔点附近的63至65K左右的温度。

[0027]

导体用冷却剂和绝缘用冷却剂在冷却剂的类型方面可以彼此不同。例如，当使用液态氮作为绝缘用冷却剂时，可使用不是液态氮且具有较低温度的流体作为导体用冷却剂。具有较低温度的前述流体的类型包括：

(a)液态氦，(b)液态氢，(c)液态空气，(d)液态氖，

(e)具有比液态氮温度低的温度的液态氧，

(f)具有比液态氮的温度低的温度的氦气体，

(g)具有比液态氮的温度低的温度的氢气体，和

(h)液态氢和氢气体的混合流体，该混合流体具有比液态氮的温度低的温度。

当使用液体作为导体用冷却剂时，该液体可能由于载送电流的超导导体的热产生而气化。当液体气化时，如果体积膨胀明显，则在最差的情况下超导导体会破裂。因此，为了防止这种麻烦，可使用预先冷却到低温的气体或混合有气体的液体。可选地，可将导体用冷却剂保持到不引起上述气化的温度。

[0028]

当液态氢、氢气体或这些的混合流体用作导体用冷却剂时，希望本发明的超导电缆用于将电功率提供给在存储压缩氢或液态氢的氢气站和产生液态氢的氢气工厂中使用的各个电源设备，因为可以从提供在前述站和工厂中的氢存储槽获得导体用冷却剂。这些站和工厂装配有冷却设备以将存储的液态氢保持在合适的温度并适当地进行温度控制。因此，当在上述的氢气站或氢气工厂构造包括利用前述的液态氢等作为导体用冷却剂的本发明的超导电缆的电缆线时，不必单独提供用于导体用冷却剂的冷却设备。在这些站中提供的冷却设备还可以用作用于导体用冷却剂的冷却设备。可选地，仅提供用于进行导体用冷却剂的温度的良好控制的温度控制装置能够将作为导体用冷却剂的氢气体、液态氢或这些的混合流体保持在特定的温度。因此，具有该结构的本发明的超导电缆可以进一步增加能量效率。

[0029]

如上所述，导体用冷却剂具有比绝缘用冷却剂的温度低的温度，并填充具有绝缘用冷却剂可以被冷却到一定程度的这种程度的导热能力的不良导热管(或放置在不良导热管中的骨架)。形成该结构能够实现位于不良导热管外部的绝缘用冷却剂的冷却。换句话说，导体用冷却剂还可以用作冷却绝缘用冷却剂的构件。因此，可以通过以下方式控制绝缘用冷却剂的冷却程度：

(a)控制导体用冷却剂的温度，

(b)控制导体用冷却剂的循环条件，和

(c)通过控制其材料性质和绝热性能来控制不良导热管的导热性质。

因此，可以将绝缘用冷却剂的温度保持在接近恒定的值。如上所述，当绝缘用冷却剂的温度通过利用(a)导体用冷却剂的温度和循环条件和(b)不良导热管的材料性质和绝热性能来控制，该绝缘用冷却剂可以冷却到指定温度，而不利用冷却设备或利用具有低冷却能力的冷却设备。当绝缘用冷却剂的温度变化小时，仅需要提供如下温度控制机构，其具有绝缘用冷却剂的流速和温度可以仅以小量来控制的这种程度的能力。当构造超导电缆线时，该线适当地提供有用于冷却冷却剂的致冷器和用于为冷却剂供压的泵。这些设备决定了循环通道(冷却区间)的长度以便冷却剂可以在适当的温度下循环。如上所述，可以用简化的设备而不是大尺寸设备进行绝缘用冷却剂的温度控制。因此，当通过利用本发明的超导电缆构造电缆线时，不仅可以增加一个冷却区间的长度而且可以简化该设备。

[0030]

建议根据所采用的导体用冷却剂和绝缘用冷却剂适当地改变不良导热管的材料的导热能力和绝热性能。可以通过不仅改变材料而且改变不良导热管的厚度来改变导热能力。如上所述，通过改变使用的绝热材料的量和真空度，可以改变绝热性能。例如，通过控制循环持续时间和循环量，可进行导体用冷却剂的循环条件的控制。例如，当基于所需要的那样通过循环导体用冷却剂足以冷却绝缘用冷却剂时，绝缘用冷却剂可以是不循环的或循环的。当基于所需要的那样，导体用冷却剂的循环过度地冷却绝缘用冷却剂时，导体用冷却剂的流速可通过将它降低或通过另外的方式控制。可选地，可重复循环和不循环，而不是基于所需要的那样循环。在以上的两种情况下，不必使绝缘用冷却剂循环。当通过导体用冷却剂冷却绝缘用冷却剂时，绝缘用冷却剂可在其部分处凝固，尤其是在绝缘用冷却剂接触不良导热管的部分处凝固。本发明允许绝缘用冷却剂凝固，只要绝缘用冷却剂可以具有用于电绝缘超导导体的足够的绝缘性能并且可以循环到循环在操作中不产生问题的这种程度。

[0031]

另外，可以通过进一步降低导体用冷却剂的温度来增加临界电流的值。因此，甚至当高电流在诸如短路等意外事件时在超导导体中流动时，也不会产生诸如超导导体破裂的问题。可选地，可以通过增加导体用冷却剂的流速(其是可能的)以使超导导体迅速冷却到特定温度来防止上述问题。

[0032]

例如，本发明的上述超导电缆适合于用作将电功率提供给各个电源设备和用户的电缆。尤其是，当本发明的超导电缆用于将电功率提供给提供在用于如上所述的诸如液态氢等流体的工厂或站中的各个电源设备，工厂等中的流体可以用作导体用冷却剂。在这种情况下，当构造电缆线时，不需要单独提供用于导体用冷却剂的冷却设备。因此，本发明的超导电缆可以提供具有优良能量效率的电缆线。

[0033]

本发明的超导电缆不仅可以用于DC传输而且可以用于AC传输。当进行三相AC传输时，建议本发明的电缆形成为具有如下结构的三芯电缆，在该结构中上述的三个电缆芯绞合在一起并容纳在绝热管中。在该情况下，建议各芯的超导导体用于各相的传输且各芯的外超导层用作屏蔽层。当进行单相AC传输时，建议本发明的电缆形成为具有如下结构的单芯电缆，在该结构中上述的一个电缆芯容纳在绝热管中。在该情况下，建议将该芯的超导导体用于该相的传输且外超导层用作屏蔽层。当进行单极性DC传输时，建议本发明的电缆形成为具有如下结构的单芯电缆，在该结构中上述的一个电缆芯容纳在绝热管中。在该情况下，建议该芯的超导导体用作向外导体(outward conductor)且外超导层用作回路导体。当进行双极性DC传输时，建议本发明的电缆形成为具有如下结构的两芯电缆，在该结构中上述的两个电缆芯容纳在绝热管中。在该情况下，建议一个芯的超导导体用于正极传输，另一个芯的超导导体用于负极传输，并且两个芯的外超导层用作中性线层。

发明效果

[0034]

本发明的具有上述结构的超导电缆获得了以下优良的效果：

(a)该电缆将超导导体的超导态保持在良好状态，

(b)因此，该电缆可以增加传输功率或降低超导导体的直径，和

(c)该电缆足以进行电绝缘。

另外，甚至在超导导体的直径减小时，本发明的超导电缆可以足以确保用于导体用冷却剂的循环通道。此外，当利用本发明的超导电缆构造电缆线时，通过利用导体用冷却剂控制绝缘用冷却剂的温度，可以消除用于绝缘用冷却剂的冷却设备的需要，或者可以仅通过提供简单的温度控制机构将绝缘用冷却剂保持在指定温度。而且，当本发明的超导电缆用于在氢气工厂或氢气站中提供电源并且液态氮或低温氢气体用作导体用冷却剂时，可以通过利用提供在工厂等中的设备来冷却导体用冷却剂。因此，可以消除用于提供用于导体用冷却剂的单独冷却设备的必要性。

[0035]

在提供在本发明的超导电缆中的芯中，通过进行电绝缘层中的ρ分级，DC电场的厚度方向分布在整个电绝缘层上可以变平。结果，提高了DC耐压性质，因此可以降低电绝缘层的厚度。除了ρ分级外，通过在超导导体附近提供具有高ε的电绝缘层，除了DC耐压性质的上述提高外，还可以提高脉冲耐压性质。尤其是，通过以当其径向位置朝着最内部分移动时ε增加以及当径向位置朝着最外部分移动时ε降低的这种方式构造电绝缘层，本发明的超导电缆还可以是具有优良AC电气性质的电缆。因此，本发明的超导电缆不仅适合用于DC传输和AC传输，而且适合于传输系统在AC和DC之间转换的过渡期使用。

附图说明

[0036]

图1是本发明的超导电缆的截面示意图，该图示出了骨架是实心体的实例。

图2是在本发明的超导电缆中提供的电缆芯的截面示意图，该图示出了骨架是中空体的实例。

图3是在本发明的超导电缆中提供的电缆芯的截面示意图，该图示出了通过挤压形成不良导热管的实例。

图4是在本发明的超导电缆中提供的电缆芯的截面示意图，该图示出了不良导热管具有双管结构的实例。

图5是用于三相AC用途的三芯绞合型超导电缆的截面图。

符号说明

[0037]

1：超导导体；2A、2C和2D：不良导热管；2D_i：内管；2D_o：外管；3A、3B和3C：骨架；4：电绝缘层；5：外超导层；6：保护层；10、20、30和40：电缆芯；11：导体用冷却剂；12：绝缘用冷却剂；15：绝热管；15a：外管；15b：内管；16：抗腐蚀覆层；100：用于三相AC用途的超导电缆；101：绝热管；101a：外管；101b：内管；102：电缆芯；103：空间；104：抗腐蚀覆层；200：骨架；201：超导导体；202：电绝缘层；203：超导屏蔽层；204：保护层。

具体实施方式

[0038]

下面说明本发明的实施例。

实例1

[0039]

图1是本发明的超导电缆的截面示意图。在下图中，相同的符号代表相同的术语。另外，图中尺寸的比例未必与说明中使用的一致。本发明的超导电缆具有如下结构，其中电缆芯10容纳在绝热管15中，每个电缆芯10都具有由超导材料制成的超导导体1。电缆芯10在超导导体1的外圆周的外侧具有不良导热管2A。不良导热管2A填充有用于冷却超导导体1的导体用冷却剂11，以使其保持在超导态。绝热管15填充有用于进行超导导体1的电绝缘的绝缘用冷却剂12。换句话说，该超导电缆具有如下结构，其中在不良导热管2A的内部和外部分别提供具有不同目的的两种类型的冷却剂，即，管2A隔开该两种冷却剂。

[0040]

在该实例中使用的超导电缆具有三个芯10绞合在一起并容纳在绝热管15中的结构。除了在超导导体1的外圆周的外侧(在超导导体1和电绝缘层4之间)提供不良导热管2A之外，每个电缆芯10都具有与图5所示的常规超导电缆相同的基本结构。更具体地，电缆芯10从中心起按顺序提供有骨架3A、超导导体1、不良导热管2A、电绝缘层4、外超导层5和保护层6。尽管该实例使用三个芯，但可使用单芯或两个芯。该情况可应用于以下实例。尽管未示于图1中，但具有导体电位的电极部分直接提供在不良导热管2A上。

[0041]

通过利用由Bi-2223系氧化物制成的超导带状导线(Ag-Mn铠装的带状导线)来形成超导导体1和外超导层5。通过在骨架3A上螺旋地缠绕前述的超导带状导线来构造超导导体1。在电绝缘层4上通过与以上相同的方法构造外超导层5。骨架3A是通过绞合多条铜线形成的实心体。在骨架3A和超导导体1之间形成了由绝缘纸制成的垫层(未示出)。通过螺旋地重叠半合成绝缘纸(PPLP：注册商标，由Sumitomo ElectricIndustries，Ltd.制造)在不良导热管2A上构造电绝缘层4。可在电绝缘层4的内圆周侧(即，在电极部分上)提供内半导电层。可在电绝缘层4的外圆周侧(即在外超导层5下)提供外半导电层。通过螺旋地重叠绝缘纸在外超导层5上提供保护层6。制备上述的三个电缆芯10，松弛地绞合在一起以具有热收缩所需的收缩余量，并且容纳在绝热管15中。

[0042]

放置在超导导体1的外圆周的外侧的不良导热管2A是FRP管。其内径大于超导导体1的外径。因此，当将提供在骨架3A上的超导导体1插入不良导热管2A中时，在管2A的内圆周表面和超导导体1的外圆周表面之间提供了间隙。不良导热管2A中的间隙填充有导体用冷却剂11以冷却超导导体1。在该实例中，使用液态氮(工作温度；大约20K)作为导体用冷却剂11。导体用冷却剂11仅需要具有比绝缘用冷却剂12低的温度。例如，可使用冷却到大约20至50K的氢气体、或氢气体与液态氮的混合流体。在某种程度上，不良导热管2A具有能够从管2A的外部至其内部进行热传导的导热能力。不良导热管2A还具有隔开导体用冷却剂11和绝缘用冷却剂12的功能，以便两种冷却剂11和12不能相互混合。换句话说，不良导热管2A防止冷却剂从其内部流到外部或者从其外部流到内部。

[0043]

放置在电缆芯10的外部的绝热管15是波纹SUS管。它具有由外管15a和内管15b组成的双管结构，在其之间以多层放置了绝热材料(未示出)。外管15a和内管15b之间的空间被抽成高真空度。因此，管15具有真空的多层绝热结构。因此，与上述的不良导热管2A不同，绝热管15实际上不允许到其外部或来自管15的外部的热传导。在绝热管15中，内管15b产生了由内管15b的内圆周表面和三个电缆芯10的外圆周表面包围的空间。绝缘用冷却剂12填充前述的空间以及电缆芯10中的不良导热管2A的外部区域中的各个间隙，不仅进行超导导体1的电绝缘而且冷却外超导层5。在该实例中，液态氮(工作温度：大约77K)用作绝缘用冷却剂12。在绝热管15上提供防腐蚀覆层16。

[0044]

本发明的具有上述结构的超导电缆使用用于冷却超导导体和用于电绝缘超导导体的不同冷却剂。尤其是，用于冷却超导导体的冷却剂(导体用冷却剂)是具有比绝缘用冷却剂的温度低的冷却剂。因此，当形成超导导体的超导材料的量相同时，可以增加传输功率。可选地，当传输功率相同时，可以减少用于形成超导导体的超导材料的量，这降低了超导导体的直径。另外，还可以减少用于形成外超导层的超导材料的量。结果，可以在不良导热管中循环足够的导体用冷却剂，因此可以将超导导体的超导态保持在良好状态。此外，绝缘用冷却剂可以进行超导导体足够的电绝缘。另外，屏蔽电流可以在外超导层中可靠地流动，由此能够防止电磁干扰。

[0045]

在本发明的超导电缆中，导体用冷却剂具有比绝缘用冷却剂低的温度，并且在某种程度上不良导热管允许从管的外部的热侵入。因此，导体用冷却剂可以冷却绝缘用冷却剂。因此，导体用冷却剂可以用于控制绝缘用冷却剂的温度。在该实例中，通过改变不良导热管的厚度，可以改变通过导体用冷却剂冷却绝缘用冷却剂的程度。在导体用冷却剂循环的情况下，通过改变导体用冷却剂的流速、循环持续时间等也可以改变上述冷却程度。例如，通过重复导体用冷却剂的循环和非循环，可以进行绝缘用冷却剂的温度控制。在该情况下，当绝缘用冷却剂保持在可以足够保持外超导层的超导态的温度下时，不是必需使绝缘用冷却剂循环。因此，不仅能够消除用于绝缘用冷却剂的循环泵的需要，而且可以消除该泵所需的电功率的必要性。另外，绝缘用冷却剂的温度控制还可以通过组合导体用冷却剂的循环流速高的循环时间段和循环流速低的另一循环时间段来进行。如上所述，用于冷却绝缘用冷却剂所使用的导体用冷却剂可以减少或简化用于冷却绝缘用冷却剂所需的冷却设备、循环设备等。而且，在本发明的超导电缆用于在氢气工厂或氢气站中提供电功率的装置的情况下，当存储在工厂等中的液态氮用作导体用冷却剂并且此外工厂等的设备用作导体用冷却剂的冷却设备时，可以消除单独提供用于导体用冷却剂的冷却设备的必要性，因此可以减小设备的尺寸。甚至在部分绝缘用冷却剂由于导体用冷却剂冷却而凝固时，在电绝缘层具有电绝缘所需的电绝缘强度的情况下，也允许绝缘用冷却剂的凝固。

[0046]

另外，在本发明的超导电缆中，甚至当由于短路意外事件等而在超导导体中流动高电流时，通过进一步降低导体用冷却剂的温度或通过增加其流速也可以使超导导体迅速冷却到规定温度。因此，可以防止由上述意外事件引起的超导导体的破裂。该效果也适用于下述实例2到4。

[0047]

本发明的这种超导电缆可以用于DC传输和AC传输。为了进行DC传输，当以ρ分级来构造电绝缘层4使得当径向位置朝着电绝缘层4的最内部分移动时电阻率降低以及当径向位置朝着最外部分移动时电阻率增加时，DC电场的分布可以在电绝缘层4的厚度方向上变平。通过利用不同组的PPLP(注册商标)可以改变电阻率，不同组每组都具有不同的比率k。当比率k增加时，电阻率也倾向于增加。另外，当电绝缘层4在超导导体1的附近提供有高ε层时，除了耐DC电压性质提高外，还可以提高它的耐脉冲电压性质。例如，高ε层可以通过利用具有低比率k的PPLP(注册商标)形成。在该情况下，高ε层也变为低ρ层。此外，除了上述ρ分级之外，当形成电绝缘层4使得径向位置朝着最内部分移动时，介电常数ε增加，以及当径向位置朝着最外部分移动时，介电常数ε降低，电绝缘层4也具有优良的AC性质。因此，上述超导电缆也可以适当地用于AC传输。例如，通过利用不同组的PPLP(注册商标)，电绝缘层可以形成具有三个不同阶梯的电阻率和介电常数，其中不同组每组都具有如下的不同比率k。建议以下面的顺序从内部起提供下面的三层(X和Y每个代表常数)：

低ρ层：比率(k)：60％，电阻率(ρ)(在20℃)：XΩ·cm，介电常数(ε)：Y；

中等ρ层：比率(k)：70％，电阻率(ρ)(在20℃)：大约1.2XΩ·cm，介电常数(ε)：大约0.95Y；和

高ρ层：比率(k)：80％，电阻率(ρ)(在20℃)：大约1.4XΩ·cm，介电常数(ε)：大约0.9Y。

[0048]

当上述的超导电缆用于进行单极性传输时，在三个芯10中，两个芯可用作备用芯。在该情况下，如下使用剩余的一个芯10：它的超导导体1用作向外导体，它的外超导层5用作回路导体。可选地，可通过利用各芯10的超导导体10作为向外导体和各芯10的外超导层5作为回路导体来构造单极性传输线的三个电路。当上述的超导电缆用于进行双极性传输时，建议如下使用它：在三个芯10中，一个芯10用作备用芯。另一个芯10的超导导体1用作正极线。剩余芯10的超导导体1用作负极线。这两个芯10的外超导层5用作中性线层。另外，超导电缆在用于进行上述的AC传输之后，可以用于进行DC传输，诸如单极性传输和双极性传输。如上所述，本发明的具有由ρ分级和ε分级构造的电绝缘层的超导电缆可以适合用作DC/AC电缆。关于ρ分级和ε分级的情况还应用于下述的实例2至4。

实例2

[0049]

在上述的实例1中，说明了利用实心骨架的结构。然而，可采用中空骨架。图2示出了本发明的超导电缆中的电缆芯的截面示意图。图2中所示的电缆芯20具有与上述的实例1中所示的电缆芯10相同的结构，除了骨架3B是中空体外。在芯20的外侧提供绝热管和防腐蚀覆层(二者都未示出)。在该实例中使用的骨架3B是铜管。导体用冷却剂11在骨架3B中循环。在该情况下，在不良导热管2A中，由管2A的内圆周表面和超导导体1的外圆周表面形成的空隙也可用于循环导体用冷却剂11或被抽空至低真空度。因为低的真空度，在某种程度上允许从不良导热管2A的外部到其内部的热侵入。因此，可以通过导体用冷却剂11冷却绝缘用冷却剂。

实例3

[0050]

上述的实例2具有下述结构，其中在不良导热管中，在管的内圆周表面和超导导体的外圆周表面之间提供空隙。然而，可提供不良导热管，而不形成空隙。换句话说，可提供该管使其接触超导导体。图3示出了本发明的超导电缆中的电缆芯的截面示意图。图3所示的电缆芯30具有与上述的实例2所示的电缆芯20几乎相同的结构，除了在超导导体1上直接提供不良导热管2C外。在芯30的外侧提供绝热管和防腐蚀覆层(二者都未示出)。在该实例中，通过在超导导体1上挤压Teflon(注册商标)来形成不良导热管2c。如上所述，当在超导导体1上直接形成不良导热管2c时，如同实例2中的骨架3B(参见图2)一样，利用中空体形成骨架3C。在骨架3C中循环导体用冷却剂11以冷却超导导体1。如同实例1和2一样，因为通过利用在某种程度上具有导热能力的树脂形成不良导热管2C，所以可以通过骨架3C中的导体用冷却剂11来冷却绝缘用冷却剂。

实例4

[0051]

在上述的实例1至3中，使用由树脂等制成的不良导热管。然而，可使用提供具有低绝热性能的绝热结构的不良导热管。图4示出了本发明的超导电缆中的电缆芯的截面示意图。图4中所示的电缆芯40具有与上述的实例1中所示的电缆芯10相同的结构，除了不良导热管2D具有低的绝热结构外。在芯40的外侧提供绝热管和防腐蚀覆层(二者都未示出)。如同图1中所示的绝热管15一样，在该实例中使用的不良导热管2D具有由内管2D_i和外管2D_o组成的双管结构。两个管2D_i和2D_o之间的空间被抽空至低真空度，以具有低的绝热性能。因此，在某种程度上允许从不良导热管2D的外部的热传导。结果，填充电缆芯40中的不良导热管2D的外部的区域中的各间隙和在芯40的外侧的空间的绝缘用冷却剂(参见图1)，可以通过在内管2Di中循环的导体体用冷却剂11来冷却。如上所述，不良导热管的导热能力不仅可以通过如实例1至3所示的控制用于形成不良导热管的材料本身的导热性或管的厚度来控制，而且可以通过控制如该实例中所示的管的绝热性能来控制。在该实例中，如同实例1一样，使用实心骨架。然而，如同实例2和3一样，当然，可使用中空骨架。

工业实用性

[0052]

本发明的超导电缆适合用作提供电功率给各种电源设备和用户的装置。尤其是，在液态氢、低温氢气或液态氢和氢气的混合流体用作导体用冷却剂的情况下，当本发明的电缆用于将电功率提供给诸如存储液态氢等的氢气工厂或氢气站等地方时，该电缆系统变得很经济，因为不仅导体用冷却剂容易获得，而且不必单独提供导体用冷却剂的冷却设备和其他设备。

Claims (9)

1.一种超导电缆，包括：

(a)绝热管；

(b)电缆芯，其容纳在绝热管中并且包括：

(b1)由超导材料制成的超导导体；

(b2)放置在超导导体的外圆周的外侧的不良导热管；

(b3)放置在不良导热管的外圆周上的电绝缘层；和

(b4)外超导层，其放置在电绝缘层的外圆周上并且由超导材料制成；

(c)导体用冷却剂，其在不良导热管中循环以冷却超导导体而使其获得超导态；和

(d)绝缘用冷却剂，其填充绝热管以进行超导导体的电绝缘。

2.如权利要求1所述的超导电缆，其中导体用冷却剂具有比绝缘用冷却剂的温度低的温度。

3.如权利要求1所述的超导电缆，其中绝缘用冷却剂是液态氮，导体用冷却剂是具有比液态氮的沸点低的温度的流体。

4.如权利要求3所述的超导电缆，其中导体用冷却剂是液态氧、液态氦、氦气体、液态氢、氢气体、液态空气、液态氖、液态氢和氢气体的混合流体中的任一种。

5.如权利要求1至4中任一项所述的超导电缆，其中为了使电绝缘层中的DC电场的径向分布变平，电绝缘层通过利用ρ分级来构造，以便当径向位置朝着电绝缘层的最内部分移动时，电阻率降低，并且当径向位置朝着最外部分移动时，电阻率增加。

6.如权利要求5所述的超导电缆，其中电绝缘层在超导导体附近具有比其它部分的介电常数高的介电常数的高ε层。

7.如权利要求5所述的超导电缆，其中构造电绝缘层，以便当其径向位置朝着最内部分移动时，介电常数ε增加，并且当径向位置朝着最外部分移动时，介电常数ε降低。

8.一种控制如权利要求1至7中任一项所述的超导电缆的绝缘用冷却剂的温度的方法，该方法利用导体用冷却剂控制绝缘用冷却剂的温度。

9.如权利要求8所述的控制超导电缆的绝缘用冷却剂的温度的方法，该方法利用导体用冷却剂冷却绝缘用冷却剂并重复导体用冷却剂的循环和非循环以控制绝缘用冷却剂的温度。

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