CN101057302A - Dc超导电缆的设计系统 - Google Patents

Abstract

提供一种用于设计DC超导电缆的设计系统，该DC超导电缆包括导体层和通过电绝缘层设置在导体层外部的外导体层，该设计系统包括：第一相关关系计算装置，用于计算比率Xf和收缩量Cf之间的关系，比率Xf是构成导体层的超导线的缠绕直径和缠绕间距之间的比率，收缩量Cf能够吸收由于冷却引起的超导线的热收缩；第二相关关系计算装置，用于计算每单位长度电缆的导体层中超导线的比率Xf和使用量比Ufx之间的关系；和第一选择装置，用于从第一相关关系计算装置和第二相关关系计算装置的计算结果，提取超导线的缠绕直径和缠绕间距的数据，该数据能够满足超导线的给定收缩量Cfs和使用量比Ufxs。

Description

DC超导电缆的设计系统

技术领域

[0001]

本发明涉及一种直流(DC)超导电缆的设计系统。

背景技术

[0002]

作为超导电缆，提出了图8所示的超导电缆100，其构造成三个电缆芯10容纳在绝热管20中(参见，例如，专利文献1和2)。

[0003]

电缆芯10按列举次序从中心起包括骨架11、导体层13、电绝缘层16A、屏蔽层(外导体层)17A和保护层18。导体层13是通过围绕骨架11以多层螺旋地缠绕超导线形成的。通常，超导线具有带状结构，其中由氧化物超导材料构成的多股细丝布置在银套(silver sheath)等的基质中。电绝缘层16A通过缠绕绝缘纸形成。与导体层13的情形一样，通过围绕电绝缘层16A螺旋地缠绕超导线形成屏蔽层17A。绝缘纸等用于保护层18。

[0004]

构造绝热管20，使得绝热材料(未示出)布置在由内管21和外管22组成的双管之间，并且抽空双管之间的空间。围绕绝热管20的外部形成防腐蚀层23。通过在形成于骨架11的内部(在其具有中空结构的情况下)以及在内管21和芯10之间的空间中填充和循环液态氮等冷却剂以使电绝缘层13浸入冷却剂，来制备可用条件的绝热管20。

[0005]

主要研究这种超导电缆的结构作为交流(AC)电缆。在这种情况下，提议为了降低AC损耗，单独地调节每层中超导线的缠绕间距和缠绕方向，以便能够使相等的电流流过组成导体层和屏蔽层的各个层。而且，为了减少要使用的超导线的量，通常选择相当大的值作为超导线的缠绕间距。

[0006]

[专利文献1]日本专利申请公布No.2003-249130(图1)

[专利文献2]日本专利申请公布No.2002-140944(图2)

发明内容

本发明要解决的问题

[0007]

然而，关于超导电缆的上面提到的设计技术，存在下面的问题。

[0008]

(1)关于如何确定DC超导电缆的结构的技术是不明确的。在DC电缆的情况下，与AC电缆不同，没有在导体层中流动相等电流的问题，因此没有必要个别地指定在包括导体层和屏蔽层的每层中超导线的缠绕间距。然而，没有定义在特定的缠绕直径下应该采用什么缠绕间距来形成导体层和外导体层的具体标准。

[0009]

(2)没有找到明确的技术用于设计吸收超导线收缩的结构。在超导电缆中，必需使它的结构能吸收由于在工作期间在低温下通过冷却剂的冷却所产生的超导线的收缩。然而，至于能够吸收收缩的机理，还没有发现用于实现适合DC超导电缆的简单组成的设计技术。

[0010]

在包括三个电缆芯的结构的情况下，通过向这些芯的绞合提供弯曲这样的措施可以吸收收缩。然而，在单芯超导电缆的情况下，不能采用这种措施。因此，可以想到，允许超导线经受由于冷却产生收缩造成的应力，或采用能够使超导电缆的终端部分根据电缆的热收缩而滑动的措施。

[0011]

然而，在前一情况下，作为允许由于超导线的收缩造成的应力的影响而对超导线造成的显著张力的结果，超导线根据应力水平可能退化，或者作为根据电缆的收缩而施加在电缆的弯曲部分的横向压力的结果，绝热管的绝热特性可能退化。在后一情况下，需要提供一种使超导电缆的终端滑动的机构，因此可能需要一种大规模的措施来针对这种收缩问题。

[0012]

考虑到上述问题确定的本发明的主要目的，是提供一种用于设计DC超导电缆的设计系统，其中可以吸收由于冷却造成的超导线的收缩，并且可以尽可能地减小要使用的超导线的量。

解决要被解决的问题的方式

[0013]

通过本发明的设计系统能够实现上述的目的，根据这一点，不仅能够使电缆芯自身具有用于抵制超导层(即，导体层和外导体层)的热收缩的机构，而且在设计DC超导电缆中可以考虑超导电缆中使用的超导线的使用量。

[0014]

本发明的设计系统是用于设计这种DC超导电缆的系统，该DC超导电缆包括导体层和通过电绝缘层布置在导体层外部的外导体层。在设计系统中，通过计算获得组成导体层和外导体层的超导线的缠绕直径和缠绕间距的值，用于设计DC超导电缆。该设计系统具有下面的组成：

[0015]

a：第一相关关系计算装置，用于计算比率Xf和收缩量Cf之间的关系，比率Xf是组成导体层的超导线的缠绕直径和缠绕间距之间的比率，收缩量Cf吸收由于冷却造成的超导线的热收缩；

b：第二相关关系计算装置，用于计算比率Xf和每单位长度电缆的导体层中超导线使用量比Ufx之间的关系；和

c：第一选择装置，用于从第一相关关系计算装置和第二相关关系计算装置的计算结果提取超导线的缠绕直径和缠绕间距的数据，该数据将满足超导线的给定收缩量Cfs和使用量比Ufx。

[0016]

根据上述的系统，可以设计超导电缆，使得在超导线的内侧上形成用于吸收由于超导线的热收缩导致的收缩的应力释放层，以便超导线不受到过度的张力。在这种系统中，为了增加设计应力释放层时的自由度，可以从第一相关关系计算装置的计算结果选择可减小收缩量的超导线的缠绕直径和缠绕间距。同样，根据第二相关关系计算装置的计算结果，在考虑减小电缆的外径和减少超导线的使用量之后，能够选择超导线的缠绕直径和缠绕间距。然后，借助第一选择装置，提取可以基本减小收缩量的缠绕间距的上限和可以基本不增加超导线的使用量的缠绕间距的下限，并由此能够获得关于适合DC超导电缆的超导线的缠绕直径和缠绕间距的数据。

[0017]

同样，不限于导体层的情况，而且在超导电缆具有外导体层的情况下，通过对外导体层采用相似方式的方法，能够提取在超导线的使用量和由于冷却引起的收缩量方面优选的缠绕直径和缠绕间距。

[0018]

在下文中，将在说明本发明的设计系统之前描述通过该系统设计的超导电缆的概况。

[0019]

该超导电缆通常由电缆芯和容纳电缆芯的绝热管组成。电缆芯基本具有如下结构：按列举次序从中心起一般包括骨架、应力释放层、导体层、电绝缘层和保护层。此外，可在电绝缘层和保护层之间提供外导体层，并且可在导体层和外导体层的外部提供重叠保持层(lapped-holding layer)和垫层。

[0020]

首先，对于上述的组成构件，对于骨架、导体层、电绝缘层、外导体层、保护层和绝热管可以使用各种已知的材料和组成。对于导体层和外导体层，通过选择如由本发明系统提取的超导线的这种缠绕直径和缠绕间距，能够使电缆芯本身有效地吸收超导线在冷却时的热收缩和降低超导线的使用量。

[0021]

其次，应力释放层是用于吸收超导层的热收缩的层。通过螺旋地缠绕超导线形成的超导层是导体层或外导体层(屏蔽层)。在电缆工作时超导层通过冷却剂被冷却到低温温度，因此受到热收缩。伴随着超导线的热收缩，在径向上也会出现收缩，因此提供在超导层内部的应力释放层对应于超导线的热收缩进行收缩，由此抑制了过多的张力效应作用于超导线。

[0022]

当由于冷却剂而处于低温温度下时，应力释放层应当优选具有能够吸收超导层的至少一部分径向收缩的收缩量。换句话说，可构造电缆芯，使得伴随着冷却引起的超导层的径向收缩可被应力释放层和提供在应力释放层内部的其它电缆组成构件吸收。或者，其可被构造成使得仅应力释放层吸收由于冷却引起的超导层的径向收缩。

[0023]

在前一情况下，应力释放层本身可以制作得较薄，因为通过应力释放层和电缆组成构件二者的收缩来吸收超导层的收缩。骨架是提供在应力释放层内部的电缆组成构件的代表性实例。在后一情况下，由于超导层的径向收缩的吸收全部可以由应力释放层进行，所以能够自由选择提供在应力释放层内部的例如骨架的组成构件的材料和结构。

[0024]

应力释放层布置在超导层的内部。例如，它可提供为导体层内部(骨架外部)的内部应力释放层。同样，它可提供为外导体层(屏蔽层)内部的外部应力释放层。要提供在外导体层内部的应力释放层可以是电绝缘层本身，或者可以除了电绝缘层之外单独地形成为应力释放层。如果电绝缘层本身用作外部应力释放层，则因为除了电绝缘层之外无需单独地提供应力释放层而能够减小电缆芯的尺寸。

[0025]

用于该应力释放层的合适的材料例如是牛皮纸、塑料带以及由牛皮纸和塑料带制成的复合带。聚烯烃带，尤其是聚丙烯带，能够优选地用作塑料带。通常，牛皮纸可低成本地得到，但它由于冷却引起的收缩量相对小，并且尽管由牛皮纸和聚丙烯组成的复合带昂贵，但它由于冷却引起的收缩量较大。尤其是，在复合带的情况下，如果聚丙烯的厚度较大，则可以获得较大的收缩量，并且能够形成这样的应力释放层：即使超导线的收缩量大，超导线也能够不受到过多的张力。此外，在牛皮纸中，绉牛皮纸和湿度调节的牛皮纸能够显示大的收缩量。因此，可取地，可通过单一或组合地利用这些材料形成应力释放层，使得应力释放层具有用于吸收超导线的至少一部分径向收缩量的足够厚度。

[0026]

而且，可在电绝缘层的外围和内围的至少一侧，即，在导体层和电绝缘层之间，以及电绝缘层和屏蔽层之间，形成半导电层。为了获得电性能的稳定性，形成内半导电层即前一情形和外半导电层即后一情形是有效的。

[0027]

优选在上述电绝缘层外部提供外导体层。尤其是，外导体层是用于进行单极系统的电力传输所需的组成。在AC超导电缆的情况下，为了减少超导线的AC损耗，必需提供用于屏蔽泄漏到导体层外围的磁通量的屏蔽层。而且，在DC超导电缆的情况下，必需通过在等效于AC超导电缆的屏蔽层的位置的位置处布置外导体层来提供回路导体。换句话说，通过在电绝缘层外部提供由超导线制成的外导体层(回路导体)，在单极性电力传输中导体层可以用作向外电流路径，以及回路导体可以用作返回电流路径。必需构造该外导体层，以使其具有与导体层相同的电流容量。利用下述超导电缆，能够采用单极性电力传输法或双极性电力传输法，其中所述超导电缆是以多芯捆成一束(multicore-bundled-in-one)型的形式以使多个芯容纳在绝热管中而构造的。在后一情况下，外导体层具有中性线的功能。

[0028]

此外，可在超导层的外部形成重叠保持层。在超导层的外部提供重叠保持层能使超导层在向内方向上紧固。通过紧固效果，能够使超导层的径向收缩平稳地发生。重叠保持层的材料可以是诸如金属带的材料，例如，其能够提供给超导层给定的紧固力，尤其是可以优选使用铜带等。

[0029]

在使用重叠保持层的情况下，优选在重叠保持层和超导层之间提供垫层。当金属带被用作重叠保持层时，会损伤超导线，这是由于重叠保持层和超导层之间的直接接触意味着金属之间的接触，因为通常超导线由诸如银等金属制成。因此，如果在两层之间提供垫层，则可以避免这些金属之间的直接接触，由此可以防止超导线的损伤。用于垫层的合适的材料例如是绝缘纸或复写纸(carbon paper)。

[0030]

当设计这种电缆时，借助本发明系统来适当地确定适合于形成导体层和外导体层的缠绕直径和缠绕间距。

[0031]

第一相关关系计算装置计算比率Xf和径向收缩量Cf之间的关系，比率Xf是构成导体层的超导线的缠绕直径和缠绕间距之间的关系，径向收缩量Cf吸收由于冷却引起的超导线的热收缩。导体层的缠绕直径可以是以适当范围选择的值。例如，其可以以适当的间隔设置在20至40mm的范围内。缠绕间距可以是按照缠绕直径的值的多少倍确定的值。该倍数也可以是以适当范围选择的值。例如，其可以以适当的间隔设置在约2至20倍的范围内。径向收缩量Cf是通过求出以一定缠绕直径和缠绕间距缠绕的超导线当由于冷却而在纵向上收缩时在径向上收缩多少而获得的值，其中径向收缩量Cf吸收由于超导线的冷却引起的热收缩。超导线的纵向收缩比可以从超导线的线性膨胀系数和由于冷却引起的温度变化量获得。在径向上的收缩，即，径向收缩量可以利用上述收缩比和一个间距的螺旋布置的超导线被展开的事实来计算，其可以用直角三角形表示，其中斜边是超导线的长度L，垂直边是缠绕直径d的圆周长度2πd，底边是间距P。当超导线收缩了收缩比的量时，超导线的长度在收缩之后变成L-ΔL，其中收缩量用ΔL表示，因此，径向收缩量Cf由(d-d′)表示，其中d′是收缩后的缠绕直径，假定间距P在那种情况下没有改变。

[0032]

第二相关关系计算装置计算比率Xf和每单位长度电缆的导体层中超导线的使用量比Ufx之间的关系。每单位长度电缆的导体层中超导线的使用量比Ufx不是考虑诸如电流容量等线路特性而确定的必需线量Sf的值，而是考虑在单位长度电缆中用于形成导体层实际需要的线的所需量fu的值。必需线量Sf是以所选缠绕直径在纵向上应用为确保预定电流容量所需要的超导线的情况下的线使用量(单位长度的线或总长度的线的量)。

[0033]

通常，超导线是具有基本矩形截面的带状线。因此，当超导线螺旋地缠绕在一定缠绕直径的外周围时，存在例如2.5层的线实现用于确保预定电流容量所需足够线量的情况。然而，当实际设计超导电缆时，通常剩余的0.5层也设置有超导线，以形成均匀形状的导体层。在这种情况下，用于0.5层的超导线在电缆的理论规格方面过剩，但实际使用的线的使用量fu计算为3层。因此，如果基于一条超导线的宽度、厚度和缠绕直径来求出实际使用的超导线的层数，该使用量可以根据与必需线量Sf的相关性来获得，其中缠绕直径和缠绕间距为参数。于是，超导线的使用量比Ufx由必需使用量Sf和实际的线使用量fu之间的比率fu/Sf表示。

[0034]

另一方面，基于以上的第一相关关系计算装置和第二相关关系计算装置的计算结果，第一选择装置提取超导线的缠绕直径和缠绕间距的数据，该数据满足超导线的预定径向收缩量Cfs和使用量比Ufxs。提取的数据可以是单个或多个。基于该提取，在考虑超导线的使用量和伴随着导体层的收缩产生的径向收缩量之后，可以提取适当的缠绕直径和缠绕间距。可根据超导电缆需要的需求适当地设置预定径向收缩量Cfs和使用量比Ufx。

[0035]

通常，“缠绕间距/缠绕直径”的比率越小，可以使径向收缩量越小。换句话说，如果缠绕直径不变，径向收缩量就可以随着缠绕间距变小而减少。而且，如果缠绕间距不变，径向收缩量可以随着缠绕直径变大而减少。另一方面，“缠绕间距/缠绕直径”的比率越小，超导线的使用量比Ufx就越大。换句话说，如果缠绕直径不变，使用量随着缠绕间距变小而增加。而且，如果缠绕间距不变，使用量随着缠绕直径变大而增加。

[0036]

因此，如果优先确保要被应力释放层吸收的径向收缩量，则可通过选择大的径向收缩量Cfs来选择大的使用量比Ufx，如果优先降低超导线的使用量，则可通过选择较小的径向收缩量Cfs使该使用量比Ufx较小。

[0037]

关于导体层描述的上述方法可以相似地应用到通过介于它们之间的电绝缘层提供在导体层外部的外导体层的情况。换句话说，优选提供第三相关关系计算装置和第四相关关系计算装置，第三相关关系计算装置用于计算比率Xg和径向收缩量Cg之间的关系，比率Xg是外导体层的缠绕直径和缠绕间距之间的关系，径向收缩量Cg伴随超导线的冷却，第四相关关系计算装置用于计算比率Xg和每单位长度电缆的外导体层中的超导线的使用量比Ufg之间的关系。

[0038]

第三相关关系计算装置计算比率Xg和径向收缩量Cg之间的关系，比率Xg是外导体层的缠绕直径和缠绕间距之间的比率，径向收缩量Cg吸收由于超导线冷却引起的热收缩。这种计算所需要的外导体层的缠绕直径可以根据导体层的缠绕直径、导体层的厚度和电绝缘层的厚度来计算。换句话说，当在为导体层设置缠绕直径的情况下形成导体层以确保电流容量时，可以计算导体层的厚度，因为超导线的厚度是已知的。而且，电绝缘层的厚度可以通过基于电压和超导电缆的绝缘材料的绝缘性质的计算来确定，因为绝缘应具有作为超导电缆的线路条件的耐压。于是，外导体层的缠绕直径可以通过将导体层的厚度和电绝缘层的厚度加到导体层的缠绕直径来获得。可预先计算外导体层的缠绕直径，并且其可被输入到本发明的系统中，且可被用于第三相关关系计算装置中的计算。或者，本发明的系统可具有用于计算外导体层的缠绕直径的缠绕直径计算装置。

[0039]

第四相关关系计算装置计算比率Xg和每单位长度电缆的外导体层中的超导线的使用量比Ufg之间的关系。如同导体层中的使用量比Ufx的情况一样，使用量比Ufg不是基于诸如电流容量等线路特性获得的必需线量Sg，而是通过考虑在单位长度电缆中形成外导体层实际需要的线量gu所获得的值。获得比率Ufg的方法是gu/Sg，其与使用量比Ufx的情况相同。外导体层的电流容量与导体层的相同。

[0040]

然后，满足超导线的预定径向收缩量Cgs和使用量比Ufgs的超导线的缠绕直径和缠绕间距的数据，是根据第三相关关系计算装置和第四相关关系计算装置的计算结果通过第二选择装置提取的。可根据超导电缆的需求的要求适当地设置预定径向收缩量Cgs和使用量比Ufgs。如此进行的提取使得能够在考虑下述条件之后提取适当的缠绕直径和缠绕间距，其中所述条件是伴随着外导体层的收缩产生的径向收缩量和超导线的使用量。提取的数据数是单个或多个。

[0041]

优选，本发明的上述系统进一步包括总使用量计算装置和第三选择装置。总使用量计算装置计算总使用量比Utx＝(fu+gu/Sf+Sg)，其是必需线量(St＝Sf+Sg)的总量和总使用量(fu+gu)之间的比率，其中fu是导体层中超导线的使用量，gu是外导体层中超导线的使用量；并且是用第一选择装置和第二选择装置提取的数据当中的。第三选择装置提取下述数据，其中超导线的总使用量Ut和符合线路条件的超导线的必需线量St之间的比Utx等于或小于给定值。

[0042]

通过提取超导线的总使用量比Utx等于或小于给定值的数据，能够尽可能多地减少否则会过度用于过剩规格的超导线的量。比Utx的阈值可以是根据超导线使用量的预期减少效果所选择的合适值。要注意，该比Utx越接近1.0，超导线的使用量减少得就越多。

[0043]

而且，优选提供第四选择装置，用于从用第一选择装置和第二选择装置提取的数据当中提取下述数据，其中导体层中的层数和外导体层中的层数分别等于或小于最大数H。

[0044]

导体层和外导体层中的各个层数根据超导线的缠绕直径而改变。在这种情况下，分别预先确定导体层中最大层数和外导体层中最大层数，并且在用第一选择装置和第二选择装置提取的数据当中提取下述缠绕直径和缠绕间距的数据，对于所述缠绕直径和缠绕间距，导体层中的层数和外导体层中的层数将变得分别小于或等于各预定的最大层数。因此，能够设计一种超导电缆，其中导体层和外导体层的厚度足够薄以减少外径。

[0045]

此外，优选提供外径计算装置，用于计算利用用第一选择装置和第二选择装置提取的数据设计的电缆中外导体层的外径，以及还提供第五选择装置，用于在用第一选择装置和第二选择装置提取的数据当中提取外导体层的外径为最小的数据。

[0046]

如果外导体层的外径较小，于是能够降低电缆芯的外径，即，超导电缆本身的外径。因此，可以用第五选择装置设计具有小外径的超导电缆。

[0047]

上述第三选择装置、第四选择装置和第五选择装置中的任何一个可以单独地或它们中两个或多个结合地用于提取数据。

本发明的有益效果

[0048]

根据本发明的用于设计DC超导电缆的方法，可以获得下面的效果。

[0049]

(1)根据本发明的系统，能够选择超导线的缠绕直径和缠绕间距的值，从而由于冷却造成的超导层的径向收缩可以是通过提供在超导层内部的应力释放层能够容易吸收的收缩量。

[0050]

(2)同时，能够设计抑制了超导线的使用量的超导电缆。

[0051]

(3)通过利用第三相关关系计算装置和第四相关关系计算装置，并且通过利用它们的计算结果，能够提取下述缠绕直径和缠绕间距，利用所述缠绕直径和缠绕间距使得超导线的径向收缩量不仅在导体层中合适，而且在外导体中合适。

[0052]

(4)另外，能够以如下方式设计超导电缆，即不仅单独关于导体层，而且关于包括导体层和外导体层的总使用量，来考虑减少超导线的使用量。

[0053]

(5)有时存在这样的情形，其中根据缠绕直径和层数之间的关系，对于组成超导层的超导线的总使用量，使用具有过剩规格的超导线；然而，通过提供用于提取下述数据的第三选择装置，其中超导线的总使用量tu＝(fu+gu)和根据线路条件的超导线的必需线量St之间的比Utx是等于或小于给定值的值，这能够减少对应这种过剩规格的超导线的使用量。

[0054]

(6)利用第四选择装置，可以设计出超导层中的层数等于或小于最大层数H的超导电缆，因此能够设计具有小电缆芯直径的超导电缆。

[0055]

(7)利用第五选择装置，在考虑到超导线的径向收缩量和使用量之后，能够设计具有最小外导体层外径的超导电缆。

附图说明

[0056]

图1是通过本发明的系统设计的超导电缆的横截面。

图2是关于本发明的系统的功能框图。

图3是示出在根据本发明的系统的实施例1中的处理过程的较前部分的流程图。

图4是示出在根据本发明的系统的实施例1中的处理过程的较后部分的流程图。

图5是示出在根据本发明的系统的实施例2中的处理过程的较后部分的流程图。

图6是示出“(间距/直径)比”和在冷却时超导线的径向收缩量之间的关系的曲线图。

图7是示出“(间距/直径)比”和超导线的使用量之间的关系的曲线图。

图8是通过常规设计方法设计的超导电缆的横截面。

[附图标记的说明]

[0057]

100超导电缆，10芯，11骨架，12内部应力释放层，13导体层，14A、14B垫层，13导体层，14A、14B垫层，15A、15B重叠保持层，16电绝缘层和/或外部应力释放层，16A电绝缘层，17回路导体，17A屏蔽层，18保护层，20绝热管，21内管，22外管，23防腐蚀层，31第一相关关系计算装置，32第二相关关系计算装置，33第一选择装置，41第三相关关系计算装置，42第四相关关系计算装置，43第二选择装置，51总使用量计算装置，52第三选择装置，61第四选择装置，71外径计算装置，72第五选择装置

具体实施方式

[0058]

在下文中，将基于图1至图3说明本发明的优选实施例。在该图中，相同的标记表示相同的部件。图的尺寸比率未必与说明中的比率相同。

[超导电缆]

首先，将基于图1描述用本发明的系统设计的超导电缆的概况。该超导电缆100包括单电缆芯10和在其中容纳芯10的绝热管20。

[0059][芯]

芯10按列举次序从中心起包括，骨架11、内部应力释放层12、导体层13、垫层14A、重叠保持层15A、电绝缘层(和外部应力释放层)16、外导体垫层14B(回路导体17)、重叠保持层15B和保护层18。

[0060]<骨架>

对于骨架11使用由不锈钢制成的波纹管。当使用中空骨架11时，内部空间可以用作冷却剂(这里，液态氮)的流动通道。

[0061]<内部应力释放层>

通过用复合带、PPLP(注册商标，由Sumitomo Electric Industries公司制造)缠绕骨架11形成内部应力释放层12，PPLP是牛皮纸和聚丙烯膜的叠层。这里，根据能够吸收由于如在以下描述的导体层13的冷却引起的径向收缩量的质量和厚度进行材料的选择。更具体地，在该例中使用的PPLP的比率k为60％，k是聚丙烯膜厚度与复合带的总厚度的比。

[0062]<导体层>

利用具有0.24mm厚和3.8mm宽的Bi-2223-Ag-Mn铠装带线来形成导体层13。该带线在内部应力释放层12上缠绕了多层，以形成导体层13。在该例中，超导线缠绕了四层。

[0063]<垫层和重叠保持层>

在导体层13上形成垫层14A，另外，在垫层上形成重叠保持层15A。通过在导体层上缠绕几层牛皮纸来形成垫层14A，并通过缠绕铜带来形成重叠保持层15A。垫层14A避免了金属即导体层13和重叠保持层15A之间的直接接触，而重叠保持层15A通过垫层14A在其圆周的向内方向上紧固了导体层，以便导体层13可以平稳地受到由于冷却引起的径向收缩。

[0064]<绝缘层和外部应力释放层>

在重叠保持层15A上形成电绝缘层16。这里，通过具有比率k为60％的PPLP来形成绝缘层16。该绝缘层16不仅具有用于导体层13的电绝缘的功能，而且具有用于吸收伴随外导体层冷却的径向收缩量的外部应力释放层的功能，外导体层随后将在下文描述。通过使绝缘层16本身用作外部应力释放层，能够控制电缆外径的增加，因为无需独立地形成外部应力释放层。

[0065]

尽管未示于图中，但在绝缘层的圆周的内侧上形成内半导电层，在绝缘层的圆周外围的外侧上形成外半导电层。这些半导电层通过缠绕复写纸来形成。

[0066]<外导体层(回路导体)>

在绝缘层16的外部提供外导体层(回路导体17)。在直流传输时，必需提供向外电流路径和返回电流路径，因此在单极性电力传输中，提供回路导体17并用作返回电流路径。回路导体17由与导体层13相同类型的超导线制成，并具有与导体层13相同的电力传输能力。

[0067]<垫层和重叠保持层>

随后，在外导体层上形成了垫层14B，而且在垫层上形成了重叠保持层15B。垫层14B和重叠保持层15B分别由与提供在导体层13外部的垫层14A和重叠保持层15A相同的材料组成。垫层14B避免了在金属即回路导体层17和重叠保持层15B之间的直接接触，而重叠保持层15B通过垫层14B在其周围的向内方向上紧固了回路导体层17，以便回路导体层17可以平稳地受到由于冷却引起的径向收缩。

[0068]<保护层>

在回路导体层17的外部提供由绝缘材料组成的保护层18。在该例中，保护层18通过缠绕牛皮纸形成。利用该保护层18，能够提供回路导体层17的机械保护并且还能够提供与绝热管(内管21)的绝缘，以防止返回电流部分地流到绝热管20。

[0069][绝热管]

绝热管20是由内管21和外管22组成的双管，并在这些内和外管21、22之间提供了真空绝热层。在真空绝热层中布置了通过叠置塑料网和金属箔制成的所谓超绝缘材料。形成在内管21的内壁面和芯10之间的空间成为冷却剂的通道。根据对绝热管20外围的需求可形成由聚氯乙烯等制成的防腐蚀层23。

[0070](实施例1)

[本发明的设计系统]

在一个实施例中，本发明的系统包括如图2的功能框图中所示的第一相关关系计算装置31、第二相关关系计算装置32和第一选择装置33，并且这些装置提取关于将构成导体层的超导线的缠绕直径和缠绕间距的数据。

[0071]

在另一实施例中，本发明的系统包括第三相关关系计算装置41、第四相关关系计算装置42和第二选择装置43，并且这些装置提取关于将构成外导体层的超导线的缠绕直径和缠绕间距的数据。

[0072]

在另外的实施例中，第三选择装置52提取关于超导线的缠绕直径和缠绕间距的数据，其能够减少与过量规格相当的超导线的使用量；第四选择装置61分别提取导体层中超导线的层数和外导体层的超导线的层数等于或小于给定值的数据；第五选择装置72提取外导体直径最小的数据。由第三选择装置52、第四选择装置61和第五选择装置72进行的数据提取可以单独地利用这些装置中的一个或组合利用多个装置来执行。

[0073]

第一相关关系计算装置31计算比率Xf和径向收缩量Cf之间的关系，比率Xf是组成导体层的超导线的缠绕直径和缠绕间距之间的比率，径向收缩量Cf伴随超导线的冷却。缠绕直径以适当间隔设置在20至40mm范围内。缠绕间距以适当间隔设置在该缠绕直径的2至20倍范围内。径向收缩量Cf是通过求出当已以一定缠绕直径和缠绕间距缠绕的超导线在纵向上由于冷却引起收缩时超导线在径向上收缩多少而获得的值，其中径向收缩量Cf吸收由于超导线的冷却引起的热收缩。超导线的纵向收缩比可以从超导线的线性膨胀系数和由于冷却引起的温度变化量来获得。在该例中，该收缩比为0.3％。在径向上的收缩量，即径向收缩量，可以利用上述的收缩比和一个间距的螺旋布置的超导线被展开的事实来计算，其可以用直角三角形表示，其中超导线的长度是斜边，圆周长度是垂直边，以及间距是底边。

[0074]

第二相关关系计算装置32计算比率Xf和每单位长度电缆的导体层中超导线的使用量比Ufx之间的关系。每单位长度电缆的导体层中超导线的使用量比Ufx不是考虑从诸如电流容量等线路特性获得的必需线量Sf的值，而是考虑在单位长度电缆中形成导体层实际所需要的线的需要量fu的值。必需线量Sf是确保预定电流容量所需要的超导线以所选缠绕直径被应用在纵向上的情况下的线使用量。

[0075]

另一方面，如果确定了形成导体层的缠绕直径和缠绕间距，则能够根据该条件来求出在缠绕必需线量的超导线以构成导体层的情况下导体层的层数和厚度，因为超导线的宽度和厚度是已知的。在这种情况下，如果用超导线覆盖最外层的整个圆周，则必需线量Sf等于实际使用量fu。如果不是这种情况，则用超导线覆盖整个最外层的线量认为是超导线的实际使用量fu。于是，超导线的上述使用量比Ufx由fu/Sf表示，即实际线使用量与必需使用量之比。

[0076]

基于上述的第一相关关系计算装置31和第二相关关系计算装置32的计算结果，第一选择装置33提取关于超导线的缠绕直径和缠绕间距的数据，该数据满足超导线的给定径向收缩量Cfs和使用量比Ufxs。在该例中，径向收缩量Cfs为0.4mm，使用量比Ufxs为1.2。

[0077]

以基本思考方式，第三相关关系计算装置41、第四相关关系计算装置42和第二选择装置43是与第一相关关系计算装置31、第二相关关系计算装置32和第一选择装置33相同的，其中在第三相关关系计算装置41、第四相关关系计算装置42和第二选择装置43中，提取导体层的缠绕直径和缠绕间距的上述方法被应用到外导体层。就是说，第三相关关系计算装置41计算比率Xg与伴随超导线的冷却的径向收缩量Cg之间的关系，其中比率Xg是导体层的缠绕直径和缠绕间距之间的比率。以及，第四相关关系计算装置42计算比率Xg和每单位长度电缆的外导体层中超导线的使用量比Ufg之间的关系。

[0078]

然而，在该情况下，采用基于导体层的外径获得的值作为缠绕直径。由于在导体层上按顺序形成了垫层、重叠保持层和绝缘层，所以通过将它们各自的厚度加到导体层的外径来确定外导体层的缠绕直径。根据诸如电压和构成绝缘层的绝缘材料的绝缘特性等线路条件，能够关于垫层和重叠保持层的厚度以及绝缘层的厚度计算将要设置的值。

[0079]

另一方面，如同在导体层中的使用量比Ufx的情况一样，使用量比Ufg不是从诸如电流容量等线路特性获得的必需线量Sg，而是通过考虑在单位长度电缆中形成外导体层实际需要的线量gu所确定的值。在该例中，外导体层的电流容量与导体层的电流容量相同，并且获得使用量比Ufg的方法与使用量比Ufx的情况相同。

[0080]

然后，利用第二选择装置43，从第三相关关系计算装置41和第四相关关系计算装置42的计算结果，提取满足超导线的给定径向收缩量Cgs和使用量比Ufgs的超导线的缠绕直径和缠绕间距的数据。这里，径向收缩量Cgs为0.4mm，使用量比Ufgs为1.2。

[0081]

第三选择装置52、第四选择装置61和第五选择装置72是使第一选择装置33和第二选择装置43的提取结果进一步变窄的组成。

[0082]

在用第三选择装置52进行判断之前，借助总使用量计算装置51进行计算。总使用量计算装置51计算总使用量fu+gu，其中fu是导体层中超导线的使用量，gu是外导体层中超导线的使用量，而且根据必需线的总量Sf+Sg来计算总使用量比Utx＝(fu+gu/Sf+Sg)。然后，利用第三选择装置52提取总使用量Utx等于或小于给定值的数据。

[0083]

在用第一选择装置33和第二选择装置43提取的数据当中，第四选择装置61分别提取下述缠绕直径和缠绕间距，它们将实现等于或小于在导体层和外导体层中的预定最大层数H的多层。

[0084]

在借助第五选择装置72进行判断之前，用外径计算装置71进行计算。外径计算装置71求出外导体层的外径。更具体地，因为用第四相关关系计算装置42找出构成外导体层的超导线的层数，所以可以根据超导线的厚度和层数获得外导体层的外径。基于外径计算装置71的计算结果，第五选择装置72提取外导体层的外径为最小的数据。

[0085][本发明的设计系统的操作过程]

接下来，基于图3和4的流程图描述上述系统的操作过程。在这种情况下，本发明的系统的每个部件都涉及图2的功能框图。

[0086]

首先，如图3所示，设置导体层的缠绕直径和缠绕间距以及冷却时可容许的线应力，并且计算超导线在这些条件下的径向收缩量Cf(步骤S1)。至于冷却时可容许的线应力，关于超导线不会受到线冷却时的应力或允许一定可容许量的张应力作用于超导线，来设置比率，只有由于冷却引起的一定程度的热收缩被吸收。通过这种计算，得到比率Xf和径向收缩量Cf之间的关系，比率Xf是构成导体层的超导线的缠绕直径和缠绕间距之间的比率，径向收缩量Cf伴随超导线的冷却。

[0087]

接下来，计算在这种条件下构成导体层的超导线的必需线量和使用量比Ufx(步骤S2)。通过该计算，计算比率Xf和每单位长度电缆的导体层中的超导线的使用量比Ufx之间的关系。

[0088]

随后，进行判断径向收缩量Cf是否等于或小于给定径向收缩量Cfs(0.4mm)(步骤S3)，并且如果是这种情况，则进行下面的步骤S4，如果不是这种情况，则通过再一次设置不同的缠绕直径、缠绕间距和冷却时容许的线应力来重复步骤S1和步骤S2。

[0089]

在步骤S4中，判断超导线的使用量比Ufx是否等于或小于给定使用量比Ufxs(1.2)，如果是肯定的，则提取使用量比Ufx等于或小于1.2且径向收缩量Cf等于或小于0.4mm的缠绕直径和缠绕间距作为所述数据(步骤S5)。如果超导线的使用量比Ufx不等于或小于1.2，则通过再一次设置不同的缠绕直径、缠绕间距和冷却时容许的线应力来重复步骤S1、步骤S2和步骤S3。

[0090]

接下来，如图4所示，基于如在步骤S5中提取的导体层组成的结果来计算外导体层的缠绕直径(步骤S6)。

[0091]

随后，设置外导体层的缠绕间距，并用如上所述获得的缠绕间距和缠绕直径计算径向收缩量Cg(步骤S7)。根据该计算，关于比率Xg和径向收缩量Cg之间的关系进行计算，比率Xg是构成外导体层的超导线的缠绕直径和缠绕间距之间的比率，径向收缩量Cg伴随超导线的冷却。

[0092]

接下来，计算比率Xg和每单位长度电缆的外导体层中超导线的使用量比Ufg之间的关系(步骤S8)。

[0093]

随后，判断超导线的径向收缩量Cg是否等于或小于径向收缩量Cgs(0.4mm)(步骤S9)，如果是，则判断使用量比Ugx是否等于或小于使用量比Ufgs(1.2)(步骤S10)。如果满足这些条件，则提取超导线的缠绕直径和缠绕间距作为所述数据。相反，如果径向收缩量Cg和使用量比Ugx大于给定值，则改变外导体层的缠绕间距，并且再一次重复步骤S7和步骤S8。

[0094][实施例2]

在以上实施例中，当从第一选择装置33和第二选择装置43提取的结果获得数据时处理结束。然而，可使用第三选择装置52、第四选择装置61和第五选择装置72。该实施例的流程图示于图5中。由于直到步骤S10的处理过程与上述实施例1相同，所以将描述此后的处理过程。

[0095]

在该实例中，在步骤S10中在使用量比Ugx等于或小于给定使用量比Ufgs(1.2)的情况下，进行判断导体层的层数和外导体层的层数是否分别等于或小于最大层数H(步骤S12)。如果作为该判断的结果，导体层和外导体层各自的层数等于或小于最大层数H，则执行以下的步骤S13，如果不是肯定的，则排除该数据，而不用作提取的对象(步骤S17)。

[0096]

在步骤S13中，计算超导线的使用量比Utx，以及在步骤S14中，进行判断超导线的总使用量比Utx是否等于或小于给定值。

[0097]

如果作为该判断的结果，Utx等于或小于给定值，则在步骤S15中计算外导体层的外径，如果不是这种情况，则排除该数据，而不用作提取的对象(步骤S17)。

[0098]

然后，关于外导体层的外径变为最小的缠绕直径和缠绕间距，来提取数据(步骤16)。

[0099][试算的实例]

利用上述系统进行以下的试算，以便降低超导线的使用量，同时缩短超导线的间距以减少径向收缩量。

[0100]

首先检查“(间距/直径)比”与超导线的径向收缩量之间的关系，其中“(间距/直径)比”是构成超导层的超导线的缠绕间距和缠绕直径之间的比率。在该实例中，采用了三种缠绕直径20mm、30mm和40mm，并且关于这些直径的每一个，在工作期间作为冷却的结果超导线收缩了0.3％的情况下，利用每种材料的线性膨胀系数，关于“(间距/直径)比”和径向收缩量进行试算。结果示于图6的图表中。

[0101]

如该图表所示，如果(间距/直径)比相同，缠绕直径越大，径向收缩量就越小。此外，可以看出，如果缠绕直径相同，(间距/直径)比越小，径向收缩量就越小。由这些结果，将明白选择较小的间距有助于减少要被吸收的径向收缩量。

[0102]

接下来，检查超导线的(间距/直径)比和使用量之间的关系。这里，在超导线纵向布置即超导线沿着超导线将缠绕的目标来应用的情况下，超导线的使用量定义为1.0。因此，关于超导线的使用量示出了根据(间距/直径)比变化而改变的相对值。结果示于图7的图表中。

[0103]

如在该图表中可以看到的，超导线的使用量在(间距/直径)比为约6.0或以上的区域中没有显著增加，但超导线的使用量从比率小于约4.0的点处急剧增加。

[0104]

从上述的两个试算的结果，将明白如果超导线的使用量减少并且同时在冷却的情况下超导线的收缩容易被吸收，则约4.0至6.0范围内的(间距/直径)比是合适的。

[0105]

表1是基于上述的那些试算结果设计的超导电缆(50kV，10000A)的结构部件的材料和尺寸的总结。在导体层和外导体层中的超导线的缠绕间距分别是缠绕直径的5倍。换句话说，导体层的缠绕间距为210mm，外导体层的缠绕间距为约274mm。

[0106]表1

结构部件	材料	外径(mm)等
			骨架	不锈钢波纹管	30
内部应力释放层	PPLP	42(厚度：6mm)
			导体层	Bi2223超导线	46.4(4层)
垫层/重叠保持层	牛皮纸/铜带	47.4
			绝缘层和外部应力释放层	PPLP	54.7(厚度：3mm)
外导体层	Bi2223超导线	57.5(3层)
			垫层/重叠保持层	牛皮纸/铜带	59.5
保护层	牛皮纸	61.7(厚度：1mm)
			电缆的外径	——	116

[0107]

在表1描述的组成中，由于冷却还会造成骨架本身径向收缩。当在冷却的情况下收缩比假定为0.3％时，骨架的径向收缩量为0.09mm。另一方面，在42mm的缠绕直径和210mm的缠绕间距的条件下根据0.3％的收缩比的超导线的径向收缩量为0.45mm。因此，显然骨架的径向收缩量可以吸收导体层的20％的径向收缩量。因此，可以看出如果内部应力释放层的径向收缩量为0.36mm，则骨架和内部应力释放层的总径向收缩量可以吸收导体层的100％的径向收缩量。因此，如果形成了显示出0.45mm的径向收缩量的内部应力释放层，则仅由内部应力释放层就能吸收导体层的所有径向收缩量。

工业适用性

[0108]

用于设计DC超导电缆的本发明的设计系统可以用在设计了用于直流电力传输装置的DC超导电缆的领域中。

Claims (5)

1.一种用于设计DC超导电缆的设计系统，该DC超导电缆包括导体层和通过电绝缘层设置在导体层外部的外导体层，该设计系统能够计算构成导体层和外导体层的超导线的缠绕直径和缠绕间距，该设计系统包括：

a：第一相关关系计算装置，用于计算比率Xf和收缩量Cf之间的关系，比率Xf是构成导体层的超导线的缠绕直径和缠绕间距之间的比率，并且收缩量Cf能够吸收由于冷却引起的超导线的热收缩；

b：第二相关关系计算装置，用于计算比率Xf和每单位长度电缆的导体层中超导线的使用量比Ufx之间的关系；和

c：第一选择装置，用于从所述第一相关关系计算装置和所述第二相关关系计算装置的计算结果，提取超导线的缠绕直径和缠绕间距的数据，该数据能够满足超导线的给定收缩量Cfs和使用量比Ufxs。

2.如权利要求1所述的用于设计DC超导电缆的设计系统，进一步包括：

第三相关关系计算装置，用于计算比率Xg和由于超导线的冷却引起的径向收缩量Cg之间的关系，所述比率Xg是构成外导体层的超导线的缠绕直径和缠绕间距之间的关系，其中利用根据线路条件的绝缘层的厚度和基于第一选择装置的提取结果的导体层的外径来计算缠绕直径；

第四相关关系计算装置，用于计算所述比率Xg和每单位长度电缆的外导体层中超导线的使用量比Ufg之间的关系；和

第二选择装置，用于从第三相关关系计算装置和第四相关关系计算装置的计算结果，提取满足超导线的预定径向收缩量Cgs和使用量比Ufgs的超导线的缠绕直径和缠绕间距的数据。

3.如权利要求2所述的用于设计DC超导电缆的设计系统，进一步包括：

总使用量计算装置，用于计算总使用量tu，所述tu是导体层中超导线的使用量fu和外导体层中超导线的使用量gu的总量；和

第三选择装置，用于通过求出总使用量tu来计算总使用量比Utx，以及提取用第一选择装置和第二选择装置提取的数据当中的等于或小于给定值的比Utx的数据，所述tu是导体层中超导线的使用量fu和外导体层中超导线的使用量gu的总量，所述Utx是所述总使用量tu和必需线的总量Sf+Sg之间的比率。

4.如权利要求2所述的用于设计DC超导电缆的设计系统，进一步包括第四选择装置，其中第四选择装置在从第一选择装置和第二选择装置提取的数据当中提取下述数据，在所述数据中导体层和外导体层中的层数分别等于或小于预定最大层数H。

5.如权利要求2所述的用于设计DC超导电缆的设计系统，进一步包括：

外径计算装置，用于计算根据用第一选择装置和第二选择装置提取的数据设计的电缆中的外导体层的外径；和

第五选择装置，用于提取用第一选择装置和第二选择装置提取的数据当中的外导体层的最小外径的数据。

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