CN101752036B - 具有超导线缆的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有超导线缆(SK)的装置，其包括超导导体(1)和同心地围绕该超导体的超导屏(3)，其间夹置有电介质(2)。该线缆(SK)由低温控制器(KR)环绕，所述低温控制器(KR)封闭允许冷却剂通过的自由空间(FR)，该低温控制器(KR)包括两个金属管(4，5)，所述金属管相对于彼此同心地布置，在其间布置有真空绝缘。屏(3)包括超导材料，其电阻值在正常导电状态下比用于正常导电状态下导体(1)的材料的电阻值大至少50倍。

Description

具有超导线缆的装置
技术领域
本发明涉及一种具有超导线缆的装置，其包括超导体和同心地围绕该超导体并且夹置有绝缘体的超导屏，该线缆由低温控制器环绕，封装一自由空间使得冷却剂能够通过，该低温控制器包括相对于彼此同心地布置的两个金属管，在两个金属管之间布置有真空绝缘(WO 03/052775 A1)。
背景技术
在现代技术中，超导线缆具有由复合材料组成的电导体，该材料包含陶瓷材料，该材料在足够低的温度下可变化为超导状态。当提供充分的冷却时，对应设计的导体的直流电阻是零，只要没有超过特定的电流水平。例如，适当的陶瓷材料为YBCO(钇-钡-铜氧化物)或BSCCO(铋-锶-钙-铜氧化物)。例如，将这种材料改变为超导状态的所需的充分低的温度处于67K与110K之间。例如，适当的冷却剂为氮、氦、氖和氢或者这些物质的混合物。
在根据初始引用的WO 03/052775 A1的装置中，使用具有冷介质的超导体线缆。这包括应用至管状支承件的内导体，以及相对于其同心布置的屏，它们彼此分离地保持并且由介质(绝缘)形成一距离。例如，导体和屏包括超导材料的带，诸如YBCO或BSCCO，围绕一基体缠绕，彼此并排地紧密设置，具有长的设置长度。这一公知超导线缆设计成使得在无故障操作期间超导屏从外部屏蔽超导体的磁场。该线缆的阻抗在发生短路时只轻微地发生变化。该短路电流导致大量的能量被导入，精确地说，既导入导体又导入线缆的屏，这将导致线缆被毁坏(烧坏)。
发明内容
本发明的基础是对初始描述的装置进行设计使得短路的效果能够被明显地减小这一目的。
根据本发明，这一目的通过下述特征实现，屏包括超导材料，其电阻值在正常导电状态下比正常导电状态下用于导体的材料的电阻值大至少50倍。
当产生短路时，导入线缆的能量导致温度增加。这一温度增加和大于额定电流的短路电流导致屏和导体的超导材料从超导状态变化为正常导电状态。因为其具有高电阻值，所以屏然后承载可以忽略的电流，由此其丧失其屏蔽作用。导体的磁场因此可几乎没有任何阻碍地传播。这直接导致导体电感的明显增加，也就是说，其电阻增加。流过导体的短路电流因此明显并且快速地受到限制。由于已知线缆中的高短路电流产生的加热被对应地减小。
限制短路电流的效果可通过额外地将包括铁磁材料的层装配在所述屏外部而得以增强。
可用于诸如此类的层的铁磁材料是具有大于10的相对导磁率μr的所有材料。布置在所述屏外部的铁磁材料的层进入短路情况下由线缆中的导体产生的磁场，并且导致导体电感的进一步增加，也就是说，其电阻进一步增加。包括铁磁材料的层的这一效果通过超导线缆为交流线缆时产生在其中的再磁化损失而进一步增强。另外，铁磁材料屏蔽外部的线缆的导体的磁场。因此，对于位于低温控制器外部的装置，电磁干涉几乎不可能出现。另外，作用在附近的其他线缆相(cable phase)上的力被减小。
包括铁磁材料的层可布置在低温控制器的外周上。在这种情况下，低温控制器的外管能够有利地本身包括铁磁材料。具有高相对导磁率μr的材料优选地用作铁磁材料。不仅可使用具有高滞后损失的材料，而且也可使用具有低滞后损失的材料，取决于短路电流情况下所需的线缆性能。包括铁磁材料的层也是导电的，与所有金属材料相同的方式。因此，可在可源自于线缆中的导体的交变磁场的影响下通过磁性滞后和涡流电流加热。但是，在该装置的优选实施例中，该加热产生在低温控制器外部，由此，线缆本身以及冷却介质不会被其加热。因此加热较少，所以冷却次数降低，由此，线缆能够更快速地被再次使用。所降低的加热也降低了该装置中的各个部件的机械载荷。最后，冷却剂也不会受到铁磁层的加热的影响。因此只需要少量的冷却能量，所以由于减小的短路电流，所以冷却装置的设计在该装置的优选实施例中也可得以简化。
如果具有非常低的滞后损失的材料用于包括铁磁材料的层，那么该层只被可能由线缆中的导体产生的任何交变场不明显地加热。诸如此的材料有利地具有高相对导磁率μr。尤其当使用诸如此的材料时，包括铁磁材料的层也可布置在低温控制器中。例如，其可然后直接地环绕线缆屏。在线缆的这一实施例中，低温控制器的内管也可包括铁磁材料。
附图说明
本发明的主题的示例性实施例示出于附图中，其中：
图1至3示出根据本发明的不同设计的三种结构的剖视图，采用示意图的形式。
具体实施方式
如图1所示，该装置包括超导线缆SK和围绕该超导线缆的低温控制器KR。另外，低温控制器KR封装一自由空间FR，冷却剂，例如氮，在该装置操作期间通过该自由空间。
该超导电缆SK包括超导体1、环绕该超导体并且用于绝缘的绝缘体2，以及布置在绝缘体2上方的超导屏3。
该低温控制器KR由两个金属管4和5形成，它们布置成彼此同心，优选地采用钢制成并且相对于它们的纵向方向横向地呈波纹状从而改善该低温控制器KR的柔性。真空绝缘6使用已知的技术装配在低温控制器KR的内管4与外管5之间。
导体1和屏3具有超导材料。采用适当的冷却，它们在线缆SK的操作期间处于超导状态。但是，导体1和屏3的材料是不同的，精确地，在正常的传导状态，屏的材料的电阻值比导体1的材料的电阻值大至少50倍。
为此目的，大量的屏3有利地包括掺杂有稀土的氧化超导体材料。一种这样的材料的名称公知为ReBCO(稀土钡-铜氧化物)。优选地用于屏3的一种材料为YBCO。
导体1有利地包括BSSCO，以及可能的情况下，电性和机械性稳定，采用铜。因为银在BSSCO中的比例高，所以当其处于正常传导状态时，导体1具有明显低于屏3的电阻值。这一效果也可在ReBCO优选地YBCO与铜的组合用于导体1时实现。
因为导体1和屏3的材料不同，所以根据本发明的结构如下所述进行操作：
在短路的情况下，线缆SK的屏3非常大程度地丧失了其屏蔽作用。由导体1在线缆SK中产生的磁场因此几乎没有任何阻碍地传播，并且直接导致导体1的电感的明显增加，也就是说，导致其电阻的增加。流经导体1的短路电流因此被明显地并且快速地限制。由于短路电流而产生的对线缆SK和其周围区域进行的加热因此被保持得相对低，由此，短路已经被校正之后冷却该结构所消耗的能量相对低。
如图2和3所示，线缆SK可以额外地具有包括铁磁材料的层，其布置在屏3的外部：
如图2所示，采用管形式封闭的并且包括铁磁材料的层7装配在低温控制器KR的外管5上。该层7位于该装置的整个长度上并且完全包围管5的外周。层7因此是以管形式封闭的护套。在短路情况下，其进入由导体1在线缆SK中产生的磁场并且因此导致导体1的电感额外地增加，也就是说，其电阻进一步增加。如上所述进一步解释的效果因此通过包括铁磁材料的层7增加。
如果超导线缆SK是交流线缆，那么限制短路电流的效果可通过可产生在包括铁磁材料的层7中的再磁化损失而进一步增强。
层7可采用包括铁磁材料的带形成，诸如Magneperm，其缠绕管5并且具有重叠边缘。这一材料具有50Hz下μr＝450000的相对导磁率。该层7也可由诸如此的材料的纵向延伸带形成，其完全围绕管5，重叠点沿纵向方向延伸。
包括铁磁材料的层的壁厚有利地大于0.1毫米。铁磁材料的相对导磁率μr为大于10。
铁磁材料通常通过高的相对导磁率μr进行区分。不考虑这一点，铁磁材料具有由封闭在B-H图上的区域形成的滞后损失。这两个变量都取决于所使用的材料。μr与滞后损失之间不存在关联。
在图2所示的装置的一项改进实施例中，代替分离的或额外的层7，低温控制器KR的外管5本身也可包括铁磁材料，例如包括具有处于50Hz下的μr＝1000的相对导磁率的钢。包括镍和铁以及少量的其他添加剂的合金也是合适的。
重要的因素是包括铁磁材料的层在所有实施例中布置为超导屏3外部的完全封闭层，使得其在短路的情况下位于导体1的磁场中。采用图3所示的对应方式，其也可布置在低温控制器KR中并且可作为屏3上的层8，例如在外部。如已经说明的，具有非常低的滞后损失的材料有利地用于层8，由此，其在短路的情况下仅被不明显地加热。层8然后可连接至与屏3相同的电势。类似于图1，代替分离层8，低温控制器KR的内管4也可由铁磁材料制成。在采用铁磁材料的位于低温控制器KR中的装置的这一实施例中，流动于导体1中的短路电流也如图1所示的装置那样受到限制。

Claims (14)

1.具有一种超导线缆的装置，其包括超导体和超导屏，所述超导屏同心地围绕所述超导体，夹置有电介质，该线缆由低温控制器环绕，封闭出使得冷却剂通过的自由空间，该低温控制器包括两个金属管，所述金属管布置成彼此同心，在其间布置有真空绝缘，其特征在于，所述屏(3)包括超导材料，其电阻值在正常导电状态下比用于导体(1)的材料在正常传导状态下的电阻值大至少50倍，其中，在短路情况下，所述导体(1)的电阻增加，于是流过所述导体(1)的短路电流被快速地限制，并且热发生对应地减小。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述屏(3)包括掺有稀土的氧化超导材料。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述屏(3)包括YBCO。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导体(1)包括BSSCO。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述导体(1)用铜进行稳定。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导体(1)包括ReBCO和铜的组合。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述导体(1)包括YBCO和铜的组合。
8.根据权利要求1至7任一项所述的装置，其特征在于，以管的形式封闭的并且包括铁磁材料的层(7，8)额外地设置在线缆(SK)的整个长度上的所述屏(3)的外部。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述铁磁材料的相对导磁率大于10。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，包括铁磁材料的层(7)在外部添加至低温控制器(KR)的外管(5)。
11.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述低温控制器(KR)的外管(5)包括铁磁材料。
12.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述铁磁材料布置在所述低温控制器(KR)中。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，包括铁磁材料的层(8)在外部添加至所述屏(3)。
14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述低温控制器(KR)的内管(4)包括铁磁材料。
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