CN103177815A - 超导电缆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三轴超导电缆。该三轴超导电缆包括：低温恒温部，其具有同轴地设置的内低温恒温部和外低温恒温部，其间插设有空间；以及单个芯，设置在低温恒温部的内低温恒温部中，其间插设有空间，其中绕线模设置在芯的中心处，具有每一相的超导传导层沿径向在外侧同轴地设置在绕线模的外周处，其间插设有绝缘层，并且绝缘层同轴地设置在最外部的超导传导层的外周处，其中低温恒温部的外低温恒温部由铝材料制成并且构造为在超导电缆系统处电连接到中性极（N极）的中性线。

Description

超导电缆

技术领域

本发明涉及一种超导电缆，更具体地涉及这样一种超导电缆，其中具有每一相的超导体以三层的方式同轴地设置以构造为芯，并且外低温恒温部以导电性高的铝管构造以用作中性线。

背景技术

与普通的标准传导电缆相比，超导电缆通过使用超导线作为导体可传输大量的电能。

例如，韩国专利No.10-2011-0091929公开了一种超导电缆，其可以是具有单个芯的单相超导电缆，也可以是其中每个电相均不同的多个芯被结合成单体的多相超导电缆或者相似物，并且多相超导电缆具体地包括具有三个芯的三相（A-B-C相或R-S-T相）超导电缆。

图1是示出了一般的三相超导电缆的示意性剖视图。

参考图1，在低温恒温部10中构造多个相（即A相、B相和C相）的三个芯20设置在三相超导电缆2处。另外，用于将超导体保持在极低温度状态下的流体在低温恒温部10与三个芯20之间的空间20a中流动。三个芯20被盘绕而形成单个整体的轴或普通轴。具有这种一体的或公共的轴形状的芯20通常称为“同轴”电缆（在本说明书中，称为“三芯一体电缆”（在一个低温恒温部中有三个同轴电缆芯））。

在三芯一体超导电缆2中，按照从内侧到外侧的径向顺序，低温恒温部10包括：内低温恒温部11，由金属管制成；隔热层12，由多层隔热材料制成；以及外低温恒温部13，通过间隔件15保持真空部10a。

另外，按照从内侧到外侧的径向顺序，每个相的超导电缆芯20包括：绕线模（former）21，具有实心的形状或在其中形成冷却剂通道的中空的形状；超导传导层22；绝缘层23和超导保护层24。

如上所述，三芯一体超导电缆2应具有用于具有每一相的三个芯20中的每一个的超导传导层22和超导保护层24。由于超导线占据超导电缆的生产成本的90%，如果三芯一体超导电缆2的超导传导层22和超导保护层24由超导线制成，则需要大量的超导线，这降低了产品的竞争力。另外，由于具有每一相的三个芯20都布置成剖视图中的三角形模式，所以整个电缆的直径很大，这增加了安装超导电缆的建造成本。

另外，三芯一体超导电缆是在终端连接盒中从超导保护层24短路，所以在平时充当中性线的作用。此外，三芯一体超导电缆应构造成当电力系统中发生故障（如接地短路或相短路）时、在断路或类似操作之前的短时间内使故障电流流向超导保护层24。然而，当由于薄膜线制成较小的截面面积而产生故障电流时，超导保护层24可不承受突然的电流增加。因此，进一步设置铜传导层以与超导保护层一起用作中性线。如上所述，由于铜导体中性线应围绕具有三相的芯20中的每一个进行绞合，所以三芯一体超导电缆的结构复杂、制造工艺复杂且生产成本较高。

同时，韩国专利No.10-2008-0000671公开了一种电缆（AC电缆），其也称为“三轴电缆”，其中除了具有每一相的芯被共同绞合的三芯一体超导电缆之外，具有每一相的超导体被设置为同轴地叠置。在本说明书中，超导电缆称为“三轴电缆”。

在韩国专利No.10-2008-0000671中公开的三轴超导电缆被构造成使得具有含不同相的超导传导层（电能传输层）的单个芯被设置成沿径向从最内部的绕线模到外部，这些超导传导层与插设在它们之间的绝缘层以三层的方式同轴地叠置。该电缆可减小芯的直径，因此整个电缆的直径与三芯一体超导电缆相比稍微减小。然而，由于由普通的传导金属制成的中性线（中性层）应被绞合在芯的外绝缘层的外周上，从而应付零相电流（小于几百安培）和在通常的时间由三相不平衡电流产生的故障电流，所以三轴电缆的结构和制造过程也很复杂，并且需要很高的生产成本。

尤其是，在中性线设置在芯的外部的情况下，因零相电流经过中性线而使中性线产生热量，用于冷却热量的冷却装置的容量有所增加，这也增加了整个系统的成本。另外，如果几十千安的故障电流流入电缆，则故障电流会在中性线处产生电磁力，该电磁力会损坏绝缘体，因此降低超导电缆的可靠性。

发明内容

本发明旨在解决现有的超导电缆的问题，并且提供超导电缆和三轴超导电缆，其中具有每一相的超导体同轴地叠置以构造成芯，并且外低温恒温部以导电性高的铝管构造以用作故障电流经过电路的中性线，而无需在芯的外周上形成中性线，从而使得超导电缆因直径小且结构简单而能够以低生产成本制造，并且电缆的可靠性也通过防止中性线处产生的电磁力导致绝缘体过热或损坏而得到提高。

在一方面，提供一种超导电缆，其包括芯部，该芯部包括：绕线模，设置在芯部的中心处；一个或多个具有每个电相的超导传导层，其沿径向设置在绕线模的外侧；绝缘层，沿径向设置在每个传导层的外侧；以及保护层，设置在绝缘层中的最外面的绝缘层处；该超导电缆还包括低温恒温部，其沿径向设置在芯部的外侧，其间插设有第一空间，该低温恒温部具有设置在其中的真空部并电连接到中性极（N极）。

在根据本发明的超导电缆中，低温恒温部包括：内低温恒温部，沿径向设置在内侧；以及外低温恒温部，沿径向设置在外侧，其间插设有真空部，并且外低温恒温部电连接到中性极（N极）。

内低温恒温部可在超导电缆系统处电接地。

隔热材料可设置在内低温恒温部的外周处，并且隔热材料和外低温恒温部通过间隔件保持一间隙以形成真空部。

绕线模可构造成具有形成第二空间的中空部或者可构造成实心的形式。

冷却剂可在第一空间和第二空间中的至少一个中流动。

芯部可包括三个传导层以提供三轴超导电缆。

低温恒温部可由铝材料制成。

在另一方面，提供一种三轴超导电缆，其包括：低温恒温部，其具有同轴地设置的内低温恒温部和外低温恒温部，其间插设有真空部；以及单个芯，设置在低温恒温部的内低温恒温部中，其间插设有空间，其中绕线模设置在芯的中心处，具有每个电相的超导传导层沿径向在外侧同轴地设置在绕线模的外周处，其间插设有绝缘层，绝缘层同轴地设置在最外部的超导传导层的外周处，其中低温恒温部的外低温恒温部由铝材料制成并且构造为在超导电缆系统处电连接到中性极（N极）的中性线。

此外，还提供一种三轴超导电缆，其包括：低温恒温部，具有同轴地设置的内低温恒温部和外低温恒温部，其间插设有真空部；以及单个芯，设置在低温恒温部的内低温恒温部中，其间插设有空间，其中芯包括设置在该芯的中心处的绕线模，并且包括第一相超导传导层、第一绝缘层、第二相超导传导层、第二绝缘层、第三相超导传导层、第三绝缘层以及黏合物，它们沿径向按照从绕线模到外部的顺序同轴地叠置，并且其中低温恒温部的外低温恒温部由铝材料制成并且构造为在超导电缆系统处电连接到中性极（N极）的中性线。

如果使用根据本发明的三轴超导电缆，超导电缆的尺寸可由于具有每一相的超导体同轴地叠置而减小，从而减小电缆的截面尺寸。

另外，如果使用根据本发明的三轴超导电缆，由于超导保护层不是必须的，所以所用的超导线的量可大大减少，这确保了很好的经济性能。

另外，如果使用根据本发明的该三轴超导电缆，由于在超导电缆中必须采用的外低温恒温部由导电性优异的铝材料制成并且外低温恒温部被电连接到中性极以充当中性线，所以无需在芯的外周处的绝缘层上单独地绞合中性线导体（如铜导体）。因此，电缆可具有简单的结构并且确保容易制造，并且可以防止绝缘本体被故障电流损坏，从而提高超导电缆的可靠性。

另外，如果使用根据本发明的三轴超导电缆，即使当外低温恒温部因不平衡的电流或故障电流的流入而产生热量时，由于隔热材料插设在外低温恒温部与空间之间，所以外低温恒温部的热量不会影响内部绝缘和内部冷却剂，因此可以实现高效的系统并且当零相电流或故障电流流入时可以解决冷却剂的受热问题。

附图说明

从以下结合附图的详细描述中，公开的示例性实施例的以上和其它的方面、特征和优势将变得更加显而易见，其中：

图1是示出普通的三芯一体超导电缆的剖视图；

图2是示出根据本发明的三轴超导电缆的剖视图；

图3是图2中示出的超导电缆的等效环形视图（circuit view）；

图4是示出作为根据本发明的三轴超导电缆的中性线的铝制低温恒温部的寄生电压的示意性图表；以及

图5是将根据本发明的三轴超导电缆的截面尺寸与普通的一体超导电缆相比的示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图描述本发明的优选实施例。

图2和图3示出了根据本发明的三轴超导电缆的结构。

参照图2和图3，根据本发明的三轴超导电缆100构造成具有芯120（以下也称为“芯部”），其中具有每个电相的超导体在低温恒温部110中同轴地叠置。在图2中，芯120的中心与低温恒温部110的中心错开（向下垂落），但是该图示出了在任意点处的延长的电缆的剖视图，并且恰好完整地表达了芯120因引力而下落（定位在那一点）。根据该安装方法或电缆的曲线，芯120可在低温恒温部110中下垂或在另一点处的中间浮动。

这将在以下更详细地描述。

三轴超导电缆100在低温恒温部110中保持一定空间，从而使得芯120被设置在其中。

芯120包括位于其中心的绕线模121，并且具有每一相的超导传导层沿径向同轴地设置在外侧的绕线模121的外周，并且在超导传导层之间插设有绝缘层。

在图2和图3中示出的实施例中，芯120包括第一相（例如A相）超导传导层122、第一绝缘层123、第二相（例如B相）超导传导层124、第二绝缘层125、第三相（例如C相）超导传导层126以及第三绝缘层127，它们沿径向按照从中心处的绕线模121到外侧的顺序同轴地叠置。作为最外侧绝缘层的第三绝缘层127的外侧被黏合物128围绕（以下也称为“保护层”）。黏合物128保护最外侧绝缘层并且电接地，黏合物128通常由构造成金属胶带的“金属黏合物”制成。

第一、第二和第三绝缘层123、125、127由半导体层、绝缘层和半导体层组成，虽然它们在图中未加以区别地示出。

如图2和图3中示出，绕线模121构造的方式是金属线（例如，铜线）被绞合成具有在中心部形成空间120a的中空部或者被绞合成内部充满而没有空间的实体形式。

另外，绕线模121可以通过其中具有空间120a的金属管来构造。在绕线模121的中心处形成的空间120a（以下也称为“第二空间”）被用作使冷却剂120b流动的通道（见图3），并且即使当冷却剂不在其中流动，该空间也可以被完整地保持。

低温恒温部110与芯120同轴并且起到保护超导电缆（即，芯120）以及将超导电缆保持在极低的温度状态下的作用。

为此目的，低温恒温部110包括：内低温恒温部111，其沿径向与芯120分离而形成空间110a（以下也称为“第一空间”）；以及外低温恒温部113，其设置成保持自内低温恒温部111起的真空部114。

隔热材料112设置在内低温恒温部111的外周以隔热。内低温恒温部111和外低温恒温部113通过间隔件115保持一间隙。换言之，在内低温恒温部111处形成隔热层112的情况下，间隔件115被设置在隔热材料112与外低温恒温部113之间。

冷却剂110b（见图3）可在内低温恒温部111与芯120之间的空间110a中流动以帮助冷却。

内低温恒温部111和外低温恒温部113由螺旋波纹状的波纹管制成。

在本发明中，外低温恒温部113尤其由导电性优异的铝（Al）管制成并且在超导电缆系统处作为中性线（N极）（中性导体）电连接。

与此同时，内低温恒温部111也可由铝管制成，并且内低温恒温部111被连接成电接地。

在超导电缆系统中，由于内低温恒温部111在端子或连接盒处直接接触极低温度的流体（例如液氮），所以内低温恒温部111未用作中性线，而是用作地线，并且处于常温状态下的外低温恒温部113在一般时候用作中性线并且当故障发生时代替内低温恒温部111而构造为故障电流经过电路。在单独地设置地线的情况下，内低温恒温部111可以由通常用于极低温度的不锈钢管制成。

在本发明的超导电缆中，如果电流被施加到每一相的超导层，则电压会因电流产生的磁场的影响而被引入由铝制成的外低温恒温部113，并且循环电流（保护电流）由于相应的寄生电压而在由铝制成的外低温恒温部113中流动。

然而，如图4中所示，在具有三相的超导体如本发明这样被设置成同轴叠置的情况下，电流不会在由铝制成的外低温恒温部113中流动。在图4中，“r”代表从导体到外低温恒温部113的距离。

由于根据本发明的三轴超导电缆100构造成使得具有每一相的超导体同轴地叠置，所以它的截面尺寸与现有的三芯一体超导电缆2相比可减小。

图5是将具有相同容量的现有的三芯一体超导电缆2与根据本发明的三轴超导电缆100的截面尺寸相比较的示意图，由此可以判断出根据本发明的超导电缆的尺寸能够减少多少。

另外，由于三芯一体超导电缆2还应包括用于具有每一相的芯的超导保护层24，所以需要大量的超导线。然而，本发明的超导电缆100不需要超导保护层，所以与三芯一体超导电缆2相比，所用的超导线的量可减少一半，从而确保优良的经济性能。

在现有的三芯一体超导电缆中，铜导体应围绕具有每一相的芯的外周缠绕以起到中性线的作用以及故障电流经过电路的作用。相似地，在现有的同轴超导电缆的情况下，诸如铜导体等中性线导体应围绕最外侧的隔热层缠绕。在现有的超导电缆中，由于低温恒温部通常由用于极低温度的不锈钢管制成，所以不可能将低温恒温部用作导体。为此原因，不可能将低温恒温部用作普通的中性线或故障电流经过电路，所以中性线导体应在每个芯上单独地绞合。中性线导体应在每个芯上绞合的现有的电缆的结构复杂，并且其制造过程复杂且困难。

另外，在由诸如铜等通常的传导金属制成的中性线导体在绝缘层的外侧绞合的情况下，与以上描述的两个现有的电缆相似，如果几十kA的故障电流在电缆中流动，则故障电流在中性线处会产生电磁力，这会损坏绝缘体。

然而，在本发明的三轴超导电缆100的情况下，由于超导电缆所必需的外低温恒温部113由导电性优异的铝材料制成并且被连接到中性极以充当中性线，所以无需在芯120的最外侧的绝缘层127上单独地绞合中性线导体。因此，电缆可具有简单的结构且容易制造，并且可以防止绝缘本体因故障电流而损坏，这增加了超导电缆的可靠性。

同时，在三相电能传输电缆的情况下，例如由于在电能接收部处的负载发生改变，所以在多个相（A相、B相和C相）之间会发生电能不平衡。由于零相电流以一样的不平衡度（电能中的差值）沿着中性线流动，所以在中性线处会产生焦耳热。另外，当故障电流流入时，中性线会产生更多的热量。

然而，在中性线导体25在具有每一相的芯20的外周上绞合的现有的三芯一体超导电缆的情况下，或者在中性线导体在芯120的最外侧部分上绞合的早期的同轴超导电缆的情况下，中性线导体接触或直接靠近冷却剂（例如液氮（LN₂））。因此，如果不平衡的电流或故障电流在中性线处产生热量，则冷却剂（极低温流体）被加热，从而降低能量传输效率。另外，为了应对冷却剂的加热，超导电缆系统具有进一步冷却冷却剂的负担。

然而，在根据本发明的超导电缆的优选实施例中，如果低温恒温部110的外低温恒温部113替代直接接触冷却剂的内低温恒温部111而被设定为中性线，则即使当外低温恒温部113因不平衡电流或故障电流的引入而产生热量，由于隔热材料112被插设在外低温恒温部113与空间110a之间，所以外低温恒温部113的热量不会影响空间110a中的冷却剂。

虽然已经示出和描述了示例性实施例，但是本领域技术人员应理解，在不背离如所附权利要求书中限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对形式和细节进行各种改变。

另外，在不背离本发明的本质范围的情况下，能够对本发明的教导做出多种改型以适应特定的情况或材料。因此，本发明并不期望限制于作为准备实施本发明的最佳模式而公开的特定示例性实施例，相反，本发明将包括落入到所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种超导电缆，包括：

芯部（120），包括：绕线模（121），设置在所述芯部（120）的中心处；一个或多个具有每一电相的超导传导层，沿径向设置在所述绕线模（121）的外侧；绝缘层，沿径向设置在每个传导层的外侧；以及保护层，设置在所述绝缘层中的最外面的绝缘层处；以及

低温恒温部（110），沿径向设置在所述芯部的外侧，所述低温恒温部与所述芯部之间插设有第一空间（110a），所述低温恒温部（110）具有设置在其中的真空部（114）并且电连接到中性极（N极）。

2.根据权利要求1所述的超导电缆，

其中低温恒温部（110）包括：内低温恒温部（111），沿径向设置在内侧；以及外低温恒温部（113），沿径向设置在外侧，在所述内低温恒温部与所述外低温恒温部之间设有所述真空部（114），并且

所述外低温恒温部（113）电连接到所述中性极（N极）。

3.根据权利要求2所述的超导电缆，

其中所述内低温恒温部（111）在超导电缆系统处被连接成电接地。

4.根据权利要求2所述的超导电缆，

其中在所述内低温恒温部（111）的外周处设置隔热材料（112），所述隔热材料（112）和所述外低温恒温部（113）通过间隔件（115）保持一间隙以形成所述真空部（114）。

5.根据权利要求1所述的超导电缆，

其中所述绕线模（121）被构造成具有形成第二空间（120a）的中空部或者被构造成实心的形式。

6.根据权利要求5所述的超导电缆，

其中冷却剂在所述第一空间（110a）和所述第二空间（120a）中的至少一个中流动。

7.根据权利要求1所述的超导电缆，

其中所述芯部（120）包括三个传导层以提供三轴超导电缆。

8.根据权利要求1所述的超导电缆，

其中所述低温恒温部（110）由铝材料制成。

9.一种三轴超导电缆，包括：

低温恒温部（110），具有同轴地设置的内低温恒温部（111）和外低温恒温部（113），在所述内低温恒温部与所述外低温恒温部之间插设有真空部（114）；以及

单个芯（120），设置在所述低温恒温部（110）的内低温恒温部（111）中，在所述内低温恒温部与所述芯之间插设有空间（110a），

其中在所述芯（120）的中心处设有绕线模（121），在所述绕线模（121）的外周处沿径向在外侧同轴地设有多个具有每个电相的超导传导层，在所述多个超导传导层之间插设有绝缘层，所述绝缘层同轴地设置在最外部的超导传导层的外周，并且

其中所述低温恒温部（110）的外低温恒温部（113）由铝材料制成并构造为在超导电缆系统处电连接到中性极（N极）的中性线。

10.一种三轴超导电缆，包括：

低温恒温部（110），具有同轴地设置的内低温恒温部（111）和外低温恒温部（113），在所述内低温恒温部与所述外低温恒温部之间插设有真空部（114）；以及

单个芯（120），设置在所述低温恒温部（110）的内低温恒温部（111）中，在所述内低温恒温部与所述芯之间插设有空间（110a），

其中所述芯（120）包括绕线模（121），所述绕线模设置在所述芯的中心处，并且所述芯包括第一相超导传导层（122）、第一绝缘层（123）、第二相超导传导层（124）、第二绝缘层（125）、第三相超导传导层（126）、第三绝缘层（127）以及黏合物（128），它们沿径向按照从所述绕线模（121）到外部的顺序同轴地叠置，并且

其中所述低温恒温部（110）的外低温恒温部（113）由铝材料制成并且构造为在超导电缆系统处电连接到中性极（N极）的中性线。

Images