CN107078496A - 超导电力系统以及超导电缆铺设方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超导电力系统以及超导电缆铺设方法，以在对超导电缆进行冷却操作时能够有效地吸收电缆收缩所产生的收缩力，并且能够以尽量减少不必要的铺设空间的浪费的方式铺设超导电缆。

Description

超导电力系统以及超导电缆铺设方法

技术领域

本发明涉及一种超导电力系统以及超导电缆铺设方法，更详细而言，本发明涉及一种以能够在对超导电缆进行冷却操作时有效地吸收电缆收缩所产生的收缩力，并且能够以尽量减少不必要的铺设空间的浪费的形式铺设超导电缆的超导电力系统以及超导电缆铺设方法。

背景技术

在一定的温度下，超导线材的电阻接近于零，因此在低电压下也具有较强的输电能力。

作为能够实现大容量、高效率、环保输电的电力电缆，交流超导电缆在其允许电流中充电电流所占的比重较小，因此充电电流所致的输电距离限制小于现有的电缆。因此，有利于远距离输电，特别是对于直流超导电缆来说，电阻接近于0，因此具有几乎不存在远距离输电引起的电压下降的优点。

具备这样的超导线材的超导电缆采用通过氮等冷媒进行冷却的方法以及/或者形成真空层的隔热方法来形成并保持极低温环境。由于超导电缆使用冷媒来保持极低温，因此可以在铺设区间内每隔规定距离设置中间接线盒，并设置终端接线盒，以与常温环境的电力系统连接。

构成这种超导电力系统的超导电缆一般包括内部金属管和外部金属管。

可以在构成超导电缆的内部金属管的内侧设置液态冷媒循环的冷却部，并在其外部设置用于防止辐射等热传递的MLI(Multi Layer Insulation：多层绝缘)形式的隔热层。

为实现真空隔热，可以在所述隔热层的外侧设置真空部，所述真空部具备隔离空间，所述隔离空间具备隔离件，并且在所述真空部的外侧设置外部金属管。

所述内部金属管和外部金属管可以由金属材料构成，例如，可以由铝材料等构成。

一般的超高压电缆在进行输电时，由于导体发热而使线材发生热膨胀。因而有可能在管路内发生扭曲以及固定部位的力集中。因此利用铺设设计技术开发了对应各种环境条件的铺设方法。自超导电缆的开发期已过了较长的时间，因此也积累了铺设设计技术。

然而对于超导电缆来说，由于使用极低温冷媒即液氮，因此不同于现有的超高压电缆，会发生收缩现象。特别是，所述内部金属管收纳液态冷媒，因此有可能因在所述冷却部进行循环的极低温的液态冷媒而产生严重的收缩作用。

相反，对于所述外部金属管来说，通过隔热部以及真空部来阻断辐射、对流以及传导等热传递，因而液态冷媒引起的冷却收缩量并不大。

因此，出于保持超导电缆的强度等目的而设置的内部金属管和外部金属管在液态冷媒进行填充以及循环时发生不同程度的收缩。

内部金属管和外部金属管分别具有波纹结构，因此当内部金属管收缩时超导电缆整体都会收缩，收缩的超导电缆有可能对各个中间接线盒或终端接线盒施加收缩力。

当因超导电缆的收缩而分别向接线盒施加收缩力时，与接线盒的接线上有可能发生问题或者事故，为防止这种情况，以往并未将各个中间接线盒或者终端接线盒设置成固定型而是设置成能够在预定范围内沿着平行于收缩力的方向进行滑动的结构，或者在超导电缆铺设区间内形成规定的水平迂回空间或水平方向偏移(offset)空间，以通过该空间设定超导电缆沿着水平方向大幅迂回的区间，从而应对超导电缆的收缩。

然而，设置可滑动的接线盒的方法有可能降低系统的稳定性，而形成偏移空间的方法不必要地在超导电缆的铺设区间内不必要地增加超导电缆的铺设面积，并且因内部摩擦力而使收缩力的减小不充分。

特别是，当将超导电缆铺设在地下时，不易确保充分的偏移空间，并且有可能与需要一同设置在铺设空间中的其它种类的电缆等发生干涉。

发明内容

所要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种以能够在对超导电缆进行冷却操作时有效地吸收电缆收缩所产生的收缩力的形式铺设超导电缆的超导电力系统以及超导电缆铺设方法。

解决技术问题的方案

为解决所述技术问题，本发明提供一种超导电力系统，其包括：超导电缆，包括位于中心部的骨架、设置在冷却流路外侧的内部金属管以及在内侧设有真空部的外部金属管；第一接线装置，其与所述超导电缆的一端连接；以及第二接线装置，其与所述超导电缆的另一端连接，其中，连接所述第一接线装置以及第二接线装置的超导电缆具备向下悬垂的至少一个悬垂区间。

另外，一个悬垂区间可以具有正弦(SIN)函数或余弦(COS)函数曲线中连接相邻的最高点的一周期区间的形状。

其中，相当于所述悬垂区间的周期的悬垂长度P和所述悬垂区间内所述超导电缆的最大下垂量即悬垂高度A可以满足16.0<悬垂长度P/悬垂高度A<27.5的范围。

并且，所述悬垂高度A以及超导电缆的直径D可以满足1.0<悬垂高度A/直径D<2.0的范围。

此时，所述悬垂长度P以及超导电缆的直径D可以满足30<悬垂长度P/直径D<40的范围。

另外，可以包括至少两个支撑构件，其设置在相隔的位置，以支撑所述超导电缆，从而形成所述悬垂区间。

其中，可以设置N+1个所述支撑构件，从而彼此相邻地连续配置N个(N是2以上的自然数)所述悬垂区间。

并且，在N个所述悬垂区间中，悬垂长度长的悬垂区间的悬垂高度可以大于悬垂长度短的悬垂区间的悬垂高度。

此时，所述第一接线装置以及所述第二接线装置中的某一个接线装置可以构成为固定型。

另外，可以将所述超导电缆配置成水平的直线状，使得从所述第一接线装置以及所述第二接线装置至相邻的支撑构件形成水平区间。

另外，为了解决所述技术问题，本发明可以提供一种超导电缆的铺设方法，用于将超导电缆连接到位置固定的两个接线装置上并铺设，所述超导电缆包括：芯部，其包括位于中心部的铜材料的骨架以及超导导体层；内部金属管，在其内侧设有用于冷却所述芯部的冷却部；外部金属管，其收纳设置在所述内部金属管外侧的隔热部以及真空部，所述超导电缆的铺设方法包括以下步骤：试铺步骤，将超导电缆铺设成，超导电缆中向下悬垂的多个悬垂区间相邻并具有悬垂长度和悬垂高度相同的周期函数曲线形状；收缩力测定步骤，测定在对所述试铺步骤中铺设的超导电缆进行冷却操作时，骨架、内部金属管以及外部金属管各自在电缆长度方向上的膨胀或收缩所引起的收缩力；铺设条件确定步骤，考虑在所述收缩力测定步骤中测定的骨架、内部金属管以及外部金属管的收缩力之和，从而确定铺设超导电缆时的多个悬垂区间的水平方向距离即悬垂长度以及悬垂高度；以及超导电缆铺设步骤，根据在所述铺设条件确定步骤中确定的铺设条件铺设超导电缆。

其中，所述铺设条件确定步骤中，可以对在所述收缩力测定步骤中测定的所述超导电缆的骨架、内部金属管以及外部金属管的收缩力之和以及铺设的超导电缆的长度与最大允许收缩力以及成本条件进行比较，从而使所述悬垂长度以及所述悬垂高度满足16<悬垂长度P/悬垂高度A<27.5的范围。

并且，所述铺设条件确定步骤中，可以使相当于所述悬垂区间的周期的悬垂长度P以及所述超导电缆的直径D的关系满足30<悬垂长度P/直径D<40的范围。

此时，所述铺设条件确定步骤中，可以使所述悬垂高度A以及超导电缆的直径D的关系满足1.0<悬垂高度A/直径D<2.0的范围。

并且，所述铺设条件确定步骤中可以确定可允许的多个铺设条件。

此时，可以改变着试铺的超导电缆的悬垂长度以及悬垂高度，反复进行多次所述试铺步骤以及所述收缩力测定步骤。

并且，所述试铺步骤以及所述收缩力测定步骤可以通过计算机模拟方法进行。

有益效果

根据本发明涉及的超导电力系统以及超导电缆铺设方法，能够在对超导电缆进行冷却操作时有效地吸收电缆收缩所产生的收缩力，因此能够有效地减小施加于终端接线装置等的收缩力。

另外，根据本发明涉及的超导电力系统以及超导电缆铺设方法，有效地吸收施加于终端接线盒等的收缩力，因此能够将终端接线装置等构成为固定型而非活动型，从而能够提高整体系统的稳定性。

另外，根据本发明涉及的超导电力系统以及超导电缆铺设方法，能够尽量减少不必要的铺设空间(偏移等)的浪费。

附图说明

图1示出了分层次剥开本发明的超导电缆的立体图，图2示出了图1所示的超导电缆的剖视图。

图3是用于说明构成本发明涉及的超导电力系统的超导电缆铺设方法的概念的概念图。

图4示出了本发明涉及的超导电力系统的两个示例。

图5示出了本发明涉及的超导电力系统的另一示例。

图6示出了本发明涉及的超导电缆铺设方法的方框图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明。但是，本发明并非限定于在此说明的实施例，也可以以其它形式具体化。提供在此介绍的实施例的目的在于，使公开的内容彻底且完整，并且向本领域技术人员充分地转达本发明的思想。说明书全文中相同的附图标记表示相同的构成要素。

图1示出了分层次剥开本发明的超导电缆的立体图，图2示出了图1所示的超导电缆的剖视图。

说明本发明的超导电缆的基本结构。

超导电缆可以包括：芯部100、冷却部200、内部金属管300、隔热部400、真空部500、外部金属管600以及护套部700，所述芯部包括：骨架110；至少一个超导导体层130，所述超导导体层130包括沿着所述骨架110的长度方向并排配置并围绕所述骨架110外部的多个超导线材；绝缘层140，围绕所述超导导体层130；至少一个超导屏蔽层180，所述超导屏蔽层180包括沿着所述骨架110的长度方向并排配置并围绕所述绝缘层140外部的多个超导线材，所述冷却部200位于所述芯部100的外侧，具备用于冷却所述芯部100的液态冷媒的冷媒流路，以便冷却所述芯部100，所述内部金属管300位于所述冷却部200的外侧，所述隔热部400位于所述内部金属管300的外侧，形成有卷绕多层隔热材料401的隔热层，所述真空部500在与所述隔热部400外部相隔的位置具备多个隔离件560，以便对所述冷却部200进行真空隔热，所述外部金属管600位于所述真空部500的外侧，所述护套部700位于所述外部金属管600的外侧，形成护套层。

下面依次分析构成超导电缆的各个构成要素。所述骨架110提供将扁长的超导线材安装于骨架110周围的场所，同时发挥用于形成形状的框架作用，可以成为故障电流流动的路径。所述骨架110可以具有将截面为圆形的多个铜(Cu)裸线111压缩成圆形的形状。

具体而言，基本上骨架110呈圆的圆筒形状，发挥用于布置扁长的超导线材的框架作用。确定所述骨架110的直径时，考虑超导线材的宽度，要求能够防止超导线材隆起，并且当把超导线材一同布置在骨架110上时能够形成尽量接近圆形的结构。

如图1以及图2所示，所述骨架可以构成为中心部充满的形式，但是所述骨架110可以构成为中空的圆筒状，以便同时发挥用于布置超导线材的框架作用以及冷媒在内部移动的路径作用，构成骨架的各导体裸线111可以由铜等构成，也可以将各裸线与各超导线材并联连接，以便在电力系统中出现故障电流时能够发挥回路导体作用。

可以根据故障电流的容量来确定构成裸线的铜等的导体截面积，高压情况下，铜裸线可以构成为压缩成圆形的绞线形式。

构成所述骨架110的多束具有圆形截面的裸线111是压缩成圆形的绞线形式，因此，骨架110的表面必然凹凸不平。为了使骨架110的凹凸表面变得平滑，可以在骨架110的外部覆盖平滑层120。所述平滑层120可以采用半导电性碳纸或黄铜带等材料。

虽未图示，但是可以在所述平滑层120与超导导体层130之间进一步设置垫层。设置所述垫层时，可利用半导电碳纸带来保护超导导体层。

可以在所述平滑层120的外侧设置由超导线材构成的至少一个超导导体层。构成本发明的超导导体层的超导线材可以采用第二代超导线材。

在特定温度以下电阻变为“0”的现象称作超导现象，并非在绝对零度(-273℃)下而是在100K(-173℃)附近，相对高于绝对零度的温度下出现超导的现象称作高温超导(High Temperature Superconductor)。在电力电缆领域所使用的超导线材采用高温超导体，报道的有以BSCCO为主要材料的第一代线材和以YBCO或ReBCO为主要材料的涂层导体(Coated Conductor,CC)型的第二代线材。

最近使用第二代超导线材的理由为，第一代超导线材将Ag用作母材，因此难以降低超导线材的价格，第二代超导线材的交流损失特性更加优秀，第一代超导线材具有细丝结构而第二代超导线材的层(Layer)状结构特性在滞后损失方面更有效率。

第二代超导线材可以由金属基板部、缓冲部、超导部、保护部等构成。金属基板部用作线材的基底构件，发挥保持超导线材的机械强度的作用，可以采用哈斯特合金(Hastelloy)、镍-钨(Ni-W)等物质。所述缓冲部可以发挥用于在金属基板上蒸镀超导层的缓冲(buffer)作用。所述超导层在通电时用作电流的通电路径，保护部的材料可以由银(Ag)或铜(Cu)合金层构成。银(Ag)合金层位于超导层与铜(Cu)合金层之间，以便能够进行蒸镀，铜(Cu)合金层可发挥增强机械强度的作用。根据应用设备，可以构成不同厚度及材料的各合金层。

采用这种第二代超导线材而通过所述平滑层120变得平坦的所述骨架110的外侧可以设有第一超导导体层130a，所述第一超导导体层130a是由多个超导线材131围绕而形成的层。可以将第一超导导体层130a设置成，使多个超导线材并排邻接而围绕所述平滑层120的周围。

另外，如图1所示，根据通过超导电缆输电或配电的电流容量，也可以构成多层超导导体层130。

图1所示的实施例中示出了共具备两层超导导体层130a、130b。另外，单纯地层叠配置超导导体层时，由于电流的趋肤效应，电流容量不会增加。为了防止这样的问题，当具备多层超导导体层时，可以在超导导体层130a、130b之间设置绝缘层140。所述绝缘层140可以构成为绝缘带的形式，并且配置在层叠的超导导体层130a、130b之间，使超导导体层130a、130b彼此绝缘，从而能够防止层叠的超导线材的趋肤效应。通过所述绝缘层140层叠为多层的超导导体层的通电方向可以一致。

图1所示的实施例中示出了所述超导导体层130由两层即第一超导导体层130a和第二超导导体层130b构成的示例，但是根据需要，还可以具备层数更多的超导导体层。

并且，构成各超导导体层130a、130b的超导线材可以与构成骨架110的各裸线并联连接。这是为了在发生超导条件的破坏等事故时，使流向超导线材的电流流向骨架110的裸线。为的是通过这样的方法在不满足超导条件时防止超导线材的电阻变大而使超导线材发热或损伤等。

设置在所述第一超导导体层130a外侧的第二超导导体层130b的外部可以设有内部半导电层150。所述内部半导电层150可以用来缓解超导导体层130的不同区域的电场集中，使表面电场均匀。具体而言，所述内部半导电层150可以用来缓解发生在超导线材角落部分的电场集中，使电场分布均匀。后述的外部半导体层170在这一点上也相同。可以通过卷绕半导电带的方式设置所述内部半导电层150。

所述内部半导电层150外侧可以设有绝缘层160。所述绝缘层160可以用来增大超导电缆的绝缘强度。为了使高压电缆绝缘，一般采用XLPE(Cross Linking-Polyethylene：交联聚乙烯)或充油方式(oil filled cable)，但是为了超导线材的超导性，将超导电缆冷却至极低温，而在极低温下XLPE破损而存在绝缘击穿的问题，充油方式(oil filledcable)则会产生环境问题等，因此本发明涉及的超导电缆可以将普通纸质的绝缘纸用作绝缘层160，可以通过卷绕多次绝缘纸的方式构成所述绝缘层160。

所述绝缘纸主要采用牛皮纸或PPLP(Polypropylene Laminated Paper：聚丙烯层压纸)。考虑到卷绕的容易性以及绝缘强度特性，在多种纸绝缘物质中，超导电缆采用PPLP绝缘纸。

所述绝缘层160的外部可以设有外部半导电层170。所述外部半导电层同样可以用来缓解超导导体层130的不同区域的电场集中，使表面电场均匀，并且同样可以通过卷绕半导电带的方式设置所述外部半导电层170。

并且，所述外部半导电层170的外侧可以设有超导屏蔽层180。形成所述超导屏蔽层180的方法可以与形成所述超导导体层130的方法相同。当所述外部半导电层170的表面不均匀时，可以根据需要设置平滑层(未图示)，可以在所述平滑层的外部分别沿着圆周方向并排配置用于形成超导屏蔽层180的超导线材。

设计成使流通于由第二代超导线材构成的屏蔽层的电流大约达到流经超导导体层的电流的95％左右，从而能够实现漏磁的最小化。

所述超导屏蔽层180的外侧可以设有发挥芯部100外包装作用的芯外装层190。所述芯外装层190可以包括各种带或粘合剂等，发挥外装作用，使芯部100露出于后述的冷却层，并且发挥紧固芯部100的所有结构物的作用，可以由SUS材料等的金属带构成。

可以通过这样的方法构成超导电缆的芯部100，虽然图1以及图2中示出了所述平滑层以及所述半导电层由相同材料的单层构成，但是可以根据需要增设多种附属层。

所述芯部100的外侧可以设有冷却部200。所述冷却部200可以用来冷却所述芯部100的超导线材，所述冷却部200的内侧可以设有液态冷媒的循环流路。所述液态冷媒可以使用液氮，所述液态冷媒(液氮)以冷却至零下200度左右温度的状态在所述冷却流路中循环，能够保持冷却部内部的芯部所具备的超导线材的超导条件即极低温。

所述冷却部200所具备的冷却流路可以使液态冷媒沿着一个方向流动，在超导电缆的接线盒等中回收且再次冷却，然后再次供应至所述冷却部200的冷却流路中。

所述冷却部200的外侧可以设有内部金属管300。所述内部金属管300与后述的外部金属管600一同发挥超导电缆的外装作用，防止在超导电缆的铺设以及搬运过程中的芯部100的机械损伤。为了容易制造并搬运，将超导电缆卷绕在卷筒上，在设置时展开卷绕在卷筒上的电缆进行设置，因此有可能向超导电缆持续施加弯曲应力或拉伸应力。

为了在施加这样的机械应力的情况下仍然保持初始性能，可以设置内部金属管300。因此，为了增强应对机械应力的强度，所述内部金属管300可以具有沿着超导电缆的长度方向重复隆起并凹陷的波纹结构(corrugated)，所述内部金属管300可以由铝或SUS等材料构成。

所述内部金属管300的内部设有液态冷媒流动的冷却流路，因此当开始冷却超导电缆1000时，由金属材料构成的所述内部金属管300会一同被冷却，并按照与温度对应的膨胀/收缩率进行收缩。

随着冷却超导电缆发生所述内部金属管300的收缩现象，也可能在位于超导电缆1000中心部的骨架等处发生得严重。

这样的收缩现象沿着超导电缆的长度方向发生，并向构成本发明涉及的超导电力系统的终端接线装置或中间接线装置施加收缩力。

当然，优选将施加于终端接线装置或中间接线装置的收缩力理解为，准确地说是施加于骨架110、内部金属管300以及外部金属管600的收缩力之和。

当然，这样的收缩现象也有可能在构成超导导体层或超导屏蔽层的超导线材上发生，但是其体积或重量在整个超导电缆中所占的比值可以忽略不计。将与后述的本发明涉及的超导电缆铺设方法一同后述。

所述内部金属管300位于所述冷却部200的外侧，因此可以处于与液态冷媒温度对应的极低温下。因此，可以将所述内部金属管300区分为低温部金属管。

另外，所述内部金属管300的外周面可以设有隔热部400，所述隔热部400包括隔热层，在高反射率金属薄膜上涂覆较薄的低热导率高分子的隔热材料被卷绕多层而形成所述隔热层。所述隔热层构成MLI(Multi Layer Insulation：多层绝缘)，特别是需要用来以隔热部400为界阻断基于辐射的热交换。

所述隔热部400的外侧可以设有真空部500。需要通过所述真空部500来防止基于传导或对流的热交换或热侵入。

可以通过在所述隔热部400的外侧形成隔离空间并对所述隔离空间进行真空化的方法形成所述真空部500。

所述真空部500是隔离空间，用于防止从常温的外部朝向所述芯部侧的对流等引起的热侵入，为了形成物理隔离空间，可以具备至少一个隔离件560。为了在超导电缆的整个区域防止位于所述真空部500内的隔离空间外侧的外部金属管600等与所述真空部500内侧的所述隔热部400接触，可以在所述隔离空间内设置至少一个隔离件560。

可以沿着超导电缆的长度方向配置所述隔离件560，可以卷绕成以螺旋形围绕所述芯部100外侧，具体而言围绕所述隔热部400。

如图1所示，可以具备多个所述隔离件560，并且可以根据超导电缆的种类或大小来增减所述隔离件560的数量。本发明的超导电缆可以具备三至五个隔离件。

所述隔离件560的材料可以是聚乙烯(FEP、PFA、ETFE、PVC、P.E、PTFE)材料。

另外，根据需要，所述隔离件560可以由聚氟乙烯(PTFE，Poly Tetra FluoroEthylene)材料构成，或者在由一般树脂或聚乙烯材料构成的后表面涂覆聚氟乙烯等。此时，所述聚氟乙烯可以是聚四氟乙烯。

聚四氟乙烯(Teflon)是氟树脂的一种，通过氟和碳的强化学键形成非常稳定的化合物，具有近乎完美的化学惰性、耐热性、非粘合性、优秀的绝缘稳定性、低摩擦系数等特性。另外，聚四氟乙烯具有一定程度的柔韧性，因此能够以螺旋形围绕所述隔热部400，沿着超导电缆的长度方向卷绕配置，并且具有一定程度的刚度，因此能够用作防止隔热部400与外部金属管600接触的隔离单元，从而发挥物理上保持构成真空部500的隔离空间的作用。所述隔离件560的直径可以是4mm至8mm。

具备所述隔离件560的所述真空部500的外侧可以设有外部金属管600。可以以相同的形状和材料构成所述外部金属管600和所述内部金属管300，所述外部金属管600的直径大于所述内部金属管300，以便能够通过隔离件560形成隔离空间。

虽然所述外部金属管600可以以与所述内部金属管300相同的形状和材料构成，但是即便冷媒在所述冷却部200中循环而开始冷却，也通过所述隔热部以及真空部阻断基于辐射、传导以及对流等的热传递，因此不会发生像内部金属管300那样的收缩现象。

因此，超导电缆的冷却对所述外部金属管600产生的影响不大，因此外部金属管600的收缩力应不会对施加于构成本发明涉及的超导电力系统的终端接线装置或中间接线装置的收缩力产生大的影响。

所述外部金属管600的外侧可以设有护套部700，所述护套部700发挥用于保护超导电缆内部的外装功能。所述护套部可以采用构成一般电力用电缆的护套部700的护套材料。构成所述护套部700的护套材料可以是聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)等。

如图2所示，所述真空部500具备三个或四个所述隔离件560，以便围绕位于所述内部金属管300外部的隔热部400。

图3示出了用于说明构成本发明涉及的超导电力系统1的超导电缆铺设方法的概念的概念图。

图3的(a)示出了超导电缆在水平面上沿着水平方向弯曲而形成偏移的铺设状态下，电缆被冷却前的偏移区间内的骨架110、内部金属管300以及外部金属管600的状态，图3的(b)示出了对图3的(a)的超导电缆进行冷却的情况下，偏移区间内的骨架110、内部金属管300以及外部金属管600收缩时的剖面形状。

图3的(c)示出了超导电缆沿着垂直方向弯曲的悬垂区间内，超导电缆被冷却前的骨架110、内部金属管300以及外部金属管600的状态，图3的(d)示出了对图3的(c)的超导电缆进行冷却的情况下，所述悬垂区间内的骨架110、内部金属管300以及外部金属管600收缩时的剖面形状。

如图3的(a)以及图3的(b)所示，当冷却超导电缆时，通过冷却主要使骨架110和内部金属管300收缩，从而使骨架110的中心发生位移，位移量等于基于dx以及dy距离的对角线长度d。发生位移之后，主要在各骨架110和内部金属管300上产生收缩力，所产生的收缩力可以被吸收，吸收量与等于对角线长度d的位移量成正比。但是，对于图3的(b)所示的水平方向偏移等弯曲结构来说，有可能因自身重量而在骨架110、内部金属管300以及外部金属管600之间产生大的摩擦力，从而减小对角线长度d。

相反，在图3的(c)以及图3的(d)所示的沿着垂直方向弯曲的情况下，与图3的(b)所示的情况相比，位移量dy大于对角线长度d，因此能够吸收与位移量dy(dy>d)成正比的收缩力。

实验性地，本发明涉及的超导电力系统1在超导电缆1000的铺设过程中不形成水平方向偏移，而形成超导电缆以三角函数中正弦(SIN)函数或余弦(COS)函数曲线形状向下悬垂的悬垂区间，从而在冷却超导电缆时使骨架110、内部金属管300以及外部金属管600的收缩所产生的收缩力被骨架110、内部金属管300以及外部金属管600的位移量吸收，使最终产生的收缩力大幅小于直线铺设时的情况。

下面参照图4以及图5，说明本发明涉及的超导电力系统1的超导电缆的铺设方法。

图4示出了本发明涉及的超导电力系统1的两个示例。具体而言，图4的(a)示出了超导电缆只存在一个向下悬垂的悬垂区间的超导电力系统1，图4的(b)示出了超导电缆在相隔的位置存在两个向下悬垂的所述悬垂区间的超导电力系统1。

本发明涉及一种超导电力系统1，其具备：超导电缆，包括位于中心部的骨架110、设置在冷却流路外侧的内部金属管300以及在内侧设有真空部的外部金属管600；第一接线装置2000，其与所述超导电缆的一端连接；第二接线装置3000，其与所述超导电缆的另一端连接，

连接所述第一接线装置以及第二接线装置的超导电缆具备向下悬垂所形成的至少一个悬垂区间。

图4所示的超导电缆具备骨架110、内部金属管300以及外部金属管600，可以具有预定的直径以及长度。

超导电缆可以连接于常温下引出并与电力网连接的终端接线装置，或者每隔规定距离进行接线的中间接线装置。

图4所示的实施例中示出了超导电缆的一端与作为终端接线装置的第一接线装置2000连接，在另一端设有作为中间接线装置的第二接线装置3000的示例。但是，并不限定于这种结构，应理解为是包含超导电缆的超导电力系统1。

图4的(a)所示的实施例中具备一个悬垂区间S。如前面所述，所述悬垂区间S在超导电缆被冷却时使垂直位移量最大化，从而能够将所产生的收缩力吸收相当多的一部分，因此与直线铺设的情况相比，能够大幅减小所产生的收缩力的大小。

如图4的(b)所示，考虑到超导电缆的长度等，这样的悬垂区间S可以存在两个或者更多，可以形成相隔的多个悬垂区间S，也可以采用连续形成的方法。

各个悬垂区间S可以通过在超导电缆的某两个点上设置支撑构件900，使之间的区间因超导电缆的自身重量而下垂的方法形成。

因此可以理解为，当悬垂区间S的数量增加时，在超导电缆整个区域所产生的收缩力的吸收容量增大。

图4的(a)所示的超导电力系统1中存在一个悬垂区间S，可以根据支撑构件900的间隔以及电缆的直径等来确定相当于悬垂区间S周期的悬垂长度P以及相当于超导电缆的最大下垂量的悬垂高度A。

并且，如图4的(b)所示，当不同的悬垂区间S的悬垂长度不同时，会具有与悬垂长度成正比的悬垂高度。超导电缆整体的弯曲强度等会处于一定的范围之内，因此可以根据支撑构件900的间隔确定悬垂区间S的悬垂长度以及悬垂高度。

可以将各个悬垂区间S设置成，当在沿着水平方向摆放电缆的状态下通过支撑构件支撑相隔的两处时，凹陷成正弦(SIN)函数或余弦(COS)函数曲线中连接相邻的最高点的一周期区间的形状。

悬垂区间S的相当于所述悬垂区间的周期的悬垂长度P和所述悬垂区间内所述超导电缆的最大下垂量即悬垂高度A的关系不能随意确定，需要满足要求的设计标准，并且对于收缩等变形有充分的收缩力减小效果。

下面的表1是改变着直径D为15cm的超导电缆的悬垂高度A和悬垂长度P，调查悬垂长度P/悬垂高度A的值的表格。

确认了除表格上加粗处理的数据单元之外的数据单元的条件满足本发明涉及的超导电力系统的设计条件和充分的收缩力减小条件。

可以确认，本发明涉及的超导电力系统仅在所铺设的超导电缆的悬垂高度A以及悬垂长度P的关系即悬垂长度P/悬垂高度A的值满足16.0至27.5的范围时，才满足要求的设计标准以及充分的收缩力吸收条件。

当将悬垂区间形成为，使悬垂长度P以及悬垂高度A大概成正比关系，更具体地，当悬垂长度P/悬垂高度A的值满足16.0至27.5的范围时，能够满足设计条件以及收缩力条件。

另外判断，即便为吸收收缩力而仅是单方面地增加悬垂区间S的悬垂长度或悬垂高度中的某一个时，也可能出现无法满足允许收缩力条件的情况。实验性地，当悬垂区间S的悬垂长度增加时，悬垂高度也需要随之一同增加，才能产生较大的收缩力吸收效果而满足允许收缩力条件。

具体而言，当所述悬垂高度A以及超导电缆的直径D的关系超出1.0<悬垂高度A/直径D<2.0的范围时，以及所述悬垂长度P以及所述电缆的直径D超出30<悬垂长度P/直径D<40的范围时，同样判断为无法满足超导电力系统的设计条件，或者无法得到充分的收缩力减小效果的不现实的条件，因此从范围中排除。

表1

[Table 1]

当满足上述的构成本发明涉及的超导电力系统的所述超导电缆的直径D、所述悬垂高度A以及所述悬垂长度P的三种关系时，也可适用于超导电缆的直径D小于或大于15cm的情况。

以这样的条件形成悬垂区间，并且通过自身重量所引起的垂直方向上的下垂来形成垂直弯曲结构的悬垂区间S具有较大的收缩力吸收能力，因此可以不将终端接线装置或者中间接线装置构成为以往那种可滑动的活动型。

例如，当终端接线装置的允许收缩力为5吨左右，并且直线铺设超导电缆时产生6吨的收缩力时，为了防止终端接线装置的破损等，也使用过构成可滑动的终端接线装置的方法，但是在系统的稳定性方面并非优选，而将这种垂直弯曲结构的悬垂区间设置在超导电缆上，从而吸收收缩所产生的收缩力的50％左右时，施加于终端接线盒的收缩力可大约减小至3吨左右，通过这样的收缩力减小效果，即便将具有5吨左右的允许收缩力的终端接线盒构成为固定型时，也能够确保整体系统的稳定性。这意味着，除了终端接线装置之外，也能够将中间接线装置构成为固定型。

因此，能够将构成本发明涉及的超导电力系统1的第一接线装置2000以及/或者第二接线装置3000构成为固定型。

并且，可以将所述超导电缆配置成水平的直线状，使得从所述第一接线装置2000以及第二接线装置3000至相邻的支撑构件900形成水平区间。图4的(a)所示的实施例中，在悬垂区间S的左右设置两个水平区间L1、L2，从而在各个接线装置的接线过程中能够确保超导电缆的直线状态。图4的(b)所示的实施例中，在悬垂区间S1、S2的左右设置三个水平区间L1、L2、L3，从而在各个接线装置的接线过程中能够确保超导电缆的直线状态。

图4所示的实施例中，为了在超导电缆的较长区域形成长度较长的水平区间，可以采用密集地配置多个支撑构件900的方法。

图5示出了本发明涉及的超导电力系统1的另一示例。不同于图4中示出的实施例，图5所示的实施例中，具有相同的悬垂长度P以及悬垂高度A的多个悬垂区间S1、S2、S3彼此相邻地连续配置。

超导电缆被冷却时收缩而产生收缩力的区域并不仅仅是电缆的特定区域，因此在整个电缆上形成悬垂区间，且铺设成周期函数正弦(sin)函数、余弦(cos)函数曲线形状，使对应于周期函数周期的悬垂长度P以及对应于振幅的悬垂高度A在所有悬垂区间都相同，从而能够有效地分配对应于收缩量的收缩力吸收量。

当然，并不需要将多个悬垂区间连续地相邻配置，也无须使多个悬垂区间的悬垂长度以及悬垂高度相同，只需满足上述范围即可。

并且，当所述悬垂区间以周期函数曲线形状被连续地相邻配置时，为了彼此相邻地连续配置N(N是2以上的自然数)个悬垂区间，可以设置N+1个所述支撑构件900。图5所示的实施例中，设有三个悬垂区间，并且由四个支撑构件900支撑超导电缆。

图6示出了本发明涉及的超导电缆铺设方法的方框图。

本发明涉及的超导电缆的铺设方法，用于将超导电缆连接到位置固定的两个接线装置上并铺设，所述超导电缆包括：芯部，其包括位于中心部的铜材料的骨架110以及超导导体层；内部金属管300，在其内侧设有用于冷却所述芯部的冷却部；外部金属管600，其收纳设置在所述内部金属管300外侧的隔热部以及真空部，所述铺设方法可以包括：试铺步骤S100，以超导电缆向下悬垂的多个悬垂区间相邻并具有悬垂长度和悬垂高度相同的周期函数曲线形状的方式进行铺设；收缩力测定步骤S200，测定在对所述试铺步骤S100中铺设的超导电缆进行冷却操作时，骨架110、内部金属管300以及外部金属管600各自在电缆长度方向上的膨胀或收缩所引起的收缩力；铺设条件确定步骤S300，考虑在所述收缩力测定步骤S200中测定的骨架110、内部金属管300以及外部金属管600的收缩力之和而确定铺设超导电缆时的多个悬垂区间的悬垂长度以及悬垂高度；超导电缆铺设步骤S400，根据在所述铺设条件确定步骤S300中确定的铺设条件铺设超导电缆。

对于本发明涉及的超导电缆铺设方法，以将超导电缆构成为如图5所示的周期函数曲线形状的情况为例进行说明，以便于说明。

在超导电缆的铺设过程中，为了更有效地吸收收缩力，需要考虑超导电缆的直径和要求的悬垂区间的悬垂长度等。

特别是，如前面所述，接线装置等的最大允许收缩力以及超导电缆的长度等在判断铺设条件时可以成为重要的判断基准。

作为铺设条件，根据悬垂区间的数量、悬垂长度或者悬垂高度，连接相同的直线距离所需的超导电缆的长度会不同，而当高价的超导电缆的长度不同时，在成本方面差距变大，因此重要。

首先，根据设计超导电缆的悬垂长度或者悬垂高度进行试铺，测定收缩力以分析是否满足铺设条件，因此可以依次进行试铺步骤S100、收缩力测定步骤S200以及铺设条件确定步骤S300。

对于超导电缆来说，其直径根据输电容量而不同。因此，当实体超导电缆的铺设距离较长时，预先对相应的超导电缆设定试验区间并进行试铺而以周期函数曲线形状铺设超导电缆，此时需要考虑允许收缩力或者耗费的超导电缆的长度等，来确定最佳铺设条件。

对于直径为D的超导电缆来说，在试铺步骤S100中可反映的铺设变量是悬垂区间的悬垂长度以及悬垂高度。

因此，对于所述试铺步骤S100以及所述收缩力测定步骤S200，可以改变着试铺的超导电缆的悬垂长度以及悬垂高度反复进行多次。

当改变着试验条件，以多种组合测定对应各个组合的收缩力时，可对所测的收缩力创建数据库，因此在所述铺设条件确定步骤S300中，可以对在所述收缩力测定步骤S200中测定的所述超导电缆的骨架110、内部金属管300以及外部金属管600的收缩力之和以及铺设的超导电缆的长度，与最大允许收缩力以及成本条件(例如，超导电缆的长度等)进行比较，从而确定。

此时，也可以将铺设条件确定为周期函数曲线形状的悬垂区间的悬垂长度以及悬垂高度的几种组合或者范围。

即，在所述铺设条件确定步骤S300中可以不将唯一的悬垂长度以及悬垂高度确定为铺设条件，而是确定可允许的多个铺设条件或者悬垂长度或悬垂高度的范围形式的铺设条件。

如前面所述，所述铺设条件确定步骤S300中，可以对在所述收缩力测定步骤S200中测定的所述超导电缆的骨架、内部金属管以及外部金属管的收缩力之和以及铺设的超导电缆的长度与最大允许收缩力以及成本条件进行比较，从而使所述悬垂长度P以及所述悬垂高度A的关系满足16<悬垂长度P/悬垂高度A<27.5的范围。

此时，所述铺设条件确定步骤中可以使相当于所述悬垂区间的周期的悬垂长度P以及所述超导电缆的直径D的关系满足30<悬垂长度P/直径D<40的范围，或者所述悬垂高度A以及所述超导电缆的直径D的关系满足1.0<悬垂高度A/直径D<2.0的范围。

另外，当具有各个骨架、内部金属管以及外部金属管的个别的实验数据等时，也可以通过计算机模拟方法执行所述试铺步骤S100以及所述收缩力测定步骤S200。

虽然本说明书中参照本发明的优选实施例进行了说明，但是该技术领域的普通技术人员可以在不超出权利要求书所记载的本发明的思想以及领域的范围内修改以及变更实施本发明。因此，当变形的实施例基本上包括本发明的权利保护范围的构成要素时，应视为均包含在本发明的技术范畴之内。

Claims (17)

1.一种超导电力系统，其特征在于，包括：

超导电缆，其包括位于中心部的骨架、设置在冷却流路外侧的内部金属管以及在内侧设有真空部的外部金属管；

第一接线装置，其与所述超导电缆的一端连接；以及

第二接线装置，其与所述超导电缆的另一端连接，

其中，连接所述第一接线装置以及第二接线装置的超导电缆具备向下悬垂的至少一个悬垂区间。

2.根据权利要求1所述的超导电力系统，其特征在于，

一个悬垂区间具有正弦函数或余弦函数曲线中连接相邻的最高点的一周期区间的形状。

3.根据权利要求2所述的超导电力系统，其特征在于，

相当于所述悬垂区间的周期的悬垂长度(P)和所述悬垂区间内所述超导电缆的最大下垂量即悬垂高度(A)满足16.0<悬垂长度(P)/悬垂高度(A)<27.5的范围。

4.根据权利要求3所述的超导电力系统，其特征在于，

所述悬垂高度(A)以及超导电缆的直径(D)满足1.0<悬垂高度(A)/直径(D)<2.0的范围。

5.根据权利要求3所述的超导电力系统，其特征在于，

所述悬垂长度(P)以及超导电缆的直径(D)满足30<悬垂长度(P)/直径(D)<40的范围。

6.根据权利要求1所述的超导电力系统，其特征在于，

包括至少两个支撑构件，所述支撑构件设置在相隔的位置，以支撑所述超导电缆，从而形成所述悬垂区间。

7.根据权利要求2所述的超导电力系统，其特征在于，

设置有N+1个所述支撑构件，从而彼此相邻地连续配置N个所述悬垂区间，其中N是2以上的自然数。

8.根据权利要求7所述的超导电力系统，其特征在于，

在N个所述悬垂区间中，悬垂长度长的悬垂区间的悬垂高度大于悬垂长度短的悬垂区间的悬垂高度。

9.根据权利要求1所述的超导电力系统，其特征在于，

所述第一接线装置以及所述第二接线装置中的某一个接线装置构成为固定型。

10.根据权利要求6所述的超导电力系统，其特征在于，

将所述超导电缆配置成水平的直线状，使得从所述第一接线装置以及第二接线装置至相邻的支撑构件形成水平区间。

11.一种超导电缆的铺设方法，用于将超导电缆连接到位置固定的两个接线装置上并铺设，所述超导电缆包括：芯部，其包括位于中心部的铜材料的骨架以及超导导体层；内部金属管，在其内侧设有用于冷却所述芯部的冷却部；外部金属管，其收纳设置在所述内部金属管外侧的隔热部以及真空部，

所述超导电缆的铺设方法，其特征在于，包括以下步骤：

试铺步骤，将超导电缆铺设成，超导电缆中向下悬垂的多个悬垂区间相邻且具有悬垂长度和悬垂高度相同的周期函数曲线形状；

收缩力测定步骤，测定在对所述试铺步骤中铺设的超导电缆进行冷却操作时，骨架、内部金属管以及外部金属管各自在电缆长度方向上的膨胀或收缩所引起的收缩力；

铺设条件确定步骤，考虑在所述收缩力测定步骤中测定的骨架、内部金属管以及外部金属管的收缩力之和，从而确定铺设超导电缆时的多个悬垂区间的水平方向距离即悬垂长度以及悬垂高度；以及

超导电缆铺设步骤，根据在所述铺设条件确定步骤中确定的铺设条件铺设超导电缆。

12.根据权利要求10所述的超导电缆的铺设方法，其特征在于，

所述铺设条件确定步骤中，对在所述收缩力测定步骤中测定的所述超导电缆的骨架、内部金属管以及外部金属管的收缩力之和以及铺设的超导电缆的长度，与最大允许收缩力以及成本条件进行比较，从而使所述悬垂长度以及所述悬垂高度满足16<悬垂长度(P)/悬垂高度(A)<27.5的范围。

13.根据权利要求12所述的超导电缆的铺设方法，其特征在于，

所述铺设条件确定步骤中，使相当于所述悬垂区间的周期的悬垂长度(P)以及所述超导电缆的直径(D)的关系满足30<悬垂长度(P)/直径(D)<40的范围。

14.根据权利要求12所述的超导电缆的铺设方法，其特征在于，

所述铺设条件确定步骤中，使所述悬垂高度(A)以及超导电缆的直径(D)的关系满足1.0<悬垂高度(A)/直径(D)<2.0的范围。

15.根据权利要求11所述的超导电缆的铺设方法，其特征在于，

所述铺设条件确定步骤中确定可允许的多个铺设条件。

16.根据权利要求11所述的超导电缆的铺设方法，其特征在于，

改变试铺的超导电缆的悬垂长度以及悬垂高度，以反复进行多次所述试铺步骤以及所述收缩力测定步骤。

17.根据权利要求11所述的超导电缆的铺设方法，其特征在于，

所述试铺步骤以及所述收缩力测定步骤通过计算机模拟方法进行。