CN107710345B - 超导线材 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改善了电学特性以及物理特性的超导线材。

Description

超导线材
技术领域
本发明涉及一种超导线材。更加详细而言，本发明涉及改善了电学特性以及物理特性的超导线材。
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。
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/或形成真空层的隔热方法来形成并保持极低温环境。
现有的构成超导电缆的超导线材在制造超导电缆过程中以螺旋形卷绕在骨架等外侧的状态卷绕在卷筒上，或在铺设区间弯曲超导电缆时，会被施加持续的张力或扭曲，这样的应力会引发厚度仅为0.1mm左右的超导线材断裂等问题。特别是，在整个超导电缆中超导线材所占费用的比率最大，因此要求超导线材的耐久性或物理可靠性。
另外，超导线材不应该在被施加拉力或扭曲等物理应力的状态下破损或变形，而且应当确保稳定的电学特性。
发明内容
技术问题
本发明所要解决的问题是提供一种改善了电学特性以及物理特性的超导线材。
技术方案
为了解决上述问题，本发明的超导线材的宽度为0.4mm至0.5mm，厚度为0.3mm至0.5mm，使用YBCO或ReBCO(Re＝Sm、Gd、Nd、Dy、Ho)作为超导物质，在77K温度、1个大气压、自场下的临界电流(DC Ic)可以为150A至500A。
其中，使用两个直径为35mm的轧辊对所述超导线材进行依次改变方向的弯曲以施加弯曲应力时的临界电流可以为所述临界电流的95％以上。
另外，使用四个直径为50mm的轧辊对所述超导线材进行依次改变方向的弯曲以施加双弯曲应力时的临界电流可以为所述临界电流的95％以上。
并且，在对所述超导线材施加250MPa长度方向拉力或被拉伸0.2％的长度方向拉力时的拉伸临界电流可以为所述临界电流的95％以上。
另外，将所述超导线材沿着长度方向按照200mm间隔扭曲状态下的扭曲临界电流可以为所述临界电流的95％以上。
并且，在超导电缆的骨架上按照220mm左右的螺距卷绕所述超导线材并且沿着超导线材的长度方向施加3kg～8kg的荷载时的临界电流可以为所述临界电流的95％以上。
另外，所述超导线材以200m至400m为单位被接合，接合部位的接合电阻可以为200nΩ以下。
此时，在超导电缆的骨架上按照220mm左右的螺距卷绕所述超导线材并沿着超导线材的长度方向施加3kg～8kg的荷载时，各接合部位的接合电阻达到240nΩ以下，或者可以比平常状态的接合电阻增加20％以下。
此时，将所述超导线材在内压保持30个大气压左右的液氮中浸渍16小时的状态下的临界电流可以为所述临界电流的95％以上。
另外，电压对所述临界电流以上的电流的斜率可以为25至30。
另外，所述超导线材的交流损耗可以为0.4W/kA·m以下。
为了解决所述问题，本发明可以提供一种超导线材，该超导线材的宽度为0.4mm至0.5mm，厚度为0.3mm至0.5mm，采用YBCO或ReBCO(Re＝Sm、Gd、Nd、Dy、Ho)作为超导物质，在77K温度、1个大气压、自场下的临界电流(DC Ic)为150A至500A，使用两个直径为35mm的轧辊对所述超导线材进行依次改变方向的弯曲以施加弯曲应力时，使用四个直径为50mm的轧辊对所述超导线材进行依次改变方向的弯曲以施加双弯曲应力时，对所述超导线材施加250MPa长度方向拉力或被拉伸0.2％的长度方向拉力时，将所述超导线材沿着长度方向按照200mm间隔扭曲时，或者，在超导电缆的骨架上按照220mm左右的螺距卷绕所述超导线材并且沿着超导线材的长度方向施加3kg～8kg的荷载时，或者，将所述超导线材在内压保持30个大气压左右的液氮中浸渍16小时的状态下的临界电流满足所述临界电流的95％以上，所述超导线材以200m至400m为单位被接合，接合部位的电阻为200nΩ以下，在超导电缆的骨架上按照220mm左右的螺距卷绕所述超导线材并沿着超导线材的长度方向施加3kg～8kg的荷载时，各接合部位的接合电阻达到240nΩ以下，或者比平常状态的接合电阻增加20％以下，电压对所述临界电流以上的电流的斜率为25至30，交流损耗为0.4W/kA·m以下。
另外，为了解决所述问题，本发明可以提供一种超导线材，该超导线材的宽度为0.4mm至0.5mm，厚度为0.3mm至0.5mm，采用YBCO或ReBCO(Re＝Sm、Gd、Nd、Dy、Ho)作为超导物质，将所述超导线材在内压保持30个大气压左右的液氮中浸渍16小时的状态下，用肉眼观察不到超导线材的鼓胀。
另外，为了解决所述问题，本发明可以提供一种超导线材，该超导线材的宽度为0.4mm至0.5mm，厚度为0.3mm至0.5mm，采用YBCO或ReBCO(Re＝Sm、Gd、Nd、Dy、Ho)作为超导物质，在77K温度、1个大气压、自场下的临界电流(DC Ic)为150A至500A，使用直两个径为35mm的轧辊对所述超导线材进行依次改变方向的弯曲以施加弯曲应力时，使用四个直径为50mm的轧辊对所述超导线材进行依次改变方向的弯曲以施加双弯曲应力时，对所述超导线材施加250MPa长度方向拉力或被拉伸0.2％的长度方向拉力时，将所述超导线材沿着长度方向按照200mm间隔扭曲时，或者，在超导电缆的骨架上按照220mm左右的螺距卷绕所述超导线材并且沿着超导线材的长度方向施加3kg～8kg的荷载时，或者，将所述超导线材在内压保持30个大气压左右的液氮中浸渍16小时的状态下的临界电流为所述临界电流的95％以上，所述超导线材以200m至400m为单位被接合，接合部位的电阻为200nΩ以下，在超导电缆的骨架上按照220mm左右的螺距卷绕所述超导线材并沿着超导线材的长度方向施加3kg～8kg的荷载时，各接合部位的接合电阻达到240nΩ以下，或者比平常状态的接合电阻增加20％以下，电压对所述临界电流以上的电流的斜率为25至30，交流损耗为0.4W/kA·m以下，将所述超导线材在内压保持30个大气压左右的液氮中浸渍16小时的状态下，用肉眼观察不到超导线材的鼓胀。
有益效果
本发明涉及的超导线材能够加强物理强度，以便承受在超导电缆的制造过程以及铺设过程等中可能对超导线材施加的拉力或扭曲等物理应力。
另外，本发明涉及的超导线材通过加强物理强度，能够防止超导线材的破损等，并且确保对于物理应力的物理强度，还确保电学特性。
另外，根据本发明涉及的超导线材，在超导电缆的制造过程、铺设过程以及运营过程中，提高超导线材的物理强度，并且确保电学特性，从而可以大幅节省由于超导线材断裂等而引起的制造费用。
附图说明
图1示出分层次剥开应用了本发明涉及的超导线材的超导电缆的立体图。
图2示出图1所示的超导电缆的剖视图。
图3示出能够应用于超导电缆的超导线材的例子。
图4示出能够应用于本发明涉及的超导电缆的超导线材的若干例子的剖视图。
图5示出本发明涉及的用于超导线材的弯曲测试的测试设备。
图6示出根据在超导线材接通的电流而变化的电压曲线图。
图7示出本发明涉及的超导线材的气密性(Hermeticity)测试设备。
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示出分层次剥开应用了本发明涉及的超导线材的超导电缆的立体图。图2示出图1所示的超导电缆的剖视图。
下面说明应用了本发明涉及的超导线材的超导电缆的基本结构。
图1所示的超导电缆可以包括：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以及外部护套700，所述芯部包括：骨架110；至少一层超导导体层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；绝缘带140，围绕所述超导导体层130；至少一层超导屏蔽层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带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在所述隔热部400外部的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，所述外部护套700位于所述外部金属管600的外侧，形成保护层。
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)导体裸线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可以构成为中空的管道形状，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，以便在电力系统中因电力系统短路(骤冷、闪电、绝缘击穿等)而出现故障电流时，能够发挥回路导体作用。
在电力系统中出现故障电流时发挥回路导体作用的除了由导体裸线111构成的骨架以外，还有后述的通电层，所述通电层为金属材质，附着在各超导线材上，并且在常温下具有通电性。所述通电层可以是金属材质的带状。将在后面对此进行详细说明。
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。
如后面所述，为了增强本发明涉及的超导线材的机械强度，本发明涉及的超导线材的两表面上设有常温下具有通电性的金属材质的通电层。这样的通电层增强了机械强度，能够在卷绕超导线材时防止扭曲应力引起的断裂等。
这样的通电层在增强超导线材的机械强度的同时，发生短路等事故时与所述骨架一同分担故障电流的回路作用，因此，应用了本发明涉及的超导线材的超导电缆的骨架的直径可以小于构成现有的一般超导电缆的骨架的直径。将在后面对此进行详细说明。
构成所述骨架110的多束具有圆形截面的导体裸线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和超导导体层130之间进一步设置垫层。设置所述垫层时，可以利用半导电碳纸带来保护超导导体层。
因所述平滑层120而变得平滑的所述骨架110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，可以构成多个超导导体层130。
图1所示的实施例中示出了共具备两个超导导体层130a、130b。
当具备多个的超导导体层时，可以在超导导体层130a、130b之间具备绝缘带140。在所述超导导体层130a、130b之间配置绝缘带140的理由是，用于控制构成各个超导导体层130a、130b的电流的方向性。这是因为如果不具备绝缘带140，则电流的路径变得紊乱，电流也有可能无法向所需的方向流动。通过所述绝缘带140，层叠为多层的超导导体层的通电方向可以一致。
另外，附设所述绝缘带140时，能够防止构成各超导导体层的超导线材的趋肤效应。
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的各超导线材可以与构成骨架110的各裸线并联。这是为了在短路(骤冷、闪电、绝缘击穿、超导条件的破坏等)等事故中，将流向超导线材的故障电流分流至骨架110的裸线中。通过这样的方法，能够防止超导线材的发热或损伤等。
位于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，可以用来缓解发生在超导线材角落的电场集中，使电场分布均匀。后述的外部半导体层170在这一点上也是相同。
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，因此本发明涉及的应用了超导线材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材质等的金属带构成。
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质的单层构成，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100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，以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。
为了在持续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可以由铝等材料构成。
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)，可以用来阻断热量侵入所述内部金属管300中。
特别是，所述内部金属管300由金属材料构成，容易通过传导发生热侵入或热交换，因此，所述隔热部400能够使主要通过传导发生的热交换或热侵入最小化，并且因高反射率的金属薄膜材料，还能够防止辐射引起的热交换或热侵入。
可以调节所述隔热部400的层数，以使热侵入最小化。当由较多层构成时，虽然提高辐射热阻断效果，但是降低传导热阻断效果，并且因真空层厚度变薄而降低对流热阻断效果，因此采用适当的层数尤为重要。
所述隔热部400的外侧可以设有真空部500。当无法通过所述隔热部400实现充分的隔热时，所述真空部500可以用来使沿着所述隔热层方向的对流等引起的热传递最小化。
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，具体而言，可以根据超导电缆或隔离件的种类或大小进行增减。图1以及图2所示的超导电缆1000示出了具备四个隔离件，但是可以增减其数量。
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或圆形围绕所述芯部100外侧，具体而言围绕所述隔热部400。
应用了本发明涉及的超导线材的超导电缆可以具备三至五个隔离件560。所述隔离件形成隔离空间，能够防止通过传导进行的热交换，隔离件可以具有单层或多层结构。
所述隔离件560的材质可以是以聚乙烯(P.E)材质为例的多种树脂材质。
另外，根据需要，所述隔离件560可以由氟树脂(例如，聚四氟乙烯(PTFE；PolyTetra Fluoro Ethylene)，特氟龙(Teflon，商品名))材料构成，或者，在由一般树脂(例如，聚乙烯)材料构成以后，在其表面涂覆氟树脂(例如，聚四氟乙烯)。
聚四氟乙烯是氟树脂的一种，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，并且由于具有一定程度的强度，因此能够用作防止隔热部400与外部金属管600的接触的隔离单元，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。所述隔离件560的截面可以是圆形、三角形、四边形、星形等多种形状。
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。将在后面对所述隔离件560进行详细说明。
并且，所述外部金属管600的外侧可以设有外部护套700，所述外部护套700发挥用于保护超导电缆内部的外装功能。所述外部护套可以采用构成一般电力用电缆的外部护套700的保护材料。所述外部护套700能够防止其内部的金属管600等腐蚀，并且能够防止电缆因外力而损伤。可以由聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)等材料构成。
图3示出了适用于超导电缆的超导线材的示例。具体而言，图3的(a)示出了不具备通电层的现有的超导线材131′的剖视图，图3的(b)示出了增设具有常温通电性的金属材质的通电层的超导线材131。
构成超导电缆的超导线材沿着超导电缆的长度方向卷绕成螺旋形，因此被持续施加扭曲应力，导致有可能在超导电缆的制造过程或卷绕过程中发生超导线材断裂的现象，并且如前面所述，超导电缆在发生短路(骤冷、闪电、绝缘击穿、超导条件的破坏等)等事故时，将骨架110用作回路导体。
本发明涉及的超导线材的两表面上设置具有常温通电性的金属材质的通电层me1、me2，从而增强超导线材自身的机械强度，同时在发生超导系统的短路事故时，通电层me1、me2与骨架一同发挥回路导体的功能，因此与采用不具备通电层me1、me2的超导线材的超导电缆相比，能够减小骨架的直径，因此还能够减小超导电缆的整体直径和重量。具体分析如下。
图3的(a)所示的现有的超导线材的宽度为x(mm)，厚度为y(mm)，图3的(b)所示的本发明涉及的超导线材在现有的超导线材的两表面上附加了由金属材料构成并且宽度x(mm)和厚度y(mm)至2y(mm)的通电层me1、me2。
因此，本发明涉及的超导线材131可以在现有的超导线材131′上具备厚度为y(mm)至2y(mm)的通电层，从而整体厚度为3y(mm)至5y(mm)。
在后述的实验中，使用了宽度和厚度分别为0.4mm至0.5mm和0.3mm至0.5mm即y＝0.1的超导线材。
如后面所述，可以通过焊接将所述通电层增设到现有的超导线材上。
若将所述通电层me1、me2焊接到现有的超导线材131的两表面上，并且对超导线材131的侧面进行焊接或者在超导线材131整个表面涂覆金属，则在发生短路等事故时，除了分别与各超导线材131并联的骨架110的裸线以外，故障电流还分流至增设到各超导线材上的通电层侧，因此，通电层me1、me2能够与骨架一同分担回路导体的作用。
另外，各通电层me1、me2的宽度为x(mm)，厚度为y(mm)至2y(mm)，但是由于分别增设到现有的厚度为y(mm)的超导线材的两表面上，因此与仅在现有的超导线材的一表面上增设一个2y(mm)至4y(mm)的通电层时的情况相比，能够进一步增强基于趋肤效应等的通电能力。
与仅在超导线材的一表面上增设通电层的情况相比，在超导线材的两表面上增设通电层的情况下，使弯曲超导线材时的通电层的分离现象最小化，能够增强强度，并且在超导线材的两表面上增设通电层也有利于将通电层用作回路导体，有利于减小骨架的直径。
在这里，现有的超导线材的厚度大约为0.1mm，当各通电层大约为0.1mm至0.2mm时，本发明涉及的超导线材的厚度为0.3mm至0.5mm，看上去厚度与现有的超导线材相比大幅增加了，但是经改善的超导线材的厚度仍然为薄膜水准，对超导电缆整体厚度所产生的影响并不大，但是，如前面所述，未绝缘的裸线构成密集状态的骨架的截面积可以降低10％至40％左右。
本发明涉及的超导线材的宽度为0.4mm至0.5mm，厚度为0.3mm至0.5mm，采用YBCO或ReBCO(Re＝Sm、Gd、Nd、Dy、Ho)作为超导物质，在77K的温度、1个大气压、自场下的临界电流(DC Ic)为150A至500A。
图4是本发明涉及的超导线材的截面结构图。
具体而言，图4的(a)示出了能够适用于本发明涉及的超导电缆的超导线材的一个实施例的剖视图，图4的(b)示出了超导线材的另一实施例的剖视图。
为了便于说明，以构成超导导体层的超导线材131为例进行说明。
本发明涉及的超导线材可以是第一代超导线材或是第二代超导线材。
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0K(-273℃)下而是在100K(-173℃)附近，相对高于绝对温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，公开的有以YBCO或ReBCO为主要材料的涂层导体(Coated Conductor,CC)型的第二代线材。第二代超导线材指的是，超导线材的蒸镀层所具备的超导物质主要采用YBCO或ReBCO(Re＝Sm、Gd、Nd、Dy、Ho)物质等的超导线材。
对第二代超导线材进行详细说明：第二代超导线材可以由金属基板层、蒸镀层、银(Ag)层等构成。金属基板层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。所述蒸镀层包括用于在金属基板上蒸镀超导层的缓冲(buffer)层、超导层，所述超导层在通电时用作电流的通电路径。
银(Ag)层可以由银(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质的各合金层，各合金层的特性在于具有常温通电性。
图4所示的本发明涉及的超导线材为第二代超导线材，可以采用使用哈斯特合金(Hastelloy)、镍-钨(Ni-W)合金材料的金属基板层的超导线材，图4中示出了采用两种超导线材的示例。
本发明涉及的超导线材的宽度为0.4mm至0.5mm，厚度为0.3mm至0.5mm，采用YBCO或ReBCO(Re＝Sm、Gd、Nd、Dy、Ho)作为超导物质，在77K的温度、1个大气压(atm)、自场(self-field)下的临界电流(DC Ic)可以为150A至500A，其中，自场是指通过在自身中流动的电流而生成的磁场环境。
所述临界电流可以通过连续测定方法对于待测定的超导线材按照约0.5m～1m间隔进行测定。此时，所述临界电流是指通过施加连续的直流电压(DC)而能够流动的最大电流(在因骤冷等短路以前)。
图4的(a)示出了使用YBCO类超导物质的超导线材131，图4的(b)示出了采用ReBCO类超导物质的超导线材131的剖视图。
构成图4的(a)所示的超导线材131的金属基板层1311的材料可以是镍-钨(Ni-W)合金，所述金属基板层1311可以构成为金属材质的带状。
由所述镍-钨(Ni-W)合金材料构成的金属基板层1311的上部可以设有包括多个缓冲层1312、1313、1314以及YBCO材质的超导层1315的蒸镀层。
图4的(a)所示的实施例中，蒸镀了三个缓冲层1312、1313、1314，具体而言，构成缓冲层的各层可以由Y2O3、YSZ、CEO2等材料所形成的层构成。可以在各缓冲层的上部蒸镀YBCO材质的超导层1315，并且出于保护超导线材等目的，在所述超导层1315的外侧设置银(Ag)层1316。
图4的(a)所示的超导线材131的上部以及下部、即基板层1311的外侧以及所述银(Ag)层1316上可以设有金属材质的通电层me1、me2。
在所述超导线材131的两侧均设置所述通电层me1、me2的理由在于，与仅在一侧设置通电层的情况相比，能够增强物理强度，并且使弯曲方向上的物理性质偏差最小化，增大回路导体容量，如前所述。
另外，构成各超导导体层或超导屏蔽层的超导线材以保持超导条件为前提，实现基于设计容量的通电功能，但是因系统问题等而破坏超导条件时，流经超导线材131的电流通过前面所述的骨架通电，可以对应用于故障电流通电的容量来确定所述骨架的直径或导体线束的数量等。
但是，骨架110的直径在整个超导电缆的直径中所占的比重较大，因此需要减小用于应对故障电流通电的骨架的直径，才能减小超导电缆整体的直径或重量。
因此，如图4所示，可以在超导线材131的上部和下部设置金属材质，例如黄铜材质的通电层me1、me2，从而增强超导线材131的强度，同时用作故障电流的回路导体，并且使骨架的直径等最小化。
所述金属材质的通电层me1、me2可以构成为金属薄膜层的形式，具体而言，可以由黄铜(Brass)材料构成。
黄铜(Brass)是在铜中添加锌而制成的合金，所述通电层也能以除了黄铜以外的导电性良好的铜合金来替代。
在下面的说明中，黄铜材料的通电层的含义应当理解为包含除了黄铜以外的铜合金的概念。
所述黄铜材质的金属材质通电层me1、me2可以以黄铜等金属薄膜层的形式增设，黄铜薄膜层的厚度可以是0.1mm至0.2mm。假设附着在超导线材131一侧的黄铜带状的金属材质的通电层me的厚度为0.125mm，则整个超导线材131的厚度大约可以达到0.4mm左右。
经确认，如果位于超导线材131的至少一侧面上的金属材质的通电层的厚度在0.1mm以下时，难以充分地增强超导线材的强度，当在0.2mm以上时，有可能在弯曲时发生金属材料的通电层从具备通电层的超导线材131的一面分离的现象以及具备通电层的整个超导线材131过厚的问题。
作为一个实施例，超导线材131的厚度约为0.1mm，通过在两侧附着0.125mm厚度的黄铜带状的金属材质通电层，可以使厚度达到0.35mm，增加至3～4倍，但是总厚度足够小，不足1mm，因而对超导电缆整体厚度的影响甚微，却能够加强超导线材131的强度，用作事故电流的回路导体，因而从结果上可以减小骨架的直径或重量。
换言之，在超导线材131的上部和下部设置金属薄膜层形式的黄铜材质的通电层me1、me2，从而能够增强超导线材131的强度，同时能够减小骨架的直径或重量，因此当在构成所述超导线材131的所述金属基板层的外侧以及所述银(Ag)层的外侧均设置预定厚度的通电层时，与不在所述超导线材131上设置通电层的情况相比，能够减小所述骨架的直径或重量。
这样，通过焊接等将通电层me1、me2附着在所述超导线材131的两侧的状态下出现故障电流时，为了使通过所述蒸镀层1315的超导层流动的电流流向所述通电层me1、me2，需要将所述超导线材131与所附着的通电层me1、me2电连接。
因此，为了故障电流的通电，分别将所述超导线材131与附着在超导线材131两侧的通电层me1、me2并联，图4中未示出分别将所述超导线材131与附着在超导线材131两侧的通电层me1、me2电连接的方法，但是可以采用以金属基底焊料焊接超导线材131的侧面或者用导电性较好的金属，例如铜(Cu)材料对超导线材131进行施镀的方法。
两种方法均能使附着通电层me1、me2的超导线材131的厚度或体积增幅最小化，且将各通电层me1、me2与超导线材131电连接。
另外，如此通过镀铜或侧面焊接分别电性并联构成超导线材131的金属基板层1311、包含超导层的蒸镀层1312～1315以及银(Ag)层1316时，所述超导层1315与金属基板层1311、银(Ag)层1316以及各通电层me1、me2电连接，除了所述通电层me1、me2之外，故障电流能够分流至所述金属基板层1311以及所述银(Ag)层1316。
并且，所述金属薄膜层形式的通电层me1、me2可以通过焊接附着在所述超导线材131上。用于将所述通电层me1、me2焊接在所述超导线材131两侧的焊料可以是构成成分为锡(Sn)、铅(Pb)以及银(Ag)，熔点为200℃以下的材料。但是，除上述的焊料材料以外，只要是附着所述通电层me1、me2与构成所述超导线材131的金属基板层1311或银(Ag)层1316，使其能够通电的方法，就可以采用多种焊料或附着方法。
图4的(b)示出了采用ReBCO类超导物质的超导线材131′。将省略与参照图4的(a)进行的说明重复的说明。
构成图4的(b)所示的超导线材131′的金属基板层1311′的材料可以是镍-钨(Ni-W)合金，所述金属基板层1311′同样可以以金属薄膜层形式构成。
由所述镍-钨(Ni-W)合金材料构成的金属基板层1311′的上部设有包括至少六层缓冲层1312′、1313′、1314′、1315′、1316′以及所述ReBCO类超导层1317′的蒸镀层1312′～1317′，所述蒸镀层1312′～1317′的外侧可以设有银(Ag)层1318′。
构成所述缓冲层1312′、1313′、1314′、1315′、1316′的各保护层可以由Al2O3、Y2O3、IBAD-MGo、EPI-MGo以及LaMoO3层构成。
图4的(b)所示的超导线材131′同样可以在所述金属基板层1311′以及所述银(Ag)层1318′的外侧具备各通电层me1、me2，与图4的(a)示出的超导实施例相同，能够用于增强物理强度并且分流故障电流。
如上所述，通过在超导线材131′的两侧面由黄铜等材料构成形成为金属薄膜层的通电层，将此用作故障电流通电单元的方法，能够减小发挥故障电流回路导体作用的骨架的直径。
当然，构成图4所示的超导线材131′的金属基板层以及银(Ag)层同样由金属材料构成，因而存在故障电流的分流功能，但是以现有的超导线材的厚度为基准，金属基板层以及银(Ag)层所占的截面积并不大，使得故障电流的分流容量也微乎其微。
但是，如前面所述，金属材料的通电层me分别具有0.125mm左右的厚度，因而由此实现的通电量能够影响用于发挥故障电流回路作用的骨架的直径，这一点如前面所述。
因此，在设计骨架的直径时，将构成超导导体层的超导线材131′的金属材质的通电层me包含在内，考虑通过金属基板层以及银(Ag)层的故障电流通电量，可以将骨架的直径设定为小于以往。可以通过基于超导线材的金属材质的通电层me、金属基板层以及银(Ag)层的故障电流通电的热解析方法判断最大可允许电流量，随之可缩小设计骨架的直径。
图5示出本发明涉及的用于超导线材的弯曲测试的测试设备。具体而言，图5的(a)示出用于测定施加弯曲应力时的临界电流的设备，图5的(b)示出用于测定施加双弯曲应力时的临界电流的设备。
使超导线材131沿着不同方向弯曲，经由两个轧辊，测定施加弯曲应力时的临界电流，使超导线材131沿着不同方向弯曲，经由两个轧辊，可以测定施加双弯曲应力时的临界电流。
经确认，本发明涉及的超导线材将增设黄铜材质的通电层me1、me2的超导线材131的厚度如图3的(b)所示，形成为3y至5y时，按照95％电流衰减(IC relentation)基准，所述增设具有所述常温通电性的金属薄膜层形式的通电层me1、me2的超导线材的抗拉强度为200MPa至800MPa，将超导线材卷绕于超导电缆时，可以确保充分的强度。
95％电流衰减(IC relentation)基准是，对超导线材的两端逐渐增加张力，测定张力直到电流量达到初始通电量的95％的试验方法，因此意味着，当对超导线材施加200Mpa至800Mpa的张力时，能够确保至少95％的通电量。这种条件从另一侧面意味着以图5所示的测试方法等测定的测试方法也可以被通过。即，关于在下面的说明中所要求的物理或电学特性，该方法预先确定应力条件，并检查当时的临界电流是否满足平时超导线材临界电流的95％。
如图5的(a)所示，使用直径35mm的两个轧辊r1、r2对本发明涉及的具备金属层的超导线材进行依次改变方向的弯曲以施加弯曲应力时的临界电流满足未被施加弯曲应力的超导线材的临界电流的95％以上的条件。
另外，如图5的(b)所示，使用直径50mm的四个轧辊r1、r2、r3、r4对本发明涉及的具备金属层的超导线材进行依次改变方向的弯曲以施加双弯曲应力时的临界电流满足未被施加弯曲应力的超导线材的临界电流的95％以上。
如前所述，本发明涉及的超导线材应当具备金属层，从而在超导电缆的制造过程或铺设过程中确保充分的物理强度，并且在除了弯曲应力以外，还被施加拉伸应力、扭曲应力时，可以满足未被施加拉伸应力或扭曲应力的超导线材的临界电流的95％以上的条件。
具体而言，对本发明涉及的超导线材施加250MPa长度方向拉力或被拉伸0.2％的长度方向拉力时，拉伸临界电流可以为所述临界电流的95％以上，将本发明涉及的超导线材沿着长度方向按照200mm间隔扭曲状态下的扭曲临界电流可以大于等于所述临界电流的95％。
另外，关于扭曲应力，将本发明涉及的超导线材沿着长度方向按照200mm间隔扭曲状态下的扭曲临界电流优选为没有扭曲时的超导线材的临界电流的95％以上。
通常，超导线材131为了降低1公里以内距离的接续电阻，优选接续三次以下。因此，超导线材以200米(m)至400米(m)为单位被接合，在一个接合部位的电阻可以为200nΩ以下(100nΩ至200nΩ)。
另外，本发明涉及的超导线材的交流损耗优选为0.4W/kA·m以下。交流损耗是指1m长度的单一超导线材在接通1KA交流电流时发生的损耗需为0.4W以下。其规定了单一超导线材而并非超导电缆的交流损耗的范围。
进而，当同时应用拉力和扭曲时，优选满足相同基准的临界电流条件以及接合部位上的电阻条件。
本发明涉及的超导线材应当沿着电缆的长度方向进行长度方向接合，在各个接合部位上的接合电阻可以是200nΩ以下。这种接合电阻以超导线材没有受到机械应力的状态下测定为前提，并且，在超导线材受到张力并且卷绕于超导电缆的骨架等上的状态下，也是优选各接合部位上的电阻增加幅度小于20％。
结论是，优选地，在超导电缆的骨架上按照220mm左右的螺距卷绕所述超导线材并且沿着超导线材的长度方向施加3kg～8kg的荷载即被施加张力时，所述接合电阻被测定为240nΩ以下，或者比平常状态的接合电阻增加20％以下。
只有满足这种对于物理应力的超导线材的临界电流为无应力状态的超导线材的临界电流的约95％以上的电学特性，才可以在超导电缆的制造过程或铺设过程中确保超导线材的耐久性以及通电性。
图6示出按照在超导线材接通的电流而变化的电压曲线图。
所述临界电流是指通过施加连续的直流电压(DC)而能够流动的最大电流(在因骤冷等而短路以前)。因此，只要接通临界电流以上的电流，则电阻骤增，从而电压也骤增。因此，电压的增加率不宜过大。
优选地，在本发明涉及的第二代超导线材中，电压对所述临界电流以上的电流的斜率满足25至30的范围。通过临界电流测定方法，可以自然地测定所述斜率n。
图7示出本发明涉及的超导线材的气密性(Hermeticity)测试设备。
超导线材的气密性是指，超导线材在浸渍于高压液氮的状态下没有发生鼓胀，而是保持原来的形状，并且确保预先确定的范围的临界电流。
测试方法如图7所示，在配置有超导线材131的金属管S内填充液氮L，由外部向金属管S内侧以氮气施加压力，以使金属管S的内压达到约30个大气压(atm)，将这一状态保持约16小时以后，肉眼检查超导线材的鼓胀(ballooning)，并且测定临界电流。
在这种测试条件下，如果超导线材在肉眼检查中没有鼓胀，并且临界电流保持通常的临界电流的约95％，则可以判断满足气密性条件。
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 (15)

1.一种超导线材，该超导线材的宽度为0.4mm至0.5mm，厚度为0.3mm至0.5mm，使用YBCO或ReBCO作为超导物质，其中，Re＝Sm、Gd、Nd、Dy或者Ho，其特征在于，
在所述超导线材的两表面分别设置有金属材质的通电层，所述通电层均与所述超导线材电连接，
在77K温度、1个大气压、自场下的临界电流(DCIc)为150A至500A。
2.根据权利要求1所述的超导线材，其特征在于，
使用两个直径为35mm的轧辊对所述超导线材进行依次改变方向的弯曲以施加弯曲应力时的临界电流为所述自场下的临界电流的95％以上。
3.根据权利要求1所述的超导线材，其特征在于，
使用四个直径为50mm的轧辊对所述超导线材进行依次改变方向的弯曲以施加双弯曲应力时的临界电流为所述自场下的临界电流的95％以上。
4.根据权利要求1所述的超导线材，其特征在于，
对所述超导线材施加250MPa的长度方向拉力或被拉伸0.2％的长度方向拉力时的拉伸临界电流为所述自场下的临界电流的95％以上。
5.根据权利要求1所述的超导线材，其特征在于，
将所述超导线材沿着长度方向按照200mm间隔进行扭曲状态下的扭曲临界电流为，所述临界电流的95％以上。
6.根据权利要求1所述的超导线材，其特征在于，
在超导电缆的骨架上按照220mm的螺距卷绕所述超导线材并且沿着超导线材的长度方向施加3kg～8kg的荷载时的临界电流为所述自场下的临界电流的95％以上。
7.根据权利要求1所述的超导线材，其特征在于，
所述超导线材以200m至400m为单位被接合，接合部位的接合电阻为200nΩ以下。
8.根据权利要求7所述的超导线材，其特征在于，
在超导电缆的骨架上按照220mm的螺距卷绕所述超导线材并沿着超导线材的长度方向施加3kg～8kg的荷载时，各接合部位的接合电阻为240nΩ以下，或者比平常状态的接合电阻增加20％以下。
9.根据权利要求1所述的超导线材，其特征在于，
将所述超导线材在内压保持30个大气压的液氮中浸渍16小时的状态下的临界电流为所述自场下的临界电流的95％以上。
10.根据权利要求1所述的超导线材，其特征在于，
将所述超导线材在内压保持30个大气压的液氮中浸渍16小时的状态下，用肉眼观察不到超导线材的鼓胀。
11.根据权利要求1所述的超导线材，其特征在于，
电压对所述临界电流以上的电流的斜率为25至30。
12.根据权利要求1所述的超导线材，其特征在于，
所述超导线材的交流损耗为0.4W/kA·m以下。
13.一种超导线材，该超导线材的宽度为0.4mm至0.5mm，厚度为0.3mm至0.5mm，使用YBCO或ReBCO作为超导物质，其中，Re＝Sm、Gd、Nd、Dy或者Ho，其特征在于，
在所述超导线材的两表面分别设置有金属材质的通电层，所述通电层均与所述超导线材电连接，
在77K温度、1个大气压、自场下的临界电流(DCIc)为150A至500A，
使用两个直径为35mm的轧辊对所述超导线材进行依次改变方向的弯曲以施加弯曲应力时，
使用四个直径为50mm的轧辊对所述超导线材进行依次改变方向的弯曲以施加双弯曲应力时，
对所述超导线材施加250MPa的长度方向拉力或被拉伸0.2％的长度方向拉力时，
将所述超导线材沿着长度方向按照200mm间隔进行扭曲时，或者，
在超导电缆的骨架上按照220mm的螺距卷绕所述超导线材并且沿着超导线材的长度方向施加3kg～8kg的荷载时，或者，将所述超导线材在内压保持30个大气压的液氮中浸渍16小时的状态下的临界电流为所述自场下的临界电流的95％以上，
所述超导线材以200m至400m为单位被接合，接合部位的接合电阻为200nΩ以下，在超导电缆的骨架上按照220mm的螺距卷绕所述超导线材并沿着超导线材的长度方向施加3kg～8kg的荷载时，各接合部位的接合电阻为240nΩ以下，或者比平常状态的接合电阻增加20％以下，
电压对所述临界电流以上的电流的斜率为25至30，交流损耗为0.4W/kA·m以下。
14.一种超导线材，该超导线材的宽度为0.4mm至0.5mm，厚度为0.3mm至0.5mm，采用YBCO或ReBCO作为超导物质，其中，Re＝Sm、Gd、Nd、Dy或者Ho，其特征在于，
在所述超导线材的两表面分别设置有金属材质的通电层，所述通电层均与所述超导线材电连接，
将所述超导线材在内压保持30个大气压的液氮中浸渍16小时的状态下，用肉眼观察不到超导线材的鼓胀。
15.一种超导线材，该超导线材的宽度为0.4mm至0.5mm，厚度为0.3mm至0.5mm，使用YBCO或ReBCO作为超导物质，其中，Re＝Sm、Gd、Nd、Dy或者Ho，其特征在于，
在所述超导线材的两表面分别设置有金属材质的通电层，所述通电层均与所述超导线材电连接，
在77K温度、1个大气压、自场下的临界电流(DCIc)为150A至500A，
使用两个直径为35mm的轧辊对所述超导线材进行依次改变方向的弯曲以施加弯曲应力时，
使用四个直径为50mm的轧辊对所述超导线材进行依次改变方向的弯曲以施加双弯曲应力时，
对所述超导线材施加250MPa长度方向拉力或被拉伸0.2％的长度方向拉力时，
将所述超导线材沿着长度方向按照200mm间隔扭曲时，或者，
在超导电缆的骨架上按照220mm的螺距卷绕所述超导线材并且沿着超导线材的长度方向施加3kg～8kg的荷载时，或者，将所述超导线材在内压保持30个大气压的液氮中浸渍16小时的状态下的临界电流为所述自场下的临界电流的95％以上，
所述超导线材以200m至400m为单位被接合，接合部位的电阻为200nΩ以下，在超导电缆的骨架上按照220mm的螺距卷绕所述超导线材并沿着超导线材的长度方向施加3kg～8kg的荷载时，各接合部位的接合电阻为240nΩ以下，或者比平常状态的接合电阻增加20％以下，
电压对所述临界电流以上的电流的斜率为25至30，交流损耗为0.4W/kA·m以下，
将所述超导线材在内压保持30个大气压的液氮中浸渍16小时的状态下，用肉眼观察不到超导线材的鼓胀。
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