CN1333913A - 超导电缆 - Google Patents

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Abstract

一种具有至少一相的超导电缆(1),其包括:a)一由超导材料构成的带层(20);b)一用于支撑由超导材料构成的所述带层(20)的管状元件(6),所述管状元件由至少一个由金属材料制成的部分构成,并和由超导材料构成的带层(20)电接触;c)一冷却管路,适于把超导材料冷却到不高于其临界温度的工作温度,且其包括范围在最小值和最大值之间的预定工作压力下的流体;其中由在室温和电缆的工作温度之间的温度变化引起的由超导材料构成的所述带的变形小于所述带的临界变形,其特征在于具有和超导材料层(20)处于电接触状态的预定量的电阻型导电材料,使得在短路情况下超导材料达到的最大温度低于在超导材料的临界温度和所述冷却流体在其最小工作压力下的沸点之间的最小温度。

Description

超导电缆
发明领域
本发明一般涉及用于在超导条件下，即在几乎是零电阻条件下传输的电流的电缆。
更具体地说，本发明涉及一种具有至少一相的超导电缆(1)，其包括：
a)一由超导材料构成的带层(20)；
b)一用于支撑由超导材料构成的所述带层(20)的管状元件(6)，所述管状元件由至少一个由金属材料制成的部分构成，并和由超导材料构成的带层(20)电接触；
c)一冷却管路，适于把超导材料冷却到不高于其临界温度的工作温度，且其包括具有范围在最小值和最大值之间的预定压力的流体；
其中由在室温和电缆的工作温度之间的温度变化引起的由超导材料构成的所述带的变形小于所述带的临界变形。
在下面的说明和权利要求中，超导材料这个术语指的是一种材料，例如专用的铌钛合金，或基于铜、钡和钇的氧化物的混合物的陶瓷，或者基于铋、铅、锶、钙、铜、铊、和汞的氧化物的混合物的陶瓷，它们在被定义为临界温度(以后也简称为Tc)的一个给定的温度下具有基本上为0的电阻率的超导相。
超导电缆这个术语指的是具有至少一个含有一层超导材料的导电元件的用于输送电流的电缆。
常规的或电阻性的电缆，或者电阻型的导电材料指的是具有非超导材料的电缆，即使用具有非0电阻的导电元件的电缆。
最后，在下面的说明和权利要求中，大功率电缆这个术语指的是用于输送大于3000A的电流，从而感应的磁场导致减少在超导条件下可以达到的最大电流密度的值的电缆。
现有技术
在超导电缆领域中，一个突出的问题是，保护电缆免遭短路过电流的影响，因而确保当发生短路时，超导材料被维持在超导状态下，即，被维持在其临界温度以下。
为了解决这个问题，现有技术提出了一系列稳定性准则，作为在发生短路瞬变之后把电缆维持在其临界温度以下的通用依据。
E.W.Collings的文章“Flux-jump stability and cryostability incaramic superconductors for 80 K”，MRS Int’I.Mtg.onAdv.Mats.Vol.6，1989 Material Research Society，和“Conductor Designwith High-Tc ceramec--a review”2nd Int.Symposium onSuperconductivity，Nov.1989，Japan对于超导电缆的稳定性准则进行了综述。
在上述的文章中，区分了低温稳定性准则和“磁通跳跃稳定性”，用这个术语旨在表示在超导电缆中在出现磁通峰值之后的超导电缆的稳定性。
具体地说，当充分冷却的常态导电材料和超导材料相关时，在上述文献中披露的低温稳定性准则还分为全稳定性或有限的稳定性，指在过电流使超导材料的整个长度或有限的长度成为常态之后能够分别恢复其超导状态。
这种全低温稳定性准则和有限低温稳定性准则已经作为在电缆中使用预定量的金属材料的共同依据，所述金属材料在短路瞬变期间具有常态导体的作用，并且适用于通过短路过电流和消除在短路期间产生的热量，从而以这种方式限制超导材料的温升，使得超导材料维持在其临界温度以下。
事实上，在短路期间，超导材料降低其超导能力，并成为非良导体，使得过电流通过常态导体。由常态导体承载的这种电流传输意味着在导体本身的能量消耗，使得在具有合适数量的金属的条件下，一旦短路电流瞬变结束，超导材料能够返回其超导状态。
在上述的文献中，除去全稳定性和有限稳定性准则之外，还提出了动态稳定性和绝热稳定性。在上述的第二篇文献和T.Ito和H.Kutoba，Cryogenics 29,621-624(1989)中描述的另一个低温稳定性准则是所谓和最小传播区(MPZ)有关的稳定性准则。此外，这种稳定性准则规定了常态导体和超导材料的联系，并使得能够实现沿着材料的纵向的超导电缆关于导电率的稳定性。
上述的稳定性准则可以单独地或者相互组合地应用于超导电缆。
本申请人的专利申请EP97202433.5披露了一种超导带，其和金属薄片相连，具有大于0.3％的最大张力变形。
本申请人注意到，将上述的全稳定性准则和绝热稳定性准则应用于超导电缆，特别是应用于其中使用高温超导材料的超导电缆，具有一系列的缺点。实际上，为了完全遵守稳定性准则，需要使用大量的金属材料(常态导体)，这带来一系列的缺点，一方面，使电缆的重量和体积增加，使得制造困难，使其最大长度受到限制，并给安装带来困难，在另一方面，增加了电缆的总的成本。
此外，本申请人认识到，使用金属材料作为超导材料的支撑元件，会使得在电缆的冷却期间，产生趋于使超导材料变形的应力，这是因为，使用的金属和超导材料的热膨胀系数不同的缘故。
实际上，本申请人已经发现，在电缆从室温冷却到在具有夹头的工作装置中使用的冷却液体(例如液氮)的温度期间，构成超导电缆的元件受到若干应力，所述应力的方向包括径向(由构成电缆的材料的热膨胀系数不同引起)和纵向(由夹头装置引起)两个方向，这些应力具有破坏超导材料的危险。
在这方面，尤其有害的是沿着超导材料的纵向产生的应力，因为它们可以引起表层破裂，从而影响其在超导条件下输送电流的能力。
按照本发明的第一方面，涉及一种上述类型的超导电缆，其特征在于，具有和超导材料层(20)处于电接触状态的预定量的电阻型的导电材料，使得在短路情况下超导材料达到的最大温度低于在超导材料的临界温度和所述冷却流体在最小工作压力下的沸点之间的最小温度。
最好是，超导材料中的和所述层接触的金属材料的数量，特别是存在于超导材料层的支撑元件中的金属材料的数量，通过在下面的说明中说明的全稳定性准则和绝热稳定性准则确定。
按照本发明，可以减少在超导电缆的冷却期间因为不能自由地回缩而在超导材料中产生的纵向应力，因而阻止超导材料的破坏，相应的阻止超导电缆在超导条件下传输能力的减少。
在本发明的第二方面，本发明涉及一种用于超导电缆的导电元件，其包括被包含在金属覆层内的由管状元件支撑着的至少一层超导材料，所述管状元件包括和超导材料电接触的预定量的金属材料，所述超导材料层借助于冷却流体被冷却到不高于其临界温度的温度，其特征在于，具有预定量的和超导材料层电接触的电阻型的导电材料，使得在短路情况下由超导材料达到的最大温度低于在超导材料的临界温度和所述冷却流体在最小工作压力下的沸点之间的最小温度。
在本发明的第三方面中，本发明涉及一种用于限制在超导电缆的超导材料带中沿纵向产生的应力的方法，包括以下步骤：
提供至少一个包括预定量的金属材料的用于支撑超导材料带的管状元件，所述管状元件和所述超导材料带处于电接触状态，
在所述至少一个管状支撑元件的表面上以螺旋方式缠绕所述超导材料带，
利用冷却流体把超导材料冷却到不高于其临界温度的温度，
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
连接至少一个由金属材料制成的和所述超导材料带相连的加强薄片，
以这样的方式确定和超导材料层电接触的金属材料的总量，使得在短路情况下由超导材料达到的最大温度低于在超导材料的临界温度和所述冷却流体在最小工作压力下的沸点之间的最小温度。
按照本发明的第一实施例，由于提供了适用于限制沿着超导材料层的纵向产生的应力的装置，所述装置包括至少一个金属材料制成的加强薄片，所述加强薄片基本上以不可逆的方式和超导带的金属覆层相连，并和超导材料处于电接触状态，使得由于在室温和电缆的工作温度之间的温度变化而引起的包括超导材料的所述带的变形小于所述带的临界变形。
用这种方式，在短路瞬变期间，过电流在和超导材料并联的并由电阻型导体构成的所述带的金属材料、管状支撑元件的金属材料以及加强薄片之间分流，从而旁路所述超导材料。在短路瞬变结束时，电流再由处于超导状态下的超导材料输送。
具体地说，在导电元件中，在一方面，所述带的金属材料和管状支撑元件的金属材料的电连接，在另一方面，所述带的金属材料和所述加强薄片的电连接，通过使上述的材料彼此相互直接接触，或者通过将上述材料插入已有的导电元件之间来实现。
最好是，加强薄片具有不大于金属覆层的厚度的一半的厚度，并且在安装或使用期间，有利地增加电缆的导电元件对机械应力和热应力的抵抗能力。
最好所述厚度在0.03和0.08mm之间。
在本发明的一个优选实施例中，通过给超导材料沿纵向加预定的预应力，使所述电缆的导电元件对其受到的各种应力的抵抗能力进一步增加。
这种预应力最好通过使加强薄片和超导材料的带的覆层材料相连，同时对金属薄片施加一个基本上沿在纵向的张力来获得。
有利的是，已经发现，当电缆从室温冷却到冷却流体的温度时，超导材料的这种预应力能够部分地补偿施加于电缆的夹头装置中的超导材料的张力的影响。
具体地说，本申请人发现，在使用相同的材料(因而热膨胀系数相同)，相同的电缆几何形状，和在冷却期间的温度减少相同的情况下，和具有不含有加强薄片的带的超导电缆相比，在电缆中使用的超导材料的超导状态下的输送能力具有较小的减少。
最好具有上述类型的加强带的导电元件通过利用已知的装置对加强薄片施加在3.4*107Pa(3.5kg/mm2)和34.3*107Pa(35kg/mm2)之间的张力来获得，例如通过利用两个线圈，一个用于缠绕，一个用于解开，其中一个被合适地制动。
由于所述张力，这样获得的加强带的超导材料具有一个沿纵向的以％或“γ”表示的预应力度(a prestress degree)，其定义如下：
           γ＝[(Li-Lf)/Li]*100
其中：
Li＝带的初始长度；
Lf＝加预应力之后的带的长度；
其值在0.05和0.2％之间。
在另一个实施例中，适用于限制沿超导材料层的纵向产生的应力的装置可以具有两个和金属覆层的相对的表面相连的加强薄片。
最好是，加强薄片和金属覆层以基本上不可逆的方式往返地连接，其中通过用这种方式进行焊接或铜焊，使得确保一旦实现连接，就可以维持超导材料所需的预应力。有利的是，在借助于焊接或铜焊的情况下，在加强薄片和超导材料的金属覆层之间所需的电连接被自动地保证。
有利的是，本发明的电缆包括按照5度和60度之间最好在10度和40度之间的缠绕角以螺旋方式绕在管状支撑元件上的多个超导带。用这种方式，可以进一步减少在所述的每个带中可能产生的机械应力。
最好是，所述加强薄片和所述至少一个超导带的金属覆层由从以下金属构成的组中选择的金属构成：铜，铝，银，镁，镍，青铜，不锈钢，铍以及它们的合金。
最好是，和超导带的金属覆层相连的加强薄片由从以下金属构成的组中选择的金属构成：不锈钢，最好是含有镁的不锈钢，青铜，铍，铝，以及它们的合金，而所述带的金属覆层由从由以下金属构成的组中选择的金属构成：银，镁，铝，镍以及它们的合金。
按照本发明的第二实施例，适用于限制沿着超导材料的纵向产生的应力的装置包括上述的管状支撑元件，在本实施例中，所述管状元件是合成型的，其包括第一金属材料和与所述第一金属材料相关的其热膨胀系数大于第一金属材料的热膨胀系数的第二材料。
最好是，管状支撑元件同时作为用于限制沿纵向在超导材料层内产生的应力的装置和用于支撑超导材料的装置，只要其中金属的数量、金属和超导材料的电连接足以在短路电流瞬变期间使电缆稳定即可。
本申请人的确发现，使用复合的并且不是唯一地由金属材料构成的管状支撑元件能够减少沿径向和纵向施加于超导材料的应力。
具体地说，已经发现，由于所述复合的管状支撑元件具有上述的具有较高的热膨胀系数的第二材料，所以这种复合的管状支撑元件的整体热膨胀系数大于超导材料的热膨胀系数，因此在电缆的冷却阶段期间，能够相对于整个金属支撑沿径向收缩较大的程度。
用这种方式，由于所谓的约束收缩，按照本发明的合成支撑元件能够使超导材料沿纵向收缩较大的程度，使得能够减少在超导材料内部沿纵向的应力。
此外，当复合的管状支撑元件的杨氏模数小于第一金属材料的杨氏模数时，使用复合的管状支撑元件能够减少由超导电缆的端部沿纵向施加于相对于在整体上由金属制成的管状元件的的端子上的应力。
此外，已经观察到，通过选择合适的尺寸，复合的管状支撑元件包括作为常态导体的和超导材料电连接的一定量的金属材料，在短路电流瞬变期间便足以使电缆稳定。具体地说，在短路瞬变期间，不能由暂时失去其超导特性的超导材料传输的过电流便通过和超导材料电连接的金属材料。
为了实现本发明的目的，用于制造复合的支撑元件的第一金属材料的电阻率在77K下小于5*10-9Ωm，在77K下的比热大于106J/m3K，在77K下的导热率大于5W/mK。
具体地说，合成支撑元件的第一金属材料从包括铜、铝以及它们的合金的组中选择。
最好是上述的第二材料是非金属材料，并具有大于17*10-6℃-1的热膨胀系数，最好具有大于20*10-6℃-1的热膨胀系数，更好具有40和60*10-6℃-1之间的热膨胀系数。
在优选实施例中，上述的第二非金属材料是塑料。
为了实现本发明的目的，第二材料最好从包括以下材料的组中选择：聚酰胺，例如尼龙，聚四氟乙烯(PTFE)，聚乙烯。
用于制造按照本发明的复合的支撑元件的一些材料在室温和77K之间的百分比热缩率(ε)和77K下的杨氏模数(E)如下表所示
    材料     ε(％)     E(GPa)
    Cu     0.30     100
    Al     0.39     77
    Ag     0.36     100
    PTFE     2.00     5
在优选实施例中，上述第一和第二材料作为相邻的环形部分被构成。这种结构尤其有助于实施制造复合的管状元件的步骤。
为实现本发明的目的，所述第一和第二材料的部分的数量以及这种部分的排列可以由本领域的技术人员根据电缆的结构要求容易地确定。
最好是，用于制造复合的管状支撑元件的部分的数量在3和50之间。在优选实施例中，所述数量根据复合的管状支撑元件的外径和所述部分的厚度被这样选择，使得在所述部分的厚度s和所述部分的宽度l之间的比K在0.4和0.7之间。
最好是，所述第一和第二材料的部分彼此交替地排列。这种结构实际上使得管状支撑元件具有相对均匀的机械特性，这使得能够保证用于制造管状支撑元件的绞线机具有满意的动态稳定性，并保证在电缆的冷却期间合成管状支撑元件在机械上的一致性。
最好是，所述第一和第二材料的环形部分以5和50度之间的缠绕角螺旋地缠绕。用这种方式，可以确保在相邻的部分之间的满意的和持久的夹持作用。
在另一个实施例中，超导材料的合成管状支撑元件可以包括主要由所述第二材料制成的内管元件，在所述内管元件上缠绕有主要由所述第一材料制成的薄薄片或线。
在这种情况下，如上所述，所述薄薄片或线最好是被螺旋地缠绕在内管元件上。
按照本发明的第三实施例，用于限制在超导材料层中沿纵向产生的应力的装置包括上述的合成管状元件和与超导材料带相连的至少一个金属加强薄片。
本发明的超导电缆可以是同轴电缆和非同轴电缆。
在下面的说明以及权利要求中，同轴电缆这个术语表示一种电缆，其包括管状支撑元件，同轴地包围着管状支撑元件的相导体，在相导体外部的介电材料层，以及由所述介电材料层支撑着的和所述相导体同轴的返回导体。
为实现本发明的目的，在返回导体内流过和在相导体内大小相等方向相反的电流，使得产生一个和相导体的电流产生的大小相等方向相反的磁场，从而把磁场限制在由两个导体之间组成的电缆的部分，并减少相对于返回导体被在外部支撑着的电缆部分中的耗散电流。
最好是，返回导体包括至少一个超导带，所述超导带包括一个被设置在金属覆层内的超导材料层，以及和所述金属覆层电接触的预定量的金属材料(稳定金属)，所述金属材料还具有在短路条件下使超导材料稳定的作用。
此外，最好是，稳定金属的总量通过应用和相导体相同的全稳定性准则和绝热稳定性准则被确定，这将在下面将进行说明。
最好是，稳定金属被分为多个厚度在0.1和5mm之间的条或带，其直接和超导带的金属覆层接触，例如被绕在所述金属覆层上。
在另一个实施例中，返回导体包括至少一个金属加强薄片，其最好以基本上不可逆的方式和超导材料的金属覆层相连，并被设置在所述金属覆层和稳定金属之间。
和相导体的情况类似，在短路瞬变期间，返回导体失去其导电能力，电流通过稳定金属材料、加强薄片(如果有的话)、超导带的金属覆层(如果有的话)，流回在短路端的超导材料。
返回导体的稳定金属也可以被分成带或线，例如由铜或其它合适的金属制成，它们和超导带相连，例如被螺旋地绕在所述超导带上。
最好是，本发明的超导电缆以这种方式借助于被合适地加压的并处于过冷状态下的冷却流体冷却，使得确保电缆正常工作所需的热交换，并确保对于大的长度的电缆维持适当低于超导材料的临界温度的温度。
实际上，在冷却流体的流动通路当中，冷却流体同时受到由构成电缆的元件吸收的热量引起不断增加的热量和不断增加的压力损失，后者是由于在通过电缆时液压的损失和冷却流体本身的或多或少的湍流引起的。
因此，电缆的工作条件的选择要考虑到这些因素。具体地说，最好是选择这样的工作条件，使得冷却流体维持在尽可能远离其饱和曲线的温度和压力值。所述工作条件被包括在用于限定冷却流体的状态图的一部分的所谓的“工作窗口”内，在所述窗口内具有相对于把超导材料冷却到其临界温度以下所需的安全条件，同时把冷却流体维持在液态。
最好是，加压的和过冷的冷却流体使得能够减少用作稳定金属所需的金属材料的数量。冷却流体的压力越高以及温度越低，所需的金属的数量越少。
最好是，超导材料是所谓的“高温型”的超导材料(Tc大约为110K)并且被冷却到大约63K和90K之间的温度。
这种冷却最好使用工作压力在10和20巴之间的液态氮作为冷却流体来实现。
按照本发明，上述的超导电缆可以具有不同的实施例。特别是如上所述，本发明的电缆可以是同轴的和非同轴的，其中包括的一相或三相可以是单元件的或者是多元件的，电绝缘可以是在低温下的(冷的电介质)或者在室温下的(暖的电介质)，热绝缘可以被设置在每一个相上，或者被设置在3个联合的相上。
附图简述
由下面结合附图对本发明的一些优选实施例的所作的详细说明可以更清楚地看出本发明的优点和特征。在附图中：
图1是按照本发明的第一实施例的同轴多元件三相超导电缆的局部剖开的透视图；
图2是图1的同轴电缆的一个元件的放大的局部剖开的透视图；
图3是图1的同轴电缆的一个元件的第二实施例的放大的局部剖开的透视图，其中的相导体和返回导体具有加强薄片；
图4是按照本发明的另一个实施例的单相的多元件的非同轴的超导电缆的局部剖开的放大的透视图。
优选实施例的详细说明
参见图1，按照本发明的同轴三相超导电缆1包括由标号2表示的超导芯，其包括多个导电元件3，每相由标号3a，3b，3c表示，它们被松散地容纳在管状壳体9内，所述壳体例如由金属制成，例如钢、铝等。
每个导电元件3又包括一对同轴导体，分别是相导体4和返回导体5，其中的每一个至少包括一层超导材料，这在下面将更清楚地说明。
同轴的相导体4和中性的导体5通过插入介电材料层8彼此绝缘，返回导体5被直接支撑在所述介电材料层上。
电缆1还包括合适的用于循环冷却流体的冷却管路，所述冷却流体用于把超导芯2冷却到低于所选的超导材料的临界温度的温度，所述超导材料在图1的情况下是高温型的。
上述的冷却管路包括合适的泵装置，这些是已知的，因此图中没有示出，所述泵装置用于提供合适的冷却流体，例如液态氮，其温度一般在65K到90K，所述冷却流体在每个导电元件3内和每个导电元件和管状壳体9之间的空隙中流动。
为了尽量减少向着外部环境的热耗散，超导芯2被封装在一个容器结构或致冷器10中，所述容器包括例如由许多叠加的层构成的热绝缘和至少一个保护护罩。
致冷器在现有技术中已经描述了，例如在IEEEETRANSACTIONS ON POWER DELIVERY，Vol.7，nr.4，October1992，pp.1745-1753的文章中。
更具体地说，在所示的例子中，致冷器10包括包括绝缘材料层11，例如由聚酯树脂制成的若干个(例如几十个)被表面金属化的带构成，其在现有技术中被称为“热超绝缘体”，它们借助于设置的隔离物13被松散地绕制，这种带被容纳在由管状元件14限定的环状的空的空间12中，其中借助于已知的设备保持10-2N/m2数量级的真空。
由金属制成的管状支撑元件14能够提供具有所需的流体密封特性的环形中空空间12，并且被例如聚乙烯制成的外部护套15覆盖。
最好是，管状支撑元件14由被弯曲成管形的并沿纵向被焊接的带制成，所述带可以由钢、铜、铝等制成，或者通过挤压成形的管制成。
如果要求电缆具有柔性，可以使元件14形成有波纹的形状。
除去上述的元件，还可以提供电缆牵引元件，可以按照结构和使用要求沿轴向或沿周向设置，用于确保限制施加于超导元件3上的应力；这种牵引元件在图中没有示出，其可以按照已知的技术通过周向地设置金属加强件被形成，其中利用钢丝或利用一个或几个轴向设置的金属绳，或者利用由介电材料例如由介电材料制成的纤维。
每一相具有几个超导元件，具体地说，在图1所示的例子中，每相(a，b，c)包括两个超导元件，对于所示的3个超导元件3a，3b，3c，分别由下标1，2表示，使得每个相的电流在几个(在所示的例子中是两个)导体当中分配。
图2以透视图和放大图的形式示出了图1所示的同轴超导电缆1的一个超导元件3。
为了简明，在图2和下面的图3和图4中，和图1结构相同或者功能相同的部分用相同的标号表示，并且省略其说明。
图2所示的超导元件3a1包括合成管状元件6，其包括多个环状部分16，17，它们分别由塑料材料例如聚四氟乙烯和金属材料例如铜制成，它们彼此交替地排列并螺旋地绕制。
每个同轴的相导体4和返回导体5包括多个超导带18a和18b，它们被分别螺旋地缠绕在合成管状元件6上和介电材料层8上。每个所述超导带18a，18b包括被封装在金属覆层19内的超导材料层20。
返回导体5还包括多个作为稳定金属的铜带7，其和超导带的金属覆层19电接触，用已知的方式被绕在所述金属覆层上。
在图3所示的电缆1的导电元件3的另一个实施例中，同轴相导体4和返回导体5还包括多个金属加强薄片21，其以基本上不可逆的方式例如借助于铜焊和超导带18a，18b的金属覆层19相连。
最好是，相导体4的加强薄片21和金属覆层19的沿径向的内表面相连，从而被插入合成管状元件6和和带18a之间，用这种方式，作为带的机械保护元件。
用这种方式，加强薄片21和超导带18a的金属覆层19以及合成管状元件6的金属覆层的环状部分17实现电接触。
最好是，返回导体5的加强薄片21相对于相导体4的加强薄片以镜像的形式被设置，即，它们和带18b的金属覆层19的径向外表面相连，从而被设置在铜带7和超导带之间，并用这种方式作为超导带的机械保护元件。
用这种方式，加强薄片21和超导带18b的金属覆层19以及稳定金属(铜带7)实现电接触。
此外，最好是，同轴相导体4和返回导体5用这种方式确保电缆1在短路情况下的低温稳定性，并且在加强薄片以这种方式和超导带18a，18b相连，使得给予超导材料一个预定程度的预应力时，确保充分地减少施加于电缆1的端部的张力。
在图4所示的实施例中，说明了一种非同轴的单相的超导电缆1，其中导电元件3I，3II，...，3VII只构成相导体4，在这种情况下，相导体4包括以螺旋方式缠绕在管状支撑元件6上的超导带18。
在这个另外的实施例中，致冷器10包括在管状的壳体9和管状支撑元件23之间限定的中空的空间22，液态氮在其中循环。
在所述非同轴单相超导电缆1的外部，具有用于超导电缆的电绝缘，其被设置在半导体材料制成的两个管状元件25，26内。
参照上面的说明，下面以非限制的方式提供一些例子，用于说明按照本发明的超导电缆和现有技术的超导电缆的一些实施例在短路条件下的性能和机械应力。
例1(发明例)
按照本发明的实施例，制造一种高温的冷电介质型大功率三相同轴超导电缆的样品，其包括多个导电元件，每个导电元件包括一对相导体和返回导体，它们由螺旋地缠绕在各个支撑元件上的超导材料带构成。
具体地说，所述相导体由全部用金属制成的管状元件支撑着，而返回导体由在相导体外部且和相导体同轴的介电材料层支撑着。
相导体和返回导体的超导带配备有厚度为0.05mm的金属加强薄片，其和所述超导带的金属覆层相连。
返回导体也配备有和与超导带的金属覆层相连的金属加强薄片电接触的铜带(稳定金属)。
加强薄片和超导带所连接步骤如下：第一步，对金属薄片沿纵向施加张力，在第二步，把金属薄片连接到超导带上，以便获得超导材料的预应力。具体地说，对金属薄片施加15.4*107Pa(15.7kg/mm2)的张力，这样大约获得0.1％的超导材料的预应力度。
用于相导体的管状支撑元件的金属是铜。
对制造的电缆样品所考虑的工作特性如下：
功率    0.7GVA
额定电压(相对相)132KV
额定电流    3070A
临界电流    9210A
长度    50km
所述电缆用这种方式设计，使得其在以下短路条件下稳定：
短路电流Icc   50KA
短路持续时间  Δtcc 0.5s
还假定：
1)在短路瞬变期间所消耗的功率全部转换为超导材料层、包围超导材料层的金属覆层、以及以任何方式和超导材料层电接触的金属(管状支撑元件，金属加强薄片和铜带)的温升，
2)通过和超导材料层电接触的金属材料的全部短路电流消耗的功率是电阻性的，
3)为了把在短路结束时超导材料所达到的最大温度限制在最大可允许温度Tamm以下，假定由于短路而引起的温升是ΔT，则由下式定义在最小工作压力下在超导材料的临界温度和冷却流体的沸腾温度之间的最小温度：
      ΔTamm≤(Tamm－Tworking max)/f
其中Tworking max是最大工作温度，f是安全系数。
按照上述工作特性制造的电缆的液态氮的工作温度和压力范围如下：
最小工作温度＝63.2K
最大工作温度＝82K
最大工作压力＝20巴
最小工作压力＝10巴
假定使用BSCCO型高温超导材料，其临界温度大约为110K，因为液态氮在10巴的压力下的沸腾温度为104K，最大可允许温度Tamm和该值相符。
按照下式确定用于确保在短路条件下电缆的稳定性所需的金属材料的数量：
ΔTamm＝[(∑RiIcci 2)/(∑micpi)]*Δtcc    (I)
其中：
ΔTamm表示可允许的由于短路导致的温升，
Ri表示超导电缆的第i个元件的电阻，
Icci表示超导电缆的第i个元件的短路电流，
mi表示超导电缆的第i个元件的质量，
cpi表示超导电缆的第i个元件的比热，
Δtcc表示短路的持续时间。
得到：
mi＝δi*Vi＝δi*Si*li    (II)
其中：
δi表示第i个元件的密度，
Vi表示第i个元件的体积，
Si表示第i个元件的截面，
li表示第i个元件的长度。
还得到：
Ri＝ρi*(li/Si)    (III)
其中ρi表示第i个元件的电阻率。
因为ΔTamm，δi，li，ρi，Icci，cpi，Δtcc以及超导带、金属加强薄片、和铜带的截面是已知的设计数据，所以通过在式(I)中代入式(II)和式(III)，便可以确定管状支撑元件的金属材料的截面。
在下面的表I中报告了按照上述的全稳定性和绝热稳定性准则准则以及在短路条件下超导材料的温升ΔT制造的电缆的结构特征，其中所示的是由1a和1b表示的情况，它们是在假定安全系数f分别等于4.4和2.2的情况下获得的。
具体地说，只报告了相导体的结构特征，因为返回导体的结构特征可以根据其通过的短路电流和相导体相同，并且用相同的方式确定。
由所述的表可以看出，按照本发明的电缆在短路情况下分别允许把超导材料的温升ΔT限制到5℃(1a)和10℃(1b)，因而完全符合电缆的全稳定性和绝热稳定性准则。
例2-3(发明例)
按照本发明的另一个实施例，制造另外两个同轴电缆的样品，每个电缆包括由螺旋地缠绕在各自的支撑元件上的超导材料带构成的一对相导体和返回导体，在这种情况下，所述支撑元件是用于相导体的管状合成支撑元件和用于返回导体的介电材料层。
具体地说，管状合成支撑元件利用由铜(第一材料)和聚四氟乙烯制成的环形部分制成，它们相互交替地排列，其内径为38.7mm，外径为48.5mm，主要是为了符合工程和冷却的约束。对于这种结构，环形部分的数量最好是14。单个部分的截面积是47.9mm2。
和例1的情况类似，返回导体具有和超导带电接触的铜带(稳定金属)。
超导带具有和例1类似的与超导带的金属覆层相连的金属加强薄片(例2)，或者没有所述金属薄片(例3)。
此外，和例1类似，加强薄片和超导带所连接步骤如下：第一步，对金属薄片沿纵向施加张力，在第二步，把金属薄片连接到超导带上，以便获得超导材料的预应力。
具体地说，对金属薄片施加15.4*107Pa(15.7kg/mm2)的张力，这样大约获得0.1％的超导材料的预应力度。
两个电缆样品的结构特征如表I所示。
通过分析所述表I的数据，在最大允许温升是10℃的情况下，例2和例3具有和例1b相同的结果，其中发现对于温升，超导材料带的加强薄片的贡献是可以忽略的。
关于电缆的几何形状，可以看出，例2和例3的合成管状元件的比例1b的电缆的全金属的管状元件具有较大的厚度，这是由于在具有合适数量的聚四氟乙烯的情况下，需要提供合适数量的铜用于确保在短路条件下的电缆的稳定性。
例4(对照例)
制造具有和例1相同的特征的电缆，不过，在设计时不考虑在短路瞬变期间的任何稳定性准则。所得的结果如表2所示。
例5(对照例)
为了对照，使用全稳定性和绝热稳定性准则，制造了具有和例1相同特征的电缆，只是没有设置在超导带外部的金属薄片。
在上述的E.W.Collings的文章“Fluxjump stability andcryostability in ceramic superconductors for 80 K”，MRS Int’I Mtg.on Adv.Mats.Vol.6，1989Materials Ressearch Society中，报道了一个使稳定金属的面积和超导带的金属覆层的金属面积之和超导材料的总面积之间的比和参数例如稳定金属的电阻率ρ以及超导带的临界电流密度Jc之间的关系的公式。
代入这些值，上述公式成为：
Rs 2*(Rs+1)＝9.27*Ic                  (IV)
已知超导带的金属覆层的面积和超导材料的总面积之间的比，便可以获得稳定金属个面积和超导材料的面积之间的比值。其结果示于表II中
例6(对照例)
只按照结构与/或技术要求制造一种电缆，所述电缆只具有用于支撑相导体和用于保护返回导体的附加的金属。
获得的结果示于表II中。
例7(对照例)
利用和例4相同的步骤，制造两个电缆7a，7b，由于只增加超导材料的数量，安全裕度假定分别等于4.4和2.2。
结果如表II所示。
通过分析下面的表I、II，可以看出按照例4和例6制造的电缆不适合于实际应用，因为在短路情况下温升(ΔT)太高。
而按照例1-3制造的电缆则能够确保在高温下超导材料的稳定性，并能够使氮维持在液态，其中和超导材料呈电接触的金属材料的总量小于例5的电缆，并且超导材料的总量小于例7的电缆7a，7b，从而确保节省成本。
例8(评价机械应力)
为了比较由于在具有夹头的工作结构中通过液氮的冷却而在超导材料的纵向产生的机械应力，按照例1b，2，3的电缆样品和例5的电缆进行比较。假定在短路条件下对于全稳定性和绝热稳定性的金属材料的最小总截面积为298.2mm2。
使用铜作为制造合成管状支撑元件的第一材料，而使用聚四氟乙烯作为第二非金属材料。
以这种方式制造具有14个金属部分，尤其是具有由铜制造的部分的例1b和5的管状支撑元件，使得在几何上获得和例2、例3的合成管状支撑元件相同的结构。
然后，对样品进行若干次试验，这些试验用于评价在超导材料中产生的变形、作为受约束的收缩的反作用由电缆对端子施加的牵引力、以及和按照上述的准则用于确保电缆的全稳定性和绝热稳定性所需的数量相比的最后使用的导电材料的数量。
试验结果示于表III，其中还示出了临界变形值，所述临界变形值是这样一个变形值，当超过这个值时，就能检测出超导材料的裂痕和颗粒分离，从而引起材料本身的电流输送容量的减少。
关于临界变形值，由具有加强薄片的电缆的表III的值可见，例1b，和2具有比没有加强薄片的电缆较大的值；这基本上归因于由于把金属薄片连接于带的金属覆层上而对超导材料层施加的预应力的影响。
由表III的结果可见，还可以看到，对于例5的电缆，超导材料的变形具有大于临界变形的值，这将影响在超导条件下传输电流的能力。
有利的是，在例2和例3的两个样品中，超导材料经受的变形除去大大低于临界值之外，还明显地小于对例1的样品检测到的值，这再次证明了合成管状支撑元件对于减少沿纵向对超导材料施加的应力的有效性。
                       表I
                      本发明
管状支撑元件的金属材料    内部SC  ΔT(℃)
例1a 截面积mm2     545     88.6     5
  Cu/SC     5.6
例1b 截面积mm2     335     88.6     10
  Cu/SC     3.8
例2 截面积mm2     335     88.6     10
  Cu/SC     3.8
例3 截面积mm2     335     88.6     10
  Cu/SC     3.8
内部SC＝内部导体(相导体)的超导材料层
ΔT＝超导材料的温升
                              表II
                             对照例
管状支撑元件的金属材料    内部SC   ΔT(℃)
例4 截面积mm2     0     88.6     620
  Cu/SC
例5 截面积mm2     1277.7     29.2     0
  Cu/SC     43.7
例6 截面积mm2     199     88.6     23.7
  Cu/SC     2.2
例7a 截面积mm2     199     615     5
  Cu/SC     0.32
例7b 截面积mm2     199     320     10
  Cu/SC     0.62
内部SC＝内部导体(相导体)的超导材料层
ΔT＝超导材料的温升
                     表III
    例1b     例2     例3     例5
超导体的变形(％)     0.31     0.18     0.18     0.31
临界变形(％)     0.5     0.5     0.29     0.29
牵引力(Kg)     11700     14100     13700     40000
铜的含量(％)     100     100     100     300

Claims (19)

1.一种具有至少一相的超导电缆(1)，其包括：
a)一由超导材料构成的带层(20)；
b)一用于支撑由超导材料构成的所述带层(20)的管状元件(6)，所述管状元件由至少一个由金属材料制成的部分构成，并和由超导材料构成的带层(20)电接触；
c)一冷却管路，适于把超导材料冷却到不高于其临界温度的工作温度，且其包括范围在最小值和最大值之间的预定工作压力下的流体；
其中由在室温和电缆的工作温度之间的温度变化引起的由超导材料构成的所述带的变形小于所述带的临界变形，其特征在于
具有和超导材料层(20)处于电接触状态的预定量的电阻型导电材料，使得在短路情况下超导材料达到的最大温度低于在超导材料的临界温度和所述冷却流体在其最小工作压力下的沸点之间的最小温度。
2.如权利要求1所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述带层被包括在一金属覆层(19)内。
3.如权利要求2所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述超导材料包括至少一个由金属材料制成的加强薄片(21)。
4.如权利要求3所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述超导材料包括两个由金属材料制成的和所述带层的相对表面相连的加强薄片(21)。
5.如权利要求3或4所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述超导材料基本上被沿纵向施加有预应力。
6.如权利要求5所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述至少一个超导带(18a，18b)的超导材料层(20)沿纵向具有一在0.05和0.2％之间的预应力度(γ)。
7.如权利要求1所述的超导电缆(1)，其特征在于，还包括按照5°和60°之间的缠绕角以螺旋方式绕在所述至少一个管状支撑元件(6)表面上的多个超导带(18a，18b)。
8.如权利要求3或4所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述加强薄片(21)和所述超导带(18a，18b)的金属覆层(19)，由选自以下组中的金属：铜，铝，银，镁，镍，青铜，不锈钢，铍以及它们的合金构成。
9.如权利要求1，3或4所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述管状支撑元件(6)基本上是复合的，并且包括第一金属材料和与所述第一金属材料相关联的其热膨胀系数大于第一金属材料的热膨胀系数的第二材料。
10.如权利要求9所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述第一和第二材料作为相邻的环形部分(16，17)被构成。
11.如权利要求10所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述环形部分(16，17)被一个接着一个地设置。
12.如权利要求10所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述环形部分(16，17)以5°和50°之间的缠绕角被螺旋地缠绕。
13.如权利要求9所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述第一金属材料的电阻率在77 K下小于5*10-9Ωm，在77K下的比热大于106J/m3K，在77K下的导热率大于5W/mK。
14.如权利要求9所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述第二材料是非金属材料，其具有大于17*10-6℃-1的热膨胀系数。
15.如权利要求14所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述第二非金属材料是塑料，并且从包括以下材料的组中选择：聚酰胺，聚四氟乙烯，和聚乙烯。
16.一种用于超导电缆(1)的导电元件(3)，其包括被包含在金属覆层(19)内的由管状元件(6)支撑着的至少一层超导材料(20)，所述管状元件(6)包括和超导材料层(20)电接触的预定量的金属材料，所述超导材料层(20)借助于冷却流体被冷却到不高于其临界温度的温度，其特征在于，具有预定量的和超导材料层电接触的电阻型的导电材料，使得在短路情况下由超导材料达到的最大温度，低于在超导材料的临界温度和所述冷却流体在其最小工作压力下的沸点之间的最小温度。
17.一种用于限制在超导电缆的超导材料带(18)中沿纵向产生的应力的方法，包括以下步骤：
提供至少一个包括一预定量的金属材料的用于支撑超导材料带(18)的管状元件(6)，所述管状元件(6)和所述超导材料带(18)处于电接触状态，
在所述至少一个管状支撑元件(6)的表面上以螺旋方式缠绕所述超导材料带(18)，
利用冷却流体把超导材料冷却到不高于其临界温度的温度，
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
连接至少一个由金属材料制成的和所述超导材料带(18)相连的加强薄片(21)，
以这样的方式确定和超导材料层(20)电接触的金属材料的总量，使得在短路情况下由超导材料达到的最大温度低于在超导材料的临界温度和所述冷却流体在其最小工作压力下的沸点之间的最小温度。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述超导带(18a，18b)的超导材料沿纵向具有在0.05和0.2％之间的预应力度(γ)。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述管状元件基本上是复合的，并且包括第一金属材料和与所述第一金属材料相关联的其热膨胀系数大于第一金属材料的热膨胀系数的第二材料。
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