CN1334571A - 超导电能传输电缆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种密实的在配电级电压下工作的超导电能传输电缆。电能传输电缆是一种在一根细导线内有许多条带的导线。在一个伸长的绝缘体上共面设置多个导线以形成三相电缆。这种设置增加了平行于条带的磁场强度,因而减少了交流损失。
Description
本发明在政府支持下完成的，与美国能源部签定的合同号为DE-AC02-98CH10886。政府对本发明有一定权利。
本发明所属技术领域
本发明涉及一种超导电缆，特别是涉及一种在配电级电压下工作的密实的超导电能传输电缆。
与本发明相关的背景技术
超导电能传输电缆必须能够在密实导线中输送强电流，并且能量损失少。电能一般是通过交流电的形式传输的，而在交流电流下使用的超导体不可避免地伴随有能量损失，这种损失通常称为交流损失。
Fujikami等人的在先专利，美国专利第5,932,523号描述了超导电能传输电缆。这是一种利用氧化物超导体的超导电缆，其包括一个柔长的芯，以及大量在芯上螺旋缠绕的带状多纤维氧化物超导体和电绝缘层。大量在芯上螺旋缠绕的带状多纤维氧化物超导体形成了大量的层，其中每一层是通过并排地缠绕大量超导体而形成的。大量的层连续叠压在芯上。
Shimada的美国专利第5,200,577号描述了一种大电容量超导电缆，其是以芯为中心，在芯的周围相互缠绕一束超导材料线而形成的。
Ries的美国专利第4,409,425号描述了如何通过进一步设置平行于超导元件的，由通常由导电材料构成的特殊稳定元件使超导元件稳定。稳定元件和超导元件相互缠绕，形成扁平电缆，并且稳定元件和超导元件都以带状形式被安排在载体周围。
大量专利文献描述了超导体，这些超导体基本上由铋-锶-钙-铜-氧化物(BSCCO)构成。Finnemore等人的美国专利第5,330,969号和Li等人的美国专利第6,069,116号中描述了构造超导体的方法。使用上述材料制成超导电能传输电缆能够在配电级电压下工作。电力工业需要设计出一种电容量为100MVA的三相电缆，并且其直径小于100毫米，能配电级电压，如30千伏下工作。
发明简述
本发明一个目的是提供一种可制造的，密实的，在配电级电压下工作的超导电能传输电缆。本设计是通过对超导材料进行设置，使垂直于导线表面的磁场分量最小，从而减少超导体的交流损失。这样就允许在电缆的某一相内，以及在三相电缆的不同相内的导体相互间的设置比先有设计更加靠近，因而就产生了在特定额定功率下工作的密实电缆。
三相电缆由被绝缘体包围的三相导线组成。全部电缆被热绝缘体包围。三相电缆的每一相导线都由许多平行的细导线构成，并且每一相导线有一个用来盛装液体冷却剂空腔。
每一根细导线都是由许多高温超导体(HTS)构成的一个平面阵列。对每一个阵列中的高温超导体间的距离加以选择，以减少两边缘导体上由高温超导体电流产生磁场的垂直分量。对每一相内的细导线数目以及每一根细导线的高温超导体数目加以选择，在电缆允许的交流损失范围内使电缆总直径最小化。
下面将结合附图对举例性的实施例所作详细描述，超导电能传输电缆的优选形式以及其它实施例、特性和优点将会变得一清二楚。
附图简要描述
图1是整个超导电能传输电缆的横截面图，表示了绝缘体、三相导线、细导线和条带；
图2是导线的视图，表示了包括支持体、条带和缝隙的细导线；
图3是细导线的视图，表示了支持体、条带和缝隙；
图4是超导电能传输电缆的透视图，表示了绝缘体、孔隙、第一和第二端，热绝缘体和外套；
图5说明了在已知直径下每个细导线的条带数目和每一相的细导线数目之间的关系，以优化电缆传输；
图6说明了中心条带和末端条带的交流损失和峰值传输电流之间的关系。
发明详述
根据本发明，带有第一端21和第二端22的超导电能传输电缆10有一根伸长的绝缘体20，以及至少具有一个孔隙25，其沿伸长的绝缘体20从第一端21到第二端22伸展，参见图4。伸长的绝缘体20可以是任何合适的绝缘材料，例如一个压制的易于制造的绝缘体、包装好的纸或者任何等效的装置。伸长的绝缘体20可以是但并不仅限于是圆柱形的或长方形的形状。孔隙25可以是任何形状，其大小要与导线30适配。伸长的绝缘体20的有效形状和大小以及其至少具有一个孔隙25对本领域的技术人员来说是显而易见的。在优选实施例中，伸长的绝缘体20有三个孔隙25。
在孔隙25内有一根导线30，其至少由一种超导体材料组成。导线30可以是一相导线。这种超导材料可以由铋-锶-钙-铜-氧化物或者任何本领域公知的其它超导材料组成，但并不仅限于这些材料。在优选实施例中，三个导线30分别位于三个孔隙25中以构成三相电缆。对三个孔隙25进行设置，使得来自所述三个导线30之一所产生的磁场和所述三个导线30传输的电流之间的相互作用最小化。在优选实施例中，三个孔隙25是共面的，它们位于伸长的绝缘体20内的同一面内，参见图1和图4。
另外在本发明中，超导电能传输电缆10有用于冷却所述导线30的装置(图中未表示)，以及用于使所述伸长绝缘体20与外部环境热绝缘的装置26。冷却装置可以是任何制冷的装置，包括但不仅限于用于盛装氮、液氦、氖流的空腔。热绝缘装置26可以是但不仅限于是用于盛装超绝热材料的空腔或任何其它等效的装置。超导电能传输电缆10还可以有一个外套27。在优选实施例中，热绝缘的装置26是一个低温绝缘套。超绝热加上真空使得超导电能传输电缆10有最小的直径。冷却装置和热绝缘的装置26对本领域的技术人员来说是显而易见的。
导线30至少由如图3所示的一根细导线50组成。在优选实施例中，三个导线30的每一根都由至少一根细导线50组成。细导线50可由任何超导材料组成。细导线50可以被单独地引入伸长的绝缘体20内，它可以直接压制到预设的相导线30上。制造和装配超导电能传输电缆10的不同方法对本领域的技术人员来说是显而易见的。
对于商用的、经济的、可行的超导电能传输电缆10的设计来说，超导电能传输电缆10的设计被最优化，使得电能传输代价最小。这种最优化包括考虑必要的冷却装置的数目和位置，以及制冷泵。
细导线50的数目被最优化，使得所述导线30的电容量相对于伸长绝缘体20的直径来说最大化。在工商应用中，超导电能传输电缆10的直径应约为100毫米。所需的超导电能传输电缆10的电容量超过100MVA。本发明的其它应用对超导电能传输电缆10的直径和电容量可以有不同的要求。
图5表示了一种使所述导线30的电容量相对于伸长的绝缘体20的直径最大化的，优化方法的实施例。根据高温超导体在电流范围，如10安培-120安培内的交流损失数据，计算每一相的细导线50和每一细导线50的导体在电流范围内的全部交流损失。排除交流损失高的构造。接下来，对每一导线30的细导线50的范围和对每一细导线50的高温超导体60的范围，计算超导电能传输电缆10的大小。排除直径超过最大值的构造。选择在给定直径下有最高电能传输能力的构造。
在另一个实施例中，细导线50的数目被最优化，使得伸长的绝缘体20的直径相对于所述导线30的电容量最小化。
对细导线50进行定位，使得由来自于另一根所述的细导线50的磁场所引起的所述细导线50的交流损失最小化。在三个细导线的实施例中，对每一根导线30中的每一根细导线50进行定位，使得来自于另一根所述细导线50的磁场所引起的交流损失最小化。
在优选实施例，通过使垂直于所述细导线50的磁场分量最小化，即，使平行的磁场分量最大化，从而使得所述细导线50的交流损失最小化。通过对基本上与局部磁场平行的所述细导线50定位来完成最小化。在优选实施例中，通过对细导线50的布置进行设计，以最小化一相导体30所产生的磁场和另一根细导线50所载电流之间的相互作用。在进行布置设计时，超导材料的各向异性是一个控制因素，因而导线30或细导线50被设置来最小化磁场垂直分量。在另一个实施例中，通过最优化细导线50的大小，交流损失能进一步最小化。
在优选实施例中，细导线50包括至少一个支持体65，超导材料附着在阵列52的所述支持体65上。在优选实施例中，阵列52是共面的，如图3所示。阵列也可能有另一种构造，如曲线阵列，从而可以进一步减少交流损失。共面构造能够被商业地大批量制造。
在三导线实施例中，每一根细导线50具有至少一个支持体65，超导材料附着在阵列52的所述每一个支持体65上。在任一实施例中，阵列52被最优化，使得由来自于另一根细导线50的磁场所引起的所述至少一根细导线50的交流损失最小化。支持体65可以由钢、哈司特镍合金或其他等效的材料组成，但并不仅限于这些材料。支持体65的大小由阵列52中的条带数目决定。支持体65的形状由阵列52的形状决定。在优选实施例中，阵列52是共面的。支持体65位于孔隙25内的一个特定位置，以至在绝缘体20的整个伸长上面对面的缝隙70能被维持。
如图3所示可以构造支持体边缘66，以减少局部电应力和用于在伸长的绝缘体20内设置细导线50。支持体边缘66可以是但不仅限于是圆形。然而，即使没有这些特别元件，本发明也能实施，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。
在优选实施例中，超导材料是一根伸长的鉍-锶-钙-铜-氧化物条带，参见Finnemore等人的美国专利第5,330,969号中的描述。优选的超导材料是铋-锶-钙-铜-氧化物-2223。细导线50由鉍-锶-钙-铜-氧化物条带60构成，叠压在阵列52内的非磁性支持体65上。当条带60叠压在共面阵列52内的所述支持体65的一面上时，对本领域的技术人员显而易见是阵列52的其它设置也是可能的。这些示例包括但不仅限于把条带60附着在所述支持体65的两面上。
在优选实施例中，按照设计标准，条带60的数目被最优化。可制造的密实的在配电级电压下工作的超导电能传输电缆10的设计标准包括考虑总传输能力，线电压和超导电能传输电缆10所允许的直径。
如图3所示阵列52包括条带60边与边之间的小缝隙67，用来减少边缘场效应。铋-锶-钙-铜-氧化物条带60的交流损失强烈地取决于与条带表面垂直的外部磁场，但受平行方向的场的影响要弱得多。所述缝隙67的大小和数目被最优化，以最小化来自于另一根条带60的磁场所引起的所述细导线50的交流损失。当缝隙67处于最佳位置，两端条带61，62的交流损失实际上比中心条带60的交流损失大。减少了中心条带60的交流损失后，细导线50的总的交流损失将在设计标准之内。
每一根细导线50的两端条带61，62严重地受到叠加场的影响，预计有高的交流损失。图6说明了中心条带和两端条带61，62的交流损失和峰值传输电流之间的关系。中心条带60与孤立的条带相比有较低的垂直的边缘场和较低的交流损失。如图2所示这些细导线50被装配在一根相导线30内，相互之间有较大的面对面的缝隙70。弥合缝隙67可以将场作用到细导线50的两端并且增加那里的损失，弥合面对面的缝隙70也能增加垂直场。
每一根细导线的条带60的数目被最优化，以增强两端条带61，62的损失与中心条带60减少的损失之间的关系。通过最小化垂直于所述条带60的磁场分量和通过把所述条带60基本上平行于局部磁场设置来最大化平行的磁场分量，使得交流损失最小化。
在电缆的一相内，所有这些条带60并联连接，按照这种设计方式，电流将重新分布以产生沿每一根条带60相同的压降。对电压来说最主要的影响是交流损失，因而在条带60内，对电流来说，有一种转向更低损失的自然趋势。
尽管本发明是参照优选实施例作的详细描述，但是本领域的技术人员很容易在不超过本发明的精神和范围的情况下得出可替代本发明所描述实施例其他的实施例。因而，所描述的实施例并非穷举，或者并不限制本发明到所揭示的明确形式，很显然，在上述教导下，对本发明作很多修改和变化是可能的。实施例的选择和描述的目的是更好的解释本发明以及其应用的原理。本发明的范围由所附的权利要求和他们等效的技术方案来限定。
Claims (43)
1.一种超导电能传输电缆包括：
(a)至少一个伸长的带有第一端和第二端的绝缘体并且至少一个孔隙沿第一端向第二端伸展；
(b)至少一根由至少一种超导材料组成的导线，其位于所述的至少一个孔隙内；
(c)冷却所述至少一根导线的装置；以及
(d)使所述至少一个绝缘体与外部环境热绝缘的装置。
2.根据权利要求1所述的超导电能传输电缆，其中，所述至少一根导线包括至少一根细导线。
3.根据权利要求2所述的超导电能传输电缆，其中，所述至少一根细导线的数目被最优化，为所述至少一根导线的电容量，最小化所述的至少一个伸长的绝缘体的直径。
4.根据权利要求2所述的超导电能传输电缆，其中，所述至少一根细导线的数目被最优化，为所述至少一个伸长的绝缘体的直径，最大化所述至少一根导线的电容量。
5.根据权利要求3所述的超导电能传输电缆，其中，所述至少一根细导线被定位，以最小化来自于另一所述的至少一根细导线的磁场所引起的，所述至少一根细导线的交流损失。
6.根据权利要求4所述的超导电能传输电缆，其中，所述至少一根细导线被定位，以最小化来自于另一所述的至少一根细导线的磁场所引起的，所述至少一根细导线的交流损失。
7.根据权利要求5所述的超导电能传输电缆，其中，通过下述方式实现所述交流损失最小化：
(a)最小化垂直于所述至少一根细导线的磁场分量；以及
(b)通过基本上与局部磁场平行来定位所述的至少一根细导线，以最大化平行磁场分量。
8.根据权利要求6所述的超导电能传输电缆，其中，通过下述方式实现所述交流损失最小化：
(a)最小化垂直于所述至少一根细导线的磁场分量；以及
(b)通过基本上与局部磁场平行来定位所述的至少一根细导线，以最大化平行磁场分量。
9.根据权利要求7所述的超导电能传输电缆，其中，通过最优化所述至少一根细导线的大小，实现对所述交流损失进一步最小化。
10.根据权利要求8所述的超导电能传输电缆，其中，通过最优化所述至少一根细导线的大小，实现所述交流损失进一步最小化。
11.根据权利要求3所述的超导电能传输电缆，其中，所述至少一根细导线包括：
(a)至少一个支持体；
(b)所述至少一种超导材料被附着在阵列内的所述支持体上；以及
(c)所述阵列被最优化，以最小化来自于另一所述的至少一根细导线的磁场所引起的，所述至少一根细导线的交流损失。
12.根据权利要求4所述的超导电能传输电缆，其中，所述至少一根细导线包括：
(a)至少一个支持体；
(b)所述至少一种超导材料被附着在阵列内的所述支持体上；以及
(c)所述阵列被最优化，以最小化来自于另一所述的至少一根细导线的磁场所引起的，所述至少一根细导线的交流损失。
13.根据权利要求11所述的超导电能传输电缆，其中，所述至少一种超导体材料是所述至少一根条带，所述的至少一根所述的条带与另一根所述的至少一根条带并联连接，从而电流重新分布以沿每一根所述的至少一根条带产生稳定的压降。
14.根据权利要求12所述的超导电能传输电缆，其中，所述至少一种超导体材料是所述至少一根条带，所述的至少一根所述的条带与另一根所述的至少一根条带并联连接，从而电流重新分布以沿每一根所述的至少一根条带产生稳定的压降。
15.根据权利要求13所述的超导电能传输电缆，其中：
(a)所述阵列包括所述至少一根条带间的缝隙；
(b)所述缝隙的大小和数量被最优化，以最小化来自于所述细导线内的另一所述的至少一根条带的磁场所引起的，所述至少一根细导线的交流损失；
(c)通过最小化垂直于所述至少一根条带的磁场分量，使得所述交流损失最小化；以及
(d)通过基本上与局部磁场平行来定位所述的至少一根条带，以最大化平行磁场分量，从而最小化所述交流损失。
16.根据权利要求14所述的超导电能传输电缆，其中：
(a)所述阵列包括所述至少一个条带间的缝隙；
(b)所述缝隙的大小和数量被最优化，以最小化来自于所述细导线内的另一所述的至少一根条带的磁场所引起的，所述至少一根细导线的交流损失；
(c)通过最小化垂直于所述至少一根条带磁场分量，使得所述交流损失最小化；以及
(d)通过基本上与局部磁场平行来定位所述的至少一根条带，以最大化平行磁场分量，从而最小化所述交流损失。
17.根据权利要求15所述的超导电能传输电缆，其中，以最优化所述至少一根细导线的大小实现交流损失进一步最小化。
18.根据权利要求16所述的超导电能传输电缆，其中，以最优化所述至少一根细导线的大小实现交流损失进一步最小化。
19.根据权利要求17所述的超导电能传输电缆，其中，所述至少一根条带包括一种铋-锶-钙-铜-氧化物。
20.根据权利要求18所述的超导电能传输电缆，其中，所述至少一根条带包括一种铋一锶-钙-铜-氧化物。
21.一种超导电能传输电缆包括：
(a)至少一个伸长的带有第一端和第二端的绝缘体并且三个孔隙沿第一端向第二端伸展；
(b)三根由至少一种超导材料组成的导线，其中，每一根所述三根导线分别位于所述的三个孔隙内；
(c)冷却所述三根导线的装置；
(d)使所述至少一个绝缘体与外部环境热绝缘的装置；以及
(e)对所述三个孔隙进行设置，以最小化由所述三根导线之一所产生的磁场与所述三根导线所载的电流的相互作用。
22.根据权利要求21所述的超导电能传输电缆，其中，所述三导线的每一根都包括至少一根细导线。
23.根据权利要求22所述的超导电能传输电缆，其中，在所述三导线的每一根内的所述至少一根细导线的数量被最优化，为所述三根导线的电容量，最小化所述的至少一个伸长的绝缘体的直径。
24.根据权利要求22所述的超导电能传输电缆，其中，在所述三导线的每一根内的所述至少一根细导线的数量被最优化，为所述至少一个伸长的绝缘体的直径，最大化所述三根导线的电容量。
25.根据权利要求23所述的超导电能传输电缆，其中，所述至少一根细导线被定位在所述三导线的每一根内，以最小化来自于另一所述的至少一根细导线的磁场所引起的，所述至少一根细导线的交流损失。
26.根据权利要求24所述的超导电能传输电缆，其中，所述至少一根细导线被定位在所述三根导线的每一根内，以最小化来自于另一所述的至少一根细导线的磁场所引起的，所述至少一根细导线的交流损失。
27.根据权利要求25所述的超导电能传输电缆，其中，通过下述方式实现所述交流损失最小化：
(a)最小化垂直于所述至少一根细导线的磁场分量；以及
(b)通过基本上与局部磁场平行来定位所述的至少一根细导线，以最大化平行的磁场分量。
28.根据权利要求26所述的超导电能传输电缆，其中，通过下述方式实现所述交流损失最小化：
(a)最小化垂直于所述至少一根细导线的磁场分量；以及
(b)通过基本上与局部磁场平行来在每一根导线内定位所述的至少一根细导线，以最大化平行的磁场分量。
29.根据权利要求27所述的超导电能传输电缆，其中，通过最优化所述至少一根细导线的大小进一步实现所述交流损失的最小化。
30.根据权利要求28所述的超导电能传输电缆，其中，通过最优化所述至少一根细导线的大小进一步实现所述交流损失最小化。
31.根据权利要求23所述的超导电能传输电缆，其中，所述至少一根细导线包括：
(a)至少一个支持体；
(b)所述至少一种超导材料被附着在阵列内的所述支持体上；以及
(c)所述阵列被最优化，以最小化来自于另一所述的至少一根细导线的磁场所引起的，所述至少一根细导线的交流损失。
32.根据权利要求24所述的超导电能传输电缆，其中，所述至少一根细导线包括：
(a)至少一个支持体；
(b)所述至少一种超导材料被附着在阵列内的所述支持体上；以及
(c)所述阵列被最优化，以最小化来自于另一所述的至少一根细导线的磁场所引起的，所述至少一根细导线的交流损失。
33.根据权利要求31所述的超导电能传输电缆，其中，所述至少一根细导线包括：所述至少一种超导体材料是所述至少一根条带，所述的至少一根所述的条带与另一根所述的至少一根条带并联连接，从而电流重新分布以沿每一根所述的至少一根条带产生稳定的压降。
34.根据权利要求32所述的超导电能传输电缆，其中，所述至少一根细导线包括：所述至少一种超导体材料是所述至少一根条带，所述的至少一根所述的条带与另一根所述的至少一根条带并联连接，从而电流重新分布以沿每一根所述的至少一根条带产生的稳定的压降。
35.根据权利要求33所述的超导电能传输电缆，其中：
(a)所述阵列包括所述至少一根条带间的缝隙；
(b)所述缝隙的大小和数量被最优化，以最小化来自于在所述细导线内另一所述的至少一根条带的磁场所引起的，所述至少一根细导线的交流损失；
(c)通过最小化垂直于所述至少一根条带的磁场分量，使得所述交流损失最小化；以及
(d)通过定位基本上与局部磁场平行的所述至少一根条带，以最大化平行磁场分量，从而最小化所述交流损失。
36.根据权利要求34所述的超导电能传输电缆，其中：
(a)所述阵列包括所述至少一根条带间的缝隙；
(b)所述缝隙的大小和数量被最优化，以最小化来自于在所述细导线内另一所述的至少一根条带的磁场所引起的，所述至少一根细导线的交流损失；
(c)通过最小化垂直于所述至少一根条带磁场分量，使得所述交流损失最小化；以及
(d)通过定位基本上与局部磁场平行的所述的至少一根条带，以最大化平行磁场分量，从而最小化所述交流损失。
37.根据权利要求35所述的超导电能传输电缆，其中，所述至少一根条带包括一种铋-锶-钙-铜-氧化物。
38.根据权利要求36所述的超导电能传输电缆，其中，所述至少一根条带包括一种铋-锶-钙-铜-氧化物。
39.根据权利要求21所述的超导电能传输电缆，其中，所述三个孔隙是共面的并且位于所述至少一个伸长的绝缘体内。
40.根据权利要求31所述的超导电能传输电缆，其中，所述三个孔隙是共面的并且位于所述的至少一个伸长的绝缘体内。
41.根据权利要求32所述的超导电能传输电缆，其中，所述三个孔隙是共面的并且位于所述的至少一个伸长的绝缘体内。
42.一种制造根据权利要求2所述的超导电能传输电缆的方法，包括：
(a)定位所述的至少一根细导线，通过最小化垂直于所述的至少一根细导线的磁场分量，以最小化来自于另一所述的至少一根细导线的磁场所引起的，所述至少一根细导线的交流损失；
(b)最优化所述的至少一根细导线的数目和大小；以及
(c)最优化所述至少一根细导线间的缝隙的数目和大小，以最小化来自于所述细导线内的另一所述的至少一根条带的磁场所引起的，所述至少一根细导线的交流损失。
43.一种制造根据权利要求21所述的超导电能传输电缆的方法，包括：
(a)定位所述的至少一根细导线，通过最小化垂直于所述的至少一根细导线的磁场分量，以最小化来自于另一所述的至少一根细导线的磁场所引起的，所述至少一根细导线的交流损失；
(b)最优化所述的至少一根细导线的数目和大小；以及
(c)最优化所述至少一根细导线间的缝隙的数目和大小，以最小化来自于在所述细导线内的另一所述的至少一根条带的磁场所引起的，所述至少一根细导线的交流损失。
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