CN1366310A - 制超导电缆的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制造超导电缆的方法。通过在绞合电缆芯(2)时将衬垫(12)设置在多根电缆芯(2)中;并在将绞合的电缆芯(2)放入热绝缘管中之前除去衬垫(12);再在股线保持松弛状态下,将电缆芯放入热绝缘管中而制造超导电缆。通过暂时放入衬垫,容易制造具有足够空隙的三电缆芯,以便控制电缆芯在热绝缘管中冷却时产生的热收缩。

Description

制造超导电缆的方法

                      技术领域

本发明涉及一种制造超导电缆的方法。更具体地说，本发明涉及一种保证电缆芯冷却所需的收缩余量的制造超导电缆的方法。

                      背景技术

在铺设超导电缆以后，其由电缆中的冷却剂(例如液氮)予以冷却。电缆的最外层温度为环境温度，而电缆内部仍保持大约-200℃。这样，电缆内部和外部之间的温差为200℃或更多。构成被冷却电缆的金属要收缩大约0.3％；更具体地说，该电缆每100米要热收缩大约30厘米。超导电缆的导体是通过将多根电缆芯绞合形成的。电缆的两端固定在一个互相连接的部分或终端连接部分上。这样，如果这样绞合而成的电缆芯收缩，则各股线会固定得太紧。结果，电缆在弯曲部分受到拉应力和侧向压力，从而使超导体损坏；机械应力也会使超导体的性能大大恶化。因此，需要有一个控制热收缩的机构。

已知在未经审查的日本专利公开文本Hei 09-134620号中描述一种方法，即，一种控制这种热收缩的方法。具体地说：将具有较大热收缩率的中间物质放在三个电缆芯的中心，再将三个电缆与它们之间夹入的中间物质绞合。借助于中间物质的热收缩，该三个电缆芯的股线直径改变，从而可控制热收缩。

上述方法，除了电缆芯之外，还需要具有较大热收缩率的中间物质，因此增加了零件数目。

                      发明内容

本发明的目的是要提供一种可以控制热收缩，而且不需要将另一个零件与电缆芯整合的制造超导电缆的方法。

本发明通过暂时地将一个衬垫放在电缆芯之间，使电缆芯能以松弛状态放在热绝缘管中来实现这个目的。

本发明提供了一种制造超导电缆的方法，包括：在绞合电缆芯时，在多个电缆芯上设置衬垫；以及

在将绞合的电缆芯容放入热绝缘管之前，除去衬垫；并在各股线保持松弛状态下，将该电缆芯放入热绝缘管中。

当绞合多根电缆芯(例如三根电缆芯)时，将衬垫放在电缆芯之间。电缆芯在与衬垫的厚度一致的间隔下绞合。当将这样绞合的电缆芯放入热绝缘管中时，要除去衬垫；并在保持与衬垫厚度相一致的空隙状态下，将电缆芯放入该热绝缘管中。这时，如果衬垫厚度为最佳的，则容易制造具有足够空隙的三根电缆芯，以控制电缆芯在该热绝缘管中冷却时产生的热收缩。

优选地是，在将电缆芯容放入热绝缘管的步骤之前，立刻就除去衬垫。通常，热绝缘管的结构是，在外管和内管之间形成一个真空的热绝缘层，并将绞合的电缆芯容放入该内管中。当内管由不锈钢制成时，不锈钢板覆盖电缆芯股线的外圆周表面。接着，利用焊机焊接金属板之间的接头。在将电缆芯送入焊机之前，除去衬垫。当内管用铜或铝制造时，在某些情况下，可利用挤压机，将金属挤压至电缆芯的外圆周表面上。在这种情况下，在将电缆送入挤压机之前，应除去衬垫。

通过从绞合的电缆芯之间的环槽中抽出衬垫，可以容易地除去衬垫。例如，在将电缆芯送入焊机或挤压机之前，从生产线的侧面抽出衬垫，并立即取走。

优选的衬垫材料为整个厚度上具有挠性和一定强度的物质。更具体地说，衬垫材料包括：以氟树脂为基础的材料，以乙烯基为基础的材料，以橡胶为基础的材料，以纸为基础的材料，和以毛毡为基础的材料。

衬垫的适当的几何形状为细长带的形状。特别的是，衬垫的厚度应满足下列要求：

(1)所需空隙量A₀≤设计空隙量A₁；

式中：假设带有衬垫的电缆芯的一个间距的长度取为L₁，不带衬垫的电缆芯一个间距的长度取作L₂，则所需空隙量A₀用该电缆芯的热收缩率表示{(收缩后电缆芯一个间距的长度/收缩前电缆芯一个间距的长度)-1}×100；而设计的空隙量A₁用{(L₁/L₂)-1}×100表示；以及

(2)包络圆的直径≤热绝缘管的内径B；

式中：包络圆的直径相应于与带有衬垫的绞合电缆芯外接的圆的直径。

要求(1)是为了控制电缆芯的收缩。当需要时，可以由设计确定选择所需空隙量完全控制，或所需空隙量的部分控制。要求(2)是为了防止电缆芯损坏；当没有这项要求时，在制造上述热绝缘管时，电缆芯与该热绝缘管的内表面接触，会造成电缆芯损坏。考虑到公差，该热绝缘管的内径B优选地设定为最小值。

                       附图说明

图1为根据本发明的超导电缆的横截面图；

图2为示出在根据本发明的制造超导电缆的方法中所包括的绞合电缆芯的过程的说明图；

图3为表示根据本发明的方法制成的三根电缆芯的侧视图，其中衬垫夹在电缆芯之间；

图4为表示将电缆芯放置在内管中的过程的说明图；

图5为表示衬垫放置中间的三根电缆芯的横截面图；以及

图6为表示衬垫厚度和设计空隙量之间的关系和衬垫厚度与外接具有衬垫的三根电缆芯的包络圆直径的关系的曲线。

                      具体实施方式

在说明根据本发明的制造方法之前，首先，参照图1来说明利用本方法制造的超导电缆的结构。该电缆具有放在热绝缘管1中的三根电缆芯2。该热绝缘管1是通过将绝热材料(例如，多层绝热材料(未示出))放在外管3和内管4之间，并将管子3、4之间形成的空间抽真空而制成的。电缆芯2绞合在一起，同时带有足够的空隙，能够控制热收缩。外管3和内管4作成波纹管。每一根电缆芯2按照从中心开始的次序包括：一个定径管(former)5、一个超导体6、一个电绝缘层7、和一个屏蔽层8。在屏蔽层8外面，可以设置保护层(未示出)。在本实施例中，定径管5是空心的。每一个定径管5的内部空间，和上述内管4与电缆芯2之间限定的空间，作为冷却剂通道。作为超导体6，优选地是采用例如Y-基超导体或B-基超导体一类的氧化物超导体。可以用作电绝缘层7的材料包括：浸透冷却剂的纸带，或由纸带和塑料带组成的复合纸。并通过将这种纸带卷缠而形成电绝缘层7。作为冷却液可以使用液氮或液氦。

为了在三根电缆芯形成的股线上，留有空隙；在制造了电缆芯以后，按照下述方法来制造电缆。

如图2所示，在绞合电缆芯时，在三根电缆芯之间插入衬垫。矩形狭缝11形成在作用为绞合电缆芯的导向件的缀合板(batten plate)10内。使带状的衬垫12穿过每一个槽11。如图3所示，衬垫12夹在电缆芯2之间，从而制成三根电缆芯，且衬垫12的侧表面通过股线之间的槽露出。

带有衬垫的三根电缆芯放在内管4中。如图4所示，内管4通常通过用金属板20(例如，不锈钢板)将绞合的电缆芯2的外圆周表面覆盖起来，接着，利用焊机21将金属板20的接头焊接而制成。在这个阶段，内管还不是一根波纹管，而是一根直线形的管。接着，将内管4引入波纹板轧机22中，将管4轧出波纹。这样形成的波纹管卷在鼓轮23上。在将绞合的电缆芯送入焊机21之前，除去衬垫12。

通过从绞合的电缆芯之间形成的环槽中抽出，很容易除去衬垫12。例如，在将绞合的电缆芯送入焊机21的时间之前，对绞合的电缆芯的二端进行终端处理，以防止电缆芯散开；并且，从电缆芯中抽出相应的衬垫12。由于衬垫12只是夹在电缆芯2之间，因此可以很容易地用手拉出衬垫12。优选地是，从生产线的侧面抽出衬垫，并将衬垫取走。

利用这样的生产工序，可将三根电缆芯容放在作出波纹的内管4中，并使电缆芯之间具有与衬垫12的厚度相一致的空隙。不仅在制造波纹内管过程中，而且在电缆组装结束时，都可保持电缆芯之间的空隙。

试验计算的例子

进行了试验计算，确定实际使用时需要多厚的衬垫。现在来说明这样一种情况：绞合的三根电缆芯放在超导电缆的热绝缘管(即内管)中，其中，超导电缆的外径为135～136mm，因此，可以存放在内径为150mm的线路中。

本实施采用的电缆芯外径D＝39.5mm；波纹内管的内径B＝93mm；而电缆芯绞合的间距为1000mm。波纹内管的标准内径为95mm。然而，考虑到公差为+0mm和-2mm，最小内径为93mm是可以接受的。

衬垫厚度的概念

如上所述，构成电缆的材料的金属要经受大约0.3％的收缩。这里，所需空隙量A₀取为0.3％，而这次试验计算考虑将所需空隙量A₀完全控制。为了使在组装超导电缆后，使电缆芯之间的空隙达到0.3％；希望在制造波纹内管时，使电缆芯之间的空隙尽可能地大。一个可以想到的措施就是使衬垫的厚度最大。

如果衬垫厚度过大，则在制造电缆芯时，三根电缆芯组成的股线轮廓容易变形。另外，还必需考虑对生产的约束，即：电缆芯外径应满足将该电缆芯放入内管中；并避免制造内管时造成内管焊接失败或损坏电缆芯的风险。

在考虑这些因素结果的基础上，进行了衬垫厚度的试验计算；目的是要将绞合的电缆芯放入内管中，而不会损坏电缆芯和保证电缆芯之间的设计空隙达到大约0.4％。

试验计算的方法

假设带有衬垫的电缆芯的一个间距的长度取作L₁，不带衬垫的电缆芯的一个间距的长度取作L₂；则设计空隙量A₁数学上可用方程式(1)表示。

A₁＝{(L₁/L₂)-1}·100               (1)

衬垫的厚度“t”是这样确定的，即，0.3％≤A₁且与带有衬垫的三根电缆芯外接的包络圆的直径所确定的值≤93mm。

长度L₁、L₂可如下这样确定。图5为三芯股线的横截面图，该股线中每一根直径为D的三根电缆芯2绞合；同时，厚度为“t”的带状衬垫12夹在电缆芯之间。

从图中可看出，从与带有衬垫的该三根电缆芯外接的包络圆的中心，至每一根电缆芯的中心的距离r₁可由式方程(2)确定。

从与不带衬垫的三根电缆芯外接的包络圆的中心，至每一根电缆芯中心的距离(未示出)r₂可由方程式(3)确定。

一般，若从与三根电缆芯外接的包络圆的中心，至每一根电缆芯的中心的距离为r；则绞合的三根电缆芯的每一个间距的长度L可用方程式(4)表示。

通过将r₁或r₂代入“r”，则L₁和L₂可分别用式(5)和式(6)表示。

与带有衬垫的三根电缆芯外接的包络圆的直径，可用下述的方程式(7)表示。从方程式(1)、(5)、(6)和(7)，可以选择满足：0.3％≤A₁且与带有衬垫的三根电缆芯外接的包络圆直径≤93mm的“t”值。

试验计算的结果

试验计算是根据上述的方法进行的。图6所示的曲线表示衬垫厚度与设计空隙量之间的关系；及衬垫厚度和与带有衬垫的三根电缆芯外接的包络圆直径的关系。

通过对可保证三根电缆芯组成的股线最大空隙并可防止制造波纹内管时损坏电缆芯的衬垫厚度的研究发现，采用厚度为7mm的衬垫，可使设计空隙达到大约0.4％。

示例性的试验计算说明了三根电缆芯的情况。当电缆芯的数目小于或大于3根时，也可根据同样的概念，和用同样的方法确定衬垫的厚度。

如上所述，根据本发明的制造超导电缆的方法，通过暂时地将衬垫放在电缆芯之间，可将电缆芯以具有足够空隙的方式放在热绝缘管中，以控制热收缩。因此，不需要将另一个零件与电缆芯整合，就可以制造能够控制热收缩的超导电缆。

Claims (5)

1.一种制造超导电缆的方法，包括：

在绞合各电缆芯时，在多个电缆芯内设置衬垫；以及

在将绞合的电缆芯容放入热绝缘管之前，除去衬垫；并在各股线保持松弛状态下，将电缆芯放入热绝缘管中。

2.如权利要求1所述的制造超导电缆的方法，其特征在于，每一个衬垫的厚度应满足下列要求：

(1)所需空隙量A₀≤设计空隙量A₁；

式中：若带有衬垫的电缆芯的一个间距的长度取作L₁，不带衬垫的电缆芯一个间距的长度取作L₂；则所需空隙量A₀用该电缆芯的收缩率表示；而设计的空隙量A₁表示为{(L₁/L₂)-1}×100；以及

(2)包络圆的直径≤热绝缘管的内径B；

式中：包络圆的直径相应于与带有衬垫的绞合电缆芯外接的圆的直径。

3.如权利要求1所述的制造超导电缆的方法，还包括：

用金属板覆盖电缆芯股线的外圆周表面；以及

在将电缆芯引入焊机之前除去衬垫；并用焊机焊接金属板之间的接头。

4.如权利要求1所述的制造超导电缆的方法，还包括：

在将电缆引入挤压机中之前除去衬垫；并用挤压机将金属挤压至电缆芯的外圆周表面上。

5.如权利要求1所述的制造超导电缆的方法，还包括：

从绞合的电缆芯之间的槽中，抽出衬垫，并取走衬垫。

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