CN1937103A - 高温超导电缆 - Google Patents

Abstract

一种高温超导电缆，其由外向内包括一根外管、液氮和至少一根超导导体组件，每根超导导体组件至少包含两根超导导线，在电缆发生弯曲时每根超导导体组件的形变与其他根超导导体组件的形变具有相对独立性，液氮至少与各根超导导体组件有局部直接接触，从而获得具有制冷快、电流衰减小、直径小且价格便宜的超导电缆。

Description

高温超导电缆

技术领域

本发明涉及超导电缆，具体涉及的是一种高温超导电缆。

背景技术

高温超导电缆与传统的铜电缆相比，具有损耗低、容量大和体积较小等特点。利用高温超导电缆输电，是解决大功率输电的有效途径。目前在该领域的研究已取得了令人瞩目的成果，但在进一步简化结构、减小体积，从而有效地降低成本等方面却遇到了较大的困难，其原因在于用于制备超导电缆的超导导线的抗弯曲性能较低。由于超导导线的超导体部分是由硬而脆的超导陶瓷材料制成，如果电缆的弯曲直径较小，则在电缆的弯曲过程中会使超导导线产生较大的应变，如该应变超过导线的临界弯曲应变值，会导致导线的临界电流急剧下降，从而严重影响整个电缆的超导性能。

目前利用高温超导导线制备高温超导电缆主要采用以下两种结构：

1)利用螺旋状缠绕超导导线的方法来制备超导电缆。专利WO99/08289提出先在一根柔软的芯筒上以一定的间距螺旋状地缠绕一些超导带，绕制角度小于40度，超导带的表面覆盖一层金属，并在其上至少加一层金属带，以增强超导带的拉伸强度。专利WO 00139812提出把超导带螺旋状地绕在支撑管的表面上，绕制角度为5～60度，用这种方式来减小超导带中的机械应力。专利US 6215072提出在芯筒上螺旋状地绕一股超导带，把这样形成的超导体以一定的弯曲半径弯曲，半径范围为0.5米-3.0米，超导带的股数范围为7-10000股，超导带不同层之间的绕制方向相反，中间有一层绝缘材料。专利US 5932523提出在多芯超导带上覆盖一层稳定的金属，然后螺旋状地绕在柔软的芯筒上，带与带之间互相平行，绕制时边靠边，形成第一层，然后在其上覆盖一层绝缘层，再把超导带边靠边地绕在绝缘层上以形成第二层，超导带的弯曲应变不大于0.3％，拉力不大于2kg/mm²，电缆的弯曲直径可为1.5m。

上述发明都提出在制造电缆中把超导导线螺旋状缠绕在电缆的芯筒上，这样能在芯筒直径较小的情况下，允许超导导线有较大的弯曲直径，但在缠绕过程中由于并没有增强导线本身的抗弯曲能力，很难较大幅度地减小电缆的弯曲直径。另外，上述电缆的结构复杂，对制备电缆的机械设备要求很高，导致上述电缆的成本很高。

2)专利US 5143897提出首先焊上超导带材的长度方向的两边，形成中空的管状物，然后把它制成波浪形，利用该方法可制备出柔软的高温超导电缆，但在焊超导带材的两边时可能会影响超导芯的超导性能。

基于上述情况，为了获得直径较小、超导性能良好的电缆，需采用特殊的电缆结构。

发明内容

本发明提出一种新型的电缆结构，利用该结构制备的电缆能承受在较小的弯曲直径时产生的较大形变，并且直径较小、具有较高的超导性能。

为了达到上述目的，下面首先对高温超导导线的弯曲过程进行分析：

当在一根导线的轴向加负载时，该导线会发生弯曲，产生应变，应变定义为其相对长度的变化，即ε_b＝δ₁/l₀，其中ε_b为弯曲应变值，δ₁为导线的长度的变化，l₀为导线的起始长度。导线的弯曲示意图如图1，虚线为中心轴，其长度在弯曲过程中不发生变化，导线的上部分受到拉伸应力，下部分受到挤压应力，总的应变依赖于导线的弯曲半径和该点与中心轴之间的距离，即ε_b＝d/R，其中d为该点与中心轴之间的距离，R为该线的弯曲半径。如果对超导导线的弯曲应变进行粗略地估计，其弯曲应变值应为ε_b＝t/2r，其中t为导线的厚度，r为超导导线的弯曲半径。

许多实验表明，导线的临界电流密度的衰减与导线的弯曲应变有关，超导芯的临界电流与弯曲应变之间的关系如图2所示，其中I_c为导线在弯曲过程中的临界电流值，I_c0为导线弯曲前呈直线时的临界电流值。当超导芯在应力的作用下断裂时，临界电流会衰减，导线的弯曲应变为0.2％时，临界电流急剧下降。根据以上现象，通常定义临界应变为引起临界电流密度衰减5％的应变，如图2中临界应变为0.2％，临界电流的衰减主要由超导芯的断裂引起。如果把导线制备成带状，通常成为带材，假设含超导芯区域的厚度是整个带材厚度的一半，带材的临界弯曲应变大约是超导芯的临界弯曲应变的1.3-2倍，一般超导芯的临界弯曲应变为0.2％，则带材的临界弯曲应变为0.2-0.4％。

根据上述分析，如超导电缆中使用的超导带材由n根超导导线堆叠而成，堆叠的厚度为100mm，设电缆的弯曲直径为D，则根据弯曲应变的公式，t/D＝0.4％，D为25M，这样的电缆显然缺乏实用价值。

本发明提供的超导电缆由外向内包括一根外管和至少一根超导导体组件，其中外管可以弯曲，用于封闭液氮；单根超导导体组件包括至少两根超导导线，单根超导导线外可包有绝缘、半绝缘、导电等覆盖层或上述各种覆盖层的组合。单根超导导体组件中超导导线之间至少有局部直接接触，接触部分可以是导电的、半绝缘的或绝缘的，并且可以在组件外表面加上绝缘、半绝缘、导电等覆盖层或上述各种覆盖层的组合，还可以用线、带或网约束单根超导导体组件。在电缆发生弯曲时每根超导导体组件的形变与其他超导导体组件的形变具有相对独立性，如几根超导导体组件之间可以设置间隔装置，可以利用带槽的金属片以支撑各根超导导体组件，也可以用波纹管支撑各根超导导体组件，波纹管上可以有孔或缝，液氮与各根超导导体组件至少有局部直接接触。管中的各根超导导体组件之间的位置最好比较分散而且靠近外管以减小电缆中的磁场，其原因在于超导导线绕制后形成的线圈在通流情况下可产生较强的磁场，如果各根超导导体组件之间相互靠近可能引起磁场的叠加，而超导导线的临界电流会随着磁场的增大而发生衰减，所以利用上述结构有利于防止电缆中超导导线的电学性能的降低。

本发明适用于任何超导材料，尤其适用于铋系高温超导材料和稀土-123覆膜导体，导线的形状和大小没有严格的限制。

本发明的电缆由于超导导体组件与液氮至少有局部接触，具有制冷快、电流衰减小，制备简单，弯曲直径较小，尤其适用于直流电流。

附图说明

下面将结合附图对本发明的具体实例进行详细的描述，其中：

图1为导线弯曲的示意图；

图2为超导芯的临界弯曲应变与临界电流的关系示意图；

图3为一种电缆的结构示意图；

图4为一种电缆的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图3所示，选用20根铋系2223相高温超导导线，每4根为一组制成5组超导导体组件1，组件内导线之间通过局部焊接组成超导导体组件，然后将这5根超导导体组件分别缠绕在带孔的波纹管2上，把这5根超导导体组件之间用间隔装置3分开，并把它们插入管5中，再在管5中通入液氮4。

实施例2

如图4所示，选用24根YBCO高温超导导线，每4根为一组制成6根超导导体组件6，用绝缘带把组件内导线固定，然后将这6根超导导体分别缠绕在带孔的波纹管2上，把这6根超导导体组件之间用带槽的金属片7隔离，把它们插入管5中，再在内管8中通入液氮4。

Claims (11)

1.一种超导电缆，其由外向内包括一根外管、液氮和至少一根超导导体组件，其特征在于所述的每根超导导体组件至少包含两根超导导线，在电缆发生弯曲时每根超导导体组件的形变与其他超导导体组件的形变具有相对独立性，液氮至少与所述各根超导导体组件有局部直接接触。

2.根据权利要求1所述的超导电缆，其特征在于所述的超导导线为铋系高温超导线材。

3.根据权利要求1所述的超导电缆，其特征在于所述的超导导线为稀土-123超导线材。

4.根据权利要求1所述的超导电缆，其特征在于所述的各根超导导体组件之间设置间隔装置。

5.根据权利要求1所述的超导电缆，其特征在于用波纹管支撑各根超导导体组件，该波纹管含有孔或缝。

6.根据权利要求1所述的超导电缆，其特征在于利用带槽的片支撑管中各根超导导体组件。

7.根据权利要求1所述的超导电缆，其特征在于管中的各根超导导体组件之间的位置分散而且靠近外管。

8.根据权利要求1所述的超导电缆，其特征在于所述的单根超导导线外可包有绝缘、半绝缘、导电等覆盖层或上述各种覆盖层的组合。

9.根据权利要求1所述的超导电缆，其特征在于单根超导导体组件中超导导线之间至少有局部直接接触，接触部分可以是导电的、半绝缘的或绝缘的。

10.根据权利要求9所述的超导电缆，其特征在于单根超导导体组件外表面加有绝缘、半绝缘、导电等覆盖层或上述各种覆盖层的组合。

11.根据权利要求9所述的超导电缆，其特征在于超导导线被线、带或网约束形成超导导体组件。