ES2313869T3 - Cable superconductor. - Google Patents
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Abstract
Cable superconductor que comprende al menos una capa de cintas (2) de material superconductor enrolladas en un soporte (10) a una distancia predeterminada de modo que se forman unos espacios entre cintas adyacentes, caracterizado por el hecho de que un material no-superconductor (3) está interpuesto entre cintas adyacentes para rellenar parcialmente dichos espacios.
Description
Cable superconductor.
La presente invención se refiere, de forma más
general, a un cable superconductor que tiene al menos una capa
superconductora.
El término "cable superconductor" indica un
cable de transmisión eléctrica que comprende al menos un elemento
de material superconductor.
El cable superconductor de la presente invención
puede ser un cable de dieléctrico caliente (WD) o de dieléctrico
frío (CD). Se puede ver, por ejemplo, en Applicación
Consideration for HTSC Power Transmission Cable, 5^{th}
Annual Conference on Superconductivity y Application, de
Engelhardt J. S. y otros, Buffalo, N.Y., Sept.
24-26, 1991, figura 5 para un cable WD, y figura 6
para un cable CD.
Un cable WD suele comprender una o más capas de
cintas de material superconductor enrolladas en un soporte,
típicamente tubular, que definen el canal de circulación del fluido
criogénico. En el exterior de las cintas superconductoras se
suministran un criostato y un aislante eléctrico.
Un cable CD suele comprender, además de las
capas antes mencionadas para el cable WD, una(s)
capa(s) adicionales que constituyen el así llamado conductor
de retorno y que están enrolladas externamente al aislante eléctrico
y rodeadas por una pared que define parcialmente un segundo canal de
circulación del fluido criogénico.
El término "material superconductor" indica
un material, como por ejemplo, aleaciones especiales de
niobio-titanio o cerámicas basadas en óxidos de
cobre mezclados, bario y tritio (YBCO) o gadolinio, samario o otras
tierras raras (REBCO), o de bismuto (BSCCO), o de talio y mercurio,
y plomo, estroncio, calcio, cobre, que comprende una fase
superconductora de resistividad sustancialmente nula por debajo de
una temperatura determinada, que se define como temperatura crítica
o T_{c}.
La temperatura de funcionamiento de un cable
superconductor es igual o, preferentemente, menor que la T_{c}
del material superconductor ahí presente.
En general, el material superconductor,
especialmente el material BSCCO, se produce y emplea en la forma de
cintas en el que el material es envuelto por un metal, en general
plata con, opcionalmente, aluminio o magnesio añadido, y
preferentemente reforzado con una capa de metal adicional, por
ejemplo acero inoxidable.
Las cintas suelen estar enrolladas
helicoidalmente alrededor de un soporte, paralelas entre sí, a una
distancia predeterminada de manera que forman unos espacios entre
las cintas de cada capa. Las cintas no están enrolladas en contacto
unas con otras. Ver por ejemplo el documento
US-A-5932523.
El término "conductor superconductor"
indica el tramo eléctricamente activo de un cable superconductor,
que comprende un soporte y al menos una capa de material
superconductor.
El término "capa superconductora" indica
una capa de cintas de material superconductor enrolladas alrededor
de un soporte o alrededor de otra capa superconductora o alrededor
de un dieléctrico, siendo este último el caso del cable CD. Una o
más capas de cintas de material superconductor pueden constituir un
conductor de fase o, en el caso de un cable dieléctrico frío, un
conductor de retorno.
El Solicitante ha comprobado que los espacios
grandes entre cintas de material superconductor pueden producir
daños a las cintas debido a la presión ejercida sobre las cintas por
las partes que las envuelven y a la fricción entre los diversos
componentes durante la fabricación y la manipulación del cable.
Algunos tipos de cables muestran conductores superconductores con un
número restringido de cintas por capa con respecto a la
circunferencia de su soporte. Ese es el caso, por ejemplo, de un
conductor de 3 cintas en el que las cintas tienen una configuración
en Y. Especialmente en el caso de un cable CD, la presión debida al
peso del propio cable es significativo a la vista de la pequeña
sección de la cinta, de su fragilidad estructural y de la
sensibilidad del material superconductor que contiene. El problema
es especialmente evidente en los puntos de contacto entre cintas de
dos capas adyacentes. Otro ejemplo concierne al conductor de retorno
de un cable CD, que tiene que tener la misma capacidad de corriente
(también conocida como ampacidad) del conductor de fase. La manera
más simple y económica de alcanzar este objetivo es utilizar el
mismo número de cintas por capa del conductor de fase. Considerando
el mayor diámetro del conductor de retorno (el doble que el del
conductor de fase), la distancia (espacio) entre las cintas de la
misma capa de este conductor es notablemente mayor. Por ejemplo, en
un conductor de fase que tiene cintas con un diámetro de 32 mm y 14
5-mm de anchura por capa enrollada sobre estas, el
espacio entre las cintas tiene una anchura de 2,14 mm para la
primera capa. El conductor de retorno de dicho conductor de fase, y
el mismo número de cintas de anchura de 5-mm por
capa, tiene un diámetro de 64 mm y el espacio entre las cintas tiene
una anchura de 9,35 mm para la primera capa.
Se ha comprobado ahora que rellenando
parcialmente los espacios entre las cintas de material
superconductor con un material no superconductor se evitan daños
mecánicos a las cintas.
Por lo tanto, según un primer aspecto, la
presente invención se refiere a un cable superconductor que
comprende al menos una capa de cintas de material superconductor
enrolladas en un soporte a una distancia predeterminada de modo que
se forman unos espacios entre cintas adyacentes, en el que un
material no-superconductor está interpuesto entre
cintas adyacentes para rellenar parcialmente dichos espacios.
Preferentemente, el cable superconductor según
la invención es un cable dieléctrico frío que comprende un conductor
de fase provisto de al menos una primera capa de cintas de material
superconductor enrolladas en un soporte a una distancia
predeterminada de modo que se forman unos espacios entre cintas
adyacentes, y un conductor de retorno provisto de al menos una
segunda capa de cintas de material superconductor, como conductor de
retorno, enrolladas en un soporte a una distancia predeterminada de
modo que se forman unos espacios entre cintas adyacentes, en el que
el material no-superconductor se encuentra al menos
entre las cintas de material superconductor del conductor de
retorno.
Específicamente, el material
no-superconductor se presenta en la forma de
alambres o, preferentemente, de cintas.
El material no-superconductor
tiene preferentemente un espesor que difiere del de las cintas del
material superconductor en una cantidad no superior a +/-15%, más
preferentemente a +/-10%, e incluso más preferentemente a +/-5%.
Preferentemente, el espesor del material
no-superconductor es sustancialmente igual al de las
cintas de material superconductor.
El material no-superconductor
rellena parcialmente los espacios entre las cintas de material
superconductor. La necesidad de mantener un espacio, aunque sea
reducido, entre las cintas de material superconductor y de material
no-superconductor es debida tanto a la cabeza de
deposición de cintas HTS empleada para depositar las cintas, y a la
necesidad de evitar el rozamiento entre las cintas y fenómenos
electromagnéticos no deseados. Específicamente, la anchura del
material no-superconductor es tal que queda un
espacio de 0,1 - 3 mm entre una cinta de material superconductor y
la cinta o alambre adyacente de material
no-superconductor, más preferentemente de
0,1-2 mm.
El material no-superconductor
puede ser un plástico, un metal o una combinación de estos. Cuando
es total o parcialmente metálico, el metal tiene características
amagnéticas a la temperatura de funcionamiento del cable. Algunos
metales preferidos según la invención son el cobre, la plata o el
oro.
Cuando el material
no-superconductor es cobre, plata u oro o una
aleación de los mismos, muestra las ventajas adicionales de
proteger el material superconductor de las sobrecorrientes generadas
cuando ocurren cortocircuitos. Un metal preferido según la invención
es el cobre.
El material no-superconductor
está preferentemente longitudinalmente enrollado en el soporte o en
la capa superconductora subyacente, y alternada con las cintas de
material superconductor.
Otro aspecto más de la presente invención se
refiere a un procedimiento para minimizar esfuerzos mecánicos a
cintas de material superconductor enrolladas en un soporte a una
distancia predeterminada de modo que se forman unos espacios entre
cintas adyacentes, que comprende la fase de interposición de un
material no-superconductor entre cintas adyacentes
para rellenar parcialmente dichos espacios.
Y otro aspecto adicional de la presente
invención se refiere a una red de transmisión/distribución de
corriente que comprende al menos un cable superconductor provisto de
al menos una capa de cintas de material superconductor enrolladas en
un soporte a una distancia predeterminada de modo que se forman unos
espacios entre las cintas, en el que un material
no-superconductor está interpuesto entre cintas
adyacentes para rellenar parcialmente dichos espacios.
La figura 1 muestra una sección transversal de
un cable superconductor WD;
La figura 2 muestra una sección transversal de
un cable superconductor CD;
La figura 3 ilustra esquemáticamente dos capas
de cintas superconductoras donde uno de los espacios está
parcialmente relleno con una cinta de material
no-superconductor.
La figura 4 muestra una sección transversal de
la primera capa del conductor de retorno de un cable CD según el
estado de la técnica.
La figura 5 muestra una sección transversal de
la primera capa del conductor de retorno de un cable CD según la
presente invención.
La figura 1 muestra un cable superconductor WD
según la presente invención. El conductor de fase (2a) comprende
una pluralidad de cintas superconductoras (2) enrolladas en un
soporte (10). La superficie interna del soporte (10) define un canal
(11) por el cual fluye un fluido criogénico.
Para reducir tanto como sea posible esfuerzos
internos mecánicos accidentales, las cintas superconductoras (2)
están preferentemente enrolladas en el soporte (10) con ángulos de
enrollamiento comprendidos entre 10º y 60º, siendo estos ángulos
constantes o variables para cada capa.
El conductor de fase (2a) puede estar en
contacto directo con el soporte (10) o, como alternativa, se puede
interponer una capa de crepé de carbón negro entre el conductor de
fase (2a) y el soporte (10) para minimizar los esfuerzos mecánicos
entre las cintas.
El conductor de fase (2a) está aislado
térmicamente mediante un criostato coaxial con el conductor de fase
y comprende un primer tubo de metal (9), un segundo tubo de metal
(7), y un aislamiento térmico (8) interpuesto entre dichos tubos
primero y segundo.
Los tubos metálicos (9) y (7) están hechos
preferentemente a partir de una cinta de acero de
0,6-mm de espesor, más preferentemente
corrugado.
El aislamiento térmico (8) consiste, por
ejemplo, en unas cintas de resina de poliéster de superficie
metalizada, conocidas como "superaislamiento térmico",
enrolladas sin apretar, si puede ser con interposición de
separadores (8a) para distanciar los tubos metálicos (9) y (7).
Preferentemente, estos separadores (8a) están
dispuestos a 120º entre sí con respecto a la sección del cable.
Preferentemente, están hechos de politetrafluoroetileno.
En el momento de utilizar el cable, se crea un
vacío, típicamente de 10^{-6}, en el aislamiento térmico mediante
un generador de vacío.
Un primer blindaje electrostático (6), un
aislamiento eléctrico (5) y un segundo blindaje electrostático (4)
están dispuestos fuera del criostato. Dichos blindajes (6) y (4) y
dicho aislamiento (5) pueden ser laminados o extru-
didos.
didos.
En el caso de blindajes electrostáticos
laminados, pueden consistir en cintas impregnadas de aceite
aislante de varios materiales tales como, por ejemplo, papeles de
carbón suave o crepé y carbón metalizado.
En el caso de aislamientos eléctricos laminados,
puede consistir en una pluralidad de capas hechas de, por ejemplo,
cintas de papel y/o cintas de papel con polipropileno en forma de
film calandrado.
Como alternativa, los blindajes electrostáticos
(6) y (4) y la capa de aislamiento eléctrico (5) pueden obtenerse
por extrusión y por caucho de etileno-propileno
(EPR) o polietileno (XLPE) reticulados.
Además, el cable superconductor WD comprende un
blindaje metálico externo (no ilustrado) hecho, por ejemplo, de
cintas de cobre y en contacto con el segundo blindaje electrostático
(4). Este blindaje metálico externo está conectado a masa de modo
que su potencial eléctrico y el del blindaje (4) son nulos.
Se puede(n) proporcionar en el exterior
otra(s) capa(s) (no ilustradas) para minimizar
cualquier tipo de esfuerzo sobre el cable durante la
instalación.
La figura 2 muestra un cable Superconductor CD
según la invención. Comprende un conductor de fase (2a) que consiste
en una pluralidad de cintas superconductoras (no específicamente
ilustradas en esta figura) enrolladas en un soporte (10) que define,
a su vez, un canal (11) para la circulación del fluido
criogénico.
El conductor de fase (2a) está en contacto con
un aislamiento eléctrico que consiste en un primer blindaje
electrostático (6), un segundo blindaje electrostático (4) y un
aislamiento eléctrico (5) dispuesto entre aquellos.
El aislamiento (5) está hecho de capas de cintas
de polipropileno muy delgadas (de alrededor de 5 pm). Este tipo de
aislamiento no precisa de impregnación alguna. Como alternativa, el
aislamiento puede estar hecho tal como se ha descrito más arriba
para un cable superconductor WD.
El cable superconductor CD muestra un conductor
de retorno (14) que consiste en unas cintas superconductoras
enrolladas sobre el segundo blindaje electrostático (4). Este
conductor de retorno (14) está rodeado por una capa (13) que tiene
una composición similar a la del soporte (10).
Externamente a la capa (13), un criostato está
provisto de un primer tubo de metal (9), un aislamiento térmico (8)
y un segundo tubo de metal (7).
La superficie externa de la capa (13) y la
superficie interna del primer tubo de metal (9) definen un canal
(12) para el fluido criogénico que refrigera el conductor de retorno
(14).
Este cable está provisto de una funda de
protección externa (no ilustrada), por ejemplo de polietileno.
El fluido criogénico puede circular a lo largo
del canal (11) en una dirección y a lo largo del canal (12) en la
misma dirección o en la opuesta.
\newpage
La figura 3 ilustra una vista esquemática de dos
capas de cintas de material superconductor con y sin el material de
relleno no-superconductor según la presente
invención. En este caso las cintas superconductoras (2) están
dispuestas en dos capas de dirección divergente. Una cinta de
material no-superconductor (3) está dispuesta entre
dos cintas (2) de la capa superior. Pueden haber otras cintas de
material no-superconductor (no ilustradas) en los
espacios entre las otras cintas.
A continuación se ilustrará con más claridad la
presente invención con el siguiente ejemplo no limitativo.
Se han fabricado dos cables dieléctricos fríos
superconductores, de 15 m de largo respectivamente, de la manera
siguiente:
- -
- un conformador tubular,
- -
- un conductor de fase que consiste en 2 capas de cintas de material superconductor enrolladas helicoidalmente en direcciones opuestas entre sí,
- -
- un dieléctrico laminado,
- -
- un conductor de retorno que consiste en 2 capas de cintas de material superconductor enrolladas helicoidalmente en direcciones opuestas entre sí.
Las cintas de material superconductor empleadas
tenían una anchura de 4,1 mm y un espesor de 0,3 mm.
El conductor de fase se fabricó enrollando dos
capas de 24 cintas cada una sobre un conformador tubular de 46 mm de
diámetro externo. Las cintas se enrollaron helicoidalmente con un
ángulo de, respectivamente, aproximadamente 30º y aproximadamente
-30º. El espacio entre dos cintas era de unos 0,8 mm.
El conductor de retorno se fabricó enrollando
dos capas de 2 capas de 24 cintas sobre un aislante dieléctrico de
85,20 mm de diámetro externo.
En el cable según el estado de la técnica (cable
1) las cintas de material superconductor del conductor de retorno se
enrollaron helicoidalmente con un ángulo de, respectivamente,
aproximadamente 30º y aproximadamente -30º, y el espacio entre dos
cintas resultó ser de aproximadamente 5,5 mm. Esta configuración se
representa esquemáticamente en la figura 4 en la que (1) es el
conformador tubular y (2) son las cintas de material
superconductor.
En el cable según la presente invención (cable
2) las cintas de material superconductor del conductor de retorno
se enrollaron helicoidalmente igual que en el cable 1. Se
posicionaron unas cintas de cobre de 4 mm de anchura y 0,300 mm de
espesor enrollando alternativamente las cintas de material
superconductor de manera que el espacio entre una cinta de material
superconductor y la cinta de cobre adyacente fuera de 0,75 mm. Esta
configuración se muestra en la figura 5 en la que (1) es el
conformador tubular, (2) son las cintas de material superconductor y
(3) son las cintas de cobre (material de relleno no-
superconductor).
Los cables fueron curvados tres veces en un
tambor de bobinado de 3 m de diámetro, luego inspeccionados
visualmente, y se midió la corriente crítica (I_{c}) de las cintas
de material superconductor del conductor de retorno mediante la
técnica de sonda de transporte eléctrico 4 para determinar la
tensión a 1 PV/cm E_{c}.
Midiendo la corriente crítica de una cinta es
posible calcular una posible degradación de las propiedades de
transporte de corriente de la cinta superconductora.
En la siguiente tabla 1 se presentan los
resultados de la prueba de corriente crítica tras el plegado. La
primera capa es la interna y la segunda la externa.
La inspección visual de las cintas de material
superconductor del conductor de retorno del cable 1 reveló un
deterioro local de las cintas en las siguientes posiciones:
- 1)
- tramo inferior del conductor de retorno en contacto con a) los rollos de transferencia y b) el cabestrante durante la fabricación del conductor y c) el tambor de bobinado durante el transporte.
- 2)
- algunos puntos de contacto entre las capas de cintas segunda y primera.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante está prevista únicamente para ayudar al lector y no
forma parte del documento de patente europea. Aunque se ha puesto el
máximo cuidado en su realización, no se pueden excluir errores u
omisiones y la OEP declina cualquier responsabilidad en este
respecto.
\bullet US 5932523 A [0009]
\bulletENGELHARDT J. S. et al.
Application Consideration for HTSC Power Transmission Cable. 5th
Annual Conference on Superconductivity and Application, 24 September
1991 [0003]
Claims (18)
1. Cable superconductor que comprende al menos
una capa de cintas (2) de material superconductor enrolladas en un
soporte (10) a una distancia predeterminada de modo que se forman
unos espacios entre cintas adyacentes, caracterizado por el
hecho de que un material no-superconductor (3) está
interpuesto entre cintas adyacentes para rellenar parcialmente
dichos espacios.
2. Cable superconductor según la reivindicación
1 que comprende un conductor de fase provisto de al menos una
primera capa de cintas de material superconductor enrolladas en un
soporte a una distancia predeterminada de modo que se forman unos
espacios entre cintas adyacentes, y un conductor de retorno provisto
de al menos una segunda capa de cintas de material superconductor,
como conductor de retorno, enrolladas en un soporte a una distancia
predeterminada de modo que se forman unos espacios entre cintas
adyacentes, en el que el material no-superconductor
se encuentra entre las cintas de material superconductor del
conductor de retorno.
3. Cable superconductor según la reivindicación
2, en el que hay material no-superconductor entre
las cintas de material superconductor de los dos conductores, el
conductor de fase y el conductor de retorno.
4. Cable superconductor según la reivindicación
1 en el que el material no-superconductor se
presenta en forma de hilos o de cintas.
5. Cable superconductor según la reivindicación
4 en el que el material no-superconductor se
presenta en forma de cintas.
6. Cable superconductor según la reivindicación
1 en el que el material no-superconductor tiene un
espesor que difiere del de las cintas del material superconductor en
una cantidad no superior a +/-15%.
7. Cable superconductor según la reivindicación
6 en el que el material no-superconductor tiene un
espesor que difiere del de las cintas del material superconductor en
una cantidad no superior a +/-10%.
8. Cable superconductor según la reivindicación
7 en el que el material no-superconductor tiene un
espesor que difiere del de las cintas del material superconductor en
una cantidad no superior a +/-5%.
9. Cable superconductor según la reivindicación
8 en el que el material no-superconductor tiene un
espesor sustancialmente igual al de las cintas del material
superconductor.
10. Cable superconductor según la reivindicación
1 en el que la anchura del material
no-superconductor es tal que queda un espacio de 0,1
- 3 mm entre una cinta de material superconductor y una cinta de
material no-superconductor adyacente.
11. Cable superconductor según la reivindicación
10 en el que el espacio que queda es de unos 0.1-2
mm.
12. Cable superconductor según la reivindicación
1 en el que el material no-superconductor es de
plástico, de metal o una combinación de estos.
13. Cable superconductor según la reivindicación
12 en el que el metal tiene características amagnéticas a la
temperatura de funcionamiento.
14. Cable superconductor según la reivindicación
13 en el que el metal es cobre, plata, u oro una aleación de los
mismos.
15. Cable superconductor según la reivindicación
14 en el que el metal es cobre.
16. Cable superconductor según la reivindicación
1 en el que el material no-superconductor está
enrollado longitudinalmente en el soporte o en la capa
superconductora subyacente, y alternada con las cintas de material
superconductor.
17. Procedimiento de fabricación de un cable
superconductor que comprende al menos una capa de cintas
superconductoras enrolladas en un soporte a una distancia
predeterminada de modo que se forman unos espacios entre cintas
adyacentes, caracterizado por la etapa de interposición de un
material no-superconductor entre cintas adyacentes
para rellenar parcialmente dichos espacios.
18. Red de transmisión/distribución de corriente
que comprende al menos un cable superconductor que provisto de al
menos una capa de cintas de material superconductor enrolladas en un
soporte a una distancia predeterminada de modo que se forman unos
espacios entre las cintas, en el que un material
no-superconductor está interpuesto entre cintas
adyacentes para rellenar parcialmente dichos espacios.
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EP00124788A EP1205945B1 (en) | 2000-11-14 | 2000-11-14 | Superconducting cable |
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