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.
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.
Ejemplo 1
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.
TABLA 1
1
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
Referencias citadas en la descripción
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.
Documentos de patente citados en la descripción
\bullet US 5932523 A [0009]
Documentos que no son patentes citados en la descripción
\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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