ITMI952776A1

ITMI952776A1 - Cavo superconduttore per alta potenza

Info

Publication number: ITMI952776A1
Application number: IT95MI002776A
Authority: IT
Inventors: Piero Metra; Marco Nassi
Original assignee: Pirelli Cavi Spa
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1995-12-28
Publication date: 1997-06-28
Also published as: JPH09231841A; US6255595B1; AR005298A1; EP0786783B1; NZ299952A; EP0786783A1; KR970051480A; AU7532296A; US20030010527A1; BR9604768B1; BR9604768A; IT1277740B1; DE69630103T2; US6512311B1; AU730497B2; DE69630103D1; CA2193917A1; ITMI952776A0

Abstract

Vengono descritte composizioni farmaceutiche ad attività antiinfiammatoria adatte alla somministrazione parenterale le quali contengono, quale principio attivo, sali di alchilammonio di acidi 2-arilpropionici.

Description

Titolo: "Cavo superconduttore per alta potenza"

DESCRIZIONE

In un suo aspetto generale, la presente invenzione si riferisce ad un cavo destinato al trasporto di corrente in condizioni cosiddette di superconduttività e, cioè, in condizioni di resistenza elettrica pressoché nulla.

L'invenzione si riferisce, più in particolare, ad un cavo superconduttore per alta potenza ad almeno una fase includente un nucleo superconduttore, comprendente almeno un conduttore interno di fase ed un conduttore esterno di neutro, coassiali, includenti ciascuno almeno uno strato di materiale superconduttore, detti conduttori coassiali essendo elettricamente isolati tra loro mediante interposizione di un materiale dielettrico, nonché mezzi per raffreddare il suddetto nucleo, mantenendolo ad una temperatura non superiore alla temperatura critica del materiale superconduttore.

Nel seguito della descrizione e nelle successive rivendicazioni, con il termine di: cavo per alta potenza, si intende indicare un cavo destinato al trasporto di quantità di corrente, generalmente superiori a 5.000 A, tali per cui il campo magnetico indotto inizia a ridurre il valore della densità di corrente massima conseguibile in condizioni di superconduttività .

Nel seguito della descrizione e nelle successive rivendicazioni, con il termine di: materiale superconduttore, si intende indicare un materiale, come ad esempio particolari leghe niobiotitanio, o materiali ceramici a base di ossidi misti di rame, bario e ittrio ovvero di bismuto, piombo, stronzio, calcio, rame, tallio e mercurio, comprendenti una fase superconduttiva avente una resistività pressoché nulla al di sotto di una particolare temperatura, definita come temperatura critica o Tc_ Con il termine di: conduttore superconduttivo, o, più brevemente, conduttore, si intende infine indicare nel seguito un qualsiasi elemento in grado di trasportare corrente elettrica in condizioni di superconduttività, quale ad esempio uno strato di materiale superconduttore supportato su un'anima tubolare, o nastri di materiale superconduttore avvolti su un'anima di supporto .

Come noto, nel campo del trasporto di energia elettrica uno dei problemi di più difficile soluzione è quello di aumentare il più possibile sia la corrente trasportabile in condizioni di superconduttività, sia la temperatura alla quale avviene tale trasporto .

Sebbene siano oggi disponibili materiali superconduttori cosiddetti "ad alta temperatura", in grado di trasportare corrente a temperature dell'ordine di 70 - 77°K (-203/-196°C circa), si osserva infatti una riduzione della capacità di trasporto di corrente da parte di detti materiali all'aumentare del campo magnetico indotto.

A questo proposito si veda, ad esempio, T. Nakahara, "review of Japanese R&D on Superconductivity", Sumitomo Electric Technical Review, No. 35, January 1993.

In condizioni di superconduttività, la sensibilità dei materiali superconduttori agli effetti del campo magnetico indotto è tanto più spiccata quanto maggiore è la temperatura di lavoro del nucleo superconduttore del cavo (cioè i materiali superconduttori a più alta temperatura critica sono più sensibili agli effetti del campo magnetico), a tal punto che in pratica i materiali superconduttori ad alta temperatura non consentono di trasportare correnti superiori a qualche KA, pena un aumento non accettabile della quantità di materiale superconduttore da utilizzare e, con esso, dei costi relativi. Nel caso dei cavi cosiddetti coassiali, che hanno una configurazione conveniente per trasportare carichi elevati, il campo magnetico indotto, la corrente trasportata ed il diametro del conduttore sono legati dalla seguente relazione:

dove :

B = campo magnetico sulla superficie del conduttore;

I = corrente trasportata;

μ0 = permeabilità magnetica,·

D = diametro del conduttore.

(Come noto, i valori di B e I sono da intendersi come valori effettivi in corrente continua, oppure come i valori efficaci in corrente alternata).

In base a tale relazione, ne consegue che a ogni aumento della corrente trasportata corrisponde un aumento proporzionale del campo magnetico indotto, il quale limita a sua volta in modo più o meno spiccato la densità di corrente massima conseguibile in condizioni di superconduttività o densità di corrente critica tecnica "Je", definita come il rapporto tra la corrente critica e la sezione trasversale totale dello strato di materiale superconduttore .

Più in particolare, si è osservato che la densità di corrente critica si riduce drasticamente - talvolta fino a due ordini di grandezza - a partire da un valore di soglia del campo magnetico, inferiore al campo critico oltre il quale la superconduttività risulta sostanzialmente pregiudicata; indicativamente, tale valore è variabile da 0,1 a 20 mT in funzione del materiale superconduttore utilizzato e della temperatura di lavoro; si consideri, ad esempio, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, vol. 5, no. 2, Giugno 1995, pagg. 949-952.

I tentativi di mantenere la densità di corrente critica a valori accettabili basati su un aumento del diametro del conduttore, si sono fino ad ora scontrati sia con la difficoltà pratica di realizzare, trasportare ed installare un cavo di grande diametro, sia con gli alti costi necessari per refrigerare il nucleo superconduttore, essendo le dispersioni termiche proporzionali al diametro dello strato di isolamento che circonda il nucleo superconduttore stesso.

A fronte di queste difficoltà di carattere tecnologico, pertanto, ci si è essenzialmente limitati nel settore dei cavi coassiali o a trasportare le desiderate elevate quantità di corrente utilizzando opportuni materiali metallici o ceramici alla temperatura di 4 °K, alla quale i fenomeni sopracitati sono meno spiccati, o ad accettare uno sfruttamento non ottimale del materiale superconduttore alla temperatura massima { 65° - 90°K) compatibile con il trasporto di corrente in condizioni di superconduttività .

Nel primo caso, ci si scontra con gli elevati costi correlati con la necessità di refrigerare a bassissima temperatura il nucleo superconduttore, mentre nel secondo è necessario impiegare una notevole quantità di materiale superconduttore. In accordo con l'invenzione, si è ora riscontrato che il problema di trasportare in un cavo coassiale ad almeno una fase elevate quantità di corrente alla massima temperatura di lavoro dei materiali superconduttori attualmente disponibili ( 65 ° - 90°K, determinata dai materiali e dai fluidi refrigeranti impiegabili) , può essere risolto ripartendo per ciascuna fase il materiale superconduttore all'interno del cavo in una pluralità di "n" elementi, strutturalmente indipendenti e magneticamente non accoppiati, ciascuno dei quali include una coppia di conduttori coassiali di fase e di neutro, isolati tra loro, e trasporta una frazione "I/n" della corrente totale.

In accordo con l'invenzione, si è infatti riscontrato che con tale ripartizione del materiale superconduttore è possibile: a) ridurre le dimensioni del cavo, a parità di utilizzo del materiale superconduttore, con conseguente facilità di costruzione, trasporto ed installazione del cavo;

b) impiegare, rispetto ai cavi di tipo convenzionale, la stessa quantità di isolante elettrico a pari quantità di materiale superconduttore ;

c) limitare le dimensioni degli strati di isolamento termico (criostato) che circondano il nucleo superconduttore del cavo, con una vantaggiosa riduzione delle perdite termiche, a pari quantità di materiale superconduttore,-d) avere elementi conduttori in grado eventualmente di alimentare carichi diversi in modo indipendente.

Preferibilmente, i conduttori coassiali di fase e di neutro di ciascuno di detti elementi comprendono una pluralità di nastri di materiale superconduttore sovrapposti, avvolti su un supporto cilindrico tubolare, ad esempio in materiale metallico o isolante.

Allo scopo di ridurre il più possibile eventuali sollecitazioni meccaniche al loro interno, i nastri di materiale superconduttore sono avvolti su detto supporto con angoli di avvolgimento - costanti o variabili tra nastro e nastro ed all'interno di ciascun singolo nastro - compresi tra 10° e 60°.

In alternativa, i conduttori coassiali di fase e di neutro di ciascuno dei suddetti elementi possono comprendere una pluralità di strati di materiale superconduttore sovrapposti e deposti sul supporto cilindrico tubolare.

In accordo con l'invenzione, il numero massimo di elementi conduttori coassiali è determinato dal diametro minimo di tali elementi compatibile con le deformazioni di avvolgimento dei nastri di materiale superconduttore o, comunque, compatibile con la deformazione critica di trazione del materiale superconduttore prescelto.

Preferibilmente, il diametro del conduttore di fase di ciascuno di detti elementi è compreso tra 25 e 40 mm.

In accordo con l'invenzione, il nucleo superconduttore del cavo è raffreddato a temperature non superiori a 65°-90°K, impiegando vantaggiosamente materiali superconduttori cosiddetti ad alta temperatura ed azoto liquido come fluido refrigerante. Tra questi materiali superconduttori ad alta temperatura, possono essere convenientemente impiegati quelli denominati nel

settore con la sigla BSCCO di formula:

(I) dove :

a è un numero compreso tra 1,4 e 2,0; β è un numero compreso tra 0 e 0,6; y è un numero compreso tra 1,5 e 2,5; 6 è un numero compreso tra 0 e 2,5; ε è un numero compreso tra 1,0 e 4,0; x è il valore stechiometrico corrispondente ai diversi ossidi presenti .

In accordo con l'invenzione, particolarmente preferiti risultano essere gli ossidi misti aventi la seguente formula ideale generale :

dove n è un numero intero compreso tra 1 e 3 e x è il valore stechiometrico corrispondente ai diversi ossidi presenti.

Tra di essi, risultati particolarmente vantaggiosi sono stati ottenuti con l'ossido misto designato BSCCO-2223 (in cui, cioè, n=3), ovvero con appropriate miscele di ossidi misti dei suddetti metalli, in proporzioni tali da avere una stechiometria media nella miscela corrispondente a quella dell'ossido BSCCO-2223 .

In un altro aspetto, la presente invenzione riguarda un metodo per trasportare una quantità di corrente superiore ad un valore prefissato in un cavo superconduttore ad almeno una fase, il quale si caratterizza per il fatto che detta corrente viene ripartita, per ciascuna fase, tra una pluralità di elementi conduttori di tipo coassiale magneticamente non accoppiati, detti elementi conduttori essendo in numero tale che la frazione di corrente trasportata in ciascuno di essi è inferiore ad un valore tale da determinare una densità di corrente superficiale corrispondente ad un campo magnetico tale da generare una riduzione della conducibilità del materiale superconduttore impiegato.

In una particolare forma di realizzazione, detta corrente è una corrente alternata plurifase, e detti elementi conduttori tra i quali la corrente è ripartita trasportano una singola fase di detta corrente.

In una forma di attuazione preferita del metodo, la suddetta quantità prefissata di corrente è almeno pari a 5.000 A.

Nel metodo secondo l'invenzione e nel caso in cui si utilizzi azoto liquido quale fluido refrigerante, il campo magnetico tale da generare una riduzione della conducibilità del materiale superconduttore impiegato è inferiore a 200 mT, preferibilmente inferiore a 100 mT e più preferibilmente inferiore a 20 mT.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno maggiormente dalla descrizione che segue di alcuni esempi di cavi superconduttori secondo l'invenzione, fatta - a titolo indicativo e non limitativo - con riferimento ai disegni allegati .

In tali disegni:

- la Fig. 1 mostra una vista schematica, in prospettiva ed in parziale sezione, di un cavo superconduttore trifase, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- la Fig. 2 mostra una vista schematica, in prospettiva ed in parziale sezione, di un cavo superconduttore monofase, secondo una ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione,;

- la Fig. 3 mostra una ulteriore forma di realizzazione di un cavo secondo la presente invenzione, impiegante superconduttori a bassa temperatura;

- la Fig. 4 mostra uno schema di collegamento elettrico di un cavo monofase secondo l'invenzione a due carichi indipendenti; - la Fig. 5 mostra un grafico qualitativo dell'andamento del campo magnetico nei conduttori coassiali.

Con riferimento alla figura 1, un cavo superconduttore trifase 1 secondo la presente invenzione comprende un nucleo superconduttore, globalmente indicato con 2, comprendente una pluralità di elementi conduttori 3, indicati con 3a, 3b, 3c per ciascuna delle fasi, alloggiati - preferibilmente in modo lasco - all'interno di un involucro tubolare 9 di contenimento, ad esempio in materiale metallico, come acciaio, alluminio e simili .

Ciascuno degli elementi conduttori 3 comprende a sua volta una coppia di conduttori coassiali, rispettivamente di fase 4 e di neutro 5, includenti ciascuno almeno uno strato di materiale superconduttore .

Negli esempi illustrati, il materiale superconduttore è incorporato in una pluralità di nastri sovrapposti, avvolti su rispettivi elementi tubolari di supporto 6 e (eventualmente) 7, di un opportuno materiale, ad esempio formati con un nastro metallico avvolto a spirale, oppure con un tubo in materiale plastico o simili.

I conduttori coassiali di fase 4 e di neutro 5 sono elettricamente isolati tra loro, mediante interposizione di uno strato B di materiale dielettrico.

Il cavo 1 comprende inoltre appropriati mezzi per raffreddare il nucleo superconduttore 2 ad una temperatura adeguatamente inferiore alla temperatura critica del materiale superconduttore prescelto, che nel cavo di figura 1 è del tipo cosiddetto "ad alta temperatura".

I suddetti mezzi comprendono adeguati mezzi di pompaggio, di per sè noti e quindi non rappresentati, destinati ad alimentare un appropriato fluido refrigerante, ad esempio azoto liquido ad una temperatura tipicamente compresa tra 65° e 90°K, sia all'interno di ciascuno degli elementi conduttori 3, sia negli interstizi tra tali elementi e l'involucro tubolare 9.

Allo scopo di ridurre al minimo le dispersioni termiche verso l'ambiente esterno, il nucleo superconduttore 2 è racchiuso entro una struttura di contenimento, o criostato, 10 comprendente un isolamento termico, formato, ad esempio, da una pluralità di strati sovrapposti, ed almeno una guaina di protezione .

Un criostato, noto nell'arte, è descritto ad esempio in un articolo di IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, vol. 7, no. 4, Ottobre 1992, pagg. 1745-1753.

Più in particolare, nell'esempio illustrato, il criostato 10 comprende uno strato 11 di materiale isolante, costituito, ad esempio, da più nastri {alcune decine) in materiale plastico (ad esempio resina poliestere) metallizzati superficialmente, noti nel campo come "superisolante termico", avvolti in modo lasco, con l'eventuale ausilio di elementi distanziatori interposti 13. Tali nastri sono alloggiati in una intercapedine anulare 12, delimitata da un elemento tubolare 14, nella quale viene mantenuto, con apparecchiature di per sè note, un vuoto dell'ordine di

L'elemento tubolare 14, metallico, è atto a conferire la desiderata impermeabilità alla intercapedine anulare 12, ed è rivestito da una guaina esterna 15, ad esempio in polietilene. L'elemento tubolare metallico 14 è preferibilmente formato da un nastro ripiegato in forma tubolare e saldato longitudinalmente, in acciaio, rame, alluminio o simili, ovvero da un tubo estruso o simili.

Ove le esigenze di flessibilità del cavo lo richiedano, l'elemento 14 può essere corrugato.

In aggiunta agli elementi descritti, possono inoltre essere presenti elementi di trazione del cavo, collocati assialmente o perifericamente in base alle esigenze costruttive e di impiego di esso, per garantire la limitazione delle sollecitazioni meccaniche applicate agli elementi superconduttori 3; tali elementi di trazione, non rappresentati, possono essere costituiti, secondo tecniche ben note nel settore, da armature metalliche disposte perifericamente, ad esempio da fili di acciaio cordati, ovvero da una o più corde metalliche assiali, ovvero ancora da armature in fibre in materiale dielettrico, per esempio fibre aramidiche.

Secondo l'invenzione, per ciascuna fase sono presenti più elementi superconduttori, in particolare, come illustrato a titolo di esempio in figura l, ciascuna fase (a, b, c) comprende due elementi superconduttori, rispettivamente indicati con i pedici 1, 2 per ciascuno dei tre elementi superconduttori 3a, 3b, 3c illustrati, in modo che la corrente di ciascuna fase sia ripartita su più conduttori {due nell'esempio illustrato).

Nelle figure 2 e 3 sono schematicamente illustrate due diverse forme di realizzazione del presente trovato, entrambe relative ad un cavo monofase.

Nel seguito della descrizione ed in tali figure, i componenti del cavo strutturalmente o funzionalmente equivalenti a quelli precedentemente illustrati con riferimento alla figura 1 saranno indicati con gli stessi numeri di riferimento e non verranno ulteriormente descritti.

Nella realizzazione di figura 2 sono presenti quattro elementi superconduttori 3, 3<II>, 3<III>, 3<IV>, strutturalmente indipendenti e magneticamente non accoppiati, racchiusi nell'involucro tubolare 9 di contenimento.

Nel cavo illustrato in figura 3, i conduttori coassiali di fase 40 e di neutro 50 dei quattro elementi 30, 30<II>, 30, 30<IV>, comprendono un materiale superconduttore formato da leghe niobio-titanio, per le quali le condizioni di superconduttività vengono raggiunte raffreddando il nucleo superconduttore 2 a circa 4°K mediante elio liquido.

In questa ulteriore forma di realizzazione, il criostato comprende, in aggiunta ad un primo strato di nastri 11, una intercapedine 16, al cui interno circola azoto liquido, a 65°-90°K, ed un secondo strato di nastri 17, con struttura analoga ai precedenti.

In figura 4 è rappresentato schematicamente un esempio di collegamento dei quattro elementi, in cui un generatore monofase G è collegato ai rispettivi superconduttori di fase e di neutro 4 e 5 degli elementi 3, 3<II>, 3<III>, 3<IV>, a loro volta gli elementi 3, 3<II>, 3<III >sono collegati ad un primo carico C1 e l'elemento 3<IV >è collegato, in modo indipendente, ad un secondo carico C2.

Con riferimento a quanto più sopra descritto, verranno qui di seguito forniti, a titolo indicativo e non limitativo, alcuni esempi di cavi superconduttori secondo l'invenzione.

ESEMPI 1 -3

(Invenzione)

In accordo con l'invenzione, furono progettati tre cavi superconduttori per alta potenza, di tipo monofase, incorporanti rispettivamente 37, 19 e 7 elementi conduttori 3 all'interno del nucleo superconduttore 2.

Tutti i cavi furono progettati per 3.'impiego in corrente continua ad una tensione di 250 kv (alta tensione), utilizzando uno spessore dello strato 8 di materiale dielettrico pari a 10 mm.

In tutti i cavi, il materiale superconduttore impiegato fu l'ossido misto designato BSCCO-2223.

Poiché il fluido criogenico di impiego è in questo caso azoto liquido ad una temperatura compresa tra 65 e 90°K, i cavi presentano la struttura schematicamente illustrata in figura 2, impiegando un criostato 10 dello spessore complessivo pari a circa 10 mm.

La corrente di progetto fu pari a 50 kA.

Le caratteristiche di progetto in corrente continua dei cavi furono le seguenti:

campo magnetico di lavoro alla soglia di decadimento della densità di corrente critica, alla temperatura del fluido criogenico (circa 77°K) = 20 mT;

- campo magnetico di lavoro a cui corrisponde una densità di corrente critica pari al 50% di quella a campo ≤ 20 mT, alla temperatura del fluido criogenico (circa 77°K) = 100 mT.

Per quanto riguarda le perdite in corrente continua, si è assunto in via di prima approssimazione, che:

le perdite del conduttore siano trascurabili rispetto alle altre perdite;

- le perdite nel dielettrico siano trascurabili rispetto alle altre perdite ;

le perdite per dispersione termica del criostato proporzionali alla sua superficie - siano espresse da un rapporto tra la potenza termica entrante e la superficie del criostato pari a 3,5 W/m<2>;

- l'efficienza dell'impianto frigorigeno sia espressa da un rapporto tra la potenza installata W1 e la potenza termica estratta We pari a 10 W/W.

In prima approssimazione, pertanto, risulta necessario installare per i cavi considerati un impianto frigorigeno di potenza Wi pari a 35 W/m<2>.

Per tutti i cavi, fu poi valutata l'efficienza media di utilizzo del materiale superconduttore in base alle seguenti ipotesi di lavoro:

- che il campo magnetico generato all'interno del materiale superconduttore cresca linearmente da un valore 0 sulla superficie interna di ciascuno dei conduttori coassiali di fase 4 (raggio R1) e rispettivamente sulla superficie esterna di quelli di neutro 5 (raggio R4), fino a valori massimi rispettivamente sulla superficie esterna dei conduttori di fase 4 (raggio R2) e sulla superficie interna di quelli di neutro 5 (raggio R3), come schematicamente rappresentato in figura 5, mentre nello spazio tra i due conduttori di fase e di neutro (tra i raggi R2 e R3) il campo varia secondo la già citata legge

dove r è il raggio dell'elemento e I è la corrente

che passa nei conduttori 4 e 5;

che l'efficienza di utilizzo del materiale superconduttore abbia un andamento lineare decrescente attraverso lo spessore, con valori limite pari al 100% sulla superficie a campo nullo e fino al livello di soglia del campo, e pari al livello corrispondente al decadimento prodotto dal campo massimo di lavoro sulla superficie a campo massimo, per ciascuno dei conduttori di fase e di neutro; (in particolare, si è assunto 100% tra 0 e 20 mT e 50% a 100 mT).

Le caratteristiche strutturali e funzionali dei cavi risultanti, sono riepilogate nella successiva tabella I.

Esempio 4

(Confronto)

Allo scopo di confrontare i cavi dell'invenzione con quelli della tecnica nota, fu progettato un cavo includente all'interno del nucleo 2 un unico elemento coassiale incoporante materiale superconduttore BSCCO-2223 raffreddato in azoto liquido.

Le condizioni di progetto furono le stesse dei precedenti esempi 1-3, con in più il vincolo di lavoro rappresentato dal fatto di mantenere una efficienza media di utilizzo del materiale superconduttore pari al 100%.

Le caratteristiche strutturali e funzionali del cavo risultante, sono riepilogate nella successiva tabella I.

Esempio 5

(Confronto)

Sempre allo scopo di confrontare i cavi dell'invenzione con quelli della tecnica nota, fu progettato un cavo includente all'interno del nucleo 2 un unico elemento coassiale incorporante materiale superconduttore BSCCO-2223 raffreddato in azoto liquido.

Le condizioni di progetto furono le stesse del precedente esempio 4, con in più il vincolo di lavoro rappresentato dal fatto di fissare il campo magnetico di lavoro a 100 mT.

In conseguenza di ciò, l'efficienza media di utilizzo del materiale superconduttore risultò pari al 70%.

Esempio 5bis

(Confronto)

Le condizioni di progetto furono le stesse del precedente esempio 4, con in più il vincolo di lavoro rappresentato dal fatto di fissare il diametro del criostato ad un valore pari a quello del precedente esempio 3 (0,195m).

In conseguenza di ciò, l'efficienza media di utilizzo del materiale superconduttore scese ad un valore di circa 60%.

Rispetto al cavo dell'invenzione, pertanto, risulta necessario dover introdurre - a parità di diametro - una maggior quantità di materiale superconduttore con un aumento considerevole dei costi e delle difficoltà tecnologiche di dimensionamento del cavo stesso.

Esempi 6 - 8

(Confronto)

Allo scopo di confrontare i cavi dell'invenzione con quelli della tecnica nota, furono progettati tre cavi includenti all'interno del nucleo 2 un unico elemento coassiale ed incoporanti rispettivamente materiale superconduttore BSCCO-2223 (esempio 6) ed una lega niobio-titanio (esempi 7 e 8).

Poiché il fluido criogenico impiegato fu elio liquido a 4°K, i cavi presentano la struttura schematicamente illustrata in figura 3, impiegando un criostato 10 dello spessore complessivo pari a circa 70 mm.

In questi casi si è assunto come dato di progetto un diametro minimo dell'unico elemento conduttore pari a 0,025 m, per rispettare le dimensioni costruttive che mantengano le sollecitazioni meccaniche a valori accettabili.

Le caratteristiche di progetto in corrente continua dei cavi furono, di conseguenza, un campo magnetico di lavoro, alla temperatura del fluido criogenico (4°K), di 800mT, a cui corrisponde una densità di corrente pari al 100% ed al 25% di quella critica, per gli esempi 6 e 8 rispettivamente ed un campo magnetico di lavoro di 260 mT alla temperatura del fluido criogenico (4°K) nell'esempio 7.

- le perdite del conduttore siano trascurabili rispetto alle altre perdite;

- le perdite nel dielettrico siano trascurabili rispetto alle altre perdite ;

le perdite per dispersione termica del criostato proporzionali alla sua superficie - Eiiano espresse da un rapporto tra la potenza termica entrante e la superficie del criostato pari a 0,5 W/m<2>;

- l'efficienza dell'impianto frigorigeno sia espressa da un rapporto tra la potenza installata Wi e la potenza termica estratta we pari a 300 w/w.

In prima approssimazione, pertanto, risulta necessario installare per i cavi considerati un impianto frigorigeno di potenza Wi pari a 185 W.

L'efficienza media di utilizzo del materiale superconduttore fu valutata in base ai criteri illustrati nei precedenti esempi 1-5.

ESEMPI 9 -11

(Invenzione)

In accordo con l'invenzione, furono progettati tre cavi superconduttori per alta potenza, incorporanti rispettivamente 37, 19 e 7 elementi conduttori 3 all'interno del nucleo superconduttore 2.

I dati progetto furono gli stessi dei precedenti esempi 1-3 ad eccezione della tensione di impiego in corrente continua, pari in questo caso a 1 kV (bassa tensione).

Si impiegò quindi uno spessore dello strato 8 di materiale dielettrico pari a 1 mm.

Poiché il fluido criogenico di impiego è in questo caso azoto liquido a 77°K, i cavi presentano la struttura schematicamente illustrata in figura 1, impiegando un criostato 10 dello spessore complessivo pari a circa 10 mm.

La corrente di progetto fu anche in questo caso pari a 50 kA. Le caratteristiche strutturali e funzionali dei cavi risultanti, sono riepilogate nella successiva tabella II.

Esempio 12

(Confronto)

Le condizioni di progetto furono le stesse dei precedenti esempi 9-11, con in più il vincolo di lavoro rappresentato dal fatto di mantenere una efficienza media di utilizzo del materiale superconduttore pari al 100%.

Le caratteristiche strutturali e funzionali del cavo risultante, sono riepilogate nella successiva tabella II.

Esempio 13

(Confronto)

Le condizioni di progetto furono le stesse dei precedenti esempi 9-11, con in più il vincolo di lavoro rappresentato dal fatto di fissare il campo magnetico di lavoro a 100 mT.

Esempio I3bis

(Confronto)

Le condizioni di progetto furono le stesse dei precedenti esempi 9-11, con in più il vincolo di lavoro rappresentato dal fatto di fissare il diametro del criostato ad un valore pari a quello del precedente esempio il (0,l42m).

In conseguenza di ciò, l'efficienza media di utilizzo del materiale superconduttore scese ad un valore di circa 50%.

Esempi 14 - 16

(Confronto)

Allo scopo di confrontare i cavi dell'invenzione con quelli della tecnica nota, furono progettati tre cavi includenti all'interno del nucleo 2 un unico elemento coassiale ed incoporanti rispettivamente materiale superconduttore BSCCO-2223 (esempio 14) ed una lega niobio-titanio (esempi 15 e 16).

Le caratteristiche di progetto e le perdite in corrente continua in corrente continua dei cavi furono determinate in modo del tutto analogo a quello precedentemente illustrato negli esempi 6-9 .

Le caratteristiche strutturali e funzionali dei cavi risultanti, sono riepilogate nella successiva tabella II.

Nelle successive tabelle I e II, le spese di refrigerazione sono state indicate con riferimento rispettivamente ai cavi degli esempi 3 e 11, per i quali le dimensioni e le spese per il raffreddamento del nucleo superconduttore 2 sono risultate minime a scapito di un utilizzo non ottimale del materiale superconduttore, con la conseguente necessità di impiegarne una maggior quantità e di un livello più elevato di perdite elettriche.

In relazione ai dati riportati nelle Tabelle I e II, si noti inoltre che il materiale BSCCO-2223 lavora con una efficienza del 100% con campo magnetico circa pari a 800 mT (esempi 6 e 14) e che la lega NbTi ha invece efficienza pari a 100% fino ad un campo magnetico di circa 260 mT (es. 7, 15) e pari a 25% a 800 mT (es. 8, 16).

Da quanto più sopra descritto ed illustrato risulta immediatamente evidente come l'invenzione consenta di coniugare il trasporto di elevate quantità di corrente con lo sfruttamento ottimale di materiali superconduttori ad alta temperatura.

Tutto ciò, viene conseguito mantenendo le dimensioni dei cavi e le spese di refrigerazione a valori del tutto accettabili da un punto di vista tecnologico.

Qualora i problemi ed i costi legati ad un utilizzo non ottimale del superconduttore ad alta temperatura non siano prevalenti ai fini della specifica applicazione, l'invenzione consente comunque di ridurre al minimo le dimensioni del cavo - così come illustrato negli esempi 3 e 11 - agevolando le operazioni di costruzione, trasporto ed installazione, fino a valori del tutto comparabili con i cavi di tipo noto, raffreddati a elio liquido, aventi un costo di fabbricazione e di esercizio ben più alto. In particolare, si nota che, mentre un cavo secondo l'invenzione, a parità di corrente trasportata, ha diametro complessivo (compreso il criostato) inferiore a 0,3 m, tale da consentirne, ad esempio, l'avvolgimento su bobina, un cavo di tipo tradizionale, impiegante un singolo elemento conduttore coassiale, avrebbe un diametro superiore al metro, nel caso che si preveda di far lavorare il materiale superconduttore ad una efficienza del 100% (campo magnetico inferiore a 20 mT).

Allo stesso modo, se si accetta una efficienza del 70% nel materiale superconduttore, (campo magnetico fino a 100 mT), un cavo secondo la presente invenzione può avere diametro di 0,14 m, mentre un cavo secondo la tecnica nota avrebbe un diametro non inferiore a 0,23 m, con conseguenti inconvenienti, come ad esempio un incremento del 60% delle spese di refrigerazione. Si noti che la suddivisione in più elementi superconduttori non comporta un aumento della superficie totale dei conduttori stessi e quindi non dà origine ad alcun aumento pratico del volume di isolante impiegato.

In accordo con l'invenzione, è inoltre vantaggiosamente possibile :

- ridurre le dimensioni del cavo, a parità di utilizzo del materiale superconduttore, con conseguente facilità di costruzione, trasporto ed installazione del cavo (si confrontino l'es. 2 con l'es. 4 e l'es. 3 con l'es. 5);

impiegare, rispetto ai cavi di tipo convenzionale, la stessa quantità di isolante elettrico a pari quantità di materiale superconduttore;

- limitare le dimensioni degli strati di isolamento termico (criostato) che circondano il nucleo superconduttore del cavo, con una vantaggiosa riduzione delle perdite termiche (si confrontino gli es. 1 e 2 con l'es. 4 e l'es. 3 con l'es. 5);;

- avere elementi conduttori magneticamente non accoppiati in grado di alimentare carichi diversi;

- realizzare bus bar superconduttori, flessibili e ad alta efficienza;

- utilizzare al meglio e quindi ridurre la quantità di materiale superconduttore presente nei vari conduttori di fase e di neutro, a parità di diametro del cavo e quindi anche di spese di refrigerazione.

Si noti che se si volesse realizzare un cavo per alta tensione (250 KV) con diametro di 0,14 m, secondo la tecnica tradizionale, cioè con un singolo elemento di tipo coassiale, si arriverebbe ad un campo magnetico di 175 mT, cui competerebbe una efficienza di utilizzo del materiale superconduttore pari al 50% a fronte del 70% ottenibile in accordo con l'invenzione (si vedano a questo proposito gli esempi 3 e 5bis).

Analogamente, qualora si volesse realizzare un cavo per bassa tensione (1 KV) con diametro di 0,2 m, secondo la tecnica tradizionale, cioè con un singolo elemento di tipo coassiale, si arriverebbe ad un campo magnetico di 130 mT, cui competerebbe una efficienza di utilizzo del materiale superconduttore pari al 60% a fronte del 70% ottenibile in accordo con l'invenzione l'invenzione (si vedano a questo proposito gli esempi il e 13bis) .

Quanto sopra descritto con riferimento a cavi di tipo monofase, si applica anche a cavi di tipo trifase, o, più generalmente, polifase, del tipo illustrato in figura 1, in cui si realizza nello stesso modo un rilevante vantaggio suddividendo gli elementi conduttori di ciascuna fase in più elementi, ciascuno dei quali trasporta una frazione della corrente complessiva della fase.

Ad esempio, un cavo trifase per il trasporto di 1700 MVA, a 20 KV, costruito con un singolo elemento conduttore per ciascuna fase richiederebbe un diametro sul criostato di 0,52 m, secondo la presente invenzione, suddividendo ciascuna fase in 7 conduttori di fase, il cavo avrebbe un diametro sul criostato di 0,43 m, a parità di utilizzo del materiale superconduttore.

Analogamente, un cavo trifase per il trasporto di 35 MVA, a 400 V, costruito con un singolo elemento conduttore per ciascuna fase richiederebbe un diametro sul criostato di 0,48 m secondo la presente invenzione, suddividendo ciascuna fase in 7 conduttori di fase, il cavo avrebbe un diametro sul criostato di 0,32 m, a parità di utilizzo del materiale superconduttore.

In relazione al metodo dell'invenzione, si è inoltre osservato che quantità di corrente superiori ad un valore prefissato, generalmente pari ad almeno 5.000 A, possono essere trasportate - conseguendo i vantaggi più sopra evidenziati - ripartendo la corrente totale in un numero di conduttori magneticamente indipendenti tale per cui la frazione di corrente trasportata in ciascuno di essi è inferiore ad un valore di soglia tale da indurre un campo magnetico in grado di limitare la conducibilità del materiale superconduttore impiegato.

Naturalmente, al ritrovato sopra descritto un tecnico del ramo potrà apportare modifiche e varianti allo scopo di soddisfare specifiche e contingenti esigenze applicative, varianti e modifiche comunque rientranti nell'ambito di protezione quale definito dalle successive rivendicazioni.

TABELLA I

TABELLA II

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Cavo superconduttore per alta potenza ad almeno una fase includente : - un nucleo superconduttore (2) comprendente un conduttore di fase (4) ed un conduttore di neutro (5), esterno al precedente e ad esso coassiale, includenti ciascuno almeno uno strato di materiale superconduttore, detti conduttori coassiali (4, 5) essendo elettricamente isolati tra loro mediante interposizione di un materiale dielettrico (8), - mezzi per raffreddare detto nucleo (2) ad una temperatura non superiore alla temperatura critica di detto materiale superconduttore; caratterizzato dal fatto di comprendere, per ciascuna fase, una pluralità di elementi conduttori (3), magneticamente non accoppiati, ciascuno di detti elementi conduttori (3) includendo una coppia di conduttori coassiali di fase (4) e di neutro (5).
2. Cavo superconduttore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti conduttori coassiali di fase (4) e di neutro (5) comprendono ciascuno una pluralità di nastri di materiale superconduttore avvolti su rispettivi supporti cilindrici tubolari (6, 7).
3. Cavo superconduttore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti nastri di materiale superconduttore sono avvolti su detti supporti (6, 7) con angoli di avvolgimento compresi tra 10° e 60°.
4 . Cavo superconduttore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti conduttori coassiali di fase (4) e di neutro (5) comprendono ciascuno una pluralità di strati di materiale superconduttore deposti su rispettivi supporti cilindrici tubolari (6, 7).
5. Cavo superconduttore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il diametro del conduttore di fase (4) di ciascuno di detti elementi (3) è compreso tra 25 e 40 mm.
6. Cavo superconduttore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto nucleo (2) è raffreddato ad una temperatura compresa tra 65° e 90°K.
7. Cavo superconduttore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto nucleo (2) è raffreddato mediante elio liquido ad una temperatura pari a circa 4°K.
8. Cavo superconduttore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto materiale superconduttore ha la seguente formula: (I) dove : a è un numero compreso tra 1,4 e 2,0; β è un numero compreso tra 0 e 0,6; γ è un numero compreso tra 1,5 e 2,5; δ è un numero compreso tra 0 e 2,5; ε è un numero compreso tra 1,0 e 4,0; x è il valore stechiometrico corrispondente ai diversi ossidi presenti .
9. Metodo per trasportare una quantità di corrente superiore ad un valore prefissato in un cavo superconduttore (1) ad almeno una fase, caratterizzato dal fatto che detta corrente viene ripartita, per ciascuna fase, tra una pluralità di elementi conduttori (3) di tipo coassiale magneticamente non accoppiati, detti elementi conduttori (3) essendo in numero tale che la frazione di corrente trasportata in ciascuno di essi è inferiore ad un valore tale da determinare una densità di corrente superficiale corrispondente ad un campo magnetico tale da generare una riduzione della conducibilità del materiale superconduttore impiegato.
10. Metodo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detta corrente è una corrente alternata plurifase, e che, per ciascuna fase, essa è ripartita tra detti elementi conduttori {3).
11. Metodo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detta quantità prefissata di corrente è almeno pari a 5.000 A.
12. Metodo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che il campo magnetico tale da generare una riduzione della conducibilità del materiale superconduttore è inferiore a 200 mT.
13. Metodo secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che il campo magnetico tale da generare una riduzione della conducibilità del materiale superconduttore è inferiore a 20 mT.