MXPA02007435A - Cable de energia superconductor con nucleo superconductor mejorado. - Google Patents

Abstract

Cable de energia superconductor mejorado de al menos una fase, caracterizado por dos secciones tubulares, la primera es un nucleo superconductor flexible, con una malla de cinta de acero inoxidable y capas sobrepuestas de cintas de cobre en un angulo de 0degree a 45degree seguido por dos 6 mas capas sobrepuesta de material superconductor y una segunda aplicacion de dos o mas capas de material superconductor en direcci6n opuesta a las anteriores; la segunda seccion tubular es un espacio anular de aislamiento termico de vacio formado por un tubo corrugado flexible revestido con aislamiento en multicapas, incluye ademas un tubo con una malla de acero inoxidable para adherir una pantalla semiconductora interna de polietileno con aislamiento seguido por una segunda pantalla metalica a hace de cinta de cobre y una cubierta protectora de polietileno.

Description

CABLE DE ENERGIA SUPERCONDUCTOR CON NÚCLEO SUPERCONDUCTOR MEJORADO ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Campo de la Invención: La presente invención se relaciona con la conducción de energía eléctrica y en particular con la fabricación de una cable de energía superconductor de al menos una fase, caracterizado por un núcleo central a base de un material de cintas superconductoras BSCCO de una composición comercial 2223 (Bi2 Sr2 Ca2 Crn Ox) que proporciona una densidad de corriente mínima de 7 KA/cm2 bajo el criterio de 1 µ V/cm; y comprende además un espacio anular de sistema aislante térmico en donde la envolvente de tubo corrugado del sistema presenta una presión de vacío debajo de 10 mPa (miliPascal) que permite al aislamiento térmico mantener temperaturas de operación de 77 (temperatura del nitrógeno líquido a presión atmosférica) en toda la sección transversal del cable en su parte superconductora.

Descripción del Arte Previo: La invención esta relacionada con el transporte de energía eléctrica en condiciones de superconductividad, resistencia cero en corriente continua. Esta aplicación viene a sustituir el uso de cables de energía para distribución y transmisión en tensiones desde 15 kV ó mayores por presentar menores pérdidas de energía en su conducción.

Los superconductores de alta temperatura pueden ser aspectos importantes de avances tecnológicos, de tal manera que los equipos o dispositivos tengan partes superconductoras en sus componentes. Una aplicación obvia es el usar las propiedades de cero resistencia, en estado superconductor, al paso de la corriente directa y bajas pérdidas de potencia en la transmisión de energía eléctrica. En las líneas de transmisión actuales la energía eléctrica es perdida por medio de calor cuando la corriente pasa a través de los conductores normales, si la energía eléctrica es transmitida a través de cables superconductores, estas pérdidas pueden ser reducidas ó eliminadas con el consecuente ahorro en los costos de energía, esto ser puede aplicar a cualquier componente eléctrico que lleve conductores de cobre, ya sean motores, transformadores, generadores y cualquier equipo involucrado con la energía eléctrica.

Algunas compañías de EUA y Japón han fabricado y evaluado modelos de cable superconductor hasta de 5000 cm obteniendo valores de corriente que no exceden 1700 A a 2000 A. Pruebas en longitudes de 5000 cm han revelado problemas relacionados con la distribución de corriente entre capas ya que esta tiende a ser irregular debido a problemas electromagnéticos relacionados al conductor en sí.

Asimismo en la patente WO 00/39813 se describe un cable superconductor que emplea materiales de alta temperatura superconductores HTS con núcleo flexible sin embargo aplica a un diseño coaxial tradicional con capas de cintas HTS aisladas y de diseño en frío.

En la patente japonesa 06239937 A2 se describe un cable superconductor con materiales HTS y núcleo flexible pero involucra un diseño tradicional para CD (corriente directa) y aislamiento entre cada capa de cinta HTS.

En la patente US 5,929,385 se describe un cable superconductor similar al objeto de la invención pero solo en cuanto al tipo de materiales empleados. También en la patente US 5,952,614 se describe un cable superconductor similar en cuanto al uso de materiales HTS y núcleo flexible pero con un diseño coaxial, en frío y diseño tradicional de cintas HTS. Por lo que estas invenciones son diferentes en cuanto a las características de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN A continuación se describe la invención de acuerdo a los dibujos de las figuras 1 a 6, en donde: Es una vista en perspectiva con corte seccional que muestra las diferentes capas del cable de energía superconductor.

Es una vista de un corte transversal de la Fig. 1.

Es una vista en perspectiva con corte seccional de la sección de vacío de protección térmica del núcleo central.

Fig. 4. Es una vista en perspectiva con corte seccional de la Fig. 3 que muestra la contrapared del aislamiento térmico.

Fig. 5 Es una vista en perspectiva con corte seccional del núcleo del cable de energía superconductor.

Fig. 6. Es una vista en perspectiva con corte seccional longitudinal de la Fig. 1 , que muestra el espacio anular de aislamiento térmico.

La invención esta relacionada con el transporte de energía eléctrica en condiciones de superconductividad, (resistencia cero en corriente continua) Esta aplicación viene a sustituir el uso de cables de energía para distribución y transmisión en tensiones desde 15 kV ó mayores por presentar menores pérdidas de energía en su conducción, si consideramos que para un conductor de Cu con una densidad de corriente de 1 - 4 A/mm2 y una resistividad de 2 x 10"8 üm, las pérdidas por resistencia están del orden de 20 - 80 mW/Am, Con el fin de tener una mejor comparación con los cables superconductores, se tienen que tomar en cuenta las pérdidas provocadas por el calentamiento de los materiales superconductores, a las temperaturas criogénicas las pérdidas están definidas por un factor de Carnot dividido por la eficiencia del sistema de enfriamiento, en el caso del nitrógeno líquido este factor está entre 10 y 20, de donde las pérdidas en un superconductor deberán ser menores de 5 mW/Am. El flujo de nitrógeno líquido llena la cavidad longitudinal 21 Fig. 5 del tubo corrugado flexible 1 de acero inoxidable 304 ó 316, el cual puede tener un diámetro externo entre 2 cm y 6 cm y un diámetro interno entre 1 cm y 4 cm en donde la profundidad de la corrugación puede variar entre 0.5 cm y 1 cm. El paso de la corrugación puede estar entre 0.8 y 1 .5 cm para una profundidad de corrugación entre 0.4 y 0.5 cm. Como otra alternativa para una profundidad de entre 0.4 y 0.6 cm el paso de corrugación puede estar entre 1 .6 y 3 cm. Sobre este tubo se coloca una malla de acero inoxidable código 304 ó código 316 con el fin de presentar una superficie relativamente plana Sobre esta malla se aplica una capa de cintas de acero inoxidable 2. con un ancho entre 4 y 5 cm y 0.0005 y 0.006 cm de espesor, éstas se colocan en el tubo corrugado con espaciamiento entre 0.15 y 0.2 cm, a continuación se complementan una ó dos capas más de cinta de acero inoxidable con un ancho de 2.5 a 4 cm de ancho con un espesor de 0.001 a 0.002 cm, colocadas con un espaciamiento entre cintas de entre 0.1 y 0.15 cm enseguida se aplica una primera capa de cintas de Cu, 3 con un ancho entre 0.25 -0.40 cm y un espesor de 0.025 a 0.030 cm la cual se aplica con una longitud de paso de cableado entre 2 cm y 100 cm dependiendo del diseño de la primera capa de cintas superconductoras a aplicar y se puede aplicar con un ángulo de entre 0o y 45° dependiendo del diseño del cable. El material superconductor a emplear esta hecho de cintas de un producto comercial BSCCO en la composición 22233, (Bi Sr 2 Ca 2 Cu? Ox) estas cintas tienen entre 0.38 y 0.42 cm de ancho con espesor entre 0.018 y 0.022 cm lo cual proporciona una densidad de corriente de 7 kAcm2 mínima bajo criterio de 1 µ V/cm(microvolt/centímetro), con este material superconductor se aplican dos o más capas de cinta con una longitud de paso de cableado que puede ser de 20 cm a 300 cm, con un ángulo de 0o a 45° dependiendo del diseño de cada capa con una dirección que puede ser en sentido derecho ó izquierdo de 4, 5, 6 y dos o mas capas de cinta de material superconductor con longitud de paso hasta 20 cm a 300 cm con un ángulo de 0o a 45° dependiendo del diseño de cada capa con una dirección que puede ser en sentido derecho o izquierdo de cableado en la dirección contraria a las capas anteriormente colocadas 7. 8, 9 finalmente una cinta reunidora de un material aislante 10, con un espesor que puede variar entre 0.005 y 0.01 cm con un ancho de cinta entre 2 y 4 cm.

Con la finalidad de proteger el núcleo central el cable de energía superconductor objeto de la invención, se caracteriza además porque comprende un sistema de aislamiento térmico al vacío constituido por: un tubo corrugado flexible 1 1 de acero inoxidable que puede ser de código 304 ó 316, para contener el cable superconductor y el nitrógeno líquido; el cual puede tener un diámetro externo entre 4 cm y 8 cm y un diámetro interno entre 3 cm y 7 cm en donde la profundidad de la corrugación puede variar entre 0.5 cm y 1 cm. El paso de la corrugación puede también variar entre 1 cm y 2 cm para una profundidad de corrugación entre 0.5 y 0.8 cm. Enseguida sobre este tubo se aplica en su periferia un aislante térmico (p a) en multicapas 12, el cual puede tener un espesor de 0.0005 cm a 0 005 cm que se calcula de acuerdo a la siguiente fórmula: Donde: P a Espesor de la capa aislante S. Masa del material por unidad de área P r Densidad del material aislante tr Espesor de la cubierta anti-radiación N/ ?? Densidad de la capa Concéntricamente al tubo corrugado flexible I I, revestido con el aislamiento 12, se dispone de un segundo tubo corrugado 13 conformando el espacio de vacío 20 aislante térmico Fig. 6.

Para asegurar que el sistema de aislamiento térmico funcione adecuadamente a temperaturas de 77 K se requiere una presión de vacío inferior a 10 mPa (miliPascal) Dicho segundo tubo corrugado 13, que conforma el espacio de vacío es de acero inoxidable que puede ser acero 304 ó 316 el cual puede tener un diámetro externo entre 8 cm y 10 cm de diámetro exterior y un diámetro interno entre 6 y 7 cm. en donde la profundidad de las corrugaciones puede variar entre 0.5 cm y 1 .5 cm. El paso de las corrugaciones puede estar entre 1 y 2 cm para una profundidad de las corrugaciones entre 0.5 y 1 cm.

El sistema de aislamiento térmico incluye además en la pared externa del tubo corrugado 13, un revestimiento de malla de acero inoxidable trenzada 14 Fig. 1 y 3 la cual proporciona una superficie uniforme a la estructura de pared externa del tubo corrugado de forma helicoidal o de gusano.

Circundante a la superficie uniforme de la malla 14, se aplica una pantalla semiconductora interna 15, la cual esta hecha a base de polietileno de baja densidad termoplástico o cualquier otro material semiconductor termoplástico o termofijo, la conductividad de esta pantalla no debe exceder de 1000 O ?? cuando se mide a temperatura ambiente y tiene un espesor de cuando menos 0.006 cm, sobre esta pantalla semiconductora, se coloca el aislamiento eléctrico del cable 16 que esta hecho a base de polietileno y puede ser de baja, media ó alta densidad termoplástico ó termofijo o de cadena cruzada y/o Etileno Propileno (EP), el espesor del aislamiento va a depender del nivel de tensión de operación del cable, el cual puede estar entre 0.229 cm y 0.876 cm. Sobre este aislamiento eléctrico, se coloca una segunda pantalla semiconductora 17 Fig. 4 de los mismos materiales que la pantalla semiconductora interna 15, pero en este caso el espesor de la pantalla debe tener cuando menos 0.0127 cm y debe de cumplir con una resistividad volumétrica máxima de 500 Qm cuando esta se mide a temperatura ambiente. Sobre esta capa se coloca una pantalla metálica 18 formada por cinta de Cu, la cual cuando menos debe tener 0.0635 cm de espesor teniendo de cuando menos un área de sección transversal de 0 1 mm2/mm. sobre esta pantalla metálica 18, se coloca una cubierta protectora 19, que puede seT polietileno o polivinil, clorado (PVC) dependiendo de la aplicación del cable, la cual debe tener un espesor comprendido entre 0.203 y 0.279 cm.

De acuerdo a los requerimientos técnicos los parámetros básicos del diseño de las cintas superconductoras empleadas, fueron los siguientes: > Ancho de la cinta (cm): 0.4 ± 0.02 > Espesor de la cinta (cm): 0.02 ± 0.002 > Densidad de corriente critica (kA/cm2) >7 (criterio de 1 µ V/cm > Espesor de la sección filamentaria en el interior de la cinta 2bsc(cm): 0.01 8 > Corriente critica en el valor de la tensión de deformación por doblez: = 0.1% - no menor que 95% ó 0.2% no menor que 90% > Aproximadamente el 20% de reducción de la corriente critica cuando se tenga un campo entre 0T y 0. 1 T.

Las ecuaciones básicas para el cálculo del número de dntas superconductoras y los parámetros de diseño son las siguientes: Número de cintas en una capa ( Ni) mDioxCOSñ Ni = 2ai(l + Si) Donde: D/„ = Diámetro medio de la i capa 2ai = Ancho de la cinta de la i capa Si = Espacio relativo entre las cintas de la í capa p , = Angulo de aplicación de las cintas superconductoras Paso de las cintas en una capa (Pí ) _., nxDio Pi = tan/ft Espacianúento relativo entre cintas de una capa: (Sí ) ta??????eß Sí = laixNi Tensión de deformación relativa del £ { superconductor en condiciones de doblez en las cintas es: e Í ¦ = 2bsc x senp Dio La base del modelo del cable superconductor para alta temperatura ha sido desarrollada, la cual consiste del diseño del núcleo superconductor, en si mismo, así como el desarrollo del aislamiento a base de materiales conocidos y previamente desarrollados para el uso en cables de energía para media y alta tensión.

Ejemplo 1 Bajo condiciones de diseño, se seleccionó la cinta superconductora de VAC (Alemania) la cual presentaba una corriente crítica de 59,8 A a 64,7 A dependiendo de la combinación del espesor y ancho de la cinta superconductora, de acuerdo a estas variaciones, el criterio de la linearidad de la densidad de corriente crítica usado para la optimización y cálculo del cable, no es muy congruente, por lo que el valor de la densidad de corriente crítica en el campo magnético externo igual a cero es aceptado como 1 13 A/ m dependiendo para los cálculos del cable, Tomando en cuenta estas variaciones, los siguientes valores se tomaron como parámetros para el cálculo.

Diámetro externo del núcleo D e = 5.5 cm: > Espesor de las cintas 2bt = 0.002 cm: Espesor de la sección ftlamentaria en el interior de la cinta 2b; > Espacio relativo entre cada cinta en cada capa S = 0.05 El paso mínimo de las cintas (máximo ángulo de encintado) son seleccionados debido a que las limitaciones impuestas por el límite de la tensión de deformación relativa al doblez, para un superconductor cuando las cintas en una de las capas son dobladas sobre un diámetro D y el ángulo de encintado ß ( esta en un máximo valor permisible (£ < 0.2 %, donde £ = 2bx eos ß Í D^ La corriente crítica en el cable se espera entre 6 A y 10 kA, bajo el criterio de 1 µ V/cm y conforme a valores aproximados de la inducción del campo magnético en la superficie de la sexta capa estará entre 0.04 T y 0.07 T, por lo que la reducción de la corriente crítica de la cinta en un 2 % de su valor inicial se espera que sea con cada incremento de 0.01 T La influencia de la tensión de deformación en el superconductor en el valor de la corriente critica de las cintas durante la fabricación del cable se escribe en los comentarios a la tabla No 1 Tabla No. 1 Resultados esperados de la fabricación (2a = 0.38 cm, 2b!C = 0.018 cm) De acuerdo a la tabla anterior se observa que el valor de la corriente va a depender de la tensión de deformación máxima siempre y cuando no se sobrepase el valor de deformación del 0.2 % que es el valor critico de la corriente. De los resultados obtenidos de la tabla anterior tenemos que se observa una distribución uniforme de corriente en cada capa, lo cual nos da un factor de distribución de corriente Ic lco = 1 y un valor de corriente crítica máxima real de híAX REAL = 10047 A .

Ejemplo 2 Sin embargo en la tabla No, 2 los resultados de la optimización del cable son presentados como el criterio para alcanzar el valor de la corriente critica pico y la minimización de las pérdidas de energía bajo la influencia del flujo y campo magnético axial.

Tabla No. 2 Resultados de la optimización Máxima corriente alcanzada IMAX = 10028.5 Suma total del coeficiente de utilización en las 6 capas KMAX = ?ji = 5.96689 Y de acuerdo al criterio arriba mencionado se observa que la distribución de corriente es uniforme en todas las capas del cable, además de la minimización de las pérdidas debido al campo magnético axial. Donde: D¡ exterior = diámetro externo del la i capa Jc¡ = Densidad de la corriente critica lineal para las cintas de la i capa P i = Angulo de encintado para las cintas de la i capa P¡ = Paso de encintado para las cintas de la i capa Ni = Número de cintas en la i capa lCi = Corriente crítica total de todas las cintas en la i capa (corriente i capa) contra el número total cintas (suma de las corrientes críticas de todas las cintas) en el modelo. !«ÜC = 1 To Distribución de corriente en la i capa del total de la corriente N¡/N0 = Tcj Tco = Número de cintas en la i capa (corriente crítica en la i capa) contra el número total cintas (suma de las corrientes críticas de todas las cintas) en el modelo Tmax REAL = Valor Real del pico de corriente de la i capa en el instante cuando la corriente alcanza su valor critico en al menos una de las capas. J¡= Coeficiente de utilización del superconductor en la i capa.

Habiendo descrito la invención se considera una novedad y por lo tanto se reclama lo contenido en las siguientes

Claims (10)

1. R E I V I N D I C A C I O N E S Un cable de energía superconductor con núcleo superconductor mejorado de al menos una fase con enfriamiento de flujo de nitrógeno en la cavidad del tubo central, caracterizado por dos secciones tubulares, siendo la primera un núcleo superconductor flexible formado por un tubo central corrugado revestido con una malla de cinta de acero inoxidable, capas sobre puestas de cintas de cobre con un ángulo de aplicación de 0o a 45°, dos ó más capas sobrepuestas de cintas de material superconductor con longitud de paso de cableado de 2 a 300 cm y ángulo de trayectoria de 0o a 45° y en sentido derecho ó izquierdo y enseguida aplicación de una segunda sección de dos ó más capas de material superconductor cableado en dirección opuesta a la trayectoria de la sección de las capas anteriores siendo el conjunto anterior reunido con una cinta de material aislante: la segunda sección tubular es un espacio anular de aislamiento térmico de vacío que protege al núcleo central y se conforma concéntricamente por un tubo corrugado flexible de acero inoxidable como pared interna el cual se reviste en una pared opuesta con un aislamiento térmico dispuesto en multicapas, enseguida se complementa dicho espacio de vacío con un tubo adicional corrugado de acero inoxidable en cuya pared externa dispone de una malla de acero inoxidable para adherir una pluralidad de capas; siendo dichas capas formadas por: una pantalla 16 é í f i AÍ¿Á * ÍLJL semiconductora interna de nolietileno de baja densidad termoplástico ó termofíjo, un aislamiento eléctrico de polietileno, una segunda pantalla semiconductora, una pantalla metálica a base de cinta de cobre, y una cubierta protectora de polietileno. El cable de energía superconductor de la cláusula 1 , caracterizado en que el primer tubo corrugado flexible que conforma el espacio anular de vacío, es de acero inoxidable 304 ó 316 y tiene un diámetro extemo de 6 y 8 cm y un diámetro interno entre 4 y 5 c , y la profundidad de corrugación puede variar entre 0.5 y 1 cm y el paso de corrugación es de 1 y 2 cm para profundidad entre 0.5 y 0.8 cm El cable de energía superconductor de la cláusula 1 , caracterizado en que el aislamiento térmico dispuesto en multicapas es lámina de aluminio y mylar con un espesor de 0.0005 a 0.005 cm. El cable de energía superconductor de la cláusula 1 , caracterizado en que el segundo tubo corrugado de acero inoxidable 304 ó 316 tiene un diámetro externo entre 8 y 10 cm y entre 6 y 7 cm de diámetro interno, con una profundidad de corrugación de 0.5 cm y 1.5 cm y un paso entre corrugaciones de 1 y 2 cm para profundidad de 0.5 a 1 cm. El cable de energía superconductor de la cláusula 1 , caracterizado en que la malla de acero inoxidable dispuesta en el tubo central corrugado se dispone en forma trenzada hasta conformar una superficie plana uniforme externa. El cable de energía superconductor de la cláusula 1 , caracterizado en que la primer pantalla semiconductora esta hecha a base de polierileno de baja densidad termoplástico ó termofijo en donde la conductividad de esta capa no excede de 1000 O m a temperatura ambiente y tiene un espesor de al menos 0.006 cm. El cable de energía superconductor de la cláusula 1 , caracterizado en que el aislamiento eléctrico es a base de polierileno de baja media ó alta densidad termoplástico ó termofijo o de cadena cruzada y/o etileno propileno, dependiendo su espesor del efecto de tensión de operación del cable y puede ser entre 0.229 y 0.976 cm. El cable de energía superconductor de la cláusula 1 , caracterizado en que la segunda pantalla semiconductora dispone de los mismos componentes que la primer pantalla pero con un espesor de al menos 0.0129 cm y una resistividad volumétrica máxima de 500 O m a temperatura ambiente. 9. El cable de energía superconductor de la cláusula 1. caracterizado en que la pantalla metálica de cinta de cobre tiene un espesor de 0 00635 cm teniendo cuando menos un área de sección transversal de 0.1 mm /mm. 10. El cable de energía superconductor de la cláusula 1 , caracterizado en que la cubierta protectora final puede ser de polietileno o polivinil clorado (PVC) con un espesor entre 0.203 y 0.279 cm. 1 1. El cable de energía superconductor de la cláusula 1 , caracterizado en que el sistema de vacío de aislamiento térmico funciona a temperaturas de 77 con una presión de vacío de 10 mPa (miliPascal) E X T R A C T O Cable de energía superconductor mejorado de al menos una fase, caracterizado por dos secciones tubulares, la primera es un núcleo superconductor flexible, con una malla de cinta de acero inoxidable y capas sobrepuestas de cintas de cobre en un ángulo de 0o a 45° seguido por dos ó más capas sobrepuestas de material superconductor y una segunda aplicación de dos ó más capas de material superconductor en dirección opuesta a las anteriores: la segunda sección tubular es un espacio anular de aislamiento térmico de vacío formado por un tubo corrugado flexible revestido con aislamiento en multicapas, incluye además un tubo con una malla de acero inoxidable para adherir una pantalla semiconductora interna de polietileno con aislamiento seguido por una segunda pantalla metálica a base de cinta de cobre y una cubierta protectora de polietileno.