TW589644B - Super-conducting cable and super-conducting cable line - Google Patents

Description

589644 五、 發明說明 ( Ο ( 發 明 所 屬 之 技 術領 域〕 本 發 明 係 有 關 超導 線纜 與使用 該線纜之線路者。尤其 是 有 關 縱 使 發 生 短路 電流 等之異 常電流也可以抑制線纜 損 傷 的 局 溫 超 導 線纜 ，以 及使用 該線纜之超導線纜線路 者 〇 ( 先 刖 技 術 ] 局 溫 超 導 線 纜 因可 以做 爲供應 大容量之電氣的線纜而 受 到 期 待 Ο 尤 其 在有 限的 都市空 間中，不易確保供敷設 新 線 纜 之 通 路 (管路） ，假; 設在物: 理上有其可能性，然因 土 本 建 設 費 用 龐 大， 故在 成本上 爲不合算。 爲 解 決 此 問 題 ，係 開發 有一種 與習知之CV線纜同等 大小（簡浸 ，型 [)而可以供應數倍電流之高溫超導線纜。迄今 已 利用 鉍 系 銀 包 覆帶; 線材 ，且以多層捲繞於框架（former) 上 5 更 以 具 有 絕 緣層 與保 護層的 構造而做成三芯一體式 線 纜 並 將 其 插· 入長ί 的斷熱管中 ，以製作在其中供應液體 氮 等 之 冷 媒 的 線丨 纜系統（cable system)的原型（prototype)。 先 刖 埋 入 地 中 之型 式的 CV線; 纜上，爲施行有由雷或 災 害 等 引 起 短 路 電流 的對 策。即 使在高溫超導線纜中， 該 項 短 路 電 流 之 對策 在實 用上爲 必要技術之一。迄今爲 止 一 直 在 探 討 下 列手 法： ①利用 銅構成框架以流通短路 電 流 之 方 法 ， 或 ②將 高溫 超導線 纜芯子的通電容量增大 爲 遠 比 通 常 運 轉 時爲 大， 縱使發 生短路電流也可以防止 線 纜 芯 子 的 損 傷 。另 外亦 探討有 ③被稱爲限流器的超導 機 器 連 接 到 筒 溫 超導 線纜 以抑制 -3- 短路電流，同時保護高 589644 五、 發明說明 ( 2) 溫 超 導 線 纜 之 技術 0 但 是 ， 以 框 架（forr ner)分流短路電流之方法 ，係具有 使 框 架 剖 面 積 變大 之 高溫超導線纜的特徵，故 而喪失簡 易 性 (C omp a ct) 〇 另 外 1 將 局 溫超 導 線纜芯子之通電容量放大 至遠比運 轉 時 更 大 之 方 法連 帶 地提高線纜之成本。 此外 限 流 器開 發 之探討才剛起步，至於可 適用於線 纜 系 統 之 66KV 或 宜 /、 上位系統之25 7KV之高壓 系統之開 發 在 材 料 或 系統 面 有各種問題。 ( 發 明 內 容 ] 因 此 本 發 明的 主 要目的在提供一種超導線 纜，爲在 超 CM 過 超 導 導 體 之臨 界 電流時，使其發生電阻即 可衰減電 流 之 具 有 限 流 功能 之 超導線纜；以及使用該線 纜之超導 線 纜 線 路 〇 本 發 明 藉 由 使用 淬 火（quench)時會發生高電[ 阻之Re( 稀 土 族 元 素 )系超導線材而達成上述之目的。 亦 即 本 發 明之 輯 導線纜爲具有由超導線所 構成之第 — 導 髀 層 與 形 成於 第 一導體層外側之絕緣層之 超導線纜 其 特 徵 爲 5 上述 第 一導體層係在金屬基板上 集合多條 形 成 R e系超導層之超導線而成。 在本1 發明中， 由於利用可將超電導-常電導差排（dislocation) 時 所 發 生 之 電 阻設 定 較高之Re系超導線材料 ，因此發 生 短 路 電 流 時 ，可 將 超導線材做爲高電阻體， 以限制電 流 里 而 保 護 線 纜不 致 受到損傷。 -4 - 589644 五、發明說明（3) 本發明之超導線纜之基本構造由內側依次具備框架、 第一導體層與絕緣層。另外，絕緣層外側也可以依次設 置第二導體層、保護層。如爲此種構成的線纜，即成爲 類似使用帶狀的Bi系銀包覆超導線材之多層型線纜超 導導體之構造。因此，容易進行高電壓化或與Bi係多 層型超導線纜相連接。 第一導體層適合於一般之通電，而第二導體層則適合 利用做爲遮蔽層。 第一及第二導體層係使用Re系超導體做爲超導體。 Re (稀土族元素）系超導體即爲稀土族超導體，通常以 Re-Ba-Cu-O所構成。Re(稀土族元素）中使用Y、Nd、

Sm、Pr、Ho、Eu、Gd 等。更具體地說，有 YBa2Cu30x， Y2BaCuOx » NdBa2Cu30x » Nd4Ba2Cu20x » SmBa2Cu30x » Sm2BaCuOx，PrBa2Cu30x，Pr2BaCuOx，HoBa2Cu3Ox 等。

Re系超導體線材以金屬基板上形成Re系超導層之帶 狀之超導線材爲佳。金屬基板則使用不銹鋼等。Re系 超導層之形成法係利用CVD法或PVD法。另外，在金 屬基板與Re系超導層之間也可以形成中間層。中間層 之材料以釔穩定化氧化锆（YSZ)爲佳。 第一導體層係在框架上螺旋捲繞或沿縱向形成。另外 ，第二導體層也是在框架上螺旋捲繞或沿縱向形成。第 一及第二導體層也可以分別形成多層。在此情況下，該 等多個超導層宜捲繞成無感（inductionless)俾使本身之 電感變小。例如，可以調整超導線之螺旋節距或在各層 589644 五、發明說明（4) 交互逆向捲繞以降低本身的電感。 另外，本發明之超導線纜線路之特徵在於，具有基部與 有比基部之額定電流更大之電流流過時會衰減電流之限流 部，且該限流部係以上述本發明之超導線纜所構成。 藉將線路分成基部與限流部，並在限流部利用本發明 之超導線纜，即可以實現具有可以短的Re系超導線減 少短路電流之限流功能的線纜線路。 限流部之長度只要發生可以抑制短路電流所必要之電 阻與電感（inductance)之長度即可。因此，如將基部設長 ，限流部設短，則即使由現在的1公尺到1 〇公尺級的 短Re系超導線材也可以實現具有抑制短路電流之限流 功能之超導線纜線路。限流部則可考慮設置於基部之末 端或中間連接部之構造的電路。 使用於基部之超導線以由Re系超導體以外之超導體 來構成爲佳。Re系超導體以外之超導體可使用Bi-Sr-Ca-O 系，Bi-Pb-Sr-Ca-Ο 系，Tl-Ba-Ca-Cu-O 系，Tl-Pb-Sr-Ca-Cu-Ο系等。尤其是利用Bi-Sr-Cu-Ο系與Bi-Pb-Sr-Cu-Ο系爲佳。 例如，藉由在使用公里級之長的鉍系銀色覆帶線材之 高溫超導線纜之末端部之一部分連接本發明之Re系超 導線纜，即可製作大規模的高溫超導線纜系統。另外， 爲現今的限流器之課題之一的高壓對策因爲與線纜之構 造相同，所以簡單，而在66KV系統中所使用之限流器 的系統化變得簡便。 589644 五、發明說明 ( 5) 〔實 施 方 式 以 下 說 明 本 發 明 之 實 施 形 態 〇 【實 施 例 3 首 先 根 據 第 1 圖 說 明 本 發 明超 導 線 纜之構造。 (整 體 構 造 ) 本 發 明 之 超 導 線 纜 1 係 在 隔 熱管 8 中 收容線纜芯子2 之構 造 Ο 線 纜 -f+- 心 子 2 由 內 側 依 次具 有 框 架3、第一導體 層4 、絕、 響 5 〇 另外 在絕緣層： 5外側也可以依次設 置第 二 導 電 層 6 、保護j 罾 7。 此外， ，在本圖中標示三芯 Mm 一體 線 纜 惟 單 -Η- 心 線 纜 也 可 以 〇 (框 架 ) 線 纜 心 子 2 之 最 內 部 之 框 架 3係 利 用 銘、銅、不銹鋼 等之 管 子 Ο 另 外 考 慮 到 線 纜 的物 理 特 性也可以將細長 銅線 等 之 金 屬 線 絞 繞 而 成 者 〇 前者 的 情 形下，可以利用 框架 內 部 I 做 爲 冷 媒 流 路 〇 此 外， 利 用 細長銅線時，爲 減少 渦 電 流 損 耗 宜 在 各 銅 線 施以 絕 緣 包覆。 (第 — 第 二 導 體 層 ) 第 一 、 第 二 導 體 目豆 層 4 ^ { 5利用Re 系 超 導體做爲超導體 。超 導 線 以 在 金 屬 基 板 上 形 成 Re系超導層之帶狀超導 線爲 佳 Ο 第 一 導 m 目S 層 係在 框 架 上螺 旋 捲 繞或沿縱向形成 〇另 外 5 第 二 導 體 層 係 在 絕 緣 層上 繞 線 或沿縱向形成。 在此 係 以 第 一 導 髀 πϋ 層 4 爲 線 纜 導體 > 第 二導體層6爲遮 蔽層 使 用 〇 另 外 在 第 二 導 體 層6 上 面 也可以設置保護 層7 0 7- 589644 五、發明說明（6 ) (絕緣層） 絕緣層5爲在捲回之絕緣材料含浸冷媒之構造。絕緣 材料可以使用使如牛皮紙等絕緣紙，或至少在聚丙烯薄 膜之單面粘粘牛皮紙之PPLP(Polypropylene laminated paper)等之半合成低，或聚乙烯薄膜或聚丙烯等之合成 紙。冷媒可使用液態氯或液態氮等。 (隔熱管） 隔熱管8只要具有充分的隔熱性能者不拘其構造，惟 通常以使用波紋狀的內管、外管來做成雙重構造。雙管 之間配置著超隔熱等之隔熱材料面以保持於真空狀態之 隔熱層所構成。形成於隔熱受8內與各芯子2之間之空 間0成爲冷媒流路。 (防蝕層） 此外，爲保護隔熱管8也可以形成防蝕層（未圖示）。 例如在隔熱受表面塗敷聚氯乙烯（PVC)構成之。 【實施例2】 在內徑20mm (p，外徑24mm p，長度2公尺之不銹鋼管上 以節距300mm，將寬5mm，厚約0.1mm之YBa2Cu30x (YB CO)超導帶線材1〇條捲上成螺旋狀，以製作一層之 Y系超導線纜導體。超導帶線材係在寬5mm，厚0.1 mm 之不銹鋼基板上隔著Ιμπι之YSZ中間層形成2μιη之 YBCO超導層，而以5μιη之銀保護表面之構成，液體氮 之臨界電流約爲4〇Α。由超導線纜導體的各末端起30 公分處之各層係以焊接成一體並附加銅導線以供流通電 589644 五、發明說明（7) 流。 經將該導體含浸於液體氮而進行直流之通電測驗時， 以1 # V/cm之電阻產生所定義之臨界電流爲400A。 在同樣的不銹鋼管上以節距3 00mm捲上寬4mm，原 約0 · 3 mm之B i系銀包覆超導電線材1 〇條成螺旋狀以製 作一層Bi系超導線纜導體做爲比較例，該Bi系銀包覆 超導帶線材在寬4mm，厚0.3mm之銀母材中埋入約30μπι 寬之Bi2Sr2Ca2Cu30x超導層60支之構成，而液態氮中 之臨界電流約爲5 0 A。由超導線纜導體之各末端超3 〇 公分處之各層皆以焊接成一體，並附加銅導線以供流通 電流。 經將該導體含浸於液態氮中以進行直流之通電試驗時 ，以1 //V/cm之電阻產生所定義之臨界電流爲5 00A。 將該等實施例、比較例之2條導體分連接到交流電源 ’並對導體通以到臨界電流之1 0倍爲止之交流電流以 測定電流-電壓特性。其結果，實施例的Y系超導線纜 導體中，交流電流超過1 000A時由於導體的淬火所發生 之電阻而電流受到抑制，以致無法有1 000A以上之電流 流通而可確認限流功能。另一方面，在比較例的Bi系 超導線纜導體中’因作超導帶線材母材之銀的電阻低， 即使在5 0 00A也確認有交流電流之通電，而未觀測到抑 制電流（限流功能）之效果。 【實施例3】 在內徑26mmp，外徑30ππηφ，長一公尺之銅管上，以節 589644 五、發明說明（8) 距 400mm 捲繞寬 5mm，厚約 0.1mm 之 HoBa2Cu3Ox(HoBCO) 超導帶線材20條成螺旋狀以製作2層之HoBCO超導線纜 。HoBCO超導帶線材係在寬5mm，厚0.1mm之不銹鋼基 板上，隔著Ιμιη的YSZ中間層形成3μιη之HoBCO超導 層，而表面係以5μπι之銀保護之構造，在液態氮中之臨 界電流約爲50Α。第一層與第二層之間配置將厚〇.2mm 之牛皮紙半疊繞法重疊1〇層之厚度5mm的絕緣層。第 一層與第二層的捲繞方向相反。由超導線纜導體之各末 端起到30公分處之各層系以焊接成一體，並附加銅導 線以供流通電流。 經將該導體含浸於液態氮以進行直接之通電試驗時， 第一層與第二層luV/cm之電阻產生所定義之臨界電流 爲 1000A 。 另一方面，在內徑26 mm p，外徑30 mm p，長1公尺 之不銹鋼波紋管上以節距3 00mm捲繞10條寬4mm，厚 約0.3mm之Bi系銀包覆超導帶線材（寬4mm，厚0.3mm 之銀母材中埋入61條寬約30μιη之Bi2223超導層之構 造，液態氮中之臨界電流約爲50A)成螺旋狀，以製作第 1項之Bi系超導線纜。然後，在第一層與第二層之間配 置將厚0.2mm的牛皮紙半疊繞重疊厚5mm之絕緣層以 形成第二導體。第一層與第二層之捲繞節距相反，但是 其他的構造與第一層相同。由超導線纜導體之各末端起 3 〇公分之處的各層係以焊接成一體並附加銅導線以供流 通電流。 10- 589644 五、發明說明（9) 經將該導體浸漬於液態氮中以進行直流之通電試驗時 ，與第一層與第二層同時以Ιμν/cm之電阻產生所定義 之臨界電流皆爲1 000A。 又分別將該等2條導體連接到交流電源以測定在導體 通以臨界電流之五位爲止之父流電流時之電流一電壓特 性。其結果在實施例之Ho系導體中，當交流電流超過 1 0 00A時導體因淬火而發生之電阻而電流受到抑制，沒 有超過1 500A之電流流通而確認了限流功能。另一方面 ，在比較例之Bi系導體中，因作爲超導帶線材母材之 銀的電阻低，因此在5 00 0A時也確認有交流電之通電， 而未觀測到抑制電流（限流功能）之效果。 實施例4 如第2圖所示，準備兩條實施例3所記載的1公尺長 之Re超導線纜（限流部）1 0，同樣地準備一條實施例3 中所記載之10公尺長之Bi系超導線纜（基部）20 ;並在 Bi系超導線纜之兩端配置Re系超導線纜。第1層設成 在各線纜間相連以流通導體電流，而第2層則設成在各 線纜間相連以流通遮蔽電流。 對此複合線纜，以50Hz的頻率與100A/分鐘之比例 流通以最高到5000A之交流電流。結果交流電流超過 1 0 00A時，由於Re系超導線纜之淬火而發生之電阻抑 制了電流，且沒有超過1 500A之電流流通，因而可以確 認限流功能。隨之，在Bi系超導線纜中，也未觀測到 導體的溫度之上升或線纜的破裂，確認了可以重複通電 -11- 589644 五、發明說明（1〇) ，從Re系超導線纜而確認了故障安全（faii_safe)的功能 〇 〔產業之可利用性〕 如上所述，利用本發明之超導線纜，由於使用Re系 超線，在導體層之電流超過臨界電流時，可以使其發生 電阻而可靠地限流以抑制線纜之損傷。 此外，由於設成由利用基部與本發明之線纜之限流部 所構成之線纜線路，在有此基部之額定電流更大之電流 流過時，可以自動地衰減電流。 〔圖式簡單說明〕 第1圖爲本發明之超導線纜之橫剖面圖。 第2圖爲本發明之超導線纜線路之槪略構成圖。 符號說明 I 框架內部 0 空間 1 線纜 2 線纜芯子 3 框架 4 第一導體層 5 絕緣層 6 第二導體層 7 保護層 8 隔熱管 •12·

Claims (1)

1. 589644 六、申請專利範圍 1. 一種超導線纜，具備由超導線所構成之第一導體層，以 及形成於第一導體層外測之絕緣層，其特徵爲，上述第 一導體層係集合數條在金屬基板上形成Re系超導層之 超導線。 2 ·如申請專利範圍第1項之超導線纜，其中絕緣層外側具 有第二導體層，該第二導體層係集合數條在金屬基板上 形成Re系超導層之超導線。 3 _如申請專利範圍第2項之超導線纜，其中第一導體層爲 線纜導體層，而第二導體層爲線纜保護層。 4 .如申請專利範圍第1項之超導線纜，其中超導線在金屬 基板與Re系超導層之間具有中間層。 5 . —種超導線纜線路，爲使用超導線纜之線路，其特徵爲 ，上述超導線纜具有基部，以及有比基部之額定電流大 的電流通過時會衰減電流之限流部，該限流部係以申請 專利範圍第1項所記載之超導線纜所構成。 6 . —種超導線纜線路，爲使用超導線纜之線路，其特徵爲 ，上述超導線纜具有基部，以及有比基部之額定電流大 的電流通過時會衰減電流之限流部，該限流部係以申請 專利範圍第2項所記載之超導線纜所構成。 7.—種超導線纜線路，爲使用超導線纜之線路，其特徵爲 ，上述超導線纜具有基部，以及有比基部之額定電流大 的電流通過時會衰減電流之限流部，該限流部係以申請 專利範圍第3項所記載之超導線纜所構成。 -13- 589644 六、申請專利範圍 8 · —種超導線纜線路，爲使用超導線纜之線路，其特徵爲 ，上述超導線纜具有基部，以及有比基部之額定電流大 的電流通過時會衰減電流之限流部，該限流部係以申請 專利範圍第4項所記載之超導線纜所構成。 9 ·如申請專利範圍第5項之超導線纜線路，其中限流部係 設置於基部之未端或中間連接部。 1 0 ·如申請專利範圍第5項之超導線纜線路，其中基部之超 導線係由與Re系超導體不同之超導體所構成。 1 1 . 一種超導線纜，其特徵爲： 框架外側設置集合多條在金屬基板上形成Re系超導 層之超導線之第一導體層，而在其外側設置絕緣層，並 在其外側設置集合多條在金屬板上形成Re系超導層的 超導層之第二導體層，並將其外側設有保護層之線纜芯 子收容於隔熱管內。 -14-