專利名稱：超導電纜和超導電纜線路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超導電纜和利用該電纜的超導電纜線路(cable line)。更具體地說，本發(fā)明涉及一種甚至能防止如短路電流的異常電流的出現(xiàn)而損壞的高溫超導電纜，還涉及一種利用此電纜的超導電纜線路。
背景技術(shù)：
一直希望能用高溫超導電纜提供大量電力。尤其在具有一個受限空間的市區(qū)內(nèi)很難確保鋪設(shè)新電纜的路線(稱作“電纜管道”)。即使實際中可能，建筑上也需要巨大的基礎(chǔ)設(shè)施成本，這使得這種電纜鋪設(shè)變得不能實行。
為了解決這個問題，現(xiàn)在正在研制開發(fā)一種高溫超導電纜，它具有較小的幾乎與已知交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜相同的尺寸，并能夠供給比已知XLPE電纜大若干倍的電流量。在過去制造的電纜系統(tǒng)模型中，三相芯線高溫超導電纜被插入其中供給有諸如液氮的冷卻介質(zhì)的一長段絕熱管中，該芯線具有纏繞在繞線模上的多層Bi基超導銀護套帶狀線、絕緣層和屏蔽層。
對被設(shè)計來放置在地下的XLPE電纜已經(jīng)采取了抵御由雷雨或自然災害導致的短路電流的措施。實際當中，這種抵御短路電流的措施對于高溫超導電纜也是必需的。迄今為止，已經(jīng)考慮了下列幾項技術(shù)①使短路電流流入到銅繞線模中的技術(shù)；和②使電纜芯線的過電容量(flowing currentcapacity)遠大于正常工作期間的容量，以防止高溫超導電纜芯線被短路電流的出現(xiàn)所損壞的技術(shù)。此外，③還考慮了一種抑制短路電流并通過連接一個被稱作“限流器”的超導設(shè)備到所述電纜上來保護高溫超導電纜的技術(shù)。
但是，利用繞線模分流短路電流的技術(shù)導致繞線模橫截面積的增大；并且高溫超導電流所獨有的小面積這一特性被減弱。
使高溫超導電纜芯線的過電容量遠大于正常工作期間的容量的技術(shù)導致電纜的成本增大。
限流器的發(fā)展正處于起步階段，存在系統(tǒng)以及用于開發(fā)高壓系統(tǒng)的材料中需解決的各種問題，其中所述的高壓系統(tǒng)可以應用到66kV或更高的275kV的電纜系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種具有限流功能的超導電纜，該限流功能即通過在超導電流超過臨界電流時產(chǎn)生電阻來衰減電流，本發(fā)明的發(fā)明目的還在于提供一種利用這種超導電纜的超導電纜線路。
在本發(fā)明中，上述目的可以通過利用RE(稀土元素)基超導線來實現(xiàn)，該超導線在弱化(quenched)時可以具有高電阻。
根據(jù)本發(fā)明的超導電纜包括第一導體層，其由多條超導線形成；和形成在第一導體層外圍的絕緣層，所述的超導線通過在金屬襯底上形成RE基超導層制得。
在本發(fā)明中，使用在超導-常態(tài)轉(zhuǎn)變中能增大電阻的RE基超導線使得超導線能在產(chǎn)生短路電流時具有高的電阻，由此限制電流量并保護電纜不受損壞。
本發(fā)明的超導電纜的基本構(gòu)成使得其依次包括繞線模、第一導體層和一個由內(nèi)側(cè)到外側(cè)的絕緣層。也可以在絕緣層的外圍依次設(shè)置第二導體層和保護層。具有上述結(jié)構(gòu)的超導電纜與利用Bi基超導銀護套帶狀線的多層電纜類似。因此，可以容易地實現(xiàn)超導電纜上所加電壓的增大以及與Bi基多層型超導電纜的連接。
優(yōu)選地，第一導體層可以用于正常的電流供給，第二導體層可以用作屏蔽層(shielding layer)。
RE基超導體用作第一和第二導體層的超導體。RE(稀土元素)包括Y、Nd、Sm、Pr、Ho、Eu、Gd等，更具體地說，包括YBa2Cu3Ox、Y2BaCuOx、NdBa2Cu3Ox、Nd4Ba2Cu2Ox、SmBa2Cu3Ox、Sm2BaCuOx、PrBa2Cu3Ox、Pr2BaCuOx，HoBa2Cu3Ox等。
通過在金屬襯底上形成RE基超導層獲得的超導帶狀線適于用作RE基超導線。可以將不銹金屬作為金屬襯底。RE基超導層的形成通過化學氣相沉積(CVD)或物理氣相沉積(PVD)進行。可以在金屬襯底和RE基超導層之間設(shè)置一個中間層。氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)適于用作中間層材料。
第一導體層螺旋纏繞在繞線模上或平行附著在其上。第二導體層也螺SFC旋纏繞在絕緣層上或平行附著在其上。第一和第二層每個都可以由多層形成。在此情況下，優(yōu)選地，多個超導層無電感地纏繞，使得自感變小。自感例如可以通過調(diào)節(jié)超導線的螺距或通過交替顛倒該些層的纏繞方向來減小。
本發(fā)明的超導電纜線路包括基部(base)和限流部(current limiter)，該限流部用于衰減超過基部額定電流的電流。限流部由本發(fā)明的上述超導電纜形成。
因而，通過將超導電纜線路分成基部和限流部，并利用本發(fā)明的超導電纜作為限流部，可以實現(xiàn)一種具備限流功能的電纜線路，該限流功能通過一截短RE基超導線衰減短路電流。
如果限流部具有可以產(chǎn)生抑制短路電流所需的電阻和電感的長度就足夠了。因此，如果用一長的導體做基部，并用一短的導體作為限流部，則可以獲得一種配置有限流部的超導電纜線路，該限流部用于通過利用目前使用的長度為1m至最大10m的短RE基超導線抑制短路電流。限流部可以設(shè)置在基部的端部或中間連接部分。
用于基部的超導電纜優(yōu)選地可以由一種不同于RE基超導體的超導體形成。作為除RE基超導體以外的超導體，可以使用Bi-Sr-Ca-O型、Bi-Pb-Sr-Ca-O型、Tl-Ba-Ca-Cu-O型或Tl-Pb-Sr-Ca-Cu-O型，更優(yōu)選地可以使用Bi-Sr-Cu-O型或Bi-Pb-Sr-Cu-O型。
例如，通過將本發(fā)明的RE基超導電纜連接到采用長度在約若干千米的長Bi基超導銀護套帶狀線的高溫超導電纜的端部部分，可以制造大的高溫超導電纜系統(tǒng)。成為本限流部的主要問題之一的增大所加電壓的措施可以很容易地采取，因為限流部的結(jié)構(gòu)與電纜的相同。因此，66kV電纜系統(tǒng)中所用的限流部可以很容易地形成為一個系統(tǒng)。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的超導電纜的截面圖；以及圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的超導電纜線路的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施例敘述如下。
(第一實施例)下面參見圖1對本發(fā)明的超導電纜的結(jié)構(gòu)進行描述。
(整體結(jié)構(gòu))構(gòu)造本發(fā)明的超導電纜1，使得電纜芯線2裝在一個絕熱管8中。每個電纜芯線2由內(nèi)到外包括繞線模(former)3，第一導體層4和絕緣層5。還可以在絕緣層5的外圍上依次設(shè)置第二導體層6和保護層7。雖然在本實施例中使用了一個三相芯線高溫超導電纜，但也可以使用一個單芯線電纜。
(繞線模)用鋁、銅或不銹鋼管作為繞線模3，該繞線模是電纜芯線2的最內(nèi)層部分?；蛘?，考慮到電纜的機械特性，可以采用一股金屬線，如細銅線。如果使用管，繞線模的內(nèi)部I可以用作冷卻介質(zhì)通道。如果使用細銅線，優(yōu)選用一種絕緣材料涂覆每根銅線以降低渦流損失。
(第一和第二導體層)RE超導體分別用作第一和第二導體層4和6的超導體。通過在金屬襯底上形成RE超導層而獲得的帶狀超導體適于用作超導線。第一導體層通過螺旋形纏繞在繞線模上或平行貼附在繞線模上而形成。第二導體層通過螺旋形纏繞在絕緣層上或平行貼附在絕緣層上而形成。在此實施例中，第一導體層4用作電纜導體，第二導體層6用作屏蔽層。保護層7也可以設(shè)置在第二導體層6上。
(絕緣層)構(gòu)造絕緣層5，使得冷卻介質(zhì)浸在纏繞的絕緣材料中。絕緣材料包括絕緣紙，如牛皮紙，半合成紙，如通過至少在聚丙烯膜的一側(cè)層疊牛皮紙而形成的聚丙烯疊層紙(PPLP)，和合成紙，如聚乙烯膜或聚丙烯膜。液氦或液氮用作冷卻介質(zhì)。
(絕熱管)絕熱管8可以以任何方式構(gòu)成，只要具有足夠的絕熱性能即可。但一般采用一種由波紋內(nèi)管和外管形成的雙層結(jié)構(gòu)。在內(nèi)管和外管之間設(shè)置絕熱材料，如超絕緣(super insulation)，并且將其間的空間保持在真空態(tài)，從而形成絕熱層。形成在絕熱管8和每根芯線2之間的間隔O用作冷卻介質(zhì)通道。
(保護層)
還可以形成保護層(未示出)以保護絕熱管8。例如，在絕熱管的表面涂覆一層聚氯乙烯(PVC)。
(第二實施例)以300mm的螺距繞內(nèi)徑為20mmφ、外經(jīng)為24mmφ、長度為2m的不銹鋼管螺旋形纏繞十根寬度為5mm厚度約0.1mm的YBa2Cu3Ox(YBCO)超導帶狀線，由此形成單層Y基超導電纜導體。該超導帶狀線構(gòu)造來使得通過1μm-YSZ中間層在寬度為5mm且厚度為0.1mm的不銹鋼襯底上形成2μm-YBCO超導層，并且在其表面覆蓋5μm的銀，并且液氮中的臨界電流約為40A。距離超導電纜各端30cm的范圍內(nèi)的層通過與連接到其上的銅鉛合金線焊接而集成一體，用于導流電流。
通過將此導體浸泡在液氮中來進行DC電流載流測試。由1μV/cm的臨界電阻的產(chǎn)生所確定的臨界電流為400A。
作為比較例，在具有與第二實施例中所用的結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)的不銹鋼管上以300mm的螺距螺旋形纏繞寬度為4mm、厚度約為0.3mm的十根Bi基超導銀護套帶狀線，由此形成單層Bi基超導電纜導體。Bi基超導銀護套帶狀線構(gòu)造成在寬度為4mm、厚度約為0.3mm的銀基體中掩埋入寬度約為30μm的61個Bi2Sr2Ca2Cu3Ox超導層，并且其在液氮中的臨界電流約為50A。距離超導電纜導體各端部30cm的范圍內(nèi)的層通過與連接其上的銅鉛合金線焊接而集成一體，用于導流電流。
通過在液氮中浸泡此導體來進行DC電流載流測試。由1μV/cm的臨界電阻的產(chǎn)生所確定的臨界電流為500A。
通過分別將本實施例和比較例中的兩個導體連接到AC電源，并通過給該導體提供高于臨界電流達十倍的AC來測量電流電壓(I-V)特性。結(jié)果如下。在本實施例的Y基超導電纜導體中，當AC達到1000A時，通過導體弱化產(chǎn)生電阻而抑制了該電流，并且在該導體中不會流動1500A或更高的電流。即，觀察到限流功能的實現(xiàn)。相反，在比較例的Bi基超導電纜導體中，因為用作超導帶狀線基體的銀的低電阻，甚至在5000A在導體中觀察到AC電流的流動。即，觀察不到電流抑制效應(限流功能)。
(第三實施例)以400mm的螺距繞內(nèi)徑為26mmφ、外經(jīng)為30mmφ、長度為1m的銅管螺旋形纏繞寬度為5mm且厚度約為0.1mm的二十根HoBa2Cu3Ox(HoBCO)超導帶狀線，由此形成兩層HoBCO超導電纜導體。該HoBCO超導帶狀線構(gòu)造成在寬度為5mm、厚度為0.1mm的不銹鋼襯底上通過1μm-YSZ中間層形成3μm-HoBCO超導層，并且在該層的表面覆蓋5μm的銀，液氮中它們的臨界電流約為50A。在第一和第二層之間通過半覆蓋地包裹10層厚度為0.2mm的牛皮紙形成一個厚度為5mm的絕緣層。第一和第二層在相反的方向上纏繞。距離超導電纜導體各端30cm的范圍內(nèi)的層通過與連接其上的銅鉛合金線焊接而集成一體，用于導流電流。
通過在液氮中浸泡此導體來進行DC電流載流測試。對第一和第二層兩者而言，由1μV/cm的臨界電阻的產(chǎn)生所確定的臨界電流為1000A。
以300mm的螺距繞內(nèi)徑為26mmφ、外經(jīng)為30mmφ、長度為1m的不銹鋼波紋管螺旋形纏繞寬度為4mm且厚度約0.3mm的十根Bi基超導銀護套帶狀線(其中在寬度為4mm、厚度為0.3mm的銀基體中掩埋寬度約為30μm的61個Bi2223超導層，且液氮中的臨界電流約為50A)，由此形成Bi基超導電纜導體的第一層。在第一和第二層之間通過半覆蓋地包裹10層厚度為0.2mm的牛皮紙形成一個厚度為5mm的絕緣層，該第二導體層以與第一層相同的結(jié)構(gòu)形成，其不同在于它們的纏繞螺距在彼此相反的方向上。距離超導電纜導體端部30cm范圍內(nèi)的層通過與連接其上的銅鉛合金線焊接而集成一體，用于導流電流。
通過在液氮中浸泡此導體來進行DC電流載流測試，且對于第一和第二層兩者，由1μV/cm的臨界電阻的產(chǎn)生所定義的臨界電流為1000A。
通過分別地將兩個導體與AC電源連接，并通過給該導體提供高于臨界電流達五倍的AC來測量電流電壓(I-V)特性。結(jié)果如下。在本實施例的Ho基超導電纜導體中，當AC達到1000A時，電流受到導體弱化電流的產(chǎn)生的抑制，并且在該導體中不會流動1500A或更高的電流。即，觀察到限流功能的實現(xiàn)。相反，在比較例的Bi基超導電纜導體中，因為作為超導帶狀線基體的銀的低電阻，甚至在5000A觀察到AC電流的流動，并且電流抑制效應(限流功能)未實現(xiàn)。而且，由于導體的溫度升高，Bi基超導電纜導體被部分地損壞。
(第四實施例)如圖2所示，制備第三實施例中所述的兩根1m長的RE基超導電纜(限流部)10和第三實施例中所述的一根10m長Bi基超導電纜(基部)20，并且在Bi基超導電纜的兩端設(shè)置RE基超導電纜。通過電纜的連接構(gòu)成第一層，使得導體電流流動，并且通過電纜的連接構(gòu)成第二層，使得流過一個屏蔽電流。
以100A/分鐘的增加速率對此復合電纜提供50Hz頻率的高達5000A的AC電流。當AC達到或超過1000A時，RE基超導電纜的弱化導致的電阻的產(chǎn)生抑制了電流，并且在導體中不會流動1500A或更高的電流。即，觀察到限流功能的實現(xiàn)。另外，在Bi基超導電纜中觀察不到電纜的溫度升高或損壞，并且證實了可以反復供給電流。因而證實了具有由RE基超導電纜達成的故障自動防護功能。
工業(yè)實用性從前述中顯見，根據(jù)本發(fā)明的超導電纜，采用一種RE基超導線，因而通過在導體層的電流超過臨界電流時產(chǎn)生電阻來實現(xiàn)故障自動防護電流限制功能，由此防止電纜受到損壞。
另外，利用本發(fā)明電纜的具有基部和限流部的電纜線路能夠在流過高于基部額定電流的電流時自動衰減電流。
權(quán)利要求
1.一種超導電纜，其芯線包括由超導線形成的第一導體層和形成在所述第一導體層外圍的絕緣層，其中，所述第一導體層是通過在金屬襯底上形成RE基超導層制得的多條超導線的組合件。
2.如權(quán)利要求1所述的超導電纜，還包括設(shè)置在所述絕緣層外圍上的第二導體層，其中，所述第二導體層是通過在金屬襯底上形成RE基超導層制得的多條超導線的組合件。
3.如權(quán)利要求2所述的超導電纜，其中，所述第一導體層是電纜導體層，所述第二導體層是電纜屏蔽層。
4.如權(quán)利要求1所述的超導電纜，其中，超導線在金屬襯底和RE基超導層之間有一中間層。
5.一種利用超導電纜的超導電纜線路，其中，所述超導電纜包括基部和用于衰減超過所述基部額定電流的電流的限流部，限流部由權(quán)利要求1中所述的超導電纜形成。
6.一種利用超導電纜的超導電纜線路，其中，所述超導電纜包括基部和用于衰減超過所述基部額定電流的電流的限流部，限流部由權(quán)利要求2中所述的超導電纜形成。
7.一種利用超導電纜的超導電纜線路，其中，所述超導電纜包括基部和用于衰減超過所述基部額定電流的電流的限流部，限流部由權(quán)利要求3中所述的超導電纜形成。
8.一種利用超導電纜的超導電纜線路，其中，所述超導電纜包括基部和用于衰減超過所述基部額定電流的電流的限流部，限流部由權(quán)利要求4中所述的超導電纜形成。
9.如權(quán)利要求5所述的超導電纜線路，其中，在所述基部的端部或中間連接部分設(shè)置限流部。
10.如權(quán)利要求5所述的超導電纜線路，其中，所述基部的超導線由不同于RE基超導體的超導體形成。
11.一種包括裝在絕熱管中的電纜芯線的超導電纜，所述的電纜芯線包括設(shè)置在繞線模外圍的第一導體層，所述第一導體層是通過在金屬襯底上形成RE基超導層而獲得的多條超導線形成的組合件；設(shè)置在所述第一導體層外圍上的絕緣層；設(shè)置在所述絕緣層外圍上的第二導體層，所述第二導體層是通過在金屬襯底上形成RE超導層而獲得的多條超導線形成的組合件；以及設(shè)置在所述第二導體層外圍上的保護層。
全文摘要
一種超導電纜，包括由超導線形成的第一導體層、以及形成在第一導體層外圍上的絕緣層。第一導體層是一種超導電纜，該電纜是由Re基超導層以膜的形式設(shè)置在金屬襯底上形成的多條超導線的組合件，并且該電纜通過在第一導體層的電流超過臨界電流時產(chǎn)生電阻來限制電流，抑制超導電纜的損壞。由基部和包括這種超導電纜的限流部形成的一種超導電纜線路能在流過超過基部的額定電流的電流時衰減電流。
文檔編號H01B12/02GK1489769SQ02804409
公開日2004年4月14日 申請日期2002年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月2日
發(fā)明者大松一也 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社