專利名稱：超導(dǎo)電纜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用柔性氧化物超導(dǎo)體的超導(dǎo)電纜，更特別地，涉及超導(dǎo)電纜的制造。
背景技術(shù)：
的描述超導(dǎo)材料是在臨界溫度下電阻接近于零(1uv/cm)的材料，其值取決于材料。超導(dǎo)性限定在一臨界表面中，即一圖表或圖，其軸線是溫度、電流和磁場(chǎng)。因此，對(duì)于一個(gè)給定的工作溫度，限定了一個(gè)作為由超導(dǎo)體產(chǎn)生和/或向超導(dǎo)體施加的磁場(chǎng)的函數(shù)的曲線。
最公知的超導(dǎo)體材料是NbTi和Nb3Sn，但它們的工作溫度僅是4.2K，液態(tài)氦的沸點(diǎn)。這是大規(guī)模應(yīng)用這些超導(dǎo)材料的主要限制。因此這些超導(dǎo)體幾乎只用于纏繞磁體。由具有高臨界電流密度(對(duì)于NbTi是3500安/平方毫米5特斯拉)的線(NbTi和Nb3Sn)或帶(Nb3Sn)制造這些緊湊磁體的繞組可大量地生產(chǎn)出具有高磁場(chǎng)(最大18特斯拉)的繞組。
這些超導(dǎo)磁體用于通過核磁共振(MRI)形成醫(yī)學(xué)圖像，以及通過相同的原理(NMR)、用于礦石分離的磁體和用于高磁場(chǎng)的研究磁體如在大顆粒加速器中使用的磁體(SSC，HERA，KEK等)進(jìn)行材料分析。
具有高臨界溫度的氧化物超導(dǎo)體是在1986年發(fā)現(xiàn)的。它們是包含金屬氧化物和稀有金屬的金屬間成分，具有鈣鈦礦(云母)晶體結(jié)構(gòu)。它們的臨界溫度從30K到接近室溫變化，它們的臨界磁場(chǎng)高于60特斯拉。因此這些材料被認(rèn)為是有前途的，在制造磁體時(shí)可代替Nb3Sn和NbTi，并發(fā)現(xiàn)了液態(tài)氦不可實(shí)現(xiàn)的其它應(yīng)用，如電的傳導(dǎo)。這些材料先前不能作為金屬絲、電纜、薄膜或片得到。
在液氮溫度下進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)的氧化物超導(dǎo)體應(yīng)用于液氮作為冷卻介質(zhì)的超導(dǎo)電纜中是有利的。相對(duì)于需要液態(tài)氦的超導(dǎo)電纜而言，這種應(yīng)用可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱保持系統(tǒng)的簡(jiǎn)化和冷卻成本的降低。
超導(dǎo)電纜必須能夠在緊湊導(dǎo)體中以低能量損失傳導(dǎo)高電流。電力傳導(dǎo)一般是通過交流電進(jìn)行的，在直流電下使用超導(dǎo)體會(huì)不可避免地伴隨著能量損失，一般稱作AC損失。AC損失，如滯后損失、耦合損失或渦流損失，取決于超導(dǎo)體的臨界電流密度，細(xì)絲尺寸，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)等。
已經(jīng)用金屬超導(dǎo)體實(shí)際生產(chǎn)了各種類型的超導(dǎo)電纜，以研究用于降低AC損失的結(jié)構(gòu)，如包括普通導(dǎo)體和沿普通導(dǎo)體外圓周螺旋纏繞的復(fù)合多絲超導(dǎo)體的超導(dǎo)體。導(dǎo)體是通過順時(shí)針或逆時(shí)針纏繞多層彼此交替重疊的復(fù)合多絲超導(dǎo)體而制成的。纏繞導(dǎo)體的方向每層都有變化，以降低在導(dǎo)體中產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而降低阻抗，并提高其電流承載能力。該導(dǎo)體在各層之間有一高電阻或絕緣層。
當(dāng)用氧化物超導(dǎo)體制造電纜導(dǎo)體時(shí)，不能使用金屬超導(dǎo)體中所用的技術(shù)。與金屬超導(dǎo)體相比，氧化物超導(dǎo)體，即陶瓷超導(dǎo)體易碎且在機(jī)械應(yīng)變上較弱。例如，現(xiàn)有技術(shù)公開了一種環(huán)繞普通導(dǎo)體螺旋纏繞超導(dǎo)體的技術(shù)，使纏繞節(jié)距等于每個(gè)超導(dǎo)體的直徑。但當(dāng)以這樣短的節(jié)距纏繞包括由銀覆層覆蓋的氧化物超導(dǎo)體的超導(dǎo)金屬絲時(shí)，氧化物超導(dǎo)體很可能會(huì)斷裂，從而阻斷電流。當(dāng)氧化物超導(dǎo)金屬絲被極大彎曲時(shí)，其臨界電流同樣會(huì)大大降低。電纜導(dǎo)體必須具有一定程度的柔韌性，以利于處理。同樣困難的是由硬而易碎的氧化物超導(dǎo)體制造柔性電纜導(dǎo)體。
在美國(guó)，大約有3500英里的高壓地下電纜，用銅導(dǎo)體向大都會(huì)地區(qū)提供電力。電纜正在老化，許多需要在今后20年中更換。另外，都會(huì)地區(qū)的持續(xù)增長(zhǎng)需要新的電纜容量。電力應(yīng)用公司正在尋找新的電纜技術(shù)來(lái)提高電密度，降低損失和成本，同時(shí)保持常規(guī)電纜的高可靠性。
在都會(huì)地區(qū)安裝一個(gè)新電纜是很昂貴的。電纜占成本的30％到50％，安裝是其余的主要成本。超導(dǎo)電纜可代替現(xiàn)有的銅電纜，并提高3到8個(gè)系數(shù)的能量密度。現(xiàn)有的主要電纜設(shè)計(jì)是一高壓注油管型電纜，包括直徑10.1到20.3厘米(4”到8”)的鋼管，其中裝有3根銅電纜和油。可將這些舊銅電纜和油去除并用具有顯著較高的電流能力的超導(dǎo)電纜替換，節(jié)省了新電纜系統(tǒng)的安裝成本。
超導(dǎo)電纜提供了電纜在都會(huì)地區(qū)的新的應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，高壓銅電纜從城市外圍向城市中心區(qū)傳送電力，而傳送分站降低電壓，分配電路向客戶輸送電力。根據(jù)這種新的超導(dǎo)技術(shù)，低壓高電流超導(dǎo)電纜能夠?qū)㈦娏魉偷街行膮^(qū)域，允許實(shí)際應(yīng)用公司將高壓傳送分站從城市中心區(qū)移出去。在地價(jià)從$100到$600每平方英尺的城市中心區(qū)域安裝和維護(hù)這些分站是非常昂貴的。
本發(fā)明成功地顯示了在分配電壓和高電流下超導(dǎo)電纜的實(shí)際應(yīng)用。潛在的實(shí)際應(yīng)用包括1)分站至客戶，2)分站至分站，3)擴(kuò)展的分站總線，4)分站高速饋電線，5)發(fā)電單元至升壓變壓器。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種超臨界電纜，該電纜具有柔韌性并呈現(xiàn)良好的超導(dǎo)性，特別高的臨界電流和高的臨界電流密度，具有一氧化物超導(dǎo)體。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供AC損失減小的這種超導(dǎo)電纜。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種使用氧化物超導(dǎo)體的電纜，包括一柔性芯部元件；多個(gè)纏繞在上述芯部元件上的帶狀氧化物超導(dǎo)金屬絲，在超導(dǎo)金屬絲之間或者芯部元件與超導(dǎo)金屬絲之間沒有電絕緣層。在本發(fā)明的導(dǎo)體中，每個(gè)氧化物超導(dǎo)金屬絲主要由一氧化物超導(dǎo)體和一覆蓋該氧化物超導(dǎo)體的穩(wěn)定金屬構(gòu)成。敷設(shè)在芯部元件上的上述多個(gè)帶狀超導(dǎo)金屬絲形成了多個(gè)層，每一層是通過以并排方式敷設(shè)多個(gè)上述帶狀超導(dǎo)金屬絲而制成的。上述多個(gè)層連續(xù)疊置到上述芯部元件上。上述芯部元件向本發(fā)明的超導(dǎo)電纜提供了柔韌性。根據(jù)本發(fā)明的超導(dǎo)電纜能夠在液氮溫度下保持超導(dǎo)狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)體還提供了AC損失減小的AC導(dǎo)體。
從下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的前述和其它目的、特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得清楚。
附圖簡(jiǎn)介

圖1是一透視圖，表示本發(fā)明的多層結(jié)構(gòu)。
圖2是一剖視側(cè)面圖，表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。
圖3是一剖視側(cè)面圖，表示本發(fā)明的另一實(shí)施例。
圖4是用于本發(fā)明的壓印圖案的圖表。
優(yōu)選實(shí)施例的描述本發(fā)明涉及一種可以屏蔽或非屏蔽形式結(jié)構(gòu)使用的高溫超導(dǎo)體電纜。在許多應(yīng)用中都將屏蔽和非屏蔽電纜用于有用的目的。
本實(shí)施例的一個(gè)改型是用高溫超導(dǎo)體帶上的電介質(zhì)對(duì)電纜進(jìn)行絕緣，然后在電介質(zhì)上提供另一個(gè)高溫超導(dǎo)體。然后將整個(gè)電纜引入一上述類型的低溫恒溫器中，或者將一低溫恒溫器建造在電纜上。該同軸結(jié)構(gòu)迫使磁場(chǎng)停留在高溫超導(dǎo)體帶的內(nèi)外層之間。在高溫超導(dǎo)體帶外部基本上沒有磁場(chǎng)，因此在外部金屬封閉件中沒有渦流。有了這種結(jié)構(gòu)，可根據(jù)電纜中存在的帶的數(shù)量而承載非常大量的電流。這種電纜設(shè)計(jì)的局限在于，電介質(zhì)保持在低溫下，不得不使用能夠承受低溫而又沒有物理和機(jī)械退化的材料。本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的聚合電介質(zhì)材料在液氮和低溫下具有良好的物理和機(jī)械性能。它具有高的介電強(qiáng)度和高的擊穿電壓。有利地，本發(fā)明的電纜包括使用可選擇地由金屬絲編織層或網(wǎng)覆蓋的柔性不銹鋼皺紋管。優(yōu)選地，在皺紋管上鉆出具有一定尺寸和圖案的孔，允許液氮流入高溫超導(dǎo)體帶的銜接的間隙中，并淹沒介電材料。以特殊方式敷設(shè)高溫超導(dǎo)體以模擬兩層結(jié)構(gòu)，允許最大的電流流過電纜。
介電材料有利地包含半導(dǎo)體帶，鍍鋁屏蔽帶，和聚合電介質(zhì)帶。圖3中示出屏蔽電纜的一個(gè)典型結(jié)構(gòu)。非屏蔽電纜可通過去除高溫超導(dǎo)體帶的外層而制成。圖2中示出該電纜結(jié)構(gòu)。本發(fā)明包括屏蔽和非屏蔽高溫超導(dǎo)體電纜。在非屏蔽電纜情況下該設(shè)計(jì)與其它已知電纜的區(qū)別在于，介電材料的擠壓是在絕熱低溫恒溫器上完成的。現(xiàn)有技術(shù)中沒有公開任何用于屏蔽高溫超導(dǎo)體電纜的建造方法。
參照?qǐng)D1，所示的超導(dǎo)體電纜10具有柔性抽空雙層壁外管11，液氮12穿過其中流到一冷卻器。地電勢(shì)超導(dǎo)屏蔽材料17圍繞介電和屏蔽層16，而介電和屏蔽層16又環(huán)繞支承電流的超導(dǎo)體材料15。柔性多孔壁內(nèi)管13由超導(dǎo)材料15圍繞，并提供了一個(gè)用于從冷卻器輸出液氮的中心管狀部分。在一個(gè)實(shí)施例中，管13還具有一個(gè)與超導(dǎo)材料15接觸的編織表面。
圖2表示一非屏蔽電纜的實(shí)施例，其中樣板21由其上敷設(shè)有超導(dǎo)體帶23的半導(dǎo)體嵌入帶22環(huán)繞。另一層半導(dǎo)體嵌入帶24環(huán)繞半導(dǎo)體帶23。屏蔽層25圍繞嵌入帶24，介電層26環(huán)繞屏蔽層25。介電層26由屏蔽層27圍繞，而屏蔽層27又由半導(dǎo)體嵌入層28圍繞。嵌入層28由粘結(jié)帶29環(huán)繞，粘結(jié)帶29由對(duì)中環(huán)30包圍，而對(duì)中環(huán)30又由裝護(hù)套的低溫恒溫器31環(huán)繞。
參照?qǐng)D3，示出一屏蔽電纜的實(shí)施例，裝護(hù)套的低溫恒溫器53包圍對(duì)中環(huán)52，對(duì)中環(huán)52環(huán)繞粘結(jié)帶51，粘結(jié)帶51又圍繞半導(dǎo)體帶50。帶50圍繞超導(dǎo)體帶49，超導(dǎo)體帶49環(huán)繞半導(dǎo)體嵌入帶48，半導(dǎo)體嵌入帶48包圍屏蔽層47。電介質(zhì)46圍繞屏蔽層45，屏蔽層45環(huán)繞半導(dǎo)體帶44。半導(dǎo)體帶43圍繞半導(dǎo)體嵌入帶42，半導(dǎo)體嵌入帶42環(huán)繞樣板41。
本發(fā)明涉及一種使用氧化物超導(dǎo)體的電纜，包括一柔性芯部元件，多個(gè)以對(duì)超導(dǎo)體的張力不大于約2千克力/平方毫米和彎曲應(yīng)變不大于0.2％敷設(shè)在上述芯部元件上的帶狀氧化物超導(dǎo)金屬絲，其中每個(gè)帶狀超導(dǎo)金屬絲主要包括一氧化物超導(dǎo)體和一將其覆蓋的穩(wěn)定金屬，上述多個(gè)帶狀超導(dǎo)金屬絲形成分別通過以并排方式敷設(shè)上述帶狀超導(dǎo)金屬絲而形成的多個(gè)層，上述多個(gè)層連續(xù)疊置在上述芯部元件上，在多個(gè)層與芯部元件之間沒有絕緣層，上述芯部元件向上述超導(dǎo)電纜提供了柔韌性，上述超導(dǎo)電纜能夠在液氮溫度下保持超導(dǎo)狀態(tài)，上述金屬絲沿其縱向方向具有基本上均勻的超導(dǎo)相，上述超導(dǎo)相的c軸定向成基本上平行于上述金屬絲的厚度方向，上述超導(dǎo)金屬絲由沿其縱向方向延伸的平行對(duì)準(zhǔn)的顆粒制成，上述顆粒沿上述金屬絲的縱向方向疊置。
超導(dǎo)電纜有利地具有柔韌性，從而在將電纜直徑彎曲最多50次之后其超導(dǎo)性不會(huì)有顯著降低。同樣有利的是，從包括下列各項(xiàng)的組中選擇芯部元件金屬，塑料，增強(qiáng)塑料，聚合物，和復(fù)合物。超導(dǎo)電纜的一個(gè)實(shí)施例提供的芯部元件是一管，在其外部具有一螺旋槽表面，一腹板狀表面，一墊狀表面，或者一織物狀表面，形成用于帶狀超導(dǎo)金屬絲的表面。本發(fā)明的超導(dǎo)電纜在多個(gè)帶狀超導(dǎo)金屬絲的層之間沒有任何絕緣層。有利地，帶狀金屬絲敷設(shè)在上述芯部元件上，帶狀多個(gè)層敷設(shè)在由上述緊鄰的前層帶狀金屬絲形成的表面上。在另一實(shí)施例中，金屬絲在上述帶狀穩(wěn)定金屬覆蓋層內(nèi)部扭轉(zhuǎn)。有利地，在超導(dǎo)電纜中，上述帶狀金屬絲以最大90度，有利地從約10到約60度，優(yōu)選地從約20到約40度的敷設(shè)角度敷設(shè)。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例包括一具有至少兩個(gè)不同組的帶狀金屬絲層的超導(dǎo)電纜。有利地，每個(gè)連續(xù)層的帶狀金屬絲的敷設(shè)角度在敷設(shè)方向或節(jié)距上交替；每個(gè)上述連續(xù)層包括至少兩個(gè)帶狀金屬絲。有利地，一層介電材料將該至少兩個(gè)不同組的帶狀金屬絲層中的每一個(gè)分開。優(yōu)選地，一層介電材料將芯部元件與最接近它的帶狀金屬絲層分開。有利地，介電材料從包括聚丙烯、聚乙烯和聚丁烯的組中選擇。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該至少兩個(gè)不同組的帶狀金屬絲層承載了大致相等量的流過電纜的電流。同樣有利的是，距芯部元件最遠(yuǎn)的該組帶狀金屬絲層向流過其它層的電流提供了屏蔽，并減小了電纜中的磁場(chǎng)或渦流。優(yōu)選地，本發(fā)明中使用的穩(wěn)定金屬是從包括銀、銀合金、鎳和鎳合金的組中選擇的，可能需要一緩沖層。
本發(fā)明中包括一實(shí)施例，其中每個(gè)帶狀多絲氧化物超導(dǎo)金屬絲具有這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)，即大量細(xì)絲基本上構(gòu)成了包含在由銀、銀合金、鎳和鎳合金的制成的穩(wěn)定材料中的氧化物超導(dǎo)體。該氧化物超導(dǎo)體可從鉍、鍶、鈣和銅氧化物這樣的氧化物超導(dǎo)體中準(zhǔn)備。
有利地，上述多個(gè)層中的每層包含至少2個(gè)帶狀含銀金屬絲。優(yōu)選地，上述多個(gè)層中的每層包含至少4個(gè)帶狀金屬絲。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例在上述多個(gè)層中的第二和第三層之間包括一絕緣層。有利地，當(dāng)有多于4層時(shí)，在上述多個(gè)層的每個(gè)第二和第三層之間都有一個(gè)絕緣層。
在本發(fā)明的導(dǎo)體中，一般稱作樣板的芯部元件用于以預(yù)定范圍的彎曲應(yīng)變保持帶狀超導(dǎo)金屬絲。該樣板的長(zhǎng)度是超導(dǎo)電纜導(dǎo)體所需要的，并設(shè)置在超導(dǎo)電纜導(dǎo)體的中心。樣板基本上是圓柱形或螺旋形，從而將帶狀金屬絲敷設(shè)在其上，且沿其全部長(zhǎng)度一般具有一基本上恒定的直徑。樣板可主要包括從包含下列各項(xiàng)的組中選擇的至少一個(gè)材料金屬，如不銹鋼，銅，鋁等，以及塑料，增強(qiáng)塑料和陶瓷。
根據(jù)本發(fā)明，樣板最好是具有柔韌性的管狀元件的形式。還可以使用具有螺旋槽的管(下面稱作螺旋管)作為具有足夠強(qiáng)度和柔韌性的樣板。具有波紋的波紋管也可用作樣板。另外，樣板還可以由螺旋纏繞材料如螺旋鋼帶來(lái)制備。這些形狀中的每一個(gè)都能提供具有足夠柔韌性的樣板。該柔性樣板向本發(fā)明的導(dǎo)體提供了柔韌性。本發(fā)明的柔性導(dǎo)體可繞緊在一鼓上。
當(dāng)實(shí)施本發(fā)明時(shí)，可以將若干個(gè)帶狀多絲超導(dǎo)金屬絲敷設(shè)在樣板上。這些帶狀金屬絲可敷設(shè)二或更多層，同時(shí)使其一個(gè)表面指向樣板。每一層可由任意數(shù)量的帶狀金屬絲制成。當(dāng)將若干帶狀金屬絲彼此平行地敷設(shè)在樣板上，從而用帶狀金屬絲裝滿樣板的表面時(shí)，將另外的帶狀金屬絲再敷設(shè)在其上。當(dāng)足夠數(shù)量的帶狀金屬絲作為第二層敷設(shè)在帶狀金屬絲的第一層上時(shí)，而后將一第三層帶狀金屬絲纏繞在其上。在每個(gè)相鄰對(duì)的層之間沒有設(shè)置絕緣層。
在本發(fā)明的方法中，以預(yù)定范圍的彎曲應(yīng)變或弧度及預(yù)定范圍的節(jié)距將每個(gè)帶狀多絲氧化物超導(dǎo)金屬絲敷設(shè)或纏繞在具有一預(yù)定直徑的樣板上。沿帶狀金屬絲的縱向方向向其施加一相對(duì)松散的彎曲。以不大于0.4％，優(yōu)選不大于0.3％的彎曲應(yīng)變對(duì)纏繞在樣板上的帶狀金屬絲進(jìn)行彎曲。與線性狀態(tài)下相比，帶狀金屬絲的超導(dǎo)性在以這個(gè)范圍的彎曲應(yīng)變彎曲時(shí)不會(huì)顯著降低，本發(fā)明優(yōu)選地對(duì)樣板的節(jié)距和直徑進(jìn)行調(diào)節(jié)，使超導(dǎo)金屬絲的彎曲應(yīng)變不大于0.2％。每個(gè)帶狀多絲氧化物超導(dǎo)金屬絲優(yōu)選地以在0.5到2千克/平方毫米范圍內(nèi)不大于2千克力/平方毫米的張力纏繞在樣板上。
芯部元件(樣板)可由電絕緣材料或者電導(dǎo)體制成。電絕緣材料在降低AC損失上是優(yōu)選的，而作為導(dǎo)體的金屬在強(qiáng)度上是優(yōu)選的。具有螺旋槽的金屬管或金屬波紋管可用作向?qū)w提供柔韌性同時(shí)保持恒定強(qiáng)度的芯部元件。還可在意外非正常電流情況下為了安全而使用金屬芯部元件。在這種情況下，可以考慮導(dǎo)體的AC損失和用于非正常電流的芯部元件來(lái)設(shè)定芯部元件的最佳電阻。
當(dāng)可選擇地具有螺旋槽的金屬管或者金屬波紋管用作芯部元件時(shí)，導(dǎo)體還可包括一敷設(shè)或纏繞在芯部元件上的金屬帶，以及敷設(shè)在金屬帶外表面上的電介質(zhì)帶。金屬帶可形成一平滑表面用于覆蓋芯部元件的任何溝槽，使超導(dǎo)帶不彎折?？赏ㄟ^敷設(shè)金屬帶而覆蓋任何溝槽同時(shí)保持芯部元件的柔韌性。
根據(jù)本發(fā)明，可以使用分別具有扭轉(zhuǎn)細(xì)絲的帶狀多絲金屬絲。形成超導(dǎo)多絲帶的細(xì)絲以預(yù)定的節(jié)距扭轉(zhuǎn)。由于細(xì)絲的這種扭轉(zhuǎn)，在一穩(wěn)定金屬與細(xì)絲之間流動(dòng)的感應(yīng)電流每個(gè)扭轉(zhuǎn)節(jié)距被分成小環(huán)，因而電流的值有限。因此，與細(xì)絲不扭轉(zhuǎn)的超導(dǎo)金屬絲相比，在穩(wěn)定金屬中產(chǎn)生的焦耳熱量被抑制，AC損失減小。
根據(jù)本發(fā)明的超導(dǎo)電纜導(dǎo)體具有這樣的柔韌性，當(dāng)將電纜的直徑彎曲至多50次之后，其超導(dǎo)性基本上沒有降低。該導(dǎo)體可纏繞在一鼓上，用于儲(chǔ)存和/或運(yùn)輸。
本發(fā)明還可以提供一個(gè)具有柔韌性及良好超導(dǎo)性的長(zhǎng)氧化物超導(dǎo)電纜導(dǎo)體。在本發(fā)明中，在超導(dǎo)帶之間傳送并流過的渦流或耦合電流被根據(jù)本發(fā)明設(shè)置的第二或隨后層的管狀超導(dǎo)金屬絲抑制。本發(fā)明提供了一個(gè)實(shí)際的AC超導(dǎo)電纜導(dǎo)體。
有利地，超導(dǎo)材料是插入銀管中然后拉拔成約1到2毫米的?；沾伞８鶕?jù)最終電纜的所需容量，而后將大量這些小的拉拔管插入被拉拔成所需尺寸以使用的銀管中?？蛇x擇地，這種管可首先切成幾部分，然后在拉拔之前填加到第二銀管上。這種薄的銀平帶狀材料是由重量占約百分之80到百分之60的銀和約百分之20到約百分之40的陶瓷，有利地，約百分之65的銀和約百分之35的陶瓷制成的。
本發(fā)明還涉及一種新穎的工藝或方法及如此產(chǎn)生的帶，該工藝生產(chǎn)出適用于低溫操作超臨界功率電纜的聚合帶。這種處理包括對(duì)具有最大介電常數(shù)約3.0的聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯進(jìn)行雙軸定向，并將上述薄膜壓印成隨機(jī)圖案。低介電常數(shù)、雙軸定向和壓印薄膜的結(jié)合產(chǎn)生了能夠克服易碎、破裂和過分收縮這些問題的聚合材料，這些問題使通過已知工藝生產(chǎn)的聚合材料不能在低溫操作功率電纜系統(tǒng)中使用。此外，薄膜的壓印還允許介電流體在電纜內(nèi)部相對(duì)自由地流動(dòng)。
在用于本發(fā)明的電纜中之前對(duì)聚烯烴片疊層進(jìn)行雙軸定向。這包括在長(zhǎng)度方向?qū)⑵斓郊s5比1到約10比1的拉拔比率，還在它們寬度的橫向?qū)ζM(jìn)行定向。
通過將聚烯烴疊層處理成適當(dāng)拉拔率而獲得的片或帶具有多個(gè)品質(zhì)，使其對(duì)于電纜制造較優(yōu)越。為了減小帶形成原纖維以及沿單個(gè)裂縫的整個(gè)長(zhǎng)度分開的傾向，需要進(jìn)一步處理。這種處理包括在片的橫向進(jìn)行雙軸定向。這樣將片定向成在片的橫向最大約50％的比率，并產(chǎn)生了進(jìn)行充分雙軸定向而令人滿意地限制了形成原纖維傾向的帶。
在特定條件下將由上述處理生產(chǎn)的聚乙烯、聚丙烯和聚丁烯帶進(jìn)行壓印，以確保正確的電纜浸漬和熱傳導(dǎo)。壓印圖案由隨機(jī)或不規(guī)則的凹槽組成，凹槽主要是在橫向加工方向上。從已定向片切成或獲得這些帶，并可用作單一或多層或?qū)訅簬А?br> 與此同時(shí)，盡管允許一些浸漬劑在機(jī)器和橫向帶方向流動(dòng)，但圖案還是傾向于橫向帶流動(dòng)，以及在銜接間隙之間流動(dòng)，因?yàn)檫@種流動(dòng)增強(qiáng)了層至層的浸漬，并通過對(duì)流促進(jìn)了熱傳導(dǎo)。電纜自身由多層聚乙烯、聚丁烯或聚丙烯這樣的聚烯烴帶制成。為了有利于電纜彎曲，可將不同寬度的聚烯烴帶用在這些層中。尺寸可增長(zhǎng)到較大寬度，距電纜導(dǎo)體的距離增加。
本發(fā)明的聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯具有不大于約3.0的介電常數(shù)，約2.3是優(yōu)選最大值。第一加工步驟包括雙軸定向，或拉拔，在加工方向是約5∶1到約6∶1的比率，在橫向加工方向是最大約2∶1的比率。在定向之后，在約80℃到約140℃的溫度下對(duì)已定向帶進(jìn)行壓印，在帶上產(chǎn)生了一個(gè)圖案，該圖案包括主要在橫向加工方向上定向的不規(guī)則或隨機(jī)凹槽。
沒有經(jīng)過上述新穎加工步驟的聚合帶具有若干個(gè)固有問題，使它們不能用在低溫操作的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)中。例如，在77°K的液氮環(huán)境中，多數(shù)聚合帶變成玻璃硬度。這會(huì)由于熱收縮超過固定延伸而導(dǎo)致拉拔失效，或者導(dǎo)致帶的簡(jiǎn)單分解。另一個(gè)問題是在液氮中開裂。已經(jīng)知道，沸點(diǎn)為77°K的液氮是用于聚合物的有效的開裂劑。開裂通常導(dǎo)致應(yīng)力裂化，最終導(dǎo)致帶斷裂。上述雙軸定向工藝克服了易碎、過分收縮和開裂這些問題。
許多聚合物呈現(xiàn)出兩種不同的屈服方式。一種屈服方式包括施加剪切應(yīng)力，盡管屈服現(xiàn)象本身受作用于屈服平面上的正常應(yīng)力分量的影響。第二種屈服包括在最大基本應(yīng)力的影響下屈服。這種屈服經(jīng)常稱作開裂，或者正常應(yīng)力屈服。開裂可由應(yīng)力或組合應(yīng)力及溶解作用引起。在已經(jīng)觀察的全部聚合物中呈現(xiàn)出大致相似的特征。開裂用眼觀察呈現(xiàn)出細(xì)微的裂紋顯微網(wǎng)絡(luò)，幾乎總是在與最大基本應(yīng)力成直角的方向上前進(jìn)。開裂一般起源于表面上局部應(yīng)力集中的點(diǎn)。在靜態(tài)類型的測(cè)試中，呈現(xiàn)出應(yīng)力或應(yīng)變必須到達(dá)某些臨界點(diǎn)時(shí)才發(fā)生開裂。但在長(zhǎng)期載荷下開裂會(huì)以相對(duì)較低的應(yīng)力水平發(fā)生。
通過對(duì)開裂區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)展的顯微觀察，在開裂區(qū)域已經(jīng)發(fā)生了分子鏈定向，該定向的小纖維延伸跨過開裂表面。
為有助于電纜的建造，有利地生產(chǎn)出其它高透明的聚烯烴絕緣帶，并附加染色。該技術(shù)顯著提高了制造有用電纜的能力，因?yàn)椴僮髡弑仨氄_地用緊前面層對(duì)帶的每個(gè)隨后螺旋層進(jìn)行索引。當(dāng)用普通極清楚和透明的聚乙烯、聚丁烯或聚丙烯帶進(jìn)行粘貼時(shí)，操作者不能將緊前面層的銜接間隙與下面遠(yuǎn)至八或十個(gè)帶層的其它銜接間隙區(qū)別開。增加特定量的經(jīng)選擇的染料向帶增加了足夠的顏色，以允許操作者由于每一層的顏色暗度明顯提高而將緊前面帶層的邊緣、銜接間隙與前面層的區(qū)別開。這種染色劑選擇成使原材料的消散系數(shù)的增長(zhǎng)最小化。
帶的寬度可變化，靠近導(dǎo)體較窄，在外側(cè)較寬。敷設(shè)方向同樣可以在一定的徑向厚度而反向，該徑向厚度是取決于粘貼機(jī)的設(shè)計(jì)的一個(gè)系數(shù)。
電介質(zhì)帶可纏繞在重疊的螺旋層中，使同一層的螺旋之間的每個(gè)銜接間隙與下面層的銜接間隙偏移。這種結(jié)構(gòu)由于含有顏色的絕緣帶的生產(chǎn)而更加有利。
當(dāng)如本發(fā)明所要求高度定向時(shí)，聚烯烴帶，如聚乙烯、聚丁烯或聚丙烯，都是透明的。當(dāng)許多層的銜接間隙非常清楚地透過電纜表面顯露時(shí)，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)變成了缺點(diǎn)。操作者在區(qū)別緊前面層的銜接間隙與電纜中更深的其它銜接間隙時(shí)有難度，每個(gè)新銜接間隙必須偏離緊前面層的銜接間隙。
因此本發(fā)明的帶具有增加到其上的顏色分量，因而一層在電纜中越深，則它呈現(xiàn)越暗?？墒褂糜袡C(jī)染料來(lái)產(chǎn)生這種顏色，因?yàn)榕c無(wú)機(jī)金屬鹽不同，這些有機(jī)染料對(duì)于帶的損耗因數(shù)和電容率沒有損害效果。
由于所需顏色與電特性效果之間的平衡必須打破，以每百萬(wàn)100到1000份的比例填加有機(jī)染料。
這導(dǎo)致帶的光傳導(dǎo)降低到原始傳導(dǎo)的百分之10到50。當(dāng)帶用在電纜上時(shí)，這降低了一到四層的可視性，而沒有顏色，絕緣帶中深達(dá)八至十層的銜接間隙都仍然可見。
定向是在加工方向通過對(duì)片進(jìn)行伸長(zhǎng)或拉緊而完成的，從而產(chǎn)生5比1和10比1的厚度減小比。
厚度減小比實(shí)際上是對(duì)線性片定向的測(cè)量，顯示聚合物的改變的拉拔特性。該工藝有利地在約80℃到140℃之間的溫度下完成。
還對(duì)該片進(jìn)行處理，從而在橫向片方向?qū)⑵涠ㄏ虺勺畲?0％的減小比。這是必須的，因?yàn)椴贿@樣處理，聚合物會(huì)形成原纖維，也就是說(shuō)，在它們的寬度上分成單獨(dú)的纖維，導(dǎo)致帶縱向分開。
但由上面規(guī)定的處理產(chǎn)生的聚烯烴在長(zhǎng)度(機(jī)器)方向具有至少250000磅每平方英寸的拉伸模量，并滿足電纜制造所需的全部要求。
通過這種處理使帶獲得的拉伸強(qiáng)度不僅是耐退化的顯示，而且是用在電纜粘貼機(jī)器上的必要條件。因此如上述處理過的帶能夠用在常規(guī)的電纜制造機(jī)器上，張力足夠大以建造令人滿意的緊密纏繞的電纜。
在最后制成電纜之前，對(duì)聚烯烴進(jìn)行壓印，在帶層之間產(chǎn)生間距，這有利于浸漬劑在電纜內(nèi)的相對(duì)自由的流動(dòng)，以增強(qiáng)熱傳導(dǎo)。
這些目標(biāo)是由一特定的壓印技術(shù)來(lái)完成的。有利地用輥對(duì)帶進(jìn)行壓印。圖4中示出一個(gè)典型的壓印圖案，它是小截面帶60的頂視圖，圖案中的凹谷61用暗線表示。
壓印圖案的特點(diǎn)是不規(guī)則，最好允許浸漬劑與沿帶長(zhǎng)度流動(dòng)相反地在帶橫向流動(dòng)。圖4中看到的基本上在帶橫向延伸的不規(guī)則凹谷的圖案滿足了這些要求，且與不規(guī)則溝槽或凹槽不同，它不能將相鄰帶層互鎖。因此不均勻和不規(guī)則圖案確保了各帶層可相對(duì)于彼此小距離移動(dòng)，并產(chǎn)生制造和安裝電纜所需的柔韌度。
偏好橫向流動(dòng)的圖案為電纜提供了熱傳導(dǎo)和浸漬能力。雖然都知道聚合物是不可滲透的，但目前電纜中可用于浸漬和熱傳導(dǎo)的機(jī)構(gòu)并不取決于材料本身的可滲透性。
壓印圖案是這樣，它能夠提高有效帶厚度，也就是說(shuō)，峰與峰之間的厚度可以是原始帶厚度的兩倍。然后在纏繞過程中對(duì)帶進(jìn)行壓縮。壓印是由輥完成的，在帶的一個(gè)表面上產(chǎn)生凹陷，在另一表面上產(chǎn)生突起。在纏繞到電纜上之后，這些表面不平將帶層分開；但由于圖案偏好在帶橫向流動(dòng)，浸漬劑只需向或從它能夠從此進(jìn)入帶之間的下一空間的銜接間隙處最多流動(dòng)帶的一半寬度。這產(chǎn)生了從電纜內(nèi)部到導(dǎo)體之間的相對(duì)較短的路徑。
兩種典型的壓印圖案是一個(gè)粗圖案，凹谷的中點(diǎn)高度的寬度一般為0.1毫米，而相鄰峰之間的空間一般為0.2毫米；及一細(xì)圖案，凹谷的中點(diǎn)高度的寬度一般為0.025毫米，而相鄰峰之間的空間一般為0.05毫米。
從粗到細(xì)的壓印圖案的可用性使電纜設(shè)計(jì)者能夠打破熱傳導(dǎo)與操作應(yīng)力之間的折衷。與細(xì)圖案相比，粗圖案提供了最好的熱傳導(dǎo)，而在操作電壓應(yīng)力上有一些降低，反之亦然。
本發(fā)明還包括電纜和終端，及其測(cè)試工藝。電纜測(cè)試設(shè)備包括一位于兩個(gè)終端之間并與支持系統(tǒng)如交流或直流電源相聯(lián)的5-米HTS電纜，低溫冷卻滑架和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，設(shè)備低溫系統(tǒng)使用一分冷卻器，向電纜和終端提供最大1千瓦的冷卻。液氮在分冷卻器中的沸騰容納了全部設(shè)備熱量負(fù)載?？捎靡徽婵毡脤?duì)分冷卻器的殼體側(cè)進(jìn)行泵壓，將氮浴溫度保持在70到77K范圍內(nèi)，雖然多數(shù)測(cè)試程序是在沒有分冷卻的情況下進(jìn)行的，平均電纜溫度在79-81K范圍內(nèi)。系統(tǒng)循環(huán)是開放的，其中從分冷卻器出來(lái)的廢氣最終排放到大氣中。過程冷卻流體(＜10巴的氮)流過分冷卻器的殼體側(cè)，循環(huán)到電纜供應(yīng)總管。離開電纜/終端的氮流到LN循環(huán)泵的入口，這向加壓氮的閉環(huán)流動(dòng)提供了壓力頭。
電和低溫?cái)?shù)據(jù)是用由三個(gè)十通道萬(wàn)用表掃描的專用傳感器采集的，這些萬(wàn)用表與使用實(shí)驗(yàn)室VIEW程序的以個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)相聯(lián)。這些診斷信息可通過一局部排放測(cè)量來(lái)測(cè)量直流V-I特性，電纜AC損失，電介質(zhì)完整性，及在額定電壓(7.2kV acrms)和電流(1250A)下的低溫性能?？色@得高壓電源(額定值為1A和18kV)，在操作電壓2.5倍的峰值電壓水平下測(cè)試電纜。專用脈沖電源從100kV升級(jí)到200kV，安裝一25kA脈沖電源以模擬由于系統(tǒng)失效引起的電纜過載。
開發(fā)了兩種終端概念。電纜測(cè)試程序的主要部分是用一真空終端概念完成的，將真空用于電和熱絕緣。每個(gè)真空終端具有兩套饋通，基本一套用于相線，另一套用于HTS中性導(dǎo)體。每套都有一從大氣(295K，1大氣壓)到真空(295K)過渡的曖陶瓷襯套，和從真空到10巴以下的液氮(約72-81K)過渡的第二陶瓷襯套。這些襯套額定用于全電纜電流和電壓。用一機(jī)械/渦輪分子泵壓站將兩個(gè)終端泵壓通過一公共真空引線；一般真空在10-5到10-4托范圍內(nèi)，當(dāng)與多層超導(dǎo)結(jié)合時(shí)提供了充足的熱絕緣。對(duì)于冷卻過程中以及長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)的可靠性有所擔(dān)心。由于熱量或電機(jī)械應(yīng)力而導(dǎo)致的冷卻襯套中的輕微泄漏都會(huì)降低終端中的真空。只需要小量的液氮泄漏將真空設(shè)置到氮?dú)獾呐列献钚≈担谶h(yuǎn)低于操作電壓的250V電壓下中斷。因此開發(fā)了一種替換的終端實(shí)施例，用加壓液體和氣態(tài)氮工作。圖5中示出。
如同它是真空前驅(qū)站一樣，設(shè)計(jì)成能夠承受18kV交流電和110kV基本脈沖負(fù)載(BIL)。但它比圖6中所示的真空終端更緊湊?；靖拍钍怯欣鋮s相或屏蔽襯套。每個(gè)終端具有兩個(gè)沒有明顯熱應(yīng)力的常規(guī)熱襯套。在這些熱襯套與HTS電纜端部之間是一銅管同心裝置，該裝置設(shè)計(jì)用于減小在操作電纜電流下的軸向熱傳導(dǎo)。使用非金屬圓筒用于在相與中性銅管之間進(jìn)行電絕緣。去除了動(dòng)態(tài)真空系統(tǒng)，保留的是一正常靜態(tài)真空系統(tǒng)，具有多層超導(dǎo)以減少?gòu)较驘崃繐p失。整個(gè)終端處于低溫系統(tǒng)壓力下，沿銅導(dǎo)管從液體到氣體有一個(gè)自然熱過渡。如果有泄漏，則內(nèi)部壓力緩慢地降低到大氣氮?dú)鈮毫?可承受30kV/cm)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)成避免在這種情況下斷開。這種終端設(shè)計(jì)由于去除了真空泄漏測(cè)試和泵壓下降而更加操作高效。
在一擴(kuò)展測(cè)試程序中，在加壓終端中成功地完成了下面的測(cè)試●在設(shè)計(jì)電流(1250A ac rms)和電壓(7.2kV相-地)下的擴(kuò)展操作●18kV的交流承受測(cè)試，30分鐘沒有斷開●90kV的脈沖測(cè)試(見下面對(duì)電纜測(cè)試的討論)●對(duì)終端熱負(fù)載的測(cè)量熱負(fù)載通過如圖7中所示的一系列設(shè)計(jì)改進(jìn)而逐漸減小，對(duì)30米電纜終端有最佳性能。
對(duì)3相30米HTS電纜中的六個(gè)加壓終端進(jìn)行測(cè)試。對(duì)安裝在具有600A交流電的30米電纜上的加壓終端的熱負(fù)載是每個(gè)終端約230W。每個(gè)終端具有兩個(gè)理論最小熱負(fù)載分別為44W/kA的傳導(dǎo)冷卻銅導(dǎo)線(管)。
所測(cè)試的單相5米電纜具有包含四層螺旋纏繞的鉍-2223/銀帶的內(nèi)部電纜導(dǎo)體。四層選擇用于向1250A的設(shè)計(jì)電流提供能力。這些帶以30°的角度機(jī)器纏繞在外徑為38毫米的不銹鋼樣板上。低溫彎曲電介質(zhì)帶卷繞在內(nèi)部和外部HTS導(dǎo)體之間。外部HTS電纜導(dǎo)體與內(nèi)部導(dǎo)體相似，并對(duì)在內(nèi)部導(dǎo)體上流動(dòng)的電流提供屏蔽，從而消除外部結(jié)構(gòu)中的磁場(chǎng)或渦流。外部HTS電纜導(dǎo)體處于地電勢(shì)。
5米電纜測(cè)試結(jié)果包括一對(duì)于2秒脈沖長(zhǎng)度的最大12.8kA的成功過載電流測(cè)試(見圖8)。這超過設(shè)計(jì)電流的十倍，并模擬負(fù)載側(cè)的短路。
還測(cè)試電纜的基本脈沖負(fù)載(BIL)，以模擬電涌如放電打擊。對(duì)于15kV級(jí)分布電纜的要求是110kV BIL，脈沖在1.2微秒內(nèi)上升到最大。HTS電纜和終端承受最大90kV的BIL(見圖9)，在該值以上會(huì)斷開。當(dāng)測(cè)試電壓下降到低于90kV時(shí)，系統(tǒng)再次承受測(cè)試脈沖。
從測(cè)試設(shè)備中取出5米電纜，并在具有與電纜裝運(yùn)繞軸相同直徑(2.44米)的木制夾具中彎曲。在一個(gè)方向和相反方向上對(duì)其進(jìn)行四個(gè)循環(huán)的彎曲。在彎曲之前或之后的電纜測(cè)試顯示，對(duì)于作為交流承受的介電系統(tǒng)沒有損壞，而脈沖負(fù)載相對(duì)于前面的測(cè)試沒有變化。電纜臨界電流在彎曲后減小15％(見圖10)。
還開發(fā)和測(cè)試了一個(gè)冷卻介電三軸電纜。制造了一個(gè)1.5米長(zhǎng)電纜。該結(jié)構(gòu)比三個(gè)單獨(dú)的單相電纜更緊湊，HTS帶的量有顯著下降，因?yàn)槠胶獾呢?fù)載不會(huì)在三個(gè)同心相層外部產(chǎn)生感應(yīng)電流。圖11示出電纜截面，顯示單相和三軸電纜的相對(duì)尺寸。液氮流動(dòng)的截面面積大致相同，但由于相比于同軸單相電纜中的相到地電壓，HTS導(dǎo)體之間的相對(duì)相電壓較高，電介質(zhì)略厚。
用于交流的超導(dǎo)電纜產(chǎn)生了電勢(shì)低損失傳導(dǎo)能力。對(duì)于本申請(qǐng)稱作超導(dǎo)電纜，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而電纜的制造非常昂貴。相線由金屬超導(dǎo)材料制造。這有利于每個(gè)相的單獨(dú)冷卻。因此相線內(nèi)部的空間用作冷卻材料的通道，從而將閉環(huán)液氮或氦用作冷卻系統(tǒng)。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是一超導(dǎo)電纜，更緊湊，需要的材料更少，其冷卻機(jī)構(gòu)比已知的超導(dǎo)電纜更小。
本發(fā)明的超導(dǎo)電纜構(gòu)造成這樣，只需要單個(gè)中心導(dǎo)體用于三相線(R，S，T)。此外，相線、中性導(dǎo)體和冷卻通道都環(huán)繞彼此同軸設(shè)置，產(chǎn)生了一個(gè)非常緊湊的結(jié)構(gòu)。電纜的冷卻是用液氮完成的。將由聚乙烯或聚丙烯制造的電絕緣體放置于相線(R，S，T)與中性導(dǎo)體之間。電纜通過真空和/或絕緣體而限制了外部溫度損失。冷卻劑在電纜芯部循環(huán)出去，并在一與真空/絕緣體直接相聯(lián)的環(huán)形通道中回來(lái)。
圖27以截面圖表示本發(fā)明的超導(dǎo)電纜(1)。電纜的芯部環(huán)繞一直徑為約50到約200毫米的通道(2)成形，冷卻劑通過該通道(2)傳導(dǎo)。也可以類似地選擇其它直徑。通道(2)限定了第一相線(R)的邊界。通道(2)的外套是由超導(dǎo)材料制造的。優(yōu)選地，相線(R)由超導(dǎo)帶制造。這些超導(dǎo)帶是注入高溫超導(dǎo)體陶瓷材料的銀套。隨后將這些套輥壓成平面帶。然后將這些帶卷繞在其上制有導(dǎo)體(R)的心軸上。導(dǎo)體(R)的厚度最好是0.1到10毫米。一電絕緣體(3)放置在第一相線上。它有利地由聚乙烯或聚丙烯制造。用這些材料纏繞相線(R)帶，直到絕緣體(3)到達(dá)所需厚度。絕緣體的厚度最好是約10到約50毫米。第二相線(S)粘貼在絕緣體(3)上。它同樣是由環(huán)繞絕緣體(3)纏繞的超導(dǎo)材料帶制造的。相線(S)達(dá)到了與相線(R)相同的能力。粘貼到相線(S)上的是一個(gè)隨后的絕緣體(4)。它是以與絕緣體(3)相同的方式和能力制造的。以與相線(R)和(S)相同方式制造的第三相線(T)粘貼在絕緣體(4)上。以與絕緣體(3)和(4)相同方式制造的另一絕緣體(5)粘貼在相線(T)上?？蛇x擇地，絕緣體(5)的厚度可小于絕緣(3)和(4)的厚度。中性導(dǎo)體(6)的邊界位于絕緣體(5)外部。該中性導(dǎo)體(6)在對(duì)稱的負(fù)載下只承載小電流，因此可以由普通導(dǎo)電材料制造，優(yōu)選是銅。厚度只是幾個(gè)毫米。返回導(dǎo)體同時(shí)用作閉環(huán)冷卻通道(7)的邊界，循環(huán)的液氮通過該通道(7)傳導(dǎo)。冷卻通道(7)的直徑最好是約150到約500毫米。在冷卻通道(7)外部是真空或超臨界狀態(tài)。這限定了一個(gè)內(nèi)部邊界表面(8I)和一個(gè)外部邊界表面(8A)。在兩個(gè)邊界表面之間形成一個(gè)環(huán)形空間，該空間中被抽空或被注入超絕緣物質(zhì)。
本發(fā)明的電纜可在約4.7大氣壓和約0.19升/秒(3加侖每分鐘)的流速下由液氮冷卻到約81K。將遠(yuǎn)大于電纜臨界電流Ic(約910A)的短路脈沖施加到電纜上，以模擬在線短路情況下的故障電流。對(duì)脈沖期間和脈沖之后一段時(shí)間內(nèi)的跨相線和接點(diǎn)的電壓、屏蔽導(dǎo)體的電流和電壓以及冷卻劑的溫度和壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。首先用1秒脈沖在4.8到12.8kA的增長(zhǎng)的高電流下進(jìn)行射擊。然后將脈沖長(zhǎng)度提高到2秒，再次施加最大12.8kA的電流脈沖。脈沖長(zhǎng)度縮短到0.5秒，施加一15.3kA的電流。最后，將脈沖長(zhǎng)度加長(zhǎng)到5秒，施加一6.8kA的電流。
圖12表示對(duì)于典型射擊電纜的電流和電壓軌跡。編制一約12.8kA的故障電流脈沖，施加到電纜上2秒。一旦電流達(dá)到12.8kA，在電纜上產(chǎn)生一約3.2V的電壓(V-電纜)。沿終端和外部電源電纜的這個(gè)和該壓降已經(jīng)明顯地超過了電源極限(12V)，并導(dǎo)致電流下降。在2秒脈沖的末端，電流下降到約6.9kA。但電纜電壓繼續(xù)上升到超過5V，表示導(dǎo)體中正在加熱。另一方面，電纜至聯(lián)接接點(diǎn)的電壓(V接點(diǎn))以與電流下降同樣的比例從約0.3下降到0.17V。
電纜電壓下降表示溫度上升已經(jīng)發(fā)生。所測(cè)量的電壓除以對(duì)應(yīng)的電流，得到電纜的電阻響應(yīng)。圖13中示出結(jié)果?？梢钥吹?，在12.8kA脈沖的起點(diǎn)，電纜電阻達(dá)到0.25毫歐(與臨界電流0.54微歐相比)，在2秒脈沖的終點(diǎn)，提高到0.72毫歐。(在電流脈沖的起點(diǎn)和終點(diǎn)的不連續(xù)性是由于用接近零的電流分割電纜電壓。在作為溫度函數(shù)的銀電阻系數(shù)改變的基礎(chǔ)上，電纜的上述電阻系數(shù)改變表明，在脈沖的終點(diǎn)，HTS導(dǎo)體已經(jīng)被加熱到約170K。雖然在經(jīng)過圖12中的電流脈沖后電纜電壓幾乎消失，但圖13中其電阻顯示七秒之后相對(duì)較慢地冷卻到0.1毫歐。
在電纜結(jié)構(gòu)中，HTS帶在ID上通過底層帶和一波紋不銹鋼管，在OD上通過低溫彎曲電介質(zhì)帶層與冷卻劑分開。因此HTS的冷卻基本上只是通過傳導(dǎo)而進(jìn)行的。在故障電流脈沖過程中HTS帶的加熱可以基本上是絕熱的。在圖12中的脈沖上將電流和電壓的產(chǎn)出集成，發(fā)現(xiàn)該射擊中導(dǎo)體產(chǎn)生的總能量約為80千焦耳。使用銀特定熱量集成，估計(jì)導(dǎo)體將絕熱地加熱到約175K。圖13顯示，接點(diǎn)電阻在整個(gè)射擊過程中保持在24微歐。在接點(diǎn)處沒有顯著的溫度上升，因?yàn)槠淅鋮s條件較好(與LN2直接接觸)。
響應(yīng)過載，電纜電阻變得比其在Ic的值高得多這一事實(shí)表明，HTS電纜有一個(gè)固有的電流限制功能。在過載過程中確定電纜電阻的上升程度顯示由電纜提供的電流限制程度。從不同脈沖電流到達(dá)它們的峰值的時(shí)刻起，確定在全部15個(gè)過載射擊中的電纜電阻。圖14中示出作為電流函數(shù)的結(jié)果。5米電纜電阻從Ic的0.54微歐快速上升到15.3kA的0.31毫歐-幾乎高600倍。
直流V-I曲線(見圖18)顯示，在Ic以上，本發(fā)明的電壓與I成比例地上升到3.8次冪(n值)。因此在過載電流I的超導(dǎo)體電阻可以從其在Ic的值0.54微歐按照(I/Ic)28的系數(shù)為比例計(jì)算。除超導(dǎo)體之外，本HTS帶在成分中包含70％的銀。使用0.3微歐-厘米的電阻系數(shù)，在液氮溫度下電纜中銀矩陣的電阻估計(jì)約為0.25毫歐。然后通過將按比例計(jì)算的HTS電阻與銀電阻相比較而計(jì)算出在過載電流范圍內(nèi)的電纜電阻。結(jié)果由圖14中計(jì)算的曲線表示?？梢钥吹?，所測(cè)量的數(shù)據(jù)非常好地符合計(jì)算的曲線，證明在Ic以上對(duì)HTS電阻進(jìn)行冪定律計(jì)算是正確的。
這表示，本電纜中的HTS與在臨界電流約9倍的8.1kA的銀矩陣同等地分享故障電壓。在該值以下，電流大部分在超導(dǎo)體中流動(dòng)，在該值以上，越來(lái)越多的電流在銀矩陣中流動(dòng)。在15kA，HTS只可承載15％的故障電流。在10kA以上，所測(cè)量的數(shù)據(jù)位于所計(jì)算的曲線上方，表示在故障電流到達(dá)其峰值之前的帶加熱。
由于在故障過載電流過程中高壓降在電纜上延伸，當(dāng)脈沖長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)能量很高，總能量發(fā)散顯著。當(dāng)該能量進(jìn)入冷卻劑中時(shí)，溫度和產(chǎn)生的壓力上升會(huì)擾亂冷卻系統(tǒng)。圖12中所示的射擊產(chǎn)生了全部射擊中最高的能量發(fā)散。圖15中，顯示了該射擊的溫度傳感器響應(yīng)。傳感器“T-out”的位置靠近終端內(nèi)部電纜的冷卻出口，“T-far”位于遠(yuǎn)端終端的電纜側(cè)。流動(dòng)的冷卻劑中這些傳感器在電流脈沖過程中或之后沒有一個(gè)顯示任何溫度上升。只有位于遠(yuǎn)端終端總線側(cè)的傳感器“T-bus”在脈沖過去3秒之后顯示了約5K的溫度上升。該傳感器由停滯的氣體冷卻，并處于約96K的較高溫度下。
該射擊中電纜產(chǎn)生的總能量約為80千焦。如果該能量的一半立即進(jìn)入電纜內(nèi)管(樣板)中的液氮中，則溫度會(huì)上升約5K。沒有觀察到這種溫度上升。相線不是由冷卻劑直接冷卻，導(dǎo)體花費(fèi)了幾十秒時(shí)間來(lái)冷卻(從而將熱量釋放到冷卻劑中)。管內(nèi)部約0.2米/秒的液氮流動(dòng)速度將冷卻劑增強(qiáng)到足夠快速，以防止在冷卻劑中任何可測(cè)量的溫度上升。
圖16顯示同一射擊中相應(yīng)的壓力變化。與溫度響應(yīng)相反，可以看到，入口和出口壓力都開始上升1秒進(jìn)入脈沖，并在脈沖過去1秒后到達(dá)約0.34大氣壓(5磅每平方英寸)的峰值。兩個(gè)壓力開關(guān)都是遠(yuǎn)離電纜的冷卻劑入口和出口的儀表。壓力波在零點(diǎn)幾秒時(shí)間內(nèi)(在液氮中以聲速)到達(dá)。由于在冷卻劑中觀察到?jīng)]有溫度上升，由終端中的瞬間加熱而導(dǎo)致壓力上升。
在15個(gè)模擬故障電流射擊的一小時(shí)跨度內(nèi)，電纜出口冷卻劑的累積溫度上升約為1K，且沒有明顯的系統(tǒng)壓力改變。相隔幾分鐘的重復(fù)故障電流不會(huì)擾亂本HTS電纜或低溫系統(tǒng)。
由相線中的故障電流在屏蔽環(huán)中感應(yīng)的電壓和電流是另一個(gè)考慮的問題。實(shí)驗(yàn)中，超導(dǎo)屏蔽的兩端用銅電纜和一電流分流器聯(lián)系在一起，以監(jiān)測(cè)感應(yīng)電流。圖17A顯示對(duì)于12.8kA、2秒故障電流射擊在屏蔽環(huán)中感應(yīng)的電流。在相線過載電流升降過程中只有約350A和120A的瞬間電流在屏蔽中感應(yīng)出來(lái)。這些低數(shù)值的部分原因是由于由本電源提供的相對(duì)較長(zhǎng)的過載電流升降時(shí)間(約300毫秒)。如果故障電流快速上升，則屏蔽中感應(yīng)的瞬態(tài)較高。在2秒的過載電流緩慢下降過程中，在屏蔽中沒有測(cè)量到感應(yīng)電流。
圖17B顯示，在屏蔽導(dǎo)體上產(chǎn)生的最大電壓小于0.35毫伏。由于該電壓低于該電纜中0.5毫伏的臨界電流電壓，感應(yīng)的瞬間電流低于臨界電流，因此在故障電流脈沖過程中屏蔽導(dǎo)體保持超導(dǎo)。
為了確定電纜與模擬故障電流射擊相比是否有顯著退化，在當(dāng)前故障電流測(cè)試之后對(duì)電纜的直流V-I曲線進(jìn)行測(cè)量。圖18顯示與一年前進(jìn)行的測(cè)量相比較的當(dāng)前電纜V-I曲線。在兩個(gè)V-I曲線之間沒有差別。在這兩個(gè)直流V-I測(cè)量之間，電纜受到18kV的高壓承受測(cè)試，90kV的脈沖測(cè)試，在設(shè)計(jì)電流和電壓下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間(72小時(shí))測(cè)試，以及幾十個(gè)冷卻和升溫循環(huán)。電纜在全部這些測(cè)試中沒有顯示出直流特性上的退化。以1微伏/厘米為判斷標(biāo)準(zhǔn)，電纜的臨界電流保持在約910A。
HTS電纜被提議用來(lái)更新現(xiàn)有的地下電纜。在普通地下電纜安裝中，將三個(gè)單獨(dú)相安裝在單獨(dú)的管道中。假定有一個(gè)致冷單元僅在電纜的一端供應(yīng)分冷卻液氮。圖19中所示的HTS電纜結(jié)構(gòu)顯示了一個(gè)用于HTS電纜的單獨(dú)低溫逆流冷卻裝置。HTS電纜樣板和低溫壁一般采用柔性帶波紋的不銹鋼管。本發(fā)明的HTS電纜是一個(gè)冷電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，需要一個(gè)通過介電材料與主導(dǎo)體分開的超導(dǎo)屏蔽層。該屏蔽承載了與主導(dǎo)體相同的電流。
在逆流冷卻裝置中，液氮流過HTS電纜樣板，向終端和電纜提供冷卻，并在電纜外部與內(nèi)部低溫壁之間的環(huán)形間隙中返回。在平行流動(dòng)布置中，液氮沿相同方向流過電纜樣板和環(huán)形間隙。液氮通過一單獨(dú)的真空護(hù)套管道返回。用于返回流動(dòng)的單獨(dú)低溫恒溫器與電纜低溫恒溫器相同。這兩種情況下研究使用的尺寸在表5中給出。
表5低溫恒溫器尺寸

假定在HTS電力傳送系統(tǒng)中不允許液氮的兩相流動(dòng)。首先，兩相流動(dòng)壓降高于單相流動(dòng)壓降。此外，電介質(zhì)中的氣泡會(huì)降低電纜的電絕緣水平。
HTS電力傳送電纜系統(tǒng)的AC損失和熱分析是通過對(duì)電纜系統(tǒng)的能量平衡而完成的。對(duì)于HTS電纜，一維能量平衡等式可寫成ρc∂THTS∂τ=∂∂x(kAHTS∂THTS∂x)+Q′AC-ΣiQconv,i′--(1)]]>其中ρ是密度，C是熱容，z是沿電纜軸線的坐標(biāo)方向，k是導(dǎo)熱系數(shù)，A是電纜截面積。
HTS電纜能量平衡包括一個(gè)對(duì)流熱傳導(dǎo)項(xiàng)Q’conv，i，包括在樣板和電纜與低溫恒溫器之間的環(huán)形區(qū)域中與液氮流的對(duì)流。導(dǎo)熱系數(shù)與電纜截面積的乘積，kAHTS，對(duì)于該工作是恒定的，等于每絕對(duì)溫度0.16瓦特計(jì)。液體流還需要其它能量平衡等式，由下式給定ρvicp,vi∂Tvi∂τ=m·∂hvi∂x+ΣiQconv,i′--(2)]]>其中i代表每個(gè)液氮流(可用的樣板流、環(huán)形間隙流和返回流)。向內(nèi)部流的對(duì)流熱傳導(dǎo)僅是通過HTS電纜樣板的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的。外部氮流體與HTS電纜外部及雙層壁柔性低溫恒溫器內(nèi)部之間通過對(duì)流進(jìn)行熱交換。
對(duì)流熱傳導(dǎo)系數(shù)用下式計(jì)算NNu=ChdhydkLN2=0.023NRe0.8NPr0.3--(3)]]>其中Nnu是努塞爾數(shù)，Ch是熱傳導(dǎo)系數(shù)，kLN2是液氮的導(dǎo)熱系數(shù)，NRe是雷諾系數(shù)，NPr是普朗特?cái)?shù)。
將這些等式計(jì)算到一個(gè)有限差形式中，并以時(shí)間進(jìn)行數(shù)字積分，直到到達(dá)一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。在確定了溫度曲線圖之后，可通過在流體路徑長(zhǎng)度上對(duì)下式作積分而近似出壓降dP=ρVdV+fρV22dxD--(4)]]>
其中V是液體速度，而f是摩擦系數(shù)。
在嚴(yán)格處理過程中，應(yīng)當(dāng)聯(lián)接熱液壓方案，但假定在該工作考慮的條件下對(duì)于液氮的可壓縮效果和密度變化很小。因此溫度和壓力曲線方案是分別完成的。已經(jīng)提出在波紋管中低溫液流的摩擦系數(shù)是對(duì)于平管的四倍。在目前的情況下，雷諾系數(shù)在105到106范圍內(nèi)，并使用恒定摩擦系數(shù)f＝0.07。假定跨終端的壓降很小而將其忽略。
HTS電纜低溫恒溫器采取柔性雙層壁結(jié)構(gòu)，尺寸列在表5中。冷源溫度T∞＝300K。在實(shí)際場(chǎng)絕緣導(dǎo)熱系數(shù)上，一般可購(gòu)買的真空絕緣柔性低溫恒溫器具有一個(gè)有效的keff＝0.0008瓦特每米每絕對(duì)溫度。每單位長(zhǎng)度的局部熱傳導(dǎo)可以計(jì)算，取決于局部液氮溫度Tvi(x)和低溫恒溫器內(nèi)外管直徑Dci和Dco。對(duì)于外部低溫恒溫器來(lái)講，起動(dòng)該熱傳導(dǎo)項(xiàng)的溫差一般超過220K。
Qcstat,i′=2πkeff(T∞-Tv,i(x))Ln(Dco/Dci)--(5)]]>在5米系統(tǒng)上由較早的測(cè)量按比例計(jì)算出臨界電流。使用所測(cè)量的溫度線性適配，可通過下式用3000A的參考值用77k溫度按比例計(jì)算臨界電流Ic(T)＝6188.2-41.405T (6)AC損失和以瓦特每米為單位的PAC，是用整體模型計(jì)算的。
PAC=μ0fIc22πh2{(2-Fh)Fh+2(1-Fh)ln(1-Fh)}--(7)]]>其中F＝Ip/Ic，交流循環(huán)中的峰值電流與超導(dǎo)體中的臨界電流之間的比率，f是頻率，h＝(Do2-Di2)/Do2。這種研究將顯示對(duì)于1500Arms和2000Arms操作電流的結(jié)果。
介電損失取決于電纜的設(shè)計(jì)電壓。假定0.05瓦特每米的額定值，并與較早的工作相一致。
將該模型與5米HTS電纜系統(tǒng)上的測(cè)量相比較。圖20中給出操作的測(cè)量溫度之間的對(duì)比。在這種情況下，用在79.2K的溫度和5.4巴的壓力下供應(yīng)的流速為210克每秒的液氮對(duì)5米HTS電纜進(jìn)行冷卻。施加到電纜上的電流是1250Arms。測(cè)量值與計(jì)算值在定性上一致。溫度上的偏差主要是由于使用了簡(jiǎn)化的用于終端的熱模型，對(duì)于短電纜來(lái)講是主要的系統(tǒng)熱負(fù)載。終端具有真空熱和電絕緣體。每個(gè)終端包括兩個(gè)優(yōu)化的電流導(dǎo)線，以承載多余的1250Arms額定電流。終端熱負(fù)載約為每一端300瓦特。盡管由于操作電流的水平而在終端熱負(fù)載中有一些變化，但認(rèn)為差別很小，特別是對(duì)于長(zhǎng)電纜，并將其忽略。
對(duì)于HTS能量傳送系統(tǒng)，終端熱負(fù)載是恒定的，不取決于傳送電纜系統(tǒng)的長(zhǎng)度。通過低溫恒溫器的AC損失和熱負(fù)載取決于HTS傳送電纜系統(tǒng)，冷卻流結(jié)構(gòu)，供應(yīng)溫度以及流速。
使用的是恒定的液氮條件，10巴的壓力和67K的溫度。液氮的性能是用GASPAK獲得的。該壓力正好處于可購(gòu)買的柔性低溫恒溫器的能力范圍之內(nèi)，溫度一般用于分冷卻致冷單元。氮的三態(tài)點(diǎn)大約是63.2K，因而用封閉的循環(huán)致冷系統(tǒng)可獲得較低的溫度，如65K。
所示的臨界電流和溫度曲線用于在1000克每秒每相流速下的兩個(gè)長(zhǎng)度較長(zhǎng)的情況，以及圖21和圖22中所示的兩個(gè)冷卻裝置中。清楚地圖示了在逆流流動(dòng)情況中存在溫度極限。在這種情況下，底部溫度線是樣板液體溫度，中間線是HTS電纜溫度，頂部線是環(huán)形返回流體溫度。對(duì)于500米長(zhǎng)的逆流情況，圖23中所示壓降是4.7巴。提高流速以降低電纜溫度會(huì)提高已經(jīng)很高的壓降，并且可能在電纜中沸騰。在兩個(gè)冷卻裝置中，較高的電流情況產(chǎn)生較高的溫度，降低HTS電纜臨界電流并增加AC損失。
所示的用于兩個(gè)冷卻裝置的在67K的致冷負(fù)載是圖23和圖24中長(zhǎng)度的函數(shù)。這些結(jié)果顯示，以低電流運(yùn)行電纜會(huì)顯著降低AC損失，但低溫恒溫器損失完全不取決于電纜中的電流水平。
HTS能量傳送電纜系統(tǒng)中的許多關(guān)鍵因素取決于冷卻流速。對(duì)250米逆流情況和1000米平行流動(dòng)情況進(jìn)行了分析，以確定以不同流速在2000Arms電流下的最大電纜溫度和壓降。這些結(jié)果在圖25和26中表示出來(lái)。
在兩種裝置中，在電纜中以較低的流速達(dá)到了較高的溫度。在逆流情況下，液氮返回致冷器的系統(tǒng)溫度低于電纜的最大溫度。對(duì)于平行流體冷卻裝置，情況是相反的。對(duì)于低流速，逆流冷卻電纜最大溫度足夠高，從而顯著降低電纜的超導(dǎo)性能。提高流速以更高的壓降為代價(jià)降低了最大溫度。對(duì)于即使在2000米的平行流動(dòng)中的這些流速，則不是這樣的情況。
圖19中所示的HTS電纜結(jié)構(gòu)顯示了一個(gè)單個(gè)低溫恒溫器，用于HTS電纜的逆流冷卻裝置。HTS電纜樣板是一個(gè)柔性的帶波紋的不銹鋼管。HTS電纜是一個(gè)冷介電結(jié)構(gòu)，需要通過介電材料與主導(dǎo)體分開的超導(dǎo)屏蔽層。該屏蔽設(shè)計(jì)成承載與主導(dǎo)體相同的電流。
同軸設(shè)計(jì)的特征在于1)屏蔽層中的圖像電流降低了外部磁場(chǎng)以及低溫恒溫器和管道中的渦流，2)HTS導(dǎo)體和電介質(zhì)都由帶卷繞而成，3)低溫電介質(zhì)減小了尺寸，并提高了電流承載能力，及4)柔性電纜允許卷繞。
用特殊設(shè)計(jì)的設(shè)備制造30米HTS，將超導(dǎo)帶卷繞在樣板上。在包括主導(dǎo)體、低溫電介質(zhì)和屏蔽的前兩個(gè)電纜纏繞后，將它們安裝在它們的低溫恒溫器中。制作用于低溫恒溫器的特殊端蓋，在大氣壓下用液氮對(duì)電纜進(jìn)行冷卻。臨時(shí)電壓開關(guān)安裝在主和屏蔽導(dǎo)體端部上，只測(cè)量超導(dǎo)體的臨界電流。圖28示出用于30米HTS電纜的相2的主導(dǎo)體的直流V-I曲線。在1微伏/厘米標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上觀察2980A的臨界電流Ic和n值9。相1主導(dǎo)體的臨界電流大于3000A(電源的極限)。圖28中示出其中一個(gè)5米電纜的臨界電流，是1090A，n值為3。5米和30米電纜的設(shè)計(jì)電流是1250A，并在5米和30米電纜中使用相同數(shù)量的層和超導(dǎo)帶。在獲取用于5米和30米電纜的超導(dǎo)帶所經(jīng)過的時(shí)間內(nèi)，帶性能顯著提高。結(jié)果，盡管設(shè)計(jì)用于額定1250A，但30米電纜實(shí)際上是3000A的導(dǎo)體。如圖28所示，有了這種額外差值，當(dāng)在約1500A以下工作時(shí)超導(dǎo)體沒有電阻。在2500A時(shí)，壓降為0.25微伏/厘米，直流電阻為0.01微歐/米。在測(cè)量臨界電流之后，去除臨時(shí)電壓開關(guān)。
HTS電纜位于圖29中點(diǎn)劃框內(nèi)部，是向三個(gè)制造廠供電的電力系統(tǒng)的一部分。為此項(xiàng)目建造有一切換分站，允許超導(dǎo)電纜和高架線中的一個(gè)或兩個(gè)用于該負(fù)載。一控制大樓中裝有用于超導(dǎo)電纜的電控和保護(hù)板、低溫控制系統(tǒng)和一會(huì)議室。
有兩個(gè)115kV傳送線向普通傳送分站提供服務(wù)。該傳送分站具有40MVA的總?cè)萘浚瑑蓚€(gè)20MVA相匹配的不可調(diào)降壓變壓器，115kV高壓側(cè)和12.4kV低壓側(cè)。
有兩個(gè)12.4kV配電饋線從分站出來(lái)。兩個(gè)配電饋線使用作為典型導(dǎo)體的1033.5ACSR(鋼加強(qiáng)鋁導(dǎo)體)。12.4kV保護(hù)系統(tǒng)是一真空斷路器，帶有一個(gè)設(shè)定用于在封鎖之前的三個(gè)重閉的重閉繼電器。系統(tǒng)3相故障電流在12.4kV時(shí)大約為14000A。已經(jīng)在高于該水平的故障電流上成功地測(cè)試了5米超導(dǎo)電纜。
HTS電纜由循環(huán)分冷卻液氮通過三個(gè)電纜相而冷卻。在5米電纜測(cè)試程序的基礎(chǔ)上，對(duì)于30米電纜低溫系統(tǒng)的要求確定為3000w的熱負(fù)載，70-80K的操作溫度范圍，1.3升/秒(21加侖每分鐘)的流速，以及10巴的最大操作壓力。將兩個(gè)低溫致冷設(shè)計(jì)作為一個(gè)開環(huán)沸騰浴分冷卻器和一個(gè)閉環(huán)致冷器的可選擇方案。選擇開環(huán)系統(tǒng)是因?yàn)檩^低的資金設(shè)備成本。由于大規(guī)模液氮生產(chǎn)廠相對(duì)于可能使用30米HTS電纜系統(tǒng)的較小致冷單元效率更高，這兩種方法的操作成本是可比的。對(duì)于具有更長(zhǎng)工作壽命的電纜系統(tǒng)來(lái)講，包括在主系統(tǒng)維護(hù)過程中可能使用的開環(huán)氮?dú)鈧溆孟到y(tǒng)的閉環(huán)致冷系統(tǒng)將是一個(gè)較好的選擇，因?yàn)樗恍枰l繁地重新加注大量?jī)?chǔ)存杜瓦瓶。
低溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括三個(gè)主要部件一個(gè)液氮儲(chǔ)存箱，一個(gè)低溫滑架，和一個(gè)真空裝套管路。
低溫滑架包括一冷卻箱，其中在正常絕緣真空下容納有一個(gè)分冷卻器，一個(gè)相分離器，和兩個(gè)緩沖體積。冷卻箱部件和相關(guān)管路全部由多層熱絕緣體纏繞，以減小環(huán)境熱負(fù)載。低溫滑架還包括三個(gè)真空泵，用于降低分冷卻器浴上的壓力并降低系統(tǒng)的操作溫度。有主和備用液氮循環(huán)泵。液氮流跟隨穿過系統(tǒng)的一個(gè)路徑，從循環(huán)泵，通過分冷卻器，通過供應(yīng)管線到達(dá)電纜，通過返回管線返回位于泵入口處的相分離器。相分離器在系統(tǒng)起動(dòng)過程中使用，以防止蒸氣到達(dá)循環(huán)泵。分冷卻器由大量?jī)?chǔ)存箱加注。當(dāng)在80K以下工作時(shí)，分冷卻器汽化通過真空泵排放到大氣中。緩沖箱交替使用，一個(gè)用于提供系統(tǒng)加壓，而另一個(gè)加滿和等待。
液氮儲(chǔ)存箱具有40000升的容量。該箱水平安裝在用于低輪廓的混凝土底腳上。用一電話線對(duì)箱高度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并由液氮供應(yīng)者根據(jù)需要加注。
真空裝套管路將滑架與電纜聯(lián)接起來(lái)。它們是三個(gè)管-入口、返回和冷卻，聯(lián)接電纜三相中的每一相。通過這種設(shè)置，電纜三相的任何組合可以是使用中、非使用中或者在冷卻順序中。
在正常操作過程中用一可編程邏輯控制系統(tǒng)操作低溫系統(tǒng)。由于進(jìn)行這些操作的次數(shù)稀少以及編程的成本，系統(tǒng)冷卻和重起動(dòng)是手動(dòng)完成的。
要進(jìn)行的第一個(gè)下線測(cè)試用一可變交流電壓電源在電纜上施加電壓。使用電源一次將11-12kV的電壓施加到一個(gè)相上，并保持30分鐘，以測(cè)試電纜介電系統(tǒng)。相1和2保持在166％額定電壓而沒有斷開。幾何結(jié)構(gòu)略微不同的相3保持在230％額定電壓而沒有斷開。
在測(cè)試過程中，對(duì)充電電流進(jìn)行測(cè)試，以確定電纜容量，并如表6中所示，與計(jì)算的容量進(jìn)行比較。還示出了計(jì)算的電纜感應(yīng)系數(shù)。電纜電涌阻抗為4Ω低于常規(guī)銅電纜。通過這種低電涌阻抗，當(dāng)與常規(guī)銅電纜相比時(shí)，交流超導(dǎo)電纜具有一較長(zhǎng)的臨界長(zhǎng)度(充電電流等于額定電流時(shí)的長(zhǎng)度)。因此在充電電流占據(jù)電纜電流承載能力之前超導(dǎo)電纜能夠在較長(zhǎng)的連續(xù)長(zhǎng)度上延伸。
表6測(cè)量和計(jì)算的容量

為了測(cè)量電纜的直流電壓與電流的關(guān)系(V-I曲線)，提供了一個(gè)3000A的直流電源。電壓開關(guān)臨時(shí)安裝在主和屏蔽襯套的外部。通過聯(lián)接位于一端的直流電源和位于另一端的相之間適中跳接器，一次測(cè)量V-I曲線的兩個(gè)相。測(cè)量相2和3，然后相1和2，因此相2被測(cè)量了兩次。測(cè)量主導(dǎo)體的V-I曲線，然后是屏蔽導(dǎo)體，因?yàn)殡娎|是具有同軸導(dǎo)體的冷卻電介質(zhì)設(shè)計(jì)。直流臨界電流如期望的那樣是基于HTS帶性能和電纜設(shè)計(jì)。圖30中示出對(duì)于相2和3的V-I曲線；在多數(shù)電流范圍內(nèi)的線性特征是由于外部電壓開關(guān)的位置，它包括擴(kuò)展的銅總線，和超過超導(dǎo)電纜每一端的聯(lián)接器。
在2000年6月重復(fù)進(jìn)行了直流電壓/電流測(cè)試，在6個(gè)月操作之后，在在可變加載條件下經(jīng)過4到6個(gè)冷卻和升溫循環(huán)之后確定電纜性能。如圖30中所示，在超導(dǎo)電纜性能上已經(jīng)沒有變化。
進(jìn)行DC負(fù)載電流測(cè)試，以模擬超導(dǎo)電纜上的平均、額定和緊急加載。如圖31所示，用直流電源一次在其中兩個(gè)主導(dǎo)體上分別在800、1200和1400A下進(jìn)行8個(gè)小時(shí)的擴(kuò)展負(fù)載電流測(cè)試。在這些初始加載測(cè)試過程中沒有觀察到電纜冷卻系統(tǒng)溫度上的改變。
下一個(gè)測(cè)試是用分站電源進(jìn)行擴(kuò)展、開路、額定電壓測(cè)試。位于一端的電纜斷路器關(guān)閉，而另一端保持打開，因而沒有電流流過電纜。相電壓在最多12小時(shí)內(nèi)以若干順序保持在每一相中。電纜介電性能如所設(shè)計(jì)的。
圖32中示出對(duì)于相1的液氮返回臂溫度(注意，沒有示出y軸值)。電纜溫度的變化約為1K。
圖33中示出對(duì)于相1的返回臂液氮壓力(注意，沒有示出y軸值)。電纜壓力的變化約為0.28巴(4帕)。
進(jìn)行了若干次低溫?zé)嶝?fù)載測(cè)試，測(cè)量了總電纜系統(tǒng)熱量損失。發(fā)現(xiàn)30米電纜的全部3相及處于600A的終端的熱量損失是1490W。已經(jīng)直接或分別測(cè)量了各部件，因而可估計(jì)熱量損失的分解。分別是7.62厘米×12.7厘米(3”和5”)真空裝套管的電纜低溫恒溫器，是1瓦/米/相。在600A時(shí)，導(dǎo)體和屏蔽為0.2瓦/米/相。
盡管對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)描述和圖示，但可以很清楚地理解，它只是用于圖示和舉例，并不是用于限定，本發(fā)明的精神和范圍僅由附屬權(quán)利要求的術(shù)語(yǔ)限定。
權(quán)利要求
1.一種使用氧化物超導(dǎo)體的電纜，包括一柔性芯部元件；多個(gè)以不大于2千克力/平方毫米的張力敷設(shè)在上述芯部元件上的帶狀氧化物超導(dǎo)金屬絲，其中每個(gè)帶狀超導(dǎo)金屬絲主要由一氧化物超導(dǎo)體和一覆蓋該氧化物超導(dǎo)體的穩(wěn)定金屬構(gòu)成；上述多個(gè)帶狀超導(dǎo)金屬絲形成了多個(gè)層，每一層是通過以并排方式敷設(shè)多個(gè)上述帶狀超導(dǎo)金屬絲而制成的；上述多個(gè)層連續(xù)疊置到上述芯部元件上，在該多個(gè)層與芯部元件之間沒有絕緣層；上述芯部元件給上述超導(dǎo)電纜賦予了柔韌性；上述超導(dǎo)電纜能夠在液氮溫度下保持超導(dǎo)狀態(tài)；上述金屬絲沿上述金屬絲的縱向方向具有基本上均勻的超導(dǎo)相；上述超導(dǎo)相的c軸定向成基本上平行于上述金屬絲的厚度方向；上述超導(dǎo)金屬絲是由沿上述金屬絲的縱向方向延伸的平行對(duì)準(zhǔn)的顆粒制成的；上述顆粒沿上述金屬絲的厚度方向疊置。
2.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)電纜，它具有柔韌性，因而在對(duì)電纜的直徑彎曲最多50次之后上述電纜的超導(dǎo)性不會(huì)顯著下降。
3.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)電纜，其中上述芯部元件是從主要包括下列各項(xiàng)的組中選擇的金屬，塑料，增強(qiáng)塑料，聚合物及復(fù)合物。
4.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)電纜，其中上述芯部元件是一管，該管在其外部具有一從螺旋槽表面、腹板狀表面、織物狀表面和墊狀表面中選擇的表面，形成用于帶狀超導(dǎo)金屬絲的表面。
5.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)電纜，其中在多個(gè)層之間沒有絕緣層。
6.如權(quán)利要求5所述的超導(dǎo)電纜，其中在將第一層帶狀金屬絲敷設(shè)在上述芯部元件上之后，將隨后的多個(gè)帶狀層敷設(shè)在由緊鄰的前層帶狀金屬絲形成的表面上。
7.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)電纜，其中上述金屬絲在上述帶狀穩(wěn)定金屬覆蓋層內(nèi)部扭轉(zhuǎn)。
8.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)電纜，其中上述帶狀金屬絲以最大約90度的敷設(shè)角度敷設(shè)。
9.如權(quán)利要求8所述的超導(dǎo)電纜，其中上述帶狀金屬絲以約10到約60度的敷設(shè)角度敷設(shè)。
10.如權(quán)利要求9所述的超導(dǎo)電纜，其中上述帶狀金屬絲以約20到約40度的敷設(shè)角度敷設(shè)。
11.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)電纜，還包括至少兩個(gè)不同組的帶狀金屬絲層。
12.如權(quán)利要求11所述的超導(dǎo)電纜，其中每個(gè)連續(xù)層的帶狀金屬絲的敷設(shè)角度在敷設(shè)方向或節(jié)距上交替。
13.如權(quán)利要求12所述的超導(dǎo)電纜，其中每個(gè)上述連續(xù)層包括至少兩個(gè)用于四層或更多層結(jié)構(gòu)的帶狀金屬絲。
14.如權(quán)利要求11所述的超導(dǎo)電纜，其中一層介電材料將該至少兩個(gè)不同組的帶狀金屬絲層中的每一個(gè)分開。
15.如權(quán)利要求11所述的超導(dǎo)電纜，其中一層介電材料將芯部元件與最接近它的帶狀金屬絲層分開。
16.如權(quán)利要求14所述的超導(dǎo)電纜，其中介電材料從包括聚丙烯、聚乙烯和聚丁烯的組中選擇的。
17.如權(quán)利要求11所述的超導(dǎo)電纜，其中該至少兩個(gè)不同組的帶狀金屬絲層承載了大致相等量的流過電纜的電流。
18.如權(quán)利要求11所述的超導(dǎo)電纜，其中該兩個(gè)不同組的帶狀金屬絲層中的第一組承載了超過50％的流過電纜的電流。
19.如權(quán)利要求11所述的超導(dǎo)電纜，其中該兩個(gè)不同組的帶狀金屬絲層中的第二組承載了超過50％的流過電纜的電流。
20.如權(quán)利要求17所述的超導(dǎo)電纜，其中距芯部元件最遠(yuǎn)的該組帶狀金屬絲層向流過其它層的電流提供了屏蔽，并減小了電纜中的磁場(chǎng)或渦流。
21.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)電纜，其中穩(wěn)定金屬是從包括銀、銀合金、鎳和鎳合金的組中選擇的。
22.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)電纜，其中上述多層中的每一層都包含至少2個(gè)帶狀金屬絲。
23.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)電纜，其中上述多層中的每一層都包含至少4個(gè)帶狀金屬絲。
24.如權(quán)利要求23所述的超導(dǎo)電纜，在上述多個(gè)層中的第二和第三層之間包括一絕緣層。
25.如權(quán)利要求23所述的超導(dǎo)電纜，其中在上述多個(gè)層的每個(gè)第二和第三層之間都有一個(gè)絕緣層。
26.如權(quán)利要求14所述的超導(dǎo)電纜，其中該介電材料具有約3.0的最大介電常數(shù)。
27.如權(quán)利要求26所述的超導(dǎo)電纜，其中該介電材料具有約2.3的最大介電常數(shù)。
28.如權(quán)利要求14所述的超導(dǎo)電纜，其中以約5∶1至約10∶1的比率在加工方向?qū)殡姴牧线M(jìn)行雙軸定向。
29.如權(quán)利要求28所述的超導(dǎo)電纜，其中以約5∶1到6∶1的比率在加工方向?qū)殡姴牧线M(jìn)行雙軸定向。
30.如權(quán)利要求28所述的超導(dǎo)電纜，其中以最大約2∶1的比率在加工方向?qū)殡姴牧线M(jìn)行雙軸定向。
31.如權(quán)利要求28所述的超導(dǎo)電纜，包括對(duì)已進(jìn)行雙軸定向的帶進(jìn)行壓印，在其中形成不規(guī)則和/或隨機(jī)的凹槽。
32.如權(quán)利要求31所述的超導(dǎo)電纜，其中對(duì)介電材料進(jìn)行壓印，形成深度為約0.5到約2毫米的凹槽。
33.如權(quán)利要求31所述的超導(dǎo)電纜，其中壓印是在約80℃到約140℃的溫度下由一輥完成的。
34.如權(quán)利要求30所述的超導(dǎo)電纜，其中電介質(zhì)帶被壓印成一個(gè)圖案，該圖案優(yōu)選地允許浸漬劑流過帶的寬度。
35.如權(quán)利要求31所述的超導(dǎo)電纜，其中電介質(zhì)帶被壓印成一具有跨帶延伸的不規(guī)則凸峰和凹谷的圖案。
36.如權(quán)利要求14所述的超導(dǎo)電纜，其中以每百萬(wàn)100到1000份的量由含有有機(jī)染料的材料來(lái)生產(chǎn)電介質(zhì)帶。
37.如權(quán)利要求31所述的超導(dǎo)電纜，其中電介質(zhì)帶被壓印成一圖案，該圖案提高了有效帶厚度。
38.如權(quán)利要求31所述的超導(dǎo)電纜，其中電介質(zhì)帶被壓印成一圖案，該圖案的相鄰峰之間的間距最大為約0.2毫米。
39.如權(quán)利要求38所述的超導(dǎo)電纜，其中電介質(zhì)帶被壓印成一圖案，該圖案的峰之間的間距為約0.05毫米。
40.如權(quán)利要求14所述的超導(dǎo)電纜，其中該電介質(zhì)帶具有至少250000磅每平方英寸的拉伸模量。
41.一種用于交流電的超導(dǎo)電纜，具有相線和中線冷卻凹槽及一外部環(huán)繞絕緣體，其中為全部三個(gè)相線提供了一個(gè)共同的中線，冷卻凹槽同心地設(shè)置在一起。
42.如權(quán)利要求41所述的超導(dǎo)電纜，其中冷卻凹槽的第一相線由導(dǎo)電電纜芯部約束，分別在第一和第二相線之間、第二和第三相線之間以及第三相線與中線之間設(shè)有一具有限定厚度的絕緣層，在中線與外部絕緣體之間設(shè)有一作為環(huán)形凹槽的冷卻凹槽，這些相線由一超導(dǎo)材料制成。
43.如權(quán)利要求41所述的超導(dǎo)電纜，其中每個(gè)相線由超導(dǎo)帶制成，該超導(dǎo)帶由填充有陶瓷超導(dǎo)材料的氧氣多孔金屬制成的壓平套構(gòu)成。
44.如權(quán)利要求41所述的超導(dǎo)電纜，其中這些相線制成由填充有陶瓷超導(dǎo)材料的銀套筒構(gòu)成的帶。
45.如權(quán)利要求41所述的超導(dǎo)電纜，其中液氮傳導(dǎo)通過這些凹槽，用于冷卻超導(dǎo)相。
46.如權(quán)利要求41所述的超導(dǎo)電纜，其中中線由銅制成。
47.如權(quán)利要求41所述的超導(dǎo)電纜，其中相線之間的絕緣層由聚乙烯或聚丙烯制成。
全文摘要
為了提供一種在AC損失上降低的柔性氧化物超導(dǎo)電纜，將由穩(wěn)定金屬覆蓋的帶狀超導(dǎo)金屬絲卷繞在一柔性樣板上。超導(dǎo)金屬絲最好以不大于0.2％的彎曲應(yīng)變敷設(shè)在樣板上。在樣板上敷設(shè)的過程中，以并排方式將多個(gè)帶狀超導(dǎo)金屬絲敷設(shè)在一芯部元件上，以形成第一層。以并排方式將預(yù)定數(shù)量的帶狀超導(dǎo)金屬絲敷設(shè)在第一層的頂部，以形成第二層。樣板可由金屬、塑料、增強(qiáng)塑料、聚合物或復(fù)合物制成，并向超導(dǎo)金屬絲及通過其形成的電纜提供柔韌性。
文檔編號(hào)H01B12/16GK1483206SQ01815722
公開日2004年3月17日 申請(qǐng)日期2001年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月15日
發(fā)明者烏黛·K·辛哈, 烏黛 K 辛哈, R·L·休伊, 休伊, 托爾伯特, 杰瑞·托爾伯特, J 古奇, 邁克爾·J·古奇, J·W·盧, 盧 申請(qǐng)人:南方電線公司