專利名稱：包括磁去耦超導導體的用于傳輸電流的系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及用于傳輸電流的系統(tǒng)以及用于維持該系統(tǒng)的至少一個電相的磁去耦超導導體。
背景在過去的三十年里，電已經(jīng)從占美國最終使用能量消耗的25％上升到了40％。隨著不斷提高的電力需求而來的是對高度可靠、高質(zhì)量的電力的愈加苛刻的要求。隨著電力需求的不斷增長，尤其是較舊的城市電力系統(tǒng)的性能即將被推至極限，因而需要新的解決方案。
諸如銅和鋁等金屬導體構(gòu)成了世界上的電力系統(tǒng)的基礎，該系統(tǒng)包括發(fā)電機、輸配電系統(tǒng)、變壓器，以及電機。高溫超導(HTS)化合物的發(fā)現(xiàn)使得人們致力于為電力工業(yè)開發(fā)包含這些化合物的導體以替代金屬導體。HTS導體將是一個多世紀里電力系統(tǒng)技術中最基本的進步之一。
HTS導體比具有相同物理尺寸的常規(guī)金屬導體承載多一百倍的電流。HTS導體優(yōu)越的功率密度將促成新一代的電力工業(yè)技術。HTS導體提供以尺寸、重量、效率，以及環(huán)境方面的益處為主。
HTS技術將從各種途徑降低電力系統(tǒng)的成本并提高其容量與可靠性。例如，包含HTS導體的電纜能通過現(xiàn)有路權(quán)傳輸二至五倍多的電力，從而在改善電網(wǎng)性能的同時減少其對環(huán)境的覆蓋。
表征HTS導體的一種方式是用每米成本。表征HTS導體的一種替換方式是用每千安培-米成本。例如，通過增大給定每米成本的HTS導體的電流承載容量，就可降低每千安培-米成本。該最大電流承載容量稱為臨界電流。
要將HTS導體有效用于電力傳輸中的眾多需要解決的問題之一是交流損耗。降低包含HTS導體的電纜中的交流損耗的典型方法是依靠構(gòu)造近乎整體式的HTS導體環(huán)。例如，支撐HTS導體以構(gòu)造此環(huán)形的結(jié)構(gòu)表面幾乎完全用HTS導體覆蓋。然而，隨著HTS導體電流承載容量的提高，用來覆蓋表面的導體常常多于承載電流之所需。但是，在這類設計中，減少HTS導體的量常常只會增大交流損耗。
因此，仍需要一種新的、改進的電纜繞組結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠利用超導導體中的進步在用于傳輸電流的系統(tǒng)中使用，同時在交流損耗方面具有可接受的、甚至改善性質(zhì)。
概要本發(fā)明針對一種用于傳輸電流的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括發(fā)電機、超導電纜，以及至少一個負載。此外，該系統(tǒng)還可包括終接、致冷系統(tǒng)，以及終接加致冷系統(tǒng)三者之一。該電纜具有包括心軸及至少一疊層的磁去耦超導導體的至少一個電相。
心軸可以是柔性材料。例如，諸如鋁合金與銅合金之一的單絲或多絲(例如，多根絲)合金可用作心軸。不論結(jié)構(gòu)或材料為何，只要心軸是低溫相容的就是有利的。
磁去耦超導導體的一個目的是降低交流損耗。
除了包括至少一個心軸及編織的磁去耦超導導體的至少一個電相外，該電纜還可包括熱絕緣、保護鞘、電絕緣材料(電介質(zhì))、靜電屏蔽、故障繞組，以及致冷劑通路中的一個或多個。
當然，該電纜包括至少一個電相且可具有多個電相。這多個可為三個，且這多個電相中的至少兩個包括心軸與編織的磁去耦超導導體。
相應地，本發(fā)明的一個方面是要提供一種用于傳輸電流的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括至少一個發(fā)電機、至少一個恒冷器，以及至少一個負載。該至少一個發(fā)電機產(chǎn)生電源的至少一相。該至少一個恒冷器具有包括至少一個心軸及磁去耦超導導體的至少一個電相。所述發(fā)電機與負載可被假想為代表電力網(wǎng)的等效簡化，且可以電互換。
本發(fā)明的另一方面是要提供一種在諸如上述提到的、用于傳輸電流的系統(tǒng)中可用的超導電纜。該電纜具有至少一個恒冷器，其含有包括心軸與編織的磁去耦超導導體的至少一個電相。
本發(fā)明的又一方面是要提供一種用于傳輸電流的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括至少一個發(fā)電機，至少一根超導電纜，至少一個負載，以及終接、至少一個致冷系統(tǒng)、以及終接加至少一個致冷系統(tǒng)三者之一。該至少一個發(fā)電機產(chǎn)生電源的至少一相。該至少一根電纜具有至少一個恒冷器，其含有包括至少一個心軸與編織的磁去耦超導導體的至少一個電相。
在結(jié)合附圖閱讀以下對優(yōu)選實施例的描述之后，本發(fā)明的這些以及其它方面對本領域的技術人員將是顯見的。
附圖簡述

圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的一種用于傳輸電流的系統(tǒng)的示意圖；圖2是示出了在圖1的用于傳輸電流的系統(tǒng)中可使用的一種超導電纜的示意圖；圖3是示出了在圖1的用于傳輸電流的系統(tǒng)以及圖2的電纜中可使用的一種電相；圖4是示出了在圖1的用于傳輸電流的系統(tǒng)中可使用的一種替換的超導電纜的橫截面示意圖。
詳細描述在以下描述中，相同的附圖標記指示圖中所示的所有視圖的相似或相應部分。還應理解的是，諸如“頂”、“底”、“外”、“內(nèi)”等的術語是為了方便起見所用的措詞，而不應該解釋為限定性的術語。
參照附圖，具體而言參照圖1，將可理解圖例是為了描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例的目的而不是為了將本發(fā)明限定于此。圖1示出了用于傳輸電流的系統(tǒng)10。系統(tǒng)10包括下列的至少一個發(fā)電機22、含有至少一個恒冷器12的電纜8、負載24、終接26以及致冷系統(tǒng)28。系統(tǒng)10可包括至少一個接頭18。該至少一個發(fā)電機22可產(chǎn)生一相，最好是三相電源。如圖2中可見，該至少一根電纜8具有含至少一個電相14的至少一個恒冷器12。圖3示出了包括至少一個心軸16和編織的磁去耦超導導體20的電相14。
發(fā)電機22與負載24以及系統(tǒng)10是本領域公知技術中的任何一種。發(fā)電機22與負載24各自還可看成代表本領域中公知的整個導體、電纜、總線、負載、變壓器、發(fā)電機等的電網(wǎng)。
致冷系統(tǒng)28的規(guī)模設計成能將電纜8內(nèi)的任何超導導體的溫度保持在臨界溫度以下。制冷系統(tǒng)28還必須提供一種將熱量從電纜8轉(zhuǎn)移到制冷系統(tǒng)28的方法。制冷系統(tǒng)28可以為制冷器并包括使致冷劑在整條電纜8內(nèi)循環(huán)的機制。一個示例為使低溫流體在整條電纜8內(nèi)連續(xù)循環(huán)以收集熱量，并通過致冷系統(tǒng)28以消除熱量。致冷系統(tǒng)28的示例可以是本領域公知的任何一種。
終接26的示例可以如以下文獻所公開方案中的任意一種，這些專利有于2003年2月25日授予Leijon等的美國專利第6,525,265號，“High Voltage Power CableTermination(高壓電力電纜終接)”；Southwire公司等于2002年10月2日提交的PCT專利申請第PCT/US02/31382號，“Superconducting Cable Termination(超導電纜終接)”；Pirelli Cavi E Sistemi S.P.A等于1999年12月22日提交的歐洲專利第EP1151442號，“Electrical Power Transmission System Using Superconductors(使用超導導體的電力傳輸系統(tǒng))”；Pirelli和C.S.P.A.等于2002年5月31日提交的國際專利第WO03103094號，“Current Lead for Superconducting Apparatus(用于超導裝置的電線)”；Tokyo Electric Power公司等的于1999年3月16日公布的日本專利第11073824號，“Superconducting Cable Terminating Part(超導電纜終接部件)”；Castiglioni等的于2003年2月27日公布的美國專利公開第US2003/0040439A1號，“Termination of the Conductor of a Superconducting Cable(超導電纜導體的終接)”；以及于2000年4月11日授予Metra的美國專利第6,049,036號，“Terminal for Connecting A superconducting Multiphase Cable to aRoom Temperature Electrical Equipment(用于連接超導多相電纜與室溫電氣設備的終端)”，其每個專利的所有公開內(nèi)容通過引用被包括于此，終接。
接頭18可以是允許將不同長度的超導導體連接成較長長度的任意類型的接頭。接頭18可連接較短長度的磁去耦超導導體20以構(gòu)成較長長度的磁去耦超導導體20?；蛘?，接頭18可將一定長度的磁去耦超導導體20連接到一定長度的磁耦合超導導體以構(gòu)成更長長度的超導導體。在此情況下，一定長度的磁耦合超導導體可以是從部分地到基本完全磁耦合的超導導體中的任何一種。接頭18的一個示例是Sumitomo Electric公司等的于2000年3月31日公布的日本專利申請第2000090998號公報“Superconducting Cable Joint(超導電纜接頭)”中所公開的方案，其全部公開內(nèi)容通過引用包括于此。
終接26可以為電連接器、熱連接器、以及兩者組合中的一種。
在優(yōu)選實施例中，多個(典型的為三個)電相14可以在一個恒冷器12中被組合在一起以形成電纜8，如圖2中所示。另外，電纜8還可包括以下的一種或多種熱絕緣32、保護鞘34，以及致冷劑通路46。當然電纜8包括至少一個電相14并可包括多個電相14。這多個可以是三個，且這多個電相中的至少兩個包括心軸16與編織的磁去耦超導導體20。為了描述的目的，術語“電相”用來表示一種物理構(gòu)造，其主要功能是以基本一個電勢和基本一個頻率來承載電流。
恒冷器12所起的作用是保持電纜8的熱區(qū)域與周圍環(huán)境分隔開。恒冷器典型地包括內(nèi)表面31，熱絕緣32，以及外表面33。內(nèi)表面31與致冷劑通路46的一部分接觸尤佳。恒冷器12的外表面33與周圍環(huán)境接觸尤佳?；蛘咴撝辽僖粋€電相14被引入恒冷器12，或者恒冷器12被構(gòu)造成覆蓋該結(jié)構(gòu)。
致冷劑通路46能夠引導流體通過恒冷器12。流體可以為諸如液氮或液氦等液體?；蛘撸黧w可以為氣體。流體在致冷器28與電纜8間進行熱傳遞，并且可以是幫助電纜8在超導材料呈現(xiàn)其超導特性的溫度下工作的任何材料或材料的配置。
熱絕緣32可以是幫助電纜8在超導材料呈現(xiàn)其超導特性的溫度下工作的任何材料或材料的配置，這些是本領域所公知的。熱絕緣32的一個示例是基于真空的絕緣。這種基于真空的絕緣可以是一種能夠保持低于大氣壓，最好是不大于0.5毫托左右的結(jié)構(gòu)。或者，熱絕緣32可以是在相當真空中的多層絕緣。
恒冷器12具有柔韌性，從而其電、物理，以及機械特性不會在電纜盤上彎曲(便于存儲和/或運輸)或在安裝過程中被彎曲而大大惡化。恒冷器12最好是兩個同軸的波紋形不銹鋼管，其間具有真空的空間以形成熱絕緣32。然而，恒冷器可以是與超導材料呈現(xiàn)其超導特性的溫度相容的任何材料或材料的配置，這些是本領域所公知的。
或者，恒冷器12的外表面可用保護鞘34覆蓋。保護鞘34采用能夠使恒冷器12被移入到先前存在的導管中，同時又保護恒冷器12不受到防礙或阻止其工作的損害的材料制成。保護鞘34可以是諸如聚氯乙烯等聚合物。
參照圖3，該至少一個電相14包括被至少一疊層的磁去耦超導導體20所包圍的心軸16，該超導導體可用電介質(zhì)36覆蓋(有時也稱為電絕緣材料36)，電介質(zhì)可再用至少另一疊層的磁去耦超導導體20’來覆蓋。最好是有一故障繞組38、38’位于這疊層的磁去耦超導導體20’的下方或上方，并在基本相同的電勢下電并聯(lián)。在優(yōu)選實施例中，心軸16對于最里面一疊層的磁去耦超導導體20起到故障繞組38的作用。另外，靜電屏蔽層40可選擇性地位于電介質(zhì)36的下方和/或上方。
心軸16可以為柔性材料。最好是使用單絲和多絲(例如，多根絲)純金屬或合金(諸如鋁合金和銅合金中一種)作為心軸16?；蛘撸妮S16可以是波紋形管?；蛘咝妮S16可以是具有螺旋槽的管子(下文稱為螺線管)。具有褶皺的褶皺管也可用作心軸16。此外，心軸16也能用諸如螺旋鋼帶等螺旋彎曲的材料制作。這些形狀中的每種形狀都適合給心軸16提供足夠的柔韌性。柔性心軸16給本發(fā)明的電纜8提供了柔韌性。
單獨的金屬材料與非金屬材料或其組合可用于構(gòu)造心軸16。金屬材料的示例包括不銹鋼、銅、鋁，以及類似材料，而非金屬材料的示例包括聚合物、陶瓷，及其的組合。諸如加強型玻璃纖維聚合物等加強型聚合物已為本發(fā)明所構(gòu)想。不論構(gòu)造或材料為何，只要心軸16是低溫相容的就是有利的。同樣只要心軸16在電纜8的工作和安裝溫度下都具有足夠的強度與柔韌度就是有利的。
心軸16最好包括多根諸如銅或銅合金等低阻抗金屬絲，其大小設計為能處理對于給定電相可預計的故障電流。在此實施例中，心軸對最里面一疊層的磁去耦超導導體20起到故障繞組38的作用。不連續(xù)故障繞組38內(nèi)的所有細絲都電并聯(lián)。
當可選擇性地具有螺旋槽或褶皺管的管子被用做心軸16時，可對其鉆孔，孔的尺寸和形式能容許諸如用于低溫超導(LTS)導體的液氦(Lhe)或用于HTS導體的液氮(LN2)流進磁去耦超導導體20的對接間隙并淹沒電介質(zhì)36(有時也稱為電絕緣材料36)。在該實施例中，心軸16提供了中央的管狀致冷劑通路46用來從致冷系統(tǒng)28運輸致冷劑。
在一個實施例中，心軸16還可包括鋪置或卷繞在心軸16上的帶子。帶子能形成覆蓋心軸16所有凹槽的光滑表面從而使得超導帶不會彎曲變形。通過鋪置帶子可在保持心軸16柔韌性的同時覆蓋任何凹槽。帶子可包括低溫相容的以及在電纜8的工作與安裝溫度下都具有足夠強度和柔韌性的任意材料。
在另一實施例中，柔性心軸16可任選地由金屬絲編織層或金屬絲網(wǎng)覆蓋。
心軸16在其外部可具有螺旋槽表面、網(wǎng)狀表面、席狀表面，以及編織狀表面中的任意一種以形成可構(gòu)造磁去耦超導導體20的表面。
在恒冷器12中，心軸16適用于將帶狀超導導體20保持在指定范圍的彎曲應變。該心軸16具有恒冷器12所需的長度，并被設在恒冷器12基本中心處。心軸16基本是圓柱形或螺旋形從而使得超導導體20可鋪置于其上，并且心軸16一般具有沿其整個長度基本不變的直徑。
在實施本發(fā)明時，可在心軸16上鋪置或卷繞數(shù)個帶狀多絲超導導體20。超導導體20可以編織為一層或多層，同時將其表面朝向心軸16。每一層可由任意數(shù)目的超導導體20形成。當數(shù)個超導導體20被編織在心軸上以構(gòu)成一層超導導體20時，其它超導導體20還可被編織在其上面。在足夠數(shù)目的超導導體20作為第二層被編織在第一層超導導體20上面時，第三層超導導體20可隨后被編織在其上面。在每相鄰兩層之間不設絕緣層。為了描述的目的，相鄰兩層的整體將稱為一個疊層。分立的疊層內(nèi)的所有超導導體都被電并聯(lián)。
該疊層的磁去耦超導導體20包括編織在柔性心軸16上的多個超導導體。超導導體可包括任意構(gòu)造的包括含任何超導材料部分的導體。適用的形狀因素是基本圓形(通常稱為線)，基本扁平(通常稱為帶)，或兩者間的任何形式。超導材料可以置放在一個部分(通常稱為單絲)、兩個部分，或多個部分(通常稱為多絲)中。
一類可用于制造超導導體的超導材料是高溫超導(HTS)材料。一種HTS材料是基于銅的HTS材料。基于銅的HTS材料的示例包括La2-xMxCuO4，Ln2-xCexCuO4，ReBa2Cu3O7-d，諸如Bi2Sr2CalCu2Ox，(Bi，Pb)2Sr2CalCu2Ox以及Bi2Sr2CaCu3Ox，(Bi，Pb)2Sr2CaCu3Ox等超導體的鉍鍶鈣銅氧化物族(其中Bi2Sr2CalCu2Ox，(Bi，Pb)2Sr2CalCu2Ox常被稱為BSCCO2212，而Bi2Sr2CaCu3Ox，(Bi，Pb)2Sr2CaCu3Ox通常被稱為BSCCO2223；所有這些通常被稱為BSCCO)，以及其組合。在La2-xMxCuO4中，M可以是Ca、Sr、Ba，及其組合中的一種。在Ln2-xCexCuO4中Ln可以是Pr、Nd、Sm、Eu、Gd，及其組合中的一種。在ReBa2Cu3O7-d中，Re可以是Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb，及其組合中的一種。一種特定的ReBa2Cu3O7-d是經(jīng)常被稱作YBCO的YBa2Cu3O7-d。
可用的超導材料的示例可以是如以下專利中所公開方案的任意一種，這些專利有2003年8月5日授予Kobayashi的美國專利第6,601,289號“ManufacturingProcess of superconducting wire and retainer for heat treatment(超導線的制造工藝及用于熱處理的止動器)；2002年12月17日授予Riley，Jr.的美國專利第6,495,765號“Superconductors(超導體)”；2001年11月6日授予Li等的美國專利第6,311,386號“Processing of(Bi，Pb)SCCO superconductor in wires and tapes(線狀與帶狀(Bi，Pb)SCCO超導體的處理)”；2001年10月2日授予Rupich等的美國專利第6,295,716號“Production and processing of(Bi，Pb)SCCO superconductor((Bi，Pb)SCCO超導體的制造與處理)”；1999年8月24日授予Li等的美國專利第5,942,466號“Processing of(Bi，Pb)SCCO superconductor in wires and tapes(線狀與帶狀(Bi，Pb)SCCO超導體的處理)”；1999年10月19日授予Budai等的美國專利第5,968,877號“High Tc YBCO superconductor deposited on biaxially textured Nisubstrate(沉積在雙軸紋理Ni基底上的高Tc YBCO超導體)；1998年12月8日授予Selvamanickam等的美國專利第5,846,912號“Method for preparation of texturedYba2Cu3Ox superconductor(用于制備紋理Yba2Cu3Ox超導體的方法)；2003年10月28日授予Batlogg等的美國專利第6,638,894號“Devices and systems based onnovel superconducting material(基于新型超導材料的器件和系統(tǒng))”；2001年6月26日授予Bozovic等的美國專利第6,251,530號“Thin-film of a high-temperaturesuperconductor compound and method(高溫超導體化合物薄膜及方法”；1991年2月19日授予Chiang的美國專利第4,994,433號“Preparation of thin filmsuperconducting oxides(薄膜超導氧化物的制備)”；2001年2月27日授予Riley，Jr.等的美國專利第6,194,352號“Multifilament composite BSCCO oxidesuperconductor(多絲復合BSCCO氧化物超導體)”；2000年5月30日授予Li等的美國專利第6,069,116號“Method of forming BSCCO superconducting compositearticles(形成BSCCO超導復合品的方法)”；1997年8月26日授予Otto等的美國專利第5,661,114號“Process of annealing BSCCO-2223 superconductors(BSCCO-2223超導體退火工藝”；1997年8月26日授予Otto等的美國專利第5,661,114號“Process of annealing BSCCO-2223 superconductors(BSCCO-2223超導體退火工藝”；以及授予Riley，Jr.等的美國專利第5,635,456號“Processing forBi/Sr/Ca/Cu/O-2223 superconductors(Bi/Sr/Ca/Cu/O-2223超導體的處理)，其每個專利的所有公開內(nèi)容通過引用被包括于此。
超導導體的一個示例是具有氧化物超導體與覆蓋其上的穩(wěn)定金屬的類型，也被稱為第一代超導導體。第一代超導導體中包括一種帶狀多絲氧化物超導線，其結(jié)構(gòu)為基本由包含在銀、銀合金、鎳，以及鎳合金等穩(wěn)定材料中的氧化物超導體組成的多根細絲。氧化物超導體可用諸如鉍、鍶、鈣及銅氧化物等氧化物超導體來制備。
超導導體的另一示例是一種在金屬帶基底上具有氧化物超導體涂層、而金屬氧化物進而可選地被涂上穩(wěn)定金屬的類型。該構(gòu)造又被稱為第二代超導導體。在該發(fā)明中所用的穩(wěn)定金屬與基底最好分別選自銀、銀合金，以及可能需要緩沖層的鎳與鎳合金的組合。
可用于制造超導導體的另一類超導材料是低溫超導(LTS)材料。一種LTS材料是基于鈮的合金?；阝壍暮辖鸬氖纠ň哂秀g、錫、鋁，及其組合中的一種的基于鈮的合金。這些基于鈮的合金還可包括鉭、鋯、錫，及其組合中的一種。一組LTS基于鈮的合金是諸如那些具有重量百分比在約45至約50的鈦的基于鈮-鈦的合金。另一組LTS基于鈮的合金包括A15超導相。這種基于鈮的合金可包括錫、鋁，及其組合中的一種。LTS基于鈮的合金的具體示例包括Nb3Sn和Nb3Al。
可用于制造超導導體的又一類超導材料是諸如MgB2等硼化鎂?？捎玫呐鸹V超導材料的示例可以是以下任一文獻中所公開的任意一種，這些專利有2003年1月28日授予Serquis等的美國專利第6,511,943號“Synthesis ofmagnesium diborideby magnesium vapor infiltration process(MVIP)(使用鎂蒸汽滲透工藝的二硼化鎂的合成)”；Sang-Wook Cheong等的于2002年9月12日公布的美國專利公開第US2002/0127437 A1號“MgB2superconductors(MgB2超導體)”；Michael J.Tomsic的于2002年12月26日公布的美國專利公開第US2002/0198111 A1號“Method formanufacturing MgB2intermetallic superconductor wires(用于制造MgB2金屬間超導體線的方法)”；以及Giovanni Giunchi等的于2004年1月15日公布的美國專利公開第US2004/0009879 A1號“Method for production ofsuperconductive wires basedon hollow filaments made of MgB2(基于由MgB2制成的中空細絲的超導線的制造方法)”，其每個專利的所有公開內(nèi)容通過引用被包括于此。
在本發(fā)明中可使用的超導導體可包括基底，其有助于構(gòu)造具有使其使用有實用價值的長度的超導體材料，同時還有助于繞心軸16編織超導體。例如，基底可以是諸如厚度為約25至約127微米之間的金屬基底(25.4微米等于1密耳)。如果，例如超導體材料是YBCO，則其厚度可以在大約為1至5微米之間。
由于在其合金基底上的YBCO比BSCCO既更堅固又更薄，所以它允許許多新的卷繞方案。其中一種是在心軸16的表面上編織導體。超導導體20，不論是否為線的形式(或在電力電纜情況下是單根帶子的形式)，當在任意一對超導導體20之間基本沒有凈磁場時被稱為是去耦的。此狀態(tài)可通過在將超導導體20卷繞在心軸16上時將其交叉換位來實現(xiàn)。當每個超導導體20在每個可能的磁場中一定比例的時間時就可以實現(xiàn)交叉換位。Wilson在Superconducting magnets(超導磁體)(1983年牛津Clarendon出版社出版)中的197頁講到“內(nèi)線總是在內(nèi)側(cè)而外線總是在外側(cè)的簡單絞合電纜的表現(xiàn)就像大的絞合復合材料且會遭受很大的自場損耗。全交叉通過確保各股之間沒有凈自場通量來避免這種情況。
編織的磁去耦超導導體20的一個目的是降低交流損耗。為了實現(xiàn)這個目的，編織的磁去耦超導導體20包括在關于心軸16的第一方向上的第一多個超導導體，以及在關于心軸16的第二方向上的基本相同數(shù)目的超導導體。編織的磁去耦超導導體20可以形成為一上一下的編織樣式。類似地，編織的磁去耦超導導體20可以形成為兩上兩下的編織樣式。即，用超導導體20構(gòu)造的產(chǎn)生磁去耦排列的任何編織結(jié)構(gòu)都是合適的編織樣式。例如，編織樣式可以是相對于編織軸形成編織角α的雙軸編織(α是相對于縱軸所測得的銳角)。在最好的情形下，交流損耗的降低因子是帶子數(shù)目的平方根。在一個示例中，各條帶子被絕緣以防止它們相互間發(fā)生偶然的電接觸。
將超導導體20編織在心軸16上以構(gòu)建磁去耦排列是有利的。超導導體20以最高達90度，從約10至約60度為佳，并且最好是約20至約40度的鋪設角度來編織。類似這種的編織在致冷劑輸送軟管的外面是很典型的，在輸送軟管外它們由許多平行的細線卷繞而成。因此，構(gòu)造這種編織的技術已經(jīng)存在。
在編織過程中，包括最終構(gòu)造的靜置狀態(tài)中，超導導體上的張力被限制為不會造成超導導體的臨界電流大于25％的下降。該張力極限取決于具體超導導體的類型、厚度，以及構(gòu)造。
根據(jù)本發(fā)明，每個超導導體20都在一定彎曲應變下或在規(guī)定范圍的曲率與規(guī)定范圍的斜度編織在具有規(guī)定直徑的心軸16上。沿超導導體20的縱長方向?qū)ζ鋺孟鄬^松的彎曲。編織在心軸16上的超導導體20以限于不會造成超導導體的臨界電流大于25％下降的彎曲應變來彎曲。該彎曲應變極限取決于具體超導導體的類型、厚度，以及構(gòu)造。
YBCO具有比BSCCO高得多的電流密度，這意味著承載電纜的工作電流需要較少的帶子。現(xiàn)有電纜設計依賴纜芯表面的全覆蓋來構(gòu)造低損耗的電纜繞組。這將導致使用承載電流所不需要的額外的YBCO帶來覆蓋表面。這會增加電纜的成本。編織的理念不依賴于全表面覆蓋，且在一些情況下確可使用更少的帶子，尤其在較大卷繞直徑的疊層中。
回到圖3，本發(fā)明的一個實施例包括具有至少兩個不同組的超導導體20、20’的電相14。電介質(zhì)層36(有時也稱為電絕緣材料)將這至少兩個不同組的磁去耦超導體20、20’中的每組隔離開是有利的。在本發(fā)明的一個實施例中，該至少兩個不同組的磁去耦超導體20、20’承載近似等量的流經(jīng)電纜的電流。
同樣有利的是一疊層的磁去耦超導導體20離心軸16最遠處提供了流經(jīng)其它疊層的電流的屏蔽，從而構(gòu)成了同軸結(jié)構(gòu)。這種同軸結(jié)構(gòu)迫使磁場基本停留于內(nèi)疊層的磁去耦超導導體20與外疊層的磁去耦超導導體20’之間。在磁去耦超導導體20’的外面基本沒有磁場，因此在外金屬殼或可選的故障繞組38’中沒有渦電流損耗。在磁去耦超導導體20、20’內(nèi)部也基本沒有磁場，因此在心軸或可選的故障繞組38中沒有渦電流損耗。
另外，同軸構(gòu)造迫使磁場基本為環(huán)向；從而局部磁場基本平行于超導導體20的表面。在一些超導導體中，這種平行場的朝向?qū)o定大小的磁場具有更好的性能。使用這種結(jié)構(gòu)，取決于磁去耦超導導體20的數(shù)目與臨界電流，非常大量的電流可被承載。
故障繞組38可位于心軸16與磁去耦超導體20之間。另外，故障繞組38’可覆蓋在磁去耦超導體20’上?？蛇x的故障繞組38’的電勢與磁去耦超導導體20相同；且可選的故障繞組38’的電勢與磁去耦超導導體20’相同。故障繞組38包括多根諸如銅或銅合金等低阻抗金屬的細絲，其大小設計為能處理給定電相可預計的任何故障電流。分立的故障繞組38內(nèi)的所有細絲被電并聯(lián)。
另外，靜電屏蔽層40可任選地位于電介質(zhì)36之下或之上。最外疊層的磁去耦超導體20或故障繞組38可用包帶包裹為佳。包帶起保持繞組在基本同心的位置上的作用。包帶可以是滿足物理、機械，以及熱方面的要求的任何材料或材料的組合。其材料與電介質(zhì)36相同尤佳。
在一些實施例中，最外疊層的磁去耦超導導體可被保持在基本為接地電勢以為電相14起到電屏蔽與磁屏蔽的作用。本發(fā)明既包括屏蔽的也包括未屏蔽的電相14。
在一個實施例中，電介質(zhì)36(有時也稱為電絕緣材料36)保持在低溫溫度，并且任何能經(jīng)受低溫溫度而沒有物理和機械退化的材料都是適合的。本發(fā)明的一個方面的聚合物電介質(zhì)在液氮與低溫下有良好的物理和機械特性。其具有高介電強度與高擊穿電壓。并且電絕緣材料36是低溫相容材料為佳。
如本領域所公知的，該至少一個電介質(zhì)36(有時也稱為電絕緣材料36)在給定的工作電壓下應能夠承受給定工作電壓的典型額定基本脈沖絕緣電平(BIL)的電壓電平。
電介質(zhì)36(有時也稱為電絕緣材料36)可以是聚丙烯、牛皮紙、聚丙烯層疊紙(通常稱為PPLP)、聚酰亞胺、聚酰胺、聚乙烯、交叉鏈聚乙烯(通常稱為XLPE)或EPR；或是能夠滿足物理、機械、電與熱方面的要求的任何材料或材料的組合。
電介質(zhì)可用多根帶子擠壓或卷繞而成，可直接擠壓，或用本領域公知的任何方法。
靜電屏蔽層40位于電介質(zhì)36的下面或上面是有利的。靜電屏蔽層起到平滑電纜的金屬元件(諸如磁去耦超導導體層20)的電場輪廓的作用。至于至少一個靜電屏蔽層40的合適材料，可以是能夠?qū)﹄妶鲞M行整形的任何材料，不論單獨使用還是與其它材料組合使用。為了這個目的，該至少一個靜電屏蔽層40可以是導電材料、半導體材料，及其組合中的任何一種。多個靜電屏蔽是可以提供適合對電場進行整形的結(jié)構(gòu)的數(shù)目。這個數(shù)目目前看來為每層電介質(zhì)36兩個。
下面是優(yōu)選實施例的配置中的約34.5kV電纜的計算出的損耗對比，該電纜在約2密耳的基底上有約4毫米寬、2微米厚的YBCO，臨界電流密度在1.5×1010A/m2的級數(shù)。編織對于較高的工作電流可以更加顯著地降低損耗，如表1中所示。該對比假定了心軸包含銅以承載故障電流的細絲心軸樣式設計的標準電纜。越高電平的故障電流對應于越大的心軸直徑。所示直徑為單位為以英寸計的三相電纜的外徑。給出這些數(shù)字用于適當?shù)膮⒖?，因為對直徑的實際限制是電壓絕緣，這在本文中沒有涵蓋。對于所有典型的故障電流電平，也因此對于很大范圍的心軸直徑，損耗降低量是相對恒定的。編織構(gòu)造中的超導體中的損耗有效地對于所有電壓恒定。
表1標準損耗與編織損耗之比相對于故障電流kA
雖然為了說明的目的已描述了典型的實施例，然而先前的描述不應被視為對本發(fā)明范圍的限定。相應地，本領域的技術人員可以想到各種更改、改編，以及替換而不會背離本發(fā)明的精神實質(zhì)和范圍。例如，多個恒冷器12，每個具有一個電相14尤佳，可被組合在一起形成電纜8。電相14包含至少一疊層的編織的磁去耦超導體20。在該構(gòu)造中，電介質(zhì)36(有時也稱為電絕緣材料36)可位于恒冷器12的外部。通常這種構(gòu)造沒有起到屏蔽作用的一疊層的超導體20’。該實施例還可包括以下的一個或多個故障繞組38、靜電屏蔽層40、熱絕緣32、保護鞘34以及致冷劑通路46，并且通常被稱為室溫介電超導電纜。
或者，圖4示出了本發(fā)明的另一實施例，其包括至少三個，最好四個，不同疊層的同心地卷繞在一個心軸16上的磁去耦超導導體20、20’、20”、20”’(通常稱為三軸構(gòu)造)。一層電介質(zhì)36(有時也稱為電絕緣材料36)將不同疊層的超導導體20中的每疊層隔開是有利的。每疊層的磁去耦超導導體20可以是獨立的電相或屏蔽。該實施例還可包括以下的一個或多個故障繞組38、38’、38”和38，靜電屏蔽層40、恒冷器12、熱絕緣32、保護鞘34以及致冷劑通路46。
或者，多個三軸構(gòu)造可包含在一個恒冷器12內(nèi)。該實施例還可包括以下的一個或多個故障繞組38、靜電屏蔽層40、恒冷器12、熱絕緣32、保護鞘34以及致冷劑通路46。
權(quán)利要求
1.一種用于傳輸電流的系統(tǒng)，包括a.具有至少一相的至少一個發(fā)電機；b.具有至少一個恒冷器的至少一根超導電纜，所述恒冷器包含至少一個電相，所述電相包括至少一個心軸及磁去耦超導導體；以及c.至少一個負載。
2.如權(quán)利要求1所述的用于傳輸電流的系統(tǒng)，其特征在于，還包括終接。
3.如權(quán)利要求2所述的用于傳輸電流的系統(tǒng)，其特征在于，所述終接包括電連接器。
4.如權(quán)利要求2所述的用于傳輸電流的系統(tǒng)，其特征在于，所述終接包括熱連接器。
5.如權(quán)利要求1所述的用于傳輸電流的系統(tǒng)，其特征在于，還包括致冷系統(tǒng)。
6.如權(quán)利要求5所述的用于傳輸電流的系統(tǒng)，其特征在于，所述致冷系統(tǒng)為致冷器。
7.如權(quán)利要求5所述的用于傳輸電流的系統(tǒng)，其特征在于，所述致冷系統(tǒng)包括用于在整個恒冷器中循環(huán)致冷劑的機制。
8.在包括具有至少一相的至少一個發(fā)電機及至少一個負載的、用于傳輸電流的系統(tǒng)中可用的一種超導電纜，所述電纜包括含有至少一個電相的的至少一個恒冷器，所述電相包括a.心軸；以及b.編織的磁去耦超導導體。
9.如權(quán)利要求8所述的電纜，其特征在于，所述心軸包含柔性材料。
10.如權(quán)利要求9所述的電纜，其特征在于，所述柔性材料包含鋁合金和銅合金中的一種。
11.如權(quán)利要求10所述的電纜，其特征在于，所述鋁合金與銅合金中的一種包含單絲。
12.如權(quán)利要求10所述的電纜，其特征在于，所述鋁合金與銅合金中的一種包含多絲。
13.如權(quán)利要求8所述的電纜，其特征在于，所述心軸包含波紋管。
14.如權(quán)利要求13所述的電纜，其特征在于，所述波紋管包含金屬材料。
15.如權(quán)利要求14所述的恒冷器，其特征在于，所述金屬材料包含不銹鋼。
16.如權(quán)利要求13所述的電纜，其特征在于，所述波紋管包含非金屬材料。
17.如權(quán)利要求16所述的恒冷器，其特征在于，所述非金屬材料包含聚合物。
18.如權(quán)利要求17所述的恒冷器，其特征在于，所述聚合物是加強型聚合物。
19.如權(quán)利要求18所述的恒冷器，其特征在于，所述加強型聚合物是加強型玻璃纖維聚合物。
20.如權(quán)利要求8所述的恒冷器，其特征在于，所述心軸是低溫相容的。
21.如權(quán)利要求8所述的電纜，其特征在于，所述編織的磁去耦超導導體降低了交流損耗。
22.如權(quán)利要求8所述的電纜，其特征在于，關于所述心軸的第一方向上的第一多個超導導體的數(shù)目與關于所述心軸的第二方向上的第二多個超導導體的數(shù)目基本相同。
23.如權(quán)利要求8所述的電纜，其特征在于，所述編織包括一上一下的編織樣式。
24.如權(quán)利要求8所述的電纜，其特征在于，所述編織包括兩上兩下的編織樣式。
25.如權(quán)利要求8所述的電纜，其特征在于，所述編織包括雙軸編織(例如，編織角α是相對于編織軸(縱軸)所測得的銳角。
26.如權(quán)利要求8所述的電纜，其特征在于，所述超導導體包含低溫超導(LTS)導體。
27.如權(quán)利要求26所述的恒冷器，其特征在于，所述LTS導體包含基于鈮的合金。
28.如權(quán)利要求27所述的恒冷器，其特征在于，所述基于鈮的合金包含A15超導相。
29.如權(quán)利要求27所述的恒冷器，其特征在于，所述基于鈮的合金包括鈦、錫、鋁，及其組合中的一種。
30.如權(quán)利要求29所述的恒冷器，其特征在于，所述基于鈮的合金包含基于鈮-鈦的合金。
31.如權(quán)利要求30所述的恒冷器，其特征在于，所述基于鈮-鈦的合金包含重量百分比在45到50之間的鈦。
32.如權(quán)利要求27所述的恒冷器，其特征在于，所述基于鈮的合金包括鈦、錫、鋁，和其組合中的一種，以及鉭、鋯、錫，和其組合中的一種。
33.如權(quán)利要求29所述的恒冷器，其特征在于，所述基于鈮的合金包含A15超導相。
34.如權(quán)利要求32所述的恒冷器，其特征在于，所述基于鈮的合金包含A15超導相。
35.如權(quán)利要求34所述的恒冷器，其特征在于，所述基于鈮的合金包含Nb3Sn與Nb3Al中的一種。
36.如權(quán)利要求35所述的恒冷器，其特征在于，所述Nb3Sn包含重量百分比在18至25之間的錫。
37.如權(quán)利要求8所述的電纜，其特征在于，所述超導體是高溫超導體(HTS)導體。
38.如權(quán)利要求8所述的電纜，其特征在于，所述HTS導體包含基于銅的HTS導體。
39.如權(quán)利要求8所述的電纜，其特征在于，所述基于銅的HTS導體包含La2-xMxCuO4，Ln2-xCexCuO4，ReBa2Cu3O7-d，Bi2Sr2CalCu2Ox，(Bi，Pb)2Sr2CalCu2Ox，Bi2Sr2CaCu3Ox，(Bi，Pb)2Sr2CaCu3Ox，及其組合中的一種。
40.如權(quán)利要求8所述的恒冷器，其特征在于，所述基于銅的HTS導體包含La2-xMxCuO4，而M包含Ca、Sr、Ba，及其組合中的一種。
41.如權(quán)利要求8所述的恒冷器，其特征在于，所述基于銅的HTS導體包含Ln2-xCexCuO4，而Ln包含Pr、Nd、Sm、Eu、Gd，及其組合中的一種。
42.如權(quán)利要求8所述的恒冷器，其特征在于，所述基于銅的HTS導體包含ReBa2Cu3O7-d，而Re包含Y、Pr、Nd，Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb，及其組合中的一種。
43.如權(quán)利要求39所述的電纜，其特征在于，所述基于銅的HTS導體包含YBa2Cu3O7-d(YBCO)。
44.如權(quán)利要求8所述的恒冷器，其特征在于，所述超導體導體包含金屬基底。
45.如權(quán)利要求44所述的恒冷器，其特征在于，所述金屬基底具有25至127微米之間的厚度。
46.如權(quán)利要求45所述的恒冷器，其特征在于，所述超導體導體包含具有1至5微米之間厚度的YBCO。
47.如權(quán)利要求8所述的電纜，其特征在于，所述超導體導體包含硼化鎂。
48.如權(quán)利要求47所述的恒冷器，其特征在于，所述硼化鎂包含MgB2。
49.如權(quán)利要求8所述的恒冷器，其特征在于，還包括熱絕緣。
50.如權(quán)利要求49所述的恒冷器，其特征在于，所述熱絕緣包含基于真空的絕緣。
51.如權(quán)利要求49所述的恒冷器，其特征在于，所述熱絕緣包含多層絕緣。
52.如權(quán)利要求51所述的恒冷器，其特征在于，所述多層絕緣包含超絕緣。
53.如權(quán)利要求8所述的恒冷器，其特征在于，還包括保護鞘。
54.如權(quán)利要求53所述的恒冷器，其特征在于，所述保護鞘包含聚合物。
55.如權(quán)利要求54所述的恒冷器，其特征在于，所述聚合物包含聚氯乙烯。
56.如權(quán)利要求8所述的電纜，其特征在于，還包括至少一個電絕緣材料。
57.如權(quán)利要求56所述的電纜，其特征在于，所述至少一個電絕緣材料包含多個電絕緣材料。
58.如權(quán)利要求57所述的恒冷器，其特征在于，所述多個電絕緣材料包含至少4個。
59.如權(quán)利要求56所述的恒冷器，其特征在于，所述電絕緣材料包含低溫相容材料。
60.如權(quán)利要求56所述的電纜，其特征在于，至少一個電絕緣材料包含擠壓件。
61.如權(quán)利要求8所述的電纜，其特征在于，還包括至少一個靜電屏蔽。
62.如權(quán)利要求61所述的電纜，其特征在于，所述至少一個靜電屏蔽包含導電材料。
63.如權(quán)利要求61所述的電纜，其特征在于，至少一個靜電屏蔽包含半導體材料。
64.如權(quán)利要求61所述的電纜，其特征在于，至少一個靜電屏蔽能夠?qū)﹄妶鲞M行整形。
65.如權(quán)利要求61所述的電纜，其特征在于，至少一個靜電屏蔽包含多個靜電屏蔽。
66.如權(quán)利要求65所述的電纜，其特征在于，所述多個靜電屏蔽位于電絕緣的任意一側(cè)。
67.如權(quán)利要求65所述的電纜，其特征在于，所述多個靜電屏蔽包括的每至少一個電絕緣材料層兩個靜電屏蔽。
68.如權(quán)利要求8所述的恒冷器，其特征在于，還包括至少一個隔離體。
69.如權(quán)利要求68所述的恒冷器，其特征在于，所述至少一個隔離體包含非電導材料。
70.如權(quán)利要求68所述的恒冷器，其特征在于，所述至少一個隔離體包含低溫相容材料。
71.如權(quán)利要求8所述的電纜，其特征在于，至少一個電相包含多個電相。
72.如權(quán)利要求71所述的電纜，其特征在于，所述多個電相中的至少兩個包括a.心軸；以及b.編織的磁去耦超導導體。
73.如權(quán)利要求71所述的電纜，其特征在于，所述多個電相包含至少兩個電相。
74.如權(quán)利要求8所述的恒冷器，其特征在于，還包括致冷劑通路。
75.如權(quán)利要求74所述的恒冷器，其特征在于，所述致冷劑通路能夠引導流體。
76.如權(quán)利要求75所述的恒冷器，其特征在于，所述流體是液體。
77.如權(quán)利要求76所述的恒冷器，其特征在于，所述液體是液氮。
78.如權(quán)利要求78所述的恒冷器，其特征在于，所述流體是氣體。
79.一種用于傳輸電流的系統(tǒng)，包括a.具有至少一相的至少一個發(fā)電機；b.具有至少一個恒冷器的至少一根超導電纜，所述恒冷器包含至少一個電相，所述電相包括至少一個心軸及編織的磁去耦超導導體；c.終接；以及d.至少一個負載。
80.一種用于傳輸電流的系統(tǒng)，包括a.具有至少一相的至少一個發(fā)電機；b.具有至少一個恒冷器的至少一根超導電纜，所述恒冷器包含至少一個電相，所述電相包括至少一個心軸及編織的磁去耦超導導體；c.至少一個致冷系統(tǒng)；以及d.至少一個負載。
81.一種制造用于傳輸電流的系統(tǒng)的方法，所述方法包括以下步驟a.提供具有至少一相的至少一個發(fā)電機；b.至少一個負載；以及c.提供具有至少一個致冷器的超導電纜，所述恒冷器包含至少一個電相，所述電相包含至少一個心軸及磁去耦超導導體，所述超導電纜用于在所述至少一個發(fā)電機與所述至少一個負載之間的距離的至少一部分上傳輸電流。
82.一種制造可在用于傳輸電流的系統(tǒng)中使用的恒冷器的方法，所述方法包括以下步驟a.提供心軸；以及b.在所述心軸上編織多個超導導體，從而使得所述超導體導體基本磁去耦。
83.一種可在用于傳輸電流的系統(tǒng)中使用的電纜，所述電纜包括a.至少一個心軸；以及b.設置在所述至少一個心軸上的多個磁去耦超導導體。
84.一種可在用于傳輸電流的系統(tǒng)中使用的電纜，所述電纜包括a.至少一個心軸；以及b.編織在所述至少一個心軸上的多個超導導體，從而將所述超導導體磁去耦。
全文摘要
描述了一種用于傳輸電流的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括至少一個發(fā)電機、至少一個恒冷器，以及至少一個負載。該系統(tǒng)還可包括終接、致冷系統(tǒng)，以及終接加致冷系統(tǒng)三者之一。該恒冷器具有至少一個電相，該電相包括至少一個心軸及可通過諸如編織超導體等來實現(xiàn)的磁去耦超導導體。
文檔編號H01B12/06GK1947206SQ200580012582
公開日2007年4月11日 申請日期2005年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月27日
發(fā)明者C·瑞斯 申請人:美國超能公司