专利名称：超导电缆和超导电缆线路的制作方法
技术领域：
本发明涉及超导电缆和利用该电缆的超导电缆线路(cable line)。更具体地说，本发明涉及一种甚至能防止如短路电流的异常电流的出现而损坏的高温超导电缆，还涉及一种利用此电缆的超导电缆线路。
背景技术：
一直希望能用高温超导电缆提供大量电力。尤其在具有一个受限空间的市区内很难确保铺设新电缆的路线(称作“电缆管道”)。即使实际中可能，建筑上也需要巨大的基础设施成本，这使得这种电缆铺设变得不能实行。
为了解决这个问题，现在正在研制开发一种高温超导电缆，它具有较小的几乎与已知交联聚乙烯(XLPE)电缆相同的尺寸，并能够供给比已知XLPE电缆大若干倍的电流量。在过去制造的电缆系统模型中，三相芯线高温超导电缆被插入其中供给有诸如液氮的冷却介质的一长段绝热管中，该芯线具有缠绕在绕线模上的多层Bi基超导银护套带状线、绝缘层和屏蔽层。
对被设计来放置在地下的XLPE电缆已经采取了抵御由雷雨或自然灾害导致的短路电流的措施。实际当中，这种抵御短路电流的措施对于高温超导电缆也是必需的。迄今为止，已经考虑了下列几项技术①使短路电流流入到铜绕线模中的技术；和②使电缆芯线的过电容量(flowing currentcapacity)远大于正常工作期间的容量，以防止高温超导电缆芯线被短路电流的出现所损坏的技术。此外，③还考虑了一种抑制短路电流并通过连接一个被称作“限流器”的超导设备到所述电缆上来保护高温超导电缆的技术。
但是，利用绕线模分流短路电流的技术导致绕线模横截面积的增大；并且高温超导电流所独有的小面积这一特性被减弱。
使高温超导电缆芯线的过电容量远大于正常工作期间的容量的技术导致电缆的成本增大。
限流器的发展正处于起步阶段，存在系统以及用于开发高压系统的材料中需解决的各种问题，其中所述的高压系统可以应用到66kV或更高的275kV的电缆系统。
发明内容
因此，本发明的主要目的在于提供一种具有限流功能的超导电缆，该限流功能即通过在超导电流超过临界电流时产生电阻来衰减电流，本发明的发明目的还在于提供一种利用这种超导电缆的超导电缆线路。
在本发明中，上述目的可以通过利用RE(稀土元素)基超导线来实现，该超导线在弱化(quenched)时可以具有高电阻。
根据本发明的超导电缆包括第一导体层，其由多条超导线形成；和形成在第一导体层外围的绝缘层，所述的超导线通过在金属衬底上形成RE基超导层制得。
在本发明中，使用在超导-常态转变中能增大电阻的RE基超导线使得超导线能在产生短路电流时具有高的电阻，由此限制电流量并保护电缆不受损坏。
本发明的超导电缆的基本构成使得其依次包括绕线模、第一导体层和一个由内侧到外侧的绝缘层。也可以在绝缘层的外围依次设置第二导体层和保护层。具有上述结构的超导电缆与利用Bi基超导银护套带状线的多层电缆类似。因此，可以容易地实现超导电缆上所加电压的增大以及与Bi基多层型超导电缆的连接。
优选地，第一导体层可以用于正常的电流供给，第二导体层可以用作屏蔽层(shielding layer)。
RE基超导体用作第一和第二导体层的超导体。RE(稀土元素)包括Y、Nd、Sm、Pr、Ho、Eu、Gd等，更具体地说，包括YBa2Cu3Ox、Y2BaCuOx、NdBa2Cu3Ox、Nd4Ba2Cu2Ox、SmBa2Cu3Ox、Sm2BaCuOx、PrBa2Cu3Ox、Pr2BaCuOx，HoBa2Cu3Ox等。
通过在金属衬底上形成RE基超导层获得的超导带状线适于用作RE基超导线。可以将不锈金属作为金属衬底。RE基超导层的形成通过化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)进行。可以在金属衬底和RE基超导层之间设置一个中间层。氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)适于用作中间层材料。
第一导体层螺旋缠绕在绕线模上或平行附着在其上。第二导体层也螺SFC旋缠绕在绝缘层上或平行附着在其上。第一和第二层每个都可以由多层形成。在此情况下，优选地，多个超导层无电感地缠绕，使得自感变小。自感例如可以通过调节超导线的螺距或通过交替颠倒该些层的缠绕方向来减小。
本发明的超导电缆线路包括基部(base)和限流部(current limiter)，该限流部用于衰减超过基部额定电流的电流。限流部由本发明的上述超导电缆形成。
因而，通过将超导电缆线路分成基部和限流部，并利用本发明的超导电缆作为限流部，可以实现一种具备限流功能的电缆线路，该限流功能通过一截短RE基超导线衰减短路电流。
如果限流部具有可以产生抑制短路电流所需的电阻和电感的长度就足够了。因此，如果用一长的导体做基部，并用一短的导体作为限流部，则可以获得一种配置有限流部的超导电缆线路，该限流部用于通过利用目前使用的长度为1m至最大10m的短RE基超导线抑制短路电流。限流部可以设置在基部的端部或中间连接部分。
用于基部的超导电缆优选地可以由一种不同于RE基超导体的超导体形成。作为除RE基超导体以外的超导体，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，更优选地可以使用Bi-Sr-Cu-O型或Bi-Pb-Sr-Cu-O型。
例如，通过将本发明的RE基超导电缆连接到采用长度在约若干千米的长Bi基超导银护套带状线的高温超导电缆的端部部分，可以制造大的高温超导电缆系统。成为本限流部的主要问题之一的增大所加电压的措施可以很容易地采取，因为限流部的结构与电缆的相同。因此，66kV电缆系统中所用的限流部可以很容易地形成为一个系统。
图1是示出根据本发明的超导电缆的截面图；以及图2是示出根据本发明的超导电缆线路的示意图。
具体实施例方式
本发明的实施例叙述如下。
(第一实施例)下面参见图1对本发明的超导电缆的结构进行描述。
(整体结构)构造本发明的超导电缆1，使得电缆芯线2装在一个绝热管8中。每个电缆芯线2由内到外包括绕线模(former)3，第一导体层4和绝缘层5。还可以在绝缘层5的外围上依次设置第二导体层6和保护层7。虽然在本实施例中使用了一个三相芯线高温超导电缆，但也可以使用一个单芯线电缆。
(绕线模)用铝、铜或不锈钢管作为绕线模3，该绕线模是电缆芯线2的最内层部分。或者，考虑到电缆的机械特性，可以采用一股金属线，如细铜线。如果使用管，绕线模的内部I可以用作冷却介质通道。如果使用细铜线，优选用一种绝缘材料涂覆每根铜线以降低涡流损失。
(第一和第二导体层)RE超导体分别用作第一和第二导体层4和6的超导体。通过在金属衬底上形成RE超导层而获得的带状超导体适于用作超导线。第一导体层通过螺旋形缠绕在绕线模上或平行贴附在绕线模上而形成。第二导体层通过螺旋形缠绕在绝缘层上或平行贴附在绝缘层上而形成。在此实施例中，第一导体层4用作电缆导体，第二导体层6用作屏蔽层。保护层7也可以设置在第二导体层6上。
(绝缘层)构造绝缘层5，使得冷却介质浸在缠绕的绝缘材料中。绝缘材料包括绝缘纸，如牛皮纸，半合成纸，如通过至少在聚丙烯膜的一侧层叠牛皮纸而形成的聚丙烯叠层纸(PPLP)，和合成纸，如聚乙烯膜或聚丙烯膜。液氦或液氮用作冷却介质。
(绝热管)绝热管8可以以任何方式构成，只要具有足够的绝热性能即可。但一般采用一种由波纹内管和外管形成的双层结构。在内管和外管之间设置绝热材料，如超绝缘(super insulation)，并且将其间的空间保持在真空态，从而形成绝热层。形成在绝热管8和每根芯线2之间的间隔O用作冷却介质通道。
(保护层)
还可以形成保护层(未示出)以保护绝热管8。例如，在绝热管的表面涂覆一层聚氯乙烯(PVC)。
(第二实施例)以300mm的螺距绕内径为20mmφ、外经为24mmφ、长度为2m的不锈钢管螺旋形缠绕十根宽度为5mm厚度约0.1mm的YBa2Cu3Ox(YBCO)超导带状线，由此形成单层Y基超导电缆导体。该超导带状线构造来使得通过1μm-YSZ中间层在宽度为5mm且厚度为0.1mm的不锈钢衬底上形成2μm-YBCO超导层，并且在其表面覆盖5μm的银，并且液氮中的临界电流约为40A。距离超导电缆各端30cm的范围内的层通过与连接到其上的铜铅合金线焊接而集成一体，用于导流电流。
通过将此导体浸泡在液氮中来进行DC电流载流测试。由1μV/cm的临界电阻的产生所确定的临界电流为400A。
作为比较例，在具有与第二实施例中所用的结构类似的结构的不锈钢管上以300mm的螺距螺旋形缠绕宽度为4mm、厚度约为0.3mm的十根Bi基超导银护套带状线，由此形成单层Bi基超导电缆导体。Bi基超导银护套带状线构造成在宽度为4mm、厚度约为0.3mm的银基体中掩埋入宽度约为30μm的61个Bi2Sr2Ca2Cu3Ox超导层，并且其在液氮中的临界电流约为50A。距离超导电缆导体各端部30cm的范围内的层通过与连接其上的铜铅合金线焊接而集成一体，用于导流电流。
通过在液氮中浸泡此导体来进行DC电流载流测试。由1μV/cm的临界电阻的产生所确定的临界电流为500A。
通过分别将本实施例和比较例中的两个导体连接到AC电源，并通过给该导体提供高于临界电流达十倍的AC来测量电流电压(I-V)特性。结果如下。在本实施例的Y基超导电缆导体中，当AC达到1000A时，通过导体弱化产生电阻而抑制了该电流，并且在该导体中不会流动1500A或更高的电流。即，观察到限流功能的实现。相反，在比较例的Bi基超导电缆导体中，因为用作超导带状线基体的银的低电阻，甚至在5000A在导体中观察到AC电流的流动。即，观察不到电流抑制效应(限流功能)。
(第三实施例)以400mm的螺距绕内径为26mmφ、外经为30mmφ、长度为1m的铜管螺旋形缠绕宽度为5mm且厚度约为0.1mm的二十根HoBa2Cu3Ox(HoBCO)超导带状线，由此形成两层HoBCO超导电缆导体。该HoBCO超导带状线构造成在宽度为5mm、厚度为0.1mm的不锈钢衬底上通过1μm-YSZ中间层形成3μm-HoBCO超导层，并且在该层的表面覆盖5μm的银，液氮中它们的临界电流约为50A。在第一和第二层之间通过半覆盖地包裹10层厚度为0.2mm的牛皮纸形成一个厚度为5mm的绝缘层。第一和第二层在相反的方向上缠绕。距离超导电缆导体各端30cm的范围内的层通过与连接其上的铜铅合金线焊接而集成一体，用于导流电流。
通过在液氮中浸泡此导体来进行DC电流载流测试。对第一和第二层两者而言，由1μV/cm的临界电阻的产生所确定的临界电流为1000A。
以300mm的螺距绕内径为26mmφ、外经为30mmφ、长度为1m的不锈钢波纹管螺旋形缠绕宽度为4mm且厚度约0.3mm的十根Bi基超导银护套带状线(其中在宽度为4mm、厚度为0.3mm的银基体中掩埋宽度约为30μm的61个Bi2223超导层，且液氮中的临界电流约为50A)，由此形成Bi基超导电缆导体的第一层。在第一和第二层之间通过半覆盖地包裹10层厚度为0.2mm的牛皮纸形成一个厚度为5mm的绝缘层，该第二导体层以与第一层相同的结构形成，其不同在于它们的缠绕螺距在彼此相反的方向上。距离超导电缆导体端部30cm范围内的层通过与连接其上的铜铅合金线焊接而集成一体，用于导流电流。
通过在液氮中浸泡此导体来进行DC电流载流测试，且对于第一和第二层两者，由1μV/cm的临界电阻的产生所定义的临界电流为1000A。
通过分别地将两个导体与AC电源连接，并通过给该导体提供高于临界电流达五倍的AC来测量电流电压(I-V)特性。结果如下。在本实施例的Ho基超导电缆导体中，当AC达到1000A时，电流受到导体弱化电流的产生的抑制，并且在该导体中不会流动1500A或更高的电流。即，观察到限流功能的实现。相反，在比较例的Bi基超导电缆导体中，因为作为超导带状线基体的银的低电阻，甚至在5000A观察到AC电流的流动，并且电流抑制效应(限流功能)未实现。而且，由于导体的温度升高，Bi基超导电缆导体被部分地损坏。
(第四实施例)如图2所示，制备第三实施例中所述的两根1m长的RE基超导电缆(限流部)10和第三实施例中所述的一根10m长Bi基超导电缆(基部)20，并且在Bi基超导电缆的两端设置RE基超导电缆。通过电缆的连接构成第一层，使得导体电流流动，并且通过电缆的连接构成第二层，使得流过一个屏蔽电流。
以100A/分钟的增加速率对此复合电缆提供50Hz频率的高达5000A的AC电流。当AC达到或超过1000A时，RE基超导电缆的弱化导致的电阻的产生抑制了电流，并且在导体中不会流动1500A或更高的电流。即，观察到限流功能的实现。另外，在Bi基超导电缆中观察不到电缆的温度升高或损坏，并且证实了可以反复供给电流。因而证实了具有由RE基超导电缆达成的故障自动防护功能。
工业实用性从前述中显见，根据本发明的超导电缆，采用一种RE基超导线，因而通过在导体层的电流超过临界电流时产生电阻来实现故障自动防护电流限制功能，由此防止电缆受到损坏。
另外，利用本发明电缆的具有基部和限流部的电缆线路能够在流过高于基部额定电流的电流时自动衰减电流。
权利要求
1.一种超导电缆，其芯线包括由超导线形成的第一导体层和形成在所述第一导体层外围的绝缘层，其中，所述第一导体层是通过在金属衬底上形成RE基超导层制得的多条超导线的组合件。
2.如权利要求1所述的超导电缆，还包括设置在所述绝缘层外围上的第二导体层，其中，所述第二导体层是通过在金属衬底上形成RE基超导层制得的多条超导线的组合件。
3.如权利要求2所述的超导电缆，其中，所述第一导体层是电缆导体层，所述第二导体层是电缆屏蔽层。
4.如权利要求1所述的超导电缆，其中，超导线在金属衬底和RE基超导层之间有一中间层。
5.一种利用超导电缆的超导电缆线路，其中，所述超导电缆包括基部和用于衰减超过所述基部额定电流的电流的限流部，限流部由权利要求1中所述的超导电缆形成。
6.一种利用超导电缆的超导电缆线路，其中，所述超导电缆包括基部和用于衰减超过所述基部额定电流的电流的限流部，限流部由权利要求2中所述的超导电缆形成。
7.一种利用超导电缆的超导电缆线路，其中，所述超导电缆包括基部和用于衰减超过所述基部额定电流的电流的限流部，限流部由权利要求3中所述的超导电缆形成。
8.一种利用超导电缆的超导电缆线路，其中，所述超导电缆包括基部和用于衰减超过所述基部额定电流的电流的限流部，限流部由权利要求4中所述的超导电缆形成。
9.如权利要求5所述的超导电缆线路，其中，在所述基部的端部或中间连接部分设置限流部。
10.如权利要求5所述的超导电缆线路，其中，所述基部的超导线由不同于RE基超导体的超导体形成。
11.一种包括装在绝热管中的电缆芯线的超导电缆，所述的电缆芯线包括设置在绕线模外围的第一导体层，所述第一导体层是通过在金属衬底上形成RE基超导层而获得的多条超导线形成的组合件；设置在所述第一导体层外围上的绝缘层；设置在所述绝缘层外围上的第二导体层，所述第二导体层是通过在金属衬底上形成RE超导层而获得的多条超导线形成的组合件；以及设置在所述第二导体层外围上的保护层。
全文摘要
一种超导电缆，包括由超导线形成的第一导体层、以及形成在第一导体层外围上的绝缘层。第一导体层是一种超导电缆，该电缆是由Re基超导层以膜的形式设置在金属衬底上形成的多条超导线的组合件，并且该电缆通过在第一导体层的电流超过临界电流时产生电阻来限制电流，抑制超导电缆的损坏。由基部和包括这种超导电缆的限流部形成的一种超导电缆线路能在流过超过基部的额定电流的电流时衰减电流。
文档编号H01B12/02GK1489769SQ02804409
公开日2004年4月14日 申请日期2002年10月10日 优先权日2001年11月2日
发明者大松一也 申请人:住友电气工业株式会社