СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КАБЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК H01B12/02 

Настоящее изобретение относится к сверхпроводящему кабелю, содержащему каркас, сверхпроводящие слои и электроизоляционный слой. Более точно, настоящее изобретение относится к сверхпроводящему кабелю, допускающему отведение больших токов, вызванных авариями короткого замыкания и подобными, чтобы сдерживать тепловыделение в сверхпроводящем слое, а также обеспечивающему уменьшение потерь переменного тока во время прохождения нормального тока.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны сверхпроводящие кабели, включающие в себя сверхпроводящие проводники, сформированные из высокотемпературных сверхпроводящих проводов на основе висмута и подобных. На фиг.2А показано поперечное сечение трехфазного сверхпроводящего кабеля трехжильного типа, содержащего три кабельных жилы, на фиг.2B показан общий вид жилы. Сверхпроводящий кабель 100 содержит три свитые кабельные жилы 102, заключенные внутри теплоизолирующей трубы 101.

Теплоизолирующая труба 101 содержит двойную трубу, состоящую из гофрированной внешней трубы 101a и гофрированной внутренней трубы 101b и теплоизоляционного материала (не показан), расположенного между ними, внутренность двойной трубы вакуумирована. Каждая кабельная жила 102 содержит, в порядке от ее самой внутренней части, каркас 200, сверхпроводящий проводник 201, электроизоляционный слой 202, экранирующий слой 203, и дефектозащитный слой 204. Каркас 200 выполнен из нормально-проводящего материала, такого как медь или алюминий, является либо полым профилем, либо сплошным. Сверхпроводящий проводник 201 сформирован спиральной намоткой сверхпроводящих проводов по и вокруг каркаса 200 в виде многочисленных слоев. Электроизоляционный слой 202 сформирован обертыванием изоляционного материала, такого как полусинтетические изоляционные бумаги. Экранирующий слой 203 сформирован спиральной намоткой сверхпроводящих проводов, подобных сверхпроводящему проводнику 201, по и вокруг электроизоляционного слоя 202. В нормальных условиях существует индуцированный в экранирующем слое 203 ток, по существу с той же амплитудой, что и тока, протекающего через сверхпроводящий проводник 201, в направлении, обратном ему. Магнитные поля, созданные таким индукционным током, могут подавлять магнитные поля, созданные сверхпроводящим проводником 201, по существу, сводя к нулю магнитные поля, выходящие из кабельной жилы 102 наружу. Обычно, пространство 103, определенное внутренней трубой 101b и соответственными кабельными жилами 102, образует канал для потока хладагента. Дополнительно, на гофрированной внешней трубе 101a сформирован усиливающий слой (защитная покрывающая внешняя оболочка) 104 из поливинилхлорида.

В случае аварий, таких как короткие замыкания или замыкания на массу в системах электропитания по сверхпроводящему кабелю, будут формироваться большие токи. Поэтому, есть необходимость принятия мер для подавления аварийного тока, например установка токоограничивающих устройств, поскольку в противном случае большие токи, превышающие установившиеся токи, будут протекать по сверхпроводящему кабелю. Например, при номинальном напряжении 350 МВ и номинальном токе 3 кА, ток короткого замыкания около 31,5 кА/с будет формироваться в случае аварий короткого замыкания, причем на образцовой линии ток около 31,5 кА будет протекать в течение 1 с. Когда большие токи, превышающие критическое значение тока, протекают через сверхпроводящий проводник, он перестает быть сверхпроводящим, т.е. переводиться в нормальный проводник, при этом изменении будут происходить джоулевы потери тепла. Одновременно большие токи будут индуцированы в экранирующем слое, которые изменят экранирующий слой, переведут его в нормальный проводник, также вызывая джоулевы потери. В частности, когда происходят существенные джоулевы потери, это может вызвать выгорание сверхпроводящих проводов, образующих сверхпроводящий проводник или экранирующий слой, или может внезапно поднять их температуру, испарить хладагент, находящийся в пустотах в пределах проводов, в результате вызвать раздувание (азотное раздувание) сверхпроводящих проводов, и снижая критическое значение тока. Более того, испарение хладагента может вызвать пробой диэлектрика. В этом случае потребуется продолжительное время, чтобы восстановить повреждения, вызванные такими авариями.

Поэтому разработаны технологии для размещения медного слоя между сверхпроводящим проводником и электроизоляционным слоем (см. Японскую выложенную патентную публикацию №2000-067663 (формула изобретения и фиг.1)) или размещения медного слоя по и вокруг внешней окружности защитного слоя (см. Японскую выложенную патентную публикацию №2001-052542 (формула изобретения и фиг.1)), чтобы отводить токи в металлические слои для сдерживания тепловыделения в сверхпроводящих слоях в случае возникновения больших токов, обусловленных авариями, такими как короткие замыкания. В Японской выложенной патентной публикации № 2002-008459 (формула изобретения и фиг.1) раскрыта конфигурация, включающая в себя многочисленные экранирующие слои и многочисленные медные слои, предусмотренные на внешней окружности электроизоляционного слоя, экранирующие слои расположены между медными слоями.

Однако традиционные технологии имеют недостаток, заключающийся в увеличении потерь переменного тока во время прохождения нормальных токов.

Способы, раскрытые в указанных публикациях, предусматривают медный слой для отведения аварийных токов в медный слой, чтобы защищать сверхпроводящий слой в случае аварии, такой как короткие замыкания, а также сокращения потерь вихревого тока во время прохождения нормальных токов. Однако эти технологии используют конфигурации, в которых медный слой предусмотрен на внешней окружности сверхпроводящего слоя (сверхпроводящего проводника или экранирующего слоя), сформированного из сверхпроводящих проводов, т.е. конфигурации, в которой медный слой присутствует снаружи сверхпроводящих слоев. Такие конфигурации имеют недостаток, заключающийся в том, что токи будут протекать через медный слой, вместо сверхпроводящих слоев во время прохождения нормальных токов, в результате произойдет увеличение потерь переменного тока и, в частности, увеличение потерь тепла.

В кабельной жиле более глубокий слой вне сверхпроводящих слоев и медного слоя имеет более высокую индуктивность во время прохождения нормальных токов несмотря на аварии, например короткие замыкания. Поэтому в стандартных конфигурациях медный слой будет иметь меньшую индуктивность, чем сверхпроводящие слои. Следовательно при прохождении нормальных токов, токи будут свободно протекать через медный слой, увеличивая джоулевы потери. В частности, в третьей ссылке, так как предусмотрено больше медных слоев, чем сверхпроводящих слоев, и медные слои предусмотрены снаружи соответственных сверхпроводящих слоев, токи, протекающие через медные слои, будут вызывать значительно большие потери переменного тока.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической задачей настоящего изобретения является создание сверхпроводящего кабеля, обеспечивающего подавление повышения температуры в случае аварий, таких как короткие замыкания, а также обеспечивающего уменьшение потерь переменного тока во время прохождения нормальных токов.

Были проведены различные исследования и в результате, было установлено, что джоулевы потери значительно больше, чем потери вихревого тока, во время прохождения нормальных токов. Поэтому поставленная задача согласно настоящему изобретению решена путем формирования защитного слоя из сверхпроводящего металлического материала на внутренней окружности сверхпроводящих слоев, в частности внутренней окружности второго сверхпроводящего слоя, чтобы уменьшить джоулевы потери в установившихся состояниях.

Согласно настоящему изобретению предложен сверхпроводящий кабель, содержащий каркас из нормально-проводящего металла, первый сверхпроводящий слой, сформированный вокруг внешней окружности каркаса, электроизоляционный слой, сформированный вокруг внешней окружности первого сверхпроводящего слоя, второй сверхпроводящий слой, сформированный вокруг внешней окружности электроизоляционного слоя, и нормально-проводящий металлический слой, сформированный между электроизоляционным слоем и вторым сверхпроводящим слоем.

В дальнейшем настоящее изобретение будет описано более подробно.

Настоящее изобретение касается создания сверхпроводящего кабеля, содержащего кабельную жилу, включающую в себя в порядке от ее самой внутренней части каркас, первый сверхпроводящий слой, электроизоляционный слой и второй сверхпроводящий слой. Сверхпроводящий кабель может быть как однофазным кабелем, включающим в себя одну кабельную жилу, которая описана выше, так и многофазным кабелем, включающим в себя большое количество кабельных жил, которые описаны выше. Таким многофазным кабелем может быть, например, трехфазный сверхпроводящий кабель трехжильного типа, включающий в себя три витых кабеля, размещенных внутри термоизоляционной трубы.

Первым сверхпроводящим слоем может быть, например, слой сверхпроводящего проводника, вторым сверхпроводящим слоем может быть, например, экранирующий слой. Для формирования сверхпроводящих слоев могут использоваться провода из сверхпроводящих материалов. Сверхпроводящими проводами могут быть провода, изготовленные посредством последовательности операций обработки порошка-в-трубе. Например, сверхпроводящими проводами могут быть провода, изготовленные загрузкой порошка сверхпроводящего сырьевого материала на основе висмута, такого как сверхпроводящий сырьевой материал из Bi2223 или Bi2212 внутрь металлических труб из серебра или серебряного сплава, затем протягивания провода для формирования провода, связывания полученных в результате проводов, и затем вкладыванием их в одну трубу для формирования многожильного провода. Вышеупомянутые сверхпроводящие провода могут быть ленточными проводами, изготовленными посредством дополнительной прокатки многожильных проводов. Сверхпроводящие провода могут быть проводами, каждый из которых составлен из трубного пучка, сформированного из серебра или серебряного сплава и сверхпроводящего материала, заключенного в трубный пучок.

В случае аварий, таких как короткие замыкания, кабель согласно изобретению отводит аварийные токи в каркас или нормально-проводящий металлический слой, предусмотренный на внутренней окружности второго сверхпроводящего слоя, а также отводит аварийные токи в сверхпроводящие слои. Например, когда сверхпроводящие слои сформированы из сверхпроводящих проводов, составленных упомянутым трубным пучком и сверхпроводящим материалом, если сверхпроводящие слои превращаются из сверхпроводящей структуры в нормально-проводящую структуру из-за повышения температуры, вызванного прохождением через них аварийных токов, сверхпроводящий материал будет превращен в изолятор, заставляя тем самым токи протекать через трубный пучок. Для того чтобы подавить тепловыделение, обусловленное прохождением тока через трубный пучок, необходимо, чтобы сверхпроводящие провода содержали определенное количество труб в пучке. С другой стороны, если коэффициент трубного пучка в сверхпроводящих проводах увеличен, доля сверхпроводящего материала будет уменьшена, тем самым снижая критическую плотность тока. Поэтому, для того чтобы увеличить критическую плотность тока, диаметр сверхпроводящих проводов должен быть увеличен, т.е. сам сверхпроводящий кабель должен быть сделан более крупным. Это нежелательно, когда требуется компактная кабельная конфигурация. Поэтому, чтобы реализовать сдерживание выделения теплоты и сокращения критической плотности тока сбалансированным образом, желательно, чтобы коэффициент трубного пучка находился в пределах от 1,5 и более, и от 3,0 и менее. Термин «коэффициент трубного пучка» отражает соотношение площади поперечного сечения трубного пучка к площади поперечного сечения сверхпроводящего материала (площадь поперечного сечения трубного пучка/площадь поперечного сечения сверхпроводящего материала).

Предпочтительно, чтобы вышеупомянутые сверхпроводящие слои были сформированы спиральной намоткой проводов из сверхпроводящего материала и были как однослойными, так и многослойными. Предпочтительно, количество использованных сверхпроводящих проводов было выбрано так, чтобы сверхпроводящие слои могли поддерживаться в сверхпроводящем состоянии при рабочей температуре, т.е. при прохождении нормального тока и максимального тока. Когда сверхпроводящие слои выполнены многослойными, желательно, чтобы количество слоев в них определялось аналогично упомянутому выше. Более того, когда сверхпроводящие слои выполнены многослойными, желательно, чтобы между соответственными слоями были расположены межслойные изоляционные слои посредством обертывания крафт-бумагой между ними, так как снабжение таким межслойным изоляционным слоем будет уменьшать потери переменного тока. Кроме того, когда сверхпроводящие слои выполнены многослойными, направление намотки и шаг намотки сверхпроводящих проводов могут быть отрегулированы так, чтобы соответствующие слои однородно разделяли токи, чтобы уменьшить потери переменного тока, генерируемые в сверхпроводящих слоях.

Отличительный признак настоящего изобретения заключается в том, что защитный слой, выполненный из нормально-проводящего металлического материала (нормально-проводящий металлический слой), предусмотрен между электроизоляционным слоем и вторым сверхпроводящим слоем, точнее, на внутренней стороне второго сверхпроводящего слоя. Кроме того, отсутствует нормально-проводящий металлический слой для прохождения через него токов на внешних окружностях сверхпроводящих слоев, в частности, на внешней окружности второго сверхпроводящего слоя. Нормально-проводящий металл может быть металлом, имеющим низкое электрическое сопротивление (медь или алюминий обладают удельным сопротивлением ρ 2×10^-7 Ω·см при 77 К) даже при температурах вблизи температуры хладагента, используемого для сверхпроводящего кабеля (в случае использования в качестве хладагента жидкого азота, при температуре жидкого азота). Например, таким нормально-проводящим металлом может быть медь, алюминий, серебро, медные сплавы, алюминиевые сплавы или серебряные сплавы. Нормально-проводящий металлический слой может быть сформирован с использованием труб, выполненных из указанных нормально-проводящих металлических материалов. Предпочтительно использовать ленточные провода, изготовленные обработкой такого же материала в форме ленты, или круглые провода, изготовленные путем протягивания провода из такого же материала, чтобы придать форму с круглым поперечным сечением, поскольку использование таких проводов облегчит формирование нормально-проводящего металлического слоя. Например, предпочтительно, провода, выполненные из множества нормально-проводящих металлических материалов, наматываются вокруг внешней окружности электроизоляционного слоя, чтобы сформировать нормально-проводящий металлический слой. Предпочтительно использовать провода, выполненные из нормально-проводящего металлического материала для формирования нормально-проводящего металлического слоя, поскольку использование таких проводов облегчит его формирование и может облегчить проникновение хладагента через электроизоляционный слой, первый сверхпроводящий слой и каркас, предусмотренный под нормально-проводящим металлическим слоем.

В случае использования множества проводов, выполненных из упомянутого нормально-проводящего металлического материала для формирования нормально-проводящего металлического слоя, предпочтительно, чтобы каждый из проводов включал в себя изоляционный слой вокруг его внешней окружности. Токи, протекающие через сверхпроводящий проводник, генерируют магнитные поля, которые индуцируют вихревые токи в нормально-проводящем металлическом слое. Чтобы подавить возникновение таких вихревых токов, предпочтительно, чтобы внешние окружности нормально-проводящих металлических проводов были покрыты изоляционным материалом. Изоляционный слой провода может быть сформирован, например, эмалевым покрытием.

Хотя вышеупомянутый нормально-проводящий металлический слой может быть единственным слоем, нормально-проводящий металлический слой, выполненный многослойным, может иметь увеличенную площадь поперечного сечения, чтобы эффективно отводить аварийные токи. В случае использования проводов из нормально-проводящего металлического материала для формирования нормально-проводящего металлического слоя площадь поперечного сечения этого слоя может быть произвольно отрегулирована посредством регулирования количества проводов в нем. Таким образом, использование проводов является предпочтительным, так как это облегчает удовлетворение требований, по сравнению с использованием труб для формирования такого же слоя. Чем больше площадь поперечного сечения нормально-проводящего металлического слоя, тем большие аварийные токи могут быть отведены через него. Однако нормально-проводящий металлический слой, имеющий чрезмерно увеличенную площадь поперечного сечения, будет увеличивать размер кабеля, и поэтому нормально-проводящему слою следует иметь площадь поперечного сечения, допускающую лишь достаточное отведение аварийных токов через него.

Когда нормально-проводящий металлический слой сформирован в виде многослойной конфигурации, предпочтительно, чтобы соответствующие слои, составляющие этот же металлический слой, были электрически изолированы один от другого. Путем изолирования их один от другого возможно уменьшить потери вихревого тока между соответствующими слоями, составляющими нормально-проводящий металлический слой. В качестве способа электрической изоляции одного слоя от другого, может быть использован способ намотки крафт-бумаги, майларовой бумаги, каптоновых (торговая марка Kapton) лент, чтобы сформировать межслойные изоляционные слои.

Чтобы отводить аварийные токи в нормально-проводящий металлический слой в случае аварий, таких как короткие замыкания, необходимо, чтобы нормально-проводящий металлический слой был электрически соединен со сверхпроводящими слоями. В настоящем изобретении нормально-проводящий металлический слой предусмотрен на внутренней стороне второго сверхпроводящего слоя, поэтому предпочтительно, чтобы он был соединен со вторым сверхпроводящим слоем. В этом случае, если второй сверхпроводящий слой и нормально-проводящий металлический слой электрически соединены один с другим по всей длине сверхпроводящего кабеля (кабельной жилы), токи могут протекать через нормально-проводящий металлический слой так же, как через сверхпроводящие слои во время прохождения нормальных токов, что может иметь результатом увеличенные потери переменного тока. Поэтому предпочтительно, чтобы оба слоя соединялись один с другим только на обоих концах кабеля, а не по всей длине. Кроме того, предпочтительно, чтобы оба слоя были электрически изолированы один от другого в средней части кабеля, чтобы сдерживать увеличения потерь переменного тока. Предпочтительно, чтобы межслойный изоляционный слой был расположен между вторым сверхпроводящим слоем и нормально-проводящим металлическим слоем по всей длине кабеля, затем части межслойного изолирующего слоя на обоих концах кабеля были удалены, и затем второй сверхпроводящий слой и нормально-проводящий металлический слой были соединены один с другим посредством пайки. Межслойный изоляционный слой может быть сформирован, например, намоткой крафт-бумаги, майларной бумаги, каптон-ленты (торговая марка Kapton).

Каркас вокруг внутренней окружности первого сверхпроводящего слоя может быть выполнен из нормально-проводящего металла, такого как медь или алюминий, имеющего низкое электрическое сопротивление при температурах, близких к температуре хладагента, используемого для сверхпроводящего кабеля. Каркас может иметь, например, профиль полой трубы. Однако, так как каркас будет также принимать на себя аварийные токи в случае аварий, таких как короткие замыкания, предпочтительно, чтобы каркас имел сплошной профиль, имеющий большую площадь поперечного сечения, чтобы способствовать отведению аварийных токов в каркас. Когда каркас имеет сплошной профиль, конфигурация кабеля может быть более компактной. Такой полнопрофильный каркас может быть сформирован, например, скручиванием множества нормально-проводящих металлических проводов. Скручиванием множества нормально-проводящих металлических проводов механическая прочность каркаса может быть увеличена. Предпочтительно, чтобы каждый из нормально-проводящих металлических проводов, составляющих каркас, также включал в себя изоляционный слой провода вокруг его внешней окружности, аналогичный нормально-проводящим металлическим проводам, составляющим нормально-проводящий металлический слой, так как такой изоляционный слой провода будет уменьшать потери вихревого тока. Предпочтительно, чтобы скрученные нормально-проводящие металлические провода подвергались компрессионному формованию, чтобы придать поперечному сечению округлую форму. Компрессионным формованием могут быть уменьшены промежутки между соответствующими проводами, тем самым уменьшая внешний диаметр каркаса и миниатюризируя конфигурацию кабеля. Кроме того, компрессионным формованием возможно уменьшить вогнутость и выпуклость на внешней поверхности каркаса, сглаживая его наружную поверхность. Это предохраняет первый сверхпроводящий слой от неравномерного формирования, когда он формируется вокруг внешней окружности каркаса, что позволит уменьшить его влияние на форму первого сверхпроводящего слоя.

Электроизоляционный слой вокруг внешней окружности первого сверхпроводящего слоя может быть сформирован, например, намоткой полусинтетической изоляционной бумаги, такой как PPLP- (торговая марка) или крафт-бумаги. Предпочтительно, чтобы толщина электроизоляционного слоя устанавливалась в зависимости от прикладываемого напряжения в кабельных линиях или прикладываемого импульсного напряжения. Предпочтительно, усиливающий слой предусмотрен вокруг внешней окружности второго сверхпроводящего слоя. Усиливающий слой может быть сформирован, например, намоткой крафт-бумаги или тканевой ленты.

Сверхпроводящий кабель согласно настоящему изобретению позволяет получить определенный результат, заключающийся в том, что, так как предусмотрен нормально-проводящий металлический слой, большие аварийные токи, вызванные неисправностями, например коротким замыканием, отводятся в нормально-проводящий металлический слой, который может предотвратить чрезмерное повышение температуры в сверхпроводящих слоях, обусловленное протекающими через них чрезмерными аварийными токами, или повреждениями, обусловленными такими повышениями температуры. В частности, вышеупомянутый нормально-проводящий металлический слой размещен внутри сверхпроводящих слоев, внутри экранирующего слоя, чтобы индуктивность того же металлического слоя была больше, чем у сверхпроводящего слоя. Это может подавить токи, протекающие в том же металлическом слое, т.е. токи практически не будут протекать через слой во время прохождения нормального тока. Следовательно, потери переменного тока в сверхпроводящих слоях могут быть уменьшены.

Кроме того, когда круглые провода с круглым поперечным сечением или ленточные провода, выполненные из нормально-проводящего металла, использованы для формирования нормально-проводящего металлического слоя, его формирование может быть облегчено, а хладагент может легко проникать через сверхпроводящий слой и каркас, предусмотренный под нормально-проводящим металлическим слоем. Когда каждый из проводов включает в себя изоляционный слой провода вокруг наружной окружности металлической части, потери вихревого тока, индуцируемого в нормально-проводящем металлическом слое, могут быть уменьшены.

С другой стороны, жидкий азот используется в качестве хладагента для высокотемпературного сверхпроводящего кабеля и, когда кабельные линии сформированы, жидкий азот циркулирует через кабель. Потому предусмотрена система, с использованием охлаждающей машины, для охлаждения нагреваемого вследствие выделения тепла хладагента при охлаждении соответствующих частей кабеля. Когда сверхпроводящий кабель согласно настоящему изобретению используется в кабельных линиях, оборудованных такой системой, охлаждающая машина должна иметь небольшую емкость, уменьшая затраты на охлаждение и сокращая время, требуемое для охлаждения до желаемой температуры, так как тепловые потери во время прохождения нормального тока являются небольшими, как указано выше.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает общий вид кабельной жилы сверхпроводящего кабеля согласно настоящему изобретению;

фиг.2А - поперечное сечение трехфазного сверхпроводящего кабеля трехжильного типа согласно изобретению;

фиг.2В - общий вид кабельной жилы согласно изобретению.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно настоящему изобретению кабельная жила 1 (фиг.1) содержит, в порядке от ее самой внутренней части, каркас 2, первый сверхпроводящий слой 3 в виде сверхпроводящего проводника, электроизоляционный слой 4, второй сверхпроводящий слой 6 в виде экранирующего слоя и усиливающий слой 7. Отличительным признаком настоящего изобретения является медный слой 5 (нормально-проводящий металлический слой), предусмотренный вокруг внутренней окружности экранирующего слоя, т.е. между электроизоляционным слоем 4 и вторым свхпроводящим слоем 6.

В описываемом варианте осуществления в качестве каркаса 2 использован полнопрофильный каркас, который сформирован скручиванием множества нормально-проводящих металлических проводов, а затем для придания их поперечному сечению круглой формы путем компрессионного формования, при этом каждый из нормально-проводящих металлических проводов содержит медный провод и изоляционный слой из эмалевого покрытия на поверхности медного слоя. Так как каркас имеет сплошной профиль, он имеет большую площадь поперечного сечения, чем у полого профильного каркаса. Следовательно, в случае возникновения больших токов, обусловленных короткими замыканиями, большие токи могут быть эффективно отведены в каркас, причем кабельная конфигурация может быть миниатюризирована. Кроме того, так как провода изолированы один от другого, потери вихревого тока могут быть уменьшены. Благодаря тому, что множество проводов скручено и затем подвергнуто компрессионному формованию, каркас обладает хорошей механической прочностью, кроме того, легко формировать концентрический сверхпроводящий слой 3 вокруг внешней окружности каркаса 2. Каркас 2 электрически связан со сверхпроводящим слоем 3 на обоих концах кабельной жилы 1, что позволяет отводить аварийные токи в каркас 2 в случае аварий коротких замыканий.

В описываемом варианте осуществления первый сверхпроводящий слой 3 и второй сверхпроводящий слой 6 (экранирующий слой) сформированы многократной намоткой сверхпроводящих проводов, изготовленных путем процесса обработки "энергия в трубе". Точнее, первый сверхпроводящий слой 3 и экранирующий слой сформированы путем многократной намотки сверхпроводящих проводов, сверхпроводящие провода сформированы из трубного пучка из серебра или серебряного сплава и сверхпроводящего материала на основе Bi2233, заключенного в трубный пучок. В частности, сверхпроводящие провода, использованные в описываемом варианте осуществления, имеют коэффициент трубного пучка в пределах от 1,5 и более, и от 3,0 и менее. Поскольку коэффициент трубного пучка удовлетворяет вышеприведенному диапазону, возможно избежать уменьшения критической плотности тока и сдерживать тепловыделение, вызванное прохождением аварийных токов, отведенных в трубный пучок в случае возникновения перехода в состояние нормальной проводимости, обусловленного короткими замыканиями.

Первый сверхпроводящий слой 3 сформирован намоткой сверхпроводящих проводов вокруг и по каркасу 2, а второй сверхпроводящий (экранирующий слой) 6 сформирован намоткой проводов вокруг и по медному слою 5. В данном варианте осуществления первый сверхпроводящий слой 3 и второй сверхпроводящий (экранирующий слой) 6 сформированы так, чтобы представлять собой многослойную структуру. Более точно, сверхпроводящий слой 3 сформирован так, что представляет собой четырехслойную структуру, а сверхпроводящий (экранирующий) слой 6 сформирован так, что представляет собой двухслойную структуру. Межслойные изоляционные слои предусмотрены между соответствующими слоями, образующими сверхпроводящий слой 3 и сверхпроводящий (экранирующий) слой 6, намоткой крафт-бумаги. Направление намотки и шаг намотки в соответственных слоях настроены так, что соответствующие слои должны по существу однородно разделять токи. Вышеприведенные конфигурации позволяют эффективно сокращать потери переменного тока, индуцированные в первом сверхпроводящем слое и втором сверхпроводящем (экранирующем) слое.

Электроизоляционный слой 4 сформирован намоткой полусинтетической изоляционной бумаги (PPLP торговая марка фирмы Sumitomo Electric Industries Ltd.) по и вокруг сверхпроводящего слоя 3.

Внутри сверхпроводящего слоя 6 предусмотрен медный слой 5, точнее, между электроизоляционным слоем 4 и слоем 6, предпочтительнее, чем снаружи электроизоляционного слоя 4, а именно, между сверхпроводящим (экранирующим) слоем 6 и усиливающим слоем 7, чтобы индуктивность медного слоя 5 была больше, чем экранирующего слоя. Такая конфигурация позволяет уменьшить потери переменного тока во время прохождения нормального тока и отводить аварийные токи в медный слой 5 и каркас 2 в случае короткого замыкания, чтобы сдержать тепловые потери в первом сверхпроводящем слое 3 и втором сверхпроводящем (экранирующем) слое 6. Медный слой 5 сформирован намоткой медного ленточного провода, содержащего изоляционный слой из эмалевого покрытия на внешней окружности, по и вокруг электроизоляционного слоя 4. Использование ленточного провода облегчает прохождение хладагента через каркас 2, сверхпроводящий слой 3 и электроизоляционный слой 4, размещенные под медным слоем 5. Более того, использование провода, содержащего изоляционный слой, может уменьшить потери вихревого тока в медном слое 5, наводимые магнитными полями, индуцированными токами, протекающими через сверхпроводящий слой 3. Чтобы эффективно отводить аварийные токи в медный слой 5 в случае коротких замыканий, медный слой 5 имеет многослойную структуру с большей площадью поперечного сечения (не показана). Между слоями, составляющими медный слой 5, сформированы межслойные изоляционные слои намоткой крафт-бумаги, чтобы уменьшить потери вихревого тока, наведенного между слоями.

Медный слой 5 может быть сформирован намоткой вокруг провода с круглым поперечным сечением, причем такой провод может включать в себя изоляционный слой провода, сформированный вокруг его внешней окружности. Медный слой 5 может также иметь многослойную структуру, и соответствующие слои, составляющие многослойную структуру, могут быть электрически изолированы один от другого.

Между медным слоем 5 и вторым сверхпроводящим (экранирующим) слоем 6 межслойный изоляционный слой сформирован намоткой крафт-бумаги по всей длине кабельной жилы 1 (не показан). На обоих концах кабельной жилы 1 межслойный изоляционный слой, предусмотренный между медным слоем 5 и слоем 6, частично удален, при этом слой 6 и медный слой 5 электрически соединены один с другим посредством пайки. Эта конфигурация позволяет предотвратить увеличение потерь переменного тока, обусловленных токами, протекающими через медный слой 5 во время прохождения нормального тока, и отводить аварийные токи в медный слой 5 в случае коротких замыканий.

В описываемом варианте осуществления кабель содержит усиливающий слой 7, сформированный намоткой крафт-бумаги вокруг и по второму сверхпроводящему (экранирующему) слою 6. На усиливающем слое 7 предусмотрен защитный слой, сформированный намоткой тканевых лент.

Сверхпроводящий кабель может быть как однофазным сверхпроводящим кабелем, имеющим одну кабельную жилу (фиг.1), так и трехфазным сверхпроводящим кабелем, имеющим три жилы 1 (фиг.2).

Трехфазный сверхпроводящий кабель трехжильного типа на фиг.2 изготовлен скручиванием трех кабельных жил (фиг.1). Были проведены испытания на короткое замыкание. В дальнейшем будут описаны условия для изготовления соответствующих слоев в кабельной жиле.

Кабельная жила имеет диаметр 41 мм.

Для каркаса использованы 37 медных проводов диаметром 2,5 мм.

Отформованное изделие после компрессионного формования имеет диаметр 15,6 мм.

Крафт-бумага (толщиной 0,1 мм) навита вокруг внешней окружности компрессионно отформованного изделия в три слоя, чтобы уменьшить вогнутость и выпуклость поверхности (диаметр после намотки крафт-бумаги составил 16,2 мм).

Для первого сверхпроводящего слоя и второго сверхпроводящего (экранирующего) слоя были использованы сверхпроводящие провода на основе Bi2223 с коэффициентом трубного пучка 2,0.

Количество использованных проводов в порядке от самой внутренней части

Первый сверхпроводящий слой: 13, 14, 15 и 14.

Второй сверхпроводящий (экранирующий) слой: 28 и 29.

Шаг соответственных слоев (в порядке от самой внутренней части)

Первый сверхпроводящий слой 170 мм (Z-намотка), 350 мм (Z-намотка), 550 мм (S-намотка) и 150 мм (S-намотка).

Второй сверхпроводящий (эранирующий) слой: 350 мм (Z-намотка) и 480 мм (Z-намотка).

Толщина межслойного изолирующего слоя составила 0,15 мм.

Электроизоляционный слой: толщина 7 мм.

Медный слой: были использованы ленточные провода с площадью поперечного сечения в 1 мм².

Двухслойная структура

Количество использованных проводов (в порядке от самой внутренней части): 27 и 28.

Толщина межслойного изоляционного слоя 0,15 мм.

Хладагент: жидкий азот.

Ток в 31,5 кА был пропущен через сверхпроводящий кабель вышеупомянутой конфигурации в течение 1 секунды. В результате температуры первого сверхпроводящего слоя и второго сверхпроводящего (экранирующего) слоя составили соответственно 140 К и max 120 К. Затем температуры первого сверхпроводящего слоя и второго сверхпроводящего (экранирующего) слоя возвращали обратно к значениям, при которых они были до прохождения тока, при этом первый сверхпроводящий слой и второй сверхпроводящий (экранирующий) слой не были повреждены. Более того, были определены джоулевы потери во время прохождения нормального тока 1000 А. В результате 3% от общего тока протекало через медный слой, и джоулевы потери составили 0,03 Вт/м. Для сравнения был изготовлен сверхпроводящий кабель, содержащий медный слой вокруг внешней окружности экранирующего слоя, вместо вокруг внутренней окружности, затем был пропущен тот же ток, чтобы определить джоулевы потери. В результате 6% общего тока протекало через медный слой, а джоулевы потери составляли 0,13 Вт/м. Следовательно, было доказано, что сверхпроводящий кабель согласно изобретению, включающий в себя медный слой вокруг внутренней окружности экранирующего слоя, может уменьшить потери переменного тока во время прохождения нормального тока.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Настоящее изобретение может обеспечить подавление повышения температуры в сверхпроводящем слое в случае аварий, таких как короткие замыкания. Более того, настоящее изобретение может уменьшить потери переменного тока во время прохождения нормальных токов. Следовательно, настоящее изобретение может быть результативно использовано в технике электроэнергоснабжения.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к сверхпроводящему кабелю, который содержит каркас (2), слой (3) сверхпроводящего проводника, сформированный вокруг внешней окружности каркаса (2), электроизоляционный слой (4), сформированный вокруг внешней окружности слоя (3) проводника, экранирующий слой (6), сформированный вокруг внешней окружности изоляционного слоя (4), и нормально-проводящий металлический слой (5), сформированный между изоляционным слоем (4) и экранирующим слоем (6). Нормально-проводящий металлический слой (5) находится внутри экранирующего слоя (6), имеет индуктивность большую, чем у экранирующего слоя (6), чем обеспечивается подавление повышения температуры в случае аварий, таких как короткие замыкания, и уменьшение потерь переменного тока при нормальном режиме работы, поскольку большие токи протекают через экранирующий слой (6), что является техническим результатом изобретения. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Сверхпроводящий кабель, содержащий каркас (2) из нормально проводящего материала, первый сверхпроводящий слой (3), сформированный вокруг внешней окружности каркаса (2), электроизоляционный слой (4), сформированный вокруг внешней окружности первого сверхпроводящего слоя (3), второй сверхпроводящий слой (6), сформированный вокруг внешней окружности электроизоляционного слоя (4), и нормально проводящий металлический слой (5), сформированный между электроизоляционным слоем (4) и вторым сверхпроводящим слоем (6).2. Сверхпроводящий кабель по п.1, отличающийся тем, что второй сверхпроводящий слой (6) и нормально проводящий металлический слой (5) электрически изолированы один от другого в средней части кабеля и электрически соединены один с другим на обоих концах кабеля.3. Сверхпроводящий кабель по п.1, отличающийся тем, что нормально проводящий металлический слой (5) сформирован намоткой круглых проводов с круглым поперечным сечением или ленточных проводов, выполненных из нормально проводящего металла.4. Сверхпроводящий кабель по п.3, отличающийся тем, что упомянутые круглые провода содержат изоляционные слои вокруг их внешних поверхностей.5. Сверхпроводящий кабель по п.3, отличающийся тем, что нормально проводящий металлический слой (5) имеет многослойную структуру.6. Сверхпроводящий кабель по п.5, отличающийся тем, что слои, составляющие нормально проводящий металлический слой (5), электрически изолированы один от другого.7. Сверхпроводящий кабель по п.1, отличающийся тем, что первый и второй сверхпроводящие слои (3, 6) сформированы намоткой сверхпроводящих проводов, составленных из трубного пучка, выполненного из серебра или серебряного сплава, при этом сверхпроводящий материал заключен в трубный пучок.8. Сверхпроводящий кабель по п.7, отличающийся тем, что сверхпроводящие провода имеют коэффициент трубного пучка в пределах от 1,5 и более и от 3,0 и менее.9. Сверхпроводящий кабель по п.1, отличающийся тем, что каркас (2) сформирован скручиванием множества нормально проводящих металлических проводов, которые содержат изоляционные слои проводов вокруг их внешней поверхности.10. Сверхпроводящий кабель по п.1, отличающийся тем, что каркас (2) сформирован скручиванием множества нормально проводящих металлических проводов и их последующего компрессионного формования для придания их поперечному сечению круглой формы.