專利名稱：復合高溫超導導線、高溫超導直流輸電電纜和高溫超導直流輸電系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
復合高溫超導導線、高溫超導直流輸電電纜和高溫超導直流輸電系統(tǒng)，屬于電力傳輸技術或高溫超導電力應用技術領域。
背景技術：
現(xiàn)有電力輸電方式主要是交流輸電。但是，交流輸電存在以下缺點1、由于存在相位和趨膚效應，使得交流輸電的功率損失很大；2、隨著傳送容量的增加，交流輸電的穩(wěn)定性會變得越來越差，不得不采用補償和提高電壓等代價昂貴的手段加以解決；3、導體成本較高；4、線路故障的自我保護能力較差，需要投入大量的人力和物力加以維護。雖然人們曾經(jīng)考慮用直流輸電方式代替交流輸電，但是，由于直流輸電同樣存在著損耗大、導體成本高、維護成本高等難以克服的缺點，使得人們不得不長期忍受著交流輸電所有缺點的痛苦。人們長期夢想著能有一種大容量、低損耗、低成本、易維護的輸電方式的出現(xiàn)。
超導材料的發(fā)明，為大容量、低損耗、低成本、易維護的輸電方式的出現(xiàn)帶來一絲曙光。由于超導材料在臨界溫度以下具有零電阻的特性，使得超導材料成為解決大容量、低損耗輸電的一個非常重要的潛在方式。然而遺憾的是，由于傳統(tǒng)超導材料的工作溫區(qū)太低，使得其運行成本過高。這也使得這種超導輸電技術始終不能得到普遍應用。
隨著高溫超導材料的出現(xiàn)及其相應技術的發(fā)展，制作高溫超導電纜已具備了必要的基礎。由于工作溫區(qū)(臨界溫度)的提高，使得利用高溫超導材料制作的電纜，其輸電運行的成本將大大低于利用傳統(tǒng)超導材料制成電纜的輸電運行成本。
目前國內(nèi)已有超導電纜的申請專利，但多數(shù)都限于交流輸電的超導電纜，另外，在涉及超導電纜核心的超導導線方面的發(fā)明創(chuàng)造卻是鮮見。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供復合高溫超導導線，具有電流容量大，同時能夠避免單根基元導線臨界電流不均勻的問題，同時還具有更好的熱穩(wěn)定性和力學穩(wěn)定性；提供基于所述復合高溫超導導線的高溫超導直流輸電電纜，損耗極低、適合大電流低壓直流輸電，且具有良好的熱穩(wěn)定和力學穩(wěn)定性；提供基于所述高溫超導直流輸電電纜的高溫超導直流輸電系統(tǒng)，實現(xiàn)低壓無阻大容量直流電力傳輸，同時兼有輸運各種制冷劑(如液氮、液氫、液氦等)的功能。
本發(fā)明提供的復合高溫超導導線，包括基元高溫超導導線，其特征在于，至少由兩根以上的基元高溫超導導線重疊在一起構成復合高溫超導導線。
上述復合高溫超導導線的基元高溫超導導線之間，可以加入一層起強化和穩(wěn)定作用的金屬帶，兩層金屬帶之間至少有一根基元高溫超導導線。
上述復合高溫超導導線帶的兩層金屬帶之間，也可以有并排分布的多根基元高溫超導導線或是并排分布的多根復合高溫超導導線。
上述復合高溫超導導線帶的金屬帶可以是機械強度高的不銹鋼帶或導熱導電性好的銅箔或銀合金箔，實際應用時也可以交替使用兩類金屬帶。
上述復合高溫超導導線帶的基元高溫超導導線可以是利用不同高溫超導材料及按不同工藝制備的任何具有高溫超導特性的導線，也可以是它們的組合。例如下列幾種可供實際選用的基元高溫超導導線1.利用粉末裝管技術制備的(Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu3O10+x(Tc~110K)或(Bi，Pb)2Sr2Ca1Cu2O8-x(Tc~85K)金屬包套導線，也即Bi(Pb)SrCaCuO(Bi-2223/Ag或Bi-2212/Ag)鉍系套銀導線。其基元導線結構為單芯或多芯帶狀導線(通常截面如~3mm×0.3mm)。多芯導線具有更好的實用特性，具有很高的臨界工程電流密度Je~104A/cm2-77K，已達到了實用化的水平。2.釔系鍍膜導線-Y-123/基體，即Y1Ba2Cu3O7-x(Tc~92K)鍍膜導線。其基本制備工藝有兩種(IBAD技術)在基帶(襯底)上的隔離層上鍍膜的超導導線；(RABiTS技術)在輥軋輔助雙軸織構襯底(Ni)上鍍膜的超導導線。這類導線具有比1.更高的臨界電流密度，但目前生產(chǎn)成本較高。3.二硼化鎂金屬包套超導導線-MgB2(Tc~39K)。這種導線運行需要利用液氫冷卻方案。
本發(fā)明提供的高溫超導直流輸電電纜，如圖5、6所示，為至少包括制冷液管3、高溫超導層4、絕緣絕熱層5和保護殼層6的多層結構，其特征在于，所述制冷液管3為金屬管，其內(nèi)壁或(和)外壁具有若干沿軸向分布的U型導槽，每個U型導槽內(nèi)均嵌有一根本發(fā)明所述的復合高溫超導導線，所有U型導槽內(nèi)的復合高溫超導導線組合在一起構成所述的高溫超導層4。
上述高溫超導直流輸電電纜可以是圓形電纜，也可以是扁平狀電纜。如圖6所設計的扁平狀電纜結構，其自然彎曲方向與高溫超導導線的有利彎曲方向相一致，因此在實際制備，運輸和鋪設時，能夠更好地保護高溫超導材料的特性。
上述高溫超導直流輸電電纜，其制冷液管3的內(nèi)壁或(和)外壁的U型導槽可以平行于軸線分布或螺旋式分布于制冷液管壁。
上述高溫超導直流輸電電纜，也可以具有多層絕緣絕熱保護層，如圖6所示，在高溫超導層4和絕緣絕熱層5之間還有一層絕緣層7，在絕緣層7和絕緣絕熱層5之間還有一層真空熱屏層8，所述真空熱屏層8由絕緣層7和絕緣絕熱層5之間抽真空并加以輕質填充物或固定物所構成。
本發(fā)明所述的高溫超導直流輸電電纜，其中關鍵的超導體導電層的設計估算如下例如設計一條額定電流10kA的高溫超導電纜。一般高溫超導基元導線的臨界工程電流密度＞104A/cm2(77K)，若按104A/cm2??；基元超導導線在超導體導電層的填充系數(shù)若取λ＝0.5，則高溫超導電纜超導體導電層的截面積S＝I/(λJe)為2cm2。這遠遠小于普通電纜所需正常導體截面積值~40cm2。其他層(絕緣絕熱層、真空熱屏層、絕緣層、保護殼層)等，可以根據(jù)相應的工業(yè)制造標準設計具體參數(shù)和選取適當?shù)牟牧现圃?，不是本發(fā)明的發(fā)明重點。
本發(fā)明提供的高溫超導直流輸電系統(tǒng)，包括交直流轉換裝置10、高溫超導電纜9和相應的制冷系統(tǒng)，源地交流電經(jīng)交直流轉換裝置10轉換成直流電后，經(jīng)高溫超導電纜輸至目的地，再經(jīng)交直流轉換裝置轉換成交流電，其特征在于，所述高溫超導電纜為本發(fā)明所述的高溫超導直流輸電電纜。
所述制冷系統(tǒng)根據(jù)制冷方式的不同具有不同的方式，若使用制冷液制冷，制冷系統(tǒng)可以由具有制冷液調(diào)控功能的換流站或接力站(A(1)、A(2)……A(n))所構成，所用制冷液為任何沸點低于所述高溫超導直流輸電電纜的高溫超導層的臨界溫度Tc的制冷液，可以是液氮、液氫、液氖、液氬等；若使用制冷機制冷，制冷系統(tǒng)可以由裝有制冷機的換流站或接力站(A(1)、A(2)……A(n))所構成。
所述高溫超導直流輸電系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)根據(jù)制冷方式的不同具有不同的方式，若使用制冷液制冷，制冷系統(tǒng)可以是制冷液加換流站(A(1)、A(2)……A(n))，所用制冷液為任何沸點低于所述高溫超導直流輸電電纜的高溫超導層的臨界溫度Tc的制冷液，可以是液氮、液氫、液氖、液氬等；若使用制冷機制冷，制冷系統(tǒng)可以是制冷液加冷卻接力站(A(1)、A(2)……A(n))，制冷液具有更多的選擇。
所述換流站或電纜連接冷卻接力站(A(1)、A(2)……A(n))可同時實現(xiàn)冷卻液緩沖調(diào)節(jié)和電纜連接功能。
所述換流站或電纜連接冷卻接力站(A(1)、A(2)……A(n))可等距離分布，如每隔1km或2km或5km或10km一個，也可以根據(jù)實際情況的需要不等距離分布。
所述冷卻系統(tǒng)可以同時實現(xiàn)將制冷液從源地運輸至目的地或中間目的地的功能。尤其是這一冷卻系統(tǒng)可與未來的液氫能源輸送系統(tǒng)復合，具有更大的應用優(yōu)勢。
本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明所述的復合高溫超導導線，具有電流容量大，同時能夠避免單根基元導線臨界電流不均勻的問題，同時具有更好的熱穩(wěn)定性和力學穩(wěn)定性。
2、本發(fā)明所述的高溫超導直流輸電電纜，無電阻能量損耗，能夠大大提高傳導電流密度，適合大電流低壓直流輸電，且具有良好的熱穩(wěn)定性和力學穩(wěn)定性。
3、本發(fā)明所述的高溫超導直流輸電系統(tǒng)，實現(xiàn)低壓無阻大容量直流電力傳輸在相同電壓等級條件下，可提高約10倍的傳輸容量；或在相同傳輸容量條件下，大為減少降低電壓等級，從而大大降低輸電成本。
4、本發(fā)明所述的高溫超導直流輸電系統(tǒng)，同時兼有輸運各種制冷劑(如液氮、液氫、液氦等)的功能，尤其是可以運輸液氫能源，可以預見，本發(fā)明具有極大的應用推廣價值。
圖1為高溫超導基元導線截面示意圖。
圖2為一種復合高溫超導導線截面示意圖。
圖3為另一種復合高溫超導導線截面示意圖，其中，1為基元高溫超導導線，2為金屬帶。
圖4為圖3所示的復合高溫超導導線縱向剖面示意圖，其中，1為基元高溫超導導線，2為金屬帶。
圖5為本發(fā)明所述的一種高溫超導直流輸電電纜結構示意圖，其中，3為制冷液管，4為高溫超導層，5為絕緣絕熱層，6為保護殼。
圖6為本發(fā)明所述的另一種高溫超導直流輸電電纜結構示意圖，其中，3為制冷液管，4為高溫超導層，5為絕緣絕熱層，6為保護殼，7為絕緣層，8為真空熱屏層。
圖7為復合高溫超導導線與制冷液管結合示意圖。
圖8為高溫超導直流輸電系統(tǒng)示意圖，其中，9為高溫超導直流輸電電纜，10為交直流轉換裝置，A(1)至A(n)為換流站或電纜連接冷卻接力站。
權利要求
1.復合高溫超導導線，包括基元高溫超導導線，其特征在于，至少由兩根以上的基元高溫超導導線重疊在一起構成復合高溫超導導線。
2.根據(jù)權利要求1所述的復合高溫超導導線，其特征在于，所述基元高溫超導導線(1)之間可以加入一層起強化和穩(wěn)定作用的金屬帶(2)，兩層金屬帶之間至少有一根基元高溫超導導線。
3.根據(jù)權利要求2所述的復合高溫超導導線，其特征在于，所述兩層金屬帶之間也可以有并排分布的多根基元高溫超導導線或是并排分布的多根復合高溫超導導線。
4.根據(jù)權利要求3所述的復合高溫超導導線，其特征在于，金屬帶可以是機械強度高的不銹鋼帶或導熱導電性好的銅箔或銀合金箔，實際應用時也可以交替使用兩類金屬帶。
5.根據(jù)權利要求1所述的復合高溫超導導線，其特征在于，所述基元高溫超導導線可以是利用不同高溫超導材料及按不同工藝制備的任何具有高溫超導特性的導線，也可以是它們的組合。
6.高溫超導直流輸電電纜，為至少包括制冷液管(3)、高溫超導層(4)、絕緣絕熱層(5)和保護殼層(6)的多層結構，其特征在于，所述制冷液管(3)為金屬管，其內(nèi)壁或/和外壁具有若干沿軸向分布的U型導槽，每個U型導槽內(nèi)均嵌有一根本發(fā)明所述的復合高溫超導導線，所有U型導槽內(nèi)的復合高溫超導導線組合在一起構成所述的高溫超導層(4)。
7.根據(jù)權利要求6所述的高溫超導直流輸電電纜，其特征在于，所述高溫超導直流輸電電纜可以是圓形電纜，也可以是扁平狀電纜。
8.根據(jù)權利要求6所述的高溫超導直流輸電電纜，其特征在于，所述制冷液管(3)的內(nèi)壁或/和外壁的U型導槽可以平行于軸線分布或螺旋式分布于制冷液管壁。
9.根據(jù)權利要求6所述的高溫超導直流輸電電纜，其特征在于，所述述高溫超導直流輸電電纜也可以具有多層絕緣絕熱保護層，如在高溫超導層(4)和絕緣絕熱層(5)之間還有一層絕緣層(7)，在絕緣層(7)和絕緣絕熱層(5)之間還有一層真空熱屏層(8)，所述真空熱屏層(8)由絕緣層(7)和絕緣絕熱層(5)之間抽真空并加以輕質填充物或固定物所構成。
10.高溫超導直流輸電系統(tǒng)，包括交直流轉換裝置(10)、高溫超導電纜(9)和相應的制冷系統(tǒng)，源地交流電經(jīng)交直流轉換裝置(10)轉換成直流電后，經(jīng)高溫超導電纜輸至目的地，再經(jīng)交直流轉換裝置轉換成交流電，其特征在于，所述高溫超導電纜為本發(fā)明所述的高溫超導直流輸電電纜。
11.根據(jù)權利要求10所述的高溫超導直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述制冷系統(tǒng)根據(jù)制冷方式的不同具有不同的方式，若使用制冷液制冷，制冷系統(tǒng)可以由具有制冷液調(diào)控功能的換流站或接力站(A(1)、A(2)……A(n))所構成，所用制冷液為任何沸點低于所述高溫超導直流輸電電纜的高溫超導層的臨界溫度Tc的制冷液，可以是液氮、液氫、液氖、液氬等；若使用制冷機制冷，制冷系統(tǒng)可以由裝有制冷機的換流站或接力站(A(1)、A(2)……A(n))所構成。
12.根據(jù)權利要求11所述的高溫超導直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述換流站或電纜連接冷卻接力站(A(1)、A(2)……A(n))可同時實現(xiàn)冷卻液調(diào)控和電纜連接功能。
13.根據(jù)權利要求11所述的高溫超導直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述換流站或電纜連接冷卻接力站(A(1)、A(2)……A(n))可等距離分布，如每隔1km或2km或5km或10km一個，也可以根據(jù)實際情況的需要不等距離分布。
14.根據(jù)權利要求10所述的高溫超導直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述制冷系統(tǒng)可以同時實現(xiàn)將制冷液從源地運輸至目的地或中間目的地的功能。
全文摘要
復合高溫超導導線、高溫超導直流輸電電纜和高溫超導直流輸電系統(tǒng)，屬于電力傳輸技術領域。復合高溫超導導線至少由兩根以上的基元高溫超導導線重疊構成，基元導線之間可以加入起強化和穩(wěn)定作用的金屬帶；高溫超導直流輸電電纜為至少包括制冷液管、基于復合高溫超導導線的導體層、絕緣絕熱層和保護殼層的多層結構，復合高溫超導導線呈直線或螺旋狀嵌于冷液管內(nèi)/外壁的U型導槽內(nèi)；高溫超導直流輸電系統(tǒng)由交直流轉換裝置、高溫超導直流輸電電纜和相應的制冷系統(tǒng)組成。其導線/電纜電流容量大，電流分布均勻，具有更好的熱穩(wěn)定性和力學穩(wěn)定性，無電阻能量損耗，適合大電流低壓直流輸電；其輸電系統(tǒng)可實現(xiàn)低壓無阻大容量直流電力傳輸，降低輸電成本，兼有輸運各種制冷劑的功能。
文檔編號H01B12/00GK1787121SQ200510021880
公開日2006年6月14日 申請日期2005年10月18日 優(yōu)先權日2005年10月18日
發(fā)明者金建勛 申請人:電子科技大學