專利名稱：超導(dǎo)電纜線路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括超導(dǎo)電纜的電源線路。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)電纜線路，該超導(dǎo)電纜線路降低侵入超導(dǎo)電纜中的熱量，從而降低用于冷卻電纜中所用的冷卻劑的能量，并該電纜線作為一個(gè)整體，能夠增加性能系數(shù)(COP)。
背景技術(shù)：
通常已知一種包括熱絕緣管的超導(dǎo)電纜，該熱絕緣管容納帶有超導(dǎo)體層的電纜芯。這種超導(dǎo)電纜例如包括具有容納一個(gè)電纜芯的熱絕緣管的單芯電纜或者容納成一束的三個(gè)電纜芯的三芯電纜。圖7是用于三相交流電的三芯超導(dǎo)電纜的橫截面視圖。圖8是每個(gè)電纜芯102的橫截面視圖。這種超導(dǎo)電纜100具有在一個(gè)熱絕緣管101中容納三股電纜102的結(jié)構(gòu)。熱絕緣管101的結(jié)構(gòu)是熱絕緣材料(未示出)設(shè)置在雙層管之間，該雙層管由外管101a和內(nèi)管101b形成，并排出管101a、101b之間的空氣。每個(gè)電纜芯102從其中心部分開(kāi)始包括定徑管200、超導(dǎo)體層201、電絕緣層202、超導(dǎo)屏蔽層203和保護(hù)層204。內(nèi)管101b和每個(gè)電纜芯102圍繞的空間103用作冷卻劑如液氮的通道。通過(guò)冷卻劑冷卻來(lái)維持電纜芯102的超導(dǎo)體層201和超導(dǎo)屏蔽層203的超導(dǎo)狀態(tài)。在熱絕緣管101的外周邊上設(shè)有防腐蝕層104。
超導(dǎo)電纜必須用冷卻劑如液氮來(lái)連續(xù)地冷卻，從而維持超導(dǎo)體層和超導(dǎo)屏蔽層的超導(dǎo)狀態(tài)。因此，使用超導(dǎo)電纜的線路通常包括用于冷卻劑的冷卻系統(tǒng)。利用這種系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行循環(huán)冷卻，其中，將從電纜噴射出的冷卻劑冷卻，并且該冷卻后的冷卻劑再次流入電纜。
通過(guò)利用冷卻系統(tǒng)將冷卻劑冷卻至適當(dāng)?shù)臏囟?，通過(guò)充分降低冷卻劑因電流通過(guò)而產(chǎn)生的熱或者從外部如環(huán)境侵入的熱所造成的冷卻劑溫度增加，超導(dǎo)電纜能夠維持超導(dǎo)體層和超導(dǎo)屏蔽層的超導(dǎo)狀態(tài)。然而，在冷卻劑是液氮時(shí)，將冷卻劑冷卻以克服這種產(chǎn)生的或者侵入的熱所需的能量變成至少高于由冷卻劑來(lái)冷卻電纜所需的能量的10倍。因此，在包括用于冷卻劑的冷卻系統(tǒng)的超導(dǎo)電纜線路作為一個(gè)整體來(lái)考慮時(shí)，性能系數(shù)(COP)變成0.1或更低。這種低COP是降低超導(dǎo)裝置如超導(dǎo)電纜的應(yīng)用效果的其中一個(gè)原因。因此，日本專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)JP2002-130851(專利文獻(xiàn)1)和日本專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)JP10-092627(專利文獻(xiàn)2)中的每一個(gè)提出利用液化天然氣(LNG)的冷熱(cold heat)來(lái)冷卻超導(dǎo)線圈的冷卻劑。
另一方面，隨著燃料電池車輛的研制，計(jì)劃在日本的許多地方建立氫氣站，以存儲(chǔ)用來(lái)供給燃料電池車輛的壓縮氫氣或者液氫。氫氣站例如包括用于存儲(chǔ)在工廠生產(chǎn)并輸送的液氫或者在氫氣站生產(chǎn)的液氫的罐，以及用于將汽化的氫液化以維持其在液態(tài)的冷卻系統(tǒng)。盡管可以利用冷卻系統(tǒng)來(lái)冷卻至適當(dāng)?shù)臏囟?，從而可以將氫氣維持在液態(tài)，但是，由于液氫具有大約20K的低溫沸點(diǎn)，這與環(huán)境的常溫顯著不同，從外部侵入的熱變得很大。因此，就需要大量的能量來(lái)冷卻液氫，以降低因熱侵入所產(chǎn)生的溫度增加。
專利文獻(xiàn)1日本專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)JP2002-130851專利文獻(xiàn)2日本專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)JP10-092627發(fā)明內(nèi)容上述的各個(gè)專利文獻(xiàn)1和2只是披露了使用LNG的冷熱來(lái)用于冷卻超導(dǎo)線圈的冷卻劑，并且沒(méi)有考慮降低從外部侵入的熱。另一方面，在液氫氣站，也希望能夠降低用于冷卻氫的能量，如上所述。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供超導(dǎo)電纜線路，其能夠降低侵入超導(dǎo)電纜中的熱，并能夠總體上降低用于冷卻超導(dǎo)電纜的能量和用于冷卻液氫的能量。
本發(fā)明通過(guò)在輸送液氫的熱絕緣管中設(shè)置超導(dǎo)電纜并在液氫和電纜的冷卻劑之間交換熱來(lái)獲得上述目的。也就是說(shuō)，本發(fā)明的超導(dǎo)電纜線路包括用于輸送液氫的用于流體的熱絕緣管和超導(dǎo)電纜，該超導(dǎo)電纜置于該用于流體的熱絕緣管內(nèi)，以用溫度高于該液氫的冷卻劑冷卻超導(dǎo)部分。還包括用于冷卻液氫和提升由液氫冷卻的超導(dǎo)電纜的冷卻劑的溫度的熱交換裝置。以下將更加詳細(xì)地?cái)⑹霰景l(fā)明。
用于本發(fā)明的超導(dǎo)電纜的結(jié)構(gòu)包括超導(dǎo)部分和熱絕緣管，該超導(dǎo)部分由超導(dǎo)材料形成，該熱絕緣管(以下稱作用于電纜的熱絕緣管)容納超導(dǎo)部分并充滿用于冷卻超導(dǎo)部分的冷卻劑。超導(dǎo)部分可包括超導(dǎo)體層和外部超導(dǎo)層，其中，超導(dǎo)體層用于流經(jīng)電源電流，外部超導(dǎo)層用于在相反方向上流經(jīng)與超導(dǎo)體層的電流值大致相同的電流。超導(dǎo)部分通常形成在電纜芯中。因此，超導(dǎo)電纜可通過(guò)將包括超導(dǎo)層的超導(dǎo)電纜裝入用于電纜的熱絕緣管中而構(gòu)成。電纜芯的更具體結(jié)構(gòu)從其中心部分開(kāi)始包括定徑管、超導(dǎo)體層、電絕緣層、外部超導(dǎo)層和保護(hù)層。用于電纜的熱絕緣管可容納一個(gè)電纜芯(單芯(一個(gè)芯))或多個(gè)電纜芯(多個(gè)芯)。更具體地說(shuō)，例如，在本發(fā)明的線路用于三相AC傳輸時(shí)，可以使用具有用于容納三股芯的用于電纜的熱絕緣管的三芯電纜，在本發(fā)明的線路用于單相AC傳輸時(shí)，可以使用單芯電纜，該單芯電纜具有容納一個(gè)芯的用于電纜的熱絕緣管。例如，在本發(fā)明的線路用于DC傳輸(單極傳輸)時(shí)，可以使用具有用于容納一個(gè)芯的用于電纜的熱絕緣管的單芯電纜，在本發(fā)明的線路用于DC傳輸(雙極傳輸)時(shí)，可以使用具有容納兩束或三束芯的用于電纜的熱絕緣管的兩芯電纜或者三芯電纜。如上所述，本發(fā)明的超導(dǎo)電纜線路可以用于DC傳輸或AC傳輸。
例如，可通過(guò)螺旋地卷繞帶形導(dǎo)線來(lái)形成超導(dǎo)體層，該帶形導(dǎo)線包括由基于Bi的氧化物的超導(dǎo)材料的多個(gè)金屬絲，更具體地說(shuō)，是基于Bi2223的超導(dǎo)材料的多個(gè)金屬絲制成，該金屬絲設(shè)置在如銀護(hù)套的基體中。超導(dǎo)體層可具有單層或多層結(jié)構(gòu)。在超導(dǎo)體層具有多層結(jié)構(gòu)時(shí)，可在其中設(shè)置層間絕緣層。層間絕緣層可通過(guò)卷繞絕緣紙如牛皮紙或者半合成的絕緣紙如PPLP(Sumitomo Electric Industries，Ltd.的商標(biāo))而形成。超導(dǎo)體層通過(guò)將由超導(dǎo)材料制成的導(dǎo)線圍繞定徑管卷繞而形成。定徑管可以是由金屬材料如銅或鋁形成的實(shí)心體或中空體，并且具有例如為多束銅導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)?？梢允褂脦Ы^緣涂層的銅導(dǎo)線。定徑管用作超導(dǎo)體層的形狀維持部件。墊層可插入在定徑管和超導(dǎo)體層之間。墊層避免了在定徑管和超導(dǎo)導(dǎo)線之間金屬的直接接觸，從而避免超導(dǎo)導(dǎo)線受到損害。特別地，在定徑管為絞合結(jié)構(gòu)時(shí)，墊層也具有使得定徑管的表面光滑的功能。絕緣紙或復(fù)寫紙可以適當(dāng)?shù)赜米鲏|層的指定材料。
電絕緣層可通過(guò)將半合成絕緣紙如PPLP(商標(biāo))或者絕緣紙如牛皮紙卷繞在超導(dǎo)體層上而形成。半導(dǎo)體層可由復(fù)寫紙等形成在電絕緣層的內(nèi)周邊或外周邊中的至少一個(gè)上，也就是說(shuō)，形成在超導(dǎo)體層和電絕緣層之間以及電絕緣層和外部超導(dǎo)層(以下敘述)之間。通過(guò)形成內(nèi)部半導(dǎo)體層(作為前者)，或者形成外部半導(dǎo)體層(作為后者)，超導(dǎo)體層和電絕緣層之間或者電絕緣層和外部超導(dǎo)層之間的附著力增加，從而抑制因部分放電等而產(chǎn)生的劣化。
在本發(fā)明的線路用于DC傳輸時(shí)，電絕緣層可受到ρ分級(jí)，以在電絕緣層的內(nèi)周邊側(cè)獲得低電阻率，在外周邊側(cè)獲得高電阻率，從而使得在其直徑方向(厚度方向)上的DC電場(chǎng)分布變得平滑。如上所述，“ρ分級(jí)”是指在電絕緣層的厚度方向上的電阻率以階梯方式改變，這可使得電絕緣層的整個(gè)厚度方向上的DC電場(chǎng)分布變得平滑，并能夠減小電絕緣層的厚度。盡管不具體限制具有不同電阻率的層數(shù)，但是，實(shí)際采用兩層或三層。特別地，在各層的厚度均衡時(shí)，可以更有效地執(zhí)行DC電場(chǎng)分布的平滑度。
可以使用電阻率(ρ)相互不同的絕緣材料來(lái)執(zhí)行ρ分級(jí)。在使用絕緣紙如牛皮紙時(shí)，例如，可以通過(guò)改變牛皮紙的密度或者向牛皮紙中加入雙氰胺來(lái)改變電阻率。在使用由絕緣紙和塑料薄膜如PPLP(商標(biāo))形成的復(fù)合紙時(shí)，可通過(guò)改變比率k、或者通過(guò)改變絕緣紙的密度、材料、添加劑等來(lái)改變電阻率，其中，比率k＝(tp/T)×100，為塑料薄膜的厚度tp與整個(gè)復(fù)合紙的厚度T之間的比率。比率k的值優(yōu)選例如在40-90％的范圍內(nèi)。通常，電阻率ρ隨著比率k增加而升高。
此外，在電絕緣層具有高ε層時(shí)，除了增加直流耐壓特性之外，還可增加Imp.耐壓特性，其中高ε層設(shè)置在超導(dǎo)導(dǎo)體附近并具有比另一部分高的介電常數(shù)。介電常數(shù)ε(20℃)在一般牛皮紙中為大約3.2-4.5，在比率為40％的復(fù)合紙中為大約2.8，在比率為60％的復(fù)合紙中為大約2.6，以及在比率為80％的復(fù)合紙中為大約2.4。特別優(yōu)選由使用高比率k和高氣密性的牛皮紙的復(fù)合紙構(gòu)造的電絕緣層，這是因?yàn)橹绷髂蛪汉虸mp.耐壓增加。
除了上述的ρ分級(jí)之外，通過(guò)構(gòu)造介電常數(shù)ε向著內(nèi)周邊側(cè)增加并向著外周邊側(cè)降低的電絕緣層，形成也適用于AC傳輸?shù)碾娎|。在電絕緣層的直徑方向上的整個(gè)區(qū)域內(nèi)也執(zhí)行“ε分級(jí)”。另外，進(jìn)行了上述ρ分級(jí)的超導(dǎo)電纜的DC特征較好，并且可適用作DC傳輸線路。另一方面，大部分電流傳輸線路構(gòu)造用于AC傳輸。在傳輸系統(tǒng)從AC系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為DC系統(tǒng)時(shí)，會(huì)發(fā)生其中AC傳輸在轉(zhuǎn)換成DC傳輸之前利用進(jìn)行了ρ分級(jí)的超導(dǎo)電纜進(jìn)行瞬時(shí)傳輸?shù)那闆r。例如在一部分傳輸線路的電纜用進(jìn)行了ρ分級(jí)的超導(dǎo)電纜取代，而其他部分仍是用于AC傳輸?shù)碾娎|時(shí)，或者在用于傳輸線路的AC傳輸?shù)碾娎|用進(jìn)行了ρ分級(jí)的超導(dǎo)電纜取代，而連接到電纜的傳輸裝置仍是用于AC的裝置時(shí)，可出現(xiàn)這種情況。在這種情況下，利用進(jìn)行了ρ分級(jí)的超導(dǎo)電纜來(lái)瞬時(shí)執(zhí)行AC傳輸，然后，系統(tǒng)最終轉(zhuǎn)換成DC傳輸。因此，超導(dǎo)電纜優(yōu)選不僅可設(shè)計(jì)為具有良好的DC特征，而且還考慮具有AC特征。在也考慮AC特征時(shí)，可通過(guò)構(gòu)造介電常數(shù)ε朝向內(nèi)周邊側(cè)增加且朝向外周邊側(cè)降低的電絕緣層來(lái)構(gòu)造具有良好脈沖特征如浪涌的超導(dǎo)電纜。然后，在上述的瞬變期間結(jié)束并且執(zhí)行DC傳輸時(shí)，在瞬變期間使用的進(jìn)行了ρ分級(jí)的超導(dǎo)電纜可連續(xù)地用作DC電纜。也就是說(shuō)，使用除了ρ分級(jí)之外還進(jìn)行ε分級(jí)的超導(dǎo)電纜可適用于各個(gè)DC傳輸和AC傳輸，并且也適用作AC和DC傳輸?shù)木€路。
上述的PPLP(商標(biāo))一般隨著比率k增加而具有較高的ρ值和較低的ε值。因此，在電絕緣層用比率k向著電絕緣層的外周邊側(cè)增加的PPLP(商標(biāo))構(gòu)成時(shí)，ρ可朝向外周邊側(cè)增加，同時(shí)，ε可朝向外周邊側(cè)降低。
另一方面，牛皮紙一般隨著氣密性增加而具有較高的ρ值和較高的ε值。因此，只使用牛皮紙難以構(gòu)造ρ值朝向外周邊側(cè)增加且ε值朝向外周邊側(cè)降低的電絕緣層。因此，可使用牛皮紙與復(fù)合紙結(jié)合構(gòu)成電絕緣層。作為一個(gè)示例，牛皮紙層可形成在電絕緣層的內(nèi)周邊側(cè)上，PPLP層可形成在其外側(cè)上，從而使得牛皮紙的電阻率ρ值低于PPLP層的ρ值，牛皮紙的介電常數(shù)ε值高于PPLP的介電常數(shù)ε值。
外部超導(dǎo)層設(shè)在上述的電絕緣層的外周邊上。外部超導(dǎo)層用超導(dǎo)材料形成，如用于形成超導(dǎo)體層的材料。與用來(lái)形成超導(dǎo)體層的材料相同的超導(dǎo)材料可用在外部超導(dǎo)層中。在本發(fā)明的超導(dǎo)電纜線路用于DC傳輸時(shí)，外部超導(dǎo)層例如可在單極傳輸中用作回路導(dǎo)線，在雙極傳輸中用作中性導(dǎo)線層。特別地，在執(zhí)行雙極傳輸時(shí)，外部超導(dǎo)層可用來(lái)在正極和負(fù)極之間產(chǎn)生不平衡時(shí)流經(jīng)不平衡電流。另外，在一個(gè)電極處于異常狀態(tài)且雙極傳輸變?yōu)閱螛O傳輸時(shí)，外部超導(dǎo)層可用作回路導(dǎo)線，以用于流經(jīng)相當(dāng)于流過(guò)超導(dǎo)體層的傳輸電流的電流。在本發(fā)明的超導(dǎo)電纜線路用于AC傳輸時(shí)，外部超導(dǎo)層可用作屏蔽層，該屏蔽層用來(lái)流過(guò)由流經(jīng)超導(dǎo)體層的電流感應(yīng)形成的屏蔽電流。也用于絕緣的保護(hù)層設(shè)置在外部超導(dǎo)層的外周邊上。
具有如上結(jié)構(gòu)的用于容納電纜芯的電纜的熱絕緣管可具有由內(nèi)管和外管形成的雙層管結(jié)構(gòu)，在管間設(shè)有熱絕緣材料，并進(jìn)行抽真空，從而獲得用于形成真空絕緣結(jié)構(gòu)所需的規(guī)定真空度。內(nèi)管內(nèi)部的空間用作冷卻劑通道，其充滿用于冷卻電纜芯(特別是超導(dǎo)體層和外部超導(dǎo)層)的冷卻劑如液氮。同樣地，用于電纜的熱絕緣管優(yōu)選是柔性波紋管。特別地，用于電纜的熱絕緣管優(yōu)選由金屬材料如高強(qiáng)度的不銹鋼形成。
充滿用于電纜的熱絕緣管(其用于本發(fā)明中)的冷卻劑的溫度高于用于流體的熱絕緣管內(nèi)部所輸送的液氫的溫度。例如，液氮用作冷卻劑。由于液氫的溫度低于超導(dǎo)電纜的冷卻劑的溫度，可用液氫將裝在用于流體的熱絕緣管中的超導(dǎo)電纜的冷卻劑冷卻。因此，在本發(fā)明的線路中，在沒(méi)有設(shè)置用來(lái)冷卻超導(dǎo)電纜的冷卻劑的單獨(dú)的用于冷卻劑的冷卻系統(tǒng)的情況下，可設(shè)置能夠維持超導(dǎo)部分的超導(dǎo)狀態(tài)的溫度。
在本發(fā)明的線路中，帶有用于電纜的熱絕緣管的超導(dǎo)電纜裝在用于流體的熱絕緣管中，該熱絕緣管用于輸送液氫。利用這種結(jié)構(gòu)，裝在用于流體的熱絕緣管中的超導(dǎo)電纜具有溫度低于常溫的電纜周圍的環(huán)境，更具體地說(shuō)，大約20K(其為液氫的溫度)的低溫環(huán)境，并由此與置于環(huán)境中的情況相比，用于電纜的熱絕緣管的內(nèi)部和外部之間的溫差降低至小于200K。特別地，在液氮用作電纜冷卻劑時(shí)，用于電纜的熱絕緣管的內(nèi)部和外部之間的溫差變成大約50K。另外，裝在用于流體的熱絕緣管內(nèi)的超導(dǎo)電纜具有雙層熱絕緣結(jié)構(gòu)，其由用于液氫的熱絕緣結(jié)構(gòu)和用于電纜自身的熱絕緣結(jié)構(gòu)形成。因此，由于本發(fā)明的線路在用于電纜的熱絕緣管的內(nèi)部和外部之間具有小的溫差，且超導(dǎo)電纜具有如上所述的雙層熱絕緣結(jié)構(gòu)，與置于環(huán)境中的超導(dǎo)電纜線路相比，可有效地降低從外部侵入電纜部分中的熱。
具有與其內(nèi)輸送的液氫相應(yīng)的熱絕緣性能的熱絕緣管可用作用于容納超導(dǎo)電纜的用于流體的熱絕緣管。作為一個(gè)示例，可以使用具有與超導(dǎo)電纜的結(jié)構(gòu)類似的熱絕緣管，也就是說(shuō)，具有由外管和內(nèi)管形成的雙層管結(jié)構(gòu)，其包括管間的熱絕緣材料并對(duì)其抽真空。在這種情況下，內(nèi)管內(nèi)部的空間變成用于液氫的輸送通道。
例如，在通過(guò)焊接由不銹鋼、鋼等制成的金屬板來(lái)形成用于流體的熱絕緣管時(shí)，通過(guò)將電纜設(shè)置在金屬板上、彎曲該金屬板以覆蓋電纜并焊接該金屬板的邊緣，可將超導(dǎo)電纜裝在用于流體的熱絕緣管中。在由不銹鋼、鋼等制成的金屬管用作用于流體的熱絕緣管時(shí)，通過(guò)將超導(dǎo)電纜插入管內(nèi)，可將電纜裝在用于流體的熱絕緣管中。在這種情況下，滑線(skidwire)(滑動(dòng)導(dǎo)線)可螺旋卷繞在電纜周圍，從而提高超導(dǎo)電纜的插入特性。特別地，在用于電纜的熱絕緣管是具有突起和凹陷的波紋管時(shí)，通過(guò)用節(jié)距大于波紋管的突起和凹陷間的節(jié)距(長(zhǎng)螺距(1ong pitch))來(lái)卷繞滑線，從而防止滑線進(jìn)入波紋管的凹陷部分，并且從而將滑線置于波紋管的突起和凹陷的上方，以防止波紋管的外周邊與用于流體的熱絕緣管直接接觸，也就是說(shuō)，以獲得卷繞在波紋管周圍的滑線和用于流體的熱絕緣管之間的點(diǎn)接觸，從而可以提高插入特性。此外，張緊部件等可連接到超導(dǎo)電纜，從而可將其拉入用于流體的熱絕緣管中。
裝在用于流體的熱絕緣管中的超導(dǎo)電纜可設(shè)置成與用于流體的熱絕緣管內(nèi)部所輸送的液氫接觸或者不與液氫接觸。在前一種情況下，超導(dǎo)電纜可浸入液氫中。在這種情況下，由于超導(dǎo)電纜的整個(gè)周邊與低溫液氫接觸，可有效地降低從外部侵入到電纜中的熱，并且可利用液氫將電纜冷卻劑充分地冷卻。
另一方面，在超導(dǎo)電纜浸入液氫中時(shí)，例如在超導(dǎo)電纜短路從而產(chǎn)生火花的情況下會(huì)發(fā)生諸如液氫爆炸等問(wèn)題。因此，用于流體的熱絕緣管內(nèi)部的區(qū)域可劃分成用于液氫的輸送區(qū)域和用于將超導(dǎo)電纜設(shè)置在其內(nèi)的區(qū)域。作為輸送區(qū)域，例如，用于液氫的輸送管可分離地設(shè)置在用于流體的熱絕緣管內(nèi)部，超導(dǎo)電纜可沿著輸送管縱向設(shè)置。在這種情況下，在導(dǎo)熱率高的熱交換器隔板設(shè)置在用于流體的熱絕緣管內(nèi)部的未由輸送管和超導(dǎo)電纜占據(jù)的空間內(nèi)時(shí)，可通過(guò)熱交換器隔板將液氫的熱有效地傳導(dǎo)給電纜，并由此有效地冷卻該電纜。這種熱交換器隔板例如可由導(dǎo)熱率高的材料如鋁形成。更具體地說(shuō)，熱交換器隔板可通過(guò)卷繞鋁箔而形成。
在本發(fā)明中，可以使用利用溫度高于液氫的溫度的冷卻劑的超導(dǎo)電纜，并且由于電纜裝在用于流體的熱絕緣管(其用于輸送液氫)內(nèi)，可利用液氫將冷卻劑冷卻。然而，超導(dǎo)電纜的冷卻劑可被液氫過(guò)度冷卻，并可發(fā)生冷卻劑固化。因此，需要將裝在用于流體的熱絕緣管內(nèi)的超導(dǎo)電纜的過(guò)度冷卻的冷卻劑的溫度升高至能夠維持超導(dǎo)狀態(tài)的范圍內(nèi)。另一方面，需要將液氫冷卻，以維持液態(tài)(液化)。因此，本發(fā)明包括用于交換液氫和液氮之間的熱的熱交換裝置，以便冷卻液氫并升高由液氫過(guò)度冷卻都冷卻劑的溫度。
熱交換裝置可具有這種結(jié)構(gòu)，其例如包括用于循環(huán)熱交換介質(zhì)的通道、使熱交換介質(zhì)膨脹的膨脹閥、用于壓縮熱交換介質(zhì)的壓縮機(jī)以及用于容納所述通道、膨脹閥和壓縮機(jī)的熱絕緣殼體。用于液氫的輸送管路設(shè)置在一部分通道上，該部分通道穿過(guò)膨脹閥，以便用膨脹的熱交換介質(zhì)冷卻液氫，而用于電纜的冷卻劑的輸送管路設(shè)置在一部分通道上，該部分通道穿過(guò)壓縮機(jī)，以利用壓縮的熱交換介質(zhì)將超導(dǎo)電纜的冷卻劑的溫度升高。用于液氫的輸送管路例如可設(shè)置形成循環(huán)路徑，該循環(huán)路徑中的從用于流體的熱絕緣管內(nèi)噴射的液氫會(huì)再次流入該用于流體的熱絕緣管?？商鎿Q地，存儲(chǔ)液氫的液罐可連接到用于流體的熱絕緣管，并且可設(shè)置輸送管路，以形成循環(huán)路徑，該循環(huán)路徑中，從液罐噴射的液氫會(huì)再次流入該液罐。然后，一部分這種用于液氫的輸送管路可設(shè)置成與穿過(guò)膨脹閥的熱交換介質(zhì)的一部分通道接觸，或者設(shè)置在該部分附近。用于冷卻劑的輸送管路可設(shè)置成其中從用于電纜的熱絕緣管噴射的冷卻劑會(huì)再次流入該用于電纜的熱絕緣管的循環(huán)路徑。然后，一部分這種用于冷卻劑的輸送管路可設(shè)置成與穿過(guò)壓縮機(jī)的熱交換介質(zhì)的一部分通道接觸，或者設(shè)置在該部分附近。在熱交換裝置中，冷卻劑的溫度上升至能夠維持超導(dǎo)部分的超導(dǎo)狀態(tài)的溫度范圍內(nèi)。由于包含用于冷卻液氫并同時(shí)加熱電纜的冷卻劑的熱交換裝置，本發(fā)明能夠同時(shí)滿足將超導(dǎo)電纜的冷卻劑的溫度升高的要求和冷卻液氫的要求。
要指出的是，在本發(fā)明中，由于如上所述可降低侵入到裝在用于流體的熱絕緣管內(nèi)的超導(dǎo)電纜中的熱，可以簡(jiǎn)化用于電纜的熱絕緣管的熱絕緣結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)，從外部侵入電纜內(nèi)的熱的熱絕緣性能水平可以降低。在用于電纜的熱絕緣管具有由外管和內(nèi)管形成的雙層管結(jié)構(gòu)時(shí)，例如可通過(guò)改變外管和內(nèi)管之間的真空度、改變?cè)O(shè)置在外管和內(nèi)管之間的熱絕緣材料的卷繞數(shù)目或者改變熱絕緣材料的材料來(lái)改變熱絕緣性能，其中，所述熱絕緣材料設(shè)置在管間，并進(jìn)行抽真空。
另外，在本發(fā)明的超導(dǎo)電纜線路中，形成線路的超導(dǎo)電纜的縱向上的整個(gè)長(zhǎng)度可裝在用于流體的熱絕緣管中，或者只有一部分電纜裝在用于流體的熱絕緣管中。考慮到降低侵入的熱，優(yōu)選在用于流體的熱絕緣管中裝入超導(dǎo)電纜的整個(gè)長(zhǎng)度。
例如可以這樣構(gòu)成本發(fā)明的這種超導(dǎo)電纜線路，即，將超導(dǎo)電纜裝入具有熱絕緣結(jié)構(gòu)的管路中，其中，該管路用于將生產(chǎn)液氫的氫氣廠與存儲(chǔ)液氫的氫氣站相連，或者將超導(dǎo)電纜在氫氣站裝入用于輸送液氫的熱絕緣管中，并在氫氣站附近設(shè)置熱交換裝置。本發(fā)明的線路可用來(lái)將電力供給氫氣站使用的各種電力裝置，或者用來(lái)從管路中吸收所需的電力，以將電力供給到各個(gè)地方。
如上所述，本發(fā)明的超導(dǎo)電纜線路可用作DC傳輸或AC傳輸。例如在進(jìn)行三相AC傳輸時(shí)，電纜可形成為三芯超導(dǎo)電纜，其中，各個(gè)芯的超導(dǎo)體層用于各相傳輸，各個(gè)芯的外部超導(dǎo)層用作屏蔽層。在進(jìn)行單相AC傳輸時(shí)，電纜可形成為單芯超導(dǎo)電纜，其中，包含在芯中的超導(dǎo)體層可用于相傳輸，外部超導(dǎo)層可用作屏蔽層。在執(zhí)行單極DC傳輸時(shí)，電纜可形成為單芯超導(dǎo)電纜，其中，芯的超導(dǎo)體層可用作“去”線(go conductor)，外部超導(dǎo)層可用作回路導(dǎo)線。在執(zhí)行雙極DC傳輸時(shí)，電纜可形成為兩芯超導(dǎo)電纜，其中，一個(gè)芯的超導(dǎo)體層可用于正極傳輸，另一個(gè)芯的超導(dǎo)體層用于負(fù)極傳輸，各個(gè)芯的外部超導(dǎo)層可用作中性導(dǎo)線。
另外，通過(guò)使用包含如上所述的進(jìn)行了ρ分級(jí)和ε分級(jí)的電絕緣層的電纜芯的超導(dǎo)電纜，本發(fā)明的超導(dǎo)電纜也可用作DC和AC傳輸?shù)木€路。在這種情況下，不僅超導(dǎo)電纜而且終端結(jié)構(gòu)優(yōu)選構(gòu)造成適于DC和AC傳輸，其中，該終端結(jié)構(gòu)形成在線路的端部?jī)?nèi)，用于將超導(dǎo)電纜與常溫側(cè)的傳導(dǎo)部分相連(普通傳導(dǎo)電纜，連接到普通傳導(dǎo)電纜的引導(dǎo)部)。終端結(jié)構(gòu)的代表性結(jié)構(gòu)包括從超導(dǎo)電纜的端部延伸的電纜芯端部、連接到常溫側(cè)的傳導(dǎo)部分的抽出導(dǎo)體部、利用抽出導(dǎo)體部電連接到電纜芯端部的連接部以及端接接線盒，其中，該端接接線盒用來(lái)容納電纜芯端部、在連接到電纜芯一側(cè)上的抽出導(dǎo)體部的端部以及連接部。該端接接線盒通常包括冷卻劑池和真空絕熱池，該冷卻劑池用于冷卻電纜芯端部或者抽出導(dǎo)體部的端部，該真空絕熱池設(shè)置在冷卻劑池的外周邊上。在這種終端結(jié)構(gòu)中，抽出導(dǎo)體部的導(dǎo)體的橫截面積按需要可變，這是因?yàn)榱鬟^(guò)抽出導(dǎo)體部的電流量在AC傳輸和DC傳輸中不同。因此，用于AC和DC傳輸?shù)慕K端結(jié)構(gòu)的適當(dāng)結(jié)構(gòu)具有可根據(jù)負(fù)載改變的抽出導(dǎo)體部的導(dǎo)體橫截面積。這種終端結(jié)構(gòu)例如可具有其中抽出導(dǎo)體部劃分成連接到電纜芯端部的低溫側(cè)導(dǎo)體部和設(shè)置在常溫側(cè)上的傳導(dǎo)部分一側(cè)上的常溫側(cè)導(dǎo)體部的這種結(jié)構(gòu)，其中，該低溫側(cè)導(dǎo)體部和常溫側(cè)導(dǎo)體部可相互拆開(kāi)。此外，包含多個(gè)可拆卸的這種抽出導(dǎo)體部，以容許整個(gè)抽出導(dǎo)體部的導(dǎo)體的橫截面積根據(jù)低溫側(cè)導(dǎo)體部和常溫側(cè)導(dǎo)體部之間的接頭數(shù)而改變。各個(gè)抽出導(dǎo)體部的導(dǎo)體的橫截面積可以彼此相同或互不相同。通過(guò)執(zhí)行抽出導(dǎo)體部的附裝和拆卸，本發(fā)明的包含這種終端結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)電纜線路可容易地從DC傳輸改變成AC傳輸，或者從AC傳輸改變成DC傳輸。另外，由于抽出導(dǎo)體部的導(dǎo)體的橫截面積可作如上所述的變化，導(dǎo)體的橫截面積也可在供給的電力量在AC傳輸或DC傳輸過(guò)程中改變時(shí)而適當(dāng)?shù)刈兓?br> 在依照本發(fā)明的具有如上結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)電纜線路中，超導(dǎo)電纜裝在用來(lái)輸送液氫的熱絕緣管中，以降低用于電纜的熱絕緣管的內(nèi)部和外部間的溫差，且電纜的熱絕緣結(jié)構(gòu)形成為雙層熱絕緣結(jié)構(gòu)，該雙層結(jié)構(gòu)包括用于電纜的熱絕緣管和用于流體的熱絕緣管，以有效地降低侵入電纜的熱。另外，在本發(fā)明的線路中，超導(dǎo)電纜的冷卻劑可用在用于流體的熱絕緣管中輸送的液氫冷卻。在如上所述的熱侵入降低和利用所述的流體將冷卻劑冷卻的情況下，本發(fā)明的線路可充分降低或者充分消除用于冷卻用于電纜的冷卻劑所需的能量。特別地，不需要用于將超導(dǎo)電纜的冷卻劑冷卻的冷卻系統(tǒng)，或者即使設(shè)置了冷卻系統(tǒng)，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，可以使其冷卻性能的水平更低。
因此，如上所述，在也將超導(dǎo)電纜的冷卻劑冷卻考慮在內(nèi)時(shí)，與傳統(tǒng)的線路相比，本發(fā)明的具有如上所述結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)電纜的性能系數(shù)增加，這是因?yàn)槿缟纤鐾ㄟ^(guò)降低侵入電纜中的熱，可以充分地降低用于將冷卻劑冷卻所需的能量。特別地，在本發(fā)明的線路用作DC傳輸?shù)木€路時(shí)，熱侵入的降低對(duì)增加性能系數(shù)極其有效，其中，在本發(fā)明的線路中，電流通道幾乎不產(chǎn)生熱(導(dǎo)體損失)，這是由于在這種情況下熱侵入變成能量損失的主要原因。
另外，在本發(fā)明的線路中，用于冷卻液氫的能量也通過(guò)使用超導(dǎo)電纜的冷卻劑來(lái)作為用于將液氫冷卻的熱交換對(duì)象而大大地降低。因此，本發(fā)明可完全降低用于冷卻超導(dǎo)電纜的冷卻劑所需的能量以及用于冷卻液氫所需的能量，從而充分地增加性能系數(shù)。
此外，在本發(fā)明的線路中使用包括具有進(jìn)行了ρ分級(jí)的電絕緣層的電纜芯的超導(dǎo)電纜時(shí)，該線路可具有良好的DC耐壓特性并適于DC傳輸。另外，在本發(fā)明的線路中使用包括具有進(jìn)行了ρ分級(jí)并且在靠近超導(dǎo)體層的部分設(shè)置為高ε值的電絕緣層的電纜芯的超導(dǎo)電纜，除了上述的DC耐壓特性增加之外，Imp.耐壓特性也可增加。特別地，在電絕緣層形成為朝向內(nèi)周邊側(cè)的ε值增加且朝向外周邊側(cè)的ε值降低時(shí)，本發(fā)明的線路也可具有良好的AC電特征。因此，本發(fā)明的超導(dǎo)電纜可適用于各個(gè)DC傳輸和AC傳輸。另外，在包括具有進(jìn)行了ρ分級(jí)和ε分級(jí)的電絕緣層的電纜芯的超導(dǎo)電纜用作本發(fā)明的線路且形成在線路端部的終端結(jié)構(gòu)具有抽出導(dǎo)體部的導(dǎo)體的橫截面積可變的結(jié)構(gòu)時(shí)，本發(fā)明的線路可適用于其中傳輸系統(tǒng)從AC系統(tǒng)改變?yōu)镈C系統(tǒng)的瞬變周期，其中，抽出導(dǎo)體部設(shè)置在超導(dǎo)電纜和常溫側(cè)的傳導(dǎo)部分之間。


圖1是本發(fā)明的超導(dǎo)電纜線路的結(jié)構(gòu)的示意性橫截面視圖；圖2是本發(fā)明的超導(dǎo)電纜線路中的超導(dǎo)電纜附近的一部分結(jié)構(gòu)的示意性橫截面視圖；圖3是其中構(gòu)造了本發(fā)明的超導(dǎo)電纜線路的結(jié)構(gòu)的示意性視圖；圖4是本發(fā)明的超導(dǎo)電纜線路的結(jié)構(gòu)的示意圖，其中，該超導(dǎo)電纜線路的結(jié)構(gòu)包括用于液氫的輸送管、超導(dǎo)電纜和用于流體的熱絕緣管內(nèi)部的熱交換器隔板，該圖為電纜附近的一部分結(jié)構(gòu)的示意性橫截面視圖；圖5是在AC傳輸線路情況下利用三芯型式的超導(dǎo)電纜形成在本發(fā)明的超導(dǎo)電纜的端部中的終端結(jié)構(gòu)的構(gòu)造的示意圖；圖6是在DC傳輸線路情況下利用三芯型式的超導(dǎo)電纜形成在本發(fā)明的超導(dǎo)電纜的端部中的終端結(jié)構(gòu)的構(gòu)造的示意圖；圖7是用于三相AC傳輸?shù)娜拘褪降某瑢?dǎo)電纜的橫截面視圖；圖8是各個(gè)電纜芯的橫截面視圖。
附圖標(biāo)記說(shuō)明1液氫，2用于流體的熱絕緣管，2a外管，2b內(nèi)管，3輸送管，4熱交換器隔板，10超導(dǎo)電纜，11用于電纜的熱絕緣管，11a外管，11b內(nèi)管，12電纜芯，13空間，14超導(dǎo)體層，15外部超導(dǎo)層，16輸送管路，20氫氣站，21罐，22輸送管路，30熱交換裝置，31通道，32膨脹閥，33壓縮機(jī)，34熱絕緣外殼，40抽出導(dǎo)體部，41低溫側(cè)導(dǎo)體部分，41a低溫側(cè)密封部分，42常溫側(cè)導(dǎo)體部分，42a常溫側(cè)密封部分，43引導(dǎo)部，44接地線，50端接接線盒，51，52冷卻劑池，53真空絕緣池，53a可延伸部分，60絕緣套管，61抽出導(dǎo)體部，62瓷管，63環(huán)氧單元，70短路部分，100用于三相AC傳輸?shù)某瑢?dǎo)電纜，101熱絕緣管，101a外管，101b內(nèi)管，102電纜芯，103空間，104防腐層，200定徑管，201超導(dǎo)體層，202電絕緣層，203超導(dǎo)屏蔽層，204保護(hù)層。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)將敘述本發(fā)明的實(shí)施例示例1圖1是本發(fā)明的超導(dǎo)電纜線路的結(jié)構(gòu)的示意性橫截面圖。圖2是在本發(fā)明的超導(dǎo)電纜中，超導(dǎo)電纜附近部分的結(jié)構(gòu)的示意性橫截面圖。圖3是其中構(gòu)造了本發(fā)明的傳導(dǎo)電纜線路的結(jié)構(gòu)的示意圖。附圖中的相同字符指示同一部分。本發(fā)明的超導(dǎo)電纜包括用來(lái)輸送液氫1的用于流體的熱絕緣管2、裝在用于流體的熱絕緣管2中的超導(dǎo)電纜10以及用于調(diào)節(jié)液氫1的溫度和電纜的冷卻劑的溫度的熱交換裝置30。
用于這個(gè)示例中的超導(dǎo)電纜10具有這種結(jié)構(gòu)，即其中，三個(gè)電纜芯12絞合并裝在用于電纜的熱絕緣管11中，其結(jié)構(gòu)大致與圖7所示的超導(dǎo)電纜的結(jié)構(gòu)類似。各個(gè)電纜芯12從中心部分開(kāi)始包括定徑管、超導(dǎo)體層、電絕緣層、外部超導(dǎo)層和保護(hù)層。超導(dǎo)體層和外部超導(dǎo)層都由基于Bi2223的超導(dǎo)帶形線路形成(Ag-Mn護(hù)套線路)。通過(guò)將超導(dǎo)帶形線路分別卷繞在定徑管的外周邊以及電絕緣層的外周邊上形成超導(dǎo)體層和外部超導(dǎo)層。多根絞合銅線可用作定徑管。墊層利用絕緣紙形成在定徑管和超導(dǎo)體層之間。通過(guò)將半合成絕緣紙(PPLPSumitomo Electric Industries，Ltd.的商標(biāo))卷繞在超導(dǎo)體層的外周邊上來(lái)構(gòu)造電絕緣層。通過(guò)將牛皮紙卷繞在外部超導(dǎo)層的外周邊上來(lái)形成保護(hù)層。內(nèi)部半導(dǎo)體層和外部半導(dǎo)體層可分別設(shè)在電絕緣層的內(nèi)周邊側(cè)和外周邊側(cè)(在外部超導(dǎo)層之下)。這種三個(gè)電纜芯12被制備、松散地絞合以具有熱收縮的公差，并裝在用于電纜的熱絕緣管11內(nèi)。在這個(gè)示例中，SUS波紋管用于形成用于電纜的熱絕緣管11，其中，具有多層結(jié)構(gòu)的熱絕緣材料(未示出)設(shè)置在由外管11a和內(nèi)管11b形成的雙層管之間，并將外管11a和內(nèi)管11b之間的空氣抽出，從而獲得形成真空多層絕緣結(jié)構(gòu)的規(guī)定真空度。由內(nèi)管11b的內(nèi)周邊和三芯電纜12的外周邊封閉的空間13就變成冷卻劑的通道。用于將超導(dǎo)體層和外部超導(dǎo)層冷卻的冷卻劑利用泵等在這個(gè)通道中循環(huán)流動(dòng)。在這個(gè)示例中，液氮(大約77K)用作冷卻劑。管路16連接到超導(dǎo)電纜10的用于電纜的熱絕緣管11，以執(zhí)行冷卻劑的循環(huán)輸送，其中，例如，冷卻劑從熱絕緣管11噴射到熱交換裝置30的一側(cè)，且該冷卻劑從熱交換裝置30的一側(cè)流入熱絕緣管11。泵(未示出)設(shè)置在一部分管路16上，以使冷卻劑循環(huán)流動(dòng)。
具有上述結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)電纜10裝在用于流體的熱絕緣管2中。在這個(gè)示例中，用于流體的熱絕緣管2具有由外管2a和內(nèi)管2b形成的雙層管結(jié)構(gòu)，其中，熱絕緣材料(未示出)設(shè)置在管2a、2b之間，并將管間的空氣抽空。由內(nèi)管2b的內(nèi)周邊和超導(dǎo)電纜10的外周邊圍成的空間變成用于液氫1的輸送通道。各個(gè)管2a、2b是用鋼制成的焊管，通過(guò)將超導(dǎo)電纜10設(shè)在用于形成內(nèi)管2b的鋼板上，并將鋼板的兩邊緣焊接，可將電纜10裝在內(nèi)管2b中。在這個(gè)示例中，超導(dǎo)電纜10設(shè)置在內(nèi)管2b中，同時(shí)浸入液氫中。在這個(gè)示例中，用于流體的熱絕緣管2構(gòu)造用于從氫氣廠(未示出)向各個(gè)氫氣站20輸送液氫的管路。各個(gè)氫氣站20包括用來(lái)存儲(chǔ)液氫的罐21以及用于在液氫1和超導(dǎo)電纜10的冷卻劑之間的熱交換的熱交換裝置30。罐21連接到用于流體的熱絕緣管2并存儲(chǔ)通過(guò)用于流體的熱絕緣管2輸送的液氫。另外，管路22連接到罐21，以執(zhí)行液氫的循環(huán)輸送，其中，例如，液氫從罐21噴射到熱交換裝置30一側(cè)，之后液氫從熱交換裝置30流入罐21。泵(未示出)包括在一部分管路22中，從而使得液氫循環(huán)輸送。
在這個(gè)示例中，熱交換裝置30包括使熱交換介質(zhì)如氦氣循環(huán)輸送的通道31、使熱交換介質(zhì)膨脹的膨脹閥32、將膨脹的熱交換介質(zhì)壓縮的壓縮機(jī)33和裝設(shè)這些元件的熱絕緣外殼34。設(shè)置管路22，使得用于循環(huán)輸送液氫的一部分管路22與穿過(guò)膨脹閥32的一部分通道31接觸，以便用膨脹的熱交換介質(zhì)冷卻液氫。利用這種結(jié)構(gòu)，液氫在與穿過(guò)膨脹閥32的一部分通道31接觸的該部分管路22附近被冷卻。因此，從罐21噴射的液氫流過(guò)管路22、由熱交換裝置30冷卻并返回罐21。另外，設(shè)置管路16，使得用于循環(huán)輸送電纜10的冷卻劑(液氮)的一部分管路16與穿過(guò)壓縮機(jī)33的一部分通道31接觸，以便利用處于能夠維持超導(dǎo)狀態(tài)的溫度范圍內(nèi)的壓縮的熱交換介質(zhì)來(lái)升高電纜10的冷卻劑的溫度，其中，該電纜10的冷卻劑用液氫冷卻。利用這種結(jié)構(gòu)，冷卻劑的溫度在與穿過(guò)壓縮機(jī)33的該部分通道31接觸的該部分管路16附近上升。因此，從用于電纜的熱絕緣管11噴射的冷卻劑流過(guò)管路16、用熱交換裝置30來(lái)提升其溫度并返回?zé)峤^緣管11。
裝在用于流體的熱絕緣管中的超導(dǎo)電纜具有由低溫液氫覆蓋的外周邊，并具有用電纜自身的熱絕緣管和用于液氫的熱絕緣管形成的雙層熱絕緣結(jié)構(gòu)。利用這種結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的線路可充分降低從外部侵入到超導(dǎo)電纜內(nèi)的熱。另外，由于超導(dǎo)電纜的外周邊由低溫液氫覆蓋，液氫的熱被傳導(dǎo)至電纜，并將電纜的冷卻劑冷卻。因此，不必需要用來(lái)將超導(dǎo)電纜的冷卻劑冷卻的冷卻系統(tǒng)。結(jié)果，通過(guò)構(gòu)造本發(fā)明的超導(dǎo)電纜線路，用于將超導(dǎo)電纜的冷卻劑冷卻所需的能量降低，并可增加性能系數(shù)。
此外，由于本發(fā)明的線路包括熱交換裝置，以用于超導(dǎo)電纜的冷卻劑和液氫之間的熱交換，從而同時(shí)執(zhí)行冷卻劑的加熱和液氫的冷卻，所以，利用熱交換裝置，熱交換對(duì)象間的溫差可以降低，用于冷卻液氫所需的能量也可降低。另外，利用包括在本發(fā)明的線路中的熱交換裝置，與液氫的冷卻相關(guān)的熱可用于提高超導(dǎo)電纜的冷卻劑的溫度，該超導(dǎo)電纜的冷卻劑由于裝在用于流體的熱絕緣管內(nèi)而被過(guò)度冷卻。因此，利用構(gòu)造用于在液氫和超導(dǎo)電纜的冷卻劑之間進(jìn)行熱交換的熱交換裝置，本發(fā)明的線路可調(diào)節(jié)液氫的溫度至適當(dāng)?shù)臏囟龋⒁部烧{(diào)節(jié)電纜冷卻劑的溫度至適當(dāng)?shù)臏囟?。結(jié)果，用于冷卻超導(dǎo)電纜的冷卻劑所需的能量以及用于冷卻液氫所需的能量都可以通過(guò)構(gòu)造本發(fā)明的超導(dǎo)電纜線路而降低。
應(yīng)該指出，盡管這個(gè)示例中示出的結(jié)構(gòu)在超導(dǎo)電纜的縱向上的整個(gè)長(zhǎng)度裝在用于流體的熱絕緣管中，但也可只有一部分電纜裝在用于流體的熱絕緣管中。在本發(fā)明的線路中，可以降低熱侵入的效果，并且在只有一小部分超導(dǎo)電纜裝在用于流體的熱絕緣管中時(shí)，用熱交換裝置來(lái)調(diào)節(jié)超導(dǎo)電纜的冷卻劑的溫度就變得困難。因此，在本發(fā)明的線路中，將足夠部分的超導(dǎo)電纜裝在用于流體的熱絕緣管中，從而容許用熱交換裝置來(lái)調(diào)節(jié)超導(dǎo)電纜的冷卻劑的溫度。
示例2盡管超導(dǎo)電纜在上述示例1中浸入液氫中，但是，超導(dǎo)電纜可裝在用于流體的熱絕緣管中，而不浸入液氫中。作為一個(gè)示例，用于液氫的輸送通道可分離地設(shè)置在用于流體的熱絕緣管中。圖4是本發(fā)明的超導(dǎo)電纜的結(jié)構(gòu)的示意圖，其包括用于液氫的輸送管和用于流體的熱絕緣管內(nèi)部的熱交換器隔板，該圖為電纜附近的結(jié)構(gòu)的示意性橫截面圖。該超導(dǎo)電纜具有包括分離的輸送管3的結(jié)構(gòu)，該分離的輸送管3用于輸送在用于流體的熱絕緣管2的內(nèi)管2b中的液氫。導(dǎo)熱率高的熱交換器隔板4設(shè)在由內(nèi)管2b的內(nèi)周邊、輸送管3的外周邊以及超導(dǎo)電纜10的外周邊所圍成的空間中。利用這種結(jié)構(gòu)，超導(dǎo)電纜10具有如示例1中由用于流體的熱絕緣管2和電纜10自身的熱絕緣管11(參見(jiàn)圖1，2)所形成的雙層熱絕緣結(jié)構(gòu)，并由此從可以降低從外部侵入電纜的熱。另外，由于液氫的熱經(jīng)由熱交換器隔板4傳導(dǎo)至超導(dǎo)電纜10，電纜10也可由液氫1冷卻。此外，由于輸送管3將超導(dǎo)電纜10與液氫1物理上分離，在發(fā)生事故如電纜10短路或者產(chǎn)生火花時(shí)，就可防止液氫1發(fā)生燃燒之類的問(wèn)題。在這個(gè)示例中，熱交換器隔板通過(guò)卷繞鋁而形成。
在上述示例1和2每一個(gè)中示出的本發(fā)明的超導(dǎo)電纜可用于DC傳輸或者AC傳輸。在DC傳輸情況下，在使用包含電纜芯的超導(dǎo)電纜時(shí)，其中，該電纜芯具有進(jìn)行了ρ分級(jí)以在內(nèi)周邊側(cè)上具有低電阻率并在外周邊側(cè)上具有高電阻率的電絕緣層，能夠使電絕緣層厚度方向上的DC電場(chǎng)分布平滑，并增加DC耐壓特性。電阻率可利用具有各種比率k的PPLP(商標(biāo))而改變。電阻率隨著比率k增加而趨于增加。另外，在高ε層在超導(dǎo)體層附近設(shè)在電絕緣層內(nèi)時(shí)，除了增加DC耐壓特性之外，還增加了Imp.耐壓特性。高ε層例如可用低比率k的PPLP(商標(biāo))形成。在這種情況下，高ε層也變成低ρ層。此外，包含電纜芯的超導(dǎo)電纜也具有良好的AC特征，其中，該電纜芯具有進(jìn)行了ρ分級(jí)的電絕緣層，并且也形成為朝向內(nèi)周邊側(cè)的介電常數(shù)ε增加，朝向外周邊側(cè)的介電常數(shù)ε降低。因此，采用這種電纜的本發(fā)明的線路也可適用于AC傳輸。作為一個(gè)示例，可使用PPLP(商標(biāo))來(lái)提供電絕緣層，其中，PPLP具有如下指出的各種比率k，以具有三種不同的電阻率和介電常數(shù)。下述的三層可從內(nèi)周邊側(cè)依次設(shè)置(X和Y是常數(shù))。
低ρ層比率k＝60％，電阻率ρ(20℃)＝X[Ω·cm]，介電常數(shù)ε＝Y(jié)中間ρ層比率k＝70％，電阻率ρ(20℃)＝大約1.2X[Ω·cm]，介電常數(shù)ε＝大約0.95Y高ρ層比率k＝80％，電阻率ρ(20℃)＝大約1.4X[Ω·cm]，介電常數(shù)ε＝大約0.9Y在利用本發(fā)明的線路(其使用進(jìn)行了ρ分級(jí)和ε分級(jí)的超導(dǎo)電纜)執(zhí)行單極傳輸時(shí)，三個(gè)電纜芯12(參見(jiàn)圖2)中的兩個(gè)電纜芯可用作輔助芯，一個(gè)芯的超導(dǎo)體層可用作“去”線，且該芯的外部超導(dǎo)層可用作回路導(dǎo)線?？商鎿Q地，各個(gè)芯的超導(dǎo)體層可用作“去”線，各個(gè)芯的外部超導(dǎo)層可用作回路導(dǎo)線，以構(gòu)成三線路單極傳輸線路。另一方面，在執(zhí)行雙極傳輸時(shí)，三芯中的一個(gè)芯可用作輔助芯，一個(gè)芯的超導(dǎo)體層可用作正極線路，另一個(gè)芯的超導(dǎo)體層可用作負(fù)極線路，且兩芯的外部超導(dǎo)層可用作中性導(dǎo)體層。
使用進(jìn)行了ρ分級(jí)和ε分級(jí)的超導(dǎo)電纜并包括如上所述的終端結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的線路可在AC傳輸之后容易地執(zhí)行DC傳輸如單極傳輸或雙極傳輸，或者在DC傳輸之后執(zhí)行AC傳輸。圖5和圖6都是具有可拆卸抽出導(dǎo)體部的終端結(jié)構(gòu)的構(gòu)造的示意圖，其利用三芯型式的超導(dǎo)電纜形成在本發(fā)明的超導(dǎo)電纜線路的端部。圖5示出AC傳輸線路的情況，圖6示出DC傳輸線路的情況。盡管在圖5和6中只示出兩個(gè)電纜芯12，但其實(shí)際上為三芯。
終端結(jié)構(gòu)包括從超導(dǎo)電纜10的端部延伸的電纜芯12的端部、在常溫側(cè)連接到傳導(dǎo)部分(未示出)的抽出導(dǎo)體部40、61、將電纜芯12的端部與抽出導(dǎo)體部40電連接以及將電纜芯12的端部與抽出導(dǎo)體部61電連接的連接部、以及裝設(shè)電纜芯12的端部、抽出導(dǎo)體部40、61在連接到電纜芯的一側(cè)上的端部以及連接部的端接接線盒50。端接接線盒50包括充滿用于冷卻超導(dǎo)體層14的冷卻劑池51、用于冷卻外部超導(dǎo)層15的冷卻劑池52以及設(shè)置在冷卻劑池51、52的外周邊上的真空絕緣池53，其中，將通過(guò)臺(tái)階形剝?nèi)ル娎|芯12的端部而露出的超導(dǎo)體層14引入冷卻劑池51中，將通過(guò)臺(tái)階形剝?nèi)ザ冻龅耐獠砍瑢?dǎo)層15引入冷卻劑池52中。抽出導(dǎo)體部61經(jīng)由接頭(連接部)連接到超導(dǎo)體層14，從而容許超導(dǎo)電纜10和常溫側(cè)的傳導(dǎo)部分之間的電力傳輸和接收，其中，抽出導(dǎo)體部61嵌入設(shè)在常溫側(cè)的傳導(dǎo)部分和超導(dǎo)體層14之間的絕緣套管60中。連接到常溫側(cè)的傳導(dǎo)部分上的絕緣套管60的一側(cè)(常溫側(cè))從真空絕緣池53突出，并裝在從真空絕緣池53突出的瓷管62中。
另一方面，外部超導(dǎo)層15經(jīng)由下述的短路部分70(連接部)連接到設(shè)置在常溫側(cè)的傳導(dǎo)部分和該外部超導(dǎo)層15之間的抽出導(dǎo)體部40上，從而容許超導(dǎo)電纜10和常溫側(cè)的傳導(dǎo)部分之間電力的傳輸和接收。抽出導(dǎo)體部40形成有連接到短路部分70的低溫側(cè)導(dǎo)體部41和設(shè)置在常溫側(cè)的常溫側(cè)導(dǎo)體部42，該常溫側(cè)導(dǎo)體部42可從低溫側(cè)導(dǎo)體部41拆卸下來(lái)。在這個(gè)示例中，常溫側(cè)導(dǎo)體部42形成為規(guī)定橫截面積的桿形，低溫側(cè)導(dǎo)體部41形成為圓柱形，其內(nèi)可裝配桿形的常溫側(cè)導(dǎo)體部42。在常溫側(cè)導(dǎo)體部42插入低溫側(cè)導(dǎo)體部41內(nèi)時(shí)，該導(dǎo)體部41、42都相互電連接，從而容許低溫側(cè)和常溫側(cè)之間的電力的傳輸和接收。在將常溫側(cè)導(dǎo)體部42從低溫側(cè)導(dǎo)體部41內(nèi)拆卸下來(lái)時(shí)，導(dǎo)體部41和42之間的傳導(dǎo)取消。在終端結(jié)構(gòu)中包括多個(gè)這種抽出導(dǎo)體部40。低溫側(cè)導(dǎo)體部41固定在冷卻劑池52中，并且其一端電連接到短路部分70，另一端進(jìn)入真空絕緣池53中。FRP制成的低溫側(cè)密封部分41a設(shè)在低溫側(cè)導(dǎo)體部41的固定部的外周邊上，從而避免冷卻劑泄漏、冷卻劑池52和導(dǎo)體部41的短路等。常溫側(cè)導(dǎo)體部42固定在真空絕緣池上，并且其一端設(shè)置在真空絕緣池53內(nèi)，另一端布置成露出到常溫的外側(cè)。FRP制成的常溫側(cè)密封部分42a設(shè)在常溫側(cè)導(dǎo)體部42的固定部的外周邊上，從而容許熱侵入降低，并避免真空絕緣池53和導(dǎo)體部42短路等。另外，由波紋管形成的可伸長(zhǎng)部分53a在常溫側(cè)導(dǎo)體部42的固定部附近設(shè)在真空絕緣池53上，以在抽出導(dǎo)體部40的附裝和拆卸過(guò)程中維持真空絕緣池53的真空狀態(tài)。應(yīng)該指出，三個(gè)芯12中每一個(gè)的外部超導(dǎo)層15都在短路部分70中短路。另外，連接到外部裝置等或者接地線44的引導(dǎo)部43附裝到常溫側(cè)導(dǎo)體部42的常溫側(cè)端部。環(huán)氧單元63設(shè)置在一部分超導(dǎo)體層14的外周邊上，并設(shè)在冷卻劑池51、52之間的部分的附近。
在包括具有如上所述結(jié)構(gòu)的終端結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的超導(dǎo)電纜例如用作三相AC線路時(shí)，連接到外部超導(dǎo)層15的抽出導(dǎo)體部40應(yīng)具有獲得對(duì)地電壓所需的導(dǎo)體的橫截面積。因此，如圖5所示，在將需要的抽出導(dǎo)體部40的低溫側(cè)導(dǎo)體部41和常溫側(cè)導(dǎo)體部42相互連接時(shí)，不需要將抽出導(dǎo)體部40的低溫側(cè)導(dǎo)體部41和常溫側(cè)導(dǎo)體部42相互分離開(kāi)，以獲得所需的導(dǎo)體橫截面積。在這個(gè)示例中，用于接地的接地線連接到被連接的抽出導(dǎo)體部40的常溫側(cè)導(dǎo)體部42的常溫側(cè)的端部上。
另一方面，在需要將如圖5所示的三相AC傳輸轉(zhuǎn)換為DC傳輸時(shí)，與用于超導(dǎo)體層14相當(dāng)?shù)碾娏髁鬟^(guò)外部超導(dǎo)層15。也就是說(shuō)，與圖5所示的AC傳輸?shù)那闆r中的那些電流相比，流過(guò)外部超導(dǎo)層15的電流增大，且流過(guò)抽出導(dǎo)體部40的電流也增大。因此，如圖6所示，將在AC傳輸過(guò)程中相互分離開(kāi)的抽出導(dǎo)體部40的低溫側(cè)導(dǎo)體部41和常溫側(cè)導(dǎo)體部42相互連接，從而確保用于流過(guò)所需電流量所需的足夠?qū)w橫截面積。在這個(gè)示例中，用于接地的引導(dǎo)部43連接到被連接的抽出導(dǎo)體部40的常溫側(cè)導(dǎo)體部42的常溫側(cè)端部。相反地，在需要將如圖6所示的DC傳輸轉(zhuǎn)換成AC傳輸時(shí)，將在DC傳輸過(guò)程中形成傳導(dǎo)的其中一個(gè)抽出導(dǎo)體部40分離開(kāi)，就使其傳導(dǎo)斷開(kāi)。
本發(fā)明的超導(dǎo)電纜線路適用于執(zhí)行將電力傳輸?shù)礁鱾€(gè)電源設(shè)備(powerapparatus)的線路。例如可通過(guò)將超導(dǎo)電纜裝入用于輸送液氫的管路中并將熱交換裝置設(shè)在連接到管路的氫氣站，從而構(gòu)造成本發(fā)明的超導(dǎo)電纜。在這種情況下，本發(fā)明的線路可用作氫氣站內(nèi)部的電源裝置的電力供給線路或者用作任意電源裝置的電力供給線路，該線路按需要從用于流體的熱絕緣管吸收電力。另外，由于本發(fā)明的電纜線路可在構(gòu)造用于液氫的輸送通道或氫氣站過(guò)程中構(gòu)成，因此，可增加鋪設(shè)的可操作性。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)電纜線路，包括用于流體的熱絕緣管(2)，該用于流體的熱絕緣管用于輸送液氫(1)；超導(dǎo)電纜(10)，該超導(dǎo)電纜裝在所述用于流體的熱絕緣管(2)中，從而利用溫度高于所述液氫(1)的冷卻劑冷卻超導(dǎo)部分(12)；以及熱交換裝置(30)，該熱交換裝置用于冷卻所述液氫(1)，并升高用所述液氫(1)冷卻的電纜的冷卻劑的溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)電纜線路，其中，所述超導(dǎo)電纜(10)浸入所述液氫(10)中。
3.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)電纜線路，其中，將所述用于流體的熱絕緣管(2)內(nèi)部的區(qū)域劃分成用于輸送所述液氫(1)的輸送區(qū)域和用于將所述超導(dǎo)電纜(10)設(shè)置在其內(nèi)的區(qū)域。
4.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)電纜線路，其中，所述超導(dǎo)電纜(10)的冷卻劑是液氮。
5.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)電纜線路，其中，所述超導(dǎo)電纜(10)包括超導(dǎo)體層(14)和設(shè)在所述超導(dǎo)體層(14)的外周邊上的電絕緣層，以及所述電絕緣層受到ρ分級(jí)，以在所述電絕緣層的內(nèi)周邊側(cè)上獲得低電阻率，并在其外周邊側(cè)上獲得高電阻率，從而使得其直徑方向上的DC電場(chǎng)分布平穩(wěn)。
6.如權(quán)利要求5所述的超導(dǎo)電纜線路，其中，所述電絕緣層具有高ε層，該高ε層設(shè)在所述超導(dǎo)體層(14)附近，并且其介電常數(shù)高于另一部分的介電常數(shù)。
7.如權(quán)利要求5所述的超導(dǎo)電纜線路，其中，所述電絕緣層構(gòu)造成介電常數(shù)向著內(nèi)周邊側(cè)增加，介電常數(shù)向著外周邊側(cè)降低。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種超導(dǎo)電纜，其包括用來(lái)輸送液氫(1)的用于流體的熱絕緣管(2)、裝在用于流體的熱絕緣管(2)中的超導(dǎo)電纜(10)以及用于在液氫(1)和電纜(10)之間執(zhí)行熱交換的熱交換裝置。由于超導(dǎo)電纜(10)包括在用于電纜的熱絕緣管內(nèi)部的電纜芯，并裝設(shè)在用于流體(2)的熱絕緣管中，從而電纜(10)外周邊暴露于低溫環(huán)境，且該超導(dǎo)電纜形成為與熱絕緣管(2)相關(guān)的雙層熱絕緣結(jié)構(gòu)。因此，由于侵入超導(dǎo)電纜(10)中的熱降低并用液氫(1)來(lái)將冷卻劑冷卻，所以可以降低冷卻冷卻劑所需的能量。
文檔編號(hào)H01B12/16GK1989575SQ20058002503
公開(kāi)日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2005年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月29日
發(fā)明者廣瀬正幸, 山田雄一 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社