专利名称：超导电缆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用柔性氧化物超导体的超导电缆，更特别地，涉及超导电缆的制造。
背景技术：
的描述超导材料是在临界温度下电阻接近于零(1uv/cm)的材料，其值取决于材料。超导性限定在一临界表面中，即一图表或图，其轴线是温度、电流和磁场。因此，对于一个给定的工作温度，限定了一个作为由超导体产生和/或向超导体施加的磁场的函数的曲线。
最公知的超导体材料是NbTi和Nb3Sn，但它们的工作温度仅是4.2K，液态氦的沸点。这是大规模应用这些超导材料的主要限制。因此这些超导体几乎只用于缠绕磁体。由具有高临界电流密度(对于NbTi是3500安/平方毫米5特斯拉)的线(NbTi和Nb3Sn)或带(Nb3Sn)制造这些紧凑磁体的绕组可大量地生产出具有高磁场(最大18特斯拉)的绕组。
这些超导磁体用于通过核磁共振(MRI)形成医学图像，以及通过相同的原理(NMR)、用于矿石分离的磁体和用于高磁场的研究磁体如在大颗粒加速器中使用的磁体(SSC，HERA，KEK等)进行材料分析。
具有高临界温度的氧化物超导体是在1986年发现的。它们是包含金属氧化物和稀有金属的金属间成分，具有钙钛矿(云母)晶体结构。它们的临界温度从30K到接近室温变化，它们的临界磁场高于60特斯拉。因此这些材料被认为是有前途的，在制造磁体时可代替Nb3Sn和NbTi，并发现了液态氦不可实现的其它应用，如电的传导。这些材料先前不能作为金属丝、电缆、薄膜或片得到。
在液氮温度下进入超导状态的氧化物超导体应用于液氮作为冷却介质的超导电缆中是有利的。相对于需要液态氦的超导电缆而言，这种应用可以同时实现热保持系统的简化和冷却成本的降低。
超导电缆必须能够在紧凑导体中以低能量损失传导高电流。电力传导一般是通过交流电进行的，在直流电下使用超导体会不可避免地伴随着能量损失，一般称作AC损失。AC损失，如滞后损失、耦合损失或涡流损失，取决于超导体的临界电流密度，细丝尺寸，导体结构等。
已经用金属超导体实际生产了各种类型的超导电缆，以研究用于降低AC损失的结构，如包括普通导体和沿普通导体外圆周螺旋缠绕的复合多丝超导体的超导体。导体是通过顺时针或逆时针缠绕多层彼此交替重叠的复合多丝超导体而制成的。缠绕导体的方向每层都有变化，以降低在导体中产生的磁场，从而降低阻抗，并提高其电流承载能力。该导体在各层之间有一高电阻或绝缘层。
当用氧化物超导体制造电缆导体时，不能使用金属超导体中所用的技术。与金属超导体相比，氧化物超导体，即陶瓷超导体易碎且在机械应变上较弱。例如，现有技术公开了一种环绕普通导体螺旋缠绕超导体的技术，使缠绕节距等于每个超导体的直径。但当以这样短的节距缠绕包括由银覆层覆盖的氧化物超导体的超导金属丝时，氧化物超导体很可能会断裂，从而阻断电流。当氧化物超导金属丝被极大弯曲时，其临界电流同样会大大降低。电缆导体必须具有一定程度的柔韧性，以利于处理。同样困难的是由硬而易碎的氧化物超导体制造柔性电缆导体。
在美国，大约有3500英里的高压地下电缆，用铜导体向大都会地区提供电力。电缆正在老化，许多需要在今后20年中更换。另外，都会地区的持续增长需要新的电缆容量。电力应用公司正在寻找新的电缆技术来提高电密度，降低损失和成本，同时保持常规电缆的高可靠性。
在都会地区安装一个新电缆是很昂贵的。电缆占成本的30％到50％，安装是其余的主要成本。超导电缆可代替现有的铜电缆，并提高3到8个系数的能量密度。现有的主要电缆设计是一高压注油管型电缆，包括直径10.1到20.3厘米(4”到8”)的钢管，其中装有3根铜电缆和油。可将这些旧铜电缆和油去除并用具有显著较高的电流能力的超导电缆替换，节省了新电缆系统的安装成本。
超导电缆提供了电缆在都会地区的新的应用。根据现有技术，高压铜电缆从城市外围向城市中心区传送电力，而传送分站降低电压，分配电路向客户输送电力。根据这种新的超导技术，低压高电流超导电缆能够将电力传送到中心区域，允许实际应用公司将高压传送分站从城市中心区移出去。在地价从$100到$600每平方英尺的城市中心区域安装和维护这些分站是非常昂贵的。
本发明成功地显示了在分配电压和高电流下超导电缆的实际应用。潜在的实际应用包括1)分站至客户，2)分站至分站，3)扩展的分站总线，4)分站高速馈电线，5)发电单元至升压变压器。
发明概述本发明的一个目的是提供一种超临界电缆，该电缆具有柔韧性并呈现良好的超导性，特别高的临界电流和高的临界电流密度，具有一氧化物超导体。
本发明的另一个目的是提供AC损失减小的这种超导电缆。
根据本发明，提供一种使用氧化物超导体的电缆，包括一柔性芯部元件；多个缠绕在上述芯部元件上的带状氧化物超导金属丝，在超导金属丝之间或者芯部元件与超导金属丝之间没有电绝缘层。在本发明的导体中，每个氧化物超导金属丝主要由一氧化物超导体和一覆盖该氧化物超导体的稳定金属构成。敷设在芯部元件上的上述多个带状超导金属丝形成了多个层，每一层是通过以并排方式敷设多个上述带状超导金属丝而制成的。上述多个层连续叠置到上述芯部元件上。上述芯部元件向本发明的超导电缆提供了柔韧性。根据本发明的超导电缆能够在液氮温度下保持超导状态。
根据本发明的导体还提供了AC损失减小的AC导体。
从下面结合附图对本发明的详细描述中，本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得清楚。
附图简介
图1是一透视图，表示本发明的多层结构。
图2是一剖视侧面图，表示本发明的一个实施例。
图3是一剖视侧面图，表示本发明的另一实施例。
图4是用于本发明的压印图案的图表。
优选实施例的描述本发明涉及一种可以屏蔽或非屏蔽形式结构使用的高温超导体电缆。在许多应用中都将屏蔽和非屏蔽电缆用于有用的目的。
本实施例的一个改型是用高温超导体带上的电介质对电缆进行绝缘，然后在电介质上提供另一个高温超导体。然后将整个电缆引入一上述类型的低温恒温器中，或者将一低温恒温器建造在电缆上。该同轴结构迫使磁场停留在高温超导体带的内外层之间。在高温超导体带外部基本上没有磁场，因此在外部金属封闭件中没有涡流。有了这种结构，可根据电缆中存在的带的数量而承载非常大量的电流。这种电缆设计的局限在于，电介质保持在低温下，不得不使用能够承受低温而又没有物理和机械退化的材料。本发明一个实施例中的聚合电介质材料在液氮和低温下具有良好的物理和机械性能。它具有高的介电强度和高的击穿电压。有利地，本发明的电缆包括使用可选择地由金属丝编织层或网覆盖的柔性不锈钢皱纹管。优选地，在皱纹管上钻出具有一定尺寸和图案的孔，允许液氮流入高温超导体带的衔接的间隙中，并淹没介电材料。以特殊方式敷设高温超导体以模拟两层结构，允许最大的电流流过电缆。
介电材料有利地包含半导体带，镀铝屏蔽带，和聚合电介质带。图3中示出屏蔽电缆的一个典型结构。非屏蔽电缆可通过去除高温超导体带的外层而制成。图2中示出该电缆结构。本发明包括屏蔽和非屏蔽高温超导体电缆。在非屏蔽电缆情况下该设计与其它已知电缆的区别在于，介电材料的挤压是在绝热低温恒温器上完成的。现有技术中没有公开任何用于屏蔽高温超导体电缆的建造方法。
参照图1，所示的超导体电缆10具有柔性抽空双层壁外管11，液氮12穿过其中流到一冷却器。地电势超导屏蔽材料17围绕介电和屏蔽层16，而介电和屏蔽层16又环绕支承电流的超导体材料15。柔性多孔壁内管13由超导材料15围绕，并提供了一个用于从冷却器输出液氮的中心管状部分。在一个实施例中，管13还具有一个与超导材料15接触的编织表面。
图2表示一非屏蔽电缆的实施例，其中样板21由其上敷设有超导体带23的半导体嵌入带22环绕。另一层半导体嵌入带24环绕半导体带23。屏蔽层25围绕嵌入带24，介电层26环绕屏蔽层25。介电层26由屏蔽层27围绕，而屏蔽层27又由半导体嵌入层28围绕。嵌入层28由粘结带29环绕，粘结带29由对中环30包围，而对中环30又由装护套的低温恒温器31环绕。
参照图3，示出一屏蔽电缆的实施例，装护套的低温恒温器53包围对中环52，对中环52环绕粘结带51，粘结带51又围绕半导体带50。带50围绕超导体带49，超导体带49环绕半导体嵌入带48，半导体嵌入带48包围屏蔽层47。电介质46围绕屏蔽层45，屏蔽层45环绕半导体带44。半导体带43围绕半导体嵌入带42，半导体嵌入带42环绕样板41。
本发明涉及一种使用氧化物超导体的电缆，包括一柔性芯部元件，多个以对超导体的张力不大于约2千克力/平方毫米和弯曲应变不大于0.2％敷设在上述芯部元件上的带状氧化物超导金属丝，其中每个带状超导金属丝主要包括一氧化物超导体和一将其覆盖的稳定金属，上述多个带状超导金属丝形成分别通过以并排方式敷设上述带状超导金属丝而形成的多个层，上述多个层连续叠置在上述芯部元件上，在多个层与芯部元件之间没有绝缘层，上述芯部元件向上述超导电缆提供了柔韧性，上述超导电缆能够在液氮温度下保持超导状态，上述金属丝沿其纵向方向具有基本上均匀的超导相，上述超导相的c轴定向成基本上平行于上述金属丝的厚度方向，上述超导金属丝由沿其纵向方向延伸的平行对准的颗粒制成，上述颗粒沿上述金属丝的纵向方向叠置。
超导电缆有利地具有柔韧性，从而在将电缆直径弯曲最多50次之后其超导性不会有显著降低。同样有利的是，从包括下列各项的组中选择芯部元件金属，塑料，增强塑料，聚合物，和复合物。超导电缆的一个实施例提供的芯部元件是一管，在其外部具有一螺旋槽表面，一腹板状表面，一垫状表面，或者一织物状表面，形成用于带状超导金属丝的表面。本发明的超导电缆在多个带状超导金属丝的层之间没有任何绝缘层。有利地，带状金属丝敷设在上述芯部元件上，带状多个层敷设在由上述紧邻的前层带状金属丝形成的表面上。在另一实施例中，金属丝在上述带状稳定金属覆盖层内部扭转。有利地，在超导电缆中，上述带状金属丝以最大90度，有利地从约10到约60度，优选地从约20到约40度的敷设角度敷设。本发明的一个实施例包括一具有至少两个不同组的带状金属丝层的超导电缆。有利地，每个连续层的带状金属丝的敷设角度在敷设方向或节距上交替；每个上述连续层包括至少两个带状金属丝。有利地，一层介电材料将该至少两个不同组的带状金属丝层中的每一个分开。优选地，一层介电材料将芯部元件与最接近它的带状金属丝层分开。有利地，介电材料从包括聚丙烯、聚乙烯和聚丁烯的组中选择。在本发明的一个实施例中，该至少两个不同组的带状金属丝层承载了大致相等量的流过电缆的电流。同样有利的是，距芯部元件最远的该组带状金属丝层向流过其它层的电流提供了屏蔽，并减小了电缆中的磁场或涡流。优选地，本发明中使用的稳定金属是从包括银、银合金、镍和镍合金的组中选择的，可能需要一缓冲层。
本发明中包括一实施例，其中每个带状多丝氧化物超导金属丝具有这样一个结构，即大量细丝基本上构成了包含在由银、银合金、镍和镍合金的制成的稳定材料中的氧化物超导体。该氧化物超导体可从铋、锶、钙和铜氧化物这样的氧化物超导体中准备。
有利地，上述多个层中的每层包含至少2个带状含银金属丝。优选地，上述多个层中的每层包含至少4个带状金属丝。本发明的一个实施例在上述多个层中的第二和第三层之间包括一绝缘层。有利地，当有多于4层时，在上述多个层的每个第二和第三层之间都有一个绝缘层。
在本发明的导体中，一般称作样板的芯部元件用于以预定范围的弯曲应变保持带状超导金属丝。该样板的长度是超导电缆导体所需要的，并设置在超导电缆导体的中心。样板基本上是圆柱形或螺旋形，从而将带状金属丝敷设在其上，且沿其全部长度一般具有一基本上恒定的直径。样板可主要包括从包含下列各项的组中选择的至少一个材料金属，如不锈钢，铜，铝等，以及塑料，增强塑料和陶瓷。
根据本发明，样板最好是具有柔韧性的管状元件的形式。还可以使用具有螺旋槽的管(下面称作螺旋管)作为具有足够强度和柔韧性的样板。具有波纹的波纹管也可用作样板。另外，样板还可以由螺旋缠绕材料如螺旋钢带来制备。这些形状中的每一个都能提供具有足够柔韧性的样板。该柔性样板向本发明的导体提供了柔韧性。本发明的柔性导体可绕紧在一鼓上。
当实施本发明时，可以将若干个带状多丝超导金属丝敷设在样板上。这些带状金属丝可敷设二或更多层，同时使其一个表面指向样板。每一层可由任意数量的带状金属丝制成。当将若干带状金属丝彼此平行地敷设在样板上，从而用带状金属丝装满样板的表面时，将另外的带状金属丝再敷设在其上。当足够数量的带状金属丝作为第二层敷设在带状金属丝的第一层上时，而后将一第三层带状金属丝缠绕在其上。在每个相邻对的层之间没有设置绝缘层。
在本发明的方法中，以预定范围的弯曲应变或弧度及预定范围的节距将每个带状多丝氧化物超导金属丝敷设或缠绕在具有一预定直径的样板上。沿带状金属丝的纵向方向向其施加一相对松散的弯曲。以不大于0.4％，优选不大于0.3％的弯曲应变对缠绕在样板上的带状金属丝进行弯曲。与线性状态下相比，带状金属丝的超导性在以这个范围的弯曲应变弯曲时不会显著降低，本发明优选地对样板的节距和直径进行调节，使超导金属丝的弯曲应变不大于0.2％。每个带状多丝氧化物超导金属丝优选地以在0.5到2千克/平方毫米范围内不大于2千克力/平方毫米的张力缠绕在样板上。
芯部元件(样板)可由电绝缘材料或者电导体制成。电绝缘材料在降低AC损失上是优选的，而作为导体的金属在强度上是优选的。具有螺旋槽的金属管或金属波纹管可用作向导体提供柔韧性同时保持恒定强度的芯部元件。还可在意外非正常电流情况下为了安全而使用金属芯部元件。在这种情况下，可以考虑导体的AC损失和用于非正常电流的芯部元件来设定芯部元件的最佳电阻。
当可选择地具有螺旋槽的金属管或者金属波纹管用作芯部元件时，导体还可包括一敷设或缠绕在芯部元件上的金属带，以及敷设在金属带外表面上的电介质带。金属带可形成一平滑表面用于覆盖芯部元件的任何沟槽，使超导带不弯折。可通过敷设金属带而覆盖任何沟槽同时保持芯部元件的柔韧性。
根据本发明，可以使用分别具有扭转细丝的带状多丝金属丝。形成超导多丝带的细丝以预定的节距扭转。由于细丝的这种扭转，在一稳定金属与细丝之间流动的感应电流每个扭转节距被分成小环，因而电流的值有限。因此，与细丝不扭转的超导金属丝相比，在稳定金属中产生的焦耳热量被抑制，AC损失减小。
根据本发明的超导电缆导体具有这样的柔韧性，当将电缆的直径弯曲至多50次之后，其超导性基本上没有降低。该导体可缠绕在一鼓上，用于储存和/或运输。
本发明还可以提供一个具有柔韧性及良好超导性的长氧化物超导电缆导体。在本发明中，在超导带之间传送并流过的涡流或耦合电流被根据本发明设置的第二或随后层的管状超导金属丝抑制。本发明提供了一个实际的AC超导电缆导体。
有利地，超导材料是插入银管中然后拉拔成约1到2毫米的粒化陶瓷。根据最终电缆的所需容量，而后将大量这些小的拉拔管插入被拉拔成所需尺寸以使用的银管中。可选择地，这种管可首先切成几部分，然后在拉拔之前填加到第二银管上。这种薄的银平带状材料是由重量占约百分之80到百分之60的银和约百分之20到约百分之40的陶瓷，有利地，约百分之65的银和约百分之35的陶瓷制成的。
本发明还涉及一种新颖的工艺或方法及如此产生的带，该工艺生产出适用于低温操作超临界功率电缆的聚合带。这种处理包括对具有最大介电常数约3.0的聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯进行双轴定向，并将上述薄膜压印成随机图案。低介电常数、双轴定向和压印薄膜的结合产生了能够克服易碎、破裂和过分收缩这些问题的聚合材料，这些问题使通过已知工艺生产的聚合材料不能在低温操作功率电缆系统中使用。此外，薄膜的压印还允许介电流体在电缆内部相对自由地流动。
在用于本发明的电缆中之前对聚烯烃片叠层进行双轴定向。这包括在长度方向将片拉伸到约5比1到约10比1的拉拔比率，还在它们宽度的横向对片进行定向。
通过将聚烯烃叠层处理成适当拉拔率而获得的片或带具有多个品质，使其对于电缆制造较优越。为了减小带形成原纤维以及沿单个裂缝的整个长度分开的倾向，需要进一步处理。这种处理包括在片的横向进行双轴定向。这样将片定向成在片的横向最大约50％的比率，并产生了进行充分双轴定向而令人满意地限制了形成原纤维倾向的带。
在特定条件下将由上述处理生产的聚乙烯、聚丙烯和聚丁烯带进行压印，以确保正确的电缆浸渍和热传导。压印图案由随机或不规则的凹槽组成，凹槽主要是在横向加工方向上。从已定向片切成或获得这些带，并可用作单一或多层或层压带。
与此同时，尽管允许一些浸渍剂在机器和横向带方向流动，但图案还是倾向于横向带流动，以及在衔接间隙之间流动，因为这种流动增强了层至层的浸渍，并通过对流促进了热传导。电缆自身由多层聚乙烯、聚丁烯或聚丙烯这样的聚烯烃带制成。为了有利于电缆弯曲，可将不同宽度的聚烯烃带用在这些层中。尺寸可增长到较大宽度，距电缆导体的距离增加。
本发明的聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯具有不大于约3.0的介电常数，约2.3是优选最大值。第一加工步骤包括双轴定向，或拉拔，在加工方向是约5∶1到约6∶1的比率，在横向加工方向是最大约2∶1的比率。在定向之后，在约80℃到约140℃的温度下对已定向带进行压印，在带上产生了一个图案，该图案包括主要在横向加工方向上定向的不规则或随机凹槽。
没有经过上述新颖加工步骤的聚合带具有若干个固有问题，使它们不能用在低温操作的超导电缆系统中。例如，在77°K的液氮环境中，多数聚合带变成玻璃硬度。这会由于热收缩超过固定延伸而导致拉拔失效，或者导致带的简单分解。另一个问题是在液氮中开裂。已经知道，沸点为77°K的液氮是用于聚合物的有效的开裂剂。开裂通常导致应力裂化，最终导致带断裂。上述双轴定向工艺克服了易碎、过分收缩和开裂这些问题。
许多聚合物呈现出两种不同的屈服方式。一种屈服方式包括施加剪切应力，尽管屈服现象本身受作用于屈服平面上的正常应力分量的影响。第二种屈服包括在最大基本应力的影响下屈服。这种屈服经常称作开裂，或者正常应力屈服。开裂可由应力或组合应力及溶解作用引起。在已经观察的全部聚合物中呈现出大致相似的特征。开裂用眼观察呈现出细微的裂纹显微网络，几乎总是在与最大基本应力成直角的方向上前进。开裂一般起源于表面上局部应力集中的点。在静态类型的测试中，呈现出应力或应变必须到达某些临界点时才发生开裂。但在长期载荷下开裂会以相对较低的应力水平发生。
通过对开裂区域进行扩展的显微观察，在开裂区域已经发生了分子链定向，该定向的小纤维延伸跨过开裂表面。
为有助于电缆的建造，有利地生产出其它高透明的聚烯烃绝缘带，并附加染色。该技术显著提高了制造有用电缆的能力，因为操作者必须正确地用紧前面层对带的每个随后螺旋层进行索引。当用普通极清楚和透明的聚乙烯、聚丁烯或聚丙烯带进行粘贴时，操作者不能将紧前面层的衔接间隙与下面远至八或十个带层的其它衔接间隙区别开。增加特定量的经选择的染料向带增加了足够的颜色，以允许操作者由于每一层的颜色暗度明显提高而将紧前面带层的边缘、衔接间隙与前面层的区别开。这种染色剂选择成使原材料的消散系数的增长最小化。
带的宽度可变化，靠近导体较窄，在外侧较宽。敷设方向同样可以在一定的径向厚度而反向，该径向厚度是取决于粘贴机的设计的一个系数。
电介质带可缠绕在重叠的螺旋层中，使同一层的螺旋之间的每个衔接间隙与下面层的衔接间隙偏移。这种结构由于含有颜色的绝缘带的生产而更加有利。
当如本发明所要求高度定向时，聚烯烃带，如聚乙烯、聚丁烯或聚丙烯，都是透明的。当许多层的衔接间隙非常清楚地透过电缆表面显露时，这个优点变成了缺点。操作者在区别紧前面层的衔接间隙与电缆中更深的其它衔接间隙时有难度，每个新衔接间隙必须偏离紧前面层的衔接间隙。
因此本发明的带具有增加到其上的颜色分量，因而一层在电缆中越深，则它呈现越暗。可使用有机染料来产生这种颜色，因为与无机金属盐不同，这些有机染料对于带的损耗因数和电容率没有损害效果。
由于所需颜色与电特性效果之间的平衡必须打破，以每百万100到1000份的比例填加有机染料。
这导致带的光传导降低到原始传导的百分之10到50。当带用在电缆上时，这降低了一到四层的可视性，而没有颜色，绝缘带中深达八至十层的衔接间隙都仍然可见。
定向是在加工方向通过对片进行伸长或拉紧而完成的，从而产生5比1和10比1的厚度减小比。
厚度减小比实际上是对线性片定向的测量，显示聚合物的改变的拉拔特性。该工艺有利地在约80℃到140℃之间的温度下完成。
还对该片进行处理，从而在横向片方向将其定向成最大50％的减小比。这是必须的，因为不这样处理，聚合物会形成原纤维，也就是说，在它们的宽度上分成单独的纤维，导致带纵向分开。
但由上面规定的处理产生的聚烯烃在长度(机器)方向具有至少250000磅每平方英寸的拉伸模量，并满足电缆制造所需的全部要求。
通过这种处理使带获得的拉伸强度不仅是耐退化的显示，而且是用在电缆粘贴机器上的必要条件。因此如上述处理过的带能够用在常规的电缆制造机器上，张力足够大以建造令人满意的紧密缠绕的电缆。
在最后制成电缆之前，对聚烯烃进行压印，在带层之间产生间距，这有利于浸渍剂在电缆内的相对自由的流动，以增强热传导。
这些目标是由一特定的压印技术来完成的。有利地用辊对带进行压印。图4中示出一个典型的压印图案，它是小截面带60的顶视图，图案中的凹谷61用暗线表示。
压印图案的特点是不规则，最好允许浸渍剂与沿带长度流动相反地在带横向流动。图4中看到的基本上在带横向延伸的不规则凹谷的图案满足了这些要求，且与不规则沟槽或凹槽不同，它不能将相邻带层互锁。因此不均匀和不规则图案确保了各带层可相对于彼此小距离移动，并产生制造和安装电缆所需的柔韧度。
偏好横向流动的图案为电缆提供了热传导和浸渍能力。虽然都知道聚合物是不可渗透的，但目前电缆中可用于浸渍和热传导的机构并不取决于材料本身的可渗透性。
压印图案是这样，它能够提高有效带厚度，也就是说，峰与峰之间的厚度可以是原始带厚度的两倍。然后在缠绕过程中对带进行压缩。压印是由辊完成的，在带的一个表面上产生凹陷，在另一表面上产生突起。在缠绕到电缆上之后，这些表面不平将带层分开；但由于图案偏好在带横向流动，浸渍剂只需向或从它能够从此进入带之间的下一空间的衔接间隙处最多流动带的一半宽度。这产生了从电缆内部到导体之间的相对较短的路径。
两种典型的压印图案是一个粗图案，凹谷的中点高度的宽度一般为0.1毫米，而相邻峰之间的空间一般为0.2毫米；及一细图案，凹谷的中点高度的宽度一般为0.025毫米，而相邻峰之间的空间一般为0.05毫米。
从粗到细的压印图案的可用性使电缆设计者能够打破热传导与操作应力之间的折衷。与细图案相比，粗图案提供了最好的热传导，而在操作电压应力上有一些降低，反之亦然。
本发明还包括电缆和终端，及其测试工艺。电缆测试设备包括一位于两个终端之间并与支持系统如交流或直流电源相联的5-米HTS电缆，低温冷却滑架和数据获取系统，设备低温系统使用一分冷却器，向电缆和终端提供最大1千瓦的冷却。液氮在分冷却器中的沸腾容纳了全部设备热量负载。可用一真空泵对分冷却器的壳体侧进行泵压，将氮浴温度保持在70到77K范围内，虽然多数测试程序是在没有分冷却的情况下进行的，平均电缆温度在79-81K范围内。系统循环是开放的，其中从分冷却器出来的废气最终排放到大气中。过程冷却流体(＜10巴的氮)流过分冷却器的壳体侧，循环到电缆供应总管。离开电缆/终端的氮流到LN循环泵的入口，这向加压氮的闭环流动提供了压力头。
电和低温数据是用由三个十通道万用表扫描的专用传感器采集的，这些万用表与使用实验室VIEW程序的以个人计算机(PC)为基础的数据获取系统相联。这些诊断信息可通过一局部排放测量来测量直流V-I特性，电缆AC损失，电介质完整性，及在额定电压(7.2kV acrms)和电流(1250A)下的低温性能。可获得高压电源(额定值为1A和18kV)，在操作电压2.5倍的峰值电压水平下测试电缆。专用脉冲电源从100kV升级到200kV，安装一25kA脉冲电源以模拟由于系统失效引起的电缆过载。
开发了两种终端概念。电缆测试程序的主要部分是用一真空终端概念完成的，将真空用于电和热绝缘。每个真空终端具有两套馈通，基本一套用于相线，另一套用于HTS中性导体。每套都有一从大气(295K，1大气压)到真空(295K)过渡的暧陶瓷衬套，和从真空到10巴以下的液氮(约72-81K)过渡的第二陶瓷衬套。这些衬套额定用于全电缆电流和电压。用一机械/涡轮分子泵压站将两个终端泵压通过一公共真空引线；一般真空在10-5到10-4托范围内，当与多层超导结合时提供了充足的热绝缘。对于冷却过程中以及长时间工作时的可靠性有所担心。由于热量或电机械应力而导致的冷却衬套中的轻微泄漏都会降低终端中的真空。只需要小量的液氮泄漏将真空设置到氮气的帕邢最小值，它在远低于操作电压的250V电压下中断。因此开发了一种替换的终端实施例，用加压液体和气态氮工作。图5中示出。
如同它是真空前驱站一样，设计成能够承受18kV交流电和110kV基本脉冲负载(BIL)。但它比图6中所示的真空终端更紧凑。基本概念是有冷却相或屏蔽衬套。每个终端具有两个没有明显热应力的常规热衬套。在这些热衬套与HTS电缆端部之间是一铜管同心装置，该装置设计用于减小在操作电缆电流下的轴向热传导。使用非金属圆筒用于在相与中性铜管之间进行电绝缘。去除了动态真空系统，保留的是一正常静态真空系统，具有多层超导以减少径向热量损失。整个终端处于低温系统压力下，沿铜导管从液体到气体有一个自然热过渡。如果有泄漏，则内部压力缓慢地降低到大气氮气压力(可承受30kV/cm)，系统设计成避免在这种情况下断开。这种终端设计由于去除了真空泄漏测试和泵压下降而更加操作高效。
在一扩展测试程序中，在加压终端中成功地完成了下面的测试●在设计电流(1250A ac rms)和电压(7.2kV相-地)下的扩展操作●18kV的交流承受测试，30分钟没有断开●90kV的脉冲测试(见下面对电缆测试的讨论)●对终端热负载的测量热负载通过如图7中所示的一系列设计改进而逐渐减小，对30米电缆终端有最佳性能。
对3相30米HTS电缆中的六个加压终端进行测试。对安装在具有600A交流电的30米电缆上的加压终端的热负载是每个终端约230W。每个终端具有两个理论最小热负载分别为44W/kA的传导冷却铜导线(管)。
所测试的单相5米电缆具有包含四层螺旋缠绕的铋-2223/银带的内部电缆导体。四层选择用于向1250A的设计电流提供能力。这些带以30°的角度机器缠绕在外径为38毫米的不锈钢样板上。低温弯曲电介质带卷绕在内部和外部HTS导体之间。外部HTS电缆导体与内部导体相似，并对在内部导体上流动的电流提供屏蔽，从而消除外部结构中的磁场或涡流。外部HTS电缆导体处于地电势。
5米电缆测试结果包括一对于2秒脉冲长度的最大12.8kA的成功过载电流测试(见图8)。这超过设计电流的十倍，并模拟负载侧的短路。
还测试电缆的基本脉冲负载(BIL)，以模拟电涌如放电打击。对于15kV级分布电缆的要求是110kV BIL，脉冲在1.2微秒内上升到最大。HTS电缆和终端承受最大90kV的BIL(见图9)，在该值以上会断开。当测试电压下降到低于90kV时，系统再次承受测试脉冲。
从测试设备中取出5米电缆，并在具有与电缆装运绕轴相同直径(2.44米)的木制夹具中弯曲。在一个方向和相反方向上对其进行四个循环的弯曲。在弯曲之前或之后的电缆测试显示，对于作为交流承受的介电系统没有损坏，而脉冲负载相对于前面的测试没有变化。电缆临界电流在弯曲后减小15％(见图10)。
还开发和测试了一个冷却介电三轴电缆。制造了一个1.5米长电缆。该结构比三个单独的单相电缆更紧凑，HTS带的量有显著下降，因为平衡的负载不会在三个同心相层外部产生感应电流。图11示出电缆截面，显示单相和三轴电缆的相对尺寸。液氮流动的截面面积大致相同，但由于相比于同轴单相电缆中的相到地电压，HTS导体之间的相对相电压较高，电介质略厚。
用于交流的超导电缆产生了电势低损失传导能力。对于本申请称作超导电缆，但结构复杂，因而电缆的制造非常昂贵。相线由金属超导材料制造。这有利于每个相的单独冷却。因此相线内部的空间用作冷却材料的通道，从而将闭环液氮或氦用作冷却系统。
本发明的一个实施例是一超导电缆，更紧凑，需要的材料更少，其冷却机构比已知的超导电缆更小。
本发明的超导电缆构造成这样，只需要单个中心导体用于三相线(R，S，T)。此外，相线、中性导体和冷却通道都环绕彼此同轴设置，产生了一个非常紧凑的结构。电缆的冷却是用液氮完成的。将由聚乙烯或聚丙烯制造的电绝缘体放置于相线(R，S，T)与中性导体之间。电缆通过真空和/或绝缘体而限制了外部温度损失。冷却剂在电缆芯部循环出去，并在一与真空/绝缘体直接相联的环形通道中回来。
图27以截面图表示本发明的超导电缆(1)。电缆的芯部环绕一直径为约50到约200毫米的通道(2)成形，冷却剂通过该通道(2)传导。也可以类似地选择其它直径。通道(2)限定了第一相线(R)的边界。通道(2)的外套是由超导材料制造的。优选地，相线(R)由超导带制造。这些超导带是注入高温超导体陶瓷材料的银套。随后将这些套辊压成平面带。然后将这些带卷绕在其上制有导体(R)的心轴上。导体(R)的厚度最好是0.1到10毫米。一电绝缘体(3)放置在第一相线上。它有利地由聚乙烯或聚丙烯制造。用这些材料缠绕相线(R)带，直到绝缘体(3)到达所需厚度。绝缘体的厚度最好是约10到约50毫米。第二相线(S)粘贴在绝缘体(3)上。它同样是由环绕绝缘体(3)缠绕的超导材料带制造的。相线(S)达到了与相线(R)相同的能力。粘贴到相线(S)上的是一个随后的绝缘体(4)。它是以与绝缘体(3)相同的方式和能力制造的。以与相线(R)和(S)相同方式制造的第三相线(T)粘贴在绝缘体(4)上。以与绝缘体(3)和(4)相同方式制造的另一绝缘体(5)粘贴在相线(T)上。可选择地，绝缘体(5)的厚度可小于绝缘(3)和(4)的厚度。中性导体(6)的边界位于绝缘体(5)外部。该中性导体(6)在对称的负载下只承载小电流，因此可以由普通导电材料制造，优选是铜。厚度只是几个毫米。返回导体同时用作闭环冷却通道(7)的边界，循环的液氮通过该通道(7)传导。冷却通道(7)的直径最好是约150到约500毫米。在冷却通道(7)外部是真空或超临界状态。这限定了一个内部边界表面(8I)和一个外部边界表面(8A)。在两个边界表面之间形成一个环形空间，该空间中被抽空或被注入超绝缘物质。
本发明的电缆可在约4.7大气压和约0.19升/秒(3加仑每分钟)的流速下由液氮冷却到约81K。将远大于电缆临界电流Ic(约910A)的短路脉冲施加到电缆上，以模拟在线短路情况下的故障电流。对脉冲期间和脉冲之后一段时间内的跨相线和接点的电压、屏蔽导体的电流和电压以及冷却剂的温度和压力进行监测。首先用1秒脉冲在4.8到12.8kA的增长的高电流下进行射击。然后将脉冲长度提高到2秒，再次施加最大12.8kA的电流脉冲。脉冲长度缩短到0.5秒，施加一15.3kA的电流。最后，将脉冲长度加长到5秒，施加一6.8kA的电流。
图12表示对于典型射击电缆的电流和电压轨迹。编制一约12.8kA的故障电流脉冲，施加到电缆上2秒。一旦电流达到12.8kA，在电缆上产生一约3.2V的电压(V-电缆)。沿终端和外部电源电缆的这个和该压降已经明显地超过了电源极限(12V)，并导致电流下降。在2秒脉冲的末端，电流下降到约6.9kA。但电缆电压继续上升到超过5V，表示导体中正在加热。另一方面，电缆至联接接点的电压(V接点)以与电流下降同样的比例从约0.3下降到0.17V。
电缆电压下降表示温度上升已经发生。所测量的电压除以对应的电流，得到电缆的电阻响应。图13中示出结果。可以看到，在12.8kA脉冲的起点，电缆电阻达到0.25毫欧(与临界电流0.54微欧相比)，在2秒脉冲的终点，提高到0.72毫欧。(在电流脉冲的起点和终点的不连续性是由于用接近零的电流分割电缆电压。在作为温度函数的银电阻系数改变的基础上，电缆的上述电阻系数改变表明，在脉冲的终点，HTS导体已经被加热到约170K。虽然在经过图12中的电流脉冲后电缆电压几乎消失，但图13中其电阻显示七秒之后相对较慢地冷却到0.1毫欧。
在电缆结构中，HTS带在ID上通过底层带和一波纹不锈钢管，在OD上通过低温弯曲电介质带层与冷却剂分开。因此HTS的冷却基本上只是通过传导而进行的。在故障电流脉冲过程中HTS带的加热可以基本上是绝热的。在图12中的脉冲上将电流和电压的产出集成，发现该射击中导体产生的总能量约为80千焦耳。使用银特定热量集成，估计导体将绝热地加热到约175K。图13显示，接点电阻在整个射击过程中保持在24微欧。在接点处没有显著的温度上升，因为其冷却条件较好(与LN2直接接触)。
响应过载，电缆电阻变得比其在Ic的值高得多这一事实表明，HTS电缆有一个固有的电流限制功能。在过载过程中确定电缆电阻的上升程度显示由电缆提供的电流限制程度。从不同脉冲电流到达它们的峰值的时刻起，确定在全部15个过载射击中的电缆电阻。图14中示出作为电流函数的结果。5米电缆电阻从Ic的0.54微欧快速上升到15.3kA的0.31毫欧-几乎高600倍。
直流V-I曲线(见图18)显示，在Ic以上，本发明的电压与I成比例地上升到3.8次幂(n值)。因此在过载电流I的超导体电阻可以从其在Ic的值0.54微欧按照(I/Ic)28的系数为比例计算。除超导体之外，本HTS带在成分中包含70％的银。使用0.3微欧-厘米的电阻系数，在液氮温度下电缆中银矩阵的电阻估计约为0.25毫欧。然后通过将按比例计算的HTS电阻与银电阻相比较而计算出在过载电流范围内的电缆电阻。结果由图14中计算的曲线表示。可以看到，所测量的数据非常好地符合计算的曲线，证明在Ic以上对HTS电阻进行幂定律计算是正确的。
这表示，本电缆中的HTS与在临界电流约9倍的8.1kA的银矩阵同等地分享故障电压。在该值以下，电流大部分在超导体中流动，在该值以上，越来越多的电流在银矩阵中流动。在15kA，HTS只可承载15％的故障电流。在10kA以上，所测量的数据位于所计算的曲线上方，表示在故障电流到达其峰值之前的带加热。
由于在故障过载电流过程中高压降在电缆上延伸，当脉冲长度较长时能量很高，总能量发散显著。当该能量进入冷却剂中时，温度和产生的压力上升会扰乱冷却系统。图12中所示的射击产生了全部射击中最高的能量发散。图15中，显示了该射击的温度传感器响应。传感器“T-out”的位置靠近终端内部电缆的冷却出口，“T-far”位于远端终端的电缆侧。流动的冷却剂中这些传感器在电流脉冲过程中或之后没有一个显示任何温度上升。只有位于远端终端总线侧的传感器“T-bus”在脉冲过去3秒之后显示了约5K的温度上升。该传感器由停滞的气体冷却，并处于约96K的较高温度下。
该射击中电缆产生的总能量约为80千焦。如果该能量的一半立即进入电缆内管(样板)中的液氮中，则温度会上升约5K。没有观察到这种温度上升。相线不是由冷却剂直接冷却，导体花费了几十秒时间来冷却(从而将热量释放到冷却剂中)。管内部约0.2米/秒的液氮流动速度将冷却剂增强到足够快速，以防止在冷却剂中任何可测量的温度上升。
图16显示同一射击中相应的压力变化。与温度响应相反，可以看到，入口和出口压力都开始上升1秒进入脉冲，并在脉冲过去1秒后到达约0.34大气压(5磅每平方英寸)的峰值。两个压力开关都是远离电缆的冷却剂入口和出口的仪表。压力波在零点几秒时间内(在液氮中以声速)到达。由于在冷却剂中观察到没有温度上升，由终端中的瞬间加热而导致压力上升。
在15个模拟故障电流射击的一小时跨度内，电缆出口冷却剂的累积温度上升约为1K，且没有明显的系统压力改变。相隔几分钟的重复故障电流不会扰乱本HTS电缆或低温系统。
由相线中的故障电流在屏蔽环中感应的电压和电流是另一个考虑的问题。实验中，超导屏蔽的两端用铜电缆和一电流分流器联系在一起，以监测感应电流。图17A显示对于12.8kA、2秒故障电流射击在屏蔽环中感应的电流。在相线过载电流升降过程中只有约350A和120A的瞬间电流在屏蔽中感应出来。这些低数值的部分原因是由于由本电源提供的相对较长的过载电流升降时间(约300毫秒)。如果故障电流快速上升，则屏蔽中感应的瞬态较高。在2秒的过载电流缓慢下降过程中，在屏蔽中没有测量到感应电流。
图17B显示，在屏蔽导体上产生的最大电压小于0.35毫伏。由于该电压低于该电缆中0.5毫伏的临界电流电压，感应的瞬间电流低于临界电流，因此在故障电流脉冲过程中屏蔽导体保持超导。
为了确定电缆与模拟故障电流射击相比是否有显著退化，在当前故障电流测试之后对电缆的直流V-I曲线进行测量。图18显示与一年前进行的测量相比较的当前电缆V-I曲线。在两个V-I曲线之间没有差别。在这两个直流V-I测量之间，电缆受到18kV的高压承受测试，90kV的脉冲测试，在设计电流和电压下进行长时间(72小时)测试，以及几十个冷却和升温循环。电缆在全部这些测试中没有显示出直流特性上的退化。以1微伏/厘米为判断标准，电缆的临界电流保持在约910A。
HTS电缆被提议用来更新现有的地下电缆。在普通地下电缆安装中，将三个单独相安装在单独的管道中。假定有一个致冷单元仅在电缆的一端供应分冷却液氮。图19中所示的HTS电缆结构显示了一个用于HTS电缆的单独低温逆流冷却装置。HTS电缆样板和低温壁一般采用柔性带波纹的不锈钢管。本发明的HTS电缆是一个冷电介质结构，需要一个通过介电材料与主导体分开的超导屏蔽层。该屏蔽承载了与主导体相同的电流。
在逆流冷却装置中，液氮流过HTS电缆样板，向终端和电缆提供冷却，并在电缆外部与内部低温壁之间的环形间隙中返回。在平行流动布置中，液氮沿相同方向流过电缆样板和环形间隙。液氮通过一单独的真空护套管道返回。用于返回流动的单独低温恒温器与电缆低温恒温器相同。这两种情况下研究使用的尺寸在表5中给出。
表5低温恒温器尺寸
假定在HTS电力传送系统中不允许液氮的两相流动。首先，两相流动压降高于单相流动压降。此外，电介质中的气泡会降低电缆的电绝缘水平。
HTS电力传送电缆系统的AC损失和热分析是通过对电缆系统的能量平衡而完成的。对于HTS电缆，一维能量平衡等式可写成ρc∂THTS∂τ=∂∂x(kAHTS∂THTS∂x)+Q′AC-ΣiQconv,i′--(1)]]>其中ρ是密度，C是热容，z是沿电缆轴线的坐标方向，k是导热系数，A是电缆截面积。
HTS电缆能量平衡包括一个对流热传导项Q’conv，i，包括在样板和电缆与低温恒温器之间的环形区域中与液氮流的对流。导热系数与电缆截面积的乘积，kAHTS，对于该工作是恒定的，等于每绝对温度0.16瓦特计。液体流还需要其它能量平衡等式，由下式给定ρvicp,vi∂Tvi∂τ=m·∂hvi∂x+ΣiQconv,i′--(2)]]>其中i代表每个液氮流(可用的样板流、环形间隙流和返回流)。向内部流的对流热传导仅是通过HTS电缆样板的内部实现的。外部氮流体与HTS电缆外部及双层壁柔性低温恒温器内部之间通过对流进行热交换。
对流热传导系数用下式计算NNu=ChdhydkLN2=0.023NRe0.8NPr0.3--(3)]]>其中Nnu是努塞尔数，Ch是热传导系数，kLN2是液氮的导热系数，NRe是雷诺系数，NPr是普朗特数。
将这些等式计算到一个有限差形式中，并以时间进行数字积分，直到到达一个稳定状态。在确定了温度曲线图之后，可通过在流体路径长度上对下式作积分而近似出压降dP=ρVdV+fρV22dxD--(4)]]>
其中V是液体速度，而f是摩擦系数。
在严格处理过程中，应当联接热液压方案，但假定在该工作考虑的条件下对于液氮的可压缩效果和密度变化很小。因此温度和压力曲线方案是分别完成的。已经提出在波纹管中低温液流的摩擦系数是对于平管的四倍。在目前的情况下，雷诺系数在105到106范围内，并使用恒定摩擦系数f＝0.07。假定跨终端的压降很小而将其忽略。
HTS电缆低温恒温器采取柔性双层壁结构，尺寸列在表5中。冷源温度T∞＝300K。在实际场绝缘导热系数上，一般可购买的真空绝缘柔性低温恒温器具有一个有效的keff＝0.0008瓦特每米每绝对温度。每单位长度的局部热传导可以计算，取决于局部液氮温度Tvi(x)和低温恒温器内外管直径Dci和Dco。对于外部低温恒温器来讲，起动该热传导项的温差一般超过220K。
Qcstat,i′=2πkeff(T∞-Tv,i(x))Ln(Dco/Dci)--(5)]]>在5米系统上由较早的测量按比例计算出临界电流。使用所测量的温度线性适配，可通过下式用3000A的参考值用77k温度按比例计算临界电流Ic(T)＝6188.2-41.405T (6)AC损失和以瓦特每米为单位的PAC，是用整体模型计算的。
PAC=μ0fIc22πh2{(2-Fh)Fh+2(1-Fh)ln(1-Fh)}--(7)]]>其中F＝Ip/Ic，交流循环中的峰值电流与超导体中的临界电流之间的比率，f是频率，h＝(Do2-Di2)/Do2。这种研究将显示对于1500Arms和2000Arms操作电流的结果。
介电损失取决于电缆的设计电压。假定0.05瓦特每米的额定值，并与较早的工作相一致。
将该模型与5米HTS电缆系统上的测量相比较。图20中给出操作的测量温度之间的对比。在这种情况下，用在79.2K的温度和5.4巴的压力下供应的流速为210克每秒的液氮对5米HTS电缆进行冷却。施加到电缆上的电流是1250Arms。测量值与计算值在定性上一致。温度上的偏差主要是由于使用了简化的用于终端的热模型，对于短电缆来讲是主要的系统热负载。终端具有真空热和电绝缘体。每个终端包括两个优化的电流导线，以承载多余的1250Arms额定电流。终端热负载约为每一端300瓦特。尽管由于操作电流的水平而在终端热负载中有一些变化，但认为差别很小，特别是对于长电缆，并将其忽略。
对于HTS能量传送系统，终端热负载是恒定的，不取决于传送电缆系统的长度。通过低温恒温器的AC损失和热负载取决于HTS传送电缆系统，冷却流结构，供应温度以及流速。
使用的是恒定的液氮条件，10巴的压力和67K的温度。液氮的性能是用GASPAK获得的。该压力正好处于可购买的柔性低温恒温器的能力范围之内，温度一般用于分冷却致冷单元。氮的三态点大约是63.2K，因而用封闭的循环致冷系统可获得较低的温度，如65K。
所示的临界电流和温度曲线用于在1000克每秒每相流速下的两个长度较长的情况，以及图21和图22中所示的两个冷却装置中。清楚地图示了在逆流流动情况中存在温度极限。在这种情况下，底部温度线是样板液体温度，中间线是HTS电缆温度，顶部线是环形返回流体温度。对于500米长的逆流情况，图23中所示压降是4.7巴。提高流速以降低电缆温度会提高已经很高的压降，并且可能在电缆中沸腾。在两个冷却装置中，较高的电流情况产生较高的温度，降低HTS电缆临界电流并增加AC损失。
所示的用于两个冷却装置的在67K的致冷负载是图23和图24中长度的函数。这些结果显示，以低电流运行电缆会显著降低AC损失，但低温恒温器损失完全不取决于电缆中的电流水平。
HTS能量传送电缆系统中的许多关键因素取决于冷却流速。对250米逆流情况和1000米平行流动情况进行了分析，以确定以不同流速在2000Arms电流下的最大电缆温度和压降。这些结果在图25和26中表示出来。
在两种装置中，在电缆中以较低的流速达到了较高的温度。在逆流情况下，液氮返回致冷器的系统温度低于电缆的最大温度。对于平行流体冷却装置，情况是相反的。对于低流速，逆流冷却电缆最大温度足够高，从而显著降低电缆的超导性能。提高流速以更高的压降为代价降低了最大温度。对于即使在2000米的平行流动中的这些流速，则不是这样的情况。
图19中所示的HTS电缆结构显示了一个单个低温恒温器，用于HTS电缆的逆流冷却装置。HTS电缆样板是一个柔性的带波纹的不锈钢管。HTS电缆是一个冷介电结构，需要通过介电材料与主导体分开的超导屏蔽层。该屏蔽设计成承载与主导体相同的电流。
同轴设计的特征在于1)屏蔽层中的图像电流降低了外部磁场以及低温恒温器和管道中的涡流，2)HTS导体和电介质都由带卷绕而成，3)低温电介质减小了尺寸，并提高了电流承载能力，及4)柔性电缆允许卷绕。
用特殊设计的设备制造30米HTS，将超导带卷绕在样板上。在包括主导体、低温电介质和屏蔽的前两个电缆缠绕后，将它们安装在它们的低温恒温器中。制作用于低温恒温器的特殊端盖，在大气压下用液氮对电缆进行冷却。临时电压开关安装在主和屏蔽导体端部上，只测量超导体的临界电流。图28示出用于30米HTS电缆的相2的主导体的直流V-I曲线。在1微伏/厘米标准的基础上观察2980A的临界电流Ic和n值9。相1主导体的临界电流大于3000A(电源的极限)。图28中示出其中一个5米电缆的临界电流，是1090A，n值为3。5米和30米电缆的设计电流是1250A，并在5米和30米电缆中使用相同数量的层和超导带。在获取用于5米和30米电缆的超导带所经过的时间内，带性能显著提高。结果，尽管设计用于额定1250A，但30米电缆实际上是3000A的导体。如图28所示，有了这种额外差值，当在约1500A以下工作时超导体没有电阻。在2500A时，压降为0.25微伏/厘米，直流电阻为0.01微欧/米。在测量临界电流之后，去除临时电压开关。
HTS电缆位于图29中点划框内部，是向三个制造厂供电的电力系统的一部分。为此项目建造有一切换分站，允许超导电缆和高架线中的一个或两个用于该负载。一控制大楼中装有用于超导电缆的电控和保护板、低温控制系统和一会议室。
有两个115kV传送线向普通传送分站提供服务。该传送分站具有40MVA的总容量，两个20MVA相匹配的不可调降压变压器，115kV高压侧和12.4kV低压侧。
有两个12.4kV配电馈线从分站出来。两个配电馈线使用作为典型导体的1033.5ACSR(钢加强铝导体)。12.4kV保护系统是一真空断路器，带有一个设定用于在封锁之前的三个重闭的重闭继电器。系统3相故障电流在12.4kV时大约为14000A。已经在高于该水平的故障电流上成功地测试了5米超导电缆。
HTS电缆由循环分冷却液氮通过三个电缆相而冷却。在5米电缆测试程序的基础上，对于30米电缆低温系统的要求确定为3000w的热负载，70-80K的操作温度范围，1.3升/秒(21加仑每分钟)的流速，以及10巴的最大操作压力。将两个低温致冷设计作为一个开环沸腾浴分冷却器和一个闭环致冷器的可选择方案。选择开环系统是因为较低的资金设备成本。由于大规模液氮生产厂相对于可能使用30米HTS电缆系统的较小致冷单元效率更高，这两种方法的操作成本是可比的。对于具有更长工作寿命的电缆系统来讲，包括在主系统维护过程中可能使用的开环氮气备用系统的闭环致冷系统将是一个较好的选择，因为它不需要频繁地重新加注大量储存杜瓦瓶。
低温系统设计包括三个主要部件一个液氮储存箱，一个低温滑架，和一个真空装套管路。
低温滑架包括一冷却箱，其中在正常绝缘真空下容纳有一个分冷却器，一个相分离器，和两个缓冲体积。冷却箱部件和相关管路全部由多层热绝缘体缠绕，以减小环境热负载。低温滑架还包括三个真空泵，用于降低分冷却器浴上的压力并降低系统的操作温度。有主和备用液氮循环泵。液氮流跟随穿过系统的一个路径，从循环泵，通过分冷却器，通过供应管线到达电缆，通过返回管线返回位于泵入口处的相分离器。相分离器在系统起动过程中使用，以防止蒸气到达循环泵。分冷却器由大量储存箱加注。当在80K以下工作时，分冷却器汽化通过真空泵排放到大气中。缓冲箱交替使用，一个用于提供系统加压，而另一个加满和等待。
液氮储存箱具有40000升的容量。该箱水平安装在用于低轮廓的混凝土底脚上。用一电话线对箱高度进行监测，并由液氮供应者根据需要加注。
真空装套管路将滑架与电缆联接起来。它们是三个管-入口、返回和冷却，联接电缆三相中的每一相。通过这种设置，电缆三相的任何组合可以是使用中、非使用中或者在冷却顺序中。
在正常操作过程中用一可编程逻辑控制系统操作低温系统。由于进行这些操作的次数稀少以及编程的成本，系统冷却和重起动是手动完成的。
要进行的第一个下线测试用一可变交流电压电源在电缆上施加电压。使用电源一次将11-12kV的电压施加到一个相上，并保持30分钟，以测试电缆介电系统。相1和2保持在166％额定电压而没有断开。几何结构略微不同的相3保持在230％额定电压而没有断开。
在测试过程中，对充电电流进行测试，以确定电缆容量，并如表6中所示，与计算的容量进行比较。还示出了计算的电缆感应系数。电缆电涌阻抗为4Ω低于常规铜电缆。通过这种低电涌阻抗，当与常规铜电缆相比时，交流超导电缆具有一较长的临界长度(充电电流等于额定电流时的长度)。因此在充电电流占据电缆电流承载能力之前超导电缆能够在较长的连续长度上延伸。
表6测量和计算的容量
为了测量电缆的直流电压与电流的关系(V-I曲线)，提供了一个3000A的直流电源。电压开关临时安装在主和屏蔽衬套的外部。通过联接位于一端的直流电源和位于另一端的相之间适中跳接器，一次测量V-I曲线的两个相。测量相2和3，然后相1和2，因此相2被测量了两次。测量主导体的V-I曲线，然后是屏蔽导体，因为电缆是具有同轴导体的冷却电介质设计。直流临界电流如期望的那样是基于HTS带性能和电缆设计。图30中示出对于相2和3的V-I曲线；在多数电流范围内的线性特征是由于外部电压开关的位置，它包括扩展的铜总线，和超过超导电缆每一端的联接器。
在2000年6月重复进行了直流电压/电流测试，在6个月操作之后，在在可变加载条件下经过4到6个冷却和升温循环之后确定电缆性能。如图30中所示，在超导电缆性能上已经没有变化。
进行DC负载电流测试，以模拟超导电缆上的平均、额定和紧急加载。如图31所示，用直流电源一次在其中两个主导体上分别在800、1200和1400A下进行8个小时的扩展负载电流测试。在这些初始加载测试过程中没有观察到电缆冷却系统温度上的改变。
下一个测试是用分站电源进行扩展、开路、额定电压测试。位于一端的电缆断路器关闭，而另一端保持打开，因而没有电流流过电缆。相电压在最多12小时内以若干顺序保持在每一相中。电缆介电性能如所设计的。
图32中示出对于相1的液氮返回臂温度(注意，没有示出y轴值)。电缆温度的变化约为1K。
图33中示出对于相1的返回臂液氮压力(注意，没有示出y轴值)。电缆压力的变化约为0.28巴(4帕)。
进行了若干次低温热负载测试，测量了总电缆系统热量损失。发现30米电缆的全部3相及处于600A的终端的热量损失是1490W。已经直接或分别测量了各部件，因而可估计热量损失的分解。分别是7.62厘米×12.7厘米(3”和5”)真空装套管的电缆低温恒温器，是1瓦/米/相。在600A时，导体和屏蔽为0.2瓦/米/相。
尽管对本发明作了详细描述和图示，但可以很清楚地理解，它只是用于图示和举例，并不是用于限定，本发明的精神和范围仅由附属权利要求的术语限定。
权利要求
1.一种使用氧化物超导体的电缆，包括一柔性芯部元件；多个以不大于2千克力/平方毫米的张力敷设在上述芯部元件上的带状氧化物超导金属丝，其中每个带状超导金属丝主要由一氧化物超导体和一覆盖该氧化物超导体的稳定金属构成；上述多个带状超导金属丝形成了多个层，每一层是通过以并排方式敷设多个上述带状超导金属丝而制成的；上述多个层连续叠置到上述芯部元件上，在该多个层与芯部元件之间没有绝缘层；上述芯部元件给上述超导电缆赋予了柔韧性；上述超导电缆能够在液氮温度下保持超导状态；上述金属丝沿上述金属丝的纵向方向具有基本上均匀的超导相；上述超导相的c轴定向成基本上平行于上述金属丝的厚度方向；上述超导金属丝是由沿上述金属丝的纵向方向延伸的平行对准的颗粒制成的；上述颗粒沿上述金属丝的厚度方向叠置。
2.如权利要求1所述的超导电缆，它具有柔韧性，因而在对电缆的直径弯曲最多50次之后上述电缆的超导性不会显著下降。
3.如权利要求1所述的超导电缆，其中上述芯部元件是从主要包括下列各项的组中选择的金属，塑料，增强塑料，聚合物及复合物。
4.如权利要求1所述的超导电缆，其中上述芯部元件是一管，该管在其外部具有一从螺旋槽表面、腹板状表面、织物状表面和垫状表面中选择的表面，形成用于带状超导金属丝的表面。
5.如权利要求1所述的超导电缆，其中在多个层之间没有绝缘层。
6.如权利要求5所述的超导电缆，其中在将第一层带状金属丝敷设在上述芯部元件上之后，将随后的多个带状层敷设在由紧邻的前层带状金属丝形成的表面上。
7.如权利要求1所述的超导电缆，其中上述金属丝在上述带状稳定金属覆盖层内部扭转。
8.如权利要求1所述的超导电缆，其中上述带状金属丝以最大约90度的敷设角度敷设。
9.如权利要求8所述的超导电缆，其中上述带状金属丝以约10到约60度的敷设角度敷设。
10.如权利要求9所述的超导电缆，其中上述带状金属丝以约20到约40度的敷设角度敷设。
11.如权利要求1所述的超导电缆，还包括至少两个不同组的带状金属丝层。
12.如权利要求11所述的超导电缆，其中每个连续层的带状金属丝的敷设角度在敷设方向或节距上交替。
13.如权利要求12所述的超导电缆，其中每个上述连续层包括至少两个用于四层或更多层结构的带状金属丝。
14.如权利要求11所述的超导电缆，其中一层介电材料将该至少两个不同组的带状金属丝层中的每一个分开。
15.如权利要求11所述的超导电缆，其中一层介电材料将芯部元件与最接近它的带状金属丝层分开。
16.如权利要求14所述的超导电缆，其中介电材料从包括聚丙烯、聚乙烯和聚丁烯的组中选择的。
17.如权利要求11所述的超导电缆，其中该至少两个不同组的带状金属丝层承载了大致相等量的流过电缆的电流。
18.如权利要求11所述的超导电缆，其中该两个不同组的带状金属丝层中的第一组承载了超过50％的流过电缆的电流。
19.如权利要求11所述的超导电缆，其中该两个不同组的带状金属丝层中的第二组承载了超过50％的流过电缆的电流。
20.如权利要求17所述的超导电缆，其中距芯部元件最远的该组带状金属丝层向流过其它层的电流提供了屏蔽，并减小了电缆中的磁场或涡流。
21.如权利要求1所述的超导电缆，其中稳定金属是从包括银、银合金、镍和镍合金的组中选择的。
22.如权利要求1所述的超导电缆，其中上述多层中的每一层都包含至少2个带状金属丝。
23.如权利要求1所述的超导电缆，其中上述多层中的每一层都包含至少4个带状金属丝。
24.如权利要求23所述的超导电缆，在上述多个层中的第二和第三层之间包括一绝缘层。
25.如权利要求23所述的超导电缆，其中在上述多个层的每个第二和第三层之间都有一个绝缘层。
26.如权利要求14所述的超导电缆，其中该介电材料具有约3.0的最大介电常数。
27.如权利要求26所述的超导电缆，其中该介电材料具有约2.3的最大介电常数。
28.如权利要求14所述的超导电缆，其中以约5∶1至约10∶1的比率在加工方向对介电材料进行双轴定向。
29.如权利要求28所述的超导电缆，其中以约5∶1到6∶1的比率在加工方向对介电材料进行双轴定向。
30.如权利要求28所述的超导电缆，其中以最大约2∶1的比率在加工方向对介电材料进行双轴定向。
31.如权利要求28所述的超导电缆，包括对已进行双轴定向的带进行压印，在其中形成不规则和/或随机的凹槽。
32.如权利要求31所述的超导电缆，其中对介电材料进行压印，形成深度为约0.5到约2毫米的凹槽。
33.如权利要求31所述的超导电缆，其中压印是在约80℃到约140℃的温度下由一辊完成的。
34.如权利要求30所述的超导电缆，其中电介质带被压印成一个图案，该图案优选地允许浸渍剂流过带的宽度。
35.如权利要求31所述的超导电缆，其中电介质带被压印成一具有跨带延伸的不规则凸峰和凹谷的图案。
36.如权利要求14所述的超导电缆，其中以每百万100到1000份的量由含有有机染料的材料来生产电介质带。
37.如权利要求31所述的超导电缆，其中电介质带被压印成一图案，该图案提高了有效带厚度。
38.如权利要求31所述的超导电缆，其中电介质带被压印成一图案，该图案的相邻峰之间的间距最大为约0.2毫米。
39.如权利要求38所述的超导电缆，其中电介质带被压印成一图案，该图案的峰之间的间距为约0.05毫米。
40.如权利要求14所述的超导电缆，其中该电介质带具有至少250000磅每平方英寸的拉伸模量。
41.一种用于交流电的超导电缆，具有相线和中线冷却凹槽及一外部环绕绝缘体，其中为全部三个相线提供了一个共同的中线，冷却凹槽同心地设置在一起。
42.如权利要求41所述的超导电缆，其中冷却凹槽的第一相线由导电电缆芯部约束，分别在第一和第二相线之间、第二和第三相线之间以及第三相线与中线之间设有一具有限定厚度的绝缘层，在中线与外部绝缘体之间设有一作为环形凹槽的冷却凹槽，这些相线由一超导材料制成。
43.如权利要求41所述的超导电缆，其中每个相线由超导带制成，该超导带由填充有陶瓷超导材料的氧气多孔金属制成的压平套构成。
44.如权利要求41所述的超导电缆，其中这些相线制成由填充有陶瓷超导材料的银套筒构成的带。
45.如权利要求41所述的超导电缆，其中液氮传导通过这些凹槽，用于冷却超导相。
46.如权利要求41所述的超导电缆，其中中线由铜制成。
47.如权利要求41所述的超导电缆，其中相线之间的绝缘层由聚乙烯或聚丙烯制成。
全文摘要
为了提供一种在AC损失上降低的柔性氧化物超导电缆，将由稳定金属覆盖的带状超导金属丝卷绕在一柔性样板上。超导金属丝最好以不大于0.2％的弯曲应变敷设在样板上。在样板上敷设的过程中，以并排方式将多个带状超导金属丝敷设在一芯部元件上，以形成第一层。以并排方式将预定数量的带状超导金属丝敷设在第一层的顶部，以形成第二层。样板可由金属、塑料、增强塑料、聚合物或复合物制成，并向超导金属丝及通过其形成的电缆提供柔韧性。
文档编号H01B12/16GK1483206SQ01815722
公开日2004年3月17日 申请日期2001年9月14日 优先权日2000年9月15日
发明者乌黛·K·辛哈, 乌黛 K 辛哈, R·L·休伊, 休伊, 托尔伯特, 杰瑞·托尔伯特, J 古奇, 迈克尔·J·古奇, J·W·卢, 卢 申请人:南方电线公司