超导电缆和包含该超导电缆的dc传输系统的制作方法

专利名称：超导电缆和包含该超导电缆的dc传输系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过将多个电缆芯绞合到一起形成的超导电缆和包括该超导电缆的 DC传输系统。本发明尤其涉及可以容易地形成绞合结构的超导电缆。
背景技术：
作为AC超导电缆，公知的三芯绞合型电缆是通过将三个电缆芯绞合到一起形成 的。图7是用于三相AC的三芯绞合型电缆的横截面图。超导电缆100具有这样的结构，其 中，三个电缆芯102被绞合到一起并容纳在热绝缘管101中。该热绝缘管101具有由外管 IOla和内管IOlb组成的双管结构，在这两管之间设置了热绝缘材料(未示出)。外管IOla 和内管IOlb之间的空隙被抽成真空。在热绝缘管101的外周上提供了防腐蚀覆盖物104。 每个电缆芯102从中心开始按以下的顺序包括成形器200、超导导体层201、绝缘层202、超 导屏蔽层203以及保护层204。被内管IOlb和电缆芯102包围的空隙103形成用于冷却剂 例如液氮的通道。在使用上述超导电缆进行AC传输时，不仅由电感引起的AC损耗大而且短路时的 电流也大，以至于由于那时的损耗使得温度可能过度上升。和AC传输相比，使用超导电缆 的DC传输不仅消除了 AC损耗而且还降低了短路电流。作为DC超导电缆，专利文献1已 经提出了通过将三个电缆芯绞合到一起形成的超导电缆，每个电缆芯具有超导导体和绝缘 层。在该超导电缆中，每个芯包括超导导体、在该导体的外周上提供的绝缘层以及回流导 体，该回流导体由在绝缘层的外周上提供的超导导线组成。通过使用该超导导体作为去程 线路并且使用回流导体作为回流线路来进行单极传输。专利文献1 公布的日本专利申请Tokukai 2003-249130。

发明内容
发明解决的技术问题在前述专利文献1中公开的超导电缆中，使用一个电缆就能进行DC传输，例如单 极传输和双极传输。因为该超导电缆具有通过将多个电缆芯绞合到一起而形成的结构，该 电缆可以具有用于电缆冷却时的收缩的余量。然而，该电缆具有电缆芯，每个电缆芯提供有 均由超导材料制成的超导导体和回流导体。因此，通过使用大量的超导材料来制造每个芯。 这增加了芯的抗挠刚度增大的趋势。结果，将三个电缆芯绞合到一起就相当困难。所以，需 要改进该性能。另外，在图7所示的AC超导电缆的情况下，还因为该电缆具有电缆芯，每个 电缆芯具有均由超导材料制成的超导导体和超导屏蔽层，使得将芯绞合到一起相当困难。考虑到上述情况，本发明的主要目的是提供即使在使用多个电缆芯时还能容易形 成绞合结构的超导电缆。本发明的另一个目的是提供适用于DC传输的超导电缆。还有另一个目的是提供包括上述超导电缆的DC传输系统。解决问题的方法本发明通过减小用于整个电缆的超导材料的量来实现上述目的。(通过在结构中将具有两种不同类型的电缆芯绞合到一起所形成的类型类型1)作为减小用于整个电缆的超导材料的量的方法，本发明首先提出减小用于每个电 缆芯的超导材料的量。本发明提出一种超导电缆，该超导电缆通过将多个电缆芯绞合到一起而形成，每 个电缆芯具有超导层和绝缘层。该电缆具有这样的特点，也就是该电缆包括具有下列结构 的下列芯(a)具有第一超导层的第一芯；以及(b)具有第二超导层的第二芯，该第二超导层的内径比第一超导层的外径大。本发明提出了 DC传输系统，该传输系统包括类型1的超导电缆，该超导电缆包括 上述第一和第二芯。下面描述该传输系统。(单极传输)在第一芯中提供的第一超导层被用作去程线路，在第二芯中提供的第二超导层被 用作回流线路。(双极传输)提供多个第一芯。在至少一个第一芯中提供的第一超导层被用来为一个极进行传 输，该一个极是正极或负极。在剩下的至少一个第一芯中提供的第一超导层被用来为另一 个极进行传输。在第二芯中提供的第二超导层被用作中性线路。本发明还提出了不同于具有上述两种不同类型电缆芯的实施例类型的另一个实 施例。新提出的实施例具有这样的结构，其中，该结构通过将每个具有由超导材料制成的超 导层和没有超导层的部件的一个芯或多个芯绞合到一起而形成。(提供有冷却剂循环管的类型类型2)本发明提出了另一个超导电缆，该超导电缆通过将多个电缆芯绞合到一起而形 成。该电缆具有这样的特点，其中该电缆通过将具有与电缆芯相同的直径的冷却剂循环管 和两个电缆芯绞合到一起形成，这两个电缆芯的每一个都具有包括下列部件的结构(a)超导导体层；(b)在该超导导体层的外周上提供的绝缘层；以及(c)在该绝缘层的外周上提供的外超导层。本发明还提出了另一种DC传输系统，该传输系统包括通过将上述两个芯和一个 冷却剂循环管绞合到一起所形成的类型2的超导电缆。以下描述该传输系统。(单极传输)在两个芯中均提供的超导导体层被用作去程线路，在两个芯中均提供的外超导层 被用作回流线路。(双极传输)在其中一个芯中提供的超导导体层被用来为一个极进行传输，该一个极是正极或 负极。在另一个芯中提供的超导导体层被用来为另一个极进行传输。在两个芯中均提供的 外超导层被用作中性线路。
在上述图7中所示的AC超导电缆和专利文献1所述的DC超导电缆中，使用三芯 绞合的结构来确保用于电缆冷却时的收缩的余量。另外，专利文献1已经提出了通过使用 包括均由超导材料形成的超导导体和回流导体的芯来进行单极传输。然而，当大量的超导 材料被用于超导电缆的电缆芯时，这些芯增加了它们的抗挠刚度。结果，进行三芯绞合变得 相当困难。考虑到这个问题，本发明提出减小用于每个电缆芯的超导材料的量使得绞合操 作容易进行。更具体地，使用以下两种类型的芯(a) 一种芯(对应于第一芯)，没有外超导层只有超导导体层作为超导层；以及(b)另一种芯(对应于第二芯)，只有作为超导层的外超导层，并且没有超导导体 层(该芯具有与前述芯颠倒的结构)。这里，外超导层是在DC传输中被用作回流导体和在AC传输中被用作屏蔽的层，以 及超导导体层是在DC传输中被用作外部导体和在AC传输中被用作导体的层。可选择地， 本发明提出通过使用这样一种结构使绞合操作容易，在该结构中，三个芯的其中一个通过 根本没有超导材料的部件形成。更具体地，用冷却剂循环管来代替一个电缆芯。以下更详 细地解释本发明。(类型1)本发明的超导电缆通过将至少一个第一芯和至少一个第二芯绞合到一起而形成， 每个芯包括超导层和绝缘层。该第一芯或每个第一芯(以下简称为第一芯)具有由超导 材料组成的第一超导层，而不具有由超导材料制成的其他超导层。该第二芯或每个第二芯 (以下简称为第二芯)具有由超导材料组成的第二超导层，而不具有由超导材料制成的其 他超导层。更具体地，该第一芯在该芯的中心部分侧处具有超导层，而在该芯的外周侧处没 有超导层。第二芯在该芯的外周侧处具有超导层，而在该芯的中心部分侧处没有超导层。第 二芯的第二超导层被形成为具有比第一超导层的外径大的内径。建议第一芯和第二芯的超导层通过螺旋缠绕带形导线而形成，该导线具有这样的 结构，其中多个例如由Bi-2223基超导材料制成的细丝被放置在基质例如银护套中。该超 导层可以是单层也可以是由多层组成。在使用多层结构时，可以在组成超导层之间提供绝 缘层。在组成超导层之间的绝缘层例如可以通过螺旋卷绕绝缘纸例如牛皮纸或半合成绝缘 纸例如PPLP (注册商标，由Sumitomo Electric Industries, Ltd.生产)(PPLP是聚丙烯层 叠纸的缩写)来提供。第一超导层通过在成形器的外周上螺旋缠绕前述由超导材料制成的导线而形成。 成形器可以是通过使用金属材料例如铜或铝形成的实体或空心体。例如，其可以具有其中 多个铜导线绞合的结构。作为铜导线，可以使用每个具有绝缘被覆层的导线。成形器被用 作保持第一超导层的形状的部件。可以在成形器和第一超导层之间提供缓冲层。该缓冲层 避免成形器和超导导线之间直接的金属接触，以防止超导导线受到损害。特别地，在成形器 由绞合导线形成时，缓冲层还可以用来进一步使成形器的表面平滑。作为用于缓冲层的特 殊材料，可以适当地使用绝缘纸或复写纸。第二超导层通过在芯部件地外周上螺旋地缠绕由前述超导材料制成的导线而形 成。建议该芯部件通过使用这样一种材料而形成，与包括超导导体层和外超导层的电缆芯 相比，该材料不会增加第二芯的刚度。该芯部件可以用绝缘材料或导体材料(除超导材料 外)形成。例如，其可以通过以下方法的任意一种形成
(a)使用与以下解释的绝缘层形成材料相似的绝缘材料；(b)使用塑性材料；(c)绞合金属导线例如铜导线；以及(d)在塑性材料或绞合金属导线的外周上螺旋地卷绕绝缘材料。作为上述芯部件，可以使用冷却剂循环管。在这种情况下，希望使用以下的电缆结 构(a)使用由第一和第二芯包围的空间和以下所述的热绝缘管，作为冷却剂的外部 通道(冷却剂通道)；以及(b)将用于芯部件的冷却剂循环管用作冷却剂的回流通道。当第二芯在其中心部分处具有冷却剂循环管时，可以在热绝缘管中提供冷却剂的 外部通道和回流通道，而不允许冷却剂循环管的存在减小由第一和第二芯和热绝缘管包围 的空间。结果，与和芯分开地在热绝缘管中提供有用于回流通道的冷却剂循环管的结构相 比，在本结构中，第二芯中提供有冷却剂循环管，被第一和第二芯和热绝缘包围的空间可以 得到充分地确保。换句话说，通过充分确保外部冷却剂通道，冷却剂可以在外部冷却通道内 充分循环。由外部通道和回流通道形成的冷却剂循环线路被装配有用来冷却冷却剂的致冷 器、用来强制馈送冷却剂的泵等。这些机器以冷却剂可以在适当的温度下循环的方式确定 循环线路(冷却部分)的长度。如上所述，对于这样的结构，其中冷却剂可以在外部冷却通 道内充分循环，由于侵入的热和其它原因，大流率的冷却剂可以进一步降低冷却剂的温度 升高。因此，在适当温度条件下的冷却剂可以被在很长距离上传输。结果，可以延长一个冷 却部分。而且，如上所述，可以保证足够的空间来循环冷却剂。因此，可以减小冷却剂的循 环压力，减小压力损耗。例如这可以减小用于驱动泵的电功率。希望上述冷却剂循环管不仅可以由即使在冷却剂温度下也具有优异强度而且在 某种程度还具有挠性的金属材料制成，使得它能够和其它部件绞合到一起。冷却剂循环管 的类型包括例如金属管、螺旋钢带以及通过在螺旋钢带上螺旋地缠绕金属导线例如铜导线 而形成的中空体。希望的是波纹金属管，因为其不仅具有优异的挠性，从而使其与其它部件 绞合到一起比较容易，而且在电缆冷却时容易收缩。在使用由金属材料制成的冷却剂循环 管时，通过使用绝缘材料在冷却剂循环管的外周上形成绝缘层。然后，在绝缘层上提供第二 超导层。尤其是，在使用波纹管时，希望在波纹管上提供绝缘层，使得其上形成有第二超导 层的表面可以变得光滑。在第一芯中，在第一超导层的外周上提供绝缘层。在第二芯中，在第二超导层的外 周上提供绝缘层。这些绝缘层可以通过螺旋卷绕半合成绝缘纸例如PPLP (注册商标)或绝 缘纸例如牛皮纸而形成。在第一芯中提供的绝缘层被提供在第一超导层上，使得第一超导 层可以具有对于对地电压绝缘所需的绝缘强度。在第二芯中提供的绝缘层被提供在第二超 导层上，使得第二超导层可以具有对于对地电压绝缘所需的绝缘强度。在本发明的超导电缆被用于DC传输时，上述绝缘层可以构造成具有P (电阻率) 分级以使DC电场的径向(厚度方向)分布平整。进行P分级，使得径向位置朝绝缘层的 最内的部分移动时，电阻率降低，并且在径向位置朝最外的部分移动时，电阻率增加了。进 行P分级逐步地改变绝缘层厚度方向的电阻率。P分级可以使绝缘层各处的DC电场的厚 度方向的分布平整。结果，绝缘厚度可以被降低。每层具有不同的电阻率，层的数量没有特
6别限制。然而，实际上，使用的是大约两层或三层。尤其是，在每层的厚度相等时，可以有效 地使DC电场分布平整。为进行ρ分级，建议使用具有不同电阻率(P )的绝缘材料。例如，在使用绝缘纸 例如牛皮纸时，电阻率例如可以通过改变牛皮纸的密度或者通过往牛皮纸中添加氰基胍而 变化。在使用由绝缘纸和塑料薄膜组成的复合纸例如PPLP(注册商标)时，电阻率可以通 过改变复合纸的塑料薄膜的厚度tp与总厚度T的比值k(比值k，表示为(tp/T) X 100)或 通过改变绝缘纸的密度、质量、添加剂等而变化。希望的是，例如，比值k的值位于40%到 90%左右的范围内。通常，随着比值k的增加，电阻率P增加。另外，在超导层附近，绝缘层具有高ε (介电常数)层时，该高ε层具有比其他 部分高的介电常数，不仅能使承受DC电压的性能提高，而且承受脉冲电压的性能也得到提 高。介电常数ε (在20°C )的值总结如下(a)通常的牛皮纸3· 2-4. 5左右(b)比值k为40%的复合纸2· 8左右(c)比值k为60%的复合纸2· 6左右(d)比值k为80%的复合纸2. 4左右。特别地，希望通过使用具有高比值k并包括气密性相当高的牛皮纸的复合纸来形 成绝缘层，因为这样的结构在承受DC和脉冲电压方面都表现优异。除上述的P分级外，绝缘层可以这样构成，使得在其径向位置朝最内的部分移动 时，介电常数ε增加，而且在径向位置朝最外的部分移动时，介电常数ε减小。该ε分级 还可以在绝缘层各处中径向形成。如上所述，通过进行P分级，本发明的超导电缆变成具 有优异DC性能、使得本身适用于DC传输的电缆。另一方面，现在，大多数传输线路被构造作 为AC系统。考虑到未来传输系统从AC向DC的转变，可以想到，在转变成DC传输前，还存 在通过暂时使用本发明的电缆来进行AC传输的情况。例如，会存在这样一种情况，其中，虽 然传输线路中电缆的部分已经被用本发明的超导电缆来替代，但是剩余部分还是由AC传 输电缆组成。另一个可以想到的情况是，其中，虽然传输线路中的AC传输电缆被本发明的 超导电缆替代，但是连接到该电缆的电力传输装置仍然是用于AC用途。在这种情况下，首 先，使用本发明的电缆暂时地进行AC传输，再者，最后，会进行向DC传输的转变。因此，希望 本发明的电缆不仅具有优异的DC性能而且还通过考虑AC性能进行设计。还有，在考虑AC 性能时，可以通过使用绝缘层来构造具有优异的抗脉冲电压例如浪涌电压的性能的电缆， 该绝缘层在径向位置朝最内的部分移动时，介电常数ε增加，在径向位置朝最外的部分移 动时，介电常数ε减小。稍后，在结束前述过渡期开始DC传输时，在过渡期中使用的本发 明的电缆可以被用作DC电缆而不做任何改变。换句话说，不仅通过P分级而且通过ε分 级构造的本发明的电缆还适合用作AC/DC电缆。通常，上述PPLP(注册商标)具有这样的性能，使得比值k增大时，电阻率P增 大，并且介电常数ε减小。因此，在绝缘层以这样一种方式构造时，该方式使得在径向位置 朝最外的部分移动时，使用具有更高比值k的PPLP (注册商标)，绝缘层可以具有这样的性 能，以至于在径向位置朝最外的部分移动时，电阻率P增加，而同时介电常数ε减小。另一方面，牛皮纸通常具有这样的性能，使得在气密性增加时，电阻率P增大而 且介电常数ε也增大。因此，在只使用牛皮纸时，很难以这样一种方式构造绝缘层，使得在径向位置朝最外的部分移动时，电阻率P增大同时介电常数ε减小。因此，在使用牛皮纸 时，希望通过结合复合纸来构造绝缘层。例如，建议牛皮纸层被形成在绝缘层的最内的部分 处，而PPLP层被形成在牛皮纸层的外侧处。在这种情况下，PPLP层具有比牛皮纸层高的电 阻率P，同时，PPLP层具有比牛皮纸层低的介电常数ε。另外，可以在第一超导层和绝缘层之间以及在绝缘层和第二超导层之间形成半导 体层。在以上述方式形成半导体层时，超导层增加了与绝缘层的接触，使得与部分放电等产 生伴随的破坏将被抑制。本发明的超导电缆是通过将至少一个第一芯和至少一个第二芯绞合到一起形成 的多芯电缆，每个芯具有上述结构。第一芯的数量和第二芯的数量可以相同也可以不同。不 过，调整第一和第二芯的数量，使得在第一芯的第一超导层中使用的超导材料的量与在第 二芯的第二超导层中使用的超导材料的量相同。例如，在使用的第一芯的数量大于使用的 第二芯的数量时，建议调整每个第二芯使用的超导材料的量以比每个第一芯使用的超导材 料的量大。如早先所述，本发明的电缆具有第一和第二超导层，使得第二超导层的内径大于 第一超导层的外径。因此，即使当第一芯的数量被预定为比第二芯的数量大以至于第一芯 总共使用与至少一个第二芯的超导材料的总量相同的量的超导材料时，该至少一个第二芯 不需要具有过度增加厚度的第二超导层。因此，第二芯的抗挠刚度不会过度增加。在进行 单极传输时，制备至少一个第一芯和至少一个第二芯，并将它们绞合到一起。由此，生产具 有至少一个第一芯和至少一个第二芯的超导电缆以用于传输。除单极传输外，在进行双极 传输时，制备至少两个第一芯和一个第二芯，并将它们绞合到一起。由此，制造具有至少两 个第一芯和一个第二芯的多芯超导电缆以用于传输。在这种情况下，建议第一芯被用于各 个极的传输，而第二芯被用作中性线路。希望这些第一芯和第二芯具有相同的直径以使绞 合操作容易。建议包括前述第一和第二芯的类型1的超导电缆被这样构造，使得该绞合的第一 和第二芯被容纳在热绝缘管中。该热绝缘管可以具有这样的结构，其中，例如双管结构由外 管和内管组成，热绝缘材料被设置在两个管之间，外管和内管之间的空间被抽成真空。在内 管中，被第一和第二芯的外表面和内管的内表面包围的空间填充有用于冷却第一和第二芯 的冷却剂，例如液氮。通过使用树脂例如聚氯乙烯，可以在热绝缘管的外周上提供防腐蚀覆 盖物。关于热绝缘管的内容也被应用于下述类型2的超导电缆。上述类型1的超导电缆具有这样的结构，其中，多个芯被绞合到一起。因此，如同 具有三芯绞合结构的传统超导电缆一样，该电缆具有用于电缆冷却时的收缩的余量。为提 供用于收缩的余量，例如，这些芯可以通过向芯提供松弛部分来绞合到一起。这些松弛部分 例如可以通过如下步骤来提供将芯与设置在相邻芯之间的隔离物绞合到一起，并在绞合 芯被容纳在先前形成的热绝缘管中或在绞合芯的外周上形成热绝缘管时移去隔离物。隔离 物可以由例如大约5mm厚的一片毡来形成。建议根据电缆芯的直径来适当地改变隔离物的 厚度。关于用于收缩的余量的内容也被应用于下述类型2的超导电缆中。通过将第一芯的第一超导层用作去程线路，将第二芯的第二超导层用作回流线 路，具有上述结构的类型1的超导电缆可以被用于单极传输。而且，具有上述结构的类型1的超导电缆可以通过以下方式被用于双极传输提 供多个第一芯；在至少一个第一芯中提供的第一超导层被用来为一个极进行传输；，该极
8是正极或者是负极；在剩下的至少一个第一芯中提供的第一超导层被用来为另一个极进行 传输；在第二芯中提供的第二超导层被用作中性线路。另外，在进行双极传输的过程中，例 如，在用于一个极的第一超导层中或在连接到电缆的DC-AC转换器中，该极可能会遭受异 常情况。在这种情况下，在该极由于该异常而需要停止电力传输时，正常的、用于另一个极 的第一和第二芯可以被用来进行单极传输。更具体地，第一芯的第一超导层可以被用作去 程线路，并且第二芯的第二超导层可以被用作回流线路。在单极传输或双极传输的任一种传输系统中，第二超导层被设置为地电势。在进 行双极传输时，通常，正极电流和负极电流的大小几乎相同并相互抵消。因此，用作中性线 路的第二超导层几乎没有施加电压。然而，在正极和负极之间发生不平衡时，不平衡电流流 过第二超导层。另外，由于一个极中的异常情况，在单极传输切换到双极传输时，因为第二 超导层被用作单极传输的回流线路，与传输电流相当的电流将流过第二超导层。考虑到这 些情况，在本发明中，第二超导层被设置在地电势。通过提供构造有如上所述ε分级的绝缘层，具有第一和第二芯的本发明的超导 电缆不仅适合被用于DC传输而且还被适用于AC传输。在进行AC传输时，第一和第二芯没 有用作屏蔽的导体部分。因此，如果超导电缆被用于高压传输，泄漏电场会变大。因此，在 超导电缆被用于AC传输时，希望将该电缆用于低压传输。另外，在进行单相AC传输时，建 议使用具有绞合到一起的一个第一芯和一个第二芯的超导电缆。在这种情况下，两个芯的 超导层可以被用于相位的电力传输。可以选择地，这些芯中的其中一个的超导层可以被用 于相位的电力传输，而剩下的芯被用作备用芯。该超导电缆在被用于单相AC传输后又被用 于DC传输时，该电缆可以用于单极传输。另一方面，通过使用具有至少三个芯的超导电缆 进行三相AC传输，该三个芯由第一和第二芯结合而成。如果使用的芯多于三个，多余的芯 可以被用作备用。该超导电缆在被用于三相AC传输后又被用于DC传输时，该电缆可以被 用于单极传输或双极传输。可选择地，通过使用两个或三个超导电缆，可以进行三相AC传 输，每个超导电缆具有绞合到一起的一个第一芯和一个第二芯，使得总共具有至少三个芯。 在这种情况下，在使用两个电缆时，芯的数量总共为四个。因此，一个芯可以被用作备用芯。 在使用三个电缆时，建议各个电缆被用于为各相传输电力。换句话说，建议两个芯被用于为 一相传输电力。(类型2)本发明的类型2的超导电缆具有三芯绞合结构，在该结构中两个电缆芯和一个冷 却剂循环管被绞合到一起。各个电缆芯从中心开始以这样的顺序具有下列部件(a)利用超导材料构造而成的超导导体层；(b)利用绝缘材料构造而成的绝缘层；以及(c)利用超导材料构造而成的外超导层。超导导体层可以通过螺旋缠绕由Bi-2223基超导材料制成的导线而形成，如同前 述第一芯的第一超导层和第二芯的第二超导层。另外，如同前述第一芯的第一超导层和第 二芯的第二超导层，该超导层可以是单层或是由多层组成。如同第一芯的第一超导层，该超 导导体层被形成在成形器的外周上。如同上述第一芯的绝缘层，绝缘层可以通过在上述超导导体层上螺旋地卷绕半合 成绝缘纸、牛皮纸等而形成。该绝缘层被设计为具有在超导导体层和地之间的绝缘所需的绝缘强度。另外，如同上述第一和第二芯的绝缘层，该绝缘层可以被构造成具有P分级以 使绝缘层各处的DC电场的厚度方向的分布平整。进行该P分级，使得在径向位置朝最内 的部分移动时，电阻率减小，在径向位置朝最外的部分移动时，电阻率增加。而且，如同上述 第一和第二芯的绝缘层，在超导导体层附近，该绝缘层可以具有高的ε层，该层的介电常 数比其它部分高。通过具有前述的P分级和高ε层，该电缆可以是更适合于DC传输的超 导电缆。另外，如同上述第一和第二芯的绝缘层，除P分级外，该绝缘层可以以这样一种方 式进行构造，以至于在其径向位置朝最内的部分移动时，介电常数ε增加，在径向位置朝 最外的部分移动时，介电常数ε减小。在使用这种结构时，该电缆可以是更适合于DC和AC 传输的超导电缆。如同超导导体层，外超导层通过使用超导材料在绝缘层的外周上形成。该外超导 层可以通过使用与用于形成超导导体层相似的材料形成。外超导层被设置在地电势。在使 用类型2的超导电缆进行双极传输时，通常，正极电流和负极电流具有几乎相同的大小并 且相互抵消。因此，用作中性线路的外超导层几乎没有施加电压。然而，在正极和负极之间 发生不平衡时，不平衡电流流过外超导层。另外，由于在一个极中的异常情况，在双极传输 切换到单极传输时，因为外超导层被用作单极传输的回流线路，与传输电流相当的电流将 流过外超导层。考虑到这些情况，在本发明中，利用超导材料形成外超导层。希望也用作绝 缘层的保护层被提供在外超导层的外周上。另外，可以在绝缘层的内周、外周或两者上都形成半导体层。更具体地，其可以在 超导导体层和绝缘层之间、绝缘层和外超导层之间或这两者之间形成。在形成前者也就是 内半导体层或后者也就是外半导体层时，使得超导导体层或外超导层与绝缘层的接触增 加。结果，伴随部分放电等产生的破坏将被抑制。与前述两个电缆芯绞合到一起的冷却剂循环管被用作冷却剂的回流通道，同时被 这两个芯、冷却剂循环管和热绝缘管包围的空间被用作冷却剂的外部通道(冷却剂通道)。 希望如同前述第二芯中提供的冷却剂循环管，上述冷却剂循环管不仅由即使在冷却剂温度 下还具有优异强度而且在某种程度还具有挠性的金属材料制成，使得其能够与其它部件绞 合到一起。特别地，希望冷却剂循环管具有挠性优异的形状。更具体地，希望使用波纹金属 管。由于波纹管可以不怎么困难地膨胀和收缩，即使在与这两个电缆芯绞合到一起时没有 提供松弛部分(该松弛部分被用作用于电缆冷却时的收缩的余量)，其可以利用自身的膨 胀和收缩性能来吸收热收缩的量。换句话说，在波纹管被用作冷却剂循环管的情况下，即使 波纹管与芯绞合到一起而没有提供上述松弛部分，该波纹管还可以在电缆冷却时对收缩充 分地反应。而且，在本发明中，冷却剂循环管与这些芯具有相同的外径，使得不仅冷却剂循 环管能确保作为回流通道的足够的大小，而且可以稳定地形成具有这两个电缆芯的绞合结 构。类型2的超导电缆通过将与这两个电缆芯和冷却剂循环管绞合到一起而形成的体容纳 在上述热循环管中而构成。在金属管被用作前述冷却剂循环管的情况下，当将通过把这两个电缆芯和冷却剂 循环管绞合到一起形成的组合体容纳在热绝缘管(内管)时，在冷却剂循环管与热绝缘管 物理接触时，该热绝缘管或冷却剂循环管可能会受到破坏。而且，同时还可能产生金属粉 末。金属粉末可以通过冷却剂的循环而被载带到电缆的封端，在那儿产生了电气问题。为 解决上述问题，可以在冷却剂循环管的外周上提供保护层，以保护它不与热绝缘管接触，使
10得由与热绝缘管的接触所引起的问题可以得到避免。例如可以通过螺旋地卷绕牛皮纸来形 成保护层。具有上述结构的类型2的超导电缆通过使用下列设置可以被用于单极传输(a)在两个芯中都提供的超导导体层被用作去程线路；以及(b)在两个芯中都提供的外超导层被用作回流线路。另外，该电缆通过使用下列设置还可被用于双极传输(a)在其中一个芯中提供的超导导体层被用于为一个极进行传输，该极是正极或 负极；(b)在另一个芯中提供的超导导体层被用来为另一个极进行传输；以及(c)在各个芯中提供的外超导层被用作中性线路。而且，在进行双极传输的过程中，一个极可以在用于该极的超导导体层中或例如 在连接到该电缆的DC-AC转换器中经受异常情况。在这种情况下，在该极由于该异常而需 要停止电力传输时，用于其他完好的极的芯可以被用来进行单极传输。更具体地，用于完好 的极的该芯的超导导体层可以被用作去程线路，并且相同芯的外超导层被用作回流线路。 在单极或双极传输的任意一个传输系统中，这两个芯的外超导层被设置在地电势。本发明的类型2的超导电缆通过提供利用上所述ε分级构造而成的绝缘层，不仅 适合用于DC传输而且适合用于AC传输。在进行单相AC传输时，可以使用一个类型2的超 导电缆。在这种情况下，各个芯的超导导体层可以被用于该相的电力传输，而各个芯的外超 导层被用作屏蔽层。可选择地，其中一个芯的超导导体层可以被用于该相的电力传输，而相 同芯的外超导层可以被用作屏蔽层，剩下的芯可以被用作备用芯。另一方面，在进行三相AC 传输时，制备两个或三个类型2的超导电缆，使得芯的总量变成至少三个。在使用两个电缆 时，芯的总量变成四个。因此，建议一个芯被用作备用芯，剩下的三个芯的超导导体层被用 于各相的传输，并且在超导导体层的外侧处提供的外超导层被用作屏蔽层。在使用三个电 缆时，建议各个电缆的超导导体层被用于各相的传输，并且在这些超导导体层的外侧处提 供的外超导层被用作屏蔽层。换句话说，建议两个芯被用于一相的传输。发明效果具有上述结构的本发明的超导电缆获得了容易形成绞合结构的特殊效果。通过减 小每个电缆芯中使用的超导材料的量以减小抗挠刚度，并且通过使用形成的部件(其为冷 却剂循环管)而没有使用超导材料，来使绞合操作容易，从而获得该效果。尤其是，在通过将两个不同类型的芯绞合到一起而形成的类型1的超导电缆中， 在使用包含冷却剂循环管的第二芯时，冷却剂的回流通道可以通过充分确保由芯和热绝缘 管包围的空间而形成。另一方面，在通过将两个芯和冷却剂循环管绞合到一起而形成的类 型2的超导电缆中，通过提供冷却剂循环管来代替一个芯，具有最大横截面积的通道可以 被确保作为冷却剂的回流通道。而且，通过在冷却剂循环管的外周上提供保护层，可以保护 冷却剂循环管免于与热绝缘管接触。结果，可以抑制冷却剂循环管和热绝缘管的破坏、金属 粉末的产生以及由该接触引起的其它问题。另外，在本发明的超导电缆中提供的芯中，通过在绝缘层中进行P分级，在绝缘 层的各处可以使DC电场的厚度方向的分布平整。结果，承受DC电压的性能提高了，因此，绝 缘层的厚度可以被减小。除P分级外，通过在被用作导体的超导层附近提供具有高ε的绝缘层，除上述的承受DC电压的性能的提高外，承受脉冲电压的性能也可以被提高。具体 地，通过以这样的方式来构造绝缘层，该方式使得在其径向位置朝最内的部分移动时，ε增 加，而在径向位置朝最外的部分移动时，ε减小，本发明的超导电缆可以是具有优异AC电 性能的电缆。因此，本发明的超导电缆不仅适合于DC传输和AC传输而且还适合于传输系 统在AC和DC之间转换的过渡期间使用。


图1是示出通过使用由将第一芯和第二芯绞合到一起所形成的本发明的超导电 缆来构造用于单极传输的DC传输线路的状态的示意图。图2㈧是示出通过使用由将第一芯和第二芯绞合到一起所形成的本发明的超导 电缆来构造用于双极传输的DC传输线路的状态的示意图，以及图2(B)是示出通过使用上 述相同的超导电缆中的一个第一芯中的第一超导层和第二芯的第二超导层来构造用于单 极传输的DC传输线路的状态的示意图。图3是示出通过将第一芯和第二芯绞合到一起来形成的本发明的超导电缆的实 例的示意性横截面图，其中第二芯在第二超导层的内侧处提供有冷却剂循环管。图4是示出通过使用将两个芯和一个冷却剂循环管绞合到一起所形成的本发明 的超导电缆来构造用于单极传输的DC传输线路的状态的示意图。图5(A)是示出通过使用将两个芯和一个冷却剂循环管绞合到一起所形成的本发 明的超导电缆来构造用于双极传输的DC传输线路的状态的示意图，以及图5(B)是示出通 过使用上述相同的超导电缆中的一个芯的超导导体层和外超导层来构造用于单极传输的 DC传输线路的状态的示意图。图6是示出通过使用将两个芯和一个冷却剂循环管绞合到一起所形成的本发明 的超导电缆的另一个结构的示意横截面图，该结构由在冷却剂循环管的外周上提供保护层 而形成。图7是用于三相AC的三芯绞合型超导电缆的截面图。附图标记解释1和40 超导电缆；2 第一芯；2a 第一超导层；3 第二芯；3a 第二超导层；4、6和 9b 绝缘层；5a 成形器；5b 芯部件；7 热绝缘管；7a 外管；7b 内管；8 空间；9a 冷却剂 循环管；10a、10b、lla、llb、12a、12b、13a、13b、14a、14b、15a 和 15b :DC_AC 转换器；20-25、 30-35,50-57以及60-67 引线；41 电缆芯；42和42a 冷却剂循环管；42b 保护层；43 成 形器；44 超导导体层；45 绝缘管；46 外超导层；47 保护层；100 用于三相AC用途的超 导电缆；101 热绝缘管；IOla 外管；IOlb 内管；102 电缆芯；103 空间；104 防腐蚀覆盖 物；200 成形器；201 超导导体层；202 绝缘层；203 超导屏蔽层；204 保护层。
具体实施例方式以下解释本发明的实施例。首先，给出了通过将具有不同结构的两种类型的芯绞 合到一起而形成的本发明的类型1的超导电缆的解释。实例1图1是示出其中通过使用本发明的超导电缆来构造用于单极传输的DC传输线路
12，相同的标记表示相同的部件。通过将具有不同结构的两 种类型的芯(两个第一芯2和一个第二芯3)绞合到一起并将绞合的芯容纳在热绝缘管7 中来形成超导电缆1。更具体地，每个第一芯2在绝缘层4的内周侧处具有由超导材料组成 的第一超导层2a，而在绝缘层4的外周侧处没有由超导材料组成的层。第二芯3在中心部 分侧处提供有芯部件5b，在芯部件5b的外周侧处提供有由超导材料组成的第二超导层3a， 而在芯部件5b的中心部分侧处没有提供由超导材料组成的层。形成第二超导层3a使得其 具有比第一超导层2a的外径大的内径。(第一芯2)在该实施例中，第一超导层2a通过使用Bi-2223基超导带形导线(Ag-Mn涂覆的 带形导线)构造并通过在成形器5a的外周上螺旋缠绕多层带形导线而形成。通过绞合多 个铜导线形成成形器5a。由绝缘纸制成的缓冲层(未示出)在成形器5a和第一超导层2a 之间形成。绝缘层4在第一超导层2a的外周上形成。通过螺旋卷绕半合成绝缘纸(PPLP注册商标，由Sumitomo Electric Industries, Ltd.生产)构成绝缘层4，使得其具有在第 一超导层2a和地之间绝缘所需的绝缘强度。在该实施例中，制备如上所述的两个第一芯2。 另外，两个第一芯2被设计为具有相同的直径。(第二芯3)在本实施例中，使用一个第二芯3。形成该第二芯3以便与前述第一芯2具有 相同的直径。首先，形成芯部件5b。在本实例中，通过在由绞合的铜导线形成的内芯部 件(未示出)的外周上螺旋卷绕半合成绝缘纸(PPLP 注册商标，由Sumitomo Electric Industries, Ltd.生产)构成芯部件5b。第二超导层3a被提供在芯部件5b的外周上。第 二超导层3a通过使用与前述第一芯2的第一超导层2a相同的超导材料(Bi_2223基超导 带形导线(Ag-Mn涂覆的带形导线))而形成。如同第一超导层2a，第二超导层3a通过将 带形导线螺旋缠绕多层而形成。用于形成第二超导层3a的带形导线的量被预定为与用于 形成前述两个第一芯2的第一超导层2a的带形导线的总量相同。在第二芯3中，调整芯部 件5b的大小使得第二芯3的第二超导层3a具有比第一芯2的第一超导层2a的外径(前 述外径等于绝缘层4的内径)大的内径(其等于芯部件5b的外径)。这使得能不过度增加 超导带形导线的缠绕数量(因此，缠绕层的数量)地来形成第二超导层3a。结果，第二芯3 的抗挠刚度没有过度增加。绝缘层6被提供在第二超导层3a的外周上。绝缘层6通过螺 旋卷绕牛皮纸以至于其具有在第二超导层3a和地之间绝缘所需的绝缘强度来形成。(超导电缆1)通过将两个第一芯3和一个第二芯3绞合到一起并将绞合的芯容纳在热绝缘管7 中，来形成超导电缆1。这里，每个第一芯2只有第一超导层2a作为由超导材料组成的层， 并且第二芯3只有第二超导层3a作为由超导材料组成的层。在该实施例中，由两个芯2和 一个芯3组成的这三个芯被绞合到一起以具有松弛部分，使得它们具有用于当由于冷却剂 的冷却引起热收缩时的收缩的余量。更具体地，通过将隔离物(未示出)设置在两个第一芯 2之间、第一芯2和第二芯3之间、以及第二芯3和另一个第一芯2之间，来进行绞合操作。 在绞合体被容纳在热绝缘管7 (或在绞合体上形成热绝缘管7时)时除去该隔离物。因此， 该绞合体在具有松弛部分的状态下被容纳在热绝缘管7中。在该实施例中，该隔离物由具 有5mm厚、并具有矩形横截面的一片毡形成。另外，在该实施例中，热绝缘管7由波纹不锈
13钢管形成。如同图7所示的传统超导电缆，该热绝缘管7具有由外管7a和内管7b组成的 双管结构，在这两管之间将热绝缘材料(未示出)设置为多层。双管之间的空间被抽成真 空。所以，热绝缘管7具有抽空的多层热绝缘结构。被内管7b和由两个芯2和一个芯3组 成的三个芯所包围的空间8形成用于冷却剂例如液氮的通道。由聚氯乙烯制成的防腐蚀覆 盖物在热绝缘管7的外周上形成。具有上述结构的本发明的超导电缆1可以被用于DC传输，更具体地，可以被用于 双极传输或单极传输。首先，解释进行单极传输的情况。为进行单极传输，建议构造如图1 所示的传输线路。更具体地，其中一个第一芯2中提供的第一超导层2a的一端被通过引线 20和引线21连接到DC-AC转换器10a，该转换器被连接到AC系统(未示出)。相同第一超 导层2a的另一端被通过引线22连接到DC-AC转换器10b，该转换器被连接到AC系统(未 示出)。同样地，另一个第一芯2中提供的第一超导层2a的一端通过引线23和引线21被 连接到DC-AC转换器10a。相同第一超导层2a的另一端通过引线22被连接到DC-AC转换 器10b。另一方面，在第二芯3中提供的第二超导层3a的一端通过引线24被连接到DC-AC 转换器10a。第二超导层3a的另一端通过引线25被连接到DC-AC转换器10b。引线24接 地。该接地将第二超导层3a设置为地电势。在该实例中，使用单端接地。然而，还可以通 过将引线25接地来使用两端接地。引线20到25将超导层2a和3a与DC-AC转换器IOa 和IOb电连接。提供有前述构造的DC传输线路可以通过将在两个第一芯2中提供的第一超导层 2a用作携载单极电流的去程线路，将第二芯3中提供的第二超导层3a用作携载回流电流的 回流线路，来进行单极传输。另外，超导电缆1通过将三个芯和提供的松弛部分绞合到一起 而形成。因此，该松弛部分可以吸收冷却时芯的热收缩的量。而且，与通过将三个电缆芯绞 合到一起且每个电缆芯提供有由超导材料组成的两层(超导导体和外超导层)而形成的传 统超导电缆相比，超导电缆1的每个芯中使用少量的超导材料。因此，本发明的芯具有小的 抗挠刚度，因此容易形成绞合结构。实例2接着，解释进行双极传输的情况。图2㈧是示出通过使用本发明的超导电缆来构 造用于双极传输的DC传输线路的状态的结构示意图。图2(B)是示出通过使用两个第一芯 中的一个第一芯和第二芯来构成用于单极传输的DC传输线路的状态的结构示意图。在实 例1中使用的超导电缆1也可以被用于双极传输。为进行双极传输，建议构造如图2(A)所 示的传输线路。更具体地，在两个第一芯2的其中一个(图2(A)中，顶部的第一芯2)中提 供的第一超导层2a的一端通过引线30被连接到DC-AC转换器11a，该转换器连接到AC系 统(未示出)。相同第一超导层2a的另一端通过引线31被连接到DC-AC转换器11b，该转 换器连接到AC系统(未示出)。相似地，在另一个第一芯2(图2(A)中，左边的第一芯2) 中提供的第一超导层2a的一端通过引线32被连接到DC-AC转换器12a，该转换器连接到 AC系统(未示出)。相同第一超导层2a的另一端通过引线33被连接到DC-AC转换器12b， 该转换器连接到AC系统(未示出)。另一方面，在第二芯3中提供的第二超导层3a的一端 通过引线34被连接到DC-AC转换器Ila和12a。第二超导层3a的另一端通过引线35被连 接到DC-AC转换器lib和12b。引线34接地。该接地将第二超导层3a置于地电势。在该 实例中，通过只将引线34接地来使用单端接地。然而，也可以通过将引线35接地来使用两
14端接地。引线30到35将DC-AC转换器11a、lib、12a和12b与超导层2a和3a电连接。上述结构在正向上组成了正极线路，该正极线路包括DC-AC转换器lib、引线31、 图2㈧顶部的第一芯2的第一超导层2a、引线30、DC-AC转换器11a、引线34、第二芯3的 第二超导层3a和引线35。另一方面，该结构在正向上还组成了负极线路，该负极线路包括 DC-AC转换器12b、引线33、图2(A)左边的第一芯2的第一超导层2a、引线32、DC-AC转换 器12a、引线34、第二芯3的第二超导层3a和引线35。该正极和负极线路能进行双极传输。 在该结构中，第二芯3的第二超导层3a不仅被用作中性线路而且还用来循环正极和负极之 间的不平衡电流或异常电流。在该实例中，在图2(A)中，顶部的第一芯2被用于正极，左边 的第一芯2被用于负极。然而，当然，该使用可以颠倒。即使在其中的一个极由于用于该极的第一超导层或DC-AC转换器中的异常而停 止电力传输时，通过使用用于完好极的第一超导层可以进行单极传输。例如，在图2(A)中， 在左边的第一芯2、DC-AC转换器12a和12b等产生异常情况时，即在负极产生异常情况时， 使用图2(A)中左边的第一芯2的传输停止。在这种情况下，如图2(B)所示，通过使用另一 个第一芯2(在图2(A)中顶部的第一芯2)，可以形成用于单极传输的传输线路。更具体地， 通过将该第一芯2的第一超导层2a用作去程线路并将第二芯3的第二超导层3a用作回流 线路，可以进行单极传输。在该实例中，解释负极产生异常的情况。然而，在正极产生异常 时，也可以采取相似的措施。在这种情况下，通过将另一个第一芯2 (在图2(A)中左边的第 一芯2)的第一超导层2a用作去程线路并将第二芯3的第二超导层3a用作回流线路，可以 进行单极传输。如上面所解释的，本发明的超导电缆既可以被用于双极传输又可以被用于单极传输。如先前所描述的，为进行DC传输，当第一芯1的绝缘层4和第二芯2的绝缘层6 由P分级构成从而使得在径向位置朝绝缘层的最内的部分移动时电阻率减小并且在径向 位置朝最外的部分移动时电阻率增加时，在绝缘层中DC电场的分布在厚度方向可以变得 平整。通过使用不同组的PPLP(注册商标)可以改变电阻率，每个不同的组具有不同的比 值k。在比值k增加时，电阻率趋向于增加。另外，当绝缘层4在第一超导层2a的附近被提 供有高ε层时，除改进承受DC电压的性能外还可以改进承受脉冲电压的性能。高ε层例 如可以通过使用具有低比值k的PPLP(注册商标)形成。在这种情况下，高ε层也就变成 了低P层。而且，除上述的P分级外，当绝缘层4和6被形成为使得在径向位置朝最内的 部分移动时介电常数ε增加并且在径向位置朝最外的部分移动时介电常数ε减小时，绝 缘层还具有优异的AC性能。因此，超导电缆1还适合用于AC传输。例如，通过使用不同组 的PPLP (注册商标)，如下，每个不同的组具有不同的比值k，绝缘层可以被形成为具有三个 不同级别的电阻率和介电常数。建议下列三层按下列顺序从里到外设置(每个X和Y代表 常数)低ρ 层比值(k) :60%，电阻率(P)(在 20°C) :ΧΩ · cm，介电常数(O =Y ；中P层比值(k) :70%，电阻率(P)(在20°C)大约1.2ΧΩ .cm，介电常数(O大约0. 95Y ；以及高P层比值(k) :80%，电阻率(P)(在20°C)大约1.4ΧΩ .cm,介电常数(O大约0. 9Υ。
在使用超导电缆1用于三相AC传输时，建议使用每个芯2和3中的超导层2a和 3a用于为各相进行传输。在使用超导电缆1进行单相AC传输时，建议使用每个芯2和3中 的超导层2a和3a为相同的相进行传输。各个芯2和3没有用作屏蔽的超导层。因此，在 使用超导电缆1用于AC传输时，建议将它用于低压传输。超导电缆1在被用于上述的AC传输后可以用于进行DC传输，例如上述的单极传 输和双极传输。如上所述，具有由P分级和ε分级构成的绝缘层的本发明的超导电缆适 合于用作DC/AC电缆。涉及P分级和ε分级的内容还被应用于下述的实例3中。实例3在上述实施例1和2中，对其中绞合铜导线被用作第二芯的芯部件的结构给出了 解释。然而，可以将冷却剂循环管用作芯部件。图3是示出本发明的超导电缆的示意横截 面图，该超导电缆在第二芯的第二超导层的内部具有冷却剂循环管。在该实例中所示的第 二芯3具有与实例1和2中所示相同的基本结构。唯一的不同点是提供冷却剂循环管9a 作为芯部件5b的内芯部件。以下通过集中在这点上给出解释。在该实例中，利用波纹不锈钢管形成冷却剂循环管9a。通过螺旋卷绕半合成绝缘 层在冷却剂循环管9a的外周上形成绝缘层％。在该实例中，尤其是，卷绕半合成绝缘层以 遮蔽由波峰和波谷形成的波纹管的形状，以至于该层对第二超导层3a可以具有均勻的绝 缘厚度。因此，提供绝缘层9b以便具有光滑的外周表面。如同实例1，在绝缘层9b的外周 上提供第二超导层3a，并接着在第二超导层3a的外周上提供绝缘层6。由此，形成第二芯 3以便有与第一芯2相同的直径。通过使用具有前述冷却剂循环管9a的第二芯3，可以将被内管7b和由两个芯2和 一个芯3组成的三个芯包围的空间8用作冷却剂例如液氮的外部通道，可以将冷却剂循环 管9a用作冷却剂的回流通道。尤其是，因为冷却剂循环管9a被设置在第二芯3中，可以提 供冷却剂的回流通道，并且与冷却剂循环管9a设置在位于第二芯3外面的空间8中的情况 相比，没有减小空间8的横截面面积。另外，该实例使用抗挠刚度优异的波纹管作为冷却剂 循环管9a。这不仅使与第一芯2绞合到一起的操作容易，而且使得冷却剂循环管9a本身很 容易在电缆冷却时收缩。如上所述，在第二超导层3a的内侧处提供的芯部件5b可以由不 同材料(在该实例中，冷却剂循环管9a和绝缘管9b)形成。接着，给出本发明类型2的超导电缆的解释，该超导电缆通过将两个电缆芯和一 个冷却剂循环管绞合到一起而形成。实例4图4是示出通过使用本发明的超导电缆来构造用于单极传输的DC传输线路的状 态的示意性结构图。在图4和下述图5(A)和图5(B)中，省略了冷却剂循环线路。超导电 缆40是通过将两个电缆芯41和一个冷却剂循环管42绞合到一起并然后将绞合体容纳在 热绝缘管7中而形成的电缆，每个电缆芯提供有均由超导材料制成的超导导体层44和同轴 设置的外超导层46。每个电缆芯41从中心开始，按这样的顺序提供有成形器43、超导导体 层44、绝缘层45、外超导层46以及保护层47。(电缆芯41)在该实施例中，超导导体层44和外超导层46通过使用Bi_2223基超导带形导线 (Ag-Mn涂覆的带形导线)形成。该超导导体层44通过在成形器43的外周上螺旋缠绕多层
16前述的超导带形导线而构成。用与上面相同的方法，在绝缘层45上构造外超导层46。通过 绞合多个铜导线形成成形器43。由绝缘纸制成的缓冲层(未示出)在成形器43和超导导体 层44之间形成。绝缘层45在超导导体层44的外周上通过螺旋卷绕半合成绝缘纸(PPLP注册商标，由Sumitomo Electriclndustries，Ltd.)而形成。提供绝缘层45使得具有在超 导导体层44和地之间绝缘所需的绝缘强度。通过螺旋卷绕绝缘纸，在外超导层46的外周 上提供保护层47。制备如上所述的两个电缆芯41。另外，两个电缆芯41具有相同的直径。(冷却剂循环管42)在该实例中，与上述两个电缆芯41绞合到一起的冷却剂循环管42由具有与芯41 相同的直径的波纹不锈钢管形成。(超导电缆40)通过将两个电缆芯41、冷却剂循环管42绞合到一起并将绞合体容纳在热绝缘管7 中，来形成超导电缆40，每个电缆芯提供有前述的超导导体层44和外超导层46。这两个芯 41被绞合到一起以具有松弛部分，使得它们具有用于由冷却剂冷却时的热收缩所需的收缩 的余量。如同实例1，通过在进行绞合操作时在芯41之间设置隔离物(一片具有5mm厚度 的毡)，并且在将绞合体容纳在热绝缘管7时将隔离物移去，来形成松弛部分。由于冷却剂 循环管42由可膨胀和可收缩的波纹管形成，即使在和芯41绞合到一起而不提供松弛部分， 其也能确保足够的用于收缩的余量。在该实例中，热绝缘管7由波纹不锈钢管形成。如同 图7所示的传统超导电缆，热绝缘管7具有由外管7a和内管7b组成的双管结构，在这两管 之间设置了多层热绝缘材料(未示出)。双管之间的空间被抽成真空。因此，热绝缘管7具 有抽空了的多层热绝缘结构。由内管7b、两个电缆芯41以及冷却剂循环管42包围的空间 8形成用于冷却剂例如液氮的外部通道。冷却剂循环管42用作冷却剂的回流通道。由聚氯 乙烯制成的防腐蚀覆盖物(未示出)被形成在热绝缘管7的外周上。具有上述结构的本发明的超导电缆40可以被用于DC传输，更具体地用于双极传 输或单极传输。首先，解释进行单极传输的情况。为进行单极传输，建议构造如图4所示的 传输线路。更具体地，图4右侧的芯41中提供的超导导体层44的一端通过引线50和引线 51被连接到DC-AC转换器13a，该转换器连接到AC系统(未示出)。相同超导导体层44的 另一端通过引线52连接到DC-AC转换器13b，该转换器连接到AC系统(未示出)。相似地， 图4左侧的芯41中提供的超导导体层44的一端通过引线53和引线51连接到DC-AC转换 器13a。相同超导导体层44的另一端通过引线52连接到DC-AC转换器13b。另一方面，两 个芯41的外超导层46通过引线54、引线55和引线56连接到DC-AC转换器13a并通过引 线57连接到DC-AC转换器13b。在该实例中，引线56接地。该接地将外超导层46设置在 地电势。在该实例中，使用单端接地。然而，还可以通过将引线57接地来使用两端接地。引 线50到57利用DC-AC转换器13a和13b将超导导体层44和外超导层46电连接。提供有前述构造的DC传输线路可以通过将在两个芯41中提供的超导导体层44 用作携载单极电流的去程线路，将两个芯41中提供的外超导层46用作携载回流电流的回 流线路来进行单极传输。另外，超导电缆40通过将具有松弛部分的两个电缆芯41和由可 膨胀和可收缩的波纹管制成的冷却剂循环管42绞合到一起而形成。因此，松弛部分和该可 膨胀和可收缩功能可以吸收冷却时的热收缩的量。而且，与通过将三个电缆芯绞合到一起， 每个芯提供有超导导体和外超导层，每个由超导材料制成相比，超导电缆40具有这样的结构，其中提供冷却剂循环管42来代替一个芯。因此，可以不减小空间8的横截面面积来提 供冷却剂的回流通道。尤其是，由于冷却剂循环管42具有与电缆芯41相同的直径，电缆40 可以具有最大横截面面积，用于冷却剂的回流通道。另外，电缆40可以具有与三芯绞合结 构的电缆相同的直径。因此，电缆直径没有增加。实例 5接着，解释进行双极传输的情况。图5㈧是示出通过使用本发明的超导电缆来构 造用于双极传输的DC传输线路的状态的结构示意图。图5(B)是示出通过使用其中一个芯 的超导导体层和外超导层来构造用于单极传输的DC传输线路的状态的结构示意图。在实 例4中使用的超导电缆40也可以被用于双极传输。为进行双极传输，建议构造如图5(A) 所示的传输线路。更具体地，芯41的其中一个(图5(A)中的右侧芯41)中提供的超导导 体层44的一端通过引线60连接到DC-AC转换器14a，该转换器连接到AC系统(未示出)。 相同超导导体层44的另一端通过引线61连接到DC-AC转换器14b，该转换器连接到AC系 统(未示出)。相似地，在相同芯41中提供的外超导层46的一端通过引线62和引线63连 接到DC-AC转换器14a。相同外超导层46的另一端通过引线64连接到DC-AC转换器14b。 另一方面，在另一芯41(图5(A)中左边的芯41)中提供的超导导体层44的一端通过引线 65连接到DC-AC转换器15a，该转换器连接到AC系统(未示出)。相同超导层44的另一 端通过引线66连接到DC-AC转换器15b，该转换器连接到AC系统(未示出)。类似地，在 相同芯41中提供的外超导层46的一端通过引线67和引线63连接到DC-AC转换器15a。 相同外超导层46的另一端通过引线64连接到DC-AC转换器15b。引线63接地。该接地 将两个芯41的外超导层46设置在地电势。在该实例中，通过只将引线63接地来使用单端 接地。然而，也可以通过将引线64接地来使用两端接地。引线60到67利用DC-AC转换器 14a、14b、15a和15b将超导导体层44和外超导层46电连接。上述结构在正向上组成了正极线路，该正极线路包括DC-AC转换器14b、引线61、 图5 (A)右侧的芯41的超导导体层44、引线60、DC-AC转换器14a、引线63、引线62、右侧的 芯41的外超导层46和引线64。另一方面，该结构在正向上还组成了负极线路，该负极线路 包括DC-AC转换器15b、引线66、图5(A)左侧的芯41的超导导体层44、引线65、DC_AC转换 器15a、引线63、引线67、左侧的芯41的外超导层46和引线64。上述在正向上所示的正极 和负极线路能进行双极传输。在该结构中，两个芯41的外超导层46不仅被用作中性线路， 而且还被用来循环正极和负极之间的不平衡电流或异常电流。在该实例中，在图5(A)中， 右侧的芯被用于正极，左侧的芯被用于负极。然而，当然，该使用可以颠倒。即使在其中的一个极由于用于该极的超导导体层或DC-AC转换器中的异常而引 起使用其的超导导体层的电力传输终止时，通过使用用于完好的极的超导导体层和外超导 层可以进行单极传输。例如，在图5(A)中，在左边的芯41、DC-AC转换器15a和15b等产生 异常情况时，即在负极产生异常情况时，使用图5 (A)左边的芯41的传输停止。在这种情况 下，如图5(B)所示，通过使用另一个芯41 (在图5(A)中的右侧的芯41)来形成单极传输用 的传输线路。更具体地，通过将芯41的超导导体层44用作去程线路并且将相同芯的外超 导层46用作回流线路，可以进行单极传输。在该实例中，解释了负极产生异常的情况。然 而，在正极产生异常时，也采取相似的措施。在这种情况下，通过将另一个芯41 (在图5(A) 中的左侧的芯41)的超导导体层44用作去程线路并且将相同芯的外超导层46用作回流线
18路，可以进行单极传输。如上面所解释的，本发明的超导电缆可以被用于双极传输和单极传输。特别地，该 电缆被设计为具有两个电缆芯和一个冷却剂循环管。因此，与具有三个电缆芯的结构相比， 用于整个电缆的超导材料的量可以减小，并且形成绞合结构更容易。如先前所描述的，为了进行DC传输，如同上述实例2，可以将芯41的绝缘层45构 造为具有P分级以使绝缘层中厚度方向的DC电场分布平整。另外，绝缘层45可以在超导 导体层44的附近被提供有高ε层，以改进耐DC电压性能和耐脉冲电压性能。而且，除上 述的P分级外，如同上述实例2，该绝缘层45可以构造为具有ε分级以具有优异的AC性 能。在获得上述改进时，超导电缆40不仅适合用于DC传输而且还适合用于AC传输。例如， 通过使用不同组的PPLP (注册商标)，每个不同的组具有不同的比值k，如下，可以形成具有 三个不同级别的电阻率和介电常数的绝缘层。建议下列三层按以下顺序从里到外设置(每 个X和Y代表常数)低P 层比值(k) :60%，电阻率(P ) (20 0C ) :Χ Ω · cm，介电常数(O =Y ；中P 层比值(k) :70%，电阻率(P) (20°C )大约 1.2X Ω ·αιι，介电常数(ε ) 大约0. 95Υ ；以及高P 层比值(k) :80%，电阻率(P) (20°C )大约 1.4Χ Ω ·αιι，介电常数(ε ) 大约0. 9Υ。在使用超导电缆40用于进行三相AC传输时，建议使用两个或三个超导电缆40。 在使用两个电缆40时，建议这两个电缆40的四个芯41中，一个芯41用作备用芯，剩下的 三个芯41的超导导体层44被用于各相的传输，并且这三个芯41的外超导层46被用作屏 蔽层。在使用三个电缆40时，各个电缆40被用于各相的传输。更具体地，在每个电缆40 中提供的两个芯41被用于为一相进行传输。在这种情况下，在每个电缆40中提供的两个 芯41的超导导体层44被用于为对应相进行传输，而在这些超导导体层44的外侧处提供的 外超导层46被用作屏蔽层。在将超导电缆40用于进行单相AC传输时，建议制备一个超导 电缆40，将各个芯41的超导导体层44用于相同相的传输，将在这些超导导体层44的外侧 处提供的外超导层46用作屏蔽层。超导电缆40在进行上述的AC传输后还可以用来进行DC传输，例如上述的单极传 输或双极传输。如上所述，具有由P分级和ε分级构造成的绝缘层的本发明的超导电缆 可以适用作DC/AC电缆。有关P分级和ε分级的内容也被应用于下述的实例6。接着，给出通过将两个电缆芯和一个冷却剂循环管绞合到一起而形成的本发明的 超导电缆的另一种结构的解释。图6是示出在冷却剂循环管的外周上提供有保护层的实例 的示意性截面图。实例6在实施例4和5所示的结构中，在通过将两个电缆芯41和冷却剂循环管42绞合 到一起所形成的组合体被插入热绝缘管(见图4，图5(A)和(B))中时，冷却剂循环管42的 外周表面可能与热绝缘管(内管)的内周表面进行物理接触。发生这样的情况时，可能产 生金属粉末，或可以损害冷却剂循环管42或热绝缘管。为解决该问题，如图6所示，可以在 冷却剂循环管42a的外周上提供保护层42b以防止其与热绝缘管发生接触。在该实例中， 保护层42b通过螺旋卷绕牛皮纸而形成。另外，在该实例中，选择冷却剂循环管42a的直径使得提供的保护层42b具有与电缆芯41相同的直径。该结构消除了冷却剂循环管42a与 热绝缘管之间的接触，从而防止由于接触产生的问题。工业实用性本发明的超导电缆适合用于进行电力传输的电力线路。特别地，本发明的超导电 缆不仅适合用于传输DC电力的装置而且还适合用于在传输系统从AC切换到DC的过渡期 传输AC电力。而且，本发明的DC传输系统适合在通过使用本发明的上述超导电缆进行DC 传输时使用。
权利要求
一种通过将多个电缆芯绞合到一起而形成的超导电缆，该电缆通过将两个电缆芯和一个冷却剂循环管绞合到一起而形成；这两个电缆芯的每个包括(a)超导导体层；(b)在超导导体层的外周上提供的绝缘层；以及(c)在绝缘层的外周上提供的外超导层；该冷却剂循环管具有与电缆芯相同的直径，其中，所述第一超导层和所述第二超导层均包括具有下述结构的螺旋缠绕带形导线，其中超导材料制成多个细丝被设置在基质中，以及，其中，所述两个电缆芯之一或者所述冷却剂循环管被设置为不包含超导材料，从而使得便于整个超导电缆配置的绞合操作。
2.如权利要求1所述的超导电缆，所述超导电缆具有两芯绞合的结构，该结构具有用 于电缆冷却时的收缩的余量。
3.如权利要求1所述的超导电缆，其中，所述冷却剂循环管(a)具有允许所述冷却剂循环管在电缆冷却时收缩的膨胀-收缩性能；以及(b)以不形成在电缆冷却时用于收缩的松弛部分的方式，与这两个芯绞合到一起。
4.如权利要求3所述的超导电缆，其中，所述冷却剂循环管是波纹金属管。
5.如权利要求1所述的超导电缆，其中，所述冷却剂循环管在其外周上提供有保护层。
6.如权利要求1所述的超导电缆，其中，为使绝缘层中的DC电场的径向分布平整，通过 使用P分级构造绝缘层，使得随着径向位置朝绝缘层的最内的部分移动，电阻率降低，而 随着径向位置朝最外的部分移动，电阻率增加。
7.如权利要求6所述的超导电缆，其中，在超导导体层附近，所述绝缘层具有高ε层， 该高ε层具有比其他部分高的介电常数。
8.如权利要求6所述的超导电缆，其中，构造所述绝缘层，使得随着其径向位置朝最内 的部分移动，介电常数ε增加，而随着径向位置朝最外的部分移动，介电常数ε减小。
9.如权利要求1所述的超导电缆，其中，所述基质为银护套。
10.一种包括如权利要求1-9中任意一项所述的超导电缆的DC传输系统，该DC传输系 统通过以下方法进行单极传输(a)使用在两个芯中均提供的超导导体层作为去程线路；以及(b)使用在两个芯中均提供的外超导层作为回流线路。
11.一种包括如权利要求1-9中任意一项所述的超导电缆的DC传输系统，该DC传输系 统通过以下方法进行双极传输(a)使用在两个芯的其中一个芯中提供的超导导体层来为从由正极和负极组成的组中 选出的一个极进行传输；(b)使用在另一个芯中提供的超导导体层来为另一个极进行传输；以及(c)使用在两个芯的每个中提供的外超导层作为中性线路。
全文摘要
本发明提供了即使在使用多个电缆芯时还容易形成绞合结构的超导电缆和包括该超导电缆的DC传输系统。超导电缆(1)具有通过将两种具有不同结构的电缆芯(两个第一芯(2)和一个第二芯(3))绞合到一起然后容纳在热绝缘管(7)中而形成的结构。每个第一芯(2)具有用作去程线路或用于在DC传输中为一个极进行传输的第一超导层(2a)，并且除第一超导层(2a)外没有超导层。第二芯(3)具有用作DC传输中的回流线路或中性线路的第二超导层(3a)，并且除第二超导层(3a)外没有超导层。该第二超导层(3a)具有比第一超导层(2a)的外径大的内径。
文档编号H01B12/16GK101916620SQ20101023977
公开日2010年12月15日 申请日期2005年12月16日 优先权日2005年3月14日
发明者广濑正幸 申请人:住友电气工业株式会社