СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КАБЕЛЬ И СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА, СОДЕРЖАЩАЯ ЭТОТ СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КАБЕЛЬ
SUPERCONDUCTING CABLE AND SYSTEM FOR TRANSFER OF DIRECT CURRENT THAT COMPRISES THIS SUPERCONDUCTING CABLE

Область техники
Настоящее изобретение относится к сверхпроводящему кабелю, сформированному посредством скручивания вместе множества кабельных жил, и к системе передачи электроэнергии постоянного тока, содержащей такой сверхпроводящий кабель. Настоящее изобретение, в частности, относится к сверхпроводящему кабелю, который дает возможность простого формирования скрученной структуры.
Уровень техники
В качестве сверхпроводящего кабеля переменного тока общеизвестен трехжильный витой кабель, который сформирован посредством скручивания трех кабельных жил вместе. Фиг.7 - это поперечный разрез трехжильного витого кабеля для использования на трехфазном переменном токе. Сверхпроводящий кабель 100 имеет структуру, в которой три кабельных жилы 102 скучены вместе и помещены в теплоизоляционную трубку 101. Теплоизоляционная трубка 101 имеет структуру двойной трубки, состоящей из внешней трубки 101а и внутренней трубки 101b, между которыми помещен теплоизоляционный материал (не показан). Промежуток между внешней трубкой 101а и внутренней трубкой 101b разрежен до вакуума. Антикоррозионное покрытие 104 предусмотрено на внешней окружной периферии теплоизоляционной трубки 101. Каждая из кабельных жил 102 содержит, от центра в следующем порядке, каркас 200, слой 201 сверхпроводящего проводника, изоляционный слой 202, сверхпроводящий экранирующий слой 203 и защитный слой 204. Пространство 103, ограниченное внутренней трубкой 101b и кабельными жилами 102, образует канал для хладагента, такого как жидкий азот.
Когда выполняется передача переменного тока посредством использования вышеописанного сверхпроводящего кабеля, происходит не только потеря переменного тока вследствие индуктивности, но и ток во время короткого замыкания является большим, так что температура может чрезмерно повышаться вследствие потерь в этот момент. В отличие от передачи переменного тока, передача постоянного тока с помощью сверхпроводящего кабеля не только устраняет потери переменного тока, но также уменьшает ток короткого замыкания. В качестве сверхпроводящего кабеля постоянного тока в патентном источнике 1 предложен сверхпроводящий кабель, сформированный посредством скручивания трех кабельных жил, каждая из которых имеет сверхпроводящий проводник и изоляционный слой. В этом сверхпроводящем кабеле каждая из жил содержит сверхпроводящий проводник, изоляционный слой, предусмотренный на внешней окружной периферии этого проводника, и обратный проводник, который состоит из сверхпроводящих проводов, предусмотренных на внешней окружной периферии изоляционного слоя. Униполярная передача выполняется посредством использования сверхпроводящих проводников в качестве выводящей линии и обратных проводников в качестве обратной линии.
Tokukai
Патентный источник 1: опубликованная заявка на патент Японии 2003-249130.
Раскрытие изобретения
Проблемы, решаемые изобретением
В случае сверхпроводящего кабеля, раскрытого в вышеупомянутом патентном источнике 1, применение одного кабеля обеспечивает передачу постоянного тока, такую как униполярная передача и биполярная передача. Поскольку сверхпроводящий кабель имеет структуру, сформированную посредством скручивания множества кабельных жил, кабель может иметь допуск на сжатие, когда кабель охлаждается. Тем не менее, этот кабель имеет кабельные жилы, каждая из которых снабжена сверхпроводящим проводником и обратным проводником, оба из которых изготовлены из сверхпроводящего материала. Как следствие, каждая из жил получается при использовании большого количества сверхпроводящего материала. Это повышает тенденцию к увеличению жесткости жил на изгиб. Как результат, достаточно трудно скрутить вместе три кабельные жилы. Следовательно, необходимо улучшение этого свойства. Помимо этого, в случае сверхпроводящего кабеля переменного тока, показанного на фиг.7, также вследствие того, что кабель имеет кабельные жилы, каждая из которых снабжена сверхпроводящим проводником и сверхпроводящим экранирующим слоем, причем оба они изготовлены из сверхпроводящего материала, достаточно трудно скрутить жилы вместе.
В свете вышеуказанных обстоятельств основная задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить сверхпроводящий кабель, который дает возможность простого формирования скрученной структуры даже в том случае, когда используется множество кабельных жил. Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить сверхпроводящий кабель, подходящий для передачи постоянного тока. Еще одна задача заключается в том, чтобы предложить систему передачи постоянного тока, содержащую вышеописанный сверхпроводящий кабель.
Средства для решения проблем
Настоящее изобретение решает вышеуказанные задачи за счет уменьшения количества сверхпроводящего материала, используемого во всем кабеле.
(Тип, сформированный посредством скручивания вместе кабельных жил, имеющих два различных типа структуры: тип 1)
В качестве средства для того, чтобы уменьшить количество сверхпроводящего материала, используемого во всем кабеле, настоящее изобретение сначала предлагает уменьшить количество сверхпроводящего материала, используемого на кабельную жилу.
Настоящее изобретение предлагает сверхпроводящий кабель, сформированный посредством скручивания вместе множества кабельных жил, каждая из которых имеет сверхпроводящий слой и изоляционный слой. Кабель имеет тот признак, что кабель содержит следующие жилы, имеющие следующие структуры:
(a) первую жилу, имеющую первый сверхпроводящий слой; и
(b) вторую жилу, имеющую второй сверхпроводящий слой, который имеет больший внутренний диаметр, чем внешний диаметр первого сверхпроводящего слоя.
Настоящее изобретение предлагает систему передачи постоянного тока, которая содержит сверхпроводящий кабель типа 1, содержащий вышеописанные первую и вторую жилы. Система передачи описана ниже.
(Униполярная передача)
Первый сверхпроводящий слой, предусмотренный в первой жиле, используется в качестве выводящей линии, а второй сверхпроводящий слой, предусмотренный во второй жиле, используется в качестве обратной линии.
(Биполярная передача)
Предусмотрено множество первых жил. Первый сверхпроводящий слой, предусмотренный в по меньшей мере одной первой жиле, используется для того, чтобы выполнять передачу для одного полюса, либо положительного полюса, либо отрицательного полюса. Первый сверхпроводящий слой, предусмотренный в оставшейся по меньшей мере одной первой жиле, используется для того, чтобы выполнять передачу для другого полюса. Второй сверхпроводящий слой, предусмотренный во второй жиле, используется в качестве нейтральной линии.
Настоящее изобретение также предлагает другой вариант осуществления, отличный от типа варианта осуществления, имеющего вышеупомянутые два различных типа кабельных жил. Новый предлагаемый вариант осуществления имеет структуру, которая сформирована посредством скручивания вместе жилы или жил, каждая из которых имеет сверхпроводящий слой, изготовленный из сверхпроводящего материала, и элемента, не имеющего сверхпроводящего слоя.
(Тип, снабженный трубкой циркуляции хладагента: тип 2)
Настоящее изобретение предлагает еще один сверхпроводящий кабель, сформированный посредством скручивания вместе множества кабельных жил. Кабель имеет тот признак, что этот кабель сформирован посредством скручивания вместе трубки циркуляции хладагента, имеющей такой же диаметр, что и диаметр кабельной жилы, и двух кабельных жил, каждая из которых имеет структуру, содержащую следующие элементы:
(a) слой сверхпроводящего проводника;
(b) изоляционный слой, предусмотренный на внешней окружной периферии слоя сверхпроводящего проводника; и
(c) внешний сверхпроводящий слой, предусмотренный на внешней окружной периферии изоляционного слоя.
Настоящее изобретение также предлагает еще одну систему передачи постоянного тока, которая содержит сверхпроводящий кабель типа 2, сформированный посредством скручивания вместе вышеописанных двух жил и одной трубки циркуляции хладагента. Система передачи описана ниже.
(Униполярная передача)
Слои сверхпроводящего проводника, предусмотренные в обеих жилах, используются в качестве выводящей линии, а внешние сверхпроводящие слои, предусмотренные в обеих жилах, используются в качестве обратной линии.
(Биполярная передача)
Слой сверхпроводящего проводника, предусмотренный в одной из жил, используется для того, чтобы выполнять передачу для одного полюса, либо положительного полюса, либо отрицательного полюса. Слой сверхпроводящего проводника, предусмотренный в другой жиле, используется для того, чтобы выполнять передачу для другого полюса. Внешние сверхпроводящие слои, предусмотренные в обеих жилах, используются в качестве нейтральной линии.
В описанном выше сверхпроводящем кабеле переменного тока, показанном на фиг.7, и в сверхпроводящем кабеле постоянного тока, описанном в патентном источнике 1, трехжильная витая структура используется для того, чтобы гарантировать допуск на сжатие, когда кабель охлаждается. Помимо этого, в патентном источнике 1 предлагается выполнять униполярную передачу посредством использования жилы, которая содержит сверхпроводящий проводник и обратный проводник, оба из которых сформированы из сверхпроводящего материала. Тем не менее, когда большое количество сверхпроводящего материала используется для кабельных жил сверхпроводящего кабеля, жилы увеличивают свою жесткость на изгиб. Как результат, становится достаточно трудно выполнять скручивание трех жил. В свете этой проблемы настоящее изобретение предлагает уменьшить количество сверхпроводящего материала, используемого на кабельную жилу, так чтобы операция скручивания могла легко выполняться. Более конкретно, используются следующие два типа жил:
(a) жила (соответствующая первой жиле), которая не имеет внешнего сверхпроводящего слоя, а которая имеет только слой сверхпроводящего проводника в качестве сверхпроводящего слоя; и
(b) другая жила (соответствующая второй жиле), которая имеет только внешний сверхпроводящий слой в качестве сверхпроводящего слоя и не имеет слоя сверхпроводящего проводника (эта жила имеет структуру, обратную структуре вышеупомянутой жилы).
При этом внешний сверхпроводящий слой - это слой, используемый в качестве обратного проводника при передаче постоянного тока и используемый в качестве экрана при передаче переменного тока, а слой сверхпроводящего проводника - это слой, используемый в качестве выходящего проводника при передаче постоянного тока и используемый в качестве проводника при передаче переменного тока. Альтернативно, настоящее изобретение предлагает упростить операцию скручивания посредством использования структуры, в которой одна из трех жил сформирована элементом, который вообще не имеет сверхпроводящего материала. Более конкретно, вместо одной кабельной жилы используется трубка циркуляции хладагента. Настоящее изобретение подробнее поясняется ниже.
(Тип 1)
Сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению сформирован посредством скручивания вместе по меньшей мере одной первой жилы и по меньшей мере одной второй жилы, каждая из которых содержит сверхпроводящий слой и изоляционный слой. Упомянутая или каждая первая жила (далее упоминаемая просто как первая жила) снабжена первым сверхпроводящим слоем, состоящим из сверхпроводящего материала, без наличия другого сверхпроводящего слоя, изготовленного из сверхпроводящего материала. Упомянутая или каждая вторая жила (далее упоминаемая просто как вторая жила) снабжена вторым сверхпроводящим слоем, состоящим из сверхпроводящего материала, без наличия другого сверхпроводящего слоя, изготовленного из сверхпроводящего материала. Более конкретно, первая жила имеет сверхпроводящий слой со стороны центральной части жилы и не имеет сверхпроводящего слоя со стороны внешней окружной периферии жилы. Вторая жила имеет сверхпроводящий слой со стороны внешней окружной периферии жилы и не имеет сверхпроводящего слоя со стороны центральной части жилы. Второй сверхпроводящий слой второй жилы сформирован таким образом, что он имеет больший внутренний диаметр, чем внешний диаметр первого сверхпроводящего слоя.
Рекомендуется, чтобы сверхпроводящий слой первой и второй жил формировался посредством спиралевидной намотки лентовидных проводов, имеющих структуру, в которой множество нитей, изготовленных, к примеру, из сверхпроводящего материала на основе Bi-2223, помещены в матрицу, такую как серебряная оболочка. Сверхпроводящий слой может быть либо одиночным слоем, либо может состоять из множества слоев. Когда используется многослойная структура, между входящими в ее состав сверхпроводящими слоями может быть предусмотрен изоляционный слой. Изоляционный слой между входящими в состав сверхпроводящими слоями может быть предусмотрен, например, посредством спиралевидного наложения изоляционной бумаги, такой как крафт-бумага, или полусинтетической изоляционной бумаги, такой как PPLP (зарегистрированный товарный знак, производится компанией Sumitomo Electric Industries, Ltd.) (PPLP - это сокращение от ламинированной полипропиленом бумаги).
Первый сверхпроводящий слой сформирован посредством спиралевидной намотки вышеупомянутых проводов, изготовленных из сверхпроводящего материала, на внешнюю окружную периферию каркаса. Каркас может быть либо сплошным телом, либо полым телом, сформированным посредством использования металлического материала, такого как медь или алюминий. Например, он может иметь структуру, в которой скручено множество медных проволок. В качестве медных проволок могут быть использованы проволоки, каждая из которых имеет изоляционное покрытие. Каркас действует в качестве элемента для поддержания формы первого сверхпроводящего слоя. Между каркасом и первым сверхпроводящим слоем может быть предусмотрен амортизирующий слой. Амортизирующий слой не допускает прямого металлического контакта между каркасом и сверхпроводящими проводами, препятствуя повреждению сверхпроводящих проводов. В частности, когда каркас сформирован скрученными проволоками, амортизирующий слой также служит для того, чтобы дополнительно выравнивать поверхность каркаса. В качестве специального материала для амортизирующего слоя может подходящим образом использоваться изоляционная бумага или углеродная бумага.
Второй сверхпроводящий слой сформирован посредством спиралевидной намотки вышеупомянутых проводов, изготовленных из вышеупомянутого сверхпроводящего материала, на внешнюю окружную периферию элемента-сердечника. Рекомендуется, чтобы элемент-сердечник формировался посредством использования материала, который не повышает жесткость второй жилы по сравнению с кабельной жилой, содержащей как слой сверхпроводящего проводника, так и внешний сверхпроводящий слой. Элемент-сердечник может быть сформирован либо с помощью изоляционного материала, либо с помощью проводящего материала (за исключением сверхпроводящего материала). Например, он может быть сформирован посредством любого из следующих способов:
(a) с использованием изоляционного материала, аналогичного формирующему изоляционный слой материалу, что описано ниже;
(b) с использованием пластмассового материала;
(c) скручиванием металлических проволок, таких как медные проволоки; и
(d) спиралевидным наложением изоляционного материала на внешнюю окружную периферию пластмассового материала или скрученных металлических проволок.
В качестве вышеописанного элемента-сердечника может быть использована трубка циркуляции хладагента. В этом случае желательно использовать следующую кабельную структуру:
(a) использовать пространство, ограниченное первой и второй жилами и нижеописанной теплоизоляционной трубкой, в качестве выводящего канала хладагента (канала хладагента); и
(b) использовать трубку циркуляции хладагента для элемента-сердечника в качестве обратного канала для хладагента.
Когда вторая жила имеет трубку циркуляции хладагента в своей центральной позиции, выводящие и обратные каналы хладагента могут быть предусмотрены в теплоизоляционной трубке, не вызывая наличием трубки циркуляции хладагента уменьшения пространства, ограниченного первой и второй жилами и теплоизоляционной трубкой. Как результат, в структуре, в которой трубка циркуляции хладагента предусмотрена во второй жиле, пространство, ограниченное первой и второй жилами и теплоизоляционной трубкой, может сохраняться достаточным, по сравнению со структурой, в которой трубка циркуляции хладагента для обратного канала предусмотрена в теплоизоляционной трубке отдельно от жил. Другими словами, при обеспечении достаточного выводящего канала хладагента хладагент может в достаточной мере циркулировать в выводящем канале хладагента. Контур циркуляции хладагента, образованный выводящим и обратным каналами, оснащен холодильником для охлаждения хладагента, насосом для принудительной подачи хладагента и т.п. Эти устройства определяют длину контура циркуляции (секции охлаждения) так, чтобы хладагент мог циркулировать при надлежащей температуре. Как описано выше, для структуры, в которой хладагент может в достаточной степени циркулировать в выводящем канале хладагента, большая скорость потока хладагента может дополнительно уменьшать рост температуры в хладагенте вследствие проникновения тепла и других причин. Как следствие, хладагент при надлежащих температурных условиях может транспортироваться на большие расстояния. В результате одна охлаждающая секция может быть удлинена. Более того, как описано выше, может обеспечиваться достаточное пространство для циркуляции хладагента. Следовательно, давление циркуляции хладагента может быть снижено, уменьшая потерю давления. Это, к примеру, дает возможность уменьшить электроэнергию на приведение в действие насоса.
Желательно, чтобы вышеописанная трубка циркуляции хладагента не только была изготовлена из металлического материала, имеющего превосходную прочность даже при температуре хладагента, но также имела гибкость в такой степени, чтобы ее можно было скручивать вместе с другим элементом. Типы трубки циркуляции хладагента включают в себя, например, металлическую трубку, спиральную стальную ленту и полое тело, сформированное с помощью спиралевидной намотки металлических проволок, например медных проволок, на спиральную стальную ленту. Желательна гофрированная металлическая трубка, поскольку она не только имеет отличную гибкость, тем самым упрощая скручивание ее вместе с другим элементом, но также легко сжимается в то время, когда кабель охлаждается. Когда используется трубка циркуляции хладагента, изготовленная из металлического материала, изоляционный слой формируется на внешней окружной периферии трубки циркуляции хладагента посредством использования изоляционного материала. Далее, второй сверхпроводящий слой предусмотрен на изоляционном слое. В частности, когда используется гофрированная трубка, желательно, чтобы изоляционный слой был предусмотрен на гофрированной трубке таким образом, что поверхность, на которой сформирован второй сверхпроводящий слой, могла стать гладкой.
В первой жиле изоляционный слой предусмотрен на внешней окружной периферии первого сверхпроводящего слоя. Во второй жиле изоляционный слой предусмотрен на внешней окружной периферии второго сверхпроводящего слоя. Эти изоляционные слои могут быть сформированы посредством спиралевидного наложения полусинтетической изоляционной бумаги, такой как PPLP (зарегистрированный товарный знак), или изоляционной бумаги, такой как крафт-бумага. Изоляционный слой, предусмотренный в первой жиле, предусматривается на первом сверхпроводящем слое таким, чтобы первый сверхпроводящий слой мог иметь электрическую прочность изоляции, требуемую для того, чтобы быть изолированным от напряжения относительно земли. Изоляционный слой, предусмотренный во второй жиле, предусматривается на втором сверхпроводящем слое таким, чтобы второй сверхпроводящий слой мог иметь электрическую прочность изоляции, требуемую для того, чтобы быть изолированным от напряжения относительно земли.
ρ
Когда сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению используется для передачи постоянного тока, вышеописанный изоляционный слой может быть структурирован с постепенным изменением (градацией) ρ (удельного сопротивления), чтобы сгладить радиальное распределение (по толщине) электрического поля постоянного тока. Постепенное изменение ρ выполняется таким образом, чтобы по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении самой внутренней части изоляционного слоя, удельное сопротивление снижалось, а по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении самой внешней части, удельное сопротивление повышалось. Выполнение постепенного изменения ρ ступенчато меняет удельное сопротивление изоляционного слоя по толщине. Постепенное изменение позволяет сгладить распределение по толщине электрического поля постоянного тока по всему изоляционному слою. Как результат, толщина изоляции может быть уменьшена. Число слоев, каждый из которых имеет различное удельное сопротивление, особо не ограничено. Тем не менее, на практике используется два или три слоя или около того. В частности, когда толщина отдельных слоев выровнена, может эффективно выполняться сглаживание распределения электрического поля постоянного тока.
ρ
k
tp
T
k
(tp/T)
k
k
Чтобы выполнять постепенное изменение ρ, рекомендуется использовать изоляционные материалы, имеющие различные удельные сопротивления (). Например, когда используется изоляционная бумага, такая как крафт-бумага, удельное сопротивление может варьироваться, к примеру, посредством варьирования плотности крафт-бумаги или посредством добавления дициандиамида в крафт-бумагу. Когда используется композитная бумага, такая как PPLP (зарегистрированный товарный знак), состоящая из изоляционной бумаги и пластмассовой пленки, удельное сопротивление может изменяться посредством либо варьирования отношения толщины  пластмассовой пленки к общей толщине  композитной бумаги (отношение выражается как ×100), либо посредством варьирования плотности, качества, добавок и т.п. изоляционной бумаги. К примеру, желательно, чтобы значение отношения находилось в диапазоне от 40% до 90% или около того. Обычно по мере того, как отношение увеличивается, удельное сопротивление ρ возрастает.
Помимо этого, когда изоляционный слой имеет, рядом со слоем сверхпроводящего проводника, слой с высокой ε (диэлектрической постоянной), который имеет более высокую диэлектрическую постоянную, чем диэлектрическая постоянная другой части, может быть улучшено не только свойство выдерживаемого постоянного напряжения, но также может быть улучшено свойство выдерживаемого импульсного напряжения. Значения диэлектрической постоянной ε (при 20°C) обобщены ниже:
(a) обычная крафт-бумага: 3,2-4,5 или около этого;
k
(b) композитная бумага с отношением  в 40%: 2,8 или около этого;
k
(c) композитная бумага с отношением  в 60%: 2,6 или около этого;
k
(d) композитная бумага с отношением  в 80%: 2,4 или около этого.
k
В частности, желательно формировать изоляционный слой посредством использования композитной бумаги, которая имеет высокое отношение  и которая содержит крафт-бумагу, имеющую достаточно высокую воздухонепроницаемость, поскольку эта структура является оптимальной по выдерживаемому постоянному и импульсному напряжениям.
Помимо вышеописанного постепенного изменения ρ, изоляционный слой структурирован таким образом, чтобы по мере того, как его радиальная позиция перемещается в направлении самой внутренней части, диэлектрическая постоянная ε возрастала, а по мере того, как его радиальная позиция перемещается в направлении самой внешней части, диэлектрическая постоянная ε уменьшалась. Это постепенное изменение ε также сформировано радиально по всему изоляционному слою. Как описано выше, посредством выполнения постепенного изменения ρ сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению становится кабелем, имеющим отличные свойства на постоянном токе, что делает его подходящим для передачи постоянного тока. С другой стороны, в настоящее время большинство линий передачи структурированы как системы переменного тока. В свете будущего перехода систем передачи с переменного тока на постоянный ток, можно считать, что до перехода к передаче постоянного тока существует случай, когда передача переменного тока выполняется посредством кратковременного использования кабеля по настоящему изобретению. Например, имеется случай, при котором, хотя часть кабеля в линии передачи заменена на сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению, оставшаяся часть по-прежнему состоит из кабеля передачи переменного тока. Возможен другой случай, при котором, хотя кабель передачи переменного тока в линии передачи заменен на сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению, устройства передачи электроэнергии, соединенные с кабелем, по-прежнему остаются предназначенными для использования на переменном токе. В этом случае сначала кратковременно выполняется передача переменного тока с помощью кабеля по настоящему изобретению, а затем в итоге осуществляется переход к передаче постоянного тока. Следовательно, желательно, чтобы кабель по настоящему изобретению не только имел отличные свойства на постоянном токе, но также был разработан с учетом свойств на переменном токе. Когда также принимаются во внимание свойства на переменном токе, кабель, имеющий отличные характеристики по импульсному напряжению, такие как выброс напряжения, может быть структурирован посредством использования изоляционного слоя, который повышает свою диэлектрическую постоянную ε по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении самой внутренней части, и понижает свою диэлектрическую постоянную ε по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении самой внешней части. Позднее, когда вышеуказанный переходный период завершается и начинается передача постоянного тока, кабель по настоящему изобретению, используемый в переходном периоде, может быть использован в качестве кабеля постоянного тока без какой-либо модификации. Другими словами, кабель по настоящему изобретению, структурированный не только с постепенным изменением ρ, но также и с постепенным изменением ε, может быть подходящим образом использован в качестве кабеля переменного/постоянного тока.
k
k
Обычно вышеописанная PPLP (зарегистрированный товарный знак) имеет такое свойство, что когда отношение повышается, удельное сопротивление ρ повышается, а диэлектрическая постоянная ε понижается. Как следствие, когда изоляционный слой структурирован таким образом, что по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении самой внешней части, используется PPLP (зарегистрированный товарный знак) с более высоким отношением , изоляционный слой может иметь такое свойство, что по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении самой внешней части, удельное сопротивление ρ повышается и одновременно с этим понижается диэлектрическая постоянная ε.
С другой стороны, крафт-бумага обычно имеет такое свойство, что когда воздухонепроницаемость повышается, удельное сопротивление ρ повышается и диэлектрическая постоянная ε также повышается. Следовательно, когда используется только крафт-бумага, трудно структурировать изоляционный слой таким образом, что по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении самой внешней части, удельное сопротивление ρ повышается и одновременно с этим снижается диэлектрическая постоянная ε. Следовательно, когда используется крафт-бумага, желательно, чтобы изоляционный слой был структурирован посредством комбинирования с композитной бумагой. Например, рекомендуется, чтобы слой крафт-бумаги был сформирован в самой внутренней части изоляционного слоя, а слой PPLP был сформирован на внешней стороне слоя крафт-бумаги. В этом случае слой PPLP имеет более высокое удельное сопротивление ρ, чем удельное сопротивление слоя крафт-бумаги, и в то же время слой PPLP имеет более низкую диэлектрическую постоянную ε, чем диэлектрическая постоянная слоя крафт-бумаги.
Помимо этого, между первым сверхпроводящим слоем и изоляционным слоем и между изоляционным слоем и вторым сверхпроводящим слоем может быть сформирован полупроводящий слой. Когда полупроводящий слой сформирован вышеописанным образом, сверхпроводящий слой приводится в больший контакт с изоляционным слоем, так что повреждение, сопровождающее генерирование частичного разряда или т.п., будет подавляться.
Сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению представляет собой многожильный кабель, сформированный посредством скручивания вместе по меньшей мере одной первой жилы и по меньшей мере одной второй жилы, каждая из которых имеет вышеописанную структуру. Число первых жил и число вторых жил может быть одинаковым или различным. Тем не менее, число первых и вторых жил корректируется таким образом, чтобы количество сверхпроводящего материала, используемого в первом сверхпроводящем слое первой жилы, было равно количеству сверхпроводящего материала, используемого во втором сверхпроводящем слое второй жилы. Например, когда используемое число первых жил превышает используемое число вторых жил, рекомендуется, чтобы количество сверхпроводящего материала, используемого на вторую жилу, регулировалось таким образом, чтобы превышать количество сверхпроводящего материала, используемого на первую жилу. Как описано выше, кабель по настоящему изобретению снабжен первым и вторым сверхпроводящими слоями так, чтобы внутренний диаметр второго сверхпроводящего слоя превышал внешний диаметр первого сверхпроводящего слоя. Как следствие, даже когда число первых жил задано превышающим число вторых жил, так чтобы первые жилы в сумме использовали такое же количество сверхпроводящего материала, что и суммарное количество сверхпроводящего материала упомянутой по меньшей мере одной второй жилы, упомянутая по меньшей мере одна вторая жила не обязательно должна иметь второй сверхпроводящий слой, имеющий чрезмерно увеличенную толщину. Следовательно, жесткость на изгиб второй жилы не будет чрезмерно возрастать. Когда выполняется униполярная передача, подготавливаются по меньшей мере одна первая жила и по меньшей мере одна вторая жила, и они скручиваются вместе. Таким образом получают сверхпроводящий кабель, имеющий по меньшей мере одну первую жилу и по меньшей мере одну вторую жилу, для использования для передачи. Когда выполняется биполярная передача в дополнение к униполярной передаче, подготавливаются по меньшей мере две первых жилы и одна вторая жила, и они скручиваются вместе. Таким образом получают многожильный сверхпроводящий кабель, имеющий по меньшей мере две первых жилы и по меньшей мере одну вторую жилу, для использования для передачи. В этом случае рекомендуется, чтобы первые жилы использовались для передачи для отдельных полюсов и чтобы вторая жила использовалась в качестве нейтральной линии. Желательно, чтобы эти первые жилы и вторая жила имели одинаковый диаметр, чтобы упростить операцию скручивания.
Рекомендуется, чтобы сверхпроводящий кабель типа 1, содержащий вышеупомянутые первую и вторую жилу, структурировался так, чтобы скрученные первая и вторая жилы помещались в теплоизоляционную трубку. Теплоизоляционная трубка может иметь структуру, в которой, например, структура сдвоенной трубки состоит из внешней трубки и внутренней трубки, между этими двумя трубками помещается теплоизоляционный материал, а промежуток между внешней и внутренней трубками разрежен до вакуума. Во внутренней трубке пространство, ограниченное внешней поверхностью первой и второй жил и внутренней поверхностью внутренней трубки, заполняется хладагентом, таким как жидкий азот, для охлаждения первой и второй жил. Антикоррозионное покрытие может быть предусмотрено на внешней окружной периферии теплоизоляционной трубки посредством использования смолы, такой как поливинилхлорид. Обсуждение, касающееся теплоизоляционной трубки, также применимо к описанному ниже сверхпроводящему кабелю типа 2.
Вышеописанный сверхпроводящий кабель типа 1 имеет структуру, в которой множество жил скручено вместе. Следовательно, как и в случае традиционного сверхпроводящего кабеля, имеющего трехжильную витую структуру, кабель может иметь допуск на сжатие в то время, когда кабель охлаждается. Чтобы предоставить допуск на сжатие, жилы могут быть скручены, к примеру, за счет допускания провисания жил. Провисание может быть задано, например, посредством скручивания жил с прокладкой, помещенной между соседними жилами, и последующего вынимания этой прокладки либо тогда, когда скрученные жилы помещаются в предварительно сформированную теплоизоляционную трубку, либо когда теплоизоляционная трубка формируется на внешней окружной периферии скрученных жил. Прокладка может быть сформирована, например, из листа войлока, имеющего толщину примерно 5 мм. Рекомендуется подходящим образом варьировать толщину прокладки согласно диаметру кабельной жилы. Обсуждение, касающееся допуска на сжатие, также применимо к описанному ниже сверхпроводящему кабелю типа 2.
Сверхпроводящий кабель типа 1, имеющий вышеописанную структуру, может быть использован для униполярной передачи посредством использования первого сверхпроводящего слоя первой жилы в качестве выводящей линии, а второго сверхпроводящего слоя второй жилы - в качестве обратной линии.
Более того, сверхпроводящий кабель типа 1, имеющий вышеописанную структуру, может быть использован для биполярной передачи следующим образом. Предусматривается множество первых жил. Первый сверхпроводящий слой, предусмотренный в по меньшей мере одной первой жиле, используется для того, чтобы выполнять передачу для одного полюса, либо положительного полюса, либо отрицательного полюса. Первый сверхпроводящий слой, предусмотренный в оставшейся по меньшей мере одной первой жиле, используется для того, чтобы выполнять передачу для другого полюса. Второй сверхпроводящий слой, предусмотренный во второй жиле, используется в качестве нейтральной линии. Помимо этого, в ходе выполнения биполярной передачи один полюс может вызывать, например, аномальный режим в первом сверхпроводящем слое для полюса или в преобразователе постоянного тока в переменный, соединенном с кабелем. В этом случае, когда полюсу требуется прекратить передачу электроэнергии вследствие этой аномальности, первая и вторая жилы для другого полюса, который является нормальным, могут быть использованы для того, чтобы выполнять униполярную передачу. Более конкретно, первый сверхпроводящий слой первой жилы может быть использован в качестве выводящей линии, а второй сверхпроводящий слой второй жилы - в качестве обратной линии.
В любой из систем передачи, будь то униполярная или биполярная передача, второй сверхпроводящий слой находится при потенциале земли. Когда выполняется биполярная передача, обычно ток положительного полюса и ток отрицательного полюса имеют практически одинаковую величину и компенсируют друг друга. Следовательно, второй сверхпроводящий слой, который действует в качестве нейтральной линии, является практически свободным от приложения напряжения. Тем не менее, когда возникает дисбаланс между положительным и отрицательным полюсами, неуравновешенный ток протекает через второй сверхпроводящий слой. Помимо этого, когда биполярная передача переключается на униполярную передачу вследствие аномального режима в одном полюсе, через второй сверхпроводящий слой будет протекать ток, сравнимый с током передачи, поскольку второй сверхпроводящий слой используется для того, чтобы действовать в качестве обратной линии униполярной передачи. В свете этих обстоятельств в настоящем изобретении второй сверхпроводящий слой находится при потенциале земли.
Сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению, снабженный первой и второй жилами, может быть подходящим образом использован не только для передачи постоянного тока, но и для передачи переменного тока посредством предусматривания изоляционного слоя, структурированного с постепенным изменением ε, как описано выше. Когда выполняется передача переменного тока, первая и вторая жилы не имеют проводника, который действует в качестве экрана. Следовательно, если сверхпроводящий кабель используется для передачи высокого напряжения, электрическое поле утечки может стать большим. Как следствие, когда сверхпроводящий кабель используется для передачи переменного тока, желательно использовать кабель для передачи низкого напряжения. Помимо этого, когда выполняется передача однофазного переменного тока, рекомендуется использовать сверхпроводящий кабель, снабженный одной первой жилой и одной второй жилой, которые скручены вместе. В этом случае сверхпроводящие слои обеих жил могут быть использованы при передаче электроэнергии для фазы. Альтернативно, сверхпроводящий слой любой одной из жил может быть использован при передаче электроэнергии для фазы, при этом оставшаяся жила используется в качестве резервной жилы. Когда этот сверхпроводящий кабель используется для передачи постоянного тока после использования для передачи однофазного переменного тока, кабель может быть использован для униполярной передачи. С другой стороны, передача трехфазного переменного тока выполняется посредством использования сверхпроводящего кабеля, снабженного по меньшей мере тремя жилами, которые состоят из комбинации первой и второй жил. Если используется более трех жил, избыточная жила или жилы могут быть использованы как резервные. Когда этот сверхпроводящий кабель используется для передачи постоянного тока после использования для передачи трехфазного переменного тока, кабель может быть использован либо для униполярной передачи, либо для биполярной передачи. Альтернативно, передача трехфазного переменного тока может выполняться посредством использования двух или трех сверхпроводящих кабелей, каждый из которых снабжен одной первой жилой и одной второй жилой, которые скручены вместе, так что всего может быть предусмотрено по меньшей мере три жилы. В этом случае, когда используется два кабеля, общее число жил составляет четыре. Следовательно, одна жила может быть использована в качестве резервной жилы. Когда используется три кабеля, рекомендуется, чтобы отдельный кабель использовался для передачи электроэнергии для отдельной фазы. Другими словами, рекомендуется, чтобы две жилы использовались для того, чтобы передавать электроэнергию для одной фазы.
(Тип 2)
Сверхпроводящий кабель типа 2 по настоящему изобретению имеет трехжильную витую структуру, в которой две кабельных жилы и одна трубка циркуляции хладагента скручены вместе. Отдельная кабельная жила снабжена следующими элементами в этом порядке от центра:
(a) слой сверхпроводящего проводника, структурированный с помощью сверхпроводящего материала;
(b) изоляционный слой, структурированный с помощью изоляционного материала; и
(с) внешний сверхпроводящий слой, структурированный с помощью сверхпроводящего материала.
Слой сверхпроводящего проводника может быть сформирован посредством спиралевидной намотки проводов, изготовленных из сверхпроводящего материала на основе Bi-2223, как и в случае с вышеописанным первым сверхпроводящим слоем первой жилы и вторым сверхпроводящим слоем второй жилы. Помимо этого, как и в случае с вышеописанным первым сверхпроводящим слоем первой жилы и вторым сверхпроводящим слоем второй жилы, слой сверхпроводящего проводника может представлять из себя либо единственный слой, либо быть составленным из множества слоев. Как и в случае с первым сверхпроводящим слоем первой жилы, слой сверхпроводящего проводника сформирован на внешней окружной периферии каркаса.
Изоляционный слой может быть сформирован посредством спиралевидной намотки полусинтетической изоляционной бумаги, крафт-бумаги и т.п. на вышеупомянутый слой сверхпроводящего проводника, как и в случае с вышеописанным изоляционным слоем первой жилы. Изоляционный слой сконструирован так, чтобы иметь электрическую прочность изоляции, требуемую для изоляции между слоем сверхпроводящего проводника и землей. Помимо этого, как в случае с вышеописанным изоляционным слоем первой и второй жил, изоляционный слой может быть структурирован с постепенным изменением ρ, чтобы сгладить распределение по толщине электрического поля постоянного тока по всему изоляционному слою. Постепенное изменение ρ выполняется таким образом, чтобы по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении самой внутренней части, удельное сопротивление снижалось, а по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении самой внешней части, удельное сопротивление повышалось. Более того, как и в случае с вышеописанным изоляционным слоем первой и второй жил, изоляционный слой может иметь, рядом со слоем сверхпроводящего проводника, слой с высокой ε, который имеет более высокую диэлектрическую постоянную, чем диэлектрическая постоянная другой части. При снабжении вышеупомянутым постепенным изменением ρ и слоем с высокой ε кабель может быть сверхпроводящим кабелем, в большей степени подходящим для передачи постоянного тока. Кроме того, как и в случае с вышеописанным изоляционным слоем первой и второй жил, изоляционный слой может быть структурирован, помимо постепенного изменения ρ, таким образом, чтобы по мере того, как его радиальная позиция перемещается в направлении самой внутренней части, диэлектрическая постоянная ε возрастала, а по мере того, как его радиальная позиция перемещается в направлении самой внешней части, диэлектрическая постоянная ε снижалась. Когда используется эта структура, кабель может быть сверхпроводящим кабелем, в большей степени подходящим для передачи как постоянного, так и переменного тока.
Как и в случае со слоем сверхпроводящего проводника, внешний сверхпроводящий слой сформирован на внешней окружной периферии изоляционного слоя посредством использования сверхпроводящего материала. Внешний сверхпроводящий слой может быть сформирован посредством использования сверхпроводящего материала, аналогичного материалу, используемому для формирования слоя сверхпроводящего проводника. Внешний сверхпроводящий слой находится при потенциале земли. Когда сверхпроводящий кабель типа 2 используется для того, чтобы выполнять биполярную передачу, обычно ток положительного полюса и ток отрицательного полюса имеют практически одинаковую величину и компенсируют друг друга. Следовательно, внешний сверхпроводящий слой, который действует в качестве нейтральной линии, является практически свободным от прикладывания напряжения. Тем не менее, когда возникает дисбаланс между положительным и отрицательным полюсами, неуравновешенный ток протекает через внешний сверхпроводящий слой. Помимо этого, когда биполярная передача переключается на униполярную передачу вследствие аномального режима в одном полюсе, через внешний сверхпроводящий слой будет протекать ток, сравнимый с током передачи, поскольку внешний сверхпроводящий слой используется для того, чтобы действовать в качестве обратной линии униполярной передачи. В свете этих обстоятельств в настоящем изобретении внешний сверхпроводящий слой формируется с помощью сверхпроводящего материала. Желательно, чтобы на внешней окружной периферии внешнего сверхпроводящего слоя был предусмотрен защитный слой, действующий также в качестве изоляционного слоя.
В дополнение к этому на внутренней окружной периферии, внешней окружной периферии либо на обеих окружных перифериях изоляционного слоя может быть сформирован полупроводящий слой. Более конкретно, он может быть сформирован между слоем сверхпроводящего проводника и изоляционным слоем, между изоляционным слоем и внешним сверхпроводящим слоем или между тем и другим. Когда сформирован внутренний полупроводящий слой, который является первым, или внешний полупроводящий слой, который является вторым, слой сверхпроводящего проводника или внешний сверхпроводящий слой приводится в больший контакт с изоляционным слоем. Как результат, повреждение, сопровождающее генерирование частичного разряда или т.п., будет подавляться.
Трубка циркуляции хладагента, скрученная вместе с двумя кабельным жилами, используется в качестве обратного канала хладагента, тогда как пространство, ограниченное двумя жилами, трубкой циркуляции хладагента и теплоизоляционной трубкой, используется в качестве выводящего канала хладагента (канала хладагента). Желательно, чтобы вышеописанная трубка циркуляции хладагента была, как и в случае с трубкой циркуляции хладагента, предусмотренной в вышеупомянутой второй жиле, не только изготовлена из металлического материала, имеющего превосходную прочность даже при температуре хладагента, но и была гибкой в такой степени, чтобы ее можно было скручивать вместе с другим элементом. В частности, желательно, чтобы трубка циркуляции хладагента имела форму, обладающую превосходной гибкостью. Более конкретно, желательно использовать гофрированную металлическую трубку. Поскольку гофрированная трубка может растягиваться и сжиматься без больших усилий, она может поглощать величину теплового сжатия с помощью собственного свойства растяжения и сжатия, даже когда не обеспечено провисание во время скручивания вместе с двумя кабельными жилами (провисание должно быть использовано в качестве допуска на сжатие в то время, когда кабель охлаждается). Другими словами, в случае, когда гофрированная трубка используется в качестве трубки циркуляции хладагента, даже когда гофрированная трубка скручена вместе с жилами без обеспечения вышеописанного провисания, гофрированная трубка может реагировать в достаточной степени на сжатие в то время, когда кабель охлаждается. Более того, в настоящем изобретении трубка циркуляции хладагента имеет такой же внешний диаметр, что и внешний диаметр жил, так чтобы трубка циркуляции хладагента могла не только обеспечивать достаточный размер в качестве обратного канала хладагента, но и могла быть сформирована со стабильностью витая структура с двумя кабельными жилами. Сверхпроводящий кабель типа 2 структурируется посредством заключения тела, сформированного посредством скручивания вместе двух кабельных жил и трубки циркуляции хладагента, в вышеописанную теплоизоляционную трубку.
В случае, когда металлическая трубка используется в качестве вышеописанной трубки циркуляции хладагента, теплоизоляционная трубка или трубка циркуляции хладагента могут быть повреждены, когда трубка циркуляции хладагента приводится в физический контакт с теплоизоляционной трубкой в то время, когда составное тело, сформированное посредством скручивания вместе двух кабельных жил и трубки циркуляции хладагента, помещается в теплоизоляционную трубку (внутреннюю трубку). Более того, в то же время могут быть образовываться металлические порошки. Металлические порошки могут переноситься к герметичной концевой муфте кабеля посредством циркуляции хладагента, создавая там электрические неисправности. Чтобы разрешить эту проблему, на внутренней окружной периферии трубки циркуляции хладагента может быть предусмотрен защитный слой, с тем чтобы не допустить ее вхождения в контакт с теплоизоляционной трубкой, так что проблема, вызываемая посредством контакта с теплоизоляционной трубкой, может быть устранена. Защитный слой может быть сформирован посредством спиралевидной намотки, например, крафт-бумаги.
Сверхпроводящий кабель типа 2, имеющий вышеописанную структуру, может быть использован для униполярной передачи посредством использования следующих компоновок:
(a) слои сверхпроводящего проводника, предусмотренные в обеих жилах, используются в качестве выводящей линии; и
(b) внешние сверхпроводящие слои, предусмотренные в обеих жилах, используются в качестве обратной линии.
Помимо этого, кабель также может быть использован для биполярной передачи посредством использования следующих компоновок:
(a) слой сверхпроводящего проводника, предусмотренный в одной из жил, используется для того, чтобы выполнять передачу для одного полюса, либо положительного полюса, либо отрицательного полюса;
(b) слой сверхпроводящего проводника, предусмотренный в другой жиле, используется для того, чтобы выполнять передачу для другого полюса; и
(c) внешние сверхпроводящие слои, предусмотренные в отдельных жилах, используются в качестве нейтральной линии.
Более того, в ходе выполнения биполярной передачи один полюс может вызывать аномальные условия, например, в слое сверхпроводящего проводника для полюса или в преобразователе постоянного тока в переменный, подключенном к кабелю. В этом случае, когда полюсу требуется прекратить передачу электроэнергии вследствие этой аномальности, жила для другого полюса, который является нормальным, может быть использована для того, чтобы выполнять униполярную передачу. Более конкретно, слой сверхпроводящего проводника жилы для нормального полюса может быть использован в качестве выводящей линии, а слой сверхпроводящего проводника той же жилы - в качестве обратной линии. В любой из систем передачи, будь то униполярная или биполярная передача, внешние сверхпроводящие слои обеих жил находятся при потенциале земли.
Сверхпроводящий кабель типа 2 по настоящему изобретению может быть подходящим образом использован не только для передачи постоянного тока, но и для передачи переменного тока посредством предусматривания изоляционного слоя, структурированного с постепенным изменением ε, как описано выше. Когда выполняется передача однофазного переменного тока, может быть использован один сверхпроводящий кабель типа 2. В этом случае слои сверхпроводящего проводника отдельных жил могут быть использованы для передачи электроэнергии в фазе с внешними сверхпроводящими слоями, используемыми в качестве экранирующих слоев. Альтернативно, слой сверхпроводящего проводника любой одной из жил может быть использован для передачи электроэнергии в фазе с внешним сверхпроводящим слоем той же жилы, используемым в качестве экранирующего слоя, и с оставшейся жилой, используемой в качестве резервной жилы. С другой стороны, когда выполняется передача трехфазного переменного тока, подготавливаются два или три сверхпроводящих кабеля типа 2, так чтобы общее число жил могло составить по меньшей мере три. Когда используется два кабеля, общее число жил становится равным четырем. Следовательно, рекомендуется, чтобы одна жила использовалась в качестве резервной жилы, чтобы слои сверхпроводящего проводника оставшихся трех жил использовались для передачи отдельных фаз и чтобы внешние сверхпроводящие слои, предусмотренные на внешней стороне слоев сверхпроводящего проводника, использовались в качестве экранирующих слоев. Когда используется три кабеля, рекомендуется, чтобы слои сверхпроводящего проводника отдельных кабелей использовались для передачи отдельных фаз и чтобы внешние сверхпроводящие слои, предусмотренные на внешней стороне слоев сверхпроводящего проводника, использовались в качестве экранирующих слоев. Другими словами, рекомендуется, чтобы две жилы использовались для передачи на одной фазе.
Результаты изобретения
Сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению, имеющий вышеописанную структуру, достигает особого результата простого формирования витой структуры. Этот результат достигается посредством снижения количества сверхпроводящего материала, используемого на кабельную жилу, что снижает жесткость на изгиб, и посредством использования элемента (которым является трубка циркуляции хладагента), сформированного без использования сверхпроводящего материала, чтобы упростить операцию скручивания.
В частности, в сверхпроводящем кабеле типа 1, сформированном посредством скручивания вместе двух различных типов жил, когда используется вторая жила, содержащая трубку циркуляции хладагента, обратный канал хладагента может быть сформирован при сохранении достаточного пространства, ограниченного жилами и теплоизоляционной трубкой. С другой стороны, в сверхпроводящем кабеле типа 2, сформированном посредством скручивания вместе двух жил и трубки циркуляции хладагента, посредством предусматривания трубки циркуляции хладагента вместо одной жилы может быть обеспечен канал, имеющий максимальную площадь поперечного сечения, в качестве обратного канала хладагента. Более того, посредством предусматривания защитного слоя на внешней окружной периферии трубки циркуляции хладагента можно не допускать вхождения трубки циркуляции хладагента в прямой контакт с теплоизоляционной трубкой. Как результат, повреждение трубки циркуляции хладагента и теплоизоляционной трубки, образование металлических порошков и другие проблемы, возникающие в результате этого контакта, могут быть устранены.
Помимо этого, в жиле, предусмотренной в сверхпроводящем кабеле по настоящему изобретению, посредством выполнения постепенного изменения ρ в изоляционном слое может быть сглажено распределение по толщине электрического поля постоянного тока по всему изоляционному слою. Как результат, характеристика выдерживаемого постоянного напряжения повышается, и, как следствие, толщина изоляционного слоя может быть уменьшена. Помимо постепенного изменения ρ, посредством предусматривания изоляционного слоя с высокой ε рядом со сверхпроводящим слоем, используемым в качестве проводника, характеристика выдерживаемого импульсного напряжения также может быть улучшена в дополнение к вышеописанному улучшению характеристики выдерживаемого постоянного напряжения. В частности, посредством структурирования изоляционного слоя таким образом, что по мере того, как его радиальная позиция перемещается в направлении самой внутренней части, ε возрастает, а по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении самой внешней части, ε уменьшается, сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению также может быть кабелем, имеющим превосходные электрические свойства по переменному току. Следовательно, сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению может не только подходящим образом использоваться для передачи как постоянного тока, так и передачи переменного тока, но также может подходящим образом использоваться в течение переходного периода, в котором система передачи переключается между переменным током и постоянным током.
Оптимальный вариант осуществления изобретения
Далее описываются варианты осуществления настоящего изобретения. Сначала приводится пояснение к сверхпроводящему кабелю типа 1 по настоящему изобретению, сформированному посредством скручивания жил двух типов, имеющих различные структуры.
Пример 1
Фиг.1 - это схематичная конфигурационная диаграмма, иллюстрирующая состояние, в котором линия передачи постоянного тока для униполярной передачи сооружена посредством использования сверхпроводящего кабеля по настоящему изобретению. На последующих чертежах одинаковое обозначение представляет одинаковый элемент. Сверхпроводящий кабель 1 сформирован посредством скручивания вместе двух типов жил (двух первых жил 2 и одной второй жилы 3), имеющих различные структуры, и последующего помещения скрученных жил в теплоизоляционную трубку 7. Более конкретно, каждая первая жила 2 снабжена первым сверхпроводящим слоем 2a, состоящим из сверхпроводящего материала, на стороне внутренней окружной периферии изоляционного слоя 4 и не снабжена слоем, состоящим из сверхпроводящего материала, на стороне внешней окружной периферии изоляционного слоя 4. Вторая жила 3 снабжена элементом-сердечником 5b в центральной части, снабжена вторым сверхпроводящим слоем 3a, состоящим из сверхпроводящего материала, на стороне внешней окружной периферии элемента-сердечника 5b и не снабжена слоем, состоящим из сверхпроводящего материала, в центральной части элемента-сердечника 5b. Второй сверхпроводящий слой 3a сформирован таким образом, что он имеет внутренний диаметр, превышающий внешний диаметр первого сверхпроводящего слоя 2a.
(Первые жилы 2)
В этом примере первый сверхпроводящий слой 2a был структурирован посредством использования сверхпроводящих лентовидных проводов на основе Bi-2223 (лентовидных проводов в оболочке из Ag-Mn) и был сформирован посредством спиралевидной намотки лентовидных проводов в несколько слоев на внешнюю окружную периферию каркаса 5a. Каркас 5a был сформирован посредством скручивания множества медных проволок. Амортизирующий слой (не показан), изготовленный из изоляционной бумаги, был сформирован между каркасом 5a и первым сверхпроводящим слоем 2a. Изоляционный слой 4 был сформирован на внешней окружной периферии первого сверхпроводящего слоя 2a. Изоляционный слой 4 был выполнен посредством спиралевидного наложения полусинтетической изоляционной бумаги (PPLP, зарегистрированный товарный знак, производится компанией Sumitomo Electric Industries, Ltd.) так, чтобы иметь электрическую прочность изоляции, требуемую для того, чтобы создать изоляцию между первым сверхпроводящим слоем 2a и землей. В этом примере было подготовлено две первых жилы 2 так, как описано выше. Помимо этого, обе первые жилы 2 сконструированы имеющими одинаковый диаметр.
(Вторая жила 3)
В этом примере была использована одна вторая жила 3. Вторая жила 3 была сформирована имеющей такой же диаметр, что и диаметр вышеописанных первых жил 2. Сначала был сформирован элемент-сердечник 5b. В этом примере элемент-сердечник 5b был выполнен посредством спиралевидного наложения полусинтетической изоляционной бумаги (PPLP, зарегистрированный товарный знак, изготавливается компанией Sumitomo Electric Industries, Ltd.) на внешнюю окружную периферию внутреннего элемента-сердечника (не показан), сформированного посредством скручивания медных проволок. Второй сверхпроводящий слой 3a предусмотрен на внешней окружной периферии элемента-сердечника 5b. Второй сверхпроводящий слой 3a был выполнен посредством использования такого же сверхпроводящего материала (сверхпроводящих лентовидных проводов на основе Bi-2223 (лентовидных проводов в оболочке из Ag-Mn)), что и использованный для вышеописанного первого сверхпроводящего слоя 2a первых жил 2. Как и в случае с первым сверхпроводящим слоем 2a, второй сверхпроводящий слой 3a был сформирован посредством спиралевидной намотки лентовидных проводов в несколько слоев. Количество лентовидных проводов, использованных для формирования второго сверхпроводящего слоя 3a, было задано таким же, как и количество лентовидных проводов, используемых для формирования первых сверхпроводящих слоев 2a вышеописанных двух первых жил 2. Во второй жиле 3 размер элемента-сердечника 5b был скорректирован таким образом, чтобы второй сверхпроводящий слой 3a второй жилы 3 имел внутренний диаметр (который равен внешнему диаметру элемента-сердечника 5b), превышающий внешний диаметр первого сверхпроводящего слоя 2a первых жил 2 (вышеупомянутый внешний диаметр равен внутреннему диаметру изоляционного слоя 4). Это дает возможность формирования второго сверхпроводящего слоя 3a без чрезмерного увеличения числа витков (следовательно, числа слоев намотки) сверхпроводящих лентовидных проводов. Как результат, жесткость на изгиб второй жилы 3 чрезмерно не увеличивалась. Изоляционный слой 6 был предусмотрен на внешней окружной периферии второго сверхпроводящего слоя 3a. Изоляционный слой 6 был сформирован посредством спиралевидного наложения крафт-бумаги таким образом, чтобы иметь электрическую прочность изоляции, требуемую для того, чтобы создать изоляцию между вторым сверхпроводящим слоем 3a и землей.
(Сверхпроводящий кабель 1)
Сверхпроводящий кабель 1 был сформирован посредством скручивания вместе двух первых жил 2 и одной второй жилы 3 и последующего помещения скрученных жил в теплоизоляционную трубку 7. При этом каждая первая жила 2 имела только один первый сверхпроводящий слой 2a в качестве слоя, состоящего из сверхпроводящего материала, а вторая жила 3 имела только один второй сверхпроводящий слой 3a в качестве слоя, состоящего из сверхпроводящего материала. В этом примере три жилы, состоящие из двух жил 2 и одной жилы 3, были скручены вместе так, чтобы иметь провисание, с тем чтобы они могли иметь допуск на сжатие, когда создается тепловое сжатие вследствие охлаждения хладагентом. Более конкретно, операция скручивания была выполнена посредством помещения прокладки (не показана) между двумя первыми жилами 2, между первой жилой 2 и второй жилой 3 и между второй жилой 3 и другой первой жилой 2. Прокладка была удалена, когда скрученное тело было помещено в теплоизоляционную трубку 7 (или в то время, когда теплоизоляционная трубка 7 сформировалась на скрученном теле). Таким образом, скрученное тело было помещено в теплоизоляционную трубку 7 в состоянии, при котором оно имело провисание. В этом примере прокладка была сформирована из листа войлока толщиной 5 мм с прямоугольным поперечным сечением. Помимо этого, в данном примере теплоизоляционная трубка 7 была сформирована гофрированной трубкой из нержавеющей стали. Как и в случае традиционного сверхпроводящего кабеля, показанного на фиг.7, теплоизоляционная трубка 7 имела структуру сдвоенной трубки, состоящей из внешней трубки 7a и внутренней трубки 7b, между которыми был помещен теплоизоляционный материал (не показан) в несколько слоев. Промежуток между сдвоенными трубками был разрежен до вакуума. Таким образом, теплоизоляционная трубка 7 имела вакуумированную многослойную теплоизоляционную структуру. Пространство 8, ограниченное внутренней трубкой 7b и тремя жилами, состоящими из двух жил 2 и одной жилы 3, образует канал для хладагента, такого как жидкий азот. Антикоррозионное покрытие (не показано), изготовленное из поливинилхлорида, было сформировано на внешней окружной периферии теплоизоляционной трубки 7.
Сверхпроводящий кабель 1 по настоящему изобретению, имеющий вышеописанную структуру, может быть использован для передачи постоянного тока, более конкретно, либо биполярной передачи, либо униполярной передачи. Сначала поясняется случай, когда выполняется униполярная передача. Чтобы выполнять униполярную передачу, рекомендуется сконструировать линию передачи так, как показано на фиг.1. Более конкретно, один конец первого сверхпроводящего слоя 2a, предусмотренного в одной из первых жил 2, подключается к преобразователю 10a постоянного тока в переменный, который подключен к системе переменного тока (не показана), посредством вывода 20 и вывода 21. Другой конец того же первого сверхпроводящего слоя 2a подключается к преобразователю 10b постоянного тока в переменный, который подключен к системе переменного тока (не показана), посредством вывода 22. Аналогично, один конец первого сверхпроводящего слоя 2a, предусмотренного в другой первой жиле 2, подключается к преобразователю 10a постоянного тока в переменный посредством вывода 23 и вывода 21. Другой конец того же первого сверхпроводящего слоя 2a подключается к преобразователю 10b постоянного тока в переменный посредством вывода 22. С другой стороны, один конец второго сверхпроводящего слоя 3a, предусмотренного во второй жиле 3, подключается к преобразователю 10a постоянного тока в переменный посредством вывода 24. Другой конец второго сверхпроводящего слоя 3a подключается к преобразователю 10b постоянного тока в переменный посредством вывода 25. Вывод 24 заземлен. Это заземление фиксирует второй сверхпроводящий слой 3a на потенциале земли. В этом примере используется заземление на одном конце. Тем не менее, заземление на обоих концах может быть использовано посредством заземления также вывода 25. Выводы 20 и 25 электрически соединяют сверхпроводящие слои 2a и 3a с преобразователями 10a и 10b постоянного тока в переменный.
Линия передачи постоянного тока, снабженная вышеописанной конфигурацией, может быть использована для того, чтобы выполнять униполярную передачу, посредством использования первых сверхпроводящих слоев 2a, предусмотренных в двух первых жилах 2, в качестве выводящей линии, которая переносит униполярный ток, и посредством использования второго сверхпроводящего слоя 3a, предусмотренного во второй жиле 3, в качестве обратной линии, которая переносит обратный ток. Помимо этого, сверхпроводящий кабель 1 сформирован посредством скручивания вместе трех жил с обеспеченным провисанием. Следовательно, провисание может поглощать величину теплового сжатия жил во время охлаждения. Более того, сверхпроводящий кабель 1 использует небольшое количество сверхпроводящего материала в расчете на жилу по сравнению с традиционным сверхпроводящим кабелем, который сформирован посредством скручивания вместе трех кабельных жил, каждая из которых содержит два слоя, состоящих из сверхпроводящего материала (слой сверхпроводящего проводника и внешний сверхпроводящий слой). Поэтому жила по настоящему изобретению имеет небольшую жесткость на изгиб и, как следствие, витая структура формируется легко.
Пример 2
Далее поясняется случай, когда выполняется биполярная передача. Фиг.2(A) - это схематичная конфигурационная диаграмма, иллюстрирующая состояние, в котором линия передачи постоянного тока для биполярной передачи сооружена посредством использования сверхпроводящего кабеля по настоящему изобретению. Фиг.2(B) - это схематичная конфигурационная диаграмма, иллюстрирующая состояние, в котором линия передачи постоянного тока для униполярной передачи сооружена посредством использования одной первой жилы из двух первых жил и второй жилы. Сверхпроводящий кабель 1, использованный в примере 1, также может быть использован для биполярной передачи. Чтобы выполнять биполярную передачу, рекомендуется сконструировать линию передачи так, как показано на фиг.2(A). Более конкретно, один конец первого сверхпроводящего слоя 2a, предусмотренного в одной из двух первых жил 2 (на фиг.2(A) первая жила 2 сверху), подключается к преобразователю 11a постоянного тока в переменный, который подключен к системе переменного тока (не показана), посредством вывода 30. Другой конец того же первого сверхпроводящего слоя 2a подключается к преобразователю 11b постоянного тока в переменный, который подключен к системе переменного тока (не показана), посредством вывода 31. Аналогично, один конец первого сверхпроводящего слоя 2a, предусмотренного в другой первой жиле 2 (на фиг.2(A) первая жила 2 слева), подключается к преобразователю 12a постоянного тока в переменный, который подключен к системе переменного тока (не показана), посредством вывода 32. Другой конец того же первого сверхпроводящего слоя 2a подключается к преобразователю 12b постоянного тока в переменный, который подключен к системе переменного тока (не показана), посредством вывода 33. С другой стороны, один конец второго сверхпроводящего слоя 3a, предусмотренного во второй жиле 3, подключается к преобразователям 11a и 12a постоянного тока в переменный посредством вывода 34. Другой конец второго сверхпроводящего слоя 3a подключается к преобразователям 11b и 12b постоянного тока в переменный посредством вывода 35. Вывод 34 заземлен. Это заземление фиксирует второй сверхпроводящий слой 3a на потенциале земли. В этом примере используется заземление на одном конце посредством заземления только вывода 34. Тем не менее, заземление на обоих концах может быть использовано посредством заземления также вывода 35. Выводы 30 и 35 электрически соединяют сверхпроводящие слои 2a и 3a с преобразователями 11a, 11b, 12a и 12b постоянного тока в переменный.
Вышеописанная конфигурация создает цепь положительного полюса в прямом направлении, включающую в себя преобразователь 11b постоянного тока в переменный, вывод 31, первый сверхпроводящий слой 2a первой жилы 2 сверху на фиг.2(A), вывод 30, преобразователь 11a постоянного тока в переменный, вывод 34, второй сверхпроводящий слой 3a второй жилы 3 и вывод 35. С другой стороны, конфигурация также создает цепь отрицательного полюса в прямом направлении, включающую в себя преобразователь 12b постоянного тока в переменный, вывод 33, первый сверхпроводящий слой 2a первой жилы 2 слева на фиг.2(A), вывод 32, преобразователь 12a постоянного тока в переменный, вывод 34, второй сверхпроводящий слой 3a второй жилы 3 и вывод 35. Цепи положительного и отрицательного полюсов дают возможность выполнения биполярной передачи. В этой конфигурации второй сверхпроводящий слой 3a второй жилы 3 используется не только в качестве нейтральной линии, но также для того, чтобы обеспечивать протекание несимметричного тока между положительным и отрицательным полюсами или аномального тока. В этом примере на фиг.2(A) первая жила 2 сверху используется для положительного полюса, а первая жила 2 слева - для отрицательного полюса. Тем не менее, разумеется, применение может осуществляться в обратном порядке.
Даже когда один из полюсов прекращает передачу электроэнергии вследствие аномальности в первом сверхпроводящем слое или преобразователе постоянного тока в переменный для одного полюса, униполярная передача может выполняться посредством использования первого сверхпроводящего слоя для нормального полюса. Например, на фиг.2(А), когда первая жила 2 слева, преобразователи 12а и 12b постоянного тока в переменный или т.п. создают аномальный режим, т.е. когда отрицательный полюс создает аномальный режим, передача с помощью первой жилы 2 слева на фиг.2(А) прекращается. В этом случае, как показано на фиг.2(В), линия униполярной передачи может быть сформирована посредством использования другой первой жилы 2 (первой жилы 2 сверху на фиг.2(А)). Более конкретно, униполярная передача может выполняться посредством использования первого сверхпроводящего слоя 2а этой первой жилы 2 в качестве выводящей линии и использования второго сверхпроводящего слоя 3а второй жилы 3 в качестве обратной линии. В этом примере пояснен случай, когда аномальность создает отрицательный полюс. Тем не менее, когда аномальность создает положительный полюс, также может быть предпринят аналогичный шаг. В этом случае униполярная передача может выполняться посредством использования первого сверхпроводящего слоя 2а другой первой жилы 2 (первой жилы 2 слева на фиг.2(А)) в качестве выводящей линии и использования второго сверхпроводящего слоя 3а второй жилы 3 в качестве обратной линии.
Как описано выше, сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению может быть использован для биполярной передачи и униполярной передачи.
k
Как пояснялось ранее, для выполнения передачи постоянного тока, когда изоляционный слой 4 первых жил 2 и изоляционный слой 6 вторых жил 3 структурированы с постепенным изменением ρ таким образом, чтобы по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении самой внутренней части изоляционного слоя, удельное сопротивление снижалось, а по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении самой внешней части, удельное сопротивление повышалось, распределение электрического поля постоянного тока может быть сглажено по толщине в изоляционном слое. Удельное сопротивление может варьироваться посредством использования различных групп PPLP (зарегистрированный торговый знак), причем каждая из различных групп имеет отличное отношение k. По мере того как отношение k возрастает, удельное сопротивление возрастает. Помимо этого, когда изоляционный слой 4 снабжен слоем с высокой ε поблизости с первым сверхпроводящим слоем 2а, его характеристика выдерживаемого импульсного напряжения может быть улучшена в дополнение к улучшению характеристики выдерживаемого постоянного напряжения. Слой с высокой ε может быть сформирован посредством использования PPLP (зарегистрированный товарный знак), к примеру, с низким отношением k. В этом случае слой с высокой ε становится также слоем с низким ρ. Более того, помимо вышеописанного постепенного изменения ρ, когда изоляционные слои 4 и 6 сформированы таким образом, чтобы по мере того, как их радиальная позиция перемещается в направлении самой внутренней части, диэлектрическая постоянная ε возрастала, а по мере того, как их радиальная позиция перемещается в направлении самой внешней части, диэлектрическая постоянная ε снижалась, эти изоляционные слои также имеют отличные свойства на переменном токе. Следовательно, сверхпроводящий кабель 1 также может быть подходящим образом использован для передачи переменного тока. Например, посредством использования различных групп PPLP (зарегистрированный товарный знак), причем каждая из различных групп имеет различное отношение , как изложено ниже, может быть сформирован изоляционный слой, который имеет три различных уровня удельного сопротивления и диэлектрической постоянной. Рекомендуется, чтобы следующие три слоя были предусмотрены в следующем порядке от внутренней части (X и Y представляют собой константу):
(k)
слой с низким ρ: отношение  - 60%, удельное сопротивление (ρ) (при 20°C) - X Ом·см, диэлектрическая постоянная (ε) - Y;
(k)
слой со средним ρ: отношение  - 70%, удельное сопротивление (ρ) (при 20°C) - примерно 1,2X Ом·см, диэлектрическая постоянная (ε) - примерно 0,95Y; и
(k)
слой с высоким ρ: отношение  - 80%, удельное сопротивление (ρ) (при 20°C) - примерно 1,4X Ом·см, диэлектрическая постоянная (ε) - примерно 0,9Y.
Когда сверхпроводящий кабель 1 используется для передачи трехфазного переменного тока, рекомендуется использовать сверхпроводящие слои 2a и 3a в отдельных жилах 2 и 3 для передачи отдельных фаз. Когда сверхпроводящий кабель 1 используется для передачи однофазного переменного тока, рекомендуется использовать сверхпроводящие слои 2a и 3a в отдельных жилах 2 и 3 для передачи одной фазы. Отдельные жилы 2 и 3 не имеют сверхпроводящего слоя для функционирования в качестве экрана. Следовательно, когда сверхпроводящий кабель 1 используется для передачи переменного тока, рекомендуется использовать его для передачи с низким напряжением.
Сверхпроводящий кабель 1 может быть использован для передачи постоянного тока, такой как вышеописанная униполярная передача и биполярная передача, после использования для вышеописанной передачи переменного тока. Как описано выше, сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению, имеющий изоляционный слой, структурированный с постепенным изменением ρ и постепенным изменением ε, может быть подходящим образом использован в качестве кабеля постоянного/переменного тока. Обсуждение, касающееся постепенного изменения ρ и постепенного изменения ε, также применимо к нижеописанному примеру 3.
Пример 3
В вышеописанных примерах 1 и 2 приводится пояснение к структуре, в которой в качестве элемента-сердечника второй жилы используется скрученная медная проволока. Тем не менее, в качестве элемента-сердечника может быть использована трубка циркуляции хладагента. Фиг.3 - это схематичный поперечный разрез, иллюстрирующий сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению, который снабжен трубкой циркуляции хладагента внутри второго сверхпроводящего слоя второй жилы. Вторая жила 3, показанная в этом примере, имеет такую же базовую структуру, что и базовая структура, показанная в примерах 1 и 2. Единственным отличным моментом является то, что трубка 9a циркуляции хладагента предусмотрена как внутренний элемент сердечника элемента-сердечника 5b. Далее приводится пояснение, касающееся этого момента.
В этом примере трубка 9a циркуляции хладагента была сформирована гофрированной трубкой из нержавеющей стали. Изоляционный слой 9b был сформирован на внешней окружной периферии трубки 9a циркуляции хладагента посредством спиралевидного наложения полусинтетического изоляционного слоя. В этом примере, в частности, полусинтетический изоляционный слой наложен таким образом, чтобы скрывать форму гофрированной трубки, сформированную вершинами и впадинами, так чтобы слой мог иметь равную толщину изоляции со вторым сверхпроводящим слоем 3a. Таким образом, изоляционный слой 9b был предусмотрен имеющим ровную поверхность внешней окружной периферии. Как и в случае примера 1, второй сверхпроводящий слой 3a был предусмотрен на внешней окружной периферии изоляционного слоя 9b, а затем на внешней окружной периферии второго сверхпроводящего слоя 3a был предусмотрен изоляционный слой 6. Таким образом, вторая жила 3 была сформирована так, чтобы иметь такой же диаметр, что и диаметр первых жил 2.
Посредством использования второй жилы 3, снабженной вышеупомянутой трубкой 9a циркуляции хладагента, пространство 8, ограниченное внутренней трубкой 7b и тремя жилами, состоящими из двух жил 2 и одной жилы 3, может быть использовано в качестве выводящего канала хладагента, такого как жидкий азот, а трубка 9a циркуляции хладагента может быть использована в качестве обратного канала хладагента. В частности, поскольку трубка 9a циркуляции хладагента помещена во вторую жилу 3, обратный канал хладагента может быть предоставлен без уменьшения площади поперечного сечения пространства 8 по сравнению со случаем, когда трубка 9а циркуляции хладагента помещена в пространство 8, которое находится снаружи второй жилы 3. Помимо этого, данный пример использует гофрированную трубку, которая имеет превосходную жесткость на изгиб, в качестве трубке 9а циркуляции хладагента. Это не только упрощает операцию скручивания вместе с первыми жилами 2, но и позволяет самой трубки 9а циркуляции хладагента легко сжиматься в то время, когда кабель охлаждается. Как описано выше, элемент-сердечник 5b, предусмотренный внутри второго сверхпроводящего слоя 3а, может быть сформирован с помощью различных материалов (в этом примере - трубки 9а циркуляции хладагента и изоляционного слоя 9b).
Далее приводится описание сверхпроводящего кабеля типа 2 по настоящему изобретению, который сформирован посредством скручивания вместе двух кабельных жил и одной трубки циркуляции хладагента.
Пример 4
Фиг.4 - это схематичная конфигурационная диаграмма, иллюстрирующая состояние, в котором линия передачи постоянного тока для униполярной передачи сооружена посредством использования сверхпроводящего кабеля по настоящему изобретению. На фиг.4 и описанных ниже фиг.5(А) и 5(В) схема циркуляции хладагента опущена. Сверхпроводящий кабель 40 - это кабель, сформированный посредством скручивания вместе двух кабельных жил 41, каждая из которых снабжена слоем 44 сверхпроводящего проводника и коаксиально расположенным внешним сверхпроводящим слоем 46, оба из которых изготовлены из сверхпроводящего материала, и трубкой 42 циркуляции хладагента и последующего помещения скрученного тела в теплоизоляционную трубку 7. Каждая из кабельных жил 41 снабжена каркасом 43, слоем 44 сверхпроводящего проводника, изоляционным слоем 45, внешним сверхпроводящим слоем 46 и защитным слоем 47 в таком порядке от центра.
(Кабельные жилы 41)
В этом примере слой 44 сверхпроводящего проводника и внешний сверхпроводящий слой 46 сформированы посредством использования лентовидных сверхпроводящих проводов на основе Bi-2223 (лентовидные провода в оболочке из Ag-Mn). Слой 44 сверхпроводящего проводника структурирован посредством спиралевидной намотки вышеупомянутых сверхпроводящих лентовидных проводов в несколько слоев на внешнюю окружную периферию каркаса 43. Внешний сверхпроводящий слой 46 структурирован посредством такого же способа, что и описанный выше, на изоляционном слое 45. Каркас 43 сформирован посредством скручивания множества медных проволок. Амортизирующий слой (не показан), изготовленный из изоляционной бумаги, сформирован между каркасом 43 и слоем 44 сверхпроводящего проводника. Изоляционный слой 45 структурирован на внешней окружной периферии слоя 44 сверхпроводящего проводника посредством спиралевидного наложения полусинтетической изоляционной бумаги (PPLP, зарегистрированный товарный знак, изготавливается компанией Sumitomo Electric Industries, Ltd.). Изоляционный слой 45 предусмотрен имеющим электрическую прочность изоляции, требуемую для того, чтобы создать изоляцию между слоем 44 сверхпроводящего проводника и землей. Защитный слой 47 предусмотрен на внешней окружной периферии внешнего сверхпроводящего слоя 46 посредством спиралевидного наложения изоляционной бумаги. Две кабельных жилы 41 подготовлены так, как описано выше. Помимо этого, обе кабельных жилы 41 имеют одинаковый диаметр.
(Трубка 42 циркуляции хладагента)
В этом примере трубка 42 циркуляции хладагента, которая должна быть скручена с вышеописанными двумя кабельными жилами 41, была сформирована гофрированной трубкой из нержавеющей стали, имеющей такой же диаметр, что и диаметр жил 41.
(Сверхпроводящий кабель 40)
Сверхпроводящий кабель 40 был сформирован посредством скручивания вместе двух кабельных жил 41, каждая из которых снабжена вышеупомянутым слоем 44 сверхпроводящего проводника и внешним сверхпроводящим слоем 46, и трубки 42 циркуляции хладагента и последующего помещения скрученного тела в теплоизоляционную трубку 7. Две жилы 41 были скручены вместе так, чтобы иметь провисание, с тем чтобы они имели допуск на сжатие, необходимый для теплового сжатия при охлаждении хладагентом. Как и в случае примера 1, провисание было сформировано посредством помещения прокладки (листа войлока, имеющего толщину 5 мм) между жилами 41 во время операции скручивания и последующего вынимания прокладки в то время, когда скрученное тело помещается в теплоизоляционную трубку 7. Поскольку трубка 42 циркуляции хладагента сформирована посредством расширяемой и сжимаемой гофрированной трубки, даже будучи скрученной вместе с жилами 41 без предоставления провисания, она может обеспечивать достаточный допуск на сжатие. В данном примере теплоизоляционная трубка 7 сформирована гофрированной трубкой из нержавеющей стали. Как и в случае традиционного сверхпроводящего кабеля, показанного на фиг.7, теплоизоляционная трубка 7 имеет структуру сдвоенной трубки, состоящую из внешней трубки 7a и внутренней трубки 7b, между которыми помещен теплоизоляционный материал (не показан) в несколько слоев. Промежуток между сдвоенными трубками разрежен до вакуума. Таким образом, теплоизоляционная трубка 7 имеет вакуумированную многослойную теплоизоляционную структуру. Пространство 8, ограниченное внутренней трубкой 7b, двумя кабельными жилами 41 и трубкой 42 циркуляции хладагента, образует выводящий канал для хладагента, такого как жидкий азот. Трубка 42 циркуляции хладагента действует в качестве обратного канала для хладагента. Антикоррозионное покрытие (не показано), изготовленное из поливинилхлорида, сформировано на внешней окружной периферии теплоизоляционной трубки 7.
Сверхпроводящий кабель 40 по настоящему изобретению, имеющий вышеописанную структуру, может быть использован для передачи постоянного тока, более конкретно, либо биполярной передачи, либо униполярной передачи. Сначала поясняется случай, когда выполняется униполярная передача. Чтобы выполнять униполярную передачу, рекомендуется сконструировать линию передачи так, как показано на фиг.4. Более конкретно, один конец слоя 44 сверхпроводящего проводника, предусмотренного в жиле 41 справа на фиг.4, подключается к преобразователю 13a постоянного тока в переменный, который подключен к системе переменного тока (не показана), посредством вывода 50 и вывода 51. Другой конец того же слоя 44 сверхпроводящего проводника подключается к преобразователю 13b постоянного тока в переменный, который подключен к системе переменного тока (не показана), посредством вывода 52. Аналогично, один конец слоя 44 сверхпроводящего проводника, предусмотренного в жиле 41 слева на фиг.4, подключается к преобразователю 13a постоянного тока в переменный посредством вывода 53 и вывода 51. Другой конец того же слоя 44 сверхпроводящего проводника подключается к преобразователю 13b постоянного тока в переменный посредством вывода 52. С другой стороны, внешние сверхпроводящие слои 46 обеих жил 41 подключаются к преобразователю 13a постоянного тока в переменный посредством вывода 54, вывода 55 и вывода 56 и подключаются к преобразователю 13b постоянного тока в переменный посредством вывода 57. В этом примере заземлен вывод 56. Это заземление фиксирует внешние сверхпроводящие слои 3a на потенциале земли. В этом примере используется заземление на одном конце. Тем не менее, может быть использовано заземление на обоих концах посредством заземления также вывода 57. Выводы 50-57 электрически соединяют слои 44 сверхпроводящих проводников и внешние сверхпроводящие слои 46 с преобразователями 13a и 13b постоянного тока в переменный.
Линия передачи постоянного тока, снабженная вышеописанной конфигурацией, может быть использована для того, чтобы выполнять униполярную передачу, посредством использования слоев 44 сверхпроводящего проводника, предусмотренных в обеих жилах 41, в качестве выводящей линии, которая переносит униполярный ток, и посредством использования внешних сверхпроводящих слоев 46, предусмотренных в обеих жилах 41, в качестве обратной линии, которая переносит обратный ток. Помимо этого, сверхпроводящий кабель 40 сформирован посредством скручивания вместе двух кабельных жил 41 с провисанием и трубки 42 циркуляции хладагента, изготовленной из расширяемой и сжимаемой гофрированной трубки. Следовательно, и провисание, и функция растяжения и сжатия могут поглощать величину теплового сжатия во время охлаждения. Более того, сверхпроводящий кабель 40 имеет структуру, в которой вместо одной жилы предусмотрена трубка 42 циркуляции хладагента по сравнению со сверхпроводящим кабелем, который сформирован посредством скручивания вместе трех жил, каждая из которых снабжена сверхпроводящим проводником и внешним сверхпроводящим слоем, каждый из которых изготовлен из сверхпроводящего материала. Следовательно, обратный канал хладагента может быть предоставлен без уменьшения площади поперечного сечения пространства 8. В частности, поскольку трубка 42 циркуляции хладагента имеет такой же диаметр, что и диаметр кабельных жил 41, кабель 40 может иметь максимальную площадь поперечного сечения для обратного канала хладагента. Помимо этого, кабель 40 может иметь такой же диаметр, что и диаметр кабеля, имеющего трехжильную витую структуру. Как следствие, диаметр кабеля не увеличивается.
Пример 5
Далее поясняется случай, когда выполняется биполярная передача. Фиг.5(A) - это схематичная конфигурационная диаграмма, иллюстрирующая состояние, в котором линия передачи постоянного тока для биполярной передачи сооружена посредством использования сверхпроводящего кабеля по настоящему изобретению. Фиг.5(B) - это схематичная конфигурационная диаграмма, иллюстрирующая состояние, в котором линия передачи постоянного тока для униполярной передачи сооружена посредством использования слоя сверхпроводящего проводника и внешнего сверхпроводящего слоя одной из жил. Сверхпроводящий кабель 40, использованный в примере 4, также может быть использован для биполярной передачи. Чтобы выполнять биполярную передачу, рекомендуется сконструировать линию передачи так, как показано на фиг.5(A). Более конкретно, один конец слоя 44 сверхпроводящего проводника, предусмотренного в одной из жил 41 (на фиг.5(A) жила 41 справа), подключается к преобразователю 14a постоянного тока в переменный, который подключен к системе переменного тока (не показана), посредством вывода 60. Другой конец того же слоя 44 сверхпроводящего проводника подключается к преобразователю 14b постоянного тока в переменный, который подключен к системе переменного тока (не показана), посредством вывода 61. Аналогично, один конец внешнего сверхпроводящего слоя 46, предусмотренного в той же жиле 41, подключается к преобразователю 14a постоянного тока в переменный посредством вывода 62 и вывода 63. Другой конец того же внешнего сверхпроводящего слоя 46 подключается к преобразователю 14b постоянного тока в переменный посредством вывода 64. С другой стороны, один конец слоя 44 сверхпроводящего проводника, предусмотренного в другой жиле 41 (на фиг.5(A) жила 41 слева), подключается к преобразователю 15a постоянного тока в переменный, который подключен к системе переменного тока (не показана), посредством вывода 65. Другой конец того же слоя 44 сверхпроводящего проводника подключается к преобразователю 15b постоянного тока в переменный, который подключен к системе переменного тока (не показана), посредством вывода 66. Аналогично, один конец внешнего сверхпроводящего слоя 46, предусмотренного в той же жиле 41, подключается к преобразователю 15a постоянного тока в переменный посредством вывода 67 и вывода 63. Другой конец того же внешнего сверхпроводящего слоя 46 подключается к преобразователю 15b постоянного тока в переменный посредством вывода 64. Вывод 63 заземлен. Это заземление фиксирует внешние сверхпроводящие слои 46 обеих жил 41 на потенциале земли. В этом примере используется заземление на одном конце посредством заземления только вывода 63. Тем не менее, может быть использовано заземление на обоих концах посредством заземления также вывода 64. Выводы 60-67 электрически соединяют слои 44 сверхпроводящих проводников и внешние сверхпроводящие слои 46 с преобразователями 14a, 14b, 15a и 15b постоянного тока в переменный.
Вышеописанная конфигурация создает цепь положительного полюса в прямом направлении, включающую в себя преобразователь 14b постоянного тока в переменный, вывод 61, слой 44 сверхпроводящего проводника жилы 41 справа на фиг.5(A), вывод 60, преобразователь 14a постоянного тока в переменный, вывод 63, вывод 62, внешний сверхпроводящий слой 46 жилы 41 справа и вывод 64. С другой стороны, конфигурация также создает цепь отрицательного полюса в прямом направлении, включающую в себя преобразователь 15b постоянного тока в переменный, вывод 66, слой 44 сверхпроводящего проводника жилы 41 слева на фиг.5(A), вывод 65, преобразователь 15a постоянного тока в переменный, вывод 63, вывод 67, внешний сверхпроводящий слой 46 жилы 41 слева и вывод 64. Схемы положительного и отрицательного полюсов, показанные в прямом направлении выше, дают возможность выполнения биполярной передачи. В этой конфигурации внешние сверхпроводящие слои 46 обеих жил 41 используются не только в качестве нейтральной линии, но и для того, чтобы давать возможность протекания несимметричного тока между положительным и отрицательным полюсами или аномального тока. В этом примере на фиг.5(A) жила справа используется для положительного полюса, а жила 2 слева - для отрицательного полюса. Тем не менее, разумеется, применение может осуществляться в обратном порядке.
Даже когда один из полюсов прекращает передачу электроэнергии с помощью своего слоя сверхпроводящего проводника вследствие аномальности в слое сверхпроводящего проводника или преобразователе постоянного тока в переменный для этого полюса, униполярная передача может выполняться посредством использования слоя сверхпроводящего проводника и внешнего сверхпроводящего слоя для нормального полюса. Например, на фиг.5(A), когда жила 41 слева, преобразователи 15a и 15b постоянного тока в переменный или т.п. создают аномальный режим, т.е. когда отрицательный полюс создает аномальный режим, передача с помощью жилы 41 слева на фиг.5(A) прекращается. В этом случае, как показано на фиг.5(B), линия униполярной передачи может быть сформирована посредством использования другой жилы 41 (жилы 41 справа на фиг.5). Более конкретно, униполярная передача может выполняться посредством использования слоя 44 сверхпроводящего проводника жилы 41 в качестве выводящей линии и использования внешнего сверхпроводящего слоя 46 той же жилы в качестве обратной линии. В этом примере пояснен случай, когда аномальность создает отрицательный полюс. Тем не менее, когда аномальность создает положительный полюс, также может быть предпринят аналогичный шаг. В этом случае униполярная передача может выполняться посредством использования слоя 44 сверхпроводящего проводника другой жилы 41 (жилы 41 слева на фиг.5(А)) в качестве выводящей линии и использования внешнего сверхпроводящего слоя 46 той же жилы в качестве обратной линии.
Как описано выше, сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению может быть использован для биполярной передачи и униполярной передачи. В частности, кабель сконструирован так, чтобы иметь две кабельных жилы и трубку циркуляции хладагента. Следовательно, в сравнении со структурой, имеющей три кабельных жилы, количество сверхпроводящего материала, используемого для всего кабеля, может быть уменьшено, и витая структура может быть сформирована более просто.
ρ
k
Как пояснялось ранее, для выполнения передачи постоянного тока, как в случае с вышеописанным примером 2, изоляционный слой 45 жилы 41 может быть структурирован с постепенным изменением ρ, чтобы сгладить распределение электрического поля постоянного тока по толщине в изоляционном слое. Помимо этого, изоляционный слой 45 может быть снабжен слоем с высокой ε рядом со слоем 44 сверхпроводящего проводника, чтобы улучшать характеристику выдерживаемого постоянного напряжения и характеристику выдерживаемого импульсного напряжения. Более того, помимо вышеописанного постепенного изменения , как и в случае с вышеописанным примером 2, изоляционный слой 45 может быть структурирован с постепенным изменением ε так, чтобы иметь отличные свойства по переменному току. Когда это усовершенствование достигнуто, сверхпроводящий кабель 40 может подходящим образом использоваться не только для передачи постоянного тока, но и для передачи переменного тока. Например, посредством использования различных групп PPLP (зарегистрированный товарный знак), причем каждая из различных групп имеет различное отношение , как изложено ниже, может быть сформирован изоляционный слой, который имеет три различных уровня удельного сопротивления и диэлектрической постоянной. Рекомендуется, чтобы следующие три слоя были предусмотрены в следующем порядке от внутренней части (X и Y представляют собой константу):
(k)
слой с низким ρ: отношение  - 60%, удельное сопротивление (ρ) (при 20°C) - X Ом·см, диэлектрическая постоянная (ε) - Y;
(k)
слой со средним ρ: отношение  - 70%, удельное сопротивление (ρ) (при 20°C) - примерно 1,2X Ом·см, диэлектрическая постоянная (ε) - примерно 0,95Y; и
(k)
слой с высоким ρ: отношение  - 80%, удельное сопротивление (ρ) (при 20°C) - примерно 1,4X Ом·см, диэлектрическая постоянная (ε) - примерно 0,9Y.
Когда сверхпроводящий кабель 40 используется для выполнения передачи трехфазного переменного тока, рекомендуется использовать два или три сверхпроводящих кабеля 40. Когда используется два кабеля 40, рекомендуется, чтобы из четырех жил 41 двух кабелей 40 одна жила 41 использовалась в качестве резервной жилы, слои 44 сверхпроводящего проводника оставшихся трех жил 41 использовались для передачи отдельных фаз, а внешние сверхпроводящие слои 46 этих трех жил 41 использовались в качестве экранирующих слоев. Когда используется три кабеля 40, отдельные кабели 40 используются для передачи отдельных фаз. Более конкретно, две жилы 41, предусмотренные в каждом кабеле 40, используются для передачи одной фазы. В этом случае слои 44 сверхпроводящего проводника двух жил 41, предусмотренных в каждом кабеле 40, используются для передачи соответствующей фазы, а внешние сверхпроводящие слои 46, предусмотренные на внешней стороне этих слоев 44 сверхпроводящего проводника, используются в качестве экранирующих слоев. Когда сверхпроводящий кабель 40 используется для выполнения передачи однофазного переменного тока, рекомендуется подготовить один сверхпроводящий кабель 40, чтобы использовать слои 44 сверхпроводящего проводника отдельных жил 41 для передачи одной и той же фазы и использовать внешние сверхпроводящие слои 46, предусмотренные на внешней стороне этих слоев 44 сверхпроводящего проводника, в качестве экранирующих слоев.
Сверхпроводящий кабель 40 может быть использован для выполнения передачи постоянного тока, такой как вышеописанная униполярная передача и биполярная передача, после использования для выполнения вышеописанной передачи переменного тока. Как описано выше, сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению, имеющий изоляционный слой, структурированный с постепенным изменением ρ и постепенным изменением ε, может быть подходящим образом использован в качестве кабеля постоянного/переменного тока. Обсуждение, касающееся постепенного изменения ρ и постепенного изменения ε, также применимо к нижеописанному примеру 6.
Далее приводится описание другой структуры сверхпроводящего кабеля по настоящему изобретению, который сформирован посредством скручивания вместе двух кабельных жил и одной трубки циркуляции хладагента. Фиг.6 - это схематичный поперечный разрез, иллюстрирующий пример, в котором трубка циркуляции хладагента снабжена защитным слоем на своей внешней окружной периферии.
Пример 6
В структурах, показанных в примерах 4 и 5, когда составное тело, сформированное посредством скручивания вместе двух кабельных жил 41 и трубки 42 циркуляции хладагента, вставлено в теплоизоляционную трубку (см. фиг.4, 5(А) и (В)), поверхность внешней окружной периферии трубки 42 циркуляции хладагента может входить в физический контакт с поверхностью внутренней окружной периферии теплоизоляционной трубки (внутренней трубки). Когда это происходит, могут образовываться металлические порошки либо трубка 42 циркуляции хладагента или теплоизоляционная трубка может повреждаться. Чтобы разрешить эту проблему, как показано на фиг.6, на внешней окружной периферии трубки 42а циркуляции хладагента может быть предусмотрен защитный слой 42b, с тем чтобы не допустить ее вхождения в контакт с теплоизоляционной трубкой. В этом примере защитный слой 42b сформирован посредством спиралевидного наложения крафт-бумаги. Помимо этого, в данном примере диаметр трубки 42a циркуляции хладагента выбран так, чтобы предусмотренный защитный слой 42b имел такой же диаметр, что и диаметр кабельных жил 41. Эта структура устраняет контакт между трубкой 42a циркуляции хладагента и теплоизоляционной трубкой, тем самым предоставляя возможность преодоления проблем, вызываемых этим контактом.
Промышленная применимость
Сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению подходит для применения в линии электропередачи для выполнения передачи электроэнергии. В частности, сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению может подходящим образом использоваться не только в качестве средства передачи электроэнергии переменного тока, но и для передачи электроэнергии постоянного тока в переходный период, в который система передачи переключается с переменного тока на постоянный ток. Более того, система передачи постоянного тока по настоящему изобретению может быть использована в то время, когда выполняется передача постоянного тока посредством использования вышеописанного сверхпроводящего кабеля по настоящему изобретению.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - это схематичная конфигурационная диаграмма, иллюстрирующая состояние, в котором линия передачи постоянного тока для униполярной передачи сооружена посредством использования сверхпроводящего кабеля по настоящему изобретению, сформированного посредством скручивания вместе первой и второй жил.
Фиг.2(A) - это схематичная конфигурационная диаграмма, иллюстрирующая состояние, в котором линия передачи постоянного тока для биполярной передачи сооружена посредством использования сверхпроводящего кабеля по настоящему изобретению, сформированного посредством скручивания вместе первой и второй жил, а фиг.2(B) - это схематичная конфигурационная диаграмма, иллюстрирующая состояние, в котором линия передачи постоянного тока для униполярной передачи сооружена посредством использования первого сверхпроводящего слоя одной из первых жил и второго сверхпроводящего слоя второй жилы в одном и том же сверхпроводящем кабеле, описанном выше.
Фиг.3 - это схематичный поперечный разрез, иллюстрирующий пример, в котором в сверхпроводящем кабеле по настоящему изобретению, сформированном посредством скручивания вместе первой и второй жил, вторая жила снабжена трубкой циркуляции хладагента внутри второго сверхпроводящего слоя.
Фиг.4 - это схематичная конфигурационная диаграмма, иллюстрирующая состояние, в котором линия передачи постоянного тока для униполярной передачи сооружена посредством использования сверхпроводящего кабеля по настоящему изобретению, сформированного посредством скручивания вместе двух жил и одной трубки циркуляции хладагента.
Фиг.5(A) - это схематичная конфигурационная диаграмма, иллюстрирующая состояние, в котором линия передачи постоянного тока для биполярной передачи сооружена посредством использования сверхпроводящего кабеля по настоящему изобретению, сформированного посредством скручивания вместе двух жил и одной трубки циркуляции хладагента, а фиг.5(B) - это схематичная конфигурационная диаграмма, иллюстрирующая состояние, в котором линия передачи постоянного тока для униполярной передачи сооружена посредством использования слоя сверхпроводящего проводника и внешнего сверхпроводящего слоя одной из жил в одном и том же сверхпроводящем кабеле, описанном выше.
Фиг.6 - это схематичный поперечный разрез, иллюстрирующий другую структуру сверхпроводящего кабеля по настоящему изобретению, сформированного посредством скручивания вместе двух жил и одной трубки циркуляции хладагента, при этом структура сформирована посредством предусматривания защитного слоя на внешней окружной периферии трубки циркуляции хладагента.
Фиг.7 - это поперечный разрез трехжильного витого сверхпроводящего кабеля для использования на трехфазном переменном токе.
Пояснение обозначений
1, 40 - сверхпроводящий кабель; 2 - первая жила; 2a - первый сверхпроводящий слой; 3 - вторая жила; 3a - второй сверхпроводящий слой; 4, 6, 9b - изоляционный слой; 5a - каркас; 5b - элемент-сердечник; 7 - теплоизоляционная трубка; 7a - внешняя трубка; 7b - внутренняя трубка; 8 - пространство; 9a - трубка циркуляции хладагента; 10a, 10b, 11a, 11b, 12a, 12b, 13a, 13b, 14a, 14b, 15a, 15b - преобразователь постоянного тока в переменный; 20-25, 30-35, 50-57, 60-67 - вывод; 41 - кабельная жила; 42, 42a - трубка циркуляции хладагента; 42b - защитный слой; 43 - каркас; 44 - слой сверхпроводящего проводника; 45 - изоляционный слой; 46 - внешний сверхпроводящий слой; 47 - защитный слой; 100 - сверхпроводящий кабель для использования на трехфазном переменном токе; 101 - теплоизоляционная трубка; 101a - внешняя трубка; 101b - внутренняя трубка; 102 - кабельная жила; 103 - пространство; 104 - антикоррозионное покрытие; 200 - каркас; 201 - слой сверхпроводящего проводника; 202 - изоляционный слой; 203 - сверхпроводящий экранирующий слой; 204 - защитный слой.