СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ КАБЕЛЬНАЯ ЛИНИЯ
SUPERCONDUCTING CABLE LINE

Область техники
Настоящее изобретение относится к линии электроснабжения, включающей в себя сверхпроводящий кабель. Более конкретно, настоящее изобретение относится к сверхпроводящей кабельной линии, в которой существенно снижено проникновение тепла в сверхпроводящий кабель и может быть повышен коэффициент полезного действия (КПД).
Уровень техники
Традиционно был известен сверхпроводящий кабель, включающий в себя теплоизоляционный трубопровод, вмещающий кабельную жилу, имеющую слой сверхпроводящего проводника. Такой сверхпроводящий кабель может представлять собой, например, одножильный кабель, имеющий теплоизоляционный трубопровод, вмещающий одну кабельную жилу, или трехжильный кабель, вмещающий три кабельные жилы в пучке. Фиг.11 представляет собой поперечный разрез трехжильного сверхпроводящего кабеля для передачи трехфазного переменного тока. Фиг.12 представляет собой поперечный разрез каждой кабельной жилы 102. Этот сверхпроводящий кабель 100 имеет конструкцию, при которой три скрученные кабельные жилы 102 заключены в теплоизоляционный трубопровод 101. Теплоизоляционный трубопровод 101 имеет конструкцию, при которой между внешним трубопроводом 101a и внутренним трубопроводом 101b, образующими двойной трубопровод, размещен теплоизоляционный материал (не показан), и при этом воздух между трубопроводами 101a и 101b откачан. Каждая кабельная жила 102 включает в себя, начиная от ее средней части, сердцевину 200, слой 201 сверхпроводящего проводника, слой 202 электрической изоляции, сверхпроводниковый экранирующий слой 203 и защитный 204 слой. Пространство 103, ограниченное внутренним трубопроводом 101b и каждой кабельной жилой 102, превращается в канал хладагента, такого как жидкий азот. Состояние сверхпроводимости слоя 201 сверхпроводящего проводника и сверхпроводникового экранирующего слоя 203 кабельной жилы 102 поддерживают путем охлаждения с помощью хладагента. На наружной периферии теплоизоляционного трубопровода 101 находится коррозионностойкий слой 104.
Сверхпроводящий кабель должен непрерывно охлаждаться хладагентом, например жидким азотом, для поддержания состояния сверхпроводимости слоя сверхпроводящего проводника и сверхпроводникового экранирующего слоя. Поэтому линия, в которой используется сверхпроводящий кабель, обычно включает в себя систему охлаждения хладагента. С помощью этой системы осуществляется циркуляционное охлаждение, при котором выходящий из кабеля хладагент охлаждают, а затем снова впускают в кабель.
При охлаждении хладагента до соответствующей температуры с помощью системы охлаждения сверхпроводящий кабель может поддерживать состояние сверхпроводимости слоя сверхпроводящего проводника и сверхпроводникового экранирующего слоя за счет достаточного снижения повышенной температуры хладагента, вызванной теплом, выделяющимся при прохождении тока, или проникновением тепла извне, например атмосферы. Однако, когда хладагентом является жидкий азот, энергии, требуемой для охлаждения хладагента в целях противодействия выделению тепла или проникновению тепла извне, становится необходимо в по меньшей мере 10 раз больше, чем энергии, переносимой хладагентом для охлаждения кабеля. Поэтому, если рассматривать сверхпроводящую кабельную линию, включающую в себя систему охлаждения хладагента, как единое целое, то коэффициент полезного действия (КПД) становится равным примерно 0,1 или ниже. Столь низкий КПД является одной из причин низкой применимости сверхпроводящего кабеля. С другой стороны, в каждом из выложенного японского патента № 2002-130851 (Патентный документ 1) и выложенного японского патента № 10-092627 (Патентный документ 2) предлагается охлаждать хладагент сверхпроводящей катушки с использованием охлаждающего действия сжиженного природного газа (СПГ).
Патентный документ 1: выложенный японский патент № 2002-130851
Патентный документ 2: выложенный японский патент № 10-092627
Раскрытие изобретения
Проблемы, решаемые изобретением
В каждом из описанных выше патентных документов 1 и 2 просто раскрыто использование охлаждающего действия СПГ для охлаждения хладагента сверхпроводящей катушки, и оно не рассматривается в отношении снижения проникновения тепла извне.
Поэтому главной целью настоящего изобретения является обеспечение сверхпроводящей кабельной лини, в которой может быть снижено проникновение тепла извне и повышен коэффициент полезного действия.
Средства для решения этих проблем
Настоящее изобретение достигает вышеописанной цели за счет размещения сверхпроводящего кабеля в теплоизоляционный трубопровод, по которому транспортируется текучая среда с низкой температурой. Таким образом, сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению включает в себя теплоизоляционный трубопровод для текучей среды (первый теплоизоляционный трубопровод), предназначенный для транспортировки текучей среды, имеющей температуру ниже обыкновенной температуры, и сверхпроводящий кабель, заключенный в этот теплоизоляционный трубопровод для текучей среды (первый теплоизоляционный трубопровод). В дальнейшем настоящее изобретение будет описано более подробно.
Сверхпроводящий кабель, используемый в настоящем изобретении, имеет конструкцию, включающую сверхпроводящую часть, образованную сверхпроводниковым материалом, и теплоизоляционный трубопровод (далее именуемый теплоизоляционным трубопроводом для кабеля), вмещающий сверхпроводящую часть и заполненный хладагентом для охлаждения этой сверхпроводящей части. Сверхпроводящая часть может включать в себя слой сверхпроводящего проводника для прохождения тока электроснабжения и внешний сверхпроводящий слой для прохождения тока, имеющего по существу то же значение, что и у тока в слое сверхпроводящего проводника, но текущего в противоположном направлении. Сверхпроводящую часть обычно формируют в кабельной жиле. Поэтому сверхпроводящий кабель может быть выполнен путем размещения кабельной жилы, включающей слой сверхпроводящего проводника, в теплоизоляционный трубопровод для кабеля. Более конкретная конструкция кабельной жилы может включать, начиная от ее средней части, сердцевину (основание), слой сверхпроводящего проводника, слой электрической изоляции, внешний сверхпроводящий слой и защитный слой. Теплоизоляционный трубопровод для кабеля может вмещать в себя одну кабельную жилу (одножильный кабель (с одной жилой)) или многожильный кабель (с множеством жил). Точнее говоря, если линию по настоящему изобретению используют для передачи трехфазного переменного тока, то можно использовать, например, трехжильный кабель, имеющий теплоизоляционный трубопровод для кабеля, вмещающий три скрученные жилы, а если линию по настоящему изобретению используют для передачи однофазного переменного тока, то можно использовать одножильный кабель, имеющий теплоизоляционный трубопровод для кабеля, вмещающий одну жилу. Если линию по настоящему изобретению используют для передачи постоянного тока (униполярная передача), то можно использовать, например, одножильный кабель, имеющий теплоизоляционный трубопровод для кабеля, вмещающий одну жилу, а если линию по настоящему изобретению используют для передачи постоянного тока (биполярная передача), то можно использовать двухжильный кабель или трехжильный кабель, имеющий теплоизоляционный трубопровод для кабеля, вмещающий две или три скрученные жилы. Как описано выше, сверхпроводящую кабельную линию по настоящему изобретению можно использовать как для передачи постоянного тока, так и для передачи переменного тока.
Слой сверхпроводящего проводника может быть сформирован, например, посредством спирального наматывания лентообразного провода, включающего в себя множество волокон, выполненных из оксидного сверхпроводникового материала на основе висмута, а более конкретно - сверхпроводникового материала на основе Bi2223, которые расположены в матрице, такой как серебряная оболочка. Слой сверхпроводящего проводника может иметь однослойную или многослойную структуру. Когда слой сверхпроводящего проводника имеет многослойную структуру, в ней может быть предусмотрен межслоевой изолирующий слой. Этот межслоевой изолирующий слой может быть сформирован наматыванием изоляционной бумаги, такой как крафт-бумага или полусинтетическая изоляционная бумага, например, полипропиленовая ламинированная бумага (PPLP) (товарный знак компании Сумитомо Электрик Индастриз Лимитед (Sumitomo Electric Industries, Ltd.)). Слой сверхпроводящего проводника образуют наматыванием провода, выполненного из сверхпроводникового материала, вокруг этой сердцевины. Сердцевина может быть сплошным или полым телом, образованным из металлического материала, такого как медь или алюминий, и может иметь конструкцию, представляющую собой, например, множество скрученных медных проволок. Можно использовать медную проволоку, имеющую изоляционное покрытие. Сердцевина выполняет функцию элемента, поддерживающего форму слоя сверхпроводящего проводника. Между сердцевиной и слоем сверхпроводящего проводника может быть проложен амортизирующий слой. Амортизирующий слой позволяет избежать непосредственного контакта металлов сердцевины и сверхпроводящего провода, что предохраняет сверхпроводящий провод от повреждения. В частности, когда сердцевина имеет структуру скрученной проволоки, амортизирующий слой также выполняет функцию сглаживания поверхности такой сердцевины. В качестве конкретного материала амортизирующего слоя можно соответствующим образом использовать изоляционную бумагу или углеродную бумагу.
Слой электрической изоляции может быть сформирован наматыванием на слой сверхпроводящего проводника полусинтетической изоляционной бумаги, такой как PPLP (товарный знак), или изоляционной бумаги, такой как крафт-бумага. На по меньшей мере одной из внутренней и внешней периферии слоя электрической изоляции, то есть между слоем сверхпроводящего проводника и слоем электрической изоляции и/или между слоем электрической изоляции и внешним сверхпроводящим слоем может быть сформирован полупроводящий слой из углеродной бумаги или чего-либо подобного (описано ниже). При формировании первого, внутреннего полупроводящего слоя или последнего, внешнего полупроводящего слоя повышается адгезия между слоем сверхпроводящего проводника и слоем электрической изоляции или между слоем электрической изоляции и внешним сверхпроводящим слоем для подавления ухудшения из-за возникновения частичного разряда или т.п.
Когда линию по настоящему изобретению используют для передачи постоянного тока, слой электрической изоляции может быть подвергнут градации по ρ для достижения низкого удельного электросопротивления на внутренней периферийной стороне слоя электрической изоляции и высокого удельного электросопротивления на его наружной периферийной стороне для сглаживания распределения электрического поля постоянного тока в его диаметральном направлении (в направлении толщины). Как описано выше, термин «градация по ρ» означает ступенчатое изменение удельного электросопротивления в направлении толщины слоя электрической изоляции, что может сгладить распределение электрического поля постоянного тока по всей толщине слоя электрической изоляции и позволяет снизить толщину этого слоя электрической изоляции. Хотя количество слоев с изменяющимися удельными электросопротивлениями конкретно не ограничено, на практике используются два или три слоя. В частности, сглаживание распределения электрического поля постоянного тока можно осуществлять более эффективно, когда толщина каждого слоя выровнена.
p
p
Градацию по ρ можно осуществлять, используя изоляционные материалы с отличающимися друг от друга удельными электросопротивлениями (ρ). Когда используют изоляционную бумагу, такую как крафт-бумага, удельное электросопротивление можно изменять, например, путем варьирования плотности крафт-бумаги или путем добавления к крафт-бумаге дициандиамида. При использовании многослойной бумаги, образованной из изоляционной бумаги и пластиковой пленки, такой как PPLP (товарный знак), удельное электросопротивление можно изменять путем варьирования отношения k = (t/T) × 100, то есть отношения толщины t пластиковой пленки к толщине T всей многослойной бумаги, или путем варьирования плотности, материала, добавок или т.п. изоляционной бумаги. Значение отношения k предпочтительно находится в диапазоне, например, примерно 40-90%. Как правило, с повышением отношения k удельное электросопротивление ρ становится выше.
Кроме того, когда слой электрической изоляции имеет слой с высокой ε (диэлектрической проницаемостью), предусмотренный около слоя сверхпроводящего проводника и имеющий более высокую диэлектрическую проницаемость, чем диэлектрическая проницаемость в другой части, может быть улучшено свойство выдерживать импульсное напряжение в дополнение к улучшению свойства выдерживать постоянное напряжение. Диэлектрическая проницаемость ε (при 20°C) в обычной крафт-бумаге составляет примерно 3,2-4,5, в многослойной бумаге с отношением k в 40% - примерно 2,8, в многослойной бумаге с отношением k в 60% - примерно 2,6, и в многослойной бумаге с отношением k в 80% - примерно 2,4. Особо предпочтительным является слой электрической изоляции, образованный многослойной бумагой с использованием крафт-бумаги, имеющей высокое отношение k и высокую воздухонепроницаемость, поскольку в данном случае повышено как выдерживаемое постоянное напряжение, так и выдерживаемое импульсное напряжение.
Кабель, также пригодный для передачи переменного тока, изготавливают путем выполнения слоя электрической изоляции имеющим в дополнение к описанной выше градации по ρ диэлектрическую проницаемость ε, повышающуюся к внутренней периферийной стороне и понижающуюся к наружной периферийной стороне. Такую «градацию по ε» также осуществляют по всей протяженности слоя электрической изоляции в диаметральном направлении. Дополнительно сверхпроводящий кабель, подвергнутый описанной выше градации по ρ, имеет хорошие характеристики по постоянному току, и его можно подходящим образом использовать в качестве линии передачи постоянного тока. С другой стороны, большинство существующих линий электропередач сконструировано для передачи переменного тока. Когда систему электропередачи переключают с системы переменного тока на систему постоянного тока, может возникнуть ситуация, при которой перед переключением на передачу постоянного тока кратковременно передают переменный ток с использованием сверхпроводящего кабеля, подвергнутого градации по ρ. Эта ситуация может возникнуть, например, в случае, если кабель на некотором участке линии электропередачи был заменен сверхпроводящим кабелем, подвергнутым градации по ρ, а на других участках все еще находится кабель для передачи переменного тока, или если кабель для передачи переменного тока линии электропередачи был заменен сверхпроводящим кабелем, подвергнутым градации по ρ, а подсоединенное к этому кабелю устройство электропередачи все еще является устройством, рассчитанным на переменный ток. В данной ситуации передачу переменного тока кратковременно осуществляют посредством сверхпроводящего кабеля, подвергнутого градации по ρ, а затем систему окончательно переключают на передачу постоянного тока. Поэтому сверхпроводящий кабель, используемый для передачи как постоянного, так и переменного тока, предпочтительно проектируют и выполняют таким образом, чтобы он не только обладал хорошими характеристиками на постоянном токе, но также учитывают характеристики на переменном токе. Когда характеристики на переменном токе также учитываются, можно конструировать сверхпроводящий кабель, обладающий хорошими импульсными характеристиками, такими как перенапряжение, путем выполнения слоя электрической изоляции имеющим диэлектрическую проницаемость ε, повышающуюся к внутренней периферийной стороне и понижающуюся к наружной периферийной стороне. Затем, когда описанный выше переходный период завершен и осуществляется передача постоянного тока, подвергнутый градации по ρ сверхпроводящий кабель, который использовали в переходный период, можно постоянно использовать в качестве кабеля постоянного тока. То есть линию, в которой используется сверхпроводящий кабель, подвергнутый градации по ε в дополнение к градации по ρ, можно подходящим образом использовать для передачи любого из постоянного и переменного токов, а также можно подходящим образом использовать в качестве линии для передачи как переменного, так и постоянного тока.
Описанная выше PPLP-бумага (товарный знак) обычно имеет более высокое значение ρ и более низкое значение ε по мере повышения отношения k. Поэтому, когда слой электрической изоляции выполнен с использованием бумаги PPLP с повышающимся к его наружной периферийной стороне отношением k, ρ может возрастать к наружной периферийной стороне, и одновременно ε может понижаться к наружной периферийной стороне.
С другой стороны, крафт-бумага обычно имеет более высокое значение ρ и более высокое значение ε по мере повышения воздухонепроницаемости. Поэтому только из крафт-бумаги трудно выполнить слой электрической изоляции, имеющий ρ, повышающееся к наружной периферийной стороне, и ε, понижающееся к наружной периферийной стороне. Поэтому слой электрической изоляции подходящим образом выполняют с использованием крафт-бумаги в сочетании с многослойной бумагой. В качестве примера, слой крафт-бумаги можно сформировать на внутренней периферийной стороне слоя электрической изоляции, а слой PPLP можно сформировать на его внешней стороне, создав в слое крафт-бумаги меньшее удельное электросопротивление ρ, чем в слое PPLP, и диэлектрическую проницаемость ε, большую в слое крафт-бумаги, чем в слое PPLP.
Внешний сверхпроводящий слой формируют на наружной периферии описанного выше слоя электрической изоляции. Внешний сверхпроводящий слой образован из сверхпроводникового материала, как и слой сверхпроводящего проводника. Во внешнем сверхпроводящем слое может быть использован сверхпроводниковый материал, подобный тому, который используют для образования слоя сверхпроводящего проводника. Когда сверхпроводящую кабельную линию по настоящему изобретению используют для передачи постоянного тока, внешний сверхпроводящий слой можно использовать, например, в качестве обратного проводника при монополярной передаче или в качестве слоя нейтрального проводника при биполярной передаче. В частности, когда осуществляют биполярную передачу, внешний сверхпроводящий слой можно использовать для пропускания тока разбалансировки, когда возникает разбалансировка между положительным электродом и отрицательным электродом. В дополнение, когда один электрод находится в ненормальном состоянии, а биполярная передача заменена на монополярную передачу, внешний сверхпроводящий слой можно использовать в качестве обратного проводника для пропускания тока, эквивалентного пропущенному току, протекающему через слой сверхпроводящего проводника. Когда сверхпроводящую кабельную линию по настоящему изобретению используют для передачи переменного тока, внешний сверхпроводящий слой можно использовать в качестве экранирующего слоя, пропускающего экранный ток, наведенный током, протекающим через слой сверхпроводящего проводника. Для изоляции на наружной периферии внешнего сверхпроводящего слоя может быть также предусмотрен защитный слой.
Теплоизоляционный трубопровод для кабеля, предназначенный для помещения в него кабельной жилы, имеющей описанную выше конструкцию, может иметь структуру двойного трубопровода, состоящего из внешнего трубопровода и внутреннего трубопровода с теплоизоляционным материалом между этими трубопроводами, и при этом для создания конструкции с вакуумной изоляцией осуществляют откачку воздуха из трубопровода до достижения заданного уровня вакуума. Пространство во внутреннем трубопроводе используют в качестве канала хладагента для циркуляции хладагента, такого как жидкий азот, который заполняет канал в целях охлаждения кабельной жилы (особенно слоя сверхпроводящего проводника и внешнего сверхпроводящего слоя). В качестве теплоизоляционного трубопровода для кабеля предпочтительно использовать гибкий гофрированный трубопровод. В частности, теплоизоляционный трубопровод для кабеля предпочтительно выполнен из металлического материала, такого как нержавеющая сталь с высокой прочностью.
Настоящее изобретение предлагает конструкцию, в которой сверхпроводящий кабель, имеющий описанный выше теплоизоляционный трубопровод для кабеля, заключен в теплоизоляционный трубопровод, используемый для транспортировки текучей среды, имеющей температуру ниже обычной температуры (далее именуемый теплоизоляционным трубопроводом для текучей среды). При такой конструкции наружная периферия сверхпроводящего кабеля, заключенного в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, находится в низкотемпературной среде с температурой ниже обычной температуры благодаря текучей среде, имеющей температуру ниже обычной температуры. В дополнение сверхпроводящий кабель может иметь структуру двойной теплоизоляции, образованную структурой теплоизоляции теплоизоляционного трубопровода для текучей среды и со структурой теплоизоляции самого кабеля. Поэтому проникновение тепла извне может быть эффективно снижено по сравнению с обычным кабелем, и поэтому может быть уменьшена энергия, необходимая для охлаждения заполняющего сверхпроводящий кабель хладагента.
В качестве теплоизоляционного трубопровода для текучей среды, вмещающего сверхпроводящий кабель, можно использовать теплоизоляционный трубопровод, имеющий эффективность теплоизоляции, соответствующую транспортируемой по нему текучей среде. В качестве примера, можно использовать теплоизоляционный трубопровод, имеющий конструкцию, аналогичную конструкции трубопровода для сверхпроводящего кабеля, то есть конструкцию, имеющую структуру двойного трубопровода, образованного из внешнего трубопровода и внутреннего трубопровода с расположенным между этими трубопроводами сохраняющим холод материалом. В данной ситуации пространство внутри внутреннего трубопровода становится каналом транспортировки текучей среды. Кроме того, текучая среда имеет температуру ниже обычной температуры. Как описано выше, в сверхпроводящем кабеле хладагент для охлаждения сверхпроводящей части циркулирует в теплоизоляционном трубопроводе для кабеля. В качестве хладагента используют, например, жидкий азот, охлажденный до 77 K. Поэтому, когда сверхпроводящий кабель уложен в атмосфере, разность температур между внутренним пространством теплоизоляционного трубопровода для кабеля и окружающей средой (разность температур между хладагентом и атмосферой) становится равной по меньшей мере 200 K, и, таким образом, может увеличиваться проникновение тепла в кабель. Поэтому в случае обычного кабеля для снижения проникновения тепла следует повысить энергию, затрачиваемую на охлаждение хладагента, или следует повысить эффективность теплоизоляции теплоизоляционного трубопровода для кабеля. В отличие от этого, в случае сверхпроводящего кабеля, заключенного в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, предназначенный для транспортировки текучей среды с низкой температурой, такой как температура ниже обычной температуры, разность температур внутри и снаружи теплоизоляционного трубопровода для кабеля, а точнее - разность температур хладагента и текучей среды, можно сделать меньшей 200 K. Поэтому проникновение тепла становится меньшим по сравнению с кабелем, помещенным в атмосферу, и поэтому затрачиваемую на охлаждение хладагента энергию можно снизить. То есть, если принять во внимание также систему охлаждения хладагента, то можно повысить коэффициент полезного действия сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению по сравнению с обычной линией. В частности, когда линию по настоящему изобретению используют в качестве линии передачи постоянного тока, в которой при прохождении тока почти не выделяется тепло (тепловые потери в проводнике), снижение проникновения тепла крайне эффективно для повышения коэффициента полезного действия, поскольку проникновение тепла становится главной причиной потерь энергии в данной ситуации. В дополнение, поскольку сверхпроводящий кабель, помещенный согласно настоящему изобретению в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, позволяет снизить проникновение тепла, как описано выше, структуру теплоизоляции теплоизоляционного трубопровода для кабеля можно упростить, то есть можно снизить степень теплоизоляции для предотвращения проникновения тепла.
Температура текучей среды как таковая должна быть ниже обычной температуры, и особенно предпочтительной является более низкая температура, поскольку таким образом можно снизить проникновение тепла в кабель. Используемая текучая среда может быть такой же самой, что и хладагент сверхпроводящего кабеля, или отличной от него. То есть текучая среда может иметь температуру, по существу равную, более высокую или более низкую, чем температура хладагента сверхпроводящего кабеля. Когда текучая среда имеет температуру, подобную температуре хладагента сверхпроводящего кабеля, разность температур внутри и снаружи теплоизоляционного трубопровода для кабеля можно дополнительно снизить.
Когда текучая среда имеет более низкую температуру, чем температура хладагента сверхпроводящего кабеля, поскольку проникновение тепла из текучей среды в кабель по существу отсутствует, температура хладагента с проникновением тепла по существу не повышается, а, напротив, хладагент, находящийся внутри теплоизоляционного трубопровода для кабеля, охлаждается. Поэтому в случае сверхпроводящего кабеля, заключенного в теплоизоляционный трубопровод для транспортировки текучей среды как таковой, уровень эффективности охлаждения системы охлаждения используемого в кабеле хладагента можно сделать относительно низким, а также можно значительно снизить энергию, затрачиваемую на охлаждение хладагента. Когда текучая среда имеет более высокую температуру, чем температура хладагента сверхпроводящего кабеля, несмотря на то, что температура хладагента может повыситься из-за проникновения тепла из текучей среды в кабель, это проникновение тепла крайне мало по сравнению с ситуацией нахождения кабеля в атмосфере, и поэтому уровень роста температуры также крайне низок. Поэтому уровень эффективности охлаждения системы охлаждения хладагента, используемого в сверхпроводящем кабеле, в данной ситуации также можно сделать низким по сравнению с ситуацией нахождения кабеля в атмосфере. Конкретные примеры текучей среды включают жидкий гелий (примерно 4 K), жидкий водород (примерно 20 K), жидкий кислород (примерно 90 K), жидкий азот (примерно 77 K) и сжиженный природный газ (примерно 113 K).
Когда теплоизоляционный трубопровод для текучей среды изготавливают путем сварки металлического листа, выполненного, например, из нержавеющей стали или подобного металла, сверхпроводящий кабель может быть заключен в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды путем размещения кабеля на этом листе, изгибания листа таким образом, чтобы охватить кабель, и сваривания друг с другом краев листа. Когда в качестве теплоизоляционного трубопровода для текучей среды используют металлическую трубу, изготовленную из нержавеющей стали или другого подобного металла, кабель может быть заключен в такой теплоизоляционный трубопровод для текучей среды путем вставки сверхпроводящего кабеля в эту трубу. В этой ситуации для улучшения способности сверхпроводящего кабеля к введению в трубу можно спирально намотать вокруг кабеля проволоку скольжения (провод со скользящим контактом). В частности, когда теплоизоляционный трубопровод для кабеля представляет собой гофрированный трубопровод, имеющий выступы и впадины, способность к введению повышают путем намотки проволоки скольжения с большим шагом, чем шаг выступов и впадин гофрированного трубопровода (продольный шаг), для предотвращения попадания проволоки скольжения в область впадины гофрированного трубопровода в целях размещения проволоки скольжения поверх выступов и впадин, чтобы тем самым предотвратить непосредственный контакт наружной периферии гофрированного трубопровода с теплоизоляционным трубопроводом для текучей среды, то есть чтобы получить точечный контакт между проволокой скольжения, намотанной вокруг гофрированного трубопровода, и теплоизоляционным трубопроводом для текучей среды. Более того, к сверхпроводящему кабелю может быть прикреплен стяжной хомут или т.п. для того, чтобы втянуть его в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды.
Сверхпроводящий кабель, помещенный в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, может быть расположен в контакте с текучей средой, транспортируемой внутри теплоизоляционного трубопровода для текучей среды, или не в контакте с этой текучей средой. В первой ситуации сверхпроводящий кабель можно погрузить в текучую среду. В этой ситуации, поскольку вся периферия сверхпроводящего кабеля контактирует с текучей средой низкой температуры, проникновение тепла извне в кабель можно существенно снизить.
С другой стороны, если сверхпроводящий кабель погружен в текучую среду, то, в зависимости от текучей среды, может возникнуть такая проблема, как взрыв, например, в случае короткого замыкания в сверхпроводящем кабеле с образованием искры. Поэтому пространство внутри теплоизоляционного трубопровода для текучей среды можно разделить на область транспортировки текучей среды и область размещения сверхпроводящего кабеля. Например, в качестве области транспортировки текучей среды, внутри теплоизоляционного трубопровода для текучей среды можно отдельно разместить транспортировочный трубопровод для транспортировки текучей среды, а сверхпроводящий кабель можно разместить продольно вдоль этого транспортировочного трубопровода. В этой ситуации, когда в пространстве внутри теплоизоляционного трубопровода для текучей среды, не занятом транспортировочным трубопроводом и сверхпроводящим кабелем, то есть в пространстве, ограниченном внутренней периферией теплоизоляционного трубопровода для текучей среды, внешней периферией транспортировочного трубопровода и внешней периферией кабеля, размещают теплообменный разделитель (заполнитель), имеющий высокую теплопроводность, тепло от текучей среды может эффективно подводиться к кабелю через этот теплообменный разделитель, и поэтому кабель можно охлаждать текучей средой, особенно когда текучая среда имеет более низкую температуру, чем температура хладагента кабеля. Теплообменный разделитель как таковой можно изготовить, например, из материала, имеющего высокую теплопроводность, такого как алюминий. Более конкретно, теплообменную разделитель можно изготовить наматыванием алюминиевой фольги.
В сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению образующий линию сверхпроводящий кабель может быть заключен в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды по всей его длине в продольном направлении, или же в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды можно заключить только часть (участок) кабеля. В качестве примера, в предложенной линии только некоторая часть кабеля может быть заключена в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, а другая часть сверхпроводящего кабеля может быть уложена в атмосфере. Альтернативно, предложенная линия может иметь участок низкотемпературной области, где внешняя периферия кабеля находится в низкотемпературной среде, имеющей температуру, самое большее равную температуре хладагента, и участок высокотемпературной области, находящийся в температурной среде, имеющей более высокую температуру, чем температура хладагента. В частности, когда текучая среда имеет более низкую температуру, чем температура хладагента, участок сверхпроводящего кабеля, помещенный в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, может быть избыточно охлажден. При таком избыточном охлаждении может произойти затвердевание части хладагента, что может мешать циркуляции хладагента кабеля. Поэтому является желательным повысить температуру части сверхпроводящего кабеля, охлажденного текучей средой, в температурном интервале, допускающем поддержание сверхпроводящего состояния, в целях подавления избыточного охлаждения сверхпроводящего кабеля текучей средой для предотвращения достижения частью хладагента кабеля с самой низкой температурой температуры затвердевания и замедления циркуляции хладагента. Таким образом, предложено обеспечивать наличие областей, имеющих различные температуры, вне сверхпроводящего кабеля в продольном направлении сверхпроводящей кабельной линии для поддержания теплового баланса во всей линии в целом. Более конкретно, предложено обеспечивать в сверхпроводящей кабельной линии участок низкотемпературной области и участок высокотемпературной области для повышения на участке высокотемпературной области температуры хладагента сверхпроводящего кабеля, избыточно охлажденного на участке низкотемпературной области, или для охлаждения на участке низкотемпературной области хладагента сверхпроводящего кабеля с температурой, повышенной на участке высокотемпературной области.
Теплоизоляционный трубопровод для текучей среды включает первый теплоизоляционный трубопровод и второй теплоизоляционный трубопровод. Участок низкотемпературной области может быть сооружен путем помещения сверхпроводящего кабеля в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды (первый теплоизоляционный трубопровод), по которому транспортируется текучая среда, имеющая более низкую температуру, чем температура хладагента, заполняющего теплоизоляционный трубопровод для кабеля. Участок высокотемпературной области может быть сооружен путем укладывания сверхпроводящего кабеля в атмосфере или путем помещения кабеля в другой теплоизоляционный трубопровод для текучей среды (второй теплоизоляционный трубопровод), по которому транспортируется текучая среда, имеющая более высокую температуру, чем температура хладагента, заполняющего теплоизоляционный трубопровод для кабеля. Когда в качестве хладагента сверхпроводящего кабеля используют жидкий азот, в качестве текучей среды для участка низкотемпературной области (первой текучей среды) можно использовать, например, жидкий водород или жидкий гелий, а в качестве текучей среды для участка высокотемпературной области (второй текучей среды) можно использовать сжиженный природный газ или жидкий кислород.
В линии по настоящему изобретению, имеющей участок низкотемпературной области и участок высокотемпературной области, можно поддерживать тепловой баланс путем использования нескольких теплоизоляционных трубопроводов для текучих сред, предназначенных для транспортировки текучих сред, имеющих различные температуры, или путем комбинирования конструкции с помещением кабеля в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, предназначенный для транспортировки текучей среды, имеющей температуру ниже температуры хладагента сверхпроводящего кабеля, и конструкции с помещением кабеля в атмосферу. Если, например, в линию в ее продольном направлении поочередно входят участки низкотемпературной области и участки высокотемпературной области, то можно снизить разность между пониженной температурой на участке низкотемпературной области и повышенной температурой на участке высокотемпературной области. Альтернативно, тепловой баланс всей линии можно поддерживать путем изменения эффективности тепловой изоляции образующего линию сверхпроводящего кабеля. То есть в линии по настоящему изобретению эффективность тепловой изоляции кабеля можно изменять согласно температурному состоянию той области, в которой расположен сверхпроводящий кабель. В качестве примера эффективность теплоизоляции теплоизоляционного трубопровода для сверхпроводящего кабеля, размещенного на участке высокотемпературной области, можно сделать ниже, чем эффективность теплоизоляционного трубопровода для кабеля, размещенного на участке низкотемпературной области. В случае обычной сверхпроводящей кабельной линии, уложенной в атмосфере, поскольку температурный интервал снаружи кабеля по всей его длине и вокруг всей периферии находится в области обычных температур, эффективность теплоизоляции вдоль всей длины и вокруг всей периферии следует установить на постоянном уровне, а именно - на высоком уровне, для предотвращения проникновения тепла извне. Однако, в случае линии по настоящему изобретению, поскольку проникновение тепла в кабель снижено за счет введения части сверхпроводящего кабеля в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, эффективность теплоизоляции можно изменять по обстоятельствам в зависимости от окружающей среды, в которой кабель уложен. Поэтому, когда линия включает, например, участок кабеля, помещенный в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, предназначенный для транспортировки текучей среды, имеющей более высокую температуру, чем температура хладагента сверхпроводящего кабеля, и участок кабеля, уложенный в атмосфере, уровень эффективности теплоизоляции участка кабеля, помещенного в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, можно сделать меньшим, чем уровень изоляции участка кабеля, уложенного в атмосфере. Это обусловлено тем, что сверхпроводящий кабель, помещенный в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, обладает малым проникновением тепла извне, как описано выше. Поэтому в настоящем изобретении эффективность теплоизоляции образующего линию сверхпроводящего кабеля можно частично изменять. Когда теплоизоляционный трубопровод для кабеля имеет структуру двойного трубопровода, состоящего из внешнего трубопровода и внутреннего трубопровода, в которой между трубопроводами размещен теплоизоляционный материал и осуществлена откачка воздуха, эффективность теплоизоляции можно изменять, например, за счет изменения уровня вакуума между внешним трубопроводом и внутренним трубопроводом, изменения числа витков теплоизоляционного материала, расположенного между внешним трубопроводом и внутренним трубопроводом, или за счет изменения состава теплоизоляционного материала. При поддержании требуемого теплового баланса, можно дополнительно снизить тепловую энергию, поглощаемую хладагентом во всей линии.
В дополнение, когда сверхпроводящая кабельная линия имеет конструкцию, предназначенную для теплообмена между хладагентом сверхпроводящего кабеля и текучей средой с целью охлаждения хладагента, то есть когда сверхпроводящая кабельная линия имеет конструкцию, дополнительно включающую в себя средство теплообмена, предназначенное для теплообмена между хладагентом кабеля и текучей средой, эффективность теплообмена можно повысить. Хладагент сверхпроводящего кабеля обычно охлаждают с помощью системы охлаждения, в которой используется тепловой насос, и в обычной сверхпроводящей кабельной линии в качестве объекта конденсации в тепловом насосе используют воду или атмосферный воздух при обычной температуре. В результате, разность температур между объектами теплообмена становится равной по меньшей мере 200 K. Когда хладагент охлаждают до температуры, достаточной для поддержания сверхпроводящего состояния, требуется больше тепловой энергии, поскольку разность температур повышается, и КПД становится равным, самое большее, 0,1. В отличие от этого, когда в качестве объекта теплообмена с хладагентом используют текучую среду, имеющую более низкую температуру, чем обычная температура, разность температур между объектами теплообмена становится меньше по сравнению с обычной линией, в которой используют атмосферный воздух или воду при обычной температуре, и поэтому получается крайне высокая эффективность теплообмена, и КПД может стать равным по меньшей мере 0,5. В частности, когда текучую среду, имеющую более низкую температуру, чем температура хладагента сверхпроводящего кабеля, используют в качестве объекта теплообмена с хладагентом кабеля, а более конкретно, когда хладагент охлаждают непосредственно текучей средой, потребность в холодильном аппарате для охлаждения хладагента кабеля может отпасть.
Как описано выше, эффективность обмена можно повысить при использовании текучей среды, транспортируемой по теплоизоляционному трубопроводу для текучей среды, в качестве объекта теплообмена с хладагентом сверхпроводящего кабеля вместо атмосферного воздуха или воды с обычной температурой. В дополнение требуемую для охлаждения хладагента энергию можно дополнительно снизить, используя скрытую теплоту испарения текучей среды. Когда в качестве текучей среды используют, например, сжиженный природный газ, можно использовать скрытую теплоту (холод) испарения сжиженного природного газа. В установке (на базе) сжиженного природного газа сжиженный газ испаряется с получением природного газа. Поэтому, когда происходит теплообмен между хладагентом сверхпроводящего кабеля и сжиженным природным газом, хладагент кабеля охлаждается за счет отдачи скрытой теплоты испарения сжиженного природного газа, а сам сжиженный природный газ нагревается и испаряется за счет получения теплоты от хладагента кабеля. Таким образом, требования к обоим объектам могут быть удовлетворены без потерь.
КПД по энергии можно дополнительно повысить, если также обеспечить конструкцию теплообмена между текучей средой и хладагентом в случае хладагента сверхпроводящего устройства, отличного от сверхпроводящего кабеля, в котором используют низкотемпературный хладагент, например, сверхпроводникового трансформатора, сверхпроводникового накопителя магнитной энергии (SMES, СНМЭ) или сверхпроводникового ограничителя тока.
Преимущества сверхпроводящего кабеля можно полностью использовать, если описанную выше сверхпроводящую кабельную линию по настоящему изобретению сооружать в месте, где расположен теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, предназначенный для транспортировки текучей среды, например, на заводе по производству текучей среды, с целью использования сверхпроводящего кабеля для подачи электроэнергии к различным силовым устройствам, используемым для транспортировки текучей среды.
Как описано выше, сверхпроводящую линию по настоящему изобретению можно использовать как для передачи постоянного тока, так и для передачи переменного тока. При осуществлении передачи трехфазного переменного тока кабель может быть изготовлен, например, в виде трехжильного сверхпроводящего кабеля, в котором слой сверхпроводящего проводника каждой жилы используется для передачи каждой фазы, а внешний сверхпроводящий слой каждой жилы используется в качестве экранирующего слоя. При осуществлении передачи однофазного переменного тока кабель может быть изготовлен в виде одножильного сверхпроводящего кабеля, в котором слой сверхпроводящего проводника, входящий в состав жилы, используется для передачи одной фазы, а внешний сверхпроводящий слой используется в качестве экранирующего слоя. При осуществлении монополярной передачи постоянного тока кабель может быть изготовлен в виде одножильного сверхпроводящего кабеля, в котором слой сверхпроводящего проводника жилы используется в качестве прямого провода, а внешний сверхпроводящий слой используется в качестве обратного провода. При осуществлении биполярной передачи постоянного тока кабель может быть изготовлен в виде двухжильного сверхпроводящего кабеля, в котором слой сверхпроводящего проводника одной жилы используется для передачи тока положительного электрода, слой сверхпроводящего проводника другой жилы используется для передачи тока отрицательного электрода, а внешний сверхпроводящий слой каждой жилы используется в качестве слоя нейтрального проводника.
В дополнение к этому сверхпроводящую линию по настоящему изобретению также можно использовать в качестве линии для передачи как постоянного, так и переменного тока с использованием сверхпроводящего кабеля, включающего в себя кабельную жилу, имеющую слой электрической изоляции, подвергнутый градации по ρ и градации по ε, как описано выше. В этой ситуации является предпочтительным выполнять не только сверхпроводящий кабель, но также и оконечное устройство, образованное в концевой части линии для соединения сверхпроводящего кабеля с проводящей частью на стороне обычной температуры (нормально проводящий кабель, проводник, соединенный с нормально проводящим кабелем или т.п.), чтобы оно было пригодным для передачи как постоянного, так и переменного тока. Характерная конструкция оконечного устройства включает в себя концевую часть кабельной жилы, выступающую из концевой части сверхпроводящего кабеля, выводную часть проводника, соединенную с проводящей частью на стороне обычной температуры, соединительную часть, электрически соединенную с концевой частью жилы с помощью выводной части проводника, и коробку концевого соединения, вмещающую в себя концевую часть жилы, концевую часть выводной части проводника на соединенной с жилой стороне и соединительную часть. Коробка концевого соединения обычно содержит ванну с хладагентом, охлаждающую концевую часть жилы или концевую часть выводной части проводника, и вакуумно-изоляционную ванну, установленную на внешней периферии ванны с хладагентом. В таком оконечном устройстве площадь поперечного сечения проводника выводной части проводника является желательно изменяемой, поскольку сила тока, протекающего по выводной части проводника, может быть различной при передаче переменного тока и передаче постоянного тока. Поэтому подходящая конструкция оконечного устройства для передачи как переменного, так и постоянного тока имеет площадь поперечного сечения проводника выводной части проводника, изменяемую в зависимости от нагрузки. Оконечное устройство также может иметь конструкцию, в которой, например, выводная часть проводника разделена на часть проводника низкотемпературной стороны, соединенную с концевой частью жилы, и часть проводника стороны с обычной температурой, установленную на конце части проводника, находящемся на стороне с обычной температурой, причем эти часть проводника низкотемпературной стороны и часть проводника стороны с обычной температурой являются отсоединяемыми друг от друга (съемными). Более того, имеется множество таких съемных выводных частей проводника для обеспечения возможности изменения площади поперечного сечения проводника всей выводной части проводника в соответствии с количеством соединений между частями проводника низкотемпературной стороны и частями проводника стороны с обычной температурой. Площади поперечного сечения проводника каждой выводной части проводника могут быть одинаковыми или отличными друг от друга. Сверхпроводящую кабельную линию по настоящему изобретению, включающую в себя такое оконечное устройство, можно легко переключать с передачи постоянного тока на передачу переменного тока или с передачи переменного тока на передачу постоянного тока, осуществляя подсоединение или отсоединение выводной части проводника. В дополнение, поскольку площадь поперечного сечения проводника выводной части проводника можно изменять, как описано выше, площадь поперечного сечения проводника также можно изменять по обстоятельствам, когда во время передачи переменного тока или передачи постоянного тока количество подаваемой электроэнергии изменяется.
Результаты изобретения
Сверхпроводящая кабельная линия согласно настоящему изобретению с описанной выше конструкцией может дать существенный эффект, связанный с эффективным снижением проникновения тепла в кабель и повышением коэффициента полезного действия. В частности, в сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению, включающей в себя участок низкотемпературной области и участок высокотемпературной области, можно поддерживать тепловой баланс во всей линии, а также можно снизить энергию, затрачиваемую на охлаждение хладагента кабеля.
Когда сверхпроводящий кабель, включающий в себя кабельную жилу с подвергнутым градации по ρ слоем электрической изоляции, используют в линии по настоящему изобретению, такая линия может обладать хорошими характеристиками выдерживаемого постоянного напряжения и может быть пригодной для передачи постоянного тока. Кроме того, когда в линии по настоящему изобретению используют сверхпроводящий кабель, включающий в себя кабельную жилу со слоем электрической изоляции, подвергнутым градации по ρ и обеспеченным более высоким значением ε в части около слоя сверхпроводящего проводника, можно также повысить характеристики выдерживаемого импульсного напряжения в дополнение к повышению характеристик выдерживаемого постоянного напряжения, как было описано выше. В частности, линия по настоящему изобретению может также обладать хорошими электрическими характеристиками на переменном токе, когда слой электрической изоляции сформирован имеющим значение ε, повышающееся к внутренней периферийной стороне и понижающееся к внешней периферийной стороне. Поэтому сверхпроводящую кабельную линию по настоящему изобретению можно подходящим образом использовать для передачи и постоянного, и переменного тока. В дополнение, когда в качестве линии по настоящему изобретению используют сверхпроводящий кабель, включающий в себя кабельную жилу со слоем электрической изоляции, подвергнутым градации по ρ и градации по ε, а оконечное устройство, выполненное в концевой части этой линии, имеет конструкцию с изменяемой площадью поперечного сечения проводника выводной части проводника, установленной между сверхпроводящим кабелем и проводящей частью на стороне обычной температуры, линию по настоящему изобретению можно подходящим образом использовать в переходный период, когда систему электропередачи переключают с системы переменного тока на систему постоянного тока.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схематический поперечный разрез конструкции сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению.
Фиг.2 представляет собой схематический поперечный разрез конструкции части около сверхпроводящего кабеля в сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению.
Фиг.3 представляет собой схематический вид спереди конструкции сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению.
Фиг.4 представляет собой схематический поперечный разрез сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению, включающей в себя трубопровод для транспортировки текучей среды, сверхпроводящий кабель и теплообменный разделитель внутри теплоизоляционного трубопровода для текучей среды.
Фиг.5 представляет собой схематический чертеж конструкции сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению, включающей в себя участок низкотемпературной области и участок высокотемпературной области.
Фиг.6 представляет собой схематический чертеж конструкции сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению, в которой сверхпроводящий кабель помещен в каждый из двух теплоизоляционных трубопроводов для текучих сред, предназначенных для транспортировки различных текучих сред.
Фиг.7 представляет собой схематический чертеж конструкции примера сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению, включающей в себя систему охлаждения, предназначенную для охлаждения хладагента сверхпроводящего кабеля, которая включает в себя средство теплообмена, предназначенное для теплообмена между хладагентом и текучей средой.
Фиг.8 представляет собой схематический чертеж конструкции сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению, включающей в себя средство теплообмена, предназначенное для непосредственного охлаждения хладагента сверхпроводящей кабельной линии текучей средой.
Фиг.9 представляет собой схематический чертеж конструкции оконечного устройства, созданного в концевой части сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению с использованием сверхпроводящего кабеля трехжильного типа, в случае линии передачи переменного тока.
Фиг.10 представляет собой схематический чертеж конструкции оконечного устройства, созданного в концевой части сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению с использованием сверхпроводящего кабеля трехжильного типа, в случае линии передачи постоянного тока.
Фиг.11 представляет собой поперечный разрез сверхпроводящего кабеля трехжильного типа для передачи трехфазного переменного тока.
Фиг.12 представляет собой поперечный разрез каждой кабельной жилы 102.
Описание ссылочных обозначений
1: текучая среда; 2, 2M, 2N: теплоизоляционный трубопровод для текучей среды; 2a: внешний трубопровод; 2b: внутренний трубопровод; 3: транспортировочный трубопровод; 4: теплообменный разделитель; 5: средство регулировки температуры; 10: сверхпроводящий кабель; 10a: отводной трубопровод; 11: теплоизоляционный трубопровод для кабеля; 11a: внешний трубопровод; 11b: внутренний трубопровод; 12: кабельная жила; 13: пространство; 14: слой сверхпроводящего проводника; 15: внешний сверхпроводящий слой; 20, 30: средство теплообмена; 21, 31: канал; 22: расширительный вентиль; 23: компрессор; 24, 32: теплоизоляционный корпус; 25: отводной трубопровод; 40: выводная часть проводника; 41: часть проводника низкотемпературной стороны; 41a: уплотнительная часть низкотемпературной стороны; 42: часть проводника стороны с обычной температурой; 42a: уплотнительная часть стороны с обычной температурой; 43: соединительный провод; 44: линия заземления; 50: коробка концевого соединения; 51, 52: ванна с хладагентом; 53: вакуумно-изоляционная ванна; 53a: выдвижная часть; 60: втулка; 61: выводная часть проводника; 62: полый фарфор; 63: эпоксидный узел; 70: короткозамкнутая часть; 100: сверхпроводящий кабель для передачи трехфазного переменного тока; 101: теплоизоляционный трубопровод; 101a: внешний трубопровод; 101b: внутренний трубопровод; 102: кабельная жила; 103: пространство; 104: коррозионностойкий слой; 200: сердцевина; 201: слой сверхпроводящего проводника; 202: слой электрической изоляции; 203: сверхпроводниковый экранирующий слой; 204: защитный слой.
Наилучшие варианты осуществления изобретения
Далее будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения.
Пример 1
Фиг.1 представляет собой схематический поперечный разрез конструкции сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению. Фиг.2 представляет собой схематический поперечный разрез конструкции части около сверхпроводящего кабеля в сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению. Фиг.3 представляет собой схематический вид спереди конструкции сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению. Одинаковые позиции на чертежах обозначают одинаковые части. Сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению включает в себя теплоизоляционный трубопровод 2 для текучей среды, предназначенный для транспортировки текучей среды 1, имеющей температуру ниже обычной температуры, и сверхпроводящий кабель 10, помещенный в теплоизоляционный трубопровод 2 для текучей среды.
Сверхпроводящий кабель 10, используемый в данном примере, имеет конструкцию, в которой три кабельные 12 жилы скручены и помещены в теплоизоляционный трубопровод 11 для кабеля, конструкция которого в основном сходна с конструкцией сверхпроводящего кабеля, показанного на фиг.11. Каждая кабельная жила 12 включает в себя, начиная от ее средней части, сердцевину, слой сверхпроводящего проводника, слой электрической изоляции, внешний сверхпроводящий слой и защитный слой. Каждый из слоя сверхпроводящего проводника и внешнего сверхпроводящего слоя был образован из сверхпроводящего ленточного провода на основе Bi2223 (с оболочкой из Ag-Mn). Слой сверхпроводящего проводника и внешний сверхпроводящий слой были образованы путем спирального наматывания сверхпроводящего лентообразного провода соответственно на внешнюю периферию сердцевины и на внешнюю периферию слоя электрической изоляции. В качестве сердцевины было использовано множество скрученных медных проволок. Между сердцевиной и слоем сверхпроводящего проводника был создан амортизирующий слой из изоляционной бумаги. Слой электрической изоляции был выполнен путем наматывания полусинтетической изоляционной бумаги (PPLP, товарный знак Sumimoto Electric Industries, Ltd.) на внешнюю периферию слоя сверхпроводящего проводника. На внутренней периферийной стороне и внешней периферийной стороне слоя электрической изоляции (под внешним сверхпроводящим слоем) могут быть предусмотрены соответственно внутренний полупроводящий слой и внешний полупроводящий слой. Защитный слой был обеспечен путем наматывания крафт-бумаги на внешнюю периферию внешнего полупроводящего слоя. Были приготовлены три такие кабельные жилы 12, которые были скручены с провисанием для обеспечения допуска на тепловое сжатие и помещены в теплоизоляционный трубопровод 11. В данном примере для создания теплоизоляционного трубопровода 11 был использован гофрированный трубопровод из нержавеющей стали марки SUS, в котором между внешним трубопроводом 11a и внутренним трубопроводом 11b, образующими двойной трубопровод, был размещен теплоизоляционный материал (не показан), имеющий многослойную структуру, при этом воздух между внешним и внутренним трубопроводами 11a и 11b был откачан для достижения заданного уровня вакуума с образованием конструкции вакуумной многослойной изоляции. Пространство 13, ограниченное внутренней периферией внутреннего трубопровода 11b и внешними перифериями трех кабельных жил 12, становится каналом для протекания хладагента. Циркуляцию хладагента по данному каналу для охлаждения слоя сверхпроводящего проводника и внешнего сверхпроводящего слоя осуществляют с использованием насоса или т.п. В данном примере в качестве хладагента был использован жидкий азот (примерно 77 K).
Сверхпроводящий кабель 10, имеющий описанную выше конструкцию, помещен в теплоизоляционный трубопровод 2 для текучей среды. Теплоизоляционный трубопровод 2 для текучей среды в данном примере имеет конструкцию в виде структуры двойного трубопровода, образованного из внешнего трубопровода 2a и внутреннего трубопровода 2b, в которой между трубопроводами 2a и 2b размещен удерживающий холод материал (не показан). Пространство, ограниченное внутренней периферией внутреннего трубопровода 2b и внешней периферией сверхпроводящего кабеля 10, становится каналом для транспортировки текучей среды 1. Каждый из трубопроводов 2a и 2b представлял собой сварную трубу, изготовленную из стали, а кабель 10 был помещен во внутренний трубопровод 2b путем размещения сверхпроводящего кабеля 10 на поверхности стального листа, предназначенного для формования внутреннего трубопровода 2b, и сваривания друг с другом краев этого стального листа. В данном примере сверхпроводящий кабель 10 размещен во внутреннем трубопроводе 2b, будучи погруженным в текучую среду. В данном примере в качестве текучей среды был использован сжиженный природный газ (примерно 111 K).
Поскольку в сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению, имеющей описанную выше конструкцию, сверхпроводящий кабель помещен в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, предназначенный для транспортировки текучей среды, имеющей температуру ниже обычной температуры, можно сделать так, чтобы разница между температурой внутри кабеля и температурой окружающей среды вокруг внешней периферии кабеля составляла менее 200 K. Поэтому в линии по настоящему изобретению можно снизить проникновение тепла из окружающей среды с обычной температурой, такой как атмосфера, по сравнению со сверхпроводящей кабельной линией, уложенной в атмосфере. В частности, в линии по настоящему изобретению используется теплоизоляционный трубопровод для текучей среды наряду с теплоизоляционным трубопроводом для самого сверхпроводящего кабеля, образуя структуру двойной теплоизоляции, и поэтому проникновение тепла в кабель извне можно снижать более эффективно. Таким образом, в случае сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению можно снизить энергию, необходимую для охлаждения хладагента сверхпроводящего кабеля, а также можно значительно повысить коэффициент полезного действия всей лини.
Пример 2
Хотя в описанном выше Примере 1 сверхпроводящий кабель был погружен в текучую среду, сверхпроводящий кабель можно также помещать в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды без погружения его в текучую среду. В качестве примера, в теплоизоляционном трубопроводе для текучей среды можно обеспечить отдельный канал для транспортировки текучей среды. Фиг.4 представляет собой схематический поперечный разрез сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению, включающей в себя трубопровод для транспортировки текучей среды и теплообменный разделитель внутри теплоизоляционного трубопровода для текучей среды. Эта сверхпроводящая кабельная линия имеет конструкцию, включающую в себя отдельный транспортировочный трубопровод 3 для транспортировки текучей среды во внутреннем трубопроводе 2b теплоизоляционного трубопровода 2 для текучей среды. В пространстве, ограниченном внутренней периферией внутреннего трубопровода 2b, внешней периферией транспортировочного трубопровода 3 и внешней периферией сверхпроводящего кабеля 10, расположен теплообменный разделитель 4 с высокой теплопроводностью. При такой конструкции сверхпроводящий кабель 10 имеет структуру двойной теплоизоляции, образованной посредством теплоизоляционного трубопровода 2 для текучей среды и теплоизоляционного трубопровода 11 самого кабеля 10 (смотрите фиг.1, 2), как и в примере 1, и поэтому проникновение тепла извне можно снизить. Кроме того, поскольку тепло от текучей среды передается к сверхпроводящему кабелю 10 через теплообменный разделитель 4, особенно когда текучая среда, например жидкий водород (примерно 20 K) или жидкий гелий (примерно 4 K), имеет более низкую температуру, чем температура хладагента (жидкий водород) кабеля 10, то кабель 10 может также охлаждаться текучей средой 1. Кроме того, поскольку текучая среда 1 физически отделена от сверхпроводящего кабеля 10 теплообменным разделителем 4 и транспортировочным трубопроводом 3, в том случае, если происходит аварийная ситуация, такая как короткое замыкание кабеля 10, и имеет место возникновение искры, можно предотвратить такую проблему, как возгорание текучей среды 1. В данном примере теплообменный разделитель формировали наматыванием алюминиевой фольги.
Пример 3
Хотя согласно конструкции, описанной в примере 1, сверхпроводящий кабель был по всей его длине помещен в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды также можно помещать только часть кабеля, а другую часть кабеля можно укладывать в атмосфере. Фиг.5 представляет собой схематический чертеж конструкции сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению, включающей в себя участок низкотемпературной области и участок высокотемпературной области. Данная сверхпроводящая кабельная линия включает в себя участок низкотемпературной области, на котором сверхпроводящий кабель 10 помещен в теплоизоляционный трубопровод 2 для текучей среды, и участок высокотемпературной области, на котором сверхпроводящий кабель 10 уложен в атмосфере без помещения его в теплоизоляционный трубопровод 2 для текучей среды. В частности, текучую среду, имеющую температуру ниже температуры хладагента сверхпроводящего кабеля 10, например, жидкий азот, используют в качестве текучей среды, транспортируемой по теплоизоляционному трубопроводу 2 для текучей среды. Поскольку при такой конструкции на участке сверхпроводящего кабеля этой линии, заключенном в теплоизоляционный трубопровод 2 для текучей среды, т.е. на участке низкотемпературной области, внешнюю периферию кабеля помещают в низкотемпературную среду, имеющую температуру, самое большее равную температуре хладагента, и поскольку помимо теплоизоляционного трубопровода для самого кабеля 10 существует теплоизоляционный трубопровод 2 для текучей среды, можно снизить проникновение тепла в кабель. С другой стороны, поскольку внешняя периферия сверхпроводящего кабеля имеет более низкую температуру, чем температура хладагента, хладагент может избыточно охладиться и затвердеть, что может мешать циркуляции хладагента. Поэтому, как показано на фиг.5, некоторую часть образующего линию сверхпроводящего кабеля укладывают в атмосфере без помещения ее в теплоизоляционный трубопровод 2 для текучей среды для нагревания избыточно охлажденного хладагента за счет проникновения тепла из атмосферы, что может ослабить избыточное охлаждение хладагента. То есть в линии можно поддерживать тепловой баланс, как и во всей сверхпроводящей кабельной линии. Следует отметить, что сверхпроводящий кабель внутри теплоизоляционного трубопровода для текучей среды может быть погружен в текучую среду, как показано в примере 1, или же отдельно от кабеля может быть предусмотрен транспортировочный канал для транспортировки текучей среды, как показано в примере 2. Этот момент аналогичным образом применен для примеров, описанных ниже.
Пример 4
Хотя в описанном выше примере 3 была использована текучая среда, имеющая температуру ниже температуры хладагента сверхпроводящего кабеля 10, можно использовать также текучую среду, имеющую более высокую температуру, чем температура хладагента, например жидкий кислород или сжиженный природный газ. В данной ситуации сверхпроводящий кабель, помещенный в теплоизоляционный трубопровод 2 для текучей среды, и сверхпроводящий кабель, уложенный в атмосфере, могут иметь различную эффективность теплоизоляции. Сверхпроводящий кабель, помещенный в теплоизоляционный трубопровод 2 для текучей среды, характеризуется меньшим проникновением тепла из атмосферы, чем кабель, уложенный в атмосфере. Поэтому эффективность теплоизоляции сверхпроводящего кабеля, помещенного в теплоизоляционный трубопровод 2 для текучей среды, можно сделать меньшей, чем в случае кабеля, уложенного в атмосфере. В сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению эффективность теплоизоляции можно частично изменять, как описано выше. Эффективность теплоизоляции сверхпроводящего кабеля можно изменять посредством изменения уровня вакуума в теплоизоляционном трубопроводе для кабеля, предназначенном для помещения в него кабельной жилы, изменения количества теплоизоляционного материала, размещенного в теплоизоляционном трубопроводе, или изменения состава этого теплоизоляционного материала.
Пример 5
Хотя в описанной в примере 3 конструкции часть кабеля линии была помещена в один теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, в том случае, когда существует несколько теплоизоляционных трубопроводов для текучих сред, предназначенных для транспортировки различных текучих сред, сверхпроводящий кабель можно помещать в каждый из теплоизоляционных трубопроводов для текучих сред. Фиг.6 представляет собой схематический чертеж конструкции сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению, в которой сверхпроводящий кабель помещен в каждый из двух теплоизоляционных трубопроводов для текучих сред, предназначенных для транспортировки различных текучих сред. Эта сверхпроводящая кабельная линия включает в себя теплоизоляционный трубопровод 2M для текучей среды, предназначенный для транспортировки одной текучей среды (например, жидкого водорода), имеющей температуру ниже температуры хладагента (жидкого азота) сверхпроводящего кабеля 10, и теплоизоляционный трубопровод 2N для текучей среды, предназначенный для транспортировки другой текучей среды (например, сжиженного природного газа), имеющей температуру выше температуры хладагента, и при этом сверхпроводящий кабель 10 помещен в каждый из теплоизоляционных трубопроводов 2M и 2N. То есть в данной конструкции часть сверхпроводящего кабеля этой линии, помещенная в теплоизоляционный трубопровод 2M, предназначенный для транспортировки текучей среды с низкой температурой, становится участком низкотемпературной области, а часть кабеля, помещенная в теплоизоляционный трубопровод 2N, предназначенный для транспортировки текучей среды с высокой температурой, которая, тем не менее, является более низкой, чем обычная температура, становится участком высокотемпературной области. При такой конструкции, когда хладагент сверхпроводящего кабеля избыточно охлажден на участке низкотемпературной области, температуру хладагента повышают за счет тепла от текучей среды на участке высокотемпературной области, и, следовательно, можно поддерживать тепловой баланс во всей линии. Как показано на фиг.6, в данном примере для осуществления точной регулировки температуры хладагента в линию между участком низкотемпературной области и участком высокотемпературной области включено средство 5 регулировки температуры, предназначенное для регулировки температуры хладагента сверхпроводящего кабеля 10. Поскольку в данном примере разность температур между хладагентом сверхпроводящего кабеля 10 и текучей средой (жидким водородом) на участке низкотемпературной области и разность температур между хладагентом и текучей средой (сжиженным природным газом) на участке высокотемпературной области являются относительно небольшими, можно использовать средство 5 регулировки температуры с низким уровнем регулировки (малые пределы регулируемого диапазона разности температур).
Пример 6
Текучая среда может также использоваться в линии по настоящему изобретению в качестве объекта теплообмена в ходе охлаждения хладагента сверхпроводящего кабеля. Фиг.7 представляет собой схематический чертеж конструкции сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению, включающей в себя систему охлаждения, предназначенную для охлаждения хладагента сверхпроводящего кабеля, которая является примером включения средства теплообмена, предназначенного для передачи тепла между хладагентом и текучей средой. Данная сверхпроводящая кабельная линия включает в себя средство 20 теплообмена для охлаждения хладагента сверхпроводящего кабеля 10, в котором в качестве объекта теплообмена используют текучую среду. Средство 20 теплообмена включает в себя канал 21 для циркулирования теплообменной среды, такой как гелий, расширительный вентиль 22, расширяющий эту теплообменную среду, компрессор 23, сжимающий расширенную теплообменную среду, и теплоизоляционный корпус 24, вмещающий внутри себя эти элементы. В таком случае на части канала 21, которая проходит через расширительный вентиль 22, устанавливают отводной трубопровод 10a, транспортирующий хладагент кабеля 10 для охлаждения этого хладагента сверхпроводящего кабеля 10 расширенной теплообменной средой, а на части канала 21, которая проходит через компрессор 23, устанавливают отводной трубопровод 25, транспортирующий текучую среду для конденсирования и нагрева сжатой теплообменной среды этой текучей средой.
При описанной выше конструкции хладагент сверхпроводящего кабеля 10, имеющий температуру, повышенную вследствие тепловых потерь в проводниках или по аналогичным причинам, связанным с прохождением тока, охлаждается с помощью средства 20 теплообмена и возвращается в кабель 10. В этой ситуации, поскольку текучую среду, имеющую температуру ниже обычной температуры, используют в качестве объекта конденсации в средстве 20 теплообмена, энергию на охлаждение хладагента кабеля 10, а конкретнее, энергию типа той, которая требуется для приведения в действие расширительного вентиля 22 и компрессора 23, можно существенно понизить по сравнению с ситуацией, когда в качестве такого объекта используют атмосферный воздух или воду при обычной температуре. Кроме того, хотя текучая среда может быть нагрета и выпарена с помощью средства 20 теплообмена, эту текучую среду выпаривают и используют по обстоятельствам на заводе по производству текучей среды. Поэтому выпаренную текучая среда можно охлаждать и сжижать по обстоятельствам с помощью средства охлаждения, такого как дополнительно включенный холодильный аппарат, или же можно непосредственно использовать в выпаренном состоянии. При описанном выше теплообмене между хладагентом сверхпроводящего кабеля и текучей средой можно снизить энергию, затрачиваемую на охлаждение хладагента, и дополнительно повысить коэффициент полезного действия кабельной линии. Кроме того, поскольку линия может также охлаждать хладагент сверхпроводящего кабеля с использованием скрытой теплоты испарения текучей среды, затрачиваемую на охлаждение хладагента энергию можно дополнительно снизить. Более того, поскольку линия может испарять текучую среду одновременно с охлаждением хладагента сверхпроводящего кабеля, энергию, связанную с испарением текучей среды, также можно снизить. В качестве такой текучей среды соответствующим образом используют сжиженный природный газ.
Пример 7
Когда текучая среда имеет температуру ниже температуры хладагента сверхпроводящего кабеля, линия по настоящему изобретению может иметь конструкцию, в которой хладагент кабеля непосредственно охлаждают с помощью текучей среды. Фиг.8 представляет собой схематический чертеж конструкции сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению, включающей в себя средство теплообмена для непосредственного охлаждения хладагента сверхпроводящего кабеля текучей средой. Данная сверхпроводящая кабельная линия включает в себя средство 30 теплообмена, предназначенное для охлаждения хладагента сверхпроводящего кабеля 10, в котором в качестве объекта теплообмена использована текучая среда. Средство 30 теплообмена включает в себя теплоизоляционный корпус 32, вмещающий в себя отводной трубопровод 10a, транспортирующий выпущенный из кабеля 10 хладагент и позволяющий этому хладагенту снова втекать в кабель 10, и отводной трубопровод 31, транспортирующий текучую среду, выпущенную из теплоизоляционного трубопровода 2 для текучей среды. Отводной трубопровод 10a установлен внутри теплоизоляционного корпуса 32 таким образом, что отводной трубопровод 10a для хладагента соприкасается с отводным трубопроводом 31 для текучей среды. При такой конструкции хладагент сверхпроводящего кабеля можно эффективно охлаждать криогенной текучей средой. Необходимо отметить, что внутри теплоизоляционного корпуса 32 может быть размещен теплообменный материал для облегчения передачи тепла криогенной текучей среды к отводному трубопроводу 10a для хладагента. В качестве такого теплообменного материала можно использовать, например, алюминиевый материал.
Сверхпроводящую кабельную линию по настоящему изобретению, показанную в каждом из описанных выше примеров 1-7, можно использовать как для передачи постоянного тока, так и для передачи переменного тока. В ситуации передачи постоянного тока, когда используют сверхпроводящий кабель, содержащий кабельную жилу, имеющую слой электрической изоляции, подвергнутый градации по ρ для достижения низкого удельного электросопротивления на внутренней периферийной стороне и высокого удельного электросопротивления на наружной периферийной стороне, распределение электрического поля постоянного тока в направлении толщины слоя электрической изоляции может быть сглажено, и могут быть повышены характеристики выдерживаемого постоянного напряжения. Удельное электросопротивление можно изменять с использованием PPLP (товарный знак), имеющей различные отношения k. Удельное электросопротивление имеет тенденцию к увеличению с увеличением отношения k. В дополнение, когда в слое электрической изоляции около слоя сверхпроводящего проводника обеспечен слой с высоким ε, можно, помимо повышения характеристик выдерживаемого постоянного напряжения, повысить характеристики выдерживаемого импульсного напряжения. Слой с высоким ε можно сформировать, используя, например, PPLP (товарный знак), имеющую низкое отношение k. В данной ситуации слой с высоким ε также становится слоем с низким ρ. Более того, сверхпроводящий кабель, включающий в себя кабельную жилу, имеющую слой электрической изоляции, подвергнутый градации по ρ и также сформированный имеющим диэлектрическую проницаемость ε, повышающуюся по направлению к внутренней периферийной стороне и понижающуюся по направлению к внешней периферийной стороне, также имеет хорошие характеристики на переменном токе. Поэтому линию по настоящему изобретению, в которой использован такой кабель, также можно подходящим образом использовать для передачи переменного тока. В качестве примера, можно обеспечить слой электрической изоляции, используя PPLP (товарный знак), имеющую различные отношения k, как указано ниже, для получения трех различных удельных электросопротивлений и диэлектрических проницаемостей. Начиная с внутренней периферийной стороны, можно обеспечить следующие три последовательно расположенных слоя (X и Y представляют собой константы).
Слой с низким ρ: отношение k = 60%, удельное электросопротивление ρ (20°C) = X [Ом·см], диэлектрическая проницаемость ε = Y.
Слой с промежуточным ρ: отношение k = 70%, удельное электросопротивление ρ (20°C) = примерно 1,2X [Ом·см], диэлектрическая проницаемость ε = примерно 0,95Y.
Слой с высоким ρ: отношение k = 80%, удельное электросопротивление ρ (20°C) = примерно 1,4X [Ом·см], диэлектрическая проницаемость ε = примерно 0,9Y.
При осуществлении монополярной передачи с помощью линии по настоящему изобретению, в которой используется сверхпроводящий кабель, подвергнутый градации по ρ и градации по ε, две жилы из трех кабельных жил 12 (смотрите фиг.2) можно использовать в качестве вспомогательных жил, слой сверхпроводящего проводника одной жилы можно использовать в качестве прямого провода, внешний сверхпроводящий слой этой жилы можно использовать в качестве обратного провода. Альтернативно, слой сверхпроводящего проводника каждой жилы можно использовать в качестве прямого провода, а внешний сверхпроводящий слой каждой жилы можно использовать в качестве обратного провода для сооружения трехлинейной линии монополярной передачи. С другой стороны, при осуществлении биполярной передачи одну жилу из трех можно использовать в качестве вспомогательной жилы, слой сверхпроводящего проводника одной жилы можно использовать в качестве проводника положительного электрода, слой сверхпроводящего проводника другой жилы можно использовать в качестве проводника отрицательного электрода, а внешние сверхпроводящие слои обеих жил можно использовать в качестве слоев нейтральных проводников.
Линия по настоящему изобретению с использованием сверхпроводящего кабеля, подвергнутого градации по ρ и градации по ε и включающего в себя такое оконечное устройство, как описано ниже, может легко осуществлять передачу постоянного тока типа монополярной передачи или биполярной передачи после передачи переменного тока, или же передачу переменного тока после передачи постоянного тока. Каждая из фиг.9 и 10 представляет собой схематический чертеж конструкции оконечного устройства, имеющего съемную выходную часть проводника, которая образована в концевой части сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению с использованием сверхпроводящего кабеля трехжильного типа. Фиг.9 показывает вариант линии передачи переменного тока, а фиг.10 показывает вариант линии передачи постоянного тока. Хотя на фиг.9 и 10 показаны только две кабельные жилы 12, там фактически имеются три жилы.
Оконечное устройство включает в себя концевую часть кабельной жилы 12, выходящую из концевой части сверхпроводящего кабеля 10, выходные части 40, 61 проводника, соединенные с проводящей частью (не показана) на стороне с обычной температурой, соединительную часть, электрически соединяющую концевую часть жилы 12 с выходными частями 40, 61 проводника, и коробку 50 концевого соединения, вмещающую концевую часть жилы 12, концевые части выходных частей 40, 61 проводника на стороне, подсоединенной к жиле, и соединительную часть. Коробка 50 концевого соединения включает в себя ванну 51 с хладагентом, заполненную хладагентом для охлаждения слоя 14 сверхпроводящего проводника, в которую введен слой 14 сверхпроводящего проводника, оголенный путем ступенчатой зачистки концевой части жилы 12, ванну 52 с хладагентом, заполненную хладагентом для охлаждения внешнего сверхпроводящего слоя 15, в которую введен внешний сверхпроводящий слой 15, также оголенный путем ступенчатой зачистки, и вакуумно-изоляционную ванну 53, расположенную на внешних перифериях ванн 51, 52 с хладагентом. Выходная часть 61 проводника, которая заделана во втулку 60, установленную между проводящей частью на стороне с обычной температурой и слоем 14 сверхпроводящего проводника, подсоединена к слою 14 сверхпроводящего проводника через сочленение (соединительную часть) для обеспечения возможности передачи и приема электроэнергии между сверхпроводящим кабелем 10 и проводящей частью на стороне с обычной температурой. Сторона (сторона с обычной температурой) втулки 60, соединенная с проводящей частью на стороне с обычной температурой, выступает из вакуумно-изоляционной ванны 53 и помещена в полый фарфор 62, выполненный выступающим из вакуумно-изоляционной ванны 53.
С другой стороны, внешний сверхпроводящий слой 15 через описанную ниже короткозамкнутую часть 70 (соединительную часть) подсоединен к выходной части 40 проводника, расположенной между проводящей частью на стороне с обычной температурой и внешним сверхпроводящим слоем 15 для обеспечения возможности передачи и приема электроэнергии между сверхпроводящим кабелем 10 и проводящей частью на стороне с обычной температурой. Выходная часть 40 проводника образована частью 41 проводника низкотемпературной стороны, соединенной с короткозамкнутой частью 70, и частью 42 проводника стороны с обычной температурой, расположенной на стороне с обычной температурой, которая является отсоединяемой от части 41 проводника низкотемпературной стороны. В данном примере часть 42 проводника стороны с обычной температурой выполнена стержнеобразной формы с заданной площадью поперечного сечения, а часть 41 проводника низкотемпературной стороны выполнена цилиндрической формы, в которую может быть плотно вставлена стержнеобразная часть 42 проводника стороны с обычной температурой. Когда часть 42 проводника стороны с обычной температурой вставлена в часть 41 проводника низкотемпературной стороны, части 41 и 42 электрически соединены друг с другом, позволяя осуществлять передачу и прием электроэнергии между низкотемпературной стороной и стороной с обычной температурой, и части 41 и 42 выводятся из состояния проводимости, когда часть 42 проводника низкотемпературной стороны вынута из части 41 проводника низкотемпературной стороны. В оконечное устройство входит несколько таких выходных частей 40 проводника. Часть 41 проводника низкотемпературной стороны закреплена на ванне 52 с хладагентом и имеет один конец, электрически соединенный с короткозамкнутой частью 70, и другой конец, расположенный входящим в вакуумно-изоляционную ванну 53. На внешней периферии закрепленного участка части 41 проводника низкотемпературной стороны предусмотрена уплотнительная часть 41a низкотемпературной стороны, изготовленная из FRP (упрочненного волокном пластика или волокнита), для предотвращения утечки хладагента, короткого замыкания в ванне 52 с хладагентом и в части 41 проводника и т.п. Часть 42 проводника стороны с обычной температурой закреплена на вакуумно-изоляционной ванне 53 и имеет один конец, расположенный в вакуумно-изоляционной ванне 53, и другой конец, расположенный выходящим наружу с обычной температурой. Уплотнительная часть 42a стороны с обычной температурой, изготовленная из волокнита, установлена на внешней периферии закрепленного участка части 42 проводника с обычной температурой для обеспечения снижения проникновения тепла и предотвращения короткого замыкания вакуумно-изоляционной ванны 53 и части 42 проводника и т.п. В дополнение выдвижная часть 53a, образованная гофрированной трубой, установлена на вакуумно-изоляционной ванне 53 вблизи закрепленного участка части 42 проводника стороны с обычной температурой для поддержания состояния вакуума в вакуумно-изоляционной ванне 53 во время прикрепления и удаления выходной части 40 проводника. Необходимо отметить, что внешний сверхпроводящий слой 15 каждой из трех жил 12 замкнут накоротко в короткозамкнутой части 70. Кроме того, соединительный провод 43 подсоединен к внешнему устройству или т.п., или же линия 44 заземления прикреплена к концевой части на стороне с обычной температурой части 42 проводника стороны с обычной температурой. Эпоксидный узел 63 расположен на внешней периферии той части слоя 14 сверхпроводящего проводника, которая расположена вблизи части между ваннами 51, 52 с хладагентом.
Когда сверхпроводящую кабельную линию, включающую в себя оконечное устройство, имеющее описанную выше конструкцию, используют, например, в качестве трехфазной линии переменного тока, выходная часть 40 проводника, соединенная с внешним сверхпроводящим слоем 15, должна иметь площадь поперечного сечения проводника, требуемую для получения напряжения заземления. Поэтому, как показано на фиг.9, хотя часть 41 проводника низкотемпературной стороны и часть 42 проводника стороны с обычной температурой выходной части 40 проводника соединены друг с другом, для получения требуемой площади поперечного сечения проводника не обязательно отделять друг от друга часть 41 проводника низкотемпературной стороны и часть 42 проводника стороны с обычной температурой выходной части 40 проводника. В данном примере линия 44 заземления, предназначенная для заземления, на стороне с обычной температурой соединена с концевой частью части 42 проводника стороны с обычной температурой выходной части 40 проводника, с которой она связана.
С другой стороны, когда требуется переключение с передачи трехфазного переменного тока, как показано на фиг.9, на передачу постоянного тока, через внешний сверхпроводящий слой 15 течет ток, эквивалентный току в слое 14 сверхпроводящего проводника. То есть ток, текущий через внешний сверхпроводящий слой 15, повышен, и ток, текущий через выходную часть 40 проводника, также повышен по сравнению с токами в случае передачи переменного тока, показанном на фиг.9. Поэтому, как показано на фиг.10, часть 41 проводника низкотемпературной стороны и часть 42 проводника стороны с обычной температурой выходной части 40 проводника, которые были разделены во время передачи переменного тока, соединяют друг с другом для обеспечения площади поперечного сечения проводника, достаточной для пропускания требуемой силы тока. В данном примере соединительный провод 43 соединен с концевой частью на стороне с обычной температурой части 42 проводника стороны с обычной температурой выходной части 40 проводника, с которой она связана. И обратно, когда требуется переключение с передачи постоянного тока, как показано на фиг.10, на передачу переменного тока, одну из выходных частей 40 проводника, которую приводили в состояние проводимости во время осуществления передачи постоянного тока, отделяют для ее выведения из состояние проводимости.
Промышленная применимость
Сверхпроводящую линию по настоящему изобретению подходящим образом используют в качестве линии для снабжения электроэнергией различных силовых устройств или потребителей электроэнергии. Преимущества сверхпроводящего кабеля, такие как подача большого количества электроэнергии при низком электросопротивлении, можно эффективно использовать, когда эту линию используют в качестве линии для снабжения электроэнергией силового устройства внутри завода по производству текучей среды, транспортирующего текучую среду с температурой ниже обычной температуры. Кроме того, поскольку такая кабельная линия может быть сооружена в ходе сооружения канала для транспортировки текучей среды, повышается удобство укладывания кабеля.