СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КАБЕЛЬ
SUPERCONDUCTING CABLE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к сверхпроводящему кабелю, имеющему сверхпроводящий проводник, изготовленный из сверхпроводящего материала, а также к способу управления температурой хладагента, используемого для сверхпроводящего кабеля. Настоящее изобретение, в частности, относится к сверхпроводящему кабелю, который не только обеспечивает охлаждение сверхпроводящего проводника с высокой эффективностью, но также имеет достаточную эффективность изоляции.
Уровень техники
В качестве традиционного сверхпроводящего кабеля известен кабель, который имеет структуру, в которой кабельная жила, имеющая сверхпроводящий проводник, помещена в теплоизоляционную трубку. Примеры вышеупомянутого сверхпроводящего кабеля включают в себя (a) одножильный кабель, который содержит одну кабельную жилу в теплоизоляционной трубке и (b) трехжильный витой кабель, который сформирован посредством скрутки трех кабельных жил вместе и посредством помещения скрученного объекта в трубку. Фиг.5 - это поперечный разрез трехжильного витого сверхпроводящего кабеля для использования с трехфазным переменным током. Сверхпроводящий кабель 100 имеет структуру, в которой три кабельных жилы 102 скручены вместе и помещены в теплоизоляционную трубку 101. Теплоизоляционная трубка 101 имеет структуру двойной трубки, состоящей из внешней трубки 101a и внутренней трубки 101b, между которыми помещен теплоизоляционный материал (не показан). В промежутке между трубками 101a и 101b имеется разрежение вакуума. Каждая из кабельных жил 102 содержит, начиная от центра и в следующем порядке, основу 200, сверхпроводящий проводник 201, электроизоляционный слой 202, сверхпроводящий экранирующий слой 203 и защитный слой 204. Промежуток 103, закрытый посредством внутренней трубки 101b и кабельных жил 102, формирует канал хладагента. Антикоррозионное покрытие 104 предусмотрено на внешней окружности теплоизоляционной трубки 101.
Сверхпроводящий проводник 201 и сверхпроводящий изоляционный слой 203 кабельной жилы 102 охлаждаются посредством хладагента, циркулирующего в промежутке 103, так чтобы поддерживалось сверхпроводящее состояние. В качестве такого хладагента общеизвестен жидкий азот. Патентный документ 1 описывает сверхпроводящий кабель, который (a) использует полную основу, (b) использует жидкий воздух в качестве хладагента, который должен циркулировать внутри основы, и (c) и использует жидкий азот в качестве хладагента, который должен циркулировать в теплоизоляционной трубке.
Tokukai
Патентный документ 1. Опубликованная патентная заявка (Япония) 2001-202837.
Сущность изобретения
Жидкий азот имеет не только способность к охлаждению, но также и высокую эффективность электроизоляции. Следовательно, использование жидкого азота в качестве хладагента позволяет выполнять функции охлаждения и электрической изоляции. Помимо того, когда жидкий азот используется в качестве хладагента, достаточный ток экранирования также протекает в сверхпроводящем экранирующем слое, поэтому проблема электромагнитной интерференции (EMI) может быть устранена. Следовательно, традиционный сверхпроводящий кабель обычно использует жидкий азот, чтобы выполнять функции охлаждения и электрической изоляции сверхпроводящего проводника и устранять проблему EMI.
В сверхпроводящем кабеле по мере того, как поддерживающая температура сверхпроводящего проводника снижается, критический ток возрастает, тем самым сохраняя оптимальное сверхпроводящее состояние. Следовательно, в случае, когда два кабеля используют одинаковое количество сверхпроводящего материала для формирования сверхпроводящего проводника, кабель, имеющий хладагент, температура которого для охлаждения сверхпроводящего проводника ниже, чем температура другого кабеля, имеет больший критический ток и, как следствие, может передавать большую энергию. Альтернативно, в случае, когда два кабеля передают одинаковую величину электрической энергии, кабель, имеющий хладагент, температура которого для охлаждения сверхпроводящего проводника ниже, чем температура другого кабеля, может быть изготовлен посредством использования меньшего количества сверхпроводящего материала для формирования сверхпроводящего проводника и, следовательно, может использовать сверхпроводящий проводник, имеющий меньший диаметр. Он также может быть изготовлен посредством использования меньшего количества сверхпроводящего материала для формирования сверхпроводящего экранирующего слоя. Следовательно, понижение температуры хладагента обеспечивает возможность увеличения мощности передачи и снижения необходимого количества сверхпроводящего материала. Тем не менее, в традиционном сверхпроводящем кабеле, использующем жидкий азот в качестве хладагента, когда планируется понижать температуру жидкого азота с тем, чтобы мощность передачи могла быть увеличена, и диаметр сверхпроводящего проводника мог быть снижен, необходимо использовать охлаждающее устройство, имеющее высокую способность к охлаждению, чтобы дополнительно понижать температуру жидкого азота. Эта заданная система имеет низкую эффективность использования энергии. Более того, когда жидкий азот используется в качестве хладагента, достигаемая низкая температура имеет ограничение.
С другой стороны, сверхпроводящий кабель, описанный в Патентном документе 1, имеет структуру, в которой жидкий воздух используется в качестве хладагента, который должен циркулировать внутри основы. Эта структура позволяет охлаждать сверхпроводящий проводник до более низкой температуры, чем температура, достигаемая при использовании жидкого азота в качестве хладагента. Тем не менее, не проводилось исследований по хладагентам, отличным от жидкого воздуха, в качестве хладагента для охлаждения сверхпроводящего проводника. Помимо этого, Патентный документ 1 изучает методику только для полой основы и не изучает методику для сплошной основы.
В свете вышеуказанных ограничений основная цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить сверхпроводящий кабель, который в достаточной степени позволяет выполнять охлаждение сверхпроводящего проводника и обеспечивать электрическую изоляцию, при увеличении мощности передачи и снижении требуемого количества сверхпроводящего материала. Другая цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить сверхпроводящий кабель, который позволяет в достаточной степени выполнять охлаждение сверхпроводящего проводника и электрическую изоляцию, даже в кабеле со сплошной основой. Еще одна цель заключается в том, чтобы предоставить способ контроля температуры хладагента, используемого в сверхпроводящем кабеле.
Настоящее изобретение достигает вышеуказанной цели посредством отдельного предоставления хладагента для охлаждения сверхпроводящего проводника и хладагента для обеспечения электрической изоляции сверхпроводящего проводника, а не путем использования одного типа хладагента для выполнения и охлаждения сверхпроводящего проводника и обеспечения его электрической изоляции. Более конкретно, сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению имеет структуру, в которой элемент, имеющий низкую теплопроводность, помещается между сверхпроводящим проводником и электроизоляционным слоем, с тем чтобы хладагент для охлаждения проводника и хладагент для электрической изоляции могли быть разделены посредством этого элемента. Следовательно, два хладагента по отдельности подаются внутри и за пределами элемента. Другими словами, настоящее изобретение предоставляет сверхпроводящий кабель, оснащенный теплоизоляционной трубкой, которая содержит кабельную жилу. В кабеле кабельная жила оснащена:
(a) сверхпроводящим проводником, изготовленным из сверхпроводящего материала;
(b) трубкой с низкой теплопроводностью, помещенной снаружи от внешней окружности сверхпроводящего проводника;
(c) электроизоляционным слоем, помещенным на внутреннюю окружность трубки с низкой теплопроводностью; и
(d) внешним сверхпроводящим слоем, который помещен на внешнюю окружность электроизоляционного слоя и который изготовлен из сверхпроводящего материала.
Хладагент, используемый в проводнике, для охлаждения сверхпроводящего проводника, чтобы позволить ему достичь сверхпроводящего состояния, циркулирует в трубке с низкой теплопроводностью. Теплоизоляционная трубка заполнена хладагентом, используемым для изоляции, т.е. для обеспечения электрической изоляции сверхпроводящего проводника. В частности, желательно, чтобы хладагент, используемый в проводнике, имел температуру ниже, чем температура хладагента, используемого для изоляции. Настоящее изобретение подробнее поясняется ниже.
Сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению снабжен кабельной жилой, помещенной в теплоизоляционную трубку. Кабельная жила имеет сверхпроводящий проводник, трубку с низкой теплопроводностью, электроизоляционный слой и внешний сверхпроводящий слой. Кабельная жила содержится в теплоизоляционной трубке, так чтобы обеспечивался промежуток между поверхностью внешней окружности жилы и поверхностью внутренней окружности теплоизоляционной трубки. Кабельная жила, которая должна содержаться в теплоизоляционной трубке, может быть либо одной жилой (одножильной) либо множеством жил (многожильной). Более конкретно, например, в случае, если сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению используется для передачи трехфазного переменного тока, рекомендуется скручивать вместе три жилы, с тем чтобы помещать в теплоизоляционную трубку. Когда он используется для передачи однофазного переменного тока, в теплоизоляционную трубку рекомендуется помещать одну жилу. Когда сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению используется для передачи постоянного тока с помощью системы униполярной передачи, рекомендуется помещать одну жилу в теплоизоляционную трубку. Когда он используется для передачи постоянного тока с помощью системы биполярной передачи, рекомендуется скручивать вместе две или три жилы для их помещения в теплоизоляционную трубку. Как описано выше, сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению может быть использован для передачи постоянного тока и переменного тока.
Сверхпроводящий проводник, предусмотренный в кабельной жиле, сформирован посредством использования сверхпроводящего материала. Типы сверхпроводящего материала включают в себя, например, материал на основе оксида висмута, более конкретно, материал из оксида, содержащего Bi-2223. Сверхпроводящий проводник может быть сформирован, например, в форме слоя посредством спиральной намотки на основу материала в форме ленты, имеющего структуру, в которой множество нитей, изготовленных из вышеописанного оксидного сверхпроводящего материала, помещены в матрицу, например в оболочку из серебра. Намотанный слой может быть либо выполнен в виде одного слоя, либо нескольких слоев. Когда используется многослойная структура, изоляционный слой может быть предусмотрен между сверхпроводящими слоями. Изоляционный слой между сверхпроводящими слоями может быть сформирован, например, посредством спиралевидной намотки 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 полипропиленовой многослойной бумаги). Основа выступает в качестве элемента для поддержания формы сверхпроводящего проводника. Основа может быть либо сплошным корпусом, либо полым корпусом, сформированным посредством использования металлического материала, такого как медь или алюминий. В качестве основы, сформированной в виде полого корпуса, может быть использована, например, спиральная стальная лента или металлическая трубка. Металлической трубкой может быть либо гладкая трубка, имеющая гладкую поверхность, либо гофрированная трубка, имеющая чередующиеся гребни и пазы на поверхности. Когда гофрированная трубка используется в качестве основы, она имеет желательное свойство, например, отличную гибкость. Когда используется полая основа, нижеописанный хладагент, используемый в проводнике, заполняет, по меньшей мере, внутреннюю часть основы, чтобы охлаждать сверхпроводящий проводник. У сплошной основы может быть структура, в которой скручены, например, множество металлических проводов, таких как медные провода. В качестве металлических проводов, таких как медные провода, могут быть использованы провода, каждый из которых имеет изоляционное покрытие. Когда используется основа, имеющая шероховатость поверхности, такая как гофрированная трубка или структура из скрученных металлических проводов, может быть трудно спиралевидно намотать провода, изготовленные из сверхпроводящего материала. Более того, поскольку сверхпроводящие провода и каркас изготовлены из металла, когда два элемента входят в непосредственный контакт, может быть вызвано повреждение сверхпроводящих проводов и другие проблемы. Чтобы избежать подобных проблем, амортизирующий слой для получения гладкой поверхности может быть предусмотрен посредством спиралевидного наложения крафт-бумаги или копировальной бумаги на поверхность каркаса.
Трубка с низкой теплопроводностью помещается на внешней стороне внешней окружности вышеописанного сверхпроводящего проводника, чтобы дать возможность хладагенту, используемому в проводнике (который описан ниже) для охлаждения сверхпроводящего проводника, циркулировать по внутренней части трубки с низкой теплопроводностью. Промежуток снаружи трубки с низкой теплопроводностью (т.е. внутри теплоизоляционной трубки (которая описана ниже)) заполняется хладагентом, используемым в изоляции, (который описан ниже) для обеспечения электрической изоляции сверхпроводящего проводника. Другими словами, трубки с низкой теплопроводностью выступает в качестве элемента для отделения хладагента, используемого в проводнике, от хладагента, используемого в изоляции. Трубка с низкой теплопроводностью не допускает смешивание друг с другом обоих хладагентов посредством прохождения через промежуток (в котором, как подразумевается, должна быть помещена) изнутри наружу, и наоборот. Трубка с низкой теплопроводностью может быть предусмотрена непосредственно на сверхпроводящем проводнике с тем, чтобы соприкасаться со сверхпроводящим проводником. Альтернативно, трубка с низкой теплопроводностью, имеющая внутренний диаметр больше внутреннего диаметра сверхпроводящего проводника, также может быть использована. В этом случае сверхпроводящий проводник вставляется в трубку таким образом, что формируется зазор между поверхностью внутренней окружности трубки и поверхностью внешней окружности сверхпроводящего проводника. Когда трубка с низкой теплопроводностью сформирована непосредственно на сверхпроводящем проводнике, основа изготовлена с полым корпусом. Основа заполняется нижеописанным хладагентом, используемым в проводнике для охлаждения сверхпроводящего проводника. В этом случае структура такова, что хотя хладагент, используемый в проводнике, циркулирует внутри трубки с низкой теплопроводностью, сама трубка не контактирует с хладагентом, используемым в проводнике. С другой стороны, в случае, когда трубка с низкой теплопроводностью сформирована таким образом, что предусмотрен зазор между ней и сверхпроводящим проводником, как описано выше, основа может иметь либо сплошной корпус, либо полый корпус. В случае сплошного корпуса зазор заполняется хладагентом, используемым в проводнике. Другими словами, трубка с низкой теплопроводностью заполняется хладагентом, используемым в проводнике. В этом случае структура такова, что трубка с низкой теплопроводностью контактирует с хладагентом, используемым в проводнике. В случае полого корпуса хладагент, используемый в проводнике, может заполнять либо (a) и основу, и зазор между трубкой с низкой теплопроводностью и сверхпроводящим проводником, либо (b) только основу. Во втором случае вышеописанный зазор может поддерживаться в вакуумированном состоянии с низкой степенью вакуума, так чтобы тепло снаружи трубки с низкой теплопроводностью могло передаваться в хладагент, используемый в проводнике, в каркасе до определенной степени, чтобы охлаждать хладагент, используемый в изоляции. Альтернативно, зазор может заполняться жидкостью, которая отличается от хладагента, используемого в проводнике, и которая охлаждена до степени, сравнимой с хладагентом, используемым в проводнике.
Вышеописанная трубка с низкой теплопроводностью задается, чтобы иметь низкую теплопроводную способность. Хотя задано, что трубка имеет низкую теплопроводную способность, она также должна иметь такую теплоизоляционную эффективность, чтобы эта эффективность была меньше, чем эффективность теплоизоляционной трубки, которая содержит кабельную жилу. Если трубка с низкой теплопроводностью имеет чрезмерно высокую теплопроводную способность, т.е. если она чрезмерно передает тепло, хладагент, используемый в проводнике, циркулирующий в ней, имеет температуру ниже температуры хладагента, используемого в изоляции, хладагент, используемый в изоляции, находящийся снаружи теплопроводной трубки, охлаждается посредством хладагента, используемого в проводнике. В этом случае хладагент, используемый в изоляции, может затвердевать. Когда он чрезмерно затвердевает, циркуляция хладагента, используемого в изоляции, может измениться нежелательным образом. Напротив, в случае, когда жидкость, имеющая температуру ниже температуры хладагента, используемого в изоляции, используется в качестве хладагента, используемого в проводнике, хладагент, используемый в проводнике, может нагреваться хладагентом, используемым в изоляции, до превращения в газ. Превращение в газ может чрезмерно увеличивать объем хладагента, используемого в проводнике, что нежелательно. Следовательно, теплопроводная способность трубки с низкой теплопроводностью задается таким образом, чтобы быть высокой до такой степени, чтобы теплопроводная способность не создавала проблем в работе кабеля, посредством недопущения чрезмерного превращения в газ хладагента, используемого в проводнике, или чрезмерного затвердевания хладагента, используемого в изоляции. Кабель по настоящему изобретению оснащен трубкой с низкой теплопроводностью, имеющей вышеуказанную теплопроводную способность. Как следствие, в кабеле может образовываться температурный градиент, при котором температура относительно постепенно повышается от внутренней части теплопроводной трубки к внешней части трубки в зоне между внутренней и внешней частью трубки. Следовательно, потери тепла в хладагенте, используемом в изоляции, могут быть компенсированы посредством хладагента, используемого в проводнике. Другими словами, даже когда температура хладагента, используемого в изоляции, возрастает вследствие проникающего тепла, увеличение температуры хладагента, используемого в изоляции, может быть снижено посредством охлаждения хладагентом, используемым в проводнике.
Эта трубка с низкой теплопроводностью может быть подготовлена, например, посредством использования теплоизоляционной структурированной трубки, имеющей сниженную теплоизоляционную эффективность, или посредством образования формы трубки с помощью материала, имеющего низкую теплопроводность. Чтобы понизить теплоизоляционную эффективность, например, сначала трубка с низкой теплопроводностью может быть сформирована с помощью структуры с двумя трубками, имеющей внешнюю трубку и внутреннюю трубку. Затем любой из следующих способов может быть использован для того, чтобы обработать промежуток между двумя трубками, например:
(a) разрежение промежутка с помощью меньшего количества теплоизоляционного материала, помещенного в промежуток,
(b) разрежение промежутка вообще без использования теплоизоляционного материала, и
(c) разрежение промежутка с низкой степенью вакуума вообще без использования теплоизоляционного материала.
Типы материала, имеющие низкую теплопроводность, включают в себя смолу, которая известна своей теплопроводностью, которая ниже теплопроводности металла (металл, в общем, характеризуется высокой теплопроводностью). Конкретные типы смолы включают в себя фторсодержащую смолу, например, Teflon (зарегистрированный товарный знак) и пластик, усиленный волокнами (FRP). Вышеописанный материал может быть обработан, чтобы образовать форму полой трубки (трубы), с тем чтобы сверхпроводящий проводник, сформированный на основе, вставлялся в нее. Альтернативно, вышеупомянутый смоляной материал может выдавливаться непосредственно на сверхпроводящий проводник, чтобы покрывать его, так чтобы формировалась трубка с низкой теплопроводностью. Помимо этого, трубка с низкой теплопроводностью может иметь структуру, в которой объединены металлическая трубка и смоляная трубка.
Электроизоляционный слой предусмотрен на трубке с низкой теплопроводностью. Электроизоляционный слой может быть сформирован, например, посредством спиралевидного наложения полусинтетической изоляционной бумаги, такой как PPLP (зарегистрированный товарный знак), или изоляционной бумаги, такой как крафт-бумага, непосредственно на трубку с низкой теплопроводностью. Желательно предоставить часть электрода, через который может быть дан потенциал проводника, на трубку с низкой теплопроводностью. Когда часть электрода предусмотрена, электроизоляционный слой предоставляется на части электрода. Часть электрода может быть сформирована, например, с помощью проводящего материала, такого как медь. Полупроводящий слой может быть сформирован на внутренней окружности, внешней окружности либо на обеих окружностях электроизоляционного слоя. Более конкретно, он может быть сформирован между трубкой с низкой теплопроводностью (или частью электрода) и электроизоляционным слоем, между электроизоляционным слоем и внешним сверхпроводящим слоем (который описан ниже) или между и тем, и другим. Когда сформирован внутренний полупроводящий слой, который является первым, или полупроводящий слой, который является вторым, трубка с низкой теплопроводностью или внешний сверхпроводящий слой в большей степени контактируют с электроизоляционным слоем. Как результат может подавляться износ, сопровождающий генерирование частичного разряда и т.п. Полупроводящий слой может быть сформирован, например, посредством использования копировальной бумаги.
с
Когда сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению используется для передачи постоянного тока, вышеописанный электроизоляционный слой может быть структурирован с постепенным изменением ρ (удельного сопротивления), чтобы сглаживать радиальное распределение (в отношении толщины) электрического поля постоянного тока. Постепенное изменение ρ выполняется таким образом, чтобы по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении самой внутренней, дальней части электроизоляционного слоя, удельное сопротивление снижалось, и по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении крайней части, удельное сопротивление повышалось. Осуществление постепенного изменения ρ пошагово меняет удельное сопротивление электроизоляционного слоя по толщине. Постепенное изменение позволяет сглаживать распределение в отношении толщины электрического поля постоянного тока по всему электроизоляционному слою. Как результат, толщина электроизоляционного слоя может быть уменьшена. Число слоев, каждый из которых имеет различное удельное сопротивление, не ограничено специальным образом. Тем не менее, на практике используется два или три слоя, или около того. В частности, когда толщина отдельных слоев выровнена, сглаживание распределения электрического поля постоянного тока может выполняться более эффективно.
с
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), составленная из изоляционной бумаги и пленки из пластмассы, удельное сопротивление может изменяться посредством либо варьирования отношения толщины  пленки из пластмассы к общей толщине  композитной бумаги (отношение выражается как ×100), либо посредством варьирования плотности, качества, связующих и т.п. у изоляционной бумаги. Желательно, чтобы значение отношения находилось в диапазоне от 40% до 90% и т.п. Обычно по мере того, как отношение увеличивается, удельное сопротивление ρ возрастает.
Помимо этого, когда электроизоляционный слой имеет, рядом со слоем сверхпроводящего проводника, слой с высокой ε (диэлектрической постоянной), который имеет диэлектрическую постоянную выше диэлектрической постоянной другой части, может быть улучшено не только свойство выдерживания постоянного напряжения, но также может быть улучшено свойство выдерживания 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 электроизоляционный слой посредством использования композитной бумаги, которая имеет высокое отношение  и содержит крафт-бумагу, имеющую достаточно высокую воздухонепроницаемость, поскольку эта структура является оптимальной для выдерживаемого постоянного и импульсного напряжения.
Помимо вышеописанного постепенного изменения ρ, предусмотрено, что когда электроизоляционный слой структурирован таким образом, чтобы по мере того как его радиальная позиция перемещается в направлении самой внутренней дальней части, диэлектрическая постоянная ε возрастала, а по мере того как его радиальная позиция перемещается в направлении крайней части, диэлектрическая постоянная ε снижалась, кабель также становится подходящим для передачи переменного тока. Это постепенное изменение ε также обеспечено радиально по всему электроизоляционному слою. Как описано выше, посредством выполнения постепенного изменения ρ сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению становится кабелем, имеющим отличное свойство передачи постоянного тока, делая его подходящим для передачи постоянного тока. С другой стороны, в настоящее время большинство линий передачи выполнены как системы переменного тока. В свете будущего перехода систем передачи от переменного тока к постоянному току, 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 для 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 для использования при переменном токе. В этом случае, сначала кратковременно выполняется передача переменного тока с помощью кабеля по настоящему изобретению, а затем осуществляется переход к передаче постоянного тока. Следовательно, желательно, чтобы кабель по настоящему изобретению не только имел отличное свойство передачи постоянного тока, но также был разработан с учетом передачи переменного тока. Когда свойство передачи переменного тока также рассматривается, кабель, имеющий отличное свойство в отношении импульсного напряжения, такого как выброс напряжения, может быть реализован посредством использования электроизоляционного слоя, который повышает его диэлектрическую постоянную ε по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении самой внутренней дальней части, и понижает его диэлектрическую постоянную ε по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении крайней части. Позднее, когда вышеуказанный переходный период завершается, чтобы начать передачу постоянного тока, кабель настоящего изобретения, используемый в переходном периоде, может быть использован как кабель постоянного тока без какой-либо модификации. Другими словами, кабель по настоящему изобретению, структурированный не только посредством постепенного изменения ρ, но также и посредством постепенного изменения ε, может быть надлежащим образом использован не только для передачи постоянного тока и передачи переменного тока отдельно, но также в качестве кабеля переменного и постоянного тока.
k
k
Обычно вышеописанный PPLP (зарегистрированный товарный знак) имеет такое свойство, что когда отношение повышается, удельное сопротивление ρ повышается, а диэлектрическая постоянная ε понижается. Как следствие, когда электроизоляционный слой структурирован таким образом, что по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении крайней части, используется PPLP (зарегистрированный товарный знак), имеющий более высокое отношение , электроизоляционный слой может иметь такое свойство, что по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении крайней части, удельное сопротивление ρ повышается и диэлектрическая постоянная ε понижается.
С другой стороны, крафт-бумага, в общем, имеет такое свойство, что когда ее воздухонепроницаемость повышается, удельное сопротивление ρ повышается и диэлектрическая постоянная ε также повышается. Следовательно, когда используется только крафт-бумага, трудно структурировать электроизоляционный слой таким образом, что по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении крайней части, удельное сопротивление ρ повышается и параллельно диэлектрическая постоянная ε снижается. Следовательно, когда используется крафт-бумага, желательно, чтобы электроизоляционный слой был структурирован посредством комбинирования с композитной бумагой. Например, рекомендуется, чтобы слой крафт-бумаги был сформирован в самой внутренней дальней части электроизоляционного слоя, а слой PPLP был сформирован на внешней стороне слой крафт-бумаги. В этом случае слой PPLP имеет удельное сопротивление ρ более высокое, чем удельное сопротивление слоя крафт-бумаги, и в то же время слой PPLP имел диэлектрическую постоянную ε ниже диэлектрической постоянной слоя крафт-бумаги.
Внешний сверхпроводящий слой предусмотрен на вышеописанном электроизоляционном слое (или внешнем полупроводящем слое). Внешний сверхпроводящий слой выступает в качестве экранирующего слоя, который дает возможность току (току экранирования), имеющему практически такой же модуль, что и модуль тока, протекающего в сверхпроводящем проводнике, протекать в противоположном направлении, чтобы не допустить электромагнитную интерференцию. Магнитное поле, генерируемое посредством тока, протекающего во внешнем сверхпроводящем слое, уравновешивает магнитное поле, генерируемое посредством тока, протекающего в сверхпроводящем проводнике, так что электромагнитные помехи могли быть устранены. Когда сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению используется для передачи постоянного тока, внешний сверхпроводящий слой может быть использован в качестве обратного проводника (в случае однополярной передачи) или в качестве слой нейтральной линии (в случае биполярной передачи). В частности, в случае, когда выполняется биполярная передача, когда возникает дисбаланс между положительным и отрицательным полюсами, внешний сверхпроводящий слой может быть использован для того, чтобы распространять несбалансированный ток. Помимо этого, когда биполярная передача переключается на однополярную передачу вследствие ненормального состояния в одном полюсе, внешний сверхпроводящий слой может быть использован в качестве обратного проводника, через который протекает ток, который сравним с током передачи, протекающим в сверхпроводящем проводнике. Вышеописанный внешний сверхпроводящий слой сформирован из сверхпроводящего материала. Внешний сверхпроводящий слой может быть сформирован посредством использования сверхпроводящего материала, аналогичного материалу, используемому для сверхпроводящего проводника, и посредством спиралевидной намотки сверхпроводящих проводов, как в случае сверхпроводящего проводника. Защитный слой, совмещающий функцию электрической изоляции, может быть предусмотрен на внешнем сверхпроводящем слое. Защитный слой может быть сформирован, например, посредством спиралевидного наложения крафт-бумаги или другого материала непосредственно на другой сверхпроводящий слой.
Кабельная жила, имеющая вышеописанную структуру, содержится в теплоизоляционной трубке. Промежуток, сформированный в теплоизоляционной трубке, т.е. промежуток, охватываемый поверхностью внешней окружности жилы и поверхностью внутренней окружности трубки, заполнен описанным ниже хладагентом, используемым для изоляции. Хладагент, используемый для изоляции, заполнивший теплоизоляционную трубку, окружает защитный слой, внешний сверхпроводящий слой и электроизоляционный слой в перечисленном порядке. Таким образом, хладагент, используемый для изоляции, охлаждая внешний сверхпроводящий слой, чтобы поддерживать его сверхпроводящее состояние, обеспечивает электрическую изоляцию сверхпроводящего проводника вместе с электроизоляционным слоем. Следовательно, сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению достигает достаточной электрической изоляции посредством использования электроизоляционного слоя и хладагента, используемого для изоляции. Помимо этого, когда кабель по настоящему изобретению используется для передачи переменного тока, внешний сверхпроводящий слой в достаточной степени распространяет ток экранирования, индуцированный посредством тока, протекающего в сверхпроводящем проводнике, с тем чтобы электромагнитные помехи могли быть снижены или устранены. Более того, когда кабель по настоящему изобретению используется для однополярной передачи при передаче постоянного тока, внешний сверхпроводящий слой может быть использован в качестве обратного проводника. В этом случае внешний сверхпроводящий слой также может выступать в качестве экрана, чтобы снижать или устранять электромагнитные помехи. В случае, когда кабель по настоящему изобретению используются для биполярной передачи при передаче постоянного тока, когда жила, которая должна быть использована для передачи по положительному полюсу, и жила, которая должна быть использована для передачи по отрицательному полюсу, помещаются рядом друг с другом таким образом, чтобы две жилы содержались в одной теплоизоляционной трубке, магнитные поля, генерируемые посредством двух жил, могли уравновешивать друг друга, с тем чтобы магнитное поле практически не выходило за пределы кабеля.
Вышеописанная теплоизоляционная трубка предназначена для того, чтобы не допускать повышение температуры хладагента, используемого в изоляции, заполняющего трубку, вследствие тепла, проникающего внутрь трубки снаружи. Следовательно, в отличие от вышеупомянутой трубки с низкой теплопроводностью, теплоизоляционная трубка должна иметь структуру с высокой теплоизоляционной эффективностью. Например, теплоизоляционная трубка может иметь вид, в котором структура из двух трубок составлена из внешней трубки и внутренней трубки, и промежуток между двумя трубками не только снабжен теплоизоляционным материалом, но также разрежен с высокой степенью вакуума. Когда используется эта структура, внутренняя трубка заполняется хладагентом, используемым в изоляции. Желательно, чтобы вышеописанная теплоизоляционная трубка была сформирована посредством использования гофрированной трубки, имеющей гибкость. В частности, желательно, чтобы теплоизоляционная трубка была сформирована с помощью металлического материала, такого как нержавеющая сталь, которая имеет отличную прочность.
Настоящее изобретение имеет самый важный признак в том, что хладагент, используемый в проводнике, используется для того, чтобы охлаждать сверхпроводящий проводник, и хладагент, используемый для изоляции, который отличается от предшествующего хладагента, используемого в проводнике, используется для того, чтобы электрически изолировать сверхпроводящий проводник. Хладагент, используемый в проводнике, должен иметь только способность к охлаждению для поддержания сверхпроводящего состояния сверхпроводящего проводника. Тем не менее, в частности, хладагент, используемый в проводнике, имеющий более низкую температуру, может либо поддерживать сверхпроводящее состояние сверхпроводящего проводника, тем самым обеспечивая передачу большей электрической мощности, либо может уменьшать количество сверхпроводящего материала для формирования сверхпроводящего проводника, тем самым обеспечивая уменьшение размера проводника. Следовательно, желательно использовать хладагент для проводника, имеющий более низкую температуру. В частности, можно использовать хладагент, имеющий температуру ниже температуры хладагента, используемого для изоляции. С другой стороны, кабель использует хладагент, используемый для изоляции, имеющий не только достаточную изоляционную эффективность для электрической изоляции сверхпроводящего проводника, но также достаточную способность к охлаждению, чтобы охлаждать внешний сверхпроводящий слой, с тем чтобы он мог поддерживать сверхпроводящее состояние.
Хладагент, используемый для проводника, также может быть таким же типом хладагента, что и тип хладагента, используемого для изоляции, при условии, что он имеет температуру ниже температуры хладагента, используемого для изоляции. Например, когда жидкий азот, который имеет превосходную электроизоляционную эффективность, используется в качестве хладагента, используемого для изоляции, следующая структура может быть использована:
(a) в качестве хладагента, используемого для изоляции, используется жидкий азот, который имеет температуру в 75-77 K или около, которая примерно равна его температуре кипения, и
(b) в качестве хладагента, используемого для проводника, используется жидкий азот, который имеет температуру ниже температуры хладагента, используемого в изоляции, например, жидкий азот имеет температуру 63-65 K или около, которая примерно равна его температуре плавления.
Хладагент, используемый для проводника, и хладагент, используемый для изоляции, могут отличаться друг от друга по типу. Например, когда жидкий азот используется в качестве хладагента для изоляции, текучая среда, отличная от жидкого азота, которая имеет меньшую температуру, может быть использована в качестве хладагента для проводника. Типы вышеупомянутой текучей среды, имеющей меньшую температуру, включают в себя:
(a) жидкий гелий,
(b) жидкий водород,
(c) жидкий воздух,
(d) жидкий неон,
(e) жидкий кислород, имеющий температуру ниже температуры жидкого азота,
(e) газ гелий, имеющий температуру ниже температуры жидкого азота,
(e) газ водород, имеющий температуру ниже температуры жидкого азота, и
(h) смешанная текучая среда из жидкого водорода и газа водорода, причем смешанная текучая среда имеет температуру ниже температуры жидкого азота.
Когда жидкость используется в качестве хладагента, используемого в проводнике, жидкость может переходить в газообразную форму вследствие генерирования тепла в токонесущем сверхпроводящем проводнике. Когда жидкость переходит в газообразную форму, если объемное расширение существенно, и сверхпроводящий проводник может быть поврежден. Следовательно, чтобы не допустить этой проблемы, может быть использован либо газ, заранее охлажденный до низкой температуры, либо жидкость, смешанная с газом. Альтернативно, хладагент, используемый в проводнике, может поддерживаться при температуре, которая не вызывает вышеописанный переход в газообразную форму.
Когда жидкий водород, газ водород или смешанная текучая среда из них используется в качестве хладагента, используемого в проводнике, желательно, чтобы сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению использовался, чтобы предоставлять электроэнергию различным электрическим устройствам, используемым на водородной станции, которая хранит сжатый водород или жидкий водород, и на водородной установке, которая генерирует жидкий водород, поскольку хладагент, используемый в проводнике, может быть получен из цистерны для хранения водорода, предусмотренной на вышеупомянутой станции и установке. Эта станция и установка оснащены охлаждающим устройством, чтобы поддерживать надлежащую температуру хранимого жидкого водорода и соответствующим образом осуществлять температурный контроль. Следовательно, когда кабельная линия, содержащая сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению, использующая вышеупомянутый жидкий водород и т.п. в качестве хладагента, используемого в проводнике, создана на вышеописанной водородной станции или водородной установке, необязательно отдельно предоставлять охлаждающее устройство для хладагента, используемого в проводнике. Охлаждающее устройство, предусмотренное на этих станциях, также может быть использовано в качестве охлаждающего устройства для хладагента, используемого в проводнике. Альтернативно, только предоставление устройства контроля температуры для осуществления точного контроля температуры хладагента, используемого в проводнике, позволяет поддерживать заданную температуру газа водорода, жидкого водорода или смешанной текучей среды из них, используемой в качестве хладагента, используемого в проводнике. Следовательно, сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению, имеющий такую структуру, позволяет дополнительно повышать эффективность использования энергии.
Как описано выше, хладагент, используемый для проводника, имеет температуру ниже температуры хладагента, используемого для изоляции, и заполняет трубу с низкой теплопроводностью (или каркас, помещенный в нее), имеющую теплопроводную способность до такой степени, чтобы хладагент, используемый для изоляции, мог быть охлажден до определенной степени. Формирований такой структуры предоставляет возможность охлаждения хладагента, используемого в изоляции, и находящегося вне трубки с низкой теплопроводностью. Другими словами, хладагент, используемый для проводника, также может быть использован в качестве элемента для охлаждения хладагента, используемого для изоляции. Следовательно, степень охлаждения хладагента, используемого для изоляции, может контролироваться посредством следующих способов:
(a) контроль температуры хладагента, используемого для проводника,
(b) контроль условия циркуляции хладагента, используемого для проводника, и
(c) контроль свойства теплопроводности трубки с низкой теплопроводностью посредством контроля свойства материала и теплоизоляционной эффективности.
Таким образом, может поддерживаться практически постоянное значение температуры хладагента, используемого для изоляции. Как описано выше, когда температура хладагента, используемого для изоляции, контролируется посредством использования (a) температуры и условия циркуляции хладагента, используемого для проводника, и (b) свойства материала и теплоизоляционной эффективности трубки с низкой теплопроводностью, хладагент, используемый для изоляции, может быть охлажден до заданной температуры без использования устройства охлаждения или с помощью устройства охлаждения, имеющего низкую способность к охлаждению. Когда изменение температуры хладагента, используемого для изоляции, небольшое, требуется только предоставить механизм контроля температуры, который имеет способность корректировать на незначительную величину скорость, расход и температуру хладагента, используемого для изоляции. Когда создается линия сверхпроводящего кабеля, линия надлежащим образом оснащается холодильной машиной для охлаждения хладагента и насосом для подачи хладагента под давлением. Эти устройства определяют длину канала циркуляции (секции охлаждения), с тем, чтобы хладагент мог циркулировать при надлежащей температуре. Как описано выше, температурный контроль хладагента, используемого для изоляции, может выполняться с помощью упрощенного устройства вместо крупного устройства. Следовательно, когда кабельная линия создана посредством использования сверхпроводящего кабеля по настоящему изобретению, не только длина одной охлаждающей секции может быть увеличена, но также устройство может быть упрощено.
Рекомендуется, чтобы теплопроводная способность и теплоизоляционная эффективность материала трубки с низкой теплопроводностью варьировалась надлежащим образом согласно применяемому хладагенту, используемому в проводнике, и хладагенту, используемому для изоляции. Теплопроводная способность может варьироваться посредством варьирования не только материала, но также и толщины трубки с низкой теплопроводностью. Теплоизоляционная эффективность может варьироваться, как описано выше, посредством варьирования количества используемого теплоизоляционного материала и величины вакуума. Контроль состояния циркуляции хладагента, используемого в проводнике, может выполняться, например, посредством контроля длительности времени циркуляции и его циркулирующего количества. Например, когда хладагент, используемый для изоляции, может охлаждаться в достаточной степени посредством циркуляции хладагента, используемого для проводника, при необходимости, хладагент, используемый в изоляции, может быть нециркулирующим или циркулирующим. Когда циркуляция хладагента, используемого в проводнике, по мере необходимости чрезмерно охлаждает хладагент, используемый в изоляции, скорость и расход хладагента, используемого в проводнике, могут регулироваться посредством снижения или другим способом. Альтернативно, циркуляция и нециркуляция может повторяться по мере необходимости. В двух вышеописанных случаях необязательно циркуляция хладагента, используемоего в изоляции. Когда хладагент, используемый в изоляции, охлаждается посредством хладагента, используемого для проводника, хладагент, используемый в изоляции, может частично затвердевать, особенно в части, где хладагент, используемый для изоляции, контактирует с трубкой с низкой теплопроводностью. Настоящее изобретение разрешает затвердевание хладагента, используемого для изоляции, при условии, что хладагент, используемый для изоляции, имеет и достаточную изоляционную эффективность для электрической изоляции сверхпроводящего проводника, и может циркулировать до такой степени, что циркуляция не создает проблем в работе.
Помимо этого, значение критического тока может быть увеличено посредством дополнительного снижения температуры хладагента, используемого в проводнике. Следовательно, даже когда большой ток протекает в сверхпроводящем проводнике во время неполадок, например короткого замыкания, не возникает таких проблем, как повреждение сверхпроводящего проводника. Альтернативно, вышеописанная проблема может быть предотвращена посредством увеличения скорости, расхода (что возможно) хладагента, используемого в проводнике, чтобы быстро охлаждать сверхпроводящий проводник до требуемой температуры.
Вышеописанный сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению подходит для использования в качестве кабеля для подачи электроэнергии в различные электрические устройства и потребителям. В частности, когда сверхпроводящий кабель настоящего изобретения используется для того, чтобы предоставлять электроэнергию в различные электрические устройства, предусмотренные в установке или станции для текучей среды, такой как описанный выше жидкий водород, текучая среда в установке и т.п. может быть использована в качестве хладагента, используемого в проводнике. В этом случае, когда создается кабельная линия, необязательно отдельно предоставлять охлаждающее устройство для хладагента, используемого в проводнике. Следовательно, сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению может предлагать кабельную линию, имеющую высокую эффективность использования энергии.
Сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению может быть использован не только для передачи постоянного тока, но также для передачи переменного тока. Когда осуществляется трехфазная передача переменного тока, рекомендуется, чтобы кабель по настоящему изобретению был сформирован как трехжильный кабель, имеющий структуру, в которой три вышеописанных кабельные жилы скручены вместе и помещены в теплоизоляционную трубку. В этом случае рекомендуется, чтобы сверхпроводящие проводники отдельных жил использовались для передачи отдельных фаз, и чтобы внешние сверхпроводящие слои отдельных жил использовались в качестве экранирующих слоев. Когда осуществляется однофазная передача переменного тока, рекомендуется, чтобы кабель по настоящему изобретению был сформирован как одножильный кабель, имеющий структуру, в которой одна вышеописанная кабельная жила помещена в теплоизоляционную трубку. В этом случае рекомендуется, чтобы сверхпроводящий проводник жилы использовался для передачи фазы, и чтобы внешний сверхпроводящий слой использовался в качестве экранирующего слоя. Когда осуществляется однополярная передача постоянного тока, рекомендуется, чтобы кабель по настоящему изобретению был сформирован как одножильный кабель, имеющий структуру, в которой одна вышеописанная кабельная жила помещена в теплоизоляционную трубку. В этом случае рекомендуется, чтобы сверхпроводящий проводник жилы использовался в качестве выходящего проводника, а внешний сверхпроводящий слой в качестве обратного проводника. Когда осуществляется биполярная передача постоянного тока, рекомендуется, чтобы кабель настоящего изобретения был сформирован как двухжильный кабель, имеющий структуру, в которой две вышеописанных кабельные жилы помещены в теплоизоляционную трубку. В этом случае рекомендуется, чтобы сверхпроводящий проводник одной жилы использовался для передачи по положительному полюсу, сверхпроводящий проводник другой жилы использовался для передачи по отрицательному полюсу, а другие сверхпроводящие слои обеих жил использовались в качестве слоев нейтральной линии.
Сверхпроводящий кабель настоящего изобретения, имеющий вышеописанную структуру, обеспечивает следующие преимущества:
(a) в кабеле поддерживается оптимальное сверхпроводящее состояние сверхпроводящего проводника,
(b) следовательно, кабель позволяет увеличивать мощность передачи или уменьшать диаметр сверхпроводящего проводника, и
(c) кабель обеспечивает достаточную электрическую изоляцию.
Помимо этого, даже когда диаметр сверхпроводящего проводника снижен, сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению может в достаточной степени защищать канал циркуляции хладагента, используемого в проводнике. Более того, когда кабельная линия создана с помощью сверхпроводящего кабеля по настоящему изобретению, посредством контроля температуры хладагента, используемого для изоляции, и посредством использования хладагента, для проводника, может быть либо устранена необходимость в охлаждающем устройстве для хладагента, используемого для изоляции, либо может поддерживаться заданная температура хладагента, используемого для изоляции, только посредством предоставления простого механизма контроля температуры. Более того, когда сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению использован для предоставления электроэнергии в водородную установку или водородную станцию, и жидкий водород или низкотемпературный газ водород используется в качестве хладагента, используемого в проводнике, хладагент, используемый для проводника, может охлаждаться посредством применения устройства, предусмотренного на установке и т.п. Следовательно, необходимость в предоставлении отдельного охлаждающего устройства для охлаждения хладагента, используемого для проводника, может быть исключена.
В жиле, предусмотренной в сверхпроводящем кабеле по настоящему изобретению, посредством выполнения постепенного изменения с в электроизоляционном слое распределение электрического поля постоянного тока по толщине может выравниваться по всему электроизоляционному слою. Как результат, свойство выдерживания постоянного напряжения повышается, и, как следствие, толщина электроизоляционного слоя может быть уменьшена. Помимо постепенного изменения ρ, посредством предоставления электроизоляционного слоя, имеющего высокую ε рядом со сверхпроводящим проводником, свойство выдерживания импульсного напряжения также может быть улучшено помимо вышеописанного улучшения свойства выдерживания постоянного напряжения. В частности, посредством структурирования электроизоляционного слоя таким образом, что по мере того, как его радиальная позиция перемещается в направлении самой дальней внутренней части, ε возрастает, а по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении крайней части, ε снижается, сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению также может быть кабелем, имеющим превосходное электрическое свойство передачи переменного тока. Следовательно, сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению не только может надлежащим образом использоваться для передачи постоянного тока и передачи переменного тока, но также может надлежащим образом использоваться в ходе переходного периода, в котором система переключается между переменным током и постоянным током.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - это схематичный поперечный разрез сверхпроводящего кабеля по настоящему изобретению, причем представление показывает пример, в котором основа имеет сплошной корпус.
Фиг.2 - это схематичный поперечный разрез кабельной жилы, предусмотренной в сверхпроводящем кабеле по настоящему изобретению, причем представление показывает пример, в котором основа имеет полый корпус.
Фиг.3 - это схематичный поперечный разрез кабельной жилы, предусмотренной в сверхпроводящем кабеле по настоящему изобретению, причем представление показывает пример, в котором трубка с низкой теплопроводностью сформирована посредством выдавливания.
Фиг.4 - это схематичный поперечный разрез кабельной жилы, предусмотренной в сверхпроводящем кабеле по настоящему изобретению, причем представление показывает пример, в котором трубка с низкой теплопроводностью имеет структуру из двух трубок.
Фиг.5 - это поперечный разрез трехжильного витого сверхпроводящего кабеля для использования с трехфазным переменным током.
Далее описываются варианты осуществления настоящего изобретения.
Пример 1
Фиг.1 - это схематичный поперечный разрез сверхпроводящего кабеля по настоящему изобретению. На последующих чертежах одинаковое обозначение представляет одинаковый элемент. Помимо этого, отношение размеров на чертеже не обязательно совпадает с отношением, используемым в описании. Сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению имеет структуру, в которой кабельные жилы 10, каждая из которых имеет сверхпроводящий проводник 1, изготовленный из сверхпроводящего материала, помещены в теплоизоляционную трубку 15. Кабельная жила 10 содержит трубку 2А с низкой теплопроводностью на внешней стороне внешней окружности сверхпроводящего проводника 1. Трубка 2A с низкой теплопроводностью заполнена хладагентом 11, используемым в проводнике, для охлаждения сверхпроводящего проводника 1, чтобы поддерживать его сверхпроводящее состояние. Теплоизоляционная трубка 15 заполнена хладагентом 12, используемым в изоляции, для выполнения электрической изоляции сверхпроводящего проводника 1. Другими словами, этот сверхпроводящий кабель имеет структуру, в которой два типа хладагентов, имеющих различные назначения, предусмотрены внутри и снаружи трубки 2A, т.е. трубка 2A разделяет два хладагента.
Сверхпроводящий кабель, используемый в этом примере, имеет структуру, в которой три жилы 10 скручены и помещены в теплоизоляционную трубку 15. Каждая из кабельных жил 10 имеет такую же базовую структуру, что и традиционный сверхпроводящий кабель, показанный на фиг.5, за исключением того, что трубка 2A с низкой теплопроводностью предусмотрена на внешней стороне внешней поверхности сверхпроводящего проводника 1 (между сверхпроводящим проводником 1 и электроизоляционным слоем 4). Более конкретно, кабельная жила 10 оснащена основой 3A, сверхпроводящим проводником 1, трубкой 2A с низкой теплопроводностью, электроизоляционным слоем 4, внешним сверхпроводящим слоем 5 и защитным слоем 6 в таком порядке от центра. Хотя этот пример использует три жилы, одна жила или две жилы могут быть использованы. Эта сущность применима к последующим примерам. Хотя не показано на фиг.1, часть электрода, имеющая потенциал проводника, предусмотрена непосредственно на трубке 2A.
Сверхпроводящий проводник 1 и внешний сверхпроводящий слой 5 сформированы посредством сверхпроводящих проводов в форме ленты, изготовленных из оксида на базе Bi-2223 (провода из Ag-Mn в форме ленты в оплетке). Сверхпроводящий проводник 1 структурирован посредством спиралевидной намотки вышеупомянутых сверхпроводящих проводов в форме ленты на основу 3A. Внешний сверхпроводящий слой 5 структурирован посредством такого же способа, что и выше, на электроизоляционном слое 5. Основа 3A имеет сплошной корпус, сформированный посредством скручивания множества медных проводов. Амортизирующий слой (не показан), изготовленный из изоляционной бумаги, сформирован между основой 3A и сверхпроводящим проводником 1. Электроизоляционный слой 4 структурирован на трубке 2A с низкой теплопроводностью посредством спиралевидного наложения полусинтетической изоляционной бумаги (PPLP, зарегистрированный товарный знак, изготавливается компанией Sumitomo Electric Industries, Ltd.). Внутренний полупроводящий слой может быть предусмотрен на стороне внутренней поверхности электроизоляционного слоя 4 (то есть на части электрода). Внешний полупроводящий слой может быть предусмотрен на стороне внешней поверхности электроизоляционного слоя 4 (т.е. под внешним сверхпроводящим слоем 5). Защитный слой 6 предусмотрен на внешнем сверхпроводящем слое 5 посредством спиралевидного наложения изоляционной бумаги. Описанные выше кабельные жилы 10 подготовлены, скручены вместе с люфтом, чтобы иметь возможность сжатия, требуемого при тепловом сжатии, и помещены в теплоизоляционную трубку 15.
Трубка 2A с низкой теплопроводностью, помещенная на внешнюю сторону внешней поверхности сверхпроводящего проводника 1 - это трубка FRP. Ее внутренний диаметр превышает внешний диаметр сверхпроводящего проводника 1. Как следствие, когда сверхпроводящий проводник 1, предусмотренный на каркасе, вставляется в трубку 2A с низкой теплопроводностью, зазор предусматривается между поверхностью внутренней окружности трубки 2A и поверхностью внешней окружности сверхпроводящего проводника 1. Зазор в трубке 2A заполнен хладагентом 11, используемым в проводнике, чтобы охлаждать сверхпроводящий проводник 1. В этом примере жидкий азот (рабочая температура: примерно 20 K) используется в качестве хладагента 11, используемого в проводнике. Хладагент 11, используемый в проводнике, должен только иметь температуру ниже температуры хладагента 12, используемого в изоляции. Например, газ водород, охлажденный до 20-50 K или около, либо смешанная текучая среда газа водорода и жидкого азота может быть использована. Трубка 2A с низкой теплопроводностью имеет теплопроводную способность, которая дает возможность проведению тепла (проникновению тепла) снаружи трубки 2A внутрь трубки до определенной степени. Трубка 2A с низкой теплопроводностью также имеет функцию отделения хладагента 11, используемого для проводника, и хладагента 12, используемого для изоляции, с тем чтобы два хладагента 11 и 12 не могли смешиваться друг с другом. Другими словами, трубка 2A с низкой теплопроводностью не допускает протекания хладагента изнутри себя наружу или снаружи внутрь себя.
Теплоизоляционная трубка 15, помещенная на внешней стороне кабельных жил 10, является гофрированной трубкой SUS. Она имеет структуру из двух трубок, составленную из внешней трубки 15a и внутренней трубки 15b, между которыми помещен теплоизоляционный материал (не показан) в несколько слоев. Промежуток между внешней трубкой 15a и внутренней трубкой 15b разрежен с высокой степенью вакуума. Таким образом, трубка 15 имеет разреженную многослойную теплоизоляционную структуру. Следовательно, в отличие от вышеописанной трубки 2A с низкой теплопроводностью теплоизоляционная трубка 15 на практике не дает возможности проведения тепла наружу или снаружи трубки 15. В теплоизоляционной трубке 15 внутренняя трубка 15b дает промежуток, охватываемый поверхностью внутренней окружности внутренней трубки 15b и поверхностями внешней окружности трех кабельных жил 10. Хладагент 12, используемый для изоляции, заполняет вышеуказанный промежуток и различные щели в области за пределами трубки 2A с низкой теплопроводностью в кабельных жилах 10, чтобы не только осуществлять электрическую изоляцию сверхпроводящего проводника 1, но также охлаждать внешний сверхпроводящий слой 5. В этом примере жидкий азот (рабочая температура: примерно 77 K) используется в качестве хладагента 12, используемого для изоляции. Антикоррозионное покрытие 16 предусмотрено на теплоизоляционной трубке 15.
Сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению, имеющий вышеописанную структуру, использует различные хладагенты для охлаждения сверхпроводящего проводника и электрической изоляции сверхпроводящего проводника. В частности, хладагент для охлаждения сверхпроводящего проводника (хладагент, используемый для проводника) - это хладагент, имеющий температуру ниже температуры хладагента, используемого для изоляции. Следовательно, когда количество сверхпроводящего материала, формирующего сверхпроводящий проводник, неизменно, мощность передачи может быть повышена. Альтернативно, когда мощность передачи неизменна, количество сверхпроводящего материала, используемого для формирования сверхпроводящего проводника, может быть снижено, тем самым снижая диаметр сверхпроводящего проводника. Помимо этого, количество сверхпроводящего материала, используемого для формирования внешнего сверхпроводящего слоя, также может быть снижено. Как результат, достаточное количество хладагента, используемого в проводнике, может циркулировать в трубке с низкой теплопроводностью и, следовательно, сверхпроводящее состояние сверхпроводящего проводника может поддерживаться более оптимальным образом. Помимо этого, хладагент, используемый в изоляции, позволяет выполнять достаточную электрическую изоляцию сверхпроводящего проводника. Помимо этого, экранирующий ток может протекать надежно во внешнем сверхпроводящем слое, тем самым обеспечивая снижение электромагнитных помех.
В сверхпроводящем кабеле по настоящему изобретению хладагент, используемый для проводника, имеет температуру ниже температуры хладагента, используемого для изоляции, и трубка с низкой теплопроводностью до некоторой степени дает возможность проникновения тепла снаружи трубки. Следовательно, хладагент, используемый для проводника, может охлаждать хладагент, используемый для изоляции. Поэтому хладагент, используемый для проводника, может быть использован для того, чтобы контролировать температуру хладагента, используемого для изоляции. В этом примере степень охлаждения хладагента, используемого для изоляции, посредством хладагента, используемого для проводника, может изменяться посредством изменения толщины трубки с низкой теплопроводностью. В случае, когда хладагент, используемый для проводника, циркулирует, вышеупомянутая степень охлаждения также может варьироваться посредством изменения скорости расхода, продолжительности циркуляции и т.п. хладагента, используемого для проводника. Например, посредством повторения циркуляции и нециркуляции хладагента, используемого для проводника, может выполняться контроль температуры хладагента, используемого для изоляции. В этом случае, когда поддерживается температура хладагента, используемого для изоляции, которая в достаточной степени позволяет поддерживать сверхпроводящее состояние внешнего сверхпроводящего слоя, необязательна циркуляция хладагента, используемого для изоляции. Следовательно, может быть устранена не только потребность в циркуляционном насосе для хладагента, используемого для изоляции, но и необходимость в электроэнергии, требуемой для насоса. Помимо этого, контроль температуры хладагента, используемого для изоляции, также может выполняться посредством объединения периода времени циркуляции, в котором скорость циркуляции хладагента, используемого в проводнике, высока, и другого периода времени циркуляции, в котором скорость циркуляции небольшая. Как описано выше, использование хладагента, используемого для проводника, для охлаждения хладагента, используемого для изоляции, позволяет уменьшить или упростить охлаждающее устройство, устройство циркуляции и т.п., требуемое для охлаждения хладагента, используемого для изоляции. Более того, в случае, когда сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению используется в качестве средства предоставления электроэнергии на водородной установке или водородной станции, когда жидкий азот, хранящийся в установке и т.п., используется в качестве хладагента, используемого в проводнике, и, кроме того, устройство установки и т.п. используется в качестве охлаждающего устройства для хладагента, используемого для проводника, необходимость отдельного предоставления охлаждающего устройства для хладагента, используемого для проводника, может быть устранена, и, как следствие, размеры устройства могут быть уменьшены. Даже когда часть хладагента, используемого для изоляции, затвердевает в результате охлаждения хладагента, используемого в проводнике, в случае, когда электроизоляционный слой имеет электроизоляционную эффективность, необходимую для электрической изоляции, затвердевание хладагента, используемого для изоляции, разрешено.
Помимо этого, в сверхпроводящем кабеле настоящего изобретения, даже когда большой ток протекает в сверхпроводящем проводнике вследствие короткого замыкания и т.п., сверхпроводящий проводник может быть быстро охлажден до заданной температуры посредством дополнительного снижения температуры хладагента, используемого в проводнике, или посредством увеличения скорости его расхода. Таким образом, повреждение сверхпроводящего проводника в результате вышеописанной проблемы может быть предотвращено. Эти результаты также применимы к нижеописанным примерам 2-4.
k.
k
k
k
Этот сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению может быть использован для передачи постоянного тока и переменного тока. При выполнении передачи постоянного тока, когда электроизоляционный слой 4 структурирован с постепенным изменением ρ таким образом, что по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении самой внутренней дальней части электроизоляционного слоя 4, удельное сопротивление понижается, а по мере того, как радиальная позиция перемещается в направлении крайней части, удельное сопротивление повышается, распределение электрического поля постоянного тока может быть выровнено в направлении толщины в электроизоляционном слое 4. Удельное сопротивление может варьироваться посредством использования различных групп PPLP (зарегистрированный товарный знак), причем каждая отличная группа имеет различное отношение По мере того как отношение возрастает, удельное сопротивление увеличивается. Помимо этого, когда электроизоляционный слой 4 оснащен слоем с высокой ε рядом со сверхпроводящим проводником 1, его свойство выдерживания импульсного напряжения может быть улучшено помимо улучшения свойства выдерживания постоянного напряжения. Слой с высокой ε может быть сформирован посредством использования PPLP (зарегистрированный товарный знак), имеющих, к примеру, низкое отношение . В этом случае слой с высокой ε становится также слоем с низким ρ. Более того, помимо вышеописанного постепенного изменения ρ, когда электроизоляционный слой 4 сформирован таким образом, чтобы по мере того как его радиальная позиция перемещается в направлении самой внутренней дальней части, диэлектрическая постоянная ε возрастала, а по мере того как его радиальная позиция перемещается в направлении крайней части, диэлектрическая постоянная ε снижалась, электроизоляционный слой 4 также имеет отличное свойство переменного тока. Следовательно, вышеописанный сверхпроводящий кабель также может быть надлежащим 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, электроизоляционный слой может быть сформирован, который имеет три различных шага удельного сопротивления и диэлектрической постоянной. Рекомендуется, чтобы следующие три слоя были предусмотрены в следующем порядке от внутренней части (X и Y представляют постоянную):
(k)
Слой с низким ρ: отношение -60%, удельное сопротивление (ρ) (при 20°C) -X Ω•см, диэлектрическая постоянная (ε) -Y;
(k)
Слой со средним ρ: отношение -70%, удельное сопротивление (ρ) (при 20°C) - примерно 1,2X Ω•см, диэлектрическая постоянная (ε) - примерно 0,95Y; и
(k)
Слой с высоким ρ: отношение -80%, удельное сопротивление (ρ) (при 20°C) - примерно 1,4X Ω•см, диэлектрическая постоянная (ε) - примерно 0,9Y.
Когда вышеописанный сверхпроводящий кабель используется для осуществления однополярной передачи, с тремя жилами 10, две жилы могут использоваться как резервные жилы. В этом случае оставшаяся одна жила 10 используется следующим образом. Ее сверхпроводящий проводник 1 используется в качестве выходящего проводника, а внешний сверхпроводящий слой 5 в качестве обратного проводника. Альтернативно, три схемы линий однополярной передачи могут быть созданы посредством использования сверхпроводящих проводников с отдельными жилами 10 в качестве выходящих проводников, а внешних проводящих слоев 5 отдельных жил 10 в качестве обратных проводников. Когда вышеописанный сверхпроводящий кабель используется для выполнения биполярной передачи, рекомендуется использовать его следующим образом. Из трех жил 10 одна жила 10 используется как резервная жила. Сверхпроводящий проводник 1 другой жилы 10 используется в качестве линии положительного полюса. Сверхпроводящий проводник 1 оставшейся жилы 10 используется в качестве линии отрицательного полюса. Внешние сверхпроводящие слои 5 двух жил 10 используются в качестве слоев нейтральной линии. Помимо этого, сверхпроводящий кабель может быть использован для осуществления передачи постоянного тока, такой как однополярная передача и биполярная передача, после использования для осуществления вышеописанной передачи переменного тока. Как описано выше, сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению, имеющий электроизоляционный слой, структурированный посредством постепенного изменения ρ и постепенного изменения ε, может быть надлежащим образом использован в качестве кабеля для постоянного и переменного тока. Вопрос, касающийся постепенного изменения ρ и постепенного изменения ε, также применим к описанным ниже примерам 2-4.
Пример 2
В вышеописанном примере 1 поясняется структура, использующая сплошную основу. Тем не менее, может быть использована полая основа. Фиг.2 иллюстрирует схематичный поперечный разрез кабельной жилы в сверхпроводящем кабеле настоящего изобретения. Кабельная жила 20, показанная на фиг.2, имеет такую же структуру, как и структура кабельной жилы 10, показанной в вышеописанном примере 1, за исключением того, что основа 3B имеет полый корпус. Теплоизоляционная трубка и антикоррозионное покрытие (оба не показаны) предусмотрены на внешней стороне жилы 20. Основа 3B, используемая в этом примере, - это медная трубка. Хладагент 11, используемый для проводника, циркулирует в основе 3B. В этом случае в трубке 2A с низкой теплопроводностью зазор, сформированный посредством поверхности внутренней окружности трубки 2A и поверхности внешней окружности сверхпроводящего проводника 1, может либо использоваться для циркуляции хладагента 11 для проводника, либо быть разрежен до низкой степени вакуума. Вследствие низкой степени вакуума проникновение тепла снаружи трубки 2A с низкой теплопроводностью внутрь нее может быть разрешено до определенной степени. Следовательно, хладагент, используемый для изоляции, может охлаждаться хладагентом 11, используемым для проводника.
Пример 3
Вышеописанный пример 2 имеет структуру, в которой в трубке с низкой теплопроводностью предусмотрен зазор между поверхностью внутренней окружности трубки и поверхностью внешней окружности сверхпроводящего проводника. Тем не менее, теплопроводная трубка может быть выполнена без зазора. Другими словами, трубка может быть предоставлена таким образом, чтобы контактировать со сверхпроводящим проводником. Фиг.3 иллюстрирует схематичный поперечный разрез кабельной жилы в сверхпроводящем кабеле настоящего изобретения. Кабельная жила 30, показанная на фиг.3, имеет практически такую же структуру, что и структура кабельной жилы 20, показанной в вышеописанном примере 2, за исключением того, что трубка 2C с низкой теплопроводностью предусмотрена непосредственно на сверхпроводящем проводнике 1. Теплоизоляционная трубка и антикоррозийное покрытие (оба не показаны) предусмотрены на внешней стороне жилы 30. В этом примере трубка 2С с низкой теплопроводностью сформирована посредством экструдирования материала Teflon (зарегистрированный товарный знак) на сверхпроводящий проводник 1. Как описано выше, когда трубка 2С с низкой теплопроводностью сформирована непосредственно на сверхпроводящем проводнике 1, как в случае с основой 3B в примере 2 (см. фиг.2), основа 3C формируется в виде полого корпуса. Хладагент 11, используемый в проводнике, циркулирует в основе 3C, чтобы охлаждать сверхпроводящий проводник 1. Как и в случае с примерами 1 и 2, поскольку трубка 2C с низкой теплопроводностью сформирована посредством использования смолы, до некоторой степени, имеющей теплопроводящую способность, хладагент, используемый для изоляции, может быть охлажден посредством хладагента 11, используемого для проводника, в основе 3C.
Пример 4
i
0
i
0
i
В вышеописанных примерах 1-3 используется трубка с низкой теплопроводностью, изготовленная из смолы и т.п. Тем не менее, может быть использована трубка с низкой теплопроводностью, оснащенная теплоизоляционной структурой, имеющей низкую теплоизоляционную эффективность. Фиг.4 иллюстрирует схематичный поперечный разрез кабельной жилы в сверхпроводящем кабеле по настоящему изобретению. Кабельная жила 40, показанная на фиг.4, имеет такую же структуру, что и структура кабельной жилы 10, показанной в вышеописанном примере 1, за исключением того, что трубка 2D с низкой теплопроводностью имеет структуру с низкой теплоизоляцией. Теплоизоляционная трубка и антикоррозийное покрытие (оба не показаны) предусмотрены на внешней стороне жилы 40. Как в случае с теплоизоляционной трубкой 15, показанной на фиг.1, трубка 2D с низкой теплопроводностью, используемая в этом примере, имеет структуру с двумя трубками, состоящую из внутренней трубки 2D и внешней трубки 2D. Промежуток между двумя трубками 2D и 2D разрежен до низкой степени вакуума, чтобы иметь низкую теплоизоляционную эффективность. Следовательно, до определенной степени разрешается проводимость тепла снаружи трубки 2D с низкой теплопроводностью. Как результат, хладагент, используемый для изоляции, заполняющий различные щели за пределами трубки 2D с низкой теплопроводностью в кабельных жилах 40 и промежутке на внешней стороне жилы 40 (см. фиг.1), может охлаждаться посредством хладагента 11, используемого для проводника, циркулирующего во внутренней трубке 2D. Как описано выше, теплопроводная способность трубки с низкой теплопроводностью может контролироваться не только посредством контроля теплопроводности самого материала для формирования трубки с низкой теплопроводностью или толщины трубки, как показано в примерах 1-3, но также посредством контроля теплопроводной эффективности трубки, как показано в этом примере. В этом примере, как и в примере 1, используется сплошная основа. Тем не менее, разумеется, может использоваться и полая основа, как в примерах 2 и 3.
Промышленная применимость
Сверхпроводящий кабель по настоящему изобретению надлежащим образом используется в качестве средства подачи электроэнергии в различные электрические устройства и потребителям. В частности, в случае, когда жидкий водород, низкотемпературный газ водород или смешанная текучая среда из жидкого водорода и газа водорода используется в качестве хладагента, используемого в проводнике, когда кабель по настоящему изобретению используется, чтобы подавать электроэнергию в такое место, как водородная установка или водородная станция, которая хранит жидкий водород и т.п., кабельная система становится экономически оптимальной, поскольку не только хладагент, используемый в проводнике, является легкодоступным, но также нет необходимости отдельно предоставлять охлаждающее устройство для хладагента, используемого для проводника, и еще одного устройства.
Пояснение обозначений
1 - сверхпроводящий проводник;
2A, 2C и 2D -трубка с низкой теплопроводностью;
i
2D - внутренняя трубка;
0
2D - внешняя трубка;
3A, 3B и 3C - основа;
4 - электроизоляционный слой;
5 - внешний сверхпроводящий слой;
6 - защитный слой;
10, 20, 30 и 40 - кабельная жила;
11 - хладагент, используемый для проводника;
12 - хладагент, используемый для изоляции;
15 - теплоизоляционная трубка;
15a - внешняя трубка;
15b - внутренняя трубка;
16 - антикоррозионное покрытие;
100 - сверхпроводящий кабель для использования с трехфазным переменным током;
101 - теплоизоляционная трубка;
101a - внешняя трубка;
101b - внутренняя трубка;
102 - кабельная жила;
103 - промежуток;
104 - антикоррозионное покрытие;
200 - основа;
201 - сверхпроводящий проводник;
202 - электроизоляционный слой;
203 - сверхпроводящий экранирующий слой;
204 - защитный слой.