超导电缆制造技术

为了提供一种在ＡＣ损失上降低的柔性氧化物超导电缆，将由稳定金属覆盖的带状超导金属丝卷绕在一柔性样板上。超导金属丝最好以不大于０．２％的弯曲应变敷设在样板上。在样板上敷设的过程中，以并排方式将多个带状超导金属丝敷设在一芯部元件上，以形成第一层。以并排方式将预定数量的带状超导金属丝敷设在第一层的顶部，以形成第二层。样板可由金属、塑料、增强塑料、聚合物或复合物制成，并向超导金属丝及通过其形成的电缆提供柔韧性。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种使用柔性氧化物超导体的超导电缆，更特别地，涉及超导电缆的制造。
技术介绍
的描述超导材料是在临界温度下电阻接近于零(1uv/cm)的材料，其值取决于材料。超导性限定在一临界表面中，即一图表或图，其轴线是温度、电流和磁场。因此，对于一个给定的工作温度，限定了一个作为由超导体产生和/或向超导体施加的磁场的函数的曲线。最公知的超导体材料是NbTi和Nb3Sn，但它们的工作温度仅是4.2K，液态氦的沸点。这是大规模应用这些超导材料的主要限制。因此这些超导体几乎只用于缠绕磁体。由具有高临界电流密度(对于NbTi是3500安/平方毫米5特斯拉)的线(NbTi和Nb3Sn)或带(Nb3Sn)制造这些紧凑磁体的绕组可大量地生产出具有高磁场(最大18特斯拉)的绕组。这些超导磁体用于通过核磁共振(MRI)形成医学图像，以及通过相同的原理(NMR)、用于矿石分离的磁体和用于高磁场的研究磁体如在大颗粒加速器中使用的磁体(SSC，HERA，KEK等)进行材料分析。具有高临界温度的氧化物超导体是在1986年发现的。它们是包含金属氧化物和稀有金属的金属间成分，具有钙钛矿(云母)晶体结构。它们的临界温度从30K到接近室温变化，它们的临界磁场高于60特斯拉。因此这些材料被认为是有前途的，在制造磁体时可代替Nb3Sn和NbTi，并发现了液态氦不可实现的其它应用，如电的传导。这些材料先前不能作为金属丝、电缆、薄膜或片得到。在液氮温度下进入超导状态的氧化物超导体应用于液氮作为冷却介质的超导电缆中是有利的。相对于需要液态氦的超导电缆而言，这种应用可以同时实现热保持系统的简化和冷却成本的降低。超导电缆必须能够在紧凑导体中以低能量损失传导高电流。电力传导一般是通过交流电进行的，在直流电下使用超导体会不可避免地伴随着能量损失，一般称作AC损失。AC损失，如滞后损失、耦合损失或涡流损失，取决于超导体的临界电流密度，细丝尺寸，导体结构等。已经用金属超导体实际生产了各种类型的超导电缆，以研究用于降低AC损失的结构，如包括普通导体和沿普通导体外圆周螺旋缠绕的复合多丝超导体的超导体。导体是通过顺时针或逆时针缠绕多层彼此交替重叠的复合多丝超导体而制成的。缠绕导体的方向每层都有变化，以降低在导体中产生的磁场，从而降低阻抗，并提高其电流承载能力。该导体在各层之间有一高电阻或绝缘层。当用氧化物超导体制造电缆导体时，不能使用金属超导体中所用的技术。与金属超导体相比，氧化物超导体，即陶瓷超导体易碎且在机械应变上较弱。例如，现有技术公开了一种环绕普通导体螺旋缠绕超导体的技术，使缠绕节距等于每个超导体的直径。但当以这样短的节距缠绕包括由银覆层覆盖的氧化物超导体的超导金属丝时，氧化物超导体很可能会断裂，从而阻断电流。当氧化物超导金属丝被极大弯曲时，其临界电流同样会大大降低。电缆导体必须具有一定程度的柔韧性，以利于处理。同样困难的是由硬而易碎的氧化物超导体制造柔性电缆导体。在美国，大约有3500英里的高压地下电缆，用铜导体向大都会地区提供电力。电缆正在老化，许多需要在今后20年中更换。另外，都会地区的持续增长需要新的电缆容量。电力应用公司正在寻找新的电缆技术来提高电密度，降低损失和成本，同时保持常规电缆的高可靠性。在都会地区安装一个新电缆是很昂贵的。电缆占成本的30％到50％，安装是其余的主要成本。超导电缆可代替现有的铜电缆，并提高3到8个系数的能量密度。现有的主要电缆设计是一高压注油管型电缆，包括直径10.1到20.3厘米(4”到8”)的钢管，其中装有3根铜电缆和油。可将这些旧铜电缆和油去除并用具有显著较高的电流能力的超导电缆替换，节省了新电缆系统的安装成本。超导电缆提供了电缆在都会地区的新的应用。根据现有技术，高压铜电缆从城市外围向城市中心区传送电力，而传送分站降低电压，分配电路向客户输送电力。根据这种新的超导技术，低压高电流超导电缆能够将电力传送到中心区域，允许实际应用公司将高压传送分站从城市中心区移出去。在地价从$100到$600每平方英尺的城市中心区域安装和维护这些分站是非常昂贵的。本专利技术成功地显示了在分配电压和高电流下超导电缆的实际应用。潜在的实际应用包括1)分站至客户，2)分站至分站，3)扩展的分站总线，4)分站高速馈电线，5)发电单元至升压变压器。专利技术概述本专利技术的一个目的是提供一种超临界电缆，该电缆具有柔韧性并呈现良好的超导性，特别高的临界电流和高的临界电流密度，具有一氧化物超导体。本专利技术的另一个目的是提供AC损失减小的这种超导电缆。根据本专利技术，提供一种使用氧化物超导体的电缆，包括一柔性芯部元件；多个缠绕在上述芯部元件上的带状氧化物超导金属丝，在超导金属丝之间或者芯部元件与超导金属丝之间没有电绝缘层。在本专利技术的导体中，每个氧化物超导金属丝主要由一氧化物超导体和一覆盖该氧化物超导体的稳定金属构成。敷设在芯部元件上的上述多个带状超导金属丝形成了多个层，每一层是通过以并排方式敷设多个上述带状超导金属丝而制成的。上述多个层连续叠置到上述芯部元件上。上述芯部元件向本专利技术的超导电缆提供了柔韧性。根据本专利技术的超导电缆能够在液氮温度下保持超导状态。根据本专利技术的导体还提供了AC损失减小的AC导体。从下面结合附图对本专利技术的详细描述中，本专利技术的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得清楚。附图简介附图说明图1是一透视图，表示本专利技术的多层结构。图2是一剖视侧面图，表示本专利技术的一个实施例。图3是一剖视侧面图，表示本专利技术的另一实施例。图4是用于本专利技术的压印图案的图表。优选实施例的描述本专利技术涉及一种可以屏蔽或非屏蔽形式结构使用的高温超导体电缆。在许多应用中都将屏蔽和非屏蔽电缆用于有用的目的。本实施例的一个改型是用高温超导体带上的电介质对电缆进行绝缘，然后在电介质上提供另一个高温超导体。然后将整个电缆引入一上述类型的低温恒温器中，或者将一低温恒温器建造在电缆上。该同轴结构迫使磁场停留在高温超导体带的内外层之间。在高温超导体带外部基本上没有磁场，因此在外部金属封闭件中没有涡流。有了这种结构，可根据电缆中存在的带的数量而承载非常大量的电流。这种电缆设计的局限在于，电介质保持在低温下，不得不使用能够承受低温而又没有物理和机械退化的材料。本专利技术一个实施例中的聚合电介质材料在液氮和低温下具有良好的物理和机械性能。它具有高的介电强度和高的击穿电压。有利地，本专利技术的电缆包括使用可选择地由金属丝编织层或网覆盖的柔性不锈钢皱纹管。优选地，在皱纹管上钻出具有一定尺寸和图案的孔，允许液氮流入高温超导体带的衔接的间隙中，并淹没介电材料。以特殊方式敷设高温超导体以模拟两层结构，允许最大的电流流过电缆。介电材料有利地包含半导体带，镀铝屏蔽带，和聚合电介质带。图3中示出屏蔽电缆的一个典型结构。非屏蔽电缆可通过去除高温超导体带的外层而制成。图2中示出该电缆结构。本专利技术包括屏蔽和非屏蔽高温超导体电缆。在非屏蔽电缆情况下该设计与其它已知电缆的区别在于，介电材料的挤压是在绝热低温恒温器上完成的。现有技术中没有公开任何用于屏蔽高温超导体电缆的建造方法。参照图1，所示的超导体电缆10具有柔性抽空双层壁外管11，液氮12穿过其中流到一冷却器。地电势超导屏蔽材料17围绕介电和屏蔽层16，而介电和屏蔽层1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用氧化物超导体的电缆，包括：一柔性芯部元件；多个以不大于２千克力／平方毫米的张力敷设在上述芯部元件上的带状氧化物超导金属丝，其中每个带状超导金属丝主要由一氧化物超导体和一覆盖该氧化物超导体的稳定金属构成；上述多个带状超导金 属丝形成了多个层，每一层是通过以并排方式敷设多个上述带状超导金属丝而制成的；上述多个层连续叠置到上述芯部元件上，在该多个层与芯部元件之间没有绝缘层；上述芯部元件给上述超导电缆赋予了柔韧性；上述超导电缆能够在液氮温度下保持超导状态 ；上述金属丝沿上述金属丝的纵向方向具有基本上均匀的超导相；上述超导相的ｃ轴定向成基本上平行于上述金属丝的厚度方向；上述超导金属丝是由沿上述金属丝的纵向方向延伸的平行对准的颗粒制成的；上述颗粒沿上述金属丝的厚度方向叠置。

【技术特征摘要】
US 2000-9-15 60/232,7391.一种使用氧化物超导体的电缆，包括一柔性芯部元件；多个以不大于2千克力/平方毫米的张力敷设在上述芯部元件上的带状氧化物超导金属丝，其中每个带状超导金属丝主要由一氧化物超导体和一覆盖该氧化物超导体的稳定金属构成；上述多个带状超导金属丝形成了多个层，每一层是通过以并排方式敷设多个上述带状超导金属丝而制成的；上述多个层连续叠置到上述芯部元件上，在该多个层与芯部元件之间没有绝缘层；上述芯部元件给上述超导电缆赋予了柔韧性；上述超导电缆能够在液氮温度下保持超导状态；上述金属丝沿上述金属丝的纵向方向具有基本上均匀的超导相；上述超导相的c轴定向成基本上平行于上述金属丝的厚度方向；上述超导金属丝是由沿上述金属丝的纵向方向延伸的平行对准的颗粒制成的；上述颗粒沿上述金属丝的厚度方向叠置。2.如权利要求1所述的超导电缆，它具有柔韧性，因而在对电缆的直径弯曲最多50次之后上述电缆的超导性不会显著下降。3.如权利要求1所述的超导电缆，其中上述芯部元件是从主要包括下列各项的组中选择的金属，塑料，增强塑料，聚合物及复合物。4.如权利要求1所述的超导电缆，其中上述芯部元件是一管，该管在其外部具有一从螺旋槽表面、腹板状表面、织物状表面和垫状表面中选择的表面，形成用于带状超导金属丝的表面。5.如权利要求1所述的超导电缆，其中在多个层之间没有绝缘层。6.如权利要求5所述的超导电缆，其中在将第一层带状金属丝敷设在上述芯部元件上之后，将随后的多个带状层敷设在由紧邻的前层带状金属丝形成的表面上。7.如权利要求1所述的超导电缆，其中上述金属丝在上述带状稳定金属覆盖层内部扭转。8.如权利要求1所述的超导电缆，其中上述带状金属丝以最大约90度的敷设角度敷设。9.如权利要求8所述的超导电缆，其中上述带状金属丝以约10到约60度的敷设角度敷设。10.如权利要求9所述的超导电缆，其中上述带状金属丝以约20到约40度的敷设角度敷设。11.如权利要求1所述的超导电缆，还包括至少两个不同组的带状金属丝层。12.如权利要求11所述的超导电缆，其中每个连续层的带状金属丝的敷设角度在敷设方向或节距上交替。13.如权利要求12所述的超导电缆，其中每个上述连续层包括至少两个用于四层或更多层结构的带状金属丝。14.如权利要求11所述的超导电缆，其中一层介电材料将该至少两个不同组的带状金属丝层中的每一个分开。15.如权利要求11所述的超导电缆，其中一层介电材料将芯部元件与最接近它的带状金属丝层分开。16.如权利要求14所述的超导电缆，其中介电材料从包括聚丙烯、聚乙烯和聚丁烯的组中选择的。17.如权利要求11所述的超导电缆，其中该至少两个不同组的带状金属丝层承载了大致相等量的流过电缆的电流。18.如权利要求11所述的超导电缆，其中该两个不同组的带状金属丝层中的第一组承载了超过50％的流过电缆的电流。19.如权利要求11所述的超导电缆，其中该两个不同组的带状金属丝层中的第二组承载了超过50％的流过电缆的电流。20.如权利要求17所述的超导电缆，其中距芯部元件最远的该组带状金属丝层向流过其它层的电流提供了屏蔽，并减小了电缆中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：乌黛K辛哈，RL休伊，杰瑞托尔伯特，迈克尔J古奇，JW卢，
申请(专利权)人：南方电线公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]