專利名稱：具有超導線纜的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有超導線纜的裝置，其包括超導體和同心地圍繞該超導體并且
夾置有絕緣體的超導屏，該線纜由低溫控制器環繞，封裝一自由空間使得冷卻劑能夠通過， 該低溫控制器包括相對于彼此同心地布置的兩個金屬管，在兩個金屬管之間布置有真空絕
緣(WO 03/052775 Al)。
背景技術：
在現代技術中，超導線纜具有由復合材料組成的電導體，該材料包含陶瓷材料，該 材料在足夠低的溫度下可變化為超導狀態。當提供充分的冷卻時，對應設計的導體的直流 電阻是零，只要沒有超過特定的電流水平。例如，適當的陶瓷材料為YBCO(釔-鋇-銅氧化 物)或BSCCO(鉍-鍶-鈣-銅氧化物)。例如，將這種材料改變為超導狀態的所需的充分 低的溫度處于67K與IIOK之間。例如，適當的冷卻劑為氮、氦、氖和氫或者這些物質的混合 物。 在根據初始引用的WO 03/052775 Al的裝置中，使用具有冷介質的超導體線纜。這 包括應用至管狀支承件的內導體，以及相對于其同心布置的屏，它們彼此分離地保持并且 由介質(絕緣)形成一距離。例如，導體和屏包括超導材料的帶，諸如YBCO或BSCCO，圍繞 一基體纏繞，彼此并排地緊密設置，具有長的設置長度。這一公知超導線纜設計成使得在無 故障操作期間超導屏從外部屏蔽超導體的磁場。該線纜的阻抗在發生短路時只輕微地發生 變化。該短路電流導致大量的能量被導入，精確地說，既導入導體又導入線纜的屏，這將導 致線纜被毀壞(燒壞)。
發明內容
本發明的基礎是對初始描述的裝置進行設計使得短路的效果能夠被明顯地減小 這一目的。 根據本發明，這一 目的通過下述特征實現，屏包括超導材料，其電阻值在正常導電 狀態下比正常導電狀態下用于導體的材料的電阻值大至少50倍。 當產生短路時，導入線纜的能量導致溫度增加。這一溫度增加和大于額定電流的 短路電流導致屏和導體的超導材料從超導狀態變化為正常導電狀態。因為其具有高電阻 值，所以屏然后承載可以忽略的電流，由此其喪失其屏蔽作用。導體的磁場因此可幾乎沒有 任何阻礙地傳播。這直接導致導體電感的明顯增加，也就是說，其電阻增加。流過導體的短 路電流因此明顯并且快速地受到限制。由于已知線纜中的高短路電流產生的加熱被對應地 減小。 限制短路電流的效果可通過額外地將包括鐵磁材料的層裝配在所述屏外部而得 以增強。 可用于諸如此類的層的鐵磁材料是具有大于10的相對導磁率P r的所有材料。布 置在所述屏外部的鐵磁材料的層進入短路情況下由線纜中的導體產生的磁場，并且導致導體電感的進一步增加，也就是說，其電阻進一步增加。包括鐵磁材料的層的這一效果通過超 導線纜為交流線纜時產生在其中的再磁化損失而進一步增強。另外，鐵磁材料屏蔽外部的 線纜的導體的磁場。因此，對于位于低溫控制器外部的裝置，電磁干涉幾乎不可能出現。另 外，作用在附近的其他線纜相(cable phase)上的力被減小。 包括鐵磁材料的層可布置在低溫控制器的外周上。在這種情況下，低溫控制器的 外管能夠有利地本身包括鐵磁材料。具有高相對導磁率Pr的材料優選地用作鐵磁材料。 不僅可使用具有高滯后損失的材料，而且也可使用具有低滯后損失的材料，取決于短路電 流情況下所需的線纜性能。包括鐵磁材料的層也是導電的，與所有金屬材料相同的方式。因 此，可在可源自于線纜中的導體的交變磁場的影響下通過磁性滯后和渦流電流加熱。但是， 在該裝置的優選實施例中，該加熱產生在低溫控制器外部，由此，線纜本身以及冷卻介質不 會被其加熱。因此加熱較少，所以冷卻次數降低，由此，線纜能夠更快速地被再次使用。所 降低的加熱也降低了該裝置中的各個部件的機械載荷。最后，冷卻劑也不會受到鐵磁層的 加熱的影響。因此只需要少量的冷卻能量，所以由于減小的短路電流，所以冷卻裝置的設計 在該裝置的優選實施例中也可得以簡化。 如果具有非常低的滯后損失的材料用于包括鐵磁材料的層，那么該層只被可能由 線纜中的導體產生的任何交變場不明顯地加熱。諸如此的材料有利地具有高相對導磁率 P r。尤其當使用諸如此的材料時，包括鐵磁材料的層也可布置在低溫控制器中。例如，其可 然后直接地環繞線纜屏。在線纜的這一實施例中，低溫控制器的內管也可包括鐵磁材料。
本發明的主題的示例性實施例示出于附圖中，其中 圖l至3示出根據本發明的不同設計的三種結構的剖視圖，采用示意圖的形式。
具體實施例方式
如圖1所示，該裝置包括超導線纜SK和圍繞該超導線纜的低溫控制器KR。另外， 低溫控制器KR封裝一 自由空間FR，冷卻劑，例如氮，在該裝置操作期間通過該自由空間。
該超導電纜SK包括超導體1、環繞該超導體并且用于絕緣的絕緣體2，以及布置在 絕緣體2上方的超導屏3。 該低溫控制器KR由兩個金屬管4和5形成，它們布置成彼此同心，優選地采用鋼 制成并且相對于它們的縱向方向橫向地呈波紋狀從而改善該低溫控制器KR的柔性。真空 絕緣6使用已知的技術裝配在低溫控制器KR的內管4與外管5之間。
導體1和屏3具有超導材料。采用適當的冷卻，它們在線纜SK的操作期間處于超 導狀態。但是，導體1和屏3的材料是不同的，精確地，在正常的傳導狀態，屏的材料的電阻 值比導體1的材料的電阻值大至少50倍。 為此目的，大量的屏3有利地包括摻雜有稀土的氧化超導體材料。 一種這樣的材 料的名稱公知為ReBCO(稀土鋇-銅氧化物)。優選地用于屏3的一種材料為YBC0。
導體1有利地包括BSSCO，以及可能的情況下，電性和機械性穩定，采用銅。因為銀 在BSSC0中的比例高，所以當其處于正常傳導狀態時，導體1具有明顯低于屏3的電阻值。 這一效果也可在ReBC0優選地YBC0與銅的組合用于導體1時實現。
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因為導體1和屏3的材料不同，所以根據本發明的結構如下所述進行操作
在短路的情況下，線纜SK的屏3非常大程度地喪失了其屏蔽作用。由導體1在線 纜SK中產生的磁場因此幾乎沒有任何阻礙地傳播，并且直接導致導體1的電感的明顯增 加，也就是說，導致其電阻的增加。流經導體1的短路電流因此被明顯地并且快速地限制。 由于短路電流而產生的對線纜SK和其周圍區域進行的加熱因此被保持得相對低，由此，短 路已經被校正之后冷卻該結構所消耗的能量相對低。 如圖2和3所示，線纜SK可以額外地具有包括鐵磁材料的層，其布置在屏3的外 部 如圖2所示，采用管形式封閉的并且包括鐵磁材料的層7裝配在低溫控制器KR的 外管5上。該層7位于該裝置的整個長度上并且完全包圍管5的外周。層7因此是以管形 式封閉的護套。在短路情況下，其進入由導體1在線纜SK中產生的磁場并且因此導致導體 1的電感額外地增加，也就是說，其電阻進一步增加。如上所述進一步解釋的效果因此通過 包括鐵磁材料的層7增加。 如果超導線纜SK是交流線纜，那么限制短路電流的效果可通過可產生在包括鐵 磁材料的層7中的再磁化損失而進一步增強。 層7可采用包括鐵磁材料的帶形成，諸如Magn印erm，其纏繞管5并且具有重疊邊 緣。這一材料具有50Hz下y r = 450000的相對導磁率。該層7也可由諸如此的材料的縱 向延伸帶形成，其完全圍繞管5，重疊點沿縱向方向延伸。 包括鐵磁材料的層的壁厚有利地大于0. 1毫米。鐵磁材料的相對導磁率P r為大 于10。 鐵磁材料通常通過高的相對導磁率Pr進行區分。不考慮這一點，鐵磁材料具有
由封閉在B-H圖上的區域形成的滯后損失。這兩個變量都取決于所使用的材料。Pr與滯
后損失之間不存在關聯。 在圖2所示的裝置的一項改進實施例中，代替分離的或額外的層7，低溫控制器KR 的外管5本身也可包括鐵磁材料，例如包括具有處于50Hz下的y r = 1000的相對導磁率 的鋼。包括鎳和鐵以及少量的其他添加劑的合金也是合適的。 重要的因素是包括鐵磁材料的層在所有實施例中布置為超導屏3外部的完全封 閉層，使得其在短路的情況下位于導體1的磁場中。采用圖3所示的對應方式，其也可布置 在低溫控制器KR中并且可作為屏3上的層8，例如在外部。如已經說明的，具有非常低的滯 后損失的材料有利地用于層8，由此，其在短路的情況下僅被不明顯地加熱。層8然后可連 接至與屏3相同的電勢。類似于圖1 ，代替分離層8，低溫控制器KR的內管4也可由鐵磁材 料制成。在采用鐵磁材料的位于低溫控制器KR中的裝置的這一實施例中，流動于導體1中 的短路電流也如圖1所示的裝置那樣受到限制。
權利要求
具有一種超導線纜的裝置，其包括超導體和超導屏，所述超導屏同心地圍繞所述超導體，夾置有電介質，該線纜由低溫控制器環繞，封閉出使得冷卻劑通過的自由空間，該低溫控制器包括兩個金屬管，所述金屬管布置成彼此同心，在其間布置有真空絕緣，其特征在于，所述屏(3)包括超導材料，其電阻值在正常導電狀態下比用于導體(1)的材料在正常傳導狀態下的電阻值大至少50倍。
2. 根據權利要求l所述的裝置，其特征在于，所述屏(3)包括摻有稀土的氧化超導材料。
3. 根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述屏(3)包括YBC0。
4. 根據權利要求l所述的裝置，其特征在于，所述導體(1)包括BSSCO，優選地進行穩 定，采用銅。
5. 根據權利要求l所述的裝置，其特征在于，所述導體(1)包括ReBCO和銅的組合。
6. 根據權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述導體(1)包括YBCO和銅的組合。
7. 根據權利要求1至6任一項所述的裝置，其特征在于，以管的形式封閉的并且包括鐵 磁材料的層(7，8)額外地設置在線纜(SK)的整個長度上的所述屏(3)的外部。
8. 根據權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述鐵磁材料的相對導磁率大于10。
9. 根據權利要求7或8所述的裝置，其特征在于，包括鐵磁材料的層(7)在外部添加至 低溫控制器(KR)的外管(5)。
10. 根據權利要求7或8所述的裝置，其特征在于，所述低溫控制器(KR)的外管(5)包 括鐵磁材料。
11. 根據權利要求7或8所述的裝置，其特征在于，所述鐵磁材料布置在所述低溫控制 器(KR)中。
12. 根據權利要求ll所述的裝置，其特征在于，包括鐵磁材料的層(8)在外部添加至所 述屏(3)。
13. 根據權利要求ll所述的裝置，其特征在于，所述低溫控制器(KR)的內管(4)包括 鐵磁材料。
全文摘要
本發明公開一種具有超導線纜(SK)的裝置，其包括超導導體(1)和同心地圍繞該超導體的超導屏(3)，其間夾置有電介質(2)。該線纜(SK)由低溫控制器(KR)環繞，所述低溫控制器(KR)封閉允許冷卻劑通過的自由空間(FR)，該低溫控制器(KR)包括兩個金屬管(4，5)，所述金屬管相對于彼此同心地布置，在其間布置有真空絕緣。屏(3)包括超導材料，其電阻值在正常導電狀態下比用于正常導電狀態下導體(1)的材料的電阻值大至少50倍。
文檔編號H02G15/34GK101752036SQ200910261449
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月15日 優先權日2008年12月15日
發明者雷納·索伊卡, 馬克·斯泰姆爾 申請人:尼克桑斯公司