直流电流超导电缆的终端结构以及DC超导电缆线路

摘要

本发明公开了一种直流电流超导电缆的终端结构，在于设置在芯材料上的超导层端部从外层到内层以逐步方式露出，并且由常规导电材料制成的输出导体与相应传导层的露出的端部单个地相连接。一种直流电流超导线路，其具有电源，负载以及用于将电功率从电源提供给负载的超导电缆，其中所述超导电缆的至少一端具有上述终端结构，而所述输出导体与一个电源或一个负载的相连接。通过使用上述直流电流超导电缆的终端结构以及直流电流超导电缆线路，使得用单一超导电缆可以实现多电路功率传输，从而获得电流的增加，所需空间的减少以及传输损耗的减少。

说明书

技术领域

本发明涉及一种直流电流(DC)超导电缆的终端结构以及DC超导电缆线路。

背景技术

超导电缆的超导体通常由超导层构成，所述超导层由在芯材料(下文称作“定径管(former)”)周围螺旋缠绕超导线形成。当超导电缆作为直流电流电缆使用时，为了将超导体连于一体或将超导体的端部与由常规导体构成的电线相连接而进行焊接(例如，参照日本专利申请No.10-228933)。一些超导电缆具有由多个超导层构成的多层结构的超导体(例如，见日本专利申请No.10-228933的图3)。在这种情况中，如10-228933专利公报的附图3所示，同时进行焊接使得所有超导层的端部相互导通。

在由多个电源和负载构成的DC电力传输和配送的系统中，多根电缆被连接到各自电源上以形成多个电路，这样导致使用电缆的数量增加。在这种情况中，通过使用超导电缆可以增大电流量以及减少损耗。可是，根据电源的数量必须使用多根电缆，且电缆配线的布置空间是必要的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种直流电流超导电缆的终端结构以及直流电流超导电缆线路，其中使得单一超导电缆传输多个电路的电功率成为可能，以便实现增长电流的传输，所需空间的最小化以及传输损耗的降低。

为了实现上述目的，本发明的直流电流超导电缆具有一个芯材料(即：定径管)，多个超导层，以及由常规导体材料制成的输出导体，其中所述超导层以这样方式围绕所述定径管设置，使得超导层的端部从外层到内层逐步暴露，并且输出导体单个地与超导层中相应的逐步暴露的部分相连接。

输出导体可以单个地与所述超导层的每一层的暴露的端部以这样的方式相连接，使得输出导体在与超导电缆轴向相垂直的方向上延伸。输出导体的一端可以与超导层的暴露的端部相连接，使得输出导体从该处沿超导电缆的轴向方向延伸。

此外，设置一个绝缘固定元件，使得所述芯材料和输出导体被整体固定。由超导材料制成的回流导体层可以设置在电绝缘层的外部，并可在其上设置一个绝缘保护层。

因而，使用本发明的直流电流超导电缆终端结构，可以形成具有电源，负载和用于从电源到负载供给电功率的超导电缆的直流电流超导电缆线路。

在这样的情况中，优选的是超导电缆的至少一端具有上述任一种终端结构，使得每个输出导体与每个电源或负载相连接。

而且，本发明上述的直流电流超导电缆线路可以配有切断装置，其用于在超导电缆的任一超导层被接地时，使接地的超导层与相应电源和负载切断。

同样，超导电缆中设置的层间绝缘可以具有如下的介电强度，在超导多层中的任一层接地时，该介电强度使其他超导层的电压能够得以维持。

附图说明

图1是根据本发明的超导电缆的截面图；

图2是一截面图，示出了在根据本发明超导电缆缆芯的终端部分中定径管和超导层的结构；

图3为示出根据本发明第一实施例的超导电缆终端结构的示意图；

图4为示出根据本发明第二实施例的超导电缆终端结构的示意图；

图5是一示意图，示出采用根据本发明超导电缆的终端结构的电缆线路。

具体实施方式

在下文中，将给出本发明的详细说明。

在附图中，相同的附图标记赋予相同的元件，并且将不再重复对它们的解释。附图中的尺寸比例并不总是和说明书中所描述的相同。图1是根据本发明的超导电缆的横截面图，而图2示出所述超导电缆缆芯中传导体部分的终端结构。图3和图4示意说明了与输出导体连接的所述超导电缆芯的导体元件的终端结构。图5是示出使用该超导电缆的电缆线路结构的示意图，并在附图中给出了关于电缆芯结构的说明。

【超导电缆的整体结构】

超导电缆可以有一根单芯或三根绞合的缆芯。所述超导电缆被容纳于一个热绝缘管中，并在该热绝缘管中填充入冷却剂以获得深冷(cryogenic)温度。所述热绝缘管优选为具有包含波纹状内管和外管的双管结构，其中每个管例如由不锈钢制成，并且在内管和外管之间的空间保持真空状态。

图1是根据本发明一个实施例的超导电缆，其中三根绞合缆芯2容纳于热绝缘管1中。

【热绝缘管】

热绝缘管1具有内管11和外管12构成的双管结构，并在内管11和外管12之间形成热绝缘层13。在热绝缘层13中设置所谓的上绝缘(upperinsulation)，它由一叠层叠的塑料网状体以及金属箔构成。诸如液氮的冷却剂被填充到内管11中。根据需要，围绕热绝缘管1的外围可以设置一个由聚氯乙烯等制成的抗腐蚀层14。

【电缆芯】

要容纳在热绝缘管1中的每个电缆芯2，如图1和5中所示，以从中心列举的顺序设置有一个功能为芯材料的定径管21，一作用为超导体的超导层22，绝缘层23(如图5中所示)，一个电绝缘层24，一回流导体层25，以及一个具有绝缘和机械保护二者功能的绝缘保护层26。

<定径管>

定径管21可以是由绞合金属线制成的实体或由金属管构成的中空体。在中空定径管的情况中，其内部也可以用作冷却剂的通路。实体的定径管例如由绞合铜线制成。因为本发明的超导电缆用于直流电流，所以该铜线不需要设置有一绝缘涂层

<超导层>

超导层22优选由这样的带条制成，该带条由诸如Bi基超导体的氧化物高Tc超导体构成，所述超导层覆盖有银覆层(sheath)。这些条带通过绕定径管21缠绕为多层而构成导体。

<层间绝缘>

超导电缆中的层间绝缘23是通过围绕每个超导层22缠绕牛皮纸而设置的，以使得多个超导层22中的每层都能独立于其他超导层22。层间绝缘23的厚度被设计得足够厚以具有这样的介电强度，即，在任一超导层部分接地时，该介电强度使其他超导层的电压能够得以维持。因而，可以切断流经这样的接地超导层的大电流，使得大电流对其他超导层的功率传输没有影响。

<电绝缘层>

优选地提供具有电绝缘层的超导电缆，以使最外面的超导层的外部覆盖有电绝缘层。电绝缘层24例如通过围绕最外面的超导层22的外周缠绕由层叠塑料薄膜(例如聚丙烯)和牛皮纸构成的复合条带予以形成。

<回流导体层>

回流导体层25通过围绕电绝缘层24的外侧缠绕超导带条形成。这个回流导体层25允许电流沿与流过超导层22的电流方向相反的方向在后面描述的电缆线路中流动，使得磁场不会泄漏到电缆的外部。而且，也具有保护功能的绝缘保护层26围绕回流导体层25的外侧设置。

【电缆的终端结构】

在下文中，将给出关于在具有4个超导层22情况下的电缆终端结构的说明。图2仅示出了电缆芯2端部处的定径管21和超导层22。每个超导层22的端部在电缆的终端元件处单个地与相应的由常规导电材料构成的输出导体3相连接。

<电缆芯的终端结构>

定径管21从超导层22的端部突出。超导层22被构造成使得其端部从内层到外层被逐步暴露。更具体的说，在电缆的端部处，形成在最外面的超导层22上的电绝缘层24，回流导体层25，以及绝缘保护层26分别在给定长度处被去除。

因而，在围绕它去除了电绝缘层24的最外面的超导层22暴露部分处，最外面的超导层以及正好在它下面的层间绝缘23被去除，使得正在其下面的超导层22暴露出来，从被局部去除的电绝缘层24和其他元件的端面以给定的长度突出。

随后，在下一个超导层(即，与已被部分去除的最外层相邻的第二超导层)的暴露部分处，上述的下一个超导层和正好在它下面的层间绝缘被部分去除，使得在它下面相邻的超导层从这种局部去除的最外面超导层的端面以给定的长度露出。以这种方式，每个超导层的端部通过重复上述过程以从外层到内层的顺序来去除超导层以及正好在它下面的层间绝缘的端部，而以给定的长度逐步露出，再到最内层超导层(即：第四超导层)。

<输出导体的结构>

下面根据图3和4中所示的本发明第一和第二实施例分别描述输出导体3的结构。在每个实施例中，由诸如铜或铝的常规导电材料构成的输出导体3通过与各自相应的超导层22的露出端部单个地焊接而得以连接。

在图3中所示的第一实施例中，形成多个输出导体31(3)，输出导体31的端部与相应超导层22的露出的端部单个地相连接。然后，每个输出导体的另一端部从相应的超导层22的暴露部分、以相对超导电缆轴向的成直角的方式伸出。在此情况下，相应的输出导体31如图3所示平行延伸。

图4中所示第二实施例的输出导体32(3)由多个不同尺寸的管状(或分开成半圆的管状)输出导体32构成。输出导体32的一端与相应的超导层22的露出的端部以这样的方式相连接，使得管状体一个在另一个上同心地设置。然后，输出导体32的另一端沿电缆的轴向方向延伸。输出导体32与所述超导层22的露出部分相连接，使得内部超导层与具有更小直径的输出导体以从小到大的顺序逐步被连接。

为了沿超导电缆轴向延伸输出导体，由导线而不是由管状体构成的输出导体的一个端部可以单个地与超导层的每个露出的端部相连接。

而且，每个输出导体32的端部逐渐露出，使得其外表面从里面一个到外面一个逐步露出。这样的结构使得其他导体与所述输出导体32的端部容易连接成为可能。

<支撑定径管和输出导体的结构>

定径管21和输出导体3由绝缘固定元件4整体支撑。绝缘固定元件4由绝缘树脂材料制成并被构造使得在输出导体3之间，输出导体3和其他超导层之间电绝缘，而超导层22和输出导体3相连接，并且在定径管21和输出导体3之间电绝缘。通过用绝缘固定元件4支撑定径管21和输出导体3可以固定超导电缆的终端。另外，用绝缘固定元件支撑芯材料以及输出导体改善了超导电缆终端结构的强度。优选地，绝缘固定元件具有这样的结构，使输出导体之间，以及输出导体和没有与输出导体相连接的超导层之间绝缘。

【电缆线的结构】

当多个电源布置在超导电缆端部的一侧时，每个电源与一个输出导体相连接，所述输出导体与该侧上相应超导层的端部单个地连接。同样，当多个负载被布置在超导电缆另一端那侧上时，每个负载与一个输出导体相连接，该输出导体与该侧上超导层的端部单个地相连接。

在这种情况中，多个电源被设置在超导电路端部的那一侧上，而与相应的电源相对应的负载设置在超导电缆的另一端部那一侧上，每个超导层的两端单独地与相应的输出导体相连接，而电源和相应的负载通过输出导体与一个超导层相连接。

例如，在超导电缆具有一个芯材料、多个超导层、设置在最外面的超导层外部的电绝缘层、设置在电绝缘层外侧的回流导体层、以及绝缘保护层的情况下，单个地与相应超导层端部相连接的输出导体延伸到超导电缆外部。然后，电源分别与相应的输出导体相连接，其中该输出导体与超导电缆的端部相连接。同样，负载分别与相应的输出导体相连接，其中该输出导体与超导电缆的另一端相连接。然后，每个电源和每个负载通过超导电缆的回流导体层相连接。

在这种情况下，因为电流以与流过超导层电流相反的方向在回流导体层中流动，所以可以防止磁场泄漏到电缆外部。每个电源和每个负载共享一个回流导体层作为接地电势(公共电势)。在电缆线路中，所有的电压可以是相同的或不同的。  

参照图5，下文中给出了关于根据本发明实施例的超导电缆的说明。图5中示出的超导电缆线路是使用一个电缆芯2的实施例。

在图5所示的电缆线路中，多个电源5设置在电缆芯2一端部那侧上，而负载6设置在电缆芯另一端那侧上，以使每个负载对应一个电源5。电缆芯2的每个超导层22的两端分别与输出导体3单个地相连接，而每个输出导体3与电源5或负载6相连接。因而，一个电源5通过一个超导层22以及与其连接的输出导体3和相应的负载连接。回流导体层通过另外的导体与所有电源5和所有负载6相连接。

通过使用电缆芯2的超导层22和回流导体层25构成一闭环电路。在本实施例中的闭环电路所使用的所有电压可以是相同或不同的。在电缆线路中，设置切断装置7，以便如果电缆芯2的一个超导层22接地，它能够与电源5和负载6切断。在此，描述“超导电缆的超导层被接地”意指由于检查、出现故障等而电源或负载被接地。

优选地，切断装置被设置在电缆的两端。在此情况下，接地的超导层可以通过使用切断装置而从电源和负载上切断。例如，切断装置可构造成，将电压表或电流表设置在超导层的两端，并设置基于电压表或电流表的测量结果工作的继电器。可设置电熔丝，来替代继电器。

例如，图5中所示的切断装置是通过在与超导层22任一端相连接的输出导体3中设置电压表(未示出)或电流表(未示出)，并通过设置根据所述电压表或电流表测量结果工作的继电器71来构造的。电压表测量继电器71两侧的电压。电流表测量继电器71两侧的电流。在超导层被接地的情况下，接地的超导层由切断装置7从电源和负载上切断，以保护其它的超导层。

如上所述，通过使用本发明的直流电流超导电缆的终端结构，以及直流电流超导电缆线路的结构可以构成具有一个电缆芯的多个电路。而且，因为使用超导电缆，所以能够降低功率传输损耗。因此，性能价格比是极好的并且能减少所需的空间。而且，通过设置回流导体层可以防止磁场泄漏到电缆的外部，在所述回流导体层中，使得电流相对于流过超导层的电流反向流动。