新颖的超导制品及其形成和应用方法
专利名称：新颖的超导制品及其形成和应用方法
技术领域：
本发明一般地涉及超导部件或超导体部件，更具体地涉及一种新颖的超导带、装有该超导带的电力部件、以及该超导带的使用和制造方法。
背景技术：
超导体材料早已被技术人员所知并了解。自从1911年一来，人们一直知道的是在需要使用液氦的温度下(4.2K)才具有超导性质的低温(低Tc)超导体。然而，直到最近才发现了氧化物基高温(高Tc)超导体。在大约1986年，发现了第一种在高于液氮温度(77°K)下具有超导性质的高温超导体(HTS)，即YBa2Cu3O7-x(YBCO)，其后，在过去的15年中开发出了包括Bi2Sr2Ca2Cu3O10+y(BSCCO)等的其它材料。高Tc超导体的发展带来了一些开发使用这些材料的经济上可行的超导体部件的趋势，这部分是由于使用的这些超导体液氮设备成本上低于使用液氦的较昂贵的低温设备。
在无数的可能用途中，工业中已在研究这些材料在电力工业中的应用，包括在发电、输电、配电和电力储存中的应用。在这方面，估计铜质商业电力部件的固有电阻会在电力中造成很大的损失，因此，电力工业立足于在输配电电缆、发电机、变压器和故障电流断流器之类的电力设备中使用高温超导体，以获得显著的效率。另外，高温超导体在电力工业中的其它优点包括与常规技术相比使电力处理容量的数值提高1到2个数量级，显著减小电力设备的尺寸(即覆盖面积(footprint))，减小对环境的影响，更为安全。尽管高温超导体的这些潜在的优点十分引人注目，但是要大规模制造高温超导体并将其商业化，仍然存在许多技术难题。
在高温超导体商业化的众多难题中，许多难题是关于可用来形成各种电力部件的超导带的制造。第一代HTS带包括使用上述BSCCO高温超导体。这种材料通常制成不连续的细丝，这些细丝被嵌埋在贵金属(通常是银)基质中。尽管这些导体可制成电力工业应用所需的很长的长度(例如约几公里)，但是由于材料和制造成本的限制，这种带仍然无法在商业上实用。
因此，大量注意力集中在具有较好商业可行性的所谓第二代HTS带上。这些带通常依赖层状结构，该层状结构通常包括提供机械支撑的柔性基材、至少一层覆盖在基材上的缓冲层(该缓冲层任选地包括多重膜)、覆盖在缓冲膜上的HTS层和覆盖在HTS层上的电稳定层，所述电稳定层通常由至少一种贵金属制成。然而，迄今为止，在将这种第二代带完全商业化之前，还有许多工程难题和制造难题有待解决。
因此，根据前文，在超导体领域中还有各种需求，特别是提供商业可行的超导带、形成该超导带的方法和使用这种超导带的电力部件。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供一种超导制品，该超导制品包括基材，覆盖在基材上的缓冲层，覆盖在缓冲层上的超导体层和覆盖在超导体层上的电镀稳定剂层。根据一具体的特征，所述稳定层主要由非贵金属，例如铜、铝以及它们的合金和混合物形成。可在稳定层和超导体层之间提供贵金属遮盖层。所述电镀的稳定层可覆盖在基材两个相对主表面中的一个之上，或覆盖在两个主表面上，或可完全包封住基材、缓冲层和超导体层。该制品可为较高长宽比的带的形式。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用来形成超导带的方法，该方法包括提供基材，沉积覆盖了基材的缓冲层，和沉积了超导体层覆盖缓冲层。另外，通过电镀来沉积覆盖了超导体层的稳定层。
根据本发明另一方面，提供一种包括多个超导带的电力电缆，所述超导带根据上述本发明第一个方面制造。
根据本发明另一方面，提供一种包括初级绕组和次级绕组的电力变压器，至少一个绕组包括根据本发明第一个方面制造的超导带的线绕线圈。
根据本发明的另一方面，提供一种发电机，该发电机包括与转子相联的轴，转子包括包含转子线圈的电磁铁，发电机还包括定子，定子包括围绕转子的导体绕组。转子线圈和/或导体绕组包括通常根据上述本发明第一方面的超导带。
根据本发明的另一方面，提供一种电力网，电力网包括许多个用于发电、输电和配电的部分。即电力网包括发电站(发电站包括发电机)、输电变电所和许多条用来从输电变电所输送电力的输电电缆，所述输电变电所包括许多个用来接受来自发电站的电力，并升高电压用于输送的电力变压器。输电变电所从输电电缆接收电力，从而进行配电，输电变电所包括多个用来降低电压用于配电的电力变压器，还包括多条用来向用户配电的配电电缆。根据本发明这个方面的具体特征，至少一种上述电力网元件包括许多根根据上述本发明第一方面提供的超导带。
本发明的另一方面提供了一种布设电力电缆的方法，有时也通常称为″拉″电缆。这种方法需要提供电力电缆线圈，在将电力电缆插入导管的同时展开线圈，管道为地下通用性管道。电力电缆的结构如上所述，即包括根据本发明第一个方面的超导带。
附图摘要参照附图，本领域技术人员能够清楚地了解本发明，并使本发明的大量目标、特点和优点对本领域技术人员显而易见。
图1显示根据本发明一实施方式的HTS导电带。
图2显示根据本发明另一实施方式的HTS带的截面图，其中整个超导带被电镀的稳定层包封。
图3是根据本发明另一实施方式的双面HTS导电带的截面图。
图4显示根据本发明一实施方式的电镀过程。
图5显示电流过载试验的结果。
图6显示用来评价HTS带临界电流过载影响的测试的结果。
图7和图8显示装有超导带的电力电缆。
图9显示根据本发明一个方面的电力变压器。
图10显示根据本发明一个方面的发电机。
图11显示根据本发明另一个方面的电力网。
不同附图中相似或相同的部分用相同的数字表示。
发明实施方式来看图1，图中显示了根据本发明一实施方式的HTS导体的大体层状结构。HTS导体包括基材10，覆盖着基材10的缓冲层12a，HTS层14a，然后是遮盖层16a(通常为贵金属层)和稳定层18a(通常为非贵金属)。
基材10一般是金属基的，通常为至少两种金属元素的合金。
特别合适的基材材料包括镍基金属合金，例如已知的因科镍合金类的合金。因科镍合金具有所需的热学性质、化学性质和机械性质，包括膨胀系数、热导率、居里温度、拉伸强度、屈服强度和延伸率。这些金属通常可以以卷绕带的形式购得，特别适用来制造HTS带，制造HTS带时通常采用卷筒到卷筒的(reel-to-reel)的带加工。
基材10通常为长宽比很大的带状结构。例如，带宽通常约为0.4-10厘米，带长通常至少约为100米，更通常约大于500米。实际上，本发明实施方式所提供超导带的基材10的长度约为1公里或更长。因此，基材可具有相当大的长宽比，不小于103，乃至不小于104。某些实施例更大，长宽比为105或更大。在本文中，术语‘长宽比’表示基材或带的长度与其次长的尺寸(基材或带的宽度)之比。
在一实施方式中，对基材进行处理，使其具有随后沉积HTS带各组成层所需的表面性质。例如，对表面进行轻微的抛光，以达到所需的平整度和表面糙度。另外，可通过例如已知RABiTS(辊辅助的双轴织构(texured)的基材)技术处理基材，在双轴上形成织构，这对本领域技术人员是可以理解的。
现在来看缓冲层12a，该缓冲层可以是单层，或者更通常由多重膜构成。最典型地讲，缓冲层包括双轴有织构的膜，这种膜的晶体织构通常沿膜平面内或膜平面外的晶轴排列。可通过IBAD形成这种双轴织构。本领域技术人员可理解，IBAD是离子束辅助沉积的首字母缩写，这种技术可有益地用来形成适当有织构的缓冲层，将这种有织构的缓冲层用来随后形成具有所需晶体取向的HTS层，以获得优良的超导性质。氧化镁是IBAD膜通常选用的材料，可为50-500，例如50-200。根据美国专利第6190752号所定义和描述的，IBAD膜具有岩盐状晶体结构，所述专利文献引入本文作为参考。
缓冲层可包括其它的层，例如介于IBAD膜和基材之间，并与这二者直接接触的隔离膜。在这点上，隔离膜宜由氧化钇之类的氧化物形成，用来将基材与IBAD膜隔开。隔离膜也可由氮化硅和碳化硅之类的非氧化物形成。合适的沉积隔离膜的方法包括化学蒸气沉积和包括溅射的物理气相沉积。通常隔离膜的厚度约为100-200。另外，缓冲层也可包括形成在IBAD膜上面的外延生长膜。关于这一点，外延生长膜能够有效地增加IBAD膜的厚度，希望主要用与IBAD层相同的材料(例如MgO)制成。
在使用MgO基IBAD膜和/或外延膜的实施方式中，MgO材料和超导体层的材料之间会存在晶格失配。因此，缓冲层还可包括另一层缓冲膜，特别通过该缓冲膜来减小HTS层与下面的IBAD膜和/或外延膜之间的晶格常数失配。该缓冲膜可由YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)钌酸锶、锰酸镧之类的材料形成，通常由钙钛矿结构的陶瓷材料形成。可通过各种物理蒸气沉积技术沉积缓冲膜。
尽管前文主要集中于通过IBAD之类的织构形成法在缓冲积层中实现双轴织构形成膜，但是，也可在基材表面本身上形成双轴织构。在此情况下，缓冲层通常在有织构的基材上外延生长，以保持在缓冲层中的双轴形成织构。一种形成双轴有织构的基材的方法是本领域中称为RABiTS(辊辅助双轴有织构的基材)的方法，该方法在本领域是被普遍理解的。
所述高温超导体(HTS)层14a通常选自任何在高于液氮温度77K下具有超导性质的高温超导材料。这些材料可包括例如YBa2Cu3O7-x、Bi2Sr2Ca2Cu3O10+y、Ti2Ba2Ca2Cu3O10+y和HgBa2Ca2Cu3O8+y。一类材料包括REBa2Cu3O7-x，其中RE是稀土元素。在前述材料中，优选使用通常被称为YBCO的YBa2Cu3O7-x。HTS层14a可由包括厚膜形成技术和薄膜形成技术的任意一种方法形成。优选可将脉冲激光沉积(PLD)之类的薄膜物理蒸气沉积技术用于高沉积速率，或将化学蒸汽沉积技术用于较低成本和较大表面积的处理中。通常，HTS层的厚度约为1-30微米，更通常约为2-20微米，例如约为2-10微米，以达到HTS层14a所需的电流额定值。
通常用遮盖层16a和稳定层18a进行电稳定化，帮助防止HTS在实际使用中发生“燃烧”。具体地讲，当冷却发生故障或超过临界电流密度、因而HTS层不处于超导状态而具有电阻时，层16a和18a帮助电荷连续流过HTS导体。通常将贵金属用作遮盖层16a来防止一层或多层稳定层与HTS层14a之间发生不希望有的相互作用。通常贵金属用金、银、铂和钯。由于银成本低而便于加工，通常使用银。通常将遮盖层16a制成足够厚，以防稳定层18a的组分向HTS层14a发生不希望的扩散，但是为了降低成本(原料和加工成本)，通常将其制得很薄。遮盖层16a的厚度通常约为0.1-10.0微米，例如约为0.5-5.0微米。可通过各种技术沉积遮盖层16a，包括直流磁控管溅射之类的物理蒸气沉积。
根据本发明实施方式的具体特征，使用稳定层18a来覆盖超导体层14a，具体地讲以图1所示具体实施方式
覆盖遮盖层16a，并与遮盖层16a直接接触。稳定层18a作为保护层/分流层以提高对严酷环境条件的稳定性和超导淬灭。这种层通常是致密而又是热导性和电导性的，用来在超导体层失败时分流电流。通常，使用焊剂或焊料之类的中间结合材料将预形成的铜带层叠到超导带上，形成这些层。其它技术主要为物理蒸气沉积，通常为溅射。然而，这些应用技术成本很高，并非特别适用于商业大规模生产操作。根据实施方式的具体特征，稳定层18通过电镀形成。根据该技术，可以用电镀在超导带上快速形成材料厚层，电镀法是一种成本较低的方法，可以有效地制造导热金属和导电金属的致密层。根据一个特征，沉积稳定层时不需要依赖和使用中间结合层(例如熔点约低于300℃的焊料层(包括焊剂))。
通常将超导带浸没在包含需要沉积的金属的离子溶液中来进行电镀(也称为电沉积)。带的表面与外部电源相连，电流通过表面进入溶液，使金属离子(Mz-)与电子(e-)发生反应形成金属(M)。
Mz-+e-=M遮盖层16a作为在其上沉积铜的晶种层。在具体的电镀稳定剂金属的情况下，通常将超导带浸入含铜离子的溶液(例如，硫酸铜溶液)中。建立与遮盖层16a的电连接，电流通过其中，在遮盖层16a的表面上发生反应。遮盖层16a在溶液中作为阴极，使金属离子还原为Cu金属原子沉积在带上。另一方面，在溶液中置入含铜的阳极，在阳极发生氧化反应，使铜离子进入溶液，然后再发生还原沉积在阴极上。
在没有副反应的情况下，电解过程中输送到导体表面的电流与沉积金属的量成正比(法拉第电解定律)。通过这种关系，可以很容易地控制形成稳定层18a的质量，从而控制其厚度。
尽管前文通常是就铜而言，但是应当注意也可使用其它金属，包括铝、银、金和其它导热性和导电性金属。然而，通常需要是用非贵金属来减少形成超导带的总材料成本。
尽管前文的描述和图1描述了通过电镀在超导带的一侧形成稳定层18a，但是应注意也可在超导带相反的主表面上进行涂布，实际上，可对整个结构进行涂布而将该结构包封起来。关于这一点，来看图2。
图2是显示本发明另一实施方式的截面图，其中整个超导带都被第一稳定层18a和位于超导带相对主表面的第二稳定层18b包封，第一稳定层18a和第二稳定层18b在超导带的侧表面结合在一起，通常形成凸起的侧面或侧桥20a和20b。在制冷发生故障、超导猝灭(superconductivity quench)等情况下，需要这种特殊的结构来进一步提高电流和进一步保护HTS层14a。通过形成第一稳定层18a和第二稳定层18b，使所沉积稳定层的横截面积加倍，从而使载流能力获得提高。可通过侧桥部分20a和20b在稳定层18a和18b之间提供电连续性。在此方面，可需要侧桥部分20a和20b具有真的曲率半径，即形成凸面，从而可以进一步减少HTS电力设备处于高压时的电荷积累。另外，对于适用于基材10的导电材料，可通过如图2所示进行包封来提供更高的载流能力。即在带的侧面延伸并形成带的侧面的侧桥部分可为基材本身提供电连接，可以增加涂布导体(带)的载流能力。
尽管图2未显示，通常需要在整个超导带上、特别是在超导带侧面上沉积贵金属层，将超导体层14a与侧桥部分20a和20b的材料(可以是上述铜或铝之类的非贵金属)进行隔离。
图3显示了本发明另一实施方式。该实施方式与图2所似的结构有些类似，但是形成双面结构，该结构包括分别覆盖着基材10第一表面11a和11b的第一缓冲层12和第二缓冲层12b。另外，在第一遮盖层16a和第二遮盖层16b上添加第一超导体层14a和第二超导体层14b。这种特别的结构通过在基材两侧都涂布超导体层14a和14b，从而能够有益地进一步提供载流能力。
图4示例性地显示根据本发明一实施方式的电镀法。通常通过卷筒到卷筒的法进行电镀，在此方法中，超导带从进料卷32进入，由卷绕卷筒盘34将超导带卷取，从而使超导带通过电镀液27。此时带通过多个辊26。可使辊带负电荷，从而使一层或多层遮盖层和/或基材带有负电荷，用来电解沉积溶液中所提供的金属离子。图4中的实施方式显示了用于双面沉积的两个阳极28和30，但是也可以用一个阳极28来进行单面电镀。如上讨论，电镀液27通常包含电镀所需种类的金属离子。例如在铜的具体情况下，该溶液可以是包含硫酸铜和硫酸的硫酸铜溶液。阳极28、30提供电镀所需的原料金属，可以简单地由高纯铜板形成。应当注意虽然可以对辊26施加电偏压(bias)，从而偏压超导带，但也可在溶液浴外施加偏压，以减少在辊本身上发生不希望有的金属沉积。
在一个具体实施例中，使用上述的电镀技术。具体来说，通过直流磁控管溅射将银溅射在样品上，形成3微米厚的遮盖层。将这些样品置于硫酸铜溶液中，并施加偏压，使遮盖层形成阴极，阳极为铜板。进行电镀，形成公称厚度约为40微米的铜层。下文描述了对这种样品的测试。
即，对1厘米宽、4厘米长、1.7微米厚、临界电流Ic约为111A的YBCO HTS层施加326A的电流负载。对样品进行过载，收集的电压数据如图5所示。在326A记录的电压为44.4毫伏，这相当于3.6瓦/平方厘米的热耗散，低于在液氮冷却条件下的临界热通量密度5-20瓦/平方厘米。这说明这种涂布了50微米稳定层的导体可在液氮中传导高于326A的电流而不发生“燃烧”。在没有稳定剂的情况下，在326A的设定功率耗散高于62.5千瓦/平方厘米。上文说明电镀的稳定层能作为强分流层来保护超导膜，防止其在过载时发生燃烧。
在过载之后对样品施加第二次负载。如图6所示，曲线显示在过载前和过载后Ic相同，约为111A。前文说明HTS带即使在过载之后仍保持其临界电流。
为使稳定层具有足够的载流能力，通常稳定层的厚度约为1-1000微米，最通常约为10-400微米，例如约为10-200微米。
具体实施方式
的公称厚度约为40-50微米。
离开超导带的具体结构，图7和图8显示了在商业电力部件即电力电缆中使用的超导带。图7显示了一些在地下管道40中延伸的电力电缆42，所述管道40可为塑料管或钢管。为清楚起见，图7还显示了地面41。如图所示，一些电力电缆可通过管道40。
再来看图8，图中显示了一种电力电缆的具体结构。为了提供冷却，使超导电力电缆保持在超导状态，通过液氮导管44将液氮通入电力电缆。提供一个或多个HTS46带来覆盖导管44。将带以螺旋方式置于导管44上，使带螺旋环绕在导管44上。其它部件包括铜罩48、用来将这些部件介电分离的介电带、第二HTS带52、具有多股中心金属线56的铜罩54、更大的第二液氮导管58、用来辅助保持低温状态的热绝缘材料60、用于支撑结构的波纹钢管62(包括滑线64)和外壳66。
图9示例性地显示了电力变压器，该变压器具有周围绕着初级绕组72和次级绕组74的中心芯子(central core)76。应当注意图9实际上是示意图，本领域技术人员很容易理解，变压器的实际结构可以发生变化。然而，这种变压器包括基本的初级绕组和次级绕组。关于这一点，在图9所示的实施方式中，初级绕组的线圈数多于次级绕组74，这表示能够将输入电力信号的电压降低的降压变压器。相反的，如果初级绕组的线圈数少于次级线圈，则会发生电压升高。关于这一点，通常在输电变电所使用升压变压器提高电压，以减少长距离输送过程中的电能损失，而在配电变电所使用降压变压器将电力分配给用户。所述初级绕组和次级绕组中的至少一个绕组、优选两个绕组皆包括根据上文描述的超导带。
现在来看图10，图10显示了发电机的基本结构。发电机包括与轴84相连、用来旋转驱动转子86的涡轮82。转子86包括转子线圈形成的高强度电磁铁，电磁铁用来产生发电所需的电磁场。通过流体流动的作用使涡轮82旋转，从而使轴84和转子86也发生旋转，对于水力发电机，所述流体是水，对于核能发电机、柴油发电机或燃煤发电机，所述流体是蒸汽。由于产生了电磁场，在包括至少一个导电绕组的定子88中产生电能。根据实施方式的一个具体特征，所述转子线圈和定子绕组中的至少一个中包括根据上述实施方式的超导带。通常，至少转子线圈包括超导带，能够有效降低磁滞损耗。
现在来看图11，图11显示了电力网的基本示意图。电力网110基本上包括通常具有多台发电机的发电厂90。发电厂90通常与输电变电所94位于同一位置，并与其电连接。输电变电所通常有多台升压电力变压器，这些变压器用来将所产生电力的电压升高。通常，所产生电力的电压为几千伏，输电变电所将电压升高至100000至1000000伏，用以降低线路损失。传输距离通常为50至1000英里，输电电缆96将电力输送经过这些距离。输电电缆96将电力输送到多个变电所98(图10中仅显示1个)。变电所通常有多台降压变压器，将传输电平电压(transmission level voltage)从较高的电压降低至配电电压，通常约低于10000伏。还可以以网络状形式配置更多的变电所，在局部的区域内为用户进行局部配电。然而，为了简便起见，图中仅显示了一个变电所，注意可以用串联方式提供一些下游变电所。然后通过配电电缆100将配电电压的电力输送给用户102，包括商业用户和民用用户。还应注意可以为单个或一组用户区域性地提供一个变压器。根据一个具体特征，所述发电站90中的发电机、变压器和输电变电所、输电电缆、变电所的变压器和配电电缆中的至少一项可以使用根据本说明书的超导带。
尽管在本文中已经具体描述了本发明的一些具体方面，但是本领域普通技术人员很容易理解可以在权利要求书范围之内对其进行修改。
权利要求
1.一种超导制品，其包括基材；覆盖着基材的缓冲层；覆盖着缓冲层的超导体层；以及覆盖着超导体层的电镀稳定剂层。
2.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述电镀稳定剂层包含非贵金属。
3.如权利要求2所述的超导制品，其特征在于，所述非贵金属包括选自下组的材料铜、铝以及它们的合金。
4.如权利要求3所述的超导制品，其特征在于，所述非贵金属包括铜。
5.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述电镀稳定剂层基本上由非贵金属组成。
6.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述缓冲层包括双轴晶体织构的膜，这种膜具有在膜平面内和膜平面外通常都对齐排列的晶体。
7.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述缓冲层包括隔离膜。
8.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述超导制品还包括位于电镀稳定剂层和超导体层之间的贵金属层。
9.如权利要求8所述的超导制品，其特征在于，所述贵金属层包含银。
10.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述超导体层包含高温超导材料，该高温超导材料的临界温度Tc不低于约77°K。
11.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述超导体材料包含REBa2Cu3O7-x，其中RE为稀土元素。
12.如权利要求11所述的超导制品，其特征在于，所述超导体材料包含YBa2Cu3O7。
13.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述电镀稳定剂层的厚度范围为约1-1000微米。
14.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述电镀稳定剂层的厚度范围为约10-200微米。
15.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述制品为超导带的形式。
16.如权利要求15所述的超导制品，其特征在于，所述基材的长宽比不小于103。
17.如权利要求15所述的超导制品，其特征在于，所述基材的长宽比不小于104。
18.如权利要求15所述的超导制品，其特征在于，所述基材包括相对的第一表面和第二表面，所述电镀稳定剂层包括分别覆盖基材的相对的第一表面和第二表面的第一电镀稳定剂层和第二电镀稳定剂层。
19.如权利要求18所述的超导制品，其特征在于，所述第一电镀稳定剂层和第二电镀稳定剂层延伸以形成超导带的第一侧表面和第二侧表面，并包封超导带。
20.如权利要求19所述的超导制品，其特征在于，所述的第一和第二电镀稳定剂层沿超导制品的至少一部分侧表面形成凸起的形状。
21.如权利要求15所述的超导制品，其特征在于，所述超导制品具有双面结构，所述基材具有彼此相对的第一表面和第二表面，所述缓冲层包括分别覆盖着基材第一表面和第二表面的第一缓冲层和第二缓冲层，所述超导体层包括分别覆盖着第一缓冲层和第二缓冲层的第一超导体层和第二超导体层，以及所述电镀稳定剂层包括分别覆盖着第一超导体层和第二超导体层的第一电镀稳定剂层和第二电镀稳定剂层。
22.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述电镀稳定剂层是在不掺入粘合层的情况下粘合电镀稳定剂层的。
23.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述电镀稳定剂层是在不掺入焊接层的情况下粘合的。
24.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述制品为电力电缆，该电力电缆包括多条超导带，各超导带包括所述基材、所述缓冲层、所述超导体层和所述电镀稳定剂层。
25.如权利要求24所述的超导制品，其特征在于，所述超导制品还包括用于通过冷却剂流体的导管。
26.如权利要求25所述的超导制品，其特征在于，所述超导带缠绕在导管周围。
27.如权利要求24所述的超导制品，其特征在于，所述电力电缆包括输电电缆。
28.如权利要求24所述的超导制品，其特征在于，所述电力电缆包括配电电缆。
29.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述制品为电力变压器，该电力变压器包括初级绕组和次级绕组，所述初级绕组和次级绕组中的至少一个包括超导带绕线型线圈，该超导带包括所述基材、所述缓冲层、所述超导体层和所述电镀稳定剂层。
30.如权利要求29所述的超导制品，其特征在于，所述次级绕组的绕组数比初级绕组少，以降低电压。
31.如权利要求29所述的超导制品，其特征在于，所述初级绕组的绕组数比次级绕组少，以升高电压。
32.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述制品为发电机，该发电机包括与转子相连的轴，所述转子包括包含转子线圈的电磁铁；还包括定子，所述定子包括围绕着转子的导体绕组，其中所述绕组和转子线圈中的至少一个包括超导带，该超导带包括所述基材、所述缓冲层、所述超导体层和所述电镀稳定剂层。
33.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述制品为电力网，该电力网包括包括发电机的发电站；输电变电所，所述变电所包括多台用来接受来自发电站的电力、并升高电压用来输送的电力变压器；多条用来从输电变电所输送电力的输电电缆；用来接受来自输电电缆的电力的变电所，所述变电所包括多台用来降低电压以便配电的电力变压器；以及多条用来向终端用户配电的配电电缆，其中所述配电电缆、输电电缆、变电所变压器，输电变电所变压器和发电机中的至少一项包括多条超导带，各超导带包括所述基材、所述缓冲层、所述超导体层和所述电镀稳定剂层。
34.一种形成超导带的方法，其包括提供基材；沉积覆盖基材的缓冲层；沉积覆盖缓冲层的超导体层；以及电镀覆盖超导体层的稳定层。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述电镀是使超导带通过电镀液来进行的，且对超导带施加偏压以形成阴极，在溶液中提供阳极。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述稳定层包含非贵金属。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述非贵金属包括铜。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述溶液包含硫酸铜。
39.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述超导带以卷筒到卷筒的方式通过溶液。
40.如权利要求34所述的方法，其特征在于，通过进行电镀使稳定层覆盖在基材的一侧。
41.如权利要求34所述的方法，其特征在于，通过进行电镀使稳定层覆盖在基材的相对的第一侧和第二侧。
42.如权利要求34所述的方法，其特征在于，通过进行电镀使稳定层包封基材、缓冲层和超导体层。
43.一种布设电力电缆的方法，其包括提供一卷电力电缆，该电力电缆包括多条超导带，各超导带包括基材、覆盖着基材的缓冲层、覆盖着缓冲层的超导体层以及覆盖着超导体层的电镀稳定剂层；在将电力电缆送入管道的同时展开线卷，其中所述管道为地下公用管道。
全文摘要
揭示了一种超导带(1)，该超导带包括基材(10)，覆盖着基材(10)的缓冲层(12a)，覆盖着缓冲层(12a)的超导体层(14a)，覆盖着超导体层(14a)的隔离层(16a)以及覆盖着隔离层(16a)的电镀稳定剂层(18a)。还揭示了一种装有超导带的制品，以及其制造和使用方法。
文档编号H01F6/00GK1813317SQ200480018114
公开日2006年8月2日 申请日期2004年6月25日 优先权日2003年6月27日
发明者李喜均, 谢义元 申请人:美国超能公司
技术领域：
本发明一般地涉及超导部件或超导体部件，更具体地涉及一种新颖的超导带、装有该超导带的电力部件、以及该超导带的使用和制造方法。
背景技术：
超导体材料早已被技术人员所知并了解。自从1911年一来，人们一直知道的是在需要使用液氦的温度下(4.2K)才具有超导性质的低温(低Tc)超导体。然而，直到最近才发现了氧化物基高温(高Tc)超导体。在大约1986年，发现了第一种在高于液氮温度(77°K)下具有超导性质的高温超导体(HTS)，即YBa2Cu3O7-x(YBCO)，其后，在过去的15年中开发出了包括Bi2Sr2Ca2Cu3O10+y(BSCCO)等的其它材料。高Tc超导体的发展带来了一些开发使用这些材料的经济上可行的超导体部件的趋势，这部分是由于使用的这些超导体液氮设备成本上低于使用液氦的较昂贵的低温设备。
在无数的可能用途中，工业中已在研究这些材料在电力工业中的应用，包括在发电、输电、配电和电力储存中的应用。在这方面，估计铜质商业电力部件的固有电阻会在电力中造成很大的损失，因此，电力工业立足于在输配电电缆、发电机、变压器和故障电流断流器之类的电力设备中使用高温超导体，以获得显著的效率。另外，高温超导体在电力工业中的其它优点包括与常规技术相比使电力处理容量的数值提高1到2个数量级，显著减小电力设备的尺寸(即覆盖面积(footprint))，减小对环境的影响，更为安全。尽管高温超导体的这些潜在的优点十分引人注目，但是要大规模制造高温超导体并将其商业化，仍然存在许多技术难题。
在高温超导体商业化的众多难题中，许多难题是关于可用来形成各种电力部件的超导带的制造。第一代HTS带包括使用上述BSCCO高温超导体。这种材料通常制成不连续的细丝，这些细丝被嵌埋在贵金属(通常是银)基质中。尽管这些导体可制成电力工业应用所需的很长的长度(例如约几公里)，但是由于材料和制造成本的限制，这种带仍然无法在商业上实用。
因此，大量注意力集中在具有较好商业可行性的所谓第二代HTS带上。这些带通常依赖层状结构，该层状结构通常包括提供机械支撑的柔性基材、至少一层覆盖在基材上的缓冲层(该缓冲层任选地包括多重膜)、覆盖在缓冲膜上的HTS层和覆盖在HTS层上的电稳定层，所述电稳定层通常由至少一种贵金属制成。然而，迄今为止，在将这种第二代带完全商业化之前，还有许多工程难题和制造难题有待解决。
因此，根据前文，在超导体领域中还有各种需求，特别是提供商业可行的超导带、形成该超导带的方法和使用这种超导带的电力部件。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供一种超导制品，该超导制品包括基材，覆盖在基材上的缓冲层，覆盖在缓冲层上的超导体层和覆盖在超导体层上的电镀稳定剂层。根据一具体的特征，所述稳定层主要由非贵金属，例如铜、铝以及它们的合金和混合物形成。可在稳定层和超导体层之间提供贵金属遮盖层。所述电镀的稳定层可覆盖在基材两个相对主表面中的一个之上，或覆盖在两个主表面上，或可完全包封住基材、缓冲层和超导体层。该制品可为较高长宽比的带的形式。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用来形成超导带的方法，该方法包括提供基材，沉积覆盖了基材的缓冲层，和沉积了超导体层覆盖缓冲层。另外，通过电镀来沉积覆盖了超导体层的稳定层。
根据本发明另一方面，提供一种包括多个超导带的电力电缆，所述超导带根据上述本发明第一个方面制造。
根据本发明另一方面，提供一种包括初级绕组和次级绕组的电力变压器，至少一个绕组包括根据本发明第一个方面制造的超导带的线绕线圈。
根据本发明的另一方面，提供一种发电机，该发电机包括与转子相联的轴，转子包括包含转子线圈的电磁铁，发电机还包括定子，定子包括围绕转子的导体绕组。转子线圈和/或导体绕组包括通常根据上述本发明第一方面的超导带。
根据本发明的另一方面，提供一种电力网，电力网包括许多个用于发电、输电和配电的部分。即电力网包括发电站(发电站包括发电机)、输电变电所和许多条用来从输电变电所输送电力的输电电缆，所述输电变电所包括许多个用来接受来自发电站的电力，并升高电压用于输送的电力变压器。输电变电所从输电电缆接收电力，从而进行配电，输电变电所包括多个用来降低电压用于配电的电力变压器，还包括多条用来向用户配电的配电电缆。根据本发明这个方面的具体特征，至少一种上述电力网元件包括许多根根据上述本发明第一方面提供的超导带。
本发明的另一方面提供了一种布设电力电缆的方法，有时也通常称为″拉″电缆。这种方法需要提供电力电缆线圈，在将电力电缆插入导管的同时展开线圈，管道为地下通用性管道。电力电缆的结构如上所述，即包括根据本发明第一个方面的超导带。
附图摘要参照附图，本领域技术人员能够清楚地了解本发明，并使本发明的大量目标、特点和优点对本领域技术人员显而易见。
图1显示根据本发明一实施方式的HTS导电带。
图2显示根据本发明另一实施方式的HTS带的截面图，其中整个超导带被电镀的稳定层包封。
图3是根据本发明另一实施方式的双面HTS导电带的截面图。
图4显示根据本发明一实施方式的电镀过程。
图5显示电流过载试验的结果。
图6显示用来评价HTS带临界电流过载影响的测试的结果。
图7和图8显示装有超导带的电力电缆。
图9显示根据本发明一个方面的电力变压器。
图10显示根据本发明一个方面的发电机。
图11显示根据本发明另一个方面的电力网。
不同附图中相似或相同的部分用相同的数字表示。
发明实施方式来看图1，图中显示了根据本发明一实施方式的HTS导体的大体层状结构。HTS导体包括基材10，覆盖着基材10的缓冲层12a，HTS层14a，然后是遮盖层16a(通常为贵金属层)和稳定层18a(通常为非贵金属)。
基材10一般是金属基的，通常为至少两种金属元素的合金。
特别合适的基材材料包括镍基金属合金，例如已知的因科镍合金类的合金。因科镍合金具有所需的热学性质、化学性质和机械性质，包括膨胀系数、热导率、居里温度、拉伸强度、屈服强度和延伸率。这些金属通常可以以卷绕带的形式购得，特别适用来制造HTS带，制造HTS带时通常采用卷筒到卷筒的(reel-to-reel)的带加工。
基材10通常为长宽比很大的带状结构。例如，带宽通常约为0.4-10厘米，带长通常至少约为100米，更通常约大于500米。实际上，本发明实施方式所提供超导带的基材10的长度约为1公里或更长。因此，基材可具有相当大的长宽比，不小于103，乃至不小于104。某些实施例更大，长宽比为105或更大。在本文中，术语‘长宽比’表示基材或带的长度与其次长的尺寸(基材或带的宽度)之比。
在一实施方式中，对基材进行处理，使其具有随后沉积HTS带各组成层所需的表面性质。例如，对表面进行轻微的抛光，以达到所需的平整度和表面糙度。另外，可通过例如已知RABiTS(辊辅助的双轴织构(texured)的基材)技术处理基材，在双轴上形成织构，这对本领域技术人员是可以理解的。
现在来看缓冲层12a，该缓冲层可以是单层，或者更通常由多重膜构成。最典型地讲，缓冲层包括双轴有织构的膜，这种膜的晶体织构通常沿膜平面内或膜平面外的晶轴排列。可通过IBAD形成这种双轴织构。本领域技术人员可理解，IBAD是离子束辅助沉积的首字母缩写，这种技术可有益地用来形成适当有织构的缓冲层，将这种有织构的缓冲层用来随后形成具有所需晶体取向的HTS层，以获得优良的超导性质。氧化镁是IBAD膜通常选用的材料，可为50-500，例如50-200。根据美国专利第6190752号所定义和描述的，IBAD膜具有岩盐状晶体结构，所述专利文献引入本文作为参考。
缓冲层可包括其它的层，例如介于IBAD膜和基材之间，并与这二者直接接触的隔离膜。在这点上，隔离膜宜由氧化钇之类的氧化物形成，用来将基材与IBAD膜隔开。隔离膜也可由氮化硅和碳化硅之类的非氧化物形成。合适的沉积隔离膜的方法包括化学蒸气沉积和包括溅射的物理气相沉积。通常隔离膜的厚度约为100-200。另外，缓冲层也可包括形成在IBAD膜上面的外延生长膜。关于这一点，外延生长膜能够有效地增加IBAD膜的厚度，希望主要用与IBAD层相同的材料(例如MgO)制成。
在使用MgO基IBAD膜和/或外延膜的实施方式中，MgO材料和超导体层的材料之间会存在晶格失配。因此，缓冲层还可包括另一层缓冲膜，特别通过该缓冲膜来减小HTS层与下面的IBAD膜和/或外延膜之间的晶格常数失配。该缓冲膜可由YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)钌酸锶、锰酸镧之类的材料形成，通常由钙钛矿结构的陶瓷材料形成。可通过各种物理蒸气沉积技术沉积缓冲膜。
尽管前文主要集中于通过IBAD之类的织构形成法在缓冲积层中实现双轴织构形成膜，但是，也可在基材表面本身上形成双轴织构。在此情况下，缓冲层通常在有织构的基材上外延生长，以保持在缓冲层中的双轴形成织构。一种形成双轴有织构的基材的方法是本领域中称为RABiTS(辊辅助双轴有织构的基材)的方法，该方法在本领域是被普遍理解的。
所述高温超导体(HTS)层14a通常选自任何在高于液氮温度77K下具有超导性质的高温超导材料。这些材料可包括例如YBa2Cu3O7-x、Bi2Sr2Ca2Cu3O10+y、Ti2Ba2Ca2Cu3O10+y和HgBa2Ca2Cu3O8+y。一类材料包括REBa2Cu3O7-x，其中RE是稀土元素。在前述材料中，优选使用通常被称为YBCO的YBa2Cu3O7-x。HTS层14a可由包括厚膜形成技术和薄膜形成技术的任意一种方法形成。优选可将脉冲激光沉积(PLD)之类的薄膜物理蒸气沉积技术用于高沉积速率，或将化学蒸汽沉积技术用于较低成本和较大表面积的处理中。通常，HTS层的厚度约为1-30微米，更通常约为2-20微米，例如约为2-10微米，以达到HTS层14a所需的电流额定值。
通常用遮盖层16a和稳定层18a进行电稳定化，帮助防止HTS在实际使用中发生“燃烧”。具体地讲，当冷却发生故障或超过临界电流密度、因而HTS层不处于超导状态而具有电阻时，层16a和18a帮助电荷连续流过HTS导体。通常将贵金属用作遮盖层16a来防止一层或多层稳定层与HTS层14a之间发生不希望有的相互作用。通常贵金属用金、银、铂和钯。由于银成本低而便于加工，通常使用银。通常将遮盖层16a制成足够厚，以防稳定层18a的组分向HTS层14a发生不希望的扩散，但是为了降低成本(原料和加工成本)，通常将其制得很薄。遮盖层16a的厚度通常约为0.1-10.0微米，例如约为0.5-5.0微米。可通过各种技术沉积遮盖层16a，包括直流磁控管溅射之类的物理蒸气沉积。
根据本发明实施方式的具体特征，使用稳定层18a来覆盖超导体层14a，具体地讲以图1所示具体实施方式
覆盖遮盖层16a，并与遮盖层16a直接接触。稳定层18a作为保护层/分流层以提高对严酷环境条件的稳定性和超导淬灭。这种层通常是致密而又是热导性和电导性的，用来在超导体层失败时分流电流。通常，使用焊剂或焊料之类的中间结合材料将预形成的铜带层叠到超导带上，形成这些层。其它技术主要为物理蒸气沉积，通常为溅射。然而，这些应用技术成本很高，并非特别适用于商业大规模生产操作。根据实施方式的具体特征，稳定层18通过电镀形成。根据该技术，可以用电镀在超导带上快速形成材料厚层，电镀法是一种成本较低的方法，可以有效地制造导热金属和导电金属的致密层。根据一个特征，沉积稳定层时不需要依赖和使用中间结合层(例如熔点约低于300℃的焊料层(包括焊剂))。
通常将超导带浸没在包含需要沉积的金属的离子溶液中来进行电镀(也称为电沉积)。带的表面与外部电源相连，电流通过表面进入溶液，使金属离子(Mz-)与电子(e-)发生反应形成金属(M)。
Mz-+e-=M遮盖层16a作为在其上沉积铜的晶种层。在具体的电镀稳定剂金属的情况下，通常将超导带浸入含铜离子的溶液(例如，硫酸铜溶液)中。建立与遮盖层16a的电连接，电流通过其中，在遮盖层16a的表面上发生反应。遮盖层16a在溶液中作为阴极，使金属离子还原为Cu金属原子沉积在带上。另一方面，在溶液中置入含铜的阳极，在阳极发生氧化反应，使铜离子进入溶液，然后再发生还原沉积在阴极上。
在没有副反应的情况下，电解过程中输送到导体表面的电流与沉积金属的量成正比(法拉第电解定律)。通过这种关系，可以很容易地控制形成稳定层18a的质量，从而控制其厚度。
尽管前文通常是就铜而言，但是应当注意也可使用其它金属，包括铝、银、金和其它导热性和导电性金属。然而，通常需要是用非贵金属来减少形成超导带的总材料成本。
尽管前文的描述和图1描述了通过电镀在超导带的一侧形成稳定层18a，但是应注意也可在超导带相反的主表面上进行涂布，实际上，可对整个结构进行涂布而将该结构包封起来。关于这一点，来看图2。
图2是显示本发明另一实施方式的截面图，其中整个超导带都被第一稳定层18a和位于超导带相对主表面的第二稳定层18b包封，第一稳定层18a和第二稳定层18b在超导带的侧表面结合在一起，通常形成凸起的侧面或侧桥20a和20b。在制冷发生故障、超导猝灭(superconductivity quench)等情况下，需要这种特殊的结构来进一步提高电流和进一步保护HTS层14a。通过形成第一稳定层18a和第二稳定层18b，使所沉积稳定层的横截面积加倍，从而使载流能力获得提高。可通过侧桥部分20a和20b在稳定层18a和18b之间提供电连续性。在此方面，可需要侧桥部分20a和20b具有真的曲率半径，即形成凸面，从而可以进一步减少HTS电力设备处于高压时的电荷积累。另外，对于适用于基材10的导电材料，可通过如图2所示进行包封来提供更高的载流能力。即在带的侧面延伸并形成带的侧面的侧桥部分可为基材本身提供电连接，可以增加涂布导体(带)的载流能力。
尽管图2未显示，通常需要在整个超导带上、特别是在超导带侧面上沉积贵金属层，将超导体层14a与侧桥部分20a和20b的材料(可以是上述铜或铝之类的非贵金属)进行隔离。
图3显示了本发明另一实施方式。该实施方式与图2所似的结构有些类似，但是形成双面结构，该结构包括分别覆盖着基材10第一表面11a和11b的第一缓冲层12和第二缓冲层12b。另外，在第一遮盖层16a和第二遮盖层16b上添加第一超导体层14a和第二超导体层14b。这种特别的结构通过在基材两侧都涂布超导体层14a和14b，从而能够有益地进一步提供载流能力。
图4示例性地显示根据本发明一实施方式的电镀法。通常通过卷筒到卷筒的法进行电镀，在此方法中，超导带从进料卷32进入，由卷绕卷筒盘34将超导带卷取，从而使超导带通过电镀液27。此时带通过多个辊26。可使辊带负电荷，从而使一层或多层遮盖层和/或基材带有负电荷，用来电解沉积溶液中所提供的金属离子。图4中的实施方式显示了用于双面沉积的两个阳极28和30，但是也可以用一个阳极28来进行单面电镀。如上讨论，电镀液27通常包含电镀所需种类的金属离子。例如在铜的具体情况下，该溶液可以是包含硫酸铜和硫酸的硫酸铜溶液。阳极28、30提供电镀所需的原料金属，可以简单地由高纯铜板形成。应当注意虽然可以对辊26施加电偏压(bias)，从而偏压超导带，但也可在溶液浴外施加偏压，以减少在辊本身上发生不希望有的金属沉积。
在一个具体实施例中，使用上述的电镀技术。具体来说，通过直流磁控管溅射将银溅射在样品上，形成3微米厚的遮盖层。将这些样品置于硫酸铜溶液中，并施加偏压，使遮盖层形成阴极，阳极为铜板。进行电镀，形成公称厚度约为40微米的铜层。下文描述了对这种样品的测试。
即，对1厘米宽、4厘米长、1.7微米厚、临界电流Ic约为111A的YBCO HTS层施加326A的电流负载。对样品进行过载，收集的电压数据如图5所示。在326A记录的电压为44.4毫伏，这相当于3.6瓦/平方厘米的热耗散，低于在液氮冷却条件下的临界热通量密度5-20瓦/平方厘米。这说明这种涂布了50微米稳定层的导体可在液氮中传导高于326A的电流而不发生“燃烧”。在没有稳定剂的情况下，在326A的设定功率耗散高于62.5千瓦/平方厘米。上文说明电镀的稳定层能作为强分流层来保护超导膜，防止其在过载时发生燃烧。
在过载之后对样品施加第二次负载。如图6所示，曲线显示在过载前和过载后Ic相同，约为111A。前文说明HTS带即使在过载之后仍保持其临界电流。
为使稳定层具有足够的载流能力，通常稳定层的厚度约为1-1000微米，最通常约为10-400微米，例如约为10-200微米。
具体实施方式
的公称厚度约为40-50微米。
离开超导带的具体结构，图7和图8显示了在商业电力部件即电力电缆中使用的超导带。图7显示了一些在地下管道40中延伸的电力电缆42，所述管道40可为塑料管或钢管。为清楚起见，图7还显示了地面41。如图所示，一些电力电缆可通过管道40。
再来看图8，图中显示了一种电力电缆的具体结构。为了提供冷却，使超导电力电缆保持在超导状态，通过液氮导管44将液氮通入电力电缆。提供一个或多个HTS46带来覆盖导管44。将带以螺旋方式置于导管44上，使带螺旋环绕在导管44上。其它部件包括铜罩48、用来将这些部件介电分离的介电带、第二HTS带52、具有多股中心金属线56的铜罩54、更大的第二液氮导管58、用来辅助保持低温状态的热绝缘材料60、用于支撑结构的波纹钢管62(包括滑线64)和外壳66。
图9示例性地显示了电力变压器，该变压器具有周围绕着初级绕组72和次级绕组74的中心芯子(central core)76。应当注意图9实际上是示意图，本领域技术人员很容易理解，变压器的实际结构可以发生变化。然而，这种变压器包括基本的初级绕组和次级绕组。关于这一点，在图9所示的实施方式中，初级绕组的线圈数多于次级绕组74，这表示能够将输入电力信号的电压降低的降压变压器。相反的，如果初级绕组的线圈数少于次级线圈，则会发生电压升高。关于这一点，通常在输电变电所使用升压变压器提高电压，以减少长距离输送过程中的电能损失，而在配电变电所使用降压变压器将电力分配给用户。所述初级绕组和次级绕组中的至少一个绕组、优选两个绕组皆包括根据上文描述的超导带。
现在来看图10，图10显示了发电机的基本结构。发电机包括与轴84相连、用来旋转驱动转子86的涡轮82。转子86包括转子线圈形成的高强度电磁铁，电磁铁用来产生发电所需的电磁场。通过流体流动的作用使涡轮82旋转，从而使轴84和转子86也发生旋转，对于水力发电机，所述流体是水，对于核能发电机、柴油发电机或燃煤发电机，所述流体是蒸汽。由于产生了电磁场，在包括至少一个导电绕组的定子88中产生电能。根据实施方式的一个具体特征，所述转子线圈和定子绕组中的至少一个中包括根据上述实施方式的超导带。通常，至少转子线圈包括超导带，能够有效降低磁滞损耗。
现在来看图11，图11显示了电力网的基本示意图。电力网110基本上包括通常具有多台发电机的发电厂90。发电厂90通常与输电变电所94位于同一位置，并与其电连接。输电变电所通常有多台升压电力变压器，这些变压器用来将所产生电力的电压升高。通常，所产生电力的电压为几千伏，输电变电所将电压升高至100000至1000000伏，用以降低线路损失。传输距离通常为50至1000英里，输电电缆96将电力输送经过这些距离。输电电缆96将电力输送到多个变电所98(图10中仅显示1个)。变电所通常有多台降压变压器，将传输电平电压(transmission level voltage)从较高的电压降低至配电电压，通常约低于10000伏。还可以以网络状形式配置更多的变电所，在局部的区域内为用户进行局部配电。然而，为了简便起见，图中仅显示了一个变电所，注意可以用串联方式提供一些下游变电所。然后通过配电电缆100将配电电压的电力输送给用户102，包括商业用户和民用用户。还应注意可以为单个或一组用户区域性地提供一个变压器。根据一个具体特征，所述发电站90中的发电机、变压器和输电变电所、输电电缆、变电所的变压器和配电电缆中的至少一项可以使用根据本说明书的超导带。
尽管在本文中已经具体描述了本发明的一些具体方面，但是本领域普通技术人员很容易理解可以在权利要求书范围之内对其进行修改。
权利要求
1.一种超导制品，其包括基材；覆盖着基材的缓冲层；覆盖着缓冲层的超导体层；以及覆盖着超导体层的电镀稳定剂层。
2.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述电镀稳定剂层包含非贵金属。
3.如权利要求2所述的超导制品，其特征在于，所述非贵金属包括选自下组的材料铜、铝以及它们的合金。
4.如权利要求3所述的超导制品，其特征在于，所述非贵金属包括铜。
5.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述电镀稳定剂层基本上由非贵金属组成。
6.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述缓冲层包括双轴晶体织构的膜，这种膜具有在膜平面内和膜平面外通常都对齐排列的晶体。
7.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述缓冲层包括隔离膜。
8.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述超导制品还包括位于电镀稳定剂层和超导体层之间的贵金属层。
9.如权利要求8所述的超导制品，其特征在于，所述贵金属层包含银。
10.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述超导体层包含高温超导材料，该高温超导材料的临界温度Tc不低于约77°K。
11.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述超导体材料包含REBa2Cu3O7-x，其中RE为稀土元素。
12.如权利要求11所述的超导制品，其特征在于，所述超导体材料包含YBa2Cu3O7。
13.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述电镀稳定剂层的厚度范围为约1-1000微米。
14.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述电镀稳定剂层的厚度范围为约10-200微米。
15.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述制品为超导带的形式。
16.如权利要求15所述的超导制品，其特征在于，所述基材的长宽比不小于103。
17.如权利要求15所述的超导制品，其特征在于，所述基材的长宽比不小于104。
18.如权利要求15所述的超导制品，其特征在于，所述基材包括相对的第一表面和第二表面，所述电镀稳定剂层包括分别覆盖基材的相对的第一表面和第二表面的第一电镀稳定剂层和第二电镀稳定剂层。
19.如权利要求18所述的超导制品，其特征在于，所述第一电镀稳定剂层和第二电镀稳定剂层延伸以形成超导带的第一侧表面和第二侧表面，并包封超导带。
20.如权利要求19所述的超导制品，其特征在于，所述的第一和第二电镀稳定剂层沿超导制品的至少一部分侧表面形成凸起的形状。
21.如权利要求15所述的超导制品，其特征在于，所述超导制品具有双面结构，所述基材具有彼此相对的第一表面和第二表面，所述缓冲层包括分别覆盖着基材第一表面和第二表面的第一缓冲层和第二缓冲层，所述超导体层包括分别覆盖着第一缓冲层和第二缓冲层的第一超导体层和第二超导体层，以及所述电镀稳定剂层包括分别覆盖着第一超导体层和第二超导体层的第一电镀稳定剂层和第二电镀稳定剂层。
22.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述电镀稳定剂层是在不掺入粘合层的情况下粘合电镀稳定剂层的。
23.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述电镀稳定剂层是在不掺入焊接层的情况下粘合的。
24.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述制品为电力电缆，该电力电缆包括多条超导带，各超导带包括所述基材、所述缓冲层、所述超导体层和所述电镀稳定剂层。
25.如权利要求24所述的超导制品，其特征在于，所述超导制品还包括用于通过冷却剂流体的导管。
26.如权利要求25所述的超导制品，其特征在于，所述超导带缠绕在导管周围。
27.如权利要求24所述的超导制品，其特征在于，所述电力电缆包括输电电缆。
28.如权利要求24所述的超导制品，其特征在于，所述电力电缆包括配电电缆。
29.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述制品为电力变压器，该电力变压器包括初级绕组和次级绕组，所述初级绕组和次级绕组中的至少一个包括超导带绕线型线圈，该超导带包括所述基材、所述缓冲层、所述超导体层和所述电镀稳定剂层。
30.如权利要求29所述的超导制品，其特征在于，所述次级绕组的绕组数比初级绕组少，以降低电压。
31.如权利要求29所述的超导制品，其特征在于，所述初级绕组的绕组数比次级绕组少，以升高电压。
32.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述制品为发电机，该发电机包括与转子相连的轴，所述转子包括包含转子线圈的电磁铁；还包括定子，所述定子包括围绕着转子的导体绕组，其中所述绕组和转子线圈中的至少一个包括超导带，该超导带包括所述基材、所述缓冲层、所述超导体层和所述电镀稳定剂层。
33.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述制品为电力网，该电力网包括包括发电机的发电站；输电变电所，所述变电所包括多台用来接受来自发电站的电力、并升高电压用来输送的电力变压器；多条用来从输电变电所输送电力的输电电缆；用来接受来自输电电缆的电力的变电所，所述变电所包括多台用来降低电压以便配电的电力变压器；以及多条用来向终端用户配电的配电电缆，其中所述配电电缆、输电电缆、变电所变压器，输电变电所变压器和发电机中的至少一项包括多条超导带，各超导带包括所述基材、所述缓冲层、所述超导体层和所述电镀稳定剂层。
34.一种形成超导带的方法，其包括提供基材；沉积覆盖基材的缓冲层；沉积覆盖缓冲层的超导体层；以及电镀覆盖超导体层的稳定层。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述电镀是使超导带通过电镀液来进行的，且对超导带施加偏压以形成阴极，在溶液中提供阳极。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述稳定层包含非贵金属。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述非贵金属包括铜。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述溶液包含硫酸铜。
39.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述超导带以卷筒到卷筒的方式通过溶液。
40.如权利要求34所述的方法，其特征在于，通过进行电镀使稳定层覆盖在基材的一侧。
41.如权利要求34所述的方法，其特征在于，通过进行电镀使稳定层覆盖在基材的相对的第一侧和第二侧。
42.如权利要求34所述的方法，其特征在于，通过进行电镀使稳定层包封基材、缓冲层和超导体层。
43.一种布设电力电缆的方法，其包括提供一卷电力电缆，该电力电缆包括多条超导带，各超导带包括基材、覆盖着基材的缓冲层、覆盖着缓冲层的超导体层以及覆盖着超导体层的电镀稳定剂层；在将电力电缆送入管道的同时展开线卷，其中所述管道为地下公用管道。
全文摘要
揭示了一种超导带(1)，该超导带包括基材(10)，覆盖着基材(10)的缓冲层(12a)，覆盖着缓冲层(12a)的超导体层(14a)，覆盖着超导体层(14a)的隔离层(16a)以及覆盖着隔离层(16a)的电镀稳定剂层(18a)。还揭示了一种装有超导带的制品，以及其制造和使用方法。
文档编号H01F6/00GK1813317SQ200480018114
公开日2006年8月2日 申请日期2004年6月25日 优先权日2003年6月27日
发明者李喜均, 谢义元 申请人:美国超能公司
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