超导电缆运作方法和超导电缆系统的制作方法
专利名称：超导电缆运作方法和超导电缆系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种运作超导电缆的方法和一种超导电缆系统，并且更加具体地讲，涉及一种无需额外电缆即可提供增加的容量的超导电缆的运作方法。
背景技术：
使用普通传导电缆的一条输送路径是由多个用来调和故障的回路组成的(例如，非专利文献1)。例如，一条路径可以由三个回路组成，在这种情况下，由全部回路提供的最大传输容量可以是3E，此时各条电缆回路的最大容量是1.5E，从而在一个回路由于故障而不可用的情况下，剩下的两个回路仍然能够提供3E的传输容量。
基本上，当希望增加一个地区的电力需量时，与所增加的需量相配的电力的传输仅能够通过安装额外的电缆来实现。
非专利文献1IIZUKA，Kihachiro，《电缆技术手册，新版(Power CableTechnology Handbook，New Edition)》，Denkishoin Co.，Ltd.，1989年3月25日，第一版，第14-17页。
发明内容
本发明解决的问题使用普通导电电缆的传统运作暴露出下述问题(1)电缆架设的超裕度设计会造成电缆架设的成本增加。
用于普通导电电缆的传统技术在正常运作期间使用三个回路能够实现3E的传输容量，每回路的传输容量是E。不过，对故障时传输容量的考虑要求每电缆的设计容量是1.5E，这会在设计中带来多于针对正常容量进行的设计的工作量。这会造成电缆架设成本的增加。
(2)额外的电缆可能不容易安装在某些国家，新安装具有预定值或更高值的电压的传输线可能需要居住在安装点附近的居民的同意。在这样的情况下，即使当期望增加电力需量的时候，也无法很容易地安装附加的电缆，造成适应得到增加的需量很困难，并且如果额外安装得到允许，自然需要工程费用。
考虑到上述问题，本发明的主要目的是提供一种运作超导电缆的方法，这种方法能够以便宜的方式调节传输容量，而不用电缆架设的超裕度设计或额外的电缆。
本发明的另一个目的是提供一种适于实现上述方法的超导电缆系统。
为了实现上述目的，本发明采用了用可变制冷剂温度代替保持恒定温度的超导电缆。
根据本发明的运作超导电缆的方法使用由制冷剂冷却的导体来传输电力，其特征在于，改变制冷剂温度来改变超导电缆的传输容量。
在超导电缆的传统研发中，重点强调的是保持恒定的制冷剂温度，以稳定导体的超导状态。不过，超导材料具有临界电流随着温度降低而增大的属性，如附图3的曲线图所示。这个曲线图表示临界电流Ic与Ic0的比值(Ic/Ic0)与温度成反比，Ic0是77K下的临界电流，其中改变Bi2223超导材料的温度。就是说，对于正常工作期间的特定制冷剂温度(TO)，可以将制冷剂温度降低得低于TO，以增大超导电缆得传输容量，反之，可以将制冷剂温度升高到TO以上，以降低传输容量。这样，通过改变制冷剂温度，可以改变超导电缆的传输容量。
这种可变传输容量可以通过多种不同的模式得到利用。一种模式涉及增大电力需量的情况，在这种情况下，可以将制冷剂温度降低到正常工作的温度以下，以增大超导电缆的传输容量，从而提供与增加的电力需量相配的电力传输。
在某些国家，新安装具有预定值或更大的电压的传输线可能需要在安装点附近居住的居民同意，从而在希望增大电力需量的时候，可能不太容易安装额外的电缆，并且当安装额外的电缆得到允许的时候，也需要大量的费用和时间。本发明的方法可以利用已有的超导电缆进行传输，而不需要额外的电缆，从而花费很少的费用和很短的时间就可以增大功率容量。
在电力需量降低的情况下，也可以通过升高制冷剂温度来降低超导电缆的传输容量。这能够降低冷却超导电缆的成本并且因此能够降低运用超导电缆所需的成本。
当然，还可以将降低和升高制冷剂温度有策略地结合起来，在这种情况下，可以监测与超导电缆相连的负载的电力需量，并且可以根据电力需量的增大/降低，降低/升高制冷剂的温度，以增大/降低功率容量。
利用可变传输容量的另一种模式涉及多个超导电缆回路之一发生故障以致不能在故障回路上进行传输的情况，在这种情况下，可以将剩余(多个)良好回路的传输容量增大到故障之前的以上。更加具体地讲，当多个超导电缆回路之一故障时，可以将(多个)未发生故障的良好回路的制冷剂温度降低到发生故障之前的温度以下，从而增大(多个)良好回路的传输容量。(多个)良好回路在故障发生之后传输的电力大于由(多个)良好回路在故障发生之前传输的相应容量。
例如，假设有三个超导电缆回路并且各个回路的传输容量是E，则一般情况下容量为3E的传输是可能的。当超导电缆回路之一发生故障并且变得不可用的时候，在恒定制冷剂温度下的运作应该仅能够实现容量为2E的传输。鉴于此，可以将剩下的两个良好回路的制冷剂温度降低，以将良好回路的传输容量增大到故障之前的水平以上(2E以上)，从而实现更大的功率(电流)容量。
对于上面提到的模式，可以通过数种途径来提供可变制冷剂温度。
一种途径包括首先使用具有高冷却能力的制冷机来冷却制冷剂。例如，如果制冷剂是液氮，并且制冷剂的正常工作温度TO略低于其沸点，则制冷机仅需要具有维持TO所需的能力。当电力需量增加或故障回路要求增加超导电缆的传输容量时，需要将制冷剂冷却到不高于TO的温度。为了实现这个目的，制冷机能够基本上冷却到制冷剂的沸点之下。当将制冷剂冷却到沸点以下时，它会凝固并且无法进行循环输送。因而，制冷机仅需具有基本上冷却到制冷剂的沸点的能力。
另外，制冷剂可以是可更换的，在这种情况下，沸点较高的制冷剂可以由另一种沸点较低的制冷剂替换，并且可以使用具有基本上冷却到等于或低于沸点较高的制冷剂的沸点的能力的制冷机。例如，当在使用液氮作为沸点较高的制冷剂的工作期间要增大传输容量时，该制冷剂可以用液态空气(即，沸点较低的制冷剂)来替换，并且可以将制冷剂温度降低到用液氮工作时的温度以下。这种途径能够实现在较宽的范围内调节制冷剂温度，从而传输容量可以得到更宽的改变。
这种制冷剂更换(可能会花费几天时间)更加适于例如预先迎合预期的电力需量的未来增加而增大超导电缆的传输容量，而不太适合通过增大良好回路的传输容量来应对多个回路之一发生故障。
此外，当多个回路之一发生故障时，同样可以利用故障回路使用的制冷机来冷却用于(多个)良好回路的制冷剂。更加具体地讲，当有多个超导电缆回路、每个回路具有它自己的用来冷却制冷剂的制冷机并且回路之一发生故障时，用于故障回路的制冷机和用于(多个)良好回路的制冷机都可以用来将(多个)良好回路所用的制冷剂冷却到低于故障之前的温度。这种途径的前提是，故障回路用的制冷机仍然可用，而该回路中的超导电缆因故障而不可用。例如，当三个超导电缆回路之一变得不可用时，所有回路用的制冷机，即，三个制冷机，可以用来冷却剩下两个良好回路用的制冷剂，从而实现更加有效的制冷剂冷却。
在上述任何一种情况下，制冷剂可以是任何能够冷却到将导体保持在超导状态下所需的温度的流体。特别是，优选是沸点和凝固点之间的差异较大的材料，因为通过在将制冷剂保持在液态下的同时改变制冷剂的温度，这些材料使得超导电缆的传输容量能够在较宽的范围内得到改变。沸点和凝固点之间的差异理想地是5℃或更大，更加优选的是10℃或更大。一般情况下，可以使用液氮、液态空气、液氢、液氖、液氦或液氧。尤其是，液态空气具有大约79K的沸点和55K的凝固点，并且沸点和凝固点之间表现出很大的差异，并且具有低于液氮(沸点为大约77K，凝固点为大约63K)的凝固点，因此是用来增大超导电缆的传输容量的优选制冷剂。应当注意，本文标出的任何沸点和凝固点都是大气压下测得的值。
使用本发明的方法的超导电缆系统的一个方面的特征在于超导电缆；冷却机构，冷却由超导电缆使用的制冷剂；循环输送机构，向超导电缆循环输送由冷却机构冷却的制冷剂；和制冷剂温度控制机构，根据与超导电缆相连的负载的电力需量调节制冷剂的温度。
冷却机构可以是冷却制冷剂的制冷机。一般来说，循环输送机构可以是泵。制冷剂温度控制机构可以具有负载电流检测构件和温度控制构件，温度控制构件根据检测构件测得的负载电流控制冷却机构中的温度。
使用本发明的方法的超导电缆系统的另一个方面的特征在于多个超导电缆；冷却机构，冷却由相应超导电缆使用的制冷剂；循环输送机构，向超导电缆循环输送由冷却机构冷却的制冷剂；和制冷剂通路切换机构，当超导电缆之一变得不可用时，该机构阻断制冷剂向不可用超导电缆的供应并且使得制冷剂向剩余的良好超导电缆供应。
制冷剂通路切换机构可以包括提供冷却机构的制冷剂流出端的超导电缆与循环输送机构的制冷剂流入端的超导电缆之间的连通制冷剂通路的管道和设置在所述管道上或沿着它的延伸设置的用来阻断制冷剂向不可用的超导电缆供应的阀门。
如上所述，本发明的运作超导电缆的方法能够以便宜的方式实现电缆传输容量的调节并且无需电缆架设的超裕度设计或额外的电缆。
此外，本发明的超导电缆系统适于实现上述方法。
图1是本发明的超导电缆系统的示意图；图2是附图1的线路中使用的超导电缆的横截面图；图3是表示临界电流比与超导体的温度成反比的曲线图；图4表示负载电流检测构件和温度控制构件。
附图标记说明10骨架，20导电层，30电绝缘层，40磁屏蔽层，50保护层，60绝热管，61内波纹管，62外波纹管，70防腐层，110、120、130超导电缆，211-213制冷机，221-223泵，231-233、241-243、251、252、261-263阀门，271-273负载电流检测构件，281-283温度控制构件具体实施方式
下面介绍本发明的实施方式。在介绍本发明的运作超导电缆的方法之前，将首先介绍其中可以应用本发明的方法超导电缆线。
附图1中给出了本发明的超导电缆线的示意图。参照附图1，该线包括三个超导电缆回路110、120和130以及循环输送要供应给超导电缆回路110、120和130的制冷剂的冷却系统。虽然在附图1中没有示出，但超导电缆110、120和130具有一个与电源相连的终端和与负载相连的另一端。
(超导电缆)附图2表示在附图1的线路中的回路中使用的三芯一体超导电缆的横截面图。参照附图2，该电缆是由包容在绝热管内的三根芯构成的。一个电缆回路由三个相构成，每一相相当于一根芯。每根芯包括(从中心向外)骨架10、导电层20、电绝缘层30、磁屏蔽层40和保护层50，其中导电层20和磁屏蔽层40是由超导线制成的。
<骨架(former)>
骨架10可以是由绞缠金属线制成的实心骨架，或者也可以是空心骨架，可以使用金属管作为空心骨架。实心骨架的一个例子是绞缠在一起的多条铜线。绞缠构成的骨架能够实现交变电流损耗的降低以及由于过载造成的温度增加的最小化。如果使用空心骨架，可以将其内部用作制冷剂的通道。
<导电层>
适当的导电层20是具有包覆着银外皮的多条氧化高温超导丝的带线。这里使用的是Bi2223带线。绕着骨架缠绕该带线多层，形成超导层20。超导层20具有对其各个层而不同的超导线缠绕间距。此外，对于它的层中的各个或每个，可以改变缠绕方向，以致在这些层中均一地流过一致的电流。
<层间绝缘层(未示出)>
在导电层20内最里面的超导层与骨架10之间、形成导电层20的各个层之间以及形成磁屏蔽层40的各个层之间设置了层间绝缘层。层间绝缘层是由牛皮纸缠绕导电层20的各层或缠绕磁屏蔽层40的各层构成的。层间绝缘层使得导电层20合磁屏蔽层40的各层彼此电独立。
<电绝缘层>
电绝缘层30是围绕着导电层20设置的。绝缘层30可以由例如牛皮纸与缠绕着导电层20的例如聚丙烯(PPLP(R)，由Sumitomo ElectricIndustries，Ltd.生产)树脂膜层叠构成。
<磁屏蔽层>
交流超导电缆包括设置在绝缘层30外面的磁屏蔽层40，用于屏蔽磁场。磁屏蔽层40是由与导电层所用的超导线类似的超导线缠绕在绝缘层30外面形成的。在磁屏蔽层40内会感生出幅度基本上与导电层20内的电流相等但是方向相反的电流，用来消除外部产生的磁场。
<保护层>
此外，在磁屏蔽层40上设置有保护层50。保护层50用来从机械方面保护磁屏蔽层40及其里面的结构，并且是通过在磁屏蔽层40上缠绕牛皮纸或色带来形成的。
<绝热管>
绝热管60是双管结构的，具有内波纹管61和外波纹管62。一般来说，会在内和外波纹管61和62之间建立一个空间，并且对该空间实施真空。在实施了真空的空间内设置Superinsulation(商标)，用来反射辐射热。内波纹管61和芯限定的空间可以用作制冷剂通道。例如，可以由空心骨架内的空间和内波纹管内的空间形成来和回的制冷剂通道。此外，在外波纹管70上设置了例如聚氯乙烯防腐层70。
(冷却系统)参照附图1，冷却系统包括制冷机211-213，对制冷剂进行冷却；泵221-223，循环输送制冷剂；制冷剂管道系统，将制冷机或泵与超导电缆110、120和130连接起来；和多个阀门231-233、241-243、251、252、261-263，设置在制冷剂管道系统上。
在这个冷却系统中，由制冷机211-213冷却的制冷剂是由泵221-223来移动的，以循环输送到超导电缆110、120和130，用来冷却超导线。这里使用的制冷机211-213和泵221-223的数量与回路的数量相对应。具体来说，使用了三个制冷机211-213和三个泵221-223，每个制冷机通过管道与关联的泵串联连接。在制冷剂流出端从制冷机伸出的管道经由阀门231-233连接到超导电缆110、120和130的一端上，其中制冷机221和阀门231之间、制冷机212和阀门232之间以及制冷机213和阀门233之间的管道是彼此连通的，以在回路之间提供相连的制冷机通路，并且在连接管道上设置了阀门251和252。各个超导电缆110、120和130的另一端与制冷剂流出管道系统相连接，该制冷剂流出管道系统通过阀门261-263汇合在一起，并且引向位于电缆一端的泵。引向泵的汇合管道分为三支，它们经由阀门261-263与各个泵221-223连接。这样，可以在制冷机211-213的制冷剂流出端和泵221-223的制冷剂流入端设置相连的制冷剂通路，从而将由制冷机211-213中的任何一个冷却的制冷剂送往超导电缆回路110-130中的任何一个。
在本例中，制冷剂是液态空气(沸点大约79K，凝固点55K)，并且各个制冷机211-213能够冷却到液态空气的凝固点。
根据需要，可以设置制冷剂温度控制机构，该机构根据与超导电缆110、120和130相连的负载的电力需量调节制冷剂温度。附图4表示构成制冷剂温度控制机构的负载电流检测构件和温度控制构件。参照附图4，普通导电电缆与超电电缆110、120和130的两端相连。负载电流检测构件271、272和273设置在靠近负载的那些普通导电电缆上，用以测量负载电流。负载电流检测构件271、272和273与相应的温度控制构件281、282和283相连。温度控制构件281、282和283根据相应负载电流检测构件271、272和273测得的负载电流的值控制它们的相应制冷机211、212和213中的制冷剂的温度。
注意，在附图4中，制冷机211、212和213与相应的超导电缆110、120和130之间的双线表示制冷剂通路。负载电流检测构件271、272和273与相应的温度控制构件281、282和283之间的单线表示检测信号的通路，而温度控制构件281、282和283与相应制冷机211、212和213之间的单线表示控制信号的通路。
<第一实施方式>
下面将介绍基于与超导电缆相连的负载的电力需量的变化进行运作的方法。
在附图1的线路中，在正常工作期间，制冷机温度稍低于例如77K，并且所有回路都是工作的。在这样的正常工作期间，设置在用于回路的制冷机通路用的相连管道系统上的阀门251和252关闭，而其它的阀门231-233、241-243和261-263全部打开，以使制冷机211-213为它们相应的超导电缆回路110、120和130冷却制冷剂。当负载的电力需量增加时，调节对制冷机211-213设定的温度，以降低制冷剂的温度。例如，从附图3中的曲线图显然可以看出，冷却到大约68K将会导致临界电流1.5倍于正常工作下的临界电流。一般来说，电力是以恒定电压进行传送的。电流容量增加1.5倍因而将传输容量增加了1.5倍。此外，冷却到60K或更低将会导致临界电流两倍于正常工作下的临界电流，使得传输具有更大的容量。
这样，本运作方法降低了制冷剂温度，以致以简单的方式达到了大约两倍于正常工作下的传输容量。尤其是，可以有益地利用现有的超导电缆来增加传输的功率容量，而不用额外的电缆。
此外，当电力需量降低时，可以通过增高制冷剂温度来降低超导电缆的传输容量。虽然这需要超导线能够在升高的制冷剂温度下保持超导状态，但是却可以降低冷却超导电缆的成本，导致运作超导电缆所需的成本降低。
而且，可以测量负载电流Ip，并且可以反复调节制冷剂温度T，以致Ip＝α×Ic(α是容限，此时α＜1)，Ic是超导电缆的临界电流。这种手段在取决于负载电流和临界电流之间的容限的最高可能制冷剂温度下进行运作，以便减小制冷系统上的负荷。当然，制冷剂温度是在液态空气的沸点和凝固点之间加以调节的。
<第二实施方式>
现在，给出一个回路故障而变得不可用并且剩下的良好回路进行传输的情况的说明。假设附图1中所示的三个超导电缆回路之一130故障而变得不可用，并且传输仅能由剩下的两个回路进行。此外还假设，虽然故障回路130中的超导电缆不可用，但是整个冷却系统是良好且可用的。
最初，发生故障之前的正常工作期间的各个阀门的开关状态是和第一当超导电缆130变得不可用时，三个制冷机211-213和三个泵221-223用来向两个良好的回路(超导电缆110和120)供应制冷剂并且将制冷剂冷却到具有充足冷却能力的更低的温度。为了这个目的，将发生故障的回路的制冷剂供应阀门233和制冷剂流出阀门243关闭，以将故障回路与冷却系统隔断，而将相连管道系统上的阀门251和261打开，并且驱动所有的泵221-223来循环输送制冷剂。这样，借助三个制冷机211-213和三个泵221-223对送到两个良好回路中的制冷剂进行冷却/循环输送。
按照这种方法，能够向三个回路供应制冷剂的冷却系统用来向两个回路供应制冷剂，实现了制冷剂的有效冷却。结果，可以很轻松地将制冷剂温度降得低于故障之前，从而实现了良好回路传输容量的增加。例如，当在故障之前各个回路是工作在稍低于77K的制冷剂温度下时，故障之后的良好回路的制冷剂温度可以是大约68K，以确保每个回路的传输容量都是发生故障之前的大约1.5倍，以致两个良好回路能够实现容量与故障之前三个回路的容量相配的传输。
当然，也可以是两个制冷机和两个泵循环输送要供应给两个良好回路的制冷剂，在这种情况下，各个制冷机可以具有为一个回路将制冷剂冷却到容量增加工作状态的温度(大约68K)的能力。在这种情况下，将处于故障回路两端的阀门233和243关闭，以将故障回路与冷却系统隔断。此外，将位于阀门223的制冷剂流入端的阀门263关闭，以将制冷机213和泵223与冷却系统隔断。然后使用制冷机211、212和泵221、222来为超导电缆110、120冷却/循环输送制冷剂。
应当明白，上面公开的实施方式从所有方面来说，仅作说明和举例之用，而不是为了限定。本发明的范围是由权利要求阐明的，而不是上面的说明书，并且本发明的范围是用来覆盖处于与权利要求的思想和范围等价的思想和范围之内的所有修改实施方式。
工业实用性本发明给出了可变的制冷剂温度，用以改变工作期间的超导电缆的传输容量。这样，当希望电力需量增加时，不用额外的电缆即可满足得到增加的需量，或者，当多个回路之一发生故障并且传输仅能由剩下的回路进行时，可以以等于或接近于故障之前的水平的传输容量进行传输。因而，本发明可以在要供应电力的区域中得到有效利用。
权利要求
1.一种运作超导电缆的方法，该超导电缆使用由制冷剂冷却的导体来传输电力，其特征在于，所述制冷剂的温度是按照超导电缆(110，120，130)的传输容量来加以改变的。
2.如权利要求1所述的运作超导电缆的方法，其特征在于，当与超导电缆(110，120，130)相连的负载的电力需量增加时，将制冷剂温度降低，以增加超导电缆(110，120，130)的传输容量，来传输与电力需量相配的电力。
3.如权利要求1所述的运作超导电缆的方法，其特征在于，当与超导电缆(110，120，130)相连的负载的电力需量降低时，将制冷剂温度升高，以降低超导电缆(110，120，130)的传输容量，来传输与电力需量相配的电力。
4.如权利要求1所述的运作超导电缆的方法，其特征在于，有多个超导电缆回路(110，120，130)，并且当其中一个回路发生故障时，将未发生故障的、良好的回路的制冷剂温度降低得低于故障之前的温度，以增加良好回路的传输容量。
5.如权利要求4所述的运作超导电缆的方法，其特征在于，每个回路包括为该回路冷却制冷剂的制冷机(211，212，213)，并且故障回路的制冷机和良好回路的制冷机都用来冷却良好回路的制冷剂，以将温度降低得低于故障之前的温度。
6.如权利要求1所述的运作超导电缆的方法，其特征在于，使用具有基本上冷却到制冷剂的凝固点的能力的制冷机(211，212，213)来在该制冷剂的沸点和凝固点之间改变制冷剂的温度。
7.如权利要求1所述的运作超导电缆的方法，其特征在于，用低凝固点制冷剂替换高凝固点制冷剂，并且使用能够将高凝固点制冷剂基本上冷却到凝固点或以下的制冷机(211，212，213)，并且低凝固点制冷剂的温度在这种制冷剂的沸点和凝固点之间改变。
8.如权利要求1所述的运作超导电缆的方法，其特征在于，制冷剂是液氮、液态空气、液氢、液氖、液氦和液氧之一。
9.一种超导电缆系统，其特征在于超导电缆(110，120，130)；冷却机构(211，212，213)，冷却由超导电缆(110，120，130)使用的制冷剂；循环输送机构(221，222，223)，向超导电缆(110，120，130)循环输送由冷却机构(211，212，213)冷却的制冷剂；和制冷剂温度控制机构(271，272，273，281，282，283)，根据与超导电缆(110，120，130)相连的负载的电力需量调节制冷剂的温度。
10.一种超导电缆系统，其特征在于多个超导电缆(110，120，130)；冷却机构(211，212，213)，冷却由相应超导电缆(110，120，130)使用的制冷剂；循环输送机构(221，222，223)，向超导电缆(110，120，130)循环输送由冷却机构(211，212，213)冷却的制冷剂；和制冷剂通路切换机构(231-233，241-243，251，252，261-263)，当其中一个超导电缆(110，120，130)变得不可用时，该机构阻断制冷剂向不可用的超导电缆供应并且使得制冷剂向剩余的良好超导电缆供应。
全文摘要
一种运作使用由制冷剂冷却的导体来传输回路的超导电缆的方法，引发制冷剂温度的改变，来改变超导电缆(110，120，130)的传输容量。由于超导材料具有随着温度的降低而增大它们的临界电流值的能力，因此可以改变制冷剂温度来改变超导电缆(110，120，130)的传输容量，而不需要电缆架设的超裕度设计或额外的电缆。
文档编号H01B12/16GK1809901SQ20048001728
公开日2006年7月26日 申请日期2004年9月9日 优先权日2003年9月19日
发明者增田孝人, 汤村洋康 申请人:住友电气工业株式会社
技术领域：
本发明涉及一种运作超导电缆的方法和一种超导电缆系统，并且更加具体地讲，涉及一种无需额外电缆即可提供增加的容量的超导电缆的运作方法。
背景技术：
使用普通传导电缆的一条输送路径是由多个用来调和故障的回路组成的(例如，非专利文献1)。例如，一条路径可以由三个回路组成，在这种情况下，由全部回路提供的最大传输容量可以是3E，此时各条电缆回路的最大容量是1.5E，从而在一个回路由于故障而不可用的情况下，剩下的两个回路仍然能够提供3E的传输容量。
基本上，当希望增加一个地区的电力需量时，与所增加的需量相配的电力的传输仅能够通过安装额外的电缆来实现。
非专利文献1IIZUKA，Kihachiro，《电缆技术手册，新版(Power CableTechnology Handbook，New Edition)》，Denkishoin Co.，Ltd.，1989年3月25日，第一版，第14-17页。
发明内容
本发明解决的问题使用普通导电电缆的传统运作暴露出下述问题(1)电缆架设的超裕度设计会造成电缆架设的成本增加。
用于普通导电电缆的传统技术在正常运作期间使用三个回路能够实现3E的传输容量，每回路的传输容量是E。不过，对故障时传输容量的考虑要求每电缆的设计容量是1.5E，这会在设计中带来多于针对正常容量进行的设计的工作量。这会造成电缆架设成本的增加。
(2)额外的电缆可能不容易安装在某些国家，新安装具有预定值或更高值的电压的传输线可能需要居住在安装点附近的居民的同意。在这样的情况下，即使当期望增加电力需量的时候，也无法很容易地安装附加的电缆，造成适应得到增加的需量很困难，并且如果额外安装得到允许，自然需要工程费用。
考虑到上述问题，本发明的主要目的是提供一种运作超导电缆的方法，这种方法能够以便宜的方式调节传输容量，而不用电缆架设的超裕度设计或额外的电缆。
本发明的另一个目的是提供一种适于实现上述方法的超导电缆系统。
为了实现上述目的，本发明采用了用可变制冷剂温度代替保持恒定温度的超导电缆。
根据本发明的运作超导电缆的方法使用由制冷剂冷却的导体来传输电力，其特征在于，改变制冷剂温度来改变超导电缆的传输容量。
在超导电缆的传统研发中，重点强调的是保持恒定的制冷剂温度，以稳定导体的超导状态。不过，超导材料具有临界电流随着温度降低而增大的属性，如附图3的曲线图所示。这个曲线图表示临界电流Ic与Ic0的比值(Ic/Ic0)与温度成反比，Ic0是77K下的临界电流，其中改变Bi2223超导材料的温度。就是说，对于正常工作期间的特定制冷剂温度(TO)，可以将制冷剂温度降低得低于TO，以增大超导电缆得传输容量，反之，可以将制冷剂温度升高到TO以上，以降低传输容量。这样，通过改变制冷剂温度，可以改变超导电缆的传输容量。
这种可变传输容量可以通过多种不同的模式得到利用。一种模式涉及增大电力需量的情况，在这种情况下，可以将制冷剂温度降低到正常工作的温度以下，以增大超导电缆的传输容量，从而提供与增加的电力需量相配的电力传输。
在某些国家，新安装具有预定值或更大的电压的传输线可能需要在安装点附近居住的居民同意，从而在希望增大电力需量的时候，可能不太容易安装额外的电缆，并且当安装额外的电缆得到允许的时候，也需要大量的费用和时间。本发明的方法可以利用已有的超导电缆进行传输，而不需要额外的电缆，从而花费很少的费用和很短的时间就可以增大功率容量。
在电力需量降低的情况下，也可以通过升高制冷剂温度来降低超导电缆的传输容量。这能够降低冷却超导电缆的成本并且因此能够降低运用超导电缆所需的成本。
当然，还可以将降低和升高制冷剂温度有策略地结合起来，在这种情况下，可以监测与超导电缆相连的负载的电力需量，并且可以根据电力需量的增大/降低，降低/升高制冷剂的温度，以增大/降低功率容量。
利用可变传输容量的另一种模式涉及多个超导电缆回路之一发生故障以致不能在故障回路上进行传输的情况，在这种情况下，可以将剩余(多个)良好回路的传输容量增大到故障之前的以上。更加具体地讲，当多个超导电缆回路之一故障时，可以将(多个)未发生故障的良好回路的制冷剂温度降低到发生故障之前的温度以下，从而增大(多个)良好回路的传输容量。(多个)良好回路在故障发生之后传输的电力大于由(多个)良好回路在故障发生之前传输的相应容量。
例如，假设有三个超导电缆回路并且各个回路的传输容量是E，则一般情况下容量为3E的传输是可能的。当超导电缆回路之一发生故障并且变得不可用的时候，在恒定制冷剂温度下的运作应该仅能够实现容量为2E的传输。鉴于此，可以将剩下的两个良好回路的制冷剂温度降低，以将良好回路的传输容量增大到故障之前的水平以上(2E以上)，从而实现更大的功率(电流)容量。
对于上面提到的模式，可以通过数种途径来提供可变制冷剂温度。
一种途径包括首先使用具有高冷却能力的制冷机来冷却制冷剂。例如，如果制冷剂是液氮，并且制冷剂的正常工作温度TO略低于其沸点，则制冷机仅需要具有维持TO所需的能力。当电力需量增加或故障回路要求增加超导电缆的传输容量时，需要将制冷剂冷却到不高于TO的温度。为了实现这个目的，制冷机能够基本上冷却到制冷剂的沸点之下。当将制冷剂冷却到沸点以下时，它会凝固并且无法进行循环输送。因而，制冷机仅需具有基本上冷却到制冷剂的沸点的能力。
另外，制冷剂可以是可更换的，在这种情况下，沸点较高的制冷剂可以由另一种沸点较低的制冷剂替换，并且可以使用具有基本上冷却到等于或低于沸点较高的制冷剂的沸点的能力的制冷机。例如，当在使用液氮作为沸点较高的制冷剂的工作期间要增大传输容量时，该制冷剂可以用液态空气(即，沸点较低的制冷剂)来替换，并且可以将制冷剂温度降低到用液氮工作时的温度以下。这种途径能够实现在较宽的范围内调节制冷剂温度，从而传输容量可以得到更宽的改变。
这种制冷剂更换(可能会花费几天时间)更加适于例如预先迎合预期的电力需量的未来增加而增大超导电缆的传输容量，而不太适合通过增大良好回路的传输容量来应对多个回路之一发生故障。
此外，当多个回路之一发生故障时，同样可以利用故障回路使用的制冷机来冷却用于(多个)良好回路的制冷剂。更加具体地讲，当有多个超导电缆回路、每个回路具有它自己的用来冷却制冷剂的制冷机并且回路之一发生故障时，用于故障回路的制冷机和用于(多个)良好回路的制冷机都可以用来将(多个)良好回路所用的制冷剂冷却到低于故障之前的温度。这种途径的前提是，故障回路用的制冷机仍然可用，而该回路中的超导电缆因故障而不可用。例如，当三个超导电缆回路之一变得不可用时，所有回路用的制冷机，即，三个制冷机，可以用来冷却剩下两个良好回路用的制冷剂，从而实现更加有效的制冷剂冷却。
在上述任何一种情况下，制冷剂可以是任何能够冷却到将导体保持在超导状态下所需的温度的流体。特别是，优选是沸点和凝固点之间的差异较大的材料，因为通过在将制冷剂保持在液态下的同时改变制冷剂的温度，这些材料使得超导电缆的传输容量能够在较宽的范围内得到改变。沸点和凝固点之间的差异理想地是5℃或更大，更加优选的是10℃或更大。一般情况下，可以使用液氮、液态空气、液氢、液氖、液氦或液氧。尤其是，液态空气具有大约79K的沸点和55K的凝固点，并且沸点和凝固点之间表现出很大的差异，并且具有低于液氮(沸点为大约77K，凝固点为大约63K)的凝固点，因此是用来增大超导电缆的传输容量的优选制冷剂。应当注意，本文标出的任何沸点和凝固点都是大气压下测得的值。
使用本发明的方法的超导电缆系统的一个方面的特征在于超导电缆；冷却机构，冷却由超导电缆使用的制冷剂；循环输送机构，向超导电缆循环输送由冷却机构冷却的制冷剂；和制冷剂温度控制机构，根据与超导电缆相连的负载的电力需量调节制冷剂的温度。
冷却机构可以是冷却制冷剂的制冷机。一般来说，循环输送机构可以是泵。制冷剂温度控制机构可以具有负载电流检测构件和温度控制构件，温度控制构件根据检测构件测得的负载电流控制冷却机构中的温度。
使用本发明的方法的超导电缆系统的另一个方面的特征在于多个超导电缆；冷却机构，冷却由相应超导电缆使用的制冷剂；循环输送机构，向超导电缆循环输送由冷却机构冷却的制冷剂；和制冷剂通路切换机构，当超导电缆之一变得不可用时，该机构阻断制冷剂向不可用超导电缆的供应并且使得制冷剂向剩余的良好超导电缆供应。
制冷剂通路切换机构可以包括提供冷却机构的制冷剂流出端的超导电缆与循环输送机构的制冷剂流入端的超导电缆之间的连通制冷剂通路的管道和设置在所述管道上或沿着它的延伸设置的用来阻断制冷剂向不可用的超导电缆供应的阀门。
如上所述，本发明的运作超导电缆的方法能够以便宜的方式实现电缆传输容量的调节并且无需电缆架设的超裕度设计或额外的电缆。
此外，本发明的超导电缆系统适于实现上述方法。
图1是本发明的超导电缆系统的示意图；图2是附图1的线路中使用的超导电缆的横截面图；图3是表示临界电流比与超导体的温度成反比的曲线图；图4表示负载电流检测构件和温度控制构件。
附图标记说明10骨架，20导电层，30电绝缘层，40磁屏蔽层，50保护层，60绝热管，61内波纹管，62外波纹管，70防腐层，110、120、130超导电缆，211-213制冷机，221-223泵，231-233、241-243、251、252、261-263阀门，271-273负载电流检测构件，281-283温度控制构件具体实施方式
下面介绍本发明的实施方式。在介绍本发明的运作超导电缆的方法之前，将首先介绍其中可以应用本发明的方法超导电缆线。
附图1中给出了本发明的超导电缆线的示意图。参照附图1，该线包括三个超导电缆回路110、120和130以及循环输送要供应给超导电缆回路110、120和130的制冷剂的冷却系统。虽然在附图1中没有示出，但超导电缆110、120和130具有一个与电源相连的终端和与负载相连的另一端。
(超导电缆)附图2表示在附图1的线路中的回路中使用的三芯一体超导电缆的横截面图。参照附图2，该电缆是由包容在绝热管内的三根芯构成的。一个电缆回路由三个相构成，每一相相当于一根芯。每根芯包括(从中心向外)骨架10、导电层20、电绝缘层30、磁屏蔽层40和保护层50，其中导电层20和磁屏蔽层40是由超导线制成的。
<骨架(former)>
骨架10可以是由绞缠金属线制成的实心骨架，或者也可以是空心骨架，可以使用金属管作为空心骨架。实心骨架的一个例子是绞缠在一起的多条铜线。绞缠构成的骨架能够实现交变电流损耗的降低以及由于过载造成的温度增加的最小化。如果使用空心骨架，可以将其内部用作制冷剂的通道。
<导电层>
适当的导电层20是具有包覆着银外皮的多条氧化高温超导丝的带线。这里使用的是Bi2223带线。绕着骨架缠绕该带线多层，形成超导层20。超导层20具有对其各个层而不同的超导线缠绕间距。此外，对于它的层中的各个或每个，可以改变缠绕方向，以致在这些层中均一地流过一致的电流。
<层间绝缘层(未示出)>
在导电层20内最里面的超导层与骨架10之间、形成导电层20的各个层之间以及形成磁屏蔽层40的各个层之间设置了层间绝缘层。层间绝缘层是由牛皮纸缠绕导电层20的各层或缠绕磁屏蔽层40的各层构成的。层间绝缘层使得导电层20合磁屏蔽层40的各层彼此电独立。
<电绝缘层>
电绝缘层30是围绕着导电层20设置的。绝缘层30可以由例如牛皮纸与缠绕着导电层20的例如聚丙烯(PPLP(R)，由Sumitomo ElectricIndustries，Ltd.生产)树脂膜层叠构成。
<磁屏蔽层>
交流超导电缆包括设置在绝缘层30外面的磁屏蔽层40，用于屏蔽磁场。磁屏蔽层40是由与导电层所用的超导线类似的超导线缠绕在绝缘层30外面形成的。在磁屏蔽层40内会感生出幅度基本上与导电层20内的电流相等但是方向相反的电流，用来消除外部产生的磁场。
<保护层>
此外，在磁屏蔽层40上设置有保护层50。保护层50用来从机械方面保护磁屏蔽层40及其里面的结构，并且是通过在磁屏蔽层40上缠绕牛皮纸或色带来形成的。
<绝热管>
绝热管60是双管结构的，具有内波纹管61和外波纹管62。一般来说，会在内和外波纹管61和62之间建立一个空间，并且对该空间实施真空。在实施了真空的空间内设置Superinsulation(商标)，用来反射辐射热。内波纹管61和芯限定的空间可以用作制冷剂通道。例如，可以由空心骨架内的空间和内波纹管内的空间形成来和回的制冷剂通道。此外，在外波纹管70上设置了例如聚氯乙烯防腐层70。
(冷却系统)参照附图1，冷却系统包括制冷机211-213，对制冷剂进行冷却；泵221-223，循环输送制冷剂；制冷剂管道系统，将制冷机或泵与超导电缆110、120和130连接起来；和多个阀门231-233、241-243、251、252、261-263，设置在制冷剂管道系统上。
在这个冷却系统中，由制冷机211-213冷却的制冷剂是由泵221-223来移动的，以循环输送到超导电缆110、120和130，用来冷却超导线。这里使用的制冷机211-213和泵221-223的数量与回路的数量相对应。具体来说，使用了三个制冷机211-213和三个泵221-223，每个制冷机通过管道与关联的泵串联连接。在制冷剂流出端从制冷机伸出的管道经由阀门231-233连接到超导电缆110、120和130的一端上，其中制冷机221和阀门231之间、制冷机212和阀门232之间以及制冷机213和阀门233之间的管道是彼此连通的，以在回路之间提供相连的制冷机通路，并且在连接管道上设置了阀门251和252。各个超导电缆110、120和130的另一端与制冷剂流出管道系统相连接，该制冷剂流出管道系统通过阀门261-263汇合在一起，并且引向位于电缆一端的泵。引向泵的汇合管道分为三支，它们经由阀门261-263与各个泵221-223连接。这样，可以在制冷机211-213的制冷剂流出端和泵221-223的制冷剂流入端设置相连的制冷剂通路，从而将由制冷机211-213中的任何一个冷却的制冷剂送往超导电缆回路110-130中的任何一个。
在本例中，制冷剂是液态空气(沸点大约79K，凝固点55K)，并且各个制冷机211-213能够冷却到液态空气的凝固点。
根据需要，可以设置制冷剂温度控制机构，该机构根据与超导电缆110、120和130相连的负载的电力需量调节制冷剂温度。附图4表示构成制冷剂温度控制机构的负载电流检测构件和温度控制构件。参照附图4，普通导电电缆与超电电缆110、120和130的两端相连。负载电流检测构件271、272和273设置在靠近负载的那些普通导电电缆上，用以测量负载电流。负载电流检测构件271、272和273与相应的温度控制构件281、282和283相连。温度控制构件281、282和283根据相应负载电流检测构件271、272和273测得的负载电流的值控制它们的相应制冷机211、212和213中的制冷剂的温度。
注意，在附图4中，制冷机211、212和213与相应的超导电缆110、120和130之间的双线表示制冷剂通路。负载电流检测构件271、272和273与相应的温度控制构件281、282和283之间的单线表示检测信号的通路，而温度控制构件281、282和283与相应制冷机211、212和213之间的单线表示控制信号的通路。
<第一实施方式>
下面将介绍基于与超导电缆相连的负载的电力需量的变化进行运作的方法。
在附图1的线路中，在正常工作期间，制冷机温度稍低于例如77K，并且所有回路都是工作的。在这样的正常工作期间，设置在用于回路的制冷机通路用的相连管道系统上的阀门251和252关闭，而其它的阀门231-233、241-243和261-263全部打开，以使制冷机211-213为它们相应的超导电缆回路110、120和130冷却制冷剂。当负载的电力需量增加时，调节对制冷机211-213设定的温度，以降低制冷剂的温度。例如，从附图3中的曲线图显然可以看出，冷却到大约68K将会导致临界电流1.5倍于正常工作下的临界电流。一般来说，电力是以恒定电压进行传送的。电流容量增加1.5倍因而将传输容量增加了1.5倍。此外，冷却到60K或更低将会导致临界电流两倍于正常工作下的临界电流，使得传输具有更大的容量。
这样，本运作方法降低了制冷剂温度，以致以简单的方式达到了大约两倍于正常工作下的传输容量。尤其是，可以有益地利用现有的超导电缆来增加传输的功率容量，而不用额外的电缆。
此外，当电力需量降低时，可以通过增高制冷剂温度来降低超导电缆的传输容量。虽然这需要超导线能够在升高的制冷剂温度下保持超导状态，但是却可以降低冷却超导电缆的成本，导致运作超导电缆所需的成本降低。
而且，可以测量负载电流Ip，并且可以反复调节制冷剂温度T，以致Ip＝α×Ic(α是容限，此时α＜1)，Ic是超导电缆的临界电流。这种手段在取决于负载电流和临界电流之间的容限的最高可能制冷剂温度下进行运作，以便减小制冷系统上的负荷。当然，制冷剂温度是在液态空气的沸点和凝固点之间加以调节的。
<第二实施方式>
现在，给出一个回路故障而变得不可用并且剩下的良好回路进行传输的情况的说明。假设附图1中所示的三个超导电缆回路之一130故障而变得不可用，并且传输仅能由剩下的两个回路进行。此外还假设，虽然故障回路130中的超导电缆不可用，但是整个冷却系统是良好且可用的。
最初，发生故障之前的正常工作期间的各个阀门的开关状态是和第一当超导电缆130变得不可用时，三个制冷机211-213和三个泵221-223用来向两个良好的回路(超导电缆110和120)供应制冷剂并且将制冷剂冷却到具有充足冷却能力的更低的温度。为了这个目的，将发生故障的回路的制冷剂供应阀门233和制冷剂流出阀门243关闭，以将故障回路与冷却系统隔断，而将相连管道系统上的阀门251和261打开，并且驱动所有的泵221-223来循环输送制冷剂。这样，借助三个制冷机211-213和三个泵221-223对送到两个良好回路中的制冷剂进行冷却/循环输送。
按照这种方法，能够向三个回路供应制冷剂的冷却系统用来向两个回路供应制冷剂，实现了制冷剂的有效冷却。结果，可以很轻松地将制冷剂温度降得低于故障之前，从而实现了良好回路传输容量的增加。例如，当在故障之前各个回路是工作在稍低于77K的制冷剂温度下时，故障之后的良好回路的制冷剂温度可以是大约68K，以确保每个回路的传输容量都是发生故障之前的大约1.5倍，以致两个良好回路能够实现容量与故障之前三个回路的容量相配的传输。
当然，也可以是两个制冷机和两个泵循环输送要供应给两个良好回路的制冷剂，在这种情况下，各个制冷机可以具有为一个回路将制冷剂冷却到容量增加工作状态的温度(大约68K)的能力。在这种情况下，将处于故障回路两端的阀门233和243关闭，以将故障回路与冷却系统隔断。此外，将位于阀门223的制冷剂流入端的阀门263关闭，以将制冷机213和泵223与冷却系统隔断。然后使用制冷机211、212和泵221、222来为超导电缆110、120冷却/循环输送制冷剂。
应当明白，上面公开的实施方式从所有方面来说，仅作说明和举例之用，而不是为了限定。本发明的范围是由权利要求阐明的，而不是上面的说明书，并且本发明的范围是用来覆盖处于与权利要求的思想和范围等价的思想和范围之内的所有修改实施方式。
工业实用性本发明给出了可变的制冷剂温度，用以改变工作期间的超导电缆的传输容量。这样，当希望电力需量增加时，不用额外的电缆即可满足得到增加的需量，或者，当多个回路之一发生故障并且传输仅能由剩下的回路进行时，可以以等于或接近于故障之前的水平的传输容量进行传输。因而，本发明可以在要供应电力的区域中得到有效利用。
权利要求
1.一种运作超导电缆的方法，该超导电缆使用由制冷剂冷却的导体来传输电力，其特征在于，所述制冷剂的温度是按照超导电缆(110，120，130)的传输容量来加以改变的。
2.如权利要求1所述的运作超导电缆的方法，其特征在于，当与超导电缆(110，120，130)相连的负载的电力需量增加时，将制冷剂温度降低，以增加超导电缆(110，120，130)的传输容量，来传输与电力需量相配的电力。
3.如权利要求1所述的运作超导电缆的方法，其特征在于，当与超导电缆(110，120，130)相连的负载的电力需量降低时，将制冷剂温度升高，以降低超导电缆(110，120，130)的传输容量，来传输与电力需量相配的电力。
4.如权利要求1所述的运作超导电缆的方法，其特征在于，有多个超导电缆回路(110，120，130)，并且当其中一个回路发生故障时，将未发生故障的、良好的回路的制冷剂温度降低得低于故障之前的温度，以增加良好回路的传输容量。
5.如权利要求4所述的运作超导电缆的方法，其特征在于，每个回路包括为该回路冷却制冷剂的制冷机(211，212，213)，并且故障回路的制冷机和良好回路的制冷机都用来冷却良好回路的制冷剂，以将温度降低得低于故障之前的温度。
6.如权利要求1所述的运作超导电缆的方法，其特征在于，使用具有基本上冷却到制冷剂的凝固点的能力的制冷机(211，212，213)来在该制冷剂的沸点和凝固点之间改变制冷剂的温度。
7.如权利要求1所述的运作超导电缆的方法，其特征在于，用低凝固点制冷剂替换高凝固点制冷剂，并且使用能够将高凝固点制冷剂基本上冷却到凝固点或以下的制冷机(211，212，213)，并且低凝固点制冷剂的温度在这种制冷剂的沸点和凝固点之间改变。
8.如权利要求1所述的运作超导电缆的方法，其特征在于，制冷剂是液氮、液态空气、液氢、液氖、液氦和液氧之一。
9.一种超导电缆系统，其特征在于超导电缆(110，120，130)；冷却机构(211，212，213)，冷却由超导电缆(110，120，130)使用的制冷剂；循环输送机构(221，222，223)，向超导电缆(110，120，130)循环输送由冷却机构(211，212，213)冷却的制冷剂；和制冷剂温度控制机构(271，272，273，281，282，283)，根据与超导电缆(110，120，130)相连的负载的电力需量调节制冷剂的温度。
10.一种超导电缆系统，其特征在于多个超导电缆(110，120，130)；冷却机构(211，212，213)，冷却由相应超导电缆(110，120，130)使用的制冷剂；循环输送机构(221，222，223)，向超导电缆(110，120，130)循环输送由冷却机构(211，212，213)冷却的制冷剂；和制冷剂通路切换机构(231-233，241-243，251，252，261-263)，当其中一个超导电缆(110，120，130)变得不可用时，该机构阻断制冷剂向不可用的超导电缆供应并且使得制冷剂向剩余的良好超导电缆供应。
全文摘要
一种运作使用由制冷剂冷却的导体来传输回路的超导电缆的方法，引发制冷剂温度的改变，来改变超导电缆(110，120，130)的传输容量。由于超导材料具有随着温度的降低而增大它们的临界电流值的能力，因此可以改变制冷剂温度来改变超导电缆(110，120，130)的传输容量，而不需要电缆架设的超裕度设计或额外的电缆。
文档编号H01B12/16GK1809901SQ20048001728
公开日2006年7月26日 申请日期2004年9月9日 优先权日2003年9月19日
发明者增田孝人, 汤村洋康 申请人:住友电气工业株式会社
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