超导电缆制造技术

一种具有至少一相的超导电缆（１），其包括：ａ）一由超导材料构成的带层（２０）；ｂ）一用于支撑由超导材料构成的所述带层（２０）的管状元件（６），所述管状元件由至少一个由金属材料制成的部分构成，并和由超导材料构成的带层（２０）电接触；ｃ）一冷却管路，适于把超导材料冷却到不高于其临界温度的工作温度，且其包括范围在最小值和最大值之间的预定工作压力下的流体；其中由在室温和电缆的工作温度之间的温度变化引起的由超导材料构成的所述带的变形小于所述带的临界变形，其特征在于具有和超导材料层（２０）处于电接触状态的预定量的电阻型导电材料，使得在短路情况下超导材料达到的最大温度低于在超导材料的临界温度和所述冷却流体在其最小工作压力下的沸点之间的最小温度。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及用于在超导条件下，即在几乎是零电阻条件下传输的电流的电缆。更具体地说，本专利技术涉及一种具有至少一相的超导电缆(1)，其包括a)一由超导材料构成的带层(20)；b)一用于支撑由超导材料构成的所述带层(20)的管状元件(6)，所述管状元件由至少一个由金属材料制成的部分构成，并和由超导材料构成的带层(20)电接触；c)一冷却管路，适于把超导材料冷却到不高于其临界温度的工作温度，且其包括具有范围在最小值和最大值之间的预定压力的流体；其中由在室温和电缆的工作温度之间的温度变化引起的由超导材料构成的所述带的变形小于所述带的临界变形。在下面的说明和权利要求中，超导材料这个术语指的是一种材料，例如专用的铌钛合金，或基于铜、钡和钇的氧化物的混合物的陶瓷，或者基于铋、铅、锶、钙、铜、铊、和汞的氧化物的混合物的陶瓷，它们在被定义为临界温度(以后也简称为Tc)的一个给定的温度下具有基本上为0的电阻率的超导相。超导电缆这个术语指的是具有至少一个含有一层超导材料的导电元件的用于输送电流的电缆。常规的或电阻性的电缆，或者电阻型的导电材料指的是具有非超导材料的电缆，即使用具有非0电阻的导电元件的电缆。最后，在下面的说明和权利要求中，大功率电缆这个术语指的是用于输送大于3000A的电流，从而感应的磁场导致减少在超导条件下可以达到的最大电流密度的值的电缆。现有技术在超导电缆领域中，一个突出的问题是，保护电缆免遭短路过电流的影响，因而确保当发生短路时，超导材料被维持在超导状态下，即，被维持在其临界温度以下。为了解决这个问题，现有技术提出了一系列稳定性准则，作为在发生短路瞬变之后把电缆维持在其临界温度以下的通用依据。E.W.Collings的文章“Flux-jump stability and cryostability incaramic superconductors for 80 K”，MRS Int’I.Mtg.onAdv.Mats.Vol.6，1989 Material Research Society，和“Conductor Designwith High-Tc ceramec--a review”2ndInt.Symposium onSuperconductivity，Nov.1989，Japan对于超导电缆的稳定性准则进行了综述。在上述的文章中，区分了低温稳定性准则和“磁通跳跃稳定性”，用这个术语旨在表示在超导电缆中在出现磁通峰值之后的超导电缆的稳定性。具体地说，当充分冷却的常态导电材料和超导材料相关时，在上述文献中披露的低温稳定性准则还分为全稳定性或有限的稳定性，指在过电流使超导材料的整个长度或有限的长度成为常态之后能够分别恢复其超导状态。这种全低温稳定性准则和有限低温稳定性准则已经作为在电缆中使用预定量的金属材料的共同依据，所述金属材料在短路瞬变期间具有常态导体的作用，并且适用于通过短路过电流和消除在短路期间产生的热量，从而以这种方式限制超导材料的温升，使得超导材料维持在其临界温度以下。事实上，在短路期间，超导材料降低其超导能力，并成为非良导体，使得过电流通过常态导体。由常态导体承载的这种电流传输意味着在导体本身的能量消耗，使得在具有合适数量的金属的条件下，一旦短路电流瞬变结束，超导材料能够返回其超导状态。在上述的文献中，除去全稳定性和有限稳定性准则之外，还提出了动态稳定性和绝热稳定性。在上述的第二篇文献和T.Ito和H.Kutoba，Cryogenics 29,621-624(1989)中描述的另一个低温稳定性准则是所谓和最小传播区(MPZ)有关的稳定性准则。此外，这种稳定性准则规定了常态导体和超导材料的联系，并使得能够实现沿着材料的纵向的超导电缆关于导电率的稳定性。上述的稳定性准则可以单独地或者相互组合地应用于超导电缆。本申请人的专利申请EP97202433.5披露了一种超导带，其和金属薄片相连，具有大于0.3％的最大张力变形。本申请人注意到，将上述的全稳定性准则和绝热稳定性准则应用于超导电缆，特别是应用于其中使用高温超导材料的超导电缆，具有一系列的缺点。实际上，为了完全遵守稳定性准则，需要使用大量的金属材料(常态导体)，这带来一系列的缺点，一方面，使电缆的重量和体积增加，使得制造困难，使其最大长度受到限制，并给安装带来困难，在另一方面，增加了电缆的总的成本。此外，本申请人认识到，使用金属材料作为超导材料的支撑元件，会使得在电缆的冷却期间，产生趋于使超导材料变形的应力，这是因为，使用的金属和超导材料的热膨胀系数不同的缘故。实际上，本申请人已经发现，在电缆从室温冷却到在具有夹头的工作装置中使用的冷却液体(例如液氮)的温度期间，构成超导电缆的元件受到若干应力，所述应力的方向包括径向(由构成电缆的材料的热膨胀系数不同引起)和纵向(由夹头装置引起)两个方向，这些应力具有破坏超导材料的危险。在这方面，尤其有害的是沿着超导材料的纵向产生的应力，因为它们可以引起表层破裂，从而影响其在超导条件下输送电流的能力。按照本专利技术的第一方面，涉及一种上述类型的超导电缆，其特征在于，具有和超导材料层(20)处于电接触状态的预定量的电阻型的导电材料，使得在短路情况下超导材料达到的最大温度低于在超导材料的临界温度和所述冷却流体在最小工作压力下的沸点之间的最小温度。最好是，超导材料中的和所述层接触的金属材料的数量，特别是存在于超导材料层的支撑元件中的金属材料的数量，通过在下面的说明中说明的全稳定性准则和绝热稳定性准则确定。按照本专利技术，可以减少在超导电缆的冷却期间因为不能自由地回缩而在超导材料中产生的纵向应力，因而阻止超导材料的破坏，相应的阻止超导电缆在超导条件下传输能力的减少。在本专利技术的第二方面，本专利技术涉及一种用于超导电缆的导电元件，其包括被包含在金属覆层内的由管状元件支撑着的至少一层超导材料，所述管状元件包括和超导材料电接触的预定量的金属材料，所述超导材料层借助于冷却流体被冷却到不高于其临界温度的温度，其特征在于，具有预定量的和超导材料层电接触的电阻型的导电材料，使得在短路情况下由超导材料达到的最大温度低于在超导材料的临界温度和所述冷却流体在最小工作压力下的沸点之间的最小温度。在本专利技术的第三方面中，本专利技术涉及一种用于限制在超导电缆的超导材料带中沿纵向产生的应力的方法，包括以下步骤提供至少一个包括预定量的金属材料的用于支撑超导材料带的管状元件，所述管状元件和所述超导材料带处于电接触状态，在所述至少一个管状支撑元件的表面上以螺旋方式缠绕所述超导材料带，利用冷却流体把超导材料冷却到不高于其临界温度的温度，其特征在于，所述方法包括以下步骤连接至少一个由金属材料制成的和所述超导材料带相连的加强薄片，以这样的方式确定和超导材料层电接触的金属材料的总量，使得在短路情况下由超导材料达到的最大温度低于在超导材料的临界温度和所述冷却流体在最小工作压力下的沸点之间的最小温度。按照本专利技术的第一实施例，由于提供了适用于限制沿着超导材料层的纵向产生的应力的装置，所述装置包括至少一个金属材料制成的加强薄片，所述加强薄片基本上以不可逆的方式和超导带的金属覆层相连，并和超导材料处于电接触状态，使得由于在室温和电缆的工作温度之间的温度变化而引起的包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有至少一相的超导电缆（１），其包括：ａ）一由超导材料构成的带层（２０）；ｂ）一用于支撑由超导材料构成的所述带层（２０）的管状元件（６），所述管状元件由至少一个由金属材料制成的部分构成，并和由超导材料构成的带层（２０）电接触； ｃ）一冷却管路，适于把超导材料冷却到不高于其临界温度的工作温度，且其包括范围在最小值和最大值之间的预定工作压力下的流体；其中由在室温和电缆的工作温度之间的温度变化引起的由超导材料构成的所述带的变形小于所述带的临界变形，其特征在于具 有和超导材料层（２０）处于电接触状态的预定量的电阻型导电材料，使得在短路情况下超导材料达到的最大温度低于在超导材料的临界温度和所述冷却流体在其最小工作压力下的沸点之间的最小温度。

【技术特征摘要】
EP 1998-12-24 98204401.8;US 1998-12-31 60/114,5461.一种具有至少一相的超导电缆(1)，其包括a)一由超导材料构成的带层(20)；b)一用于支撑由超导材料构成的所述带层(20)的管状元件(6)，所述管状元件由至少一个由金属材料制成的部分构成，并和由超导材料构成的带层(20)电接触；c)一冷却管路，适于把超导材料冷却到不高于其临界温度的工作温度，且其包括范围在最小值和最大值之间的预定工作压力下的流体；其中由在室温和电缆的工作温度之间的温度变化引起的由超导材料构成的所述带的变形小于所述带的临界变形，其特征在于具有和超导材料层(20)处于电接触状态的预定量的电阻型导电材料，使得在短路情况下超导材料达到的最大温度低于在超导材料的临界温度和所述冷却流体在其最小工作压力下的沸点之间的最小温度。2.如权利要求1所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述带层被包括在一金属覆层(19)内。3.如权利要求2所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述超导材料包括至少一个由金属材料制成的加强薄片(21)。4.如权利要求3所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述超导材料包括两个由金属材料制成的和所述带层的相对表面相连的加强薄片(21)。5.如权利要求3或4所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述超导材料基本上被沿纵向施加有预应力。6.如权利要求5所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述至少一个超导带(18a，18b)的超导材料层(20)沿纵向具有一在0.05和0.2％之间的预应力度(γ)。7.如权利要求1所述的超导电缆(1)，其特征在于，还包括按照5°和60°之间的缠绕角以螺旋方式绕在所述至少一个管状支撑元件(6)表面上的多个超导带(18a，18b)。8.如权利要求3或4所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述加强薄片(21)和所述超导带(18a，18b)的金属覆层(19)，由选自以下组中的金属铜，铝，银，镁，镍，青铜，不锈钢，铍以及它们的合金构成。9.如权利要求1，3或4所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述管状支撑元件(6)基本上是复合的，并且包括第一金属材料和与所述第一金属材料相关联的其热膨胀系数大于第一金属材料的热膨胀系数的第二材料。10.如权利要求9所述的超导电缆(1)，其特征在于，所述第一和第二材料作为相邻的环形部分(16...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克纳塞，皮尔鲁基拉迪，
申请(专利权)人：皮雷利卡维系统有限公司，
类型：发明
国别省市：IT[意大利]