專利名稱：復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線、高溫超導(dǎo)直流輸電電纜和高溫超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線、高溫超導(dǎo)直流輸電電纜和高溫超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)，屬于電力傳輸技術(shù)或高溫超導(dǎo)電力應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有電力輸電方式主要是交流輸電。但是，交流輸電存在以下缺點(diǎn)1、由于存在相位和趨膚效應(yīng)，使得交流輸電的功率損失很大；2、隨著傳送容量的增加，交流輸電的穩(wěn)定性會變得越來越差，不得不采用補(bǔ)償和提高電壓等代價昂貴的手段加以解決；3、導(dǎo)體成本較高；4、線路故障的自我保護(hù)能力較差，需要投入大量的人力和物力加以維護(hù)。雖然人們曾經(jīng)考慮用直流輸電方式代替交流輸電，但是，由于直流輸電同樣存在著損耗大、導(dǎo)體成本高、維護(hù)成本高等難以克服的缺點(diǎn)，使得人們不得不長期忍受著交流輸電所有缺點(diǎn)的痛苦。人們長期夢想著能有一種大容量、低損耗、低成本、易維護(hù)的輸電方式的出現(xiàn)。
超導(dǎo)材料的發(fā)明，為大容量、低損耗、低成本、易維護(hù)的輸電方式的出現(xiàn)帶來一絲曙光。由于超導(dǎo)材料在臨界溫度以下具有零電阻的特性，使得超導(dǎo)材料成為解決大容量、低損耗輸電的一個非常重要的潛在方式。然而遺憾的是，由于傳統(tǒng)超導(dǎo)材料的工作溫區(qū)太低，使得其運(yùn)行成本過高。這也使得這種超導(dǎo)輸電技術(shù)始終不能得到普遍應(yīng)用。
隨著高溫超導(dǎo)材料的出現(xiàn)及其相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，制作高溫超導(dǎo)電纜已具備了必要的基礎(chǔ)。由于工作溫區(qū)(臨界溫度)的提高，使得利用高溫超導(dǎo)材料制作的電纜，其輸電運(yùn)行的成本將大大低于利用傳統(tǒng)超導(dǎo)材料制成電纜的輸電運(yùn)行成本。
目前國內(nèi)已有超導(dǎo)電纜的申請專利，但多數(shù)都限于交流輸電的超導(dǎo)電纜，另外，在涉及超導(dǎo)電纜核心的超導(dǎo)導(dǎo)線方面的發(fā)明創(chuàng)造卻是鮮見。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，具有電流容量大，同時能夠避免單根基元導(dǎo)線臨界電流不均勻的問題，同時還具有更好的熱穩(wěn)定性和力學(xué)穩(wěn)定性；提供基于所述復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的高溫超導(dǎo)直流輸電電纜，損耗極低、適合大電流低壓直流輸電，且具有良好的熱穩(wěn)定和力學(xué)穩(wěn)定性；提供基于所述高溫超導(dǎo)直流輸電電纜的高溫超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低壓無阻大容量直流電力傳輸，同時兼有輸運(yùn)各種制冷劑(如液氮、液氫、液氦等)的功能。
本發(fā)明提供的復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，包括基元高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，其特征在于，至少由兩根以上的基元高溫超導(dǎo)導(dǎo)線重疊在一起構(gòu)成復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線。
上述復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的基元高溫超導(dǎo)導(dǎo)線之間，可以加入一層起強(qiáng)化和穩(wěn)定作用的金屬帶，兩層金屬帶之間至少有一根基元高溫超導(dǎo)導(dǎo)線。
上述復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線帶的兩層金屬帶之間，也可以有并排分布的多根基元高溫超導(dǎo)導(dǎo)線或是并排分布的多根復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線。
上述復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線帶的金屬帶可以是機(jī)械強(qiáng)度高的不銹鋼帶或?qū)釋?dǎo)電性好的銅箔或銀合金箔，實(shí)際應(yīng)用時也可以交替使用兩類金屬帶。
上述復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線帶的基元高溫超導(dǎo)導(dǎo)線可以是利用不同高溫超導(dǎo)材料及按不同工藝制備的任何具有高溫超導(dǎo)特性的導(dǎo)線，也可以是它們的組合。例如下列幾種可供實(shí)際選用的基元高溫超導(dǎo)導(dǎo)線1.利用粉末裝管技術(shù)制備的(Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu3O10+x(Tc~110K)或(Bi，Pb)2Sr2Ca1Cu2O8-x(Tc~85K)金屬包套導(dǎo)線，也即Bi(Pb)SrCaCuO(Bi-2223/Ag或Bi-2212/Ag)鉍系套銀導(dǎo)線。其基元導(dǎo)線結(jié)構(gòu)為單芯或多芯帶狀導(dǎo)線(通常截面如~3mm×0.3mm)。多芯導(dǎo)線具有更好的實(shí)用特性，具有很高的臨界工程電流密度Je~104A/cm2-77K，已達(dá)到了實(shí)用化的水平。2.釔系鍍膜導(dǎo)線-Y-123/基體，即Y1Ba2Cu3O7-x(Tc~92K)鍍膜導(dǎo)線。其基本制備工藝有兩種(IBAD技術(shù))在基帶(襯底)上的隔離層上鍍膜的超導(dǎo)導(dǎo)線；(RABiTS技術(shù))在輥軋輔助雙軸織構(gòu)襯底(Ni)上鍍膜的超導(dǎo)導(dǎo)線。這類導(dǎo)線具有比1.更高的臨界電流密度，但目前生產(chǎn)成本較高。3.二硼化鎂金屬包套超導(dǎo)導(dǎo)線-MgB2(Tc~39K)。這種導(dǎo)線運(yùn)行需要利用液氫冷卻方案。
本發(fā)明提供的高溫超導(dǎo)直流輸電電纜，如圖5、6所示，為至少包括制冷液管3、高溫超導(dǎo)層4、絕緣絕熱層5和保護(hù)殼層6的多層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述制冷液管3為金屬管，其內(nèi)壁或(和)外壁具有若干沿軸向分布的U型導(dǎo)槽，每個U型導(dǎo)槽內(nèi)均嵌有一根本發(fā)明所述的復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，所有U型導(dǎo)槽內(nèi)的復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線組合在一起構(gòu)成所述的高溫超導(dǎo)層4。
上述高溫超導(dǎo)直流輸電電纜可以是圓形電纜，也可以是扁平狀電纜。如圖6所設(shè)計(jì)的扁平狀電纜結(jié)構(gòu)，其自然彎曲方向與高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的有利彎曲方向相一致，因此在實(shí)際制備，運(yùn)輸和鋪設(shè)時，能夠更好地保護(hù)高溫超導(dǎo)材料的特性。
上述高溫超導(dǎo)直流輸電電纜，其制冷液管3的內(nèi)壁或(和)外壁的U型導(dǎo)槽可以平行于軸線分布或螺旋式分布于制冷液管壁。
上述高溫超導(dǎo)直流輸電電纜，也可以具有多層絕緣絕熱保護(hù)層，如圖6所示，在高溫超導(dǎo)層4和絕緣絕熱層5之間還有一層絕緣層7，在絕緣層7和絕緣絕熱層5之間還有一層真空熱屏層8，所述真空熱屏層8由絕緣層7和絕緣絕熱層5之間抽真空并加以輕質(zhì)填充物或固定物所構(gòu)成。
本發(fā)明所述的高溫超導(dǎo)直流輸電電纜，其中關(guān)鍵的超導(dǎo)體導(dǎo)電層的設(shè)計(jì)估算如下例如設(shè)計(jì)一條額定電流10kA的高溫超導(dǎo)電纜。一般高溫超導(dǎo)基元導(dǎo)線的臨界工程電流密度＞104A/cm2(77K)，若按104A/cm2?。换瑢?dǎo)導(dǎo)線在超導(dǎo)體導(dǎo)電層的填充系數(shù)若取λ＝0.5，則高溫超導(dǎo)電纜超導(dǎo)體導(dǎo)電層的截面積S＝I/(λJe)為2cm2。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通電纜所需正常導(dǎo)體截面積值~40cm2。其他層(絕緣絕熱層、真空熱屏層、絕緣層、保護(hù)殼層)等，可以根據(jù)相應(yīng)的工業(yè)制造標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)具體參數(shù)和選取適當(dāng)?shù)牟牧现圃?，不是本發(fā)明的發(fā)明重點(diǎn)。
本發(fā)明提供的高溫超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)，包括交直流轉(zhuǎn)換裝置10、高溫超導(dǎo)電纜9和相應(yīng)的制冷系統(tǒng)，源地交流電經(jīng)交直流轉(zhuǎn)換裝置10轉(zhuǎn)換成直流電后，經(jīng)高溫超導(dǎo)電纜輸至目的地，再經(jīng)交直流轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成交流電，其特征在于，所述高溫超導(dǎo)電纜為本發(fā)明所述的高溫超導(dǎo)直流輸電電纜。
所述制冷系統(tǒng)根據(jù)制冷方式的不同具有不同的方式，若使用制冷液制冷，制冷系統(tǒng)可以由具有制冷液調(diào)控功能的換流站或接力站(A(1)、A(2)……A(n))所構(gòu)成，所用制冷液為任何沸點(diǎn)低于所述高溫超導(dǎo)直流輸電電纜的高溫超導(dǎo)層的臨界溫度Tc的制冷液，可以是液氮、液氫、液氖、液氬等；若使用制冷機(jī)制冷，制冷系統(tǒng)可以由裝有制冷機(jī)的換流站或接力站(A(1)、A(2)……A(n))所構(gòu)成。
所述高溫超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)根據(jù)制冷方式的不同具有不同的方式，若使用制冷液制冷，制冷系統(tǒng)可以是制冷液加換流站(A(1)、A(2)……A(n))，所用制冷液為任何沸點(diǎn)低于所述高溫超導(dǎo)直流輸電電纜的高溫超導(dǎo)層的臨界溫度Tc的制冷液，可以是液氮、液氫、液氖、液氬等；若使用制冷機(jī)制冷，制冷系統(tǒng)可以是制冷液加冷卻接力站(A(1)、A(2)……A(n))，制冷液具有更多的選擇。
所述換流站或電纜連接冷卻接力站(A(1)、A(2)……A(n))可同時實(shí)現(xiàn)冷卻液緩沖調(diào)節(jié)和電纜連接功能。
所述換流站或電纜連接冷卻接力站(A(1)、A(2)……A(n))可等距離分布，如每隔1km或2km或5km或10km一個，也可以根據(jù)實(shí)際情況的需要不等距離分布。
所述冷卻系統(tǒng)可以同時實(shí)現(xiàn)將制冷液從源地運(yùn)輸至目的地或中間目的地的功能。尤其是這一冷卻系統(tǒng)可與未來的液氫能源輸送系統(tǒng)復(fù)合，具有更大的應(yīng)用優(yōu)勢。
本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明所述的復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，具有電流容量大，同時能夠避免單根基元導(dǎo)線臨界電流不均勻的問題，同時具有更好的熱穩(wěn)定性和力學(xué)穩(wěn)定性。
2、本發(fā)明所述的高溫超導(dǎo)直流輸電電纜，無電阻能量損耗，能夠大大提高傳導(dǎo)電流密度，適合大電流低壓直流輸電，且具有良好的熱穩(wěn)定性和力學(xué)穩(wěn)定性。
3、本發(fā)明所述的高溫超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低壓無阻大容量直流電力傳輸在相同電壓等級條件下，可提高約10倍的傳輸容量；或在相同傳輸容量條件下，大為減少降低電壓等級，從而大大降低輸電成本。
4、本發(fā)明所述的高溫超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)，同時兼有輸運(yùn)各種制冷劑(如液氮、液氫、液氦等)的功能，尤其是可以運(yùn)輸液氫能源，可以預(yù)見，本發(fā)明具有極大的應(yīng)用推廣價值。


圖1為高溫超導(dǎo)基元導(dǎo)線截面示意圖。
圖2為一種復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線截面示意圖。
圖3為另一種復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線截面示意圖，其中，1為基元高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，2為金屬帶。
圖4為圖3所示的復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線縱向剖面示意圖，其中，1為基元高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，2為金屬帶。
圖5為本發(fā)明所述的一種高溫超導(dǎo)直流輸電電纜結(jié)構(gòu)示意圖，其中，3為制冷液管，4為高溫超導(dǎo)層，5為絕緣絕熱層，6為保護(hù)殼。
圖6為本發(fā)明所述的另一種高溫超導(dǎo)直流輸電電纜結(jié)構(gòu)示意圖，其中，3為制冷液管，4為高溫超導(dǎo)層，5為絕緣絕熱層，6為保護(hù)殼，7為絕緣層，8為真空熱屏層。
圖7為復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線與制冷液管結(jié)合示意圖。
圖8為高溫超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)示意圖，其中，9為高溫超導(dǎo)直流輸電電纜，10為交直流轉(zhuǎn)換裝置，A(1)至A(n)為換流站或電纜連接冷卻接力站。
權(quán)利要求
1.復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，包括基元高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，其特征在于，至少由兩根以上的基元高溫超導(dǎo)導(dǎo)線重疊在一起構(gòu)成復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，其特征在于，所述基元高溫超導(dǎo)導(dǎo)線(1)之間可以加入一層起強(qiáng)化和穩(wěn)定作用的金屬帶(2)，兩層金屬帶之間至少有一根基元高溫超導(dǎo)導(dǎo)線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，其特征在于，所述兩層金屬帶之間也可以有并排分布的多根基元高溫超導(dǎo)導(dǎo)線或是并排分布的多根復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，其特征在于，金屬帶可以是機(jī)械強(qiáng)度高的不銹鋼帶或?qū)釋?dǎo)電性好的銅箔或銀合金箔，實(shí)際應(yīng)用時也可以交替使用兩類金屬帶。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，其特征在于，所述基元高溫超導(dǎo)導(dǎo)線可以是利用不同高溫超導(dǎo)材料及按不同工藝制備的任何具有高溫超導(dǎo)特性的導(dǎo)線，也可以是它們的組合。
6.高溫超導(dǎo)直流輸電電纜，為至少包括制冷液管(3)、高溫超導(dǎo)層(4)、絕緣絕熱層(5)和保護(hù)殼層(6)的多層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述制冷液管(3)為金屬管，其內(nèi)壁或/和外壁具有若干沿軸向分布的U型導(dǎo)槽，每個U型導(dǎo)槽內(nèi)均嵌有一根本發(fā)明所述的復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，所有U型導(dǎo)槽內(nèi)的復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線組合在一起構(gòu)成所述的高溫超導(dǎo)層(4)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高溫超導(dǎo)直流輸電電纜，其特征在于，所述高溫超導(dǎo)直流輸電電纜可以是圓形電纜，也可以是扁平狀電纜。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高溫超導(dǎo)直流輸電電纜，其特征在于，所述制冷液管(3)的內(nèi)壁或/和外壁的U型導(dǎo)槽可以平行于軸線分布或螺旋式分布于制冷液管壁。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高溫超導(dǎo)直流輸電電纜，其特征在于，所述述高溫超導(dǎo)直流輸電電纜也可以具有多層絕緣絕熱保護(hù)層，如在高溫超導(dǎo)層(4)和絕緣絕熱層(5)之間還有一層絕緣層(7)，在絕緣層(7)和絕緣絕熱層(5)之間還有一層真空熱屏層(8)，所述真空熱屏層(8)由絕緣層(7)和絕緣絕熱層(5)之間抽真空并加以輕質(zhì)填充物或固定物所構(gòu)成。
10.高溫超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)，包括交直流轉(zhuǎn)換裝置(10)、高溫超導(dǎo)電纜(9)和相應(yīng)的制冷系統(tǒng)，源地交流電經(jīng)交直流轉(zhuǎn)換裝置(10)轉(zhuǎn)換成直流電后，經(jīng)高溫超導(dǎo)電纜輸至目的地，再經(jīng)交直流轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成交流電，其特征在于，所述高溫超導(dǎo)電纜為本發(fā)明所述的高溫超導(dǎo)直流輸電電纜。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的高溫超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述制冷系統(tǒng)根據(jù)制冷方式的不同具有不同的方式，若使用制冷液制冷，制冷系統(tǒng)可以由具有制冷液調(diào)控功能的換流站或接力站(A(1)、A(2)……A(n))所構(gòu)成，所用制冷液為任何沸點(diǎn)低于所述高溫超導(dǎo)直流輸電電纜的高溫超導(dǎo)層的臨界溫度Tc的制冷液，可以是液氮、液氫、液氖、液氬等；若使用制冷機(jī)制冷，制冷系統(tǒng)可以由裝有制冷機(jī)的換流站或接力站(A(1)、A(2)……A(n))所構(gòu)成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的高溫超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述換流站或電纜連接冷卻接力站(A(1)、A(2)……A(n))可同時實(shí)現(xiàn)冷卻液調(diào)控和電纜連接功能。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的高溫超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述換流站或電纜連接冷卻接力站(A(1)、A(2)……A(n))可等距離分布，如每隔1km或2km或5km或10km一個，也可以根據(jù)實(shí)際情況的需要不等距離分布。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的高溫超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述制冷系統(tǒng)可以同時實(shí)現(xiàn)將制冷液從源地運(yùn)輸至目的地或中間目的地的功能。
全文摘要
復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線、高溫超導(dǎo)直流輸電電纜和高溫超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)，屬于電力傳輸技術(shù)領(lǐng)域。復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線至少由兩根以上的基元高溫超導(dǎo)導(dǎo)線重疊構(gòu)成，基元導(dǎo)線之間可以加入起強(qiáng)化和穩(wěn)定作用的金屬帶；高溫超導(dǎo)直流輸電電纜為至少包括制冷液管、基于復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的導(dǎo)體層、絕緣絕熱層和保護(hù)殼層的多層結(jié)構(gòu)，復(fù)合高溫超導(dǎo)導(dǎo)線呈直線或螺旋狀嵌于冷液管內(nèi)/外壁的U型導(dǎo)槽內(nèi)；高溫超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)由交直流轉(zhuǎn)換裝置、高溫超導(dǎo)直流輸電電纜和相應(yīng)的制冷系統(tǒng)組成。其導(dǎo)線/電纜電流容量大，電流分布均勻，具有更好的熱穩(wěn)定性和力學(xué)穩(wěn)定性，無電阻能量損耗，適合大電流低壓直流輸電；其輸電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)低壓無阻大容量直流電力傳輸，降低輸電成本，兼有輸運(yùn)各種制冷劑的功能。
文檔編號H01B12/00GK1787121SQ200510021880
公開日2006年6月14日 申請日期2005年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月18日
發(fā)明者金建勛 申請人:電子科技大學(xué)