超导电缆 【技术领域】
本发明涉及超导电缆，具体地说，涉及一种可以降低交流(AC)损耗的多层高温超导电缆。
背景技术
在小型、大容量电力输电超导电缆的开发上已经取得了进展。超导电缆通常具有多层电缆结构，其中多层超导带材螺旋缠绕在芯部材料(线圈架)上。超导带材是具有嵌入银基体中的铋系高温超导纤维的铋系包覆银超导带材，等等。
在这样一种多层电缆结构中，例如，当该带材以等螺距沿绕线方向缠绕时，该方向相对于相邻层来说交替地相反，由于各层之间的阻抗差异而出现不均匀电流。也就是说，较大的电流在阻抗较低的外层中流动，较小的电流在阻抗较高的内层中流动。这种不均匀电流造成各层在电磁上表现为一单块(即，所谓的单块模型mono-block model)，这导致高的交流损耗。
因此，为了减小交流损耗，必须抑制不均匀电流现象。一种抑制不均匀电流的对策是在各层上实现阻抗的均匀性。具体地说，调节各层中的绕组节距和卷绕方向，从而各层具有均匀的阻抗，以便提供均匀的电流分布(参见，例如，日本未审查专利申请公开No.9-45150)。作为达到这种电流均匀性的结果，与否则可能在各层中出现不均匀电流的情况相比，交流损耗可以减小到约1/(层数)。
已经推出另一种方法，其中超导纤维在一个带材中被扭绞，以便降低该带材自身的交流损耗，并且将这种具有扭绞超导纤维的超导带材应用在电缆中，以便获得低损耗电缆(参见，例如，日本未审查专利申请公开No.7-105753)。
然而，即使当调整带材的绕组节距以实现各层中的电流均匀性时，与单块模型情况下可能产生的交流损耗相比，其交流损耗可以降低到仅约1/(层数)的水平。
当具有绞合超导纤维的超导线材或带材(下文中这种超导线材或带材均被称为“绞合纤维型超导线材”)用于电缆时，该损耗可以进一步降低。然而，在这种情况下，存在这样地问题，即在形成超导线材的过程中施加扭绞会导致临界电流(Ic)的降低以及纤维线材的断裂等等，导致生产率的降低、电缆通电电流特性的降低以及生产成本的增加。
【发明内容】
因此，本发明的一个目的在于提供一种超导电缆，其中可以有效地降低交流损耗，而不会引起通电电流特性的降低和成本的增加。
本发明的上述目的可以通过在有限的部分上使用绞合纤维型超导线材来实现。
根据本发明的超导电缆具有按照多层的方式缠绕在芯部材料上的多根超导线材，其中超导线材既使用其内具有螺旋超导纤维的绞合纤维型超导线材又使用其内具有直线状超导纤维的非绞合纤维型超导线材。
超导线材可以形成缠绕在芯部材料上的多层导体层，并且多层导体层的至少最外层可以是绞合纤维型超导线材。
相反，多层导体层的至少最内层可以是非绞合纤维型超导线材。
除导体层之外，该超导线材也可以用于磁屏蔽层。也就是说，超导线材可以形成缠绕在芯部材料上的多层导体层以及缠绕在设置于导体层之上的电绝缘层上的多层磁屏蔽层。多层磁屏蔽层的至少最内层可以由绞合纤维型超导线材形成。多层磁屏蔽层的至少最外层可以由非绞合纤维型超导线材形成。
在由超导线材形成的多层超导层中，由绞合超导线材形成的层的比例可以是2/3或更低。可选地，绞合纤维型超导线材的数目可以是全部多层超导层中的超导线材总数的2/3或更低。
优选地，超导线材如此构造，即多根高温超导纤维嵌入一个基体中。该基体的材料优选为银或银合金。
优选地，绞合纤维型超导线材的各根超导纤维的扭绞节距在10mm到30mm的范围内。
由超导线材形成的多层超导层的各层可设置有层间绝缘。
优选地，超导线材在各层上具有均匀的阻抗。这导致在各层中的均匀电流分布。为了实现阻抗的均匀性，优选地，至少一层的绕组节距与其余层的绕组节距不相同。
【附图说明】
图1是显示出根据本发明的电缆芯的端部结构的透视图；
图2是显示出磁场强度与线材E相对于线材A的交流损耗比(标准化交流损耗)之间关系的曲线图。
【具体实施方式】
现在将参照附图描述根据本发明一个实施例的超导电缆。附图不必在比例或尺寸上与下文的描述相一致。
电缆结构
图1是显示出根据本发明的电缆芯的端部结构的透视图。
从芯的中心开始，电缆芯具有线圈架10、导体层20、电绝缘层30、磁屏蔽层40、保护层50、以及层间绝缘层60。在这些层中，导体层20和磁屏蔽层40用超导线材形成。
线圈架
线圈架10可以是由绞成股的金属线制成的实心线圈架或者是使用金属管的空心线圈架。实心线圈架的一个例子是一个由多根铜线绞合形成的线圈架。在这样一种多股绞合线线圈架中，有可能既实现了交流损耗的降低，又抑制了由于过电流而产生的温度升高。在螺距调整型导体中，其中形成导体层和磁屏蔽层的各超导层的绕组节距彼此不相同，产生沿电缆芯的轴方向的磁场。该轴向磁场引起在线圈架中流动的涡电流，这引起损耗(涡电流损耗)。存在两种可能的解决方案来降低涡电流损耗：(1)增加线圈架材料的电阻，以便减小将要引发的涡电流，(2)减小线圈架的外部直径以便减小涡电流回路的尺寸。由于当过电流流动时难以预期这种线圈架能分担电流，因此方案(1)难以应用。于是，通过绞合绝缘的小直径铜线而制成的绞合线线圈架可用来减小电流回路，由此减小涡电流损耗。绞合线线圈架还能够在过电流流过时分担电流，由此防止了电缆的温度升高。另一方面，在线圈架10是空心型的情况下，其内侧部分可以用作冷却剂通道。
导体层
导体层120优选由带材形成，该带材由用包覆银的氧化物高温超导纤维制成，该纤维由铋系氧化物超导体等等构成。这些带材呈多层缠绕在线圈架10之上，以便形成导体层20。在该实施例中，其中外加磁场较小的导体层20的最内层(第一层21)用非绞合纤维型超导线材形成，而外加磁场相对较大的第二到第四导体层22、23和24用绞合纤维型超导线材形成。术语“非绞合纤维型超导线材”意指具有这样一种结构的线材，其中多根直线型超导纤维嵌入一个基体中，而术语“绞合纤维型超导线材”意指具有这样一种结构的线材，该结构中多根螺旋超导纤维嵌入到一个基体中。
在非绞合纤维型超导线材中，当施加磁场时，由于用于在纤维和基体中流动的耦合电流的电流通路很长(该电流通路基本上等于该线材两端之间的电流通路)，电流缓慢地衰减，由于纤维的电磁耦合，多芯超导线材表现得好像其为单芯超导线材。另一方面，在绞合纤维型超导线材中，由于耦合电流的电流通路长度为扭绞节距的一半，因此耦合电流很快地衰减了。于是，可以得到多芯结构的效果。
由于在高磁场区域内的交流损耗通常与纤维厚度成比例，因此在电磁上的多芯化状态下，即，在各纤维在电磁上分离的状态下，可以降低交流损耗。因此，通过使用绞合纤维型超导线材，交流损耗可以降低。
然而，在低磁场区域内，绞合纤维型超导线材表现出比非绞合纤维型超导线材更高的交流损耗。此外，绞合纤维型超导线材由于扭绞过程可能使其通电电流能力下降，或者由于产出率的降低可能使成本增加。
因此，组合使用绞合纤维型超导线材与非绞合纤维型超导线材能够降低交流损耗，同时可以使通电电流能力的降低以及电缆成本的增加最小化。将绞合纤维型超导线材用在外加磁场大、并且期望达到有效降低损耗的层中，而将非绞合纤维型超导线材用在余下的层中，这将特别有效。优选地，外加磁场为100高斯或更高的层由绞合纤维型超导线材形成，而外加磁场小于100高斯的层由非绞合纤维型超导线材形成。
由于最大的磁场施加到最外层，因此在导体层的最外层中的感生电流增加。于是，至少最外面的导体层由绞合超导线材形成，于是可以有效地降低交流损耗。相反，如果导体层的最内层由绞合纤维型超导线材形成，则由于施加到最内层上的磁场小而使交流损耗增加。因此，最内层由非绞合纤维型超导线材形成，以便可以减低交流损耗。
此外，为了使用绞合纤维型超导线材获得降低交流损耗的充分效果，优选地在形成各层的线材中实现均匀的电流。
一种获得均匀电流的具体结构在例如日本未审查专利申请公开No.9-45150中进行了描述。在该公开的结构中，缠绕在外经为d的芯部材料上的超导线材的绕组节距不大于由下列方程给出的最大有效节距Pmax
Pmax＝22.0×d(m)
或者在外导体层侧的超导线材的绕组节距比内导体层侧的绕组节距短。
也可以使用在例如日本未审查专利申请公开No.2001-266668和No.2001-265845中描述的其它合适的方法。利用这些公开的方法，可以相对于具有任何芯部材料阻抗、任何导体尺寸、任何螺旋缠绕方向以及任何螺旋绕组节距的超导电缆做出电流分布和交流损耗的详细分析，并因此可以确定带状多芯超导线材的绕组节距，以便使交流损耗最小。优选地，超导线材如下缠绕，使得各层或多个预定层的每一层的绕线方向与相邻层或相邻多个预定层的绕线方向相反。
在如图1所示的导体层20中，各层超导线材的绕组节距彼此不相同。另外，绕线方向每两层发生变化，于是提供了各层中的均匀电流。
层间绝缘层
层间绝缘层60形成于导体层20的最内侧超导层与线圈架10之间、以及形成导体层20的各层之间、以及形成磁屏蔽层40的各层之间。各层间绝缘层60由缠绕在导体层20或磁屏蔽层40的每层的外周边上的牛皮纸形成。层间绝缘层60使得导体层20的各层彼此电绝缘，并使得磁屏蔽层40的各层彼此电绝缘。这种层间绝缘使得能够充分利用降低交流损耗的效果。
电绝缘层
电绝缘层30沿着导体层20的外周边形成。电绝缘层30可以用聚丙烯层压纸形成，例如，用聚丙烯树脂膜层压的牛皮纸(由Sumitomo Electricindustries，Ltd.制造的PPLP(注册商标))，其形成在导体层20的外周边上。
磁屏蔽层：屏蔽层
交流超导电缆设置有围绕绝缘层30用于磁屏蔽的磁屏蔽层40。通过将超导线材缠绕在绝缘层30的外周边上而形成磁屏蔽层40。在磁屏蔽层40内感应出与导体层20的电流方向相反、大小基本相同的电流，由此可以消除外部产生的磁场。在磁屏蔽层40中，通过使用绞合纤维型超导线材而降低交流损耗的效果可以通过至少在外加磁场大的最内层使用这种线材来获得。相反，如果绞合纤维型超导线材用在外加磁场小的最外层中，则交流损耗增加。因此，最外层由非绞合纤维型超导线材形成，从而可有效地降低损耗。
通常，制造绞合纤维型超导线材的扭绞过程会导致工艺步骤数的增加以及由于纤维线材的断裂而引起工艺产出率的降低，并因此增加了线材成本。此外，如果这种绞合纤维型超导线材用在低磁场层中，则交流损耗会增加。因此，通过限制绞合纤维型超导线材的使用比例，可以防止成本的过分增加，同时可有效地降低交流损耗。
举例来说，假定一根电缆具有四层导体层和两层磁屏蔽层的超导层，优选地是绞合纤维型超导线材用在导体层的第二至第四层(最内导体层表示为第一层)以及磁屏蔽层的第一层中。更优选地是该比例为一半或更低。
在图1所示的超导电缆中，绞合纤维型超导电缆用在外加磁场大的、磁屏蔽层40的最内层(第一层41)中，而非绞合纤维型超导线材用在外加磁场相对较小的第二层42中。
保护层
保护层50形成于磁屏蔽层40上。保护层50在机械上保护磁屏蔽层40内部的结构，并且通过在磁屏蔽层40上缠绕一张牛皮纸或织物带而形成。
绝热管
尽管在图1中没有示出，芯部被封装在具有双管结构的绝热管内。绝热管典型地由波纹内管和波纹外管形成，使得在内管和外管之间的空间内的空气被抽空，并且将由塑料网和金属箔的叠层制成的超绝缘(superinsulation，商品名称)设置于该空间中。
超导线材的制造
为了获得本发明的电缆，根据下述条件制造绞合纤维型超导线材和非绞合纤维型超导线材。
将用于超导体的原料粉末填满银或银合金管，并且它们被加工成超导线材。优选地，形成纤维的超导体是钇系、铋系、或铊系的氧化物超导体。超导线材的一种优选结构如下，即多根铋系氧化物高温超导材料的纤维嵌入银或银合金基体中。线材可具有任何截面形状，而不限于特定的形状：它可以是圆形线或具有矩形横截面的带材。
绞合纤维型超导线材和非绞合纤维型超导线材都可以用诸如管内粉末法(powder-in-tube method)这样的方法来制造。例如，一种具有带类形状的绞合纤维型超导线材可以通过下述过程来制造。将用于超导体的原料粉末或超导材料粉末装填到一个第一管内，并且将该管拉制成单芯超导线材。将多个单芯超导线材插入一第二管中，然后将该管拉制成多芯超导线材。多芯超导线材按照所需的节距扭绞并经受轻微的拉丝，并且得到的超导线材被卷成带材(第一次卷动)。在制造非绞合纤维型超导线材时，该扭绞过程可略去。一般地，在该带材烧结(第一次烧结)以后，得到的带材经过再卷动(第二次卷动)和再烧结(第二次烧结)，以便形成带状多芯超导线材。
用于超导体的原料粉末的一个例子是由Bi2212主相(在最终烧结时从该主相形成Bi2223相)组成的前驱体。第一和第二管可以是银管或者银合金管。纤维的数目根据最终的纤维厚度和带状多芯超导线材的尺寸来决定。纤维数目一般为约7到127。带状多芯超导线材的最终厚度优选为0.1mm到0.4mm，并且其形状比(宽度/厚度)优选为约10到20。
由于短节距通常有效地促使损耗的降低，因此每根纤维的扭绞节距的上限优选为30mm或更小。然而，如果绞合纤维型超导线材的扭绞节距极短，则纤维易于断裂；节距越长，越容易加工。因此，考虑到可加工性和Ic特性，扭绞节距的下限优选为10mm或更高。
该带材在从820℃到850℃的温度范围下烧结(第一次烧结)，再卷动，并接着在从820℃到840℃的温度范围下再烧结(第二次烧结)，以便形成带状多芯超导线材。
如表1所示，制得了总共六个具有不同扭绞节距和规格的样品(非绞合纤维型和绞合纤维型超导线材A到F)。
在表1中，“Ag比率”表示基体(银和银-锰合金)与超导体就其横截面而言的比例，“扭绞节距”表示在线材的最终工序时超导纤维的节距，“n值”表示在低电流区用V∝In表示的电压-电流曲线的“n”。n值一般用作评价线材的超导纤维的坚固性的量度：如果纤维损坏了(例如，纤维在纵向上不均匀或者断裂)，则n值低，并且由低电流区域产生弱电压。用绞合纤维型超导线材形成的层与总共六层超导体层的比例为2/3(约0.67)，且绞合纤维型超导线材与总共114超导线材的比例为约0.63。
表1 线材A 线材B 线材C 线材D 线材E 线材F超导体 Bi2223 Bi2223 Bi2223 Bi2223 Bi2223 Bi2223基体 银/银-锰合金 银/银-锰合金 银/银-锰合金 银/银-锰合金 银/银-锰合金 银/银-锰合金纤维数目 61 61 61 61 61 61Ag比率 2.8 2.8 2.8 2.8 2.8 2.8宽度 3.7mm 3.7mm 3.7mm 3.7mm 3.7mm 3.7mm厚度 0.24mm 0.24mm 0.24mm 0.24mm 0.24mm 0.24mm扭绞节距 无 5mm 10mm 15mm 30mm 45mm在加工期间线材的断裂 未发生 经常发生 发生 未发生 未发生 未发生Ic 60A 30A 55A 58A 60A 62An值 20 8 15 17 19 20交流损耗(500高斯，50Hz) 440J/m3 250J/m3 290J/m3 310J/m3 350J/m3 420J/m3标准化交流损耗(相对于线材A) 1.00 0.57 0.66 0.70 0.80 0.95
超导线材的评价
进行Ic测量与交流损耗的测量(外加磁场：500高斯；频率：50Hz；磁场方向：平行于线材表面)以便评价制得的样品线材A到F。其结果也在表1中示出。
如结果所显示的，在节距短至5mm的绞合纤维型超导线材B中，在扭绞过程期间经常发生线材断裂(即，可加工性差)，并且与非绞合纤维型超导线材A相比，临界电流值(Ic)降低了一半之多。在节距为10mm的绞合纤维型超导线材C中，发生线材断裂不如线材B的情况频繁，并且Ic与非绞合纤维型超导线材A的Ic比起来不是低很多。在具有较长扭绞节距的绞合超导线材D、E和F中，在加工过程期间没有发生线材断裂，并且Ic基本上没有降低。
这进一步证明了：扭绞节距越短，交流损耗越低。然而，节距为45mm的绞合超导线材F的交流损耗是非绞合超导线材A的交流损耗的约95％，仅降低了约5％。因此，考虑到可加工性、Ic和交流损耗，优选的扭绞节距在10mm至30mm的范围内。
在每次测量中改变外加磁场来测量绞合纤维型超导线材E的交流损耗。结果如图2所示。图2是显示出磁场强度与线材E相对于线材A的交流损耗比之间的关系的曲线图。从图2所示的曲线图中可显然看出，绞合超导线材在50高斯或更低的低磁场区域内表现出高的交流损耗。因此，在绞合纤维型超导线材用于电缆以便降低交流损耗的场合，优选地是将该线材放置到外加磁场为100高斯或更高的部分(层)中。更为优选地是，将绞合纤维型超导线材放置到其外加磁场在100～500高斯范围内的部分中。
(例子1)
使用上述样品线材制造具有图1所示结构的电缆线材。制得的电缆的规格(例1)显示在表2中。电缆具有由绞成股的绝缘Cu线形成的绞合线线圈架、在线圈架上的四层导体层、和一层绝缘层(厚度为7mm)、以及一个两层的磁屏蔽层。调节形成导体层和磁屏蔽层的超导线材的绕组节距和绕线方向，以便表现出均匀的通电电流特性。
最大外加磁场小于100高斯的层用非绞合纤维型超导线材A形成，而最大外加磁场为100高斯或更高的层用绞合纤维型超导线材E形成。具体地，导体层的第二、第三和第四层以及磁屏蔽层的第一层用绞合超导线材E形成。
表2 线圈架 导体层： 第一层 导体层： 第二层 导体层： 第三层 导体层： 第四层 屏蔽层： 第一层 屏蔽层： 第二层材料 绝缘的绞 合铜线材 线材A(非绞 合超导线材) 线材E(绞合 超导线材) 线材E(绞合 超导线材) 线材E(绞合 超导线材) 线材E(绞合 超导线材) 线材A(非绞 合超导线材)外径(mm) 16.5 17.5 18.4 19.4 20.3 34.5 35.4线材数目 - 14 15 16 15 26 28绕组节距(mm) - 160 390 420 125 340 520绕线方向 - S S Z Z S SBmax(@1kArms) 0高斯 81高斯 154高斯 219高斯 279高斯 164高斯 80高斯
(对比例1)
作为对比例1而准备的电缆，除了导体层和磁屏蔽层都是用非绞合纤维型超导线材形成以外，其具有与例子1的电缆相同的结构。
(对比例2)
作为对比例2而准备的电缆，除了导体层和磁屏蔽层都是用绞合纤维型超导线材形成以外，其具有与例子1的电缆相同的结构。
(测试例)
为了评估，对于三个电缆样品，即例子1、对比例1和对比例2的电缆，进行交流损耗测量。其结果显示在表3中。
表3 项目 例子1 对比例1 对比例2 结构 导体层：第一层 非绞合超导线材 非绞合超导线材 绞合超导线材 导体层：第二层 绞合超导线材 非绞合超导线材 绞合超导线材 导体层：第三层 绞合超导线材 非绞合超导线材 绞合超导线材 导体层：第四层 绞合超导线材 非绞合超导线材 绞合超导线材 屏蔽层：第一层 绞合超导线材 非绞合超导线材 绞合超导线材 屏蔽层：第二层 非绞合超导线材 非绞合超导线材 绞合超导线材 交流损耗 (@1kArms) [W/m] 导体层 0.37 0.50 0.53 屏蔽层 0.15 0.20 0.22 导体层+屏蔽层 0.52 0.70 0.75
如表3所示，绞合纤维型超导线材的预期效果在对比例2的电缆中没有表现出来，其中所有超导层都由绞合纤维型超导线材形成：与所有超导层都由非绞合纤维型超导线材形成的对比例1的电缆相比，其交流损耗增加了。这是可以推测到的，这是因为放置在导体层的第一层和磁屏蔽层的第二层(这些是低磁场区域)中的绞合纤维型超导线材引起交流损耗增加。
与此相反，在绞合纤维型超导线材仅放置在高磁场部分中的例子1的电缆中，交流损耗降低到对比例1电缆的交流损耗的约75％。于是，通过仅在高磁场区域使用绞合纤维型超导线材而在低磁场区域使用非绞合纤维型超导线材，可以有效地降低交流损耗。
通常，绞合纤维型超导线材需要扭绞过程，这导致线材成本的增加，增加了工艺步骤数，以及由于超导纤维线材的断裂而引起生产率的降低。根据本发明，绞合纤维型超导线材用在有限的部分，从而在涉及使用绞合纤维型超导线材中可以通过最小的成本增加来获得低损耗电缆。
如上所述，在本发明的超导电缆中，绞合纤维型超导线材的使用使得流过基体与纤维之间的耦合电流的电流通路在各扭绞节距的一半处分开。这使得耦合电流很快地衰减，由此降低了在高磁场区域中的交流损耗。因此，与所有超导层都由绞合超导线材形成的电缆相比，本发明的电缆可以降低交流损耗。
在本发明的电缆中，通过组合使用绞合纤维型超导线材和非绞合纤维型超导线材，可以使通常与绞合纤维型超导线材的使用相关联的通电电流能力的降低以及电缆成本的增加最小化。
特别是，通过用绞合纤维型超导线材形成外加磁场大、并期望其有低损耗效果的层，而用非绞合纤维型超导线材来形成其它层，可以在防止电缆的通电电流能力降低的同时，更有效地降低交流损耗。