CN1787121A - 复合高温超导导线、高温超导直流输电电缆和高温超导直流输电系统 - Google Patents
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Abstract
复合高温超导导线、高温超导直流输电电缆和高温超导直流输电系统，属于电力传输技术领域。复合高温超导导线至少由两根以上的基元高温超导导线重叠构成，基元导线之间可以加入起强化和稳定作用的金属带；高温超导直流输电电缆为至少包括制冷液管、基于复合高温超导导线的导体层、绝缘绝热层和保护壳层的多层结构，复合高温超导导线呈直线或螺旋状嵌于冷液管内/外壁的U型导槽内；高温超导直流输电系统由交直流转换装置、高温超导直流输电电缆和相应的制冷系统组成。其导线/电缆电流容量大，电流分布均匀，具有更好的热稳定性和力学稳定性，无电阻能量损耗，适合大电流低压直流输电；其输电系统可实现低压无阻大容量直流电力传输，降低输电成本，兼有输运各种制冷剂的功能。
Description
技术领域
复合高温超导导线、高温超导直流输电电缆和高温超导直流输电系统，属于电力传输技术或高温超导电力应用技术领域。
背景技术
现有电力输电方式主要是交流输电。但是，交流输电存在以下缺点：1、由于存在相位和趋肤效应，使得交流输电的功率损失很大；2、随着传送容量的增加，交流输电的稳定性会变得越来越差，不得不采用补偿和提高电压等代价昂贵的手段加以解决；3、导体成本较高；4、线路故障的自我保护能力较差，需要投入大量的人力和物力加以维护。虽然人们曾经考虑用直流输电方式代替交流输电，但是，由于直流输电同样存在着损耗大、导体成本高、维护成本高等难以克服的缺点，使得人们不得不长期忍受着交流输电所有缺点的痛苦。人们长期梦想着能有一种大容量、低损耗、低成本、易维护的输电方式的出现。
超导材料的发明，为大容量、低损耗、低成本、易维护的输电方式的出现带来一丝曙光。由于超导材料在临界温度以下具有零电阻的特性，使得超导材料成为解决大容量、低损耗输电的一个非常重要的潜在方式。然而遗憾的是，由于传统超导材料的工作温区太低，使得其运行成本过高。这也使得这种超导输电技术始终不能得到普遍应用。
随着高温超导材料的出现及其相应技术的发展，制作高温超导电缆已具备了必要的基础。由于工作温区(临界温度)的提高，使得利用高温超导材料制作的电缆，其输电运行的成本将大大低于利用传统超导材料制成电缆的输电运行成本。
目前国内已有超导电缆的申请专利，但多数都限于交流输电的超导电缆，另外，在涉及超导电缆核心的超导导线方面的发明创造却是鲜见。
发明内容
本发明旨在提供复合高温超导导线，具有电流容量大，同时能够避免单根基元导线临界电流不均匀的问题，同时还具有更好的热稳定性和力学稳定性；提供基于所述复合高温超导导线的高温超导直流输电电缆，损耗极低、适合大电流低压直流输电，且具有良好的热稳定和力学稳定性；提供基于所述高温超导直流输电电缆的高温超导直流输电系统，实现低压无阻大容量直流电力传输，同时兼有输运各种制冷剂(如液氮、液氢、液氦等)的功能。
本发明提供的复合高温超导导线，包括基元高温超导导线，其特征在于，至少由两根以上的基元高温超导导线重叠在一起构成复合高温超导导线。
上述复合高温超导导线的基元高温超导导线之间，可以加入一层起强化和稳定作用的金属带，两层金属带之间至少有一根基元高温超导导线。
上述复合高温超导导线带的两层金属带之间，也可以有并排分布的多根基元高温超导导线或是并排分布的多根复合高温超导导线。
上述复合高温超导导线带的金属带可以是机械强度高的不锈钢带或导热导电性好的铜箔或银合金箔，实际应用时也可以交替使用两类金属带。
上述复合高温超导导线带的基元高温超导导线可以是利用不同高温超导材料及按不同工艺制备的任何具有高温超导特性的导线，也可以是它们的组合。例如下列几种可供实际选用的基元高温超导导线：1.利用粉末装管技术制备的(Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu3O10+x(Tc~110K)或(Bi，Pb)2Sr2Ca1Cu2O8-x(Tc~85K)金属包套导线，也即Bi(Pb)SrCaCuO(Bi-2223/Ag或Bi-2212/Ag)铋系套银导线。其基元导线结构为单芯或多芯带状导线(通常截面如~3mm×0.3mm)。多芯导线具有更好的实用特性，具有很高的临界工程电流密度Je~104 A/cm2-77K，已达到了实用化的水平。2.钇系镀膜导线-Y-123/基体，即Y1Ba2Cu3O7-x(Tc~92K)镀膜导线。其基本制备工艺有两种：(IBAD技术)在基带(衬底)上的隔离层上镀膜的超导导线；(RABiTS技术)在辊轧辅助双轴织构衬底(Ni)上镀膜的超导导线。这类导线具有比1.更高的临界电流密度，但目前生产成本较高。3.二硼化镁金属包套超导导线-MgB2(Tc~39K)。这种导线运行需要利用液氢冷却方案。
本发明提供的高温超导直流输电电缆，如图5、6所示，为至少包括制冷液管3、高温超导层4、绝缘绝热层5和保护壳层6的多层结构，其特征在于，所述制冷液管3为金属管，其内壁或(和)外壁具有若干沿轴向分布的U型导槽，每个U型导槽内均嵌有一根本发明所述的复合高温超导导线，所有U型导槽内的复合高温超导导线组合在一起构成所述的高温超导层4。
上述高温超导直流输电电缆可以是圆形电缆，也可以是扁平状电缆。如图6所设计的扁平状电缆结构，其自然弯曲方向与高温超导导线的有利弯曲方向相一致，因此在实际制备，运输和铺设时，能够更好地保护高温超导材料的特性。
上述高温超导直流输电电缆，其制冷液管3的内壁或(和)外壁的U型导槽可以平行于轴线分布或螺旋式分布于制冷液管壁。
上述高温超导直流输电电缆，也可以具有多层绝缘绝热保护层，如图6所示，在高温超导层4和绝缘绝热层5之间还有一层绝缘层7，在绝缘层7和绝缘绝热层5之间还有一层真空热屏层8，所述真空热屏层8由绝缘层7和绝缘绝热层5之间抽真空并加以轻质填充物或固定物所构成。
本发明所述的高温超导直流输电电缆，其中关键的超导体导电层的设计估算如下：例如设计一条额定电流10kA的高温超导电缆。一般高温超导基元导线的临界工程电流密度＞104A/cm2(77K)，若按104A/cm2取；基元超导导线在超导体导电层的填充系数若取λ＝0.5，则高温超导电缆超导体导电层的截面积S＝I/(λJe)为2cm2。这远远小于普通电缆所需正常导体截面积值~40cm2。其他层(绝缘绝热层、真空热屏层、绝缘层、保护壳层)等，可以根据相应的工业制造标准设计具体参数和选取适当的材料制造，不是本发明的发明重点。
本发明提供的高温超导直流输电系统，包括交直流转换装置10、高温超导电缆9和相应的制冷系统，源地交流电经交直流转换装置10转换成直流电后，经高温超导电缆输至目的地，再经交直流转换装置转换成交流电，其特征在于，所述高温超导电缆为本发明所述的高温超导直流输电电缆。
所述制冷系统根据制冷方式的不同具有不同的方式，若使用制冷液制冷，制冷系统可以由具有制冷液调控功能的换流站或接力站(A(1)、A(2)……A(n))所构成，所用制冷液为任何沸点低于所述高温超导直流输电电缆的高温超导层的临界温度Tc的制冷液，可以是液氮、液氢、液氖、液氩等；若使用制冷机制冷，制冷系统可以由装有制冷机的换流站或接力站(A(1)、A(2)……A(n))所构成。
所述高温超导直流输电系统的制冷系统根据制冷方式的不同具有不同的方式，若使用制冷液制冷，制冷系统可以是制冷液加换流站(A(1)、A(2)……A(n))，所用制冷液为任何沸点低于所述高温超导直流输电电缆的高温超导层的临界温度Tc的制冷液，可以是液氮、液氢、液氖、液氩等；若使用制冷机制冷，制冷系统可以是制冷液加冷却接力站(A(1)、A(2)……A(n))，制冷液具有更多的选择。
所述换流站或电缆连接冷却接力站(A(1)、A(2)……A(n))可同时实现冷却液缓冲调节和电缆连接功能。
所述换流站或电缆连接冷却接力站(A(1)、A(2)……A(n))可等距离分布，如每隔1km或2km或5km或10km一个，也可以根据实际情况的需要不等距离分布。
所述冷却系统可以同时实现将制冷液从源地运输至目的地或中间目的地的功能。尤其是这一冷却系统可与未来的液氢能源输送系统复合，具有更大的应用优势。
本发明的有益效果是：
1、本发明所述的复合高温超导导线，具有电流容量大，同时能够避免单根基元导线临界电流不均匀的问题，同时具有更好的热稳定性和力学稳定性。
2、本发明所述的高温超导直流输电电缆，无电阻能量损耗，能够大大提高传导电流密度，适合大电流低压直流输电，且具有良好的热稳定性和力学稳定性。
3、本发明所述的高温超导直流输电系统，实现低压无阻大容量直流电力传输：在相同电压等级条件下，可提高约10倍的传输容量；或在相同传输容量条件下，大为减少降低电压等级，从而大大降低输电成本。
4、本发明所述的高温超导直流输电系统，同时兼有输运各种制冷剂(如液氮、液氢、液氦等)的功能，尤其是可以运输液氢能源，可以预见，本发明具有极大的应用推广价值。
附图说明
图1为高温超导基元导线截面示意图。
图2为一种复合高温超导导线截面示意图。
图3为另一种复合高温超导导线截面示意图，其中，1为基元高温超导导线，2为金属带。
图4为图3所示的复合高温超导导线纵向剖面示意图，其中，1为基元高温超导导线，2为金属带。
图5为本发明所述的一种高温超导直流输电电缆结构示意图，其中，3为制冷液管，4为高温超导层，5为绝缘绝热层，6为保护壳。
图6为本发明所述的另一种高温超导直流输电电缆结构示意图，其中，3为制冷液管，4为高温超导层，5为绝缘绝热层，6为保护壳，7为绝缘层，8为真空热屏层。
图7为复合高温超导导线与制冷液管结合示意图。
图8为高温超导直流输电系统示意图，其中，9为高温超导直流输电电缆，10为交直流转换装置，A(1)至A(n)为换流站或电缆连接冷却接力站。
Claims (14)
1、复合高温超导导线，包括基元高温超导导线，其特征在于，至少由两根以上的基元高温超导导线重叠在一起构成复合高温超导导线。
2、根据权利要求1所述的复合高温超导导线，其特征在于，所述基元高温超导导线(1)之间可以加入一层起强化和稳定作用的金属带(2)，两层金属带之间至少有一根基元高温超导导线。
3、根据权利要求2所述的复合高温超导导线，其特征在于，所述两层金属带之间也可以有并排分布的多根基元高温超导导线或是并排分布的多根复合高温超导导线。
4、根据权利要求3所述的复合高温超导导线，其特征在于，金属带可以是机械强度高的不锈钢带或导热导电性好的铜箔或银合金箔，实际应用时也可以交替使用两类金属带。
5、根据权利要求1所述的复合高温超导导线，其特征在于，所述基元高温超导导线可以是利用不同高温超导材料及按不同工艺制备的任何具有高温超导特性的导线，也可以是它们的组合。
6、高温超导直流输电电缆，为至少包括制冷液管(3)、高温超导层(4)、绝缘绝热层(5)和保护壳层(6)的多层结构，其特征在于，所述制冷液管(3)为金属管，其内壁或/和外壁具有若干沿轴向分布的U型导槽，每个U型导槽内均嵌有一根本发明所述的复合高温超导导线，所有U型导槽内的复合高温超导导线组合在一起构成所述的高温超导层(4)。
7、根据权利要求6所述的高温超导直流输电电缆，其特征在于，所述高温超导直流输电电缆可以是圆形电缆，也可以是扁平状电缆。
8、根据权利要求6所述的高温超导直流输电电缆，其特征在于，所述制冷液管(3)的内壁或/和外壁的U型导槽可以平行于轴线分布或螺旋式分布于制冷液管壁。
9、根据权利要求6所述的高温超导直流输电电缆，其特征在于，所述述高温超导直流输电电缆也可以具有多层绝缘绝热保护层，如在高温超导层(4)和绝缘绝热层(5)之间还有一层绝缘层(7)，在绝缘层(7)和绝缘绝热层(5)之间还有一层真空热屏层(8)，所述真空热屏层(8)由绝缘层(7)和绝缘绝热层(5)之间抽真空并加以轻质填充物或固定物所构成。
10、高温超导直流输电系统，包括交直流转换装置(10)、高温超导电缆(9)和相应的制冷系统，源地交流电经交直流转换装置(10)转换成直流电后，经高温超导电缆输至目的地，再经交直流转换装置转换成交流电，其特征在于，所述高温超导电缆为本发明所述的高温超导直流输电电缆。
11、根据权利要求10所述的高温超导直流输电系统，其特征在于，所述制冷系统根据制冷方式的不同具有不同的方式，若使用制冷液制冷，制冷系统可以由具有制冷液调控功能的换流站或接力站(A(1)、A(2)……A(n))所构成，所用制冷液为任何沸点低于所述高温超导直流输电电缆的高温超导层的临界温度Tc的制冷液，可以是液氮、液氢、液氖、液氩等；若使用制冷机制冷，制冷系统可以由装有制冷机的换流站或接力站(A(1)、A(2)……A(n))所构成。
12、根据权利要求11所述的高温超导直流输电系统，其特征在于，所述换流站或电缆连接冷却接力站(A(1)、A(2)……A(n))可同时实现冷却液调控和电缆连接功能。
13、根据权利要求11所述的高温超导直流输电系统，其特征在于，所述换流站或电缆连接冷却接力站(A(1)、A(2)……A(n))可等距离分布，如每隔1km或2km或5km或10km一个，也可以根据实际情况的需要不等距离分布。
14、根据权利要求10所述的高温超导直流输电系统，其特征在于，所述制冷系统可以同时实现将制冷液从源地运输至目的地或中间目的地的功能。
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