專利名稱：高溫超導電纜及其制造工藝的制作方法
說明書本發明涉及所謂高溫型超導電纜及其制造工藝。
本說明書及所附權利要求中通篇采用的術語“超導材料”是指包含超導狀態的任何材料，例如基于銅、鋇和釔的混合氧化物或鉍、鉛、鍶、鈣、銅、鉈和汞的混合氧化物構成的陶瓷材料，這里所說超導狀態是指處在低于所謂臨界溫度Tc的溫度具有幾乎零電阻率的狀態。
在超導體領域，因而在本說明書中，術語“高溫”是指接近或高于液態氮溫度(約77°K)的任何溫度，它與通常稱為低溫的液態氦溫度(約4°K)相比而稱為高溫。
從例如DE-A-3811050和EP-A-0747975可知道高溫超導電纜。
臨界溫度高于77°K，即在至少達到這一溫度時才表現出超導特性的超導材料是已經知道的。這些材料通常被稱作高溫超導體。顯然，這種材料與低溫超導體相比在技術上更有意義，因為可以由77°K的液氮致冷而不是由4°K的液氦致冷來保證它們的工作，從而大大降低其實現難度和能量消耗。
眾所周知，在電能輸送領域，最難解決的問題之一是如何從技術和經濟的觀點使所謂超導材料的利用能表現出越來越大的優越性。
事實上，即使那些低溫材料已經知道很久了，它們的普及至今仍只限于某些明確規定的實際應用，例如制造為核磁共振設備所用磁體或高場強磁體，對于它們，成本不是一個鑒別因素。
實際上，由于被超導體消耗的功率較小而節省的費用，仍然超過被保持氦低于其臨界溫度所需液氦致冷造成的費用所抵消的部分。
為了解決前述問題，研究工作部分地指向試驗新的高溫超導材料，部分地試圖不斷地改進已有材料的特性和含有已能得到的材料的導體的性能。
關于幾何特性，已經發現，厚度通常在0.05和1mm之間的薄帶提供了一種有利的幾何形狀。
事實上，在這種情況下，含有很脆的超導陶瓷材料的導體一方面改善了對各種彎曲應力的抵抗能力，這些應力是在包含該導體的電纜每一制造、運輸和安裝操作過程中施加給它的；另一方面，它提供了臨界電流密度方面的更好性能，因為該超導材料具有更有利的取向和致密程度。
由于多種理由，特別是為改善其機械抵抗性能，上述導體通常包含多個條帶，每個條帶由一超導材料核心封閉在一金屬外皮中構成，該金屬外皮一般為銀或銀合金，這些條帶耦合在一起，得到一種多線條組合結構。
根據一種本領域技術人員稱之為“管中顆粒(powder-in-tube)”的廣泛使用的方法，導體的這種多線條結構的獲得是從小金屬管開始的，在小金屬管中填充適當的前身顆粒，這些金屬管又被封閉在另一個外部金屬管或坯中，從而得到致密的一扎管，它們首先提供給若干個其后的定型(permanent deformation)、擠壓和/或拉伸處理，然后被提供給滾軋和/或鍛壓處理，直至得到希望的帶形結構。例如參見EP-A-0627773。
在滾軋處理和其后處理之間，所處理的條帶被送去進行一或多次熱處理，以便由其顆粒前身開始形成超導陶瓷材料，最重要的是它的融合(syntherisation)，即顆粒狀超導體的顆粒相互“焊接”。
高溫超導體條帶相當脆，在77°K工作溫度和在室溫中都是如此，而且不適于承受機械應力，特別是張應力。事實上，除了實際的機械斷裂外，超過給定的張力變形閾值會不可逆轉地危害材料的超導特性。所以，把這些材料用到電纜中是特別復雜和必須專心致力的。
事實上，制造和安裝包含這種材料的電纜涉及若干階段，這些階段帶來不可避免的機械應力。
第一個關鍵性階段是根據一種螺旋形安排把若干個條帶纏繞在一個柔性筒狀支持物上，直至得到所希望的超導材料部分。纏繞和拉動都在條帶中造成拉伸、彎曲和扭轉變形。所造成的加到超導材料上的應力主要是張應力。此外，這樣形成的導體(支持物加上超導材料)被熱和電絕緣手段包圍，在這些操作過程中導體被拉伸和彎曲，這在超導條帶中引入了更多的應力。
第二個關鍵階段涉及電纜安裝。電纜的確是在室溫下安裝的，從而造成附加的張應力和彎曲應力。機械連接(電纜頭鎖住)、電連接和液路連接(用于液氮)是在室溫下進行的。在完成安裝后，通過加入液氮使電纜進入其工作溫度，在這一冷卻過程中，每個電纜部件受到源于熱作用的機械應力，這些應力因其構成材料熱膨脹系數的不同而不同，還受到其他部件的特性造成的應力。
特別是，支持物和超導條帶間的膨脹系數不同會在超導條帶中造成應力，從而在超導材料中造成應力。事實上，捆綁在不大能收縮的支持物上的超導材料如果不能自由收縮，則在超導材料中便產生張應變。這種張應變加到由于纏繞業已存在的那些應變上。
為減小張應變，已經建議所用支持物由膨脹系數高于超導材料的材料構成〔超導材料膨脹系數通常為(10-20)×10-6/K〕，即在至少75×10-6/K的量級。這種材料將不是金屬，因為沒有任何金屬能有此值，而只能是聚合材料，如特氟隆(teflon)、聚乙烯及其衍生物。
然而，已經發現，旨在通過適當減小支持物直徑來減小對條帶的熱機械應力的上述解決辦法表現出一些重要的缺點。
特別是，導體(支持物加超導材料)熱收縮的不可避免的高值引起導體本身和周圍絕緣手段(熱的和/或電的絕緣)之間形成寬的徑向中空空間。這一中空空間可能由于絕緣體的變形或斷裂引起電的不便性，和/或機械不便性，即導體沒有附著力、錯位和滑動。
此外，所述聚合物材料差的機械特性不允許它在電纜制造和安裝階段適當地保護超導材料由于這些材料的變形能力高，加到導體上的任何應變都的確也能在超導材料中造成顯著的形變。
所以，按照本發明的第一方面涉及一種高溫超導電纜，它含有一管狀支持物，和多個有超導材料被封閉在一金屬外皮(例如銀或具有鎂和/或鋁和/或鎳的銀基合金)中的超導條帶，所述條帶被螺旋式纏繞在支持物上，從而形成一個電絕緣的、熱絕緣的和被冷卻的超導層，其特征在于該超導條帶具有大于3‰的最大抗拉形變(tensile deformation)。
上述值打算歸因于上文描述的制造和安裝工藝，即在室溫下的纏繞和安裝，然后冷卻到大約77°K的工作溫度。這也適用于形變值，它將在下文中給出。
優選這些超導條帶包含至少一個與金屬外皮連接的金屬條(或帶或薄層)。
這樣，增大了承受張應力的能力。已經觀察到，可被超導材料安全承受的抗拉形變可以是最大為3‰左右；這一數值考慮了超導材料已經承受了約1-1.5‰的壓縮形變的事實，這是由于條帶制造階段超導材料相對于金屬外皮的差值熱收縮造成的。
多虧了本發明的金屬條，不僅已觀察到在同樣外加應變下的較小形變，而且觀察到特別改善的拉伸形變抵抗力；已經實際達到了拉長值約5.5‰左右而不發生任何損壞。這一效果被認為是由于應變在超導材料中的更均勻分布，這允許更好地利用所述超導材料的機械特性。
根據每一具體情況，只能提供一個金屬條與金屬外皮耦合，或者兩金屬條位于條帶的相對兩側。
金屬條與金屬外皮的耦合最好是借助熔焊、釬焊或粘接。
該金屬條最好由具有低電導率的非磁化不銹鋼或青銅或鋁制成。
電纜的管狀支持物最好由金屬制成。較大的承受張應力的能力的確允許使用由金屬而不是由聚合材料制成的支持物，如在下文中將更好地予以解釋的那樣。
各種類型的金屬可用于支持物；特別是對具有很高電流的應用，采用非磁化鋼，最好是不銹鋼。或者，也可使用銅或鋁。
管狀支持物的結構可以是連續的，或者是平滑的，或者是有波紋的。或者，該管狀支持物可以有由螺旋纏繞的金屬條帶構成的結構，或者可以有所謂瓦式結構，即螺旋形連接相鄰扇面。
按照第二方面，本發明涉及制造高溫超導電纜的工藝過程，其包括下列步驟-提供一管狀支持物；
-把超導材料封閉在一金屬外皮中，從而形成超導條帶；-把多個超導條帶螺旋式纏繞在支持物上，從而形成至少一個超導層；-使超導層電絕緣；-使超導層熱絕緣；-提供當電纜在使用時能把超導層冷卻到一預定工作溫度之下的可能性，其特征在于-控制超導條帶的最大抗拉形變，使其大于3‰。
這一工藝過程允許根據本發明的第一方面制造電纜。
根據本發明的電纜及其制造過程的其他特點和優點，從下文參照附圖對最佳實施例的描述中將會更加清楚。在所述附圖中

圖1是根據本發明的高溫超導電纜示意圖，其部件被部分地移走。
圖2是圖1電纜中所用高溫超導條帶的截面示意圖。
參見圖1，1從總體上代表一個所謂同軸型單相(phase)超導電纜1。該電纜1包含一全體由2表示的超導核心，其含有至少一個導體部件3；所示實例涉及(根據同一申請人的歐洲專利申請96203551.5號)的電纜中提供了四個導體部件，由3I、3II、3III、3IV表示，裝在一個管狀外罩9中，最好是寬松地裝入，管狀外罩例如由金屬構成，諸如鋼、鋁等。
每個導體部件3包含一對同軸導體，分別為相4和中性線5，每個包括至少一層超導材料。
在所述實例中，超導材料被包含在多個重疊的超導條帶20中，它們以足夠低的纏繞角α螺旋纏繞在各自的管狀支持物6和(可能還有)7上；如果該管狀支持物是金屬的，角α最好小于40°，這在下文中將予以說明。
同軸的相4和中性線5的導體由夾在中間的絕緣材料層8使其彼此絕緣。
電纜1還包含適當的手段把超導核心3冷卻到適當低于所選超導材料臨界溫度的溫度，在圖1電纜中的超導材料是所謂“高溫型”超導材料。
前述手段包含適當的、公知的、因而沒有表示出來的泵裝置，它的目的是向每個導體部件3的內部以及這種部件和管狀外罩9之間的空隙中饋送適當的冷卻液體，例如溫度在65°至90°K的液氮。
為盡可能地減少向環境的熱擴散，超導核心2被封閉在一容器結構或低溫恒溫箱10中，10中含有例如由多個重疊層和至少一個保護殼構成的熱絕緣體。
在例如IEEE電力輸送學報第7卷第4期(1992年10月)第1745-1753頁上的文章中描述了在本領域中公知的低溫恒溫箱。
更具體地說，在所述示例中，低溫恒溫箱10包含一絕緣材料層11，例如由表面敷以金屬的塑料材料(例如聚酯樹脂)構成的若干條帶(幾十個)所組成，在本領域中稱作“超級熱絕緣體”，這些條帶寬松地纏繞，可能要借助放在中間的隔離層13。
這種條帶被放在環狀中空空間12中，被一管狀部件14限定，其中由公知的裝置保持大約10-2N/m2的真空。
金屬管狀部件14適于給這環狀中空空間12以所希望的不可滲透性，并由一外殼15罩住，該外殼由例如聚乙烯構成。
金屬管狀部件14最好由鋼、銅、鋁等構成的條帶纏繞成管狀并縱向焊接而成、或者由擠壓成形的管子等構成。
如果需要使電纜具有柔性，部件14可做成帶波紋的。
除了所描述的部件外，還可以有電纜牽引部件，根據電纜的結構和使用要求軸線放置或在外圍放置，以保證加到超導部件3上的機械應力限度；這種牽引部件(圖中未畫出)可以根據本領域公知的技術，使用放在外圍的金屬鎧甲，例如用繩子捆起的鋼絲，或者用一或多個軸向金屬繩，或者用介電材料鎧裝纖維，例如芳族聚酰胺纖維。
最好是管狀支持物6和7由非磁化的不銹鋼制成，可以有連續的或者平滑或者波紋狀的結構；或者，管狀支持物6和7可以由螺旋纏繞的鋼帶或由瓦式結構來實現。不同于鋼的材料也可以使用，例如銅或鋁。
如圖2所示，每個超導條帶20含有超導材料23、在其中封閉超導材料23的金屬外皮24(最好由銀或帶有鎂、鋁或鎳的銀合金制成)、以及至少一個與外皮24耦合的金屬條(或帶或薄層)25。特別是，外皮24有一基本上為矩形的扁平截面，有兩個長邊26和兩個短邊27；金屬條25也有一基本上為矩形的扁平截面，其兩個長邊28的長度幾乎等于外皮24的長邊26的長度。帶25通過熔焊、釬焊或粘接與外皮24連在一起。應該指出，可能有兩個金屬條25，或者相等或者不等，固定在外皮24的相對部分。
實例為實踐本發明，已實現了一些電纜，它們具有如下特性支持物金屬或聚合物纏繞直徑(支持物的外直徑)40mm角α10-45°超導條帶厚度0.2mm超導條帶寬度4mm纏繞過程中在單個條帶上的拉力10N工作溫度77°K以閉鎖頭冷卻(溫度跳躍等于220°K)超導條帶的熱脹系數18.5×10-6℃聚合物支持物的熱脹系數80×10-6℃金屬支持物的熱脹系數15×10-6℃。
超導材料上的形變效應已予以考慮，有由于纏繞幾何形狀(這取決于加到條帶上的彎曲，所以隨角α的增大而增大)造成的，有由于纏繞操作過程中的拉伸(恒定的)造成的，還有由于熱變化效應由閉鎖電纜頭造成的(它們隨角α的增大而減小，直至角α足夠大時它們可能會變為負值)。在表中，正數用于指示拉伸形變，負數指示壓縮形變。
表中顯示出最大可承受抗拉形變等于3‰的傳統超導條帶的可行性以及根據本發明最大可承受抗拉形變等于5.5‰的超導條件的可行性(假定兩個條25沿截面兩個長邊放置，厚度為0.045mm、長度為3.8mm，由不銹鋼制成，由錫釬焊固定在條的外皮24上)，所以有2.5‰的改善。在后一種情況下，假定(如前文指出并經實踐證實的那樣)未加筋的超導條帶能承受3‰的抗拉形變。加雙下劃線的值指出3‰限已被超出。
表1概括了使用聚合物支持物的情況，表2是關于金屬支持物的情況。
該實例表明，在一個具體情況下，通常本發明允許更大的設計自由度，諸如關于纏繞角、支持物直徑、纏繞拉力值、以及在一定程度上對支持物所用材料的選擇。
使用金屬作為支持物的可能性是特別有利的，因為這種支持物除了使電纜有更大的堅固性從而更好地保護超導材料外，最重要的是允許防止現有技術中上述聚合物支持物的那些缺點；這意味著在工作溫度下在導體和周圍層之間沒有由于熱脹系數不同造成的危險的中空空間。如已看到的那樣，因為在電纜中導體外部各層主要是金屬，使用的金屬支持物使膨脹系數減至最小，所以顯著地減小了由于中空空間造成的不便。
此外，金屬支持物賦予導體以更大的機械抵抗力，這里把導體理解為支持物和纏繞在其上面的超導材料的總體。因此，在導體上的可能的機械應力在很大程度上不會傳播到超導條帶(在聚合物支持物的情況中會發生，因為聚合物支持物有高度變形能力)，而是幾乎完全由支持物本身承受。
還有，增大超導材料纏繞拉力的可能性也是很重要的好處。事實上，導體纏繞的致密程度以及因此造成的它的穩定性，都取決于所述拉力。
概括地說，本發明允許實現不那么專用的而更有抵抗性的超導電纜。
表1.聚合物支持物
注1對于傳統的超導條帶，室溫下的微小幾何形變足以不可逆轉地損壞條帶本身。所以，-0.35值只對于改進的超導條帶才有意義。
表2.金屬支持物
權利要求
1.一種高溫超導電纜，它包括一管狀支持物，和多個有超導材料被封閉在一金屬外皮中的超導條帶，該條帶被螺旋式纏繞在支持物上，從而形成至少一個電絕緣的、熱絕緣的和被冷卻的超導層，其特征在于該超導條帶具有大于3‰的最大抗拉形變。
2.根據權利要求1的電纜，其中這些超導條帶包含至少一個與金屬外皮耦合的金屬條。
3.根據權利要求2的電纜，其中這些超導條帶包含兩個與金屬外皮耦合的金屬條。
4.根據權利要求2的電纜，其中該金屬外皮是由銀或帶有鎂和/或鋁和/或鎳的銀基合金制成。
5.根據權利要求2的電纜，其中該金屬條由熔焊與金屬外皮耦合。
6.根據權利要求2的電纜，其中該金屬條由釬焊與金屬外皮耦合。
7.根據權利要求2的電纜，其中該金屬條由粘接與金屬外皮耦合。
8.根據權利要求2的電纜，其中該金屬條是由低電導率的非磁化不銹鋼制成。
9.根據權利要求2的電纜，其中該金屬條是由青銅制成。
10.根據權利要求2的電纜，其中該金屬條是由鋁制成。
11.根據權利要求1的電纜，其中該管狀支持物是由金屬制成。
12.根據權利要求11的電纜，其中該金屬管狀支持物是由非磁化不銹鋼制成。
13.根據權利要求11的電纜，其中該金屬管狀支持物是由銅制成。
14.根據權利要求11的電纜，其中該金屬管狀支持物具有連續的結構，平滑或波紋狀。
15.根據權利要求11的電纜，其中該金屬管狀支持物具有螺旋式纏繞金屬條結構。
16.根據權利要求11的電纜，其中該金屬管狀支持物具有瓦式結構。
17.根據權利要求11的電纜，其中該超導條帶在金屬管狀支持物上的纏繞角小于40°。
18.一種制造高溫超導電纜的工藝過程，其包括下列步驟-提供一管狀支持物；-把超導材料封閉在一金屬外皮中，從而形成超導條帶；-把多個超導條帶螺旋式纏繞在支持物上，從而形成至少一個超導層；-使超導層電絕緣；-使超導層熱絕緣；-提供當電纜在使用時能把超導層冷卻到一預定的工作溫度之下的可能性，其特征在于-控制超導條帶的最大抗拉形變，使其大于3‰。
19.根據權利要求18的工藝過程，包含以下步驟-使至少一個金屬條與超導條帶的金屬外皮耦合。
20.根據權利要求19的工藝過程，包含以下步驟-使兩個金屬條與超導條帶的金屬外皮耦合。
21.根據權利要求19的工藝過程，其中該耦合步驟是由熔焊完成的。
22.根據權利要求19的工藝過程，其中該耦合步驟是由釬焊完成的。
23.根據權利要求19的工藝過程，其中該耦合步驟是由粘接完成的。
24.根據權利要求1的工藝過程，其中該管狀支持物是由金屬制成的，而且該超導條帶在金屬管狀支持物上的纏繞角小于40°。
全文摘要
一種高溫超導電纜,包括一管狀支持物,和多個螺旋式纏繞在所述支持物上的超導條帶,從而形成一或多個超導層,用于超導層的電絕緣手段,以及用于使超導層保持在一預定工作溫度以下的冷卻手段和熱絕緣手段。根據本發明,該超導條帶含有超導材料被封閉在一個金屬外皮中,至少一個金屬條與此金屬外皮相連。
文檔編號H01B12/02GK1266532SQ98808024
公開日2000年9月13日 申請日期1998年7月28日 優先權日1997年8月5日
發明者帕奧拉·卡拉西諾, 勞拉·格拉爾蒂, 皮耶羅·邁特拉, 馬爾庫·納西 申請人:皮雷利·卡維系統有限公司