專利名稱：：磁能儲器的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種超導磁能儲存(SMES)裝置．該裝置包括一個與電壓源，例如，直流電壓源、串聯、并由一根超導電纜繞成的線圈；和用于使該線圈短路的開關裝置。該超導電纜具有在使用時保持在共臨界溫度(Tc)以下的低溫溫度下，并被電氣絕緣裝置包圍的一個超導裝置。雖然，本發明主要涉及高溫超導電纜，但因為在磁能儲存中的磁場很強，因此本發明也可用于低溫超導電纜。
背景技術：
：超導磁能儲存(SMES)的概念是眾所周知的。SMES的原理是能量以磁能的形式存儲在電感為L的線圈中，所儲存的能量大小為1／2LI2(式中I-直流電流)。線圈的電感L由眾所周知的公式給出L=(μoμrN2A)／l式中μo=4п×10-7AS／Vm；μr-在螺線管磁路中材料的導磁率(若磁通密度B足夠小，則對于空氣μr=1；對于定向排列的高質量的鋼的層疊片，μr≈10000或更大)；N-繞組數目；A-橫截面積；1-線圈長度。由于在SMES裝置中儲存的磁能為E=1／2LI2，因此，顯然電流和電感都應該最大。最大電流是由在給定溫度、磁場和電流密度下，超導體的性質決定的。電感可通過在磁路中使用導磁率高的磁性材料來達到最大。遺憾的是，目前尚不知道有在高磁通密度下，具有高導磁率的材料。事實上，當磁通密度B大約為2泰斯拉(Tes／a)時，即使最好的材料也會飽和；另外，在飽和區中，磁芯損失(磁滯和渦流)急劇增加。如果材料的磁矩安全排列在一直線上，則理論上鐵的最大磁通密度可達到2．12泰斯拉。由于超導體的電流大，磁通密度也大，因此事實上，磁通密度達到5泰斯拉或更高并不是罕見的。這樣，磁性材料不應包括在磁路中，至少不應包括在磁通密度B高的區域的磁路中。因此，一般μr=1。將繞組數目N選擇得大些，也可增大電感。如果繞成螺線管，則繞組密度，即每單位長度的繞組數目，由導體及其絕緣的橫截面積確定。導體的橫截面積與長度之比，也是電感的一個重要參數。目的是要使導體橫截面積大，而線圈長度短。因此，為了得到大電感，經常將繞組設計成扁平形或圓盤形，作為一個優選的線圈。與相競爭的能量儲存系統比較，SMES裝置的效率高，能量密度大。SMES裝置對存儲或排放的需求響應快。另外，SMES不但可用于要求負載均衡，而且要求負載跟蹤，旋轉反向，瞬態過程穩定和同步共振阻尼的場合。SMES不但節約能量，而且電力系統工作的自由度更大。正常情況下，SMES裝置可以儲存大約1MW以下的能量，但目前要求SMES有更大的能量儲存容量。對于較大的SMES裝置，增大電流會使設備尺寸過大，還要使用與不同的傳輸系統連接的多根饋電線。通常的SMES裝置與低電壓的大電流源一起工作。當用在交流電系統中時，可以利用一個交流直流轉換器，來轉換送入SMES裝置和從SMES裝置輸出的電能。與電力網絡連接的SMES裝置工作時，要加一個變壓器。正常情況下，SMES裝置作成一個線圈。為了使能量儲存容量達到最大，應使電感盡可能大。因此，如在“海軍SMES電纜試驗裝置的4泰斯拉背景線圈的設計和結構”一文(“IEEETransactionsonAppliedSuperconductivity”，1997年6月，第7卷，第2期)中所述那樣，可將例如超導體繞成扁平形的、4泰斯拉的SMES背景線圈。在正常情況下，與SMES裝置連接的電壓，在大約500伏以下，電流大約為1000A。在“IEEETransactiononAppliedSuperconductivity”1997年6月第7卷第2期刊登的文章“一個大型低溫穩定的SMES中的急冷保護區和正常滯流區”中，說明了一個30MW的大型SMES裝置。該裝置包括由多個雙層扁平結構裝配而成的一個線圈。使用這個SMES裝置要求有大的功率輸出，和達到3．4KV的工作電壓。另一種儲存磁能的方法是將導體直接繞成一個螺線管。在“IEEETransactionsonAppliedSuperconductivity”1997年6月第7卷第2期刊登的文章“用于SMES的超導線圈及其低溫恒溫器的設計、制造和冷試驗”中，說明了一種試驗線圈的一個例子。在該例子中，螺線管由NbTi導體構成，有4500圈、30層，內層繞組半徑為120mm。發明梗概本發明的目的是要提供一種包括一個SMES裝置的高電壓系統，其中，SMES裝置的超導體被絕緣，可耐高電壓，并且該絕緣裝置是圍繞該導體同心的。根據本發明的一個方面，提供了一種上述的SMES裝置。該裝置的特征在于，所述電氣絕緣裝置包括一個電氣上與所述超導裝置連接的半導電材料制成的內層；沿著其長度，受一個可控制電位，例如地面電位，作用的半導電材料制成的外層；和位于所述內層和外層之間，由固體電氣絕緣材料制成的中間層。在本說明書中，術語“半導電材料”是指具導電性比導電體低很多，但不是低到象電氣絕緣體那樣的材料。相應地，但不是唯一地，“半導電材料”的體積電阻率為1～105歐姆·厘米，較好是1～103歐姆·厘米，更好是10～500歐姆·厘米，最好是10～100歐姆·厘米；一般為20歐姆·厘米。本發明并不限于高溫超導性。由于磁能儲存中的磁場強度大，因此雖然根據所用的低溫超導體形式的不同，低溫超導體需要在絕對溫度為1～15K之間工作的低溫恒溫器，但低溫超導體仍有吸引力。眾所周知的低溫超導體的例子是以鈮，諸如NbTi、Nb3Sn和Nb3Al為基礎的；其他的例子有V3Ga和Nb3Ge。最普遍使用的超導體為NbTi，它可用于在4．2K下磁場密度在大約9泰斯拉以下(或在1．8K下磁場密度為11泰斯拉)的場合。對于更高的磁場密度，不能使用NbTi，而要用Nb3Sn代替。根據本發明的SMES裝置由按照通常的電纜制造原理制造的電纜狀導體制成。絕緣材料可以承受在1KV范圍內的高電壓，并可以提高至用于高電壓直流傳輸的電壓。本發明提供了一個包括SMES裝置的高電壓系統。該SMES裝置可與高電壓網絡連接。這表示，在傳輸或分配網絡上，可能有負載跟隨現象，而并不是如目前使用SMES裝置的情況那樣，只用于低電壓的某種特定用途。這就有可能根據(例如)白天-黑夜的規律或東方-西方的規律，使用SMES來儲存能量，使高電壓網格中的負荷變化變得比較平滑。另外，高電壓的SMES裝置，可以在短時間內，將大量的能量送入系統中，即輸入大量的實際能量。這樣，可以很好地控制該系統。本發明還提供了一個包括可以直接與高達800KV甚至更高的高電壓連接，不需將電壓變低的SMES裝置的高電壓系統。這點可通過用能耐高電壓的絕緣裝置將超導裝置絕緣起來而達到。這種絕緣裝置，例如可從高電壓直流傳輸系統中了解到。本發明的一個優點是，由于SMES裝置在高電壓下工作，因此，對于一個給定的功率密度，可以減小電流。只作為一個例子，可舉出下列數據相對于一個通常的在20KV下工作的SMES裝置，根據本發明的一個同樣功率的SMES裝置可在大約150KV下工作，結果可使電流減小大約7．5倍。由于在電纜中的磁力是與電流和磁通密度(B)的乘積成比例的，因此，磁力也可減小大約7．5倍。另外，在這個例子中，半導電體量也可節約大約7．5倍。同樣，冷卻損失也可以大大減小。所有這些因素，使SMES裝置在經濟方面的吸引力得到提高。在高電壓下工作的SMES裝置還有一個優點是，充電和放電很快。通常，至少是給較大的SMES裝置充電是非常費時間的，而通過將SMES裝置與高電壓連接，可以大大減小充電時間。另外，通過增大在SMES裝置上的電壓，可以使SMES裝置輸出的功率增加。本發明的另一個優點是，SMES裝置可以安裝在靠近大型發電裝置，諸如，核電站的地方。當快速關閉核電站時，在高電壓網絡上會產生巨大的寄生電抗。利用高電壓SMES裝置，可以有效地使這種寄生電抗平滑化，因為高電壓SMES裝置可將相應的功率送入系統中，然后使該功率緩慢地呈斜坡狀下降。高電壓SMES裝置的另一個優點是，不需要用于將送入SMES裝置和從SMES裝置輸出的電能進行變壓的變壓器。該SMES裝置可以直接與傳輸或分配網絡連接，不需要設置中間變壓器。系統中沒有變壓器可使系統的效率更高。通過將SMES裝置直接與電力網絡連接，和通過減少系統中的零件數目提高其效率，可以大大改善SMES裝置的性能。本發明的另一個優點是，SMES裝置完全被電氣絕緣，使得在超導電纜外面沒有電場。這有利于設計夾持電纜機械結構。可以增大SMES裝置的尺寸，使SMES裝置的機械穩定性問題較少。帶有高電壓絕緣的SMES裝置的另一個優點是，該絕緣裝置可防止通常在電氣系統中產生的放電，因而可減少在冷卻介質中形成氣泡的危險。通過將線圈直接與高電壓直流源，例如，高電壓交流-直流轉換器連接，可以使該線圈的充電和放電變得簡單。特別是在交流電力傳輸系統中，不需要在與交流-直流轉換器連接之前，將交流電壓變低。通過在沿著其長度，例如，沿著長度的隔開一定距離的幾個間隔，使上述半導電的外層處在可控制電位，例如，接地或地面電位的作用下，可使由超導裝置產生的電場包含在上述電氣絕緣裝置內。為了使上述超導裝置的溫度保持在其臨界溫度(Tc)以下，可以方便地將上述線圈和開關裝置封閉在一個低溫恒溫器內。另一種方案，或另外，該超導裝置的內部可用一種低溫流體，例如液氮進行冷卻，并且外部隔熱。例如，可以在該超導裝置和周圍的電氣絕緣裝置之間進行隔熱。在某些情況下，電氣絕緣裝置也可起隔熱作用。通過使用沒有缺陷的材料來制造上述SMES裝置的絕緣裝置的中間層，并使該中間層位于具有同樣熱性質的半導電材料制成的，互相隔開一定距離的內層和外層之間，則可以減小在該絕緣裝置內的熱負荷和電負荷。特別是，該絕緣的中間層和半導電的內層和外層的熱膨脹系數(d)，至少應該基本上相同；使得當該內、外層和中間層受到加熱或冷卻時，不會產生由于熱膨脹不同引起的缺陷。理想情況是，該電氣絕緣裝置基本上為一個單一的結構。該絕緣裝置的各個層可以緊密地互相機械接觸，但最好是連接或接合在一起。例如最好是，徑向方向相鄰的各層，一起在該超導裝置周圍擠壓出來。在正常的室溫下，超導電纜是可撓曲的，因此在低溫溫度下工作之前，可將該超導電纜彎曲或撓曲成所希望的繞組形狀。通常，該電氣絕緣裝置的絕緣的中間層由固體熱塑性材料，諸如低密度或高密度聚乙烯(LDPE或HDPE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB)、聚甲基戊烯(PMP)、乙烯(乙基)丙烯酸酯共聚物；交聯材料，諸如交聯聚乙烯(XLPE)；或橡膠絕緣材料，諸如，乙烯丙烯橡膠(EPR)或硅橡膠制成。上述絕緣裝置的半導電的內層和外層，可由與中間層相同，但帶有嵌入其中的導電微粒，諸如碳黑、煤煙灰或金屬微粒的材料制成。一般，不含碳微粒或含有一些碳微粒的一種特定的絕緣材料，諸如EPR具有相同的機械性質。半導電的內層和外層的隔板，在絕緣的中間層的內面和外面，形成基本上是等電位的表面。因此，在該二個半導電層和絕緣層為同心的情況下，電場基本上是徑向的，并且被限制在中間層以內。特別是，該半導電的內層配置成與它所包圍的超導裝置電氣上接觸，并且具有與超導裝置相同的電位。該半導電的外層設計成可以起防止由感應電壓引起的損失的隔板的作用。增大該外層的電阻，可以減小感應電壓。由于上述半導電層的厚度不能減少至小于某個最小的厚度，因此只有選擇電阻率較高的材料來制造該半導電層，才可以增大電阻。但是，如果該半導電的外層的電阻率太大，則具有可控電位，例如，地面電位的相鄰的隔開一定距離的二點之間的電壓將變得很高，有出現電暈放電，使絕緣層和半導電層腐蝕的危險。因此，半導電的外層要在具有小電阻，大的感應電壓損失，但容易與可控的電位，一般為地面或接地電位連接的導電體；和具有大電阻，小的感應電壓損失，但必需沿著其長度與可控電位連接的絕緣體之間作折哀。這樣，半導電的外層的電阻率Ps應在Pmin＜Ps＜Pmax范圍內，式中Pmin由渦流損失引起的容許功率損失，和由磁通感應產生的電壓引起的電阻損失確定；Pmax由不產生電暈放電或輝光放電的要求確定。如果該半導電的外層，在沿著其長度的互相隔開一定距離的二個間隔上接地，或與某個其他的可控電位連接，則不需要用金屬的外屏蔽套和保護外套來包圍該半導電的外層。這樣，電纜直徑可以減小，對于一個給定尺寸的繞組，可以繞更多圈。電氣絕緣裝置可在超導裝置上擠壓出來，或可利用搭接的方法制出。這適用于半導電層和電氣絕緣層。絕緣裝置可用純粹的合成材料薄膜制成；而半導電的內層和外層可用嵌入導電微粒，諸如，碳黑或金屬微粒的PP、PET、LDPE或HDPE的聚合物薄膜制成。對于搭接方法，薄膜的接縫間隙比所謂的Paschen最小值要小，因此不需要液體浸漬。干燥的、繞成多層的薄膜絕緣裝置的熱性質也較好，它可以與超導管結合成為一個導電體，且冷卻劑，諸如液氮，可通過該超導管泵送。電氣絕緣裝置的另一個例子類似于通常的以纖維素為基礎的電纜。在這種電纜中，薄的、以纖維素為基礎的材料，或合成紙張，或無紡材料搭接卷繞在一個導電體的周圍。在這種情況下，上述半導電的層可用纖維素紙，或由絕緣材料纖維制成，并嵌入導電微粒的無紡材料制成。上述絕緣的層可用以同樣材料為基礎的材料制成，或者可用另一種材料制造。電氣絕緣裝置的另一個例子可通過將薄膜和絕緣的纖維材料結合作層疊片或互相搭接而得到。這種絕緣裝置的一個例子是商業上出售的所謂紙和聚丙烯的層疊片(PPLP)，但薄膜與纖維材料也可以有幾種其他結合方式。在這些絕緣裝置中，可以使用各種不同的浸漬材料，諸如礦物油或液氮。超導裝置可以包括低溫超導體，但最好是包括高溫超導(HTS)材料，例如，在一根內部管子繞成螺旋線的HTS金屬絲或帶。HTS帶通常包括有銀制外殼的BSCCO-2212或BSCCO-2223(這里，數字表示在〔Bi，Pb〕2、Sr2、Ca2、Cu3、Ox分子中每一個元素的原子數)；以后，這種HTS帶將稱為“BSCCO帶”。BSCCO帶是通過粉末在管中(PIT)的拉、滾、燒結和滾壓過程，將超導體氧化物的細絲埋入銀或氧化銀的基體中制成的。另一種方法是，該帶可用表面涂層方法制造。在任何一種情況下，作為最后一道工序，要將上述氧化物熔化，并重新凝固。其他的HTS帶(例如，TiBaCaCuO(TBCCO-1223)和yBaCuO(yBCO-1237)可用各種不同的表面涂層方法或表面沉積方法制成。最理想是，在工作溫度大于65K，但最好是在77K以上，HTS金屬絲的電流密度jc在大約105Acm-2以上。HTS在上述基體中的填充系數必需較大，因此工程上取該電流密度jc≥104Acm-2。當所加的磁場的磁通密度在泰斯拉范圍內時，jc不應急劇減小。繞成螺旋形的HTS帶，用通過內部支承管的冷卻流體，最好為液氮，冷卻至HTS的臨界溫度Tc以下。可以將一個低溫恒溫層放置在該繞成螺旋線形的HTS帶周圍，以使該冷卻的HTS帶與電氣絕緣材料隔熱。然而，另一種方案是可以不用該低溫恒溫層。在后一種情況下，可以直接將電氣絕緣材料放在超導裝置上。另一種方案是，在該超導裝置和包圍它的絕緣材料之間可以有空間；該空間可以是空白的空間，或是充滿可壓縮材料，諸如，壓縮性很大的泡沫材料的空間。在從低溫溫度加熱／冷卻至低溫溫度過程中，該空間可減小作用在絕緣裝置上的膨脹／收縮力。如果該空間充滿可壓縮的材料，則該可壓縮材料可以是半導電的，以保證半導電的內層與超導裝置之間的電氣接觸。超導裝置可以有其他的設計型式。本發明提供了一種變壓器繞組，該繞組是由具有上述形式的包圍超導電纜的電氣絕緣裝置的、任何適當設計形式的超導電纜形成的。例如，其他形式的超導裝置可以包括除了在內部冷卻的HTS材料之外。還可有在外部冷卻的HTS材料，或在外部和內部都冷卻的HTS材料。在后一種形式的HTS電纜中，可以使用二個同心的，被低溫絕緣材料隔開和由液氮冷卻的HTS導體來輸送電力。外側的導體起返回通道的作用；而該二個同心的HTS導體可由能通過經要求的電流的一層或多層HTS帶構成。內面的導體可以包括繞在液氮從中通過的一個管狀支承上的HTS帶。外面的導體可從外面由液氮冷卻，并且用隔熱的低溫恒溫器將整個組件包圍起來。根據本發明的另一個方面，提供了一個電力傳輸系統，其特征為，根據所述本發明的一個方面的SMES裝置，與一個高電壓源，最好為一個高電壓的直流源連接。SMES裝置可以是一根電纜的形式，最好是電感大的電纜形式。該電纜的電氣絕緣裝置可由帶有幾層的導電體帶或金屬絲制成，其中所有的層都是按相同方向繞成的，而不是象通常的繞組的層那樣，在相反方向繞成，以便補償電感。這種帶有擠壓制出的絕緣裝置的電纜，可以直接接入傳輸線中，例如作為一個有二個極的直流系統中的一根傳輸線。還可以利用這種電纜來制造電感較大的螺線管。這里所述的本發明可用使用通常的低溫超導材料和冷卻劑，諸如，液氮。還可以將本發明用于交流電源。交流SMES裝置的損失較大，但如果對于所設計的系統，該損失是可以接受的，則本發明的原理也是適用的。附圖的簡要說明現在只利用例子，結合附圖來說明本發明的實施例。其中圖1為根據本發明的SMES裝置的電路圖；圖2為通過繞制圖1所示的SMES裝置的線圈的高溫超導電纜的一個實施例的一部分的、放大的截面示意圖；圖3為繞制圖1所示的SMES裝置的線圈的高溫超導電纜的另一個實施例的放大的示意性截面圖；圖4為通過一個高電壓直流網絡連接在一起，并在直流側包括一個SMES裝置的二個高電壓交流網絡的原理圖；圖5為包括在一個高電壓直流網絡中的SMES裝置的原理圖；和圖6為帶有電壓源轉換器和與一個高電壓的有二個極的直流環節組合的二個轉換器站的原理圖。圖1表示由高溫(Tc)超導(HTS)電纜12(見圖2)制成的，電感為L的線圈1。該線圈1與一個高直流電壓源2，例如與交流電傳輸線連接的一個高電壓交流-直流轉換器的直流側連接。開關3與該高直流電壓源2并聯，可使線圈1短路。當該線圈1與該直流電壓源2連接時，直流電流I流過該線圈，并使該線圈充電。由于超導電纜的電流密度大，和電阻實際上為零，因此，只需簡單地關閉該開關3和使線圈短路，即可儲存能量。能量以數值為1／2LI2的磁能形式，儲存在該線圈中。因此，該線圈1可以儲存電能，并在要求高峰時，快速地輸出電力。構成該線圈1的超導電纜12包括例如由銅或電阻大的金屬，諸如銅-鎳合金制成的一個管狀的內支承13。在該內支承上，細長的HTS材料，例如，BSCCO帶等繞成螺旋形，形成一個在該管狀內支承13周圍的超導層14。放置在該超導層外面的一個低溫恒溫器15，包括二個彼此隔開一定距離的、撓性的波紋狀金屬管16和17。該二個金屬管16和17之間的空間保持真空，并含有隔熱性能非常好的隔熱層18。液氮或其他冷卻流體，沿著該管狀內支承13通過，將包圍它的超導層14冷卻至超導體的臨界溫度Tc以下，管狀內支承13，超導層14和低溫恒溫器15一起，構成了電纜12的超導裝置。在該超導裝置外面具有，例如由塑料制成的固體電氣絕緣裝置。該電氣絕緣裝置包括一個半導電的內層20，一個半導電的外層21，和夾在這二個半導電層之間的一個絕緣層22。該三個層20～22最好為由熱塑性塑料形成的、基本上為單一的結構。這些層可以互相緊密地機械接觸，但最好是在其界面上互相牢固地連接。這些熱塑性塑料的熱膨脹系數相同，并且最好在該內部超導裝置周圍擠壓在一起。上述電氣絕緣裝置的電場應力不大于0．2KV／mm。只是作為一個例子，上述固體的絕緣層22可以包括交聯的聚乙烯(XLPE)。然而，該固體的絕緣層也可以包括其他的交聯材料，低密度的聚乙烯(LDPE)，高密度的聚乙烯(HDPE)，聚丙烯(PP)，聚甲基戊烯(PMP)，乙烯(乙基)丙烯酸酯共聚物或橡膠絕緣材料，諸如，乙烯丙烯橡膠(EPR)，乙烯-丙烯-二烯單體(EPDM)或硅橡膠。內層20和外層21的半導電材料可以包括例如與該固體絕緣層22的材料相同的基礎聚合物，并在該基礎聚合物中嵌入導電性很好的微粒，例如，碳黑微粒或金屬微粒。改變加入基礎聚合物中的碳黑的形式和比例，可以根據需要來調整這些半導電層的體積電阻率，一般，大約為20歐姆·厘米。下面給出利用不同形式的碳黑和不同的碳黑量，來改變電阻率的一個例子。<tablesid="table1"num="001"><table>基礎聚合物碳黑形式碳黑量(％)體積電阻率(歐姆·厘米)乙烯乙烯基EC碳黑-15350～400醋酸酯共聚物亞硝酸鹽橡膠亞硝酸鹽橡膠P-碳黑-3770～10亞硝酸鹽橡膠導電性特好的碳黑，型式Ⅰ-3540～50亞硝酸鹽橡膠導電性特好的碳黑，型式Ⅱ-3330～60丁基接枝的聚乙烯導電性特好的碳黑，型式Ⅱ-257～10乙烯丁基丙烯酸酯共聚物乙炔碳黑-3540～50乙烯丁基丙烯酸酯共聚物P碳黑-385～10乙烯丙烯橡膠導電性特好的碳黑-35200～400</table></tables>上述半導電的外層21，在沿著其長度的互相隔開一定距離的多個區域上，與所希望的可控電位，例如，地面電位連接；具體的互相隔開一定距離的、相鄰的可控電位或接地點數，決定于該外層21的電阻率。該半導電的外層21可起靜電屏蔽作用，通過將該外層的電位控制至例如地面電位，可以保證超導電纜的電場保持在該半導電的內層20和外層21之間的固體絕緣層內。增大該外層21的電阻，可減小在外層21上，由感應電壓造成的損失。但由于該外層21的厚度必需至少有一個一定的最小值，例如，不小于0．8mm，因此，只能通過選擇電阻率較高的材料來制造外層，才可以增大其電阻。然而，外層材料的電阻率也不能太大，否則，在二個相鄰接地點之間中央的該外層21的電壓會太高，有產生電暈放電的危險。可以不用在內部低溫冷卻HTS電纜12(或除了這種方法以外)，而將線圈1和開關3封閉在低溫恒溫器6(如圖1中虛線所示意性地表示那樣)內，將該線圈1保持在超導裝置的臨界溫度以下的溫度上。在這種情況下，不需要如以上針對圖2所述的那樣，將隔熱的低溫恒溫器15包括在HTS電纜中。圖3所示沒有低溫恒溫器15的電纜的一個典型設計。在這種情況下，由三個層20～22形成的電氣絕緣裝置，直接在繞在管狀內支承13上的超導層14上擠壓出來。雖然沒有示出，在該電氣絕緣裝置和超導層14之間可以有一個環形間隙，以適應該電氣絕緣裝置和超導層14的熱膨脹／收縮的不同。這個環形間隙可以是一個空白的空間，或可以充滿可壓縮的材料，諸如，壓縮性很大的泡沫材料。如果有這樣一個環形間隙，則最好使半導電的內層20與該超導層14電氣上接觸。例如，如果在該環形間隙中放入可壓縮的泡沫材料，則該泡沫材料可作成半導電的。圖4表示包括二個高電壓交流網絡N1和N2的一個高電壓系統；圖中T1y和T2y為y／y連接方式的轉換器變壓器；而T1D和T2D為y／D連接方式的轉換器變壓器。SCR11、SCR12、SCR21和SCR22為串聯的6脈沖式由傳輸線轉換的電橋式連接的轉換器。轉換器SCR11和SCR12，通過包括一個超導磁能儲存裝置SMES形式的能量儲存裝置的一個直流環節DCL，與轉換器SCR21和SCR22連接。在轉換器SCR11和SCR12上的電壓為V1，在轉換器SCR21和SCR22上的電壓為V2。每一個電壓V1和V2都是由與相應的轉換器連接的控制設備(沒有示出)，按通常的方式控制的。在圖4所示的系統中，V1-V2=L·dI／dt。這表示，SMES裝置的充電和放電可以用轉換器的控制角度來控制。SMES可以由一個或二個轉換器進行充電或放電。通過控制使V1=V2，可使SMES所包含的能量不受影響。圖5表示與圖4相同的一個基本的高電壓系統。然而，在圖5中，超導磁能儲存裝置SMES用作交流網絡N1的儲能裝置，并且在關閉開關S1和打開開關S2時，可通過轉換器SCR11和SCR12進行充電。在SMES裝置充電過程中，可以測量通過線圈的電流，并且充電可繼續至達到電流的名義值為止。當SMES完全充電時，開關S1打開，開關S2關閉。在例如網絡上有功率損失的情況下，為了給網絡N1供電，開關S1關閉，而開關S2打開。在圖5所示的系統中，超導磁能儲存裝置SMES是帶有直流環節的高電壓直流傳輸系統的一部分。當給網絡N2供電時，需要一個極控制裝置PCM。圖6表示具有二個通過一個雙電纜TC形式的直流環節連接起來的電壓控制轉換器VSC1和VSC2的高電壓系統。該直流環節有二個極，因為電容C11和C12與電容C21和C22的連接點，分別與地面連接。超導磁能儲存裝置SMES配置在轉換器VSC1的一個極處。還可以將電纜形式的超導磁能儲存裝置作為有二個極的直流環節的一部分。雖然，本發明是針對具有與一個直流電壓源串聯的線圈的SMES裝置進行說明的，但本發明也可適用于線圈與一個交流電壓源連接的情況。在本說明書中所用的術語“高電壓”是指800KN以上或更高的電壓。SMES裝置可以與這種高電壓網絡連接，其功率可高達1000MVA。在高電壓下，局部放電或PD是已知的絕緣裝置的一個嚴重問題。如果在絕緣材料中有空穴或微孔，則可能產生內部電暈放電，使絕緣材料的品質逐漸變壞，最后導致絕緣破壞。通過保證電氣絕緣裝置的內面部分與超導裝置基本上為同一個電位，而該電氣絕緣裝置的外面部分電位為可控的電位，則可以減小根據本發明的SMES裝置的超導裝置的電氣絕緣裝置上的電負荷。這樣，電場在該絕緣裝置的內面部分和外面部分之間的電氣絕緣部分的厚度上，基本上為均勻分布。通過使電氣絕緣材料具有相同的熱性質和使絕緣裝置的各個層或部分沒有缺陷，就可減少產生局部放電(PD)的可能性。本發明的另一個優點是，由于SMES在高電壓下工作，因此，對于給定的功率密度，可以減小電流。這樣，相對于在20KV下工作的通常的SMES裝置，根據本發明的功率相同的SMES裝置，可在大約150KV下工作，結果使電流減小大約7．5倍。由于電纜中的磁力與電流和磁通密度(B)的乘積成正比，因此磁力也可減小大約7．5倍。另外，在這個例子中，半導電材料的量也可節約大約7．5倍。同樣，冷卻損失也可大大減少。所有這些因素都提高了SMES裝置在經濟上的吸引力。本發明不是僅限于高溫超導。由于在磁能儲存裝置中的磁場強度大，因此即使低溫超導體，根據其形式的不同，需要在1～15K溫度范圍內工作的低溫恒溫器，但低溫超導體仍是有吸引力的。眾所周知的超導體的例子是以鈮，諸如NbTi，Nb3Sn和Nb3Al為基礎制成的。其他超導體的例子為V3Ga和Nb3Ge。最普遍使用的超導體是NbTi，它可以用于磁場密度大約為在4．2K溫度下9泰斯拉以下(或在1．8K溫度下為11個泰斯拉)的場合。在更高的磁場密度下，不能使用NbTi，要用Nb3Sn代替。權利要求1．一種SMES裝置，它包括一個與電壓源(2)，例如直流電壓源，串聯，并由具有使用中保持在超導電纜的臨界溫度(Tc)以下的低溫溫度下，并被電氣絕緣裝置(20～22)包圍的超導裝置(14)的超導電纜(12)繞成的線圈(1)；和用于使該線圈(1)短路的開關裝置(3)；其特征為，所述電氣絕緣裝置包括一個由半導電材料制成，與所述超導裝置電氣上連接的內層(20)；由半導電材料制成，沿著其長度處在可控制的電位下的外層(21)；和安置在所述內層(20)和外層(21)之間的由固體電氣絕緣材料制成的一個中間層(22)。2．如權利要求1所述的SMES裝置，其特征為，該裝置還包括將該線圈(1)和開關裝置(3)封閉在其中的一個低溫恒溫器(6)。3．如權利要求1或2所述的SMES裝置，其特征為，所述超導裝置包括高溫超導(HTS)裝置。4．如權利要求3所述的SMES裝置，其特征為，所述高溫超導(HTS)裝置包括至少一個由高溫超導(HTS)材料制成的層(14)；用于將HTS材料制成的層(14)低溫冷卻至該HTS材料臨界溫度(Tc)以下的冷卻裝置(13)；和包圍由HTS材料制成的層(14)和冷卻裝置(13)的隔熱裝置(15)。5．如權利要求4所述的SMES裝置，其特征為，該冷卻裝置(13)包括低溫冷卻流體在其中通過的一個支承管(13)；該由HTS材料制成的至少一個層(14)包括在所述支承管(13)上繞成螺旋形層的HTS帶或導電體。6．如權利要求4或5所述的SMES裝置，其特征為，該隔熱裝置(15)包括一個處在真空下和包含有隔熱層(18)的一個環形空間。7．如上述權利要求中任何一條所述的SMES裝置，其特征為，半導電的外層(21)的電阻率為1～1000歐姆·厘米。8．如權利要求6所述的SMES裝置，其特征為，所述外層(21)的電阻率為10～500歐姆·厘米，最好為10～100歐姆·厘米。9．如上述權利要求中任何一條所述的SMES裝置，其特征為，該半導體的外層(21)每單位軸向長度的電阻為5～50000歐姆·米-1。10．如權利要求1～8中任何一條所述的SMES裝置，其特征為，該半導體的外層(21)每單位軸向長度的電阻為500～25000歐姆·米-1，最好為2500～5000歐姆·米-1。11．如上述權利要求中任何一條所述的SMES裝置，其特征為，該半導體外層(21)在沿著其長度的彼此隔開一定距離的幾個區域上，以所述可控制的電位與導電體裝置接觸，相鄰的接觸區域足夠接近，使得相鄰的接觸區域之間的中點的電壓，不足以在電氣絕緣裝置內產生電暈放電。12．如上述權利要求中任何一條所述的SMES裝置，其特征為，所述可控制的電位為地面電位或接近于地面電位。13．如上述權利要求中任何一條所述的SMES裝置，其特征為，所述中間層(22)與所述內層(20)和外層(21)中的每一個層，緊密地機械接觸。14．如權利要求1～12中任何一條所述的SMES裝置，其特征為，所述中間層(22)與所述內層(20)和外層(21)中的每一個層連接。15．如上述權利要求中任何一條所述的SMES裝置，其特征為，所述中間層(22)與半導體的內層(20)和外層(21)中的每一個層之間的粘接強度大小，與該中間層的材料的固有強度大小處于同一數量級。16．如權利要求14或15所述的SMES裝置，其特征為，所述三個層(20～22)通過擠壓連接在一起。17．如權利要求16所述的SMES裝置，其特征為，由半導電材料制成的內層(20)和外層(21)，與絕緣的中間層(22)，通過一個多層的擠壓模型，在該超導裝置上貼合在一起。18．如上述權利要求中任何一條所述的SMES裝置，其特征為，所述內層(20)包括具有分散在其中的第一種導電微粒的第一種塑料，所述外(21)包括具有分散在其中的第二種導電微粒的第二種塑料，和所述中間層(22)包括第三種塑料。19．如權利要求18所述的SMES裝置，其特征為，所述第一、第二和第三種塑料中的每一種塑料包括乙烯丁基丙烯酸酯共聚物橡膠，乙烯-丙烯-二烯單體橡膠(EPDM)或乙烯-丙烯共聚物橡膠(EPR)、LDPE、HDPE、PP、PB、PMB、XLPE、EPR或硅橡膠。20．如權利要求18或19所述的SMES裝置，其特征為，所述第一、第二和第三種塑料的熱膨脹系數至少基本上是相同的。21．如權利要求18、19或20所述的SMES裝置，其特征為，所述第一、第二和第三種塑料為同一種材料。22．一種包括與一個高電壓源連接的，根據上述權利要求中任何一條所述的SMES裝置的電力傳輸系統。23．一種包括一個SMES裝置的高電壓系統，其特征為，該SMES裝置具有由圍繞著導電體裝置同心配置的一個電氣絕緣裝置抗高電壓絕緣的超導導體裝置。24．如權利要求23所述的高電壓系統，其特征為，該高電壓系統包括一個高電壓網絡，并且該SMES裝置，不用中間變壓器，直接與該高電壓網絡連接。25．如權利要求24所述的高電壓系統，其特征為，該網絡為高電壓的直流網絡。26．如權利要求25所述的高電壓系統，其特征為，該直流網絡的電壓超過10KV。27．如權利要求24所述的高電壓系統，其特征為，該SMES裝置通過一個轉換器，與一個高電壓的交流網絡耦合。28．如權利要求25所述的高電壓系統，其特征為，它包括通過該直流網絡連接的幾個交流網絡和SMES裝置，該直流網絡與該交流網絡連接，使該SMES裝置可給該交流網絡供電。29．如權利要求23～28中任何一條所述的高電壓系統，其特征為，該SMES裝置包括一個線圈。30．如權利要求23～28中任何一條所述的高電壓系統，其特征為，該SMES裝置包括一條沒有線圈匝的電纜。31．如權利要求27或當從屬于權利要求27時的權利要求29所述的高電壓系統，其特征為，該SMES裝置為一個有二電極的直流網絡節的一部分。32．如權利要求23～31中任何一條所述的高電壓系統，其特征為，所述絕緣裝置是圍繞著導電體裝置擠壓成形的，并且包括構成一個面與該導電體裝置電氣上接觸的內層，具有半導電性質的第一整體部分；構成圍繞該絕緣裝置的外層，并具有半導電性質的第二個整體部分；和在該第一和第二個整體部分之間的絕緣的第三個整體部分。33．如權利要求23～31中任何一條所述的高電壓系統，其特征為，所述絕緣裝置包括圍繞著該導電體裝置，繞成多個搭接的層的全合成材料薄膜，而該絕緣裝置的內面部分與該導電體裝置電氣上接觸，并具有半導電性質；一個電氣絕緣的中間部分和圍繞著該中間部分，并具有半導電性質的一個外面部分。34．如權利要求23～31中任何一條所述的高電壓系統，其特征為，所述絕緣裝置包括一片或多片與合成材料薄膜互相搭接或層疊的，以纖維素為基礎的、合成紙張或無紡纖維材料；并且，所述絕緣裝置具有與該導電體裝置電氣上接觸，并具有半導電性質的內面部分；電氣絕緣的中間部分；和圍繞著所述中間部分，具有半導電性質的外面部分。35．如權利要求32、33或34所述的高電壓系統，其特征為，將冷卻所述超導體的冷卻介質安排在該導電體裝置內流動。36．如權利要求32、33或34所述的高電壓系統，其特征為，將冷卻所述超導體的冷卻介質安排在該導電體裝置的外面。全文摘要本發明涉及一種SMES裝置,它包括與一個電壓源串聯和由電氣上絕緣的超導電纜(12)繞成的線圈(1)。本發明還涉及包括一個SMES裝置的高電壓系統,在該高電壓系統中,該SMES裝置具有由圍繞著導電體裝置同心配置的電氣絕緣裝置進行抗高電壓絕緣的超導裝置。文檔編號H02J15/00GK1279809SQ98811469公開日2001年1月10日申請日期1998年11月30日優先權日1997年11月28日發明者P·霍姆貝里,U·弗洛姆,C·薩瑟申請人:Abb股份有限公司