Un cable de alimentación superconductor con un núcleo superconductor mejorado de al menos una fase que tiene refrigeración por flujo de nitrógeno en la cavidad de un tubo central compuesto de una primera y una segunda secciones tubulares,

siendo la primera sección tubular un núcleo central superconductor flexible formado por un primer tubo central ondulado flexible (1) revestido con cintas de malla de acero inoxidable (2), recubierto con capas de cintas de cobre (3), recubierto con capas de material superconductor bobinadas en ángulos de devanado de entre 0 y 45 grados, estando el montaje anteriormente mencionado unido con una cinta de material aislante (10), mientras que

la segunda sección tubular es un sistema de aislamiento térmico que protege el núcleo central y está formado concéntricamente por un segundo tubo de acero inoxidable ondulado flexible (13), separado del aislamiento térmico de capas múltiples (12) por un espacio de aislamiento térmico bajo vacío (20), teniendo la pared exterior del tubo ondulado (13) una malla de acero inoxidable (14) con el propósito de adherir varias capas, estando formadas dichas capas por; un primer blindaje semiconductor (15) hecho de polietileno termoplástico o termoendurecible de baja densidad, un aislamiento (16), un segundo blindaje semiconductor (17), un blindaje metálico compuesto de una cinta de cobre (18) y un recubrimiento protector (19) hecho de polietileno,

caracterizado porque encima de las cintas de cobre (3) de la primera sección tubular, las capas de material superconductor comprenden una serie de dos o más cintas de material superconductor (4, 5, 6) enrolladas en una dirección revestidas por una segunda serie de dos o más cintas de material superconductor (7, 8, 9) enrolladas en la dirección opuesta, teniendo dichas cintas una longitud de colocación entre 20 cm y 300 cm con un ángulo comprendido entre 0 y 45º

Cable de alimentación superconductor con núcleo superconductor mejorado.

Ámbito de la invención

La presente invención se refiere a la conducción de energía eléctrica y particularmente a la fabricación de un cable de alimentación superconductor de al menos una fase, caracterizado por un núcleo central basado en un material de cinta superconductor BSCCO de composición comercial 22233 (Bi₂ Sr₂ Ca₂ Cu₃ O_x) que ofrece una densidad de corriente mínima de 7 kA/cm² según el criterio de 1 µV/cm. También incluye un espacio anular del sistema de aislamiento térmico en el que el revestimiento ondulado del sistema presenta una presión de vacío inferior a 10 mPa (milipascales) que permite que el aislamiento térmico mantenga temperaturas de funcionamiento de 77ºK (temperatura del nitrógeno líquido bajo presión atmosférica) por toda la sección transversal del cable en su parte superconductora.

Técnica anterior

La invención se refiere al transporte de energía eléctrica en condiciones superconductoras, resistencia cero en corriente continua. Esta invención sustituye el uso de cables de alimentación para distribución y transmisión en voltajes de 15 kV o más porque presenta pérdidas de conducción inferiores.

Los superconductores a alta temperatura pueden ser aspectos importantes de los avances tecnológicos, porque los equipos y dispositivos podrían tener partes superconductoras en sus componentes. Una aplicación obvia en el estado superconductor es el uso de propiedades de resistencia cero al paso de corriente continua y bajas pérdidas de potencia en la transmisión de electricidad. En las líneas de transmisión actuales, la energía eléctrica se pierde por calor cuando la corriente pasa a través de conductores normales. Si la electricidad se transmite a través de cables superconductores, dichas pérdidas pueden reducirse o eliminarse con los ahorros consiguientes en los costes energéticos. Esto puede aplicarse a cualquier componente eléctrico que tenga conductores de cobre, por ejemplo, motores, transformadores, generadores y cualquier equipo involucrado con la energía eléctrica.

Algunas compañías estadounidenses y japonesas han fabricado y evaluado modelos de cables superconductores de hasta 5000 cm obteniendo valores de corriente que no exceden de 1700 A hasta 2000 A. Las pruebas realizadas en segmentos de 5000 cm de longitud han mostrado problemas relacionados con la distribución de corriente entre las capas. Dicha distribución tiende a ser irregular debido a problemas electromagnéticos relacionados con el propio conductor.

La patente WO 00/39813 describe un cable superconductor que usa materiales superconductores a alta temperatura HTS con núcleo flexible. Sin embargo, se aplica a un diseño coaxial tradicional con capas de cinta HTS aisladas y diseño frío. La patente japonesa 06239937 A2 describe un cable superconductor con materiales HTS y núcleo flexible pero que implica un diseño de CC (corriente continua) tradicional y aislamiento entre cada capa de cinta HTS. La patente US 5.929.385 describe un cable superconductor similar al objeto de la presente invención pero solo en lo que respecta al tipo de materiales usados. La patente de EE.UU. 5.952.614 también describe un cable superconductor similar en lo que respecta al uso de materiales HTS y núcleo flexible pero con un diseño coaxial, en condiciones frías y con diseño tradicional de cinta HTS. Por estas razones, dichas invenciones son diferentes de las características de la presente invención.

El artículo "Design of superconducting power cables" CRYOGENICS, IPC SCIENCE AND TECHNOLOGY PRESS LTD. GUILFORD, GB, vol. 39, no 9, 1 de septiembre de 1999, páginas 767-775, XP004244007 ISSN: 0011-2275 desvela un cable (trifásico) y hace referencia a la pérdida de los cables superconductores con diferentes estequiometrías y temperaturas de funcionamiento; también se hacen comentarios sobre el diseño de cables superconductores monofásicos (115 kW) para transmisión.

En vista de los dibujos de la técnica anterior, existe una necesidad de un cable superconductor optimizado con cintas superconductoras de múltiples capas que garantice una distribución más uniforme de la corriente entre varias capas, maximizando así el uso del material superconductor y logrando un nivel más alto de corriente crítica.

Este problema es resuelto por un cable superconductor según las características de la reivindicación 1, en el que una serie de dos o más cintas superconductoras enrolladas en una dirección está revestida por una segunda serie de dos o más cintas superconductoras enrolladas en la dirección opuesta.

Descripción de la invención

En lo sucesivo se describirá la invención en relación con los dibujos de las figuras 1 a 6, en los que:

La Figura 1 es una vista en perspectiva con la sección transversal que muestra las diferentes capas del cable de alimentación superconductor.

La Figura 2 es una vista de la sección transversal de la Figura 1.

La Figura 3 es una vista en perspectiva con la sección transversal de la sección bajo vacío de la protección térmica del núcleo central.

La Figura 4 es una vista en perspectiva con la sección transversal de la Figura 3 que muestra la pared opuesta del aislamiento térmico.

La Figura 5 es una vista en perspectiva con la sección transversal del núcleo del cable de alimentación superconductor.

La Figura 6 es una vista en perspectiva con la sección transversal longitudinal de la Figura 1, que muestra el espacio anular del aislamiento térmico.

La invención está relacionada con el transporte de electricidad en condiciones superconductoras (resistencia cero en corriente continua). Esta invención sustituye el uso de cables de alimentación para distribución y trasmisión en voltajes de 15 kV o más porque presenta pérdidas de potencia por conducción inferiores, considerando que para un conductor de Cu con una densidad de corriente de 1-4 A/mm² y una resistividad de 2 x 10^-8 Om, las pérdidas por transmisión son del orden de 20-80 mW/Am. Para comparar mejor con los cables superconductores, deben tenerse en cuenta las pérdidas causadas por el calentamiento de los materiales superconductores. A temperaturas criogénicas, dichas pérdidas están definidas por un factor de Carnot dividido entre la eficiencia del sistema de refrigeración. En el caso de nitrógeno líquido, este factor está entre 10 y 20. Por lo tanto, en un superconductor las pérdidas serán inferiores a 5 mW/Am. El flujo de nitrógeno líquido rellena la cavidad longitudinal 21, Fig. 5, del tubo ondulado flexible 1 de acero inoxidable 304 ó 316. Dicho tubo puede tener un diámetro externo entre 2 cm y 6 cm y un diámetro interno entre 1 cm y 4 cm en el que la profundidad de la ondulación puede variar entre 0,5 cm y 1 cm. El paso de las ondulaciones puede ser entre 0,8 y 1,5 cm para una profundidad de ondulación entre 0,4 y 0,5 cm. Como otra alternativa para una profundidad entre 0,4 y 0,6 cm, el paso de las ondulaciones puede ser entre 1,6 y 3 cm. Sobre este tubo, se pone una malla de acero inoxidable 304 ó 316 para obtener una superficie relativamente plana. Sobre esta malla se pone una capa de cinta de acero inoxidable 2, de entre 4 y 5 cm de anchura y entre 0,0005 y 0,006 cm de grosor. Están puestas sobre el tubo ondulado con separación entre 0,15 y 0,2 cm. Luego se ponen una o dos cintas de acero inoxidables adicionales, de 2,5 a 4 cm de anchura y 0,001 a 0,002 cm de grosor, con separación entre las cintas de 0,1 a 0,15 cm. Después, se pone una primera capa de cintas de Cu 3, de 0,25 a 0,40 cm de anchura y de 0,025 a 0,030 cm de grosor, con una longitud de cableado entre 2 cm y 100 cm dependiendo del diseño de la primera capa de cintas superconductoras que han de aplicarse. Dicha capa de cintas de Cu puede estar colocada en un ángulo comprendido entre 0º y 45º dependiendo del diseño del cable. El material superconductor que ha de usarse está hecho de cintas de un producto BSCCO comercial de composición 22233 (Bi₂ Sr₂ Ca₂ Cu₃ O_x). La anchura de dichas cintas está comprendida entre 0,38 y 0,42 cm² y el grosor entre 0,018 y 0,022 cm, lo que ofrece una densidad de corriente mínima de 7 kAcm² según el criterio de 1 µV/cm (microvoltio/centímetro). Con este material superconductor, se colocan una o dos capas de cintas con una longitud de colocación de cableado entre 20 cm y 300 cm, en un ángulo comprendido entre 0º y 45º dependiendo...

1. Un cable de alimentación superconductor con un núcleo superconductor mejorado de al menos una fase que tiene refrigeración por flujo de nitrógeno en la cavidad de un tubo central compuesto de una primera y una segunda secciones tubulares,

siendo la primera sección tubular un núcleo central superconductor flexible formado por un primer tubo central ondulado flexible (1) revestido con cintas de malla de acero inoxidable (2), recubierto con capas de cintas de cobre (3), recubierto con capas de material superconductor bobinadas en ángulos de devanado de entre 0 y 45 grados, estando el montaje anteriormente mencionado unido con una cinta de material aislante (10), mientras que

la segunda sección tubular es un sistema de aislamiento térmico que protege el núcleo central y está formado concéntricamente por un segundo tubo de acero inoxidable ondulado flexible (13), separado del aislamiento térmico de capas múltiples (12) por un espacio de aislamiento térmico bajo vacío (20), teniendo la pared exterior del tubo ondulado (13) una malla de acero inoxidable (14) con el propósito de adherir varias capas, estando formadas dichas capas por; un primer blindaje semiconductor (15) hecho de polietileno termoplástico o termoendurecible de baja densidad, un aislamiento (16), un segundo blindaje semiconductor (17), un blindaje metálico compuesto de una cinta de cobre (18) y un recubrimiento protector (19) hecho de polietileno,

caracterizado porque encima de las cintas de cobre (3) de la primera sección tubular, las capas de material superconductor comprenden una serie de dos o más cintas de material superconductor (4, 5, 6) enrolladas en una dirección revestidas por una segunda serie de dos o más cintas de material superconductor (7, 8, 9) enrolladas en la dirección opuesta, teniendo dichas cintas una longitud de colocación entre 20 cm y 300 cm con un ángulo comprendido entre 0 y 45º.

2. El cable de alimentación superconductor de la reivindicación 1,

caracterizado porque el primer tubo ondulado flexible (1) que forma el espacio anular bajo vacío está hecho de acero inoxidable 304 ó 316 y tiene un diámetro externo de 6 a 8 cm y un diámetro interno de 4 a 5 cm, la profundidad de ondulación puede variar entre 0,5 y 1 cm y el paso de las ondulaciones es de 1 a 2 cm para una profundidad entre 0,5 y 0,8 cm.

3. El cable de alimentación superconductor de la reivindicación 1,

caracterizado porque el aislamiento térmico (12) puesto en varias capas es una lámina de aluminio y mylar de 0,0005 a 0,005 cm de grosor.

4. El cable de alimentación superconductor de la reivindicación 1,

caracterizado porque el segundo tubo ondulado de acero inoxidable (11) tiene un diámetro externo entre 8 y 10 cm y un diámetro interno entre 6 y 7 cm, con una profundidad de ondulación entre 0,5 y 1,5 cm, y un paso entre ondulaciones de 1 a 2 cm para una profundidad entre 0,5 y 1 cm.

5. Los cables de alimentación superconductor de la reivindicación 1,

caracterizados porque la conductividad del primer blindaje semiconductor (15) no excede de 1000 O m a temperatura ambiente y tiene un grosor de al menos 0,006 cm.

6. El cable de alimentación superconductor de la reivindicación 1,

caracterizado porque el aislamiento (16) está basado en polietileno y/o propileno de etileno (EP) termoplástico o termoendurecible o de cadena cruzada de baja, media o alta densidad, dependiendo el grosor del mismo del efecto del voltaje de funcionamiento en el cable y siendo entre 0,229 y 0,976 cm.

7. El cable de alimentación superconductor de la reivindicación 1,

caracterizado porque el segundo blindaje semiconductor (17) está hecho de los mismos componentes que el primer blindaje semiconductor (15) pero su grosor es al menos 0,0129 cm y su resistividad volumétrica máxima es 500 O m a temperatura ambiente.

8. El cable de alimentación superconductor de la reivindicación 1,

caracterizado porque el blindaje metálico de cinta de cobre (18) es de 0,00635 cm de grosor, teniendo un área de la sección transversal de al menos 0,1 mm²/mm.

9. El cable de alimentación superconductor de la reivindicación 1,

caracterizado porque el recubrimiento protector (19) puede estar hecho de polietileno o cloruro de polivinilo (PVC), con un grosor entre 0,203 y 0,279 cm.

10. El cable de alimentación superconductor de la reivindicación 1,

caracterizado porque el sistema de aislamiento térmico bajo vacío funciona a temperaturas de 77º K y bajo una presión de vacío de 10 mPa (milipascales).

11. El cable de alimentación superconductor de la reivindicación 1,

caracterizado porque además comprende una o dos cintas de acero adicionales de 2,5 a 4 cm de anchura y 0,001 a 0,002 cm de grosor, puestas con separación entre las cintas de la malla de acero inoxidable (2) de 0,1 a 0,15 cm.