Hilo de HTS.

Un hilo de HTS enfriado de forma criogénica, que comprende:

un estabilizador que tiene un espesor total en un intervalo de 200 - 600 micrómetros y una resistividad en un intervalo de 0,

8 - 15,0 microohmios cm a aproximadamente 90 K; y

una primera capa de HTS térmicamente acoplada a por lo menos una porción del estabilizador.

Hilo de HTS

Campo de la invención

La presente divulgación se refiere a dispositivos de HTS y, más en particular, a dispositivos de HTS configurados para funcionar como dispositivos de limitación de corriente de fallo.

Antecedentes

A medida que las demandas de energía eléctrica mundial continúan aumentando de forma significativa, las empresas de servicio público han luchado para cumplir con estas demandas crecientes desde un punto de vista de generación de potencia así como también desde un punto de vista de suministro de potencia. El suministro de potencia a los usuarios por medio de redes de transmisión y de distribución sigue siendo un desafío significativo para las empresas de servicio público, debido a la capacidad limitada de la infraestructura de transmisión y de distribución instalada existente, así como también al espacio disponible limitado para añadir a las líneas y cables de transmisión y de distribución convencionales adicionales. Esto es particularmente pertinente en las áreas urbanas y metropolitanas congestionadas, en las que es muy limitado el espacio existente disponible para expandir la capacidad.

Se están desarrollando cables de potencia flexibles y de gran longitud que usan hilo superconductor de alta temperatura (HTS) para aumentar la capacidad de potencia en las redes de transmisión y de distribución de potencia de servicio público, a la vez que se mantiene una planta relativamente pequeña para facilitar la instalación y se usa nitrógeno líquido, ambientalmente limpio, para el enfriamiento. Para la presente divulgación, se define un material de HTS como un superconductor con una temperatura crítica a, o por encima de, 3 Kelvin (menos 243 °C), el cual incluye materiales tales como tierras raras o itrio - bario - cobre - óxido (denominado YBCO en el presente documento); talio - bario - calcio - cobre - óxido; bismuto - estroncio - calcio - cobre - óxido (denominado BSCCO en el presente documento); mercurio - bario - calcio - cobre - óxido; y diboruro de magnesio. Se entiende que estas familias de composiciones incluyen substituciones, adiciones e impurezas posibles, siempre que estas sustituciones, adiciones e impurezas no reduzcan la temperatura crítica por debajo de 3 K. Tales cables de HTS prevén que se proporcionen unas cantidades aumentadas de potencia de forma económica y fiable dentro de las áreas congestionadas de una red de potencia de servicio público, aliviando de esta manera la congestión y permitiendo que las empresas de servicio público aborden sus problemas de capacidad de transmisión y de distribución.

Un cable de potencia de HTS usa hilo de HTS como el conductor primario del cable (es decir, en lugar de los conductores tradicionales de cobre) para la transmisión y distribución de electricidad. El diseño de los cables de HTS da como resultado una impedancia serie significativamente menor, en su estado operativo superconductor, en comparación con las líneas aéreas y los cables subterráneos convencionales. En este punto, la impedancia serie de un cable o línea se refiere a la combinación de impedancia resistiva de los conductores que transportan la potencia, y la impedancia reactiva (inductiva) asociada con la arquitectura del cable o la línea aérea. Para la misma área en sección transversal del cable, el hilo de HTS permite de un aumento de tres a cinco veces en la capacidad de transporte de potencia en comparación con los cables de corriente alterna (ca) convencionales; y un aumento de hasta diez veces en la capacidad de transporte de corriente en comparación con los cables de corriente continua (cc) convencionales.

Los cables de HTS pueden diseñarse con hilos de HTS devanados de forma helicoidal alrededor de un conformador corrugado continuamente flexible, o pueden tener múltiples hilos de HTS en una variedad de configuraciones apiladas y retorcidas. En todos estos casos, el cable puede ser continuamente flexible, de tal modo que puede devanarse de forma conveniente en un cilindro para su transporte y ser instalados con vueltas y curvas en un conducto o entre otros dispositivos de potencia. Los cables de HTS pueden diseñarse con un criógeno líquido en contacto con los hilos de HTS y que fluye a lo largo de la longitud del cable. El nitrógeno líquido es el criógeno líquido más común, a pesar de que se podrían usar hidrógeno líquido o neón líquido para materiales superconductor de menor temperatura tales como el diboruro de magnesio.

Además de los problemas de capacidad, otro problema significativo para las empresas de servicio público que resulta de la demanda creciente de potencia (y por lo tanto de los niveles aumentados de potencia que están siendo generados y transferidos a través de las redes de transmisión y de distribución) son las "corrientes de fallo" aumentadas que son el resultado de los "fallos". Los fallos, o fallas, pueden ser el resultado de fallos del dispositivo de red, de desastres naturales (por ejemplo, relámpagos), de desastres humanos (por ejemplo, un accidente automovilístico que rompe un polo de potencia), o cualquier otro problema de red que provoque un cortocircuito a tierra o de una fase de la red de servicio público a la otra fase. En general, dicho fallo aparece como una carga extremadamente grande que se materializa de forma instantánea en la red de servicio público. En respuesta a la aparición de esta carga, la red intenta suministrar una cantidad grande de corriente a la carga (es decir, el fallo). Cualquier enlace dado en la red de una red eléctrica puede caracterizarse por una corriente de fallo máxima que fluirá en ausencia de medidas de limitación de corriente de fallo, durante el cortocircuito que precipita la condición de fallo máximo. Las corrientes de fallo también pueden ser tan grandes en las redes eléctricas de potencia grandes

que, sin unas medidas de limitación de corriente de fallo, la mayor parte del equipo eléctrico en la red eléctrica puede resultar dañado o destruido. La forma convencional de protección frente a las corrientes de fallo es abrir rápidamente los interruptores de circuito y detener por completo el flujo de corriente y de potencia.

Los circuitos de detección asociados con los interruptores de circuito supervisan la red para detectar la presencia de una situación de fallo (o de sobrecorriente). En un plazo de no más de unos pocos milisegundos de detección, las señales de activación desde los circuitos del detector pueden empezar a abrir los interruptores del circuito para evitar la destrucción de los diversos componentes de la red. Actualmente, la capacidad máxima de los dispositivos de interrupción de circuito existentes es de 8. A, y estos son solo para voltajes de nivel de transmisión. Muchas secciones de la red de servicio público construidas durante el siglo pasado fueron construidas con unos dispositivos de red capaces de soportar una corriente de fallo de solo 4.- 63. A. Desafortunadamente, con los niveles aumentados de generación y transmisión de potencia en las redes de servicio público, los niveles de corrientes de fallo están aumentando hasta el punto en el que superarán las capacidades de los dispositivos interruptores de circuito instalados en la actualidad o del estado de la técnica (es decir, ser mayores de 8. A) a los voltajes tanto de nivel de distribución como de transmisión. Aún a niveles de corrientes de fallo menores, los costes de actualizar los interruptores de circuito de un nivel a otro mayor en la totalidad de una red eléctrica pueden ser muy altos. Por consiguiente, las empresas de servicio público están buscando soluciones nuevas para abordar el nivel creciente de corrientes de fallo. En la mayoría de los casos, es deseable reducir las corrientes de fallo por lo menos en un 1 % para hacer una mejora significativa en el funcionamiento de una red eléctrica. Una de dichas soluciones en desarrollo es un dispositivo que se denomina limitador de corrientes de fallo (FCL) de HTS.

Un FCL de HTS es un dispositivo dedicado interconectado a una red de servicio público que reduce la amplitud de las corrientes de fallo a niveles que pueden gestionar los interruptores de circuito, ya instalados o actualmente disponibles, convencionales. Véase el documento High-temperature superconductor fault current limiters de Noe y M. Steurer, Supercond. Sci. Technol. 2 (27) R15 - R29. Dichos FCL de HTS por lo general han sido configurados a partir de unos módulos rígidos cortos fabricados de barras sólidas o cilindros de material de HTS que tienen una resistencia muy alta cuando se llevan por encima de su corriente crítica superconductor hasta un estado resistivo. Desafortunadamente, tales FCL de HTS independientes son actualmente muy grandes y costosos. En las subestaciones en ambientes urbanos densos, en... [Seguir leyendo]

1. Un hilo de HTS enfriado de forma criogénica, que comprende:

un estabilizador que tiene un espesor total en un intervalo de 2 - 6 micrómetros y una resistividad en un intervalo de ,8 -15, microohmios cm a aproximadamente 9 K; y

una primera capa de HTS térmicamente acoplada a por lo menos una porción del estabilizador.

2. El hilo de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 1, en el que el estabilizador Incluye:

una primera capa de estabilizador y una segunda capa de estabilizador;

en el que la primera capa de estabilizador es colocada próxima a un primer lado de la primera capa de HTS y la segunda capa de estabilizador es colocada próxima a un segundo lado de la primera capa de HTS.

3. El hilo de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 1, que además comprende:

una segunda capa de HTS térmicamente acoplada a por lo menos una porción del estabilizador; en el que el estabilizador es colocado entre la primera y la segunda capas de HTS.

4. El hilo de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 1, que además comprende:

una segunda capa de HTS térmicamente acoplada a por lo menos una porción del estabilizador, en el que el estabilizador incluye:

una primera capa de estabilizador, una segunda capa de estabilizador y una tercera capa de estabilizador; en el que la primera capa de estabilizador es colocada próxima a un primer lado de la primera capa de HTS, la segunda capa de estabilizador es colocada próxima a un segundo lado de la primera capa de HTS y un primer lado de la segunda capa de HTS, y la tercera capa de estabilizador es colocada próxima a un segundo lado de la segunda capa de HTS.

5. El hilo de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 1, en el que la primera capa de HTS tiene un espesor de menos de 5 micrómetros.

6. El hilo de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 1, en el que la resistividad del estabilizador presenta un intervalo de 1, -1, microohmios a aproximadamente 9 K.

7. El hilo de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 1, en el que la primera capa de HTS está construida de un material elegido de entre el grupo que consiste en: itrio o tierras raras - bario - cobre - óxido; talio - bario - calcio - cobre - óxido; bismuto - estroncio - calcio - cobre - óxido; mercurio - bario - calcio - cobre - óxido; y diboruro de magnesio.

8. El hilo de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 1, en el que el estabilizador está construido, por lo menos en parte, de un material de bronce.

9. El hilo de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 8, en el que el material de bronce es elegido de entre el grupo que consiste en: bronce 21 (Cu al 95 % / Zn al 5 %), bronce 22 (Cu al 9 % / Zn al 1 %), bronce 23 (Cu al 85 % / Zn al 15 %), bronce 24 (Cu al 8 % al Zn al 2 %) y bronce 26 (Cu al 7 % / Zn al 3 %).

1. El hilo de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 1, que además comprende: una capa de sustrato colocada próxima a la primera capa de HTS.

11. El hilo de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 1, en el que la capa de sustrato está construida de un material elegido de entre el grupo que consiste en: níquel - tungsteno, acero inoxidable y Hastelloy.

12. El hilo de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 1, que además comprende:

un encapsulante para encapsular por lo menos una porción del hilo de HTS enfriado por criógeno.

13. El hilo de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 12, en el que el encapsulante es una capa de aislante escasamente conductora.

14. El hilo de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 12, en el que el encapsulante está construido de un material elegido de entre el grupo que consiste en: polietileno; poliéster; polipropileno; epoxi; poli(metacrilato de metilo); poliimidas; politetrafluoroetileno y poliuretano.

15. El hilo de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 12, en el que el encapsulante está configurado para tener una resistividad eléctrica neta en el intervalo de ,1 - 1 ohmios cm.

16. El hilo de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 12, en el que el encapsulante incluye por lo menos una porción que experimenta un cambio de fase endotérmico en el intervalo de temperatura de 72 -11 K.

17. El hilo de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 12, en el que el encapsulante es aplicado al hilo de HTS mediante uno de: un procedimiento de enrollado, un procedimiento de extrusión, un procedimiento de inmersión, un procedimiento de chapado, un procedimiento de deposición de vapor y un procedimiento de pulverización.

18. El hilo de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 12, en el que el encapsulante es aplicado al hilo de HTS mediante un procedimiento de múltiples pasadas.

19. El hilo de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 12, en el que el encapsulante tiene un espesor de 25 - 3 pm.

2. El hilo de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 12, en el que el encapsulante tiene una superficie que potencia la transferencia de calor desde el encapsulante a un refrigerante liquido criogénico circundante.

21. Un cable de HTS enfriado de forma criogénica, configurado para ser incluido dentro de una red eléctrica de servicio público que reduce una corriente de fallo máxima en por lo menos el 1 %, comprendiendo el cable de HTS enfriado de forma criogénica:

una estructura de soporte de devanado continuamente flexible; y

una o más capas conductoras de material superconductor, colocadas en sentido coaxial con respeto a la estructura de soporte de devanado flexible, en el que por lo menos una de las una o más capas conductoras incluye:

un hilo de HTS que incluye:

un estabilizador que tiene un espesor total en un intervalo de 1 - 6 micrómetros y una resistividad en un intervalo de ,8 -15, microohmios cm a aproximadamente 9 K; y

una primera capa de HTS térmicamente acoplada a por lo menos una porción del estabilizador.

22. El cable de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 21, en el que el estabilizador incluye: una primera capa de estabilizador y una segunda capa de estabilizador;

en el que la primera capa de estabilizador está colocada próxima a un primer lado de la primera capa de HTS y la segunda capa de estabilizador está colocada próxima a un segundo lado de la primera capa de HTS.

23. El cable de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 21, en el que el hilo de HTS incluye: una segunda capa de HTS térmicamente acoplada a por lo menos una porción del estabilizador.

24. El cable de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 21, en el que la primera capa de HTS tiene un espesor de menos de 5 micrómetros.

25. El cable de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 21, en el que el espesor total del estabilizador presenta un intervalo de 2 - 5 micrómetros.

26. El cable de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 21, en el que la resistividad del estabilizador presenta un intervalo de 1, -1, microohmios cm a aproximadamente 9 K.

27. El cable de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 21, en el que la primera capa de HTS está construida de un material elegido de entre el grupo que consiste en ¡trio o tierras raras - bario - cobre - óxido; tallo - bario - calcio - cobre - óxido; bismuto - estroncio - calcio - cobre - óxido; mercurio - bario - calcio - cobre - óxido; y diboruro de magnesio.

28. El cable de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 21, en el que el estabilizador está construido, por lo menos en parte, de un material de bronce.

29. El cable de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 21, en el que el material de bronce se elige de entre el grupo que consiste en: bronce 21 (Cu al 95 %/Zn al 5 %), bronce 22 (Cu al 9 %/Zn al 1 %), bronce 23 (Cu al 85 % / Zn al 15 %), bronce 24 (Cu al 8 % / Zn al 2 %) y bronce 26 (Cu al 7 % / Zn al 3 %).

3. El cable de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 21, en el que el hilo de HTS incluye: una capa de sustrato colocada próxima a la primera capa de HTS.

31. El cable de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 21, en el que la capa de sustrato está construida de un material elegido de entre el grupo que consiste en: níquel - tungsteno, acero Inoxidable y

Hastelloy.

32. El cable de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 21, en el que el hilo de HTS incluye: un encapsulante para encapsular por lo menos una porción del hilo de HTS.

33. El cable de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 32, en el que el encapsulante es una capa de aislante escasamente conductora.

34. El cable de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 32, en el que el encapsulante está construido de un material elegido de entre el grupo que consiste en: polietileno; poliéster; polipropileno; epoxi; poli(metacrilato de metilo); polümldas; polltetrafluoroetileno y poliuretano.

35. El cable de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 32, en el que el encapsulante está configurado para tener una resistividad eléctrica neta en el intervalo de ,1 - 1 ohmios cm.

36. El cable de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 31, en el que el encapsulante incluye por lo menos una porción que experimenta un cambio de fase endotérmico en el intervalo de temperatura de 72 -11 K.

37. El cable de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 31, en el que el encapsulante tiene un espesor de 25 - 3 micrómetros.

38. El cable de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 32, en el que la estructura de soporte de devanado flexible incluye un núcleo axial hueco.

39. El cable de HTS enfriado de forma criogénica de la reivindicación 32, en el que la estructura de soporte de devanado flexible incluye un tubo de acero inoxidable corrugado.

4. Un sistema de cable eléctrico superconductor configurado para ser incluido dentro de una red eléctrica de servicio público que reduce una corriente de fallo máxima en por lo menos el 1 %, comprendiendo el sistema de cable eléctrico superconductor:

una fuente de voltaje; y

un cable de HTS enfriado de forma criogénica acoplado a la fuente de voltaje, incluyendo el cable de HTS enfriado de forma criogénica:

una estructura de soporte de devanado flexible, y

una o más capas conductoras de material superconductor, colocadas en sentido coaxial con respecto a la estructura de soporte de devanado flexible, en el que por lo menos una de las una o más capas conductoras

incluye:

un hilo de HTS que incluye:

un estabilizador que tiene un espesor total en un intervalo de 2 - 6 micrómetros y una resistividad

en un intervalo de ,8 -15, microohmios cm a aproximadamente 9 K; y

una primera capa de HTS térmicamente acoplada a por lo menos una porción del estabilizador.

41. El sistema de cable eléctrico superconductor de la reivindicación 4, en el que la estructura de soporte de devanado flexible incluye un núcleo axial hueco.

42. El sistema de cable eléctrico superconductor de la reivindicación 4, en el que la estructura de soporte de devanado flexible incluye un tubo de acero inoxidable corrugado.

43. El sistema de cable eléctrico superconductor de la reivindicación 4, en el que la fuente de voltaje incluye una subestación.

44. El sistema de cable eléctrico superconductor de la reivindicación 4, que además comprende:

uno o más conjuntos de interruptor rápido acoplados en paralelo con el cable de HTS enfriado de forma criogénica.

45. El sistema de cable eléctrico superconductor de la reivindicación 4, en el que el estabilizador incluye: una primera capa de estabilizador y una segunda capa de estabilizador;

en el que la primera capa de estabilizador está colocada próxima a un primer lado de la primera capa de HTS y la segunda capa de estabilizador está colocada próxima a un segundo lado de la primera capa de HTS.

46. El sistema de cable eléctrico superconductor de la reivindicación 4, en el que la resistividad del estabilizador presenta un intervalo de 1, -1, microohmios cm a aproximadamente 9 K.

47. El sistema de cable eléctrico superconductor de la reivindicación 4, en el que el estabilizador está construido, por lo menos en parte, de un material de bronce.

48. El sistema de cable eléctrico superconductor de la reivindicación 47, en el que el material de bronce se elige de entre el grupo que consiste en: bronce 21 (Cu al 95 %/Zn al 5 %), bronce 22 (Cu al 9 %/Zn al 1 %), bronce

23 (Cu al 85 % / Zn al 15 %), bronce 24 (Cu al 8 % / Zn al 2 %) y bronce 26 (Cu al 7 % f Zn al 3 %).

49. El sistema de cable eléctrico superconductor de la reivindicación 4, en el que el hilo de HTS Incluye: un encapsulante para encapsular por lo menos una porción del hilo de HTS.

5. El sistema de cable eléctrico superconductor de la reivindicación 49, en el que el encapsulante es una capa de aislante escasamente conductora.

51. El sistema de cable eléctrico superconductor de la reivindicación 49, en el que el encapsulante está construido

de un material elegido de entre el grupo que consiste en: polletlleno; poliéster; polipropileno; epoxi; poli(metacrilato de metilo); poliimidas; polltetrafluoroetlleno y poliuretano.

52. El sistema de cable eléctrico superconductor de la reivindicación 49, en el que el encapsulante está configurado para tener una resistividad eléctrica neta en un intervalo de ,1 - 1 ohmios cm.