Сверхпроводящая кабельная линия

Сверхпроводящая кабельная линия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к линии электроснабжения, включающей в себя сверхпроводящий кабель. Более конкретно, настоящее изобретение относится к сверхпроводящей кабельной линии, в которой существенно снижено проникновение тепла в сверхпроводящий кабель и может быть повышен коэффициент полезного действия (КПД).

Уровень техники

Традиционно был известен сверхпроводящий кабель, включающий в себя теплоизоляционный трубопровод, вмещающий кабельную жилу, имеющую слой сверхпроводящего проводника. Такой сверхпроводящий кабель может представлять собой, например, одножильный кабель, имеющий теплоизоляционный трубопровод, вмещающий одну кабельную жилу, или трехжильный кабель, вмещающий три кабельные жилы в пучке. Фиг.11 представляет собой поперечный разрез трехжильного сверхпроводящего кабеля для передачи трехфазного переменного тока. Фиг.12 представляет собой поперечный разрез каждой кабельной жилы 102. Этот сверхпроводящий кабель 100 имеет конструкцию, при которой три скрученные кабельные жилы 102 заключены в теплоизоляционный трубопровод 101. Теплоизоляционный трубопровод 101 имеет конструкцию, при которой между внешним трубопроводом 101a и внутренним трубопроводом 101b, образующими двойной трубопровод, размещен теплоизоляционный материал (не показан), и при этом воздух между трубопроводами 101a и 101b откачан. Каждая кабельная жила 102 включает в себя, начиная от ее средней части, сердцевину 200, слой 201 сверхпроводящего проводника, слой 202 электрической изоляции, сверхпроводниковый экранирующий слой 203 и защитный 204 слой. Пространство 103, ограниченное внутренним трубопроводом 101b и каждой кабельной жилой 102, превращается в канал хладагента, такого как жидкий азот. Состояние сверхпроводимости слоя 201 сверхпроводящего проводника и сверхпроводникового экранирующего слоя 203 кабельной жилы 102 поддерживают путем охлаждения с помощью хладагента. На наружной периферии теплоизоляционного трубопровода 101 находится коррозионностойкий слой 104.

Сверхпроводящий кабель должен непрерывно охлаждаться хладагентом, например жидким азотом, для поддержания состояния сверхпроводимости слоя сверхпроводящего проводника и сверхпроводникового экранирующего слоя. Поэтому линия, в которой используется сверхпроводящий кабель, обычно включает в себя систему охлаждения хладагента. С помощью этой системы осуществляется циркуляционное охлаждение, при котором выходящий из кабеля хладагент охлаждают, а затем снова впускают в кабель.

При охлаждении хладагента до соответствующей температуры с помощью системы охлаждения сверхпроводящий кабель может поддерживать состояние сверхпроводимости слоя сверхпроводящего проводника и сверхпроводникового экранирующего слоя за счет достаточного снижения повышенной температуры хладагента, вызванной теплом, выделяющимся при прохождении тока, или проникновением тепла извне, например атмосферы. Однако, когда хладагентом является жидкий азот, энергии, требуемой для охлаждения хладагента в целях противодействия выделению тепла или проникновению тепла извне, становится необходимо в по меньшей мере 10 раз больше, чем энергии, переносимой хладагентом для охлаждения кабеля. Поэтому, если рассматривать сверхпроводящую кабельную линию, включающую в себя систему охлаждения хладагента, как единое целое, то коэффициент полезного действия (КПД) становится равным примерно 0,1 или ниже. Столь низкий КПД является одной из причин низкой применимости сверхпроводящего кабеля. С другой стороны, в каждом из выложенного японского патента № 2002-130851 (Патентный документ 1) и выложенного японского патента № 10-092627 (Патентный документ 2) предлагается охлаждать хладагент сверхпроводящей катушки с использованием охлаждающего действия сжиженного природного газа (СПГ).

Патентный документ 1: выложенный японский патент № 2002-130851

Патентный документ 2: выложенный японский патент № 10-092627

Раскрытие изобретения

Проблемы, решаемые изобретением

В каждом из описанных выше патентных документов 1 и 2 просто раскрыто использование охлаждающего действия СПГ для охлаждения хладагента сверхпроводящей катушки, и оно не рассматривается в отношении снижения проникновения тепла извне.

Поэтому главной целью настоящего изобретения является обеспечение сверхпроводящей кабельной лини, в которой может быть снижено проникновение тепла извне и повышен коэффициент полезного действия.

Средства для решения этих проблем

Настоящее изобретение достигает вышеописанной цели за счет размещения сверхпроводящего кабеля в теплоизоляционный трубопровод, по которому транспортируется текучая среда с низкой температурой. Таким образом, сверхпроводящая кабельная линия по настоящему изобретению включает в себя теплоизоляционный трубопровод для текучей среды (первый теплоизоляционный трубопровод), предназначенный для транспортировки текучей среды, имеющей температуру ниже обыкновенной температуры, и сверхпроводящий кабель, заключенный в этот теплоизоляционный трубопровод для текучей среды (первый теплоизоляционный трубопровод). В дальнейшем настоящее изобретение будет описано более подробно.

Сверхпроводящий кабель, используемый в настоящем изобретении, имеет конструкцию, включающую сверхпроводящую часть, образованную сверхпроводниковым материалом, и теплоизоляционный трубопровод (далее именуемый теплоизоляционным трубопроводом для кабеля), вмещающий сверхпроводящую часть и заполненный хладагентом для охлаждения этой сверхпроводящей части. Сверхпроводящая часть может включать в себя слой сверхпроводящего проводника для прохождения тока электроснабжения и внешний сверхпроводящий слой для прохождения тока, имеющего по существу то же значение, что и у тока в слое сверхпроводящего проводника, но текущего в противоположном направлении. Сверхпроводящую часть обычно формируют в кабельной жиле. Поэтому сверхпроводящий кабель может быть выполнен путем размещения кабельной жилы, включающей слой сверхпроводящего проводника, в теплоизоляционный трубопровод для кабеля. Более конкретная конструкция кабельной жилы может включать, начиная от ее средней части, сердцевину (основание), слой сверхпроводящего проводника, слой электрической изоляции, внешний сверхпроводящий слой и защитный слой. Теплоизоляционный трубопровод для кабеля может вмещать в себя одну кабельную жилу (одножильный кабель (с одной жилой)) или многожильный кабель (с множеством жил). Точнее говоря, если линию по настоящему изобретению используют для передачи трехфазного переменного тока, то можно использовать, например, трехжильный кабель, имеющий теплоизоляционный трубопровод для кабеля, вмещающий три скрученные жилы, а если линию по настоящему изобретению используют для передачи однофазного переменного тока, то можно использовать одножильный кабель, имеющий теплоизоляционный трубопровод для кабеля, вмещающий одну жилу. Если линию по настоящему изобретению используют для передачи постоянного тока (униполярная передача), то можно использовать, например, одножильный кабель, имеющий теплоизоляционный трубопровод для кабеля, вмещающий одну жилу, а если линию по настоящему изобретению используют для передачи постоянного тока (биполярная передача), то можно использовать двухжильный кабель или трехжильный кабель, имеющий теплоизоляционный трубопровод для кабеля, вмещающий две или три скрученные жилы. Как описано выше, сверхпроводящую кабельную линию по настоящему изобретению можно использовать как для передачи постоянного тока, так и для передачи переменного тока.

Слой сверхпроводящего проводника может быть сформирован, например, посредством спирального наматывания лентообразного провода, включающего в себя множество волокон, выполненных из оксидного сверхпроводникового материала на основе висмута, а более конкретно - сверхпроводникового материала на основе Bi2223, которые расположены в матрице, такой как серебряная оболочка. Слой сверхпроводящего проводника может иметь однослойную или многослойную структуру. Когда слой сверхпроводящего проводника имеет многослойную структуру, в ней может быть предусмотрен межслоевой изолирующий слой. Этот межслоевой изолирующий слой может быть сформирован наматыванием изоляционной бумаги, такой как крафт-бумага или полусинтетическая изоляционная бумага, например, полипропиленовая ламинированная бумага (PPLP) (товарный знак компании Сумитомо Электрик Индастриз Лимитед (Sumitomo Electric Industries, Ltd.)). Слой сверхпроводящего проводника образуют наматыванием провода, выполненного из сверхпроводникового материала, вокруг этой сердцевины. Сердцевина может быть сплошным или полым телом, образованным из металлического материала, такого как медь или алюминий, и может иметь конструкцию, представляющую собой, например, множество скрученных медных проволок. Можно использовать медную проволоку, имеющую изоляционное покрытие. Сердцевина выполняет функцию элемента, поддерживающего форму слоя сверхпроводящего проводника. Между сердцевиной и слоем сверхпроводящего проводника может быть проложен амортизирующий слой. Амортизирующий слой позволяет избежать непосредственного контакта металлов сердцевины и сверхпроводящего провода, что предохраняет сверхпроводящий провод от повреждения. В частности, когда сердцевина имеет структуру скрученной проволоки, амортизирующий слой также выполняет функцию сглаживания поверхности такой сердцевины. В качестве конкретного материала амортизирующего слоя можно соответствующим образом использовать изоляционную бумагу или углеродную бумагу.

Слой электрической изоляции может быть сформирован наматыванием на слой сверхпроводящего проводника полусинтетической изоляционной бумаги, такой как PPLP (товарный знак), или изоляционной бумаги, такой как крафт-бумага. На по меньшей мере одной из внутренней и внешней периферии слоя электрической изоляции, то есть между слоем сверхпроводящего проводника и слоем электрической изоляции и/или между слоем электрической изоляции и внешним сверхпроводящим слоем может быть сформирован полупроводящий слой из углеродной бумаги или чего-либо подобного (описано ниже). При формировании первого, внутреннего полупроводящего слоя или последнего, внешнего полупроводящего слоя повышается адгезия между слоем сверхпроводящего проводника и слоем электрической изоляции или между слоем электрической изоляции и внешним сверхпроводящим слоем для подавления ухудшения из-за возникновения частичного разряда или т.п.

Когда линию по настоящему изобретению используют для передачи постоянного тока, слой электрической изоляции может быть подвергнут градации по ρ для достижения низкого удельного электросопротивления на внутренней периферийной стороне слоя электрической изоляции и высокого удельного электросопротивления на его наружной периферийной стороне для сглаживания распределения электрического поля постоянного тока в его диаметральном направлении (в направлении толщины). Как описано выше, термин «градация по ρ» означает ступенчатое изменение удельного электросопротивления в направлении толщины слоя электрической изоляции, что может сгладить распределение электрического поля постоянного тока по всей толщине слоя электрической изоляции и позволяет снизить толщину этого слоя электрической изоляции. Хотя количество слоев с изменяющимися удельными электросопротивлениями конкретно не ограничено, на практике используются два или три слоя. В частности, сглаживание распределения электрического поля постоянного тока можно осуществлять более эффективно, когда толщина каждого слоя выровнена.

Градацию по ρ можно осуществлять, используя изоляционные материалы с отличающимися друг от друга удельными электросопротивлениями (ρ). Когда используют изоляционную бумагу, такую как крафт-бумага, удельное электросопротивление можно изменять, например, путем варьирования плотности крафт-бумаги или путем добавления к крафт-бумаге дициандиамида. При использовании многослойной бумаги, образованной из изоляционной бумаги и пластиковой пленки, такой как PPLP (товарный знак), удельное электросопротивление можно изменять путем варьирования отношения k = (t_p/T) × 100, то есть отношения толщины t_p пластиковой пленки к толщине T всей многослойной бумаги, или путем варьирования плотности, материала, добавок или т.п. изоляционной бумаги. Значение отношения k предпочтительно находится в диапазоне, например, примерно 40-90%. Как правило, с повышением отношения k удельное электросопротивление ρ становится выше.

Кроме того, когда слой электрической изоляции имеет слой с высокой ε (диэлектрической проницаемостью), предусмотренный около слоя сверхпроводящего проводника и имеющий более высокую диэлектрическую проницаемость, чем диэлектрическая проницаемость в другой части, может быть улучшено свойство выдерживать импульсное напряжение в дополнение к улучшению свойства выдерживать постоянное напряжение. Диэлектрическая проницаемость ε (при 20°C) в обычной крафт-бумаге составляет примерно 3,2-4,5, в многослойной бумаге с отношением k в 40% - примерно 2,8, в многослойной бумаге с отношением k в 60% - примерно 2,6, и в многослойной бумаге с отношением k в 80% - примерно 2,4. Особо предпочтительным является слой электрической изоляции, образованный многослойной бумагой с использованием крафт-бумаги, имеющей высокое отношение k и высокую воздухонепроницаемость, поскольку в данном случае повышено как выдерживаемое постоянное напряжение, так и выдерживаемое импульсное напряжение.

Кабель, также пригодный для передачи переменного тока, изготавливают путем выполнения слоя электрической изоляции имеющим в дополнение к описанной выше градации по ρ диэлектрическую проницаемость ε, повышающуюся к внутренней периферийной стороне и понижающуюся к наружной периферийной стороне. Такую «градацию по ε» также осуществляют по всей протяженности слоя электрической изоляции в диаметральном направлении. Дополнительно сверхпроводящий кабель, подвергнутый описанной выше градации по ρ, имеет хорошие характеристики по постоянному току, и его можно подходящим образом использовать в качестве линии передачи постоянного тока. С другой стороны, большинство существующих линий электропередач сконструировано для передачи переменного тока. Когда систему электропередачи переключают с системы переменного тока на систему постоянного тока, может возникнуть ситуация, при которой перед переключением на передачу постоянного тока кратковременно передают переменный ток с использованием сверхпроводящего кабеля, подвергнутого градации по ρ. Эта ситуация может возникнуть, например, в случае, если кабель на некотором участке линии электропередачи был заменен сверхпроводящим кабелем, подвергнутым градации по ρ, а на других участках все еще находится кабель для передачи переменного тока, или если кабель для передачи переменного тока линии электропередачи был заменен сверхпроводящим кабелем, подвергнутым градации по ρ, а подсоединенное к этому кабелю устройство электропередачи все еще является устройством, рассчитанным на переменный ток. В данной ситуации передачу переменного тока кратковременно осуществляют посредством сверхпроводящего кабеля, подвергнутого градации по ρ, а затем систему окончательно переключают на передачу постоянного тока. Поэтому сверхпроводящий кабель, используемый для передачи как постоянного, так и переменного тока, предпочтительно проектируют и выполняют таким образом, чтобы он не только обладал хорошими характеристиками на постоянном токе, но также учитывают характеристики на переменном токе. Когда характеристики на переменном токе также учитываются, можно конструировать сверхпроводящий кабель, обладающий хорошими импульсными характеристиками, такими как перенапряжение, путем выполнения слоя электрической изоляции имеющим диэлектрическую проницаемость ε, повышающуюся к внутренней периферийной стороне и понижающуюся к наружной периферийной стороне. Затем, когда описанный выше переходный период завершен и осуществляется передача постоянного тока, подвергнутый градации по ρ сверхпроводящий кабель, который использовали в переходный период, можно постоянно использовать в качестве кабеля постоянного тока. То есть линию, в которой используется сверхпроводящий кабель, подвергнутый градации по ε в дополнение к градации по ρ, можно подходящим образом использовать для передачи любого из постоянного и переменного токов, а также можно подходящим образом использовать в качестве линии для передачи как переменного, так и постоянного тока.

Описанная выше PPLP-бумага (товарный знак) обычно имеет более высокое значение ρ и более низкое значение ε по мере повышения отношения k. Поэтому, когда слой электрической изоляции выполнен с использованием бумаги PPLP с повышающимся к его наружной периферийной стороне отношением k, ρ может возрастать к наружной периферийной стороне, и одновременно ε может понижаться к наружной периферийной стороне.

С другой стороны, крафт-бумага обычно имеет более высокое значение ρ и более высокое значение ε по мере повышения воздухонепроницаемости. Поэтому только из крафт-бумаги трудно выполнить слой электрической изоляции, имеющий ρ, повышающееся к наружной периферийной стороне, и ε, понижающееся к наружной периферийной стороне. Поэтому слой электрической изоляции подходящим образом выполняют с использованием крафт-бумаги в сочетании с многослойной бумагой. В качестве примера, слой крафт-бумаги можно сформировать на внутренней периферийной стороне слоя электрической изоляции, а слой PPLP можно сформировать на его внешней стороне, создав в слое крафт-бумаги меньшее удельное электросопротивление ρ, чем в слое PPLP, и диэлектрическую проницаемость ε, большую в слое крафт-бумаги, чем в слое PPLP.

Внешний сверхпроводящий слой формируют на наружной периферии описанного выше слоя электрической изоляции. Внешний сверхпроводящий слой образован из сверхпроводникового материала, как и слой сверхпроводящего проводника. Во внешнем сверхпроводящем слое может быть использован сверхпроводниковый материал, подобный тому, который используют для образования слоя сверхпроводящего проводника. Когда сверхпроводящую кабельную линию по настоящему изобретению используют для передачи постоянного тока, внешний сверхпроводящий слой можно использовать, например, в качестве обратного проводника при монополярной передаче или в качестве слоя нейтрального проводника при биполярной передаче. В частности, когда осуществляют биполярную передачу, внешний сверхпроводящий слой можно использовать для пропускания тока разбалансировки, когда возникает разбалансировка между положительным электродом и отрицательным электродом. В дополнение, когда один электрод находится в ненормальном состоянии, а биполярная передача заменена на монополярную передачу, внешний сверхпроводящий слой можно использовать в качестве обратного проводника для пропускания тока, эквивалентного пропущенному току, протекающему через слой сверхпроводящего проводника. Когда сверхпроводящую кабельную линию по настоящему изобретению используют для передачи переменного тока, внешний сверхпроводящий слой можно использовать в качестве экранирующего слоя, пропускающего экранный ток, наведенный током, протекающим через слой сверхпроводящего проводника. Для изоляции на наружной периферии внешнего сверхпроводящего слоя может быть также предусмотрен защитный слой.

Теплоизоляционный трубопровод для кабеля, предназначенный для помещения в него кабельной жилы, имеющей описанную выше конструкцию, может иметь структуру двойного трубопровода, состоящего из внешнего трубопровода и внутреннего трубопровода с теплоизоляционным материалом между этими трубопроводами, и при этом для создания конструкции с вакуумной изоляцией осуществляют откачку воздуха из трубопровода до достижения заданного уровня вакуума. Пространство во внутреннем трубопроводе используют в качестве канала хладагента для циркуляции хладагента, такого как жидкий азот, который заполняет канал в целях охлаждения кабельной жилы (особенно слоя сверхпроводящего проводника и внешнего сверхпроводящего слоя). В качестве теплоизоляционного трубопровода для кабеля предпочтительно использовать гибкий гофрированный трубопровод. В частности, теплоизоляционный трубопровод для кабеля предпочтительно выполнен из металлического материала, такого как нержавеющая сталь с высокой прочностью.

Настоящее изобретение предлагает конструкцию, в которой сверхпроводящий кабель, имеющий описанный выше теплоизоляционный трубопровод для кабеля, заключен в теплоизоляционный трубопровод, используемый для транспортировки текучей среды, имеющей температуру ниже обычной температуры (далее именуемый теплоизоляционным трубопроводом для текучей среды). При такой конструкции наружная периферия сверхпроводящего кабеля, заключенного в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, находится в низкотемпературной среде с температурой ниже обычной температуры благодаря текучей среде, имеющей температуру ниже обычной температуры. В дополнение сверхпроводящий кабель может иметь структуру двойной теплоизоляции, образованную структурой теплоизоляции теплоизоляционного трубопровода для текучей среды и со структурой теплоизоляции самого кабеля. Поэтому проникновение тепла извне может быть эффективно снижено по сравнению с обычным кабелем, и поэтому может быть уменьшена энергия, необходимая для охлаждения заполняющего сверхпроводящий кабель хладагента.

В качестве теплоизоляционного трубопровода для текучей среды, вмещающего сверхпроводящий кабель, можно использовать теплоизоляционный трубопровод, имеющий эффективность теплоизоляции, соответствующую транспортируемой по нему текучей среде. В качестве примера, можно использовать теплоизоляционный трубопровод, имеющий конструкцию, аналогичную конструкции трубопровода для сверхпроводящего кабеля, то есть конструкцию, имеющую структуру двойного трубопровода, образованного из внешнего трубопровода и внутреннего трубопровода с расположенным между этими трубопроводами сохраняющим холод материалом. В данной ситуации пространство внутри внутреннего трубопровода становится каналом транспортировки текучей среды. Кроме того, текучая среда имеет температуру ниже обычной температуры. Как описано выше, в сверхпроводящем кабеле хладагент для охлаждения сверхпроводящей части циркулирует в теплоизоляционном трубопроводе для кабеля. В качестве хладагента используют, например, жидкий азот, охлажденный до 77 K. Поэтому, когда сверхпроводящий кабель уложен в атмосфере, разность температур между внутренним пространством теплоизоляционного трубопровода для кабеля и окружающей средой (разность температур между хладагентом и атмосферой) становится равной по меньшей мере 200 K, и, таким образом, может увеличиваться проникновение тепла в кабель. Поэтому в случае обычного кабеля для снижения проникновения тепла следует повысить энергию, затрачиваемую на охлаждение хладагента, или следует повысить эффективность теплоизоляции теплоизоляционного трубопровода для кабеля. В отличие от этого, в случае сверхпроводящего кабеля, заключенного в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, предназначенный для транспортировки текучей среды с низкой температурой, такой как температура ниже обычной температуры, разность температур внутри и снаружи теплоизоляционного трубопровода для кабеля, а точнее - разность температур хладагента и текучей среды, можно сделать меньшей 200 K. Поэтому проникновение тепла становится меньшим по сравнению с кабелем, помещенным в атмосферу, и поэтому затрачиваемую на охлаждение хладагента энергию можно снизить. То есть, если принять во внимание также систему охлаждения хладагента, то можно повысить коэффициент полезного действия сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению по сравнению с обычной линией. В частности, когда линию по настоящему изобретению используют в качестве линии передачи постоянного тока, в которой при прохождении тока почти не выделяется тепло (тепловые потери в проводнике), снижение проникновения тепла крайне эффективно для повышения коэффициента полезного действия, поскольку проникновение тепла становится главной причиной потерь энергии в данной ситуации. В дополнение, поскольку сверхпроводящий кабель, помещенный согласно настоящему изобретению в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, позволяет снизить проникновение тепла, как описано выше, структуру теплоизоляции теплоизоляционного трубопровода для кабеля можно упростить, то есть можно снизить степень теплоизоляции для предотвращения проникновения тепла.

Температура текучей среды как таковая должна быть ниже обычной температуры, и особенно предпочтительной является более низкая температура, поскольку таким образом можно снизить проникновение тепла в кабель. Используемая текучая среда может быть такой же самой, что и хладагент сверхпроводящего кабеля, или отличной от него. То есть текучая среда может иметь температуру, по существу равную, более высокую или более низкую, чем температура хладагента сверхпроводящего кабеля. Когда текучая среда имеет температуру, подобную температуре хладагента сверхпроводящего кабеля, разность температур внутри и снаружи теплоизоляционного трубопровода для кабеля можно дополнительно снизить.

Когда текучая среда имеет более низкую температуру, чем температура хладагента сверхпроводящего кабеля, поскольку проникновение тепла из текучей среды в кабель по существу отсутствует, температура хладагента с проникновением тепла по существу не повышается, а, напротив, хладагент, находящийся внутри теплоизоляционного трубопровода для кабеля, охлаждается. Поэтому в случае сверхпроводящего кабеля, заключенного в теплоизоляционный трубопровод для транспортировки текучей среды как таковой, уровень эффективности охлаждения системы охлаждения используемого в кабеле хладагента можно сделать относительно низким, а также можно значительно снизить энергию, затрачиваемую на охлаждение хладагента. Когда текучая среда имеет более высокую температуру, чем температура хладагента сверхпроводящего кабеля, несмотря на то, что температура хладагента может повыситься из-за проникновения тепла из текучей среды в кабель, это проникновение тепла крайне мало по сравнению с ситуацией нахождения кабеля в атмосфере, и поэтому уровень роста температуры также крайне низок. Поэтому уровень эффективности охлаждения системы охлаждения хладагента, используемого в сверхпроводящем кабеле, в данной ситуации также можно сделать низким по сравнению с ситуацией нахождения кабеля в атмосфере. Конкретные примеры текучей среды включают жидкий гелий (примерно 4 K), жидкий водород (примерно 20 K), жидкий кислород (примерно 90 K), жидкий азот (примерно 77 K) и сжиженный природный газ (примерно 113 K).

Когда теплоизоляционный трубопровод для текучей среды изготавливают путем сварки металлического листа, выполненного, например, из нержавеющей стали или подобного металла, сверхпроводящий кабель может быть заключен в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды путем размещения кабеля на этом листе, изгибания листа таким образом, чтобы охватить кабель, и сваривания друг с другом краев листа. Когда в качестве теплоизоляционного трубопровода для текучей среды используют металлическую трубу, изготовленную из нержавеющей стали или другого подобного металла, кабель может быть заключен в такой теплоизоляционный трубопровод для текучей среды путем вставки сверхпроводящего кабеля в эту трубу. В этой ситуации для улучшения способности сверхпроводящего кабеля к введению в трубу можно спирально намотать вокруг кабеля проволоку скольжения (провод со скользящим контактом). В частности, когда теплоизоляционный трубопровод для кабеля представляет собой гофрированный трубопровод, имеющий выступы и впадины, способность к введению повышают путем намотки проволоки скольжения с большим шагом, чем шаг выступов и впадин гофрированного трубопровода (продольный шаг), для предотвращения попадания проволоки скольжения в область впадины гофрированного трубопровода в целях размещения проволоки скольжения поверх выступов и впадин, чтобы тем самым предотвратить непосредственный контакт наружной периферии гофрированного трубопровода с теплоизоляционным трубопроводом для текучей среды, то есть чтобы получить точечный контакт между проволокой скольжения, намотанной вокруг гофрированного трубопровода, и теплоизоляционным трубопроводом для текучей среды. Более того, к сверхпроводящему кабелю может быть прикреплен стяжной хомут или т.п. для того, чтобы втянуть его в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды.

Сверхпроводящий кабель, помещенный в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, может быть расположен в контакте с текучей средой, транспортируемой внутри теплоизоляционного трубопровода для текучей среды, или не в контакте с этой текучей средой. В первой ситуации сверхпроводящий кабель можно погрузить в текучую среду. В этой ситуации, поскольку вся периферия сверхпроводящего кабеля контактирует с текучей средой низкой температуры, проникновение тепла извне в кабель можно существенно снизить.

С другой стороны, если сверхпроводящий кабель погружен в текучую среду, то, в зависимости от текучей среды, может возникнуть такая проблема, как взрыв, например, в случае короткого замыкания в сверхпроводящем кабеле с образованием искры. Поэтому пространство внутри теплоизоляционного трубопровода для текучей среды можно разделить на область транспортировки текучей среды и область размещения сверхпроводящего кабеля. Например, в качестве области транспортировки текучей среды, внутри теплоизоляционного трубопровода для текучей среды можно отдельно разместить транспортировочный трубопровод для транспортировки текучей среды, а сверхпроводящий кабель можно разместить продольно вдоль этого транспортировочного трубопровода. В этой ситуации, когда в пространстве внутри теплоизоляционного трубопровода для текучей среды, не занятом транспортировочным трубопроводом и сверхпроводящим кабелем, то есть в пространстве, ограниченном внутренней периферией теплоизоляционного трубопровода для текучей среды, внешней периферией транспортировочного трубопровода и внешней периферией кабеля, размещают теплообменный разделитель (заполнитель), имеющий высокую теплопроводность, тепло от текучей среды может эффективно подводиться к кабелю через этот теплообменный разделитель, и поэтому кабель можно охлаждать текучей средой, особенно когда текучая среда имеет более низкую температуру, чем температура хладагента кабеля. Теплообменный разделитель как таковой можно изготовить, например, из материала, имеющего высокую теплопроводность, такого как алюминий. Более конкретно, теплообменную разделитель можно изготовить наматыванием алюминиевой фольги.

В сверхпроводящей кабельной линии по настоящему изобретению образующий линию сверхпроводящий кабель может быть заключен в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды по всей его длине в продольном направлении, или же в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды можно заключить только часть (участок) кабеля. В качестве примера, в предложенной линии только некоторая часть кабеля может быть заключена в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, а другая часть сверхпроводящего кабеля может быть уложена в атмосфере. Альтернативно, предложенная линия может иметь участок низкотемпературной области, где внешняя периферия кабеля находится в низкотемпературной среде, имеющей температуру, самое большее равную температуре хладагента, и участок высокотемпературной области, находящийся в температурной среде, имеющей более высокую температуру, чем температура хладагента. В частности, когда текучая среда имеет более низкую температуру, чем температура хладагента, участок сверхпроводящего кабеля, помещенный в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, может быть избыточно охлажден. При таком избыточном охлаждении может произойти затвердевание части хладагента, что может мешать циркуляции хладагента кабеля. Поэтому является желательным повысить температуру части сверхпроводящего кабеля, охлажденного текучей средой, в температурном интервале, допускающем поддержание сверхпроводящего состояния, в целях подавления избыточного охлаждения сверхпроводящего кабеля текучей средой для предотвращения достижения частью хладагента кабеля с самой низкой температурой температуры затвердевания и замедления циркуляции хладагента. Таким образом, предложено обеспечивать наличие областей, имеющих различные температуры, вне сверхпроводящего кабеля в продольном направлении сверхпроводящей кабельной линии для поддержания теплового баланса во всей линии в целом. Более конкретно, предложено обеспечивать в сверхпроводящей кабельной линии участок низкотемпературной области и участок высокотемпературной области для повышения на участке высокотемпературной области температуры хладагента сверхпроводящего кабеля, избыточно охлажденного на участке низкотемпературной области, или для охлаждения на участке низкотемпературной области хладагента сверхпроводящего кабеля с температурой, повышенной на участке высокотемпературной области.

Теплоизоляционный трубопровод для текучей среды включает первый теплоизоляционный трубопровод и второй теплоизоляционный трубопровод. Участок низкотемпературной области может быть сооружен путем помещения сверхпроводящего кабеля в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды (первый теплоизоляционный трубопровод), по которому транспортируется текучая среда, имеющая более низкую температуру, чем температура хладагента, заполняющего теплоизоляционный трубопровод для кабеля. Участок высокотемпературной области может быть сооружен путем укладывания сверхпроводящего кабеля в атмосфере или путем помещения кабеля в другой теплоизоляционный трубопровод для текучей среды (второй теплоизоляционный трубопровод), по которому транспортируется текучая среда, имеющая более высокую температуру, чем температура хладагента, заполняющего теплоизоляционный трубопровод для кабеля. Когда в качестве хладагента сверхпроводящего кабеля используют жидкий азот, в качестве текучей среды для участка низкотемпературной области (первой текучей среды) можно использовать, например, жидкий водород или жидкий гелий, а в качестве текучей среды для участка высокотемпературной области (второй текучей среды) можно использовать сжиженный природный газ или жидкий кислород.

В линии по настоящему изобретению, имеющей участок низкотемпературной области и участок высокотемпературной области, можно поддерживать тепловой баланс путем использования нескольких теплоизоляционных трубопроводов для текучих сред, предназначенных для транспортировки текучих сред, имеющих различные температуры, или путем комбинирования конструкции с помещением кабеля в теплоизоляционный трубопровод для текучей среды, предназначенный для транспортировки текучей среды, имеющей температуру ниже температуры хладагента сверхпроводящего кабеля, и конструкции с помещением кабеля в атмосферу. Если, например, в линию в ее продольном направлении поочередно входят участки низкотемпературной области и участки высокотемпературной области, то можно снизить разность между пониженной температурой на участке низкотемпературной области и повышенной температурой на участке высокотемпературной области. Альтернативно, тепловой баланс всей линии можно поддерживать путем изменения эффективности тепловой изоляции образующего линию сверхпроводящего кабеля. То есть в линии по настоящему изобретению эффективность тепловой изоляции кабеля можно изменять согласно температурному состоянию той области, в которой расположен сверхпроводящий кабель. В качестве примера эффектив