Система проектирования сверхпроводящего кабеля постоянного тока

Система проектирования сверхпроводящего кабеля постоянного тока

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к системе проектирования сверхпроводящего кабеля постоянного тока (DC).

Уровень техники

В качестве сверхпроводящего кабеля предложен сверхпроводящий кабель 100, показанный на фиг.8, который имеет такую конструкцию, в которой три кабельных жилы 10 заключены в теплоизоляционную трубу 20 (см., например, Патентные документы 1 и 2).

Кабельная жила 10 включает в себя каркас 11, проводящий слой 13, электроизоляционный слой 16A, экранирующий слой (внешний проводящий слой) 17A и защитный слой 18 в перечисленном порядке от центра. Проводящий слой 13 сформирован посредством спиральной намотки сверхпроводящих проводов в несколько слоев вокруг каркаса 11. Обычно сверхпроводящий провод имеет структуру в форме ленты, в которой множество нитей, состоящих из оксидного сверхпроводящего материала, помещены в матрицу серебряной оболочки или т.п. Электроизоляционный слой 16A сформирован посредством намотки изоляционной бумаги. Экранирующий слой 17A сформирован посредством спиральной намотки сверхпроводящего провода вокруг электроизоляционного слоя 16A, как в случае проводящего слоя 13. Для защитного слоя 18 используется изоляционная бумага или т.п.

Теплоизоляционная труба 20 имеет такую конструкцию, в которой теплоизоляционный материал (не проиллюстрирован) помещен между сдвоенными трубами, состоящими из внутренней трубы 21 и внешней трубы 22, и пространство между сдвоенными трубами вакуумировано. Вокруг внешней поверхности теплоизоляционной трубы 20 сформирован антикоррозионный слой 23. Теплоизоляционная труба 20 приводится в работоспособное состояние посредством наполнения и циркулирования хладагента в виде жидкого азота и т.п. в пространствах, образованных внутри каркаса 11 (в случае, если он имеет полую структуру), а также между внутренней трубой 21 и жилами 10, так что электроизоляционный слой 16 пропитывается хладагентом.

Конструкция такого сверхпроводящего кабеля исследована главным образом в качестве кабеля переменного тока (AC). В этом случае предлагается, чтобы с целью уменьшения потерь на переменном токе шаг намотки и направление намотки сверхпроводящего провода в каждом слое корректировались отдельно для того, чтобы обеспечить возможность протекания эквивалентного тока через соответствующие слои, которые составляют проводящий слой и экранирующий слой. Кроме того, с целью снижения количества сверхпроводящих проводов, которые должны быть использованы, в качестве шага намотки сверхпроводящих проводников обычно выбирается сравнительно большое значение.

Патентные документы

Патентный документ 1: Публикация заявки на патент Японии № 2003-249130 (фиг.1)

Патентный документ 2: Публикация заявки на патент Японии № 2002-140944 (фиг.2).

Раскрытие изобретения

Проблемы, решаемые изобретением

Тем не менее, следующие проблемы существовали в отношении вышеупомянутой методики проектирования сверхпроводящего кабеля.

(1) Методика не дает прояснения в отношении того, как определять конструкцию сверхпроводящего кабеля постоянного тока. В случае кабеля постоянного тока, в отличие от кабеля переменного тока, отсутствуют проблемы с точки зрения эквивалентного электрического тока в проводящих слоях, и, следовательно, необязательно отдельно задавать шаг намотки сверхпроводящего провода в каждом слое, который содержит проводящий слой и экранирующий слой. Тем не менее, не определено никакого конкретного стандарта относительно того, какой шаг намотки должен приниматься при конкретном диаметре намотки с тем, чтобы сформировать проводящий слой и внешний проводящий слой.

(2) Не установлено четкой методики проектирования конструкции для того, чтобы поглощать сжатие сверхпроводящих проводов. В сверхпроводящем кабеле необходимо обеспечивать его конструкции возможность поглощать сжатие сверхпроводящих проводов, которое возникает вследствие охлаждения, создаваемого хладагентом при криогенной температуре в ходе работы. Тем не менее, что касается механизма, который обеспечивает поглощение сжатия, не установлено методики проектирования для достижения простой конструкции, подходящей для сверхпроводящего кабеля постоянного тока.

В случае конструкции, включающей в себя три кабельных жилы, сжатие может поглощаться посредством таких мер, как придание изгиба скрутке из этих жил. Тем не менее, в случае одножильного сверхпроводящего кабеля эта мера не может быть применена. Следовательно, возможно позволить сверхпроводящим проводам испытывать механическое напряжение вследствие сжатия, формируемого за счет охлаждения, или применить такую меру, как обеспечение возможности оконечной части сверхпроводящего провода скользить согласно тепловому сжатию кабеля.

Тем не менее, в ранее приведенном случае в результате существенного натяжения, вызываемого в сверхпроводящих проводах ввиду того, что допустим эффект механического напряжения вследствие сжатия сверхпроводящих проводов, эти сверхпроводящие провода могут портиться в зависимости от уровня механического напряжения, или же теплоизоляционные характеристики теплоизоляционной трубы могут ухудшаться в результате бокового давления, прикладываемого к изогнутой части кабеля в соответствии со сжатием кабеля. В последнем случае необходимо обеспечить некий механизм для того, чтобы конец сверхпроводящего кабеля скользил, и, соответственно, вероятнее всего требуются широкомасштабные меры для разрешения проблемы сжатия.

Основная цель настоящего изобретения, которое создано в свете вышеупомянутых проблем, заключается в том, чтобы предоставить систему проектирования сверхпроводящего кабеля постоянного тока, в котором сжатие сверхпроводящих проводов вследствие охлаждения может поглощаться и в котором количество сверхпроводящих проводов, которые должны быть использованы, может быть снижено настолько, насколько это возможно.

Средство разрешения решаемых проблем

Вышеупомянутая цель может быть достигнута посредством системы проектирования по настоящему изобретению, согласно которой не только сама кабельная жила может иметь механизм для противодействия тепловому сжатию сверхпроводящих слоев (т.е. проводящего слоя и внешнего проводящего слоя), но также при проектировании сверхпроводящего кабеля постоянного тока может учитываться используемое количество сверхпроводящих проводов, которые должны быть использованы в сверхпроводящем кабеле.

Система проектирования по настоящему изобретению - это система для проектирования такого сверхпроводящего кабеля постоянного тока, который содержит проводящий слой и внешний проводящий слой, размещенный снаружи проводящего слоя через электроизоляционный слой. В системе проектирования значения диаметра намотки и шага намотки сверхпроводящих слоев, составляющих проводящий слой и внешний проводящий слой, получают посредством вычисления (расчетов) для проектирования сверхпроводящего кабеля постоянного тока.

Система проектирования имеет следующие составные части:

a. первое средство вычисления корреляций для вычисления зависимости между отношением Xf, которое представляет собой отношение между диаметром намотки и шагом намотки сверхпроводящих проводов, составляющих проводящий слой, и величиной Cf сжатия, которая поглощает тепловое сжатие сверхпроводящих проводов вследствие охлаждения;

b. второе средство вычисления корреляций для вычисления зависимости между отношением Xf и отношением Ufx используемого количества сверхпроводящих проводов в проводящем слое на единицу длины кабеля; и

c. первое средство выбора для извлечения из результатов вычислений первого средства вычисления корреляций и второго средства вычисления корреляций данных о диаметре намотки и шаге намотки сверхпроводящих проводов, которые будут удовлетворять заданной величине Cfs сжатия и отношению Ufx используемого количества сверхпроводящих проводов.

Согласно вышеупомянутой системе, сверхпроводящий кабель может быть спроектирован таким образом, что на внутренней стороне сверхпроводящих проводов формируется слой ослабления механического напряжения для поглощения сжатия вследствие теплового сжатия сверхпроводящего провода с тем, чтобы сверхпроводящие провода не испытывали чрезмерного натяжения. В этой системе для того, чтобы повысить степень свободы в проектировании слоя ослабления механического напряжения, диаметр намотки и шаг намотки сверхпроводящих проводов, с помощью которого может быть уменьшена величина сжатия, может выбираться из результатов вычислений первого средства вычисления корреляций. Аналогично, можно выбирать диаметр намотки и шаг намотки сверхпроводящих проводов после того, как снижение внешнего диаметра кабеля и уменьшение используемого количества сверхпроводящих проводов будут учтены на основе результатов вычислений второго средства вычисления корреляций. Затем посредством первого средства выбора извлекаются верхний предел шага намотки, с помощью которого величина сжатия может быть существенно снижена, и нижний предел шага намотки, с помощью которого используемое количество сверхпроводящих проводов может быть несущественно увеличено, и посредством этого обеспечивается возможность получить данные о диаметре намотки и шаге намотки сверхпроводящих проводов, которые подходят для сверхпроводящего кабеля постоянного тока.

Аналогично, не ограничиваясь случаем проводящего слоя, но также и в случае, когда сверхпроводящий кабель имеет внешний проводящий слой, посредством приспособления аналогичного варианта подхода в отношении внешнего проводящего слоя, можно извлечь диаметр намотки и шаг намотки, которые предпочтительны с точки зрения используемого количества сверхпроводящих проводов и величины сжатия, которая возникает вследствие охлаждения.

Далее, до пояснения системы проектирования по настоящему изобретению, будет описана общая конструкция сверхпроводящего кабеля, проектируемого посредством этой системы.

Этот сверхпроводящий кабель в общем состоит из кабельной жилы и теплоизоляционной трубы для размещения этой кабельной жилы. Кабельная жила в своей основе имеет конструкцию, в типичном варианте содержащую каркас, слой ослабления механического напряжения, проводящий слой, электроизоляционный слой и защитный слой в перечисленном порядке от центра. Помимо этого, между электроизоляционным слоем и защитным слоем может быть предусмотрен внешний проводящий слой, а снаружи проводящего слоя и внешнего проводящего слоя могут быть предусмотрены слой фиксации внахлестку и амортизирующий слой.

Во-первых, что касается вышеупомянутых составных элементов, то в каркасе, проводящем слое, электроизоляционном слое, внешнем проводящем слое, защитном слое и теплоизоляционной трубе могут быть использованы различные известные типы материалов и композиций. Что касается проводящего слоя и внешнего проводящего слоя, то посредством выбора такого диаметра намотки и шага намотки сверхпроводящих проводов, которые выявляются посредством системы по настоящему изобретению, предоставляется возможность «заставить» саму кабельную жилу эффективно поглощать тепловое сжатие сверхпроводящих проводов во время охлаждения и уменьшать используемое количество сверхпроводящих проводов.

Далее, слой ослабления механического напряжения - это слой для поглощения теплового сжатия сверхпроводящего слоя. Сверхпроводящий слой, который сформирован посредством спиральной намотки сверхпроводящего провода, представляет собой проводящий слой или внешний проводящий слой (экранирующий слой). Сверхпроводящий слой охлаждается до криогенной температуры хладагентом в ходе работы кабеля и, следовательно, претерпевает тепловое сжатие. Сжатие также происходит в радиальном направлении, сопутствуя тепловому сжатию сверхпроводящего провода, и поэтому слой ослабления механического напряжения, который предусмотрен внутри сверхпроводящего слоя, сжимается согласно тепловому сжатию сверхпроводящего слоя, посредством чего сдерживается эффект действия чрезмерного натяжения на сверхпроводящий провод.

Будучи доведенным до криогенной температуры хладагентом, слой ослабления механического напряжения предпочтительно должен иметь величину сжатия, способную поглощать, по меньшей мере, часть радиального сжатия сверхпроводящего слоя. Другими словами, кабельная жила может быть сконструирована таким образом, чтобы радиальное сжатие сверхпроводящего слоя, которое сопутствует охлаждению, могло поглощаться слоем ослабления механического напряжения и другим составным элементом кабеля, предусмотренным внутри этого слоя ослабления механического напряжения. Или же она может быть сконструирована таким образом, что только слой ослабления механического напряжения поглощает радиальное сжатием сверхпроводящего слоя вследствие охлаждения.

В первом случае сам слой ослабления механического напряжения может быть сделан более тонким, поскольку сжатие сверхпроводящего слоя поглощается посредством сжатия слоя ослабления механического напряжения и составного элемента кабеля. Каркас является характерным примером таких составных элементов кабеля, предусмотренных внутри слоя ослабления механического напряжения. В последнем случае, поскольку поглощение радиального сжатия сверхпроводящего слоя может полностью выполняться слоем ослабления механического напряжения, можно свободно выбирать материал и структуру составного элемента, к примеру, каркаса, предусмотренного внутри слоя ослабления механического напряжения.

Слой ослабления механического напряжения размещен внутри сверхпроводящего слоя. Например, он может быть предусмотрен как внутренний слой ослабления механического напряжения внутри проводящего слоя (снаружи каркаса). Аналогично, он может быть предусмотрен как внешний слой ослабления механического напряжения внутри внешнего проводящего слоя (экранирующего слоя). Слой ослабления механического напряжения, который должен быть предусмотрен внутри внешнего проводящего слоя, может представлять собой сам электроизоляционный слой или же может быть сформирован отдельно как слой ослабления механического напряжения в дополнение к электроизоляционному слою. Если сам электроизоляционный слой используется в качестве внешнего слоя ослабления механического напряжения, то можно уменьшить размер кабельной жилы, поскольку необязательно обеспечивать отдельно слой ослабления механического напряжения в дополнение к электроизоляционному слою.

Подходящими материалами для такого слоя ослабления механического напряжения являются, например, крафт-бумага, пластмассовая лента и составная лента, изготовленная из крафт-бумаги и пластмассовой ленты. В качестве пластмассовой ленты может быть предпочтительно использована полиолефиновая лента, в частности, полипропиленовая лента. Как правило, крафт-бумага доступна за небольшую стоимость, хотя ее сжатие вследствие охлаждения является относительно небольшим, и несмотря на то, что составная лента, состоящая из крафт-бумаги и полипропилена, является дорогой, ее величина сжатия вследствие охлаждения больше. В частности, в случае составной ленты, если толщина полипропилена больше, может быть получена большая величина сжатия, и можно сформировать такой слой ослабления механического напряжения, который позволяет сверхпроводящему проводу не испытывать чрезмерного натяжения даже в том случае, если величина сжатия сверхпроводящего провода большая. Кроме того, из крафт-бумаги, гофрированная крафт-бумага и крафт-бумага с регулируемой влажностью способны проявлять большую величину сжатия. Таким образом, может оказаться целесообразным сформировать слой ослабления механического напряжения посредством использования этих материалов по отдельности или в сочетании с тем, чтобы слой ослабления механического напряжения имел достаточную толщину для поглощения, по меньшей мере, части величины радиального сжатия сверхпроводящего провода.

Кроме того, на по меньшей мере одной стороне из внешней и внутренней периферий электроизоляционного слоя, т.е. между проводящим слоем и электроизоляционным слоем и между электроизоляционным слоем и экранирующим слоем, может быть сформирован полупроводящий слой. Для достижения стабильности электрических характеристик является эффективным формировать внутренний полупроводящий слой, т.е. имеет место первый случай, и внешний полупроводящий слой, т.е. имеет место второй случай.

Предпочтительно предусматривать внешний проводящий слой снаружи вышеупомянутого электроизоляционного слоя. В частности, внешний проводящий слой является составной частью, которая обязательна для осуществления передачи электроэнергии однополюсной системы. В случае сверхпроводящего кабеля переменного тока для того, чтобы уменьшить потери на переменном токе в сверхпроводящем проводе, необходимо предусматривать экранирующий слой для экранирования магнитного потока, который утекает к внешней периферии проводящего слоя. Кроме того, в случае сверхпроводящего кабеля постоянного тока необходимо предусматривать обратный проводник посредством помещения внешнего проводящего слоя в положении, эквивалентном положению экранирующего слоя сверхпроводящего кабеля переменного тока. Другими словами, при предусматривании внешнего проводящего слоя (обратного проводника), изготовленного из сверхпроводящего провода, снаружи электроизоляционного слоя, проводящий слой может быть использован в качестве пути выходящего электрического тока при однополюсной передаче электроэнергии, а обратный проводник может быть использован в качестве пути обратного электрического тока. Этот внешний проводящий слой должен быть сконструирован таким образом, чтобы иметь такую же допустимую нагрузку по электрическому току, что и проводящий слой. С помощью сверхпроводящего кабеля, сконструированного в форме многожильного, собранного в один пучок типа, так что множество жил помещены в теплоизоляционную трубу, можно использовать способ однополюсной передачи электроэнергии или способ двухполюсной передачи электроэнергии. Во втором случае внешний проводящий слой выполняет функцию нейтрального провода.

Помимо этого, снаружи сверхпроводящего слоя может быть сформирован слой фиксации внахлестку. Обеспечение слоя фиксации внахлестку снаружи сверхпроводящего слоя дает возможность сверхпроводящему слою быть обжатым в направлении внутрь. Посредством эффекта обжатия можно дать возможность радиальному сжатию сверхпроводящего слоя происходить плавно. Материалом слоя фиксации внахлестку может быть, к примеру, такой материал, как металлическая лента, который способен придавать сверхпроводящему слою заданную силу обжатия, и, в частности, предпочтительно может быть использована медная лента или т.п.

В случае, когда используется слой фиксации внахлестку, предпочтительно предусматривать амортизирующий слой между слоем фиксации внахлестку и сверхпроводящим слоем. Когда для выполнения слоя фиксации внахлестку используется металлическая лента, сверхпроводящий провод может быть поврежден, поскольку прямой контакт между слоем фиксации внахлестку и сверхпроводящим слоем означает контакт между металлами, так как обычно сверхпроводящий провод изготовляется из металла, такого как серебро. Следовательно, если между этими двумя слоями предусмотрен амортизирующий слой, прямого контакта между этими металлами можно избежать, за счет чего повреждение сверхпроводящего слоя может быть предотвращено. Подходящим материалом для амортизирующего слоя является, например, изоляционная бумага или углеродная бумага.

При проектировании такого кабеля диаметр намотки и шаг намотки, подходящие для формирования проводящего слоя и внешнего проводящего слоя, надлежащим образом определяются посредством системы по настоящему изобретению.

Первое средство вычисления корреляций вычисляет зависимость между отношением Xf, которое является отношением между диаметром намотки и шагом намотки сверхпроводящего провода, составляющего проводящий слой, и величиной Cf радиального сжатия, которая поглощает тепловое сжатие сверхпроводящего провода вследствие охлаждения. Диаметр намотки проводящего слоя может иметь значение, выбираемое из подходящего диапазона. Например, он может задаваться с подходящими интервалами в диапазоне от 20 до 40 мм. Шаг намотки может иметь значение, определяемое кратным значению диаметра намотки. Эта кратность (число раз) также может иметь значение, выбираемое из подходящего диапазона. Например, оно может задаваться с подходящими интервалами в диапазоне от 2 до 20 раз. Величина Cf радиального сжатия, которая поглощает тепловое сжатие вследствие охлаждения сверхпроводящего провода, является значением, полученным посредством нахождения того, насколько сверхпроводящий провод, который был намотан при определенном диаметре намотки и шаге намотки, будет сжиматься в радиальном направлении, когда он сжимается в продольном направлении вследствие охлаждения. Степень продольного сжатия сверхпроводящего провода может быть получена из коэффициента линейного расширения сверхпроводящего провода и величины изменения температуры вследствие охлаждения. Сжатие в радиальном направлении, т.е. величина радиального сжатия, может быть вычислена с помощью вышеупомянутой степени сжатия и того факта, что когда один шаг спирально намотанного сверхпроводящего провода пройден, он может быть выражен с помощью прямоугольного треугольника, в котором косая линия - это длина L сверхпроводящего провода, вертикальная линия - это длина окружности 2πd при диаметре намотки d, а базовая линия - это шаг P. Когда сверхпроводящий кабель сжимается на величину степени сжатия, длина сверхпроводящего провода после сжатия становится равной L-ΔL, при этом величина сжатия выражена посредством ΔL, и, следовательно, величина Cf радиального сжатия выражается как (d-d'), где d' - это диаметр намотки после сжатия, при условии, что шаг P не изменяется в данном случае.

Второе средство вычисления корреляций вычисляет зависимость между отношением Xf и отношением Ufx используемого количества сверхпроводящего провода в проводящем слое на единицу длины кабеля. Отношение Ufx используемого количества сверхпроводящего провода в проводящем слое на единицу длины кабеля является не значением, в котором учитывается требуемое количество Sf провода, определенное посредством учета характеристик линии, таких как допустимая нагрузка по электрическому току, а значением, в котором учитывается требуемое количество fu провода, которое фактически необходимо для формирования проводящего слоя на единице длины кабеля. Требуемое количество Sf провода - это используемое количество провода (число проводов в единице длины или общее число проводов) в случае, когда сверхпроводящий провод, который необходим для обеспечения заранее заданной допустимой нагрузки по электрическому току, наносится в продольном направлении при выбранном диаметре намотки.

Обычно сверхпроводящим проводом является провод в форме ленты, имеющий по существу прямоугольное сечение. Следовательно, когда сверхпроводящий провод спирально наматывается вокруг внешней периферии с определенным диаметром намотки, имеется случай, когда, например, 2,5 слоя провода дают достаточное количество провода, необходимое для обеспечения заранее заданной допустимой нагрузки по электрическому току. Тем не менее, когда сверхпроводящий кабель фактически проектируется, оставшиеся 0,5 слоя также помещаются в сверхпроводящий провод, чтобы сформировать проводящий слой имеющим равномерную форму. В этом случае сверхпроводящий провод, используемый для этих 0,5 слоя, является избыточным с точки зрения теоретических технических условий изготовления кабеля, но используемое при фактическом применении количество fu провода вычисляется как 3 слоя. Следовательно, если число слоев сверхпроводящего провода, которые должны фактически использоваться, отыскивается на основании ширины, толщины и диаметра намотки сверхпроводящего провода, используемое количество может быть получено из корреляции с требуемым количеством Sf провода, для которого диаметр намотки и шаг намотки являются параметрами. Затем отношение Ufx используемого количества сверхпроводящего провода выражается посредством отношения fu/Sf между требуемым используемым количеством и фактическим используемым количеством fu провода.

С другой стороны, на основе результата вычислений вышеупомянутых первого средства вычисления корреляций и второго средства вычисления корреляций, первое средство выбора извлекает данные о диаметре намотки и шаге намотки сверхпроводящего провода, которые удовлетворяют заранее заданной величине Cfs сжатия и отношению Ufx используемого количества сверхпроводящих проводов. Извлеченные данные могут быть единичными или множественными. На основе этого извлечения соответствующий диаметр намотки и шаг намотки могут быть извлечены после того, как учтены используемое количество сверхпроводящего провода и величина радиального сжатия, которое сопутствует сжатию проводящего слоя. Заранее заданная величина Cfs радиального сжатия и отношение Ufx используемого количества могут быть надлежащим образом заданы согласно требованиям, предъявляемым к сверхпроводящему кабелю.

В общем случае, чем меньше отношение "шаг намотки/диаметр намотки", тем меньшей может быть сделана величина радиального сжатия. Другими словами, если диаметр намотки является постоянным, величина радиального сжатия может быть уменьшена по мере того, как шаг намотки уменьшается. Кроме того, если шаг намотки является постоянным, величина радиального сжатия может быть уменьшена по мере того, как диаметр намотки увеличивается. С другой стороны, чем меньше отношение "шаг намотки/диаметр намотки", тем больше возрастает отношение Ufx используемого количества сверхпроводящего провода. Другими словами, если диаметр намотки является постоянным, используемое количество возрастает по мере того, как шаг намотки уменьшается. Кроме того, если шаг намотки является постоянным, используемое количество возрастает по мере того, как диаметр намотки увеличивается.

Следовательно, если приоритет должен быть отдан гарантированию величины радиального сжатия, которая должна поглощаться посредством слоя ослабления механического напряжения, может быть выбрано большое отношение Ufx используемого количества посредством выбора большой величины Cfs радиального сжатия, а если приоритет должен быть отдан снижению используемого количества сверхпроводящего провода, отношение Ufx используемого количества может быть сделано меньшим посредством выбора меньшей величины Cfs радиального сжатия.

Вышеупомянутый способ, который описан в отношении проводящего слоя, аналогично может быть применен к случаю внешнего проводящего слоя, который предусмотрен снаружи проводящего слоя через размещенный между ними электроизоляционный слой. Другими словами, является предпочтительным предусматривать третье средство вычисления корреляций для вычисления зависимости между отношением Xg, которое является отношением между диаметром намотки и шагом намотки внешнего проводящего слоя, и величиной Cg радиального сжатия, которое будет сопутствовать охлаждению сверхпроводящего провода, и четвертое средство вычисления корреляций для вычисления зависимости между отношением Xg и отношением Ufg используемого количества сверхпроводящего провода во внешнем проводящем слое на единицу длины кабеля.

Третье средство вычисления корреляций вычисляет зависимость между отношением Xg, которое является отношением между диаметром намотки и шагом намотки внешнего проводящего слоя, и величиной Cg радиального сжатия, которая поглощает тепловое сжатие вследствие охлаждения сверхпроводящего провода. Диаметр намотки внешнего проводящего слоя, который необходим для этого вычисления, может быть вычислен из диаметра намотки проводящего слоя, толщины проводящего слоя и толщины электроизоляционного слоя. Другими словами, когда проводящий слой сформирован таким образом, чтобы обеспечивать допустимую нагрузку по электрическому току в случае задания диаметра намотки для проводящего слоя, может быть вычислена толщина проводящего слоя, поскольку толщина сверхпроводящего провода известна. Кроме того, толщина электроизоляционного слоя может быть определена посредством вычисления на основе электрического напряжения и изолирующей способности изоляционного материала сверхпроводящего кабеля, поскольку изоляция должна иметь такое выдерживаемое напряжение (напряжение пробоя), которое является характеристикой линии сверхпроводящего кабеля. Затем диаметр намотки внешнего проводящего слоя может быть получен посредством прибавления толщины проводящего слоя и толщины электроизоляционного слоя к диаметру намотки проводящего слоя. Диаметр намотки внешнего проводящего слоя может быть вычислен заранее, и он может быть введен в систему по настоящему изобретению и может быть использован для вычисления в третьем средстве вычисления корреляций. Или же система по настоящему изобретению может иметь средство вычисления диаметра намотки для вычисления диаметра намотки внешнего проводящего слоя.

Четвертое средство вычисления корреляций вычисляет зависимость между отношением Xg и отношением Ufg используемого количества сверхпроводящего провода во внешнем проводящем слое на единицу длины кабеля. Как и в случае отношения Ufx используемого количества в проводящем слое, отношением Ufg используемого количества является не требуемое количество Sg провода, полученное на основе таких характеристик линии, как допустимая нагрузка по электрическому току и т.д., а значение, полученное с учетом количества провода gu, которое фактически необходимо для того, чтобы сформировать внешний проводящий слой на единице длины кабеля. Способ получения отношения Ufg - это gu/Sg, что идентично случаю отношения Ufx используемого количества. Допустимая нагрузка по электрическому току внешнего проводящего слоя является такой же, как и допустимая нагрузка по электрическому току проводящего слоя.

После этого данные о диаметре намотки и шаге намотки сверхпроводящего провода, которые удовлетворяют заранее заданной величине Cgs радиального сжатия и отношению Ufgs используемого количества сверхпроводящего кабеля, извлекаются посредством второго средства выбора из результатов вычисления третьего средства вычисления корреляций и четвертого средства вычисления корреляций. Заранее заданная величина Cgs радиального сжатия и отношение используемого количества Ufgs могут быть надлежащим образом заданы согласно требованиям, которые предъявляются к сверхпроводящему кабелю. Проведенное таким образом извлечение дает возможность извлекать соответствующий диаметр намотки и шаг намотки после учета величины радиального сжатия, которое сопутствует сжатию внешнего проводящего слоя, и используемого количества сверхпроводящего провода. Число извлеченных данных может быть единичным или множественным.

Предпочтительно, вышеупомянутая система по настоящему изобретению дополнительно включает в себя средство вычисления общего используемого количества и третье средство выбора. Средство вычисления общего используемого количества вычисляет отношение общего используемого количества Utx = (fu+gu/Sf+Sg), которое является отношением между суммарной величиной требуемого количества провода (St=Sf+Sg) и общим используемым количеством (fu+gu), где fu - это используемое количество сверхпроводящего провода в проводящем слое, а gu - это используемое количество сверхпроводящего провода во внешнем проводящем слое; и из данных, извлеченных с помощью первого средства выбора и второго средства выбора. Третье средство выбора извлекает данные, в которых отношение Utx между общим используемым количеством Ut сверхпроводящего провода и требуемым количеством St сверхпроводящего провода, которое соответствует характеристикам линии, равно или меньше заданного значения.

Посредством извлечения данных, в которых отношение Utx общего используемого количества сверхпроводящего провода равно или меньше заданного значения, можно уменьшать в максимально возможной степени количество сверхпроводящего провода, которое в противном случае могло использоваться чрезмерно для технических условий изготовления с излишком. Порогом отношения Utx может быть подходящее значение, выбранное в зависимости от ожидаемого эффекта уменьшения используемого количества сверхпроводящего провода. Следует отметить, что чем в большей степени отношение Utx приближается к 1,0, тем более уменьшенным является используемое количество сверхпроводящего провода.

Кроме того, является предпочтительным предусмотреть четвертое средство выбора для извлечения из данных, извлеченных с помощью первого средства выбора и второго средства выбора, данных, в которых число слоев в проводящем слое и число слоев во внешнем проводящем слое равно или меньше максимального числа H соответственно.

Соответствующее число слоев в проводящем слое и внешнем проводящем слое варьируется в зависимости от диаметра намотки сверхпроводящего провода. В этом случае максимальное число слоев в проводящем слое и максимальное число слоев во внешнем проводящем слое, соответственно, определяется заранее, и данные о диаметре намотки и шаге намотки, при которых число слоев в проводящем слое и число слоев во внешнем проводящем слое будет соответственно становиться меньшим или равным заранее заданному максимальному числу слоев, извлекаются из данных, извлеченных с помощью первого средства выбора и второго средства выбора. Таким образом, можно спроектировать сверхпроводящий кабель, в котором толщина проводящего слоя и внешнего проводящего слоя достаточно мала, чтобы уменьшить внешний диаметр.

Помимо этого, является предпочтительным предусмотреть средство вычисления внешнего диаметра для вычисления внешнего диаметра сверхпроводящего слоя в кабеле, который спроектирован с помощью первого средства выбора и второго средства выбора, а также предусмотреть пятое средство выбора для извлечения из данных, извлеченных с помощью первого средства выбора и второго средства выбора, данных, в которых внешний диаметр внешнего проводящего слоя является минимальным.

Если внешний диаметр внешнего проводящего слоя является меньшим, можно соответствующим образом уменьшить внешний диаметр кабельной жилы, т.е. внешний диаметр самого сверхпроводящего кабеля. Таким образом, с помощью пятого средства выбора может быть спроектирован сверхпроводящий кабель, имеющий меньший внешний диаметр.

Любые из вышеупомянутых третьего средства выбора, четвертого средства выбора и пятого средства выбора могут быть использованы для извлечения данных, либо независимо, либо в сочетании двух и более из них.

Преимущества изобретения

Согласно способу проектирования сверхпроводящего кабеля постоянного тока по настоящему изобретению могут быть получены следующие результаты.

(1) Согласно системе по настоящему изобретению можно выбирать значения диаметра намотки и шага намотки сверхпроводящего провода так, чтобы радиальное сжатие сверхпроводящего провода вследствие охлаждения могло быть такой величиной сжатия, которая может легко поглощаться посредством слоя ослабления механического напряжения, предусмотренного внутри сверхпроводящего слоя.

(2) В то же время можно проектировать сверхпроводящий кабель, в котором сокращено используемое количество сверхпроводящего провода.

(3) Посредством использования третьего средства вычисления корреляций и четвертого средства вычисления корреляций и с помощью использования результатов их вычислений можно извлечь диаметр намотки и шаг намотки, при которых величина радиального сжатия сверхпроводящего провода сделана надлежащей не только в проводящем слое, но также и во внешнем проводящем слое.

(4) Помимо этого, можно проектировать сверхпроводящий кабель таким о