Сверхпроводящая многофазная кабельная система, способ ее изготовления и ее применение

Сверхпроводящая многофазная кабельная система, способ ее изготовления и ее применение

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к кабелям переменного тока или постоянного тока для распределения электроэнергии.

В частности, изобретение относится к сверхпроводящей многофазной кабельной системе с охлаждением текучей средой. Кроме того, изобретение относится к способу изготовления кабельной системы и к ее применению.

Изобретение может, например, быть полезным в таких областях применения, как низко-, средне- и высоковольтные сверхпроводящие кабели для распределения электроэнергии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Триаксиальный

[G. Bogner, Transmission of electrical energy by superconducting cables, in "Superconducting Machines and Devices", Ed. S. Foner and B. Schwartz (Plenum Publishing Co., 1974), pp.430-431] и [T. Tanaka, A. Greenwood, Advanced Power Cable Technology - Volume II: Present and Future, (1983, CRC Press, Boca Raton, FL), pp.242-259] описывают триаксиальный сверхпроводящий кабель с тремя концентрическими фазными проводами. Сверхпроводники нанесены на поверхности каналов охлаждения, подвешенных в вакууме. Средний провод описан как двойной провод, покрывающий обе стороны кольцевого канала охлаждения. Автор указывает на трудность управления распределением тока в двух проводах фазы 2. В этом распределении тока желательно устранить потери на вихревые токи в канале охлаждения внутри фазы 2. Общая тепловая изоляция (криостат) является концентрической по отношению к проводам. Электрическая изоляция достигается с помощью твердых распорных деталей, отражающей фольги и вакуума.

В DE-4340046 описывается триаксиальный кабель переменного тока с тремя концентрическими проводами и общим экраном. Кабель в сборе является концентрическим тепловой изоляции. Имеются концентрические центральные и кольцевые каналы охлаждения. Таким образом достигается однородное охлаждение по всему кабелю. Три фазных провода выполнены из полос BiSrCaCuO в серебряной оболочке. В этих центральных и кольцеобразных концентрических каналах охлаждения может протекать охлаждающая текучая среда в виде жидкого азота. Фазные провода разделены слоем толщиной 10-50 мм из полиэтиленовых (ПЭ) или полипропиленовых полос, которые образуют электрическую изоляцию. Толщина изоляции между третьей фазой и экраном составляет всего лишь 60% от толщины изоляции между проводами двух других фаз. Охлаждающаяся среда движется вперед по центральному каналу охлаждения (50-200 мм ⌀) и возвращается по кольцеобразному кольцевому каналу охлаждения (150-500 мм). Из-за радиального теплообмена между этими двумя потоками дальний конец этого кабеля будет испытывать чрезвычайно сильный разброс колебаний температуры, превышающий разницу температур между прямым и возвратным потоками. Некоторых трудностей можно было бы ожидать и при производстве и транспортировке из-за большого размера и веса криостата с концентрически собранным внутри кабелем. Единичная длина электрических фазных проводов при производстве и прокладке становится ограниченной единичной длиной криостата. Существует техническая сложность достижения центрирования кабеля в сборе в то время, как вокруг узла проводов кабеля изготавливается криостат. Однако стремление к достижению центрального положения возможно существовало потому, что в случае несбалансированности тока центральное положение является причиной уменьшенных потерь на вихревые токи по сравнению с эксцентрическим (внецентровым) положением. При описанной конструкции состоящие из BSCCO провода перегревались бы, если бы подвергались перегрузкам по току, часто происходящим в реальных сетях электроснабжения. Если бы серебряная оболочка была выполнена более толстой, чтобы действовать в качестве стабилизатора, такая конструкция кабеля стала бы непривлекательно дорогой.

Коаксиальный

Sato и др. (IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.7, No. 2, 1997, pp.345-350) описывают 3-фазный ВТСП кабель с использованием материала BSCCO для проводов в параллельной, неконцентрической конфигурации. Каждая фаза содержит каркас, ВТСП-провод, пропитанный жидким азотом (LN₂) PPLP-изолятор и ВТСП-экран с изоляцией. Каждая электрическая фаза имеет свой собственный расположенный по центру канал охлаждения LN₂, а также общий «внешний» канал охлаждения, образованный системой гофрированных труб, составляющей криостат и окружающей 3 отдельных фазы. Эта конструкция предназначена для трехфазных систем переменного тока и требует ВТСП-материала на шестикратную допустимую токовую нагрузку в амперах (номинальный ток) одной фазы (три фазы и три экрана). В случае биполярной системы постоянного тока, употребление «двухфазной» системы потребовало бы ВТСП-материала на четырехкратную допустимую токовую нагрузку одной фазы в амперах (две фазы и два экрана), то есть описанный принцип конструкции требует материала на допустимую токовую нагрузку одной фазы в амперах, умноженную на 2N. Настоящее изобретение требует ВТСП-материалов на допустимую токовую нагрузку одной фазы в амперах, умноженную на от N до N+1, где N является числом фаз. Настоящее изобретение требует всего лишь одного каркаса на N-фазную систему, при этом N<N+1<2N для N>1.

Leghissa и др. (IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.9, No. 2, 1999, pp.406-411) описывают разработку коаксиального 1-фазного ВТСП кабеля модели на 110 кВ/400 МВА. Провода выполнены из многоволоконных BPSCCO лент и электрически изолированы высоковольтной изоляцией из пропитанных LN₂ синтетических лент. Кабель имеет коаксиальный сверхпроводящий экранированный провод. Кабельная жила заключена в гибком криостате, состоящем из гофрированных труб с суперизоляцией, и опирается на дно внутренней части криостата без каких-либо центрирующих приспособлений. Трехфазная система может быть построена из трех таких однофазных коаксиальных кабельных проводов внутри общего криостата или каждый в отдельном криостате. Кабель охлаждается системой с замкнутым циклом

LN₂.

Управление тепловым сжатием

JP-09-134624A раскрывает способ изготовления сверхпроводящего кабеля, в котором проблема управления изменением длины кабеля во время больших изменений температуры (таких как от комнатной температуры до низкой рабочей криогенной температуры или наоборот) решена за счет того, что кабель вводят в тепловую оболочку во время производства и одновременно охлаждают жидким азотом, при этом кабель идет в тепловой оболочке по линейной траектории. Во время последующего возвращения к комнатной температуре кабель ограничен той же самой длиной и имеет возможность расширяться, что приводит в результате к нелинейной (например, извилистой) траектории в тепловой оболочке.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Проблема предшествующего уровня техники состоит в том, что процесс изготовления кабельной системы с охлаждением текучей средой является сложным и требующим больших затрат времени, с большим потреблением материалов и относительно низкой эффективностью во время использования.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы найти пути преодоления одной или более проблем предшествующего уровня техники, обрисованных в общих чертах выше. Еще одна задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить упрощенную схему изготовления и прокладки кабельной системы с охлаждением текучей средой.

Задачи изобретения решаются посредством изобретения, охарактеризованного в прилагаемой формуле изобретения и описанного далее.

Сверхпроводящая многофазная кабельная система

Задача изобретения решается посредством сверхпроводящей многофазной кабельной системы с охлаждением текучей средой, содержащей

a) кабель, содержащий по меньшей мере три электрических провода, составляющих по меньшей мере две электрические фазы и нулевой или нейтральный провод, причем упомянутые электрические провода взаимно электрически изолированы друг от друга, и

b) тепловую изоляцию, задающую центральную продольную ось и имеющую внутреннюю поверхность и окружающую кабель, причем упомянутая внутренняя поверхность упомянутой тепловой изоляции образует радиальный предел камеры охлаждения, предназначенной для удерживания охлаждающей текучей среды для охлаждения упомянутых электрических проводов, при этом упомянутый кабель - на протяжении по меньшей мере части его длины - расположен эксцентрично относительно упомянутой центральной продольной оси, если смотреть в сечении, перпендикулярном упомянутой продольной оси, и при этом эксцентрическое расположение выполняет функцию приспосабливания к тепловым усадке и/или расширению кабеля относительно тепловой изоляции.

В вариантах воплощения изобретения выражение «кабель, содержащий по меньшей мере три электрических провода, составляющих по меньшей мере две электрические фазы и нулевой или нейтральный провод», следует понимать как кабель, имеющий, например, два электрических полюса и нейтраль (для случая постоянного тока) или три электрических фазы и экранирующий/нейтральный/заземляющий провод (для случая трехфазного переменного тока).

В данном тексте термин «расположенный эксцентрично» взят для того, чтобы обозначать неконцентрическое расположение, например, в том значении, что результирующая кабельная система не является круглосимметричной (то есть вид в поперечном сечении кабельной системы переносится сам в себя только вращением на 360 градусов вокруг центральной продольной оси трубчатой тепловой изоляции). Другими словами, центральная ось тела, образованного электрическими проводами в пределах трубчатой тепловой изоляции (и их взаимной электрической изоляцией и возможными «внутренними» камерами/каналами охлаждения, вместе называемыми «кабелем»), не совпадает с центральной продольной осью трубчатой тепловой изоляции. В любом данном поперечном сечении эксцентриситет тела относительно другого тела (здесь - кабеля относительно внутренней или внешней поверхности тепловой оболочки) определяется как расстояние между центрами тел по отношению к радиусу наибольшего тела (в предположении по существу круглых поперечных сечений; в ином случае эксцентриситет может быть определен по отношению к характеристическому (например, наибольшему или наименьшему) размеру в поперечном сечении).

В одном варианте воплощения кабель расположен эксцентрично относительно центральной продольной оси по существу по всей своей длине. В одном варианте воплощения эксцентриситет изменяется по длине кабельной системы. Альтернативно, эксцентриситет может быть по существу постоянным по длине кабельной системы или секции кабельной системы.

В одном варианте воплощения внутренняя поверхность тепловой изоляции (криостата) гибко подвижна относительно внешней поверхности тепловой изоляции (криостата). В одном варианте воплощения внутренняя поверхность тепловой изоляции имеет нелинейную траекторию, такую как извилистая траектория, по длине кабельной системы. Этот вариант обладает тем преимуществом, что кабель может еще лучше использовать пространство криостата в случае его сжатия при некриогенных температурах (например, комнатной температуре), см., например, ФИГ. 11c.

Предпочтительно, эксцентриситет кабеля (имеющего наружный диаметр D_out,cable) относительно внутренней поверхности тепловой изоляции (т.е. внутренней стенки криостата, имеющей D_in,cryo), определенный как 1-(D_out,cable/D_in,cryo)

(т.е. 2·Δ_ex/D_in,cryo, см. ниже), составляет в диапазоне от 1% до 20%, таком как от 5 до 15%. Предпочтительно, эксцентриситет кабеля относительно внешней поверхности тепловой изоляция (т.е. внешней стенки криостата, имеющей наружный диаметр D_out,cryo), составляет в диапазоне от 1% до 50%, таком как от 10% до 45%, таком как от 20% до 30%.

В одном варианте воплощения эксцентриситет кабеля в любом данном поперечном сечении может быть разным при различных температурах кабеля.

В одном варианте воплощения сверхпроводящая многофазная кабельная система с охлаждением текучей средой содержит

a) кабель, содержащий по меньшей мере три электрических провода, составляющих по меньшей мере две электрические фазы и нулевой или нейтральный провод, причем упомянутые электрические провода взаимно электрически изолированы друг от друга, по меньшей мере некоторые из упомянутых электрических проводов расположены концентрически друг вокруг друга разделенными электрической изоляцией, упомянутый нулевой или нейтральный провод образует общий электрический обратный провод, упомянутая кабельная система содержит общий электрический экран, окружающий упомянутые электрические фазы и упомянутый нулевой или нейтральный провод и электрически изолированный от них, и

b) тепловую изоляцию, задающую центральную продольную ось и имеющую внутреннюю поверхность и окружающую кабель, причем упомянутая внутренняя поверхность упомянутой тепловой изоляции образует радиальный предел камеры охлаждения, предназначенной для удерживания охлаждающей текучей среды для охлаждения упомянутых электрических проводов,

при этом упомянутый кабель - на протяжении по меньшей мере части его длины - расположен эксцентрично относительно упомянутой центральной продольной оси, если смотреть в сечении, перпендикулярном упомянутой продольной оси, и при этом эксцентрическое расположение выполняет функцию приспосабливания к тепловым усадке и/или расширению кабеля относительно тепловой изоляции, при котором Δ_ex является средним расстоянием средней линии кабеля до средней линии тепловой изоляции и является связанным с продольным тепловым сжатием ε_L кабеля следующим образом:

средняя линия кабеля по существу описывает винтовую линию внутри криостата, причем L_p является длиной шага этой винтовой линии.

Преимущество эксцентрично расположенной концентрической многофазной кабельной системы (например, триаксиальной) по сравнению с эксцентрично расположенной копараллельной (например, триадной) системой состоит в том, что возможен больший диаметр каркаса и фазы (для того же самого внутреннего диаметра тепловой оболочки), что приводит к меньшим магнитным полям и, таким образом, к более высоким критическим токам и, следовательно, к более низким потерям на переменном токе, опять же обеспечивая использование меньшего количества материалов и более энергетически эффективную кабельную систему.

Легкость сборки

Преимущество наличия неконцентрического расположения, например, в форме «отдельного» кабеля с проводами и «отдельной» (в типичном случае - трубчатой) тепловой изоляции (например, трубы с вакуумной изоляцией, криостата), состоит в том, что эти два «индивидуальных элемента» могут быть изготовлены параллельно и объединены простым путем по сравнению с концентрическим строением, когда на «кабеле» должны быть установлены распорные детали прежде, чем вокруг него будет изготовлена трубчатая тепловая изоляция (например, труба с вакуумной изоляцией). Отсутствие центрирующих распорных приспособлений облегчает прокладку узла проводов кабеля внутри криостата посредством, например, втягивания, вталкивания или вдувания кабельного провода в тепловую изоляцию или нанизывания секций криостата поверх кабельного провода. Таким образом, неконцентрическое решение обладает потенциалом для того, чтобы быть экономически выгодным, логистически гибким и для того, чтобы экономить производственные время и затраты.

Уменьшение сопротивления течению

Эксцентриситет расположения кабеля относительно тепловой оболочки дополнительно имеет то преимущество, что вызывает уменьшение сопротивления течению по сравнению с коаксиальным случаем (см., например, Frank M. White in "Viscous Fluid Flow", McGraw-Hill, p.127 (включая ФИГ. 3-8)).

Необязательные кабели и оснастка

Он имеет дальнейшее преимущество обеспечения увеличенного места в пределах тепловой оболочки для одного или более необязательных других кабелей или конструктивных элементов, например, в целях контроля или связи.

Тепловое сжатие

Кроме того, эксцентриситет дает механизм для компенсации теплового сжатия провода в продольном направлении кабеля в комбинации с уже частично встроенной компенсацией теплового сжатия провода.

Надежность

Надежность и применимость сверхпроводящей кабельной системы в сети электроснабжения зависит от времени ремонта кабельной системы в случае отказа. Самая частая причина отказа в кабельных системах - это повреждение под действием внешних факторов, таких как работы по выемке грунта. Поэтому существует вероятность того, что теплоизолирующий криостат будет поврежден. Так как вакуумная изоляция является самой эффективной тепловой изоляцией, является вполне вероятным, что в случае повреждения вакуум должен быть восстановлен в кабеле посредством откачивания. Время откачивания является более продолжительным для более длинных расстояний, подлежащих откачиванию. В длинные криостаты возможно ввести многочисленные места подсоединения к насосам. В этом изобретении, однако, число функционально объединенных криостатов является большим, чем число отрезков кабеля. Таким образом, длина криостата, в которой должен быть восстановлен вакуум в случае отказа, уменьшается до половины длины узла проводов кабеля или еще короче. Таким образом, время откачивания и, тем самым, время ремонта могут быть сокращены. Кроме того, может быть сокращено количество насосных станций. В одном варианте воплощения изобретения узел проводов кабеля длиннее, чем 1 км, число секций криостата больше десяти, а число мест подсоединения к насосам и насосных станций во время ремонта после повреждения при земляных работах равно одному. Это приводит в результате к более надежной кабельной системе с более высокой пригодностью для потребителя.

Подробное описание изобретения

Определения

В данном контексте термины «узел проводов кабеля» или просто «кабель» используются для обозначения части кабельной системы, содержащей электрические провода и соответствующую электрическую изоляцию между смежными электрическими проводами (и, необязательно, относящиеся к ним дополнительные слои). Таким образом, кабельная система согласно изобретению содержит «кабель» в вышеупомянутом смысле и окружающую этот кабель тепловую изоляцию, причем кабель расположен эксцентрично относительно центральной продольной оси тепловой изоляции (на протяжении по меньшей мере части своей продольной протяженности).

Термины «низко-, средне- и высоковольтный» взяты в данном контексте для того, чтобы обозначать соответственно напряжение от 24 В до 6 кВ, от 10 кВ до 30 кВ и от 50 кВ и выше. Кабельная система согласно настоящему изобретению является подходящей для распределения напряжений в киловольтном режиме, например, напряжений в диапазоне от 5 кВ до 50 кВ или свыше 50 кВ, таких как свыше 60 кВ, таких как свыше 100 кВ.

В данном контексте термин «многофазный» взят для того, чтобы обозначать более чем одну электрическую фазу, например, две или три или более электрических фаз.

Термины «криогенная оболочка», «тепловая оболочка» и «тепловая изоляция» используются взаимозаменяемо для обозначения конструктивных элементов, окружающих электрические провода и соответствующую их электрическую изоляцию и защитные слои (кабеля) и образующих камеру охлаждения, предназначенную для удерживания охлаждающей текучей среды для охлаждения упомянутых электрических проводов.

В одном варианте воплощения кабель, образованный электрическими проводами (и их электрической изоляцией и возможными «внутренними» камерами/каналами охлаждения), расположен в пределах трубчатой тепловой изоляции, имеющей физический контакт с внутренней поверхностью трубчатой тепловой изоляции, по меньшей мере, на протяжении частей своей длины в направлении, определяемом продольной осью тепловой изоляции.

Термин «продольное направление» кабельной системы согласно изобретению взят для того, чтобы обозначать намеченное направление передачи электроэнергии кабельной системой, например, определяемое осью окружающей кабель тепловой изоляции.

Термины «триаксиальная» и «триадная» конфигурации используются в настоящей заявке для обозначения конфигураций кабелей, содержащих три электрические фазы соответственно в концентрическом расположении (триаксиальная, см. 801 на ФИГ. 8a) и в конфигурации пирамиды (триадная: _O ^O _O, см. ФИГ. 8b).

Определение эксцентриситета

Термин «эксцентрический» по отношению к расположению частей в любом данном поперечном сечении объекта взят для того, чтобы обозначать «расположенный в любом другом месте, кроме как в геометрическом центре объекта». То есть «кабель», располагаемый эксцентрично относительно «тепловой изоляции», означает, что геометрический центр «кабеля» не совпадает с геометрическим центром тепловой изоляции.

Термин «эксцентриситет» в данном контексте взят для того, чтобы обозначать расстояние между, соответственно, центрами внешней или внутренней стенки трубчатой тепловой изоляции и кабеля по отношению к наибольшему внутреннему радиальному размеру (т.е. от центра до стенки) трубчатой тепловой изоляции (например, ее радиуса, если она внутри круглая) в поперечном сечении, перпендикулярном продольному направлению.

ФИГ. 8 показывает высоковольтную кабельную систему с охлаждением текучей средой согласно изобретению, причем ФИГ. 8a - в конфигурации 3 концентрически расположенных фаз с общим электрическим экраном, а ФИГ. 8b - в конфигурации трех расположенных бок о бок фаз с общим электрическим экраном.

ФИГ. 8 иллюстрирует размерные параметры кабельной системы 800 согласно изобретению. Центры 840, 841 кабеля 801 и тепловой оболочки 816 соответственно обозначены символами «x» (здесь центры определяются как геометрические центры внешних пределов соответственно кабеля и тепловой оболочки). Расстояние между их центрами обозначено Δ_ex. Показаны наружный диаметр d_cab кабеля 801 и внутренний диаметр d_ce тепловой оболочки 816. Показаны внутренняя 8161 и внешняя 8162 стенки тепловой оболочки 816. В данном контексте эксцентриситет кабельной системы определяется как отношение межцентрового расстояния Δ_ex к внутреннему радиусу d_ce/2 тепловой оболочки. Таким образом, эксцентриситет E_x может быть выражен как E_x=2·Δ_ex/d_ce.

Тепловое сжатие

Одно из назначений эксцентрической конструкции кабеля состоит в том, чтобы приспособиться к тепловому сжатию узла проводов кабеля при охлаждении. Этого частично достигают в данном изобретении, вводя избыточную длину кабеля по отношению к тепловой изоляции в теплой (комнатной температуры, КТ) кабельной системе. Эта избыточная длина кабеля при КТ подбирается таким образом, чтобы при охлаждении кабеля до его рабочей температуры кабель и криостат имели подобные длины, не превышая соответствующих их механических ограничений. В этом примере избыточные длины количественно определяют согласно различным подходам.

Способность вмещать некоторую избыточную длину была вычислена для следующих случаев:

1) провод кабеля, совершающий волнообразные смещения подобно синусоиде внутри прямой внутренней стенки криостата;

2) провод, проходящий по эксцентрической винтовой линии внутри прямой внутренней стенки криостата;

3) кабель и внутренняя стенка криостата, вместе совершающие волнообразные смещения в виде синусоид внутри прямой внешней стенки криостата;

4) провод и внутренняя стенка криостата, вместе проходящие по винтовым линиям внутри прямой внешней стенки криостата;

5) внешняя стенка криостата, совершающая волнообразные смещения подобно синусоиде вплоть до 90°-ых сгибов по внутренней стенке криостата, и кабель, принимающий крайние эксцентрические положения на внешних и внутренних сгибах.

Вычисления были выполнены для кабельной системы с узлом проводов кабеля, имеющим наружный диаметр (НД) 65 мм, и тепловой оболочкой (криостатом), имеющей(им) внутренний диаметр (ВД) 84 мм и наружный диаметр 150 мм.

Вычисления выполняли, используя программное обеспечение по работе с электронными таблицами Excel от Microsoft, США. Длина пути синусоиды, P, была оценена по приближению

где

и

L_p представляет собой длину шага или длину периода синусоиды, а Δ_ex представляет собой амплитуду синусоиды. Длина винтовой линии была вычислена как

В нижеследующем приведены примеры этих вычислений.

1. Реализация в случае триаксиального кабеля переменного тока на 3 кА (среднеквадратичное значение) может напоминать случай №4 (винтовые линии) в комбинации со случаем №5 (сгибы). При этом потребуется, чтобы кабельный провод выгибался до эксцентриситета E_x 12-17%, соответствующего Δ_ex в примерно 18-25 мм, с длиной шага, L_p, от 1,5 м до 3 м. Приспособление к тепловому сжатию будет обеспечиваться лучше в том случае, если внешний криостат также согнется в нескольких положениях. Это может также помочь проводу кабеля выгибаться. Однако это может увеличить прикладываемые к кабелю силы вталкивания во время установки в криостат.

2. Способность приспосабливаться к тепловому расширению требует зазора между ВД внутреннего криостата и НД кабеля порядка ~20 мм при поддержании подвижности внутреннего криостата внутри внешнего криостата на ~20-25 мм. Таким образом, эксцентриситет кабеля может составлять вплоть до E_x=30%, соответствующего Δ_ex=(20+25)/2=22,5 мм.

В одном конкретном варианте воплощения кабель имеет физический контакт с упомянутой внутренней поверхностью упомянутой тепловой изоляции на протяжении по меньшей мере части его длины, определяемой по упомянутому продольному направлению. Этот вариант обладает преимуществом отсутствия потребности в распорных деталях.

В одном конкретном варианте воплощения кабель имеет физический контакт с упомянутой внутренней поверхностью упомянутой тепловой изоляции в положении, определенном силой тяжести и механическими ограничениями, такими как изгиб и тепловое сжатие. Этот вариант обладает преимуществом исключения потребности в распорных деталях, обеспечивая возможность отдельной сборки криостата и провода/кабеля. Более того, этот вариант делает возможным отчасти приспосабливание к тепловому сжатию провода.

В конкретном варианте воплощения эксцентриситет расположения кабеля относительно центральной продольной оси трубчатой тепловой изоляции на протяжении по меньшей мере части его длины, предпочтительно - на протяжении большей части его длины, является большим, чем 5%, таким как больший, чем 10%, таким как больший, чем 20%, таким как больший, чем 35%. Фактически выбранный эксцентриситет для какой-либо данной конструкции кабеля представляет собой компромисс между размером в поперечном сечении и необходимой тепловой компенсацией. Чем более эксцентрический, тем больше применимая избыточная длина, но также и, в типичном случае, тем больше поперечное сечение тепловой оболочки и, таким образом, тем больше расход материалов.

В одном конкретном варианте воплощения перемещение узла проводов кабеля от одного эксцентрического положения к другому эксцентрическому положению компенсирует тепловое сжатие и расширение, испытываемое во время охлаждения и нагревания кабеля или вызванное чрезмерным током или током повреждения. Этот вариант обладает тем преимуществом, что нет потребности в дополнительных контурах компенсации или других мерах предосторожности на концах, таких как усиленные механические крепежные приспособления или ролики для того, чтобы обеспечить возможность компенсирующего перемещения концов.

Радиальное сжатие

Узел проводов кабеля согласно данному изобретению может быть построен так, чтобы уменьшить его продольное тепловое сжатие по сравнению со свойствами, присущими материалам сверхпроводящих элементов и нормально проводящих элементов. Электроизолирующие слои могут быть намотаны свободно под большим углом подъема винтовой линии (40-90 град.) так, чтобы радиальное тепловое сжатие при охлаждении стало большим, например, 1-5% при охлаждении от температуры окружающей среды до 70 K. Дальнейшее повышение радиального сжатия может быть достигнуто с помощью гибкого слоя под диэлектрическим слоем. Этот гибкий слой может быть выполнен из пористого полимерного материала или из широких (5-20 мм) гибких металлических или полимерных лент, которые обладают пружинящим действием. Такое большое радиальное сжатие позволяет приспосабливаться к части продольного сжатия или ко всему продольному сжатию металла и сверхпроводящих лент в кабеле, которое могло бы, например, составлять 0,25%, 0,3% или 0,4%. Это уменьшает продольное сжатие кабеля, например, до 0,25%, 0,2%, 0,1% или 0%. Большое радиальное тепловое сжатие может также быть достигнуто отчасти за счет направления волокон в диэлектрических лентах. Например, армированный волокнами полимер может быть почти нейтральным по продольному сжатию и характеризоваться большим радиальным сжатием, если его волокна параллельны с осью кабеля. Таким образом, часть теплового сжатия конструктивных элементов узла проводов кабеля поглощается за счет радиального сжатия, а остающееся продольное тепловое сжатие поглощается путем перемещения узла проводов от одного эксцентрического положения ко второму эксцентрическому положению.

Количественно определенный эксцентриситет

В одном варианте воплощения эксцентриситет кабеля относительно центральной продольной оси трубчатой тепловой изоляции является большим, чем 5%, таким как больший, чем 10%, таким как больший, чем 15%, таким как больший, чем 20%, таким как больший чем 30%.

В предпочтительном варианте воплощения этого изобретения межцентровое расстояние Δ_ex связано с остаточным продольным тепловым сжатием ε_L кабеля следующим образом:

где Δ_ex представляет собой среднее расстояние средней линии кабеля до средней линии внешнего криостата. Средняя линия кабеля описывает винтовую линию внутри криостата, причем L_p представляет собой длину шага этой винтовой линии.

В одном варианте воплощения Δ_ex связано с радиусом изгиба кабеля следующим образом:

где R_bend представляет собой наименьший радиус изгиба, при котором сохраняются свойства кабеля, определенные, например, путем испытаний на изгиб. Результатом этого является то, что внутренняя рубашка криостата (внутренняя поверхность тепловой оболочки) не налагает никаких ограничений на извивание кабеля, но при этом и то, что внешняя рубашка (внешняя поверхность тепловой оболочки) - и в особенности извивание и изгибы внешней рубашки - эксплуатируется по максимуму или в достаточной мере для того, чтобы приспособиться к ожидаемому тепловому сжатию при охлаждении кабеля.

Понятие «наименьший радиус изгиба, при котором сохраняются свойства кабеля, определенные, например, путем испытаний на изгиб» взято в данном контексте для того, чтобы обозначать минимальный радиус изгиба, при котором кабель сохраняет свои основные свойства, такие как критический ток I_c,max (критерии 1 мкВ/м I_c, включая то, что значительно не изменяются свойства охлаждения тепловой оболочки и т.п.), на по меньшей мере 90%, например - на по меньшей мере 95%, после того, как кабель был подвергнут некоему данному испытанию на изгиб (такому как, например, критерии 1 мкВ/м I_c после 20 изгибов вокруг заданного минимального радиуса изгиба, R_min), так что сохраняются высоковольтные характеристики согласно стандартам Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) или Международной конференции по большим электрическим системам высокого напряжения (CIGRE).

В одном варианте воплощения кабельная система построена так, чтобы межцентровое расстояние Δ_ex удовлетворяло обоим требованиям

В одном варианте воплощения

L_p=nL_s, n>1,

где L_s представляет собой наибольшую длину шага скрутки сверхпроводящих лент или проволок в кабеле, а n представляет собой целое число.

Параметр n выбирают большим, чем 1, таким как равный 2 или, что более предпочтительно, равный 3. В таблице представлены возможные примеры по изобретению.

Таблица
№примера	Ls [м]	n	Lp [м]	εL	Rbend [м]	Min[мм]	Δex [мм]	Max [мм]	НДcryo [м]	Ex [%]
1	0,3	2	0,6	0,002	1,5	6,04	6,07	6,10	0,10	6,1
2	0,4	2,5	1	0,0025	1,2	11,26	14,67	21,49	0,12	12,2
3	0,3	3	0,9	0,003	1,7	11,10	11,63	12,16	0,15	7,8
4	0,4	3,5	1,4	0,0025	2	15,77	18,11	25,14	0,16	11,3
5	0,5	4	2	0,003	1,4	24,67	32,05	76,32	0,14	22,9

Преимущество такого варианта воплощения изобретения состоит, во-первых, в том, что эксцентриситет кабеля может приспосабливаться к продольному тепловому сжатию, ε_L, кабеля от температуры окружающей среды до рабочей температуры, составляющей, например, 4 K, 9 K, 30 K, 50 K, 70 K или 100 K. Во время охлаждения или нагревания кабель меняется с эксцентрично размещенной винтовой линии с длиной шага L_p на винтовую линию с длиной шага L>L_p или на эксцентрично размещенную прямую линию. Во-вторых, узел проводов кабеля никогда не сгибается до радиуса, меньшего, чем допустимый радиус изгиба. В-третьих, ленты ВТСП с длиной шага вплоть до L_s в состоянии скользить внутри конструкции, обеспечивая возможность образования необходимой винтовой линии без ухудшения их сверхпроводящих свойств.

Концентрические фазы - экономия материалов

В одном конкретном варианте воплощения нулевой или нейтральный провод образует общий электрический обратный провод. Этот вариант обладает преимуществом обеспечения экономии материалов по сравнению с тремя индивидуальными нейтралями/экранами (случай переменного тока). В одном конкретном варианте воплощения нулевой или нейтральный провод расположен концентрически вокруг по меньшей мере одной из электрических фаз.

В одном конкретном варианте воплощения по меньшей мере некоторые, например, все, из упомянутых электрических проводов расположены концентрически друг вокруг друга разделенными электрической изоляцией. Этот вариант обладает преимуществом легкости/простоты производства, обеспечивающих основу для быстрого и дешевого производства.

В одном конкретном варианте воплощения число электрических фаз равно трем. Триаксиальная концепция трех сверхпроводящих коаксиальных проводов более благоприятна во многих отношениях по сравнению с однофазными сверхпроводящими кабелями и сверхпроводящими кабелями с триадной конфигурацией благодаря следующим особенностям:

1) меньше использование материалов;

2) меньше криогенные потери (по сравнению с единственными фазами);

3) способствует эксцентрической конфигурации при более низком сопротивлении течению без повышенных потерь на вихревые токи, поскольку электромагнитно нейтрален (также и в местном масштабе, в отличие от триады);

4) способствует комбинированной компенсации осевого теплового сжатия эксцентриситетом (+избыточной длиной) и присущему материалам/радиальному приспособлению к тепловому сжатию;

5) триаксиальная концепция обеспечивает возможность гибкого приспосабливания к запросам потребителей, легкость и динамичность производства, гибкость по материалам и концепцию с функцией соответствия форме для различных строений лент ВТСП.

Сверхпроводящий материал

Сверхпроводящий материал, используемый для электрических проводов и, необязательно, для электрического экрана, может быть материалом любого соответствующего типа, оптимизированным для рассматриваемого применения (относительно потерь, эксплуатационных режимов и стоимости) во время сооружения. В одном конкретном варианте воплощения по меньшей мере один из упомянутых элект