Патент на изобретение №2387036

(54) СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ МНОГОФАЗНАЯ КАБЕЛЬНАЯ СИСТЕМА, СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ

(57) Реферат:

Изобретение относится к сверхпроводящей многофазной кабельной системе с охлаждением текучей средой, содержащей: а) кабель с, по меньшей мере, тремя электрическими проводами, составляющими, по меньшей мере, две электрических 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. Изобретение также относится к способу изготовления кабельной системы и к ее применению. Обеспечение упрощенной схемы изготовления и прокладки кабельной системы с охлаждением текучей средой, ее надежность, а также сокращение времени ремонта, в случае отказа, является техническим результатом изобретения. Эта задача решена за счет того, что упомянутый кабель – на протяжении, по меньшей мере, части его длины расположен эксцентрично относительно упомянутой центральной продольной оси с приспособлением к тепловой усадке и расширению кабеля относительно тепловой изоляции. 3 н. и 44 з.п. ф-лы, 1 табл., 17 ил.

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 N1.+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_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 _ex является средним расстоянием средней линии кабеля до средней линии тепловой изоляции и является связанным с продольным тепловым сжатием _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 _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 _ex к внутреннему радиусу d_ce/2 тепловой оболочки. Таким образом, эксцентриситет E_x может быть выражен как E_x=2_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 _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 _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 _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 _ex связано с остаточным продольным тепловым сжатием _L кабеля следующим образом:

где _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 _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 _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]	L	Rbend [м]	Min [мм]	ex [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, _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 электрических проводов содержит сверхпроводящий материал, выбранный из группы из материала, содержащего BSCCO (BiSrCaCuO₃), например, легированного свинцом BSCCO, YBCO (оксида иттрия-бария-меди), RE-BCO (оксида редкоземельного элемента-бария-меди), MgB₂, Nb3Sn, Nb3Ti и их сочетаний. Этот вариант обладает преимуществом использования известных, хорошо проверенных и общепризнанных продуктов, характерной особенностью которых является, в частности, наличие сверхпроводимости. Конечно, выгодно использовать ВТСП-материалы, которые являются сверхпроводящими при температурах, вплоть до превышающих точку кипения азота.

Каркас

В одном конкретном варианте воплощения концентрически расположенные электрические провода окружают объем, который расположен по центру относительно упомянутых концентрически расположенных проводов. Этот вариант обладает тем преимуществом, что является простым решением, позволяющим использовать центральную полость для охлаждения, тепловой инерции, диагностики и других средств передачи информации и физического транспорта.

В одном конкретном варианте воплощения расположенный по центру объем используется в качестве канала охлаждения, в котором протекает охлаждающая текучая среда.

В одном конкретном варианте воплощения кабель содержит центральный каркас в форме спирали, трубки, гофрированной трубки или взаимосцепленной трубки, выполненный из металла, пластмассовых или композиционных материалов. Этот вариант обладает преимуществом обеспечения физического носителя для наматывания/построения остальной части кабеля. Он также обеспечивает определяющую размеры основу проводов. Он может необязательно использоваться для охлаждения. Он может обеспечить полость/возможность для дополнительного введения диагностических средств, средств передачи информации или материалов.

Низкие потери на переменном токе

В одном конкретном варианте воплощения сверхпроводящий материал присутствует в форме лент или проволок, расположенных в таком порядке и под такими углами подъема винтовой линии, чтобы дать низкие электрические потери и повышенную термостойкость на переменном или переходном токах за счет оптимизации числа сверхпроводящих лент и распределения тока в сверхпроводящих слоях. Этот вариант обладает преимуществом обеспечения гибкости продукта (в определенной степени облегчается заказ конструкции). Это дополнительно облегчает использование других шагов намотки и, в частности, переменного количества слоев/лент. Можно влиять на – оптимизировать другие параметры, такие как большая или меньшая токонесущая способность, большая или меньшая защита от тока повреждения, низкое или высокое напряжение, переменный или постоянный ток.

В одном конкретном варианте воплощения каждый электрический фазный провод состоит из одного или нескольких слоев сверхпроводящих лент, причем эти слои подразделены на одну или более групп в каждой фазе, и каждая группа содержит один или несколько слоев лент с тем же самым направлением подъема винтовой линии (обозначенным «S» или «Z», где Z относится к «правой» намотке, а S – к «левой» намотке). Во всех первых группах каждой электрической фазы слои имеют одно и то же направление подъема винтовой линии.

В первом примере каждый фазный провод в кабеле состоит из трех слоев сверхпроводящих лент. Первые два слоя в каждом фазном проводе образуют группу с одним и тем же направлением подъема винтовой линии, «S». Третий слой в каждом фазном проводе имеет направление подъема винтовой линии «Z». Этот вариант обладает преимуществом снижения осевых магнитных полей в центре кабеля. Это уменьшает потери на вихревые токи в любых металлических частях кабеля, а это уменьшает импеданс кабеля.

Во втором примере каждый фазный провод в кабеле состоит из двух слоев сверхпроводящих лент. Первая группа лент в каждой фазе состоит из одного слоя с направлением подъема винтовой линии «Z». Вторая группа лент в каждом фазном проводе также состоит из единственного слоя, но с направлением подъема винтовой линии «S». Этот вариант обладает преимуществом создания более равномерного распределения тока между этими двумя группами в каждой фазе.

В одном конкретном варианте воплощения у по меньшей мере одного из электрических фазных проводов последняя группа сверхпроводящих лент или проволок имеет противоположное первой группе направление подъема винтовой линии. Этот вариант обладает преимуществом создания более равномерного распределения тока между двумя группами в этой фазе.

В одном конкретном варианте воплощения каждый электрический провод в двухфазном кабеле постоянного тока содержит два сверхпроводящих слоя лент или проволок. Последовательностью направлений подъема винтовой линии является SZ-SZ. Этот вариант обладает преимуществом создания однородного распределения тока между слоями во время выбросов тока, переходных процессов, таких как токи повреждения или быстрые нарастания тока в кабеле постоянного тока. Это приводит в результате к уменьшенным переходным потерям и повышенной термостойкости кабеля постоянного тока.

В одном конкретном варианте воплощения каждый электрический провод в трехфазном триаксиальном кабеле переменного тока содержит два сверхпроводящих слоя, причем последовательностью направлений подъема винтовой линии является SZ-SZ-SZ. Этот вариант обладает преимуществом уменьшения потерь на переменном токе в кабеле за счет улучшения распределения тока между различными сверхпроводящими слоями.

Защита от чрезмерного тока

В случае короткого замыкания в электрической сети в ней могут протекать очень большие токи во много кА. Если сверхпроводник в сверхпроводящем силовом кабеле подвергается воздействию таких больших токов, которые значительно превышают его критический ток, свойство сверхпроводимости и, таким образом, передача тока фактически без потерь в кабеле теряются. Весь этот ток (или большая его часть) теперь должен переноситься в поперечном сечении остального металла силового кабеля, которое может быть довольно маленьким, намного меньшим, чем в обычных кабелях. Поэтому может произойти быстрый нагрев, потенциально приводя к повреждению.

Есть несколько путей для того, чтобы справиться с этой проблемой. Один путь состоит в том, чтобы просто увеличить поперечное сечение нормального проводника. Это можно сделать, увеличивая отношение нормального проводника к сверхпроводнику в сверхпроводящей ленте, которая сама по себе является композитом. Это, однако, требует модификации конструкции ленты, что может не оказаться возможным без значительных усилий или желательным по различным причинам. Другое решение этой проблемы состоит в том, чтобы ввести в кабель дополнительный нормальный проводник (в типичном случае – медь), который нес бы ток в случае потери сверхпроводником свойств сверхпроводимости. Однако трудность заключается в том, чтобы поместить медь таким образом, что в нормальном режиме работы ток в кабеле течет почти без потерь в сверхпроводнике, в то время как в режиме перегрузки по току, ток должен переместиться в нормальный проводник. В то же самое время, потери, вызванные вихревыми токами в нормальном проводнике, должны быть минимизированы. Одно решение состоит, например, в помещении нормального проводника в форме медной оплетки в центр однофазного сверхпроводящего силового кабеля. В нормальном режиме работы ток протекает в сверхпроводнике из-за его более низкого сопротивления и более низкой индуктивности. В случае чрезмерного тока сопротивление в сверхпроводнике сильно увеличивается, и ток перемещается в медную оплетку. Однако в многофазном сверхпроводящем кабеле, описанном в данном изобретении, это решение является невозможным для всех фаз из-за его геометрии. Размещение меди в центре возможно только для центральной фазы, в то время как для других фаз должен быть расположен дополнительный нормальный проводник при их соответствующих уровнях напряжения.

В данном изобретении дополнительные слои, содержащие нормальный проводник (или дополнительный сверхпроводник), могут быть введены в каждую фазу многофазного силового кабеля для защиты от чрезмерного тока. Токами в слоях управляют за счет намотки всех слоев по специальной схеме так, чтобы при нормальном режиме работы ток тек в определенных слоях (которые содержат сверхпроводник), но не в других (в типичном случае содержащих нормальный проводник). Намотка слоев по специальной схеме управляет само- и взаимоиндукциями слоев и их сопротивлениями так, что наведенные токи в тех слоях, где никакие токи не желательны, подавляли бы себя до нуля или уменьшали бы себя до приемлемых значений. Возможным путем, помимо сбалансированности тангенциальных и осевых компонент, также является минимизация местных магнитных полей. В случае чрезмерного тока увеличившееся сопротивление в сверхпроводнике заставляет ток перемещаться в нормально проводящие слои.

Задача состоит в том, чтобы спроектировать распределение тока по слоям в многофазном кабеле, содержащем дополнительные слои нормального проводника (в типичном случае – меди или алюминия) для защиты от чрезмерного тока. При нормальной работе как можно больше тока должно течь в слоях, содержащих сверхпроводник, в то время как в случае короткого замыкания ток должен переходить в слои меди с нормальной проводимостью.

В случае трехфазного кабеля переменного тока принципы проектирования могут быть подытожены следующим образом:

внутренняя фаза находится под влиянием совокупного осевого (но не тангенциального) поля, созданного средней и внешней фазой. Если такого осевого поля нет, то влияние внешней и средней фазы на внутреннюю минимально. С другой стороны, внешняя фаза будет находиться под влиянием только тангенциального поля, созданного средней и внутренней фазами. Средняя фаза испытывает воздействие как тангенциального поля от внутренней фазы, так и, возможно, осевого поля от внешней фазы.

Осевое поле, которое создает некая фаза, может быть минимизировано в том случае, если содержащие сверхпроводник токонесущие слои имеют примерно равный шаг намотки, но намотаны в противоположном направлении. Конечный результат заключается в том, что отсутствует или имеется лишь очень маленькое осевое магнитное поле в центре, куда могут быть помещены нормально проводящие слои для внутренней фазы. Это приводит к отсутствию наведенных токов в этих самых внутренних медных слоях, практически независимо от того, каким фактически является их шаг намотки (и поперечное сечение). Аналог можно провести для внешних слоев – за исключением того, что в этом случае им является тангенциальное поле, которое равно нулю или близко к нулю (для уравновешенных токов 3 фаз), позволяя размещать там нормальные слои для внешней фазы. В средней фазе S нулевое или маленькое магнитное поле может быть создано только в ее центре за счет обеспечения возможности полному току экранирования (180-градусное смещение от фазы к фазе T или R соответственно) протекать в каждом токонесущем слое, непосредственно примыкающем к соответствующим фазам, создавая пространство без поля или почти без поля в середине фазы S. Однако это требует увеличенного количества сверхпроводящего материала в Фазе S, вплоть до удвоенной номинальной токовой нагрузки фазы в амперах.

Также возможно найти решение, при котором нормально проводящие слои помещены в положениях, где есть магнитное поле, но где наведенные напряжения уравновешиваются, так что в нормально проводящих слои протекает очень небольшой ток. При таком уравновешенном решении в некоторых слоях генерируется очень небольшой ток, даже если они содержат сверхпроводники (R=нулю). Одно такое решение было найдено. При таком решении, показанном на Фиг.3, два нормально проводящих слоя S-фазы (позиция 213′) помещены соответственно на внутренней стороне и на внешней стороне двух сверхпроводящих слоев (позиция 213). Нормально проводящие слои в средней фазе подвергаются воздействию маленького осевого поля, обусловленного фазой R, и тангенциального поля, обусловленного суммой токов в фазах S и T. Таким образом, эти два поля сдвинуты по фазе на 180 градусов, а значит просто являются противоположными по знаку. Внутренний нормально проводящий слой фазы S подвергается воздействию тангенциального поля от фазы T и суммарного осевого поля от фаз S и R. Опять же, эти два поля сдвинуты по фазе на 180 градусов. Чтобы получить наименьшую величину тока в нормальных проводниках, шаги их намотки должны быть таким, чтобы напряжение, наведенное тангенциальным магнитным потоком, компенсировалось напряжением, наведенным осевым полем. Более короткий шаг в нормально проводящих слоях приводит к меньшему току в этих нормально проводящих слоях из-за лучшей компенсации напряжений, наведенных осевым и тангенциальным полями.

Предпочтительные варианты воплощения включают:

четное число слоев на фазу и для нормально проводящего, и для сверхпроводящего слоев;

размещение нормально проводящих слоев самыми внешними для внешней фазы;

размещение нормально проводящих слоев самыми внутренними для внутренней фазы;

размещение нормально проводящих слоев на каждой стороне (внутри и снаружи) средней фазы;

чередование сверхпроводящих и нормально проводящих слоев для внутренней и внешней фаз;

+- схема для токонесущих слоев во всех фазах вместе с примерно равной длиной шага для токонесущих слоев в каждой фазе (низкое осевое поле).

В одном конкретном варианте воплощения изобретения по меньшей мере один из электрических проводов находится в тепловом и/или электрическом контакте со слоем защитного электропроводящего шунтирующего материала, например, в форме лент или проволок, содержащих Cu или Al. Этот вариант обладает преимуществом облегчения внедрения заданного номинального тока повреждения в конструкции кабеля/провода.

В одном конкретном варианте воплощения электропроводящий шунтирующий материал находится в тепловом и электрическом контакте с полупроводящим подстилающим материалом и/или со сверхпроводящими лентами, расположенными распределенными в по меньшей мере одном из слоев сверхпроводящих лент. Этот вариант обладает преимуществом обеспечения гибкости в производстве и по материалам, обеспечивает функцию соответствия форме и защиту сверхпроводящего материала от токов повреждения. В одном конкретном варианте воплощения электропроводящий шунтирующий материал находится в тепловом и электрическом контакте с полупроводящим подстилающим материалом и/или со сверхпроводящими лентами, расположенными в одном или нескольких слоях, отдельных от слоев сверхпроводящих лент. Этот вариант обладает преимуществом минимизации возможного рассеяния вихревых токов. Форма лент шунтирующего слоя или «наезды» в шунтирующем слое тем самым оказывают меньшее влияние на слой ВТСП и наоборот. Далее он обеспечивает тепловую инерцию в случае рассеяния мощности тока повреждения.

В одном конкретном варианте воплощения по меньшей мере один из электрических проводов находится в тепловом и/или электрическом контакте с полупроводящим материалом, например, в форме подстилающей ленты. Этот вариант обладает преимуществом обеспечения тепловой инерции с тем, чтобы поглотить рассеянную мощность в случае тока повреждения.

В одном конкретном варианте воплощения сверхпроводящие ленты или проволоки и упомянутые проводящие шунтирующие ленты или проволоки расположены в таком порядке и под такими углами подъема винтовой линии, чтобы дать низкие электрические потери на переменных или переходных токах за счет оптимизации числа сверхпроводящих лент или проволок и распределения тока в сверхпроводящих слоях и за счет минимизации доли номинального тока в проводящих шунтирующих слоях, при этом предусматривается, что в случае тока повреждения проводящие шунтирующие слои действуют как защитные шунты. Этот вариант обладает преимуществом исключения потребности в специальным образом сконструированных лентах ВТСП со встроенной защитой шунтами. При этом обеспечивается большая гибкость в выборе материалов и производства и способность приспособиться к запросам потребителей.

Механическое усиление

В одном конкретном варианте воплощения по меньшей мере один из электрических проводов усилен механически упрочняющими компонентами, содержащими стальные сплавы, бронзу, медные сплавы, элементы на основе углеродного волокна или элементы на основе полиимида. Этот вариант обладает преимуществом улучшения надежности провода, в результате чего необходимо меньше беспокоиться об осторожности в обращении. Кроме того, кабель можно втягивать в каналы с большими длинами.

Диэлектрик

Твердый диэлектрик

В одном конкретном варианте воплощения электрическая изоляция между электрическими проводами и между электрическими проводами и электрическим экраном выполнена из полимеров, таких как PPLP, ПЭ, полипропилен, бумага, включая синтетическую бумагу, нанесенных экструзией или посредством наложения полос.

В конкретных вариантах воплощения электрический(е) изолятор(ы) и/или электрический(е) провод(а) объединены с механически упрочняющими средствами, такими как волокна или ленты.

Толщина

Толщину изоляции (а в случае полос – толщину и число полос), изолирующую текучую среду и рабочее давление выбирают согласно желательным свойствам изоляции (основной уровень электрической прочности изоляции, BIL, проверенный посредством импульсных напряжений, номинального напряжения, проверенный посредством постоянного или переменных напряжений с течением времени).

Диэлектрическая текучая среда

В одном конкретном варианте воплощения электрическая изоляция содержит электроизолирующий элемент в виде находящейся под давлением текучей среды, такой как жидкий азот, газообразный азот, гелий, неон, водород, кислород или их сочетания. Этот вариант обладает преимуществом обеспечения высокой диэлектрической прочности и поэтому компактной системы электрической изоляции и увеличенной теплопроводности по сравнению с вакуумом или газами низкого давления.

Напорная мембраны/напорная труба

В одном конкретном варианте воплощения электроизолирующая текучая среда является отдельной от охлаждающей текучей среды, циркулирующей внутри тепловой изоляции, окружающей кабель. Этот вариант обладает тем преимуществом, что делает возможным сохранять различие в давлении, температуре и/или расходе изоляционных текучей среды/газа. Таким образом, возможно поддерживать пропитку изоляции незагрязненной/чистой, при этом имея хладагент с более низкой степенью чистоты. В некоторых публикациях предложено охлаждать водородом для того, чтобы использовать транспортируемый водород в качестве распределяемого топлива, но и в этом случае все еще целесообразно сохранять азот или гелий в качестве пропитывающего изоляцию вещества.

В одном конкретном варианте воплощения изолирующая текучая среда отделена от охлаждающей среды посредством напорной мембраны, которая препятствует попаданию охлаждающей среды в электрическую изоляцию. Эта напорная мембрана может быть непроницаемым контейнером повышенного давления, выполненным из металла или искусственного материала, или же она может представлять собой проницаемый слой в кабеле, например, один или несколько слоев подстилающих лент, подверженных действию внутреннего давления в кабеле, которое выше, чем внешнее давление. В качестве примера, изоляционная текучая среда может быть чистым N₂ или чистым He, в то время как охлаждающая текучая среда представляет собой газообразный He или локально вводимый жидкий воздух или смесь твердое/жидкое, содержащую частицы, имеющие, например, относительно большую теплоемкость.

В одном конкретном варианте воплощения центральная часть кабеля полностью или частично используются для того, чтобы сообщить внутреннее избыточное давление электроизолирующей текучей среде. Другими словами, центральная часть кабеля не используется для транспортировки охлаждающей текучей среды. Этот вариант обладает преимуществом защиты криостата от избыточного давления.

В одном конкретном варианте воплощения электроизолирующая текучая среда идентична охлаждающей текучей среде. В одном варианте воплощения электроизолирующую текучую среду и охлаждающую текучую среду поддерживают при сходном давлении, например, среду в виде жидкого N₂. В одном конкретном варианте воплощения общие электроизолирующая текучая среда и охлаждающая текучая среда имеют повышенную чистоту (по сравнению с ситуацией двух отдельных текучих сред), посредством чего минимизировано проводящее или диэлектрическое загрязнение.

Закрытый каркас

В одном конкретном варианте воплощения расположенный по центру охлаждающий объем закрыт на каждом конце с формированием теплового резервуара. Этот вариант обладает тем преимуществом, что требуется минимальное беспокойство о чистоте (уже отсортированной), поскольку в случае с закрытым объемом нет никакого материального обмена с внешним окружением. Дальнейшее преимущество заключается в локальном сглаживании градиента температуры из-за слабой осевой конвекции.

Электрический экран

Al, Cu или SC

В одном конкретном варианте воплощения общий электрический экран содержит Cu, Al или другой обычный проводник или сверхпроводящий (SC) материал, или комбинацию упомянутых материалов. Этот вариант обладает преимуществом обеспечения гибкости в выборе материалов и в производстве.

Механическое усиление

В одном конкретном варианте воплощения электрический экран содержит Al или Cu, необязательно содержащие полупроводящий материал и/или сверхпроводящий материал и/или высокопрочные материалы механического усиления, например, в виде различных сортов стали, различных сортов никеля, бронзы, латуней, углеродных или кевларовых волокон или высокопрочных композиционных лент. Этот вариант обладает преимуществом обеспечения более прочного усиления, более надежного кабеля и потенциально менее чувствительного к обращению, а также обеспечивая, что через криостат/канал можно протянуть относительно более длинный отрезок провода.

Слой с низким коэффициентом трения

В одном конкретном варианте воплощения электрический экран снабжен компонентом с низким коэффициентом трения. В одном варианте воплощения, например, каждая n-ая лента/проволока электрического экрана снабжена покрытием с низким коэффициентом трения или заменена лентой с низким коэффициентом трения большего размера [в направлении толщины/радиальном направлении], чем проводящая лента/проволока [так что материал с низким коэффициентом трения (например, Тефлон от DuPont, полипропилен, нейлон или полиэтилен) имеет физический контакт с внутренностью тепловой оболочки]. Этот вариант обладает преимуществом облегчения введения кабеля в тепловую оболочку.

В одном конкретном варианте воплощения электрический экран имеет покрытие или один или несколько нанесенных отдельных слоев из материала с низким коэффициентом трения для того, чтобы облегчить введение «кабеля» в тепловую оболочку, по существу без увеличения массы кабельной системы. Материал с низким коэффициентом трения выполнен из широких лент с большой прочностью натяжения. Каждая лента содержит несколько волокнистых компонентов, так что разрыв или износ одного волокнистого компонента не приведет к разрыву всей ленты в целом. Лента с низким коэффициентом трения может быть изготовлена из переплетенного нейлона или полипропилена или полиацетата, из оплетки из многочисленных тефлоновых ниток или из смесей этих материалов. Число лент с низким коэффициентом трения является меньшим, чем число проводящих элементов в экране, например, 4, 3 или 2 или 1. В одном варианте воплощения лента или слой с низким коэффициентом трения имеет коэффициент трения <0,25 о внутреннюю поверхность тепловой оболочки, такой как коэффициент трения в диапазоне от 0,14 до 0,22.

Способ изготовления сверхпроводящей однофазной или многофазной кабельной системы

Однофазная или многофазная

Задача изобретения также решается посредством способа изготовления сверхпроводящей однофазной или многофазной кабельной системы, содержащего стадии:

a) обеспечение по меньшей мере двух электрических проводов в виде по меньшей мере одной электрической фазы и нулевого или нейтрального провода;

b) обеспечение того, что упомянутые электрические провода взаимно электрически изолированы друг от друга;

c) обеспечение тепловой изоляции, окружающей электрические провода, причем упомянутая трубчатая тепловая изоляция задает центральную продольную ось;

d) обеспечение того, что внутренняя поверхность упомянутой трубчатой тепловой изоляции образует радиальный предел камеры охлаждения, предназначенной для удерживания охлаждающей текучей среды для охлаждения упомянутых электрических проводов; и

е) обеспечение того, что упомянутые по меньшей мере одна электрическая фаза и нулевой или нейтральный провод расположены эксцентрично относительно упомянутой центральной продольной оси. Этот способ обладает теми же самыми преимуществами, что и описанная выше кабельная система.

В одном варианте воплощения внутренняя поверхность трубчатой тепловой изоляции является гибкой и подвижной относительно внешней поверхности тепловой изоляции.

В одном варианте воплощения многофазная кабельная система предусмотрена так, что на стадии a) обеспечивают по меньшей мере три электрических провода в виде по меньшей мере двух электрических фаз и нулевого или нейтрального провода. В одном варианте воплощения на стадии a) обеспечивают по меньшей мере четыре электрических провода в виде по меньшей мере трех электрических фаз и нулевого или нейтрального провода.

Эксцентриситет и тепловое сжатие

В одном конкретном варианте воплощения способ дополнительно содержит стадию e) обеспечения решения проблемы различия в тепловом сжатии между криостатом и проводом за счет избыточной длины провода, которой содействует эксцентриситет в сочетании со «встроенной» частично радиальной адаптацией к осевому сжатию.

В одном варианте воплощения эксцентрическое расположение кабеля приспособлено для того, чтобы скомпенсировать тепловое сжатие и расширение (например, порядка±0,2-0,3%), испытываемые во время охлаждения и нагревания кабеля или вызванные чрезмерным током или током повреждения.

В одном варианте воплощения эксцентрическое расположение кабеля в комбинации с радиальной адаптацией (1-2%) обеспечивает компенсацию продольного теплового сжатия и расширения (например, порядка±0,2-0,3%), испытываемых во время охлаждения и нагревания кабеля или вызванных чрезмерным током или током повреждения.

Тяни, охлади, создай давление, толкай

В одном варианте воплощения способ содержит по меньшей мере две из следующих стадий после того, как были обеспечены отдельные узлы кабеля и тепловой оболочки:

S1. прикладывают напряжение растяжения к тепловой оболочке, тем самым растягивая ее в продольном ее направлении на 0,05-0,5%;

S2. охлаждают кабель до температуры охлаждающей текучей среды, тем самым вызывая сжатие кабеля на 0,05-0,5%;

S3. создают давление внутри тепловой оболочки до 0,5-40 бар избыточного давления, тем самым заставляя внутреннюю стенку криостата удлиниться;

S4. вынуждают тепловую оболочку извиваться или сгибаться во многих местах вдоль ее длины, таких как каждые 1,5 м или каждые 3 м или каждые 10 м;

S5. вталкивают кабель в тепловую оболочку, используя усилие 0,1-10 кН;

S6. прикрепляют концы кабеля к концам тепловой оболочки;

S7. впоследствии сбрасывают давление из тепловой оболочки;

S8. впоследствии снимают напряжение растяжения на тепловой оболочке;

S9. впоследствии дают кабелю возможность нагреться, из-за чего кабель расширяется в своем продольном направлении;

S10. прекращают вталкивание кабеля в тепловую оболочку.

С помощью этих технологических стадий или любой комбинации двух или более из перечисленных технологических стадий кабель заставляют волнообразно смещаться (извиваться, изгибаться периодически назад и вперед) внутри тепловой оболочки на многочисленных изгибах, например, вдоль синусоидоподобной кривой или по кривой винтовой линии. При вталкивании провода это будет приводить, в зависимости от жесткости/гибкости и ограниченности внутренними стенками криостата и подвижностью внутренних стенок криостата относительно внешних стенок криостата, к накапливанию избыточной длины провода относительно длины криостата. Число изгибов/извивов может быть усреднено до определенного числа на единицу длины в зависимости от характеристик материала/провода, например, 1000 на км, 700 на км, 500 на км или 300 на км. Далее, извиванием можно управлять, чтобы соответствовать форме спирали через пространство криостата, если придать небольшое скручивание при процедуре вталкивания.

В одном варианте воплощения способ содержит стадии S1, S6, S8. Этот вариант обладает преимуществом/результатом гарантирования того, что кабель не только вынужден извиваться в пределах внутренней стенки криостата, но и использовать тот факт, что кабель также в состоянии вынудить внутренний криостат извиваться и/или соответствовать самой длинной или достаточно длинной траектории для того, чтобы обеспечить компенсацию ожидаемого теплового сжатия.

В одном варианте воплощения способ содержит стадии S2, S6, S8. Этот вариант обладает преимуществом/результатом гарантирования, что кабель не только вынужден извиваться в пределах внутренней стенки криостата, но и использовать тот факт, что кабель дополнительно в состоянии вынудить внутренний криостат извиваться и/или соответствовать самой длинной или достаточно длинной траектории для того, чтобы обеспечить компенсацию ожидаемого теплового сжатия.

В одном варианте воплощения обеспечивают эксцентриситет кабеля относительно внутренней поверхности тепловой изоляции (то есть внутренней стенки криостата), составляющий в диапазоне от 1% до 20%, такой как от 5 до 15%. В одном варианте воплощения обеспечивают эксцентриситет кабеля относительно внешней поверхности тепловой изоляции (то есть внешней стенки криостата), составляющий в диапазоне от 1% до 50%, такой как от 10% до 45%, такой как от 20% до 30%.

Отдельное изготовление

В одном варианте воплощения электрические провода, взаимная электрическая изоляция и возможные промежуточные каналы или камеры охлаждения (называемые кабелем) выполнены с возможностью изготовления отдельно от тепловой изоляции, необязательно – параллельно с тепловой изоляцией. Этот вариант обладает тем преимуществом, что две части кабельной системы могут быть изготовлены в различных местах и/или в одни и те же или различные моменты времени и/или различными производителями. Параллельная работа над узлом проводов кабеля и над криостатом уменьшает время выполнения заказа и складские расходы.

В одном варианте воплощения кабель и трубчатую тепловую изоляцию собирают на отдельной стадии изготовления. Отдельная транспортировка узла проводов и криостата позволяет делать более длинными единичные отрезки узла проводов кабеля, например, длиннее чем или равные 500 м, такие как длиннее чем или равные 1000 м или такие как длиннее чем или равные 2000 м, в результате чего в кабельной системе необходимо меньше стыков. Это уменьшает стоимость и увеличивает надежность кабельной системы.

Стандартизированные, модульные части

Далее, одна из частей (например, трубчатая тепловая изоляция) может быть стандартизированной, модульной частью, в то время как другая является частью, изготавливаемой на заказ.

В одном конкретном варианте воплощения тепловую изоляцию обеспечивают секциями стандартизированных длин, таких как 3 м или 6 м, или 12 м, или 20 м, или 50 м, или 100 м, или 200 м. В одном варианте воплощения единичная длина тепловой изоляции является отличающейся от единичной длины кабеля, например, меньшей. В одном варианте воплощения кабель и тепловую изоляцию изготавливают отдельными секциями длиной L_cab и L_TE соответственно, причем L_cab является большей, чем L_TE. В одном варианте воплощения два или более стандартизированных отрезка тепловых изоляций собирают с одним отрезком кабеля единичной длины. Этот вариант обладает преимуществом обеспечения гибкой схемы процесса изготовления, выгодно используя стандартизированное или полустандартизированное производство основных частей кабельной системы. Это также открывает перспективы для совместной работы конгломерата производителей, предлагающих на продажу части или целые системы. В одном варианте воплощения L_cab является по существу равной nL_TE, где n является большим, чем 1, таким как большим, чем 2, таким как большим, чем 4, таким как большим, чем 7, таким как большим, чем 10, таким как большим, чем 100.

В одном конкретном варианте воплощения тепловую изоляцию обеспечивают в виде смешанного набора гибких, жестких прямых и жестких изогнутых секций, или секций, которые являются частично жесткими и частично гибкими. Этот вариант обладает преимуществом улучшения гибкости по отношению к требованиям заказчика и по отношению к производителям тепловой изоляции и в определенной степени обеспечивает независимость конструкции провода.

Применение сверхпроводящей многофазной кабельной системы

Кроме того, настоящим изобретением предлагается применение сверхпроводящей многофазной кабельной системы, описанной выше и охарактеризованной в формуле изобретения или изготовленной способом, описанным выше и охарактеризованным в формуле изобретения. Таким образом гарантируется, что потребитель снабжается более компактной и менее дорогостоящей кабельной системой, чем было бы возможно в ином случае. Повышенная надежность будет результатом способности выдерживать многократные тепловые циклы и случаи возникновения чрезмерного тока. Повышенная гибкость является результатом способности переключать систему с работы на переменном токе на работу на постоянном токе.

В одном конкретном варианте воплощения многофазная кабельная система применяется в качестве кабельной системы постоянного тока. Этот вариант обладает тем преимуществом, что позволяет использовать конфигурацию [+,-,0], которая вместе с преобразовательными подстанциями может иметь общую нейтраль с соседней с ней системой переменного тока.

В одном конкретном варианте воплощения конфигурация фаз представляет собой [+,-,0]. Этот вариант обладает тем преимуществом, что «земля» и «0» имеют небольшую разность потенциалов, за счет чего улучшается безопасность.

В одном конкретном варианте воплощения конфигурация фаз представляет собой [+, -, нейтраль, 0]. Этот вариант обладает тем преимуществом, что «0» может быть заземлен.

В одном конкретном варианте воплощения многофазная кабельная система применяется в качестве кабельной системы переменного тока. Этот вариант обладает всеми выгодами сниженной массы, простого и гибкого производства, компактности, самых низких материальных затрат и т.д.

В конкретных вариантах воплощения многофазная кабельная система применяется в качестве триаксиального кабеля переменного тока с такими конфигурациями фаз, как [R, S, T] или [S, R, T], и т.д.

В одном конкретном варианте воплощения многофазная кабельная система может применяться в качестве либо кабельной системы переменного тока, либо кабельной системы постоянного тока без каких-либо изменений в конструкции кабеля. Этот вариант обладает преимуществом рационального производства, то есть отсутствие изменений каких-либо параметров для двух различных заказов. Это также имеет то преимущество, что позволяет оператору электрической системы переключаться с переменного тока на постоянный ток после того, как сверхпроводящая линия электропередачи была проложена.

В одном конкретном варианте воплощения многофазная кабельная система может применяться для передачи электричества одновременно на переменном токе и постоянном токе, причем эти две частоты выделяются на каждом конце кабельной системы с использованием преобразователей переменного тока в постоянный ток и трансформаторов. Этот вариант обладает преимуществом гибкого и эффективного использования оператором электрической системы после того, как сверхпроводящая линия электропередачи была проложена.

Дальнейшие задачи изобретения решаются с помощью вариантов воплощения, охарактеризованных в зависимых пунктах формулы изобретения и в подробном описании изобретения.

Нужно подчеркнуть, что термин «содержит/содержащий», будучи использованным в этом описании, означает указание на присутствие указанных признаков, элементов, стадий или компонентов, но не исключает присутствия или добавления одного или более других указанных признаков, элементов, стадий, компонентов или их групп.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение будет объяснено более полно ниже в связи с предпочтительным вариантом воплощения и со ссылками на чертежи, на которых:

ФИГ. 1 показывает вид в поперечном сечении триаксиальной кабельной системы постоянного тока согласно изобретению в конфигурации [+,-,0, экран];

ФИГ. 2 иллюстрирует вид в поперечном сечении триаксиальной кабельной системы постоянного тока согласно изобретению в конфигурации [-,0,+, экран];

ФИГ. 3 показывает детализированный вид в поперечном сечении слоев кабеля для триаксиальной кабельной системы постоянного тока по ФИГ. 2;

ФИГ. 4 показывает вид в поперечном сечении триаксиальной кабельной системы переменного тока согласно изобретению в конфигурации [R, T, S, экран];

ФИГ. 5 показывает вид в поперечном сечении триаксиальной кабельной системы переменного тока согласно изобретению в конфигурации [R, S, T, экран];

ФИГ. 6 показывает детализированный вид в поперечном сечении слоев кабеля для триаксиальной кабельной системы переменного тока по ФИГ. 5;

ФИГ. 7 схематично иллюстрирует вид в перспективе кабельной системы согласно изобретению, в которой кабель извивается внутри тепловой оболочки в продольном направлении кабельной системы;

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

ФИГ. 9 показывает способ изготовления кабельной системы согласно изобретению, причем ФИГ. 9a-9c являются видами в поперечном сечении соответственно тепловой изоляции, кабеля и собранной кабельной системы;

ФИГ. 10 схематично показывает виды в сечении тепловой оболочки или криостата, причем ФИГ. 10a показывает поперечное сечение, а ФИГ. 10b – продольное сечение, где внутренняя стенка криостата изогнута, представляя ситуацию во время установки; и

ФИГ. 11 схематично иллюстрирует технологические стадии, на которых вводят более длинный отрезок узла проводов кабеля в многочисленные секции функционально объединенных тепловых оболочек. Дополнительная длина достигнута путем охлаждения провода кабеля, путем натяжения в концах тепловой оболочки, путем вталкивания провода кабеля в тепловую оболочку и путем приложения давления внутри внутренней стенки криостата.

Фигуры являются схематическими и упрощены для ясности, и при этом они показывают лишь те подробности, которые являются существенными для понимания изобретения, в то время как прочие подробности опущены. Вообще, одинаковые ссылочные позиции используются для идентичных или соответствующих частей, за исключением предыдущей цифры, обозначающей номер той фигуры, где показан рассматриваемый признак (например, тепловая или криогенная оболочка упоминается как 116 на ФИГ. 1, как 216 на ФИГ. 2 и т.д.).

ВАРИАНТ(Ы) ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пример 1: кабель постоянного тока

Предпочтительные варианты воплощения триаксиальной кабельной системы постоянного тока показаны на ФИГ. 1 и ФИГ. 2. ФИГ. 1 показывает вид в поперечном сечении триаксиальной кабельной системы постоянного тока согласно изобретению в конфигурации [+,-,0, экран], тогда как ФИГ. 2 показывает вид в поперечном сечении триаксиальной кабельной системы постоянного тока согласно изобретению в конфигурации [-,0,+, экран]. ФИГ. 3 показывает детализированный вид в поперечном сечении слоев кабеля для триаксиальной кабельной системы постоянного тока по ФИГ. 2.

Эти два примера демонстрируют сходные строения кабеля, но с по-разному расположенными полюсами +,-,0 плюс экран. Другое возможное строение состоит в наличии только +,0, экрана или +,-, экрана в комбинации с нейтралью. Могут быть предусмотрены и другие комбинации, имеющие даже больше полюсов с различными напряжениями постоянного тока, например ±10 кВ, ±20 кВ, ±30 кВ , 0 и экран.

В показанных вариантах воплощения внешний диаметр кабеля в поперечном сечении (d_cab на ФИГ. 1 и ФИГ. 2) составляет 70 мм (2,75 дюйма), а внутренний диаметр тепловой или криогенной оболочки в поперечном сечении d_ce составляет 100 мм (3,9 дюйма). Относительные взаимные размеры на виде в поперечном сечении вычерчены не в масштабе.

Далее обратимся к ФИГ. 1, 2 и 3, указывая ссылочные позиции «1xy; 2xy» соответственно с ФИГ. 1 и 2 (1xy относится к деталям на ФИГ. 1, а 2xy относится к эквивалентным деталям на ФИГ. 2, в то время как ФИГ. 3 является детализированным видом частей с ФИГ. 2 и, следовательно, содержит ссылочные позиции 2xy). Кабельная система 100; 200 состоит из многополюсного или многофазного кабеля 101; 201, помещенного в криогенную оболочку 116; 216. Полная кабельная система 100; 200 содержит каркас 111; 211, электрическую изоляцию 112; 212, токонесущие слои 113; 213, нейтральный слой 114; 214, экран 115; 215, криогенную оболочку 116; 216, хладагент 117; 217, необязательные полость или наполнитель 118; 218, необязательные диагностические средства 119; 219.

Каркас

Каркас 111; 211 может быть выполнен из единственного материала или комбинации, например, металла, такого как нержавеющая сталь, или полимера, но не ограничен ими. Каркас может быть выполнен в форме спирали, взаимосцепленной конфигурации, гладкой трубки, гофрированной трубки, но не ограничен этими формами. Каркас может также быть построен путем комбинирования различного числа слоев упомянутых ранее материалов или структур.

Электрическая изоляция

Электрическая изоляция 112; 212, размещенная между концентрически расположенными электропроводящими слоями 113; 213, 114; 214 и 115; 215, может быть реализована намоткой лентовидной изоляции, например, Cryoflex или бумаги, в слоистую изоляцию (например, перекрывающуюся PPLP) и, например, дальнейшей пропиткой ее пропитывающим веществом, например, LN₂ (жидким азотом). Альтернативно, изоляция может быть реализована с помощью процесса экструзии, создающего сплошную изоляцию. Альтернативно, между индивидуальными электрическими проводами вместо слоя изоляции определенной толщины могла бы использоваться вакуумная изоляция. На детализированном виде по ФИГ. 3 электроизолирующие слои 212 показаны необязательно дополнительно содержащими слои 212′. Каждый электроизолирующий слой 212 (обозначенный как «c» на ФИГ. 3) преимущественно обрамляется на стороне напряжения и на стороне заземления сглаживающим поле полупроводящим слоем 212′. Этот слой может, например, состоять из, но не ограничиваясь перечисленным, полупроводящего Nomex (DuPont), например, насыщенного углеродом Nomex, или нейлона или экструдированного слоя полупроводника.

Сверхпроводник

Токонесущие слои 113; 213 в типичном случае состоят из лент или проволок ВТСП (из BSCCO (например, (Bi, Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x (Bi-2223)), YBCO («оксид иттрия-бария-меди», например, YBa₂Cu₃O₇) или других высокотемпературных сверхпроводников). В данном контексте аббревиатура «ВТСП» замещает термин «высокотемпературный сверхпроводник» и обозначает сверхпроводящие материалы, имеющие температуры перехода свыше 30 K. Во многих случаях является выгодным, чтобы слои ВТСП были электрически защищены шунтом, который мог бы быть выполнен из Cu или Al, но не ограничен этими материалами. Это проиллюстрировано на детализированном виде по ФИГ. 3, где необязательные слои 213′ Cu (обозначенные как «а» на ФИГ. 3) указаны между (1) токонесущими слоями из ВТСП-материала 213 (обозначенными как «b» на ФИГ. 3) и (2) электроизолирующими слоями 212 (обозначенными как «c» на ФИГ. 3) и/или каркасом 211. В настоящее время поперечное сечение лент ВТСП составляет 0,25 мм × 4 мм (t×w). Независимо от лент ВТСП, медные шунтирующие ленты имеют подобный размер. Форма и размеры лент ВТСП и медных шунтирующих лент не ограничены представленными числовыми значениями. Необязательный(е) медный(е) слой(и) 213′ для защиты сверхпроводящего материала от тока повреждения может(могут) также выполнять функцию механического усиления. Слои ВТСП могут быть построены путем наложения, например, в общей сложности 60 лент в два слоя, используя, например, ленты от American Superconductor (I_c=120 A) (AMSC, г.Вестборо, шт.Массачусетс, 01581, США) или ленты с подобными характеристиками от EAS (European Advanced Superconductors Gmbh & Co. KG, Hanau, Германия), InnoST (Innova Superconductor Technology Co., Ltd., Пекин, Китай) или Sumitomo Electric Industries Co. (SEI, Япония). Это число лент дает общий критический ток I_c слоя в примерно 7 кА, что соответствует I_c (среднеквадратичное значение) примерно 5 кА (среднеквадратичное значение).

Нейтраль

Нейтральный провод 114; 214 может быть реализован лентами/проволоками ВТСП, но может быть более экономным образом выполнен из лент и проволок из Cu или Al, но не ограничен этими материалами. Полное поперечное сечение шунта может быть приспособлено к местным требованиям по защите от тока повреждения. Примером мог бы служить пиковый ток 50 кА и среднеквадратичный ток нагрузки 20 кА в течение 0,25 с. Для достаточной защиты тогда следовало было бы иметь поперечное сечение шунта в примерно 60-100 мм², например, Cu.

Экран/Заземление

Экран 115; 215 необязательно обеспечивает различные функции, такие как электрическое экранирование, электрическая нейтраль, электрическое заземление, механическое усиление, защита от тока повреждения и средство уменьшения сопротивления течению хладагента.

Экран 115; 215 может быть построен при использовании лент ВТСП, но более экономичным образом реализован с помощью Cu или Al, но не ограничен упомянутыми материалами. Экран действует как защита для персонала и может необязательно быть заземлен. Экран может также быть выполнен по размеру таким, чтобы действовать как запасной шунт в случае короткого замыкания «фазы» на землю.

Тепловая оболочка

Криогенная оболочка 116; 216 может быть образована в виде жесткой секции, как поставляемая, например, Cryotherm GmbH & Co. KG (Kirchen, Германия), или гибкими секциями, как поставляемые, например, Nexans Deutschland Industries GmbH & Co. KG (Kabelkamp, Ганновер, Германия), однако не ограничивается этими поставщиками или конфигурациями. Один вариант тепловой оболочки может также быть основан на полиуретановой (ПУ) пене или материале-аэрогеле при давлении окружающей среды или под частичным вакуумом.

Хладагент и текучая среда-диэлектрик

Хладагент 117; 217 в данном варианте воплощения представляет собой в типичном случае LN₂, но не ограничен этим. Им может быть любой агент или газ, который является вязким при криогенных температурах, например, жидкий He, газообразный азот, неон, водород, кислород или их комбинации.

Центральная часть 118; 218 кабеля 101; 201 (т.е. внутреннее пространство трубчатого каркаса 111; 211) открыта для использования по самым разным назначениям. Она может быть заполнена наполнителем без какой-либо другой функции помимо придания жесткости и усиления проводов и электрической изоляции. Она может остаться пустой для того, чтобы быть заполненной хладагентом, который в этом случае можно прокачивать под давлением через центр. Наполнитель может, например, быть полимером или находящимся под давлением LN₂. Еще одним возможным назначением является наличие параллельного канала охлаждения, который можно добавить к увеличенной длине прокачивания/охлаждения. Кроме того, внутреннее пространство может быть оборудовано диагностическими средствами 119; 219.

Диагностические средства

Диагностические средства 119; 219, например, в форме диагностического кабеля, например, оптического волокна того типа, которое контролирует температуру вдоль всей длины или части длины кабельной системы (например, распределенные измерения температуры, основанные на оптическом обратном рассеянии). Другой возможный вариант состоит в том, чтобы разместить равноудаленные (но не ограниченные равноудаленными) дискретные датчики для контроля температуры, давления и/или течения, и т.д.

Защитный слой

Защитный и, возможно, механически усиливающий внешний слой 120; 220 может быть реализован с поверхностью с низким коэффициентом трения для того, чтобы облегчить введение провода в криогенную оболочку, если провод (как возможно в данном случае), произведен независимо от криогенной оболочки.

Пример 2: кабель переменного тока

Предпочтительные варианты воплощения трехфазной кабельной системы переменного тока показаны на ФИГ. 4 и 5. ФИГ. 4 показывает вид в поперечном сечении триаксиальной кабельной системы переменного тока согласно изобретению в конфигурации [R, T, S, экран]. ФИГ. 5 показывает вид в поперечном сечении триаксиальной кабельной системы переменного тока согласно изобретению в конфигурации [R, S, T, экран]. ФИГ. 6 показывает детализированный вид в поперечном сечении слоев кабеля для триаксиальной кабельной системы переменного тока по ФИГ. 5.

Далее обратимся к ФИГ. 4, 5 и 6, указывая ссылочные позиции «4xy; 5xy» соответственно с ФИГ. 4 и 5 (4xy относится к деталям на ФИГ. 4, а 5xy относится к эквивалентным деталям на ФИГ. 5, в то время как ФИГ. 6 является детализированным видом частей с ФИГ. 5 и, следовательно, содержит ссылочные позиции 5xy).

Два примера по ФИГ. 4 и 5 демонстрируют сходные строения кабеля, но с по-другому переставленными фазами R, S, T и R, T, S соответственно.

Кабель 401; 501 состоит из многополюсного или многофазного провода, размещенного в криогенной оболочке 416; 516. Полная кабельная система 400; 500 содержит каркас 411; 511, электрическую изоляцию 412; 512, токонесущие слои 413; 513, экран 415; 515, необязательно объединенный с нейтральным слоем, криогенную оболочку 416; 516, хладагент 417; 517, полость или наполнитель 418; 518, диагностические средства 419; 519.

Признаки 4xy, 5xy вариантов воплощения кабельной системы переменного тока соответствуют подобным признакам 1xy, 2xy вариантов воплощения кабельной системы постоянного тока, описанным в Примере 1. Те же самые характеристики, что и описанные в Примере 1 для элементов кабельной системы постоянного тока, в целом действительны и для соответствующих элементов кабельной системы переменного тока (например, характеристики каркаса 111, 211 кабельных систем постоянного тока идентичны характеристикам каркаса 411, 511 кабельных систем переменного тока). В основном, именно это и является одним из выгодных признаков «многофазной концепции», что эта система может без каких-либо изменений в конструкции использоваться и для переменного тока и для постоянного тока.

Диэлектрик

Электрическая изоляция 412; 512 может быть реализована намоткой лентовидной изоляции, например, Cryoflex, в слоистую изоляцию и пропиткой ее хладагентом, например, LN₂, или необязательно – другим агентом. Далее изоляция может быть реализована с помощью процесса экструзии, создающего сплошную изоляцию. На детализированном виде по ФИГ. 6 электроизолирующий слой 512 (обозначенный как «c» на ФИГ. 6) предпочтительно обрамляется на стороне напряжения и на стороне заземления сглаживающим поле полупроводящим слоем 512′. Этот слой может, например, состоять из полупроводящего Nomex или нейлона или металлизированного Cryoflex или экструдированного слоя полупроводника.

Защита от чрезмерного тока

На детализированном виде по ФИГ. 6 необязательные слои 513′ из Cu (обозначенные как «а» на ФИГ. 6) указаны между (1) токонесущими слоями ВТСП-материала 513 (обозначенными как «b» на ФИГ. 6) и (2) электроизолирующими слоями 512 (обозначенными как «c» на ФИГ. 6) и/или каркасом 511.

На детализированном виде по ФИГ. 6 токонесущие слои/фазы 513 (обозначенные как «b» на ФИГ. 6) из лент/проволок ВТСП объединены с необязательным шунтирующим слоем 513′, содержащим электропроводящий материал, например, в форме Cu-ых или Al-ых лент/проволок. Полное поперечное сечение шунта может быть приспособлено к местным требованиям по защите от тока повреждения. Примером мог бы служить пиковый ток 50 кА и среднеквадратичный ток нагрузки 20 кА в течение 0,25 с. Для достаточной защиты в этом случае следовало бы иметь поперечное сечение шунта в примерно 60-100 мм², например, из Cu.

Преимущества вариантов воплощения, описанных в Примерах 1 и 2

Варианты воплощения, обсужденные выше и проиллюстрированные на ФИГ. 1-6, обладают преимуществами относительной простоты и гибкости производства круглосимметричной системы проводов по сравнению со слиянием формованного фазного провода и производством многофазного провода триадного типа. Например, с помощью данного изобретения одна полная кабельная цепь (включая все фазы или полюса системы) может транспортироваться на единственном барабане и может быть установлена за единственную протяжку простым оборудованием. У триадной системы должно быть три однофазных кабеля, либо вставленных в три отдельных криостата, скрученных вместе на планетарном кабелескруточном станке, что приводит к низкому коэффициенту заполнения на транспортировочном барабане, либо установленных с использованием планетарного разматывателя, который является более крупным и более дорогим, чем обычный захватный стенд. Настоящее изобретение также более компактно при транспортировке, чем центрированная триаксиальная конструкция, из-за отсутствия центрирующих распорных деталей.

Модульность и гибкость свойственны и следуют «рука об руку» за круглой симметрией, что подразумевает облегчение производства и, тем самым, более низкую стоимость.

Возможны синергические эффекты между кабелями, используемыми на переменном токе и постоянном токе, так как тот же самый кабель может использоваться без каких-либо модификаций, например, кабелю переменного тока с номинальным максимальным током 5 кА (среднеквадратичное значение) (соответствует I_c=7 кА) в типичном случае мог бы приписываться номинальный 3-фазый переменный ток в 3,5-4 кА или кабель постоянного тока на 5-6 кА (на 2 больше). Это может быть получено без всякой модификации, необходимой в процессе производства.

Возможность производства и монтажа провода и криогенной оболочки независимо дает увеличенную гибкость и открывает перспективны для множества применений по модификации, обеспечивая гибкость в таких областях, как 1) требования заказчика, 2) производственный и материальный аспекты, 3) модульность и 4) вовлеченность многочисленных производителей.

Эксплуатация вышеупомянутого кабеля на номинальном переменном токе (т.е. 70-80% номинального максимума будет в типичном случае приводить к рассеянию электрических потерь порядка 1-2 Вт/м (номинальный максимум в типичном случае соответствовал бы измеренному критическому току (как определено критериями 1 микровольт/сантиметр), который в случае переменного тока будет разделен на 2. Однако, чтобы иметь запас, учитывающий механическое ухудшение и инженерные ошибки, было бы желательно находиться на безопасной стороне по меньшей мере на 20%, то есть 80% от номинального максимального тока). Потери возникают из-за того, что через сверхпроводящий материал вынуждено перемещаться магнитное собственное поле (так называемые гистерезисные потери).

Однако эти потери значительно ниже, чем у эквивалентного обычного кабеля. Фактически, низкие потери позволяют использовать толщину изоляции, которая покрывает диапазоны напряжений от низкого напряжения и вплоть до среднего напряжения.

Предельно допустимая пропускная мощность сверхпроводящего триаксиального кабеля значительно увеличена по сравнению с обычным Cu-ым или Al-ым кабелем.

Кабель постоянного тока на максимальный ток (I_c) 7 кА в типичном случае был бы в состоянии эксплуатироваться при полном I_c, таким образом номинальный ток в 5-6 кА не является проблемой. Работа сверхпроводника в режиме постоянного тока является более благоприятной, поскольку это может рассматриваться как свойственный сверхпроводнику принцип работы, т.е. в этом случае потери пренебрежимо малы. Для кабеля с I_c=7 кА, имеющего типичное (или даже консервативное) значение n, равное 10, обычно вольтамперная (I-V) характеристика сверхпроводящего кабеля может быть аппроксимирована степенной функцией kIⁿ, где значение n является показателем (степени), то есть это кое-что говорит о крутизне перехода к нормальному состоянию. Работа кабеля на номинальных 6 кА (85% реального I_c) вызывает рассеяние потерь всего лишь 0,8510Ч0,7=0,13 Вт/м. При реалистических значениях n, которые являются более высокими, и работе кабеля еще ниже I_c, потери становятся просто пренебрежимыми и на порядки величины лучшими, чем в случае переменного тока. То есть ограничивающая длина прокачивания определяется только гидравликой насоса и тепловыми потерями в криогенной оболочке.

Работа на постоянном токе с конфигурацией [+,-,0, экран] хорошо подходит для применения на преобразовательной подстанции, особенно при инверсии в переменный ток, поскольку нуль/нейтраль системы постоянного тока может легко быть использована системой переменного тока. Получение переменного тока из постоянного тока более легко выполняется при подсоединении к источнику ±U, а не к источнику+2U, 0.

Защита от тока повреждения также сходна для кабеля переменного тока и постоянного тока.

ФИГ. 7 схематично иллюстрирует вид в перспективе кабельной системы согласно изобретению, в которой кабель извивается внутри тепловой оболочки в продольном направлении кабельной системы.

Размещение кабеля 720 в криогенной оболочке 716 предпочтительно выполнено так, чтобы след центра (обозначенный как «x» на ФИГ. 7) провода всегда был эксцентрическим (внецентровым) относительно центра криогенной оболочки, и таким образом, что этот след идет по спиральной траектории. Спиральность кабеля относительно криогенной оболочки вдоль его продольного направления гарантирует избыточную длину кабеля относительно криогенной оболочки, которая может действовать в качестве тепловой компенсации при охлаждении и нагревании кабеля. Далее эксцентриситет обеспечивает меньшее сопротивление течению хладагента, чем при коаксиальной конфигурации. Эксцентриситет не вносит каких-либо вихревых токов даже в случае неуравновешенности тока. Альтернативно, кабель может быть расположен эксцентрично относительно центра криогенной оболочки на протяжении определенных частей его длины, таких как на протяжении большей части его длины.

Кабель 720 может, например, воплощаться кабелями 101 и 201 постоянного тока по ФИГ. 1 и 2 соответственно или кабелями 401, 501 переменного тока по ФИГ. 4 и 5 соответственно.

Способ изготовления:

ФИГ. 9 показывает способ изготовления кабельной системы согласно изобретению, причем ФИГ. 9a-9c являются видами в поперечном сечении соответственно тепловой изоляции, кабеля и собранной кабельной системы.

ФИГ. 9 схематично иллюстрирует одно из преимуществ настоящего изобретения, варианта изготовления тепловой оболочки 916 (ФИГ. 9a) и кабеля 901 (ФИГ. 9b) на отдельных технологических стадиях, выполняемых параллельно или последовательно на том же самом или на разном технологическом оборудовании, и сборки тепловой оболочки и кабеля в кабельную систему 900 (ФИГ. 9c) в то время и в том месте, которые удобны в рассматриваемой ситуации. Кабель и тепловая оболочка могут быть, например, изготовлены различными производителями и отгружены одному из этих производителей, к сборочному предприятию третьего лица или к тому месту, где кабель должен быть установлен для сборки по месту (если это желательно).

В предпочтительном варианте воплощения способ изготовления сверхпроводящей кабельной системы содержит обеспечение отдельно изготовленных кабеля и тепловых оболочек и выполнение сборки согласно следующим стадиям: 1) прикладывают напряжение растяжения к тепловым оболочкам, тем самым растягивая их, например, на 0,05-0,5%, во время вставки кабеля; 2) охлаждают кабель до температуры жидкого

N₂, заставляя его продольно сжаться, например, на 0,1-0,4%; 3) создают в тепловой оболочке давление в 3 бара или 10 бар или 20 бар с тем, чтобы вызвать удлинение внутренней стенки криостата; 4) вталкивают кабель в тепловую оболочку; 5) вынуждают тепловую оболочку извиваться или сгибаться в многочисленных местоположениях, таких как каждые 1,5 м или каждые 3 м или каждые 10 м; 6) закрепляют концы кабеля на концах тепловой оболочки; 7) впоследствии сбрасывают давление из тепловой оболочки; 8) впоследствии снимают напряжение растяжения на тепловой оболочке; 9) впоследствии дают кабелю возможность нагреться, причем кабель расширяется при нагревании; 10) впоследствии прекращают вталкивание кабеля в тепловую оболочку.

ФИГ. 10 схематично показывает виды в сечении тепловой оболочки или криостата 1016, причем ФИГ. 10a показывает поперечное сечение, а ФИГ. 10b – продольное сечение, где внутренняя стенка 1061 криостата изогнута, представляя ситуацию во время установки, как обсуждено выше.

Как показано на ФИГ. 10b, внутренняя стенка 1061 криостата может «совершать волнообразные смещения» вдоль длины криостата, давая избыточную длину, которая может компенсировать ее тепловое сжатие во время охлаждения системы. Однако внешняя стенка 1062 криостата обычно является всегда «теплой» и будет поддерживать примерно одну и ту же длину. «Волнистость» внутреннего криостата является необязательной. Это могло также включать скошенные (гофрированные) секции, такие как, например, используемые в жестком криостате. Следует понимать, что эксцентриситет кабеля при помещении в криостат взят относительно центральной линии 1041, являющейся геометрическим центром внешней стенки 1062 криостата во всех поперечных сечениях вдоль ее длины, в типичном случае составляющей по существу прямую линию. Максимальный размер внешней стенки криостата в поперечном сечении D_ce обозначен на ФИГ. 10 и в качестве примера иллюстрируется как постоянный (диаметр) по его длине, что является предпочтительным. Однако это не всегда должно быть именно так. Наружный диаметр может изменяться по длине (например, по определенным частям его длины) и/или иметь некруглую форму в поперечном сечении. Максимальный размер d_ce,max и минимальный размер d_ce,min внутренней стенки криостата в поперечном сечении обозначены на ФИГ. 10 и в качестве примера иллюстрируются расположенными соответственно на продольных концах и в центре на полпути между этими концами. Однако это не обязательно должно быть именно так. Форма внутренней стенки криостата может принимать другие виды, чем проиллюстрированный на ФИГ. 10b, такие как по существу синусоидальный или некоторый другой более беспорядочно волнообразный вид, определяемый длиной и разницей в длине секций внутренней и внешней стенок, материалами, из которых они выполнены, промежуточным теплоизоляционным материалом 1016, температурой окружающей среды и т.д.

ФИГ. 11 схематично показывает продольное сечение кабельной системы 1100, содержащей некоторое число функционально объединенных тепловых оболочек 1116, которое является большим, чем число узлов проводов кабеля, 1101. Эти тепловые оболочки соединены посредством самостоятельного соединительного элемента, 1163, или посредством соединителей 1164, которые объединены в каждой секции тепловой оболочки. ФИГ. 11a показывает, как провод 1170 кабеля охлаждается и таким образом принимает сокращенный путь, 1142. После последующего закрепления на концах и нагревания узел проводов кабеля, 1171, принимает более длинный, волнообразный путь, описанный центральной линией 1140. ФИГ. 11b описывает силу натяжения, 1172, приложенную к тепловой оболочке, таким образом увеличивая ее длину. После закрепления концов кабеля относительно концов тепловой оболочки и снятия силы натяжения 1172 тепловая оболочка сокращается и принуждает узел проводов кабеля двигаться по волнообразному пути средней линии, 1140. ФИГ. 11c описывает то, как концы проводов кабеля вталкивают силой 1173 в концы криостата, что приводит в результате к более длинному и волнообразному пути средней линии провода кабеля. К каналу охлаждения, 1117, прикладывают избыточное давление, 1174, что приводит в результате к увеличению длины внутренней стенки криостата, 1161. Это позволяет вставить еще большую длину провода кабеля в тепловую оболочку, 1116. В данном варианте воплощения внешняя стенка 1162 тепловой оболочки показана остающейся по существу неподверженной изменениям во внутренней стенке.

Изобретение охарактеризовано признаками независимого(ых) пункта(ов) формулы изобретения. Предпочтительные варианты воплощения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения предназначены быть неограничительными по их объему.

В предшествующем описании были продемонстрированы некоторые предпочтительные варианты воплощения, но нужно подчеркнуть, что изобретение ими не ограничено, а может быть воплощено другими путями в пределах сущности, охарактеризованной в нижеследующей формуле изобретения.

Формула изобретения

1. Сверхпроводящая многофазная кабельная система с охлаждением текучей средой, содержащая
а) 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 два 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,
в которой
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, со средним расстоянием _ex средней линии кабеля до средней линии тепловой изоляции, и при этом эксцентрическое расположение выполняет функцию приспосабливания к тепловым усадке и/или расширению кабеля относительно тепловой изоляции.

2. Кабельная система по п.1, в которой _ех связано с продольным тепловым сжатием _L кабеля следующим образом:
,
средняя линия кабеля, по существу, описывает винтовую линию внутри криостата, причем L_p является длиной шага этой винтовой линии.

3. Кабельная система по п.1, в которой все упомянутые электрические провода расположены концентрически друг вокруг друга разделенными электрическими изоляциями.

4. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой упомянутый нулевой или нейтральный провод расположен концентрически вокруг по меньшей мере одной из упомянутых электрических фаз, причем упомянутые концентрически расположенные электрические провода предпочтительно окружают охлаждающий объем, который расположен по центру относительно упомянутых концентрически расположенных проводов, причем упомянутый расположенный по центру охлаждающий объем предпочтительно используется в качестве канала охлаждения, в котором протекает охлаждающая текучая среда.

5. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой число электрических фаз равно трем.

6. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой по меньшей мере один из упомянутых электрических проводов содержит сверхпроводящий материал, выбранный из группы из материала, содержащего BSCCO (BiSrCaCuO₃), например, легированного свинцом BSCCO, YBCO (оксида меди-бария-иттрия), RE-ВСО (оксида редкоземельного элемента-бария-меди), MgB₂, Nb₃Sn, Nb₃Ti и их сочетаний.

7. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой упомянутый общий электрический экран содержит Cu или Al или сверхпроводящий материал, или Al или Cu в сочетании с полупроводящим материалом, и/или сверхпроводящим материалом, и/или высокопрочными материалами механического усиления, например, в виде сортов стали, сортов никеля, углеродных или кевларовых волокон или высокопрочных композиционных лент.

8. Кабельная система по п.4, в которой упомянутый кабель имеет первый и второй конец, и упомянутый расположенный по центру охлаждающий объем закрыт на каждом конце с формированием теплового резервуара.

9. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой упомянутый кабель имеет физический контакт с упомянутой внутренней поверхностью упомянутой тепловой изоляции на протяжении по меньшей мере части его длины вдоль продольного направления упомянутого кабеля, а, предпочтительно, упомянутый кабель имеет физический контакт с упомянутой внутренней поверхностью упомянутой тепловой изоляции в положении, определяемом силой тяжести и механическими ограничениями, такими как изгиб и тепловое сжатие.

10. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой 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 1%, таким как больший чем 2%, таким как больший чем 5%, таким как больший чем 10%, таким как больший чем 20%, таким как больший чем 35%.

11. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой _ех дополнительно удовлетворяет следующему соотношению:
,
где R_bend представляет собой наименьший радиус изгиба, при котором свойства кабеля остаются в пределах заданного процента от его характеристик, определенных путем испытаний на изгиб.

12. Кабельная система по п.6, в которой упомянутый сверхпроводящий материал присутствует в форме одной или более лент или проволок, скрученных вокруг нижележащего слоя с формированием сверхпроводящего слоя.

13. Кабельная система по п.12, в которой L_p является большей, чем L_s, где L_s представляет собой наибольшую длину шага скрутки сверхпроводящего слоя в кабеле, а, предпочтительно, L_p, по существу, равна n·L_s, где параметр n представляет собой целое число, большее чем 1.

14. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой перемещение узла проводов кабеля от одного эксцентрического положения к другому эксцентрическому положению компенсирует тепловые сжатие и удлинение, испытываемые во время охлаждения и нагревания кабеля или вызванные чрезмерным током или током повреждения.

15. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой кабель содержит центральный каркас в форме спирали, трубки, гофрированной трубки или взаимосцепленной трубки, выполненной из металла, пластмассы или композиционных материалов.

16. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой по меньшей мере один из электрических проводов находится в тепловом и/или электрическом контакте со слоем защитного электропроводящего шунтирующего материала, например, в виде лент или проволок, содержащих Cu или Al.

17. Кабельная система по п.16, в которой упомянутые сверхпроводящие ленты или проволоки и упомянутые проводящие шунтирующие ленты или проволоки расположены в таком порядке и под такими углами подъема винтовой линии, чтобы дать низкие электрические потери на переменном или переходном токах за счет оптимизации числа сверхпроводящих лент или проволок и распределения тока в сверхпроводящих слоях и за счет минимизации доли номинального тока в проводящих шунтирующих слоях, при этом предусматривается, что в случае тока повреждения проводящие шунтирующие слои действуют как защитные шунты.

18. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой кабель содержит концентрически расположенные фазные провода, включая самый внутренний и самый внешний фазные провода, размещенные соответственно наиболее близко к и наиболее далеко от центральной оси кабеля, причем защита от чрезмерного тока самой внутренней фазы и самой внешней фазы обеспечена нормально проводящими слоями, размещенными соответственно внутри самого внутреннего фазного провода и снаружи самого внешнего фазного провода.

19. Кабельная система по любому из пп.1-3, приспособленная для применения в качестве трехфазной кабельной системы переменного тока, в которой кабель содержит три концентрических и взаимно изолированных фазных провода, называемых внутренним, средним и внешним фазным проводом, причем средний фазный провод содержит нормально проводящий слой на каждой стороне, обращенной соответственно к внутреннему и внешнему фазному проводу, с целью защиты средней фазы от чрезмерного тока.

20. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой кабель содержит концентрически расположенные фазные провода, включая самый внутренний и самый внешний фазные провода, размещенные соответственно наиболее близко к и наиболее далеко от центральной оси кабеля, при этом защита от чрезмерного тока самой внутренней фазы и самой внешней фазы обеспечивается чередующимися сверхпроводящим и нормально проводящим слоями.

21. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой по меньшей мере один из электрических проводов усилен механически упрочняющими компонентами, содержащими стальные сплавы, элементы на основе углеродного волокна или элементы на основе полиимида.

22. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой упомянутый сверхпроводящий материал присутствует в форме лент или проволок, расположенных в таком порядке и под такими углами подъема винтовой линии, чтобы дать низкие электрические потери на переменном или переходном токах за счет оптимизации числа сверхпроводящих лент и распределения тока в сверхпроводящих слоях, при том, что каждый электрический фазный провод состоит из одного или нескольких слоев сверхпроводящих лент или проволок, причем в каждой из фаз эти слои организованы в одну или несколько групп с тем же самым направлением подъема винтовой линии (обозначенным «S» или «Z») в каждой группе, и при этом все слои в первой группе в каждой из электрических фаз скручены с тем же самым направлением подъема винтовой линии, например «S».

23. Кабельная система по п.22, в которой у по меньшей мере одного из электрических фазных проводов последняя группа сверхпроводящих лент или проволок имеет противоположное с первой группой направление подъема винтовой линии, например «Z».

24. Кабельная система по п.22 с двумя электрическими фазными проводами, при этом каждый электрический провод содержит два сверхпроводящих слоя лент или проволок, и последовательность направлений подъема винтовой линии представляет собой SZ-SZ.

25. Кабельная система по п.22 с тремя электрическими фазными проводами, при этом каждый электрический провод содержит два сверхпроводящих слоя, и последовательность направлений подъема винтовой линии представляет собой SZ-SZ-SZ.

26. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой электрическая изоляция между электрическими проводами и между электрическими проводами и электрическим экраном содержит полимер, такой как PPLP, ПЭ, полипропилен или бумага, включая синтетическую бумагу, нанесенный экструзией или посредством наложения полос.

27. Кабельная система по п.26, в которой электрическая изоляция содержит возможно находящуюся под давлением, электроизолирующую текучую среду, такую как жидкий азот, газообразный азот, гелий, неон, водород, кислород или их сочетания, а, предпочтительно, электроизолирующая текучая среда является отдельной от охлаждающей текучей среды, циркулирующей внутри окружающей кабель тепловой изоляции.

28. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой центральная часть кабеля полностью или частично используется для того, чтобы передавать внутреннее избыточное давление электроизолирующей текучей среды.

29. Кабельная система по п.27, в которой электроизолирующая текучая среда идентична охлаждающей текучей среде.

30. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой электрический экран снабжен компонентом с низким коэффициентом трения с тем, чтобы обеспечить относящийся к внутренней поверхности тепловой оболочки коэффициент трения <0,25.

31. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой кабель и тепловая изоляция изготовлены отдельными секциями длиной L_cab и L_TE соответственно, при этом L_cab является большей, чем L_TE, а, предпочтительно, в которой L_cab, по существу, равна n·L_TE, где n является большим чем 1, таким как большим чем 2, таким как большим чем 4, таким как большим чем 7.

32. Кабельная система по п.4, в которой среднее расстояние средней линии кабеля до средней линии тепловой изоляции _ех дополнительно удовлетворяет следующему соотношению:
,
где R_bend представляет собой наименьший радиус изгиба, при котором свойства кабеля остаются в пределах заданного процента от его характеристик, определенных путем испытаний на изгиб.

33. Кабельная система по п.10, в которой среднее расстояние средней линии кабеля до средней линии тепловой изоляции _ех дополнительно удовлетворяет следующему соотношению:
,
где R_bend представляет собой наименьший радиус изгиба, при котором свойства кабеля остаются в пределах заданного процента от его характеристик, определенных путем испытаний на изгиб.

34. Кабельная система по п.4, в которой по меньшей мере один из электрических проводов находится в тепловом и/или электрическом контакте со слоем защитного электропроводящего шунтирующего материала, например, в виде лент или проволок, содержащих Cu или Al.

35. Кабельная система по п.7, в которой по меньшей мере один из электрических проводов находится в тепловом и/или электрическом контакте со слоем защитного электропроводящего шунтирующего материала, например, в виде лент или проволок, содержащих Cu или Al.

36. Кабельная система по п.7, в которой электрический экран снабжен компонентом с низким коэффициентом трения с тем, чтобы обеспечить относящийся к внутренней поверхности тепловой оболочки коэффициент трения <0,25.

37. Способ изготовления сверхпроводящей однофазной или многофазной кабельной системы, содержащий стадии
a) обеспечение по меньшей мере двух электрических проводов в виде по меньшей мере одной электрической фазы и нулевого или нейтрального провода,
b) обеспечение того, что упомянутые электрические провода взаимно электрически изолированы друг от друга,
c) обеспечение тепловой изоляции, окружающей электрические провода, причем упомянутая трубчатая тепловая изоляция задает центральную продольную ось,
d) обеспечение того, что внутренняя поверхность упомянутой трубчатой тепловой изоляции образует радиальный предел камеры охлаждения, предназначенной для удерживания охлаждающей текучей среды для охлаждения упомянутых электрических проводов, и
е) обеспечение того, что упомянутые по меньшей мере одна электрическая фаза и нулевой или нейтральный провод расположены эксцентрично относительно упомянутой центральной продольной оси, причем способ дополнительно содержит две или более из следующих стадий:
S1. прикладывают напряжение растяжения к тепловым оболочкам, тем самым растягивая их, например, на 0,05-0,5%, во время вставки кабеля;
S2. охлаждают кабель до температуры жидкого N₂ вызывая его сжатие в длину, например, на 0,1-0,4%;
S3. создают давление в тепловой оболочке до по меньшей мере 3 бар, такого как до по меньшей мере 10 бар или такого как до по меньшей мере 20 бар, с тем, чтобы вызвать удлинение внутренней стенки криостата;
S4. вталкивают кабель в тепловую оболочку;
S5. вынуждают тепловую оболочку извиваться или изгибаться во многих местах, таких как каждые 1,5 м, или каждые 3 м, или каждые 10 м, посредством ее сгибания и прикрепления ее к земле, например, посредством заглубления;
S6. закрепляют концы кабеля на концах тепловой оболочки;
S7. впоследствии сбрасывают давление в тепловой оболочке;
S8. впоследствии снимают напряжение растяжения на тепловой оболочке;
S9. впоследствии дают кабелю возможность нагреться, причем кабель расширяется при нагревании;
S10. впоследствии прекращают вталкивание кабеля в тепловую оболочку.

38. Способ по п.37, в котором кабель, содержащий упомянутые электрические провода и их взаимную электрическую изоляцию, изготавливают отдельно от упомянутой тепловой изоляции, а необязательно – параллельно с ней.

39. Способ по п.37 или 38, в котором кабель и тепловую изоляцию изготавливают отдельными секциями длиной L_cab и L_TE соответственно, при этом L_cab является большей, чем L_TE, а, предпочтительно, L_cab, по существу, равна n·L_TE, где n является большим чем 1, таким как большим чем 2, таким как большим чем 4, таким как большим чем 7.

40. Способ по п.37 или 38, в котором упомянутую тепловую изоляцию обеспечивают секциями стандартизированных длин, таких как 3 м, или 6 м, или 12 м, или 20 м, или 50 м, или 100 м, или 200 м.

41. Способ по п.37 или 38, в котором упомянутую тепловую изоляцию обеспечивают в виде смешанного набора гибких, жестких прямых и жестких изогнутых секций, или секций, которые являются частично жесткими и частично гибкими.

42. Способ по п.37 или 38, содержащий стадии S1, S6, S8.

43. Способ по п.37 или 38, содержащий стадии S2, S6, S8.

44. Применение сверхпроводящей многофазной кабельной системы, выполненной по любому из пп.1-36 или изготовленной способом по любому из пп.37-43, в качестве кабельной системы постоянного и/или переменного тока.

45. Применение по п.44 в качестве кабельной системы постоянного тока, при котором конфигурация фаз представляет собой [+, -, 0].

46. Применение по п.44 в качестве кабельной системы постоянного тока, при котором конфигурация фаз представляет собой [+, -, нейтраль, 0].

47. Применение по п.44 одновременно в качестве кабельной системы переменного тока и постоянного тока.
Приоритет:

21.04.2005 по пп.1, 3-10, 13-29, 31, 34 и 35;

21.04.2006 по пп.2, 11, 12, 30, 32, 33 и 36-47.

РИСУНКИ