CN110931162A - 一种自屏蔽冷绝缘直流高温超导限流电缆 - Google Patents

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蔡渊
康强强
莫思铭
袁文
包颖
牛潇晔
迮建军
熊旭明
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North China Electric Power University
Jiangsu Etern Co Ltd
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Eastern Superconducting Technology (suzhou) Co Ltd
North China Electric Power University
Jiangsu Etern Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种自屏蔽冷绝缘直流高温超导限流电缆，包括冷却通道、电缆骨架、半导体层、超导层、绝缘层和保护层；所述冷却通道位于电缆骨架中心；电缆骨架外设置有半导体层；半导体层外设置有超导奇数层n；超导奇数层n外设置有超导偶数层2n；超导奇数层n和超导偶数层2n之间从内到外依次设置有设置有半导体层和绝缘层；超导层最外侧设置有保护层；超导奇数层n和超导偶数层2n运行的电流方向相反，带材绕制方向相同；相邻的所述超导奇数层n和超导偶数层2（n+1）运行的电流方向相同，带材绕制方向相同相反。本案具有传输和限流的双重作用、自屏蔽和无电磁干扰的优点；本案电缆结构无需超导限流器接入，降低装置成本和运行维护成本。

Description

一种自屏蔽冷绝缘直流高温超导限流电缆
技术领域
本发明涉及超导电工技术领域，特别涉及一种自屏蔽冷绝缘直流高温超导限流电缆。
背景技术
随着高温超导技术的发展，超导体的工作温度提高到了液氮温区（77K）。高温超导电缆是高温超导技术在电力系统中的重要应用之一，可以实现大容量低损耗的输电，高温超导电缆正在向着实用化、产业化的方向发展。
当直流电力系统的线路发生短路故障时，会产生很大的短路电流，有时会对电力系统造成巨大的破坏。目前，在超导电缆的线路中，解决办法是在线路中串入超导限流器。但是限流器的使用增加了线路的建造成本，也增大了线路后期的维护成本。随着超导层数的增加，各超导层所受的磁场也会对各层的临界电流产生影响，从而影响超导带材的使用效率，使成本过高。
发明内容
本发明目的是：提供了一种自屏蔽冷绝缘直流高温超导限流电缆，在电缆发生故障时能有效抑制故障电流，起到传输和限流的双重功能；通过调整不同超导层的运行电流方向和绕制方向，起到自屏蔽的效果，提高超导层的临界电流。
本发明的技术方案是：一种自屏蔽冷绝缘直流高温超导限流电缆，包括冷却通道、电缆骨架、半导体层、超导层、绝缘层和保护层；所述超导层包括超导奇数层n和超导偶数层2n，其中n为大于等于1的正整数；所述冷却通道位于电缆骨架中心；所述电缆骨架外设置有半导体层；所述半导体层外设置有超导奇数层n；所述超导奇数层n外设置有超导偶数层2n；所述超导奇数层n和超导偶数层2n依次多层叠加；所述超导奇数层n和超导偶数层2n之间从内到外依次设置有设置有半导体层和绝缘层；所述超导层最外侧设置有保护层；所述超导奇数层n和超导偶数层2n运行的电流方向相反；所述超导奇数层n和超导偶数层2n带材绕制方向相同；相邻的所述超导奇数层n和超导偶数层2（n+1）运行的电流方向相同；相邻的所述超导奇数层n和超导偶数层2（n+1）的带材绕制方向相同相反。
优选的，所述电缆骨架包括螺旋弹簧及绕制在螺旋弹簧外的扭绞丝；所述螺旋弹簧内部形成冷却通道；冷却通道是用来流通液氮等冷却介质，保证超导电缆处于正常运行时所需的温度环境下。
优选的，所述电缆骨架采用正常工作温度下的电阻率比铜高2个量级的金属材料，即电阻率比铜高100倍的金属材料。
优选的，所述金属材料为不锈钢或锰铜或康铜。
优选的，所述半导体层的材料采用碳纸，作用是改善电场分布。
优选的，所述绝缘层材料采用聚丙烯复合纤维纸、牛皮纸或薄膜绝缘材料。
优选的，所述超导层采用第二代高温超导带材REBCO。
优选的，所述电缆骨架与超导层并联。
本发明的优点是：
1、具有传输和限流的双重作用、自屏蔽和无电磁干扰的优点；
2、本案电缆结构无需超导限流器接入，有效降低装置成本和运行维护成本；
3、调整超导层各层的运行电流方向和带材绕制方向，使各层所受的其它层的磁场影响很小，从而提高各层的临界电流，达到自屏蔽的效果，具有无电磁干扰的优点。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本案所述的一种自屏蔽冷绝缘直流高温超导限流电缆的主要结构示意图；
图2为本案所述的一种自屏蔽冷绝缘直流高温超导限流电缆的横截面结构示意图。
具体实施方式
实施例：
如附图1-2所示，一种自屏蔽冷绝缘直流高温超导限流电缆，包括冷却通道1、电缆骨架2、半导体层3、超导层4、绝缘层5和保护层6；所述超导层4包括超导奇数层n和超导偶数层2n，其中n为大于等于1的正整数；所述电缆骨架2包括螺旋弹簧201及绕制在螺旋弹簧外的扭绞丝202；所述螺旋弹簧201内部形成冷却通道；所述冷却通道1位于电缆骨架2中心；冷却通道1是用来流通液氮等冷却介质，保证超导电缆处于正常运行时所需的温度环境下；所述电缆骨架2外设置有半导体层3；所述半导体层3外设置有超导奇数层n；所述超导奇数层n外设置有超导偶数层2n；所述超导奇数层n和超导偶数层2n依次多层叠加；所述超导奇数层n和超导偶数层2n之间从内到外依次设置有设置有半导体层3和绝缘层5；所述超导层4最外侧设置有保护层6；所述超导奇数层n和超导偶数层2n运行的电流方向相反；所述超导奇数层n和超导偶数层2n带材绕制方向相同；相邻的所述超导奇数层n和超导偶数层2（n+1）运行的电流方向相同；相邻的所述超导奇数层n和超导偶数层2（n+1）的带材绕制方向相同相反。
所述电缆骨架2采用77K温度下的电阻率比铜高两个量级的金属材料，即电阻率比铜高100倍的金属材料；所述金属材料为不锈钢或锰铜或康铜；本例电缆骨架2采用不锈钢螺旋弹簧201及绕制在不锈钢螺旋弹簧201外的不锈钢扭绞丝202。所述半导体层3的材料采用碳纸，作用是改善电场分布；所述绝缘层5材料采用聚丙烯复合纤维纸（PPLP）；所述超导层4采用第二代高温超导带材REBCO；所述保护层6材料可采用PVC。
本例中所述超导层有8层，即n=1,2,3,4,5,6,7,8；采用若干根超导带材，将其按照一定角度以螺旋线状绕制，从内到外的超导层4的为第一层401、第二层402、第三层403、第四层404、第五层405、第六层406、第七层407和第八层408；第一层401和第三层403的绕制方向相反，第一层401、第二层402、第五层405和第六层406的绕制方向相同，第三层403、第四层404、第七层407和第八层408的绕制方向相同；其中第一层401和第二层402之间设置有绝缘层5，第三层403和第四层404之间设置有绝缘层5，第五层405和第六层406之间设置有绝缘层5，第七层407和第八层408之间设置有绝缘层5；第一层401、第二层402、第三层403、第四层404、第五层405、第六层406、第七层407和第八层408所通电流分别为I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7和I8，其中I1和I2方向相反，I1、I4、I5和I8方向相同，I2、I3、I6和I7方向相同，如图1所示，图中箭头表示电流方向。
限流工作原理：当线路中的故障电流超过超导层4的临界电流时，超导层4失超。采用骨架与超导层并联的方式，当发生上述故障时骨架可分流。与铜骨架相比，由于在77K时不锈钢的电阻率比铜高两个量级，当线路中发生例如短路故障时，电缆中的电流十分大，电缆骨架2在上述故障时可以分流，利用自身的通流能力使故障的破坏得到缓解。不锈钢较大的电阻率能有效地抑制故障电流。此外，不锈钢电缆骨架2可提高电缆机械强度、柔韧性，另一方面在超导电缆失超后还能起到分流和限流的作用。
所述超导电缆的自屏蔽原理如下：确定超导层的第一层401的运行电流方向和带材绕制方向，第二层402运行电流方向I2与第一层401运行电流方向I1相反，带材绕制方向相同，所产生的磁场方向相反，两者产生的磁场相抵消；第三层403所处的位置受到的第一层401和第二层402的磁场影响很小，根据临界电流和磁场的关系，可知第三层403的临界电流几乎不受磁场的影响；通过调整不同层的电流方向和绕制方向，使各层所受到的其它层的磁场影响很小，从而提高各层临界电流，即达到自屏蔽的效果，也提高了超导带材临界电流的利用效率。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明的。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明的所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种自屏蔽冷绝缘直流高温超导限流电缆，其特征在于：包括冷却通道、电缆骨架、半导体层、超导层、绝缘层和保护层；所述超导层包括超导奇数层n和超导偶数层2n；所述冷却通道位于电缆骨架中心；所述电缆骨架外设置有半导体层；所述半导体层外设置有超导奇数层n；所述超导奇数层n外设置有超导偶数层2n；所述超导奇数层n和超导偶数层2n依次多层叠加；所述超导奇数层n和超导偶数层2n之间从内到外依次设置有设置有半导体层和绝缘层；所述超导层最外侧设置有保护层；所述超导奇数层n和超导偶数层2n运行的电流方向相反；所述超导奇数层n和超导偶数层2n带材绕制方向相同；相邻的所述超导奇数层n和超导偶数层2（n+1）运行的电流方向相同；相邻的所述超导奇数层n和超导偶数层2（n+1）的带材绕制方向相同相反。
2.根据权利要求1所述的一种自屏蔽冷绝缘直流高温超导限流电缆，其特征在于：所述电缆骨架包括螺旋弹簧及绕制在螺旋弹簧外的扭绞丝；所述螺旋弹簧内部形成冷却通道。
3.根据权利要求1所述的一种自屏蔽冷绝缘直流高温超导限流电缆，其特征在于：所述电缆骨架采用正常工作温度下的电阻率比铜高2个量级的金属材料。
4.根据权利要求3所述的一种自屏蔽冷绝缘直流高温超导限流电缆，其特征在于：所述金属材料为不锈钢或锰铜或康铜。
5.根据权利要求1所述的一种自屏蔽冷绝缘直流高温超导限流电缆，其特征在于：所述半导体层的材料采用碳纸。
6.根据权利要求1所述的一种自屏蔽冷绝缘直流高温超导限流电缆，其特征在于：所述绝缘层材料采用聚丙烯复合纤维纸、牛皮纸或薄膜绝缘材料。
7.根据权利要求1所述的一种自屏蔽冷绝缘直流高温超导限流电缆，其特征在于：所述超导层采用第二代高温超导带材REBCO。
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