CN113130130A - 一种高传输电流低损耗三相同轴高温的超导电缆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于高导电缆领域的一种高传输电流低损耗三相同轴高温的超导电缆；其中由内而外依次设置的内冷却通道、铜绞线骨架、半导体内层、至少一组三相传输组、外冷却通道和低温容器；其中三相传输组包括：由内之外依次设置的A相超导层、A相半导体层、A相绝缘层、B相超导层、B相半导体层、B相绝缘层、C相超导层、C相半导体层和C相绝缘层，在A相电流、B相电流和C相电流运行的电流相位依次相差为120°且电流相等。当三相传输组的组数大于一时，各组三相传输组由内而外依次设置，各A相、各B相和各C相超导层之间并联连接。本发明通过增加三相传输组叠加的层数增加超导层层数，实现了高载流的功能。
Description
技术领域
本发明属于高导电缆技术领域，具体为一种高传输电流低损耗三相同轴高温的超导电缆。
背景技术
相较于常规电缆，高温超导电缆具有电流密度高、传输损耗小、结构紧凑的优点，因此随着高温超导技术的发展，高温超导电缆成为高温超导技术在电力系统中的重要应用之一。
载流能力和损耗水平是高温超导电缆的重要参数，高温超导电缆通常采用层状结构，随着电流的增大，超导层数增多，由于邻近效应及磁场的互相耦合会造成多层电流分布不均匀，产生层间电压，进而导致交流损耗增大，热稳定性差，降低了建造电缆的超导体的材料效率，提高了电缆的建设成本，同时临界电流增大，降低电缆的载流水平。因此建造高载流低损耗的高温超导电缆存在一定的障碍。
针对这一问题，我们提出了一种高传输电流低损耗三相同轴高温的超导电缆，增多三相超导带层数，达到高传输电流的效果。由于三相同轴排列，三相电流产生的磁场相互抵消，且不需另行绕制超导屏蔽层，实现了低损耗和节约超导带的功能，有效降低装置成本。适用于短距离、大电流场合。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种高传输电流低损耗三相同轴高温的超导电缆，其特征在于，其特征在于，由内而外依次设置的内冷却通道、铜绞线骨架、半导体内层、至少一组三相传输组、外冷却通道和低温容器；其中三相传输组包括：由内之外依次设置的A相超导层、A相半导体层、A相绝缘层、B相超导层、B相半导体层、B相绝缘层、C相超导层、C相半导体层和C相绝缘层，A相超导层与A相电流相连，B相超导层与B相电流相连，C相超导层与C相电流相连；在A相电流、B相电流和C相电流运行的电流相位依次相差为120°且电流相等。
当三相传输组的组数大于一时，各组三相传输组由内而外依次设置，各A相超导层之间并联连接，各B相超导层之间并联连接，各C相超导层之间并联连接。
所述A相超导层外设有A相超导附加层，所述B相超导层外设有B相超导附加层，所述C相超导层外设有C相超导附加层；A相超导附加层与A相电流相连，B相超导附加层与B相电流相连，C相超导附加层与C相电流相连。
所述A相超导附加层、所述B相超导附加层和所述C相超导附加层为高温超导带材。
内冷却通道和外冷却通道内流通冷却介质，用以冷却超导层。
所述A相超导层、所述B相超导层和所述C相超导层为高温超导带材。
A相半导体层、B相半导体层、C相半导体层和半导体内层的材料均为碳纸。
A相绝缘层、B相绝缘层和C相绝缘层的材料采用聚丙烯复合纤维纸、牛皮纸或薄膜绝缘材料。
本发明的有益效果在于：
1.通过将三相的超导层放入三相传输组的方式，增加三相传输组叠加的层数增加超导层层数，实现了高载流的功能。
2.由于三相同轴排列，正常工作状态下各组三相传输组中三相平衡电流产生的三相磁场相互抵消，对其他组三相传输组无磁场影响，从而达到低损耗的效果，且无需设置超导屏蔽层，有效降低了装置成本。
附图说明
图1为本发明一种高传输电流低损耗三相同轴高温的超导电缆实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例1的截面图；
图3为本发明实施例1的端部连接图；
图4为本发明实施例的三相等效电路图；
图5为本发明实施例2的结构示意图；
图6为本发明实施例2的截面图；
图7为本发明实施例2的端部连接图。
其中：
1-内冷却通道，2-铜绞线骨架，3-半导体内层，4-三相传输组，5-外冷却通道，6-低温容器，41-A相超导层，42-A相半导体层，43-A相绝缘层，44-B相超导层，45-B相半导体层，46-B相绝缘层，47-C相超导层，48-C相半导体层，49-C相绝缘层，411-第一A相超导层，412-第二A相超导层，421-第一A相半导体层，422-第二A相半导体层，431-第一A相绝缘层，432-第二A相绝缘层，441-第一B相超导层，442-第二B相超导层，451-第一B相半导体层，452-第二B相半导体层，461-第一B相绝缘层，462-第二B相绝缘层，471-第一C相超导层，472-第二C相超导层，481-第一C相半导体层，482-第二C相半导体层，491-第一C相绝缘层，492-第二C相绝缘层，701-A相电流，702-B相电流，703-C相电流，711-第一A相超导附加层，712-第二A相超导附加层，741-第一B相超导附加层，742-第二B相超导附加层，771-第一C相超导附加层，772-第二C相超导附加层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1～7所示的本发明一宽泛实施例，超导电缆包括：由内而外依次设置的内冷却通道1、铜绞线骨架2、半导体内层3、至少一组三相传输组4、外冷却通道5和低温容器6；其中三相传输组4包括：由内之外依次设置的A相超导层41、A相半导体层42、A相绝缘层43、B相超导层44、B相半导体层45、B相绝缘层46、C相超导层47、C相半导体层48和C相绝缘层49，A相超导层41与A相电流701相连，B相超导层44与B相电流702相连，C相超导层47与C相电流703相连；在A相电流701、B相电流702和C相电流703运行的电流相位依次相差为120°，且三相电流大小相等。三相平衡电流产生磁场抵消，根据超导带材的临界电流与磁场的关系，其临界电流相应增大，因此每组三相传输组4对其他组无磁场影响，可达到降低交流损耗的效果。同时，由于磁场相互抵消，无需设置超导屏蔽层，由此本发明设计还具有节约超导带材的优点。
在宽泛实施例中，铜骨架2由铜丝构成；内冷却通道1(铜绞线骨架2内)和外冷却通道5(最外层三相传输组4的C相绝缘层49和低温容器6之间)用于流通液氮等冷却介质，用以冷却超导层；A相超导层41、B相超导层44和C相超导层47均采用高温超导带材；半导体内层3、A相半导体层42、B相半导体层45和C相半导体层48的材料均为碳纸，作用是均匀电场，改善电场分布；A相绝缘层43、B相绝缘层46和C相绝缘层49的材料采用聚丙烯复合纤维纸、牛皮纸或薄膜绝缘材料；
当三相传输组4的组数大于一时，各组三相传输组4由内而外依次设置，各A相超导层41之间并联连接；各B相超导层44之间并联连接；各C相超导层47之间并联连接。
A相超导层41外还可以设有A相超导附加层71，B相超导层44外还设有B相超导附加层74，C相超导层47外还设有C相超导附加层77；A相超导附加层71和A相超导层41直接接触从而均与A相电流701相连，B相超导层44和B相超导附加层74直接接触从而均与B相电流702相连，C相超导层47和C相超导附加层77直接接触从而均与C相电流703相连；A相超导附加层71、B相超导附加层74和C相超导附加层77均采用高温超导带材；
各三相传输组4内磁场得以互相抵消的计算方法包括以下步骤：
步骤1、各超导层(A相超导层41、B相超导层44、C相超导层47、A相超导附加层71、B相超导附加层74和C相超导附加层77)的螺距选择为：
根据电缆的机械特性，确定带材绕角范围，进而确定绕角的大小。
其中，εt为带材的自由热收缩率，εs为带材在冷却过程中的应变，εp为螺距的变化率，εr为导体层的径向收缩率，ri为第i层超导层的绕制半径，R为带材的临界弯曲半径，θi为第i层超导层的绕角。
步骤2、根据绕角大小确定螺距。
其中，Lpi为第i层超导层的螺距。
步骤3、根据确定的螺距得到超导层的自感及其之间的互感：
其中，D为超导层最外层的半径。对于第二个式子，当ri＜rj时，为上式，当ri＞rj时，将第二个式子中第一部分的ri换为rj，将第二部分的rj换为ri。αi、αj为常数+1，-1，取决于超导层的绕向，当第i、j层超导层的绕向相同时，αiαj＝1，当第i、j层超导层的绕向相反时，αiαj＝-1。
步骤4、对于三相同轴电缆，同相的超导带材接每相电源，因此为了降低交流损耗，需实现每相内部超导带材的均流。如图5所示的三相等效电路图，对每组三相传输组中A、B、C三相分别进行步骤1～步骤3，并分别代入如下矩阵方程(1)、(2)和(3)：
其中，n为每相超导层的层数，UAi(i＝1,2,…n)表示A相第i层超导层两端的电压，IAi表示A相第i层超导层上传输的电流，LAi表示A相第i层超导层单位长度的自感，MAiAj表示单位长度的A相第i层超导层和A相第j层超导层之间的互感，RAi表示通过在电缆导体的整个长度上取平均值获得的第i层超导层与连接端之间的电阻。同理适用于B相、C相超导带材，且以上参数均为单位长度电缆。
由于每相的所有超导层在其端部连接，所以每相所有超导层两端的电压相同，即UA1＝UA2＝…UAn＝UA，UB1＝UB2＝…UBn＝UB，UC1＝UC2＝…UCn＝UC，且通常相比于电感，接头电阻对于交流损耗的影响较小，所以可以忽略上式中的RAn、RBn、RCn。
步骤5、为了实现每相每根超导带材的均流，有以下条件：
其中，NA1为A相第i层超导层中带材的数量，IA为A相超导层中每根带材上传输的电流，同理适用于B相、C相。根据本式中的条件不断迭代至收敛，即可得到每相每层超导层均流的最佳螺距；
步骤6、磁场抵消原理：
三相同轴电缆，正常工作时，每组三相传输组中A、B、C三相的传输三相平衡电流IA、IB、IC间的关系为：
IA+IB+IC＝0
三相电流幅值相同，相位相差120°，因此其产生三相磁场得以互相抵消。
如图1～图3所示的实施例1，三相传输组4的组数为二；
从而本实施例包括：由内而外依次设置的内冷却通道1、铜绞线骨架2、半导体内层3、第一A相超导层411、第一A相半导体层421、第一A相绝缘层431、第一B相超导层441、第一B相半导体层451、第一B相绝缘层461、第一C相超导层471、第一C相半导体层481、第一C相绝缘层491、第二A相超导层412、第二A相半导体层422、第二A相绝缘层432、第二B相超导层442、第二B相半导体层452、第二B相绝缘层462、第二C相超导层472、第二C相半导体层482、第二C相绝缘层492外冷却通道5和低温容器6；
其中第一A相超导层411、第一A相半导体层421、第一A相绝缘层431、第一B相超导层441、第一B相半导体层451、第一B相绝缘层461、第一C相超导层471、第一C相半导体层481和第一C相绝缘层491组成第一组三相传输组；
第二A相超导层412、第二A相半导体层422、第二A相绝缘层432、第二B相超导层442、第二B相半导体层452、第二B相绝缘层462、第二C相超导层472、第二C相半导体层482和第二C相绝缘层492组成第二组三相传输组；
在本实施例中，第一A相超导层411和第二A相超导层412(各A相超导层41)并联且均与A相电流701相连，第一B相超导层441和第二B相超导层442(各B相超导层44)并联且均与B相电流702相连，第一C相超导层471和第二C相超导层472(各C相超导层47)并联且均与C相电流703相连；在A相电流701、B相电流702和C相电流703运行的电流相位依次相差为120°，且三相电流大小相等。三相平衡电流产生磁场抵消，根据超导带材的临界电流与磁场的关系，其临界电流相应增大，因此每组三相传输组4对其他组无磁场影响，可达到降低交流损耗的效果。同时，由于磁场相互抵消，无需设置超导屏蔽层，由此本发明设计还具有节约超导带材的优点。
在本实施例中，第一A相绝缘层431、第一B相绝缘层461、第一C相绝缘层491、第二A相绝缘层432、第二B相绝缘层462和第二C相绝缘层492(各绝缘层)材料采用聚丙烯复合纤维纸(PPLP)。
在现有技术中，每相的超导层直接依次堆叠，由于每相的所有超导层之间有复杂的交变磁场互相作用，且存在邻近效应，因此随着超导层数的增多，会造成交流损耗的增大，由此限制了增加超导层层数而提高载流能力，现有技术基于此结构最多设置每相超导层层数为2层。在本实施例中，A、B、C三相依次向外堆叠，正常工作时，第一组三相传输组中的A、B、C三相所通电流平衡，磁场作用相互抵消，其对于第二组、…的三相传输组无磁场影响，同理，对于每一组三相传输组其磁场作用均相互抵消，对其他组的超导层无磁场影响，交流损耗减小。这种结构可以向外增加至多组三相传输组，满足为了提高载流量而增加超导层数的需求，同时也降低了交流损耗，实现了高传输电流低损耗的功能。
如图5～图7所示的实施例2，三相传输组4的组数为二；A相超导层41外还设有A相超导附加层71，B相超导层44外还设有B相超导附加层74，C相超导层47外还设有C相超导附加层77；
本实施例包括：由内而外依次设置的内冷却通道1、铜绞线骨架2、半导体内层3、第一A相超导层411、第一A相超导附加层711、第一A相半导体层421、第一A相绝缘层431、第一B相超导层441、第一B相超导附加层741、第一B相半导体层451、第一B相绝缘层461、第一C相超导层471、第一C相超导附加层771、第一C相半导体层481、第一C相绝缘层491、第二A相超导层412、第二A相超导附加层712、第二A相半导体层422、第二A相绝缘层432、第二B相超导层442、第二B相超导附加层742、第二B相半导体层452、第二B相绝缘层462、第二C相超导层472、第二C相超导附加层772、第二C相半导体层482、第二C相绝缘层492、外冷却通道5和低温容器6；
其中第一A相超导层411、第一A相超导附加层711、第一A相半导体层421、第一A相绝缘层431、第一B相超导层441、第一B相超导附加层741、第一B相半导体层451、第一B相绝缘层461、第一C相超导层471、第一C相超导附加层771、第一C相半导体层481和第一C相绝缘层491组成第一组三相传输组；
第二A相超导层412、第二A相超导附加层712、第二A相半导体层422、第二A相绝缘层432、第二B相超导层442、第二B相超导附加层742、第二B相半导体层452、第二B相绝缘层462、第二C相超导层472、第二C相超导附加层772、第二C相半导体层482和第二C相绝缘层492组成第二组三相传输组；
其中第一A相超导层411、第一A相超导附加层711、第二A相超导层412和第二A相超导附加层712均与A相电流701相连，第一B相超导层441、第一B相超导附加层741、第二B相超导层442和第二B相超导附加层742均与B相电流702相连，第一C相超导层471、第一C相超导附加层771、第二C相超导层472和第二C相超导附加层772均与C相电流703相连；
在本实施例中，各绝缘层材料采用聚丙烯复合纤维纸(PPLP)。
Claims (8)
1.一种高传输电流低损耗三相同轴高温的超导电缆，其特征在于，由内而外依次设置的内冷却通道(1)、铜绞线骨架(2)、半导体内层(3)、至少一组三相传输组(4)、外冷却通道(5)和低温容器(6)；其中三相传输组(4)包括：由内之外依次设置的A相超导层(41)、A相半导体层(42)、A相绝缘层(43)、B相超导层(44)、B相半导体层(45)、B相绝缘层(46)、C相超导层(47)、C相半导体层(48)和C相绝缘层(49)，A相超导层(41)与A相电流(701)相连，B相超导层(44)与B相电流(702)相连，C相超导层(47)与C相电流(703)相连；在A相电流(701)、B相电流(702)和C相电流(703)运行的电流相位依次相差为120°且电流相等。
2.根据权利要求1所述的一种高传输电流低损耗三相同轴高温的超导电缆，其特征在于，当三相传输组(4)的组数大于一时，各组三相传输组(4)由内而外依次设置，各A相超导层(41)之间并联连接，各B相超导层(44)之间并联连接，各C相超导层(47)之间并联连接。
3.根据权利要求1所述的一种高传输电流低损耗三相同轴高温的超导电缆，其特征在于，所述A相超导层(41)外设有A相超导附加层(71)，所述B相超导层(44)外设有B相超导附加层(74)，所述C相超导层(47)外设有C相超导附加层(77)；A相超导附加层(71)与A相电流(701)相连，B相超导附加层(74)与B相电流(702)相连，C相超导附加层(77)与C相电流(703)相连。
4.根据权利要求3所述的一种高传输电流低损耗三相同轴高温的超导电缆，其特征在于，所述A相超导附加层(71)、所述B相超导附加层(74)和所述C相超导附加层(77)为高温超导带材。
5.根据权利要求1～4之一所述的一种高传输电流低损耗三相同轴高温的超导电缆，其特征在于，内冷却通道(1)和外冷却通道(5)内流通冷却介质，用以冷却超导层。
6.根据权利要求1～4之一所述的一种高传输电流低损耗三相同轴高温的超导电缆，其特征在于，所述A相超导层(41)、所述B相超导层(44)和所述C相超导层(47)为高温超导带材。
7.根据权利要求1～4之一所述的一种高传输电流低损耗三相同轴高温的超导电缆，其特征在于，A相半导体层(42)、B相半导体层(45)、C相半导体层(48)和半导体内层(3)的材料均为碳纸。
8.根据权利要求1～4之一所述的一种高传输电流低损耗三相同轴高温的超导电缆，其特征在于，A相绝缘层(43)、B相绝缘层(46)和C相绝缘层(49)的材料采用聚丙烯复合纤维纸、牛皮纸或薄膜绝缘材料。
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