CN113130131A - 一种冷绝缘低损耗高载流容量高温超导交流电缆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于高导电缆领域的一种冷绝缘低损耗高载流容量高温超导交流电缆；其中，包括：由内而外依次设置的电缆骨架、半导体内层、至少一层超导‑屏蔽组和保护层；其中超导‑屏蔽组包括：主超导层、超导外半导体层、组内绝缘层、主屏蔽层和屏蔽外半导体层，在每层超导‑屏蔽组中主超导层和主屏蔽层运行的电流相位相差为180°。当所述超导‑屏蔽组的层数大于1时，各组超导‑屏蔽组由内而外依次设置且各组超导‑屏蔽组间设有组间绝缘层，各主超导层之间并联连接；各主屏蔽层之间并联连接。本发明传输容量大且交流损耗低，且可根据实际传输需求进一步增加各导体的层数。
Description
技术领域
本发明属于高导电缆技术领域，具体为一种冷绝缘低损耗高载流容量高温超导交流电缆。
背景技术
随着我国用电量的不断增长，对于提高电网传输容量的需求愈发迫切。采用常规导体的传统电能传输方式产生了大量的能耗。相比之下，高温超导电缆由于其传输容量大、损耗低、占用空间小等优点，为大容量电能传输提供了一种更有效的方式。由于我国当前的电能传输主要以交流为主，因此交流高温超导电缆在当前电力系统中的应用也更具有现实意义。
对于现有的冷绝缘高温超导电缆，它是由多层导体层以及屏蔽层构成。屏蔽层仅位于最后一层导体层的外侧，其目的是屏蔽电缆输电时产生的交变磁场，降低外部金属导体中的涡流损耗，减少制冷功率。对于内部的导体层，一般采用靠绕制不同的螺距改变各层电感，实现各层均流的方式降低交流损耗。但实际上，带材流过交流电流时会受到自场以及相邻带材磁场的影响，层间的均流关系会被打破，因而仍会产生较多的交流损耗。对于高传输电流情况，交变磁场很大，导致交流损耗极大地增加，降低电缆的传输能力和效率。本专利可以极大地降低交变磁场和交流损耗，进而提高传输能力和传输效率，尤其适用于短距离高载流容量高温超导电缆应用场合。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种冷绝缘低损耗高载流容量高温超导交流电缆，在电缆传输电流时能有效屏蔽超导层间磁场，从而降低交流损耗，起到提高电缆传输能力的功能；其特征在于，包括：由内而外依次设置的电缆骨架、半导体内层、至少一层超导-屏蔽组和保护层；其中超导-屏蔽组包括：内而外依次设置的主超导层、超导外半导体层、组内绝缘层、主屏蔽层和屏蔽外半导体层，在每层超导-屏蔽组中主超导层和主屏蔽层运行的电流相位相差为180°。
当所述超导-屏蔽组的层数大于1时，各组超导-屏蔽组由内而外依次设置且各组超导-屏蔽组间设有组间绝缘层，各主超导层之间并联连接；各主屏蔽层之间并联连接。
所述主超导层连接负载；所述主屏蔽层接地。
所述超导外半导体层外设有辅助超导层和辅助超导外半导体层，所述屏蔽外半导体层外设有辅助屏蔽层和辅助屏蔽外半导体层；主超导层和辅助超导层之间并联连接，主屏蔽层和辅助屏蔽层之间并联连接；每层超导-屏蔽组中主超导层和辅助超导层运行的电流相位相差相同，每层超导-屏蔽组中主屏蔽层和辅助屏蔽层运行的电流相位相差也相同。
所述辅助超导层连接负载，所述辅助屏蔽层接地。
所述辅助超导层的层数为一层或w层，2≤w，所述辅助屏蔽层的层数、辅助超导外半导体层和辅助屏蔽外半导体层的层数与辅助超导层的层数相等；当辅助超导层的层数为w层时，一层辅助超导层、一层辅助超导外半导体层依次叠加w次的方式设置于超导外半导体层的外侧；一层辅助屏蔽层、一层辅助屏蔽外半导体层依次叠加w次的方式设置于屏蔽外半导体层的外侧。
所述电缆骨架的内部为用于冷却超导层的冷却通道。
所述主超导层和主屏蔽层均采用高温超导带材。
所述半导体内层、超导外半导体层和屏蔽外半导体层的材料均为碳纸。
所述组内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.传输容量大且交流损耗低，由于每个超导-屏蔽组对外显示的磁场为0，消除了临近效应；解决了已经应用的超导电缆最多只有两层(因为采用原有结构时，层数越多临近效应越大)，在研究的超导电缆最多也就四层，且最大电流不超过3000A的问题。
2.可根据实际传输需求进一步增加各导体的层数。
附图说明
图1为本发明一种冷绝缘低损耗高载流容量高温超导交流电缆实施例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为本发明实施例的磁场抵消原理图；
图5为本发明实施例的超导电缆的等效电路图；
图6为本发明实施例2的结构示意图；
图7为本发明实施例2的截面图；
图8为本发明实施例2的端部连接图。
其中：
1-冷却通道，2-电缆骨架，3-超导-屏蔽组，4-组间绝缘层，5-金属铜排，6-汇流母排，8-保护层，9-半导体内层，31-主超导层，32-超导外半导体层，33-组内绝缘层，34-主屏蔽层，35-屏蔽外半导体层，36-辅助超导层，37-辅助超导外半导体层，35-屏蔽外半导体层，38-辅助屏蔽层，39-辅助屏蔽外半导体层，311-第一主超导层，321-第一超导外半导体层，361-第一辅助超导层，371-第一辅助超导外半导体层，331-第一组内绝缘层，341-第一主屏蔽层，351-第一屏蔽外半导体层，381-第一辅助屏蔽层，391-第一辅助屏蔽外半导体层，312-第二主超导层，322-第二超导外半导体层，362-第二辅助超导层，372-第二辅助超导外半导体层，第二组内绝缘层332-，342-第二主屏蔽层，352-第二屏蔽外半导体层，382-第二辅助屏蔽层，392-第二辅助屏蔽外半导体层，313-第三主超导层，323-第三超导外半导体层，333-第三组内绝缘层，343-第三主屏蔽层，353-第三屏蔽外半导体层。
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。
如附图1～6所示的本发明一宽泛实施例，电缆包括：由内而外依次设置的冷却通道1、电缆骨架2、半导体内层9、至少一层超导-屏蔽组3和保护层8；其中超导-屏蔽组3包括：内而外依次设置的主超导层31、超导外半导体层32、组内绝缘层33、主屏蔽层34和屏蔽外半导体层35，在每层超导-屏蔽组3中主超导层31和主屏蔽层34运行的电流相位相差为180°，主超导层31连接负载；主屏蔽层34接地；铜绞线骨架2与主超导层31焊接。
电缆骨架2的内部形成冷却通道，冷却通道用于流通液氮等冷却介质，用以冷却超导层；主超导层31和主屏蔽层34均采用高温超导带材；半导体内层9、超导外半导体层32和屏蔽外半导体层35的材料均为碳纸，作用是均匀电场，改善电场分布；组内绝缘层33的材料采用聚丙烯复合纤维纸、牛皮纸或薄膜绝缘材料。
当超导-屏蔽组3的层数大于1时，各组超导-屏蔽组3由内而外依次设置且各组超导-屏蔽组3间设有组间绝缘层4，其中轴线方向为内；各主超导层31之间并联连接；各主屏蔽层34之间并联连接；组间绝缘层4的材料采用聚丙烯复合纤维纸、牛皮纸或薄膜绝缘材料；
超导外半导体层32外还可以设有辅助超导层36和辅助超导外半导体层37，主超导层31和辅助超导层36之间并联连接；同时屏蔽外半导体层35外还设有辅助屏蔽层38和辅助屏蔽外半导体层39，主屏蔽层34和辅助屏蔽层38之间并联连接；每层超导-屏蔽组3中主超导层31和辅助超导层36运行的电流相位均相同，每层超导-屏蔽组3中主屏蔽层34和辅助屏蔽层38运行的电流相位均相同；辅助超导层33连接负载；辅助屏蔽层38接地；当超导-屏蔽组3的层数大于1时，全部的主超导层31和辅助超导层36之间均并联连接；全部的主屏蔽层34和辅助屏蔽层38之间均并联连接；
辅助超导层36和辅助屏蔽层38均采用高温超导带材；
辅助超导外半导体层37和辅助屏蔽外半导体层39的材料均为碳纸，
本实施例中，各主超导层31、辅助超导层36、主屏蔽层34和辅助屏蔽层38的螺距角选择：
根据超导带材的机械特性以及尺寸，绕制的螺距角θi应满足：
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，εγ为导体层的径向收缩率，ri为带材绕制半径，R为带材的临界弯曲半径。
根据拟选取的超导电缆绕制半径ra以及确定的绕制螺旋角θi，可以确定绕制螺距Lpi：
如图4所示的本实施例中各组超导-屏蔽组3中的磁场抵消原理为：
沿着θi方向即平行于超导带表面的磁场Biθ和轴向方向的磁场Biz为：
平行于超导带材表面且与电流垂直方向的磁场Bi||为：
Bi||＝Bizsinθi-Biθcosθi
平行于电流方向的磁场Bi＝为：
Bi＝＝Bizcosθi+Biθsinθi
rio,rii表示绕制在第i层超导层的内径和外径，rip表示第i层超导层与电缆轴线之间的距离。Lpi和θi为第i层的绕制螺距和螺旋角。αi代表第i层的带材绕制方向，其值取1或－1，在本案中，由于相邻超导层与屏蔽层的电流大小相等，方向相反，因此设置带材绕制方向相同即αiαj＝1，磁场相互抵消，对外体现的磁场为0。
如图5所示的超导电缆的等效电路，用以下矩阵来描述：
其中n和m分别代表主超导层和主屏蔽层的总层数(即超导-屏蔽组3的层数)，Ui代表每层超导层的电压降。所有屏蔽层接地，电压降为0。Ii为每层超导层和屏蔽层的传输电流，Li为第i层超导层或第i层屏蔽层的自感。Mij为第i层和第j层之间的互感，i＝j+1。Ri为每层超导层和屏蔽层的接头电阻，对于无限长电缆，该项可认为是0。
在本案中，超导层与屏蔽层层数相同，即m＝n。
对方案一，由于每个超导层和屏蔽层在磁场的相互作用下对外的磁场为0，即各超导层之间互不影响，因此在上式的自感与互感矩阵中，除了Li，Lj，Msi,i,，Mi,si之外，其余项均为0。即：
对于方案二，其结构为两层超导层与两层屏蔽层相互交叠，因此在上述自感与互感矩阵中，仅有屏蔽层内相邻两超导层、两屏蔽层、超导与屏蔽层之间存在互感，对屏蔽层外部各层均不产生影响。即：
第i层的自感和第i，j层之间的互感可以表示为：
其中，Dp为每一个超导-屏蔽组中最外层屏蔽层的半径，其中p＝1,2,…,n；n为主超导层的层数；ri，rj分别为第i，j层带材绕制半径；αi和αj为常数，取值为1或-1，决定第i，j层的带材绕制方向(例定义+1代表顺时针绕制，-1则代表逆时针绕制)。Lpi和Lpj分别代表第i层和第j层的螺距。
电缆各层之间需要实现均流，各层的电流有以下关系：
均流方案一：
均流方案二：
其中，Ii为每层超导层的传输电流，Isi主屏蔽层的传输电流，ui代表第i层主超导层的带材根数，usi代表第i层屏蔽层的带材根数。
如图1～图3所示的实施例1，超导-屏蔽组3的层数为三；
本实施例包括：由内而外依次设置的冷却通道1、电缆骨架2、半导体内层9、第一主超导层311、第一超导外半导体层321、第一组内绝缘层331、第一主屏蔽层341、第一屏蔽外半导体层351、组间绝缘层4、第二主超导层312、第二超导外半导体层322、第二组内绝缘层332、第二主屏蔽层342、第二屏蔽外半导体层352、组间绝缘层4、第三主超导层313、第三超导外半导体层323、第三组内绝缘层333、第三主屏蔽层343、第三屏蔽外半导体层353和保护层8；其中第一主超导层311、第一超导外半导体层321、第一组内绝缘层331、第一主屏蔽层341、第一屏蔽外半导体层351为第一超导-屏蔽组；第二主超导层312、第二超导外半导体层322、第二组内绝缘层332、第二主屏蔽层342、第二屏蔽外半导体层352为第二超导-屏蔽组；第三主超导层313、第三超导外半导体层323、第三组内绝缘层333、第三主屏蔽层343、第三屏蔽外半导体层353为第三超导-屏蔽组；
第一主超导层311、第二主超导层312和第三主超导层313(全部的主超导层31)通过金属铜排5和汇流母排6与负载305相连；第一主屏蔽层341、第二主屏蔽层342和第三主屏蔽层343(全部的主屏蔽层34)通过金属铜排5和汇流母排6与接地点310相连，
第一主超导层311和第一主屏蔽层341运行的电流相位相反(相差180°)，第二主超导层312和第二主屏蔽层342运行的电流相位相反，第三主超导层313和第三主屏蔽层343运行的电流相位相反；
如图6～图8所示的实施例2，超导-屏蔽组3的层数为二，超导外半导体层32外还设有辅助超导层36和辅助超导外半导体层37，同时屏蔽外半导体层35外还设有辅助屏蔽层38和辅助屏蔽外半导体层39；
本实施例包括：由内而外依次设置的冷却通道1、电缆骨架2、半导体内层9、第一主超导层311、第一超导外半导体层321、第一辅助超导层361、第一辅助超导外半导体层371、第一组内绝缘层331、第一主屏蔽层341、第一屏蔽外半导体层351、第一辅助屏蔽层381、第一辅助屏蔽外半导体层391、组间绝缘层4、第二主超导层312、第二超导外半导体层322、第二辅助超导层362、第二辅助超导外半导体层372、第二组内绝缘层332、第二主屏蔽层342、第二屏蔽外半导体层352、第二辅助屏蔽层382、第二辅助屏蔽外半导体层392和保护层8；
其中辅助超导层361、第一辅助超导外半导体层371、第一辅助屏蔽层381和第一辅助屏蔽外半导体层391为第一超导-屏蔽组；第二辅助超导层362、第二辅助超导外半导体层372、第二辅助屏蔽层382和第二辅助屏蔽外半导体层392为第二超导-屏蔽组；
第一主超导层311、第二主超导层312、第一辅助超导层361和第二辅助超导层362(全部的主超导层31和辅助超导层36之间)通过金属铜排5和汇流母排6与负载305相连；第一主屏蔽层341、第二主屏蔽层342、第一辅助屏蔽层381和第二辅助屏蔽层382(全部的主屏蔽层34和辅助屏蔽层38)通过金属铜排5和汇流母排6与接地点310相连；
第一主超导层311和第一主屏蔽层341运行的电流相位相反(相差180°)，第二主超导层312和第二主屏蔽层342运行的电流相位相反，第一主超导层311和第一辅助超导层361运行的电流相位相同，第二主超导层312和第二辅助超导层362运行的电流相位相同，第一主屏蔽层341和第一辅助屏蔽层381运行的电流相位相同，第二主屏蔽层342和第二辅助屏蔽层382运行的电流相位相同；
在本实施例中，电缆骨架2由铜绞线绕制，同时兼做超导电缆导体保护功能；
在本实施例中，第一主超导层311、第一辅助超导层361、第一主屏蔽层341、第一辅助屏蔽层381、第二主超导层312、第二辅助超导层362、第二主屏蔽层342和第二辅助屏蔽层382均采用高温超导带材；
在本实施例中，半导体内层9、第一超导外半导体层321、第一辅助超导外半导体层371、第一屏蔽外半导体层351、第一辅助屏蔽外半导体层391、第二超导外半导体层322、第二辅助超导外半导体层372、第二屏蔽外半导体层352、第二辅助屏蔽外半导体层392的材料均为碳纸，作用是均匀电场，改善电场分布；
在本实施例中，第一组内绝缘层331、第二组内绝缘层332和组间绝缘层4的材料采用聚丙烯复合纤维纸(PPLP)；
在本实施例中，电缆骨架2使用铜绞线，保护层8采用材料铜；
在本实施例中，第一主超导层311和第一辅助超导层361的金属铜排5引线合二为一，第二主超导层312和第二辅助超导层362的金属铜排5引线合二为一，第三主超导层313和第三辅助超导层363的金属铜排5引线合二为一，第一主屏蔽层341和第一辅助屏蔽层381的金属铜排5引线合二为一，第二主屏蔽层342和第二辅助屏蔽层382的金属铜排5引线合二为一，第三主屏蔽层343和第三辅助屏蔽层383的金属铜排5引线合二为一；
本实施例以一层辅助层为例进行描述，容易理解的是，辅助层的层数根据需要可以设置超过一层；当设置有w层辅助层时，2≤w；同时额外设有w层辅助超导层36、w层辅助超导外半导体层37、w层辅助屏蔽层38和w层辅助屏蔽外半导体层39；其中w层辅助超导层36和w层辅助超导外半导体层37设置于超导外半导体层32的外侧的方式为：一层辅助超导层36和一层辅助超导外半导体层37依次叠加w次的方式；w层辅助屏蔽层38和w层辅助屏蔽外半导体层39设置于屏蔽外半导体层35的外侧的方式为：一层辅助屏蔽层38和一层辅助屏蔽外半导体层39依次叠加w次的方式。
电缆的屏蔽原理如下：确定超导层的运行电流相位；当超导层流过交流电流时，相邻屏蔽层会感应出与超导层电流大小相等、相位相差180°的屏蔽电流；两者产生的磁场方向相反，进而两者产生的磁场相互抵消，整体对外体现磁场为0；其它超导层受到本超导层磁场的影响极小，从而可降低交流损耗；通过调整不同超导层及屏蔽层的带材绕制方向，使各超导层受到其它层的磁场影响均很小，从而实现电缆的高载流能力，同时也减少了交流电缆整体的交流损耗。
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 (10)
1.一种冷绝缘低损耗高载流容量高温超导交流电缆，其特征在于，包括：由内而外依次设置的电缆骨架(2)、半导体内层(9)、至少一层超导-屏蔽组(3)和保护层(8)；其中超导-屏蔽组(3)包括：内而外依次设置的主超导层(31)、超导外半导体层(32)、组内绝缘层(33)、主屏蔽层(34)和屏蔽外半导体层(35)，在每层超导-屏蔽组(3)中主超导层(31)和主屏蔽层(34)运行的电流相位相差为180°。
2.根据权利要求1所述的一种冷绝缘低损耗高载流容量高温超导交流电缆，其特征在于，当所述超导-屏蔽组(3)的层数大于1时，各组超导-屏蔽组(3)由内而外依次设置且各组超导-屏蔽组(3)间设有组间绝缘层(4)，各主超导层(31)之间并联连接；各主屏蔽层(34)之间并联连接。
3.根据权利要求1或2之一所述的一种冷绝缘低损耗高载流容量高温超导交流电缆，其特征在于，所述主超导层(31)连接负载；所述主屏蔽层(34)接地。
4.根据权利要求1或2之一所述的一种冷绝缘低损耗高载流容量高温超导交流电缆，其特征在于，所述超导外半导体层(32)外设有辅助超导层(36)和辅助超导外半导体层(37)，所述屏蔽外半导体层(35)外设有辅助屏蔽层(38)和辅助屏蔽外半导体层(39)；主超导层(31)和辅助超导层(36)之间并联连接，主屏蔽层(34)和辅助屏蔽层(38)之间并联连接；每层超导-屏蔽组(3)中主超导层(31)和辅助超导层(36)运行的电流相位相差相同，每层超导-屏蔽组(3)中主屏蔽层(34)和辅助屏蔽层(38)运行的电流相位相差也相同。
5.根据权利要求4所述的一种冷绝缘低损耗高载流容量高温超导交流电缆，其特征在于，所述辅助超导层(33)连接负载，所述辅助屏蔽层(38)接地。
6.根据权利要求5所述的一种冷绝缘低损耗高载流容量高温超导交流电缆，其特征在于，所述辅助超导层(33)的层数为一层或w层，2≤w，所述辅助屏蔽层(38)的层数、辅助超导外半导体层(37)和辅助屏蔽外半导体层(39)的层数与辅助超导层(33)的层数相等；当辅助超导层(33)的层数为w层时，一层辅助超导层(36)、一层辅助超导外半导体层(37)依次叠加w次的方式设置于超导外半导体层(32)的外侧；一层辅助屏蔽层(38)、一层辅助屏蔽外半导体层(39)依次叠加w次的方式设置于屏蔽外半导体层(35)的外侧。
7.根据权利要求1所述的一种冷绝缘低损耗高载流容量高温超导交流电缆，其特征在于，所述电缆骨架(2)的内部为用于冷却超导层的冷却通道(1)。
8.根据权利要求1所述的一种冷绝缘低损耗高载流容量高温超导交流电缆，其特征在于，所述主超导层(31)和主屏蔽层(34)均采用高温超导带材。
9.根据权利要求1所述的一种冷绝缘低损耗高载流容量高温超导交流电缆，其特征在于，所述半导体内层(9)、超导外半导体层(32)和屏蔽外半导体层(35)的材料均为碳纸。
10.根据权利要求1所述的一种冷绝缘低损耗高载流容量高温超导交流电缆，其特征在于，所述组内绝缘层(33)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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