CN114512275A - 一种结构紧凑型大电流低损耗三相同轴高温超导电缆 - Google Patents

一种结构紧凑型大电流低损耗三相同轴高温超导电缆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种结构紧凑型大电流低损耗三相同轴高温超导电缆。该电缆由内到外依次为内冷却通道、铜骨架、传输组、外绝缘层、屏蔽层和外冷却液通道等；其中，传输组包含三相导体层、相间绝缘层、半导体层，其数量大于等于两组，且相邻的两个传输组的三相相序相反。本发明通过同轴绕制多个相序依次相反的三相传输组，解决了传统三相同轴超导电缆的外侧相的超导带材利用率低的问题。此外，相对于单一相序的多传输组同轴超导电缆，本发明通过改变相邻传输组的三相相序，相邻传输组之间的绝缘层可以舍去，进而降低了绝缘层的介质损耗、减小了电缆的尺寸半径、简化了终端电流引线的布置、提高了电缆的经济性、紧凑性、灵活性与可靠性。

Description

一种结构紧凑型大电流低损耗三相同轴高温超导电缆
技术领域
本发明涉及超导电工技术领域，属于超导电缆应用，尤其是一种结构紧凑型大电流低损耗三相同轴高温超导电缆的设计方法。
背景技术
高温超导电缆相对比于常规的铜电缆有着损耗低、载流量大、结构紧凑等优点，目前在许多重要场合，比如人口密集的市区，超导电缆已经一部分替代了常规电缆。
相对比于屏蔽层与导体层的超导带材数量一致的单相超导电缆而言，高温超导电缆中的三相同轴超导电缆由于在三相电流平衡时对外无磁场影响，最外层的屏蔽层可以采用铜带绕制，节省了大量的超导带材，极大地提高了电缆的经济性以及结构的紧凑性，有着光明的应用场景。
目前常规的三相同轴超导电缆的导体层由内到外依次为A相、B相和C相，随着超导层的层数增加，A相与C相的半径差距越来越大，在保证各层间隙一致的情况下，A、C两相的超导带材数量也相差越来越大，从而导致了C相超导带材的利用率越来越小。此外，常规的三相同轴超导电缆的同一相的各层超导层是彼此绕制在一起的，当层数增多时，由于磁场影响，各层电流分布不均匀，使得交流损耗增加，增加了电缆的运行费用。
对于常规的A-B-C-A-B-C相序绕制的多传输组同轴电缆，其将同一相的各层超导层分解为多个传输组并联，虽然提高了电流分布的均匀性，但是存在着C相的半径比A相大的情况，这将导致每一根超导带材均流与每一层间隙一致无法同时实现。若采取每一根带材均流的方式，三相带材根数相等，C相导体层在电缆最外侧，其间隙明显大于A相，最终使得C相的交流损耗增大；若采取每一层的间隙一致的方式，则C相超导层的带材数量大于A相，在三相电流平衡的前提下无法实现每一根超导带材流过相同幅值的电流，降低了超导带材的利用率与经济性。此外，普通的A-B-C-A-B-C多传输组同轴超导电缆绕制的绝缘层过多，降低了超导电缆的紧凑性以及增加了绝缘层的介质损耗，并同时使终端电流引线的布置变得复杂。
综上可知，目前急需一种新的结构来改善常规三相同轴超导电缆三相等效半径不均匀、外侧相的超导带材的利用率低以及常规多传输组超导电缆的结构紧凑性差、电缆终端电流引线布置复杂等缺点。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明提出了一种结构紧凑型大电流低损耗三相同轴高温超导电缆，通过将超导层分解为相邻之间相序相反的多个传输组，使得三相的等效半径与超导带材数量更加均匀。此外，各个传输组之间无磁场影响，提高了超导带材的利用率、减小了交流损耗。最后，相邻传输组的交接处是同相的超导层，无需绕制绝缘层，从而提高了电缆的紧凑性、降低了绝缘层的介质损耗以及简化了电缆终端电流引线的布置。
本发明的功能可以通过以下技术方案来实现：
一种结构紧凑型大电流低损耗三相同轴高温超导电缆，由内到外依次为内冷却液通道、铜骨架、传输组、外绝缘层、屏蔽层、外冷却液通道、低温容器和外护套。
进一步，传输组的数量大于等于2，且每个传输组都包含三相导体层、相间绝缘层、半导体层。
进一步，相邻两个传输组的三相导体层的相序相反，即传输组由内到外的构成方式有两种，它们分别为：1)A相超导层、A相半导体层、A-B相绝缘层、B相内半导体层、B相超导层、B相外半导体层、B-C相绝缘层、C相内半导体层、C相超导层、C相外半导体层；2)C相超导层、C相半导体层、C-B相绝缘层、B相内半导体层、B相超导层、B相外半导体层、B-A相绝缘层、A相内半导体层、A相超导层、A相外半导体层。
进一步，A、B和C相的传输总电流的幅值相等、相位依次相差120°。
进一步，所述的各传输组中的A、B和C相超导层之间为并联关系。
进一步，电缆由多个相邻之间相序相反的三相传输组同轴绕制而成，绕制的三相传输组的总数量最低为两组，最高没有组数限制，可按照实际需求自行调整组数。
进一步，每一个传输组都由三相超导层、半导体层、相间绝缘层组成，其中每一相超导层的超导带材层数可以是一层或者两层，从经济性角度而言，两层超导层组成的超导电缆损耗最低、电流分布最均匀，但具体实施方案可以根据实际情况自行调整。
进一步，屏蔽层可以由超导带材绕制而成，也可以由铜带绕制而成。本发明在三相电流平衡时对外无磁场干扰，因此从经济性角度而言可以选择铜带绕制屏蔽层，但是当电缆处于较强的外磁场环境时，采用超导带材绕制的屏蔽层可以有效地减小电缆受到外磁场的干扰，提高电缆运行的稳定性，因此具体实施方案随发明应用场景而定。
进一步，铜骨架可以采用铜波纹管，也可以采用铜绞线。当电缆的短路电流较小、短路持续时间较短时，可以采用柔韧性能较好的波纹管；否则采用载流量较大的铜绞线进行绕制铜骨架，以此提高短路稳定性。
本发明有益的技术效果在于：
1)本发明由多个相邻之间三相相序相反的传输组同轴绕制而成，相对比于传统的三相同轴超导电缆，各个传输组的磁场彼此独立，减小了磁场对超导带材的临界电流的影响，从而提高了载流能力、降低了交流损耗；
2)本发明通过改变相邻传输组的三相相序，相对比于现有的A-B-C-A-B-C相序同轴绕制的多传输组同轴超导电缆，相邻传输组之间的绝缘层可以舍去，从而减小了电缆的尺寸半径、简化了终端电流引线的布置以及提高了电缆的经济性和可靠性。
附图说明
图1为实施例的紧凑型大电流低损耗三相同轴高温超导电缆的结构示意图；
图2为紧凑型大电流低损耗三相同轴高温超导电缆的第i个传输组的等效电路图。
附图说明：1-内冷却液通道；2-铜骨架；3-内侧半导体；401-A相的内侧超导层；402-A相的层间半导体层；403-A相的外侧超导层；404-A相的外侧半导体层；405-A、B相之间的绝缘层；406-B相的内侧半导体层；407-B相的内侧超导层；408-B相的层间半导体层；409-B相的外侧超导层；410-B相的外侧半导体层；411-B、C相之间的绝缘层；412-C相的内侧半导体层；413-C相的内侧超导层；414-C相的层间半导体层；415-C相的外侧超导层；5-传输组之间的半导体层；601-C相的内侧超导层；602-C相的层间半导体层；603-C相的外侧超导层；604-C相的外侧半导体层；605-B、C相之间的绝缘层；606-B相内侧半导体层；607-B相内侧超导层；608-B相的层间半导体层；609-B相的外侧超导层；610-B相的外侧半导体层；611-B、A相之间的绝缘层；612-A相的内侧半导体层；613-A相的内侧超导层；614-A相的层间半导体层；615-A相的外侧超导层；7-外侧半导体层；8-外侧绝缘层；9-屏蔽层；10-外侧冷却液通道；11-内侧恒温杜瓦容器；12-外侧恒温杜瓦容器；13-外护套。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。图中绘制的比例并非实际比例，相关设计人员可根据实际情况自行设计尺寸。
本实施例详细描述了一个由两组相序相反的传输组绕制而的紧凑型大电流低损耗三相同轴超导电缆，由内到外各相的相序分别为A-B-C-C-B-A，每个传输组中的每一相导体有两层超导层。应当说明的是，传输组的数量不仅仅局限于两组，而是应当大于或者等于两组。随着传输组的数量越多，在相同的超导带材用量的前提下，本发明相对于常规的三相同轴高温超导电缆更具有经济性与稳定性。
实施例的具体方式为：
电缆由内到外依次为：内冷却液通道1；铜骨架2；内侧半导体3；A相的内侧超导层401；A相的层间半导体层402；A相的外侧超导层403；A相的外侧半导体层404；A、B相之间的绝缘层405；B相的内侧半导体层406；B相的内侧超导层407；B相的层间半导体层408；B相的外侧超导层409；B相的外侧半导体层410；B、C相之间的绝缘层411；C相的内侧半导体层412；C相的内侧超导层413；C相的层间半导体层414；C相的外侧超导层415；传输组之间的半导体层5；C相的内侧超导层601；C相的层间半导体层602；C相的外侧超导层603；C相的外侧半导体层604；B、C相之间的绝缘层605；B相内侧半导体层606；B相内侧超导层607；B相的层间半导体层608；B相的外侧超导层609；B相的外侧半导体层610；B-A相之间的绝缘层611；A相的内侧半导体层612；A相的内侧超导层613；A相的层间半导体层614；A相的外侧超导层615；外侧半导体层7；外侧绝缘层8；屏蔽层9；外侧冷却液通道10；内侧恒温杜瓦容器11；外侧恒温杜瓦容器12；外护套13。
冷却液通道中的冷却液可为液氮；铜骨架采用具有一定角度的铜绞线绕制而成；半导体层采用两层碳纸包饶而成，用于均匀电场；绝缘层中的绝缘材料可以采用聚丙烯复合纤维纸、牛皮纸或薄膜绝缘材料等；屏蔽层采用四层铜带绕制而成，铜带的总截面积应大于或者等于铜骨架的截面积；内、外侧恒温杜瓦容器采用波纹管，以使电缆具有一定的弯曲性；外护套可以采用聚乙烯、聚氯乙烯或者橡胶护套。
此外，为了实现各个传输组的磁场相互独立、充分利用每一根带材的性能和提高电缆的经济性与稳定性，各层超导层的绕制角度应当满足每根超导带材流过的电流幅值相等、每一个传输组的三相电流平衡。为了实现这一功能，每层超导层的绕制角度的确定方法可以按以下步骤求得：
1)列出满足每根超导带材具有均匀传输电流的等效电路矩阵。由于三相电流平衡时，各个传输组之间的磁场相互独立，故电缆总的电路矩阵如下所示：
Figure BDA0003529450300000051
其中，
Figure BDA0003529450300000052
为第i组的电流矩阵，相邻两个传输组的相序相反，例如当
Figure BDA0003529450300000053
时，
Figure BDA0003529450300000054
Figure BDA0003529450300000055
为第i组的电压矩阵，其相序与电流一致；L(i)为第i组的电感矩阵。
三相平衡时，每个传输组的三相电流和几乎为零，对其余组没有磁场影响，每个传输组的电感矩阵可以单独计算。此外，由于超导电缆的接头电阻与电感相比非常小，可以忽略不计；而电容也比较小，同样可以不考虑，最后可以推出电路矩阵中仅有对角元素不为零，其余元素全部为零。
将上式右侧两个矩阵相乘，可以得到n个解耦的方程组，每个方程组对应一个传输组的电路矩阵，其中第i个传输组的电路矩阵如下所示：
Figure BDA0003529450300000056
上式是在传输组由内到外的排列相序依次为A-B-C，且每一相超导层有两层超导带材绕制而成的情况下的电路矩阵。当该传输组是C-B-A相序排列时，需要对上述矩阵中的A、C相对应的元素进行调换；当该传输组任意一相的超导层层数不为2时，需要对矩阵的行数以及相应的元素进行调整。
2)对电缆中各层超导层两端的电压降进行约束。由于各个传输组的各相是并联关系，因此各个传输组中，各相各层两端的电压降应当满足以下关系式：
UA1(1)＝UA2(1)＝…＝UA1(1)＝UA2(n)＝UA
UB1(1)＝UB2(1)＝…＝UB1(1)＝UB2(n)＝UB
UC1(1)＝UC2(1)＝…＝UC1(1)＝UC2(n)＝UC
3)对电缆中每一根超导带材所传输的电流进行约束。为了充分发挥超导带材的性能，应当使每一个传输组中的每一根超导带材的传输电流趋于一致。
Figure BDA0003529450300000061
其中，NA1(i)为A相第i个传输组中第1层超导层的带材的数量，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。
4)约束相邻的两组传输组内的每一层超导层的带材根数。由于相邻的两组传输组的相序相反、三相超导层的等效半径趋于一致，因此以相邻的两组传输组为一个基本单位，通过约束各层超导层的根数，在实现各根带材均流的同时可以使得各个传输组基本单位之间无磁场干扰。根据上述原则，可以得出相邻两组传输组中的各相超导层总根数应当满足下式：
NA1(i)+NA2(i)+NA1(i+1)+NA2(i+1)
＝NB1(i)+NB1(i)+NB1(i+1)+NB1(i+1)
＝NC1(i)+NC1(i)+NC1(i+1)+NC1(i+1)
其中，NA1(i)为第i个传输组中A相第1层超导层的超导带材根数，其余各个元素以此类推。
5)根据确定的绕制角得到每一个传输组的超导层的自感及其各层之间的互感，具体的电感、电容计算公式如下：
Figure BDA0003529450300000062
Figure BDA0003529450300000063
其中，μ0为真空磁导率；D为超导层最外层的半径。
6)根据超导带材的机械性能确定各层绕制角的取值范围，具体计算公式如下：
Figure BDA0003529450300000064
Figure BDA0003529450300000065
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，其正负号由该层的绕制方向而定，规定沿着电缆轴向方向望去满足右手螺旋定则的方向为正方向。
7)确定各层超导层的绕制方向。为了实现各个传输组之间的磁场相互独立，应当确保同一传输组内各相绕制方向的布置保持一致，例如，对于每相由两层超导层构成的一组三相传输组，当第一相超导层由内到外的绕制方向依次为正、负时，其余两相的绕制方向也应该是正、负。此外，为了减少同一传输组内外侧超导层对内侧超导层的磁场影响，应尽量使同一相的各层超导层依次正负交替绕制。
最终，在以上七个步骤中列出的方程组的约束下，通过调整各个传输组中各层超导带材的绕制角度与方向，不停地对方程组进行迭代计算，直到找到一组满足约束的绕制角的组合即可停止迭代，此时所求出的绕制角度则为电缆各层超导带材的实际绕制角度。

Claims (7)

1.一种结构紧凑型大电流低损耗三相同轴高温超导电缆，其特征在于，电缆由内到外依次为内冷却通道、铜骨架、传输组、外绝缘层、屏蔽层、外冷却通道、低温容器和外护套。
2.根据权利要求1所述的结构紧凑型大电流低损耗三相同轴高温超导电缆，其特征在于，每个传输组由内到外的构成方式有两种，它们分别为：1)A相超导层、A相半导体层、A-B相绝缘层、B相内半导体层、B相超导层、B相外半导体层、B-C相绝缘层、C相内半导体层、C相超导层、C相外半导体层；2)C相超导层、C相半导体层、C-B相绝缘层、B相内半导体层、B相超导层、B相外半导体层、B-A相绝缘层、A相内半导体层、A相超导层、A相外半导体层。
3.根据权利要求1所述的结构紧凑型大电流低损耗三相同轴高温超导电缆，其特征在于，所述的各传输组中的A、B和C相超导层之间为并联连接关系，A、B和C相各自传输的总电流的幅值相等、相位依次相差120°，但各个传输组的电流幅值可以不相等，可以根数各层超导带材的数量调整各层的传输电流大小。
4.根据权利要求1所述的结构紧凑型大电流低损耗三相同轴高温超导电缆，其特征在于，每一个传输组都由三相超导层、半导体层、相间绝缘层组成，每一个传输组中每一相的超导层的超导带材层数为一层或两层。
5.根据权利要求1所述的结构紧凑型大电流低损耗三相同轴高温超导电缆，其特征在于，电缆由多个相邻之间三相相序相反的三相传输组同轴绕制而成，绕制的三相传输组的总数量最低为两组，最高没有组数限制，可按照实际需求自行调整组数。
6.根据权利要求1所述的结构紧凑型大电流低损耗三相同轴高温超导电缆，其特征在于，屏蔽层可以由超导带材绕制而成，也可以由铜带绕制而成，可根据实际需求选择绕制的材料。
7.根据权利要求1所述的结构紧凑型大电流低损耗三相同轴高温超导电缆，其特征在于，铜骨架可以采用铜波纹管，也可以采用铜绞线，具体实施方法可根据实际情况进行调整。
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