CN114628076A - 一种二分型三相同轴超导电缆及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种二分型三相同轴超导电缆及其设计方法，二分型三相同轴超导电缆包括波纹管骨架，波纹管骨架的内部形成制冷工质流入通道，波纹管骨架的外部由内至外依次同轴设置有A相通电超导体层、B相通电超导体层、C相通电超导体层以及屏蔽层；所述的A相通电超导体层、B相通电超导体层以及C相通电超导体层中的任意一相、任意两相或全部三相由绕制方向不同的两段带材连接组成。所述的屏蔽层由带材绕制而成，屏蔽层的带材也可以选择在超导电缆长度的二分之一处改变节距和方向继续绕制。本发明将三相同轴超导电缆三相通电超导体层和铜屏蔽层二分后，每层分为两段，各段的节距和绕制方向都可以不同，阻抗调节更加容易，有利于三相同轴超导电缆阻抗平衡。

Description

一种二分型三相同轴超导电缆及其设计方法

技术领域

本发明属于超导电缆技术领域，具体涉及一种二分型三相同轴超导电缆及其设计方法。

背景技术

随着国民经济高速发展，我国城市化的进程仍在不断推进，电力工业作为社会经济发展的重要保障，也面临着越来越多的新挑战：一方面，城市经济高速发展拉动电力需求攀升，大中城市电力负荷及电力负荷密度屡创新高，对城市电力负荷中心的电网进行升级改造尤为迫切；另一方面，城市建设土地资源极为紧张，城市电网改造存在很大的阻力，城市负荷中心电网规划建设的迫切性与困难性之间的矛盾愈加突出。需要采用更高输送能力的输电方式来解决输电通道紧张等问题。作为先进的电网技术之一，超导输电技术利用超导材料处于超导态时高密度(>104-107A/cm²)无阻载流能力，替代常规的铜、铝等金属材料作为载流导体，实现高密度的电能传输。与传统的铜电缆相比，超导电缆具有以下几个优点：

(1)极低的损耗，直流高温超导电缆的导体损耗几乎为零，交流高温超导电缆的损耗是常规电缆的十分之一；相同截面情况下，超导电缆的载流能力是传统铜电缆的五到十倍；

(2)超导电缆可以在更低的电压水平下承载高电压水平的功率容量，通过在低电压等级下的高功率传输，可替代城市变电站和相关辅助设备，大大减少资本投资；

(3)超导电缆采用液氮等作为冷却介质，不会有漏油污染环境和发生火灾的隐患；

(4)超导电缆结构紧凑，减少了电缆隧道和相应支持机构的尺寸，可以在现有的地下管道中安装超导电缆。因此，超导电缆应用在城市负荷中心的地下电缆系统或在特定环境下实现大容量输电方面具有很大的技术优势。

三相同轴超导电缆相比于一般超导电缆，结构更加紧凑，在稳态运行时，三相电流平衡，屏蔽层电流较小，不需要超导带材作为其屏蔽层，超导带材用量减小一半以上，成本更低。

在常规的三相同轴超导电缆结构中，三相同轴超导电缆的导体层，即A、B、C三相是通过一定数量的超导带材绕制而成的，屏蔽层是由一定数量的铜带绕制而成的。电缆的导体层和屏蔽层的节距和绕制方向在绕制过程中不发生改变。由于常规三相同轴超导电缆的各相半径不同，导致三相电磁参数，如自感、相间互感和相间电容存在固有不平衡问题，会引起通流时三相电流不平衡，而三相电流的不平衡会导致三相同轴超导电缆各相损耗增大，屏蔽层也感应出电流，令电缆总体的损耗增加，降低了电网的电能质量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种二分型三相同轴超导电缆及其设计方法，将三相同轴超导电缆导体层和屏蔽层根据需要进行二分化，阻抗调节更加容易。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种二分型三相同轴超导电缆，包括波纹管骨架，波纹管骨架的内部形成制冷工质流入通道，波纹管骨架的外部由内至外依次同轴设置有A相通电超导体层、B相通电超导体层、C相通电超导体层以及屏蔽层；所述的A相通电超导体层、B相通电超导体层以及C相通电超导体层中的任意一相、任意两相或全部三相由绕制方向不同的两段带材连接组成。

作为本发明二分型三相同轴超导电缆的一种优选方案，所述的屏蔽层由带材绕制而成，屏蔽层的带材在超导电缆长度的二分之一处改变节距和方向继续绕制。

作为本发明二分型三相同轴超导电缆的一种优选方案，所述的A相通电超导体层、B相通电超导体层以及C相通电超导体层中的任意一相、任意两相或全部三相的两段带材之间采用焊接进行连接，所述屏蔽层的带材采用铜带。

作为本发明二分型三相同轴超导电缆的一种优选方案，所述A相通电超导体层依次经A相保护层和内绝缘层设置在波纹管骨架的外部。

作为本发明二分型三相同轴超导电缆的一种优选方案，所述B相通电超导体层依次经B相保护层和AB相间绝缘层设置在A相通电超导体层上。

作为本发明二分型三相同轴超导电缆的一种优选方案，所述C相通电超导体层依次经C相保护层和BC相间绝缘层设置在B相通电超导体层上。

作为本发明二分型三相同轴超导电缆的一种优选方案，所述屏蔽层通过外绝缘层设置在C相通电超导体层上，屏蔽层的外部设置保护层。

作为本发明二分型三相同轴超导电缆的一种优选方案，所述A相保护层、B相保护层以及C相保护层均采用铜保护层。

一种所述的二分型三相同轴超导电缆的设计方法，包括以下步骤：

从A相通电超导体层、B相通电超导体层以及C相通电超导体层中选择需要对带材进行二分化处理的任意一相、任意两相或全部三相；

调节二分化处理带材每段的节距和绕制方向来调整三相同轴超导电缆的自感、相间互感，使三相同轴超导电缆达到阻抗平衡。

作为本发明设计方法的一种优选方案，还包括对屏蔽层的带材在超导电缆长度的二分之一处改变绕制节距和方向，进而配合调整三相同轴超导电缆的自感、相间互感，使三相同轴超导电缆达到阻抗平衡。

相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：

常规三相同轴超导电缆的导体层和屏蔽层的节距和绕制方向在绕制过程中不发生改变，由于各相半径不同，导致三相电磁参数，如自感、相间互感和相间电容存在固有的不平衡问题，会引起通流时三相电流不平衡，而三相电流的不平衡会导致三相同轴超导电缆各相的损耗增大，屏蔽层也感应出电流，令电缆总体的损耗增加，降低了电网的电能质量。本发明将A相通电超导体层、B相通电超导体层以及C相通电超导体层中的任意一相、任意两相或全部三相进行二分化处理，每层分为两段，各段的节距和绕制方向都可以不同，基于三相同轴超导电缆的自感、相间互感与每段的节距和绕制方向有关，因此二分化处理后，三相同轴超导电缆的阻抗调节更加容易，有利于三相同轴超导电缆实现阻抗平衡。

进一步的，本发明屏蔽层的带材在超导电缆长度的二分之一处改变节距和方向继续绕制，将三相同轴超导电缆导体层和屏蔽层根据需要进行二分化，既可以任意一相超导层二分，也可以任意两相或三相超导层二分，屏蔽层也可以选择是否二分化处理，便于阻抗平衡调节。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明实施例二分型三相同轴超导电缆结构示意图；

图2本发明实施例二分型三相同轴超导电缆二分化通电超导体层结构示意图；

图3本发明实施例二分型三相同轴超导电缆二分化屏蔽层结构示意图；

附图中：1-制冷工质流入通道；2-波纹管骨架；3-内绝缘层；4-A相保护层；5-AB相间绝缘层；6-B相保护层；7-BC相间绝缘层；8-C相保护层；9-外绝缘层；10-保护层；11-A相通电超导体层；12-B相通电超导体层；13-C相通电超导体层；14-屏蔽层；15-超导体层第一段带材；16-超导体层第二段带材；17-焊接缝；18-铜带。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明实施例的一种二分型三相同轴超导电缆，电缆结构包括用于形成制冷工质流入通道1的波纹管骨架2，波纹管骨架2上绕制内绝缘层3，再在内绝缘层3上绕制A相铜保护层4，A相铜保护层4上绕制A相通电超导体层11，A相通电超导体层11上绕制AB相间绝缘层5，再在AB相间绝缘层5上绕制B相保护层6，B相保护层6上绕制B相通电超导体层12，再在B相通电超导体层12上绕制BC相间绝缘层7，BC相间绝缘层7上绕制C相保护层8，C相保护层8上绕制C相通电超导体层13，再在C相通电超导体层13上绕制外绝缘层9，外绝缘层9上绕制屏蔽层14，最后在屏蔽层14上绕制保护层10，即得到二分型三相同轴超导电缆的主体。

本实施例中，A相保护层4、B相保护层6以及C相保护层8均采用铜保护层。

在一种可能的实施方式当中，A相通电超导体层11、B相通电超导体层12以及C相通电超导体层13中的任意一相、任意两相或全部三相由绕制方向不同的两段带材连接组成。如图2所示，二分型三相同轴超导电缆三相通电超导体层结构，由两段超导带材绕制而成，中间通过搭焊或其他方式焊接。三相通电超导体层包括超导体层第一段带材15以及超导体层第二段带材16，图中超导体层第一段带材15与超导体层第二段带材16之间有焊接缝17。

在一种可能的实施方式当中，屏蔽层14由带材绕制而成，如图3所示，屏蔽层14的带材采用铜带18，屏蔽层14的带材在超导电缆长度的二分之一处改变节距和方向继续绕制。

另一实施例为基于上述实施例二分型三相同轴超导电缆的设计方法，包括以下步骤：

首先，从A相通电超导体层11、B相通电超导体层12以及C相通电超导体层13中选择需要对带材进行二分化处理的任意一相、任意两相或全部三相；

然后，调节二分化处理带材每段的节距和绕制方向来调整三相同轴超导电缆的自感、相间互感，使三相同轴超导电缆达到阻抗平衡。

关于该设计方法，在一种可能的实施方式中，还包括对屏蔽层14的带材在超导电缆长度的二分之一处改变绕制节距和方向，进而配合调整三相同轴超导电缆的自感、相间互感，使三相同轴超导电缆达到阻抗平衡。

由于常规三相同轴超导电缆的各相半径不同，导致三相电磁参数，如自感、相间互感和相间电容存在固有不平衡问题，会引起通流时三相电流不平衡，而三相电流的不平衡会导致三相同轴超导电缆各相损耗增大，屏蔽层也感应出电流，令电缆总体损耗增加，降低了电网电能质量。相比之下，本发明将三相同轴超导电缆导体层和屏蔽层根据需要进行二分化，既可以任意一相超导层二分，也可以任意两相或三相超导层二分，屏蔽层也可以选择是否二分化处理。本发明将三相同轴超导电缆三相通电超导体层和铜屏蔽层二分后，每层分为两段，各段的节距和绕制方向都可以不同。三相同轴超导电缆的自感、相间互感与每段的节距和绕制方向有关。二分后，阻抗调节更加容易，有利于三相同轴超导电缆阻抗平衡。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种二分型三相同轴超导电缆，其特征在于：包括波纹管骨架(2)，波纹管骨架(2)的内部形成制冷工质流入通道(1)，波纹管骨架(2)的外部由内至外依次同轴设置有A相通电超导体层(11)、B相通电超导体层(12)、C相通电超导体层(13)以及屏蔽层(14)；所述的A相通电超导体层(11)、B相通电超导体层(12)以及C相通电超导体层(13)中的任意一相、任意两相或全部三相由绕制方向不同的两段带材连接组成。

2.根据权利要求1所述的二分型三相同轴超导电缆，其特征在于：所述的屏蔽层(14)由带材绕制而成，屏蔽层(14)的带材在超导电缆长度的二分之一处改变节距和方向继续绕制。

3.根据权利要求1所述的二分型三相同轴超导电缆，其特征在于：所述的A相通电超导体层(11)、B相通电超导体层(12)以及C相通电超导体层(13)中的任意一相、任意两相或全部三相的两段带材之间采用焊接进行连接，所述屏蔽层(14)的带材采用铜带(18)。

4.根据权利要求1所述的二分型三相同轴超导电缆，其特征在于：所述A相通电超导体层(11)依次经A相保护层(4)和内绝缘层(3)设置在波纹管骨架(2)的外部。

5.根据权利要求4所述的二分型三相同轴超导电缆，其特征在于：所述B相通电超导体层(12)依次经B相保护层(6)和AB相间绝缘层(5)设置在A相通电超导体层(11)上。

6.根据权利要求5所述的二分型三相同轴超导电缆，其特征在于：所述C相通电超导体层(13)依次经C相保护层(8)和BC相间绝缘层(7)设置在B相通电超导体层(12)上。

7.根据权利要求6所述的二分型三相同轴超导电缆，其特征在于：所述屏蔽层(14)通过外绝缘层(9)设置在C相通电超导体层(13)上，屏蔽层(14)的外部设置保护层(10)。

8.根据权利要求6所述的二分型三相同轴超导电缆，其特征在于：所述A相保护层(4)、B相保护层(6)以及C相保护层(8)均采用铜保护层。

9.一种权利要求1至8中任意一项所述的二分型三相同轴超导电缆的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

从A相通电超导体层(11)、B相通电超导体层(12)以及C相通电超导体层(13)中选择需要对带材进行二分化处理的任意一相、任意两相或全部三相；

调节二分化处理带材每段的节距和绕制方向来调整三相同轴超导电缆的自感、相间互感，使三相同轴超导电缆达到阻抗平衡。

10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于，还包括对屏蔽层(14)的带材在超导电缆长度的二分之一处改变绕制节距和方向，进而配合调整三相同轴超导电缆的自感、相间互感，使三相同轴超导电缆达到阻抗平衡。

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