CN115440436A - 一种紧凑型高温超导电缆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紧凑型高温超导电缆，包括：正多边形管骨架、多组超导带材堆叠组和外护套；所述正多边形管骨架的横截面为正多边形，所述超导带材堆叠组的横截面为梯形，多组所述超导带材堆叠组以所述正多边形管骨架为中心点对称分布，形成呈圆周阵列分布的超导材料；所述超导带材堆叠组的组数和所述正多边形管骨架的边数相同，每组所述超导带材堆叠组的梯形短边固定安装在所述正多边形管骨架每条边的外侧；所述超导带材堆叠组由多层超导带材堆叠而成，所述多层超导带材每层的宽度从内到外依次增加；外护套套设于所述超导材料的外侧。本发明提供的紧凑型高温超导电缆能够同时具备电流载流密度较大、各向同性程度较高和临界电流退降较小的特点。
Description
技术领域
本发明涉及超导电缆技术领域，尤其涉及一种紧凑型高温超导电缆。
背景技术
目前，相对于常规电缆，超导电缆由于其体积更小，载流密度更大，损耗更小等优势，具有良好的应用前景。
由于单根超导带材构成的电缆载流能力有限，因此一般通过直接堆叠多根超导带材的方式提高电缆载流密度，但是这种简单堆叠超导带材的电缆各向同性程度不高，电缆载流能力受外部磁场和自磁场的影响较大，临界电流退降比较严重。
而各向同性程度较高的电缆，例如TSTC电缆和CORC电缆，此种电缆需要超导带材螺旋绕制骨架，为了减少损伤超导带材，骨架尺寸必须大于所选带材的最小弯曲半径，但是从横截面上来看超导带材在电缆中的占比较小，骨架在电缆中的占比较大，骨架并不载流，因此电流载流密度较小。
发明内容
本发明提供了一种紧凑型高温超导电缆，能够同时具备电流载流密度较大、各向同性程度较高和临界电流退降较小的特点。
本发明提供的一种紧凑型高温超导电缆，包括：正多边形管骨架、多组超导带材堆叠组和外护套；
所述正多边形管骨架的横截面为正多边形，所述超导带材堆叠组的横截面为梯形，多组所述超导带材堆叠组以所述正多边形管骨架为中心点对称分布，形成呈圆周阵列分布的超导材料；
所述超导带材堆叠组的组数和所述正多边形管骨架的边数相同，每组所述超导带材堆叠组的梯形短边固定安装在所述正多边形管骨架每条边的外侧；
所述超导带材堆叠组由多层超导带材堆叠而成，所述多层超导带材每层的宽度从内到外依次增加；
外护套套设于所述超导材料的外侧。
优选地，所述正多边形管骨架采用金属材料制成。
优选地，所述正多边形管骨架为空心的冷却介质通道。
优选地，所述正多边形管骨架的侧壁上开设有换热孔。
优选地，所述换热孔为多个按照预设固定间隔分布的换热孔。
优选地，所述外护套采用金属材料制成。
优选地，所述外护套内壁的横截面为正多边形横截面，使得所述超导材料嵌于所述外护套内；
所述外护套外壁的横截面为圆形横截面。
优选地，所述外护套的正多边形横截面每条边的边长大于超导带材堆叠组的梯形长边的长度。
优选地，所述正多边形管骨架以预设螺距纽绞形成。
优选地，所述超导带材为REBCO材料。
本发明提供的紧凑型高温超导电缆，具有以下优点：
正多边形管骨架的横截面为正多边形，超导带材堆叠组的横截面为梯形，多组超导带材堆叠组以正多边形管骨架为中心点对称分布，形成呈圆周阵列分布的超导材料，降低了超导材料表面上垂直磁场的强度，减少垂直磁场对电缆载流能力的影响程度，降低了临界电流退降。
超导带材堆叠组的组数和正多边形管骨架的边数相同，每组超导带材堆叠组的梯形短边固定安装在正多边形管骨架每条边的外侧，超导带材堆叠组由多层超导带材堆叠而成，多层超导带材每层的宽度从内到外依次增加，相对于统一宽度堆叠超导带材的超导带材堆叠组，本发明的超导材料在电缆内的结构更加紧凑、占比更大，增大了电缆的电流载流密度。
通过增加正多边形管骨架的边数，相应增加超导带材堆叠组的组数，由于多组超导带材堆叠组以正多边形管骨架为中心点对称分布，形成呈圆周阵列分布的超导材料，超导带材堆叠组组数的增加会使得超导材料横截面的外边缘更近似为圆形，提高了电缆的各向同性程度，减少外部磁场对电缆载流能力的影响程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的一些实施例，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它的附图。
图1为本发明实施例所述的紧凑型高温超导电缆的结构示意图；
图2为本发明另一实施例所述的紧凑型高温超导电缆的结构示意图；
图3为本发明实施例所述的紧凑型高温超导电缆的正多边形管骨架的结构示意图；
图4为本发明实施例所述的紧凑型高温超导电缆的超导材料的结构示意图；
图5为本发明实施例所述的紧凑型高温超导电缆的外护套的结构示意图；
图中：1、外护套；2、超导带材堆叠组；3、换热孔；4、正多边形管骨架；5、超导材料。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种紧凑型高温超导电缆，能够同时具备电流载流密度较大、各向同性程度较高和临界电流退降较小的特点。
请参阅图1和图4，本发明的一个实施例提供的紧凑型高温超导电缆，包括：正多边形管骨架4、多组超导带材堆叠组2和外护套1；
正多边形管骨架4的横截面为正多边形；
超导带材堆叠组2的组数和正多边形管骨架4的边数相同；
超导带材堆叠组2的横截面为梯形，梯形的短边固定安装在正多边形管骨架4的边外侧；
多组超导带材堆叠组2以正多边形管骨架4为中心点对称分布，形成呈圆周阵列分布的超导材料5；
超导带材堆叠组2由多层超导带材(图中未示出)堆叠而成，多层超导带材每层的宽度从内到外依次增加；
外护套1套设于超导材料5的外侧。
需要说明的是，正多边形管骨架4的横截面为正多边形，超导带材堆叠组2的横截面为梯形，多组超导带材堆叠组2以正多边形管骨架4为中心点对称分布，形成呈圆周阵列分布的超导材料5，降低了超导材料5表面上垂直磁场的强度，减少垂直磁场对电缆载流能力的影响程度，降低了临界电流退降。
超导带材堆叠组2的组数和正多边形管骨架4的边数相同，每组超导带材堆叠组2的梯形短边固定安装在正多边形管骨架4每条边的外侧，超导带材堆叠组2由多层超导带材堆叠而成，多层超导带材每层的宽度从内到外依次增加，相对于统一宽度堆叠超导带材的超导带材堆叠组，本发明的超导材料5在电缆内的结构更加紧凑、占比更大，增大了电缆的电流载流密度。
超导带材堆叠组2的组数和正多边形管骨架4的边数相同，通过增加正多边形管骨架4的边数，可以相应增加超导带材堆叠组2的组数，由于多组超导带材堆叠组2以正多边形管骨架4为中心点对称分布，形成呈圆周阵列分布的超导材料5，超导带材堆叠组2组数的增加会使得超导材料5横截面的外边缘更近似为圆形，提高了电缆的各向同性程度，减少外部磁场对电缆载流能力的影响程度。
现有的TSTC电缆的堆叠组数一般限制为3组，而本发明通过增加超导带材堆叠组2组数的方式，超导带材堆叠组2的组数可以大于3组，超导材料5横截面的外边缘更近似为圆形，可以提高电缆的各向同性程度，减少外部磁场对电缆载流能力的影响程度。
现有的TSTC电缆或者CORC电缆，超导带材在电缆中的占比较小，骨架在电缆中的占比较大，骨架并不载流，电缆的电流载流密度会较小，而为了提高电流载流密度，就必须增大电缆的整体体积，会占用较大的占地空间，经济性和实用性较差。
在本实施例中，超导带材堆叠组2组数为6，正多边形管骨架4的横截面形状为正六边形。本领域技术人员可以根据组数的具体需要设置组数，正多边形管骨架4的横截面形状可以是正三角形、正方形、正五边形和正六边形等。
超导带材堆叠组2超导带材层数和堆叠角度根据所需超导电缆的电流载流大小确定。电缆载流能力与超导材料5在横截面上的面积成正比。在载流能力要求确定的情况下，可以选用少堆叠组数、多堆叠层数的方式来达到载流设计要求，也可以选用多堆叠组数、少堆叠层数的方式来达到设计要求。
例如：四组堆叠组，每组四层超导带材的情况下，堆叠角度等于180度除以层数，此时堆叠角度为45度，则超导材料5横截面积为4(堆叠组数)×[2×0.4(堆叠层数4×0.1)+2×0.4(堆叠层数4×0.1)×0.4(堆叠层数4×0.1)×tan(45)(堆叠角度的正弦)÷2]＝3.84mm2，载流能力是根据具体的超导材料5的材料决定，假定所选超导材料5的载流能力为500A/mm2，则此电缆载流能力为500A/mm2×3.84mm2＝1920A。
在本发明另一个具体的实施例中，正多边形管骨架4采用金属材料制成。
需要说明的是，正多边形管骨架4的管壁具有一定厚度，材质采用金属材料，金属材料可为铜、铝或合金，可以对多组超导带材堆叠组2起到较好的支撑作用和电缆失超分流作用。
在本发明另一个具体的实施例中，正多边形管骨架4为空心的冷却介质通道。
需要说明的是，在冷却介质通道可以通入冷却介质从电缆内部对电缆进行冷却，冷却介质包括但不限于液氮、液氢与液氦等。
请参阅图2，在本发明另一个具体的实施例中，正多边形管骨架4的侧壁上开设有换热孔3。
需要说明的是，正多边形管骨架4的侧壁上开设的换热孔3，可以增大超导带材和冷却介质之间的换热面积，提高电缆的冷却效率。
请参阅图3，在本发明另一个具体的实施例中，换热孔3为多个按照预设固定间隔分布的换热孔3。
需要说明的是，通过一定间隔分布的换热孔3，使得超导带材堆叠组2和冷却介质的换热更加均匀。换热孔3的孔径大小和数量可根据实际需要确定。
在本发明另一个具体的实施例中，外护套1采用金属材料制成。
需要说明的是，金属材料优选为铜、铝或合金，金属材料制成的外护套1能够对内侧的超导材料5进行较好的机械保护作用。
请参阅图5，在本发明另一个具体的实施例中，外护套1内壁的横截面为正多边形横截面，使得超导材料5嵌于外护套1内，外护套1外壁的横截面为圆形横截面。
需要说明的是，外护套1内壁的横截面为正多边形横截面，使得超导材料5可以嵌于外护套1内，可以使得电缆的结构更加紧密，减少电缆的占用体积。
外护套1外壁的横截面为圆形横截面，圆形横截面的电缆在生产过程中最容易加工，结构最稳定，并且圆形电缆易于铺设、安装、弯曲、电镀和运输。
在本发明另一个具体的实施例中，外护套1的正多边形横截面每条边的边长大于超导带材堆叠组2的梯形长边的长度。
需要说明的是，外护套1的正多边形横截面每条边的边长大于内侧对应的超导带材堆叠组2的梯形长边的长度，保证给多组超导带材堆叠组2形成的超导材料5进行限位的同时，留出冷却介质流通的间隙。
在本发明另一个具体的实施例中，正多边形管骨架4以预设螺距纽绞形成。
需要说明的是，正多边形管骨架4是沿电缆轴向方向上进行纽绞形成的，纽绞螺距可以根据所应用超导带材的极限应变来确定，超导带材堆叠组2可以和正多边形管骨架4相同螺距纽绞形成。纽绞电缆可使得电缆结构更加紧密，减少电缆之间相互结构的干扰。
在本发明另一个具体的实施例中，超导带材为REBCO材料。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种紧凑型高温超导电缆，其特征在于，包括：正多边形管骨架、多组超导带材堆叠组和外护套；
所述正多边形管骨架的横截面为正多边形，所述超导带材堆叠组的横截面为梯形，多组所述超导带材堆叠组以所述正多边形管骨架为中心点对称分布，形成呈圆周阵列分布的超导材料；
所述超导带材堆叠组的组数和所述正多边形管骨架的边数相同，每组所述超导带材堆叠组的梯形短边固定安装在所述正多边形管骨架每条边的外侧；
所述超导带材堆叠组由多层超导带材堆叠而成，所述多层超导带材每层的宽度从内到外依次增加；
外护套套设于所述超导材料的外侧。
2.根据权利要求1所述的紧凑型高温超导电缆，其特征在于，所述正多边形管骨架采用金属材料制成。
3.根据权利要求1所述的紧凑型高温超导电缆，其特征在于，所述正多边形管骨架为空心的冷却介质通道。
4.根据权利要求3所述的紧凑型高温超导电缆，其特征在于，所述正多边形管骨架的侧壁上开设有换热孔。
5.根据权利要求4所述的紧凑型高温超导电缆，其特征在于，所述换热孔为多个按照预设固定间隔分布的换热孔。
6.根据权利要求1所述的紧凑型高温超导电缆，其特征在于，所述外护套采用金属材料制成。
7.根据权利要求1所述的紧凑型高温超导电缆，其特征在于，所述外护套内壁的横截面为正多边形横截面，使得所述超导材料嵌于所述外护套内；
所述外护套外壁的横截面为圆形横截面。
8.根据权利要求7所述的紧凑型高温超导电缆，其特征在于，所述外护套的正多边形横截面每条边的边长大于超导带材堆叠组的梯形长边的长度。
9.根据权利要求1所述的紧凑型高温超导电缆，其特征在于，所述正多边形管骨架以预设螺距纽绞形成。
10.根据权利要求1所述的紧凑型高温超导电缆，其特征在于，所述超导带材为REBCO材料。
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| CN202211213247.2A CN115440436A (zh) | 2022-09-30 | 2022-09-30 | 一种紧凑型高温超导电缆 |
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