CN1341263A - 电缆、构制电缆的方法和电缆的使用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电缆和用于构制电缆的方法,所述电缆具有至少一个电缆芯,所述电缆芯具有3个或多个被绝缘层、电阻层或减少的电接触表面相互隔离的导电层。所述导电层包括电导体,它们以预定的螺距角被螺旋地设置。按照本发明,所述预定的螺距角从径向最内的导电层到位于径向最内的导电层和径向最外的导电层之间的中间导电层逐层地逐步增加,并且所述预定的螺距角从所述中间导电层到径向最外的导电层基本上保持恒定或者逐层地逐步减小。其结果是,可以获得均匀的电流分布,因而减少交流损耗。本发明还涉及按照本发明的交流电缆用作电力电缆的使用。

Description

电缆，构制电缆的方法和电缆的使用

本发明涉及一种电缆，其具有至少一个电缆芯，所述电缆芯包括3个或多个由绝缘层隔开的导电层，其中所述导电层包括以预定的螺距角(pitch angle)被螺旋地设置的电导体。本发明尤其涉及具有减少的交流损耗的电缆。

当使用电力电缆时，一般需要获得尽可能低的功率损耗。适用于具有低损耗的电缆在现有技术中是公知的。现有技术中披露了一种具有至少一个电缆芯的交流电缆，所述电缆芯包括由绝缘层相互隔开的若干个导电层。所述导电层一般由电导体构成，它们以预定的螺距角被螺旋地设置。

由超导材料制成的最内部的导体一般围绕一个中心骨架螺旋地缠绕，借以形成导电层。同样，也由超导材料制成的其它的导电层一般围绕适用于把导电层分开的绝缘层螺旋地缠绕。所需的导电层的数量取决于电缆的特定用途，并且取决于所用的带的电流传输能力。

层之间的电流分布取决于缠绕的螺距、层的半径、层的厚度以及导体的层的电阻率，因为层之间的电感取决于缠绕的螺距。因此，按照现有技术，螺距逐层地以给定的方式被改变。结果，使得在导电层之间的电流分布更均匀，从而使交流损耗减小。

WO 96/39705公开了一种电缆，其具有中心承载本体，围绕着所述中心承载本体至少在3个导体位置以预定的螺距角(pitch angle)被螺旋地设置。在各个导体位置的导体的螺距角被这样选择，使得它们从一个位置到一个位置在径向最内的导体位置的第一值和径向最外的导体位置的第二值之间逐步地增加或者减小。

虽然按照现有技术的交流电缆是有用的，但是它们具有这样的缺点，即，为了获得相等的电流分布，要求缠绕的螺距具有非常大的改变。因此，实际上，难于生产具有这样大的改变的螺距的电缆。

本发明的目的在于提供一种具有低的交流损耗的并且克服了现有技术中的缺点的电缆。

本发明的目的是通过一种电缆实现的，所述电缆具有至少一个电缆芯，所述电缆芯具有3个或多个被绝缘层相互隔离的导电层，其中所述导电层包括电导体，它们以预定的螺距角被螺旋地设置，其中所述预定的螺距角从径向最内的导电层到位于径向最内的导电层和径向最外的导电层之间的中间导电层逐层地逐步增加，并且所述预定的螺距角从所述中间导电层到径向最外的导电层逐层地基本上保持恒定或者逐层地逐步减小。

因而，在这种电缆中获得了均匀的电流分布，因而减少了交流损耗。此外，和现有技术的电缆相比获得了螺距改变较少的电缆。这是有益的，因为具有较大螺距改变的电缆在电缆的冷却期间导致不同层的不同的热收缩。此外，希望在层与层之间的螺距具有小的改变，因为这可以改善电缆的机械性能。

本发明基于这样的事实，即为了设计上述类型的具有小的交流损耗的电缆要解的方程是非常复杂的，因而不可能用解析法求解。所述方程包括多个耦联的参数，使得系统难于求解，即当改变一个参数时，可能影响一个或几个其它的参数。当使用简化模型时，可以解释一些参数之间的关系，例如，发现电感随着导电层半径的增加而减少，并且导电层的自感随着螺距角的增加而增加。在不合超导体的电缆中，层电阻也起作用。实际上，已经发现，当按照本发明设计电缆时，可以在上述类型的电缆的截面上获得均匀的电流分布，从而获得上述的优点。

本发明的目的也可以通过一种电缆来实现，其中：

·至少一个所述的绝缘层具有和其它绝缘层中的至少一个不同的厚度，

·至少一个所述的导电层具有和其它导电层中的至少一个不同的厚度，

·至少一个所述的绝缘层包括和其它绝缘层中的至少一个的材料不同的材料，或者

至少一个所述的导电层包括和其它导电层层中的至少一个的材料不同的材料。

从而获得在电缆中的电流的均匀分布，因而减少了在电缆中的交流损耗。虽然电缆可以构成具有上述特性的单一特性，但是也可以组合两个或多个特性。因而，当设计上述类型的电缆时，获得了增加的自由度，因为可以获得所需的电流均匀分布的电缆，其中通过改变一个或几个附加的参数，即除去改变螺距之外，还可以改变绝缘层的厚度、导电层的厚度、绝缘层的材料与/或导电层的材料。其结果是，可以减少螺距的改变，借以进一步改变电缆的机械性能。

在一优选实施例中，至少一个所述的绝缘层比径向最外的相邻的绝缘层较厚。在另一优选实施例中，至少一个所述的导电层比径向最外的相邻的导电层较厚。

按照另一个实施例，所述的绝缘层的厚度与/或所述的导电层的厚度在径向最内的绝缘层的第一值和径向最外的绝缘层的第二值之间逐层地逐步减少。

在一优选实施例中，导电层材料的电阻率从径向最内的导电层的第一值逐层地增加到径向最外的导电层的第二值，即，本发明可以用于非超导电缆中。

在另一个优选实施例中，所述导体包括超导材料，即本发明可以用于超导电缆中。例如，所述超导材料是高超导温度的超导材料。

本发明还涉及一种用于生产上述类型电缆的方法。

本发明还涉及按照本发明的电缆作为电力电缆的使用。

下面结合附图详细说明本发明，其中：

图1表示按照现有技术的电缆的载流部分的示意的截面图，

图2表示按照本发明的电缆的载流部分的第一实施例，

图3表示按照本发明的电缆的载流部分的第二实施例，

图4表示按照本发明的电缆的载流部分的第三实施例，以及

图5表示在电缆的导电层中的导体的螺距和螺距角。

一般地说，例如，当电缆被用作交流电力电缆如地下电缆或架空电力线，例如用作驱动例如火车的电力线时，在电缆中希望获得尽可能低的功率损耗。

现有技术中披露了一种具有一个电缆芯的电缆，所述电缆芯具有若干个导电层，它们由绝缘层、电阻层或减少的电接触表面相互分开。在本文中绝缘层这个术语应当包括绝缘层、电阻层或减少的电接触表面。导电层一般由电导体形成，它们以预定的螺距角螺旋地设置。

图1是按照现有技术的电缆1的截面图，用于说明电缆1的结构。电缆1包括一中心骨架2，电导体围绕该中心骨架以预定的螺距角螺旋地设置。因而该导体形成一导电层3，其适用于在电缆1中载送电流。

由图可见，所示的电缆1包括4个导电层3，6，9和12。导电层由所谓的绝缘层5，8，11相互隔离，即导电层3和6由绝缘层5隔离，导电层6和9由绝缘层8隔离，依此类推。绝缘层具有给定的恒定的或基本上恒定的厚度。

其它的导电层6，9和12也包括围绕用于把导电层隔开的绝缘层螺旋地绕制的导体。在电缆中的导电层的数量取决于电缆的用途和所使用的带的电流输送能力。

在电缆中的螺距和螺距角如图5所示。该图表示电缆501，其包括由图的左面的图示出的若干层。在图的右方，示出了同一个电缆501。图中还示出了围绕着电缆中的给定层缠绕的导体502。导体502表示在电缆501的导电层中的导体。在图中，WP表示导体的螺距，即从一匝开始到该匝结束时的距离，还示出了螺距角。

层之间的电流分布取决于导体的螺距的不同，因为层之间的电感取决于螺距。按照现有技术，螺距按以下方式改变。在导电层3，6，9和12中的导体的螺距角都具有给定的不同的数值，所述数值被这样选择，使得它们在径向最内的导电层即导电层3的第一值和径向最外的导电层即导电层9的第二值之间逐层地逐步增加或减小。结果，使得电流在各个导电层之间更加均匀地分布，因而和类似的已知的在所有层中的螺距相等或近似相等的电缆相比，可以减小交流损耗。

按照本发明，选择绝缘层或导电层的层半径与/或材料，使得满足(至少近似地)以下的电感方程：

对于

和V_i＝V_j

其中M_ij是电感矩阵，V_i和I_i是层的电压和电流，A_i是层的截面积。根据规定，所有的V_i是相同的(所有的层是并联的)。可以看出，希望得到其中I_i/A_i也相同的电缆。实际上，这通过改变导电层的螺距与/或层的半径与/或绝缘层的材料来实现。下面给出一些例子。

应当注意，在所有层中基本上相等的螺距的电缆的高的交流损耗是由电流集中在电缆的外层这个事实引起的。这使得电缆中的损耗实际上和电缆的尺寸相同的固态管状导体中的损耗相同。

按照现有技术的电缆的缺点在于，为了获得所需的电流均匀分布，螺距要有非常大的改变。这样的电缆通常在技术上是不现实的。此外，在电缆冷却或受热期间，大的螺距改变因为会导致不同层的不同的热收缩是不希望的。此外，希望在层之间的螺距角具有小的改变并具有小的螺距角，因为这能够改善电缆的机械性能。

按照本发明，在导电层中的电导体的螺距角按照下述方式改变。螺距角的值在沿径向最内的导电层的第一值到中间导电层的第二值之间逐层地逐步增加。所述中间导电层是位于径向最内的导电层和径向最外的导电层之间的导电层。此外，螺距角的值在中间导电层的第二值和最外的导电层的第三值之间逐层减少，或者基本上保持恒定。在各个图中没有示出螺距角的改变，但是由图1可见，最内导电层和最外导电层分别由3和12表示。中间层可以是导电层6或者是导电层9。

图2说明按照本发明电缆的另一个实施例。该图是电缆15的截面图，具有中心骨架2和3个导电层3，6和9。这些导电层分别由绝缘层16和18分开，如图所示。例如绝缘层包括聚酯薄膜、聚酰胺、聚酯、纸、聚酯印制的纸或半导体材料，并且也可以包括磁性材料。

在所示的按照本发明的电缆的实施例中，绝缘层16和18的厚度改变，即绝缘层的厚度在径向最内的绝缘层的第一值和径向最外的绝缘层的第二值之间逐层地逐步减少。通过改变导体的绝缘层的厚度，导电层之间的电感被改变。通过适当地选择电缆的各个绝缘层的厚度，使得电流在各导电层之间更均匀地分布，从而减少交流损耗。下面给出按照本发明的电缆的两个例子。

在第一个例子中，电缆由8个导电层构成。中心骨架的外径为35mm，具有绝缘的超导带的厚度是0.23mm。在所示的例子中，使用Bi2223作为超导材料，使用聚酯薄膜作为绝缘材料。其螺距如下。注意负的螺距表示导体的相反的缠绕方向。

4个最内层的厚度是常数，并且4个最外层的厚度也是常数。不过，在层4和层5之间必须有一个0.12mm的间隙，以便使每层中的电流相等，因而使得在临界电流下的损耗最低。

层	1	2	3	4	5	6	7	8
									半径/mm	19.23	19.00	18.77	18.54	18.19	17.96	17.73	17.50
螺距/mm	150	215	340	740	-900	-335	-220	-180

第二个例子表示一种具有4个距离不等的层的电缆，其具有几乎相等的缠绕螺距。给出的半径是缠绕的超导带的厚度为0.18mm时的半径。

层	1	2	3	4
					半径/mm	18.9	18.65	18.2	17.5
螺距/mm	250	270	290	290

应当注意，所得的电缆在3个最外层中具有几乎均匀的电流分布。

还应当注意，螺距是相当小的并且几乎相等，这改善了电缆的机械性能(弯曲)，不同层的收缩的差异最小。

下面说明基本上满足电感相等的超导电缆的缠绕方式的例子。在这种情况下，第一匝(层8)的直径为32mm。

层	1	2	3	4	5	6	7	8
									螺距/mm	205	240	290	350	400	440	480	470

使用厚度为50微米的聚酯薄膜作为绝缘层，并且超导带的厚度大约为0.2mm。应当注意，这是缠绕螺距的一种特殊方式，即外层具有短的缠绕螺距，内层具有长的缠绕螺距，使得层7和层8的螺距不变。

下面给出一个具有中心本体的的4层电缆的例子。中心本体由铝制成，各层由紧密绕制的铜带构成，具有0.05mm厚的聚酯薄膜内层绝缘。

层	1	2	3	4	5
						材料	Cu	Cu	Cu	Cu	A1
外径/mm	51.0	43.9	36.8	29.6	21.8
						螺距/mm	180	300	700	700	∞

可以看出，在超导电缆中有一种共同的趋势，即外层具有短的螺距，即具有大的螺距角，而内层具有较长的螺距，即较小的螺距角。应当注意，在这种电缆中，导电层的层厚从内向外而减小。下面给出铜电缆的另一个例子。在这种情况下，电缆的外径是51mm，本体直径是21.8mm，和上述的例子一样。导电层的厚度接近恒定。应当注意，在表中的符号“∞”表示所述的导电层是实心的。

层	1	2	3	4	5	6	7	8
									材料	Cu	Cu	Cu	Cu	Cu	Cu	Cu	Cu
螺距/mm	150	190	250	400	500	600	600	∞

此外，缠绕的螺距的方式具有上述的趋势：在外层具有短的螺距，在内层具有长的螺距。考虑到电感方程中的量纲和电阻分量，螺距的值已进行过调整，使得基本上满足了所述方程。

当所述导电层的至少一个的缠绕方向相对于相邻的至少一个导电层的缠绕方向相反时，可以进一步改善电缆的机械性能(扭转强度)。

由上述可见，绝缘层厚度的改变可以和导电层螺距角的改变以及导电层的厚度与/或导电层的材料的改变相结合。

应当注意，所述导体可以包括高Tc的超导材料，例如Y-Ba-Cu-O或(Bi，Pb)-Sr-Ca-Cu-O。所述导体也可以包括低Tc的超导材料，例如基于Nb的超导材料。或者，所述导体可以包括常规的导体。还应当注意，所述导体可以形成带，例如多丝超导带。

图3表示本发明电缆的另一个实施例。该图表示电缆20的截面图，其包括一中心骨架2和4个导电层3，6，9和12。所述的导电层由第一绝缘层21，第二绝缘层22和第三绝缘层23隔离，如图3所示。

在所示的实施例中，绝缘层都具有相同的厚度，但是和图1所示的现有技术的电缆相比，绝缘层的材料可以逐层不同，即，第一、第二和第三绝缘层21，22，24分别由第一、第二和第三绝缘材料构成。在一些层中可以包括磁性材料，但是不是在所有层中都包括磁性材料。

按照本发明，绝缘层的材料可以按照它们的磁性能选择。如上所述，有多种因素影响电缆中的电流的分布，按照本发明，发现磁性能便是所述的因素之一。用于隔开两个导电层的绝缘层的磁性能影响导电层之间的互感。绝缘层的磁性能的影响可以使用一个简化的模型来解释。一般地说，互感随着磁化系数的减少而增加。因此，在电缆中的导电层之间的电流的分布可以通过合适地选择绝缘层的材料进行调节，即使得实现均匀的电流分布，从而减少交流损耗。在一个实施例中，绝缘层的磁化系数从最内绝缘层的第一值到比第一值较高的最外层的第二值逐层地逐步改变。

图4表示按照本发明的电缆的另一个实施例。该图表示电缆25的截面图，其包括一中心骨架2和4个导电层3，6，9和12。所述导电层被第一、第二和第三绝缘层26，27和28相互分开，如图4所示。

在这个实施例中，绝缘层的厚度和绝缘层的材料两者逐层地改变。由图可见，绝缘层26，27和28的厚度在径向最内的绝缘层26的第一值和径向最外的绝缘层28的第二值之间逐层地逐步减少。如上所述，绝缘层的材料也可以逐层地改变，并且可以包括磁性材料。

应当注意，按照本发明的电缆的中心骨架可以由任何绝缘材料、常规的导电材料或超导材料制成，根据电缆的用途而定。具有不同厚度的绝缘层的电缆的所述原理也可以用于没有中心骨架的电缆。

此外，应该注意，按照本发明的电缆可以包括任意数量的导电层。同样，绝缘层和导电层的厚度和螺距可以任意地改变。

在本发明的另一个实施例中，一个或几个绝缘层由若干层构成。借以使这种绝缘层可以由不同的材料构成，使得该绝缘层具有所需的机械与/或电特性，这种绝缘层可以称为多层绝缘层。

应当注意，通过组合由绝缘层厚度的改变与/或绝缘材料的改变而获得的的影响来实现所需的交流损耗的减少。此外，导电层的螺距也可以改变。

虽然说明了本发明的优选实施例，但是，本发明不限于这些实施例。在由下面所附的权利要求的构思和范围内，本发明可以用其它的方式实施。例如，在多芯电缆中可以使用相同的原理，即所述类型的电缆可以是由多芯电缆构成的单芯电缆，其具有一个或几个相同的电缆芯与/或一个或几个现有技术的电缆芯。电缆芯也可以包括许多子芯，其可以具有或者不具有按照本发明的电缆芯的结构。作为另一个例子，电缆可以包括一个或几个非同心的导电层与/或绝缘层。此外，可以形成任意形状的一个或几个导电层与/或绝缘层，例如椭圆形的或近似椭圆形的。

Claims (19)

1.一种电缆，所述电缆具有至少一个电缆芯，所述电缆芯具有3个或多个被绝缘层相互隔离的导电层，其中所述导电层包括电导体，它们以预定的螺距角被螺旋地设置，其特征在于，其中所述预定的螺距角从径向最内的导电层到位于径向最内的导电层和径向最外的导电层之间的中间导电层逐层地逐步增加，并且所述预定的螺距角从所述中间导电层到所述径向最外的导电层逐层地基本上保持恒定或者逐层地逐步减小。

2.如权利要求1所述的电缆，其特征在于，至少一个所述的绝缘层具有和其它绝缘层中的至少一个不同的厚度。

3.如权利要求1或2所述的电缆，其特征在于，至少一个所述的导电层具有和其它导电层中的至少一个不同的厚度。

4.如权利要求1-3中任何一个所述的电缆，其特征在于，至少一个所述的绝缘层比径向最外的相邻的绝缘层较厚。

5.如权利要求1-4中任何一个所述的电缆，其特征在于，至少一个所述的导电层比径向最外的相邻的导电层较厚。

6.如权利要求1-5中任何一个所述的电缆，其特征在于，所述的绝缘层的厚度在径向最内的绝缘层的第一值和径向最外的绝缘层的第二值之间逐层地逐步减少。

7.如权利要求1-6中任何一个所述的电缆，其特征在于，所述的导电层的厚度在径向最内的导电层的第一值和径向最外的导电层的第二值之间逐层地逐步减少。

8.如权利要求1-7中任何一个所述的电缆，其特征在于，至少一个所述的绝缘层包括和其它绝缘层中的至少一个的材料不同的材料。

9.如权利要求8所述的电缆，其特征在于，所述绝缘层的磁化系数逐层地改变。

10.如前面任何一个权利要求所述的电缆，其特征在于，至少一个所述的导电层包括和其它导电层中的至少一个的材料不同的材料。

11.如权利要求10所述的电缆，其特征在于，所述导电层材料的电阻率从径向最内的导电层的第一值到径向最外的导电层的第二值逐层地逐渐增加。

12.如权利要求1-10中任何一个所述的电缆，其特征在于，所述导体包括超导材料。

13.如权利要求12所述的电缆，其特征在于，所述超导材料是高超导温度的超导材料。

14.一种构制具有至少一个电缆芯的电缆的方法，所述电缆芯具有3个或多个被绝缘层相互隔离的导电层，其中所述导电层包括电导体，它们以预定的螺距角被螺旋地设置，其特征在于，其中所述预定的螺距角被这样选择，使得从径向最内的导电层到位于径向最内的导电层和径向最外的导电层之间的中间导电层逐层地逐步增加，并且选择所述预定的螺距角，使从所述中间导电层到所述径向最外的导电层逐层地基本上保持恒定或者逐层地逐步减小。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，选择至少一个所述的绝缘层具有和其它绝缘层中的至少一个不同的厚度。

16.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，选择至少一个所述的导电层具有和其它导电层中的至少一个不同的厚度。

17.如权利要求14-16中任何一个所述的方法，其特征在于，选择至少一个所述的绝缘层的材料和其它绝缘层中的至少一个的材料不同。

18.如权利要求14-17中任何一个所述的方法，其特征在于，选择至少一个所述的导电层的材料和其它导电层中的至少一个的材料不同。

19.如前述任何一个权利要求所述的电缆的用途，其中所述电缆用作交流电力电缆，架空线或用于电力驱动车辆的驱动电缆。

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