KR20080000671A - 초전도 다중위상 케이블 시스템, 그 제조 방법 및 그 사용 - Google Patents
초전도 다중위상 케이블 시스템, 그 제조 방법 및 그 사용 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 초전도 다중위상의, 유체-냉각 케이블 시스템에 관한 것으로, 케이블 시스템은 a) 제로 또는 중성 도체 및 적어도 두 개의 전기 위상들을 구성하는 적어도 세 개의 전기 도체들을 포함하는 케이블로서, 상기 전기 도체들은 상호 전기적으로 절연되는 상기 케이블, b) 중심의 길이방향 축을 정의하고 내부 표면을 가지며 상기 케이블을 감싸는 열 단열재로서, 상기 열 단열재의 상기 내부 표면은 상기 전기 도체들을 냉각하기 위한 냉각 유체를 유지하기 위한 냉각 챔버의 방사상의 한계를 형성하는 상기 열 단열재를 포함한다. 본 발명은 또한, 케이블 시스템을 제조하는 방법 및 그 사용에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 유체 냉각 케이블 시스템에 대한 간소한 제조 및 설치 방식을 제공하는 것이다. 이 문제는 상기 길이방향의 축에 수직인 단면에서 볼 때, 케이블이 적어도-그 길이의 일부에 걸쳐서-상기 중심의 길이방향 축에 관해 편심으로 위치된다는 점에서 해결되며, 여기서 편심된 위치는 열 단열재에 관한 케이블의 열적 수축 및 확장을 수용하는 기능을 갖는다. 비-동심 배열, 예컨대, 다수의 조각들로 마련되는 '독립된' 튜브형 열 단열재(예컨대, 진공 절연 튜브) 및 도체들을 포함하는 '독립된' 케이블의 형태의 배열의 장점은 이들 '독립된 구성들'이 병렬 및 독립적으로 제조되고, 간단한 방법으로 합쳐진다는 점이다. 비-동심 해결책은 경제적으로 유리하고, 논리적으로(제조 양식, 재료 양식, 고객 비율 양식, 즉 모든 방면에서 유연한) 유연하며, 제조 시간을 절감하는 잠재력을 갖는다. 본 발명은 예컨대 전력 분배용으로 낮은, 중간 및 높은-전압 초 전도 DC 또는 AC-케이블들에 대해 사용될 수 있다.
케이블, 편심, 이심, 동심, 초전도, 다중위상, 유체 냉각
Description
본 발명은 전력 분배용 AC 또는 DC 케이블들에 관한 것이다.
본 발명은 특히 초전도 다중위상, 유체-냉각 케이블 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 케이블 시스템의 제조 방법 및 그 사용에 관한 것이다.
본 발명은 예컨대, 전력 분배용 낮은, 중간 및 높은-전압의 초전도 케이블들과 같은 적용들에서 유용할 수 있다.
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Triax
)
[S. Foner 및 B. Schwarts의(플레넘 발행 회사, 1974), "Superconducting Machines and Devices"에서, P430~P431에 있는, G. Bogner의 초전도 케이블들에 의한 전기 에너지의 전달] 및 [(1983, CPC 프레스, Boca Raton, FL) T. Tanaka, A. Greenwood의 향상된 전력 케이블 기술- II권 : 현재와 미래, P242 내지 P259]은 3개의 동심(concentric) 위상 도체들을 갖는 3축 초전도 케이블을 설명하고 있다. 초전도체들이 진공상태에 떠 있는 냉각 도관들(ducts)의 표면에 적용된다. 중간 도체(middle conductor)는 환상의(annular) 냉각 도관의 양측들을 코팅한, 이중 도체(double conductor)로 설명된다. 저자는 위상 2의 두 개의 도체들에서의 전류 분배를 제어하는 어려움을 나타내고 있다. 이러한 전류 분배는 위상 2 내의 냉각 도관에서 와상-전류 손실들(eddy-current losses)을 제거하는 것이 바람직하다. 공통의 열 단열재(thermal insulation)(저온 유지 장치(cryostat))는 도체들과 중심이 같다. 전기적 단열은 고체 스페이서들(spacers), 반사 포일들(reflective foil) 및 진공에 의해 달성된다. DE-43 40 046은 3개의 동심 도체들과 공통의 스크린을 갖는 3-축 AC 케이블을 설명하고 있다. 케이블 어셈블리는 열 단열재와 동심이다. 여기에는 동심의 중심 및 환상의 냉각 채널들이 있다. 이 방식에서는, 균일한 냉각이 케이블의 주위에서 달성된다. 3상 도체들은 은 시스(silver sheath)에서 BiSrCaCuO의 리본들(ribbons)로부터 만들어진다. 액화 질소 형태의 냉각 유체는 중심 및 고리-모양의 동심 냉각 채널들에 부유할 수 있다. 위상 도체들은 전기적 절연을 형성하는 PE 또는 폴리프로필렌 리본들의 10~50 mm 두께의 층에 의해 분리된다. 제 3 위상과 스크린 사이의 절연체 두께는 두 개의 위상 도체들 사이의 절연 두께의 60% 밖에 되지 않는다. 냉각 매체는 중심 냉각 채널(50-200 mm Ø)을 벗어나서 고리-모양의 환상 냉각 채널(150-500 mm)로 되돌아온다. 이들 두 유동들 간의 방사열 교환으로 인해, 이 케이블의 원단(far end)은 왕복 유동들 간의 온도차를 넘어서는, 극도의 온도 이탈이 생기게 될 것이다. 내부에 동심으로 집합된 케이블을 갖는 저온 유지 장치의 큰 치수 및 무게로 인한 제조 및 수송의 몇 가지 어려움이 예상될 것 이다. 전기 위상 도체들의 생산 및 설치 유닛의 길이는 저온 유지 장치의 유닛 길이에 의해 제한된다. 저온 유지 장치가 케이블 도체 어셈블리에 대해 제조되는 동안 케이블 어셈블리의 중심성(centrically)을 달성하는데 기술적 어려움이 있다. 그러나, 전류 불안정의 경우, 중심성(centricity)은 편심된 위치(eccentric position)와 비교하여 와상-전류를 감소시키는 원인이 되기 때문에 중심성(centricity)의 달성에 대한 추진력이 되어 갈 수 있을 것이다. 설명된 설계에서, 만약 실제 전력 네트워크들에서 빈번히 발생하는 과전류들(over-currents)에 노출된다면, BSCCO로 구성되는 도체들은 과열될 것이다. 만약, 은 시스가 안정화기로 동작하기 위해 두껍게 만들어진다면, 이 케이블 설계는 비싸져서 매력이 없어질 것이다.
동축(
COAXIAL
)
Sato 외(1997, 적용된 초전도성에 대한 IEEE 회보, 제 7 권 제 2 호, pp 345~350)는 병렬의, 비-동심(non-concentric) 구성의 도체들을 위한 BSCCO 재료를 사용한 3상 HTS 케이블을 설명하고 있다. 각 위상은 포머(former), HTS-도체, LN2가 주입된 PPLP-절연체 및 HTS 절연 스크린을 포함한다. 각 전기 위상은 저온 유지 장치를 구성하고 3개의 개별 위상들을 감싸는 주름진 튜브 시스템에 의해 형성되는 공통의 "외부(outer)" 냉각 채널뿐만 아니라, 냉각 채널의 중심에 위치한 그 자신의 LN2를 갖는다. 이러한 설계는 3-상 AC 시스템들 전용이며, 하나의 위상(3상들 및 3개의 스크린들)의 허용 전류(ampacity)(전류 정격)의 6배에 대한 HTS 재료를 필요로 한다. 양극의 DC 시스템의 경우, 합치하는 "2-상" 시스템은 위상 허용 전류(2개의 위상들 및 2개의 스크린들)의 4배에 대한 HTS 재료를 필요로 할 것이며, 즉 설명한 설계 원리는 위상 허용 전류의 2N 배를 요구한다. 본 발명은 N배부터 N+1배의 HTS 재료들의 위상 허용 전류를 요구하며, 여기서, N은 위상들의 수이다. 본 발명은 N-위상 시스템마다 하나의 포머(former)만이 필요할 뿐이며, 여기서 N>1에 대해, N<N+1 <2N 이다.
Leghissa 외(1999, 적용된 초전도성에서의 IEEE 회보, 제 9 권 제 2 호, pp 406 내지 411)는 110 kV/400 MVA 동축 단상(1-phase) HTS 모델 케이블의 발전을 설명하고 있다. 도체들은 BPSCCO 멀티필라멘트(multifilament) 테이프들로 구성되고, LN2-주입된 합성 테이프들의 고-전압 절연에 의해 전기적으로 절연된다. 케이블은 동축(co-axial) 초전도 실드 도체를 갖는다. 케이블 코어는 초절연의 주름진 튜브들로 구성된 유연한 저온 유지 장치에 허용되며, 배열을 중심에 놓지 않고 저온 유지 장치의 내부의 바닥에 위치한다. 3-상 시스템은 공통의 저온 유지 장치의 내부의 3개의 이러한 단상의, 동축 케이블 도체들 또는 분리된 저온 유지 장치에 있는 각각으로 구성될 수 있다. 케이블은 폐순환(closed-cycle) LN2 시스템으로 냉각된다.
열 수축 관리(
Thermal
contraction
management
)
일본특허출원 제09-134624A는 초전도 케이블을 제조하는 방법을 개시하고 있으며, 여기서 큰 온도 변화(예, 실온으로부터 낮은 동작하는 극저온 또는 그 역까지) 동안 케이블의 길이 변화를 관리하는 문제는, 케이블을 제조하는 동안 열 엔벨로프(thermal envelope)에 공급되고, 동시에 액화 질소에 의해 냉각시켜, 케이블이 열 엔벨로프에서 선형적 경로를 따르게 된다는 점에서 해결된다. 실온으로 연이어 복귀하는 동안, 케이블은 동일한 길이로 한정되고, 열 엔벨로프에서의 비선형적(예, 꾸불꾸불한) 경로를 초래하는 팽창이 허용된다.
종래 기술의 문제점은 유체 냉각 케이블 시스템을 위한 제조 공정이 복잡하고, 시간 소비적이며, 많은 재료의 사용 및 사용 중 상대적으로 낮은 효율을 가진다는 것이다.
본 발명의 목적은 전술한 종래 기술들의 하나 이상의 문제점들을 극복하기 위한 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 유체 냉각 케이블 시스템에 대한 단순화된 제조 및 설치 방식을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 수반된 청구항들에서 설명된 본 발명에 의해 달성되고, 이하에 설명되어 있는 바와 같이 달성된다.
초전도 다중위상 케이블 시스템
본 발명의 목적은 초전도 다중위상의, 유체-냉각 케이블 시스템에 의해 달성되며, 이 시스템은, a) 제로 또는 중성 도체(neutral conductor) 및 적어도 두 개의 전기 위상들을 구성하는 적어도 3개의 전기 도체들을 포함하는 케이블로서, 상기 전기 도체들은 서로로부터 상호 전기적으로 절연된 상기 케이블 및 b) 중심의 길이방향 축을 정의하고 내부 표면을 가지며 상기 케이블을 감싸는 열 단열재로서, 상기 열 단열재의 상기 내부 표면은 상기 전기 도체들을 냉각하기 위한 냉각 유체를 유지하기 위한 냉각 챔버의 방사상의 한계(radial limitation)을 형성하는 상기 열 단열재를 포함하며, 상기 케이블은 상기 길이방향 축에 직각인 단면에서 볼 때-적어도 그 길이의 일부에 걸쳐서-상기 중심 길이방향 축에 대해 편심으로 위치하며, 상기 편심된 위치는 상기 단열에 대한 상기 케이블의 열적 수축 및/또는 팽창을 수용하는 기능을 갖는다.
본 발명의 실시예들에서, '제로 또는 중성 도체(neutral conductor) 및 적어도 두 개의 전기 위상들을 구성하는 적어도 3개의 전기 도체들을 포함하는 케이블'은 예컨대, 두 개의 전극들 및 중성(dc 경우에 대해) 또는 세 개의 전기 위상들 및 스크린/중성/그라운드 도체(3-상 AC 경우에 대해)를 갖는 케이블로 이해된다.
본문에서, "중심을 달리하여 배열된" 용어는 비-중심 배열로 예컨대, 결과적인 케이블 시스템이 원형 대칭이 아니라는 의미(즉, 케이블 시스템의 단면도는 튜브형 열 단열재의 중심 길이방향 축을 중심으로 360도 회전했을 때만 자신으로 대체됨)로 취해진다. 즉, 튜브형의 열 단열재(및 함께 "케이블"로 불리는, 그들의 상호 전기 절연체 및 가능한 "내부" 냉각 챔버들/채널들) 내의 전기 도체들에 의해 구성되는 몸체의 중심축은 튜브형 열 단열재의 중심 길이방향 축과 일치하지 않는다. 주어진 단면도에서, 또 다른 몸체에 대한 몸체(여기서는 열 엔벨로프의 내부 표면 또는 외부 표면에 대한 케이블)의 편심률(eccentricity)은 가장 큰 몸체(실질적으로 원형 단면들을 취한다; 그렇지 않으면 편심률은 특징적인(예, 가장 큰 또는 가장 작은) 단면적 차원)에 대해 정의될 수 있다)의 반경에 대한 몸체들의 중심들 간의 차이로 정의된다.
일 실시예에서, 케이블은 실질적으로 그 전체 길이에 걸쳐서 중심 길이방향 축에 대해 편심으로 위치한다. 일 실시예에서, 편심률은 케이블 시스템의 길이에 따라 변화한다. 대안적으로, 편심률은 케이블 시스템의 길이 또는 케이블 시스템의 부분에 따라 반드시 일정할 수도 있다.
실시예에서, 열 단열재(저온 유지 장치)의 내부 표면은 열 단열재(저온 저장 장치)의 외부 표면에 비해 유연하게 이동 가능하다. 실시예에서, 열 단열재의 내부 표면은 케이블 시스템의 길이를 따라, 예컨대, 구불구불한 경로와 같은 비-선형 경로를 갖는다. 이것은 케이블이 비-극저온의 온도들(예, 실온)에서 압축하는 경우 더욱 양호하게 저온 유지 장치의 공간을 이용할 수 있는 장점을 갖는다(예컨대, 도 11c 참조).
바람직하게는, 1-(Dout , cable/Din , cryo) (즉, 2*Δex /Din , cryo, 아래 참조)로 정의된 열 단열재의 내부 표면(즉, 직경 Din, cryo를 갖는 내부의 저온 유지 장치 벽)에 대한 케이블(외경(outer diameter) Dout ,cable을 갖는)의 편심률은 1%~20% 범위에 있으며, 예컨대, 5%~15% 범위에 있다. 바람직하게는, 열 단열재의 외부 표면(즉, 직경 Dout,cryo를 갖는 외부의 저온 유지 장치 벽)에 대한 케이블의 편심률은 1%~50% 범위에 있으며, 예컨대, 10%~45%, 20%~30% 범위에 있다.
일 실시예에서, 주어진 단면에서 케이블의 편심률은 케이블의 상이한 온도들에서 상이할 수 있다.
일 실시예에서, 초전도 다중위상의, 유체-냉각 케이블 시스템은 a) 제로 또는 중성 도체(neutral conductor) 및 적어도 두 개의 전기 위상들을 구성하는 적어도 3개의 전기 도체들을 포함하는 케이블로서, 상기 전기 도체들은 서로 상호 전기적으로 절연되고, 상기 전기 도체들 중 적어도 일부는 전기적 절연에 의해 분리된 서로의 주변에 동심으로 배열되고, 상기 제로 또는 중성 도체는 공통적인 전기 리턴 도체를 형성하고, 상기 케이블 시스템은 상기 전기 위상들 및 상기 제로 또는 중성 도체를 둘러싸고 그들로부터 전기적으로 절연된 공통의 전기 스크린을 포함하는, 상기 케이블, 및
b) 중심 길이방향 축을 정의하고 내부 표면을 가지며 상기 케이블을 감싸는 열 단열재로서, 상기 열 단열재의 상기 내부 표면은 상기 전기 도체들을 냉각하기 위한 냉각 유체를 유지하기 위한 냉각 챔버의 방사상의 한계를 형성하는, 상기 열 단열재를 포함하며,
상기 케이블은 상기 길이방향 축에 직각인 단면에서 볼 때-적어도 그 길이의 일부에 걸쳐서-상기 중심 길이방향 축에 대해 중심을 달리하여 위치하며, 다음의 식에서 Δex 는 케이블의 중심선에서 열 단열재의 중심선까지의 평균거리이고 상기 케이블의 상기 길이방향의 열적 수축,εL에 관련된다는 점에서, 상기 편심된 위치는 상기 열 단열재에 대한 상기 케이블의 열 수축 및/또는 팽창을 수용하는 기능을 가지며:
상기 케이블 중심선은 실질적으로 상기 저온 유지 장치의 내부의 스크류-라인을 설명하며, Lp는 이 스크류 라인의 피치 길이(pitch length)이다.
중심을 달리하여 위치된 상호-병렬(예, 트라이애드(triad)) 시스템에 비해 중심을 달리하여 위치된 동심의 다중위상 케이블 시스템(예, 3축)의 이점은 보다 큰 포머와 위상 직경이 (열 엔벨로프의 동일한 내경(inner diameter)에 대해) 더 낮은 자기장들을 야기하고 따라서, 보다 높은 임계 전류 및 더 낮은 AC-손실들을 초래하는 것이 가능하며, 또한 재료들을 덜 사용하고 보다 높은 에너지 효율을 갖는 케이블 시스템을 제공할 수 있게 해준다.
어셈블리의 용이함(Ease of assembly)
예컨대, 도체들과 '분리된'(대표적으로 튜브형의) 열 단열재(예, 진공 절연 튜브, 저온 유지 장치)를 포함하는 '분리된' 케이블의 형태로, 스페이서들이 튜브형의 열 단열재(예, 진공 절연 튜브)가 그 주위에 생성되기 전에 '케이블'상에 탑재되어야 하는 동심의 빌드-업(build-up)과 비교할 때, 비-동심 배열이 갖는 장점은 이들 두 '개별 요소들'이 병렬적으로 생성되고 간단한 방법으로 결합될 수 있다는 것이다. 중심의 스페이서 배열들의 부재는, 예컨대, 열 단열재에 케이블 도체를 불어넣기, 밀기, 또는 당기기 또는 케이블 도체 위에 저온 유지 장치의 부분들을 끼워넣기(thread)와 같은 것을 통해, 저온 유지 장치의 내부에 케이블 도체 어셈블리의 설치를 용이하게 한다. 따라서, 비-동심의 해결책은 경제적으로 유리하고, 논리적으로 유연하며, 제조 시간 및 경비를 절감할 수 있는 잠재력을 갖는다.
유동 저항(flow resistance)의 감소
열 엔벨로프에 대한 케이블 위치의 편심률은 또한 동축의 경우와 비교할 때 유동 저항의 감소를 가져온다는 장점을 갖는다(예, 프랭크 M, 화이트의 "Viscous Fluid Flow", McGraw-Hill, P127(도 3 내지 8 포함) 참조).
선택적 케이블들 및 수단
또한, 예컨대, 열 엔벨로프 내에 모니터링 또는 통신 목적으로 하나 이상의 다른 선택적 케이블들 또는 구성요소들을 위한 증가된 공간을 제공할 수 있는 장점을 갖는다.
열 수축
또한, 편심률은 도체의 열 수축에 대해 이미 부분적으로 빌트-인 보상과 함께 케이블의 길이방향으로의 도체의 열 수축을 보상하기 위한 메커니즘을 제공한다.
실현성
전력 네트워크에서의 초전도 케이블 시스템의 실현성 및 이용가능성은 실패의 경우에 케이블 시스템의 복구(repair) 시간에 달려 있다. 케이블 시스템들에서 가장 일반적인 실패의 요인은 굴착 공사와 같은 외부적 인자들에 대한 손해이다. 따라서, 열적으로 단열하는 저온 유지 장치가 파손될 것이다. 진공 절연체는 가장 효율적인 열 단열재이기 때문에, 손해가 발생한 것 같으면 펌핑을 통해 케이블에 진공을 재-확립시켜야 한다. 펌핑 시간은 펌핑 거리가 길수록 길어진다. 긴 저온 유지 장치들에 다수의 펌핑 포트들을 삽입하는 것이 가능하다. 그러나, 본 발명에서, 기능적으로 필수적인 저온 유지 장치들의 수는 케이블 유닛들의 수보다 크다. 이러한 방식으로, 실패했을 때, 재-확립을 요하는 저온 유지 장치의 길이는 케이블 도체 어셈블리의 길이의 반으로 감소하거나 또는 더 짧아진다. 이 방법에서, 펌핑 시간과 이에 따른 복구 시간이 감소될 수 있다. 또한, 펌핑 스테이션들의 수가 감소될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 케이블 도체 어셈블리는 1 km 보다 길며, 저온 유지 장치 부분들의 수가 10보다 크고, 채굴 손해에 따른 수선 중의 펌핑 스테이션들 및 펌핑 포트들의 수는 1이다. 이것은 사용자에게 보다 높은 이용가능성을 가진 더 신뢰가능한 케이블 시스템을 야기한다.
정의들
본문에서, '케이블 도체 어셈블리' 또는 간단히 '케이블' 용어는 전기 도체들 및 인접한 전기 도체들(및 선택적으로 이에 관련된 추가적인 층들) 사이에 대응하는 전기 절연체를 포함하는 케이블 시스템의 일부에 사용된다. 따라서 본 발명에 따른 케이블 시스템은 상기 의미의 '케이블' 및 케이블을 둘러싸는 열 단열재를 포함하며, 여기서 상기 케이블은 열 단열재의 중심 길이방향의 축에 대해(적어도 그 길이방향의 확장 부분에 걸쳐서) 편심으로 위치한다.
본문에서 용어 '낮은-전압, 중간-전압 및 높은-전압'은 각각 24V 내지 6kV, 10kV 내지 30kV, 및 50kV 이상을 의미하는 것으로 이해된다. 본 발명에 따른 케이블 시스템은 kV-형의 전압들, 예컨대, 5kV 내지 50kV 또는 50kV 이상의 범위, 예컨대, 60kV 이상, 100kV 이상의 범위의 전압들을 분배하는데 적합하다.
본문에서, 용어 '다중위상'은 하나 이상의 전기 위상, 예컨대 2 또는 3 이상의 전기 위상들을 의미하는 것으로 간주된다.
용어 '극저온 엔벨로프', '열 엔벨로프' 및 '열 단열재'는 전기 도체들 주변을 둘러싸는 구조적 요소들 및 그의 상응하는 전기 절연체 및 보호층들(케이블)에 대해 번갈아가며 사용되며, 상기 전기 도체들을 냉각하기 위한 냉각 유체를 보존하기 위한 냉각 챔버를 형성한다.
일 실시예에서, 전기 도체들(및 그 전기 절연체 및 가능한 '내부' 냉각 챔버들/채널들)에 의해 구성된 케이블은, 튜브형 열 단열재의 내부 표면과 물리적으로 접촉하기 위해, 열 단열재의 길이방향 축에 의해 정의된 방향으로 적어도 그 길이의 일부들에 걸쳐서, 튜브형의 열 단열재 내에 위치된다.
본 발명에 따른 케이블 시스템의 길이방향은 예컨대, 케이블 주위를 싸는 절연체의 축에 의해 정의되는 것과 같이, 케이블 시스템의 전력을 전송하려는 방향을 의미한다.
3축(triax) 및 트라이애드(triad) 형태들의 용어는 본 명세서에서 동심 배열(3축, 도 8a의 801 참조) 및 피라미드 형태(트라이애드: ∴, 도 8b 참조)에서의 3개의 전기 위상들을 포함하는 케이블 형태들에 대해 사용된다.
편심률(eccentricity)의
정의:
주어진 물체의 단면에서 일부들의 위치에 관한 용어 '편심된(eccentric)'은 '물체의 기하하적 중심 이외의 다른 곳에 위치하는'을 의미하는 것으로 이해된다. 즉, '케이블'이 '열 단열재'에 대해 편심으로 위치한다는 것은 '케이블'의 기하학적 중심이 열 단열재의 기하학적 중심과 일치하지 않는다는 것을 의미한다.
용어 '편심률'은 본문에서 길이방향에 수직한 단면에서 튜브형읜 열 단열재(예, 만약 내부적으로 원형이라면, 그 반경)의 가장 큰 내부 반경 치수(즉, 중심에서-벽까지)에 관해, 각각 튜브형의 절연체의 외벽 또는 내벽의 중심들과 케이블 간의 거리를 의미한다.
도 8은 본 발명에 따른 유체 냉각 고-전압 케이블 시스템을 도시하고 있고, 도 8a는 공통의 전기 스크린을 가진 동심으로 배열된 3상 배열을 도시하고, 도 8b는 공통의 전기 스크린과 나란히 배열된 3상 배열을 도시하고 있다.
도 8은 본 발명에 따른 케이블 시스템(800)의 치수 파라미터들을 도시하고 있다. 케이블(801) 및 열 엔벨로프(816)의 중심들(840, 841)은 각각 'x'-들로 표시된다(여기서 중심들은 각각 케이블 및 열 엔벨로프의 외부 제한들의 기하학적 중심들로 결정된다). 그들의 상호 중심에서 중심까지의 거리는 Δex로 표시된다. 케이블(801)의 외경(dcab) 및 열 엔벨로프(816)의 내경(dce)이 표시되어 있다. 열 엔벨로프(816)의 내부(8161) 및 외부(8162) 벽들이 표시되어 있다. 본문에서, 케이블 시스템의 편심률은 열 엔벨로프의 내경의 (dce/2)에 대한 중심에서 중심까지의 거리(Δex)의 비율로 정의된다. 따라서 편심률(Ex)은 Ex=2*Δex/dce 로 표현될 수 있다.
열 수축
편심된 케이블 설계의 목적들 중 하나는 냉각될 때 케이블 도체의 열 수축을 수용하는 것이다. 이것은 본 발명에서 따뜻한(실온, RT) 케이블 시스템에서의 열 단열재에 대한 케이블 과도-길이를 도입함으로써 부분적으로 달성된다. 케이블의 RT-과도-길이는, 케이블이 그 동작 온도까지 냉각될 때, 케이블 및 저온 유지 장치가 그들의 각자의 기계적 제약들을 넘지 않고 유사한 길이들을 갖게 되는 방법 등으로 설계된다. 본 예에서, 상이한 접근법들에서의 과도-길이들은 정량화된다.
일부 과도-길이를 수용하는 능력은 다음의 경우들에 대해 계산된다:
1) 직선의 내부 저온 유지 장치 벽 내부에서 사인 곡선과 같이 물결 모양을 이루는 케이블 도체
2) 직선의 내부 저온 유지 장치 벽 내부에서 편심된 스크류-라인상에 있는 도체
3) 직선의 외부 저온 유지 장치 벽 내부에서 사인 곡선과 같이 함께 물결 모양을 이루는 케이블 및 내부 저온 유지 장치 벽
4) 직선의 외부 저온 유지 장치 벽 내부에서 함께 스크류 라인들 상에 있는 도체 및 내부 저온 유지 장치 벽
5) 내부 저온 유지 장치 벽에 따라 90°굴곡까지, 사인 곡선과 같이 물결 모양을 이루는 외부 저온 유지 장치 벽 및 외부 및 내부 굴곡들에서 매우 편심된 위치들로 가정되는 케이블
계산들은 외경(OD)이 65 mm이고, 열 엔벨로프(저온 유지 장치)의 내경(ID)이 84 mm 외경이 150 mm인 케이블 도체 어셈블리를 갖는 케이블 시스템에 대해 수행되었다.
계산들은 미국의 마이크로소프트사의 엑셀 스프레드 시트 소프트웨어를 사용하여 수행했다. 사인 곡선 경로의 길이 P는 근사치로 추정되었다.
여기서,
Lp는 피치 길이 또는 사인 곡선의 주기적 길이이고, Δex는 사인 곡선의 진폭이다. 스크류-라인의 길이는 다음과 같이 계산된다.
이들 계산에 대한 예들은 다음과 같다.
1. 3 kA(rms) AC 3축 케이블 경우의 실현은 경우 제 5 예(굴곡들)와 결합된 제 4 예(스크류 라인들)와 유사할 수 있다. 이는 케이블 도체가 1.5m 내지 3m의 피치 길이 Lp로, 대략 18 내지 25mm의 Δex에 상응하여, 12 내지 17%의 편심률(Ex)로 휠 것을 요구할 것이다. 만약 또한 외부 저온 유지 장치가 몇몇 위치들에서 휜다면 열 수축은 더 잘 수용될 것이다. 이것은 케이블 도체가 휘는데 또한 도움이 된다. 그러나, 이는 저온 유지 장치로 조립하는 동안 케이블에 당기는 힘들을 증가시킬 수 있다.
2. 열 팽창을 수용하는 능력은, 외부 저온 유지 장치 내의 내부 저온 유지 장치 벽의 이동도를 ~20-25 mm로 유지하면서, 대략 ~20mm의 내부 저온 유지 장치(ID)와 케이블(OD) 사이의 갭을 필요로 한다. 이 방법에서, 케이블의 편심률은 Δex=(20+25)/2=22.5 mm에 상응하여, Ex=30%까지 올라갈 수 있다.
특정 실시예에서, 케이블은 상기 길이방향에 의해 정의된 바와 같이, 적어도 그 길이의 일부에 걸쳐서 상기 열 단열재의 상기 내부 표면과 물리적 접촉을 갖는다. 이는 스페이서들을 필요로 하지 않는다는 장점을 갖는다.
특정 실시예에서, 케이블은 휨과 열 수축과 같은 인력 및 기계적 제약들에 의해 결정되는 위치에서 상기 열 단열재의 상기 내부 표면과 물리적 접촉을 갖는다. 이것은 도체/케이블 및 저온 유지 장치의 어셈블리를 분리할 수 있는, 스페이서들의 요구를 피할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 도체의 열 수축의 일부에 수용할 수 있게 한다.
특정 실시예에서, 적어도 그 길이의 일부에 걸쳐서, 바람직하게는 그 길이의 대부분에 걸쳐서, 튜브형의 열 단열재의 중심 세로 방향 축에 대한 케이블 위치의 편심률은 5%보다 크고, 예컨대 10%보다 크고, 예컨대 20%보다 크고, 예컨대 35%보다 크다. 주어진 케이블 설계에 대해 실질적으로 선택된 편심률은 단면 크기 및 필요한 열 보상 사이의 타협이다. 보다 중심이 다를수록, 과도-길이 적용 가능성이 더 클수록, 일반적으로, 열 엔벨로프의 단면이 더 커지고 따라서 재료 소비가 더 늘어난다.
특정 실시예에서, 하나의 편심된 위치로부터 또 다른 편심된 위치로의 케이블 도체 어셈블리의 이동은, 케이블의 냉각 및 웜-업(warm-up) 동안 발생하거나 또는 과전류 또는 누설 전류(fault current)에 의해 야기되는 열 수축 및 팽창을 보상한다. 이것은 예컨대, 종단들의 이동을 보상할 수 있도록 보강된 기계적 설치물들 또는 롤러들과 같은 추가적인 보상 루프들 또는 다른 종단들의(termination)의 사전 조치들을 필요로 하지 않는다는 장점을 갖는다.
방사상의 수축(Radial contraction)
본 발명의 케이블 도체 어셈블리는 초전도 원소들 및 보통의-전도성 원소들의 본래의 재료 특성들과 비교할 때, 그 길이방향의 열 수축을 감소시키도록 구성될 수 있다. 전기적 절연층들은 큰 피치 각(40 내지 90 도)으로 느슨하게 감길 수 있고 이에 따라 냉각시의 방사상의 열 수축이 커지는데, 예컨대, 주위 온도에서 70K로 냉각될 때 1-5% 정도이다. 방사상의 수축의 추가적 개선은 유전체층(dielectric layer) 아래의 유연층(flexible layer)에 의해 얻어질 수 있다. 이러한 유연층은 다공성 중합 물질 또는 스프링-동작을 보여주는 넓은(5 내지 20mm) 유연한 금속의 또는 중합 테이프들로 만들어질 수 있다. 이러한 큰 방사성 수축은 케이블의 초전도 테이프들 및 금속의 전체 길이 수축 또는 그 일부를 수용하며 이는 예컨대, 0.25%, 0.3% 또는 0.4%가 될 수 있다. 이것은 케이블의 길이방향의 수축을 예컨대, 0.25%, 0.2%, 0.1% 또는 0% 까지 감소시킨다. 큰 방사성 열 수축은 또한 유전체 테이프들의 섬유 방향에 의해 부분적으로 얻어질 수도 있다. 예를 들어, 섬유 강화 폴리머는 섬유들이 케이블의 축과 평행한 경우, 길이방향의 수축이 거의 중성이고 큰 방사성 수축을 갖는다. 이 방법에서, 케이블 도체 어셈블리의 구성 요소들의 열 수축의 일부는 방사성 수축을 통해 수용되며, 나머지 길이방향의 열 수축은 하나의 편심된 위치로부터 두 번째 편심된 위치까지의 도체 어셈블리의 이동에 의해 수용된다.
정량화된 편심률(Quantified eccentricity)
일 실시예에서, 튜브형의 절연체의 중심 길이방향의 축에 대한 케이블의 편심률은 5%보다 크며, 예컨대 10%보다 크고, 예컨대 15%보다 크고, 예컨대 20%보다 크고, 예컨대 30%보다 크다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 중심부터-중심까지의 거리(Δex)는 다음과 같은 방식으로 케이블의 잔여 길이 방향 열 수축, εL에 관련된다.
Δex는 케이블의 중심선(centerline)에서 외부 저온 유지 장치의 중심선까지의 평균거리이다. 케이블 중심선은 저온 유지 장치의 내부의 스크류-라인을 설명하고 있다. Lp는 이러한 스크류 라인의 피치 길이이다.
일 실시예에서, Δex는 다음의 방식으로 케이블의 휜 반경에 관련된다.
여기서, Rbend는 예컨대 휨 테스트들에 의해 결정되는, 케이블 속성들이 남아 있는 가장 작은 휜 반경이다. 이것은 내부 저온 유지 장치 자켓(열 엔벨로프의 내부 표면)가 케이블의 구불거림에 어떠한 제약들도 강제하지 않고, 단지 외부 자켓(열 엔벨로프의 외부 표면)- 및 특히 외부 자켓의 휨과 구불거림-가 케이블 냉각시 예상되는 열 수축을 적응시키는데 충분히 또는 최대로 이용되는 효과를 갖는다.
예로서, 용어 '휨 테스트들에 의해 결정되는, 케이블 속성들이 남아 있는 가장 작게 휜 반경'은 본문에서 케이블이 그 기본 속성들 예컨대, lc,max(열 엔벨로프 등의 냉각 속성들이 현저하게 변경되지 않는 것을 포함하여, 1 μV/m Ic 조건)가 적어도 90%까지 유지하는, 예컨대 케이블을 주어진 휜 테스트(예컨대, 미리 정해진 최소 휨 반경, Rmin 주위의 굴곡들에 20을 곱한 후 1 μV/m Ic 조건)를 거친 후 적어도 95%까지 유지하는, 케이블에 대한 최소 휨 반경을 의미하며, 따라서 고전압 특성들은 IEEE 또는 CIGRE 표준들에 따라 유지된다.
일 실시예에서, 케이블 시스템은 중심에서-중심까지의 거리 Δex가 양 조건들을 이행하는 것으로 해석된다.
일 실시예에서,
Lp = nLs ,n > 1 이고,
여기서, Ls는 케이블에서 초전도 테이프들 또는 배선들 중 가장 긴 꼬인 피치 길이이고, n은 정수이다.
파라미터 n은 1보다 크게 선택되며, 예컨대, 2와 같거나, 또는 바람직하게는 3과 같다. 다음의 테이블은 본 발명의 가능한 예들을 보여준다.
이러한 본 발명의 일 실시예의 장점은 우선, 케이블의 편심률이 주위 온도에서 예컨대 4 K, 9 K, 30 K, 50 K, 70 K, 또는 100 K의 동작 온도까지 케이블의 길이방향의 열 수축, εL을 수용할 수 있다는 것이다. 냉각 또는 데우는 동안, 케이블은 피치 길이(Lp)를 가진 편심으로 위치한 스크류 라인으로부터 피치 길이(L>Lp)를 가진 스크류 라인까지 또는 편심으로 위치한 직선까지 변화한다. 둘째, 케이블 도체 어셈블리는 허용가능한 휨 반경보다 더 작은 반경으로는 결코 휘지 않는다. 셋째, Ls까지의 피치 길이의 HTS 테이프들은 그 초전도 속성들의 열화 없이도 요구되는 스크류 라인의 형성을 허용하기 위해 구조물 내로 미끄러지듯 움직일 수 있다.
동심 위상들-재료 절감
특정 실시예에서, 제로 또는 중성 도체는 공통의 전기적 리턴 도체를 형성한다. 이것은 3개의 개별적 중성들/스크린들(ac 경우)과 비교하여, 재료의 절감을 제공하는 장점을 갖는다. 특정 실시예에서, 제로 또는 중성 도체는 전기 위상들 중 적어도 하나 주위에 동심으로 배열된다.
특정 실시예에서, 상기 전기 도체들의 적어도 일부, 예컨대 모두는 전기 절연에 의해 분리된 서로의 주변에 동심으로 배열된다. 이는 신속하고 저렴한 비용의 생산에 대한 기초를 제공하는 제조의 편의/간편성의 장점을 갖는다.
특정 실시예에서, 전기 위상들의 수는 3이다. 초전도 3축 개념은 다음의 특성들에 의해, 단일 위상 초전도 케이블들 및 트라이애드로 구성된 초전도 케이블들과 비교하여 많은 점들에서 보다 유리하다.
1) 적은 재료 사용
2) 적은 극저온 손실(단일 위상과 비교할 때)
3) 전자기적으로 중성이기 때문에 와상 전류의 손실이 증가 되지 않고 낮은 유동 저항에 의한 편심된 배열(또한 트라이애드와 대조적으로 로컬 스케일로)에 유리함.
4) 편심률(+ 과도-길이)에 의한 축의 열 수축에 대한 조합된 보상에 유리하고, 열 수축의 재료/방사상의 적응으로 지어짐
5) 3축 개념은 고객의 요청들에 대한 유연한 적응, 제조의 편리 및 원동력들, 재료 유연성, 및 상이한 HTS 테이프 아키텍처들에 대한 형상-맞춤-기능의 개념을 가능하게 해준다.
초전도성 재료
전기 도체들 및 전기 스크린에 대해 선택적으로 사용된 초전도성 재료는 제조시에 문제의 애플리케이션(손실, 동작 조건들, 및 비용에 관해)에 대해 임의의 적절한 종류의 최적화된 것일 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 전기 도체들 중 적어도 하나는 BSCCO (BiSrCaCuO3)를 포함하는 재료군(group of material)으로부터 선택된 초전도성 재료, 예컨대, 납-도핑된 BSCCO, YBCO(yttrium barium copper oxide), RE-BCO (Rare-Earth Barium-Copper-Oxide), MgB2, Nb3Sn, Nb3Ti, 및 이들의 조합들을 포함한다. 이것은 알려진, 충분히-검사되고 충분히-확립된 제품들, 특히 초전도성을 이용한다는 장점을 갖는다. 물론 온도들을 질소의 끓는 점 이상까지 초전도성을 갖는 HTS-재료들을 사용한다는 점에서 유리하다.
포머(Former)
특정 실시예에서, 동심으로 배열된 전기 도체들은 상기 동심으로 배열된 도체들에 관해 중심부에 위치하는 볼륨(volume)을 둘러싸고 있다. 이것은 냉각, 열 관성(thermal inertia), 진단, 및 정보와 물리적 수송의 다른 수단들에 대한 중심 보이드(void)의 공간의 사용을 가능하게 하는, 간단한 개념이 되는 장점을 갖는다.
특정 실시예에서, 중심에 위치하는 볼륨은 유체의 유동들을 냉각시킬 때 냉각 채널로 사용된다.
특정 실시예에서, 케이블은 금속, 플라스틱 또는 합성 재료들로 만들어진, 나선형, 튜브, 물결 모양의 튜브 또는 서로 겹쳐진 튜브의 형태로 중심 포머를 포함한다. 이것은 케이블의 나머지 부분을 감고/만드는데 대한 물리적 캐리어를 제공하는 장점을 갖는다. 그것은 또한 도체들에 대한 치수-정의 기반을 제공한다. 이것은 선택적으로 냉각에 대해 사용될 수도 있다. 이것은 진단, 정보 또는 재료 수송의 선택적 추가를 위한 보이드/기회를 제공할 수 있다.
낮은 AC 손실
특정 실시예에서, 초전도성 재료는 초전도 층들에서의 전류 분배 및 초전도 테이프들의 수를 최적화함으로써, 변경 또는 과도-전류들 하에서 증가된 열 안정성 및 낮은 전기 손실을 주도록, 그러한 순서 및 그러한 피치 각도들로 배열된 배선들 또는 테이프들의 형태로 존재한다. 이것은 제품의 유연성(디자인의 특정 정도의 관행이 용이하게 됨)을 제공한다는 장점을 갖는다. 이것은 또한 다른 피치들의 사용, 특히 다양한 양의 층들/테이프들의 사용을 용이하게 한다. 그 밖의 파라미터들, 예컨대 어느 정도의 전류 운송 능력, 어느 정도의 고장-전류 보호, 낮거나 높은 전압, AC 또는 DC가 영향을 받고/최적화될 수 있다.
특정 실시예에서, 각 전기 위상 도체는 초전도 테이프들의 하나 또는 수개의 층들로 구성되고, 이들 층들은 각 위상에서 하나 이상의 그룹들로 나뉘며, 각 그룹은 동일한 피치 방향(지정된 "S" 또는 "Z", 여기서 Z는 '우측' 감김을 말하고, S는 '좌측' 감김을 말한다)을 가진 테이프들의 하나 또는 수개의 층들을 포함한다. 각 전기 위상의 제 1 그룹들의 전체에서, 층들은 동일한 피치 방향을 갖는다.
제 1 예에서, 케이블의 각 위상 도체는 초전도 테이프들로 된 3개의 층들을 구성한다. 각 위상 도체에서 첫 번째 두 층들은 동일한 피치 방향 "S"를 갖는 그룹을 형성한다. 각 위상 도체의 제 3 층은 피치 방향 "Z"를 갖는다. 이것은 케이블의 중심에서 축 자기장들을 감소시키는 장점을 갖는다. 이것은 케이블의 임의의 금속 부분들에서의 와상-전류 손실들을 감소시키고 그것은 케이블의 임피던스를 감소시킨다.
제 2 예에서, 케이블에서의 각 위상 도체는 초전도 테이프들로 된 2개의 층들을 구성한다. 각 위상에서 테이프들의 제 1 그룹은 피치 방향 "Z"를 갖는 하나의 층을 구성한다. 각 위상 도체에서 테이프들의 제 2 그룹이 또한 단일 층을 구성하지만, 피치 방향 "S"를 갖는다. 이것은 각 위상에서 두 그룹들 간에 보다 동일한 전류 분배를 이룬다는 장점을 갖는다.
특정 실시예에서, 전기 위상 도체들 중 적어도 하나는 제 1 그룹과 반대의 피치 방향을 갖는 초전도 테이프들 또는 배선들의 마지막 그룹을 갖는다. 이것은 그 위상에서 두 그룹들 간에 보다 동일한 전류 분배를 이룬다는 장점을 갖는다.
특정 실시예에서, 2-상 DC 케이블에서 각 전기 도체는 테이프들 또는 배선들의 두 개의 초전도 층들을 포함한다. 피치 방향 시퀀스는 SZ-SZ 이다. 이것은 고장-전류들 또는 DC 케이블의 빠른 전류 램프들과 같은 과도-전류, 전류 서지들 동안에 층들 간의 균등한 전류 분배를 생성하는 장점을 갖는다. 이것은 감소된 과도 전류 손실 및 증가된 DC 케이블의 열 안정성을 가져온다.
특정 실시예에서, 3-상 3축 AC 케이블의 각 전기 도체는 두 개의 초전도 층들을 포함하고, 여기서 피치 방향 시퀀스는 SZ-SZ-SZ 이다. 이것은 상이한 초전도 층들 간에 전류 분배를 개선하여, 케이블의 AC 손실을 감소시키는 장점을 갖는다.
과전류 보호
네트워크에서 단락 회로의 경우, 많은 kA의 매우 많은 전류들이 전기 네트워크에서 발생할 수 있다. 만약 초전도 전력 케이블에서 초전도체가 그 임계 전류를 상당히 초과하는 그러한 많은 전류들에 노출된다면, 초전도 특성 및 이에 따른 케이블에서의 실질적으로 전류의 손실 없는 수송은 상실된다. 이러한 전류의 모두(또는 대부분)는 종래 케이블들보다 오히려 작고, 휠씬 더 작을 수 있는 전력 케이블의 나머지 금속의 단면에서 수송되어야만 한다. 따라서, 빠른 과열이 발생할 수 있고, 잠재적으로 손상에 이르게 된다.
이 문제를 다루는 데 있어서는 여러 가지 방법들이 있다. 하나의 방법은 정상 도체의 단면을 간단하게 증가시키는 것이다. 이것은 초전도 테이프에서 초전도체에 대한 정상 도체의 비율을 증가시킴으로써 이루어질 수 있으며, 이것은 그 자체가 합성물이다. 그러나, 이것은 테이프 설계의 변경이 필요하며, 이는 다양한 이유들로 인해 쉽게 가능하지 않거나 또는 바람직하지 않을 수 있다. 이 문제의 또 다른 해법은 초전도체의 초전도 특성들이 손실되는 경우 전류를 운반하는 케이블에 여분의 정상 도체(일반적으로 구리)를 추가하는 것이다. 그러나, 어려운 부분은, 정상 동작 상태들 하에서는 케이블 전류가 초전도체에서 거의 손실 없이 흐르지만, 과부하 상태들 하에서는 전류가 정상 도체들로 방향을 바꿔야만 하는 방법으로, 구리를 위치시키는 것이다. 동시에, 정상 도체에서의 와상 전류들로 인해 감소된 손실들은 최소화되어야 한다. 하나의 해결책은 예컨대, 정상 도체를 구리 편조(copper braid)의 형태로 단일 위상 초전도 전력 케이블의 중심에 위치시키는 것이다. 정상 동작 상태하에서 전류는 그 낮은 저항 및 낮은 인덕턴스로 인해 초전도체에 흐르게 된다. 과전류의 경우에, 초전도체의 저항은 매우 증가하게 되고, 전류는 구리 편조로 흐름을 바꾸게 된다. 그러나, 본 발명에서 설명되는 다중위상 초전도 케이블에서, 이러한 해법은 그 기하학적 배열로 인해 모든 위상들에 대해 가능하지 않다. 중심에 구리를 위치시키는 것은 중심 위상에 대해서만 가능하며, 다른 위상들에 대한 여분의 정상 도체는 그 각자의 전압 레벨들에 위치되어야만 한다.
본 발명에서, 정상 도체(또는 여분의 초전도체)를 포함하는 여분의 층들은 과전류 보호를 위해 다중위상 전력 케이블의 각 위상에 부가될 수 있다. 층들에서의 전류들은, 정상 동작 상태에서 전류가 다른 층들(대표적으로 정상 도체를 포함하는)이 아닌 특정 층들(초전도체를 포함하는)에 흐르도록, 모든 층들을 특정 패턴으로 감음으로써 제어된다. 특정 패턴으로 층들을, 전류가 기대되지 않는 층들에서 유도된 전류들이 그 자체를 0으로 없애거나 수용 가능한 값들로 감소시키도록 층들 및 그들 저항들의 자체 및 상호 인덕턴스들을 제어한다. 접선 및 축 성분을 균형 있게 하는 것은 별도로 하고 로컬 자기장들을 최소화하는 것이 또한 가능한 수단이다. 과전류의 경우, 초전도체에서 증가된 저항은 전류가 정상 도체 층들로 방향을 바꾸게 한다.
과전류 보호를 위한 여분의 정상 도체의 층들(대표적으로 구리 또는 알루미늄)을 포함하는 다중위상 케이블에서 층 전류 분배를 설계하는 것이 과제이다. 정상 동작에서, 단락 회로의 경우에, 전류는 정상 도전 구리 층들로 지나치게 되는 반면, 초전도체를 포함하는 층들에서는 가능한 많은 전류가 흐르게 된다.
3-상 AC 케이블의 경우, 설계 원칙은 다음과 같이 요약될 수 있다.
내부 위상은 중간 및 외부 위상에 의해 생성되는 누적 축(접선이 아닌)의 필드에 의해 영향을 받는다. 만약 그러한 축 필드가 없다면, 내부 위상에 대한 외부 및 중간 위상의 영향은 최소화된다. 반면, 외부 위상은 중간 및 내부 위상들에 의해 생성된 접선 필드에 의해 영향을 받게 될 뿐이다. 중간 위상은 내부 위상으로부터의 접선 필드 및 아마도 외부 위상으로부터의 축 필드 양쪽 모두를 경험한다.
만약 초전도체를 포함하는 전류 수송 층들이 대략 동일한 감김(winding) 피치를 갖지만 반대 방향으로 감긴 경우, 축 필드 위상 산출은 최소화될 수 있다. 결론은 내부 위상에 대한 정상 도체 층들이 위치할 수 있는, 중심부에는 축 방향의 자기장이 없거나 매우 적게 남아 있게 된다는 것이다. 이것은 실제로 그 감김 피치가 어떠한지에 관계없이, 이들 가장 내부의 구리 층들에 유도된 전류가 전혀 없게 된다. 유사한 것이 외부 층들에 대해 이루어질 수 있다 - 외부 위상에 대해 정상 층들이 그곳에 위치하게 허용하는, 이 경우에서(균형이 맞춰진 3상 전류에 대해) 0 또는 0에 가까운 접선 방향의 필드가 있는 경우를 제외한다. 중간 위상 S에서, 완벽한 차폐 전류(위상이 각각 위상 T 또는 R로 180도 넘어감)가 각자의 위상들에 직접 인접한 각 전류 수송층에 흐르도록 허용함으로써 오직 그 중심부에만 0 또는 작은 자기장이 생성될 수 있어서, 위상 S의 중간부에 자기장이 없는 공간, 또는 자기장이 거의 없는 공간을 생성한다. 그러나, 이것은 위상 S에서 초전도성 재료의 양을 공칭(nominal) 위상의 허용 전류의 2배까지 증가시킬 것이 요구된다.
정상 도전 층들이 자기장이 있는 위치들에 위치하지만, 매우 적은 전류가 정상 도전 층들에 흐르도록 유도된 전압들이 균형 잡힌 해결책을 찾는 것이 또한 가능하다. 이러한 균형 잡힌 해결책에서, 매우 적은 전류는 그것들이 초전도체를 포함하더라도(R=0) 일부 층들에서 생성된다. 이러한 하나의 해결책을 찾을 수 있다. 도 3에 도시된 이 해결책에서, S-위상(항목 213')의 두 개의 정상 도전 층들은 각각 두 개의 초전도 층들(항목 213)의 내부 및 외부에 위치한다. 중간 위상에서 정상 도전 층들은 위상 R로부터 생겨난 작은 축 방향의 필드 및 위상 S 및 T의 전류들의 합으로부터 생겨나는 접선 방향의 필드에 노출된다. 따라서, 이 두 필드들은 위상을 180도 벗어나며, 따라서 표시의 간단히 반대가 된다. 위상 S의 내부 정상 도전 층은 위상 T로부터의 접선 방향의 필드, 및 위상 S 및 R로부터 결합된 축 방향의 필드에 노출된다. 다시, 이들 두 필드들은 위상에서 180도 벗어난다. 정상 도체들에서 최소의 전류 양을 얻기 위해, 그들의 감김 피치들은 예컨대, 접선 방향의 흐름에 의해 유도된 전압이 축 방향의 필드에 의해 유도된 전압에 의해 보상되는 것과 같이 되어야 한다. 정상 도전 층들에서의 보다 짧은 피치는, 축 방향 및 접선 방향의 필드들에 의해 유도된 좀 더 나은 보상 전압들로 인해, 이들 정상 도전 층들에 적은 전류가 흐르도록 한다.
바람직한 실시예들은 다음을 포함한다.
。정상 및 초전도 층들 모두에 대한 위상마다 짝수의 층들
。외부 위상에 대해 가장 바깥쪽의 정상 도전 층들의 배치
。내부 위상에 대해 가장 안쪽의 정상 도전 층들의 배치
。중간 위상의 각 측(내부 및 외부)에 정상 도전 층들의 배치
。내부 및 외부 위상들에 대한 초전도 및 정상 층들의 끼워넣기
。각 위상(낮은 축 필드)에서 전류 수송 층들에 대해 대체로 동일한 피치 길이를 갖는 모든 위상들에서 전류 수송 층들에 대한 +- 패턴
본 발명의 특정 실시예에서, 전기 도체들 중 적어도 하나는 예컨대, Cu 또는 Al을 포함하는 배선들 또는 테이프들의 형태로, 보호하는 전기적으로 도전성의 분로 재료의 층과 열적 및/또는 전기적으로 접촉한다. 이것은 케이블/도체 설계에서 미리 결정된 누설 전류율의 통합을 촉진하는 장점을 갖는다.
특정 실시예에서, 전기적으로 도전성의 분로 재료는 반-도전성 성층 재료 및/또는 초전도 테이프들과 열적 및 전기적 접촉을 가지며, 초전도 테이프들의 층들 중 적어도 하나에 분산되도록 배열된다. 이것은 형상-맞춤 기능을 허용하는, 재료 유연성 및 생산성을 제공하며, 누설 전류들에 대해 초전도성 재료를 보호하는 장점을 갖는다. 특정 실시예에서, 전기적으로 도전성의 분로 재료는 반-도전성 성층 재료 및/또는 초전도 테이프들과 열적 및 전기적 접촉을 가지며, 초전도 테이프들의 층들로부터 분리된 하나 또는 수개의 층들에 배열된다. 이것은 가능한 와상 전류 소실을 최소화하는 장점을 갖는다. 분로 층의 테이프들의 형상 또는 분로 층의 라이드-업들(ride-ups)은 HTS 층 등에 덜 영향을 준다. 또한, 이것은 누설 전류 전력 소실의 경우에 열 관성을 제공한다.
특정 실시예에서, 전기 도체들 중 적어도 하나는 반-도전성 재료와 예컨대, 성층 테이프의 형태로 열적 및/또는 전기적 접촉을 갖는다. 이것은 누설 전류의 경우에 소실된 전력을 흡수하기 위해 열 관성을 제공하는 장점을 갖는다.
특정 실시예에서, 초전도 테이프들 또는 배선들 및 상기 도전성 분로 테이프들 또는 배선들은, 초전도 층들의 전류 분배 및 초전도 테이프들 또는 배선들의 개수를 최적화하고, 도전성 분로 층들에서 공칭 전류의 분율(fraction)을 최소화하는, 반면 누설 전류의 경우에 도전성 분로 층들이 보호하는 분로들로 동작하도록 배열함으로써, 변경 또는 과도-전류들 하에서 낮은 전기 손실을 제공하도록 하는 순서 및 피치 각도들로 배열된다. 이것은 통합된 분로 보호층을 갖는 특별히 설계된 HTS 테이프들의 요구를 피할 수 있다는 장점을 갖는다. 이것은 재료 및 생산의 선택에 있어서 더 높은 유연성을 제공하고 고객 요청들에 적응하는 능력을 제공한다.
기계적 보강(Mechanical reinforcement)
특정 실시예에서, 전기 도체들 중 적어도 하나는 스틸 합금들, 청동, 황동 합금들, 탄소-섬유-계 부재들 또는 폴리-이미드-계 부재들을 함유하는 기계적 강화 성분들에 의해 보강된다. 이것은 도체의 강건성을 개선시키는 장점을 가지며, 이에 의해 조심성 있는 핸들링에 대한 관심이 더 적게 필요하게 된다. 또한, 케이블은 보다 긴 길이들의 도관들로 끌어 당겨질 수 있다.
유전체
고체 유전체
특정 실시예에서, 전기 도체들 사이 및 전기 도체들과 전기 스크린 사이의 전기 절연체는 폴리머들, 예컨대, 사출 성형에 의해 또는 리본들의 애플리케이션을 통해 합성 종이를 포함하여, PPLP, PE, 폴리프로필렌, 종이로 이루어진다.
특정 실시예들에서, 전기 절연체(들) 및/또는 전기 도체(들)는 섬유들 또는 테이프들과 같이 기계적으로 보강된 수단들과 통합된다.
두께
절연체(및 리본들의 경우, 리본들의 두께 및 개수)의 두께, 절연 유체 및 동작 압력의 선택은 원하는 절연체 속성들(기초적 절연 레벨, 임펄스 전압들에 의해 검사된 BIL, 직접 또는 시간에 걸쳐 변동하는 전압들에 의해 검사된 공칭 전압)에 따라 선택된다.
유전체의 유체
특정 실시예에서, 전기 절연체는 가압된, 전기적 절연 유체 원소, 예컨대, 액체 질소, 질소 가스, 헬륨, 네온, 수소, 산소 또는 그 조합들을 포함한다. 이것은 높은 유전체 강도를 제공하는 장점을 가지며, 이에 따라 컴팩트한 전기 절연 시스템, 및 진공 또는 저-압 가스들과 비교하여 증가된 열 도전율을 제공한다.
압력 막(membrane)/압력 튜브
특정 실시예에서, 전기적 절연 유체는 케이블 주위의 열 단열재 내에서 순환되는 냉각 유체로부터 분리된다. 이것은 절연 유체/가스 및/또는 압력, 온도 및 유동의 차이를 보유할 수 있게 해주는 장점을 갖는다. 이에 따라, 낮은 순도를 갖는 냉각제를 갖는 반면, 절연체 함침을 깨끗하고/순수하게 유지할 수 있게 한다. 일부 발행물들에서, 분산된 연료로서 수송된 수소를 사용하기 위해 수소로 냉각시키는 것이 제안되며, 이 경우, 절연 함침제로서 질소 또는 헬륨을 보유하는 것이 여전히 현명하다.
특정 실시예에서, 절연 유체는 냉각 매체에 전기 절연체가 들어가는 것을 방지하는 압력 막을 통해 냉각 매체로부터 분리된다. 이러한 압력 막은 금속 또는 인공 재료로 만들어진 불침투성 압력 용기가 될 수 있거나, 또는 케이블에서의 투과성 층 예컨대, 외부 압력보다 높은 내부 케이블 압력에 노출된 성층 테이프들의 하나 또는 수개의 층들이 될 수 있다. 예로서, 냉각 유체는 헬륨 가스 또는 국부적으로 도입된 액체 공기 또는 예로서 상대적으로 큰 열 용량을 가진 부분들을 함유하는 고체/액체 혼합물인 반면, 절연 유체는 순수한 질소(N2) 또는 순수한 헬륨이 될 수 있다.
특정 실시예에서, 전체 또는 부분적으로 케이블의 중심부는 전기적 절연 유체의 내부의 과도 압력을 전달하는데 사용된다. 즉, 케이블의 중심부는 냉각 유체의 수송을 위해 사용되지 않는다. 이것은 과도 압력으로부터 저온 유지 장치를 보호하는 장점을 갖는다.
특정 실시예에서, 전기적 절연 유체는 냉각 유체와 동일하다. 실시예에서, 전기적 절연 유체와 냉각 유체는 유사한 압력, 예컨대 액체 질소(N2)의 압력으로 유지된다. 특정 실시예에서, 공통의 전기적 절연 유체와 냉각 유체는 증가된 순도(두 개의 개별 유체들의 경우와 비교하여)를 갖고, 이에 의해 도전성 또는 유전체 오염이 최소화된다.
폐쇄된 포머(closed former)
특정 실시예에서, 중심부에 위치하는 냉각 볼륨(cooling volume)은 열 저장 공간을 형성하기 위해 각 말단에서 폐쇄된다. 이것은 폐쇄된 부분(volume)과의 외적 재료 교환 없이 없으므로, 순도(한 번 선별된)에 최소한의 관심을 필요로 하는 장점을 갖는다. 추가적인 장점은 적은 축 방향의 환류로 인해 온도 변화가 국부적으로 완만하다.
전기적 스크린
알루미늄, 구리 또는 스칸듐
특정 실시예에서, 공통의 전기적 스크린은 구리, 알루미늄 또는 또 다른 종래 도체 또는 초전도성 재료 또는 상기 재료들의 조합물을 포함한다. 이것은 재료들의 선택 및 생산에서 유연성을 제공하는 장점을 갖는다.
기계적 보강
특정 실시예에서, 전기적 스크린은 알루미늄 또는 구리를 포함하며, 선택적으로 예컨대, 스틸 그레이드들(steel grades), 니켈 그레이드들, 청동, 황동 합금들, 탄소 또는 케블라 섬유들 또는 고-강도 합성 테이프들의 형태로, 고-강도 기계적 보강 재료들 및/또는 반-도전 재료 및/또는 초전도성 재료를 선택적으로 포함한다. 이것은 더 강력한 보강, 더 강건한 케이블 및 덜 민감한 핸들링의 전위를 제공하는 장점을 가지며, 상대적으로 더 긴 도체 부분이 저온 유지 장치/도관을 통해 당겨질 수 있도록 제공된다.
낮은-마찰 층
특정 실시예에서, 전기적 스크린에는 낮은 마찰 성분이 제공된다. 일 실시예에서, 예컨대, 전기적 스크린의 n번째 테이프/배선마다 낮은 마찰 코팅이 제공되거나, 도전성 테이프/배선보다 더 큰 치수[두께/방사상의 방향]의 낮은 마찰 테이프에 의해 대체된다[낮은 마찰 재료(예, 듀퐁사의 테플론TM, 폴리프로필렌, 나일론, 또는 폴리에틸렌)가 열 엔벨로프의 내부와 물리적 접촉을 갖도록]. 이것은 열 엔벨로프로의 케이블의 도입을 용이하게 하는 장점을 갖는다.
특정 실시예에서, 전기적 스크린은 케이블 시스템의 무게를 실질적으로 증가시키지 않고, '케이블'을 열 엔벨로프로 도입하는 것을 용이하게 하기 위해 낮은 마찰 재료의 하나 또는 수개의 적용된 분리 층들 또는 코팅을 갖는다. 낮은 마찰 재료는 큰 당김 강도를 가진 넓은 테이프들로 이루어진다. 각 테이프는 수개의 필라멘트의 성분들을 포함하기 때문에 하나의 필라멘트 성분의 파손 또는 마모는 전체 테이프의 파손을 일으키지 않을 것이다. 낮은-마찰 테이프는 짠 나일론 또는 폴리프로필렌 또는 폴리아세테이트로 제조될 수 있고, 다수의 테플론 성분들의 브레이드로, 또는 이들 재료들의 합성물로 제조될 수 있다. 낮은-마찰 테이프들의 개수는 예컨대, 4, 3 또는 2 또는 1인 스크린의 도전성 구성요소들의 개수보다 적다. 일 실시예에서, 낮은 마찰 테이프 또는 층은 열 엔벨로프의 내부 표면에 대해 0.25보다 작은 마찰 계수, 예컨대, 0.14 내지 0.22 범위의 마찰 계수를 갖는다.
초전도성 단상 또는 다중위상 케이블 시스템의 제조 방법:
단상 또는 다중위상
본 발명의 목적은 또한 다음의 단계를 포함하는, 초전도성 단상 또는 다중위상의 케이블 시스템을 제조하는 방법에 의해 달성된다:
a) 적어도 하나의 전기 위상 및 제로 또는 중성 전도체의 형태로 적어도 2개의 전기 전도체들을 제공하는 단계,
b) 상기 전기 전도체들이 서로로부터 상호 전기적으로 절연되도록 제공하는 단계,
c) 전기 전도체들을 감싸는 열 단열재를 제공하는 단계로서, 상기 튜브형의 열 단열재는 중앙의 길이방향 축을 정의하는, 열 단열재 제공 단계,
d) 상기 튜브형의 열 단열재의 내부 표면이 상기 전기 전도체들을 냉각하기 위해 냉각 유체를 유지하기 위한 냉각 챔버의 방사 제약을 형성하도록 제공하는 단계, 및
e) 상기 적어도 하나의 전기 위상 및 제로 또는 중성 전도체는 상기 중앙의 길이방향 축에 대해 편심으로 배열되도록 제공하는 단계.
본 방법은 전술된 케이블 시스템과 동일한 장점들을 갖는다.
일 실시예에서, 튜브형 열 단열재의 내부 표면은 유연하고, 열 단열재의 외부 표면에 대해 이동가능하다.
일 실시예에서, 적어도 2개의 전기 위상들 및 제로 또는 중성 전도체의 형태로 적어도 3개의 전기 전도체들이 a) 단계에서 제공된다는 점에서 다중위상 케이블 시스템이 제공된다. 일 실시예에서, 적어도 3개의 전기 위상들 및 제로 또는 중성 전도체의 형태로 적어도 4개의 전기 전도체들이 a) 단계에서 제공된다.
편심 및 열적 수축
특정 실시예에서, 방법은 다음의 단계를 더 포함한다.
e) 축의 수축의 부분적인 방사상의 채용에서 구조와 결합된 편심에 의해 중재된 길이에 걸친 전도체에 의해, 저온 유지 장치 및 전도체 사이의 열적 수축의 차이의 해법을 제공하는 단계.
일 실시예에서, 케이블의 편심된 배열은 과전류 또는 누설 전류에 의해 야기되거나 또는 케이블의 냉각 및 승온 동안 경험 되는 열적 수축 및 확장(예컨대, 약 0.2~0.3%)을 보상하기 위해 적응된다.
일 실시예에서, 방사상의 채용(1-2%)과 조합하여 케이블의 편심된 배열은 과전류 또는 누설 전류에 의해 야기되거나 또는 케이블의 냉각 및 승온 동안 경험 되는 길이방향으로의 열적 수축 및 확장(예컨대, 약 ±0.2~0.3%)의 보상을 제공한다.
당김, 냉각, 가압, 밀기
일 실시예에서, 본 방법은 개별적인 케이블 및 열 엔벨로프 유닛들을 제공한 후 다음 단계들 중 적어도 2개를 포함한다:
S1. 장력을 열 엔벨로프에 가하여 그 길이방향으로 0.05~0.5% 만큼 그것을 늘리는 단계;
S2. 케이블을 냉각 유체의 온도로 냉각시켜 0.05~0.5% 만큼 케이블의 수축을 일으키는 단계;
S3. 열 엔벨로프의 내부를 0.5~40 bars의 과도-압력으로 가압하여, 그에 의해 내부 저온 유지 장치 벽을 신장시키는 단계;
S4. 1.5m 마다 또는 3m 마다 또는 10m 마다와 같이, 그것의 길이를 따라 복수의 위치들에서 굽어지도록(meander) 또는 휘도록 열 엔벨로프에 힘을 가하는 단계;
S5. 케이블을 0.1~10kN 힘을 이용하여 열 엔벨로프로 밀어 넣는 단계;
S6. 케이블 말단들을 열 엔벨로프의 말단들에 고정하는 단계;
S7. 이어서 열 엔벨로프로부터 압력을 해제하는 단계;
S8. 이어서 열 엔벨로프에서의 장력을 해제하는 단계;
S9. 이어서, 케이블이 따뜻해지도록 하여, 케이블이 그것의 길이방향으로 확장하는 단계;
S10. 케이블을 열 엔벨로프로 밀어 넣는 것을 중단하는 단계.
이들 프로세스 단계들을 통해 또는 나열된 프로세스 단계들의 2 이상의 임의의 조합에 의해, 케이블은 사인파-형 커브와 같이 다수의 절곡부로 또는 나사선 커브로 열 엔벨로프 내부에서 물결치도록(undulate)(여기저기에서 주기적으로 구부러지고, 굽음) 야기된다. 전도체를 밀어 넣음으로써, 이것은 내부 저온 유지 장치 벽들에 의해 제한되고 및 단단함/유연성 및 외부 저온 유지 장치 벽들에 대한 내부 저온 유지 장치 벽들의 이동성에 따라, 저온 유지 장치 길이에 대한 전도체의 과도 길이를 축적할 것이다. 굽이들/절곡들의 수는 물질/전도체 특성에 따라 단위 길이당 특정한 횟수로, 예를 들어, km 당 1000, km 당 700, km 당 500, 또는 km 당 300으로 평균될 수 있다. 또한, 약간의 꼬임이 절차 중 밀어넣는 것에 덧붙여진다면, 저온 유지 장치 공간을 통해 나선형으로 적응되도록 굽이가 제어될 수 있다.
일 실시예에서, 본 방법은 단계들 S1, S6, S8들을 포함한다. 이것은 케이블이 내부 저온 유지 장치 벽의 수축 내에서 구부러지도록 강제될 뿐만 아니라, 케이블이 또한 내부 저온 유지 장치 벽이 굽어지도록 강제할 수 있는 것과 및/또는 예상되는 열적 수축의 보상을 허용하기 위하여 가장 긴 가능한 또는 충분히 긴 경로를 채택할 수 있다는 사실을 이용한다는 것을 보장하는 장점/효과를 가진다.
일 실시예에서, 본 방법은 단계들 S2, S6, S8들을 포함한다. 이것은 케이블이 내부 저온 유지 장치 벽의 수축 내에서 구부러지도록 강제될 뿐만 아니라, 케이블이 추가적으로 내부 저온 유지 장치를 굽어지도록 강제할 수 있는 것과 및/또는 예상되는 열적 수축의 보상을 허용하기 위하여 가장 긴 가능한 또는 충분히 긴 경로를 채택할 수 있다는 사실을 이용한다는 것을 보장하는 장점/효과를 가진다.
일 실시예에서, 열 단열재의 내부 표면(즉, 내부 저온 유지 장치 벽)에 대한 케이블의 편심률은 5~15%와 같이, 1~20% 범위로 배열된다. 일 실시예에서, 보온절연체의 외부 표면(즉, 외부 저온 유지 장치 벽)의 편심률은 10~45%, 20~30%와 같이 1~50% 범위로 배열된다.
개별적인 제조
일 실시예에서, 전기 전도체들, 상호 전기 절연체 및 가능한 중간 냉각 채널들 또는 챔버들(케이블이라 함)은 열 단열재와는 개별적으로 - 선택적으로는 병렬로- 제조되도록 배열된다. 이것은 케이블 시스템의 두 부분들이 상이한 위치들에서 제조될 수 있고 및/또는 동시에 또는 상이한 시간에, 및/또는 상이한 벤더들에 의해 제조될 수 있다는 장점을 갖는다. 케이블 전도체 어셈블리 및 저온 유지 장치에 대한 병렬적인 작업은 리드 타임들(lead times) 및 재고품 비용들을 감소시킨다.
일 실시예에서, 케이블 및 튜브형 열 단열재는 개별적인 제조 단계에서 조립된다. 전도체 조립품 및 저온 유지 장치의 개별적인 수송은 더 긴 유닛 길이들의 케이블 전도체 조립품이 만들어지도록 하는데, 예컨대, 1000m 이상, 2000m 이상과 같이 500m 이상이며, 이에 의해 케이블 시스템에는 보다 적은 접착들(splices)만이 필요하게 된다. 이것은 케이블 시스템의 비용을 감소시키고 신뢰도를 증가시킨다.
표준화되는, 모듈 부품들
또한, 부품들 중 하나(예컨대, 튜브형 열 단열재)는 표준화되고, 모듈 부품일 수 있고, 반면 나머지 하나는 맞춤화된 부품이다.
특정 실시예에서, 열 단열재는 3m 또는 6m 또는 12m 또는 20m 또는 50m 또는 100m 또는 200m와 같이 표준화된 길이들의 부분들에 제공된다. 실시예에서, 열 단열재의 유닛 길이는 케이블의 유닛 길이와 상이하다. 예컨대 더 짧다. 일 실시예에서, 케이블 및 열 단열재는 각각 길이가 Lcab 및 LTE의 개별적인 부분들로 제조되는데, 여기에서 Lcab가 LTE보다 더 길다. 일 실시예에서, 2 이상의 표준화된 길이들의 열 단열재들이 하나의 유닛 길이의 케이블과 조립된다. 이것은 케이블 시스템의 기본 부품들의 표준화되거나 또는 반-표준화된 제조를 이용하는 제조 공정에 대한 유연한 방법을 제공하는 장점을 갖는다. 그것은 또한 부분적인 또는 전체 시스템들을 얻으려고 노력하는 벤더들의 집합에 대해 또한 개방된다(open up). 일 실시예에서, Lcab은 n*LTE와 거의 같은데, 여기에서 n은 1보다 크며, 예로서 2보다 크고, 예로서 4보다 크고, 예로서 7보다 크고, 예로서 10보다 크고, 예로서 100보다 크다.
특정 실시예에서, 열 단열재는 유연한, 단단한 직선부 및 단단한 만곡부들의 혼합 또는 부분적으로 단단하고 부분적으로 유연한 부분들로서 제공된다. 이것은 열 단열재의 벤더들에 대해 및 고객 요구에 대해 유연성을 제공하는 장점을 갖고, 어느 정도 전도체 디자인의 독립성을 제공한다.
초전도성 다중위상 케이블 시스템의 이용:
전술한 바와 같은 및 청구항들에서 정의되는 바와 같은, 혹은 전술한 바와 같은 방법 및 청구항들에서 정의되는 바와 같은 방법으로 제조되는 초전도성 다중위상 시스템의 이용이 본 발명에 의해 제공된다. 이에 의해, 사용자는 가능한 다른 방식보다 더욱 콤팩트하고 저렴한 케이블 시스템을 제공받는 것이 보장된다. 다수의 열적 사이클들 및 과전류 이벤트들을 수용할 수 있는 능력으로부터 신뢰도는 더욱 증가된다. AC에서 DC 동작으로부터 시스템을 변환하는 능력으로부터 유연성이 증가된다.
특정 실시예에서, 다중위상 케이블 시스템은 DC 케이블 시스템으로서 이용된다. 이것은 변전소들(converter stations)과 함께 그것의 이웃 AC 시스템과 공통의 중성(common neutral)을 가질 수 있는 [+,-,0]-배열이 가능하게 하는 장점을 갖는다.
특정 실시예에서, 위상 배열은 [+,-,0]이다. 이것은 접지 및 0이 약간의 전위 차이를 갖는 장점을 가지며, 이에 의해 안정성이 향상된다.
특정 실시예에서, 위상 배열은 [+,-,중성,0]이다. 이것은 0이 접지될 수 있다는 장점을 갖는다.
특정 실시예에서, 다중위상 케이블 시스템은 AC 케이블 시스템으로서 이용된다. 이것은 모두 중량 감소, 용이하고 유연한 제조, 소형화, 최저 재료비 등의 장점을 갖는다.
특정 실시예에서, 다중위상 케이블 시스템은 [R,S,T] 또는 [S,R,T] 등과 같은 위상 배열들을 갖는 3축 AC-케이블로서 이용된다.
특정 실시예에서, 다중위상 케이블 시스템은 AC-케이블 시스템, 또는 케이블 디자인에 변경이 없는 DC 케이블 시스템 모두로서 이용될 수 있다. 이것은 정격의 제조 즉, 두 상이한 종류들에 대한 임의의 파라미터의 변경이 없다는 장점을 갖는다. 그것은 또한 초전도성 전력 라인이 설치된 후에, 전기 시스템 운영자에 의한 AC에서 DC 전환이 가능한 장점을 갖는다.
특정 실시예에서, 다중위상 케이블 시스템은 AC/DC 변환기들 및 변압기들을 이용하는 케이블 시스템의 각 말단에서 분리된 두 주파수들로 전기를 AC 및 DC를 통해 동시에 전달하는데 이용될 수 있다. 이것은 초전도성 전력 라인이 설치된 후 전기 시스템 운영자에 의한 유연하고 효율적인 이용의 장점을 갖는다.
또한, 본 발명의 목적들은 종속항들 및 본 발명의 상세한 설명에서 정의된 실시예들에 의해 달성된다.
본 명세서에서 이용될 때 용어 "포함하다/포함하는"은 언급된 특징들, 숫자들, 단계들, 또는 구성요소들을 지시하기 위해 취해지지만, 하나 이상의 다른 언급된 특징들, 숫자들, 단계들, 구성요소들 또는 그의 그룹들의 존재 또는 추가를 배제하는 것이 아니라는 것이 강조되어야 한다.
본 발명은 바람직한 실시예 및 다음 도면들을 참조하여 이하에서 더욱 상세히 설명될 것이다.
도 1은 [+,-,0,스크린]-배열에서, 본 발명에 따른 3축 DC 케이블 시스템의 단면도를 도시한다.
도 2는 [-,0,+,스크린]-배열에서, 본 발명에 따른 3축 DC 케이블 시스템의 단면도를 도시한다.
도 3은 도 2의 3축 DC 케이블 시스템에 대한 케이블의 층들의 상세한 단면도를 도시한다.
도 4는 [R,T,S,스크린]-배열에서, 본 발명에 따른 3축 AC 케이블 시스템의 단면도를 도시한다.
도 5는 [R,S,T,스크린]-배열에서, 본 발명에 따른 3축 AC 케이블 시스템의 단면도를 도시한다,
도 6은 도 5의 3축 AC 케이블 시스템에 대한 케이블 층들의 상세한 단면도를 도시한다.
도 7은 케이블 시스템의 길이방향으로 열 엔벨로프 내부에서 케이블이 구부러져 있는, 본 발명에 따른 케이블 시스템의 투시도를 개략적으로 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 유체 냉각 고전압 케이블 시스템을 도시하고, 도 8a는 공통 전기 스크린과 함께 동심으로 배열된 3상 배열을, 도 8b는 공통 전기 스크린과 함께 나란히 배열된 3상 배열을 도시한다.
도 9는 본 발명에 다른 케이블 시스템의 제조 방법을 도시하고, 도 9a 내지 도 9c는 열 단열재, 케이블, 및 조립된 케이블 시스템 각각의 단면도이다,
도 10은 열 엔벨로프 또는 저온 유지 장치의 단면도를 개략적으로 도시한 것으로, 도 10a는 횡단면도를 도시하고, 도 10b는 설치 동안의 상황을 나타내는, 내부 저온유지 벽이 굽어지는 길이방향의 횡단면을 도시한다.
도 11은 더 긴 길이의 케이블 전도체 어셈블리를 기능적으로 통합된 열 엔벨로프들의 복수의 부분들에 도입하는 공정 단계들을 개략적으로 도시한다. 추가의 길이는 케이블 전도체의 냉각을 통해, 열 엔벨로프의 말단들에서 당김을 통해, 케이블 전도체를 열 엔벨로프로 밀어넣음을 통해, 및 내부 저온 유지 장치 벽 안으로 의 압력의 인가를 통해 달성된다.
도면들은 명확성을 위해 개략적이고, 단순화되었고, 그것들은 본 발명의 이해에 필수적인 상세들을 도시하며, 반면 다른 상세한 것들은 생략되었다. 일반적으로 동일한 참조 번호들이 문제가 되는 특징이 도시된 도면 번호를 참조하는 앞선 번호를 제외하고 동일한 또는 상응하는 부분들을 위해 이용되었다.(예컨대, 열 또는 극저온의 엔벨로프는 도 1에서 116으로서 참조되고, 도 2에서 216으로 참조되었다)
예 1 :
DC
케이블
3축 DC 케이블 시스템의 바람직한 실시예들이 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 도 1은 [+,-,0,스크린]-배열에서 본 발명에 따른 3축 DC 케이블의 단면도를 도시하며, 도 2는 [-,0,+,스크린]-배열에서 본 발명에 따른 3축 DC 케이블의 단면도를 도시한다. 도 3은 도 2의 3축 DC 케이블 시스템을 위한 케이블의 층들의 상세한 단면도를 도시한다.
두 예들은 극들, +,-,0 플러스 상이하게 배열된 스크린을 제외하고 유사한 케이블 구조를 나타낸다. 또다른 가능한 구조는 +,0,스크린만을 또는 중성과 조합된 +,-,스크린을 갖는 것이다. 또다른 조합들이 상이한 DC 전압들, 예컨대 ±10kV, ±20kV, ±30kV......,0의 더 많은 극들 및 스크린을 갖는 것으로 상상될 수 있다.
도시된 실시예들에서, 케이블의 외부 단면 직경(도 1 및 도 2에서 dcab)은 70mm(2.75")이고, 열 또는 극저온의 엔벨로프의 내부 단면 직경(dce)은 100mm(3.9")이다. 단면도의 상대적인 상호 치수들은 척도에 따라 그려지지 않았다.
다음에서, 도 1 및 도 2로부터 참조 번호들 "1xy; 2xy"을 각각 인용하면서(1xy는 도 1의 상세 내용을 가리키고, 2xy는 도 2의 동등한 상세 내용을 가리키며, 도 3은 도 2의 부분들의 상세도이고, 따라서 참조 번호들 2xy을 포함한다), 도 1, 도 2 및 도 3을 참조한다. 케이블 시스템(100;200)은 극저온의 엔벨로프(116;216)에 위치한 다중극 또는 다중위상 케이블(101;201)로 이루어진다. 완전한 케이블 시스템(100;200)은 포머(111;211), 전기 절연체(112;212), 전력 수송층(113;213), 중성층(114;214), 스크린(115;215), 극저온 엔벨로프(116;216), 냉각제(117;217), 선택적 보이드 또는 충전제(filler)(118;218), 선택적 진단 수단(119;219)을 포함한다.
포머
포머(111;211)는 단일 물질 또는 예컨대 스테인레스 강철과 같은 금속 또는 폴리머의 조합물로 구성될 수 있으나, 이들에 한정되지는 않는다. 포머는 나선형, 맞물리는 구성, 평탄한 튜브, 주름진 튜브로서 형성될 수 있으나, 이들에 한정되지는 않는다. 포머는 또한 전술한 물질들 또는 구조들의 상이한 수의 층들의 조합으로 이루어질 수 있다.
전기 절연체
동심으로 배열된, 전기 도전층들(113;213, 114;214, 및 115;215) 사이에 위치된 전기 절연체(112;212)는 계층화된 절연체(예컨대, 둘러싸인 PPLP)로 리본-형 절연체, 예컨대 CryoflexTM 또는 종이를 감아 만듦으로써 및 예컨대, 이것을 함침제 예컨대 LN2(액화 질소)와 함께 스며들게 함으로서 구현될 수 있다. 대안적으로, 절연체는 고체 절연체를 생성하는 사출 성형 공정(extruding process)에 의해 실현될 수 있다. 대안적으로, 개별적인 전기 도전체들 사이에 진공 절연이 특정한 두께의 절연층을 대신하여 이용될 수 있다. 도 3의 상세한 도면에서, 전기 절연층들(212)은 층들(212')을 선택적으로 더 포함하도록 도시되어 있다. 각각의 전기 절연층(212)(도 3에서 'c'로 표시됨)은 필드를 평탄화하는(smoothening) 반도체층(212')에 의해 유리하게 전압측 및 접지측에 측면을 접한다. 이 층은 (DuPont의) 반도체 NomexTM, 예컨대 탄소 적재된 NomexTM, 또는 나일론 또는 사출 성형된 반도체층으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
초전도체
전력 수송층들(113;213)은 전형적으로 (BSCCO (예컨대, (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Ox (Bi-2223)), YBCO (Yttrium-Barium-Copper-Oxide 예컨대, YBa2Cu3O7), 또는 다른 고 온 초전도체들의) HTS 테이프들 또는 전선들로 이루어진다. 이러한 문맥에서, HTS는 "고온 초전도체(High Temperature Superconductor)"를 나타내고, HTS 층들이 이들 재료들에 한정되지는 않지만, Cu 또는 Al로 만들어질 수 있는 분로로 전기적으로 보호되는 것이 유리한 많은 경우들에서 30K 이상의 전이 온도들을 갖는 초전도체 물질들을 지칭한다. 이것은 도 3의 상세도에 도시되어 있는데, 여기에서 Cu의 선택적인 층들(213')(도 3에서 'a'로 표시됨)이 (1) HTS 물질의 전력 수송층들(213)(도 3에서 'b'로 표시됨)과 (2) 전기 절연층들(212)(도 3에서 'c'로 표시됨) 및/또는 포머(211) 사이에 나타내어진다. 현재, HTS 테이프들의 단면은 0.25mm×4mm(t×w)이다. HTS 테이프들과 독립적으로, 분로 Cu 테이프들은 유사한 치수이다. HTS 테이프들 및 분로 Cu 테이프들의 모양 및 치수들은 제시된 숫자들에 제한되지 않는다. 누설 전류에 대한 초전도체 물질의 보호를 위한 선택적인 Cu 층(들)(213')이 또한 기계적 보강의 기능을 가질 수 있다. HTS 층들은 예컨대 American Superconductor 테이프들(Ic=120A)(AMSC, Westborough, MA01581, 미국), 또는 EAS(European Advanced Superconductors Gmbh & Co.KG, 하나우, 독일), InnoST(Innova Superconductor Technology Co., Ltd., 베이징, 중국), 또는 Sumitomo Electric Industries Co.(SEI, 일본)의 것과 유사한 특성들을 갖는 테이프들을 이용하여 2개의 층들에 예컨대 총 60개의 테이프들을 이용하여 구성될 수 있다. 이 테이프들의 개수는 대략 5kA(rms)의 Ic(rms)에 대응하는 약 7kA의 전체 층(Ic)를 제공한다.
중성체
중성 전도체(114;214)는 HTS 테이프들/배선들에 의해 구현될 수 있으나, Cu 또는 Al 테이프들 및 배선들로 더욱 경제적으로 제조될 수 있다. 그러나 이 물질들에 한정되지는 않는다. 분로의 총 단면은 누설 전류 보호를 위한 국부적 요건들에 적응될 수 있다. 일 예가 0.25s 동안의 50kA의 피크 전류 및 20kA rms의 부하 전류일 수 있다. 그 후 충분한 보호는 예컨대 Cu의 약 60~100mm2의 분로 단면을 갖는 것이다.
스크린/접지(Screen/Ground)
스크린(115;215)은 전기적 스크리닝, 전기적 중성, 전기적 접지, 기계적 보강, 누설 전류 보호, 및 냉각제의 유체 저항 감소의 수단과 같은 상이한 기능들을 선택적으로 제공한다.
스크린(115;215)은 HTS 테이프들을 이용하여 제조될 수 있으나, Cu 또는 Al에 의해 더욱 경제적으로 구현된다. 그러나 전술한 물질들에 한정되지 않는다. 스크린은 개인을 위한 보호로서 동작하고, 선택적으로는 접지될 수도 있다. 스크린은 또한 "상(phase)"이 접지로 단락되는 경우 여분의 분로로서 동작하도록 치수가 결정될 수 있다.
열 엔벨로프
극저온 엔벨로프(116;216)는 예컨대, Cryotherm GmbH & Co. KG(Kirchen, 독일)에 의해 또는 예컨대, Nexans Deutschland Industries GmbH & Co. KG(Kabelkamp, 하노버, 독일)에 의해 제공되는 바와 같은 플렉서블한 단면에 의해 제공되는 바와 같은 단단한 단면으로 이루어질 수 있지만, 이들 공급자들 또는 구성들에 제한되는 것은 아니다. 열 엔벨로프의 일 실시예는 PU 발포제(폴리 우레탄) 발포제 또는 주변 압력에서 또는 부분 진공하에서의 에어로젤-물질에 기초할 수 있다.
냉각제 및 유체 유전체(fluid dielectric)
냉각제(117;217)는 본 실시예에서 전형적으로 LN2이지만 이것에 한정되지 않는다. 그것은 극저온 온도들에서 점성인 임의의 가스 또는 작용물 예컨대, 액화 헬륨, 질소 가스, 네온, 수소, 산소 또는 이들의 조합일 수 있다.
케이블(101;201)의 중앙부(118;218)(즉, 튜브형의 포머(111;211)의 내부)는 다양한 범위의 용도들에 개방된다. 그것은 도전체들 및 전기 절연체를 단단히 하고 강화하기 위한 기능만을 갖는 충전물로 채워질 수 있다. 그것은 중앙을 통해 그 후 가압될 수 있는 냉각제로 채워지기 위하여 텅 비게 놓일 수 있다. 또 다른 가능한 용도는 평행한 냉각 채널을 갖는 것이며, 이는 증가된 펌프/냉각 길이에 더해질 수 있다. 나아가, 내부는 진단 수단(119;219)이 설치될 수 있다.
진단 수단
예컨대, 광학 섬유 타입의 예컨대, 진단 케이블의 형태로 진단 수단(119;219)이 케이블 시스템의 길이 또는 그 일부에 따라 온도를 모니터링한다(예컨대, 광학 백-스캐터링(back-scattering)에 기초한 분포된 온도 측정). 또 다른 가능한 선택은 온도, 압력 및/또는 유체 등을 모니터링하기 위한 등거리(등거리에 한정되지 않음)의 이산 센서들을 배치하는 것이다.
보호층
(이 경우에 가능한 바와 같은)전도체가 극저온의 엔벨로프에 독립적으로 제조된다면, 보호하는 및 가능한 기계적으로 보강하는 외부 층(120;220)이 극저온 엔벨로프 내의 전도체 도입을 용이하게 하기 위하여 낮은 마찰 표면으로 구현될 수 있다.
예 2 :
AC
케이블
3상 AC 케이블 시스템의 바람직한 실시예들이 도 4 및 도 5에 개시되어 있다. 도 4는 [R,T,S,스크린]-배열에서 본 발명에 따른 3축 AC 케이블 시스템의 단면도를 도시한다. 도 5는 [R,S,T,스크린]-배열에서 본 발명에 따른 3축 AC 케이블 시스템의 단면도를 도시한다. 도 6은 도 5의 3축 AC 케이블 시스템을 위한 케이블의 층들의 상세한 단면도를 도시한다.
다음에서, 도 4 및 도 5로부터 참조 번호들 "4xy; 5xy"을 각각 인용하면 서(4xy는 도 4의 상세 내용을 가리키고, 5xy는 도 5의 동등한 상세 내용을 가리키며, 도 6은 도 5의 부분들의 상세도이고, 따라서 참조 번호들 5xy을 포함한다), 도 4, 도 5 및 도 6을 참조한다.
도 4 및 도 5의 두 예들은 상이하게 순서가 바뀐 상들 R,S,T 및 R,T,S 각각을 제외하고 유사한 케이블 구조들을 표현한다.
케이블(401;501)은 극저온 엔벨로프(416;516) 안에 위치된 다중극 또는 다중위상 전도체로 이루어진다. 완전한 케이블 시스템(400;500)은 포머(411;511), 전기 절연체(412;512), 전력 수송층(413;513), 중성층과 선택적으로 조합되는 스크린(415;515), 극저온 엔벨로프(416;516), 냉각제(417;517), 보이드 또는 충전제(418;518), 진단 수단(419;519)을 포함한다.
AC-케이블 시스템 실시예들의 특징들(4xy,5xy)은 예 1에서 설명된 DC-케이블 시스템 실시예들의 유사한 특징들(1xy,2xy)에 대응한다. DC-케이블 시스템의 요소들에 대해 예 1에서 설명된 바와 동일한 특성들이 AC-케이블 시스템의 대응 요소들에 대해 일반적으로 유효하다(예컨대, DC-케이블 시스템의 포머(111,211)의 특징들이 AC-케이블 시스템들의 포머(411,511)의 특징들과 동일하다). 기본적으로, 이것은 그것이 디자인의 변경 없이 AC 및 DC 모두에 대해 이용될 수 있다는 다중위상-개념의 유리한 특징들 중 하나이다.
유전체
전기 절연체(412;512)는 리본-형 절연체, 예컨대 CryoflexTM를 감아 계층화된 절연체로 만듦으로써 및 이것을 냉각제 예컨대 LN2(액화 질소) 또는 선택적으로 또다른 작용제와 함께 스며들게 함으로서 구현될 수 있다. 또한, 절연체는 고체 절연체를 형성하는 사출 성형 공정(extruding process)에 의해 실현될 수 있다. 도 6의 상세한 도면에서, 전기 절연층(512)(도 6에서 'c'로 표시됨)은 필드를 평탄하하는 반도체층(512')에 의해 전압측 및 접지측에 측면을 접하는 것이 바람직하다. 이 층은 예를 들면, 반도체 NomexTM, 또는 나일론 또는 금속화된 CryoflexTM 또는 사출 성형된 반도체층으로 이루어질 수 있다.
과전류 보호
도 6의 상세한 도면에서, (1) HTS 물질(513)의 전력 수송층(도 6에서 'b'로 표시됨) 및 (2) 전기 절연층들(512)(도 6에서 'c'로 표시됨) 및/또는 포머(511) 사이에 Cu의 선택 층들(513')(도 6에서 'a'로 표시됨)이 표시되어 있다.
도 6의 상세한 도면에서, HTS 테이프들/배선들의 전력 수송층들/위상들(513)(도 6에서 'b'로 표시됨)이 예컨대 Cu 또는 Al 테이프들/전선들 형태로 전기 전도 물질을 포함하는 선택적 분로층(513')과 조합된다. 분로의 총 단면은 누설 전류 보호를 위한 로컬 요건에 적응될 수 있다. 예는 0.25s 동안 50kA의 피크 전류 및 20kA의 부하 전류일 수 있다. 이 경우에서의 충분한 보호는 그 후 예컨대 Cu의 약 60~100mm2의 분로 단면을 갖는 것이다.
예 1 및 2에서 설명된 실시예들의 장점들:
도 1 내지 도 6에서 도시되고 전술된 실시예들은 트라이애드 타입의 다중위상 전도체의 제조 및 성형된 위상 전도체의 병합과 비교하여, 원형의 대칭 전도체 시스템의 유연성 및 상대적인 제조의 용이함의 장점을 갖는다. 예를 들어, 본 발명으로, 하나의 완전한 케이블 회로(모든 시스템 위상들 또는 극성들을 포함)가 단일 드럼 상에서 운반되고, 간단한 장치와 함께 단일 풀(pull)에 설치될 수 있다. 트라이애드 시스템은 수송 드럼 상에 낮은 포장 인자를 야기하는 플래니터리 스트랜더(planetary strander)에서 함께 꼬인 3개의 개별적인 저온 유지 장치들에 삽입되거나, 또는 플래니터리 디-코일러(planetary de-coiler)를 이용하여 설치된 3개의 단상 케이블들을 가질 필요가 있으며, 이는 보통의 잭 스탠드보다 더 비싸고 더 크다. 본 발명은 또한 센터링 스페이서들의 부재로 인해, 중심화된 3축 디자인보다 수송에서 더욱 콤팩트하다.
모듈성 및 유연성이 내재하고(intrinsic) 원형 대칭과 협조하여, 제조 용이함 및 그에 따른 비용 절감이 얻어진다.
예컨대, 5kA(rms)(Ic=7kA에 대응)의 공칭 최대 전류의 AC 케이블이 3.5~4kA 또는 5~6kA DC 케이블(
더 많음)의 정격 3상 AC 전류에 기인한 것이므로, 변형 없이 동일한 케이블이 이용될 수 있기 때문에, AC 및 DC에 이용되는 케이블들 사이 의 공동 상승 효과가 가능하다. 이것은 제조 공정에 요구되는 변경 없이 획득될 수 있다.
1. 고객 요구사항들, 2. 제품 및 물질 양상들 3, 모듈성 및 4. 복수의 벤더 연루와 같은 영역들에 유연성을 제공함으로써, 전도체 및 극저온 엔벨로프를 독립적으로 제조 및 설치할 가능성이 향상된 유연성을 부가하고, 다양한 개량 애플리케이션들에 대해 개방된다.
정격 AC 전류(즉, 공칭 최대의 70~80%)에서의 전술한 케이블을 운영하는 것은 위수 1-2(W/m)의 전기 손실 낭비를 일으킬 것이다(공칭 최대는 전형적으로 측정된 임계 전류(1 마이크로볼트/센티미터 기준으로 정의되는 바와 같이)에 대응하고, 이는 AC의 경우에서 
로 나누어진다. 그러나, 기계적 열화 및 기술자 실수들을 고려한 마진을 갖기 위하여, 공칭 최대 전류의 적어도 20%, 많게는 80% 만큼 신중을 기하고 싶을 것이다). 손실들은 자성의 자기장(self-field)이 초전도체 물질을 따라 이동하도록 강제된다는 사실에 그 원인이 있다(소위, 히스테릭 손실들). 그러나, 손실들은 동등한 종래 케이블에 비해 상당히 낮다. 사실, 낮은 손실들은 저 전압 및 중간 범위 전압까지를 커버하는 절연 두께를 가능하게 한다.
초전도 3축 케이블의 전력 수송 능력은 종래 Cu 또는 Al 케이블과 비교하여 상당히 증가된다.
최대 전류(Ic)가 7kA인 DC 케이블은 일반적으로 최대 Ic까지 이용될 수 있고 따라서, 5-6kA의 정격은 문제가 아니다. DC 모드에서 초전도체를 동작시키는 것이 더욱 유리한데, 이것은 초전도체를 동작시키는 본질적인 방식으로서 간주될 수 있기 때문이며, 즉 이 경우 손실들이 무시할 수 있기 때문이다. Ic=7kA이고 10의 전형적인(혹은 심지어 보수적인) n-값을 갖는 케이블에 대해, 일반적으로 초전도성 케이블의 전류 대 전압(I-V) 특성들이, n-값이 지수인 멱 함수(power function) kIn로 근사화될 수 있다. 즉, 그것은 보통 상태로의 천이의 가파름에 대한 것을 말한다. 정격 6kA(정확한 Ic의 85%)에서 케이블을 운영하는 것은 오직 0.8510×0.7=0.13W/m의 손실 소비만을 일으킨다. 실제적인 n-값들이 더 크고, Ic 미만에서 케이블을 운영하면, 손실들은 무시할 수 있고, AC 경우보다 더 나은 크기의 차수들이 된다. 즉, 한정적인 펌프 길이는 펌프 수력 및 극저온 엔벨로프 열 손실들에 의해서만 결정된다.
[+,-,0,스크린] 배열로 DC를 운영하는 것은 변전소에서 이용하기에 매우 적절하고, 특히 DC 시스템의 제로/중성체로서 AC의 반전(inversion)은 AC 시스템에 의해 용이하게 채택될 수 있다. DC로부터 AC의 생성은 +2U, 0 소스보다는 ±U에 연결하여 더욱 용이하게 수행된다.
누설 전류 보호가 또한 AC 및 DC 케이블에 대해 유사하다.
도 7은 본 발명에 따른 케이블 시스템의 투시도를 개략적으로 도시한 것으로, 여기서 케이블은 케이블 시스템의 길이 방향으로 열 엔벨로프 내부에서 구불거린다.
극저온 엔벨로프(716)에서 케이블(720)의 위치는 전도체의 중앙(도 7에서 'x'로 표시됨)의 자취가 극저온 엔벨로프 중앙에 대해 항상 편심되고, 따라서 그 자취가 나선형 자취를 이루도록 배열된다. 그것의 길이방향을 따라 극저온 엔벨로프에 대한 케이블의 나선형은 케이블의 냉각 및 가열에 대한 열적 보상으로 동작할 수 있는, 극저온 엔벨로프에 대한 케이블의 여분의 길이를 보장한다. 또한, 편심률은 동축 구성에서보다 흐르는 냉각제에 더 작은 유체 저항을 제공한다. 편심률은 전류 불균형의 경우에도 임의의 와상 전류들을 도입하지 않는다. 대안적으로, 케이블은 대부분의 길이에서와 같이, 길이의 특정 부분들에 걸쳐 극저온 엔벨로프 중앙에 대해 편심으로 위치될 수 있다.
케이블(720)은 예컨대 도 1 및 도 2의 DC 케이블들(101,201) 및 도 4 및 도 5의 AC 케이블들(401,501)의 각각에 의해 구현될 수 있다.
제조 방법:
도 9는 본 발명에 따른 케이블 시스템의 제조 방법을 도시한다. 도 9a 내지 도 9c는 각각 열 단열재, 케이블, 및 조립된 케이블 시스템의 단면도들이다.
도 9는 본 발명의 장점들 중 하나를 개략적으로 도시하며, 즉 동일한 또는 상이한 프로세싱 장치들에서 병렬적으로 또는 순차적으로 수행되는 개별적인 프로세싱 단계들에서 열 엔벨로프(916)(도 9a), 케이블(901)(도 9b)를 제조하는 것 및 문제의 상황에서 편리한 시간 및 위치에서 열 엔벨로프 및 케이블을 케이블 시스템(900)(도 9c)으로 조립하는 것의 선택을 도시한다. 케이블 및 열 엔벨로프는 예컨대, 상이한 제조자들에 의해 제조될 수 있고, 제조자들 중 하나에, 또는 제 3의 조립 공장으로 또는 (바람직하다면) 현장 조립을 위해 케이블이 설치되어 있는 위치로 선적될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 초전도성 케이블 시스템을 제조하는 방법은 개별적으로 제조된 케이블 및 열 엔벨로프들을 제공하는 단계를 포함하고, 다음의 단계들에 따라 조립한다: 1. 장력을 열 엔벨로프들에 가하여 케이블의 삽입 동안 그것들을 예컨대, 0.05~0.5% 늘리는 단계; 2. 케이블을 액화 N2 온도로 냉각하여, 그것이 길이방향으로 예컨대, 0.1~0.4% 수축되도록 하는 단계; 3. 열 엔벨로프에 3 bars 또는 10 bar 또는 20 bar의 압력을 가하여 내부 저온 유지 장치 벽을 신장시키는 단계; 4. 케이블을 열 엔벨로프로 밀어 넣는 단계; 5. 열 엔벨로프를 1.5m 마다 또는 3m 마다 또는 10m 마다와 같이 복수의 위치들에서 구불거리도록 또는 굽어 지도록 강제하는 단계; 6. 케이블 말단들을 열 엔벨로프의 말단들에 고정하는 단계; 7. 이어서 열 엔벨로프의 압력을 해제하는 단계; 8. 이어서 열 엔벨로프 상의 장력을 해제하는 단계; 9. 이어서 케이블을 따뜻해지도록 하고, 케이블은 가열로 팽창하는 단계; 10. 이어서 케이블을 열 엔벨로프에 밀어 넣는 것을 중단하는 단계.
도 10은 열 엔벨로프 또는 저온 유지 장치(1016)의 횡단면도를 개략적으로 도시하며, 도 10a는 교축의 횡단면도를 도시하고, 도 10b는 내부 저온 유지 장치 벽(1061)이 굽어지는 길이방향의 단면을 도시하고, 이는 전술한 바와 같이 설치되는 동안의 상황을 나타낸다.
도 10b에 도시된 바와 같이, 내부 저온 유지 장치 벽(1061)은 시스템의 냉각 동안 그것의 열적 수축을 보상할 수 있는 과도-길이(over-length)를 제공하기 위하여 저온 유지 장치의 길이를 따라 "파동"("undulate")치게 할 수 있다. 그러나, 외부 저온 유지 장치 벽(1062)은 일반적으로 항상 '따뜻'하고, 및 거의 같은 길이를 유지할 것이다. 내부 저온 유지 장치의 "파동"은 선택적이다. 예를 들어, 그것은 또한 단단한 저온 유지 장치에서 이용되는 바와 같은 비스듬한(주름진) 부분들을 포함할 수 있다. 저온 유지 장치 안에 위치될 때 케이블의 편심은 모든 교축의 횡단면들에서 외부 저온 유지 장치 벽(1062)의 기하학적 중앙인, 전형적으로 거의 직선을 구성하는, 중앙 라인(1041)에 대해 취해진다. 외부 저온 유지 장치 벽의 최대 단면 치수(Dce)가 도 10에 표시되어 있고, 바람직하게 그것의 길이에 걸쳐 일정한 것(직경)으로서 예시되어 있다. 그러나, 이것은 항상 그러할 필요는 없다. 외부 직경은 길이에 따라(예로서, 그 길이의 특정 부분에 걸쳐) 변할 수 있고 및/또는 비-원형 단면 형태일 수 있다. 내부 저온 유지 장치 벽의 최대(dce ,max) 및 최소(dce ,min) 단면 치수들이 도 10에 표시되어 있고, 각각 말단들 사이의 중앙 중간에 및 길이방향의 말단들에 위치되는 것으로 예시되어 있다. 그러나, 이것은 반드시 그러할 필요는 없다. 내부 저온 유지 장치 벽의 모양은 도 10b에 도시된 것 이외의, 길이 및 내부와 외부 벽 부분들의 길이 차이, 그것들이 만들어진 물질들, 중간의 열적 절연 물질(1016), 주변 온도 등에 의해 결정되는 다른 형태들, 예컨대 거의 사인파형 또는 몇몇 다른 보다 랜덤한 파동형을 취할 수 있다.
도 11은 케이블 시스템(1100)의 길이방향의 부분을 개략적으로 도시하며, 이 케이블 시스템(1100)은 케이블 전도체 어셈블리들의 개수보다 많은, 기능적으로 통합된 다수의 열 엔벨로프들(1116)을 포함한다. 이들 열 엔벨로프들은 독립적인 조인트 요소(1163)를 통해 또는 각각의 열 엔벨로프 부분에 통합된 조인트들(1164)을 통해 접합된다. 도 11a는 케이블 전도체(1170)가 냉각되고 이에 의해 단축된 경로(1142)를 취하는 방법을 도시한다. 다음, 말단들에 고정하고 따뜻하게 할 때, 케이블 전도체 어셈블리(1171)는 중앙 라인(1140)에 의해 기술되는 더 길고, 파동 경로를 취한다. 도 11b는 열 엔벨로프에 인가되어, 그에 의해 그 길이를 신장하는 당기는 힘(1172)을 표시한다. 열 엔벨로프의 말단들에 대한 케이블 말단들의 고정 및 당기는 힘(1172)의 해제 시, 열 엔벨로프는 단축되고, 케이블 전도체 어셈블리에 파동 중앙-라인 경로(1140)에 강제한다. 도 11c는 힘(1173)에 의해 케이블 전도체 말단들이 저온 유지 장치의 말단들로 밀어져, 케이블 전도체 중앙-라인의 보다 길고 및 파동인 경로를 유발하는 방법을 도시한다. 과도-압력(1174)은 냉각 채널(1117)에 가해져, 내부 저온 유지 장치 벽(1161)의 길이의 확장을 초래한다. 이것은 케이블 전도체의 훨씬 더 큰 길이가 열 엔벨로프(1116)로 삽입되도록 한다. 본 실시예에서, 열 엔벨로프의 외부 벽(1162)은 내부 벽에 대한 변화들에 의해 거의 영향을 받지 않고 유지되는 것으로 도시되어 있다.
본 발명은 독립 청구항(들)의 특징에 의해 정의된다. 바람직한 실시예들이 종속항들에서 정의된다. 청구항들 내 임의의 참조 번호들은 그것들의 범위에 대해 비제한적인 것으로 의도된다.
몇몇 바람직한 실시예들이 앞서 소개되었지만, 본 발명이 이것들에 한정되는 것은 아니며, 다음 청구항들에서 정의되는 주제 내에서 다른 방식으로 구현될 수 있다는 것이 강조되어야 한다.
종래 기술의 문제점은 유체 냉각 케이블 시스템을 위한 제조 공정이 복잡하고, 시간 소비적이며, 많은 재료의 사용 및 사용 중 상대적으로 낮은 효율을 가진다는 것이다.
본 발명의 목적은 전술한 종래 기술들의 하나 이상의 문제점들을 극복하기 위한 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 유체 냉각 케이블 시스템에 대한 간편한 제조 및 설치 스킴을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 수반된 청구항들에서 설명한 발명에 의해 달성되고, 전술한 바와 같이 달성된다.
Claims (51)
- 초전도 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템에 있어서,a) 제로 또는 중성 도체 및 적어도 두 개의 전기 위상들을 구성하는 적어도 세 개의 전기 도체들을 포함하는 케이블로서, 상기 전기 도체들은 서로로부터 상호 전기적으로 절연되고, 상기 전기 도체들 중 적어도 일부는 전기적 절연에 의해 분리된 서로의 주변에 동심으로 배열되고, 상기 제로 또는 중성 도체는 공통의 전기 리턴 도체를 형성하고, 상기 케이블 시스템은 상기 전기 위상들 및 상기 제로 또는 중성 도체를 감싸는 공통의 전기 스크린을 포함하고, 그곳으로부터 전기적으로 절연되는 상기 케이블, 및b) 중심의 길이방향 축을 정의하고 내부 표면을 가지며 상기 케이블을 감싸는 열 단열재로서, 상기 열 단열재의 상기 내부 표면은 상기 전기 도체들을 냉각하기 위한 냉각 유체를 유지하기 위한 냉각 챔버의 방사상의 한계를 형성하는 상기 열 단열재를 포함하며,상기 케이블은 상기 길이방향 축에 직각인 단면에서 볼 때-적어도 그 길이의 일부에서-상기 중심의 길이방향 축에 관하여 편심으로 위치하며, 다음의 식에서 Δex 는 케이블의 중심선에서 열 단열재의 중심선까지의 평균거리이고 상기 케이블의 상기 길이방향의 열적 수축,εL에 관련된다는 점에서, 상기 편심된 위치는 상기 열 단열재에 대한 상기 케이블의 열 수축 및/또는 팽창을 수용하는 기능을 가지며:
상기 케이블 중심선은 실질적으로 상기 저온 유지 장치 내부의 스크류-라인을 설명하고, Lp는 이 스크류 라인의 피치 길이인, 초전도 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템. - 제 1 항에 있어서,상기 전기 도체들 모두는 전기 절연체에 의해 분리된 서로의 주위에 동심으로 배열되는, 초전도 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 제로 또는 중성 도체는 상기 전기 위상들 중 적어도 하나의 주위에 동심으로 배열되는, 초전도 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 3 항에 있어서,상기 동심으로 배열된 전기 도체들은 상기 동심으로 배열된 도체들에 대해 중심에 위치하는 냉각 볼륨(volume)을 감싸는, 초전도 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 전기 위상들의 개수는 3인, 초전도 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 전기 도체들 중 적어도 하나는 BSCCO (BiSrCaCuO3)를 포함하는 재료군 중에서 선택된 초전도성 재료, 예컨대, 납-도핑된 BSCCO, YBCO (yttrium barium copper oxide), RE-BCO (Rare-Earth Barium-Copper-Oxide), MgB2, Nb3Sn, Nb3Ti 및 이들의 조합물을 포함하는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 공통의 전기적 스크린은 구리 또는 알루미늄 또는 초전도성 재료를 포함하는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 중심에 위치하는 냉각 볼륨은 열 저장 공간을 형성하기 위해 각 말단에 폐쇄되는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 중심에 위치하는 냉각 볼륨은 냉각 채널로 사용되며, 상기 냉각 유체는 유동하는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 케이블은 상기 길이방향에 의해 정의된 바와 같이 적어도 그 길이의 일부에 걸쳐서 상기 열 단열재의 상기 내부 표면과 물리적 접촉을 갖는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 10 항에 있어서,상기 케이블은 예컨대, 휨(bending) 및 열 수축과 같은 기계적 제한들 및 인력에 의해 결정되는 위치에서 상기 열 단열재의 상기 내부 표면과 물리적 접촉을 갖는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,적어도 그 길이의 일부에 걸친, 바람직하게는 그 길이 대부분에 걸친, 상기 튜브형의 열 단열재의 상기 중심의 길이방향의 축에 대한 상기 케이블의 상기 위치의 편심률은 1%보다 크며, 예컨대 2% 보다 크고, 예컨대 5% 보다 크고, 예컨대 10%보다 크고, 예컨대 20%보다 크고, 예컨대 35% 보다 큰, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 케이블의 중심선에서 상기 열 단열재의 중심선까지의 상기 평균 거리는 Δex이고, 추가로 다음의 관계식을 이행하고,
여기서, Rbend는, 휨 테스트들을 통해 결정된 바와 같이, 상기 케이블 속성들이 그 명세들의 미리 결정된 비율 내에 남아 있는 최소 휨 반경인, 다중 위상의 유체-냉각 케이블 시스템. - 제 6 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 초전도 재료는 초전도 층을 형성하기 위해 기초 층 주위에 꼬인 하나 이상의 테이프들 또는 배선들의 형태로 존재하는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 14 항에 있어서,상기 Lp는 Ls보다 크고, 상기 Ls는 상기 케이블에서 초전도 층의 가장 길게 꼬인 피치 길이인, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 15 항에 있어서,상기 Lp는 실질적으로 nLs와 동일하고, 상기 파라미터 n은 1보다 큰 정수인, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,하나의 편심된 위치로부터 또 다른 편심된 위치로의 상기 케이블 도체 어셈블리의 상기 이동은 상기 케이블의 냉각 및 웜-업 동안 발생하거나 또는 과전류 또는 누설 전류에 의해 기인하는 열 수축 및 팽창을 보상하는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 케이블은 금속, 플라스틱 또는 합성 재료들로 만들어진, 나선형, 튜브, 주름진 튜브 또는 겹쳐진 튜브의 형태의 중심 포머를 포함하는, 다중위상의, 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 전기 도체들 중 적어도 하나는 예컨대, 구리 또는 알루미늄을 포함하는 테이프들 또는 배선들의 형태로 보호하는 전기적으로 도전 분로 재료의 층과 열적 및/또는 전기적 접촉을 갖는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 19 항에 있어서,상기 초전도 테이프들 또는 배선들 및 상기 도전성 분로 테이프들 또는 배선 들은 상기 초전도 층들의 상기 전류 분배 및 초전도 테이프들 또는 배선들의 개수를 최적화하고, 상기 도전성 분로 층들에서 상기 공칭 전류의 단편(fraction)을 최소화하는 반면, 누설 전류의 경우 상기 도전성 분로 층들이 보호하는 분로들로 동작하도록 배열함으로써, 변경 또는 과도-전류들 하에서 낮은 전기 손실을 제공하도록 하는 피치 각도들 및 순서로 배열되는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 케이블은 각각 상기 케이블의 중심 축에 가장 가까이 및 가장 멀리 위치하는 가장 안쪽 및 가장 바깥쪽 위상 도체들을 포함하는 동심으로 배열된 위상 도체들을 포함하며, 상기 가장 안쪽의 위상 및 상기 가장 바깥쪽의 위상의 상기 과전류 보호는 각각 상기 가장 안쪽의 위상 도체의 내부 및 상기 가장 바깥쪽의 위상 도체의 외부에 위치하는 정상적인 도전층들에 의해 제공되는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 케이블 시스템은 3-상 AC 케이블 시스템으로 사용되도록 적응되며, 상기 케이블은 상기 내부, 중간 및 외부 위상 도체라고 불리는 3개의 동심의 상호 절연된 위상 도체들을 포함하고, 상기 중간 위상 도체는 상기 중간 위상의 과전류 보호 목적으로, 각각 상기 내부 및 상기 외부 위상 도체와 면하는 각 측 상에 정상 도전층을 포함하는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 케이블은 각각 상기 케이블의 중심 축에서 가장 가까이 및 가장 멀리 위치한 가장 안쪽 및 가장 바깥쪽의 위상 도체를 포함하는 동심으로 배열된 위상 도체들을 포함하며, 상기 가장 안쪽의 위상 및 상기 가장 바깥쪽의 위상의 상기 과전류 보호는 삽입된 초전도 및 정상적으로는 도전 층들에 의해 제공되는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 전기 도체들 중 적어도 하나는 스틸 합금들, 탄소-섬유-계 부재들 또는 폴리이미드-계 부재들을 함유하는 기계적 강화 성분들에 의해 보강되는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 초전도 재료는 각 전기 위상 도체가 초전도 테이프들 또는 배선들의 하나 또는 수개의 층들로 이루어진다는 점에서 상기 초전도 층들에서 상기 전류 분배 및 초전도 테이프들의 수를 최적화시킴으로써, 변경 또는 과도 전류들 하에서 낮은 전기 손실을 제공하기 위한 피치 각도들 및 그 순서로 배열된 테이프들 또는 배선들의 형태로 존재하며, 상기 위상들 각각에서 이들 층들은 각 그룹에서 동일한 피치 방향(지정된 "S" 또는 "Z")을 가진 하나 또는 수개의 그룹들로 조직화되며, 상 기 전기 위상들의 각각에서 상기 첫번째 그룹의 모든 층들은 동일한 피치 방향, 예컨대 "S"로 꼬인, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 25 항에 있어서,상기 전기 위상 도체들 중 적어도 하나는 상기 첫번째 그룹과 반대 피치 방향, 예컨대 "Z"를 가진 초전도 테이프들 또는 배선들의 마지막 그룹을 갖는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 25 항 또는 제 26 항에 있어서,상기 케이블 시스템은 두 개의 전기 위상 도체들을 가지며, 상기 각 전기 도체는 테이프들 또는 배선들로 된 두 개의 초전도 층들을 포함하고 상기 피치 방향 시퀀스는 SZ-SZ인, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 25 항 또는 제 26 항에 있어서,상기 케이블 시스템은 3개의 전기 위상 도체들을 갖고, 상기 각 전기 도체들은 두 개의 초전도 층들 및 SZ-SZ-SZ인 상기 피치 방향 시퀀스를 포함하는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 1 항 내지 제 28 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 전기 도체들과 상기 전기 차폐 막 사이 및 상기 전기 도체들 사이의 상 기 전기 절연체는 폴리머들 예컨대, 리본들의 애플리케이션을 통해 또는 사출 성형이 적용된 합성 종이를 포함하는, 종이, PPLP, PE, 또는 폴리프로필렌으로 이루어지는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 29 항에 있어서,상기 전기 절연체는 가능한 가압되고, 전기적 절연 유체 예컨대, 액화 질소, 질소 가스, 헬륨, 네온, 수소, 산소 또는 이들의 조합물들을 포함하는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 30 항에 있어서,상기 전기적 절연 유체는 상기 케이블을 감싸는 상기 열 단열재 내부에 순환되는 상기 냉각 유체로부터 분리되는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 1 항 내지 제 31 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 케이블의 중심부는 전체 또는 부분적으로 상기 전기적 절연 유체의 상기 내부의 초과 압력을 전달하는데 사용되는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 30 항에 있어서,상기 전기적 절연 유체는 상기 냉각 유체와 동일한, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 1 항 내지 제 33 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 전기적 스크린은 알루미늄 또는 구리를 포함하며, 선택적으로 예컨대, 스틸 그레이드들(steel grades), 니켈 그레이드들, 탄소 또는 케블라 섬유들 또는 고-강도 합성 테이프들의 형태로 고-강도 기계적 보강 재료들 및/또는 반-도전 재료 및/또는 초전도성 재료를 포함하는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 1 항 내지 제 34 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 전기적 스크린은 상기 열 엔벨로프의 상기 내부 표면에 관하여 0.25 미만의 마찰 계수를 제공하기 위해 낮은 마찰 성분이 제공되는, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 1 항 내지 제 35 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 케이블 및 상기 열 단열재는 각각 길이 Lcab 및 LTE인 개별적인 부분들로 제조되고, 상기 Lcab은 LTE보다 큰, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 제 36 항에 있어서,상기 Lcab은 n*LTE와 실질적으로 동일하고, 여기서 n은 1보다 크며, 예컨대 2 보다 크고, 예컨대 4보다 크고, 예컨대 7보다 큰, 다중위상의 유체-냉각 케이블 시스템.
- 초전도 단일-위상 또는 다중위상 케이블 시스템의 제조 방법에 있어서,a) 적어도 하나의 전기 위상 및 제로 또는 중성 도체의 형태로 적어도 두 개의 전기 도체들을 제공하는 단계,b) 상기 전기 도체들이 서로로부터 상호 전기적으로 절연되도록 제공하는 단계,c) 상기 전기 도체들을 감싸는 열 단열재를 제공하는 단계로서, 상기 튜브형의 열 단열재는 중심의 길이방향 축을 정의하는, 상기 열 단열재 제공 단계,d) 상기 튜브형의 열 단열재의 내부 표면이 상기 전기 도체들의 냉각용 냉각 유체를 유지하기 위한 냉각 챔버의 방사상의 한계를 형성하도록 제공하는 단계, 및e) 상기 적어도 하나의 전기 위상 및 제로 또는 중성 도체는 상기 중심의 길이방향 축에 대해 편심으로 배열되도록 제공하는 단계를 포함하고,상기 방법은 이하의 단계들,S1. 열 엔벨로프들에 장력을 가하여 상기 케이블의 삽입 동안 그것들을 예컨대 0.05~0.5% 만큼 늘리는 단계;S2. 상기 케이블을 액화 질소의 온도로 냉각시켜 그것을 길이방향으로 예컨대 0.1~0.4% 만큼 수축을 일으키는 단계;S3. 상기 열 엔벨로프를 적어도 3 bars 까지, 예컨대 적어도 10 bars 까지 또는 적어도 20 bars 까지 가압하여, 상기 내부 저온 유지 장치 벽이 신장되도록 하는 단계;S4. 상기 케이블을 상기 열 엔벨로프로 밀어 넣는 단계;S5. 열 엔벨로프를 구부리거나 접지에 고정시켜서 예컨대 매장을 통해, 복수의 위치들에서 예컨대 1.5m 마다 또는 3m 마다 또는 10m 마다, 열 엔벨로프를 구불거리거나 또는 휘도록 강제하는 단계;S6. 상기 케이블 말단들을 상기 열 엔벨로프의 상기 말단들에 고정하는 단계;S7. 이어서, 상기 열 엔벨로프의 압력을 해제하는 단계;S8. 이어서, 상기 열 엔벨로프 상에서의 상기 장력을 해제하는 단계;S9. 이어서, 상기 케이블을 따뜻해지도록 하여, 상기 케이블이 열을 확장하는 단계;S10. 상기 케이블을 상기 열 엔벨로프로 밀어 넣는 것을 중단하는 단계 중 둘 이상을 더 포함하는, 제조 방법.
- 제 38 항에 있어서,상기 케이블은 상기 전기 도체들을 포함하며, 그들의 상호 전기 절연체는 상기 열 단열재와 개별적으로-선택적으로는 병렬로-제조되는, 제조 방법.
- 제 38 항 또는 제 39 항에 있어서,상기 케이블 및 상기 열 단열재는 각각 길이 Lcab 및 LTE의 개별적인 부분들로 제조되고, 상기 Lcab은 LTE보다 더 큰, 제조 방법.
- 제 40 항에 있어서,상기 Lcab은 n*LTE와 실질적으로 동일하며, 여기서 n은 1보다 크며, 예컨대 2보다 크고, 예컨대 4보다 크고, 예컨대 7보다 큰, 제조 방법.
- 제 39 항 내지 제 41 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 열 단열재는 표준화된 길이들의 부분들, 예컨대, 3m 또는 6m 또는 12m 또는 20m 또는 50m 또는 100m 또는 200m로 제공되는 방법.
- 제 40 항 내지 제 42 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 열 단열재는 유연한, 단단한 직선 및 단단한 만곡부들의 혼합, 또는 부분적으로 단단하고 부분적으로 유연한 부분들로서 제공되는, 제조 방법.
- 제 38 항 내지 제 43 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 단계들 S1, S6, S8을 포함하는, 제조 방법.
- 제 38 항 내지 제 44 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 단계들 S2, S6, S8을 포함하는, 제조 방법.
- 상기 제 1 항 내지 제 37 항 중 어느 하나의 항에 따른 초전도 다중 위상 케이블 시스템의 사용 또는 상기 제 38 항 내지 제 45 항 중 어느 하나의 항에 따른 방법으로 제조된 초전도 케이블 시스템의 사용.
- 제 46 항에 있어서,DC 케이블 시스템으로서의 사용.
- 제 47 항에 있어서,위상 배열이 [+,-,0]인 사용.
- 제 47 항에 있어서,위상 배열이 [+,-,중성,0]인 사용.
- 제 46 항에 있어서,AC 케이블 시스템으로서의 사용.
- 제 46 항에 있어서,동시에 AC 및 DC 케이블 시스템으로서의 사용.
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