NO159892B - Koaksial fluidavkjoelt kabel. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår kabler for overføring av høyfrekvent høy energi fra en kraftforsyning som f.eks. en generator til en belastning som f.eks. en bevegelig induksjonsspole i forbindelse med høyfrekvens induksjonsvarming av en gjenstand.

For overføring av høyfrekvent sterkstrøm må det legges spesiell vekt på fordelingen av strømmen over lederens tilgjengelige tverrsnittsareal. Ved de frekvenser som er aktuelle ved induksjonsvarming vil strømfordeli ngen bli bestemt mer av 1ederinduktansen enn av 1edermotstanden. Dette bevirker at strømmen tvinges til å flyte gjennom den korteste tilgjengelige strømsløyfe og den trenger bare litt ned i over-flaten, den såkalte skinndybde. Skinndybden for kompakt kobber er 1,1 mm ved 3 kHz, 0,5 mm ved 20 kHz og 0,2 mm ved 100 kHz. For å overføre 1 kA med en strømtetthet på 10 A/mm^ trengs det et effektivt 1edertverrsnitt på 100 mm^. Ved 20 kHz med en skinndybde på 0,5 mm trengs det en leder med 200 mm omkrets eller 63 mm diameter.

Energitapet i en kompakt kobberleder med denne diameter ville være stort og lederen ville trenge spesielle kjølean-legg. Sammen med leder for returstrøm ville en slik leder utgjøre en forholdsvis stor og åpen strømsløyfe som ville utstråle et meget sterkt og farlig høyfrekvent magnetfelt. En løsning som dette er også av andre grunner ikke tilfredsstil-lende.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en kabel som er mye mer kompakt, fleksibel og godt skjermet, og som kan overføre den samme strøm med bare litt høyere tap.

De vesentligste særtrekk ved kabelen ifølge den foreliggende oppfinnelse er definert i kravene.

Kabelen er fleksibel og kombinerer tilførsel av elektrisk energi med væskekjøling av belastningen, som kan være f.eks. en induksjonsspole. De vesentligste fordeler med kabelen sammenlignet med enklere konstruksjoner er høy kraftover-føringkapasitet, små tap, liten sel vinduktans, effektiv kjøling, kompakthet og dens fullstendige skjerming mot utstråling av magnetiske og elektriske felt.

Konstruksjonen er egnet for å overføre 1 MVA eller mer ved frekvenser i området fra 3 kHz til 100 kHz over avstander i området 10 m. Slike arbeidsverdier er nødvendige for å håndtere store reaktive belastninger med tilstrekkelig fleksibilitet for systemkonstruksjonen og bevegelighet for belastningen (induksjonsspolen).

Hovedideen ved konstruksjonen er å ha ledere med stor omkrets og en tykkelse som tilnærmet er gitt av skinndybden ved den aktuelle frekvens. Ved å anordne tur- og returledere isolert fra hverandre i forskjellige lag i en koaksial geome-tri vil nettostrømmen i kabelen bli null slik at utstråling fra magnetiske felt unngås. I den hule innerleder vil det magnetiske felt også være null, noe som letter materialvalget for den sentrale kjølekanal.

Den aktuelle konstruksjonens innerdiameter, tykkelse og antall lederlag, i sol asjonstykkelse og totalt tverrsnitt vil avhenge av de ønskede strømmer og spenninger og frekvenser og vil også avhenge av den tillatelige arbeidstemperatur.

Ved gitte arbeidsverdier vil tapene avta med økende totalt tverrsnitt og med antall lag, dvs. med reduksjon av leder-lagenes tykkelse. På den annen side vil kabelens radielle termiske resistivitet bli bestemt av antall og tykkelse av i so 1 asjonslagene. Med en gitt maksimum arbeidstemperatur for det ytre lag vil denne begrense antall lederlag slik at en praktisk optimal utførelse av kabelen vil ha fra tre til fem 1 eder1 ag.

For en kabel med bare to lederlag vil det effektive 1edertverrsnitt være gitt av skinndybden målt fra grense-snittet mellom de to ledere. For en kabel med tre eller flere lederlag vil den midterste leder eller de midterste ledere føre returstrøm på begge sider, og skinndybden vil bli målt fra begge sider av laget slik at det effektive 1edertverrsnitt for slike lag blir omtrent fordoblet. For mekanisk beskyttelse og elektrostatisk skjerming bør kabelen ha et ytre lag med isolasjon og en jordet metallskjerm med en ytre isolerende kappe. Den sentrale kjølekanal kan lages av et hvilket som helst materiale, men et korrugert armert rustfritt stålrør er foretrukket på grunn av dettes gode termiske ledningsevne, robusthet og ikke-magnetiske egenskaper. De magnetiske egenskaper er ikke viktige for selve kabelen, men ved kabel-avslutningen vil det forekomme lekkasjefelt som ellers ville øke tapene.

Lederlagene bør fortrinnsvis lages av flettede kobber-tråder med lang slaglengde for å redusere den langsgående strømvei. Flettingen vil søke å øke den effektive skinndybde, særlig hvis hver tråd er forsynt med et lakklag. Samme type flettet leder kan brukes i alle lederlag ved å benytte to flettede strømper for de midtre lederlag.

I solasjonslagene mellom lederlagene må være av høy kvalitet for å være effektive ved den høye elektriske feltstyrke, høye frekvens og temperatur.

På grunn av den termiske motstand, men også på grunn av kabelens selvinduktans er det viktig at i solasjonslagene er tynne. En arbeids feltstyrke som er høyere enn 1 kV/mm, men under grenseverdien for del utiadninger og dielektriske tap som er mindre enn 10 W/m ved den aktuelle arbeidsfrek vens og arbeidstemperatur, vil være utslagsgivende ved materialvalget. Passende materialer vil være teflon eller glassfiberbånd som har en temperaturgrense på opp til 180°C.

Ovenfor nevnte og andre formål og særtrekk ved den foreliggende oppfinnelse vil klart fremgå av den etterfølgende detaljerte beskrivelse av utførelser av oppfinnelsen sett i sammenheng med figurene, hvor

- fig. 1 skjematisk viser en kabel instal1asjon,

- fig. 2 viser tverrsnittet av en kabel med to koaksiale ledere, - fig. 3 viser en utførelse av kabelen ifølge oppfinnelsen, og - figurene 4 og 5 viser en kraftkabel instal1 asjon hvor det benyttes to kraftkabler i henhold til oppfinnelsen.

I fig.l er skjematisk vist en kraftgenerator 1 som tilfører kraft over en fleksibel kabel 2 til en belastning (ikke vist) anbragt på eller inne i et bevegelig apparat 3.

Kabelen 2 må, for å ha minst mulig tap ved de høye energi-mengder og frekvenser det gjelder, inneholde minst to ledere for strøm i den ene retningen og minst én leder for retur-strøm, plassert mellom de to førstnevnte ledere.

I fig. 2 er skjematisk vist tverrsnittet av en kabel med to koaksiale ledere. En kjølekanal 10 i senter av kabelen kan lages av rustfritt stål, fortrinnsvis i form av et korrugert rør for å gjøre kanalen tilstrekkelig fleksibel. Utenpå og i termisk kontakt med kanalen 10 er det anordnet en føirste kabelleder 11 som kan lages av et antalili flettede kobber-tråder. Et varmebestandi g i sol asjonsliag; 12 er plassert over lederen 11. Dette laget kan; bestå av glassfiberbånd, teflonbånd e.l. Konfigurasjonen av lederen 11/isolasjonen 12 kan gjentas med en andre leder 13 som ligner lederen 11 og med et i solasjonslag 14 som ligner i solasjonslaget 12. Utvendig kan kabelen forsynes med en elektrostatisk skjerm 21 av metall-tråder eller bånd og en ytre kappe 22 av isolasjonsmateriale.

Kabelen som er beskrevet ovenfor, har to koaksiale ledere som kan føre strøm og returstrøm mellom en kraftforsyning 1 og et apparat 3. Kabelen er kompakt men fleksibel slik at apparatet 3 kan være bevegelig. Effektiv avkjøling er mulig ved å pumpe et fluidum som f.eks. vann eller luft gjennom kanalen 10. Videre er kabelen fullstendig skjermet magnetisk og elektrostatisk når den er forsynt med skjermen 21. Kabelen har små energitap på grunn av ledernes koaksiale sammen-stilling. Energitapene er ytterligere redusert ved den flettede 1ederkonstruksjon. Ved en slik konstruksjon er det imidlertid vanskelig å oppnå en ønsket reduksjon av den resulterende strøm i den aktuelle kabel.

I fig. 3 er det skjematisk vist en kabel ifølge oppfinnelsen. Den har tre sett med ledere 11, 13, 15 og tilsvarende i sol asjonslag 12, 14, 16. Tverrsnittet av lederne 11, 13 og 15 bør velges slik at summen av tverrsnittet for lederne 11 og 15 svarer til tverrsnittet av lederen: 13.. Derved kan lederne 11 og 15 føre strøm i én retning,, mens lederen 13 kan føre strøm i motsatt retning.

En kabel som i henhold til oppifinnelsem er i stand til å overføre 1 kA ved 1 kV og 20 kHz karr Tagies s.Q>m følger: Sentral kjølekanal 10: 13 mm korrugert rustfritt stålrør.

Første leder 11: 50 mm^ kobber fletting

Isolasjon 12: Dobbelt lag teflonbånd

Dobbelt lag glassfiberbånd

Total tykkelse omtrent 0,6 mm.

Andre (midterste) leder 13: 2 x 50 mm<2> kobberfletting Isolasjon 14: Som 12.

Tredje (ytre) leder 15: Som 11

Isolasjon 16: Som 12

Metallisk skjerm og armering 21: 50 mm<2> kobberf1etting.

Lag 22: Glassfiberbånd.

Kabelens totale diameter er 40-45 mm. En kabel som dette vil arbeide ved omtrent 100°C overtemperatur ved den angitte strøm.

Når det brukes én kabel 2 mellom kraftforsyningen 1 og apparatet 3 må det benyttes en utvendig returkanal (ikke vist) for kjølemediet.

Det vil imidlertid være praktisk å kombinere kjøling av kabelen med kjøling av belastningen, som f.eks. kan være en induksjonsspole, og bruke to parallelle kabler 2 og 4, som vist i figurene 4 og 5. I dette tilfelle bør de respektive lederlag kobles antisymmetrisk i forhold til hverandre. Den totale overføringskapasitet for en slik kobling er 2 MVA.

Når det benyttes to parallelle kabler 2 og 4 som begge har tre eller flere ledere samt kjølekanaler, mellom kraftforsyningen og belastningen, kan kanalen i den andre kabel 4 benyttes som returkanal for kjølef1uidumet. For enkelhelts skyld er det i figur 5 vist to kabler som hver har bare to koaksiale ledere 30, 31 og 32, 33. Ledenne i hver kabel kobles slik at de fører strøm i begge retninger. Som vist kan den indre leder 30 for den ene kabel 2 kobles i parallell med den ytre leder 33 for kabelen 4, mens lederen 31 kobles i parallell med lederen 32. Kjølekanalene 34 og 35 er hhv. i direkte kontakt med lederne 30 og 32 og med belastningen 3.

En kabel ifølge oppfinnelsen inneholder tre koaksiale lederlag 11, 13, 15, og da bør lederne 11 og 15 i kabel 2 kobles i parallell med lederen 13 i kabel 4 for den ene strømretningen, mens de andre lederne kobles sammen for å føre returstrømmen.

Ovenstående detaljerte beskrivelse av noen utførel-seseksempler av foreliggende oppfinnelse skal bare betraktes som eksempler og må ikke oppfattes som begrensninger av beskyttelsens omfang.

Claims (9)

1. Koaksial f1uidumkjølt høyfrekvens høyenergi kabel (2, 4) for overføring av en energimengde på 1 MVA eller mere ved en frekvens i området 3 kHz til 100 kHz, omfattende en sentral kjølekanal (10) som fortrinnsvis består av en armert metallisk slange, f. eks. av rustfritt stål, en koaksial leder i direkte kontakt med kjølekanalen og med passende elektrisk isolasjon og eventuelt en ytre metallisk, elektrostatisk skjerm (21) så vel som beskyttende i sol asjonskapper (22), karakterisert ved at den omfatter minst to ytterligere koaksial ledere (11, 13, 15) med i sol asjonslag (12, 14, 16).

2. Kabel i henhold til krav 1, karakterisert ved at lederlagene (11,13,15) er koblet slik at minst to av lagene overfører strøm i den ene retning, mens minst ett lag overfører strøm i motsatt retning, for å redusere den resulterende strøm i kabelen.

3. Kabel i henhold til krav 2, karakterisert ved at lederlagene er koblet slik at den totale strøm i kabelen blir 0.

4. Kabel i henhold til krav 1, karakterisert ved at den midtre (13) av tre eller flere lederlag har den dobbelte tykkelse i forhold til det indre (11) og ytre (15) 1ederlag.

5. Kabel i henhold til krav 1, karakterisert ved at minst ett av lederlagene (11, 13, 15) har en tykkelse som er gitt av den effektive skinndybde ved arbeidsfrekvensen.

6. Kabel i henhold til krav 1, karakterisert ved at minst ett av lagene (11, 13, 15) består av et flertall flettede ledertråder.

7. Kabel i henhold til krav 6, karakterisert ved at de flettede ledertråder er isolert fra hverandre.

8. Kabel i henhold til krav 1, karakterisert ved at i sol asjonslagene (12, 14, 16) er laget av tynt høykvalitet isolasjonsmateriale med høy feltstyrke, lave dielektriske tap og høy temperaturverdi, som f.eks. teflon-eller gl ass fiberbånd.

9. Kraftkabel instal1 asjon omfattende en kabel i henhold til et hvilken som helst av de ovenstående krav, karakterisert ved at den omfatter en kabel som er koblet i par med en identisk annen kabel og at de individuelle lederlag (11,13,15) i kabelen er koblet antisymmetrisk.