RU124034U1

RU124034U1 - SUPERCONDUCTING POWER CABLE

Info

Publication number: RU124034U1
Application number: RU2012112872/07U
Authority: RU
Inventors: Виталий Сергеевич Высоцкий; Сергей Сергеевич Фетисов; Александр Анатольевич Носов; Любовь Анатольевна Полагаева; Елена Анатольевна Маринина; Василий Васильевич Зубко; Александр Николаевич Пеньков; Кирилл Алексеевич Шутов; Константин Сергеевич Маринин
Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2013-01-10

Abstract

1. Сверхпроводящий силовой кабель, содержащий центральный несущий элемент, образующий центральный канал для охлаждающей среды, по крайней мере один повив сверхпроводящих токонесущих лент, изоляцию и криогенную оболочку, отличающийся тем, что снабжен лентами из несверхпроводящего материала или часть сверхпроводящих токонесущих лент заменена лентами из несверхпроводящего материала, при этом сверхпроводящие токонесущие ленты в повиве расположены с чередованием с лентами из несверхпроводящего материала.2. Кабель по п.1, отличающийся тем, что ленты из несверхпроводящего материала выполнены из уплотненной плоскопрямоугольной сборки медных проводов.3. Кабель по п.1 или 2, отличающийся тем, что центральный несущий элемент выполнен в виде спирали из немагнитного материала, поверх которого расположены скрутки из стренг медной проволоки и обмотка из медной фольги.1. A superconducting power cable containing a central supporting element that forms a central channel for a cooling medium, at least one layer of superconducting current-carrying tapes, insulation and a cryogenic sheath, characterized in that it is provided with tapes of non-superconducting material or part of the superconducting current-carrying tapes is replaced with tapes of non-superconducting material, while superconducting current-carrying tapes in the layer are arranged alternately with tapes made of non-superconducting material. 2. The cable according to claim 1, characterized in that the strips of non-superconducting material are made of a sealed flat-rectangular assembly of copper wires. The cable according to claim 1 or 2, characterized in that the central supporting element is made in the form of a spiral of non-magnetic material, on top of which there are strands of copper wire and a winding of copper foil.

Description

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно к конструкциям сверхпроводящих силовых кабелей, предназначенных для передачи и распределения электрической энергии при напряжении 1-750 кВ.The utility model relates to cable technology, namely to the designs of superconducting power cables intended for transmission and distribution of electrical energy at a voltage of 1-750 kV.

Известен сверхпроводящий силовой кабель, содержащий центральный несущий элемент (формер), выполненный в виде образующей центральный канал для охлаждения спирали из немагнитного материала, поверх которой расположены скрутки из стренг медной проволоки и обмотка из медной фольги, сверхпроводящие токонесущие элементы, выполненные в виде повивов сверхпроводящих (СП) лент, шунтирующие повивы, изоляция и криогенная оболочка, (патент РФ на полезную модель №68763, 2007 г.)A superconducting power cable is known that contains a central bearing element (former) made in the form of a central channel for cooling a spiral of non-magnetic material, on top of which there are twisted strands of copper wire and a copper foil winding, superconducting current-carrying elements made in the form of superconducting coils ( SP) tapes, shunting coils, insulation and cryogenic shell, (RF patent for utility model No. 68763, 2007)

Данное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому по числу известных по совокупности признаков.This technical solution is the closest to the one proposed in terms of the number of features known in the aggregate.

Существует класс сверхпроводящих кабелей, у которых при изготовлении по известной технологии присутствует следующий недостаток - недостаточно малый допустимый диаметр изгиба кабеля, требуемый при изготовлении и прокладке кабельной линии, и повышенная стоимость СП лент для сверхпроводящих повивов. На данный момент СП материалы для использования в СП силовых кабелях выпускаются в виде тонких лент. Сверхпроводящий токонесущий элемент формируется вокруг формера и представляет собой один или несколько повивов из СП лент уложенных с небольшим зазором вокруг формера. Требуемое количество СП лент определяется заданным рабочим током кабеля и критическим током СП лент и представляет собой отношение первого ко второму, взятое с необходимым запасом.There is a class of superconducting cables for which the following drawback is present in the manufacture according to known technology - the insufficiently small allowable bending diameter of the cable required in the manufacture and laying of the cable line, and the increased cost of SP tapes for superconducting fluids. Currently, joint venture materials for use in joint venture power cables are produced in the form of thin ribbons. A superconducting current-carrying element is formed around the die and is one or more coils of SP tapes laid with a small gap around the die. The required number of SP tapes is determined by the specified operating current of the cable and the critical current of the SP tapes and represents the ratio of the first to the second, taken with the necessary margin.

При использовании в кабеле современных СП материалов резко, в несколько раз, сокращается потребность в количестве СП лент для обеспечения тех же характеристик кабеля по передаваемой мощности. Уменьшение количества лент влечет за собой уменьшение диаметра повива. Тем не менее, механические характеристики СП лент ограничивают минимально допустимый диаметр изгиба ленты, что накладывает ограничение на шаг повива и минимальный угол скрутки повива (формула 1).When using modern SP materials in the cable, the need for the number of SP tapes is sharply reduced by several times to ensure the same cable characteristics in terms of transmitted power. Reducing the number of tapes entails a decrease in the diameter of the midwife. Nevertheless, the mechanical characteristics of the SP tapes limit the minimum allowable bending diameter of the tape, which imposes a limit on the pitch of the coil and the minimum twist angle of the coil (formula 1).

При уменьшении диаметра кабеля максимально допустимые углы укладки СП лент уменьшаются.With a decrease in cable diameter, the maximum allowable laying angles of SP tapes decrease.

α - угол укладки СП лент; d - диаметр повива СП лент; D - диаметр изгиба СП лент; Р - шаг повива.α is the angle of laying SP tapes; d is the diameter of the midwire SP tapes; D is the bending diameter of the SP tapes; P - step of the midwife.

Для соблюдения необходимых требований приходится жертвовать либо допустимым радиусом изгиба кабеля, либо увеличивать количество СП лент для увеличения диаметра, что в любом случае нежелательно.To comply with the necessary requirements, one has to sacrifice either the allowable bending radius of the cable, or increase the number of SP tapes to increase the diameter, which is in any case undesirable.

Допустимый радиус изгиба кабеля в значительной мере зависит от угла, с которым лента укладывается на кабель (подобие витка пружины). Шаг повива (витка пружины) не может быть меньше определенной величины, из-за ограниченного диаметра изгиба СП лент. При постоянном шаге и уменьшении диаметра кабеля угол уменьшается, и ленты ложатся практически параллельно оси кабеля. В данных условиях кабель практически теряет гибкость. Незначительные изгибы такого кабеля приводят к возникновению больших механических напряжений в СП лентах и потери их сверхпроводящих свойств. При увеличении угла укладки ленты приобретают возможность избегать недопустимых напряжений незначительным смещением витков относительно кабеля и допустимый диаметр изгиба определяется соотношением зазора между лентами повива и шириной ленты.The permissible bending radius of the cable largely depends on the angle with which the tape is laid on the cable (similar to a coil of a spring). The winding pitch (coil of the spring) cannot be less than a certain value, due to the limited bending diameter of the SP tapes. With a constant step and a decrease in the diameter of the cable, the angle decreases, and the tapes lie almost parallel to the axis of the cable. In these conditions, the cable practically loses its flexibility. Slight bends of such a cable lead to the appearance of large mechanical stresses in the SP tapes and the loss of their superconducting properties. With an increase in the laying angle of the tape, it becomes possible to avoid unacceptable stresses by insignificant displacement of the turns relative to the cable and the permissible bending diameter is determined by the ratio of the gap between the coils and the width of the tape.

Использование излишнего количества СП лент, помимо удорожания, приводит к потере кабелем функции токоограничения, которая не только полезна, но и в некоторых случаях является определяющей.The use of an excessive amount of SP tapes, in addition to a rise in price, leads to the loss by the cable of the current limiting function, which is not only useful, but in some cases is decisive.

Технический результат заключается в повышении допустимого изгиба кабеля без использования излишнего количества СП лент.The technical result consists in increasing the permissible bending of the cable without using an excessive amount of SP tapes.

Технический результат достигается тем, что сверхпроводящий силовой кабель, содержащий центральный несущий элемент, образующий центральный канал для охлаждающей среды, по крайней мере, один повив сверхпроводящих токонесущих лент, изоляция и криогенная оболочка, снабжен лентами из несверхпроводящего материала или часть сверхпроводящих токонесущих лент заменена лентами из несверхпроводящего материала, при этом сверхпроводящие токонесущие ленты в повиве расположены с чередованием с лентами из несверхпроводящего материала. При необходимости может быть использован шунтирующий повив.The technical result is achieved in that a superconducting power cable containing a central supporting element forming a central channel for a cooling medium, at least one winding of superconducting current-carrying tapes, insulation and a cryogenic shell, is provided with tapes of non-superconducting material or part of the superconducting current-carrying tapes is replaced by tapes of non-superconducting material, while the superconducting current-carrying tapes in the midwife are alternated with tapes of non-superconducting material. If necessary, a shunting coil can be used.

Ленты из несверхпроводящего материала могут быть выполнены из уплотненной плоскопрямоугольной сборки медных проводов, а центральный несущий элемент в виде спирали из немагнитного материала, поверх которого расположены скрутки из стренг медной проволоки и обмотка из медной фольги.Tapes of non-superconducting material can be made of a compacted plane-rectangular assembly of copper wires, and the central bearing element in the form of a spiral of non-magnetic material, on top of which are twisted strands of copper wire and a winding of copper foil.

Подобная конструкция кабеля, по сравнению с конструкцией без использования дополнительных несверхпроводящих лент, имеет увеличенный диаметр повива и позволяет укладывать ленты со значительно большими углами укладки при том же шаге повива. Это дает возможность лентам смещаться при изгибе кабеля без создания в них недопустимых напряжений и обеспечивает работоспособность кабеля при изгибе. Так, при использовании прежней конструкции, кабель на номинальный ток в 2кА (6 СП лент на основе MgB₂) имеет диаметр повива в 8 мм., угол повива 3° и допустимый радиус изгиба на барабане 12 метров. Подобный радиус изгиба делает подобный кабель технологически чрезвычайно сложным в изготовлении и при прокладке. Использование заявленной конструкции дает возможность сделать кабель из того же количества СП лент на диаметре в 24 мм. при угле повива в 9,5° и с радиусом изгиба на барабане в 1,4 метра, что вполне технологично. К тому же не используется излишнее количество СП лент, что дает кабелю необходимые токоограничивающие свойства и значительно его удешевляет.Such a cable design, compared to a design without the use of additional non-superconducting tapes, has an increased diameter of the coil and allows laying tapes with significantly larger laying angles at the same pitch of the coil. This makes it possible for the tapes to shift during bending of the cable without creating unacceptable stresses in them and ensures the operability of the cable during bending. So, using the previous design, the cable for a rated current of 2 kA (6 SP tapes based on MgB ₂ ) has a coil diameter of 8 mm., A coil angle of 3 ° and a permissible bending radius on the drum of 12 meters. Such a bending radius makes such a cable technologically extremely difficult to manufacture and to lay. Using the claimed design makes it possible to make a cable from the same number of SP tapes on a diameter of 24 mm. at a midway angle of 9.5 ° and with a bend radius of 1.4 meters on the drum, which is quite technologically advanced. In addition, an excessive amount of SP tapes is not used, which gives the cable the necessary current-limiting properties and significantly reduces its cost.

Предпочтительно выполнение несверхпроводящих лент из уплотненной плоскопрямоугольной сборки медных проводов. Данные ленты изготовляются толщиной такой же, как и у СП лент и шириной удобной для технологичного изготовления кабеля.Preferably, the implementation of non-superconducting tapes from a sealed plane-rectangular assembly of copper wires. These tapes are made of the same thickness as that of the joint venture tapes and the width of a cable convenient for technological production.

Полезная модель иллюстрируется чертежом (рис.1), на котором изображен кабель в аксонометрии с послойной разделкой.The utility model is illustrated by a drawing (Fig. 1), which shows a cable in a perspective view with layered cutting.

Сверхпроводящий силовой кабель содержит формер, включающий спираль 1 из немагнитного материала, скрутки 2 из стренг медной проволоки, обмотку 3 из медной фольги, сверхпроводящие токонесущие слои 4, включающие повив из СП и несверхпроводящих лент, изоляцию 5, шунтирующий повив 6 и криогенную оболочку 7.The superconducting power cable contains a former, comprising a spiral 1 of non-magnetic material, twisting 2 of strands of copper wire, a winding 3 of copper foil, superconducting current-carrying layers 4, including a core of non-conductive tapes and non-conductive tapes, insulation 5, shunting core 6 and cryogenic shell 7.

При изготовлении кабеля применяются промышленно выпускаемые материалы.In the manufacture of cables, industrially produced materials are used.

Сверхпроводящие материалы широко используются в производстве данного типа кабелей. Они представляют собой, в частности, волокна из соединения на основе MgB₂ в матрице из никеля в медной оболочке или длинномерный пленочный материал с покрытием из высокотемпературного сверхпроводника.Superconducting materials are widely used in the production of this type of cable. They are, in particular, fibers from an MgB ₂ -based compound in a nickel matrix in a copper sheath or a long film material coated with a high-temperature superconductor.

Криогенная оболочка, предназначенная для криостатирования кабеля при рабочей температуре, является типовой для кабелей такого типа, и, в частности, выполняется в виде двух гофрированных труб из нержавеющей стали с экранно-вакуумной изоляцией между ними.A cryogenic sheath designed to cryostat the cable at operating temperature is typical for this type of cable, and, in particular, is made in the form of two corrugated stainless steel pipes with screen-vacuum insulation between them.

Технология изготовления кабеля сводится к следующему.Cable manufacturing technology is as follows.

Несущая спираль 1 изготавливается намоткой на навивочной машине. Кассета с исходным материалом - лентой крутится вокруг оправки, задающей нужный диаметр спирали. Спирали задается поступательное движение - для схода с формирующей оправки. Скорость схода спирали и скорость вращения отдатчика ленты согласованны, чтобы обеспечить заданный шаг спирали.The supporting spiral 1 is made by winding on a winding machine. The cassette with the source material - the tape rotates around the mandrel, which sets the desired diameter of the spiral. The spiral is set to translational movement - for the descent from the forming mandrel. The spiral descent speed and the rotation speed of the ribbon pick-up are matched to provide a given spiral pitch.

Скрутки 2 из медных и нержавеющих проволок состоят из нескольких стренгов, изготовленных путем многократной скрутки исходных проволок (например, 7х7 проволок). Затем готовые стренги (например, 24 штуки) укладываются на центральную спираль на кабельной машине (например, CORTINOVIS 6×600) в несколько слоев. В результате на спирали формируется пучок проводов нужного сечения, который еще может быть обжат протаскиванием через волоки.Twisting 2 of copper and stainless wires consists of several strands made by multiple twisting of the original wires (for example, 7x7 wires). Then, the finished strands (for example, 24 pieces) are stacked on a central spiral on a cable machine (for example, CORTINOVIS 6 × 600) in several layers. As a result, a bundle of wires of the desired cross section is formed on the spiral, which can still be squeezed by pulling through the dies.

Обмотка пучка стренг тонкой медной фольгой 3 производится для формирования гладкой поверхности формера. Делается это с помощью специального обмотчика на крутильной машине. Обмотчик крутится вокруг движущегося формера, движения формера и скорость вращения обмотчика согласованы для задания нужного шага обмотки.The bundle of strands is wound with a thin copper foil 3 to form a smooth surface of the mold. This is done using a special wrapper on a torsion machine. The wrapper revolves around a moving die, the movement of the die and the rotation speed of the wrapper are matched to specify the desired pitch of the winding.

Сверхпроводящие повивы 4 укладываются на формер с шагами и направлениями скрутки, рассчитанными так, чтобы обеспечить минимальные радиусы изгиба СП лент при изготовлении и прокладке. Заданное число кассет с нужным количеством сверхпроводящей ленты и лент из несверхпроводящего материала на них размещаются на «фонаре» крутильной машины с заданным чередованием. Готовый формер протягивается через центральную часть крутильной машины, фонарь крутится вокруг формера, ленты подаются через направляющие на формер. Скорость движения формера и скорость вращения фонаря согласованны так, чтобы обеспечить заданный угол и направление скрутки. Каждый повив обматывается тонкой металлической или изоляционной лентой обмотчиком на крутильной машине для дополнительной фиксации от смещения.Superconducting coils 4 are stacked on the former with steps and twisting directions, calculated so as to ensure minimum bending radii of the SP tapes during manufacture and laying. A predetermined number of cassettes with the required number of superconducting tapes and tapes of non-superconducting material on them are placed on the "lamp" of the torsion machine with a given alternation. The finished former is pulled through the central part of the twisting machine, the lantern rotates around the former, the tapes are fed through the guides to the former. The speed of the mold and the speed of rotation of the lamp are coordinated so as to provide a given angle and direction of twist. Each winding is wrapped with a thin metal or insulating tape wrapper on a twisting machine for additional fixation from displacement.

Межповивная изоляция 5 накладывается на стандартных машинах для укладки изоляции и представляет собой намотку изолирующего ленточного материала и материала для выравнивания электрического поля.Cross-brew insulation 5 is applied on standard machines for laying insulation and is a winding of insulating tape material and material for leveling the electric field.

Шунтирующий повив 6 накладывается подобно укладке сверхпроводящих повивов с использованием лент из заданного материала вместо сверхпроводящих лент.The shunting core 6 is superimposed like laying superconducting layers using tapes of a given material instead of superconducting tapes.

Наложение криогенной оболочки 7 осуществляется методом затягивания кабеля внутрь готовой оболочки с помощью специальных приспособлений.The cryogenic sheath 7 is applied by pulling the cable inside the finished sheath using special devices.

Работает кабель следующим образом.The cable works as follows.

С помощью системы криогенного обеспечения через криогенные кабельные муфты через кабель прокачивается криоагент, например жидкий водород, (осуществляется его циркуляция). Далее кабель подключается через криогенные токовые муфты к электрической сети, как и обычный электрический кабель.Using a cryogenic supply system, a cryoagent, for example liquid hydrogen, is pumped through a cable through cryogenic cable sleeves (it is circulated). Next, the cable is connected via cryogenic current couplings to the electrical network, like a conventional electric cable.

Claims

1. A superconducting power cable containing a central carrier element forming a central channel for a cooling medium, at least one winding of superconducting current-carrying tapes, insulation and a cryogenic sheath, characterized in that it is provided with tapes of non-superconducting material or part of the superconducting current-carrying tapes is replaced by tapes of non-superconducting material, while the superconducting current-carrying tapes in the midwife are alternated with tapes of non-superconducting material.

2. The cable according to claim 1, characterized in that the tapes are made of non-superconducting material made of a sealed plane-rectangular assembly of copper wires.

3. The cable according to claim 1 or 2, characterized in that the central bearing element is made in the form of a spiral of non-magnetic material, on top of which are twisted strands of copper wire and a winding of copper foil.