SE527008C2 - System för överföring av elektrisk kraft - Google Patents

Description

l0 15 20 25 30 35 527 008 2 tion om reduktion av kapacitiva förluster i växelströms- kraftledningar.

Med ännu kortare överföringskabelförbindelser för växel- strömsöverföring pà mindre än t ex 50 km används shuntkom- pensering för att kompensera kabelförlusterna pà grund av kapacitiva genereringseffekter. Ibland är en ytterligare dynamisk kompensation i form av SVC (Static Var Compensa- tion) nödvändig. Shuntkompenseringsdonen installeras van- ligen vid bada ändarna av kabeln. Det finns ocksa exempel pä anläggningar där shuntkompenseringsdon installeras pà flera ställen utmed kabeln. Kabelförbindelser för växelströmsöver- föring längre än ungefär 50 km finns endast för laga spän- ningsnivàer (typiskt grund av dessa effekter används anläggningar för högspänd likström (HVDC) i dag nästan uteslutande för lànga över- föringsförbindelser med kraftkabel. För HVDC-anläggningar krävs emellertid utrustningar sàsom reaktorer och kondensa- torer för att minska effektförlusterna som annars skulle uppträda pà grund av pulsationsspänningar och övertons- strömmar.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning löser ett eller fler av ovannämnda problem.

Enligt en första aspekt av uppfinningen förses en kraftleda- re för ett överföringskabelsystem med en ledartràd eller kabel som har ett första yttre skikt med halvledande egen- skaper och innefattande distribuerat magnetiskt material med en magnetisk permeabilitet större än 1. Det magnetiska materialet innefattar magnetiska nanopartiklar. Kombinatio- nen av ledaren och det magnetiska första yttre skiktet àstadkommer ökad impedans i en ledning som arbetar med växelströmskraft och reducerar högfrekventa övertoner i en ledning som arbetar med likströmskraft samt ger ökad tole- rans mot temporära kraftöverlaster vid bade växel- och lik- strömsdrift. l0 15 20 25 30 35 527 008 3 Enligt en andra aspekt av uppfinningen förses en kraftledare för ett överföringskabelsystem med en ledartràd eller kabel som har ett andra yttre skikt innefattande isolermaterial med magnetiskt material fördelat däri sà att dielektrici- tetskonstanten hos det andra yttre skiktet är större än l.

Det isolerande materialet innefattar magnetiska nanopartik- lar. Kombinationen av ledaren med bade det första och det andra yttre skiktet àstadkommer ökad impedans och minskade kapacitansförluster i en ledning som arbetar med växelström, minskade högfrekventa övertoner för en ledning som arbetar med likström samt ökad tolerans mot temporära kraftöverlas- ter vid bàde växel- och likströmsdrift.

Enligt en annan aspekt av uppfinningen àstadkoms ett kraft- överföringssystem som innefattar en eller flera trådar eller kablar där en ledare har ett första yttre skikt innefattande magnetiska nanopartiklar, vilket ger ett ledarmaterial med ökad magnetisk permeabilitet, och som även kan ha ett andra yttre skikt där ett isolermaterial innefattar magnetiska nanopartiklar som tillhandahåller ett isolermaterial med re- ducerad dielektricitetskonstant.

Uppfinningen ökar kabelinduktansen genom att lägga till mag- netiska partiklar eller nanopartiklar till en halvledande ledarskärm eller ledarskärmförening anordnad som ett första yttre skikt pa en eller flera ledare. En ledare omges säle- des av ett halvledande skikt med hög permeabilitet, vilket ökar kabelinduktansen och minskar de reaktiva effektförlus- terna pà grund av vàgimpedansen vid växelströmskraftled- ningar, samt reducerar högfrekventa övertoner, speciellt för likström och luftkylda likströmsledningar.

Uppfinningen sàsom den tillämpas pà isoleringen minskar kabelisoleringens dielektricitetskonstant hos det andra yttre skiktet genom att lägga till magnetiska nanopartiklar av kontrollerad fördelning, form, storlek pà isolatorer sàsom polyeten (PE), tvärbunden polyeten (XLPE), etenpropen- gummi (EPR), etenpropendienmonomergummi (EPDM), silikongummi (SR), polyvinylklorid (PVC), polypropenlaminerat papper 10 15 20 25 30 35 527 008 4 (PPLP) och cellulosa. Detta minskar den kapacitiva läck- strömmen för växelströmskablar. Vid cellulosa kan minskning av dielektricitetskonstanten även åstadkommas genom att anordna fibrerna i serie med gasfasen (eller oljefasen) inuti en sammansättning.

Termen kabelsystem används för att beteckna en eller flera sträckor av kraftkabel samt eventuella shuntreaktorer som kan vara anslutna vid lederna mellan kabelsträckorna. Shunt- reaktorer vid kabelterminalen kan, men behöver inte, ingá i kabelsystemet. Det beskrivna överföringskabelsystemet inne- fattar även tillhörande leder, terminaler, brytare och skyddsdon.

Förutom de resistiva förlusterna i kraftöverföringen finns det emellertid också avsevärda förluster pà grund av dielek- triska effekter i kabeln och pà grund av resistiva förluster i kompensationsutrustningar, typiskt reaktorer. Dessa för- luster kan också minimeras enligt föreliggande uppfinning.

En huvudsaklig fördel med uppfinningen är att minimala effektförluster pà grund av ökad induktans och minskade die- lektriska, kapacitiva och resistiva förluster innebär att räckvidden hos en växelströmsöverföringskabel med en ledare enligt uppfinningen inte är begränsad till kring 50 km eller sà utan i själva verket kan vara flera hundra kilometer lang.

En annan fördel med uppfinningen är att reaktiv optimering genom shuntreaktorer inte krävs i samma utsträckning vid ändarna av en växelströmsöverföringsförbindelse och, vilket är än mer ofördelaktigt, vid jämna mellanrum utmed längden hos en förbindelse enligt teknikens ståndpunkt. Minskade krav pà shuntreaktorer för reaktiv effekt är fördelaktigt eftersom dessa reaktorer också har därmed förknippade effektförluster.

En annan och kanske oväntad fördel med uppfinningen är att den kan användas i en ledning vid likströmsdrift för att 10 15 20 25 30 35 _527 008 5 minska de högfrekventa övertonerna. Detta åstadkoms genom de magnetiska kännetecknen hos det första yttre skiktet pà ytan av tråden eller kabelledaren, vilket skikt tjänar som ett filter och eliminerar, eller åtminstone i hög grad redu- cerar, övertonsströmmar vid likströmsdrift. Som kortfattat beskrivits ovan innefattar det magnetiska första skiktet magnetiska nanopartiklar. Det magnetiska första yttre skik- tet kan även innefatta halvledande material.

Ett annat viktigt resultat är att de minskade tomgångsför- lusterna resulterar i en något kyligare kabel eller tråd.

Detta kan antingen användas för att minska specifikations- och därmed materialkostnaderna samt tillverkningskostnaderna för kabeln eller tillåta en temporär överbelastning av kabeln, dvs införa ett temperaturberoende dynamisk märk- värde. Den termiska överbelastningskapaciteten hos kabeln eller tråden vid en beskriven överföringsförbindelse är så- lunda större än för kabelsystem enligt teknikens ståndpunkt.

Ledaren och systemet, samt metoden för drift av ett sådant system, tillåter större frihet vid körning under temporära överbelastningar för växelströms- och likströmsledningar för att underlätta problemen vid ett kraftnät.

FIGURBESKRIVNING En mer fullständig förståelse för förfarandet och systemet enligt föreliggande uppfinning kan fås genom följande de- taljerade beskrivning under hänvisning till bifogade rit- ningar, där: Figur 1 schematiskt visar i ett förenklat diagram ett exempel på en kabelöverföringsförbindelse för högspänd växelström (HVAC) med reaktorer för kompensation av kapaci- tiva effektförluster enligt teknikens ståndpunkt; Figur 2 visar ett förenklat diagram för ett exempel pà en ledare som har ett magnetiskt yttre skikt med halvledande egenskaper enligt en utföringsform av uppfinningen; 10 15 20 25 30 35 527 008 6 Figur 3 visar ett förenklat diagram för ett exempel på en ledare isolerad med isolering innehållande magnetiskt mate- rial enligt en annan utföringsform av uppfinningen; Figur 4 visar ett förenklat schema över en kraftöverförings- ledning; Figur 5 visar ett förenklat diagram över strömflödesrikt- ningen för den isolerade ledaren som visas i figur 3; Figur 6 visar ett förenklat diagram för ett exempel på en kabel som innehåller den magnetiskt avskärmade ledaren iso- lerad med isolering innehållande magnetiskt material, vilken isolering i sin tur är innesluten av en halvledande isoler- skärm enligt ännu en utföringsform av uppfinningen; Figur 7 visar schematiskt ett förenklat diagram för ett exempel på en ledare anordnad med en isolering innehållande magnetiska ringar eller områden enligt en annan utförings- form av uppfinningen; Figur 8 visar ett diagram för ett exempel på en kabel inne- fattande den magnetiskt avskärmade ledaren isolerad med iso- lering innehållande magnetiskt material, vilken isolering i sin tur är innesluten av en strömförande och mekanisk skärm enligt ytterligare en utföringsform av uppfinningen.

BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER I figur l (teknikens ståndpunkt) visas ett kabelsystem för HVAC-överföring enligt teknikens ståndpunkt. En överförings- förbindelse är anordnad mellan två punkter A, B, innehåll- ande en växelströmskabel l och två shuntreaktorer 2A, 23 för kompensation av reaktiv effekt.

Vid arrangemanget enligt teknikens ståndpunkt i figur 1 av- hjälps problemet med reaktiva effektförluster genom att an- vända shuntreaktorerna för att förhindra förluster på grund av transport av reaktiv effekt. För längre överföringsled- 10 15 20 25 30 35 527 008 7 ningar, t ex ledningar längre än 50 km, övervinns problemet med reaktiva effektförluster enligt teknikens ståndpunkt vanligen endast genom likriktning från växelström till lik- ström. Ett HVDC-system används således oftast för sådana ledningar på grund av de höga kostnaderna vad gäller ut- rustning och effektförluster som är förknippade med metoder för reaktiv optimering enligt teknikens ståndpunkt.

Utrustningar för växelströmsöverföring är enkla jämfört med utrustningar för likströmsöverföring. Med en ökning av över- föringslängden kan emellertid kostnaden för en växelströms- överföring öka jämfört med en likströmsöverföring. Dessutom ökar den kapacitiva läckströmmen med överföringslängden för ett växelströmsfall och induktiv kompensation kan bli nöd- vändig eftersom LG < RC, där L är induktans, G är isolationskonduktans, C är kapacitans och R är ledarresistans per längdenhet; och ekvationen visar de viktigaste parametrarna för en överförings-(kabel-)ledning. Av ovannämnda ekvation framgår att det är gynnsamt att L induktans ökas och/eller att C kapacitans minskas.

Det är möjligt att minimera reaktiva effektförluster vid växelströmsöverföring genom att använda en effekt eller ett fenomen som kallas vågresistansbelastning eller naturlig be- lastning för en överföringsledare, vilket definieras och kan uttryckas som: Pnatural _ ï v där V är spänning och ZV är (den verkliga delen av) våg- resistansen. Denna belastningsnivå är särskilt förmånlig när överföringskabeln förbrukar sama andel reaktiveffekt per längdenhet som den genererar. Reaktiveffekt behöver därför inte överföras i någon riktning. Ett problem med befintliga överföringskablar är emellertid att vágimpedansen är rela- tivt låg vilket ger en hög naturlig belastning i förhållande till kabeldiametrarna som är praktiska eller som föredras av 10 15 20 25 30 35 527 008 8 tillverkningsskäl. Det är därför möjligt och skulle vara föredraget att påverka den naturliga belastningsnivån hos kablar genom att anpassa vågimpedansen hos kablarna till ett förmånligt värde relativt den dimensionerande driftspänning- en.

Den föreliggande uppfinningen tillhandahåller en ny kabel eller ett nytt kabelsystem för att erbjuda gynnsama förhåll- anden för en kraftöverföring över långa avstånd genom att: 1) öka induktansen hos åtminstone en kabel eller tråd i ett sys- och 2) minska permittiviten hos kabel- eller trådisoleringen för att tem i syfte att åstadkomma induktiv kompensation, därmed reducera den kapacitiva läckströmmen (fig 2, 3).

En kabel eller tråd för att uppnå ovannämnda resultat kan åstadkomas på följande sätt, vilka som fackmannen vet en- dast är visade som exempel och är på intet sätt begränsande: l) Ett högt induktansvärde kan bäst åstadkommas genom att lägga till magnetiska nanopartiklar (belagda eller icke be- lagda magnetiska nanopartiklar) innehållande grundämnen eller föreningar såsom(Fe3O4, YFe2O3, FeO, CrO2, Fe3S4, EuO, NiZn-ferrit, MnZn-ferrit, yttrium-järngranat samt indium till en kabelledarskärm eller skärmförening. Ledaren, van- ligtvis en legering av Al eller Cu omges på detta sätt av en hög permeabilitet (>1) och i viss utsträckning ett halv- ledande första yttre skikt. Ledarskärmen innehållande dis- tribuerade magnetiska nanopartiklar åstadkommer också ökad värmeledningsförmåga i ledarskärmen och sålunda kan en längre livslängd och/eller högre kraftöverföringsförmåga förväntas. 2) En isolering med låg dielektricitetskonstant kan erhållas genom att lägga till nanopartiklar på ett kontrollerat sätt till isolermaterial såsom PE, XLPE, EPR, EPDM, SR, PVC, PPLP samt impregnerad cellulosa. För PPLP och cellulosaisolering kan låg dielektricitetskonstant även erhållas genom att ordna fibrerna i serie (huvudsakligen) med gasfas (eller oljefas) inuti sammansättningen. Nanopartiklarna fördelas på 10 15 20 25 30 35 527 008 9 ett kontrollerat sätt sä att faktorer sàsom koncentration och fördelning är kända och optimerade. Ovannämnda uppfin- ningsenliga särdrag kan även erbjuda fördelar för likströms- kabelsystem.

Figur 2 visar en ledare ll i tvärsnitt med ett första yttre skikt 10 innehållande magnetiskt material anordnat anligg- ande mot ytan hos ledaren. Ledaren ll kan vara en godtycklig ledare, eller supraledare, men är oftast en legering av koppar eller aluminium för elektrisk strömledning. Det förs- ta yttre skiktet 10 innefattar magnetiska nanopartiklar (vilka kan vara belagda eller icke belagda partiklar) inne- hållande nagot av följande grundämnen eller föreningar: Fe3O4, yFe203, FeO, CrO2, Fe3S4, EuO, NiZn-ferrdiz, MnZn-ferrit, yttrium-järngranat samt indium. Dessa nanopartiklar, före- trädesvis blandade med större magnetiska partiklar, kan vara fördelade i ett medium anordnat i form av det första yttre skiktet som en ledarskärm ll. Ledarskärmen kan tillhandahål- las som ett halvledande material med en elektrisk resistivi- tet av mellan 1 och 105 ohm-cm, eller en sammansättning innefattande nanopartiklarna och kan även innefatta magne- tiska band, tràdar eller remsor. Den beskrivna ledarskärmen ger en magnetisk permeabilitet större än l eller som luft.

Företrädesvis är den magnetiska permeabiliteten mellan 3 och 10 000 och för växelströmsdrift företrädesvis mellan 3 och 500.

Som fackmannen känner till betyder den ytverkan (strömför- trängning) som kan observeras i ledare att den elektriska växelströmmen som leds inte flyter pà ett sàdant sätt att den är jämt fördelat över tvärsnittet pà ledaren, som vid likströmmar, utan i stället flyter en oproportionerligt större del av strömmen genom ledarens tvärsnitt nära ytan.

Detta gäller också de högfrekventa övertonsströmmar som uppkommer vid överföring av likströmskraft; av detta skäl bidrar den omedelbara närheten, dvs kontakten mellan ledar- skärmen och ledarytan, till att denna aspekt av uppfinningen blir mycket effektiv. 10 15 20 25 30 35 527 ons 10 Ledarskärmens tjocklek kan väljas beroende av ett antal tek- niska och tillverkningsmässiga överväganden för varje typ av luftkabel eller nedgrävd kabel som skall leda en given över- föringsbelastning av växel- eller likström. Ett magnetiskt skikt kan lindas runt en ledare eller en ledare innefattande en fast ledare eller en mängd kardeler av ledartrådar eller en kombination av ledare med stor diameter och tvinnade ledare. Det magnetiska skiktet kan bestå av trådar, remsor eller band innefattande fördelade magnetiska nanopartiklar.

Magnettrådarna eller banden kan vidare vara omlindade på ett sådant sätt att omlindningsriktningen är vinkelrät mot den axiella riktningen hos ledaren (se figur 5, där den axiella riktningen är åt samma håll som pilen 19). De omlindade magnettrådarna eller banden kan, men behöver inte, beläggas med en emalj för att verka som isolator vid ytterytan.

Effektförluster på grund av högfrekventa övertoner är ett särskilt problem för likströmsledningar över långa avstånd.

Detta problem kan även övervinnas genom användning av en ledare med en ledarskärm enligt föreliggande uppfinning eftersom dessa övertonsströmmar till stor del leds utmed det magnetiska materialet som innesluter ledaren. Utformningen av den magnetiska ledarskärmen kan varieras till att inbe- gripa trådar, remsor och/eller band (t ex fig 5, l0a) om- lindade runt ledaren i sin omlindningsriktning (14, fig 5).

Längden på magnettrådarna eller banden som leder övertons- strömmarna kan då ökas, jämfört med längden på ledaren, med upp till runt två storleksordningar. Delvis beroende pà en lägre ledningsförmåga hos det magnetiska materialet och trådarna eller banden, och delvis på större ledningslängd för trådarna, remsorna eller banden, har sålunda detta skikt större elektriskt motstånd än ledaren. Den jämförelsevisa ökningen i längd ger också en stark fördel när det gäller dämpning av pulsationsspänningar, vilket kan påvisas enligt ekvationen un) = U(o) e" " e” “ där U(x) är spänningen pà en plats ett avstånd x från refe- renspunkten; l0 15 20 25 30 35 527 008 ll U(0) är spänningen i referenspunkten 0 a är en amplituddämpningskoefficient ß är en fasförskjutningskoefficient e är exponenten och j representerar en tänkt del.

En annan fördel med ledarskärmen som innehåller magnetiska nanopartiklar är att den är en mycket effektiv ledarskärm i förhållande till högre frekvenser, EMI (elektromagnetisk interferens) och RFI (radiofrekvensinterferens) så att såda- na störningar som pàverkar den elektroniska utrustningen i hög grad undertrycks.

Figur 3 visar en anordning där ledaren ll i tvärsnitt, med det första yttre skiktet 10 innehållande magnetiskt material anordnat på ytan av ledaren, är anordnad med ett andra yttre skikt 12 runt det första skiktet 10. Det andra yttre skiktet innefattar ett isolermaterial vilket innehåller ett fördelat magnetiskt material så att isoleringen får ett reducerat värde på dielektricitetskonstanten. Isoleringen med den låga dielektricitetskonstanten uppnås genom att lägga till magne- tiska nanopartiklar till PE, XLPE, EPR, EPDM, SR, PVC, PPLP samt impregnerad cellulosa. För PPLP och cellulosaisolering kan låg dielektricitetskonstant även erhållas genom att an- ordna fibrerna i serie (huvudsakligen) med gasfas (eller oljefas) inuti sammansättningen. Nanopartiklarna är fördela- de på ett kontrollerat sätt efter faktorer såsom: koncentra- tion, fördelning, storlek, storleksfördelning och form (t ex en ellipsformad, ihålig eller fast cylindrisk, rektangulär, plan form osv). Kolnanotuber tillverkas t ex i magnetiska former och halvledande former vilka kan vara cylindriska till formen.

Fördelningen av nanopartiklar kan vara godtycklig, homogen, eller homogen i vissa delar av tvärsnittet eller materialet hos det yttre skiktet. Isolerskiktet som bildas av det andra yttre skiktet 12 har en dielektricitetskonstant som typiskt har ett värde mellan 1 och 8, vilket resulterar i minskade 10 15 20 25 30 35 527 008 12 effektförluster pà grund av kapacitiva läckströmmar, i synnerhet vid växelströmsdrift.

Figur 4 visar ett schema för ett system enligt uppfinningen.

Figuren visar en inström Il och spänning U1 samt en utström I2, spänning U2. Spänningarna U1 och Ugär spänningarna mellan ledningen och jord i dessa punkter. Ledningsresistansen 15 visas genom motståndet R och ledningsinduktansen 16 genom induktanssymbolen L. Ledningskapacitansen 17 mellan led- ningen och jord 20 visas genom kondensatorsymbolen C och isolationskonduktansen 18 visas genom motstàndssymbolen G.

Det framgàr av figur 4 att en läckström kommer att flyta igenom kondensatorn C, vilket komer att begränsa längden pà kraftöverföringen; med ökad induktans 16 erhàlls emellertid kompensation för reaktoreffekten och sålunda möjliggörs överföring över ett langt avstånd.

Figur 5 visar i ett förenklat diagram utföringsformen i figur 3 anordnad som ett tvärsnitt över den axiella rikt- ningen hos ledaren och längs med den axiella riktningen. Det magnetiska halvledande skiktet 10 kan vara i form av magne- tiska tràdar eller magnetiska band l0a. Omlindningsriktning- en hos ett magnetiskt band eller tràdar eller remsor visas genom pilen 14: detta stàr i relation till riktningen hos strömflödet längs med den axiella riktningen hos ledaren som visas med pilen 19.

Formeln: S=ExH där S är Poyntings vektor E är elektriskt fält och H är magnetiskt fält visar hur och i vilken riktning energin överförs utmed över- föringsledningen.

Figur 6 visar schematiskt en ytterligare utföringsform av uppfinningen. En ledare, väsentligen samma som ledaren 11 i figur 3 men i detta exempel en tvinnad ledare lla, visas l0 15 20 25 30 35 527 008 13 innesluten i ett första yttre halvledande skikt 10 med mag- netiskt material fördelat däri. Ledaren och ledarskärmen är inneslutna av ett andra yttre skikt, en isolator 12 inne- hållande fördelat magnetiskt material. I den visade utför- ingsformen är ett tredje yttre skikt i form av ett halv- ledande skikt 13 med däri fördelat magnetiskt material pla- cerat runt isolatorskiktet 12. Ett tràdnät 15 ingar också och är inneslutet av en inre kabelmantel l7a och en yttre kabelmantel 17b i den visade kabeluppbyggnaden.

Sàsom beskrivits ovan ger den halvledande ledarskärmen 10, 10a ökad induktans för en växelströmsdrift och minskade hög- frekventa övertoner vid likströmsdrift och isolationen 12 med lag dielektricitetskonstant ger reducerade kapacitans- förluster vid växelströmsdrift. Anordnandet av isolator- skärmen, halvledarskiktet 13 med magnetiska egenskaper har den effekten att det ökar induktansen, pa liknande sätt som skiktet 10, och den tillhandahåller ocksa ett medel för att àstadkoma en permanent jord utsidan av kabeln.

Vàgimpedansen (ibland kallad vàgresistans) hos en kabel (Z) kan även definieras som: Z=,R+flL G+jwC där L är induktans (bör ökas), C är kapacitans (bör minskas), G och R är isolationskonduktansen och ledningsresistansen per längdenhet.

Utföringsformen i figur 6 àstadkommer ett vàgimpedansvärde Z som är större än överföringsledarnas och kablarnas enligt teknikens ståndpunkt och är företrädesvis mellan 10 och 1000 ohm.

Ett annat viktigt resultat är att de reducerade effektför- lusterna och en ökad värmeledningsförmàga (pà grund av att magnetiska partiklar ingar i 10, 12) resulterar i en nágot kyligare kabel eller tràd. Detta kan användas antingen för 10 15 20 25 30 35 527 008 14 att tillàta en temporär överbelastning i kabeln, dvs införa ett temperaturberoende dynamiskt märkvärde, eller i stället för att reducera specifikations- och därmed materialkost- naderna samt tillverkningskostnaderna för kabelsystemet.

Som fackmannen känner till kan även andra överväganden och parametrar tas med i beräkningen vid utformningen och kon- struktionen av ledartràdar och överföringskablar. Kabelsys- temet kan innefatta standardutrustningar för överspännings- skydd och -avskärmning vid växelström. Detta kan omfatta t ex transponeringar och mantelsektionerande isolatorer monterade pà kablarna för att minska de genom skärmen in- ducerade strömmarna. Pà liknande sätt kan systemet, för att skydda mot kända störningar i länga växelströmsförbindelser sàsom övertoner, vara utrustat med ett högfrekvensfilter sà- som för frekvenser pà runt 100 Hz eller högre.

Andra konfigurationer för det magnetiska första yttre skiktet innefattande fördelade magnetiska nanopartiklar är möjliga. En ledarskärm innefattande järn- eller stàltràdar kan extruderas tillsammans med, eller omlindas i, en bland- ning av halvledande material och magnetiska nanopartiklar, se figur 5.

En magnetisk avskärmning kan exempelvis anordnas runt ett yttre halvledande skikt hos en kabel för att öka serie- induktansen hos kabeln vid växelströmsdrift. Figur 8 visar en kabel innefattande en ledare ll, ett halvledande första skikt med magnetiska nanopartiklar lO och en isolator l2', ett yttre halvledande skikt 13' en magnetisk avskärmning 83 samt en yttre mekanisk och strömförande av- skärmning 85. (isolerskärm), Ledaren ll kan vara tvinnad sàsom visats eller bestà av en enda ledare. Ett mjukt magnetiskt material i den yttre magnetiska avskärmningen 83 kan innehàlla järnpulver.

Slutna slingor av detta material màste emellertid undvikas, annars uppstár uppvärmning. Isolerade laminat eller band kan lindas runt kabeln för att bilda den yttre magnetiska av- skärmningen 83 och skapa ett stort antal isolerade luftgap runt kabeln. Vid denna utföringsform lagras den magnetiska 10 15 20 25 30 35 ~527 008 15 energin mestadels i dessa luftgap. Figur 8 visar en vriden bandstruktur. Beroende av kabelspecifikationen och konstruk- tionsvalen kan det magnetiska avskärmningsskiktet också an- vändas för att leda strömmar och mekaniska belastningar och sàledes helt ersätta den traditionella avskärmningen. Ledar- isolerskikt 12' och det yttre halvledande isolerskiktet 13' kan, men behöver inte, innefatta magnetiska nanopartiklar, beroende av olika konstruktionsval och kombinationer för att uppna en hög seriereaktans och laga effektförluster pà grund av reaktiv effekttransport, kapacitans ledning till jord och/eller högfrekventa övertoner.

Figur 7 visar en ytterligare utföringsform där vàgimpedan- sen hos träden eller kabeln ändras i diskreta mängder pà en eller flera ställen utmed ledningens längd. Figuren visar ett första yttre skikt 10 och ett isolerskikt 12 som innefattar fördelade magnetiska par- en kabel med en ledare ll, tiklar. En inkommande transient 71 visas och även spetsen efter utjämning 72. Magnetiska ringar 73, 75 visas. Inkom- mande höga transienter sàsom 72 pà en kabel som t ex för- binder ett ställverk och en luftledning kan dämpas med hjälp av en serie plötsliga diskreta ändringar i vàgimpe~ dansen. De lokala, diskreta vàgimpedansändringarna introdu- ceras pà ett eller flera av följande sätt: magnetiska ringar med luftgap, ferritringar eller och/eller genom att införa magnetiska (nano-) partiklar i en yttre halvledare (t ex i eller runt skikt 13 i figur 6).

Genom att anpassa avstànden och de relativa vàgimpedans- ändringarna hos “ringarna' kan vi avstämma egenskaperna hos vad som i själva verket är ett filter. Ringarna avstäms med magnetiska materialegenskaper och det inducerade luftgapet.

Avståndet mellan de magnetiska områdena eller ringarna, dvs mellan 73 och 75, beror pà vàglängden hos de förväntade transienterna, och maximal dämpning erhålls när avstàndet är ca en fjärdedel av vàglängden, åá. Kabeln maste vara minst 1 km läng innan dämpningseffekterna blir signifikanta pä grund av de làga frekvenser som det rör sig om här. Detta är 10 15 20 25 30 35 527 008 16 speciellt fördelaktigt för att minska t ex transienta pà- känningar pa transformatorer. Den är inte begränsad till användning vid luftledningar som är utsatta för àsknedslag utan kan även användas för nedgrävda ledningar när det finns risk för transienter och/eller transienter som överförs till en nedgrävd sektion av ledningen.

Vid en annan utföringsform kan en träd eller kabel enligt uppfinningen användas som en högspänd likströmsöverförings- ledning, HVDC. Vid en utföring av en luftkyld överförings- ledning förekommer inget nämnvärt andra yttre isolerskikt. I förhàllande till figur 2 kan en ledningstràd eller buss med en ledande metallegering 10 i tvärsnitt anordnas med det första yttre skiktet ll. Genom att anordna det första yttre skiktet, vilket har högre elektrisk resistivitet än ledaren, pà ytterytan av ledaren minskas de ovan beskrivna övertoner som pà sätt och vis verkar som ett filter eller högfrekvent filter. En sädan ledare för likströmsdrift kan även förses med ett isolerskikt, vilket kan vara en enkel isolator, en isolator med magnetiska egenskaper, eller halvledande egen- skaper, eller bäggedera.

Det bör noteras att medan det ovanstående beskriver exempli- fierande utföringsformer av uppfinningen finns det àtskill- iga variationer och modifikationer som kan göras av den be- skrivna lösningen utan att avvika fràn ramen för den före- liggande uppfinningen sàsom den anges i de bifogade patent- kraven.

Claims (33)

10 15 20 25 30 35 527 008 PATENTKRAV

1. Kraftledare för överföring av högspänd elektrisk kraft mellan tvá punkter (A, B), varvid àtminstone en av dessa är ansluten till ett eller fler kraftnät, kânnetecknad av att nämnda ledare innefattar ett första yttre skikt (10) som innefattar nanopartiklar och har magnetiska egenskaper och som innefattar en magnetisk permeabilitet större än 1.

2. Kraftledare enligt patentkrav l, kännetecknad av att nämnda ledare innefattar ett andra yttre skikt (12) med iso- lerande egenskaper.

3. Kraftledare enligt patentkrav 2, kännetecknad av att det andra yttre skiktet (12) har magnetiska egenskaper och inne- fattar en dielektricitetskonstant mellan l och 8.

4. Kraftledare enligt patentkrav 3, kännetecknad av att det första yttre skiktet (10) anligger mot ledare 11 och inne- fattar nanopartiklar inklusive nágot grundämne fràn följande lista: järn, krom, nickel, zink, mangan, yttrium, indium.

5. Kraftledare enligt patentkrav l, kännetecknad av att det första yttre skiktet har en magnetisk permeabilitet på mellan 3 och 10 000 och helst för växeldrift mellan 3 och 500.

6. Kraftledare enligt patentkrav 5, kännetecknad av att det första yttre skiktet har egenskaper hos en halvledare inklu- sive en elektrisk resistivitet pà mellan l och 105 ohm-cm.

7. Kraftledare enligt patentkrav 2, kännetecknad av att det första yttre skiktet och det andra yttre skiktet vart och ett innefattar mikropartiklar med en partikelstorlek pa mellan l nm och 50 pm, varav vilket som helst av dem kan vara belagt eller icke belagt.

8. Kraftledare enligt nagot av föregående patentkrav, kännetecknad av att nämnda ledare innefattar ett första 10 15 20 25 30 35 18 yttre skikt med en magnetisk permeabilitet större än 1 och ett andra yttre skikt med dielektricitetskonstant större än 1.

9. Kraftledare enligt patentkrav 8, kännetecknad av att det första yttre skiktet och det andra yttre skiktet innefattar mikropartiklar bildade med en form enligt någon i följande lista: sfärisk, ellipsformad, lángsträckt, plàtliknande, cylindrisk.

10. Kraftledare enligt patentkrav 9, kännetecknad av att mikropartiklarna innefattar nanopartiklar med en storlek pá mellan 1 nm and 500 nm.

11. Kraftledare enligt patentkrav 10, kännetecknad av att mikropartiklarna innefattar partiklar med en storlek pà mellan 0,1 and 50 gm.

12. Kraftledare enligt nàgot av patentkrav 7-ll, kännetecknad av att mikropartiklarna innefattar partiklar med ett flertal storlekar pà mellan l nm and 50 pm.

13. Kraftledare enligt något av patentkrav 7-12, kännetecknad av att mikropartiklarna och nanopartiklarna är anordnade fördelade i det första yttre skiktet och/eller det andra yttre skiktet i en i huvudsak homogen fördelning.

14. Kraftledare enligt nàgot av patentkrav 7-12, kännetecknad av att mikropartiklarna och nanopartiklarna är anordnade homogent fördelade på varje djupnivá i det första och/eller andra yttre skiktet och att koncentrationen av mikropartiklar och nanopartiklar kan variera vid olika djup i nämnda skikt.

15. Kraftledare enligt något av patentkrav 2~14, kännetecknad av ett tredje yttre skikt (13, 13') som inne- sluter det andra och isolerande skiktet (12) vilket inne- fattar ett halvledande material med fördelade magnetiska partiklar, vilket skikt bildar en isolerskärm. 10 15 20 25 30 35 i 527 008 19

16. Kraftledare enligt något av patentkrav 10-15, kännetecknad av magnetiska medel (73, 75) för utjämning av spänningstransienter (71).

17. Kraftledare enligt patentkrav 16, kännetecknad av magnetiska områden eller ringar (73, 75) i eller på ett isolerande skikt (12, 12') eller halvledande skikt (13, l3') anordnat att bilda områden med diskreta förändringar i våg- impedansen för utjämning av spänningstransienter.

18. Kraftledare enligt patentkrav 16, kännetecknad av att diskreta magnetiska områden eller ringar (73, 75) är anord- nade åtskilda av ett avstånd som är beroende av en våglängd hos en transient.

19. Kraftledare enligt något av patentkrav 8 till 15, kännetecknad av att det första yttre skiktet (10, 10a) inne- fattar ett magnetiskt material i linjär form och är anordnat lindat runt en ledare (11, lla) hos nämnda kraftledare.

20. Kraftledare enligt patentkrav 19, kännetecknad av att det första yttre skiktet (10, 10a) är anordnat att ha större längd än längden hos ledaren (11, lla) över en given längd hos nämnda kraftledare.

21. Kraftledare enligt patentkrav 19, kännetecknad av att det första yttre skiktet (10, 10a) är omlindat radiellt kring en ledare (11, lla) hos nämnda kraftledare i en rikt- ning (14) som är beroende av den axiella riktningen (19) hos kraftöverföringen.

22. Kraftledare enligt patentkrav 19, kännetecknad av en yttre magnetisk avskärmning (83) innefattande ett eller flera luftgap.

23. System för högspänningsöverföring (1) som överför elek- trisk kraft mellan två punkter (A, B) varvid åtminstone en av dessa är ansluten till ett eller fler kraftnät, kännetecknat av att åtminstone en kabel eller tråd hos 10 15 20 25 30 35 20 nämnda system är anordnad med ett första yttre skikt (10) som innefattar nanopartiklar och har magnetiska egenskaper och som innefattar en magnetisk permeabilitet större än 1.

24. System enligt patentkrav 23, kännetecknat av att nämnda ätminstone en kabel eller tràd innefattar magnetiska nano- partiklar fördelade i ett skikt (10) som omger en ledare (ll, lla), cerad andel reaktiv effekt och kapacitiva förluster vid varvid den överförda kraften innefattar en redu- växelströmsdrift samt reducerade högfrekventa övertoner vid likströmsdrift.

25. System enligt patentkrav 23, kännetecknat av att àtmin- stone en kabel eller tràd för överföring hos nämnda system är anordnad med ett andra och isolerande yttre skikt (12, l2') som innefattar fördelade magnetiska nanopartiklar och därvid fär en isolator med minskad dielektricitetskonstant, varvid den överförda växelströmskraften innefattar minskad reaktiv effekt och minimerade förluster pà grund av kapaci- tiva läckströmmar.

26. System enligt patentkrav 23, kännetecknat av att impe- dansen hos nämnda ledare ökas nära den för ett vàgimpedans- värde för att ge reducerad transport av reaktiv effekt i kabelledningarna vid växelströmsdrift.

27. System enligt patentkrav 23, kännetecknat av att àtmin- stone en kabel eller tràd för överföring hos nämnda system är anordnad med ett första yttre skikt (10, lOa) som inne- fattar magnetiskt material och som är omlindat kring en ledare (ll, lla) och har större längd än ledaren (ll, lla).

28. System enligt patentkrav 23, kännetecknat av att åtmin- stone en kabel eller trád för överföring hos nämnda system är anordnad med en eller flera serier med flera magnetiska omráden (73, 75) där de magnetiska områdena eller ringarna är åtskilda av ett avstånd som är beroende av en transient våglängd. 10 15 20 527 008 21

29. System enligt patentkrav 23, kännetecknat av att nämnda kraftledare har ett första yttre skikt (10, l0a) anordnat att minska högfrekventa övertoner vid likströmsdrift.

30. System enligt patentkrav 23, kännetecknat av att en eller flera växelströmsöverföringskablar kan vara en olje- och pappersisolerad kabel.

31. System enligt patentkrav 23, kânnetecknat av att nämnda en eller flera växelströms- eller likströmsöverföringskablar kan vara isolerade med en polymer, elast eller annat plast- baserat material.

32. Användning av ett system för högspänningsöverföring (1) för överföring av kraft mellan tvá punkter (A, B) enligt patentkrav 23-31 som effektmatare för stora, tättbefolkade stads- eller förstadsomràden.

33. Användning av ett system för högspänningsöverföring (1) för överföring av kraft över ett avstånd mellan tvà punkter (A, B) enligt patentkrav 23-31, där en del av avståndet gàr över vatten.