專利名稱：超導多相電纜系統、其制造方法及其使用的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于電力分配的AC或DC電纜。本發明特別涉及流體冷卻的超導多相的電纜系統。本發明還涉及制造電纜系統的方法及其使用。本發明例如在諸如用于電力分配的低、中和高壓超導電纜那樣的應用中有用。
背景技術：
三同軸線[G. Bogner, Transmission of electrical energy bysuperconducting cables, in "Superconducting Machines and Devices”(在“超導裝置和設備”中通過超導電纜傳輸電能)，Ed. S. Foner 和 B. Schwartz (Plenum Publishing Co.，1974)，pp. 430-431]和 [Τ. Tanaka, A. Greenwood, Advanced Power Cable Technology-Volume II :Presentand Future (先進的電力電纜技術-第二卷現在和未來)，(1983, CRCPress, Boca Raton, FL), pp. 242-259]描述了具有三個同心相導體的三軸超導電纜。超導體被涂覆到懸浮在真空的冷卻管道的表面。中間導體被描述為一種涂覆環狀冷卻管道的兩個側面的雙導體。作者指明控制在第2相的兩個導體上的電流分布的困難。這種電流分布對于消除在第2相中在冷卻管道中的渦流損耗是需要的。公共熱絕緣(低溫恒溫裝置)是與導體同心的。電絕緣是通過固體墊層、反射箔和真空而達到的。DE-43 40 046描述具有三個同心導體和公共屏蔽的三軸AC電纜。電纜組件是與熱絕緣體同心的。具有同心的中心和環狀冷卻通道。這樣，在電纜周圍達到均勻的冷卻。三相導體由在銀包皮中的BiSrCaCuO帶條制成。呈液氮形態的冷卻流體可以在中心和環狀的同心冷卻通道中流動。各個相導體由形成電絕緣的10-50mm厚的PE或聚丙烯帶條層分隔開。第三相與屏蔽之間的絕緣厚度僅僅是兩個相導體之間的絕緣厚度的60%。冷卻媒體在中心冷卻通道(50-200πιπιΦ)中送出去以及返回到環狀的環形冷卻通道(150-500mm)。由于在這兩個流之間的徑向熱交換，這個電纜的遠端將經歷超過在往返的流之間的溫度差的極端的溫度偏移。由于與電纜同心地組裝的低溫恒溫裝置的大的尺寸和重量，預期在制造和運輸時有某些困難。電相導體的生產和安裝單位長度變成為受低溫恒溫裝置的單元長度的限制。要在電纜導體組件上制造低溫恒溫裝置的同時達到電纜組裝的對中，存在著技術困難。然而，已經在朝著達到歸心度(centricity)方面努力，因為在電流不平衡的情形下，與偏心位置相比較，歸心度是減小渦流損耗的一個原因。在描述的設計中，如果遭受到在實際的電力網中頻繁發生的過流，則包含BSCCO的導體會過熱。如果銀外殼被做得更厚以用作為穩定器，則這個電纜設計會變成昂貴得使人不感興趣。同軸線
Sato 等(IEEE Transactions on Applied Superconductivity, IEEE學才艮，關于應用超導性)，Vol. 7，No. 2，1997，pp. 345-350)描述3相HTS電纜，它使用BSCCO材料以用于具有平行的非同心的結構形式的導體。每相包括骨架(former)、HTS導體、浸漬LN2的PPLP 絕緣體、和HTSD絕緣屏蔽。每個電相具有它自己的把LN2安置在中心的冷卻通道以及由構成低溫恒溫裝置和包圍3個分開的相的波紋管系統形成的公共外部冷卻通道。這個設計專用于三相AC系統和需要六倍于一個相的載流量(電流額定值)的HTS材料(三相和三個屏蔽)。在雙極性DC系統的情形下，一個相容的“二相”系統需要四倍于相載流量的HTS材料(二相和二個屏蔽)，即，所描述的設計原理需要2N倍的相載流量。該發明需要從N倍直到N+1倍相載流量的HTS材料，其中N是相數。該發明只需要每個N相系統一個骨架，對于 N > 1，N < N+1 < 2N。Leghissa等(IEEE Transactions on Applied Superconductivity (IEEE學才艮，關于應用超導性，)Vol. 9，No. 2，1999，pp. 406-411)描述開發 110kV/400 MVA 同軸 1 相 HTS 型電纜。導體由BPSDCC0多芯帶條制成，以及由浸漬LN2的合成帶條的高壓絕緣實現電絕緣。 電纜具有同軸超導屏蔽導體。電纜芯被包容在包含超絕緣的波紋管的可彎曲的低溫恒溫裝置中，以及被安置在該低溫恒溫裝置里面的底部而不需要定中裝置。三相系統可以根據設置在一個公共低溫恒溫裝置里面的三個這樣的單相同軸電纜導體(或者這三個導體也可以分別安置在三個分開的低溫恒溫裝置中)來進行構建。電纜利用封閉循環的ΙΛ系統進行冷卻。熱收縮管理JP-09-134624A公開了一種制造超導電纜的方法，其中按以下方式來解決管理在大的溫度改變期間(諸如從室溫到低的工作深冷溫度，或反之亦然)電纜的長度改變的問題在生產期間電纜被饋送到熱包封(envelope)，以及同時被液氮冷卻，在該熱包封中電纜遵循直線路徑。在隨后返回到室溫的期間，電纜被限制在相同的長度并允許膨脹，導致在熱包封中非直線(例如，彎曲形)路徑。

發明內容
現有技術的問題在于，流體冷卻電纜系統的制造過程復雜而耗費時間，并且使用大量材料，以及在使用期間，效率相當低。本發明的目的是尋求克服如上所述的現有技術的一個或多個問題。本發明的另一個目的是提供流體冷卻電纜系統的簡化的制造和安裝方案。本發明的目的是通過在所附權利要求中描述的和如下面描述的本發明達到的。超導多相電纜系統本發明的目的是通過一種流體冷卻的超導多相的電纜系統來實現的，該系統包括a)電纜，它包括構成至少兩個電相和一個零或中性導體的至少三個電導體，所述電導體互相電絕緣；以及b)熱絕緣，它規定中心縱向軸和具有內表面和包圍電纜，所述熱絕緣的所述內表面形成對一個保持用于冷卻所述電導體的冷卻流體的冷卻腔的徑向限制，其中所述電纜一至少在它的一部分長度上-當在垂直于所述縱向軸的截面上觀看時，處在相對于所述中心縱向軸偏心的位置，以及其中偏心位置具有適應電纜相對于熱絕緣的熱收縮和/或膨脹的功能。在本發明的實施例中，“一個包括構成至少兩個電相和一個零或中性導體的至少三個電導體的電纜”被看作為具有例如兩個電相和一個中性(對于DC情形)或三個電相和一個屏蔽/中性/接地導體(對于三相AC情形)的電纜。在本文中，術語“偏心安排”的意思是非同心的安排，例如是指最終得到的電纜系統不是圓對稱的(即，電纜系統的截面視圖只有通過圍繞管狀熱絕緣的中心縱向軸旋轉 360°才轉回到其本身)。換句話說，由處在管狀熱絕緣內的電導體構成的本體的中心軸 (以及它們的互相電絕緣和可能的內部的冷卻腔/通道，合起來被稱為“電纜”)是與管狀熱絕緣的中心縱向軸不一致的。在一個給定的截面上，一個本體相對于另一個本體(這里，電纜相對于熱包封的內表面或外表面)的偏心度被定義為相對于最大本體半徑的這兩個本體的中心之間的差值(假設基本上為圓形的截面；否則偏心度可以相對于一個特征的(例如，最大或最小的)截面尺度來定義)。在一個實施例中，電纜基本上在它的全部長度上相對于中心縱向軸偏心地定位。 在一個實施例中，偏心度沿電纜系統的長度變化。替換地，偏心度沿電纜系統的長度或電纜系統的截面基本上是恒定的。在一個實施例中，熱絕緣(低溫恒溫裝置)的內表面相對于熱絕緣(低溫恒溫裝置)的外表面靈活地移動。在一個實施例中，熱絕緣的內表面沿電纜系統的長度具有非直線路徑，諸如曲折路徑。這具有優點電纜可以在非深冷溫度(例如，室溫)時受壓縮的情形下甚至更好地利用低溫恒溫裝置的空間，參閱例如

圖11c。優選地，電纜(具有外徑D。ut, cable)相對于熱絕緣的內表面(即，具有直徑Din, cryo 的低溫恒溫裝置內壁)的偏心度被定義為l-(D。ut,。abiyDin,ray。)(即，2X Aex/Din,ray。，參閱下面)，它處在從到20%的范圍，諸如從5%到15%。優選地，電纜相對于熱絕緣的外表面(即，具有直徑D。ut, y。的低溫恒溫裝置外壁)的偏心度處在從到50%的范圍，諸如從10 %到45 %，諸如從20 %到30 %。在一個實施例中，在給定的截面上電纜的偏心度在電纜的不同的溫度下是不同的。在一個實施例中，流體冷卻的超導多相的電纜系統包括a)電纜，它包括構成至少兩個電相和一個零或中性導體的至少三個電導體，所述電導體互相電絕緣，至少一些所述電導體被電絕緣分開、相互環繞地同心安排，所述零或中性導體形成公共回流電導體，所述電纜系統包括圍繞所述電相和所述零或中性導體并與它們電絕緣的公共電屏蔽，以及b)熱絕緣，它規定中心縱向軸和具有內表面并且包圍電纜，所述熱絕緣的所述內表面形成對一個保持用于冷卻所述電導體的冷卻流體的冷卻腔的徑向限制，其中所述電纜一至少在它的一部分長度上-當在垂直于所述縱向軸的截面上觀看時，處在相對于所述中心縱向軸偏心的位置，以及其中該偏心位置具有適應電纜相對于熱絕緣的熱收縮和/或膨脹的功能，在此，是電纜中心線到熱絕緣中心線的平均距離，以及它按照下面的方式與電纜的縱向熱收縮h相聯系
權利要求
1.一種流體冷卻的超導多相的電纜系統，包括a)電纜，它包括構成至少兩個電相導體和一個中性導體的至少三個電導體，至少一個所述電導體包括超導材料，所述電導體互相電絕緣，至少兩個所述電導體由電絕緣分隔開、 相環繞地同心安排，所述中性導體形成公共回流電導體，所述電纜系統包括圍繞所述電相導體并與它們電絕緣的公共電屏蔽，以及b)熱絕緣，它規定中心縱向軸并且包圍所述電纜，其中至少一部分所述超導材料以帶條形式呈現，每個電相導體包括一層或多層所述帶條，其中在每個電相導體中，這些層被組織成一或多個組，每個所述組包括以相同的間距方向安排的一層或多層帶條，并且其中每個電相導體的第一組中的帶條以相同的間距方向被絞合。
2.按照權利要求1所述的電纜系統，其中從包含BSCCO(BiSrCaCuO3)、YBCO (釔鋇銅氧化物)、RE-BCO (稀土鋇銅氧化物)、MgB2, Nb3Sn和Nb3Ti的材料組中選擇所述超導材料。
3.按照權利要求1所述的電纜系統，其中至少一個電相導體具有間距方向與該第一組相反的最后一組超導帶條。
4.按照權利要求1所述的電纜系統，其中每個電相導體包括兩層超導帶條。
5.按照權利要求1所述的電纜系統，包括兩個電相導體，其中間距方向順序為雙-SZ或 M-ZS，其中Z涉及“右手”帶條繞組，S涉及“左手”帶條繞組。
6.按照權利要求1所述的電纜系統，包括三個電相導體，其中間距方向順序為 SZ-SZ-SZ或M-ZSIS，其中Z涉及“右手”帶條繞組，S涉及“左手”帶條繞組。
7.按照權利要求1所述的電纜系統，其中每個電相導體包括三層超導帶條。
8.按照權利要求7所述的電纜系統，其中每個電相導體的所述三層中的頭兩層具有相同的間距方向，并且所述三層的第三層具有與所述頭兩層相反的間距方向。
9.按照權利要求7所述的電纜系統，其中每個電相導體中的頭兩層形成具有相同的間距方向“S”的一個組，每個電相導體中的第三層具有間距方向“Z”，其中Z涉及“右手”帶條繞組，S涉及“左手”帶條繞組。
10.按照權利要求1所述的電纜系統，所述電纜能夠傳輸三相AC信號，所述電纜包括三個電相導體，其中通過使包括含有超導材料的帶條的層具有大約相等的繞組間距但是使纏繞方向相反，將一個相產生的軸向場最小化。
11.按照權利要求1所述的電纜系統，其中該帶條的次序和間距角度被安排為通過優化超導帶條的數目和超導層中的電流分布，而給出在交變電流或瞬變電流下低的電損耗。
12.按照權利要求1所述的電纜系統，其中中性導體包含在所述屏蔽中，或者中性導體與所述屏蔽組合。
13.按照權利要求1所述的電纜系統，其中所有的所述電導體由電絕緣分隔開、且相環繞地同心安排。
14.按照權利要求1所述的電纜系統，其中電相數是3。
15.按照權利要求1所述的電纜系統，其中所述公共電屏蔽包括Cu或Al或超導材料， 或Al或Cu與半導電材料和/或超導材料和/或高強度機械加固材料的組合，該高強度機械加固材料例如具有鋼等級、鎳等級、碳或芳倫纖維或高強度復合帶條的形式。
16.按照權利要求1所述的電纜系統，其中所述中性導體環繞至少一個所述電相同心安排。
17.按照權利要求1所述的電纜系統，其中所述同心安排的電導體包圍一個在中心定位的冷卻體積，該在中心定位的冷卻體積優選地被用作一個在其中流動冷卻流體的冷卻通道。
18.按照權利要求17所述的電纜系統，其中所述電纜包括第一末端和第二末端，所述在中心定位的冷卻體積在每個末端封閉以形成熱容器。
19.按照權利要求1所述的電纜系統，其中所述電纜一至少在它的一部分長度上-當在垂直于所述縱向軸的截面上觀看時，處在相對于所述中心縱向軸偏心的位置，以及其中該偏心位置具有適應電纜相對于熱絕緣的熱緊縮和/或膨脹的功能。
20.按照權利要求19所述的電纜系統，其中是電纜中心線到熱絕緣中心線的平均距離，以及它按下面的方式與電纜的縱向熱收縮h相聯系電纜中心線基本上描述在低溫恒溫裝置里面的螺旋線，Lp是這個螺旋線的間距長度。
21.按照權利要求1所述的電纜系統，其中電纜包括一個由金屬、塑料或合成材料制成的具有螺旋管、管、波紋管或互鎖管的形式的中心骨架。
22.按照權利要求1所述的電纜系統，其中至少一個電導體與例如具有包括Cu或Al的帶條或線的形式的、保護性的導電的分路材料層熱接觸和/或電接觸。
23.按照權利要求22所述的電纜系統，其中將所述超導帶條和所述導電的分路帶條或線的次序和間距角度安排成使得通過優化超導帶條或線的數目和超導層中的電流分布，以及通過使導電的分路層中的部分標稱電流最小化，從而給出在交變電流或瞬變電流下低的電損耗，同時把導電的分路層安排成在故障電流的情形下起保護性的分流器的作用。
24.按照權利要求1所述的電纜系統，其中電纜包括同心安排的電相導體，該電相導體包括分別被安置成最靠近和最遠離電纜的中心軸的最里面和最外面的相導體，其中最里面的相和最外面的相的過流保護由被分別安置在最里面的相導體的里側和最外面的相導體的外側的正常導體層提供。
25.按照權利要求1所述的電纜系統，適合于用作為三相AC電纜系統，其中電纜包括三個同心的和互相絕緣的相導體，被稱為內部、中間、和外部相導體，中間相導體包括在分別面對內部和外部相導體的每一側上的一個正常的導電層，用于中間相的過流保護。
26.按照權利要求1所述的電纜系統，其中電纜包括同心地安排的相導體，該相導體包括分別被安置成最靠近和最遠離電纜的中心軸的最里面和最外面的相導體，其中最里面的相和最外面的相的過流保護由交織的超導和正常導電層來提供。
27.按照權利要求1所述的電纜系統，其中至少一個電導體由包含鋼合金、碳纖維基構件或聚酰亞胺基構件的機械加強部件進行加固。
28.按照權利要求1所述的電纜系統，其中在電導體之間以及在電導體與電屏蔽之間的電絕緣包括聚合物，諸如PPLP、PE、丙烯酸或紙，其中包括通過擠壓加工成的、或通過應用帶狀構造的合成紙。
29.一種制造根據權利要求1所述的超導單相或多相電纜系統的方法，該方法包括以下步驟a)提供具有至少一個電相和一個零或中性導體的形式的至少兩個電導體，b)規定所述電導體是互相電絕緣的，c)提供包圍電導體的熱絕緣，所述管狀熱絕緣規定一個中心縱向軸，d)規定所述管狀熱絕緣的內表面形成冷卻腔的徑向限制，該冷卻腔用于保存用于冷卻所述電導體的冷卻流體，以及e)規定所述至少一個電相和一個零或中性導體相對于所述中心縱向軸被偏心地安排，該方法還包括兩個或多個以下步驟·51、在熱包封上施加拉伸應力，由此在插入電纜期間把它們拉伸例如0.05-0. 5% ；·52、把電纜冷卻到液氮溫度，使得電纜縱向收縮例如0.1-0. 4% ；·53、對熱包封至少加壓到3巴，諸如至少到10巴，或諸如至少到20巴，以使得低溫恒溫裝置內壁伸長；·54、把電纜推壓入到熱包封中；·55、通過彎曲和例如通過埋藏把它固定到地，迫使熱包封在諸如每1.5米，或每3米，或每10米的多個位置上蜿蜒或彎曲。·56、把電纜末端固定在熱包封的末端；·57、隨后釋放熱包封的壓力；·58、隨后釋放熱包封上的拉伸應力；·59、隨后允許電纜加溫，電纜在加熱時延伸；S10、隨后停止把電纜推壓到熱包封中。
30.按照權利要求四所述的方法，其中電纜包括所述電導體，以及使它們相互的電絕緣與所述熱絕緣分開地一任選地并行地一制造。
31.按照權利要求四所述的系統，其中電纜和熱絕緣分別以不同的長度部分L。ab和Lte 制造，其中L。ab大于Lte，優選L。ab基本上等于ηX Lte，其中η大于1，諸如大于2，諸如大于4， 諸如大于7。
32.按照權利要求四所述的方法，包括步驟Si，S6，S8。
33.按照權利要求四所述的方法，包括步驟S2，S6，S8。
34.按照權利要求1所述的超導多相電纜系統、或按照權利要求四所述的方法制造的超導多相電纜系統作為AC和/或DC電纜系統的使用。
35.按照權利要求34所述的作為DC電纜系統的使用，其中相結構是[+，-，0]。
36.按照權利要求34所述的作為DC電纜系統的使用，其中相結構是[+，_，中性，0]。
全文摘要
本發明涉及一種流體冷卻的超導多相的電纜系統，包括a)電纜，它包括構成至少兩個電相和一個零或中性導體的至少三個電導體，所述電導體互相電絕緣；以及b)熱絕緣，它規定中心縱向軸和具有內表面并且包圍該電纜，所述熱絕緣的所述內表面形成對保持用于冷卻所述電導體的冷卻流體的冷卻腔的徑向限制。本發明還涉及制造電纜系統的方法及其使用。本發明的目的是提供流體冷卻的電纜系統的簡化的制造方法和安裝方案。該問題是這樣解決的，所述電纜--至少在它的一部分長度上當在垂直于所述縱向軸的截面上觀看時，處在相對于所述中心縱向軸偏心的位置，以及其中該偏心位置具有適應電纜相對于熱絕緣的熱收縮和膨脹的功能。
文檔編號H01B12/16GK102298994SQ201110249168
公開日2011年12月28日 申請日期2006年4月21日 優先權日2005年4月21日
發明者C·特雷赫特, D·威倫, D·林賽, J·C·托爾伯特, M·多姆林, M·羅登 申請人:Nkt電纜烏爾特拉有限公司