УЗЕЛ КОНЦЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ
END CONNECTION ASSEMBLY

Область техники
Силовые кабели, установленные в электрической сети, должны присоединяться к сети/шинам через узлы концевого соединения. Настоящее изобретение относится к узлу концевого соединения для электрического концевого соединения охлаждаемой кабельной системы, например кабельной системы с криогенным охлаждением, при температуре окружающей среды.
Предшествующий уровень техники
Настоящее изобретение было сделано в рамках контракта №DE-FG36-02GO12070 Департамента Энергетики США. Правительство США имеет определенные права на настоящее изобретение.
В целом, для нормального функционирования сверхпроводящего кабеля должна поддерживаться криогенная температура (0-150 кельвин или от -273,25 до -123°C). Обычно кабельная секция присоединяется к другим компонентам системы, которые функционируют при температуре окружающей среды или повышенной температуре.
В настоящем документе общий термин "сверхпроводящая кабельная система" обозначает сверхпроводящий и/или гиперпроводящий кабель (например, многофазный кабель, такой как трехфазный кабель) в сочетании с соответствующей термоизоляционной оболочкой.
Для концевого соединения сверхпроводящей кабельной системы, как правило, требуются некоторые основные элементы, а именно:
1) проводник (токовый элемент),
2) электрическая изоляция (элемент напряжения),
3) термоизоляция (термический элемент),
4) средство охлаждения, например жидкий хладагент (охлаждающий элемент), и
5) опционально, различные диагностические устройства (диагностический элемент).
Элементы 3), 4) и 5) являют собой элементы, которые, обычно, отсутствуют в обычных кабелях, тогда как элемент 4) имеет некоторое сходство с охлаждаемыми шинами, а элемент 5) также в некоторой форме присутствует в кабелях с масляной изоляцией, где масло поддерживается при определенном давлении, которое непрерывно отслеживается. Могут быть реализованы различные типы опциональной диагностики, например мониторинг давления, температуры (внутренней и/или внешней), потока, уровня охлаждающего флюида, влажности воздуха и т.п.
Трехаксиальная конструкция Высокотемпературного Сверхпроводящего (ВТСП) кабеля с тремя концентрическими фазами, окруженными концентрическим нейтральным проводником (например, раскрытая в документе US 2005173149 A (Гог и др.) 08.11.2005 и WO 2006/111170 A (NKT CABLES ULTERA) 10.26.2006), имеет определенные преимущества по сравнению с другими конструкциями ВТСП кабелей.
Преимуществами по сравнению с коаксиальной конструкцией с холодным диэлектриком являются:
1. Сокращение количества используемого сверхпроводящего материала на 34-50%, в результате чего обеспечивается сокращение стоимости и потерь энергии.
2. Сокращение количества используемых материалов криогенной оболочки и холодной поверхности на 30-50%, в результате чего обеспечивается сокращение стоимости и повышение энергоэффективности.
Преимуществами по сравнению с однофазными кабелями с теплым диэлектриком являются:
1. Отсутствие внешних магнитных полей, создающих помехи в кабеле.
2. Улучшение отношения между индуктивными и емкостными электрическими свойствами, благодаря чему обеспечиваются большие критические длины, улучшенная стабильность и уменьшение падений напряжения на нагрузке.
3. Уменьшение внутренних магнитных полей в кабеле, благодаря чему обеспечивается сокращение потерь энергии и повышение характеристик сверхпроводящих материалов.
4. Сокращение количества используемых материалов криогенной оболочки и холодной поверхности на 30-50%, в результате чего обеспечивается сокращение стоимости и повышение энергоэффективности.
5. Сокращение количества криогенных оболочек, благодаря чему сокращается количество этапов сварки и сборки, обеспечивается более низкая стоимость изготовления и повышенная надежность.
Недостатками перечисленных двух альтернативных вариантов конструкций являются:
1. Применение диэлектрика, который менее изучен, чем теплый диэлектрик для одной фазы, приводит к повышению риска в использовании.
2. Более сложная конструкция кабеля и концевого соединения, чем коаксиальная конструкция с холодным диэлектриком и конструкция однофазного кабеля с теплым диэлектриком, приводит к повышению риска при изготовлении и использовании.
3. По существу, возникает дисбалансирование полных сопротивлений в фазах 1, 2 и 3.
Преимуществами ВТСП кабелей по сравнению с обычными кабелями из медных или алюминиевых проводников являются большая токопроводящая способность, сокращение генерации и выделения тепла вдоль кабеля, меньшие электрические потери и меньший вес.
Недостатками по сравнению с традиционными альтернативами являются необходимость системы охлаждения, непрерывные тепловые потери через термоизоляцию и повышенная сложность вспомогательных устройств, таких как муфты и концевые соединения.
Узлы концевого соединения для сверхпроводящих кабельных систем по известному уровню техники рассмотрены в ряде документов.
В документе US 6988915 B (SEI) от 24.01.2006 г. рассматривается структура концевого соединения для сверхпроводящего кабеля постоянного тока, в которой концевые части сверхпроводящих слоев, предоставленных на гильзе сердечника, раскрыты ступенчатым образом с внешнего слоя к внутреннему слою, и отходящие проводники из обычного проводящего материала по отдельности соединены с раскрытыми концевыми участками соответствующих сверхпроводящих слоев. Изоляционный фиксирующий элемент поддерживает сердечник и отходящие проводники.
В документе WO 2005/086306 A (SEI) от 15.09.2005 г. рассматривается структура концевого соединения для многофазного сверхпроводящего кабеля, в которой электропроводящая изолирующая трубка расположена вокруг каждого из концентрически устроенных сверхпроводящих слоев электрических фаз и электрически соединена с этими изолирующимим трубками и выводами для отвода каждой фазы при комнатной температуре.
В документе US 6936771 B (SOUTHWIRE COMPANY) от 30.08.2005 г. рассматривается узел концевого соединения для присоединения ВТСП кабеля, погруженного в жидкий азот под давлением, к внешним вводам высокого напряжения и нейтрали (экрану) при комнатной температуре и давлении. Упомянутый узел концевого соединения содержит холодный корпус, соединенный с теплым корпусом через проходной канал, в котором один или более капиллярных проходов, направленных через или параллельно проходному каналу, обеспечивают возможность течения газа, чтобы поддерживать баланс давления между холодным корпусом и теплым корпусом.
В документе 2005173149 A (Гог и др.) от 11.08.2005 г. рассматривается узел концевого соединения для сверхпроводящего кабеля, содержащего три концентрически расположенных сверхпроводящих слоя (трехаксиальная структура). Электрические фазовые проводники присоединяются к медным трубкам. В предпочтительном варианте осуществления эти трубки являются концентрическими, и они отделены друг от друга твердыми изоляционными трубками. Кабель охлаждается посредством потоков жидкого хладагента, проходящих внутри центральной трубки кабеля и снаружи кабеля. В предпочтительном подходе, холодный конец узла концевого соединения охлаждается снаружи посредством жидкого хладагента c потенциалом земли. Для этого требуется электрически изолирующий материал с высокой теплопроводностью.
Краткое изложение существа изобретения
Задачей настоящего изобретения является использование преимуществ сверхпроводящих и гиперпроводящих кабелей путем предоставления надежного и экономически эффективного соединения между фазовыми проводниками высокого напряжения и нейтральными проводниками в этих кабелях с внешним оборудованием, таким как генераторы, трансформаторы, прерыватели, электрические сети, другие кабели или другие устройства.
Задача настоящего изобретения достигнута посредством настоящего изобретения и его вариантов осуществления согласно формуле изобретения и следующему описанию.
Согласно настоящему изобретению узел концевого соединения содержит концевую секцию кабеля для одного или нескольких выводов токовых ветвей и окружающую термоизоляционную оболочку, приспособленную для содержания охлаждающего флюида, причем выводы токовых ветвей по отдельности изолированы от термоизоляционной оболочки посредством отдельных электрических изоляторов.
Варианты настоящего изобретения демонстрируют дополнительные преимущества, что будет очевидно из следующего описания и формулы изобретения.
Концевая секция кабеля определяет центральную продольную ось, причем концевая секция содержит концевые части N электрических фаз и концевую часть нейтрального проводника, причем каждая из концевых частей N электрических фаз и нейтрального проводника содержит, по меньшей мере, один электрический проводник, и расположена в кабеле концентрически вокруг каркаса сердечника, причем фаза 1 расположена в самом центре, а фаза N расположена в самом удалении от центра кабеля, и фаза N окружена нейтральным проводником. Между соседними электрическими фазами, а также между фазой N и нейтральным проводником расположена электрическая изоляция. Каждая из концевых частей нейтрального проводника и электрических фаз содержит контактную поверхность для электрического соединения с токовым выводом (выводом токовой ветви). Контактная поверхность нейтрального проводника и соответствующих электрических фаз формируется непокрытой частью нейтрального проводника/электрической фазы, то есть непокрытой частью, в которой электрическая изоляция удалена для открытия и обеспечения доступа к контактной поверхности для обеспечения соединения с выводом токовой ветви. Каждая из непокрытых частей (которые формируют контактные поверхности) имеет продольную ориентацию и, предпочтительно, минимальную длину, причем непокрытые части расположены последовательно в продольном направлении вдоль концевой части кабеля.
В контексте настоящего документа термин "кабель" используется для части "кабельной системы", которая содержит электрические проводники и соответствующую электрическую изоляцию между смежными электрическими проводниками (и, опционально, дополнительные связанные с ними слои). Таким образом, "кабельная система" согласно настоящему изобретению содержит "кабель" в вышеупомянутом смысле и термоизоляцию, окружающую кабель в месте его размещения.
В одном варианте осуществления кабель расположен эксцентрически относительно центральной продольной оси термоизоляции на, по меньшей мере, части упомянутой термоизоляции в продольном направлении.
Термины "самый близкий к центру"/"самый дальний от центра" относительно кабеля обозначают, соответственно, ближе/дальше от сердцевины кабеля. Альтернативно, они могут обозначать, соответственно, ближе/дальше от центральной продольной оси концевой секции кабеля.
Нумерация 1, 2, ..., N электрических фаз не подразумевает каких-либо конкретных свойств или взаимосвязи между фазами (например, отношения размера или углов). В целом, электрические фазы могут быть расположены в любом порядке. На практике, порядок, обеспечивающий наименьшие электрические потери, может быть определен посредством оптимизации, например путем вариации фазовых углов соседних электрических фаз, материала, количества, формы, углов набмотки и т.п. электрических проводников, образующих электрические фазы.
В контексте настоящего изобретения термин "непокрытая часть" кабеля обозначает длину кабеля, где электрическая изоляция, которая обычно окружает электрическую фазу (или нейтральный проводник) удаляется, чтобы обеспечить доступ к рассматриваемой электрической фазе (или нейтральному проводнику).
Термины "токовый вывод" и "вывод токовой ветви" используются как взаимозаменяемые.
В одном варианте осуществления узла концевого соединения, по меньшей мере, одно из электрических соединений между контактной поверхностью и нейтральным проводником/электрической фазой содержит систему управления электрическим полем, которая целиком или частично окружает контактную поверхность и обеспечивает эквипотенциальный объем при соответствующем фазном напряжении.
В одном варианте осуществления охлаждающий флюид приспособлен для того, чтобы подаваться внутрь эквипотенциального объема. В принципе, охлаждающий флюид может являть собой любой охлаждающий флюид, которая обеспечивает необходимое охлаждение.
Очевидно, что схема охлаждения согласно настоящему изобретения обеспечивает охлаждение с высокой надежностью, которое стабилизирует систему и позволяет применять относительно высокие номинальные токи. Благодаря этой стабильной и надежной схеме охлаждения могут использоваться несколько различных охлаждающих флюидов.
В одном варианте осуществления, где концевая секция содержит, по меньшей мере, одну основу токового вывода, узел концевого соединения устроен так, чтобы охлаждающий флюид выполнял теплообмен с, по меньшей мере, одной основой токового вывода над токовым выводом и над контактной поверхностью. Таким образом, можно обеспечить дополнительный охлаждающий эффект.
Основа токового вывода обеспечивает переход от токового вывода к фазе или нейтральному проводнику. Основа токового вывода может быть предоставлена посредством электрического соединения между токовым выводом (ветви) и нейтральным проводником/электрической фазой.
В эквипотенциальном объеме охлаждающий флюид может, предпочтительно осуществлять теплообмен с основанием токового вывода. Дополнительно, она может осуществлять теплообмен с одним или более дополнительными электропроводящими элементами, используемыми в электрическом соединении между контактной поверхностью и выводом токовой ветви. В одном варианте осуществления дополнительные электропроводящие элементы содержат одну или более токовых изолирующих трубок, устроенных так, чтобы иметь хороший электрический контакт с соответствующей контактной поверхностью проводника(ов), один или более токовых зажимов, контактирующих с токовыми изолирующимим трубками, и, опционально, дополнительные соединительные элементы, обеспечивающие соединение между основанием токового ввода и зажимами.
В одном варианте осуществления основание токового вывода и другие электропроводящие элементы, заключенные в эквипотенциальный объем, могут содержать элементы для теплообмена с охлаждающим флюидом, причем теплообмен реализуется путем охлаждения с принудительным потоком через и/или сквозь отверстия, канавки, ребра и профили, но не ограничиваясь перечисленным. Токовая изолирующая трубка и/или токовый зажим может иметь относительно большую контактную поверхность, причем соответствующие размеры могут быть подобраны так, чтобы точное положение в продольном направлении не было критичным и обеспечивалась возможность достаточного допуска в продольном направлении.
В одном варианте осуществления эквипотенциальный объем реализован посредством некоторого количества элементов изолятора и он имеет проводящую и/или полупроводящую внутреннюю поверхность для целей управления полем.
В одном варианте осуществления узла концевого соединения эквипотенциальный объем содержит вывод токовой ветви, соединенный с, по меньшей мере, одним из элементов, основание токового вывода, токовый зажим и токовую изолирующую трубку, причем вывод токовой ветви в конце соединяется с контактной поверхностью нейтрального проводника или одной из электрических фаз, и при этом, по меньшей мере, один из элементов, предпочтительно, обеспечен для охлаждения посредством принудительного потока (такое как канавки, отверстия, профили и фланцы) через и/или сквозь основание токового вывода, токовый зажим, токовую изолирующую трубку и/или интерфейс между любыми из элементов, причем электрическая фаза, предпочтительно, являет собой проводник, выбранный из сверхпроводящего, гиперпроводящего и обычного проводникового материала.
В одном варианте осуществления контактные поверхности расположены последовательно вдоль продольного направления концевой секции кабеля в модульном порядке, согласно которому контактная поверхность каждой из электрических фаз и нейтрального проводника, по меньшей мере, на части длины их контактных поверхностей расположена на, по существу, равном радиальном расстоянии от центральной продольной оси.
Этот вариант осуществления узла концевого соединения имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что обеспечивается соединение, которое может быть использовано для различных типов кабелей и для различных фазовых проводников в кабеле одного типа.
Радиальное расстояние контактной поверхности нейтрального проводника/электрической фазы (фаз) от центральной продольной оси может регулироваться путем применения регулирующей вставки, которая может являть собой, например, адаптивную вставку, как описано ниже, но она также может регулировать радиальные расстояния от центральной продольной оси кабеля до контактной поверхности таким образом, чтобы эти расстояния оставались неравными. Структура регулирующей вставки может соответствовать структуре, описанной ниже для адаптивной вставки, но без ограничения, что контактные поверхности должны быть приспособлены к, по существу, одинаковым радиальным расстояниям от центральной продольной оси кабеля.
В одном варианте осуществления контактные поверхности концевой секции кабеля расположены с, по существу, равным продольным расстоянием между ними. Таким образом, можно дополнительно сократить стоимость производства узла концевого соединения, поскольку может быть сокращено количество разных используемых элементов.
По существу, равное продольное расстояние, а также, по существу, равное радиальное расстояние могут быть получены любым подходящим путем. В одном варианте осуществления, по существу, равные радиальные расстояния получают посредством радиальных адаптивных вставок (например, из эпоксипластика с армированными волокнами, такого как материал, известный под торговой маркой G10™), которые имеют, по существу, идентичные внешние радиальные диаметры, причем радиальные адаптивные вставки применяются к контактной поверхности каждой фазы и нейтрали, выравнивая их размер относительно продольного размера и, в частности, радиальный размер в концевой секции кабеля.
В одном варианте осуществления, по существу, равное радиальное расстояние контактных поверхностей нейтрального проводника и электрических фаз от центральной продольной оси концевой секции кабеля, по существу, предоставляется путем индивидуальной адаптации внутренних радиальных размеров таких адаптивных вставок.
Адаптивные вставки могут быть изготовлены из любого подходящего материала, который, предпочтительно, содержит электрически изолирующий материал и/или полупроводниковый материал, чтобы избежать нежелательных путей утечки. В одном варианте осуществления радиальные адаптивные вставки выполнены в форме регулирующих вставок, изготовленных из электрически изолирующего материала, полупроводникового материала или комбинации таких материалов.
В одном варианте осуществления радиальные адаптивные вставки обеспечивают равный радиальный размер контактных поверхностей, причем, по меньшей мере, один из элементов основания токового вывода, токового зажима и токовой изолирующей трубки перекрывает соответствующую адаптивную вставку, чтобы обеспечить электрическое соединение между соответствующими контактными поверхностями и соответствующими выводами токовой ветви.
В одном варианте осуществления, по меньшей мере, одна из адаптивных вставок расположена между электрическим проводником(ами) непокрытой части (контактной поверхности) нейтрального проводника или электрической фазы и расположенного ниже изоляционного слоя.
Адаптивные вставки могут иметь любую требуемую толщину, чтобы обеспечивать требуемую адаптацию.
Адаптивные вставки обеспечивают преимущество, заключающееся в облегчении соединения выводов токовой ветви с электрическими фазами или нейтралью концевых секций кабеля. Они, дополнительно, упрощают модульное строение узла концевого соединения, включая термоизоляционную оболочку. Пример описан ниже.
Адаптивные вставки могут, дополнительно, обеспечивать механическую поддержку концевой секции кабеля и защиту от тепловых повреждений нижележащих слоев концевой секции кабеля в течение обработки (например, пайки) и монтажа концевой части кабеля, например, в узле концевого соединения.
В одном варианте осуществления узел концевого соединения содержит одну или более продольных распорок, которые обеспечивают фиксированное расстояние между выводами токовой ветви.
Концевая секция узла концевого соединения может, например, содержать продольные распорки, которые обеспечивают равное расстояние между фазами и нейтралью. Эти продольные распорки могут дополнительно обеспечивать управление потоком, разделение потока, электрическую изоляцию и/или модульную систему сборки/монтажа. Концевая секция может содержать радиальные адаптивные вставки, которые обеспечивают равный продольный и радиальный размер, причем эти адаптивные вставки могут, например, предоставлять альтернативы для дополнительного диэлектрика и концепции модульной конструкции.
В одном варианте осуществления продольная(ые) распорка(и) действует как управление потоком или ограничение потока для охлаждающего флюида, направляя, по меньшей мере, часть охлаждающего флюида через средство теплообмена вблизи контактной поверхности или основания токового вывода.
В одном варианте осуществления продольные распорки обеспечивают, по существу, равное расстояние между выводами токовой ветви.
Как описано выше, по меньшей мере, один из нейтрального проводника и электрических фаз может иметь электрический контакт с токовой изолирующей трубкой. Токовая изолирующая трубка может, в принципе, состоять из любого типа электропроводящего материала. Тем не менее, предпочтительно, чтобы токовая изолирующая трубка, по меньшей мере, частично состояла из обычного электропроводящего материала.
В одном варианте осуществления электропроводящая изолирующая трубка устанавливается вокруг конца кабеля, например, поверх адаптивной вставки. Проводящая изолирующая трубка устанавливается в электрическом контакте с контактной поверхностью электрической фазы или нейтрального проводника. Электрический контакт может, предпочтительно, обеспечиваться путем прямого контакта между проводящей изолирующей трубкой и электрической фазой или нейтральным проводником. В одном варианте осуществления электрическая фаза или нейтральный проводник частично перекрывают проводящую изолирующую трубку. В этих вариантах осуществления сам сверхпроводящий материал из кабеля может образовать, по меньшей мере, часть контактной поверхности изолирующей трубки.
В одном конкретном варианте осуществления, по меньшей мере, один из нейтрального проводника и электрических фаз окружен токовой изолирующей трубкой из обычного электропроводящего материала и имеет с ней электрический контакт. В еще одном варианте осуществления токовая изолирующая трубка изготовлена, по меньшей мере, частично из сверхпроводящего материала и/или гиперпроводящего материала.
2
В контексте настоящего изобретения термин "обычный электропроводящий материал" обозначает материал, который является электропроводящим, но имеет конечное электрическое сопротивление при комнатной температуре, а также при криогенных температурах (то есть, материал, который НЕ является сверхпроводящим при данных температурах). Термин "криогенные температуры" обозначает температуры ниже 0°C (273 кельвин), до которых охлаждается концевая секция кабельной системы в нормальном режиме работы, например, температура, которая равна или ниже температуры кипения (при заданном рабочем давлении) флюида (например, жидкого N), используемой для охлаждения концевой секции кабеля в узле концевого соединения, например, до температуры в диапазоне от 0 до 77 кельвин.
В одном варианте осуществления токовая изолирующая трубка имеет контактную поверхность изолирующей трубки для электрического контакта с токовым выводом.
В одном варианте осуществления, по меньшей мере, часть токовой изолирующей трубки обеспечивает электрическое соединение между контактными поверхностями и соответствующими выводами токовой ветви. В этом варианте осуществления токовая изолирующая трубка может иметь контактную поверхность изолирующей трубки, которая электрически соединена с выводом токовой ветви.
В одном конкретном варианте осуществления, где узел концевого соединения содержит две или более токовые изолирующие трубки, находящиеся в электрическом контакте с нейтральным проводником/электрическими фазами и с соответствующими контактными поверхностями изолирующей трубки, эти контактные поверхности изолирующей трубки расположены на, по существу, равном радиальном расстоянии от центральной продольной оси концевой секции кабеля.
В одном варианте осуществления, где два или более из нейтрального проводника и электрических фаз имеют электрический контакт с соответствующими токовыми изолирующими трубками, размеры токовых изолирующих трубок, предпочтительно, могут быть, по существу, одинаковыми.
В одном варианте осуществления, по существу, равное радиальное расстояние контактной поверхности изолирующей трубки нейтрального проводника и электрических фаз от центральной радиальной оси обеспечивается, предпочтительно, путем индивидуальной адаптации радиальных размеров токовых изолирующих трубок. Например, токовые изолирующей трубки могут иметь различные внутренние размеры и, по существу, равные внешние размеры.
В одном варианте осуществления изолирующая трубка содержит наклонное сечение для соединения с проводниками в форме ленты/провода сверхпроводящего кабеля, например, путем пайки.
В еще одном варианте осуществления секция пайки изготовляется с уступами, адаптированными по длине и высоте для соответствующих лент/проводов ВТСП кабеля и для опционального шунтирования лент обычного проводника.
Радиальное регулирование контактной поверхности изолирующей трубки каждой электрической фазы или нейтрали для достижения постоянного радиального расстояния поверхности от продольной оси концевой секции кабеля может быть обеспечено путем соответствующей адаптации материалов и конструкции, лежащих под контактной стороной.
В одном конкретном варианте осуществления радиальный размер, по меньшей мере, одного из электроизоляционных и электропроводящих материалов, окружающих или лежащих под отдельными контактными поверхностями нейтрального проводника или электрических фаз, по отдельности адаптируется таким образом, чтобы предоставить отдельные контактные поверхности и/или отдельные контактные поверхности изолирующей трубки с постоянным радиальным расстоянием от продольной оси.
В одном конкретном варианте осуществления адаптивная вставка из электроизолирующего материала, полупроводникового материала или из комбинации таких материалов вставляется между концевыми частями нейтрального проводника или электрической фазы и соседней нижележащей электрической фазой в позиции контактной поверхности рассматриваемого нейтрального проводника или электрической фазы.
В одном конкретном варианте осуществления, по меньшей мере, две электрические фазы или нейтраль, то есть, большинство или все электрические фазы или нейтраль, содержат изолирующие трубки, имеющие идентичные внешние и внутренние радиальные размеры. Предпочтительно, все электрические фазы и нейтраль снабжены токовой изолирующей трубкой, имеющей, по существу, идентичные размеры.
В одном варианте осуществления узел концевого соединения содержит, по меньшей мере, один токовый зажим, изготовленный, по меньшей мере, частично из обычного электропроводящего материала, такого как медь, но не ограничиваясь им. Токовый зажим электрически соединен с токовым выводом и прижат к контактной поверхности и/или к контактной поверхности изолирующей трубки. Токовый зажим, предпочтительно, может быть короче осевой длины контактной поверхности и/или короче контактной поверхности изолирующей трубки. Таким образом, контактная поверхность и/или контактная поверхность изолирующей трубки представляет широкий электрический контакт (в продольном направлении) с токовым зажимом, обеспечивая возможность большого допуска движения токового зажима/токового вывода в продольном направлении концевой секции кабеля (например, в течение установки и нагрева/охлаждения кабельной системы).
В одном варианте осуществления, по меньшей мере, один из токовых зажимов содержит сквозные отверстия для дополнительного охлаждения.
В целом, представляется желательным, чтобы, по меньшей мере, одна из электрических фаз и нейтрального проводника содержала сверхпроводящий или гиперпроводящий материал.
В одном варианте осуществления, по меньшей мере, одно из электрических соединений содержит систему управления электрическим полем, целиком или частично окружающую контактную поверхность и, по меньшей мере, часть вывода токовой ветви. Посредством этой системы управления электрическим полем может быть получена очень надежная и стабильная система.
Система управления электрическим полем может содержать диэлектрики, такие как диэлектрик, известный под торговой маркой ULTEM™, или эпоксипластик с армированными волокнами, такой как диэлектрик, известный под торговой маркой G10™. В принципе, может использоваться любой другой подходящий диэлектрик.
В одном варианте осуществления система управления электрическим полем, дополнительно, содержит материал, сглаживающий поле, например металлический проводниковый материал или полупроводниковый материал. Материал, сглаживающий поле, предпочтительно, образует слой системы управления электрическим полем, и, более предпочтительно - внутренний слой системы управления электрическим полем.
В одном варианте осуществления система управления электрическим полем предоставляет переходное соединение к одному из вывода токовой ветви и электрической изоляции ветви, изолирующей вывод токовой ветви. Переходное соединение, предпочтительно, может быть образовано между поверхностями, формирующими соответствующие зигзагообразные каналы или извилистые каналы, чтобы увеличить длину пути утечки, или переходное соединение может иметь сферические поверхности, обеспечивающие возможность углового регулирования системы изоляции ветви. Предпочтительно, упомянутое переходное соединение уплотняется посредством прокладки.
В одном варианте осуществления, по меньшей мере, один из выводов токовой ветви содержит секцию токового вывода, и эта секция токового вывода (которая может являть собой весь вывод токовой ветви или его часть) содержит холодный конец, соединенный с нейтральным проводником или электрической фазой, противоположный конец температуры окружающей среды и промежуточную секцию термического якоря. Упомянутая промежуточная секция термического якоря обеспечивает терминальный градиент от холодной температуры до температуры окружающей среды.
В одном варианте осуществления, по меньшей мере, один из упомянутых выводов токовой ветви содержит секцию токового вывода, содержащую секцию термического якоря, который предоставляет опцию термического градиента от холодной температуры до более низких температур.
В этом варианте осуществления узел концевого соединения может содержать, по меньшей мере, одно из изолирующей трубки, вставки и зажима, причем изолирующая трубка(и), вставка(и) и/или зажим(ы) имеют форму манжеты.
В одном варианте осуществления группа, в которую входят изолирующие трубки, вставки и зажимы, содержит две, три или более деталей для упрощения монтажа.
Для управления электрическим полем края и/или поверхности продольных распорок, адаптивных вставок, изолирующих трубок, зажимов, основ токовых выводов, предпочтительно, могут быть закруглены.
^
2
В одном варианте осуществления узел концевого соединения содержит, по меньшей мере, одну вставку (адаптивную вставку) из материала, удельное электрическое сопротивление которого выше примерно 106 Ом·м/м в диапазоне рабочих температур.
В одном варианте осуществления узел концевого соединения содержит, по меньшей мере, одну вставку (адаптивную вставку), содержащую эпоксидный материал, такой как эпоксидная смола с армированными волокнами, например термореактивный промышленный слоистый материал, который состоит из стеклоткани с непрерывными волокнами и эпоксидной смолой в качестве связующего вещества.
В одном варианте осуществления узел концевого соединения содержит жесткий цилиндр или трубку, расположенную в отверстии в центре каркаса сердечника концевой секции кабеля для обеспечения механической опоры для концевой секции кабеля.
В одном варианте осуществления узел концевого соединения приспособлен для предоставления и электрического соединения многофазной кабельной системы с криогенным охлаждением с концевыми токовыми выводами при температуре окружающей среды. Концевая секция кабеля являет собой концевую секцию многофазного кабеля. Концевая секция многофазного кабеля окружена термоизоляционной оболочкой для обеспечения возможности охлаждения до минусовых температур и поддержания, по меньшей мере, части концевой секции кабеля при температуре, которая ниже температуры окружающей среды, причем термоизоляционная оболочка содержит множество ответвлений в форме вывода токовой ветви, для вывода из концевой секции электрических фаз кабеля и нейтрального проводника к соответствующим токовым выводам. Ветви расположены последовательно вдоль продольного направления концевой секции кабеля в позициях, которые соответствуют позициям контактных поверхностей соответствующих концевых частей нейтрального проводника и электрических фаз. Первая ветвь предназначена для ответвления нейтрального проводника, вторая ветвь - для N-ой электрической фазы, третья ветвь - для (N-1)-ой электрической фазы ..., и (N+1)-ая ветвь предназначена для ответвления N-ой электрической фазы.
Термоизоляционная оболочка может, предпочтительно, иметь цилиндрическую внутреннюю поверхность, причем концевая секция кабеля располагается вдоль этой поверхности и точки контакта между поверхностью и кабелем образуют, по существу, прямую линию контакта, благодаря чему обеспечивается простая и надежная конструкция.
В одном варианте осуществления, по меньшей мере, одно и, предпочтительно, все ответвления могут быть, по существу, перпендикулярны продольной оси концевой секции кабеля.
В одном варианте осуществления термоизоляционная оболочка, охватывающая концевую секцию кабеля, имеет модульную конструкцию, причем каждый модуль содержит часть для охвата длины концевой секции кабеля и, по меньшей мере, одну ветвь для ответвления нейтрального проводника или электрической фазы.
В одном варианте осуществления для улучшения охлаждения термоизоляционная оболочка может содержать два отдельных канала для протока охлаждающего флюида.
По меньшей мере, часть охлаждающего флюида в термоизоляционной оболочке может быть ограничена так, чтобы протекать по каналу, который уникален для узла концевого соединения, и не проходить через остальную часть сверхпроводящего кабеля.
В одном варианте осуществления узел концевого соединения содержит систему управления полем, находящуюся в контакте с электроизоляционным материалом, расположенным вокруг концевой секции кабеля у ответвлений термоизоляционной оболочки, причем система управления полем, предпочтительно, образует эквипотенциальный объем при напряжении фазы и управляет линией электрических полей вблизи ответвления от фазного напряжения до потенциала земли на корпусе концевого соединения.
Подобная система управления полем может, например, содержать материал, выбранный из группы материалов, в которую входят диэлектрик, известный под торговой маркой Ultem™, диэлектрик, известный под торговой маркой G-10™, стеклопластик, полиэтилен, полипропилен, нейлон и их комбинации.
ucp
ucp
ucp
В одном варианте осуществления контактная поверхность заданной электрической фазы или нейтрали имеет длину L, обеспечивающую возможность электрического соединения с токовым выводом для концевого соединения фазы или нейтрали. В одном варианте осуществления длина L адаптирована таким образом, чтобы обеспечивалась возможность модульной конструкции термоизоляционной оболочки, окружающей длину концевой секции кабеля и содержащей, по меньшей мере, одну ветвь для токового вывода. На практике, длина L больше 0,1 м, и она может составлять, например, 0,2-0,3 м.
Один вариант осуществления настоящего изобретения содержит охлаждающее устройство, где теплообмен охлаждающего флюида осуществляется в области контактных поверхностей концевой секции. В одном конкретном варианте осуществления охлаждающий флюид проходит через соединительный блок, который соединяет основание токового вывода с токовой изолирующей трубкой. В еще одном варианте осуществления охлаждающий флюид проходит вблизи контактной поверхности, внутри контактной поверхности или внутри токовой изолирующей трубки. В еще одном варианте осуществления охлаждающий флюид проходит вблизи основания токового вывода или через основание токового вывода, так что тепло, передаваемое через токовый вывод или генерируемое электрическими токами в токовом выводе, передается на охлаждающий флюид и удаляется с контактной поверхности без значительного повышения температуры сверхпроводящего кабеля. В одном предпочтительном варианте осуществления теплообмен происходит между основанием токового вывода, контактной поверхностью и охлаждающим флюидом через твердые материалы с высокой теплопроводностью, такие как медь, серебро, золото, алюминий. В одном варианте осуществления трубки управления потоком направляют часть или весь охлаждающий флюид в кабельной системе в направлении и через упомянутое устройство охлаждения.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения система управления электрическим полем, содержащая один или более элементов управления полем, формирует эквипотенциальный объем. В одном конкретном варианте осуществления объем содержит устройство охлаждения. В одном предпочтительном варианте осуществления система управления полем нанесена на или находится в плотном контакте с внешним твердым электроизоляционным материалом, таким как полимерная, целлюлозная, керамическая или композитная электроизоляция.
В еще одном варианте осуществления система управления полем предоставлена в форме металлической или полупроводниковой поверхности, соединенной с потенциалом фазы окруженной контактной поверхности. В одном варианте осуществления система управления полем учитывает аксиальные электрические поля фаза-фаза и радиальные электрические поля фаза-земля, причем это реализуется путем предоставления достаточно больших значений длин пути утечки и достаточной толщины электроизоляционного материала. В одном предпочтительном варианте осуществления флюид окружает систему управления электрическим полем и внешний электроизоляционный материал. В одном варианте осуществления система управления электрическим полем предоставляет переходное соединение для вывода токовой ветви и электроизоляции ветви.
В одном предпочтительном варианте осуществления система управления электрическим полем и система изоляции ветви предоставлены в одной детали. В еще одном предпочтительном варианте осуществления система управления электрическим полем и система изоляции ветви предоставлены в двух или более деталях с, по меньшей мере, одним соединением, причем поверхности соединения формируют соответствующие зигзагообразные каналы или извилистые каналы, чтобы увеличить длину пути утечки, либо переходное соединение имеет сферические поверхности, чтобы обеспечить возможность углового регулирования системы изоляции ветви. В одном варианте осуществления соединение уплотнено посредством прокладки из таких материалов, как полиэтилен, полипропилен, политетрафторэтилен, Tyvek™, Nomex™, Teflon™ или Gore-Tex™, чтобы увеличить интенсивность электрической утечки.
Покрытая часть фазы или экрана может быть покрыта электрической изоляцией и/или полупроводниковым материалом. Например, для длины секции проводящей изолирующей трубки это выполняется путем намотки электроизоляционных лент на часть проводящей изолирующей трубки. В одном варианте осуществления электроизоляционные ленты наматываются на область изолирующей трубки, где сверхпроводящие ленты присоединяются к изолирующей трубке.
Количество N фазовых проводников, в принципе, может быть произвольным. Например, N может быть равно 1, 2, 3, 4 или более. Предпочтительно, N равно 1 или 3.
Концентрическая компоновка одной (N=1) электрической фазы и нейтрали в кабеле может обозначаться термином коаксиальный кабель.
Концентрическая компоновка множества (N) электрических фаз и нейтрали в кабеле может обозначаться термином многокоаксиальный кабель.
В одном варианте осуществления контактные поверхности многокоаксиального кабеля реализуются в продольном направлении последовательным образом, отличающимся тем, что контактное расстояние нейтраль-фаза и контактное расстояние фаза-фаза примерно одинаковы.
В контексте настоящего изобретения термин "температура окружающей среды" обозначает температуру в месте, где выполняется концевое соединение электрических фаз (или нейтрали). Например, эта температура может лежать в диапазоне от -50°C до +85°C, например между -30°C и +50°C или между -10°C и +30°C.
Дополнительные задачи настоящего изобретения достигнуты посредством вариантов осуществления, определенных в зависимых пунктах формулы изобретения и описанных в подробном описании. Следует подчеркнуть, что используемый в данном описании термин "содержит/содержащий" определяет наличие изложенных функциональных особенностей, целых, этапов или компонентов, но не исключает наличия или добавления одной или более других функциональных особенностей, целых, этапов, компонентов или их групп.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает поперечное сечение трехаксиального кабеля.
Фиг.2 изображает эскизный чертеж концевого соединения трехфазного кабеля.
Фиг.3 изображает эскизный чертеж концевого соединения, реализованного по модульному подходу.
Фиг.4 изображает однофазное коаксиальное концевое соединение, реализованное по модульному подходу.
Фиг.5 изображает однин вариант осуществления термического якоря для окружающей среды.
Фиг.6 изображает различные примеры приспособлений, которые могут быть установлены на модуле концевого соединения.
Фиг.7 изображает различные элементы одного варианта осуществления токового вывода.
Фиг.8a изображает некоторые схематические примеры порядка и места установки теплообменника, предоставляющего средство охлаждения для перехода от обычного проводника к сверхпроводящему проводнику.
Фиг.8b подробно изображает один вариант осуществления порядка соединения токового вывода с проводником, где также показано местоположение теплообменника, предоставляющего термический якорь.
Фиг.9a изображает эскизный чертеж эквипотенциального объема при фазовом потенциале, который определяется посредством проводящего элемента внутри диэлектрического элемента, расположенного вокруг соединительной области между фазовым проводником и токовым выводом.
Фиг.9b подробно изображает один вариант осуществления эквипотенциального объема при фазовом потенциале, который определяется посредством проводящего элемента внутри диэлектрического элемента, расположенного вокруг соединительной области между фазовым проводником и токовым выводом.
Фиг.10 изображает один вариант осуществления впуска или возврата охлаждающего флюида.
Фиг.11a изображает одну конфигурацию охлаждения с отдельным охлаждением концевого соединения и кабеля на конце присоединения кабеля.
Фиг.11b изображает одну конфигурацию охлаждения с отдельным охлаждением концевого соединения и кабеля на конце, противоположном концу присоединения кабеля.
Фиг.12 изображает опциональный переход между криостатом и концевым соединением.
Фиг.13 изображает опциональную механическую фиксацию кабеля относительно концевого соединения.
Фиг.14 изображает один вариант осуществления механического элемента жесткости, обеспечивающего механическую жесткость конструкции.
Фиг.15 подробно изображает один вариант концевого соединения ВТСП кабеля и медных лент/проводов.
Фиг.16 изображает концепцию адаптивной вставки, которая выравнивает радиальный размер различных проводников фаз и нейтрали. Данная концепция также применима для различных размеров кабелей со схожими номинальными характеристиками.
Перечисленные фигуры являются схематическими и они иллюстрируют детали, которые важны для понимания настоящего изобретения, тогда как другие детали опущены. В настоящем документе одинаковые ссылочные номера используются для идентичных или соответствующих деталей, то есть элемент "102" с Фиг.1 обозначен номером "202" на Фиг.2. Таким образом, перед "сквозным" ссылочным номером размещается номер соответствующей фигуры.
Дополнительная область применения настоящего изобретения будет очевидна из следующего подробного описания. Однако следует понимать, что, несмотря на то, что оно представляет предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, подробное описание и конкретные примеры даны только для иллюстрации, поскольку из данного подробного описания специалистам в данной области техники будут очевидны различные изменения и модификации в пределах сущности и объема настоящего изобретения.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Варианты осуществления настоящего изобретения предоставляют возможность легкого и стандартизированного соединения со сверхпроводящим кабелем (постоянного тока или переменного тока), включающего в себя ввод и вывод из кабеля, управляемое отдельное охлаждение кабеля, концевую секцию кабеля, токовые выводы и внутреннее содержимое корпуса концевого соединения. Дополнительно, посредством настоящего изобретения может быть обеспечена компенсация термического сжатия кабеля и концевого соединения, простая сборка, а также экономичное и эффективное производство узлов/модулей концевого соединения.
Фиг.1 представляет собой поперечное сечение коаксиального многофазного (в данном случае - трехфазного) кабеля 100, содержащего N=3 фазы и нейтраль (экран), которые эксцентрически расположены в термоизоляционной оболочке 102C. Упомянутые три фазы (обозначаемые как фазы 1, 2, 3 или 100R, 100S, 100T) и нейтраль размещены концентрически один вокруг другого. В данном примере наиболее близко к центру расположена фаза 1, посередине расположена фаза 2 и наиболее далеко от центра расположена фаза 3, которая окружена нейтралью и, в заключение, термоизоляционной оболочкой 102C. Кабель 100 наполнен охлаждающим флюидом 101, например жидким азотом. Так, пространство между внутренней стенкой термоизоляционной оболочки и центральное отверстие кабеля (то есть, внутренний объем каркаса сердечника 103, который поддерживает фазу 1) наполнены охлаждающим флюидом 101. Между каждой фазой и между фазой 3 и нейтралью расположен криогенный диэлектрик. Настоящее изобретение применимо как к кабелям переменного тока, так и кабелям постоянного тока. Например, данный кабель может быть применен для передачи постоянного тока, если заменить три фазы на отрицательный проводник (фаза 1), нулевой проводник (фаза 2) и положительный проводник (фаза 3) и нейтральный проводник.
Для концевого соединения этой достаточно сложной структуры варианты осуществления настоящего изобретения были разработаны для решения ряда проблем, относящихся к концевому соединению электропроводящих элементов, а также термоизоляционных слоев. Один вариант осуществления узла концевого соединения показан на Фиг.2, где концевое соединение всех фаз (в данном случае 3) и нейтрали выполнено в одной цельной конструкции. Фиг.2 представляет собой иллюстрацию цельного корпуса 202 вакуумного узла концевого соединения (который, альтернативно или в дополнение может быть наполнен пеной) с опциональной термической компенсацией 221 между последовательно расположенными ветвями фаз или нейтрали. Дополнительно, все ветви главного корпуса (то есть, детали термоизоляционной оболочки, отходящей от продольного направления концевой секции кабеля) схожи и находятся под потенциалом земли, причем они расположены под углом 90° относительно продольного направления концевой секции кабеля. Альтернативно, стойки могут отличаться (например, для нейтрали и электрических фаз могут применяться разные стойки), Например, стойки могут быть по отдельности адаптированы и неперпендикулярны относительно продольного направления концевой секции кабеля. На вершине всех 4 ветвей прикреплена промежуточная секция 211 с функцией управления уровнем флюида, а также обеспечения термического якоря для электрического изолятора 212 при температуре окружающей среды или более высокой температуре. Над секцией 211 термического якоря установлен стандартный электрический изолятор 212. В данном примере электрический изолятор не установлен на нейтрали. Над электрическим изолятором 212 токовый вывод заканчивается верхним болтом 214, функционирующим при температуре окружающей среды и напряжении сети внутри опционального теплого кожуха 213. Токовый вывод может содержать гибкую секцию (например, 714 на Фиг.7). Между различными частями ответвленных фаз или нейтрали устанавливаются уплотнительные фланцы 222 (например, между ветвью корпуса 202 узла концевого соединения и секцией 211 термического якоря, между секцией 211 термического якоря и секцией 213 теплого кожуха, а также между секцией 213 теплого кожуха и верхним болтом 214). Термоизоляционная оболочка 202D, соединенная с криостатом 202C, имеет модульную конструкцию и содержит 4 идентичные Т-образные секции. На обоих концах требуются специальные детали - для интерфейса к кабелю установлен адаптер 225 и на другом конце установлена концевая деталь для закрытия термоизоляционной оболочки 202D в продольном направлении концевой секции кабеля. Обе эти детали, опционально, содержат впускные и/или выпускные отверстия для охлаждающего флюида и/или датчиков 281 мониторинга. Дополнительно, опциональная подвижная поддерживающая структура 298 содержит колеса или ролики для обеспечения возможности передвижения узла концевого соединения и, соответственно, адаптации к термическому расширению или сокращению кабеля. Как показано, благодаря этой Т-образной структуре токовые выводы ветви по отдельности изолированы от термоизоляционной оболочки посредством отдельных электрических изоляторов. Корпус 202 концевого соединения и отдельные изоляторы, которые обеспечивают изоляцию ветвей, образуют целую термическую оболочку 202D.
В этом варианте осуществления Т-образный корпус содержит переходную деталь 225, фиг.2, взаимодействующую с узлом концевого соединения и термической оболочкой кабеля. Эта переходная секция может быть по отдельности вакуумирована в поле, так что узел концевого соединения и криостат могут быть изготовлены заводским способом и предварительно вакуумированы. Изоляция в переходной детали может быть пенной, а также вакуумной.
Другие варианты осуществления узла концевого соединения показаны на Фиг.3 и 4, где применен модульный подход. В этом случае идея заключается в построении целого узла концевого соединения кабеля путем соединения некоторого количества (например, 2, 3, 4 или более) схожих модулей, благодаря чему повышается эффективность производства. Каждый модульный элемент 302, 402 оболочки с каждого конца снабжается уплотнительным фланцем 322, 422 для соединения с другим элементом оболочки. Каждый модульный элемент оболочки имеет одно или более впускных и/или выпускных отверстий для охлаждающего флюида и/или датчиков 381, 481 мониторинга.
На Фиг.3 проиллюстрированы модульные корпусы 302 концевого соединения с вакуумной изоляцией. В данном примере ветви для каждой электрической фазы (две ветви с правой стороны) идентичны, но они отличаются от ветви нейтрали (самой левой ветви). Как показано, опциональные элементы 321 компенсации термического сжатия расположены в различных точках на корпусе 302 концевого соединения. Каждая ветвь соединена с секцией управления уровнем флюида, которая соединена с термическим якорем 311 с температурой окружающей среды через уплотнительный фланец 322, который (также через уплотнительный фланец 322) соединен с секцией 312 электрической изоляции. Секция 312 электрической изоляции является опциональной и включается в состав ветви исходя из функции (нейтраль или фаза) и номинального напряжения. Над электрическим изолятором, при высоком потенциале, расположена крышка 313 токового концевого соединения, которая соединена с верхним болтом 314 через уплотнительный фланец 322.
Фиг.4 представляет собой иллюстрацию одного варианта осуществления модульного подхода, где ветви минимизированы, то есть где переход с холодной температуры на температуру окружающей среды интегрирован в изолятор 412. Дополнительно, как показано, различные секции (секция 411 уровня флюида и термического якоря, секция 412 электрического изолятора и секция 413 крышки токового концевого соединения) могут быть соединены иным образом.
Фиг.5 представляет собой иллюстрацию секции 511 термического якоря с температурой окружающей среды с потенциалом земли, причем эта секция реализуется посредством нагревателя 585. Альтернативно, этот вариант осуществления реализуется посредством любой комбинации из управляемого нагревателя, источника излучения тепла, инфракрасной лампы, вентилятора, охлаждающих ребер или схожих элементов.
Фиг.6 представляет собой иллюстрацию применения термических датчиков 684, измерителя 682 уровня флюида, измерителя 683 давления, а также вакуумного измерителя 681 для вакуумной изоляции. Аналогично, датчик потока может быть установлен вблизи или в нейтральной ветви 601 в охлаждающем флюиде. Концевая секция кабеля обозначена ссылочным номером 600. Как показано, токовый вывод 614 соединен с токовой изолирующей трубкой 616, имеющей электрический контакт с контактной поверхностью электрической фазы (или нейтрали) через токовый зажим 615, установленный вокруг токовой изолирующей трубки 616 и находящийся в ним в электрическом контакте.
Фиг.7 представляет собой подробную иллюстрацию гибкого вывода токовой ветви. Данный элемент образуется из нескольких частей и секций, чтобы упростить установку вывода токовой ветви. Тем не менее, это не означает, что вывод токовой ветви невозможно реализовать как один цельный элемент. В последнем случае, однако, потребуется сформировать корпус концевого соединения вокруг токового элемента и элемента напряжения в поле вместо того, чтобы вставить и соединить различные части и секции внутри завершенного корпуса и изоляции концевого соединения, как в показанном примере. Ссылаясь на Фиг.7a, токовый вывод состоит из жесткой части 714C, гибкой части 714B для компенсирования термического сокращения, части 714A верхнего болта, которая образует стандартный интерфейс с сетью, герметичного прохода 722 верхнего болта, обеспечивающего разницу давлений между внутренней частью и внешней частью токового вывода, который являет собой интерфейс с токовым зажимом 715. Легкий доступ к соединениям 714D между гибкой частью 714B и жесткими частями 714A и 714C токового вывода может быть реализован посредством съемной крышки 713 (см. Фиг.7b).
Эти детали могут быть по отдельности соединены посредством болтов или пайки/плавки/сварки или приклеивания. Площадь поверхности основания максимально увеличивается, чтобы обеспечить соединение с низким сопротивлением. В упомянутом варианте осуществления токовые зажимы 715 контактируют с токовой изолирующей трубкой 716, которая являет собой фактическое концевое соединение фазового проводника. В данном случае токовая изолирующая трубка и фазовый проводник соединены посредством пайки. В этом варианте осуществления соединение между токовой изолирующей трубкой и зажимом, а также между зажимом и выводом, реализованы посредством болтового крепления этих элементов. В других вариантах осуществления те же части могут быть соединены пайкой, любая из частей может быть исключена, либо может быть применена любая комбинация пайки и болтового соединения, чтобы свести к минимуму сопротивление соединения и обеспечить легкость сборки. В этом примере все части изготовлены из меди, но может быть использован любой другой материал или составной материал с подходящим электрическим сопротивлением (включая криогенные температуры).
Фиг.8a представляет собой иллюстрацию модуля, формирующего элемент токовой ветви узла концевого соединения, содержащего концевую секцию кабеля 800, изолирующую трубку 816, зажим 815, сборку 814, 814E посадочного места токового вывода (основание токового вывода), также альтернативное средство для теплообмена в форме охлаждающих каналов 818. Электрический проводник фазы и изолирующая трубка соединяются пайкой. Изолирующие трубки, зажимы и токовые выводы могут быть одинаковыми для всех фаз.
В соединении земли и/или нейтрали эти элементы могут быть схожи, но, как правило, они имеют более тонкую конструкцию, чтобы свести к минимуму утечку тепла из окружающей среды в криогенную секцию. Каждая из электропроводящих частей может быть исключена, соединена путем пайки, плавки, сварки, приклеивания, взрывания или любого другого химико-физического средства, или соединена посредством болтового крепления, зажимов или любого другого механического средства. Для улучшения электрического и/или механического контакта поверхности этих частей могут быть обработаны таким образом, чтобы получить конкретное физическое свойство, и/или на эти поверхности может быть нанесено покрытие, чтобы предотвратить коррозию или хемосорбированное загрязнение.
На Фиг.8b приведен пример, в котором токовая изолирующая трубка адаптирована для сверхпроводящих лент, которые сводят к минимуму механическое напряжение, а также оптимизируют электрический контакт благодаря гладкому коническому интерфейсу между проводником 800 и токовой изолирующей трубкой (см. левую часть изолирующей трубки 816). В данном примере соединение реализовано посредством пайки. Изолирующая трубка располагается и центрируется вокруг нижележащей фазы или сердцевины посредством регулирующей вставки 817, которая может быть изготовлена из стеклопластика или другого электроизоляционного материала, способного функционировать при низких криогенных температурах. В этом варианте осуществления регулирующая вставка также может являть собой адаптивную вставку, которая выполняет функцию выравнивания радиального размера до токовой изолирующей трубки 816, так чтобы один и тот же узел изолирующей трубки можно было использовать для всех фаз, а также для соединения на землю (соединение нейтрали). Тем не менее, режим работы земли может быть иным. Зажим имеет продольные отверстия 818 для обеспечения возможности прохода охлаждающего флюида 801. Таким образом, клеммы выполняют функцию теплообменника и, в конечном счете, как эффективный термический якорь при криогенных температурах. Альтернативно, упомянутые отверстия и, соответственно, термический якорь могут быть расположены в основании 814E токового вывода, в изолирующей трубке 816 или в любой комбинации местоположений (см. Фиг.8a). Как показано, интерфейс между основанием 814E токового вывода и верхней частью 815A токового зажима может иметь зигзагообразную форму.
Фиг.9a представляет собой иллюстрацию простой системы управления полем, которая содержит элемент 956 управления электрическим полем, например, в форме металлической или полупроводниковой поверхности. Элемент управления полем гальванически соединен 957 с фазовым потенциалом кабельного проводника 900R и, таким образом, определяет эквипотенциальный объем, содержащий охлаждающий флюид 901 и охлаждающее средство 918. Направляющие трубки 950 потока охлаждающего флюида направляют часть охлаждающего флюида 901 через эквипотенциальный объем.
На Фиг.9b система управления полем предоставлена в форме элемента (956, 951, 952) управления электрическим полем, сформированного из отдельных частей в целях облегчения установки и разделения функций каждого элемента. Кроме общего диэлектрика 957 кабеля диэлектрик ветви содержит регулирующую вставку 917 (которая может быть электрически изолирующей) между проводником 900 и изолирующей трубкой 916, изготовленный заводским способом горизонтальный диэлектрик 950 из, например, эпоксипластика с армированными волокнами типа G10. Таким образом, формируется составной диэлектрик вместе с охлаждающим флюидом. В этой иллюстрации элемент 950 также образует продольную распорку/стойку между двумя фазами или между фазой и нейтралью. Благодаря этому между контактными поверхностями может быть обеспечено, по существу, равное продольное расстояние. Изготовленный заводским способом вертикальный диэлектрик из, например, G10, расположен между вертикальной стенкой ветви корпуса 902 концевого соединения и токовым выводом 914. Элемент 952 имеет систему управления полем, которая содержит один или более элементов, таких как металлическое покрытие на внутренней стороне 956/стороне высокого напряжения, увеличенные пути утечки по интерфейсу 958 между 952 (G10) и 951 (ULTEM™). С внутренней стороны 954 и с внешней стороны 953 вертикального диэлектрика 952 расположен наполнитель, а также центрирующее и фиксирующее средство 955. Между вертикальным диэлектриком 952, внешним 953 и внутренним 954 наполнителем протекает охлаждающий флюид, который также, опционально, наполняет диэлектрик и/или наполнитель. Горизонтальный диэлектрик 951 (ULTEM™) имеет двойную функцию. Он способствует переходу от фазы к земле (корпусу) одной фазы (например, 900R) и в то же время является частью составного диэлектрика (диэлектрик 950, 951 и охлаждающий флюид 901) и элементов (956) управления полем перехода между одной фазой (900R) и следующей фазой (900S) проводника 900. Дополнительно, элемент 951 обеспечивает увеличение длины пути утечки у горизонтального отверстия 959. В адаптивную вставку 917E (в форме грани) и в токовую изолирующую трубку 916E (в форме грани) интегрированы элементы управления полем.
Отдельные части элемента ветви напряжения с Фиг.9b изготовлены либо из того же диэлектрического материала, либо из комбинации различных диэлектрических материалов. Структура (951+952+956) ветви напряжения и структура (916+915+914) ветви тока интегрированы и в сочетании предоставляют эквипотенциальный объем, в котором располагаются средства для теплообмена 918 между охлаждающим флюидом, контактными поверхностями и основанием токового вывода. Упомянутые части механически поддерживают друг друга.
На Фиг.10, 11a и 11b проиллюстрированы два варианта осуществления впуска/выпуска охлаждающего флюида. Ссылаясь на Фиг.10, охлаждающий флюид вводится с возможностью регулирования центрального потока относительно кольцеобразного потока. Посредством управляющих клапанов 1086 можно направлять охлаждающий флюид в центр 101c (Фиг.1) проводника и/или в кольцеобразный канал 101a (Фиг.1) между проводником и термической оболочкой. Дополнительно, охлаждающий флюид используется для охлаждения кабеля, а также для охлаждения части концевого соединения.
На Фиг.11a показан один вариант осуществления, в котором концевое соединение обеспечивает конфигурацию обратного потока для кабеля. Теплый охлаждающий флюид извлекается из кабеля через выпускное отверстие 1187g вблизи нейтрали. В непосредственной близости от 1187g холодный охлаждающий флюид вводится через впускное отверстие 1187f в отдельный кольцеобразный поток через концевое соединение. Центральный поток вводится в конец 1186f концевого соединения. В случае, когда клапан 1186f закрыт, кабель и концевое соединение функционируют в режиме, где охлаждающий флюид находится в стоячем состоянии в центре. Преимуществом данной конфигурации ввода и возврата охлаждающего флюида является то, что нагрузка, рассеиваемая концевым соединением, не проводится через кабель, предоставляя, таким образом, увеличенное термическое окно для кабеля.
Ссылаясь на Фиг.11b, конфигурация обратного потока кабеля реализована на противоположном конце кабельной системы. Охлаждающий флюид вводится вблизи нейтрального токового вывода 1187f, далее разделяется на кольцеобразный поток кабеля и отдельный кольцеобразный поток через концевое соединение. Центральный поток кабеля и кольцеобразный поток концевого соединения выводятся с конца узла концевого соединения через клапаны 1186f и 1186g. В случае, когда клапан 1186f закрыт, кабель и концевое соединение функционируют в режиме, где охлаждающий флюид находится в стоячем состоянии в центре. Преимуществом данной конфигурации ввода и возврата охлаждающего флюида является то, что нагрузка, рассеиваемая концевым соединением, не проводится через кабель, предоставляя, таким образом, увеличенное термическое окно для кабеля. В схеме также может присутствовать опциональный охладитель 1188 для регенерации охлаждающего флюида.
Фиг.12 представляет собой иллюстрацию опционального адаптера или переходного элемента 1225, который соединяет узел концевого соединения 1202 с криостатом 1202C.
Адаптер 1225 включает в себя опциональную компенсацию 1221D термического сжатия и вакуумный клапан и/или измеритель 1281. В показанном варианте осуществления переходной элемент 1225 имеет вакуумную изоляцию, однако он также может иметь пенную изоляцию или сочетание пенной и вакуумной изоляции.
Фиг.13 представляет собой иллюстрацию внутренних зажимов 1318, которые механически фиксируют кабель относительно узла 1302 концевого соединения. В этом варианте осуществления механическая фиксация реализована в адаптере 1325, однако она также может быть реализована в нейтральной секции концевого соединения 1302 или в другой секции при потенциале земли, где механическая фиксация не препятствует электрической изоляции. Альтернативно, фиксация может быть сформирована из диэлектрического материала и интегрирована с другими компонентами электрической изоляции.
Фиг.14 представляет собой иллюстрацию внутренней части одной концевой секции фазы 1400 R, S или T, либо нейтрали, где каркас сердечника 1400f механически поддерживается элементом 1419 прочности.
Элемент 1419 прочности может быть цилиндрически симметричным и содержать полость для обеспечения возможности протекания охлаждающего флюида, либо он может быть цельным, таким образом предотвращая протекание охлаждающего флюида через центр концевой секции кабеля.
Фиг.15A и 15B иллюстрируют одну фазу или нейтраль, где ленты/проводы 1500 ВТСП кабеля и/или медные ленты/проводы соединены с изолирующей трубкой 1516. Как детально проиллюстрировано на Фиг.15B, в изолирующей трубке формируется террасовидная контактная область, которая может быть адаптирована как для соединения лент/проводов ВТСП кабеля, так и медных лент/проводов. В этом примере осуществления область перекрытия составляет 2 см для медных лент/проводов и 5 см для лент/проводов ВТСП кабеля. Высота шага террас, опционально, может быть адаптирована к толщине используемых лент/проводов ВТСП кабеля или медных лент/проводов. Дополнительно, как показано, адаптивная вставка 1517 расположена вокруг нижележащей электрически изолированной соседней фазы, либо, альтернативно, она может быть расположена вокруг центральной сердцевины.
Фиг.16 представляет собой иллюстрацию концепции регулирующих адаптивных вставок 1617, изготовляемых заводским способом. Данные вставки могут быть адаптированы к радиусу проводников различных фаз или нейтрали, которые могут быть открыты. Адаптивная вставка может быть изготовлена из, например, G10. Адаптивная вставка 1617 обеспечивает одинаковый размер перекрытия токовой изолирующей трубки 1616, так что одна форма изолирующей трубки подходит для всех фаз и нейтрали, и эта форма также может быть использована в совершенно разных концевых соединениях при условии, что часть высокого напряжения и номинальное значение тока лежат в схожих диапазонах. Альтернативно, токовая изолирующая трубка 1616 может быть изготовлена как адаптивный элемент, который обеспечивает одинаковый размер токового зажима 1615. Дополнительно, токовая изолирующая трубка 1616 имеет поверхность, которая сочленяется с токовым зажимом 1615, причем длина упомянутой поверхности больше длины токового зажима, благодаря чему обеспечивается ограниченный диапазон продольного движения для позиционирования токового зажима и, следовательно, токового вывода.
Выше были описаны некоторые предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, однако следует подчеркнуть, что настоящее изобретение не ограничивается упомянутыми вариантами осуществления и может быть реализовано иным образом в рамках сущности и объема следующей формулы изобретения. Упомянутые примеры приведены для трехфазного кабеля (трехаксиального), но они с легкостью могут быть модифицированы для любого другого количества электрических фаз.