СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ МНОГОФАЗНАЯ КАБЕЛЬНАЯ СИСТЕМА, СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ

1. Сверхпроводящая многофазная кабельная система охлаждением текучей средой, содержащая
a) кабель, содержащий по меньшей мере три электрических провода, составляющих по меньшей мере две электрические фазы и нулевой или нейтральный провод, причем упомянутые электрические провода взаимно электрически изолированы друг от друга, по меньшей мере два из упомянутых электрических проводов расположены концентрически друг вокруг друга разделенными электрической изоляцией, упомянутый нулевой или нейтральный провод образует общий электрический обратный провод, упомянутая кабельная система содержит общий электрический экран, окружающий упомянутые электрические фазы и упомянутый нулевой или нейтральный провод и электрически изолированный от них, и
b) тепловую изоляцию, задающую центральную продольную ось и имеющую внутреннюю поверхность и окружающую кабель, причем упомянутая внутренняя поверхность упомянутой тепловой изоляции образует радиальный предел камеры охлаждения, предназначенной для удерживания охлаждающей текучей среды для охлаждения упомянутых электрических проводов,
в которой упомянутый кабель - на протяжении по меньшей мере части его длины - расположен эксцентрично относительно упомянутой центральной продольной оси, если смотреть в сечении, перпендикулярном упомянутой продольной оси, и при этом эксцентрическое расположение выполняет функцию приспосабливания к тепловым усадке и/или расширению кабеля относительно тепловой изоляции.
ех
L
2. Кабельная система по п.1, в которой Δ является средним расстоянием средней линии кабеля до средней линии тепловой изоляции и является связанным с продольным тепловым сжатием ε кабеля следующим образом:
,
p
средняя линия кабеля, по существу, описывает винтовую линию внутри криостата, причем L является длиной шага этой винтовой линии.
3. Кабельная система по п.1, в которой все упомянутые электрические провода расположены концентрически друг вокруг друга разделенными электрическими изоляциями.
4. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой упомянутый нулевой или нейтральный провод расположен концентрически вокруг по меньшей мере одной из упомянутых электрических фаз, причем упомянутые концентрически расположенные электрические провода предпочтительно окружают охлаждающий объем, который расположен по центру относительно упомянутых концентрически расположенных проводов, причем упомянутый расположенный по центру охлаждающий объем предпочтительно используется в качестве канала охлаждения, в котором протекает охлаждающая текучая среда.
5. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой число электрических фаз равно трем.
3
2
6. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой по меньшей мере один из упомянутых электрических проводов содержит сверхпроводящий материал, выбранный из группы из материала, содержащего BSCCO (BiSrCaCuO), например, легированного свинцом BSCCO, YBCO (оксида меди-бария-иттрия), RE-BCO (оксида редкоземельного элемента-бария-меди), MgB, Nb3Sn, Nb3Ti и их сочетаний.
7. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой упомянутый общий электрический экран содержит Cu или Al или сверхпроводящий материал, или Al или Cu в сочетании с полупроводящим материалом, и/или сверхпроводящим материалом, и/или высокопрочными материалами механического усиления, например, в виде сортов стали, сортов никеля, углеродных или кевларовых волокон или высокопрочных композиционных лент.
8. Кабельная система по п.4, в которой упомянутый кабель имеет первый и второй конец, и упомянутый расположенный по центру охлаждающий объем закрыт на каждом конце с формированием теплового резервуара.
9. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой упомянутый кабель имеет физический контакт с упомянутой внутренней поверхностью упомянутой тепловой изоляции на протяжении по меньшей мере части его длины вдоль продольного направления упомянутого кабеля, а предпочтительно упомянутый кабель имеет физический контакт с упомянутой внутренней поверхностью упомянутой тепловой изоляции в положении, определяемом силой тяжести и механическими ограничениями, такими как изгиб и тепловое сжатие.
10. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой эксцентриситет расположения кабеля относительно центральной продольной оси трубчатой тепловой изоляции на протяжении по меньшей мере части его длины, предпочтительно на протяжении большей части его длины, является большим, чем 1%, таким как больший, чем 2%, таким как больший, чем 5%, таким как больший, чем 10%, таким как больший, чем 20%, таким как больший, чем 35%.
ех
11. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой среднее расстояние средней линии кабеля до средней линии тепловой изоляции Δ дополнительно удовлетворяет следующему соотношению:
,
bend
где R представляет собой наименьший радиус изгиба, при котором свойства кабеля остаются в пределах заданного процента от его характеристик, определенных путем испытаний на изгиб.
12. Кабельная система по п.6, в которой упомянутый сверхпроводящий материал присутствует в форме одной или более лент или проволок, скрученных вокруг нижележащего слоя с формированием сверхпроводящего слоя.
p
g
s
p
s
13. Кабельная система по п.12, в которой L является большей, чем L, где L представляет собой наибольшую длину шага скрутки сверхпроводящего слоя в кабеле, а предпочтительно L, по существу, равна nL, где параметр n представляет собой целое число, большее, чем 1.
14. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой перемещение узла проводов кабеля от одного эксцентрического положения к другому эксцентрическому положению компенсирует тепловые сжатие и удлинение, испытываемые во время охлаждения и нагревания кабеля или вызванные чрезмерным током или током повреждения.
15. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой кабель содержит центральный каркас в форме спирали, трубки, гофрированной трубки или взаимосцепленной трубки, выполненной из металла, пластмассы или композиционных материалов.
16. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой по меньшей мере один из электрических проводов находится в тепловом и/или электрическом контакте со слоем защитного электропроводящего шунтирующего материала, например, в виде лент или проволок, содержащих Cu или Al.
17. Кабельная система по п.16, в которой упомянутые сверхпроводящие ленты или проволоки и упомянутые проводящие шунтирующие ленты или проволоки расположены в таком порядке и под такими углами подъема винтовой линии, чтобы дать низкие электрические потери на переменном или переходном токах за счет оптимизации числа сверхпроводящих лент или проводок и распределения тока в сверхпроводящих слоях и за счет минимизации доли номинального тока в проводящих шунтирующих слоях, при этом предусматривается, что в случае тока повреждения проводящие шунтирующие слои действуют как защитные шунты.
18. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой кабель содержит концентрически расположенные фазные провода, включая самый внутренний и самый внешний фазные провода, размещенные соответственно наиболее близко к и наиболее далеко от центральной оси кабеля, причем защита от чрезмерного тока самой внутренней фазы и самой внешней фазы обеспечена нормально проводящими слоями, размещенными соответственно внутри самого внутреннего фазного провода и снаружи самого внешнего фазного провода.
19. Кабельная система по любому из пп.1-3, приспособленная для применения в качестве трехфазной кабельной системы переменного тока, в которой кабель содержит три концентрических и взаимно изолированных фазных провода, называемых внутренним, средним и внешним фазным проводом, причем средний фазный провод содержит нормально проводящий слой на каждой стороне, обращенной соответственно к внутреннему и внешнему фазному проводу, с целью защиты средней фазы от чрезмерного тока.
20. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой кабель содержит концентрически расположенные фазные провода, включая самый внутренний и самый внешний фазные провода, размещенные соответственно наиболее близко к и наиболее далеко от центральной оси кабеля, при этом защита от чрезмерного тока самой внутренней фазы и самой внешней фазы обеспечивается чередующимися сверхпроводящим и нормально проводящим слоями.
21. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой по меньшей мере один из электрических проводов усилен механически упрочняющими компонентами, содержащими стальные сплавы, элементы на основе углеродного волокна или элементы на основе полиимида.
22. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой упомянутый сверхпроводящий материал присутствует в форме лент или проволок, расположенных в таком порядке и под такими углами подъема винтовой линии, чтобы дать низкие электрические потери на переменном или переходном токах за счет оптимизации числа сверхпроводящих лент и распределения тока в сверхпроводящих слоях, при том, что каждый электрический фазный провод состоит из одного или нескольких слоев сверхпроводящих лент или проволок, причем в каждой из фаз эти слои организованы в одну или несколько групп с тем же самым направлением подъема винтовой линии (обозначенным «S» или «Z») в каждой группе, и при этом все слои в первой группе в каждой из электрических фаз скручены с тем же самым направлением подъема винтовой линии, например, «S».
23. Кабельная система по п.22, в которой у по меньшей мере одного из электрических фазных проводов последняя группа сверхпроводящих лент или проволок имеет противоположное с первой группой направление подъема винтовой линии, например, «Z».
24. Кабельная система по п.22 с двумя электрическими фазными проводами, при этом каждый электрический провод содержит два сверхпроводящих слоя лент или проволок, и последовательность направлений подъема винтовой линии представляет собой SZ-SZ.
25. Кабельная система по п.22 с тремя электрическими фазными проводами, при этом каждый электрический провод содержит два сверхпроводящих слоя, и последовательность направлений подъема винтовой линии представляет собой SZ-SZ-SZ.
26. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой электрическая изоляция между электрическими проводами и между электрическими проводами и электрическим экраном содержит полимер, такой как PPLP, ПЭ, полипропилен или бумага, включая синтетическую бумагу, нанесенный экструзией или посредством наложения полос.
27. Кабельная система по п.26, в которой электрическая изоляция содержит возможно находящуюся под давлением, электроизолирующую текучую среду, такую как жидкий азот, газообразный азот, гелий, неон, водород, кислород или их сочетания, а, предпочтительно, электроизолирующая текучая среда является отдельной от охлаждающей текучей среды, циркулирующей внутри окружающей кабель тепловой изоляции.
28. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой центральная часть кабеля полностью или частично используется для того, чтобы передавать внутреннее избыточное давление электроизолирующей текучей среды.
29. Кабельная система по п.27, в которой электроизолирующая текучая среда идентична охлаждающей текучей среде.
30. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой электрический экран снабжен компонентом с низким коэффициентом трения с тем, чтобы обеспечить относящийся к внутренней поверхности тепловой оболочки коэффициент трения <0,25.
cab
TE
cab
TE
cab
TE
31. Кабельная система по любому из пп.1-3, в которой кабель и тепловая изоляция изготовлены отдельными секциями длиной L и L соответственно, при этом L является большей, чем L, а предпочтительно в которой L, по существу, равна n·L, где n является большим, чем 1, таким как большим, чем 2, таким как большим, чем 4, таким как большим, чем 7.
32. Способ изготовления сверхпроводящей однофазной или многофазной кабельной системы, содержащий стадии:
a) обеспечение по меньшей мере двух электрических проводов в виде по меньшей мере одной электрической фазы и нулевого или нейтрального провода,
b) обеспечение того, что упомянутые электрические провода взаимно электрически изолированы друг от друга,
c) обеспечение тепловой изоляции, окружающей электрические провода, причем упомянутая трубчатая тепловая изоляция задает центральную продольную ось,
d) обеспечение того, что внутренняя поверхность упомянутой трубчатой тепловой изоляции образует радиальный предел камеры охлаждения, предназначенной для удерживания охлаждающей текучей среды для охлаждения упомянутых электрических проводов, и
e) обеспечение того, что упомянутые по меньшей мере одна электрическая фаза и нулевой или нейтральный провод расположены эксцентрично относительно упомянутой центральной продольной оси, причем способ дополнительно содержит две или более из следующих стадий:
S1. прикладывают напряжение растяжения к тепловым оболочкам, тем самым растягивая их, например, на 0,05-0,5%, во время вставки кабеля;
2
S2. охлаждают кабель до температуры жидкого N, вызывая его сжатие в длину, например, на 0,1-0,4%;
S3. создают давление в тепловой оболочке до по меньшей мере 3 бар, такого как до по меньшей мере 10 бар или такого как до по меньшей мере 20 бар, с тем, чтобы вызвать удлинение внутренней стенки криостата;
S4. вталкивают кабель в тепловую оболочку;
S5. вынуждают тепловую оболочку извиваться или изгибаться во многих местах, таких как каждые 1,5 м, или каждые 3 м, или каждые 10 м, посредством ее сгибания и прикрепления ее к земле, например, посредством заглубления;
S6. закрепляют концы кабеля на концах тепловой оболочки;
S7. впоследствии сбрасывают давление в тепловой оболочке;
S8. впоследствии снимают напряжение растяжения на тепловой оболочке;
S9. впоследствии дают кабелю возможность нагреться, причем кабель расширяется при нагревании;
S10. впоследствии прекращают вталкивание кабеля в тепловую оболочку.
33. Способ по п.32, в котором кабель, содержащий упомянутые электрические провода и их взаимную электрическую изоляцию, изготавливают отдельно от упомянутой тепловой изоляции, а необязательно параллельно с ней.
TE
cab
TE
cab
TE
34. Кабельная система по любому из пп.32 и 33, в которой кабель и тепловую изоляцию изготавливают отдельными секциями длиной Lcab и L соответственно, при этом L является большей, чем L, а, предпочтительно, L, по существу, равна n·L, где n является большим чем 1, таким как большим чем 2, таким как большим чем 4, таким как большим чем 7.
35. Способ по любому из пп.32 и 33, в котором упомянутую тепловую изоляцию обеспечивают секциями стандартизированных длин, таких как 3 м, или 6 м, или 12 м, или 20 м, или 50 м, или 100 м, или 200 м.
36. Способ по любому из пп.32 и 33, в котором упомянутую тепловую изоляцию обеспечивают в виде смешанного набора гибких, жестких прямых и жестких изогнутых секций, или секций, которые являются частично жесткими и частично гибкими.
37. Способ по любому из пп.32 и 33, содержащий стадии 31, S6, S8.
38. Способ по любому из пунктов 32 и 33, содержащий стадии 32, S6, S8.
39. Применение сверхпроводящей многофазной кабельной системы, выполненной по любому из пп.1-31 или изготовленной способом по любому из пп.32-38.
40. Применение по п.39 в качестве кабельной системы постоянного тока.
41. Применение по п.40, при котором конфигурация фаз представляет собой [+, -, 0].
42. Применение по п.40, при котором конфигурация фаз представляет собой [+, -, нейтраль. 0].
43. Применение по п.39 в качестве кабельной системы переменного тока.
44. Применение по п.39 одновременно в качестве кабельной системы переменного тока и постоянного тока.
ех
45. Кабельная система по п.4, в которой среднее расстояние средней линии кабеля до средней линии тепловой изоляции Δ дополнительно удовлетворяет следующему соотношению:
,
bend
где R представляет собой наименьший радиус изгиба, при котором свойства кабеля остаются в пределах заданного процента от его характеристик, определенных путем испытаний на изгиб.
ех
46. Кабельная система по п.10, в которой среднее расстояние средней линии кабеля до средней линии тепловой изоляции Δ дополнительно удовлетворяет следующему соотношению:
,
bend
где R представляет собой наименьший радиус изгиба, при котором свойства кабеля остаются в пределах заданного процента от его характеристик, определенных путем испытаний на изгиб.
47. Кабельная система по п.4, в которой по меньшей мере один из электрических проводов находится в тепловом и/или электрическом контакте со слоем защитного электропроводящего шунтирующего материала, например, в виде лент или проволок, содержащих Cu или Al.
48. Кабельная система по п.7, в которой по меньшей мере один из электрических проводов находится в тепловом и/или электрическом контакте со слоем защитного электропроводящего шунтирующего материала, например, в виде лент или проволок, содержащих Cu или Al.
49. Кабельная система по п.7, в которой электрический экран снабжен компонентом с низким коэффициентом трения с тем, чтобы обеспечить относящийся к внутренней поверхности тепловой оболочки коэффициент трения <0,25.