СИСТЕМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО КАБЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
SYSTEM OF SUPERCONDUCTING DC CABLE DESIGNING

Область техники
Настоящее изобретение относится к системе проектирования сверхпроводящего кабеля постоянного тока (DC).
Уровень техники
В качестве сверхпроводящего кабеля предложен сверхпроводящий кабель 100, показанный на фиг.8, который имеет такую конструкцию, в которой три кабельных жилы 10 заключены в теплоизоляционную трубу 20 (см., например, Патентные документы 1 и 2).
Кабельная жила 10 включает в себя каркас 11, проводящий слой 13, электроизоляционный слой 16A, экранирующий слой (внешний проводящий слой) 17A и защитный слой 18 в перечисленном порядке от центра. Проводящий слой 13 сформирован посредством спиральной намотки сверхпроводящих проводов в несколько слоев вокруг каркаса 11. Обычно сверхпроводящий провод имеет структуру в форме ленты, в которой множество нитей, состоящих из оксидного сверхпроводящего материала, помещены в матрицу серебряной оболочки или т.п. Электроизоляционный слой 16A сформирован посредством намотки изоляционной бумаги. Экранирующий слой 17A сформирован посредством спиральной намотки сверхпроводящего провода вокруг электроизоляционного слоя 16A, как в случае проводящего слоя 13. Для защитного слоя 18 используется изоляционная бумага или т.п.
Теплоизоляционная труба 20 имеет такую конструкцию, в которой теплоизоляционный материал (не проиллюстрирован) помещен между сдвоенными трубами, состоящими из внутренней трубы 21 и внешней трубы 22, и пространство между сдвоенными трубами вакуумировано. Вокруг внешней поверхности теплоизоляционной трубы 20 сформирован антикоррозионный слой 23. Теплоизоляционная труба 20 приводится в работоспособное состояние посредством наполнения и циркулирования хладагента в виде жидкого азота и т.п. в пространствах, образованных внутри каркаса 11 (в случае, если он имеет полую структуру), а также между внутренней трубой 21 и жилами 10, так что электроизоляционный слой 16 пропитывается хладагентом.
Конструкция такого сверхпроводящего кабеля исследована главным образом в качестве кабеля переменного тока (AC). В этом случае предлагается, чтобы с целью уменьшения потерь на переменном токе шаг намотки и направление намотки сверхпроводящего провода в каждом слое корректировались отдельно для того, чтобы обеспечить возможность протекания эквивалентного тока через соответствующие слои, которые составляют проводящий слой и экранирующий слой. Кроме того, с целью снижения количества сверхпроводящих проводов, которые должны быть использованы, в качестве шага намотки сверхпроводящих проводников обычно выбирается сравнительно большое значение.
Патентные документы
Патентный документ 1: Публикация заявки на патент Японии № 2003-249130 (фиг.1)
Патентный документ 2: Публикация заявки на патент Японии № 2002-140944 (фиг.2).
Раскрытие изобретения
Проблемы, решаемые изобретением
Тем не менее, следующие проблемы существовали в отношении вышеупомянутой методики проектирования сверхпроводящего кабеля.
(1) Методика не дает прояснения в отношении того, как определять конструкцию сверхпроводящего кабеля постоянного тока. В случае кабеля постоянного тока, в отличие от кабеля переменного тока, отсутствуют проблемы с точки зрения эквивалентного электрического тока в проводящих слоях, и, следовательно, необязательно отдельно задавать шаг намотки сверхпроводящего провода в каждом слое, который содержит проводящий слой и экранирующий слой. Тем не менее, не определено никакого конкретного стандарта относительно того, какой шаг намотки должен приниматься при конкретном диаметре намотки с тем, чтобы сформировать проводящий слой и внешний проводящий слой.
(2) Не установлено четкой методики проектирования конструкции для того, чтобы поглощать сжатие сверхпроводящих проводов. В сверхпроводящем кабеле необходимо обеспечивать его конструкции возможность поглощать сжатие сверхпроводящих проводов, которое возникает вследствие охлаждения, создаваемого хладагентом при криогенной температуре в ходе работы. Тем не менее, что касается механизма, который обеспечивает поглощение сжатия, не установлено методики проектирования для достижения простой конструкции, подходящей для сверхпроводящего кабеля постоянного тока.
В случае конструкции, включающей в себя три кабельных жилы, сжатие может поглощаться посредством таких мер, как придание изгиба скрутке из этих жил. Тем не менее, в случае одножильного сверхпроводящего кабеля эта мера не может быть применена. Следовательно, возможно позволить сверхпроводящим проводам испытывать механическое напряжение вследствие сжатия, формируемого за счет охлаждения, или применить такую меру, как обеспечение возможности оконечной части сверхпроводящего провода скользить согласно тепловому сжатию кабеля.
Тем не менее, в ранее приведенном случае в результате существенного натяжения, вызываемого в сверхпроводящих проводах ввиду того, что допустим эффект механического напряжения вследствие сжатия сверхпроводящих проводов, эти сверхпроводящие провода могут портиться в зависимости от уровня механического напряжения, или же теплоизоляционные характеристики теплоизоляционной трубы могут ухудшаться в результате бокового давления, прикладываемого к изогнутой части кабеля в соответствии со сжатием кабеля. В последнем случае необходимо обеспечить некий механизм для того, чтобы конец сверхпроводящего кабеля скользил, и, соответственно, вероятнее всего требуются широкомасштабные меры для разрешения проблемы сжатия.
Основная цель настоящего изобретения, которое создано в свете вышеупомянутых проблем, заключается в том, чтобы предоставить систему проектирования сверхпроводящего кабеля постоянного тока, в котором сжатие сверхпроводящих проводов вследствие охлаждения может поглощаться и в котором количество сверхпроводящих проводов, которые должны быть использованы, может быть снижено настолько, насколько это возможно.
Средство разрешения решаемых проблем
Вышеупомянутая цель может быть достигнута посредством системы проектирования по настоящему изобретению, согласно которой не только сама кабельная жила может иметь механизм для противодействия тепловому сжатию сверхпроводящих слоев (т.е. проводящего слоя и внешнего проводящего слоя), но также при проектировании сверхпроводящего кабеля постоянного тока может учитываться используемое количество сверхпроводящих проводов, которые должны быть использованы в сверхпроводящем кабеле.
Система проектирования по настоящему изобретению - это система для проектирования такого сверхпроводящего кабеля постоянного тока, который содержит проводящий слой и внешний проводящий слой, размещенный снаружи проводящего слоя через электроизоляционный слой. В системе проектирования значения диаметра намотки и шага намотки сверхпроводящих слоев, составляющих проводящий слой и внешний проводящий слой, получают посредством вычисления (расчетов) для проектирования сверхпроводящего кабеля постоянного тока.
Система проектирования имеет следующие составные части:
a. первое средство вычисления корреляций для вычисления зависимости между отношением Xf, которое представляет собой отношение между диаметром намотки и шагом намотки сверхпроводящих проводов, составляющих проводящий слой, и величиной Cf сжатия, которая поглощает тепловое сжатие сверхпроводящих проводов вследствие охлаждения;
b. второе средство вычисления корреляций для вычисления зависимости между отношением Xf и отношением Ufx используемого количества сверхпроводящих проводов в проводящем слое на единицу длины кабеля; и
c. первое средство выбора для извлечения из результатов вычислений первого средства вычисления корреляций и второго средства вычисления корреляций данных о диаметре намотки и шаге намотки сверхпроводящих проводов, которые будут удовлетворять заданной величине Cfs сжатия и отношению Ufx используемого количества сверхпроводящих проводов.
Согласно вышеупомянутой системе, сверхпроводящий кабель может быть спроектирован таким образом, что на внутренней стороне сверхпроводящих проводов формируется слой ослабления механического напряжения для поглощения сжатия вследствие теплового сжатия сверхпроводящего провода с тем, чтобы сверхпроводящие провода не испытывали чрезмерного натяжения. В этой системе для того, чтобы повысить степень свободы в проектировании слоя ослабления механического напряжения, диаметр намотки и шаг намотки сверхпроводящих проводов, с помощью которого может быть уменьшена величина сжатия, может выбираться из результатов вычислений первого средства вычисления корреляций. Аналогично, можно выбирать диаметр намотки и шаг намотки сверхпроводящих проводов после того, как снижение внешнего диаметра кабеля и уменьшение используемого количества сверхпроводящих проводов будут учтены на основе результатов вычислений второго средства вычисления корреляций. Затем посредством первого средства выбора извлекаются верхний предел шага намотки, с помощью которого величина сжатия может быть существенно снижена, и нижний предел шага намотки, с помощью которого используемое количество сверхпроводящих проводов может быть несущественно увеличено, и посредством этого обеспечивается возможность получить данные о диаметре намотки и шаге намотки сверхпроводящих проводов, которые подходят для сверхпроводящего кабеля постоянного тока.
Аналогично, не ограничиваясь случаем проводящего слоя, но также и в случае, когда сверхпроводящий кабель имеет внешний проводящий слой, посредством приспособления аналогичного варианта подхода в отношении внешнего проводящего слоя, можно извлечь диаметр намотки и шаг намотки, которые предпочтительны с точки зрения используемого количества сверхпроводящих проводов и величины сжатия, которая возникает вследствие охлаждения.
Далее, до пояснения системы проектирования по настоящему изобретению, будет описана общая конструкция сверхпроводящего кабеля, проектируемого посредством этой системы.
Этот сверхпроводящий кабель в общем состоит из кабельной жилы и теплоизоляционной трубы для размещения этой кабельной жилы. Кабельная жила в своей основе имеет конструкцию, в типичном варианте содержащую каркас, слой ослабления механического напряжения, проводящий слой, электроизоляционный слой и защитный слой в перечисленном порядке от центра. Помимо этого, между электроизоляционным слоем и защитным слоем может быть предусмотрен внешний проводящий слой, а снаружи проводящего слоя и внешнего проводящего слоя могут быть предусмотрены слой фиксации внахлестку и амортизирующий слой.
Во-первых, что касается вышеупомянутых составных элементов, то в каркасе, проводящем слое, электроизоляционном слое, внешнем проводящем слое, защитном слое и теплоизоляционной трубе могут быть использованы различные известные типы материалов и композиций. Что касается проводящего слоя и внешнего проводящего слоя, то посредством выбора такого диаметра намотки и шага намотки сверхпроводящих проводов, которые выявляются посредством системы по настоящему изобретению, предоставляется возможность «заставить» саму кабельную жилу эффективно поглощать тепловое сжатие сверхпроводящих проводов во время охлаждения и уменьшать используемое количество сверхпроводящих проводов.
Далее, слой ослабления механического напряжения - это слой для поглощения теплового сжатия сверхпроводящего слоя. Сверхпроводящий слой, который сформирован посредством спиральной намотки сверхпроводящего провода, представляет собой проводящий слой или внешний проводящий слой (экранирующий слой). Сверхпроводящий слой охлаждается до криогенной температуры хладагентом в ходе работы кабеля и, следовательно, претерпевает тепловое сжатие. Сжатие также происходит в радиальном направлении, сопутствуя тепловому сжатию сверхпроводящего провода, и поэтому слой ослабления механического напряжения, который предусмотрен внутри сверхпроводящего слоя, сжимается согласно тепловому сжатию сверхпроводящего слоя, посредством чего сдерживается эффект действия чрезмерного натяжения на сверхпроводящий провод.
Будучи доведенным до криогенной температуры хладагентом, слой ослабления механического напряжения предпочтительно должен иметь величину сжатия, способную поглощать, по меньшей мере, часть радиального сжатия сверхпроводящего слоя. Другими словами, кабельная жила может быть сконструирована таким образом, чтобы радиальное сжатие сверхпроводящего слоя, которое сопутствует охлаждению, могло поглощаться слоем ослабления механического напряжения и другим составным элементом кабеля, предусмотренным внутри этого слоя ослабления механического напряжения. Или же она может быть сконструирована таким образом, что только слой ослабления механического напряжения поглощает радиальное сжатием сверхпроводящего слоя вследствие охлаждения.
В первом случае сам слой ослабления механического напряжения может быть сделан более тонким, поскольку сжатие сверхпроводящего слоя поглощается посредством сжатия слоя ослабления механического напряжения и составного элемента кабеля. Каркас является характерным примером таких составных элементов кабеля, предусмотренных внутри слоя ослабления механического напряжения. В последнем случае, поскольку поглощение радиального сжатия сверхпроводящего слоя может полностью выполняться слоем ослабления механического напряжения, можно свободно выбирать материал и структуру составного элемента, к примеру, каркаса, предусмотренного внутри слоя ослабления механического напряжения.
Слой ослабления механического напряжения размещен внутри сверхпроводящего слоя. Например, он может быть предусмотрен как внутренний слой ослабления механического напряжения внутри проводящего слоя (снаружи каркаса). Аналогично, он может быть предусмотрен как внешний слой ослабления механического напряжения внутри внешнего проводящего слоя (экранирующего слоя). Слой ослабления механического напряжения, который должен быть предусмотрен внутри внешнего проводящего слоя, может представлять собой сам электроизоляционный слой или же может быть сформирован отдельно как слой ослабления механического напряжения в дополнение к электроизоляционному слою. Если сам электроизоляционный слой используется в качестве внешнего слоя ослабления механического напряжения, то можно уменьшить размер кабельной жилы, поскольку необязательно обеспечивать отдельно слой ослабления механического напряжения в дополнение к электроизоляционному слою.
Подходящими материалами для такого слоя ослабления механического напряжения являются, например, крафт-бумага, пластмассовая лента и составная лента, изготовленная из крафт-бумаги и пластмассовой ленты. В качестве пластмассовой ленты может быть предпочтительно использована полиолефиновая лента, в частности, полипропиленовая лента. Как правило, крафт-бумага доступна за небольшую стоимость, хотя ее сжатие вследствие охлаждения является относительно небольшим, и несмотря на то, что составная лента, состоящая из крафт-бумаги и полипропилена, является дорогой, ее величина сжатия вследствие охлаждения больше. В частности, в случае составной ленты, если толщина полипропилена больше, может быть получена большая величина сжатия, и можно сформировать такой слой ослабления механического напряжения, который позволяет сверхпроводящему проводу не испытывать чрезмерного натяжения даже в том случае, если величина сжатия сверхпроводящего провода большая. Кроме того, из крафт-бумаги, гофрированная крафт-бумага и крафт-бумага с регулируемой влажностью способны проявлять большую величину сжатия. Таким образом, может оказаться целесообразным сформировать слой ослабления механического напряжения посредством использования этих материалов по отдельности или в сочетании с тем, чтобы слой ослабления механического напряжения имел достаточную толщину для поглощения, по меньшей мере, части величины радиального сжатия сверхпроводящего провода.
Кроме того, на по меньшей мере одной стороне из внешней и внутренней периферий электроизоляционного слоя, т.е. между проводящим слоем и электроизоляционным слоем и между электроизоляционным слоем и экранирующим слоем, может быть сформирован полупроводящий слой. Для достижения стабильности электрических характеристик является эффективным формировать внутренний полупроводящий слой, т.е. имеет место первый случай, и внешний полупроводящий слой, т.е. имеет место второй случай.
Предпочтительно предусматривать внешний проводящий слой снаружи вышеупомянутого электроизоляционного слоя. В частности, внешний проводящий слой является составной частью, которая обязательна для осуществления передачи электроэнергии однополюсной системы. В случае сверхпроводящего кабеля переменного тока для того, чтобы уменьшить потери на переменном токе в сверхпроводящем проводе, необходимо предусматривать экранирующий слой для экранирования магнитного потока, который утекает к внешней периферии проводящего слоя. Кроме того, в случае сверхпроводящего кабеля постоянного тока необходимо предусматривать обратный проводник посредством помещения внешнего проводящего слоя в положении, эквивалентном положению экранирующего слоя сверхпроводящего кабеля переменного тока. Другими словами, при предусматривании внешнего проводящего слоя (обратного проводника), изготовленного из сверхпроводящего провода, снаружи электроизоляционного слоя, проводящий слой может быть использован в качестве пути выходящего электрического тока при однополюсной передаче электроэнергии, а обратный проводник может быть использован в качестве пути обратного электрического тока. Этот внешний проводящий слой должен быть сконструирован таким образом, чтобы иметь такую же допустимую нагрузку по электрическому току, что и проводящий слой. С помощью сверхпроводящего кабеля, сконструированного в форме многожильного, собранного в один пучок типа, так что множество жил помещены в теплоизоляционную трубу, можно использовать способ однополюсной передачи электроэнергии или способ двухполюсной передачи электроэнергии. Во втором случае внешний проводящий слой выполняет функцию нейтрального провода.
Помимо этого, снаружи сверхпроводящего слоя может быть сформирован слой фиксации внахлестку. Обеспечение слоя фиксации внахлестку снаружи сверхпроводящего слоя дает возможность сверхпроводящему слою быть обжатым в направлении внутрь. Посредством эффекта обжатия можно дать возможность радиальному сжатию сверхпроводящего слоя происходить плавно. Материалом слоя фиксации внахлестку может быть, к примеру, такой материал, как металлическая лента, который способен придавать сверхпроводящему слою заданную силу обжатия, и, в частности, предпочтительно может быть использована медная лента или т.п.
В случае, когда используется слой фиксации внахлестку, предпочтительно предусматривать амортизирующий слой между слоем фиксации внахлестку и сверхпроводящим слоем. Когда для выполнения слоя фиксации внахлестку используется металлическая лента, сверхпроводящий провод может быть поврежден, поскольку прямой контакт между слоем фиксации внахлестку и сверхпроводящим слоем означает контакт между металлами, так как обычно сверхпроводящий провод изготовляется из металла, такого как серебро. Следовательно, если между этими двумя слоями предусмотрен амортизирующий слой, прямого контакта между этими металлами можно избежать, за счет чего повреждение сверхпроводящего слоя может быть предотвращено. Подходящим материалом для амортизирующего слоя является, например, изоляционная бумага или углеродная бумага.
При проектировании такого кабеля диаметр намотки и шаг намотки, подходящие для формирования проводящего слоя и внешнего проводящего слоя, надлежащим образом определяются посредством системы по настоящему изобретению.
Первое средство вычисления корреляций вычисляет зависимость между отношением Xf, которое является отношением между диаметром намотки и шагом намотки сверхпроводящего провода, составляющего проводящий слой, и величиной Cf радиального сжатия, которая поглощает тепловое сжатие сверхпроводящего провода вследствие охлаждения. Диаметр намотки проводящего слоя может иметь значение, выбираемое из подходящего диапазона. Например, он может задаваться с подходящими интервалами в диапазоне от 20 до 40 мм. Шаг намотки может иметь значение, определяемое кратным значению диаметра намотки. Эта кратность (число раз) также может иметь значение, выбираемое из подходящего диапазона. Например, оно может задаваться с подходящими интервалами в диапазоне от 2 до 20 раз. Величина Cf радиального сжатия, которая поглощает тепловое сжатие вследствие охлаждения сверхпроводящего провода, является значением, полученным посредством нахождения того, насколько сверхпроводящий провод, который был намотан при определенном диаметре намотки и шаге намотки, будет сжиматься в радиальном направлении, когда он сжимается в продольном направлении вследствие охлаждения. Степень продольного сжатия сверхпроводящего провода может быть получена из коэффициента линейного расширения сверхпроводящего провода и величины изменения температуры вследствие охлаждения. Сжатие в радиальном направлении, т.е. величина радиального сжатия, может быть вычислена с помощью вышеупомянутой степени сжатия и того факта, что когда один шаг спирально намотанного сверхпроводящего провода пройден, он может быть выражен с помощью прямоугольного треугольника, в котором косая линия - это длина L сверхпроводящего провода, вертикальная линия - это длина окружности 2πd при диаметре намотки d, а базовая линия - это шаг P. Когда сверхпроводящий кабель сжимается на величину степени сжатия, длина сверхпроводящего провода после сжатия становится равной L-ΔL, при этом величина сжатия выражена посредством ΔL, и, следовательно, величина Cf радиального сжатия выражается как (d-d'), где d' - это диаметр намотки после сжатия, при условии, что шаг P не изменяется в данном случае.
Второе средство вычисления корреляций вычисляет зависимость между отношением Xf и отношением Ufx используемого количества сверхпроводящего провода в проводящем слое на единицу длины кабеля. Отношение Ufx используемого количества сверхпроводящего провода в проводящем слое на единицу длины кабеля является не значением, в котором учитывается требуемое количество Sf провода, определенное посредством учета характеристик линии, таких как допустимая нагрузка по электрическому току, а значением, в котором учитывается требуемое количество fu провода, которое фактически необходимо для формирования проводящего слоя на единице длины кабеля. Требуемое количество Sf провода - это используемое количество провода (число проводов в единице длины или общее число проводов) в случае, когда сверхпроводящий провод, который необходим для обеспечения заранее заданной допустимой нагрузки по электрическому току, наносится в продольном направлении при выбранном диаметре намотки.
Обычно сверхпроводящим проводом является провод в форме ленты, имеющий по существу прямоугольное сечение. Следовательно, когда сверхпроводящий провод спирально наматывается вокруг внешней периферии с определенным диаметром намотки, имеется случай, когда, например, 2,5 слоя провода дают достаточное количество провода, необходимое для обеспечения заранее заданной допустимой нагрузки по электрическому току. Тем не менее, когда сверхпроводящий кабель фактически проектируется, оставшиеся 0,5 слоя также помещаются в сверхпроводящий провод, чтобы сформировать проводящий слой имеющим равномерную форму. В этом случае сверхпроводящий провод, используемый для этих 0,5 слоя, является избыточным с точки зрения теоретических технических условий изготовления кабеля, но используемое при фактическом применении количество fu провода вычисляется как 3 слоя. Следовательно, если число слоев сверхпроводящего провода, которые должны фактически использоваться, отыскивается на основании ширины, толщины и диаметра намотки сверхпроводящего провода, используемое количество может быть получено из корреляции с требуемым количеством Sf провода, для которого диаметр намотки и шаг намотки являются параметрами. Затем отношение Ufx используемого количества сверхпроводящего провода выражается посредством отношения fu/Sf между требуемым используемым количеством и фактическим используемым количеством fu провода.
С другой стороны, на основе результата вычислений вышеупомянутых первого средства вычисления корреляций и второго средства вычисления корреляций, первое средство выбора извлекает данные о диаметре намотки и шаге намотки сверхпроводящего провода, которые удовлетворяют заранее заданной величине Cfs сжатия и отношению Ufx используемого количества сверхпроводящих проводов. Извлеченные данные могут быть единичными или множественными. На основе этого извлечения соответствующий диаметр намотки и шаг намотки могут быть извлечены после того, как учтены используемое количество сверхпроводящего провода и величина радиального сжатия, которое сопутствует сжатию проводящего слоя. Заранее заданная величина Cfs радиального сжатия и отношение Ufx используемого количества могут быть надлежащим образом заданы согласно требованиям, предъявляемым к сверхпроводящему кабелю.
В общем случае, чем меньше отношение "шаг намотки/диаметр намотки", тем меньшей может быть сделана величина радиального сжатия. Другими словами, если диаметр намотки является постоянным, величина радиального сжатия может быть уменьшена по мере того, как шаг намотки уменьшается. Кроме того, если шаг намотки является постоянным, величина радиального сжатия может быть уменьшена по мере того, как диаметр намотки увеличивается. С другой стороны, чем меньше отношение "шаг намотки/диаметр намотки", тем больше возрастает отношение Ufx используемого количества сверхпроводящего провода. Другими словами, если диаметр намотки является постоянным, используемое количество возрастает по мере того, как шаг намотки уменьшается. Кроме того, если шаг намотки является постоянным, используемое количество возрастает по мере того, как диаметр намотки увеличивается.
Следовательно, если приоритет должен быть отдан гарантированию величины радиального сжатия, которая должна поглощаться посредством слоя ослабления механического напряжения, может быть выбрано большое отношение Ufx используемого количества посредством выбора большой величины Cfs радиального сжатия, а если приоритет должен быть отдан снижению используемого количества сверхпроводящего провода, отношение Ufx используемого количества может быть сделано меньшим посредством выбора меньшей величины Cfs радиального сжатия.
Вышеупомянутый способ, который описан в отношении проводящего слоя, аналогично может быть применен к случаю внешнего проводящего слоя, который предусмотрен снаружи проводящего слоя через размещенный между ними электроизоляционный слой. Другими словами, является предпочтительным предусматривать третье средство вычисления корреляций для вычисления зависимости между отношением Xg, которое является отношением между диаметром намотки и шагом намотки внешнего проводящего слоя, и величиной Cg радиального сжатия, которое будет сопутствовать охлаждению сверхпроводящего провода, и четвертое средство вычисления корреляций для вычисления зависимости между отношением Xg и отношением Ufg используемого количества сверхпроводящего провода во внешнем проводящем слое на единицу длины кабеля.
Третье средство вычисления корреляций вычисляет зависимость между отношением Xg, которое является отношением между диаметром намотки и шагом намотки внешнего проводящего слоя, и величиной Cg радиального сжатия, которая поглощает тепловое сжатие вследствие охлаждения сверхпроводящего провода. Диаметр намотки внешнего проводящего слоя, который необходим для этого вычисления, может быть вычислен из диаметра намотки проводящего слоя, толщины проводящего слоя и толщины электроизоляционного слоя. Другими словами, когда проводящий слой сформирован таким образом, чтобы обеспечивать допустимую нагрузку по электрическому току в случае задания диаметра намотки для проводящего слоя, может быть вычислена толщина проводящего слоя, поскольку толщина сверхпроводящего провода известна. Кроме того, толщина электроизоляционного слоя может быть определена посредством вычисления на основе электрического напряжения и изолирующей способности изоляционного материала сверхпроводящего кабеля, поскольку изоляция должна иметь такое выдерживаемое напряжение (напряжение пробоя), которое является характеристикой линии сверхпроводящего кабеля. Затем диаметр намотки внешнего проводящего слоя может быть получен посредством прибавления толщины проводящего слоя и толщины электроизоляционного слоя к диаметру намотки проводящего слоя. Диаметр намотки внешнего проводящего слоя может быть вычислен заранее, и он может быть введен в систему по настоящему изобретению и может быть использован для вычисления в третьем средстве вычисления корреляций. Или же система по настоящему изобретению может иметь средство вычисления диаметра намотки для вычисления диаметра намотки внешнего проводящего слоя.
Четвертое средство вычисления корреляций вычисляет зависимость между отношением Xg и отношением Ufg используемого количества сверхпроводящего провода во внешнем проводящем слое на единицу длины кабеля. Как и в случае отношения Ufx используемого количества в проводящем слое, отношением Ufg используемого количества является не требуемое количество Sg провода, полученное на основе таких характеристик линии, как допустимая нагрузка по электрическому току и т.д., а значение, полученное с учетом количества провода gu, которое фактически необходимо для того, чтобы сформировать внешний проводящий слой на единице длины кабеля. Способ получения отношения Ufg - это gu/Sg, что идентично случаю отношения Ufx используемого количества. Допустимая нагрузка по электрическому току внешнего проводящего слоя является такой же, как и допустимая нагрузка по электрическому току проводящего слоя.
После этого данные о диаметре намотки и шаге намотки сверхпроводящего провода, которые удовлетворяют заранее заданной величине Cgs радиального сжатия и отношению Ufgs используемого количества сверхпроводящего кабеля, извлекаются посредством второго средства выбора из результатов вычисления третьего средства вычисления корреляций и четвертого средства вычисления корреляций. Заранее заданная величина Cgs радиального сжатия и отношение используемого количества Ufgs могут быть надлежащим образом заданы согласно требованиям, которые предъявляются к сверхпроводящему кабелю. Проведенное таким образом извлечение дает возможность извлекать соответствующий диаметр намотки и шаг намотки после учета величины радиального сжатия, которое сопутствует сжатию внешнего проводящего слоя, и используемого количества сверхпроводящего провода. Число извлеченных данных может быть единичным или множественным.
Предпочтительно, вышеупомянутая система по настоящему изобретению дополнительно включает в себя средство вычисления общего используемого количества и третье средство выбора. Средство вычисления общего используемого количества вычисляет отношение общего используемого количества Utx = (fu+gu/Sf+Sg), которое является отношением между суммарной величиной требуемого количества провода (St=Sf+Sg) и общим используемым количеством (fu+gu), где fu - это используемое количество сверхпроводящего провода в проводящем слое, а gu - это используемое количество сверхпроводящего провода во внешнем проводящем слое; и из данных, извлеченных с помощью первого средства выбора и второго средства выбора. Третье средство выбора извлекает данные, в которых отношение Utx между общим используемым количеством Ut сверхпроводящего провода и требуемым количеством St сверхпроводящего провода, которое соответствует характеристикам линии, равно или меньше заданного значения.
Посредством извлечения данных, в которых отношение Utx общего используемого количества сверхпроводящего провода равно или меньше заданного значения, можно уменьшать в максимально возможной степени количество сверхпроводящего провода, которое в противном случае могло использоваться чрезмерно для технических условий изготовления с излишком. Порогом отношения Utx может быть подходящее значение, выбранное в зависимости от ожидаемого эффекта уменьшения используемого количества сверхпроводящего провода. Следует отметить, что чем в большей степени отношение Utx приближается к 1,0, тем более уменьшенным является используемое количество сверхпроводящего провода.
Кроме того, является предпочтительным предусмотреть четвертое средство выбора для извлечения из данных, извлеченных с помощью первого средства выбора и второго средства выбора, данных, в которых число слоев в проводящем слое и число слоев во внешнем проводящем слое равно или меньше максимального числа H соответственно.
Соответствующее число слоев в проводящем слое и внешнем проводящем слое варьируется в зависимости от диаметра намотки сверхпроводящего провода. В этом случае максимальное число слоев в проводящем слое и максимальное число слоев во внешнем проводящем слое, соответственно, определяется заранее, и данные о диаметре намотки и шаге намотки, при которых число слоев в проводящем слое и число слоев во внешнем проводящем слое будет соответственно становиться меньшим или равным заранее заданному максимальному числу слоев, извлекаются из данных, извлеченных с помощью первого средства выбора и второго средства выбора. Таким образом, можно спроектировать сверхпроводящий кабель, в котором толщина проводящего слоя и внешнего проводящего слоя достаточно мала, чтобы уменьшить внешний диаметр.
Помимо этого, является предпочтительным предусмотреть средство вычисления внешнего диаметра для вычисления внешнего диаметра сверхпроводящего слоя в кабеле, который спроектирован с помощью первого средства выбора и второго средства выбора, а также предусмотреть пятое средство выбора для извлечения из данных, извлеченных с помощью первого средства выбора и второго средства выбора, данных, в которых внешний диаметр внешнего проводящего слоя является минимальным.
Если внешний диаметр внешнего проводящего слоя является меньшим, можно соответствующим образом уменьшить внешний диаметр кабельной жилы, т.е. внешний диаметр самого сверхпроводящего кабеля. Таким образом, с помощью пятого средства выбора может быть спроектирован сверхпроводящий кабель, имеющий меньший внешний диаметр.
Любые из вышеупомянутых третьего средства выбора, четвертого средства выбора и пятого средства выбора могут быть использованы для извлечения данных, либо независимо, либо в сочетании двух и более из них.
Преимущества изобретения
Согласно способу проектирования сверхпроводящего кабеля постоянного тока по настоящему изобретению могут быть получены следующие результаты.
(1) Согласно системе по настоящему изобретению можно выбирать значения диаметра намотки и шага намотки сверхпроводящего провода так, чтобы радиальное сжатие сверхпроводящего провода вследствие охлаждения могло быть такой величиной сжатия, которая может легко поглощаться посредством слоя ослабления механического напряжения, предусмотренного внутри сверхпроводящего слоя.
(2) В то же время можно проектировать сверхпроводящий кабель, в котором сокращено используемое количество сверхпроводящего провода.
(3) Посредством использования третьего средства вычисления корреляций и четвертого средства вычисления корреляций и с помощью использования результатов их вычислений можно извлечь диаметр намотки и шаг намотки, при которых величина радиального сжатия сверхпроводящего провода сделана надлежащей не только в проводящем слое, но также и во внешнем проводящем слое.
(4) Помимо этого, можно проектировать сверхпроводящий кабель таким образом, чтобы учитывалось снижение используемого количества сверхпроводящего провода не только в отношении проводящего слоя отдельно, но также в отношении общего используемого количества, включая проводящий слой и внешний проводящий слой.
(5) Иногда могут возникать ситуации, при которых сверхпроводящий провод по техническим условиям изготовления с избытком используется для общего используемого количества сверхпроводящих проводов, которые составляют сверхпроводящий слой, в зависимости от взаимосвязи между диаметром намотки и числом слоев; тем не менее, посредством предусматривания третьего средства выбора для извлечения данных, в которых отношение Utx между общим используемым количеством tu=(fu+gu) сверхпроводящего провода и требуемым количеством St сверхпроводящего провода согласно характеристикам линии является значением, равным или меньшим заданного значения, можно уменьшать используемое количество сверхпроводящего провода, которое соответствует этим техническим условиям изготовления с избытком.
(6) С помощью четвертого средства выбора может быть спроектирован сверхпроводящий кабель, в котором число слоев в сверхпроводящем слое равно или меньше максимального числа H слоев, и, следовательно, можно спроектировать сверхпроводящий кабель, имеющий небольшой диаметр кабельной жилы.
(7) С помощью пятого средства выбора можно спроектировать сверхпроводящий кабель, имеющий минимальный внешний диаметр внешнего проводящего слоя, после учета величины радиального сжатия и используемого количества сверхпроводящего провода.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - это поперечный разрез сверхпроводящего кабеля, спроектированного системой по настоящему изобретению.
Фиг.2 - это функциональная блок-схема системы по настоящему изобретению.
Фиг.3 - это блок-схема последовательности операций способа, иллюстрирующая вышеописанную часть процедур обработки в первом варианте воплощения согласно системе по настоящему изобретению.
Фиг.4 - это блок-схема последовательности операций способа, иллюстрирующая последнюю часть процедур обработки в первом варианте воплощения согласно системе по настоящему изобретению.
Фиг.5 - это блок-схема последовательности операций способа, иллюстрирующая последнюю часть процедур обработки во втором варианте воплощения согласно системе по настоящему изобретению.
Фиг.6 - это график, иллюстрирующий зависимость между "отношением (шаг/диаметр)" и величиной радиального сжатия сверхпроводящих проводов во время охлаждения.
Фиг.7 - это график, иллюстрирующий зависимость между "отношением (шаг/диаметр)" и используемым количеством сверхпроводящих проводов.
Фиг.8 - это поперечные разрезы сверхпроводящего кабеля, спроектированного традиционным способом проектирования.
[Описание ссылочных позиций]
100 - сверхпроводящий кабель,
10 - жила,
11 - каркас,
12 - внутренний слой ослабления механического напряжения,
13 - проводящий слой,
14A, 14B - амортизирующий слой,
15A, 15B - слой фиксации внахлестку,
16 - электроизоляционный слой и/или внешний слой ослабления механического напряжения,
16A - электроизоляционный слой,
17 - обратный проводник,
17A - экранирующий слой,
18 - защитный слой,
20 - теплоизоляционная труба,
21 - внутренняя труба,
22 - внешняя труба,
23 - антикоррозионный слой,
31 - первое средство вычисления корреляций,
32 - второе средство вычисления корреляций,
33 - первое средство выбора,
41 - третье средство вычисления корреляций,
42 - четвертое средство вычисления корреляций,
43 - второе средство выбора,
51 - средство вычисления общего используемого количества,
52 - третье средство выбора,
61 - четвертое средство выбора,
71 - средство вычисления внешнего диаметра,
72 - пятое средство выбора.
Наилучшие варианты осуществления изобретения
Далее будет приведено пояснение предпочтительных вариантов воплощения настоящего изобретения на основе фиг.1-3. На чертежах один и тот же символ обозначает идентичную часть. Соотношения размеров на чертежах не всегда совпадают с соотношениями в описании.
[Сверхпроводящий кабель]
Сначала будет описана общая конструкция сверхпроводящего кабеля, проектируемого с помощью системы по настоящему изобретению, на основе фиг.1. Этот сверхпроводящий кабель 100 содержит одну кабельную жилу 10 и теплоизоляционную трубу 20, в которую помещена эта жила 10.
[Жила]
Жила 10 включает в себя (в перечисленном порядке от центра) каркас 11, внутренний слой 12 ослабления механического напряжения, проводящий слой 13, амортизирующий слой 14A, слой 15A фиксации внахлестку, электроизоляционный слой (и внешний слой ослабления механического напряжения) 16, амортизирующий слой 14B внешнего проводника (обратного проводника 17), слой 15B фиксации внахлестку и защитный слой 18.
[Каркас]
Для изготовления каркаса 11 используется гофрированная трубка, выполненная из нержавеющей стали. Когда используется полый каркас 11, внутреннее пространство может служить в качестве канала протекания хладагента (в данном случае - жидкого азота).
[Внутренний слой ослабления механического напряжения]
Внутренний слой 12 ослабления механического напряжения сформирован посредством намотки вокруг каркаса 11 составной ленты PPLP (зарегистрированный товарный знак, производится компанией Sumitomo Electric Industries, Ltd.), которая является слоистой структурой из крафт-бумаги и полипропиленовой пленки. При этом выбор материала сделан с точки зрения качества и толщины, допускающих поглощение величины радиального сжатия вследствие охлаждения проводящего слоя 13, как описано далее. Более конкретно, PPLP, используемая в этом случае, имеет отношение k в 60%, которое является отношением толщины полипропиленовой пленки к общей толщине составной ленты.
[Проводящий слой]
Проводящий слой 13 сформирован с использованием ленточного провода типа Bi-2223 в оболочке из Ag-Mn, имеющего толщину 0,24 мм и ширину 3,8 мм. Этот ленточный провод намотан в несколько слоев на внутренний слой 12 ослабления механического напряжения с формированием проводящего слоя 13. В этом случае сверхпроводящий провод намотан в четыре слоя.
[Амортизирующий слой и слой фиксации внахлестку]
Амортизирующий слой 14A сформирован на проводящем слое 13, а на амортизирующем слое в дополнение сформирован слой 15A фиксации внахлестку. Амортизирующий слой 14A сформирован посредством намотки крафт-бумаги вокруг проводящего слоя, а слой 15A фиксации внахлестку сформирован посредством намотки медной ленты. Амортизирующий слой 14A не допускает прямого контакта между металлами, т.е. проводящим слоем 13 и слоем 15A фиксации внахлестку, тогда как слой 15A фиксации внахлестку обжимает, через амортизирующий слой 14A, проводящий слой в направлении внутрь своей окружности, так чтобы проводящий слой 13 мог плавно претерпевать радиальное сжатие вследствие охлаждения.
[Изоляционный слой и внешний слой ослабления механического напряжения]
Электроизоляционный слой 16 сформирован на слое 15A фиксации внахлестку. Здесь изоляционный слой 16 образован PPLP, имеющей отношение k в 60%. Этот изоляционный слой 16 выполняет не только функцию электрической изоляции проводящего слоя 13, но также и функцию внешнего слоя ослабления механического напряжения для поглощения величины радиального сжатия, которое сопутствует охлаждению внешнего проводящего слоя, что описано здесь ниже. Возможно контролировать увеличение внешнего диаметра кабельной жилы посредством предоставления возможности самому изоляционному слою 16 выступать в качестве внешнего слоя ослабления механического напряжения, поскольку необязательно формировать внешний слой ослабления механического напряжения отдельно.
Хотя это и не проиллюстрировано на чертежах, внутренний полупроводящий слой сформирован на внутренней стороне окружной периферии изоляционного слоя, а внешний полупроводящий слой сформирован на внешней стороне окружной периферии изоляционного слоя. Эти полупроводящие слои сформированы посредством намотки углеродной бумаги.
[Внешний проводящий слой (обратный проводник)]
Внешний проводящий слой или, иначе говоря, слой внешнего проводника (обратного проводника 17) предусмотрен снаружи изоляционного слоя 16. При передаче постоянного тока необходимо предоставлять путь выходящего электрического тока и путь обратного электрического тока, и поэтому в случае однополюсной передачи электроэнергии обратный проводник 17 предусмотрен и используется в качестве пути обратного электрического тока. Обратный проводник 17 изготовлен из сверхпроводящего провода того же типа, что и проводящий слой 13, и имеет такую же пропускную способность линии электропередачи, что и проводящий слой 13.
[Амортизирующий слой и слой фиксации внахлестку]
Далее, амортизирующий слой 14B сформирован на внешнем проводящем слое, и, кроме того, слой 15B фиксации внахлестку сформирован на амортизирующем слое. Амортизирующий слой 14B и слой 15B фиксации внахлестку изготовляются из тех же материалов, что и амортизирующий слой 14A, предусмотренный снаружи проводящего слоя 13, и слой 15A фиксации внахлестку соответственно. Амортизирующий слой 14B не допускает прямого контакта между металлами, т.е. слоем 17 обратного проводника и слоем 15B фиксации внахлестку, тогда как слой 15B фиксации внахлестку обжимает через амортизирующий слой 14B слой 17 обратного проводника в направлении внутрь своей окружности, так чтобы слой 17 обратного проводника мог плавно претерпевать радиальное сжатие вследствие охлаждения.
[Защитный слой]
Защитный слой 18, состоящий из изоляционного материала, предусмотрен снаружи слоя 17 обратного проводника. В этом случае защитный слой 18 сформирован посредством намотки крафт-бумаги. С помощью этого защитного слоя 18 можно обеспечить механическую защиту слоя 17 обратного проводника, а также обеспечить изоляцию от теплоизоляционной трубы (внутренней трубы 21) с тем, чтобы предотвратить частичное протекание электрического тока в теплоизоляционную трубу 20.
[Теплоизоляционная труба]
Теплоизоляционная труба 20 - это двойная труба, состоящая из внутренней трубы 21 и внешней трубы 22, и между этими внутренней и внешней трубами 21, 22 предусмотрен вакуумный теплоизоляционный слой. В этом вакуумном теплоизоляционном слое размещена так называемая суперизоляция, которая выполнена посредством ламинирования (наслаивания) пластиковой сетки и металлической фольги. Пространство, образованное между внутренней поверхностью стенки внутренней трубы 21 и жилой 10, становится каналом для хладагента. На внешней периферии теплоизоляционной трубы 20 может быть при необходимости сформирован антикоррозионный слой 23, изготовленный из поливинилхлорида или т.п.
Первый вариант воплощения
()
[Система проектирования по настоящему изобретению]
В одном варианте воплощения система по настоящему изобретению включает в себя первое средство 31 вычисления корреляций, второе средство 32 вычисления корреляций и первое средство 33 выбора, как показано на функциональной блок-схеме по фиг.2, и эти средства извлекают данные о диаметре намотки и шаге намотки сверхпроводящего провода, который должен составлять проводящий слой.
В другом варианте воплощения система по настоящему изобретению включает в себя третье средство 41 вычисления корреляций, четвертое средство 42 вычисления корреляций и второе средство 43 выбора, и эти средства извлекают данные о диаметре намотки и шаге намотки сверхпроводящего провода, который должен составлять внешний проводящий слой.
В дополнительных вариантах воплощения третье средство 52 выбора извлекает данные о диаметре намотки и шаге намотки сверхпроводящего провода, которые дают возможность снизить используемое количество сверхпроводящего провода, которое эквивалентно для технических условий изготовления с избытком. Четвертое средство 61 выбора извлекает данные, в которых число слоев сверхпроводящего провода в проводящем слое и число слоев во внешнем проводящем слое равно или меньше заданного значения; а пятое средство 72 выбора извлекает данные, в которых диаметр внешнего проводника является наименьшим. Извлечение данных третьим средством 52 выбора, четвертым средством 61 выбора и пятым средством 72 выбора может быть выполнено с использованием либо одного из этих средств независимо, либо нескольких из средств в комбинации.
Первое средство 31 вычисления корреляций вычисляет зависимость между отношением Xf, которое представляет собой отношение между диаметром намотки и шагом намотки сверхпроводящего провода, который должен составлять проводящий слой, и величиной Cf радиального сжатия, которое будет сопутствовать охлаждению сверхпроводящего провода. Диаметр намотки задается с надлежащими интервалами в диапазоне от 20 до 40 мм. Шаг намотки задается с надлежащими интервалами в диапазоне от 2 до 20 раз кратным этому диаметру намотки. Величина Cf радиального сжатия, которая поглощает тепловое сжатие вследствие охлаждения сверхпроводящего провода, является значением, полученным посредством нахождения того, насколько сверхпроводящий провод будет сжиматься в радиальном направлении в том случае, когда этот сверхпроводящий провод, который был намотан при определенном диаметре намотки и шаге намотки, сжимается в продольном направлении вследствие охлаждения. Степень продольного сжатия сверхпроводящего провода может быть получена из коэффициента линейного расширения сверхпроводящего провода и величины изменения температуры вследствие охлаждения. В этом случае степень сжатия составляет 0,3%. Величина сжатия в радиальном направлении, т.е. величина радиального сжатия, может быть вычислена с использованием вышеупомянутой степени сжатия и того факта, что когда пройден один шаг спирально расположенного сверхпроводящего провода, он может быть выражен с помощью прямоугольного треугольника, в котором длина сверхпроводящего провода - это косая линия, длина окружности - это вертикальная линия, а шаг - это базовая линия.
Второе средство 32 вычисления корреляций вычисляет зависимость между отношением Xf и отношением Ufx используемого количества сверхпроводящего провода в проводящем слое на единицу длины кабеля. Отношение Ufx используемого количества сверхпроводящего провода в проводящем слое на единицу длины кабеля является не значением, в котором учитывается требуемое количество Sf провода, полученное исходя из характеристик линии, таких как допустимая нагрузка по электрическому току, а значением, в котором учитывается требуемое количество fu провода, которое фактически необходимо для формирования проводящего слоя на единице длины кабеля. Требуемое количество Sf провода - это используемое количество провода в том случае, когда сверхпроводящий провод, который необходим для обеспечения заранее заданной допустимой нагрузки по электрическому току, наносится в продольном направлении при выбранном диаметре намотки.
С другой стороны, если решения о диаметре намотки и шаге намотки для формирования проводящего слоя приняты, можно найти число слоев и толщину проводящего слоя в случае намотки требуемого количества сверхпроводящего провода с тем, чтобы составить проводящий слой согласно этим условиям, поскольку ширина и толщина сверхпроводящего провода известны. В этом случае, если вся окружность самого наружного слоя покрыта сверхпроводящим проводом, то требуемое количество Sf провода становится равным фактическому используемому количеству fu. А если это не так, то количество провода, при котором весь самый наружный слой должен быть покрыт сверхпроводящим проводом, рассматривается как фактическое используемое количество fu сверхпроводящего провода. Затем вышеупомянутое отношение Ufx используемого количества сверхпроводящего провода выражается посредством отношения fu/Sf, т.е. отношения фактического используемого количества провода к требуемому используемому количеству.
На основе результатов вычислений вышеупомянутого первого средства 31 вычисления корреляций и второго средства 32 вычисления корреляций первое средство 33 выбора извлекает данные о диаметре намотки и шаге намотки сверхпроводящего провода, которые будут удовлетворять заданной величине Cfs радиального сжатия и отношению Ufx используемого количества сверхпроводящего провода. В этом случае величина Cfs радиального сжатия составляет 0,4 мм, а отношение Ufxs используемого количества составляет 1,2.
Третье средство 41 вычисления корреляций, четвертое средство 42 вычисления корреляций и второе средство 43 выбора, в которых вышеупомянутый способ извлечения диаметра намотки и шага намотки для проводящего слоя применяется к внешнему проводящему слою, являются, по сути, такими же самыми, как и первое средство 31 вычисления корреляций, второе средство 32 вычисления корреляций и первое средство 33 выбора. То есть третье средство 41 вычисления корреляций вычисляет зависимость между отношением Xg, которое представляет собой отношение между диаметром намотки проводящего слоя и шагом намотки, и величиной Cg радиального сжатия, которое будет сопутствовать охлаждению сверхпроводящего провода. Так же, четвертое средство 42 вычисления корреляций вычисляет зависимость между отношением Xg и отношением Ufg используемого количества сверхпроводящего провода во внешнем проводящем слое на единицу длины кабеля.
Тем не менее, в этом случае значение, полученное на основе внешнего диаметра проводящего слоя, используется в качестве диаметра намотки. Поскольку амортизирующий слой, слой фиксации внахлестку и изоляционный слой сформированы в этом порядке на проводящем слое, диаметр намотки внешнего проводящего слоя определяется посредством прибавления соответствующей их толщины к внешнему диаметру проводящего слоя. Значения, которые должны быть заданы в отношении толщины амортизирующего слоя и слоя фиксации внахлестку и толщины изоляционного слоя, можно вычислить согласно характеристикам линии, таким как электрическое напряжение и изоляционные характеристики изоляционного материала, который составляет изоляционный слой.
С другой стороны, как и в случае отношения Ufx используемого количества провода в проводящем слое, отношение Ufg используемого количества провода представляет собой не требуемое количество Sg провода, полученное из таких характеристик линии, как допустимая нагрузка по электрическому току и т.д., а значение, определенное посредством учета того количества провода gu, которое фактически необходимо для формирования внешнего проводящего слоя на единице длины кабеля. В этом случае допустимая нагрузка по электрическому току внешнего проводящего слоя является такой же, что и допустимая нагрузка по электрическому току проводящего слоя, и способ получения отношения Ufg используемого количества провода является таким же, что и в случае отношения Ufx используемого количества провода.
Затем с помощью второго средства 43 выбора данные о диаметре намотки и шаге намотки сверхпроводящего провода, которые удовлетворяют заданной величине Cgs радиального сжатия и отношению Ufgs используемого количества сверхпроводящего провода, извлекаются из результатов вычислений третьего средства 41 вычисления корреляций и четвертого средства 42 вычисления корреляций. При этом величина Cgs радиального сжатия равна 0,4 мм, а отношение Ufgs используемого количества провода равно 1,2.
Третье средство 52 выбора, четвертое средство 61 выбора и пятое средство 72 выбора являются составными элементами для дополнительного сужения результатов извлечения первого средства 33 выбора и второго средства 43 выбора.
До принятия решения, которое должно быть выполнено с помощью третьего средства 52 выбора, проводится вычисление посредством средства 51 вычисления общего используемого количества. Средство 51 вычисления общего используемого количества вычисляет общее используемое количество fu+gu, где fu - это используемое количество сверхпроводящего провода в проводящем слое, а gu - это используемое количество сверхпроводящего провода во внешнем проводящем слое, а также отношение общего используемого количества Utx = (fu+gu/Sf+Sg), исходя из общего количества Sf+Sg требуемых проводов. После этого данные, в которых отношение Utx общего используемого количества равно или меньше заданного значения, извлекается с помощью третьего средства 52 выбора.
Четвертое средство 61 выбора извлекает из данных, извлеченных с помощью первого средства 33 выбора и второго средства 43 выбора, диаметр намотки и шаг намотки, которые будут достигать того числа слоев, которое равно или меньше заранее заданного максимального числа H слоев в проводящем слое и внешнем проводящем слое соответственно.
Вычисление осуществляется с помощью средства 71 вычисления внешнего диаметра до того, как проводится принятие решения посредством пятого средства 72 выбора. Средство 71 вычисления внешнего диаметра находит внешний диаметр внешнего проводящего слоя. Более конкретно, поскольку число слоев сверхпроводящего провода, который должен составлять внешний проводящий слой, находится с помощью четвертого средства 42 вычисления корреляций, внешний диаметр внешнего проводящего слоя может находиться из толщины и числа слоев сверхпроводящего провода. На основе результатов вычислений средства 71 вычисления внешнего диаметра пятое средство 72 выбора извлекает данные, в которых внешний диаметр внешнего проводящего слоя является наименьшим.
[Рабочие процедуры системы проектирования по настоящему изобретению]
Далее описываются рабочие процедуры вышеозначенной системы на основе блок-схем последовательности операций способа по фиг.3 и 4. В этом случае каждая часть системы по настоящему изобретению упоминается согласно функциональной блок-схеме по фиг.2.
Сначала, как показано на фиг.3, задается диаметр намотки и шаг намотки для проводящего слоя и допустимое механическое напряжение провода во время охлаждения, и при этих условиях вычисляется величина Cf радиального сжатия сверхпроводящего провода (этап S1). В отношении допустимого механического напряжения провода во время охлаждения устанавливается отношение касательно того, что сверхпроводящий провод не должен испытывать механическое напряжение провода во время охлаждения, или же определенной величине растягивающего механического напряжения может быть разрешено действовать на сверхпроводящий провод, при этом поглащается только определенная степень теплового сжатия вследствие охлаждения. Посредством этого вычисления вычисляется зависимость между отношением Xf, которое является отношением между диаметром намотки и шагом намотки сверхпроводящего провода, который должен составлять проводящий слой, и величиной Cf радиального сжатия, которое будет сопутствовать охлаждению сверхпроводящего провода.
Далее вычисляется требуемое количество сверхпроводящего провода для того, чтобы составить проводящий слой, и отношение Ufx используемого количества при этом условии (этап S2). Посредством этого вычисления вычисляется зависимость между отношением Xf и отношением Ufx используемого количества сверхпроводящего провода в проводящем слое на единицу длины кабеля.
Далее принимается решение относительно того, является ли или нет величина Cf радиального сжатия равной или меньшей заданной величины Cfs радиального сжатия (0,4 мм) (этап S3), и если это так, то выполняется следующий этап S4, а если это не так, то этап S1 и этап S2 повторяются посредством задания еще раз другого диаметра намотки, шага намотки и механического напряжения провода, допустимого во время охлаждения.
На этапе S4 для отношения Ufx используемого количества сверхпроводящего провода оценивается, является ли оно равным или меньшим заданного отношения Ufxs используемого количества (1,2), и если ответ положительный, то диаметр намотки и шаг намотки, при которых отношение Ufx используемого количества становится равным или меньшим 1,2 и величина Cf радиального сжатия становится равной или меньшей 0,4 мм, извлекаются в качестве данных (этап S5). Если отношение Ufx используемого количества сверхпроводящего кабеля не равно или меньше 1,2, то этап S1, этап S2 и этап S3 повторяются посредством задания еще раз другого диаметра намотки, шага намотки и механического напряжения провода, допустимого во время охлаждения.
Далее, как показано на фиг.4, диаметр намотки для внешнего проводящего слоя вычисляется на основе результата составления проводящего слоя, который извлечен на этапе S5 (этап S6).
Затем задается шаг намотки внешнего проводящего слоя, и величина Cg радиального сжатия вычисляется по шагу намотки и диаметру намотки, полученным так, как описано выше (этап S7). Согласно этому вычислению проводится вычисление, касающееся зависимости между отношением Xg, которое является отношением между диаметром намотки и шагом намотки сверхпроводящего провода, который должен составлять внешний проводящий слой, и величиной Cg радиального сжатия, которое будет сопутствовать охлаждению сверхпроводящего провода.
Затем вычисляется зависимость между отношением Xg и отношением Ufg используемого количества сверхпроводящего провода во внешнем проводящем слое на единицу длины кабеля (этап S8).
Затем для величины Cg радиального сжатия сверхпроводящего провода оценивается, является ли она равной или меньшей величины Cgs радиального сжатия (0,4 мм) (этап S9), и если да, то для отношения Ugx используемого количества оценивается, является ли оно равным или меньшим отношения Ufgs используемого количества (1,2) (этап S10). Если эти условия удовлетворяются, диаметр намотки и шаг намотки сверхпроводящего провода извлекаются в качестве данных. В отличие от этого, если величина Cg радиального сжатия и отношение используемого количества Ugx превышают заданные значения, то шаг намотки внешнего проводящего слоя изменяется, и этап S7 и этап S8 повторяются еще раз.
Второй вариант воплощения
()
В вышеуказанном варианте воплощения обработка завершается в точке, где данные получаются из результатов извлечения с помощью первого средства 33 выбора и второго средства 43 выбора. Тем не менее, могут быть использованы третье средство 52 выбора, четвертое средство 61 выбора и пятое средство 72 выбора. Блок-схема последовательности операций этого варианта воплощения показана на фиг.5. Поскольку процедуры обработки вплоть до этапа S10 являются такими же, как и в вышеупомянутом первом варианте воплощения, будут описаны процедуры обработки, следующие за ними.
В этом примере в случае, если отношение Ugx используемого количества равно или меньше заданного отношения Ufgs используемого количества (1,2) на этапе S10, выполняется оценка того, являются ли число слоев в проводящем слое и число слоев во внешнем проводящем слое равными или меньшими максимального числа H слоев соответственно (этап S12). Если в результате такой оценки соответствующее число слоев в проводящем слое и внешнем проводящем слое равно или меньше максимального числа H слоев, выполняется следующий этап S13, а если ответ отрицательный, то данные исключаются без применения для объекта извлечения (этап S17).
На этапе S13 вычисляется отношение Utx используемого количества сверхпроводящего провода, а на этапе S14 выполняется оценка того, является ли отношение Utx общего используемого количества сверхпроводящего провода равным или меньшим заданного значения.
Если в результате такой оценки Utx равно или меньше заданного значения, то внешний диаметр внешнего проводящего слоя вычисляется на этапе S15, а если это не так, то данные исключаются без применения для объекта извлечения (этап S17).
Затем извлекаются данные о диаметре намотки и шаге намотки, при которых внешний диаметр внешнего проводящего слоя будет становиться наименьшим (этап 16).
Примеры пробных вычислений
[]
Следующие пробные вычисления были выполнены с использованием вышеупомянутой системы, так что используемое количество сверхпроводящего провода могло быть уменьшено, при этом имея целью укорочение шага сверхпроводящего провода с тем, чтобы снизить величину радиального сжатия.
Сначала была изучена зависимость между "отношением (шаг/диаметр)", которое является отношением между шагом намотки и диаметром намотки сверхпроводящего провода, который должен составить сверхпроводящий слой, и величиной радиального сжатия сверхпроводящего провода. В этом примере применено три диаметра намотки: ⌀ 20 мм, ⌀ 30 мм и ⌀ 40 мм, и относительно каждого из этих диаметров проведены пробные вычисления с использованием коэффициента линейного расширения каждого материала относительно "отношения (шаг/диаметр)" и величины радиального сжатия в случае, когда сверхпроводящий провод сжимается на 0,3% в результате охлаждения во время работы. Результаты показаны на графике по фиг.6.
Как показано на этом графике, если отношение (шаг/диаметр) остается неизменным, то чем больше диаметр намотки, тем меньше величина радиального сжатия. Кроме того, можно видеть, что если остается неизменным диаметр намотки, то чем меньше отношение (шаг/диаметр), тем меньше величина радиального сжатия. Из этих результатов понятно, что выбор меньшего шага помогает уменьшить величину радиального сжатия, которая должна поглощаться.
Затем была изучена зависимость между отношением (шаг/диаметр) и используемым количеством сверхпроводящего провода. Здесь используемое количество сверхпроводящего провода задано равным 1,0 в случае, если сверхпроводящий провод размещается продольно, т.е. наносится вдоль объекта, вокруг которого этот сверхпроводящий провод должен быть намотан. Таким образом, относительные значения изменения согласно варьированию отношения (шаг/диаметр) были показаны в отношении используемого количества сверхпроводящего провода. Результаты показаны на графике фиг.7.
Как можно видеть на этом графике, используемое количество сверхпроводящего провода не увеличивается существенно в области, где отношение (шаг/диаметр) равно примерно 6,0 или выше, однако используемое количество сверхпроводящего провода резко увеличивается с точки, где это отношение меньше примерно 4,0.
Из результатов двух вышеописанных пробных вычислений понятно, что подходящим является отношение (шаг/диаметр) в диапазоне примерно 4,0-6,0, если используемое количество сверхпроводящего провода должно быть уменьшено и в то же время сжатие сверхпроводящего провода должно легко поглощаться в случае охлаждения.
В Таблице 1 приведены обобщенные сведения по материалам и размерам конструктивных элементов сверхпроводящего кабеля (50 кВ, 10000 А), спроектированного на основе вышеописанных результатов пробных вычислений. Шаг намотки сверхпроводящего провода в проводящем слое и внешнем проводящем слое соответственно в 5 раз превышает диаметр намотки. Другими словами, шаг намотки проводящего слоя составляет 210 мм, а шаг намотки внешнего проводящего слоя составляет примерно 274 мм.
Таблица 1
Конструктивные элементы
Материалы
Внешний диаметр (мм) и т.д.
Каркас
Нержавеющая гофрированная трубка
30
Внутренний слой ослабления механического напряжения
PPLP
42(толщина: 6 мм)
Проводящий слой
Сверхпроводящий провод на основе Bi2223
46,4 (4 слоя)
Амортизирующий слой/слой фиксации внахлестку
Крафт-бумага/медная лента
47,4
Изоляционный слой и внешний слой ослабления механического напряжения
PPLP
54,7(толщина: 3 мм)
Внешний проводящий слой
Сверхпроводящий провод на основе Bi2223
57,5 (3 слоя)
Амортизирующий слой/слой фиксации внахлестку
Крафт-бумага/медная лента
59,5
Защитный слой
Крафт-бумага
61,7(толщина: 1 мм)
Внешний диаметр кабеля
----
116
В конструкции, описанной в таблице 1, сам каркас также вынужден радиально сжиматься при охлаждении. Когда степень сжатия в случае охлаждения предположительно равна 0,3%, величина радиального сжатия каркаса становится равной 0,09 мм. С другой стороны, величина радиального сжатия сверхпроводящего провода в соответствии со степенью сжатия 0,3% при условии диаметра намотки 42 мм и шага намотки 210 мм составляет 0,45 мм. Поэтому очевидно, что величина радиального сжатия каркаса позволяет поглощать 20% величины радиального сжатия проводящего слоя. Следовательно, понятно, что если величина радиального сжатия внутреннего слоя ослабления механического напряжения равна 0,36 мм, то общая величина радиального сжатия каркаса и внутреннего слоя ослабления механического напряжения может поглощать 100% величины радиального сжатия проводящего слоя. Таким образом, если сформирован внутренний слой ослабления механического напряжения, проявляющий величину радиального сжатия в 0,45 мм, вся величина радиального сжатия проводящего слоя может быть поглощена только внутренним слоем ослабления механического напряжения.
Промышленная применимость
Система проектирования по настоящему изобретению для проектирования сверхпроводящего кабеля постоянного тока может быть использована в области техники, где разрабатываются сверхпроводящие кабели постоянного тока для средств передачи электроэнергии постоянного тока.