NO20003660L - FremgangsmÕte for Õ konstruere en superledende multifasekabel som omfatter N-faser - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen gjelder en fremgangsmåte for å konstruere en superledende multifåsekabel som omfatter N-faser, hvor hver fase i kabelen deles inn i et antall av ledere og hvor isolasjonsmiddelet er anordnet i kabelen, slik at fasen er inndelt i n grupper hvor hver gruppe har N forskjellige faser.

Suplerledende kabler utnytter den lave motstand i superledende materialer som oppnås når suplerledermaterialet eksponeres til en temperatur som er lavere enn dets såkalte kritiske temperatur. Denne temperaturen kan f.eks. være 4-7 K (lavtemperatur superledere, LTS) eller 30-10 K (høytemperatur suplerledere, HTS). For bruk ved omgivelsestemperaturen, kreves det vanligvis et kunstig kjølemiddel og termisk isolasjon for å separere kabellederen termisk fra dens omgivelser.

Superledende kabler kan produseres fra et superledende bånd som er viklet rundt en sentral avkjølende kanal. Et lag med elektrisk ledende materiale blir så koaksialt påført. Deretter kan en koaksial skjerm, som er enten superledende eller normalt ledende, påføres. Et termisk isolerende lag kan påføres enten mellom det indre superledende laget og den elektriske isoleringen eller på utsiden av den elektriske isoleringen. Dermed blir den elekstriske isoleringen enten eksponert for en høy temperatur (omgivelsestemperatur) eller en lav temperatur (kryogentemperatur). Videre vil en slik kabel typisk ha en ytre diameter i området fra 8 til 15 cm.

Det elektriske vekselsstrømtapet som inntreffer i superledere kan reduseres ved å vikle et superledende bånd eller wire rundt en avkjølende kanal, hvor wiren utstyres med stigningsvinkel på en slik måte at en jevn strømfordeling langs de individuelle båndene/wirene blir oppnådd. De kan også vikles rundt flere avkjølende kanaler, f.eks. slik som angitt i US patent nr. 4 327 244.

Hvis den strømbærende kapasiteten til kabler av denne typen skal økes, kan dette oppnås ved å øke mengden av det superledende materialet. Dette leder imidlertid til en økt generering av reaktiv effekt fordi reaktansen/induktansen til kabelen blir relativt stor, noe som kan forårsake uønskede faseskift i den transporterte elektriske spenningen og strømmen, spesielt for lange kabelseksjoner, men også i korte kabelseksjoner til hvilke en lav spenning påføres og en høy strøm blir ledet. Normalt kan denne reaktansen/induktansen reduseres ved å øke diameteren til den indre halvlederen med f.eks. 30-50 cm. Selv om reaktansen/induktansen blir på denne måten redusert, har denne reduksjonen også ulemper slik som f.eks. større dimensjoner på kablene, økt forbruk av materiale og til slutt en økende varmetransport pga. det økte arealet til den termiske isolasjonen.

Andre fremgangsmåter, som tillater en reduksjon av reaktansen/induktansen til et superledende kabelsystem, er angitt i litteraturen. Normalt inkluderes elektrisk isolering og elektrisk skjerming i kjente kabelsystemer for vekselstrøms enkeltfase- kabler, hvor det benyttes 3 kabler som hver har én faseleder for å tilveiebringe 3 faser.

Fra EP 0 786 783 Al er det kjent en multifase suplerledende kabel hvor de individuelle fasene er inndelt i et antall individuelle ledere. Hver av de individuelle lederne er isolert fra hverandre og utstyrt med en suplerledende skjerm. Dette resulterer åpenbart i en heller dyr og klumpete kabel i og med at hver individuelle leder utgjør en «kabel» med en leder, en skjerm og to lag isolasjon.

De 4340046 Al angir en superledende kabel hvor 3 faser er lokalisert koaksialt til hverandre og omgitt av en felles returneringskrets. Dette muliggjør et redusert forbruk av materiale i og med at de 3 faselederne har en felles skjerm. Diameteren til de individuelle faselederne kan økes med den hensikt å redusere induktansen uten en økning av det påkrevde volum som ville vært tilfelle hvis de 3 individuelle kablene ble anvendt. Ulempen er imidlertid at det vil ikke oppnås en tilstrekkelig reduksjon i induktansen siden forholdet mellom reaktansen og diameteren er logaritmisk.

Tilsvarende, fra JP 1231217 er det kjent en multifase superledende kabel hvor de individuelle faselederne består av en avkjølende kanal, en superledende faseleder, en elektrisk isolasjon, hvor hver individuelle faseleder er omgitt av en normalt ledende skjerm. Dette reduserer forbruket av superledende materiale. Siden den normalt ledende skjermen er resistiv, er det i henhold til denne teknikken nødvendig å minimalisere strømmen som induseres i disse resistive skjermene ved å anordne de individuelle faselederne i et triangulært mønster, hvor hver individuelle faseleder har en forskjellig fase som nabo.

Begge faseinndelingsteknikker som diskutert ovenfor har fordelen med at den reaktive effekten som produseres blir redusert, jfr. loven med parallell kobling av reaktanser/induktanser. En reduksjon av den elektriske strømmen i hver enkelt faseleder reduserer også det magnetiske feltet ved overflaten til faselederen og det elektriske vekselstrømstapet i det superledende materialet.

Ulempen ved disse kjente teknikkene er at de individuelle faselederne består av fullstendig uavhengige kabler med avkjølingskanaler, kabelledere, elektrisk

isolasjon og elektrisk skjerm. I praktis blir det umulig å produsere en kompakt og billig kabel hvis det ønskes et høyt antall grupper med et antall faser i hver gruppe.

Det er derfor en målsetting med denne oppfinnelsen å fremskaffe produksjon av en superledende kraftkabel, fortrinnsvis forbruk ved 1 kV-132 kV, hvor den superledende kraftkabelen er mindre omfangsrik, har en høyere effektivitet og lavere produksjonskostnader sammenlignet med effekten, også for et stort antall grupper. Det er videre en målsetting å redusere reaktansen/induktansen i et superledende kabelsystem uten at kabelsystemet blir mer omfangsrikt eller dyrere enn det som er kjent hittil.

Oppfinnelsens målsetting kan oppfylles-ved at et antall på N grupper faseledere blir montert i grupper og ved at en eller flere av gruppene blir utstyrt med en felles elektrisk skjerm.

På denne måten kan en kabel produseres på et slikt vis at den elektriske isoleringen kan produseres i hovedsakelig ett arbeidstrinn som utføres før de forskjellige faselederne monteres inn i kabelen, enten ved påføring av faselederne til de individuelle suplerlederne og/eller ved å produsere en elektrisk isolerende folie. Dermed oppnås en produksjon som er mer kompakt og som har lavere kostander enn kjent teknikk i og med at antallet arbeidsoperasjoner under produksjonen til kabelen kan reduseres, og ved at de individuelle fasene ikke har individuelle elektriske skjermer.

For å ytterligere minimalisere produksjonskostnadene, er det foretrukket slik som i krav 2, at de individuelle fasene kun inneholder superledende kabelwire og et isolasjonssystem.

For ytterligere forenkling av produksjonsprosessen kan gruppene, slik som spesifisert i krav 3, anordnes i n koaksiale grupper, enten med forskjellige faseledere i hvert koaksialt lag eller med hver sin individuelle faseleder i et separat koaksiallag. På denne måten tilveiebringes et enklere avkjølingssystem med et begrenset antall strømningsbaner for kjølemiddelet.

Ved å anordne gruppene i N flate faser slik som angitt i krav 4, vil magnetfeltet som genereres av strømmen i fasene bli relativt langt, slik at magnetisk induksjon i kabelen reduseres. I denne anordningen er det foretrukket at en eller flere elektrisk ledende foliesystemer anvendes som elektrisk isolasjon, hvor foliesystemet/- systemene består av ett eller flere lag av isolasjon og eventuelt elektrisk ledende materiale. Anvendelse av folie som elektrisk ledende lag eller overflatebelegg indikerer at dette belegget kan eventuelt fjernes fra utvalgte deler av folien eller kan velges til ikke å anvende dets belegg på utvalgte deler av folien.

Videre, egnede utførelseseksempler av oppfinnelsen spesifiseres i de avhengige kravene.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i større detalj under henvisning til utførings-eksempler av oppfinnelsen illustrert i tegningene, hvor fig. 1 viser skjematisk et første utførelseseksempel av kabelen i henhold til oppfinnelsen,

fig. 2 er et andre utførelseseksempel av kabelen i henhold til oppfinnelsen,

fig. 3 er en første variant av utførelseseksempelet i henhold til fig. 2,

fig. 4 er en andre variant av utføringseksempelet i henhold til fig. 2,

fig 5. er en tredje variant av utføringseksempelet i henhold til fig. 2, og fig. 6 er et tredje utføringseksempel av kabelen i henhold til oppfinnelsen.

I fig. 1 angir 1 en superledende kabel i dens helhet i et første utføringseksempel av oppfinnelsen. Kabelen som vises i eksempelet er en trefasekabel hvor hver enkel fase er angitt ved en av bokstavene a, b eller c. Fasene inndeles i et antall individuelle ledere som er angitt ved tallet l-n. Dermed angir betegnelsen na leder nr. n med fase a. Som vist er lederene inndelt i et antall grupper n, hvor hver gruppe har et antall ledere som tilsvarer et antall faser som er 3 i det viste eksempel. Rundt alle de individuelle lederne vises en omgivende nøytral leder 4 som kan utgjøre en felles skjerm. I henhold til oppfinnelsen kan denne fellesskjermen omgi en eller flere fase-grupper. Kjølemiddelet kan påføres hver enkelt individuelle faseleder, hver individuelle gruppe, et antall grupper, eller fortrinnsvis hele kabelen i et rørsystem. Kjølemiddelet kan flyte i en eller flere retninger i dette rørsystemet.

Denne konstruksjonen av kabelen, spesielt i det foretrukne utførelseseksempelet, gir en ekstrem kompakt konstruksjon med optimale elektriske egenskaper slik som lav impedans.

Et andre utførelseseksempel av en superledende kraftkabel i henhold til oppfinnelsen er vist i fig. 2.

Som sammenlignet med utførelseseksempelet i fig. 1, vises en flat 3-fasekabel 5 hvor hver enkelt fasé er igjen angitt ved a, b, c. I det viste eksempelet er fasen inndelt i 2 grupper 6 og 7, men naturligvis er det ingenting som hindrer antallet grupper fra å være 1 eller flere. Som vist, står hver fase i hver gruppe av et antall bånd (eng.: tapes) anordnet i rader. I det viste eksempelet separeres alle radene med samme isolasjon 18. Alternativt kan et bredt bånd med korresponderende geometri implementeres slik som vist i fig. 5, hvor hver fase i hver gruppe separeres ved isolasjonslag.

Fig. 3 viser en ytterligere variant hvor hver individuelle fase fra hver gruppe omfatter den samme isolasjonen som i fig. 3, angitt ved 13 og 14. På denne måten oppnås en elektrisk isolasjon hvor hver enkelt individuelle overflate til isolasjonsbåndet kun relateres til en spesifikk fase. Risikoen for lekkasjestrømmer mellom fasene blir dermed redusert.

Hvis 2-foliesystemene til fig. 3 blir montert til en sammenhengende folie, slik som vist i fig. 4 ved f.eks. referanse nr. 18, blir en ytterligere forlenget lekkasjebane oppnådd uten en økning i romkravene. For de nevnte utførelseseksemplene må dermed de magnetiske feltene som induseres i kabelen, som genereres under leding av strøm, reise en lengre distanse, noe som resulterer i en lavere kabelimpedans.

Fig. 6 viser en variant av utførelseseksemplet i henhold til fig. 5, hvor fig. 6 viser en kabel med et sirkulært tverrsnitt hvor de individuelle fasene 10-12 er anordnet konsentrisk. Som vist består hvert lag av et antall viklinger anordnet på et vis analogt til utførelseseksemplet i fig. 4, dvs. det er n viklinger i hvert lag. Dermed blir det flere grupper av n faseledere i hvert lag. Til slutt viser figuren en felles kanal 9 for kjølemiddel. Kjøling kan imidlertid fremskaffes på forskjellige måter i et rørsystem. Den nevnte elektriske skjermen som kan omgi en eller flere grupper av faser kan bestå helt eller delvis av superledende, metalliske og halvledende materialer, selv i kombinasjon med ikke-ledende materialer og kompositter slik som f.eks. i impregnering av papir med kullstøv.

En eller flere av disse komposittene kan impregneres med porøse eller ikke-porøse polymerer eller keramiske materialer som kan ha en høyere eller lavere termisk ledningsevne. Dermed kan avkjøling kan inntreffe ved hjelp av varmeledning i fast fase og/eller ved hjelp av medier slik som væsker eller gasser N2, He2eller Ne som penetrerer inn i det porøse materialer og mellom en eller flere av fasene i gruppene av faser. Det kan tenkes at dette kjølemiddelet eller alternative kjølemiddelet kan impregnere den elektriske isolasjonen for å forbedre de elektriske isolasjonsegenskapene.

Selv om oppfinnelsen har blitt beskrevet i forbindelse med spesifikke utførelses-eksempler diskutert sammen med figurene 1-3, er det naturligvis ingenting som forhindrer andre utførelseseksempler for å dannes innenfor oppfinnelsens idé. Tverrsnittene til kablene kan f.eks. ta andre former, de kan f.eks. være ovale, vinklet, osv.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte for å konstruere en superledende multifasekabel som omfatter N faser, hvor hver fase i kabelen inndeles i et antall ledere, og hvor isolasjonsmidler anordnes i kabelen, fasene er inndelt i n grupper hvor hver gruppe har N forskjellige faser, karakterisert ved et antall av N grupper faseledere monteres i grupper, og at en eller flere av gruppene blir utstyrt med en felles elektrisk skjerm.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at de individuelle fasene kun inneholder en superledende kabelwire og et isolasjonssystem.

3. Fremgangsmåte i henhold til kravene 1-2, karakterisert ved at gruppene anordnes i n koaksiale grupper, enten med forskjellige faseledere i hvert koaksialt lag eller med hver individuell faseleder i et separat koaksialt lag.

4. Fremgangsmåte i henhold til kravene 1-2, karakterisert ved at gruppene anordnes i N flate faser.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 4, karakterisert ved at hver av fasene konstrueres med en eller flere individuelle ledere slik som viklinger.

6. Fremgangsmåte i henhold til kravene 1-5, karakterisert ved at antallet grupper er 1.

7. Fremgangsmåte i henhold til kravene 1-3, karakterisert ved at antallet grupper er 1 og at de N fasene anordnes konsentrisk med konsentrisk isolasjon mellom hver av de N fasene.

8. Fremgangsmåte i henhold til kravene 1-7, karakterisert ved at fasene i hver gruppe separeres og elektrisk isoleres fra hverandre.

9. Fremgangsmåte i henhold til kravene 1-8, karakterisert ved at fasene i hver gruppe isoleres fra hverandre ved en felles isolator.

10. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av kravene 1-9, karakterisert ved at antallet av grupper n er stort, fortrinnsvis større enn 10 og enda mer fortrinnsvis større enn 100.

11. Fremgangsmåte i henhold til kravene 1-10, karakterisert ved at den elektriske skjermen holdes ved et 0 potensiale og består helt eller delvis av et halvledermateriale eller av en kombinasjon av disse materialene, og posisjoneres nært det elektrisk isolerende materialet.

12. Fremgangsmåte i henhold til kravene 1-11, karakterisert ved at de individuelle fasene i hver gruppe har en slik permisivitet at de samarbeider magnetisk.

13. Fremgangsmåte i henhold til kravene 1-12, karakterisert ved at minst en av fasene utgjøres av en nøytral leder.