关于联邦资助的研究或者开发的声明
本发明是在美国能源部授予的DE-FG3602GO12070合同的支持下完 成的。政府在此发明中具有一定权利。
通常，超导(SC)电缆必须保持在低温温度(0至150K或者-273.25 至-123℃)，用来实现期望/设计的功能。电缆部分一般连接到在环境温度 或者升高的温度下运行的其他系统部件。
以下通称的术语“超导电缆系统”用于表示和相关热绝缘封装件组合 的超导和/或超传导电缆(例如诸如三相的多相电缆)。
为了端接SC电缆系统，通常需要一些基本元件，即以下的终端：
1、导体(电流元件)，
2、电绝缘(电压元件)，
3、热绝缘(热元件)，
4、冷却装置，例如流体制冷剂(冷却元件)，和
5、可选的变化诊断(诊断元件)。
尽管4)与冷却的母线有些类似并且元件5)一定程度上还出现在其 中油保持在被持续监控的特定压力下的油绝缘电缆中，但是3)、4)和5) 项是通常不存在于传统电缆中的元件。可以实现不同的可选的诊断，例如 压力、温度(内部和/或外部)、流量、冷却流体水平、空气湿度等等的监 控。
设计为通过同轴中性导体围绕的三个同轴相的三轴HTS电缆(例如 2005年8月11日的US 2005173149A(GOUGE等)的和2006年10月26 日的WO 2006/111170A(NKT CABLES ULTERA)中描述)比其它HTS 电缆设计具有一定的优势。
与冷的电介质的共轴设计相比的优势包括：
1、超导材料的使用减少了34-50％，导致成本下降以及能耗下降。
2、低温封装件材料和冷却表面的使用减少了30-50％，使得成本降低 并且能量效率提升。
相比于热的电介质单相电缆的优势包括：
1、不存在对电缆产生外部干扰的外部磁场。
2、电感和电容的电特性之间的改进的关系，导致较长的临界长度、 改进的稳定性和下降的基于负载的电压降。
3、电缆内部降低的磁场，导致了超导材料较低的能耗和改进的性能。
4、低温封装件材料和冷却表面的减少了30-50％的使用，使得成本降 低并且能量效率提升
5、低温封装件的数量下降，导致较少的焊接和制造步骤、较低的制 造成本和增加的可靠性。
相比于这两个替代设计的劣势可以包括以下：
1、相对于暖的电介质单相而较不公知的电介质，导致应用中的较高 风险。
2、相对于共轴冷的电介质和暖的电介质单相而更复杂的电缆设计和 终端设计，导致制造和应用中的较高风险。
3、相1、2和3中固有的/属性上的不平衡的阻抗。
优于具有铜或者铝导体的传统电缆的HTS电缆的优点包括通常较高 的电流运载能力、电缆上降低的热产生和释放、较低的电耗损以及较轻的 重量。
相比于传统的替代方案的缺点通常包括必须冷却系统的必要性、通过 热绝缘的持续的热耗损和诸如连接件和终端的附件的增加的复杂性。
在多个现有技术文档中讨论用于超导电缆系统的终端单元。
2006年1月24日的US 6988915B(SEI)涉及直流超导电缆的终端结 构，其中在纤芯衬套(core liner)上提供的超导层的端部从外层到内层以 逐步方式暴露，并且由传统导电材料制成的输出(outgoing)导体各自连 接到相应的超导层的暴露的端部。绝缘固定元件支撑纤芯和输出导体。
2005年9月15日的WO 2005/086306A(SEI)涉及用于多相超导电 缆的终端结构，其中电传导套件围绕承载电相位的同轴布置的超导层的每 一个来布置，并且其被电连接且被连接到导线用于在室温下提取每一相。
2005年8月30日的US 6936771B(SOUTHWIRE COMPANY)涉及 用于将浸入受压液氮中的高温超导(HTS)电缆连接到处于环境温度和压 力下的高电压和中性(护罩)外部套管的终端单元。终端单元包括经由转 接管连接到温室的冷室，其中通过转接管或者与转接管并行的一个或者多 个毛细管通道允许气体流动来维持所述冷室和所述温室之间的压力均衡。
2005年8月11日的US 2005173149A(GOUGE等)涉及用于包括三 个同轴布置的超导层的超导电缆(三轴)的终端单元。电相导体端接到铜 管。在优选实施例中，该管是同轴的并且通过固体绝缘管隔离。电缆通过 电缆的中心管内和电缆外的液态冷却剂流来冷却。在优选方法中，终端的 冷却端使用接地电势处的液态冷却剂从外部传导冷却。这需要具有高导热 性的电绝缘材料。

本发明的目的是通过在超导和超传导电缆中的高压相导体和中性导 体和诸如发生器、变压器、断路器、功率网络、其它电缆或者其他设备的 外部设备之间提供可靠的和经济上可行的连接从而得益于超导和超传导 电缆的优点。
本发明的目的是通过如权利要求中限定的和下面描述的本发明和其 实施例来实现的
根据本发明，该终端单元包括用于一个或者多个支路电流线和适于包括 冷却液的环绕热绝缘封装件的电缆的末端段，其中，支路电流线通过各自电 绝缘件与所述热绝缘封装件单独地绝缘。
所示本发明的实施例用于提供根据以下说明书和权利要求清楚的附加 的益处。
电缆的末端段限定中心纵向轴，末端段包括N个电相的末端部分和中性 导体的末端部分，N个电相和中性导体的末端部分的每一个包括至少一个电 导体并且布置在电缆中同轴围绕纤芯线圈架(core former)，其中相1相对 最内部定位和相N相对最外定位，相N由中性导体围绕。电绝缘体布置在相 邻电相之间和相N和中性导体之间。中性导体和电相的末端部分的每一个包 括用于电连接到电流线(支路电流线)的接触表面。通过中性导体/电相的 未覆盖部分提供中性导体和相应电相的接触表面，即电绝缘被移除以暴露并 提供与该接触表面的通路以用于提供与支路电流线的连接的未覆盖部分。未 覆盖部分(其提供接触表面)的每一个具有优选是最小长度的纵向延伸并且 未覆盖部分沿着电缆的端截面的纵向延伸顺序地定位。
在当前上下文中，术语“电缆”用于包括电导体和在相邻电导体(以及 可选的与其关联的其它层)之间的对应的电绝缘件的“电缆系统”的一部分。 根据本发明的“电缆系统”因此包括上述意义上的“电缆”和围绕电缆的热 绝缘件，该电缆位于其中。
在一个实施例中，电缆在热绝缘件纵向延伸的至少一部分上相对于其中 心纵向轴被偏心地定位。
所采用的术语相对于电缆的最内/最外分别意味着距离电缆线圈架较近 或者较远。可替代地，其可以被用于分别意味着距离电缆的端截面的中心纵 向轴的较近/较远。
电相1、2、...、N的计数并不意于暗示相的任意特定性质或者相互关系 (诸如大小或者角度关系)。通常，可以以任意顺序布置电相。实际上，提 供最低电损耗的顺序可以通过优化发现，例如通过改变相邻电相的相位角、 组成电相的电导体的材料、数量、形状、缠绕角度等等。
在当前上下文中，所采用的术语电缆的“未覆盖部分”是指一段长度的 电缆，其中通常围绕电相(或者中性导体)的电绝缘件被移除来提供与所涉 及的电相(或者中性导体)的电通路。
术语“电流线”和“支路电流线”可以互换地使用。
在终端单元的实施例中，接触表面和中性导体/电相之间的至少一个电 连接包括电场控制系统，其全部或者部分围绕接触表面并且提供在相应相电 压处的等位体。
在一个实施例中，冷却液体适于在所述等位体内被引导。原理上冷却液 体可以是提供必要的冷却的任意冷却液体。
可以理解，本发明的这种冷却布置提供高可靠性的冷却，其稳定了系统 并且导致相对高的额定电流。由于该稳定和可靠的冷却布置，可以使用多种 不同的冷却液体。
在一个实施例中，其中所述末端段包括至少一个电流线基部(current lead base)，布置终端单元使得冷却液体在所述电流线上和所述接触表面上 与所述至少一个电流线基部交换热量。从而，可以得到附加的冷却效果。
电流线基部提供从电流线到相或者中性导体的转接。通过(支路)电流 线和中性导体/电相之间的电连接可以提供电流线基部。
在等位体中，冷却液体可以优选地和电流线基部进行热交换。附加地， 与被应用到接触表面和支路电流线之间的电连接的一个或者多个附加电导 体元件进行热交换。在一个实施例中，附加电导体元件包括被布置为与导体 的相关接触表面有良好电接触的一个或者多个电流套件、接触所述电流套件 的一个或者多个电流夹，和使用该夹连接所述电流线基部的可选的附加连接 元件。
在一个实施例中，封装在所述等位体中的电流线基部和其他电导元件可 以包括提供与冷却液体的热交换，所述热交换通过强制流冷却通过和/或传 递到包括但不限于孔、凹槽、散热片、型面来实现。电流套件和/或电流夹 可具有相对大的接触表面并且可以布置适合的尺寸，使得纵向方向上的精确 位置并不是关键的，而是允许鲁棒性的纵向容限。
在一个实施例中，等位体通过多个绝缘片来实现，并且考虑到场控制的 原因具有传导和/或半传导的内部表面。
在终端单元的一个实施例中，等位体包括连接到元件、电流线基部、电 流夹、和电流套件中的至少一个的支路电流线，所述支路电流线最终连接到 多个电相之一或者中性导体的接触表面，并且其中所述元件的至少一个具有 通过强制流冷却(诸如凹槽、孔、型面和凸缘)通过和/或经过电流线基部、 电流夹、电流套件和/或所述元件之间的接口来优选用于冷热锚定的机构， 所述电相优选为从超导、超传导和传统导体中选择的导体。
在一个实施例中，接触表面沿着电缆的末端段的纵向延伸顺序定位，并 且通过确保中性导体和电相的每一个的接触表面至少在其接触表面的部分 长度上布置在大体等于距中心纵轴的相等的径向距离处根据模块概念布置。
在该实施例中，终端单元具有提供连接的附加的益处，该连接可以被用 于不同的电缆类型和同一电缆类型中的不同相的导体。
与中性导体/电相的接触表面的中心纵轴的径向距离可以使用调节插入 件来调节，所述调节插入件可以例如是如下所述的自适应插入件，其也可以 调节从中心纵向电缆轴到接触表面的径向距离，使得这些距离保持不相等。 调节插入件的结构可以被描述为以下的自适应插入件，但并没有接触表面也 应该适应于与中心纵向电缆轴大体相同的径向距离的这种限制。
在一个实施例中，电缆的末端段的接触表面被定位为它们之间具有大体 相等的纵向距离。从而，由于所使用的不同元件的数量可以降低，所以终端 单元对于生产甚至更成本有效。
可以通过任意装置来得到大体相等的纵向距离以及大体相等的径向距 离。在一个实施例中，通过径向自适应插入件(例如以商标名称G10TM出售 的材料的纤维增强的环氧塑料)得到大体相等的径向距离，该径向自适应插 入件具有大体相同的外部径向尺寸，并且其中所述径向自适应插入件被应用 到均衡它们的关于电缆的末端段中的纵向并且特别是径向尺寸的尺寸的每 个相和中性导体的接触表面。
在一个实施例中，与中性导体和电相的接触表面的电缆的末端段的中心 纵向轴的大体相等的径向距离大体上通过这样的自适应插入件的内部径向 尺寸的各自适应来提供。
可以通过任意适合的材料来提供自适应插入件，优选的包括电绝缘材料 和半导材料中的至少一个来防止不期望的电路径。在一个实施例中，径向自 适应插入件是调节插入件的形式并且由电绝缘材料、半导材料或者这样的材 料的组合来制成。
在一个实施例中，径向自适应插入件提供所述接触表面的所述相等的径 向尺寸，其中电流线基部、电流夹和电流套件中的至少一个元件叠置在相应 的自适应插入件上来提供所述相应的接触表面和所述相应的支路电流线之 间的电连接。
在一个实施例中，至少一个所述自适应插入件位于中性导体或电相的未 覆盖部分(接触表面)的电导体和覆盖的绝缘层之间。
自适应插入件可具有任意期望的厚度来提供期望的自适应。
自适应插入件提供促进支路电流线到电缆的末端段的电相或者中性导 体的连接的益处。它们还促进终端单元的模块化安装，包括热绝缘封装件。 例如以下描述的。
自适应插入件还可以提供对于电缆的末端段的机械支持，并且提供防止 在电缆的末端段的处理(例如焊接)和装配期间电缆的末端段的覆盖层的热 损伤的保护，例如在终端单元中。
在一个实施例中，终端单元包括一个或者多个纵向隔离件，其提供支路 电流线的每一个之间的固定距离。
终端单元的末端段可以例如包括纵向隔离件，其提供相和中性导体之间 的相等距离。这些纵向隔离件可以附加地提供流控制、流隔离、电绝缘和/ 或模块化装配/构建系统。末端段可以包括用来提供相等的纵向并且特别是 径向的尺寸的径向自适应插入件，并且自适应插入件可以例如提供用于附加 的电介质的选项和模块化构建的概念。
在一个实施例中，纵向隔离件用作对于冷却液体的流控制或者流限制， 其引导至少一部分冷却液体通过基部电流线的基部或者接触表面附近的热 交换装置。
在一个实施例中，纵向隔离件提供支路电流线的每一个之间的大体等 距。
如上所述，中性导体或者电相的至少一个可以具有和电流套件的电接 触。电流套件原理上可以是或者可以包括任意类型的电传导材料。然而，通 常优选的是电流套件至少部分是传统的电传导材料。
在一个实施例中，导电套件围绕电缆端部安装，例如在自适应插入件的 顶部。导电套件以与电相或者中性导体的接触表面电接触的方式来安装。该 电接触优选地通过导电套件和电相或者中性导体之间的直接接触来提供。在 一个实施例中，电相或者中性导体部分覆盖了导电套件。在这些实施例中， 来自电缆自身的超导材料可以构成所述套件接触表面的至少一部分。
在特定实施例中，中性导体或者电相的至少一个的至少一个导体由传统 电传导材料的电流套件围绕并且与其具有电接触。在另一个实施例中，所述 电流套件至少部分由超导材料和/或超传导材料制成。
本发明的上下文中的术语“传统电传导材料”意味着该材料是电传导的 但是在室温以及低温下具有有限的电阻(在所讨论的温度下不是超导的材 料)。所采用的“低温”意味着低于0℃(273K)的温度，电缆系统的末端段 在常规操作中被冷却到该温度，例如用来冷却终端单元中的电缆的末端段的 液体(例如液体N2)的沸点温度处或者之下(给定操作压力下)，例如0到 77K之间的温度。
在一个实施例中，电流套件具有用于电连接到电流线的套件接触表面。
在一个实施例中，电流套件的至少一部分提供所述接触表面和所述各自 支路电流线之间的电连接。在此实施例中，电流套件可以具有电连接到支路 电流线的套件接触表面。
在特定实施例中，其中，终端单元包括和中性导体/电相以及和各自套 件接触表面电连接的两个或者更多个电流套件，这些套件接触表面被布置为 和电缆的末端段的中心纵向轴具有大体相等的径向距离。
在一个实施例中，其中，两个或者更多个中性导体或者电相具有和各自 电流套件的电接触，所述电流套件的尺寸可以优选地大体相同。
在一个实施例中，优选通过所述电流套件的径向尺寸的适应，提供与中 性导体和电相的套件接触表面的中心纵向轴的大体相等的径向距离。例如， 电流套件可以具有不同的内部尺寸和基本相等的外部尺寸。
在一个实施例中，该套件包括用于连接到超导电缆的带/线导体的倾斜 段，例如通过焊接。
在另一个实施例中，焊接段被制造为具有在长度和高度上适于相关的 HTS带/线和可选的分流传统导体带的梯形构造。
可以以任意适合方式通过在接触表面下面的材料和结构的正确适用，来 实现每个电相或者中性导体的所述接触表面/套件接触表面的径向调整，来 实现所述表面与该电缆的末端段的纵向轴的固定的径向距离。
在特定实施例中，使围绕中性导体或者电相的各自接触表面或者位于其 下面的电绝缘和电传导材料的至少一个的径向延伸各自适应于提供各自接 触表面和/或各自套件接触表面与纵向轴的固定径向距离。
在特定实施例中，电绝缘材料、半导体材料或者这样的材料的组合的自 适应插入件被插入到中性导体或者电相和处于所涉及的中性导体或电相的 接触表面处的邻近的、下方的电相之间。
在特定实施例中，至少两个电相或者中性导体，诸如大部分或者全部电 相或者中性导体，包括具有大体相同的外部和内部径向尺寸的套件。优选地， 所有电相和中性导体配备有包括大体相同的尺寸的电流套件。
在一个实施例中，终端单元包括至少部分由传统电传导材料(诸如但不 限于Cu)制成的至少一个电流夹，。电流夹电连接到电流线，并且夹到所述 接触表面和/或所述套件接触表面。电流夹可以优选地短于接触表面的轴长 度和/或短于套件接触表面。从而接触表面和/或套件接触表面呈现出与所述 电流夹的宽的电接触(在纵向概念上)，(在电缆系统的安装和加热/冷却的 期间)允许电流夹/电流线在电缆的末端段的纵向方向上移动的大的容限。
在一个实施例中，至少一个所述电流夹包括用于附加冷却的通孔。
总的来说，一般期望电相和中性导体的至少一个包括超导或者超传导材 料。
在一个实施例中，至少一个电连接包括全部或者部分围绕接触表面和至 少一部分所述支路电流线的电场控制系统。通过该电场控制系统，可以得到 十分可靠和稳定的系统。
该电场控制系统可以包括电介质，诸如以商标名称ULTEMTM出售的电介 质或者诸如以商标名称G10出售的电介质的纤维增强的环氧塑料。原理上可 以使用任意其它适合的电介质。
在一个实施例中，电场控制系统还包括场平滑(field smoothening) 材料，例如金属传导材料或者半导体材料。场平滑材料优选地构成电场控制 系统的层，并且更优选地构成电场控制系统的内层。
在一个实施例中，电场控制系统提供到所述支路电流线和使所述支路电 流线绝缘的所述支路电绝缘件的其中一个的转接接头。转接接头优选地可以 在形成匹配Z字形路径或者曲线路径的表面之间制成，以增加蠕变(creep) 长度，或者所述接头具有球形表面以允许支路绝缘系统的角度调整，优选地 所述转接接头通过密封垫来密封。
在一个实施例中，至少一个所述支路电流线包括电流线段，并且该电流 线段(其可以是支路电流线的全部或者一部分)包括连接到中性导体或者电 相的冷端、相对的环境温度端和中间热锚段。该中间热锚段提供从冷到环境 温度的热梯度。
在一个实施例中，至少一个所述支路电流线包括电流线段，该电流线段 包括热锚段，该热锚段提供从冷到低温度的热梯度的选择。
在一个实施例中，终端单元可以包括套件、插入件和夹中的至少一个， 其中所述套件、插入件和/或夹的每一个都具有套箍的形状。
在一个实施例中，组成套件、插入件和夹的组件包括促进简单安装的两 个、三个或者更多个部件。
为了控制电场，纵向隔离件、自适应插入件、套件、夹、电流线基部的 边缘和/或表面可以优选地是圆形。
在一个实施例中，终端单元包括至少一个插入件(自适应插入件)，该 插入件是由在操作温度范围上具有大于大约10^6欧m2/m的特定电阻率的材 料制成。
在一个实施例中，终端单元包括至少一个插入件(自适应插入件)，该 插入件包括诸如纤维增强的环氧树脂的环氧材料，诸如包括具有环氧树脂粘 合剂的连续丝玻璃布材料的热固工业层压材料。
在一个实施例中，终端单元包括位于电缆的末端段的纤芯线圈架的中心 处开口中的刚性圆筒或者管，用于提供对电缆末端段的机械支撑。
在一个实施例中，终端单元适于提供和电端接低温冷却的多相电缆系统 到处于环境温度的终端电流线。电缆末端段是多相电缆的末端段。多相电缆 的末端段由热绝缘封装件来围绕，用于启用冷却并且保持电缆的至少一部分 末端段处于低于环境的温度，其中热绝缘封装件包括支路电流线形式的多个 支路，用于从电缆电相和中性导体的末端段分支到各自电流线。在与所涉及 的中性导体和电相的对应末端部分的接触表面位置匹配的位置处，支路沿着 电缆的末端段纵向延伸来顺序布置。第一支路用于分支中性导体，第二支路 用于第N个电相，第三支路用于第N-1个电相等等，并且最后的第N+1个支 路用于分支第N个电相。
热绝缘封装件可以优选地具有内部圆柱形表面，电缆的末端段沿着所述 表面布置，并且所述表面和所述电缆之间的接触点限定了大体上为直线的接 触线，以制成简单可靠的结构。
在一个实施例中，优选全部支路中的至少一个可以大体上垂直于电缆的 末端段的纵轴。
在一个实施例中，封装所述电缆的所述末端段的热绝缘封装件被模块化 构建，每个模块包括用于封装电缆的末端段的长度的部件和用于分支中性导 体或者电相的至少一个支路。
在一个实施例中，为了增加冷却，热绝缘封装件可以包括两个分离的液 体冷却剂流路径。
热绝缘封装件中的至少一部分液体冷却剂可以被限制到对于终端单元 唯一的并且不通过超导电缆的其余部分的流路径。
在一个实施例中，终端单元包括和电绝缘材料接触的场控制系统，该电 绝缘材料位于热绝缘封装件的支路处的电缆的末端段周围，场控制系统优选 地限定处于相电压的等位体并且控制从相电压到终端外壳的接地电势的支 路附近的电场的路径。
这样的场控制系统可以例如包括从以下材料组选择的材料：以商标名称 ULtemTM出售的电介质、以商标G-10TM出售的电介质、FRP、聚乙烯、聚丙烯、 尼龙和其组合。
在一个实施例中，给定电相或中性导体的接触表面具有允许电连接到用 于端接电相或者中性导体的电流线的长度Lucp。在一个实施例中，Lucp适于允 许热绝缘封装件的模块化构建，该热绝缘封装件围绕电缆的末端段的长度并 且包括用于包容电流线的至少一个支路。实践中，Lucp大于0.1m，诸如 0.2-0.3m。
本发明的实施例包括冷却布置，其中冷却液在末端段的连接表面的区域 中交换热量。在特定实施例中，冷却液流经连接电流线基部和电流套件的连 接块。在进一步的实施例中，冷却液传递靠近接触表面，在接触表面中传递 或者在电流套件内部传递。在又一个实施例中，冷却液传递靠近电流线基部 或者传递通过电流线基部，以这样的方式，通过电流线传输或者由电流线中 的电流产生的热量被传送到冷却液并且从接触表面移除而不显著增加超导 电缆的温度。在优选实施例中，热量在电流线基部、接触表面和冷却液体之 间通过具有高导热性的诸如铜、银、金、铝的固态材料交换。在一个实施例 中，流控制管将电缆系统内的部分或者全部冷却液引导向并通过所述冷却布 置。
在本发明的一个实施例中，包括场控制系统的一个或者多个场控制元件 的电场控制系统形成等位体。在特定实施例中，所述体包含上述冷却布置。 在优选实施例中，场控制系统应用到外部固体电绝缘材料或者与其密切接 触，该外部固体电绝缘材料诸如基于聚合物或者纤维素或者陶瓷或者玻璃或 者组合物的电绝缘物。
在进一步的实施例中，以连接到密封接触表面的相电势的金属导体或者 半导体表面的形式提供所述场控制系统。在一个实施例中，所述电场控制系 统通过提供足够长的蠕变长度和足够厚的电绝缘材料来考虑轴的相对相电 场和径向的相对地电场。在优选实施例中，液体围绕电场控制系统和外部电 绝缘材料。在一个实施例中，电场控制系统提供到支路电流线和支路电绝缘 件的转接接头。
在优选实施例中，电场控制系统和支路绝缘系统被提供在单个部件中。 在进一步的优选实施例中，电场控制系统和支路绝缘系统被提供在具有至少 一个接头的两个或者更多个部件中，所述接头表面形成匹配Z字形路径或者 弯曲路径来增加蠕变长度，或者所述接头具有球形表面以允许支路绝缘系统 的角度调整。在一个实施例中，所述接头由使用以下材料制成的密封垫来密 封用于增加电蠕变强度，该材料例如：PE、聚丙烯、PTFE、TyvekTM、NomexTM、 TeflonTM或者Gore-TexTM。
相或者丝网(screen)的覆盖部分可以通过电绝缘和/或半导材料覆盖。 这可以包括传导套件的长度段，例如通过在传导套件的一部分上缠绕电绝缘 带。在一个实施例中，电绝缘带在套件区域上缠绕，其中超导带连接到套件。
相导体N的数量在原理上可以和期望的一样。N可以例如是1、2、3、4 或者更多个，优选地，N是1或者3。
电缆中的单个(N＝1)电相和中性导体的同心布置也可称为同轴电缆。
电缆中的多个(N)电相和中性导体的同心布置也可称为多共轴电缆。
在一个实施例中，多共轴电缆的接触表面以纵向和顺序方式实现，其特 征在于中性导体到相的接触距离与相到相的接触距离大约相等。
本发明上下文中所采用的术语“环境温度”意味着端接电相(或者中性 导体)的位置处的温度。这样的温度可以例如在-50℃到+85℃的范围内，例 如在-30℃到+50℃之间或者在-10℃到+30℃之间。
本发明的另外的目的是通过在从属权利要求中和在本发明的详细说 明中限定的实施例达到的。应当强调指出，术语“包括/包含”在本技术说明 书中被使用时是指阐述的特性、整体、步骤、或部件的存在，但不排除一 个或多个其它阐述的特性、整体、步骤、部件、或它们的组的存在或添加。
附图说明
通过结合优选实施例并且参考附图，下面更全面的解释本发明，其中：
图1示出同轴三柱电缆的截面；
图2示出3相电缆终端的示意图；
图3示出使用模块化方法构建的终端的示意图；
图4示出使用模块化方法构建的单相共轴终端；
图5示出环境热锚的实施例；
图6示出可以被应用到终端模块上的附件的不同例子；
图7示出电流线的实施例的不同元件；
图8a示出如何和在何处定位用于提供传统到超导转接的冷却装置的热 交换器的多个示意性例子；
图8b示出如何将电流线连接到包括提供热锚的热交换器的位置的导体 的详细实施例；
图9a示出处于相电势的等位体的示意图，其中相电势通过围绕相导体 和电流线之间的连接区域布置的电介质元件内部的传导元件限定；
图9b示出处于相电势的等位体的详细实施例，其中相电势通过围绕相 导体和电流线之间的连接区域布置的电介质元件内部的传导元件限定；
图10示出冷却液体注入或者返回的一个实施例；
图11a示出在供应端处终端和电缆单独冷却的一个冷却配置；
图11b示出在相对端处终端和电缆单独冷却的一个冷却配置；
图12示出低温恒温器和终端之间的可选转接；
图13示出关于终端的电缆的可选机械固定件；
图14示出启用机械鲁棒性结构的机械固化器的实施例；
图15详细示出端接HTS和Cu带/线的一种方法；
图16示出自适应插入件的原理，其均衡不同导体相和中性导体的径向 尺寸。该原理也运行用于合理的类似额定值内不同电缆尺寸。
为了清楚起见，图示并简化这些视图，并且示出对于理解本发明重要的 细节，而其他细节略去。全文来看，同样的附图标记用于相同的或者对应的 部分，图1中的特征“102”在图2中被参考为是“202”，即图号后是全文 的标记号。
通过此处及以下的详细描述，本发明的其他的应用范围将变得明显。然 而，因为根据这里的详细描述本发明的精神和范围内的不同的改变和修改对 于本领域内的普通技术人员来说变得明显，所以应该理解示出本发明优选实 施例的详细描述和具体例子仅通过说明方式给出。

本发明的实施例展示来启用到超导电缆(ac或者dc)的简单的和标准 化的连接，包括电缆的电源输入和输出，电缆的各自受控冷却，电缆末端段、 电流线和终端封装的内部。此外，通过本发明可以促进电缆的补偿和终端热 收缩、终端单元/模块的易于装配以及有效成本和有效的制造。
图1是共轴布置的多相(此处为三轴柱)电缆100的截面，包括离心地 位于热绝缘封装件102C中的N＝3相和中性导体(屏蔽)。三相(称为相1、2、 3或者100R、100S、100T)和中性导体互相同轴布置，其中，最内层是相1， 中间的是相2并且最外层是相3，然后通过中性导体包围，最后是热绝缘封 装件102C。电缆100被填充诸如液氮的冷却液体101，其中，在热绝缘封装 件的内壁和电缆的中央开口之间的空间(即此处支撑相1的中央线圈架103 的内部容积)填充冷却液体101。在每一相之间和相3与中性导体之间应用 低温电介质。本发明应用到AC和DC电缆二者。如果三相由负(相1)、零(相 2)、正(相3)和中性导体组成，则该电缆例如可应用于DC传输。
为了端接该相当复杂的结构，本发明的实施例被设计为处理和解决涉及 端接电传导以及热绝缘层的多个主题。图2示出终端单元的一个实施例，其 中所有相(此处为3)和中性导体在一个完整结构中端接。图2说明完全真 空绝缘(可以替代或者附加地是泡沫绝缘)的终端单元外壳202，具有位于 顺序分支的相或者中性导体之间的可选的热补偿件221。此外，所有的主体 支路(即热绝缘封装件的一部分从电缆的末端段的纵向方向分支出来)此处 都相似并且处于接地电势并且与电缆的末端段的纵向方向成90°。可替代 地，托脚(stand-off)可以不同(例如处于中性导体和电相之间)，例如使 分别适应并且不一定必须垂直于电缆末端段的纵向方向。在所有4个支路的 顶端，中间段211被接附有用于控制液体水平并且对于电绝缘器212确保热 锚处于环境温度或者升高的温度下。在热锚段211的上面，应用标准的电绝 缘器212。这(此处)在中性导体上略去。电绝缘器212之上，在环境温度 并且在可选热盖213内部的电网电压下，电流线端接在顶端螺栓214中。所 述电流线可以包括柔性段(例如图7中的714)。在分支电相或者中性导体的 不同部分之间，安装密封凸缘222(例如，终端外壳202的支路和热锚段211 之间，热锚段211和热盖段213之间以及热盖段213和顶部螺栓214之间)。 连接到低温恒温器202C的热绝缘封装件202D被示出为模块化构建的并且包 括四个相同的T形段。在两个末端处，需要特别的部件，在到电缆的接口处 为适配器片225，在另一末端为用于在电缆的末端段的纵向方向端接热绝缘 封装件202D的封闭末端片，两片可选地覆蔽用于冷却液体和/或监控传感器 281的入口和/或出口。此外，可选的可移动支撑结构298被示出为包括用于 允许终端单元移动并且由此适于电缆的热膨胀或者收缩的轮子或者滚轮。正 如所看到的，由于该T形段结构，支路中的分支电流线通过各自的电绝缘器 与热绝缘封装件各自绝缘。终端外壳202和用于绝缘支路的各自绝缘件在此 处构成整体热封装件202D。
在此实施例中，图2中，T形外壳具有转接片225，用于将终端单元和 电缆热封装件连接。该转接段在场中可以单独抽真空，使得终端单元和低温 恒温器可以被预制并且预抽真空。该转接片可以是泡沫绝缘以及真空绝缘。
图3和图4中示出终端单元的其他实施例，其中，描述模块化方法。在 此情况中，该思想是通过连接多个(例如2、3、4或者更多个)类似的模块 来建立完整的电缆终端单元，由此改进制造效率。每个模块化封装件元件 302、402在每一端配备有密封凸缘322、422，用于耦合到另一个封装件元 件。每个模块化封装件元件具有用于冷却液体和/或监控传感器381、481的 一个或者多个入口和/或出口。
图3示出真空绝缘的模块化终端外壳302。在此情况中，用于电相的支 路(最右边两个)相同，但是与中性导体的(最左边的)不同。可选的热收 缩补偿元件321被示出在终端外壳302上的不同位置。每个支路经由密封凸 缘322耦合到包括在环境温度下的热锚311的液体水平控制段，其再次(也 经由密封凸缘322)耦合到电绝缘器段312。电绝缘器段312是可选地并且 基于功能(中性导体或者相)并基于额定电压而被包括进来。在电绝缘器上 面，在高电势处是电流终端盖313，其经由密封凸缘322耦合到顶部螺栓314。
图4示出模块化方法的实施例，其中支路最少，即冷到环境的转变被并 入电压转变，绝缘器412。此外，说明以不同的方式连接不同的段(液体水 平和热锚段411、电绝缘器段412和电流终端盖段413)。
图5示出通过加热器585实现的处于环境温度和接地电势的热锚段511。 可替代地，该实施例通过受控加热器、热辐射源、红外光灯、风扇、冷却肋 片或者类似件的任意组合来实现。
图6说明应用热传感器684、液体水平测量仪682、压力测量仪683以 及真空测量仪681用于真空绝缘。类似地，流检测器可以紧密地应用到中性 支路或者其中。601是冷却液体。电缆的末端段使用附图标记600标出。该 电流线614被示出为连接到电流套件616，该电流套件616经由电流夹615 和电相(或者中性导体)的接触表面具有电接触，电流夹615安装在电流套 件616周围并且和电流套件616具有电接触。
图7示出柔性支路电流线的细节。该元件由多个部件和部分组成，用来 使得支路电流线的安装变得容易。然而，这并未妨碍支路电流线在一个完整 组装件中实现。然而在此情况中，需要在场中的电流和电压元件周围建立终 端外壳，而不是如同在此情况中在完整的终端外壳和绝缘件内部插入和连接 不同的部分和段。在图7a中，电流线包括刚性部分714C、用于补偿热收缩 的柔性部分714B、构成与电网的标准接口的顶部螺栓部分714A、启用内部 和外部之间的压力差的密封顶端螺栓通道722、连接电流夹715的电流线。 示出电流线的柔性部分714B和刚性部分714A和714C之间的容易接触的连 接714D，且其可以通过图7b的713中的可移动盖来实现。
这些部分可以各自可选地使用螺栓或者焊接/钎焊/熔接或者胶粘来加 入。该座面区域被最大化来获得低阻抗连接。在所述实施例中，电流夹715 接触到电流套件716，其是相导体的实际电流终端。在此情况中，电流套件 和相导体通过焊接连接。在此实施例中，电流套件和夹之间的连接以及夹与 电流线之间的连接通过将这些元件螺栓连接在一起来提供。在另一个实施例 中，可以焊料连接同样的部分，任一部分可以被略去或者可以应用焊接和螺 栓连接在一起的任意组合来最小化连接阻抗并且提供容易的组装。在此例 中，所有的部分由Cu制成，也可以是任何其他的材料或者具有合适电阻(包 括处于低温时)的材料的组合物。
图8a示出形成终端单元的电流支路元件的模块，包括电缆的末端段 800、套件816、夹815、电流线座组件(电流线基部)814、814E、和用于 以冷却通道818的形式进行热交换的替代装置。该电相导体和套件焊料连接。 对于所有相，套件、夹和电流线可以是类似的。
在接地和/或中性连接中，这些部分可以类似但是可以典型地是更节约 的设计，用来最小化从环境到低温段的热泄漏。关于所有的电传导部分，其 每一个可以被独立省去，通过焊接、钎焊、熔接、熔化、胶合、分解或者任 意其它化学-物理方法来连接，或者通过螺栓、夹或者任意其它机械方法来 连接。为了改进电和/或机械接触，这些部分可以被表面处理，来获得特定 的物理外表，和/或被涂覆来避免侵蚀或者化学吸附性污染。
在图8b中，给出关于电流套件的一个例子，其适于通过在导体800和 电流套件816之间具有平滑的锥形接口(电流套件816的左部分)，使得超 导带最小化机械应力以及优化电接触。在此例中，通过焊接完成连接。该套 件被定位于并且中心位于具有调整插入件817的下层(相或者线圈架)周围， 该插入件可以通过在低温操作的纤维增强聚合物(FRP)或者其它电绝缘材 料制成。在此实施例中，调整插入件也可以构成自适应插入件并且用于提供 到电流套件816的相同的径向尺寸，使得相同的套件单元可以用于所有相并 且用于接地连接(中性连接)。然而，接地通常可以具有不同的设计。夹子 具有纵向孔818，用于通过冷却液体801。以此方式，夹子用作热交换器并 且最终用作低温温度下的有效的热锚。可替代地，该孔和由此的热锚可以位 于电流线座814E中、套件816中或者这些位置的任意组合(图8a)。正如所 示，电流线座814E和电流夹的顶端部件815A之间的接口可以是Z字形。
图9a示出包括电场控制元件956的简单的场控制系统，例如以金属或 者半导表面的形式。场控制元件电连接957到电缆导体900R的相电势并且 从而限定包括冷却液体901和冷却装置918的等位体。冷却剂流引导管950 将冷却剂901的一部分引导通过等位体。
在图9b中，以单独部分构成电场控制元件(956、951、952)的形式来 提供场控制系统，来简化安装并且用来隔离每个元件的功能。除了电缆957 的总的电介质，支路的电介质包括在导体900和套件916之间的调整插入件 917(其可以被电绝缘)、由例如G10型的纤维增强环氧塑料制成的预制的水 平电介质950，形成和冷却液一起的组合物电介质并且引导冷却剂流。在此 示意图中，元件950还构成两个相或者相与中性导体之间的纵向隔离件/托 脚。从而可以得到接触表面之间的大体相同的纵向距离。由例如G10制成的 预制的垂直电介质952位于终端外壳902的垂直支路壁和电流线914之间。 元件952具有包括一个或者多个元件的场控制系统，涂覆在诸如高电压侧/ 内侧上的金属956，在952(G10)和951(ULTEMTM)之间的接口958中延 伸的蠕变距离。在垂直电介质952的内侧954和外侧953上以及定中心和固 定装置955上存在填充器。在垂直电介质952、外部953和内部954之间， 填充器是冷却液体，该液体同样可选地注入到电介质和/或填充器。水平电 介质951(ULTEMTM)具有双重功能，促进从相到一个相(例如900R)的地 (外壳)的转变，同时是组合物电介质(电介质950、951、和冷却液体901) 以及导体900的一个相(900R)和随后的相(900S)之间的转变的场控制元 件(956)的一部分。此外，元件951提供水平开口959处的增加的蠕变距 离。在自适应插入件917E(刀刃形)和电流套件916E(刀刃形)中集成场 控制元件。
图9b中的电压支路元件的各自部分由同样的电介质材料或者不同电介 质材料的组合制成。集成电压支路布置(951+952+956)和电流支路布置 (916+915+914)并且一起提供包括用于在冷却液体、接触表面和电流线基 部之间热交换的装置918的等位体。这些部分互相机械支撑。
在图10、11a和11b中，示出冷却液体输入/输出的两个实施例。在图 10中，选择相对于环形流调整中心流将冷却液体注入。使用该控制阀1086， 可以将冷却液体引导到导体的中心101c(图1)和/或到在导体和热封装件 之间的环101a。此外，冷却液体被用于冷却电缆以及冷却终端部分。
在图11a中，实现了一个实施例，其中终端提供用于电缆的反向流配置。 通过接近中性导体的1187g吸取来自电缆的温的冷却液体。在附近，通过 1187f注入冷的冷却液体，以单独环形流通过终端。中心流注入终端的末端 1186f。在阀门1186f关闭的情况中，电缆和终端以中心的停滞的冷却液体 进行操作。该供应和返回配置的优点在于由终端所分散的负载不运载通过电 缆，因此提供对于电缆的增加的热窗。
在图11b中，电缆的所述反向流配置在电缆系统的相对末端中实现。冷 却液体注入接近中性电流线1187f，随后分成为电缆环形流和通过终端的单 独的环形流中。电缆的中心流和所述终端的环形流通过阀门1186f和1186g 从终端的末端被吸取。在阀门1186f关闭的情况中，电缆和终端使用中心中 停滞的冷却液体来操作。该供应和返回配置的优点在于由终端所分散的负载 不运载通过电缆，因此提供对于电缆的增加的热窗。可选冷却器1188被示 出用于重新产生冷却液体。
图12示出将终端1202连接到低温恒温器1202c的可选适配器或者转接 片1225。适配器1225包括可选的热收缩补偿1221D和真空阀和/或测量仪 1281。在此实施例中，转接片1225是真空绝缘的，然而，其也可以是泡沫 绝缘的或者泡沫和真空绝缘的组合。
图13说明关于终端1302机械固定电缆的内部夹1318。在此实施例中， 机械固定件位于到终端适配器1325的低温恒温器中，然而其也可以容易地 位于终端1302的中性段中或者机械固定件不损害电绝缘的接地电势处的另 一个段中。可替代地，该固定件用电介质材料制造并且和其它电绝缘部件集 成。
图14说明相1400R、S或者T或者中性导体的一个末端段的内部部件， 其中，线圈架1400f通过加固器1419机械支撑。
加固器1419可以是圆柱形对称的并且可以是中空的用于启用冷却液体 或者固体的流，从而禁止任何流通过电缆的末端段的中心。
图15A和15B示出单个相或者中性导体，其中HTS带/线1500和/或Cu 带/线1500结合到套件1516。在15B中，详细示出套件1516来说明类似梯 形的连接区域，其可以适用于其是否是具有HTS带/线或者Cu带/线的连接。 在本实施例中，所给出的例子对于Cu的交迭区域是2cm并且对于HTS带/线 是5cm。梯的步高可以选择性地适应于所使用的HTS或者Cu带/线的厚度。 此外，自适应插入件1517被示出为位于围绕下面的电绝缘相邻相，替代地 围绕中心线圈架。
图16说明具有预制的调整例如自适应插入件1617的原理，其可以适应 于所暴露的不同相和中性导体的半径范围。该自适应插入件可以使用例如 G 10制成。该自适应插入件1617给出层叠的电流套件1616，其为一致的尺 寸以使得一个单独的套外形符合所有的相和中性导体，并且只要高电压部件 和额定电流在合理的相同范围内，可以被用在整个不同的电缆终端中。可替 代地，电流套件1616可以被制造为自适应片，因此给予电流夹1615，其为 统一的尺寸。此外，电流套件1616具有匹配于电流夹1615的表面，该表面 长于启用受限范围的纵向自由度的电流夹，用于定位该电流夹并且从而定位 电流线。
已经示出了一些优选实施例，但应当强调指出，本发明不局限于此，而 是可以按在以下的权利要求中限定的主题内的其它方式来体现。例子被示出 用于三相电缆(三柱)，但是也可以容易地修改为用于任意其它数量的电相。