CN102760530B - 超导缆线装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超导缆线装置，该超导缆线装置包括：第一超导缆线和第二超导缆线；中间连接盒，该中间连接盒将所述第一超导缆线和所述第二超导缆线相互连接；以及冷却装置，该冷却装置使得冷却剂在中间连接盒的内部沿着中间连接盒的纵向方向流动，其中在所述中间连接盒中设有用于将所述第一超导缆线和所述第二超导缆线相互连接的缆线连接部分。在未冷却状态下，所述缆线连接部分布置为沿着冷却剂流动的方向相对于在中间连接盒的纵向方向上的中心线偏离。

Description

超导缆线装置

技术领域

本公开涉及一种超导缆线装置，更具体地，涉及一种通过将多个超导缆线连接而延长的超导缆线装置。

背景技术

已经开发了一种电阻非常低的超导缆线以使导电效率最大化。超导缆线通常包括有由电阻接近零的超导导线制成的缆线芯，以及覆盖该缆线芯的双重绝热管。为了将为超导导线的缆线芯保持在处于超导导线的临界温度或临界温度以下的已冷却状态，超导缆线具有特殊的热隔绝结构。

目前，为使超导缆线商业化，已经作出将多个超导缆线连接从而延长的努力。

为了延长超导缆线，使用了能够将超导缆线连接的中间接线盒。中间连接盒用作超导缆线的固定点，并且超导缆线在中间连接盒的内部连接。

为了使超导缆线相互连接，延伸到中间连接盒的超导缆线的缆线芯通过焊接相互固定。为了牢固地保持已连接的缆线芯的固定状态，已连接的缆线芯利用诸如聚丙烯层压纸(PPLP)的绝缘纸包绕并且固定。因而，在中间连接盒的内部形成厚的缆线连接部分。

为了确保被延长的超导缆线装置的性能，需要优化在中间连接盒内部的缆线连接部分的位置。如果缆线连接部分的位置未被优化，例如便可能发生由于热量局部侵入中间连接盒引起的缆线连接部分的绝热击穿(insulation breakdown)。此外，由于在冷却过程中缆线连接部分的位置由于超导缆线的热收缩而移动，因此缆线连接部分与中间连接盒的内部盒相接触并且被损坏。

发明内容

本公开提供了一种超导缆线装置，该超导缆线装置被延长并且其中缆线连接部分的位置在中间连接盒中被优化。

在一个方面，提供一种超导缆线装置，该超导缆线装置包括：第一超导缆线和第二超导缆线；中间连接盒，该中间连接盒将第一超导缆线和第二超导缆线相互连接；以及冷却装置，该冷却装置使得冷却剂在中间连接盒的内部沿着中间连接盒的纵向方向流动，其中在中间连接盒中设有用于将第一超导缆线和第二超导缆线相互连接的缆线连接部分。在未冷却状态下，缆线连接部分布置为沿着冷却剂流动的方向相对于在中间连接盒的纵向方向上的中心线偏离。

在已冷却状态下，由于侵入中间连接盒的热量而在中间连接盒内部的两个端部处均形成高温区域，在中间连接盒内部的中间部分处形成温度低于高温区域的温度的低温区域，并且缆线连接部分的位置被调节到中间连接盒内部的低温区域。

根据一个实施方式，在已冷却状态下，缆线连接部分的中心可以定位于在中间连接盒的纵向方向上的中心线处。

超导缆线装置还可包括：与第一超导缆线连接的第一端子连接盒；以及与第二超导缆线连接的第二端子连接盒。在第一端子连接盒中设有供冷却剂经其注入的冷却剂入口；并且在第二端子连接盒中设有供冷却剂经其流出的冷却剂出口。通过冷却剂入口注入的冷却剂通过第一超导缆线流入到中间连接盒中，并且从中间连接盒流出的冷却剂穿过第二超导缆线并且通过冷却剂出口流出。

由第一超导缆线的热收缩率来确定在未冷却状态下缆线连接部分相对于在中间连接盒的纵向方向上的中心线所偏离的距离。根据一个实施方式，在未冷却状态下，缆线连接部分的中心相对于在中间连接盒的纵向方向上的中心线所偏离的距离是从第一端子连接盒的冷却剂入口到在中间连接盒的纵向方向上的中心线的距离的0.2％到0.5％。

第一超导缆线和第二超导缆线各自均可包括缆线芯以及覆盖缆线芯的绝热管，第一超导缆线和第二超导缆线的绝热管可以分别连接到中间连接盒的两个端部，第一超导缆线和第二超导缆线各自的缆线芯均可以延伸到中间连接盒的内部并且可以相互连接，并且第一超导缆线和第二超导缆线各自的绝热管均可以通过伸缩接头接合到中间连接盒。

中间连接盒可以包括移动单元，以便能够调节中间连接盒的位置。

附图说明

根据结合附图的以下详细描述，将会更加明了所公开的示例性实施方式的上述的及其它的方面、特征和优点，在附图中：

图1是根据一个实施方式的超导缆线装置的概念性视图；

图2示出了在图1的超导缆线装置中包括的超导缆线的一部分；

图3示出了在图1的超导缆线装置中包括的超导缆线和中间连接盒；

图4是示出超导缆线装置的“未冷却状态”和“已冷却状态”的曲线图；

图5是示出了图3的中间连接盒内部的温度分布的概念性视图；以及

图6是根据另一个实施方式的超导缆线装置的概念性视图。

具体实施方式

现在将在下面参照附图更加全面地描述示例性实施方式，在附图中示出了示例性的实施方式。然而，本公开可以以多种不同形式来实施，并且不应当理解为局限于在本文中所阐述的示例性实施方式。相反地，提供这些实施方式，使得本公开充分完全，并向本领域的技术人员全面传达本发明的范围。在描述中，将省略众所周知的特征和技术的细节以避免对所提出的实施方式造成不必要的模糊。

除非另有定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本领域的普通技术人员所共同的理解相同的含义。还要理解的是，诸如在常用词典中定义的那些术语等的术语应当解释为它们在相关技术的语境和本公开中具有一致的含义，并且不能从理想化或者过于形式化的意义上去解释，除非在本文明确这样定义。

在附图中，附图中相同的附图标记表示相同元件。为了清楚的目的，可能会夸大附图中的形状、尺寸和区域等。

图1是根据一个实施方式的超导缆线装置1的概念性视图。

如图1中所示，根据此实施方式的超导缆线装置1包括第一缆线超导缆线10、第二超导缆线20、以及将第一超导缆线10与第二超导缆线20相互连接的中间连接盒40。

第一超导缆线10包括由超导导线制成的缆线芯11以及覆盖缆线芯11的绝热管12。

第一超导缆线10的绝热管12连接到中间连接盒40的一个端部。在第一超导缆线10和中间连接盒40的连接部分，设有用作伸缩接头的波纹管42。波纹管42是能够收缩与伸展的构件，并且具有当第一超导缆线10的绝热管12进行热收缩时消除在收缩方向上对于中间连接盒40的拉力的作用。

第一超导缆线10的另一个端部连接到第一端子连接盒50。由于连接到超导缆线的端子并用作电信号端子的端子连接盒的构造是公知的，因此将省略对其详细的描述。第一端子连接盒50设有冷却剂入口71，低温冷却剂70通过该冷却剂入口流入。在该实施方式中，用作冷却剂70的是液氮。

第二超导缆线20包括由超导导线制成的缆线芯21以及覆盖缆线芯21的绝热管22。

第二超导缆线20的绝热管22连接到中间连接盒40的一个端部。在第二超导缆线20和中间连接盒40的连接部分，也设有波纹管43。

第二超导缆线20的另一个端部连接到第二端子连接盒60。第二端子连接盒60设有冷却剂出口72，穿过第二超导缆线20的冷却剂70通过该冷却剂出口72流出。

第一超导缆线10和第二超导缆线20各自的缆线芯11和21延伸到中间连接盒40的内部并且相互连接。

在第一超导缆线10和第二超导缆线20各自的缆线芯11和21相互连接的部分处，形成了厚度为缆线芯11和12厚度的许多倍的缆线连接部分30。

此外，第一超导缆线10的缆线芯11和第二超导缆线20的缆线芯21分别地连接到在第一端子连接盒50和第二端子连接盒60内部形成的终端缆线芯51和61。

根据该实施方式的超导缆线装置1包括用于冷却该装置的冷却装置(未示出)。

低温冷却剂70由该冷却装置通过冷却剂入口71注入。注入的冷却剂70流入到第一超导缆线10的绝热管12中。流入到第一超导缆线10的冷却剂70穿过中间连接盒40然后流入到第二超导缆线20的绝热管22中。流入到第二超导缆线20中的冷却剂70流入第二端子连接盒60然后通过冷却剂出口72流出该装置。冷却装置可以包括冷却剂循环系统，该冷却剂循环系统使通过冷却剂出口72流出的冷却剂70再次冷却，并且使冷却剂通过冷却剂入口71再次注入。

根据该实施方式，冷却剂70在中间连接盒40内部沿着中间连接盒40的纵向方向从第一超导缆线10到第二超导缆线20的流动并且冷却中间连接盒40的内部。

在图1中的未描述的附图标记31表示缆线芯11的热收缩的方向，附图标记30′表示在冷却装置的运转状态下的处于优化位置的缆线连接部分，附图标记41表示轮子。未描述的元件将在后面详细地描述。

图2示出了根据本实施方式第一超导缆线10的一部分。为了便于描述，在图2中，省略了第一超导缆线10的一部分长度。此外，为了描述第一超导缆线10的内部结构，在图2中示出了一部分被切除的第一超导缆线10。

如图2中所示，第一超导缆线10包括缆线芯11与覆盖缆线芯11的由金属制成的绝热管12。第一超导缆线10的绝热管12具有双重结构，以使缆线芯11保持在等于或者低于其临界温度的温度，该双重结构包括覆盖缆线芯11的内绝热管13和覆盖内绝热管13的外绝热管14。

在内绝热管13中，冷却剂70流动并且冷却缆线芯11。为了对内绝热管13热隔绝，在内绝热管13与外绝热管14之间的空间内保持真空状态。

在图2中，第一超导缆线10被示出为仅包括单独的缆线芯11。然而，这仅仅是为了便于图示，根据本实施方式的第一超导缆线10包括三根缆线芯11(参见图3)。所述三根缆线芯11在被扭绞的同时被储存在内绝热管13中。

由于第二超导缆线20的构造与上述的第一超导缆线10的构造大致相同，因此将省略对于第二超导缆线20的构造的描述。

图3详细地示出了第一超导缆线10和第二超导缆线20通过中间连接盒40相互连接的状态。

根据本实施方式的中间连接盒40具有包括有外盒44和内盒45的双重结构。从第一超导缆线10流出的冷却剂70流入到内盒45并且冷却在中间连接盒40中存储的缆线芯11和21。在外部盒44与内部盒45之间形成有真空层，因此能够使得对于中间连接盒40内部的热量侵入最小化。

在中间连接盒40的两个端部安装有间隔件和分隔壁46，以保持外盒44和内盒45之间的真空状态。根据本实施方式，间隔件和分隔壁46由纤维加强塑料(FRP)或者热导率等于或者低于FRP的材料形成。

第一超导缆线10和第二超导缆线20各自的缆线芯11和21延伸到中间连接盒40的内盒45的内部并且相互连接。

如图3所示，在第一超导缆线10的绝热管内部被扭绞的三股缆线芯11在中间连接盒40的内部被拆开，并且第二超导缆线20的缆线芯21也在中间连接盒40的内部被拆开。

被拆开的相应的缆线芯11和21逐个相互连接并且通过焊接固定。为了牢固地保持缆线芯11和21的连接状态，所述多股已连接的缆线芯11和21被诸如聚乙烯层压纸(PPLP)等的绝缘纸包绕从变厚。使用多个夹具32来固定所形成的三股缆线芯。于是，在中间连接盒40的内部形成厚度为缆线芯厚度的许多倍的厚的缆线连接部分30。在此实施方式中，缆线连接部分30与缆线芯11和21之间的边界是已被连接的三股缆线芯的被初始分开的那部分。

在下文中，将要描述对于在中间连接盒40内部的缆线连接部分30的位置进行优化的需要。

图4是示出超导缆线装置的“未冷却状态”和“已冷却状态”的曲线图。超导缆线和超导缆线装置1的中间连接盒40的内部温度与环境大气温度处于平衡的状态被称作“未冷却状态”，而通过冷却剂使得超导缆线装置1保持在等于或者低于其临界温度的温度的状态被称作“已冷却状态”。在未冷却状态与已冷却状态之间可以提供“冷却过渡区”。当冷却装置致使冷却剂流入到超导缆线和中间连接盒中时可能会发生这种现象。

再次参照图3，处于冷却状态的冷却剂70从第一超导缆线10流入到中间连接盒40。此时，在缆线连接部分30的位置偏向第一超导缆线10的情形中，即，在缆线连接部分30布置为接近中间连接盒40的冷却剂入口的情形中，以较高速度流入中间连接盒40的冷却剂70立即与缆线连接部分30发生碰撞。由于缆线连接部分30的直径大于缆线芯的直径，因此当冷却剂70与缆线连接部分30碰撞时发生大的涡流。因此，在中间连接盒40的内部不能适当地进行冷却剂的循环。为了使制冷剂恰当地循环，需要增加冷却装置容量等的其它措施。

除了上述的机械原因之外，出于与电相关的考虑，也需要优化在中间连接盒40内部的缆线连接部分30的位置。

图5是示出了当中间连接盒40被冷却剂70冷却时在中间连接盒40内部的温度分布的概念性视图。

如上所述，在中间连接盒40的两个端部处，间隔件与分隔壁46安装在内盒45与外盒44之间。因此，当由于通过间隔件和分隔壁46的热传导而发生外部热量侵入到中间连接盒40的情况时，在中间连接盒40的两个端部处的冷却剂的温度增加。

因而，在中间连接盒40的两个端部处，形成了与中间部分的温度相比相对具有更高温度的高温区域，并且在中心部分形成了低温区域。也就是说，在中间连接盒40中，连接盒的两个端部与中间部分之间存在温度差异。

在本实施方式中，具有比中间连接盒40内部的冷却剂70的平均温度高5℃或更高温度的区域被定义为高温区域。由于中间连接盒40内部的冷却剂的平均温度为大约-201℃，因此根据该实施方式的高温区域是具有等于或高于-196℃(77K)的温度范围的区域，并且低温区域是除了高温区域以外的区域并且具有的温度低于高温区域的温度。

通常，当超导缆线装置中的超导缆线的温度降低1℃时，超导缆线的载流容量增加约8％。当缆线连接部分30定位在中间连接盒40内部的高温区域中(即，在两个端部处)同时超导缆线装置1运行时，缆线连接部分30的温度可能比低温区域的温度升高约5℃或者更多温度。换句话说，当缆线连接部分30定位在中间连接盒40内部的高温区域中时，与缆线连接部分30定位在低温区域中的情形相比，超导缆线装置1的全部载流容量可能减小40％或者减少更多。因此，缆线连接部分在中间连接盒内部的位置对所述装置的性能具有重大的影响。

此外，定位在中间连接盒40内部的缆线连接部分30包括焊接部分和用于连接到缆线芯的夹具32。在自身由超导导线制成的缆线芯中，电阻接近于0；然而，焊接部分和夹具具有电阻。因此，当电流施加到缆线同时超导缆线装置1运行时，由于焊接部分、夹具等的电阻导致缆线连接部分30被局部地加热。当被局部加热的缆线连接部分30定位在中间连接盒40内部的高温区域中时，缆线连接部分30的温度过度地增加，并且在严重的情形中，有破坏超导状态的危险。

根据该实施方式，为了避免超导缆线装置的效率降低以及避免破坏超导状态的危险，优化了中间连接盒40内部的缆线连接部分30的位置。

再次参见图1，根据该实施方式，处于未冷却状态的缆线连接部分30布置为沿着冷却剂70流动的方向(在图1中从左到右)相对于在中间连接盒40的纵向方向上的中心线(CL)偏离。

当冷却剂70在冷却装置运行时被注入到冷却剂入口71时，第一超导缆线10的缆线芯11从冷却入剂口71逐渐冷却。因而，缆线芯11沿着箭头31的方向进行热收缩，并且热收缩率随着缆线芯11进入中间连接盒40而增加。由于缆线芯11的该热收缩，随着缆线连接部分30在中间连接盒40的内部移动到左侧，缆线连接部分30的位置被调整。

在该实施方式中，在缆线芯11完全被冷却装置冷却的状态下，缆线连接部分30的中心位于在中间连接盒40的纵向方向上CL处。因而，缆线连接部分30的位置被调整到中间连接盒40内部的低温区域。

如在该实施方式中，当缆线连接部分30定位在中间连接盒40内部的低温区域中同时所述装置运行时，所具有的优势在于，与将缆线连接部分30定位在中间连接盒40的高温区域中的情形相比，显著提高了超导缆线装置1的效率。

根据该实施方式，为了将缆线连接部分30的中心定位到在中间连接盒40的纵向方向上的CL处，通过形成第一超导缆线10的缆线芯11的超导导线的热收缩率来确定缆线连接部分30的相对于在中间连接盒40的纵向方向上的CL偏离的初始位置。根据该实施方式，缆线连接部分30的相对于在中间连接盒40的纵向方向上的CL偏离的初始位置被设定为从冷却剂入口71到在中间连接盒40的纵向方向上的CL的距离的0.2％至0.5％。

根据该实施方式，中间连接盒40可以包括移动单元，以便调节中间连接盒40的位置。如图1所示，根据该实施方式的移动单元是在中间连接盒40的下表面下方设置的轮子41。因此，通过在缆线芯11由于热收缩而完全收缩的状态下细微调节中间连接盒40的位置，能够将缆线连接部分30相对于中间连接盒40的位置调节到最佳位置。

在根据本实施方式的超导缆线装置1中，在超导缆线装置1运行时缆线连接部分30被定位在中间连接盒40内部的低温区域中。从而，能够避免由于除了自身电阻引起的发热之外的外部热量侵入而导致的缆线连接部分30的温度上升。

此外，能够避免由于超导缆线的热收缩而引起的缆线连接部分30过于接近中间连接盒40的侧壁，因此能够避免在中间连接盒40中的涡流。进一步地，能够避免缆线连接部分30与中间连接盒40的内盒45接触以及在热收缩过程中被损坏。

参照图1，超导缆线装置1具有两个超导缆线以及一个中间连接盒。然而，本实施方式并不限于此。超导缆线装置1可以通过三个或更多个超导缆线来延长，并且可以在所连接在一起的超导缆线之间附加地布置中间连接盒。

本领域普通技术人员可以理解，上述的本公开的精神和范围也能被应用到通过利用三个或更多个超导缆线来延长超导缆线装置1的情形中。

图6是根据另一个实施方式的超导缆线装置1的概念性视图。

除了中间连接盒40的长度短以外，此实施方式的构造与前述的实施方式的构造相同，因此将省略详细的描述。

根据此实施方式，被布置为在未冷却状态下偏离向中间连接盒40的右端部的缆线连接部分30的位置，通过缆线芯11的热收缩被调节为在冷却状态下接近中间连接盒40的左端部。在该构造中，与图1中示出的实施方式相比，可以减小中间连接盒40的长度。

根据该实施方式的超导缆线装置1具有的优点在于，它能被容易地安装到供放置现有电力设施的小型隧道中。

根据本公开，优化了中间连接盒内部的缆线部分的位置，因此能够使得超导缆线的绝热击穿以及超导导线的损坏最小化。

此外根据本公开，能够最小化所需要的中间连接盒的总长度。

尽管已经示出并描述了示例性的实施方式，但本领域普通技术人员可以理解的是，在不脱离由所附的权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下可以做出在形式和细节上的各种修改。

此外，能够对本公开的教导做出多种修改以适于具体的情况或者材料而不偏离本公开的实质范围。因此，本公开旨在不限于作为被预期用于执行该公开的最佳方式而公开的具体的示例性实施方式，而且本公开将包括落入所附权利要求的范围内的全部实施方式。

Claims (8)

1.一种超导缆线装置，该超导缆线装置包括：

第一超导缆线和第二超导缆线；

中间连接盒，该中间连接盒将所述第一超导缆线和所述第二超导缆线相互连接；以及

冷却装置，该冷却装置使得冷却剂在所述中间连接盒的内部沿着所述中间连接盒的纵向方向流动，

其中在所述中间连接盒中设有用于将所述第一超导缆线和所述第二超导缆线相互连接的缆线连接部分，并且

在未冷却状态下，所述缆线连接部分布置为沿着所述冷却剂流动的方向相对于与所述中间连接盒的纵向方向垂直的中心线偏离。

2.根据权利要求1所述的超导缆线装置，

其中，在已冷却状态下，

由于侵入所述中间连接盒的热量而在所述中间连接盒内部的两个端部处均形成高温区域，

在所述中间连接盒内部的中间部分处形成温度低于所述高温区域的温度的低温区域，并且

所述缆线连接部分的位置被调节到所述中间连接盒内部的所述低温区域。

3.根据权利要求2所述的超导缆线装置，

其中，在所述已冷却状态下，所述缆线连接部分的中心定位于在所述中间连接盒的纵向方向上的中心线处。

4.根据权利要求3所述的超导缆线装置，所述超导缆线装置还包括：

与所述第一超导缆线连接的第一端子连接盒；以及

与所述第二超导缆线连接的第二端子连接盒；

其中在所述第一端子连接盒中设有供冷却剂经其注入的冷却剂入口，

在所述第二端子连接盒中设有供冷却剂经其流出的冷却剂出口，并且

通过所述冷却剂入口注入的所述冷却剂通过所述第一超导缆线流入到所述中间连接盒中，并且从所述中间连接盒流出的所述冷却剂穿过所述第二超导缆线并且经过所述冷却剂出口流出。

5.根据权利要求4所述的超导缆线装置，其中由所述第一超导缆线的热收缩率来确定在所述未冷却状态下所述缆线连接部分相对于在所述中间连接盒的纵向方向上的所述中心线所偏离的距离。

6.根据权利要求5所述的超导缆线装置，其中在所述未冷却状态下，所述缆线连接部分的中心相对于在所述中间连接盒的纵向方向上的所述中心线所偏离的所述距离是从所述第一端子连接盒的所述冷却剂入口到在所述中间连接盒的纵向方向上的所述中心线的距离的0.2％到0.5％。

7.根据权利要求6所述的超导缆线装置，

其中所述第一超导缆线和所述第二超导缆线各自均包括缆线芯以及覆盖所述缆线芯的绝热管，

所述第一超导缆线和所述第二超导缆线的所述绝热管分别连接到所述中间连接盒的两个端部，

所述第一超导缆线和所述第二超导缆线各自的缆线芯均延伸到所述中间连接盒的内部并且相互连接，并且

所述第一超导缆线和所述第二超导缆线各自的绝热管均通过伸缩接头联接到所述中间连接盒。

8.根据权利要求7所述的超导缆线装置，其中所述中间连接盒包括移动单元，以便能够调节所述中间连接盒的位置。