CN102956327B - 一种超导电缆端头结构 - Google Patents

Abstract

一种超导电缆端头结构，包括一端头恒温器，该端头恒温器具有4个相通的接口引出管，其中，电缆本体、制冷系统两个接口引出管分别位于端头恒温器的两端并与其呈180°平行设置，导电层电流引线、屏蔽层电流引线的两个接口引出管同垂立于端头恒温器的一侧边且所在位置分别对应所容置的超导电缆本体的超导导电层及超导屏蔽层的接线位置；端头恒温器由互套的内、外层双容器构成，内、外层容器间的夹层室内呈真空且缠绕有若干层绝热材料。在电流引线与端头恒温器、绝缘件的接口位置设置螺纹密封及压力压紧密封环结构。其可创造绝热性能良好的空间，使超导电缆本体的连接可靠并符合绝缘要求。

Description

一种超导电缆端头结构

技术领域

本发明属于超导电力技术应用领域，尤其涉及一种与三相分体冷绝缘超导电缆本体连接的端头结构。

背景技术

目前，超导电缆从绝缘层工作温度分为热绝缘超导电缆及冷绝缘超导电缆。其中，冷绝缘超导电缆本体的结构如图4所示。图中，冷绝缘超导电缆本体600从内到外分别是：支撑管601、超导导电层602、绝缘层603、超导屏蔽层604及最外围的保护层。超导导电层和电网连接，处于高电位。超导导电层通电时，由于电磁感应及超导屏蔽层的零电阻特性，如果超导屏蔽层形成回路，超导屏蔽层将产生感应电流。该感应电流与超导导电层的电流方向相反、大小相等，从而将消除超导电缆本体外的电磁场。

三相冷绝缘超导电缆本体的布置方式有多种。其中一种是将每一相超导电缆本体放置在一个独立本体恒温器内，每个本体恒温器分别于两个端头处实现与超导电缆本体的连接。端头是实现超导材料向常规金属材料、液氮温度向常温、高电压向零电压（地电压）的过渡。同时，端头还应具有良好的绝热性能、密封性能。外形尺寸尽量小。事实上，常规电缆75%以上的事故都和端头有关。超导电缆的端头比常规电缆端头更加复杂，运行环境更苛刻。因此，端头对超导电缆的稳定运行是至关重要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种超导电缆端头结构，其可以创造一个绝热性能良好的空间，在空间内将超导电缆本体的超导导电层、超导屏蔽层分别向电网、接地线实现可靠并符合绝缘要求的连接。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种超导电缆端头结构，包括端头恒温器、导电层电流引线、屏蔽层电流引线、绝缘件和密封件，其特征在于：该端头恒温器具有4个相通的接口引出管，其中，电缆本体、制冷系统两个接口引出管分别位于端头恒温器的两端并与其呈180°设置，导电层电流引线、屏蔽层电流引线的两个接口引出管同垂立于端头恒温器的一侧边，且分别对应所容置的超导电缆本体的超导导电层及屏蔽层的接线位置。

所述端头恒温器由互套的内、外层双容器构成，内、外层双容器间的夹层室内呈真空且缠绕有绝热材料；在内层容器的水平方向和垂直方向均有膨胀节。

所述的导电层电流引线接口引出管至少具有以下的一种结构：在下端内侧壁有一段从下至上是由大变小的变径部分；在上端外侧有一段从下至上是由大变小的变径部分。

所述的导电层电流引线和屏蔽层电流引线通过接口引出管分别与电网、接地线连接。

所述的端头恒温器中电缆本体、制冷系统两个接口引出管与超导电缆本体及制冷系统的联接处均采用插拔式接口。

所述的导电层电流引线和屏蔽层电流引线由金属导线、金属编织带及接头构成；所述的导电层电流引线、屏蔽层电流引线的接头采用锥面结构。

所述的导电层电流引线、屏蔽层电流引线的两侧设有绝缘件。

在绝缘件与端头恒温器的接口位置设置螺纹密封及压力压紧密封环结构。

所述的螺纹密封及压力压紧密封环结构包括：在导电层电流引线接口引出管、屏蔽层电流引线接口引出管上接近端头恒温器的接口处设有台阶结构，并在纵向壁上有内螺纹；与之所对应，在该两处分别容置的导电层电流引线、屏蔽层电流引线及其两者外套的绝缘件上分别有相互对应接合的台阶构型及纵向壁上的外或内螺纹；且在导电层电流引线、屏蔽层电流引线及其两者外套的绝缘件上分别开设一组容置可压紧密封圈的密封环形槽。

所述在导电层电流引线、屏蔽层电流引线上分别开设的一组容置可压紧密封圈的密封环形槽至少设在两方向处，其一方向处为与各自邻接外套绝缘件的纵向壁上，另一方向处为在底端与各自邻接绝缘件的横向壁上；在导电层电流引线的外套绝缘件及屏蔽层电流引线外套的绝缘件上分别开设的一组容置可压紧密封圈的密封环形槽亦至少设在两方向处，其一方向处分别为与相互邻接的导电层电流引线接口引出管、屏蔽层电流引线接口引出管的纵向壁上，另一方向处为底端邻接导电层电流引线接口引出管、屏蔽层电流引线接口引出管的横向壁上。

在所述屏蔽层电流引线外套的绝缘件上设置外延绝缘件；该外延绝缘件优选的外形为伞群；或在该绝缘件上套装绝缘套管。

本发明的优点在于：

1．绝热、绝缘性能强，内、外双层管的设计及在其内缠绕有若干层绝热材料并抽真空处理，使得该端头结构完全可满足超导电缆正常运行时的绝热、绝缘要求；

2．采用多重的密封方式，有效的保障端头具有良好的密封性能；

3. 与电缆本体、制冷系统采用插拔式连接方式，安装方便，可反复拆装。

附图说明

图1为本发明超导电缆端头结构示意图（截面）。

图2为本发明超导电缆端头内的导电层电流引线的结构示意图（截面）。

图3为本发明超导电缆端头内的屏蔽层电流引线的结构示意图（截面）。

图4为冷绝缘超导电缆本体结构示意图（横截面）。

图中：100-端头恒温器；101-端头恒温器外层容器；102-端头恒温器内层容器；103-真空绝热层；104-电缆本体接口引出管；105-制冷系统接口引出管；106-屏蔽层电流引线接口引出管；106a-台阶；106b-内螺纹；107-导电层电流引线接口引出管；107a-内螺纹；107b-导电层引出管内管；107c-变径腔壁；200-导电层电流引线；201-铜柱；202-铜编织带；203-外螺纹；204-环形槽；205-密封圈；206-接头；20-7环形槽；208-密封圈；300-屏蔽层电流引线；301-铜柱；302-铜编织带；303-外螺纹；304-环形槽；305-密封圈；306-接头；307-环形槽；308-密封圈；400-导电层绝缘件；401-环氧树脂管；402-外螺纹；403-环形槽；404-密封圈；405-台阶；406-环形槽；407-密封圈；408-台阶；409-内螺纹；410-绝缘伞群；500-屏蔽层绝缘件；501-环氧树脂管；502-外螺纹；503-环形槽；504-密封圈；505-台阶；506-环形槽；507-密封圈；508-台阶；509-内螺纹；600-冷绝缘超导电缆本体；601-支撑管（former）；602-超导导电层；603-电绝缘层；604-超导屏蔽层。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式

如图1所示，本发明超导电缆端头结构包括一容置超导电缆本体的端头恒温器100，该端头恒温器呈筒形且具有4个相通的接口引出管104、105、106和107，其中，与电缆本体、制冷系统连接的两个接口引出管104、105分别位于筒形端头恒温器的两端并与其呈180°平行设置，方便导电层和屏蔽层电流引线（200、300）与电缆本体600的安装。可以制成一体式，或亦可为分体式。导电层电流引线、屏蔽层电流引线的两个接口引出管106、107同垂立于端头恒温器的一侧边且所在位置分别对应所容置的超导电缆本体的超导导电层及超导屏蔽层的位置。

所述的端头恒温器100是端头的主体，由304不锈钢材料制成，其作用是保证低温下的强度，304不锈钢材料在低温下仍能保持良好的机械性能，通过氩弧焊能制成各种形状。本发明的端头恒温器100由互套的外层容器101和内层容器102组成，内层容器102是液氮的流动通道，也是容纳电缆本体600的空间。电缆本体600放置在端头内层容器102内，被液氮浸泡着。为防止内层容器102冷却时产生的收缩应力对材料及焊缝造成损坏，内层容器102的水平方向和垂直方向均有波纹膨胀节。外层容器101是外形和内层容器102相同且尺寸稍大的容器。外层容器101和环境接触，处于常温状态。内层容器102和外层容器101温度相差约200℃，必须具备良好的绝热措施。优选采用不锈钢材料制作内、外层容器102、101。在内外层容器102、101夹置的空间103内，缠绕多层（一层以上）绝热材料，并将内、外层容器102、101之间的真空绝热层103抽真空，抽嘴（图中未画出）位于外层容器101。采用高真空多层绝热结构，内、外层容器102、101的距离可以很紧凑。

所述的屏蔽层电流引线引管106和导电层电流引线引管107处于垂直方向。屏蔽层电流引线引管106内管为台阶状。台阶106a位于引管的下端，直径小于上端直径。台阶106a具有内螺纹106b。与内螺纹106a垂直的台阶面为光滑平面，其粗糙度符合密封圈的要求。引管106上端由光滑不锈钢管及波纹膨胀节组成。波纹膨胀节位于接近下端台阶106a处。引管的最上端具有坡口，用于放置密封圈。

所述的导电层电流引线引管107和屏蔽层电流引线引管106结构类似，同样具有台阶107a、内螺纹107b、膨胀节和坡口。所不同的是，导电层电流引线引管下端有一个变径107c，管径107c由大变小。变径107c的作用是由于导电层电流引线200处于高压。终端恒温器100处于零电压（地电压）。导电层电流引线200在最下端是裸露的，其离终端恒温器100最近的地方是水平方向的内层管道。变径107c的作用是在不增大水平方向内管直径的同时，增大电流引线裸露点离终端恒温器100的距离，同时满足绝缘距离的要求。

导电层电流引线引管107的上端，外层管道也有一个变径，其作用是尽量减少接口法兰的直径。

导电层电流引线200由铜制成。电流引线200的上端是由铜柱201制成。铜柱201下端为台阶状，下端台阶具有外螺纹203，该外螺纹203与绝缘件500相应的内螺纹509一致。铜柱201上与螺纹垂直的台阶上有环形槽207，环形槽内放置四氟密封圈208。铜柱201上端有多道环形槽204，环形槽内放置橡胶密封圈205。电流引线200的下端由铜编织202带制成。铜柱201和铜编织202带通过焊接连接。铜编织带202的下端还有与超导电缆导电层或屏蔽层连接的铜接头209。铜编织带202使得铜接头209有一定的活动范围。

屏蔽层电流引线300通流与导电层电流引线200的通流相差不大。屏蔽层电流引线300的结构与导电层电流引线200一致。

导电层电流引线的绝缘件400外形为环氧树脂圆筒。绝缘件圆筒外为台阶状，台阶405上为外螺纹402。该外螺纹402和端头导电层电流引线引管的内螺纹203一致。绝缘件圆筒外表面与螺纹垂直方向上有环形槽406，环形槽内有四氟密封圈407。绝缘件圆筒外表面靠近常温端有多道槽403，环形槽内为密封橡胶圈404。绝缘体的内表面上有台阶408，台阶上有内螺纹409。该内螺纹409和导电层电流引线的外螺纹203一致。

虽然屏蔽层电流引线300和端头恒温器100一样是地电位，由于屏蔽层电流引线300通流较大，并不希望与端头恒温器100产生电连接。因此，屏蔽层电流引线300也需要绝缘件500，绝缘件500的结构与导电层电流引线绝缘400件类似。屏蔽层电流引线绝缘件500的螺纹、台阶、密封槽与导电层电流引线绝缘400件类似。屏蔽层电流引线绝缘件500的直径、厚度主要从密封性能角度考虑，不需要考虑绝缘性能。

安装时，先分别将导电层、屏蔽层的电流引线200、300及它们外套的绝缘件400、500安装在端头恒温器100内。将超导电缆本体600从端头的电缆本体引管104引入。引入时，屏蔽层电流引线的接头306穿过电缆本体600，到达电缆本体屏蔽层终止处的位置。导电层、屏蔽层电流引线200、300与电缆连接均采用低电阻连接结构。优选锥面作为低电阻连接结构。一个锥面和导电层602或屏蔽层603焊接，另一个锥面就是导电层或屏蔽层电流引线接头（206、306）。安装时，用螺栓将两个锥面拧紧即可。先将电缆本体的屏蔽层与屏蔽层电流引线接头306连接。安装时，将长杆状的拧紧工具从端头恒温器100的制冷系统引管105处伸入，同时移动导电层电流引线接头206，留出较好的安装视角。

屏蔽层电流引线300安装完成后，以类似的方法安装导电层电流引线200。导电层电流引线200更靠近制冷系统的接口引管105，更容易安装。安装时，可借助灯光照明。

最后安装的是制冷系统。制冷系统与端头连接部分是一根高真空绝热的低温液体输送管道（简称低温管道）。

所述的电缆本体的两端与端头恒温器的联接处及制冷系统的外接件低温管道与端头恒温器的联接处均采用插拔式接口。这种接口的优点是在低温处及常温处均有密封。在双重密封结构下，密封效果良好。同时，安装及拆卸步骤简易。安装时，将低温管道插入端头与制冷系统的接口引管105内，在接口法兰处拧紧螺栓即可完成安装。拆卸时松开螺栓，再把低温管道拔出即可。

安装完成后的端头恒温器100除了电缆本体600及两条电流引线200、300占据的空间，内层容器102的剩余空间均为液氮流动通道。端头恒温器100内的液氮流动通道截面积远大于电缆本体恒温器的截面积。因此，端头结构内不会增加液氮流动的阻力。

端头内层容器102的大小由以下几个因素决定：两条电流引线200、300与电缆本体600连接所需操作空间，额定电压下的绝缘距离，液氮流动通道截面积。一般来说，决定端头恒温器内容器102截面积大小的是绝缘距离。电流引线的接头206、306是裸露的，形状也是不规则的。该处电场较为集中，而且绝缘较为薄弱，主要依靠过冷液氮的浸泡来绝缘。液氮具有很高的绝缘强度。但液氮内一旦出现气泡，其绝缘性能将大大下降。绝缘距离设计一般考虑极端条件下液氮的绝缘性能设计，并考虑一定的安全系数。电缆本体600在端头恒温器内是固定的，保证导电层电流引线、屏蔽层电流引线的接头206、306处于端头恒温器的内层容器管道的轴向中心带上。

端头恒温器100内流动的液氮压力一般是几个大气压。导电层和屏蔽层电流引线200、300的密封是通过螺纹密封及压力压紧密封环来实现的。电流引线200、300的密封包括:电流引线200、300分别与绝缘件400、500的密封，绝缘件400、500分别与端头恒温器100的密封。这两种密封在结构上是相同的。下面解释一下绝缘件400、500与端头恒温器100的密封结构。在绝缘件的下端有一处台阶405、505，台阶405、505处有外螺纹402、502及密封槽406、506。外螺纹402、502拧入端头恒温器100，形成第一道密封。台阶405、505处的密封槽406、506内有密封圈407、507，密封圈407、507优选低温下机械性能良好的四氟材料。螺纹拧紧时，同时也将密封圈407、507压紧，形成第二道密封。在绝缘件400、500的上端均有若干道环形槽403、503，槽403、503内均有密封圈404、504。此处靠近外部环境，温度接近常温。密封圈404、504可选用常用的橡胶材料。

导电层和屏蔽层的电流引线200、300和绝缘件400、500的密封和上面类似，同样包括了螺纹、低温密封圈、常温密封圈结构。在端头电流引线引管的上端，有一个法兰防止电流引线及其绝缘件在液氮压力下往外移动。

由于环境温度、湿度的变化会改变绝缘材料的绝缘性能。导电层绝缘件400在露出终端恒温器100以外的部分应满足各种环境条件下的绝缘要求。优选的外形为伞群410。伞群410的材料可以和导电层绝缘件400材料一致，也可以在导电层绝缘件400上套装各种绝缘套管，比如热缩、冷缩橡胶套管。套管的形式根据额定电压等级来选取。

屏蔽层电流引线是接地的，无需考虑绝缘问题。

综上所述，本发明设计的超导电缆端头结构能满足三相分体的冷绝缘超导电缆与电网、制冷系统的连接要求。

上述各实施例可在不脱离本发明的范围下加以若干变化，故以上的说明所包含及附图中所示的结构应视为例示性，而非用以限制本发明申请专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种超导电缆端头结构，包括端头恒温器、导电层电流引线、屏蔽层电流引线、绝缘件和密封件，其特征在于：该端头恒温器具有4个相通的接口引出管，其中，电缆本体、制冷系统两个接口引出管分别位于端头恒温器的两端并与其呈180°设置，导电层电流引线、屏蔽层电流引线的两个接口引出管同垂立于端头恒温器的一侧边，且分别对应所容置的超导电缆本体的超导导电层及屏蔽层的接线位置；其中，该导电层电流引线接口引出管至少具有以下的一种结构：在下端内侧壁有一段从下至上是由大变小的变径部分；在上端外侧有一段从下至上是由大变小的变径部分。

2.根据权利要求1所述的超导电缆端头结构，其特征在于：所述端头恒温器由互套的内、外层双容器构成，内、外层双容器间的夹层室内呈真空且缠绕有绝热材料。

3.根据权利要求2所述的超导电缆端头结构，其特征在于：在内层容器的水平方向和垂直方向均有膨胀节。

4.根据权利要求1所述的超导电缆端头结构，其特征在于：所述的端头恒温器中电缆本体、制冷系统两个接口引出管与超导电缆本体及制冷系统的联接处均采用插拔式接口。

5.根据权利要求1所述的超导电缆端头结构，其特征在于：所述的导电层电流引线和屏蔽层电流引线由金属导线、金属编织带及接头构成；所述的导电层电流引线、屏蔽层电流引线的接头采用锥面结构。

6.根据权利要求1所述的超导电缆端头结构，其特征在于：所述的导电层电流引线、屏蔽层电流引线的两侧设有绝缘件；在绝缘件与端头恒温器的接口位置设置螺纹密封及压力压紧密封环结构。

7.根据权利要求6所述的超导电缆端头结构，其特征在于所述的螺纹密封及压力压紧密封环结构包括：在导电层电流引线接口引出管、屏蔽层电流引线接口引出管上接近端头恒温器的接口处设有台阶结构，并在纵向壁上有内螺纹；与之所对应，在该两处分别容置的导电层电流引线、屏蔽层电流引线及其两者外套的绝缘件上分别有相互对应接合的台阶构型及纵向壁上的外或内螺纹；且在导电层电流引线、屏蔽层电流引线及其两者外套的绝缘件上分别开设一组容置可压紧密封圈的密封环形槽。

8.根据权利要求7所述的超导电缆端头结构，其特征在于：所述在导电层电流引线、屏蔽层电流引线上分别开设的一组容置可压紧密封圈的密封环形槽至少设在两方向处，其一方向处为与各自邻接外套绝缘件的纵向壁上，另一方向处为在底端与各自邻接绝缘件的横向壁上；在导电层电流引线的外套绝缘件及屏蔽层电流引线外套的绝缘件上分别开设的一组容置可压紧密封圈的密封环形槽亦至少设在两方向处，其一方向处分别为与相互邻接的导电层电流引线接口引出管、屏蔽层电流引线接口引出管的纵向壁上，另一方向处为底端邻接导电层电流引线接口引出管、屏蔽层电流引线接口引出管的横向壁上。

9.根据权利要求5所述的超导电缆端头结构，其特征在于：在所述屏蔽层电流引线外套的绝缘件上设置外延绝缘件；该外延绝缘件优选的外形为伞裙；或在该绝缘件上套装绝缘套管。