CN104682024B - 一种双电流通道高温超导电缆的多段连接装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于高温超导电缆技术领域，尤其涉及一种双电流通道高温超导电缆的多段连接装置，包括：通电导体的连接部分、绝热保护模块的连接部分、电磁场保护模块的连接部分。其中，通电导体连接采用的中间通电导体为常规导体的螺栓压接连接方式或采用的中间通电导体为支撑管与铜端子的超导筒连接方式。绝热保护模块通过端部扩张段、特殊法兰结构、中间绝热段和标准法兰结构实现对接。电磁保护模块通过台阶坡口结构，将本体段的电磁保护模块各层物质与中间段的电磁保护模块各层物质搭接在一起，再通过内部支撑，外部施压的方式，将各层物质紧密压接在一起，实现各层物质方便快捷的连接。

Description

一种双电流通道高温超导电缆的多段连接装置

技术领域

本发明属于高温超导电缆技术领域，尤其涉及一种双电流通道高温超导电缆的多段连接装置。

背景技术

高温超导电缆区别于常规电缆之处在于通电导体的不同，常规电缆的通电导体为传统的导电材料，如铜、铝等，而高温超导电缆的通电导体为零电阻、大载流密度的高温超导材料。相比常规电缆，高温超导电缆具有低损耗、传输容量大、电磁污染小等优点。由于高温超导材料可以在低廉的液氮环境中达工作，因此高温超导电缆具有工业应用的可行性。限于高温超导导线长度、生产能力、运输能力的限制，单根超导电缆长度有限(当前水平为单根电缆长度短于500米)，要实现长距离输电，需要将多段超导电缆连接起来使用。双电流通道高温超导电缆的高温超导材料通电导体、低温工作环境绝热保护模块和电场磁场保护模块是高温超导电缆的三个重要组成部分，分别实现大容量电流传输、内部低温工作环境保护和外部电场磁场环境保护的功能。超导电缆的多段连接主要是以上三大模块的分别连接。

双电流通道高温超导电缆本体段的电流通道由高温超导带材、铜支撑管、绝缘薄膜覆盖层等部分组成。在双电流通道高温超导电缆的本体段，将超导带材以0～45°某一螺旋角度绕包在铜支撑管上，作为电流内通道，在超导带材外表面绕包恰当厚度的绝缘薄膜构成绝缘薄膜覆盖层，确保该电流通道与其他电流通道的隔绝。在电流内通道的绝缘层外绕包超导带材作为电流外通道，电流外通道的超导带材外表面也同样绕包绝缘薄膜以确保该电流通道与其他电流通道的隔绝。在双电流通道超导电缆的端部，不同通道的超导带材通过焊接方式与对应该通道的铜端子连接。

双电流通道高温超导电缆本体段的绝热模块由内层不锈钢波纹管、低辐射材料涂层、真空层、外层不锈钢波纹管组成。低温保护模块隔断外部的热环境和电缆内部的冷环境，尽可能降低电缆内外的热量交换，减少冷却液的消耗，降低电缆系统总体能耗。

双电流通道高温超导电缆本体段的电磁场模块由内半导电层、绝缘层、外半导电层和电磁屏蔽层等组成。电场磁场保护模块防止电缆内部电场磁场与外部电场磁场的相互作用，保障电缆的独立的电场磁场环境和安全运行。

高温超导电缆目前还没有实际应用于长距离输电，因此涉及多段高温超导电缆的连接问题，尤其是双电流通道高温超导电缆的连接问题还较少。

发明内容

为了解决高温超导电缆应用于长距离输电需要克服的多段连接问题，本发明提出了一种双电流通道高温超导电缆的多段连接装置，由内到外依次包括：通电导体的连接部分、绝热保护模块的连接部分、电磁场保护模块的连接部分；

其中，通电导体的连接部分分为螺栓压接连接或者超导筒连接这两种形式；螺栓压接连接部分包括：内/外电流通道、内/外电流通道导电铜端子、内/外电流通道中间段通电导体、内/外电流通道电场屏蔽筒，其中连接内/外电流通道的中间段通电导体分别通过螺栓连接结构与内/外电流通道导电铜端子压接在一起，并分别在内/外电流通道的中间连接段外安装内/外电流通道电场屏蔽筒；超导筒连接部件包括：支撑管、超导带、超导筒连接方式铜端子，连接内外电流通道的中间段通电导体为超导筒，超导带材贴附在支撑管外表面，超导筒通过支撑管与铜端子实现结构上的连接，再通过将超导筒上的超导带与铜端子焊接，实现电流通道的连接；

绝热保护模块的连接部分包括：标准法兰、电缆本体段双层波纹管、中间段绝热模块双层波纹管、中间段绝热模块绝热层、特殊法兰、端部扩张段；其中，电缆本体段双层波纹管及其夹层材料与端部扩张段连接，端部扩张段通过特殊法兰与中间段绝热模块连接，中间段绝热模块包括中间段绝热模块双层波纹管和中间段绝热模块绝热层；两段中间段绝热模块通过标准法兰连接；所述特殊法兰分为一对配套法兰，其中一个法兰开有通孔，另一个法兰开有盲螺纹孔，两个法兰之间的边沿装有压边圈，通过压紧螺栓固定；

电磁场保护模块的连接部分包括：内半导电层、绝缘层、外半导电层、电磁屏蔽层，各层物质采用台阶坡口结构，将电缆本体段的电磁保护模块各层物质与中间段的电磁保护模块各层物质搭接在一起，再通过内部支撑，外部施压的方式，将各层物质紧密压接在一起，实现各层物质方便快捷的连接。

所述通电导体的连接采用螺栓压接的连接方式时，中间通电导体为常规导体，中间通电导体和铜端子上加工有螺栓连接结构，常规导体的材料为紫铜，或者银，或者铝、或者是以上述三种材料为主体的合金材料。

所述通电导体的连接采用超导筒的连接方式时，超导带的材料为铋系高温超导材料或钇系高温超导材料，支撑管上加工有螺纹结构，包括内螺纹或外螺纹，支撑管的材料包括铜、铝、钢；超导筒的超导带的数量不少于电缆本体段电流通道绕包的超导带数量。

所述绝热保护模块为双层带真空的波纹管结构，由机械泵直接抽真空、或者由机械泵加分子泵联合抽真空，真空度范围达10^-3Pa–10Pa，内外层间距1mm–100mm；内外层波纹管中还填充有超级绝热材料层，该层厚度根据实际隔热需求能在2mm–80mm之间调整，能进一步降低辐射换热和稀薄气体分子的对流换热。

所述标准法兰为CF法兰或KF法兰。

所述中间段绝热模块绝热层为真空层，或者为超级绝热材料，或者为室温热导率不大于100W/(m·K)的材料，或者是以上几种材料的组合。

所述电磁场保护模块的各层物质加工为台阶坡口形状，每层物质为一个台阶，中间连接段的电磁保护模块各层物质加工为倒台阶坡口形状，通过台阶进行对应物质的搭接，并在内层用刚性支撑环支撑，最外层表面用卡箍环向收紧，径向施压，使得各层物质紧密压接；或者电磁保护模块的各层物质形成倒台阶坡口形状，中间连接段的电磁保护模块各层物质形成台阶坡口形状。

所述端部扩张段由内外两层喇叭状金属管及端板、中间绝热材料、端部连接管组成，外表面喷涂低辐射材料，即辐射率低于0.05的材料；端部扩张段与电缆本体段的的双层波纹管对接，通过焊接或压接或粘接方式连接。

所述高温超导电缆的超导材料是Bi-2223/Ag高温超导带材/线材，或者是Bi-2212/Ag高温超导带材/线材，或者是Y-Ba-Cu-O高温超导涂层导体。

所述高温超导电缆的冷却采用过冷液氮浸泡冷却，内外电流通道的超导体都浸泡在液氮的环境中，工作温度为50K–100K。

本发明的有益效果在于：

(1)提出两种通电导体的连接方案，螺栓压接的方案可实现通电导体方便快捷的连接，超导筒焊接的方案可实现低阻连接。

(2)提出的绝热模块连接方式，采用分段结构，各段之间的连接采用成熟的法兰连接方式，方便可靠。

(3)提出的电磁场模块通过先搭后压的连接方式，可以避免各层材料分别焊接的复杂工艺，降低连接的成本。

附图说明

图1为本发明双电流通道高温超导电缆的通电导体螺栓压接方式的连接示意图。

图2为本发明采用通电导体螺栓压接连接方式示意图。

图3为本发明双电流通道高温超导电缆通电导体超导筒连接方式示意图。

图4为本发明双电流通道高温超导电缆绝热模块的连接方式示意图。

图5为本发明双电流通道高温超导电缆电磁场模块的连接方式示意图。

图6为本发明双电流通道高温超导电缆绝热模块连接段特殊法兰结构示意图。

图中标号：

1-内电流通道；2-外电流通道；3-外电流通道导电铜端子；4-内电流通道导电铜端子；5-标准法兰连接结构；6-内电流通道中间段通电导体；7-内电流通道电场屏蔽筒；8-外电流通道中间段通电导体；9-外电流通道电场屏蔽筒；10-中间段绝热模块双层波纹管；11-中间段绝热模块绝热层；12-电磁场模块；13-特殊法兰A；14-特殊法兰B；15-端部扩张段；16-支撑管；17-超导带；18-超导筒连接方式铜端子；19-焊接点；20-压边圈；21-压接螺栓。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。

实施例一

本发明的连接技术的连接分为三个部分进行：通电导体的连接、绝热保护模块的连接和电磁场模块的连接，顺序是由内而外，如图1所示。

本实施例中的通电导体的连接采用螺栓压接的方式，请参见图2。

超导电缆本体段的内电流通道1和外电流通道2导电材料为高温超导材料，可以采用Bi系带材，也可以是Yi系带材，内电流通道1的超导带绕包在筒支撑管上，外电流通道2绕包在内电流通道1外表面包覆的绝缘层上。两个通道在径向上的分布非常靠近，不便于中间段的连接。为实现方便快捷的连接，通过局部圆台结构，将内外电流通道的径向距离增加，在连接前，将内外电流通道的超导带分别焊接在内电流通道导电铜端子4和外电流通道导电铜端子3上。内外电流通道的导电铜端子都采用同轴的布置方式，外电流通道铜端子嵌套在内电流通道铜端子上，轴向错开，径向间隙填充绝缘材料，隔开内外电流通道。

内电流通道导电铜端子4导电平面上加工螺纹孔或螺柱，外电流通道导电铜端子3上加工导电平面。进行通电导体连接时，将内电流通道导电铜端子4对齐，再将内电流通道中间段通电导体6通过螺栓压接在内电流通道导电铜端子4导电表面，完成内电流通道的连接。在内电流通道的中间连接段外安装内电流通道电场屏蔽筒7。最后将两块外电流通道中间段通电导体8通过长螺栓连接拉紧，压在外电流通道导电铜端子3的导电平面上，外电流通道中间段通电导体8可以根据安装的需要在轴向有一定的调整，外电流通道导电铜端子3的导电平面提供足够长度保证安装位置调整空间，这样完成外电流通道的连接。在外电流通道的中间连接段外安装外电流通道电场屏蔽筒9。至此完成双电流通道高温超导电缆通电导体模块的连接。

绝热保护模块的连接分三段进行，参见附图4。第一段为电缆本体段双层波纹管及其夹层材料与端部扩张段15连接。端部扩张段由内外两层喇叭状金属管及端板、中间绝热材料、端部连接管组成。端部扩张段与电缆本体段的的双层波纹管对接，通过焊接或压接或粘接方式连接。端部扩张段的连接管焊接有特殊法兰A13。参见附图6，所述特殊法兰分为一对配套法兰，其中一个特殊法兰A14开有通孔，另一个特殊法兰A13开有盲螺纹孔，两个法兰之间的边沿装有压边圈20，通过压紧螺栓21固定。第二段为端部过扩张段通过特殊法兰A13与中间段绝热模块连接。中间段绝热模块由中间段绝热模块双层波纹管10、中间绝热模块绝热层11组成。中间绝热模块绝热层位于双层波纹管的夹层。绝热层可以是真空层，也可以是超级绝热材料。中间段绝热模块与端部扩张段的连接通过焊接在中间段双层波纹管一端的特殊法兰A14螺栓连接。特殊法兰A14与特殊法兰B13相同之处在于压边圈位于圆环外延，但螺纹孔是通孔。中间段波纹管通过连接管在特殊法兰A14外表面焊接，或低温粘接的方式与特殊法兰A14连接。第三段为两段中间段绝热模块通过标准法兰实现连接。中间段双层波纹管一端与特殊法兰A14连接，另一端通过连接管与标准法兰5内表面焊接或低温粘接。两段中间段双层波纹管的标准法兰采用螺栓压接的方式连接。至此，绝热保护模块实现三段连接。在三段连接之外，包覆中间段绝热模块绝热层11，绝热层采用超级绝热材料。

电磁场保护模块由内半导电层、绝缘层、外半导电层和电磁屏蔽层等部分组成，将该模块视作一个多层体，每层物质都具有一定厚度，在连接端部加工台阶坡口，分离各层物质，见附图5。中间段电场磁场保护模块结构与本体段相同，在径向上各层物质与本体段错开，在连接端部加工倒台阶坡口。连接时，在本体段连接端部安装刚性支撑环，然后将中间段电磁保护模块的倒台阶结构搭接在本体段的台阶坡口上，在中间段的连接端部安装卡箍，均匀向内施压，使得连接处各层物质压接紧密，从而实现各屏蔽层在轴向上的连续。

实施例二

本实施例中的绝热保护模块和电磁保护模块的连接方式与实施例一相同。本实施例采用超导筒结构实现电流通道的连接。

超导筒由传递力的支撑管16和传递电流的超导带17组成。支撑管的外表面加工有沿母线方向的平台，超导带沿轴向贴敷在平台上，见附图3。超导带两端伸出支撑管端面5到10厘米。支撑管的内表面加工有左右旋螺纹。超导筒连接方式铜端子18的结构需要与支撑管配合，在外表面上加工有平台，外径与支撑管外径相同，端部加工成螺柱，螺柱的尺寸与支撑管的内径相同。连接时，支撑管旋转，作为中间段将两端的铜端子连接到一起，此时各超导带都搭接在铜端子上。超导带的端部去绝缘，超导材料的一面贴在铜端子导电平面上。每条超导带与铜端子的连接采用焊接，也可以在径向施加压力，将超导带导电面与铜端子导电面紧密压接。再在连接段外安装电场屏蔽套，以保证与其他电流通道的独立运行。其他电流通道的连接方式与上述相同。

实施例三

本实施例中的绝热保护模块和电磁保护模块的连接方式与实施例一相同。本实施例采用超导筒和螺栓压接两种结构实现电流通道的连接。

超导筒结构和螺栓压接结构的连接方式与上述实施例中描述相同，所不同的是本实施例中内电流通道采用超导筒结构，外电流通道采用螺栓压接结构，这样可以综合上述两种连接方式的优点，又能避免上述两种连接方式单一使用时的困难。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种双电流通道高温超导电缆的多段连接装置，其特征在于，由内到外依次包括：通电导体的连接部分、绝热保护模块的连接部分、电磁场保护模块的连接部分；

其中，通电导体的连接部分分为螺栓压接连接或者超导筒连接这两种形式；螺栓压接连接部分包括：内/外电流通道、内/外电流通道导电铜端子、内/外电流通道中间段通电导体、内/外电流通道电场屏蔽筒，其中连接内/外电流通道的中间段通电导体分别通过螺栓连接结构与内/外电流通道导电铜端子压接在一起，并分别在内/外电流通道的中间连接段外安装内/外电流通道电场屏蔽筒；超导筒连接部件包括：支撑管、超导带、超导筒连接方式铜端子，连接内外电流通道的中间段通电导体为超导筒，超导带材贴附在支撑管外表面，超导筒通过支撑管与铜端子实现结构上的连接，再通过将超导筒上的超导带与铜端子焊接，实现电流通道的连接；

绝热保护模块的连接部分包括：标准法兰、电缆本体段双层波纹管、中间段绝热模块双层波纹管、中间段绝热模块绝热层、特殊法兰、端部扩张段；其中，电缆本体段双层波纹管及其夹层材料与端部扩张段连接，端部扩张段通过特殊法兰与中间段绝热模块连接，中间段绝热模块包括中间段绝热模块双层波纹管和中间段绝热模块绝热层；两段中间段绝热模块通过标准法兰连接；所述特殊法兰分为一对配套法兰，其中一个法兰开有通孔，另一个法兰开有盲螺纹孔，两个法兰之间的边沿装有压边圈，通过压紧螺栓固定；

电磁场保护模块的连接部分包括：内半导电层、绝缘层、外半导电层、电磁屏蔽层，各层物质采用台阶坡口结构，将电缆本体段的电磁保护模块各层物质与中间段的电磁保护模块各层物质搭接在一起，再通过内部支撑，外部施压的方式，将各层物质紧密压接在一起，实现各层物质方便快捷的连接。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述通电导体的连接采用螺栓压接的连接方式时，中间段通电导体为常规导体，中间段通电导体和铜端子上加工有螺栓连接结构，常规导体的材料为紫铜，或者银，或者铝、或者是以上述三种材料为主体的合金材料。

3.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述通电导体的连接采用超导筒的连接方式时，超导带的材料为铋系高温超导材料或钇系高温超导材料，支撑管上加工有螺纹结构，包括内螺纹或外螺纹，支撑管的材料包括铜、铝、钢；超导筒的超导带的数量不少于电缆本体段电流通道绕包的超导带数量。

4.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述绝热保护模块为双层带真空的波纹管结构，由机械泵直接抽真空、或者由机械泵加分子泵联合抽真空，真空度范围达10^-3Pa–10Pa，内外层间距1mm–100mm；内外层波纹管中还填充有超级绝热材料层，该层厚度根据实际隔热需求能在2mm–80mm之间调整，能进一步降低辐射换热和稀薄气体分子的对流换热。

5.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述标准法兰为CF法兰或KF法兰。

6.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述中间段绝热模块绝热层为真空层，或者为超级绝热材料，或者为室温热导率不大于100W/(m·K)的材料，或者是以上几种材料的组合。

7.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述电磁场保护模块的各层物质加工为台阶坡口形状，每层物质为一个台阶，中间连接段的电磁保护模块各层物质加工为倒台阶坡口形状，通过台阶进行对应物质的搭接，并在内层用刚性支撑环支撑，最外层表面用卡箍环向收紧，径向施压，使得各层物质紧密压接；或者电磁保护模块的各层物质形成倒台阶坡口形状，中间连接段的电磁保护模块各层物质形成台阶坡口形状。

8.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述端部扩张段由内外两层喇叭状金属管及端板、中间绝热材料、端部连接管组成，外表面喷涂低辐射材料，即辐射率低于0.05的材料；端部扩张段与电缆本体段的的双层波纹管对接，通过焊接或压接或粘接方式连接。

9.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述高温超导电缆的超导材料是Bi-2223/Ag高温超导带材/线材，或者是Bi-2212/Ag高温超导带材/线材，或者是Y-Ba-Cu-O高温超导涂层导体。

10.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述高温超导电缆的冷却采用过冷液氮浸泡冷却，内外电流通道的超导体都浸泡在液氮的环境中，工作温度为50K–100K。