CN105116243B - 低温绝缘高温超导电缆通电导体电气特性实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种低温绝缘高温超导电缆通电导体电气特性实验装置，为卧式结构，其低温容器(16)为圆柱形，水平放置。两个绝热终端(13)垂直焊接在低温容器(16)上。两个低温高压套管(1)通过两个法兰及其配套的金属均压环(3)分别竖直安装在两个绝热终端(13)上。液氮输液管入口(12)和液氮输液管出口(20)分别安装在低温容器(16)上。两个排气系统(5)分别安装在两个绝热终端(13)上。两个测量引线出口(12)分别垂直向上安装在低温容器(13)上。两个屏蔽电流引线出口(14)垂直安装在低温容器(16)的侧壁。两个操作孔(17)安装在低温容器(16)的侧壁。两个人行孔(9)位于低温容器(16)的两端。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温绝缘高温超导电缆实验装置。
背景技术
高温超导电缆与常规电缆的区别是，高温超导电缆采用了具有零电阻、大电流传输特性的高温超导材料作为导体，以价格低廉的液态氮作为冷却介质，容量大、效率高、体积小、电磁污染小、损耗低等优点，是实现大容量、低损耗输变电的一个重要途径。高温超导电缆载流能力，低温特性、低温热循环特性、绝缘击穿特性、局部放电耐受特性等电气性能是高温超导电缆的主要评价依据。低温绝缘高温超导电缆通电导体电气特性实验装置主要用于超导电缆低温高压套管、通电导体的载流能力、绝缘性能等电气性能的低温实验研究。小型超导磁体线圈低温性能、高压性能和局部放电性能试验研究。具备①开展低温绝缘高温超导电缆低温性能试验、高压试验、局部放电试验、雷电冲击试验等测试和试验研究功能；②超导电缆通电导体恒流实验研究功能；③低温绝缘高温超导电缆低温热循环实验研究功能。
现有的实验装置通常只满足小型材料样品或者单相功能实验，无法在同一个装置中模拟实际运行工况开展面向低温绝缘超导电缆通电导体短样整体耐压试验、恒流实验等下的恒流试验、低温性能试验、局部放电性能试验等多项实验。《IEEE TRANSACTIONS ONAPPLIED SUPERCONDUCTIVITY》(IEEE应用超导汇刊)2005,VOL.15,NO.2文献“DielectricCharacteristics of HTS Cables Based on Partial Discharge Measurement(基于局部放电测量的超导电缆介电特性)”涉及一种超导电缆局部放电测试装置，其低温容器结构采用立式封闭结构，主要适用于低温绝缘材料样品的局部放电测试。该装置无法实现低温绝缘超导电缆通电导体样品的耐压和局部放电测试，无法形成电气回路开展恒流实验，不具备屏蔽层电流引出和测量功能，不具备液位和压力测试功能，且无法实现液氮循环。
发明内容
本发明的目的是针对低温绝缘高温超导电缆通电导体电气性能测试和试验需要，提出一种低温绝缘高温超导电缆通电导体电气特性实验装置。本发明适用于低温环境下开展低温绝缘高温超导电缆通电导体载流能力、通电导体低温绝缘特性等电气特性实验研究，以解决高温超导电缆通电导体电气特性实验研究装备问题。
本发明采用的技术方案如下述。
本发明低温绝缘高温超导电缆通电导体电气特性实验装置由低温高压套管、绝热终端、低温容器、两个屏蔽电流引线出口、两个操作孔、液氮输液管入口、液氮输液管出口、两个排气系统、两个测量引线出口、两个人行孔等部分组成。
所述的低温绝缘高温超导电缆通电导体电气特性实验装置为卧式结构，低温容器为圆柱形，水平放置，两个绝热终端垂直焊接在低温容器上。两个低温高压套管通过两个法兰及其配套的金属均压环分别竖直安装在两个绝热终端上。液氮输液管入口和液氮输液管出口安装在低温容器上；两个排气系统分别安装在两个绝热终端上、两个测量引线出口分别垂直向上安装在低温容器上，两个屏蔽电流引线出口垂直安装在低温容器的侧壁上。两个操作孔安装在低温容器的侧壁上。两个人行孔位于低温容器的两端。
所述的低温高压套管为电容式结构，由电流引线、主绝缘、法兰及其配套金属均压环三个功能部分组成。主绝缘为非金属绝缘材料，紧密包覆在电流引线外；法兰及其配套金属均压环紧密套装在主绝缘外面且与主绝缘粘结固定为整体。所述的低温高压套管的下端工作在低温环境中，上端工作在室温空气环境中。所述的低温高压套管通过所述的法兰与所述的低温容器连接在一起，所述法兰及其配套金属均压环的材料为无磁不锈钢，法兰上部有配套金属均压环，法兰下端面设计有非金属绝热层，以防止法兰结冰。所述低温高压套管下端外壁嵌装有用于屏蔽电场的不锈钢金属圆筒。
所述的低温容器为卧式双层结构，其内壁与外壁均为无磁不锈钢材料，内壁与外壁之间为真空层，内壁外表面绕包有多层绝热材料。所属的低温容器外壁设计有伸缩节，以避免热循环过程中产生的应力造成的损伤。
所述的低温容器上端设计有两个绝热终端，绝热终端用于安装低温高压套管，两个绝热终端垂直向上安装在低温容器上，绝热终端间距大于600毫米。所述的绝热终端为双层结构，其内壁与外壁均为无磁不锈钢材料，内壁与外壁之间为真空层，内壁外表面绕包有多层绝热材料，绝热终端的内壁、外壁分别与低温容器的内壁和外壁对应焊接连接为整体，低温容器的真空层与绝热终端的真空层为整体互通结构。
所述的两个屏蔽电流引线出口用于将超导电缆通电导体的屏蔽层电流引线从低温容器内向低温容器外引出，屏蔽电流引线出口安装于低温容器侧壁上方。两个屏蔽电流引线出口的上端部有端部密封法兰屏。蔽电流引线出口的外管与低温容器的外壁密封焊接；屏蔽电流引线出口的内管安装于低温容器的真空层内；屏蔽电流引线出口内管的一端焊接于低温容器的内壁，屏蔽电流引线出口内管另一端与屏蔽电流引线出口的端部密封法兰密封焊接。低温绝缘超导电缆通电导体两端的屏蔽电流引线穿过屏蔽电流引线出口的内管，引出低温容器。
所述的液氮输液管入口、液氮输液管出口分别与两个绝热终端连接。液氮输液管入口、液氮输液管出口均为双层结构，其内壁与外壁均为无磁不锈钢材料，内壁与外壁之间为真空层，内壁外表面绕包有多层绝热材料，液氮输液管入口、液氮输液管出口一端的内壁、外壁分别与低温容器的内壁和外壁对应焊接连接为整体，其真空层与绝热终端真空层为整体互通结构。
所述的两个测量引线出口分别与两个绝热终端连接。测量引线出口均为双层结构，其内壁与外壁均为无磁不锈钢材料，内壁与外壁之间为真空层，内壁外表面绕包有多层绝热材料，测量引线出口一端内壁、外壁分别与低温容器内壁和外壁对应焊接连接为整体，其真空层与绝热终端真空层为整体互通结构。
所述的两个排气系统分别通过绝热管道与两个绝热终端连接，绝热管道为双层结构，其内壁与外壁均为无磁不锈钢材料，内壁与外壁之间为真空层，内壁外表面绕包有多层绝热材料。绝热管道一端的内壁、外壁分别与低温容器的内壁和外壁对应焊接连接为整体，其真空层与绝热终端真空层为整体互通结构。
所述的操作孔位于低温容器侧壁，操作孔包括操作孔内壁法兰和操作孔外壁法兰，操作孔内壁法兰和操作孔外壁法兰分别与低温容器内壁、外壁对应焊接密封，所述的操作孔与低温容器内壁的法兰密封为低温真空密封，以保证在低温条件下无液氮泄漏至低温容器内壁与外壁之间的真空层。
所述的两个人行孔位于低温容器两端，每个人行孔通过内壁法兰和外壁法兰分别与低温容器内壁、外壁焊接密封，所述的人行孔与低温容器内壁的法兰密封为低温真空密封，以保证在低温条件下无液氮泄漏至低温容器内壁与外壁之间的真空层。
附图说明
图1是低温绝缘高温超导电缆通电导体电气特性实验装置示意图。图中：1低温高压套管、2主绝缘、3法兰及其配套金属均压环、4非金属绝热层、5排气系统、6不锈钢金属圆筒、8外壁法兰、9人行孔、10内壁法兰、11测量引线出口、12液氮输液管入口、13绝热终端、14屏蔽电流引线出口、15电流引线、16低温容器、17操作孔、18波纹型伸缩节、19真空层、20液氮输液管出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明装置包括低温高压套管1、绝热终端13、低温容器16、液氮输液管入口12、液氮输液管出口20、两个排气系统5、两个测量引线出口12、两个人行孔9、两个屏蔽电流引出口14。
所述的低温绝缘高温超导电缆通电导体电气特性实验装置为卧式结构。低温容器16为圆柱形，水平放置。两个绝热终端13垂直焊接在低温容器16上；两个低温高压套管1通过两个法兰及其配套的金属均压环3分别竖直安装在两个绝热终端13上；液氮输液管入口12和液氮输液管出口20分别安装在低温容器16上；两个排气系统5分别安装在两个绝热终端13上；两个测量引线出口12分别垂直向上安装在低温容器13上；两个屏蔽电流引线出口14垂直安装在低温容器16的侧壁。两个操作孔17安装在低温容器16的侧壁；两个人行孔9位于低温容器16的两端。
所述的低温高压套管1由电流引线15、主绝缘2、法兰及其配套金属均压环3和非金属绝热层4组成。所述的低温高压套管1由电流引线15、主绝缘2、法兰及其配套金属均压环3和非金属绝热层4组成，电流引线15为金属圆柱或圆管型导体，主绝缘2紧密包覆在电流引线15上；法兰及其配套金属均压环3套装在在主绝缘2外表面并与主绝缘2粘结固定为一体；所述的低温高压套管1通过所述的法兰及其配套金属均压环3与所述的低温容器16连接在一起；所述法兰及其配套金属均压环3材料为无磁不锈钢。非金属绝热层4位于法兰及其配套金属均压环3下表面，非金属绝热层4的上表面与法兰及其配套金属均压环3的下表面粘合为整体。低温高压套管1的下端工作在低温环境中，上端工作在室温空气环境中。低温高压套管1的下端外壁嵌装有用于屏蔽电场的不锈钢金属圆筒6。
所述的低温容器16为圆柱形水平放置，低温容器16两端配套有两个人行孔9，每个人行孔9通过内壁法兰10和外壁法兰8实现与低温容器16内壁及外壁的密封连接。低温容器16的外壁上配套有波纹型伸缩节18。
所述的两个屏蔽电流引线出口14安装于低温容器16侧壁上方，两个屏蔽电流引线出口14的上端部有端部密封法兰。屏蔽电流引线出口14的外管与低温容器16的外壁密封焊接成为整体；屏蔽电流引线出口14的内管安装于低温容器16的内壁与外壁之间的真空层内。屏蔽电流引线出口14内管的下端焊接于低温容器16的内壁上，屏蔽电流引线出口14内管的上端与屏蔽电流引线出口14的端部密封法兰密封焊接。低温绝缘超导电缆通电导体两端的屏蔽电流引线穿过屏蔽电流引线出口14的内管，引出低温容器16。
所述的低温高压套管1的下端工作在低温环境中，上端工作在室温空气环境中；低温高压套管1的下端外壁嵌装有用于屏蔽电场的不锈钢金属圆筒6。
所述的低温容器16为双层结构，其内壁与外壁之间为真空层，内壁外表面绕包有多层绝热材料；所述的人行孔9通过内壁法兰10和外壁法兰8分别与低温容器16的内壁及外壁焊接密封；低温容器16的外壁套有波纹型伸缩节18。
两个所述的绝热终端之间的间距大于600毫米。
所述的绝热终端13为双层结构，其内壁与外壁均为无磁不锈钢材料制作，内壁与外壁之间为真空层，内壁外表面绕包有多层绝热材料；绝热终端13内壁和外壁分别与低温容器16的内壁和外壁对应焊接连接为整体，低温容器16的真空层与绝热终端13的真空层为整体互通结构。
所述的两个屏蔽电流引线出口14安装于低温容器16的真空层内；屏蔽电流引线的一端焊接于低温容器16的内壁，屏蔽电流引线的另一端与低温容器16的外壁焊接。
所述的液氮输液管入口12、液氮输液管出口20分别与两个绝热终端13连接；液氮输液管入口12、液氮输液管出口20均为双层结构，其内壁与外壁均为无磁不锈钢材料制作，内壁与外壁之间为真空层，内壁外表面绕包有多层绝热材料；液氮输液管入口12和液氮输液管出口20一端的内壁、外壁分别与低温容器16的内壁和外壁对应焊接连接为整体，液氮输液管入口12和液氮输液管出口20的真空层与绝热终端13的真空层为整体互通结构。
所述的两个测量引线出口11分别与两个绝热终端13连接；测量引线出口空层，内壁外表面绕包有多层绝热材料；测量引线出口11一端的内壁、外壁分别与低温容器16的内壁和外壁对应焊接连接为整体，测量引线出口11的真空层与绝热终端13的真空层为整体互通结构。
所述的两个排气系统5分别通过绝热管道与两个绝热终端13连接；所述的绝热管道为双层结构，其内壁与外壁均为无磁不锈钢材料制作，内壁与外壁之间为真空层，内壁外表面绕包有多层绝热材料；绝热管道一端的内壁、外壁分别与低温容器16的内壁和外壁对应焊接连接为整体，绝热管道的真空层与绝热终端13的真空层为整体互通结构。
所述的操作孔位于低温容器16的侧壁，操作孔17包括操作孔内壁法兰和操作孔外壁法兰，操作孔内壁法兰和操作孔外壁法兰分别密封焊接在低温容器内壁、外壁上。所述的操作孔17与低温容器16内壁的法兰密封为低温真空密封，以保证在低温条件下无液氮泄漏至低温容器内壁与外壁之间的真空层。
实验时，通过人行孔9将低温绝缘超导电缆样品放置于低温容器16内，并采用绝缘支架水平支撑放置，并通过常规软导线将样品低温绝缘超导电缆样品通电导体与两个电流引线17的连接；通过两个操作孔17，分别将两根常规软导线与低温绝缘超导电缆样品的金属屏蔽层的两端连接，两个常规软导线分别穿过两个屏蔽电流引线出口14引出，并将出口密封。完成样品放置及连接后，将内壁法兰10和外壁法兰8分别安装固定，通过真空抽嘴7对低温容器18、两个屏蔽电流引线出口14、液氮输液管入口12、测量引线出口11、液氮输液管出口20和排气系统5的真空夹层部分抽真空。完成真空制备后，再通过液氮输液管入口12给所述的低温绝缘高温超导电缆通电导体电气特性实验装置注入液氮，液氮液位达到相应高度后即可开展相关试验。
本发明装置具有耐压等级高、通流能力强、绝热性能好等优点，具备①开展低温绝缘高温超导电缆低温性能试验、高压试验、局部放电试验、雷电冲击试验等测试和试验研究功能；②超导电缆通电导体恒流实验研究功能；③低温绝缘高温超导电缆低温热循环实验研究功能。
Claims (10)
1.一种低温绝缘高温超导电缆通电导体电气特性实验装置，包括低温容器(16)和液氮输液管入口(12)，其特征在于，所述的低温绝缘高温超导电缆通电导体电气特性实验装置为卧式结构，还包括低温高压套管(1)、绝热终端(13)、液氮输液管出口(20)、两个排气系统(5)、两个测量引线出口(11)、两个人行孔(9)、两个屏蔽电流引出口(14)；低温容器(16)为圆柱形，水平放置；两个绝热终端(13)垂直焊接在低温容器(16)上；两个低温高压套管(1)通过两个法兰及其配套的金属均压环(3)分别竖直安装在两个绝热终端(13)上；液氮输液管入口(12)和液氮输液管出口(20)分别安装在低温容器(16)上；两个排气系统(5)分别安装在两个绝热终端(13)上；两个测量引线出口(11)分别垂直向上安装在低温容器(13)上；两个屏蔽电流引线出口(14)垂直安装在低温容器(16)的侧壁；两个操作孔(17)安装在低温容器(16)的侧壁；两个人行孔(9)位于低温容器(16)的两端。
2.根据权利要求1所述的低温绝缘高温超导电缆通电导体电气特性实验装置，其特征在于，所述的低温高压套管(1)由电流引线(15)、主绝缘(2)、法兰及其配套金属均压环(3)和非金属绝热层(4)组成；电流引线(15)为金属圆柱或圆管型导体，主绝缘(2)紧密包覆在电流引线(15)上；法兰及其配套金属均压环(3)套装在在主绝缘(2)外表面，并与主绝缘(2)粘结固定为一体；所述法兰及其配套金属均压环(3)的制作材料为无磁不锈钢；非金属绝热层(4)位于法兰及其配套金属均压环(3)的下表面，非金属绝热层(4)的上表面与法兰及其配套金属均压环(3)的下表面粘合为整体。
3.根据权利要求2所述的低温绝缘高温超导电缆通电导体电气特性实验装置，其特征在于，所述的低温高压套管(1)的下端工作在低温环境中，上端工作在室温空气环境中；低温高压套管(1)的下端外壁嵌装有用于屏蔽电场的不锈钢金属圆筒(6)。
4.根据权利要求1所述的低温绝缘高温超导电缆通电导体电气特性实验装置，其特征在于，所述的低温容器(16)为双层结构，其内壁与外壁之间为真空层，内壁外表面绕包有多层绝热材料；所述的人行孔(9)通过内壁法兰(10)和外壁法兰(8)分别与低温容器(16)的内壁及外壁焊接密封；低温容器(16)的外壁套有波纹型伸缩节(18)；屏蔽电流引线垂直向上安装在低温容器(16)的正上方。
5.根据权利要求1所述的低温绝缘高温超导电缆通电导体电气特性实验装置，其特征在于，两个所述的绝热终端之间的间距大于600毫米；所述的绝热终端(13)为双层结构，其内壁与外壁均为无磁不锈钢材料制作，内壁与外壁之间为真空层，内壁外表面绕包有多层绝热材料；绝热终端(13)内壁和外壁分别与低温容器(16)的内壁和外壁对应焊接连接为整体，低温容器(16)的真空层与绝热终端(13)的真空层为整体互通结构。
6.根据权利要求1所述的低温绝缘高温超导电缆通电导体电气特性实验装置，其特征在于，所述的两个屏蔽电流引线出口(14)安装于低温容器(16)侧壁上方；两个屏蔽电流引线出口(14)的上端部有端部密封法兰屏；蔽电流引线出口(14)的外管与低温容器(16)的外壁密封焊接；屏蔽电流引线出口(14)的内管安装于低温容器(16)的真空层内；屏蔽电流引线(14)出口内管的一端焊接于低温容器(16)的内壁，屏蔽电流引线出口(14)内管的另一端与屏蔽电流引线出口(14)的端部密封法兰密封焊接。
7.根据权利要求1所述的低温绝缘高温超导电缆通电导体电气特性实验装置，其特征在于，所述的液氮输液管入口(12)、液氮输液管出口(20)分别与两个绝热终端(13)连接；液氮输液管入口(12)、液氮输液管出口(20)均为双层结构，其内壁与外壁均为无磁不锈钢材料制作，内壁与外壁之间为真空层，内壁外表面绕包有多层绝热材料；液氮输液管入口(12)和液氮输液管出口(20)一端的内壁、外壁分别与低温容器(16)的内壁和外壁对应焊接连接为整体，液氮输液管入口(12)和液氮输液管出口(20)的真空层与绝热终端(13)的真空层为整体互通结构。
8.根据权利要求1所述的低温绝缘高温超导电缆通电导体电气特性实验装置，其特征在于，所述的两个测量引线出口(11)分别与两个绝热终端(13)连接；测量引线出口(11)为双层结构，其内壁与外壁均为无磁不锈钢材料制作，内壁与外壁之间为真空层，内壁外表面绕包有多层绝热材料；测量引线出口(11)一端的内壁、外壁分别与低温容器(16)的内壁和外壁对应焊接连接为整体，测量引线出口(11)的真空层与绝热终端(13)的真空层为整体互通结构。
9.根据权利要求1所述的低温绝缘高温超导电缆通电导体电气特性实验装置，其特征在于，所述的两个排气系统(5)分别通过绝热管道与两个绝热终端(13)连接；所述的绝热管道为双层结构，其内壁与外壁均为无磁不锈钢材料制作，内壁与外壁之间为真空层，内壁外表面绕包有多层绝热材料；绝热管道一端的内壁、外壁分别与低温容器(16)的内壁和外壁对应焊接连接为整体，绝热管道的真空层与绝热终端(13)的真空层为整体互通结构。
10.根据权利要求1或4所述的低温绝缘高温超导电缆通电导体电气特性实验装置，其特征在于，所述的操作孔位于低温容器(16)的侧壁，操作孔(17)包括操作孔内壁法兰和操作孔外壁法兰，操作孔内壁法兰和操作孔外壁法兰分别与低温容器内壁、外壁对应焊接密封，所述的操作孔与低温容器内壁的法兰密封为低温真空密封，以保证在低温条件下无液氮泄漏至低温容器内壁与外壁之间的真空层。
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