CN108172333B - 一种太空环境下的超导电缆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太空环境下的超导电缆，包括最内层柔性金属中心管，柔性金属中心管外包覆有内层绝缘衬套，内层绝缘衬套上包覆外层绝缘衬套，内层绝缘衬套和外层绝缘衬套之间设有内层导体，外层绝缘衬套外包覆有外层导体，外层导体外依次绕包绝缘膜和导冷铜带；内层绝缘衬套和外层绝缘衬套两端设有汇流环，汇流环内套有气液接头，气液接头连接在柔性金属中心管上。采用本发明超导电缆可以应用于空间太阳能电站中太阳能电池组与微波发射器之间的电能传输，节省了火箭发射成本和能量损耗，同时拓宽了超导电缆的应用领域。

Description

一种太空环境下的超导电缆
技术领域
本发明涉及超导电缆设计技术领域，具体涉及太空特殊环境下超导电缆的设计领域。
背景技术
空间太阳能电站系统(SSPS)中，GW级的电能需要从太阳能电池组传输到微波发射器，如果采用传统电缆，为了减少传输过程中的热损耗则必须使用庞大的升降压装置。首先需要将太阳能电池组输出的电能升压到100kV以上，减小电缆的传输电流，从而减小传输过程中的电能损耗；其次，电能传输到微波发射装置端时，需要将电缆传输的电能降压到微波发射设备适合的低电压。由于超导电缆具有直流无阻和交流低损耗特性，而SSPS太阳能电池组产生的电流是纯直流，故适合采用超导直流电缆低电压强电流传输电能到微波发射装置，不需要庞大的升降压设备。降低了SSPS系统的重量，节省了火箭发射成本。
由于太空环境属于无人职守环境，低温液体浸泡冷却超导电缆的方式不再适用，所以采用制冷机冷却是超导电缆在太空环境中应用的有效手段之一，不同的冷却方式将导致电缆结构的不同。此外，太空环境是真空绝热环境，故使用制冷机冷却超导电缆将采用辐射制冷或加铜板传导冷却方式。
目前，超导电缆在太空环境下应用的研究处于初级阶段，各项技术均不完善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太空环境下的超导电缆，由于太空环境下超导电缆的运行不适合低温液体浸泡冷却，故将采用辐射制冷或加铜板传导冷却，故太空环境下的超导电缆与地面环境下低温液体浸泡冷却的超导电缆不同。采用本发明超导电缆可以应用于空间太阳能电站中太阳能电池组与微波发射器之间的电能传输，节省了火箭发射成本和能量损耗，同时拓宽了超导电缆的应用领域。
本发明为实现上述技术目的采用的技术解决方案是：
一种太空环境下的超导电缆，包括最内层柔性金属中心管，柔性金属中心管外包覆有内层绝缘衬套，内层绝缘衬套上包覆外层绝缘衬套，所述内层绝缘衬套和外层绝缘衬套之间设有内层导体，外层绝缘衬套外包覆有外层导体，外层导体外依次绕包绝缘膜和导冷铜带；所述内层绝缘衬套和外层绝缘衬套上连接有汇流环，汇流环内套有气液接头，气液接头连接在所述柔性金属中心管上。
优选的，所述内层绝缘衬套外两侧布置有用于垫平汇流环的支撑材料，汇流环上引出有电流引线，汇流环内侧焊接电压引线。
优选的，所述电流引线为软铜带或硬铜排；所述电压引线连接在汇流环内侧所设的电压引线接头上。
优选的，所述内层导体和外层导体均为超导线或超导带材，所述超导线或超导带材焊接在汇流环内侧。
优选的，在所述内层绝缘衬套和外层绝缘衬套上开设有螺旋槽，在螺旋槽内并按螺旋线形排布超导线或超导带材。
优选的，在内层绝缘衬套和外层绝缘衬套上开设的螺旋槽的螺旋角相近，排列方向相反，抵消彼此通过电流产生的磁场。
优选的，设在所述螺旋槽中的内层导体或外层导体至少有两层，则螺旋槽的挡墙宽度w满足下式条件：
式中，D为金属中心管加绝缘衬套后的直径或内层导体上包覆绝缘衬套后的直径，n为多层导体中靠内侧的超导线或超导带材的根数，b为超导线或超导带材的宽度。
优选的，设在所述螺旋槽中的内层导体或外层导体至少有两层，则螺旋槽的挡墙高度H满足下式条件：
H＝h+h×α
式中，h为超导线或超导带材的厚度，α为设计余度，范围为1.0～3.0。
优选的，在所述外层导体外绕包绝缘膜，在所述绝缘膜外铠装一层用于所述超导电缆的传导冷却的导冷铜带；在所述铜带外侧包覆铝箔。
本发明的有益效果：本发明提供了太空环境下应用的超导电缆设计的可行技术。由于太空环境下超导电缆不再适合用低温液体浸泡冷却，故太空环境下的超导电缆须要设计成适合于制冷机提供冷量的辐射制冷或传导冷却形式的超导电缆。采用本发明的设计，超导电缆可以应用于空间太阳能电站中太阳能电池组与微波发射器之间的电能传输，节省了火箭发射成本和能量损耗，同时拓宽了超导电缆的应用领域。
附图说明
图1是一种太空环境下的超导电缆的纵向剖面图。
图2是实施例1中的汇流环结构示意图。
图中：11、柔性金属中心管；12、气液接头；13、内层绝缘衬套；14、汇流环；15、内层导体；16、外层绝缘衬套；17、外层导体；18、绝缘膜；19、导冷铜带；21、电流引线接头；22、电压引线接头。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
图1是一种太空环境下的超导电缆的纵向剖面图。包括最内层柔性金属中心管11，位于地电位，柔性金属中心管11外包覆内层绝缘衬套13，内层绝缘衬套13上包覆外层绝缘衬套16，内层绝缘衬套13和外层绝缘衬套16之间设有内层导体15，外层绝缘衬套16外包覆有外层导体17，内层导体15和外层导体17均为超导线或超导带材质。外层导体17导体外依次绕包绝缘膜18和导冷铜带19。内层绝缘衬套13和外层绝缘衬套16上连接有汇流环14，汇流环14内套有气液接头12，气液接头12焊接在柔性金属中心管11上。
本实施例中，采用Ф25×5mm2的304不锈钢材质做最内层柔性金属中心管11，柔性金属中心管位于地电位，也可以通液氮冷却内层导体15；在金属中心管外包覆绝缘强度大于10kV的内层绝缘衬套13，加内层绝缘衬套后直径D1约为40mm；内层绝缘衬套外两侧布置支撑材料用于垫平汇流环14，汇流环引出电流引线(软铜带或硬铜排)，汇流环内侧焊接电压引线(汇流环内侧设电压引线接头22)。在内层绝缘衬套13和外层绝缘衬套16上开有螺旋槽，并按螺旋线形排布超导线(带)材，使超导线(带)材恰好在螺旋槽内；超导线(带)材焊接在汇流环内侧，超导线(带)材作为超导电缆的内层导体。在本实施例中内层导体排两层，内侧导体为17根高温超导带材，外侧导体为19根高温超导带材。
由于内层导体排成两层，故螺旋槽须要设计挡墙宽度和高度来保证所述超导带材绕成电缆后位置不发生变化。
如上所述的超导电缆，其中，如果内层导体排成两层，则螺旋槽须要设计挡墙宽度和高度来保证超导线(带)材绕成电缆后位置不发生变化。则内层导体挡墙宽度其中：D1为金属中心管加绝缘衬套后的直径，n1为两层导体中靠内侧的超导线(带)材的根数，b为所述超导线(带)材的宽度(如果采用圆形超导线材，b为所述圆形超导线材的直径)。
在本实施例中：金属中心管加衬套后的直径D1＝40mm，内侧超导带材的导体根数n1＝17，外侧超导带材的导体数为19根，导体的宽度b＝5mm，计算得到本实施例中内层导体挡墙宽度w1＝2.5mm。
如上所述的超导电缆，内层导体挡墙高度H1＝h+h×α，其中：h为超导线(带)材的厚度(如果采用圆形超导线材，h为圆形超导线材的直径)，α为设计余度，范围为1.0～3.0。
在本实施例中：超导带材的厚度h＝0.2mm，设计余度α＝1.5，计算得到本实施例中内层导体挡墙高度H1＝0.5mm。
如上所述的超导电缆，其中，如果外层导体排成两层，则螺旋槽同样须要设计挡墙宽度和高度来保证所述超导线(带)材绕成电缆后位置不发生变化。所述外层导体挡墙宽度其中D2为内层导体上包覆绝缘衬套后的直径，n2为两层导体中靠内侧的超导线(带)材的根数，b为超导线(带)材的宽度(如果采用圆形超导线材，b为圆形超导线材的直径)。所述外层导体挡墙高度H2＝h+h×α，其中：h为超导线(带)材的厚度(如果采用圆形超导线材，h为圆形超导线材的直径)，α为设计余度，范围为1.0～3.0。
在内层导体上包覆绝缘衬套并开螺旋槽，在螺旋槽内螺旋线形排布超导线(带)材材质的导体，超导线(带)材焊接在汇流环内侧，作为超导电缆的外层导体；在外层导体外绕包绝缘膜，在绝缘膜外铠装一层铜带，用于超导电缆的传导冷却；在铜带外侧包覆铝箔。
在本实施例中，外层导体为28根高温超导带材排成一层；在外层导体外绕包0.2mm绝缘膜，在绝缘膜外铠装一层0.2mm厚的铜带，用于超导电缆的传导冷却；在铜带外侧包覆铝箔。
在本实施实例中，忽略电感相消，内、外层导体采用相近的螺旋角，反向排列，(部分)抵消彼此通过电流产生的磁场。
根据所采用超导线(带)材厚度，在所述汇流环内侧加工符合其尺寸的台阶结构，以方便超导线(带)材的焊接。
图2是汇流环结构示意图，汇流环14为一个圆环体，在圆环侧壁上均布有透孔，在圆环的一个端面上分布有对称电流引线接头21和电压引线接头22。
本实施例中，该太空环境下的超导电缆的安装步骤和方法如下：
1)采用带张力牵引工装拉紧中心管；
2)手工绕制，逐根逐层先锚固后统一焊接；
3)高温超导带材不加预张力，但外侧由绝缘层加张力紧固；
4)考虑到绝缘材料(聚四氟乙烯、PPLP和聚酰亚胺)较低的耐热性，采用较低温度的焊锡焊接；
5)汇流环保证两层同时锚固和一次性焊接；
6)绝缘包绕采用半手工带张力包绕。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征做出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种太空环境下的超导电缆，其特征在于，包括最内层柔性金属中心管，柔性金属中心管外包覆有内层绝缘衬套，内层绝缘衬套外包覆外层绝缘衬套，所述内层绝缘衬套和外层绝缘衬套之间设有内层导体，外层绝缘衬套外包覆有外层导体，外层导体外依次绕包绝缘膜和导冷铜带；所述内层绝缘衬套和外层绝缘衬套两端设有汇流环，汇流环内套有气液接头，气液接头连接在所述柔性金属中心管上。
2.如权利要求1所述的一种太空环境下的超导电缆，其特征在于，所述内层绝缘衬套外两侧布置有用于垫平汇流环的支撑材料，汇流环上引出有电流引线，汇流环内侧焊接电压引线。
3.如权利要求2所述的一种太空环境下的超导电缆，其特征在于，所述电流引线为软铜带或硬铜排；所述电压引线连接在汇流环内侧所设的电压引线接头上。
4.如权利要求1所述的一种太空环境下的超导电缆，其特征在于，所述内层导体和外层导体均为超导线，或所述内层导体和外层导体均为超导带材，所述超导线或超导带材焊接在汇流环内侧。
5.如权利要求1所述的一种太空环境下的超导电缆，其特征在于，在所述内层绝缘衬套和外层绝缘衬套上开设有螺旋槽，在螺旋槽内并按螺旋线形排布超导线或超导带材。
6.如权利要求5所述的一种太空环境下的超导电缆，其特征在于，在内层绝缘衬套和外层绝缘衬套上开设的螺旋槽的螺旋角相近，排列方向相反，抵消彼此通过电流产生的磁场。
7.如权利要求5所述的一种太空环境下的超导电缆，其特征在于，设在所述螺旋槽中的内层导体或外层导体至少有两层，则螺旋槽的挡墙宽度w满足下式条件：
式中，D为金属中心管加绝缘衬套后的直径或内层导体上包覆绝缘衬套后的直径，n为多层导体中靠内侧的超导线或超导带材的根数，b为超导线或超导带材的宽度。
8.如权利要求5所述的一种太空环境下的超导电缆，其特征在于，设在所述螺旋槽中的内层导体或外层导体至少有两层，则螺旋槽的挡墙高度H满足下式条件：
H＝h+h×α
式中，h为超导线或超导带材的厚度，α为设计余度，范围为1.0～3.0。
9.如权利要求1所述的一种太空环境下的超导电缆，其特征在于，在所述外层导体外绕包绝缘膜，在所述绝缘膜外铠装一层用于所述超导电缆的传导冷却的导冷铜带；在所述铜带外侧包覆铝箔。
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