CN109411148A - 一种真空绝缘超导电缆结构 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种真空绝缘超导电缆结构，其包括低温管道，以及设置于低温管道中的超导通电导体，所述低温管道中充满有液氮，其中：所述超导通电导体包括金属骨架，以及缠绕在所述金属骨架上的超导层；所述低温管道为高真空绝热管道，其包含有外管、至少一个内管，在所述外管与每一内管之间形成真空夹层；每一低温管道中放置有一个超导通导体。实施本发明实施例，具有很好的保温效果以及绝缘效果，且机械性能好。

Description

一种真空绝缘超导电缆结构

技术领域

本发明涉及超导传输领域，特别是涉及一种真空绝缘超导电缆结构。

背景技术

由于采用了具有零阻可进行大电流密度传输电流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，高温超导电缆具有体积小、重量轻、损耗低、无火灾隐患的优点。高温超导电缆能够传输比同尺寸的常规电缆大3-5倍的功率，其功率损耗仅为传输功率的0.5％。利用高温超导电缆可以大大提高电网输电的总效率，实现低损耗，大容量输电。同时，高温超导电缆还具有安全，无污染，无电磁辐射等优点。因此，高温超导电缆在发电厂、变电站和城市中心配电等大容量输电方面将具有广阔的应用前景。

绝缘是超导电缆设计的核心问题之一，根据绝缘介质的工作温度，高温超导电缆可分为室温介质绝缘电缆和低温介质绝缘电缆。室温介质电缆的主要优点是结构简单，它具有和常规电缆相似的结构，输送容量比常规电缆大3倍以上。由于省却了磁屏蔽层，故耗用的超导带材相对较少，但运行时会在电缆低温容器上产生较大的涡流损耗。室温介质电缆除高温超导带材工作在液氮温度条件下外，电缆的绝缘层则工作在室温条件下，其绝缘的加工和安装也相对简单。同时，绝缘材料的选择具有较大的空间，加工技术比较成熟。相较于低温介质电缆，室温介质电缆具有损耗较大，运行费用较高等缺点。室温介质电缆绝缘较厚，电缆整体尺寸较大，通常为单芯电缆。

低温介质绝缘电缆的主电气绝缘层和超导带带材均工作在液氮温度下。液氮作为复合电绝缘的一部分起一定的绝缘作用。低温介质绝缘电缆的主要优点是其结构紧凑，有磁屏蔽，有效的消除了磁耦合。电缆容器上仅存在由漏磁引起的很小的涡流。因而其传输容量大，损耗小，在寿命期内的运行成本较低。其输送容量可达常规电缆大5倍以上。但较室温介质电缆具有结构复杂，耗用的超导带材较多等不足，在低温绝缘材料的长期可靠性等方面尚缺乏足够的经验。

但是，无论是室温绝缘还是低温绝缘电缆，均是采用绝缘材料包覆在高电位导体上，当电压等级增加时绝缘层厚度较大，严重影响电缆的弯曲等机械性能。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种真空绝缘超导电缆结构，具有很好的保温效果以及绝缘效果，且机械性能好。

为了解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种真空绝缘超导电缆结构，其包括低温管道，以及设置于低温管道中的超导通电导体，所述低温管道中充满有液氮，其中：

所述超导通电导体包括金属骨架，以及缠绕在所述金属骨架上的超导层；

所述低温管道为高真空绝热管道，其包含有外管、至少一个内管，在所述外管与每一内管之间形成真空夹层；

每一低温管道中放置有一个超导通导体。

其中，在所述超导通电导体中，所述超导层采用多条高温超导带材分层缠绕而成。

其中，所述骨架采用软铜、铝导体或不锈钢波纹管制作，所述高温超导带材采用Bi2223或YBCO高温超导带材。

其中，所述内管的数量为一个。

其中，所述内管的数量为三个，所述三个内管在所述外管中呈等边三角形布置，且相邻两个内管之间存在有间隙。

其中，所述间隙大于10mm。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

在本发明的实施例中，充分利用超导电缆的真空绝热结构，将无绝缘的超导通电导体直接放置于低温管道的内管中，然后增大低温管道真空夹层的厚度，通过真空夹层实现低温管道内管和外管间的绝缘，无需采用绝缘层。上述结构一方面增加真空夹层厚度可以大幅降低低温管道的漏热；另一方面可以简化超导通电导体的结构，从而提高通电导体的弯曲等机械性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的一种真空绝缘超导电缆结构的一个实施例的结构示意图；

图2为图1中超导通电导体结构示意图；

图3为图1中低温管道结构示意图；

图4为本发明提供的真空绝缘三相超导电缆结构的另一个实施例的结构示意图。

其中，各部件的标号如下：超导通电导体1、低温管道2、超导通电导体1的超导层11、超导通电导体1的骨架12、低温管道2的外管21、低温管道2的真空夹层22、低温管道2的内管23。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，示出了本发明提供的一种真空绝缘超导电缆结构的一个实施例的结构示意图；一并结合图2至图3所示。在本实施例中，所述一种真空绝缘超导电缆结构，其包括低温管道2，以及设置于低温管道2中的超导通电导体1，所述低温管道2中充满有液氮，其中：

所述超导通电导体1包括金属骨架12，以及缠绕在所述金属骨架12上的超导层11；

所述低温管道2为高真空绝热管道，其包含有外管21、至少一个内管23，在所述外管21与每一内管23之间形成真空夹层22；在本实施例中，所述内管23的数量为一个。每一低温管道2中放置有一个超导通导体1。

可以理解的是，所述的超导通电导体1采用高温超导材料制作，用于传输电流；所述的低温管道2为高真空绝热管道，超导通电导体1放置于低温管道2的内管中，与此同时内管中加注满液氮为超导通电导体1提供低温冷却环境。与常规超导电缆不同，所述的超导通电导体1不包含绝缘层，当超导通电导体1放置于低温管道2的内管中后，低温管道2的内管同样处于高电位，而低温管道2的外管处于“地”电位，低温管道2内管和外管间的真空夹层一方面降低了低温管道2内管的漏热，另一方面实现了内管和外管之间的绝缘。

所述骨架12一般采用软铜或铝导体、不锈钢波纹管等制作，用于为外部各层的缠绕提供基础，也可以作为故障条件下的电流传输通道；所述的超导层11用于稳态条件下传输电流，目前使用较多的材料为Bi2223和YBCO高温超导带材，由多根超导带材分层缠绕在骨架上实现，若传输总电流为I，单根超导带材的传输电流为I0，则所需高温超导带材的数量为I/I0。

例如在本实施例中，骨架12采用高纯铝电缆构成，骨架12的直径为12mm；超导层11采用上海超导公司生产的4.5mm宽YBCO超导带材制作，传输电流为5000A，单根超导带材的传输电流为100A，因此总的超导带材用量为50根，分6层缠绕。

所述的低温管道2用于为超导通电导体1提供低温运行环境和实现绝缘，主体结构包含内管23、真空夹层22、外管21等。所述的内管23用于放置超导通电导体1和低温液体，一般采用不锈钢制作。由于无绝缘的超导通电导体1直接放置于低温管道2的内管23中，因此内管23将与超导通电导体1处于相同的高电位。所述的外管21与常规低温管道形式相同，一般采用不锈钢制作。低温管道2的内管23和外管21之间形成一个真空夹层22，该真空夹层22第一个作用与常规低温管道2相同，也是为了降低内管23和外管21间的传导漏热，绝热性能的计算是低温管道2设计领域专业技术人员的公知常识；与常规低温管道2不同，本发明中的真空夹层22还起绝缘作用。由于真空夹层22中的气体分子稀少，真空间隙电击穿需要在非常高的电压下出现场致发射等其他现象时才有可能形成，理论上真空中的击穿场强需要达到104kV/mm，而实际应用中真空间隙的绝缘强度因一系列不利因素的影响会下降很多，但当真空夹层22真空度达到10-3Pa时其绝缘强度远远高于1个大气压的空气和六氟化硫气体，比变压器油的绝缘强度更高。在通常情况下，真空夹层22的厚度需要通过建立低温管道2内管23和外管21间的电场分析模型确定，该建模分析方法是电气工程领域专业技术人员的公知常识，但绝缘击穿的电场强度判据可以按照不超过10kV/mm进行，即计算的最大电场强度低于10kV/mm即可满足使用要求。综合上述可知，真空夹层22的厚度既要考虑绝热性能的要求，也要考虑绝缘性能的要求，实际使用时取两个计算数值中较大的值。

例如，本实施例中，低温管道2的内管23直径为25mm，为保证绝热效果，真空夹层22的厚度不应低于8mm；此外，超导通电导体1的最高电位为35kV，当真空夹层22厚度为8mm时，计算电场强度最大值为5.7kV/mm，满足本发明给出的绝缘判据，因此可以按照8mm进行设计。

如图4所示，示出了本发明提供的一种真空绝缘超导电缆结构的另一个实施例的结构示意图；在本实施例中，其与图1中示出的实施例的区别在于，在本实施例中，所述内管的数量为三个，所述三个内管在所述外管中呈等边三角形布置，且相邻两个内管之间存在有间隙。这种结构可以用于三相结构的超导电缆中，此时三相可以采用等边三角形布局，其中任意两相、相对地之间均按照设备最高电压等级进行设计。根据本设计的思路可知，由于低温管道2的内管23与超导通电导体1采用等电位方式固定，而三相超导通电导体1之间的电位不同，因此低温管道2需要采用三相分立的内管23，其设计与单相完全一致，只不过三根内管23之间需要保持一定的间隙，该间隙即为上述真空夹层22的设计方法。

例如在本实施例中，设备最高电压为35kV，要求任意两根内管23之间的间隙大于10mm即可满足使用，计算实际电场强度低于5kV/mm。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

在本发明的实施例中，充分利用超导电缆的真空绝热结构，将无绝缘的超导通电导体直接放置于低温管道的内管中，然后增大低温管道真空夹层的厚度，通过真空夹层实现低温管道内管和外管间的绝缘，无需采用绝缘层。上述结构一方面增加真空夹层厚度可以大幅降低低温管道的漏热；另一方面可以简化超导通电导体的结构，从而提高通电导体的弯曲等机械性能。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种真空绝缘超导电缆结构，其特征在于，包括低温管道，以及设置于低温管道中的超导通电导体，所述低温管道中充满有液氮，其中：

所述超导通电导体包括金属骨架，以及缠绕在所述金属骨架上的超导层；

所述低温管道为高真空绝热管道，其包含有外管、至少一个内管，在所述外管与每一内管之间形成真空夹层；

每一低温管道中放置有一个超导通导体。

2.如权利要求1所述的一种真空绝缘超导电缆结构，其特征在于，在所述超导通电导体中，所述超导层采用多条高温超导带材分层缠绕而成。

3.如权利要求2所述的一种真空绝缘超导电缆结构，其特征在于，所述骨架采用软铜、铝导体或不锈钢波纹管制作，所述高温超导带材采用Bi2223或YBCO高温超导带材。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种真空绝缘超导电缆结构，其特征在于，所述内管的数量为一个。

5.如权利要求1-3任一项所述的一种真空绝缘超导电缆结构，其特征在于，所述内管的数量为三个，所述三个内管在所述外管中呈等边三角形布置，且相邻两个内管之间存在有间隙。

6.如权利要求5所述的一种真空绝缘超导电缆结构，其特征在于，所述间隙大于10mm。