CN109994282A - 正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆。本发明一种正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆，包括：内骨架，所述内骨架的中心通道通过冷却媒介；内绝缘层，所述内绝缘层以预定的螺旋角绕在所述内骨架上；内铜稳定层，所述内铜稳定层以预定的螺旋角绕在所述内绝缘层上。本发明的有益效果：充分利用了超导带材的机械和电磁特性，所设计的超导电缆通电导体在现实制作工艺中不增加绕制难度，且提高超导带材利用效率，与此同时考虑应用工况条件下的安全性和节约空间的需求，确定了合理的绝缘结构。

Description

正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆
技术领域
本发明涉及电力系统输变电领域，具体涉及一种正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆。
背景技术
超导材料零电阻效应具有无损耗运输电流的性质，应用超导技术将大大降低其不必要的能耗、提升能量传输转化效率，其所带来的重大经济战略意义使其成为当今各国在国防、公共基础建设、工业领域中重点投入研究应用的高新技术。超导应用是指关于超导技术的应用研究，主要从事超导电性应用基础研究，发展超导体在电力工业、强磁场技术、通讯技术、医疗和科学研究等方面的应用技术。而如今是保证未来超导技术在国际竞争中取得优势的关键时期，特别是超导技术与电力技术的结合将给电力行业的发电、输电、配电带来较大改变，除我国以外，欧美、日、韩等很多国家已开展超导研究和工程应用项目；尤其电力行业是超导产业重要的应用场所与市场，涵盖电力传输用电缆、限流器、储能装置和电机等领域，应用将产生巨大的经济效益和社会效益。超导输电技术是利用高密度载流能力的超导材料发展起来的新型输电技术，由于超导材料的载流能力可达到100～1000A/mm2(约是普通铜或铝的载流能力的50～500倍)，且其传输损耗几乎为零(直流下的损耗为零，工频下会有一定的交流损耗，约为0.1～0.3W/kA·m)，因此超导直流电缆输电技术是实现大规模电力远距离输送的潜在解决方案之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆，结构及功能具有新颖性，可以根据环境要求，一根电缆正负极同轴使用，也可作为两根超导电缆使用。且在现实应用中可以大幅降低制造及运行维护成本，同时在工况下无对外电磁辐射，自身具有环境友好性。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆，包括：
内骨架，所述内骨架的中心通道通过冷却媒介；
内绝缘层，所述内绝缘层以预定的螺旋角绕在所述内骨架上；
内铜稳定层，所述内铜稳定层以预定的螺旋角绕在所述内绝缘层上；
内超导层，所述内超导层以预定的螺旋角绕在所述内铜稳定层上；
主绝缘层，所述主绝缘层以预定的螺旋角绕在所述内超导层上；
外铜稳定层，所述外铜稳定层以预定的螺旋角绕在所述主绝缘层上；
外超导层，所述外超导层以预定的螺旋角绕在所述外铜稳定层上；
外绝缘层，所述外绝缘层以预定的螺旋角绕在所述外超导层上；
铜屏蔽层，所述铜屏蔽层以预定的螺旋角绕在所述外绝缘层上；以及
外保护层，所述外保护层以预定的螺旋角绕在所述铜屏蔽层上。
本发明的有益效果：
充分利用了超导带材的机械和电磁特性，所设计的超导电缆通电导体在现实制作工艺中不增加绕制难度，且提高超导带材利用效率，与此同时考虑应用工况条件下的安全性和节约空间的需求，确定了合理的绝缘结构。
在其中一个实施例中，所述内绝缘层采用聚丙烯复合纤维纸。
在其中一个实施例中，所述内骨架采用不锈钢环形波纹管。
在其中一个实施例中，所述外保护层采用无纺布。
在其中一个实施例中，所述内绝缘层的内外一层都以预定的螺旋角绕制一层碳纸。
在其中一个实施例中，所述主绝缘层的内外一层都以预定的螺旋角绕制一层碳纸。
在其中一个实施例中，所述外绝缘层的内外一层都以预定的螺旋角绕制一层碳纸。
在其中一个实施例中，所述冷却媒介是液氮。
在其中一个实施例中，所述主绝缘层采用聚丙烯复合纤维纸。
在其中一个实施例中，所述外绝缘层采用聚丙烯复合纤维纸。
附图说明
图1是本发明正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆的结构示意图。
图2是本发明正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆中骨架的结构示意图。
图3是本发明正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆中铜稳定层的结构示意图。
图4是本发明正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆中的超导带层的结构示意图。
其中，1-波纹管，2-碳纸，3-内绝缘，4-碳纸，5-内铜稳定层，6-内超导层，7-碳纸，8-主绝缘，9-碳纸，10-外铜稳定层，11-外超导层，12-碳纸，13-外绝缘，14-碳纸，15-铜屏蔽层，16-无纺布保护层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
一种正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆，正负极同轴的通电导体是高温超导电缆承载电流的核心部件，通常由骨架、导体层、绝缘层、液氮通道和保护层等部分组成，其外部为可以是维持低温环境的低温杜瓦管。
通电导体通常采用一定数量的超导带材在骨架上以预定的螺旋角绕制成多层螺旋形结构，本发明中高温超导直流电缆采用正负极同轴结构。
电缆最内侧是用于绕制超导带材以及作为液氮通道的内骨架，由于电缆在运输及安装过程中会有一定程度的弯曲，因此内骨架要求有一定的柔度以及刚度，一般选用不锈钢材质的波纹管作为内骨架。
在内骨架与内导电层之间、正负极导电层之间、外导电层与外保护层之间需要绕制绝缘结构，来隔离接地层与通电导体正负极。由于本发明中高温超导电缆为低温绝缘结构，绝缘层需选用可耐低温的材质，其绝缘层厚度需根据耐压等级进行设计。绝缘层由于在10kV工作电压状态下运行，为防止局部电荷过于集中而导致绝缘破坏，需要在绝缘层的里外侧各绕制一层半导电层来均匀电场。
正负极通电导体结构均需要敷设铜稳定层。电缆运行过程中，一旦通电导体正负极之间以及对地之间绝缘被破坏，巨大的短路故障电流流过导体层，使温度迅速上升进而威胁绝缘和护套。铜稳定层的敷设即是为了防止故障电流对电缆本体造成更大的损害，铜稳定层在短时间内可以顺利通过巨大的故障电流而不至于产生太大的温升。
正负极超导层的绕制以一定角度分别在铜稳定层表面绕制成螺旋形结构。当超导带材根数过多时，可以进行多层绕制，并且在超导层与层之间可以添加一层绕包层来保证绕制表面尽量平整。
在于导体结构采用正负极同轴结构，使得制造及运行维护成本大幅降低。同时这种结构在使用功能上具有多样性，在满足传输容量要求下单极使用，在此工况下另一极作屏蔽层接地；在传输容量要求较高条件下双极同时使用。并且在工作时对外无电磁辐射，自身具有环境友好性。
在于中心支撑骨架采用非磁性不锈钢波纹管，综合考虑电缆载流要求、弯曲半径、绕制难易、液氮流通等多方面因素后，本发明中电缆内骨架波纹管选用轧纹结构为环形波纹的不锈钢波纹管。
在于采用PPLP复合绝缘材料，主要用于超导材料的电气绝缘，同时还担负着冷却、防腐防潮、机械支撑、固定和保护超导体的作用。
在于采用铜层作为短路故障情况发生时大电流承载导体。
在于采用超导层分层排列的结构设计，充分利用超导带材临界电流的各向异性，依据运行电流确定均流分布设计。
下面介绍本发明的一个具体应用场景：
如图1中不锈钢环形波纹管1，在电缆结构中作为支撑整体结构骨架，并且作为冷却媒介的中心通道以为通电导体提供低温环境。如图2所示环形波纹管结构示意图。
如图1中内层PPLP绝缘3，在电缆结构中用于分离和绝缘中心波纹管和内铜稳定层；在绝缘层内外中往往绕制一层碳纸(2和4)，作为半导电层来均匀电场。
如图1中内铜稳定层5，在通电导体结构中置于内层绝缘与内超导层之间，以用于在电缆发生绝缘破坏等故障情况下发挥承受短时过载电流的作用；图3为其结构纵向示意图，后续重复不再赘述。
如图1中内超导层6，是正负极同轴结构的超导电缆通电内导体，作为通电导体结构的核心部分负荷传输电流；图4为其结构纵向示意图，后续重复不再赘述。
如图1中主绝缘层8，在电缆结构中用于分离和绝缘内超导层和外铜稳定层；同样在绝缘层内外中往往绕制一层碳纸(7和9)，作为半导电层来均匀电场；
如图1中外铜稳定层10，在通电导体结构中置于主绝缘与外超导层之间，以用于在电缆发生绝缘破坏等故障情况下发挥承受短时过载电流的作用；
如图1中外超导层11，是正负极同轴结构的超导电缆通电外导体，功能同4)；
如图1中外绝缘层13，在电缆结构中用于分离和绝缘外超导层和外铜屏蔽层(及通电导体外部结构)；同样在绝缘层内外中绕制一层碳纸(图1中标识12和14)，作为半导电层来均匀电场；
如图1中铜屏蔽层15，置于通电导体外部，用于电磁屏蔽和接地保护；
如图1中无纺布保护层16，置于铜屏蔽层外部，用于整个通电导体的结构保护。
本发明所阐述的通电导体结构，在相应电缆产品使用具有如下新颖性：绝缘采用低温绝缘形式，相对于室温绝缘超导电缆，大幅减少电缆体积，节约空间成本，并适用于大容量电能传输；导体结构采用正负极同心结构，使得制造及运行维护成本大幅降低；同时这种结构在使用功能上具有多样性，在满足传输容量要求下单极使用，在此工况下另一极作屏蔽层接地；在传输容量要求较高条件下双极同时使用；并且在工作时对外无电磁辐射，自身具有环境友好性。
本发明所阐述的正负极同轴结构考虑到绕制矩形截面、容易弯折的超导带材保护，加之正负极同轴结构设计，适用于较大长度电缆的绕制，符合超导电缆使用超导带材进行绕制的规模化生产要求。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆，其特征在于，包括：
内骨架，所述内骨架的中心通道通过冷却媒介。
内绝缘层，所述内绝缘层以预定的螺旋角绕在所述内骨架上；
内铜稳定层，所述内铜稳定层以预定的螺旋角绕在所述内绝缘层上；
内超导层，所述内超导层以预定的螺旋角绕在所述内铜稳定层上；
主绝缘层，所述主绝缘层以预定的螺旋角绕在所述内超导层上；
外铜稳定层，所述外铜稳定层以预定的螺旋角绕在所述主绝缘层上；
外超导层，所述外超导层以预定的螺旋角绕在所述外铜稳定层上；
外绝缘层，所述外绝缘层以预定的螺旋角绕在所述外超导层上；
铜屏蔽层，所述铜屏蔽层以预定的螺旋角绕在所述外绝缘层上；以及
外保护层，所述外保护层以预定的螺旋角绕在所述铜屏蔽层上。
2.如权利要求1所述的正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆，其特征在于，所述内绝缘层采用聚丙烯复合纤维纸。
3.如权利要求1所述的正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆，其特征在于，所述内骨架采用不锈钢环形波纹管。
4.如权利要求1所述的正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆，其特征在于，所述外保护层采用无纺布。
5.如权利要求1所述的正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆，其特征在于，所述内绝缘层的内外一层都以预定的螺旋角绕制一层碳纸。
6.如权利要求1所述的正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆，其特征在于，所述主绝缘层的内外一层都以预定的螺旋角绕制一层碳纸。
7.如权利要求1所述的正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆，其特征在于，所述外绝缘层的内外一层都以预定的螺旋角绕制一层碳纸。
8.如权利要求1所述的正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆，其特征在于，所述冷却媒介是液氮。
9.如权利要求1所述的正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆，其特征在于，所述主绝缘层采用聚丙烯复合纤维纸。
10.如权利要求1所述的正负极同轴结构的冷绝缘高温超导直流电缆，其特征在于，所述外绝缘层采用聚丙烯复合纤维纸。
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