CN112435799A - 三相同轴超导电缆通电导体冷却结构及超导电缆通电导体 - Google Patents
三相同轴超导电缆通电导体冷却结构及超导电缆通电导体 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种三相同轴超导电缆通电导体冷却结构以及超导电缆通电导体，包括：低温杜瓦管，其为空心圆柱结构；设置与低温杜瓦管中的通电导体，通电导体为空心圆柱结构，其由内之外依次绕制有柔性骨架、第一绝缘层、A相超导层、第二绝缘层、B相超导层、第三绝缘层、C相超导层、屏蔽层、第五绝缘层、保护层；其中，柔性骨架的中空部分构成第一液氮通道；低温杜瓦管的内壁面与保护层的外壁面之间间隙构成第二液氮通道；B相超导层与第二绝缘层之间间隙构成第三液氮通道；B相超导层与第三绝缘层之间间隙构成第四液氮通道；第一、第二、第三、第四液氮通道用于液氮流通，为通电导体进行降温冷却，使得B相超导层的热传导路径缩短，提高热稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及超导电缆技术领域，具体涉及一种三相同轴超导电缆通电导体冷却结构及超导电缆通电导体。
背景技术
高温超导电缆系统是采用无阻的、能传输高电流密度的超导材料作为导电体并能传输大电流的一种电力设施，具有体积小、重量轻、损耗低和传输容量大的优点，可以实现低损耗、高效率、大容量输电。高温超导电缆系统将首先应用于短距离传输电力的场合 (如发电机到变压器、变电中心到变电站、地下变电站到城市电网端口)及电镀厂、发电厂和变电站等短距离传输大电流的场合，以及大型或超大型城市电力传输的场合。其中，通电导体是高温超导电缆的载流部分，是超导电缆系统最核心的部件，通电导体是一个空心圆柱结构，内外表面均浸泡于制冷工质液氮之中，可以获得良好的低温环境。对于三相同轴的超导电缆而言，中间B相超导层的热传导路径长，热稳定性相对较差。特别是在发生B相短路故障的时候，尤其明显。
发明内容
本发明旨在提出一种三相同轴超导电缆通电导体冷却结构及超导电缆通电导体，使得超导电缆的中间B相超导层的热传导路径缩短，能够提高其热稳定性。
为此，本发明实施例提出一种三相同轴超导电缆通电导体冷却结构，包括：
低温杜瓦管，其为空心圆柱结构；
设置与所述低温杜瓦管中的通电导体，所述通电导体为空心圆柱结构，其由内之外依次绕制有柔性骨架、第一绝缘层、A相超导层、第二绝缘层、B相超导层、第三绝缘层、C相超导层、屏蔽层、第五绝缘层、保护层；
其中，所述柔性骨架的中空部分构成第一液氮通道；所述低温杜瓦管的内壁面与所述保护层的外壁面之间间隙构成第二液氮通道；所述B相超导层与第二绝缘层之间间隙构成第三液氮通道；所述B 相超导层与第三绝缘层之间间隙构成第四液氮通道；所述第一液氮通道、第二液氮通道、第三液氮通道以及第四液氮通道用于液氮的流通，以为所述通电导体进行降温冷却。
可选地，所述第三液氮通道和所述第四液氮通道均为微流通道，所述B相超导层与第二绝缘层之间、以及所述B相超导层与第三绝缘层之间设置有纤维网，所述纤维网用于维持所述B相超导层与第二绝缘层之间、以及所述B相超导层与第三绝缘层之间的微流通道。
可选地，所述纤维网分别通过螺旋绕制的方式绕制在所述第二绝缘层的外壁面以及所述B相超导层的外壁面上。
本发明的实施例还提出一种三相同轴超导电缆通电导体，包括上述实施例所述的超导电缆通电导体冷却结构；所述A相超导层通过使用超导带材在所述第一绝缘层上以第一方向螺旋绕制而成；所述B相超导层通过使用超导带材在所述第二绝缘层上以第二方向螺旋绕制而成；所述C相超导层通过使用超导带材在所述第三绝缘层上以第一方向螺旋绕制而成；所述第一方向与第二方向关于所述电缆的中轴线对称。
可选地，所述B相超导层的超导带材的中线与所述A相超导层的超导带材的间隙；所述C相超导层的超导带材的中线与所述B相超导层的超导带材的间隙。
可选地，在所述第一绝缘层与所述A相超导层之间、在所述A 相超导层与所述第二绝缘层之间、在所述第二绝缘层与所述B相超导层之间、在所述B相超导层与所述第三绝缘层之间、在所述第三绝缘层与所述C相超导层之间、在所述C相超导层与所述第四绝缘层之间分别螺旋绕制有半导电层。
可选地，A、B、C相超导层均由多根超导带材焊接形成；其中相邻两根超导带材的端部进行搭接，并进行低温焊锡钎焊连接；相邻两根超导带材搭接的部分的长度为60mm，并且焊锡厚度小于0.1 mm。
本发明的实施例提出一种三相同轴超导电缆通电导体冷却结构以及超导电缆通电导体，所述冷却结构包括四个液氮通道，所述柔性骨架的中空部分构成第一液氮通道；所述低温杜瓦管的内壁面与所述保护层的外壁面之间间隙构成第二液氮通道；所述B相超导层与第二绝缘层之间间隙构成第三液氮通道；所述B相超导层与第三绝缘层之间间隙构成第四液氮通道；所述第一液氮通道、第二液氮通道、第三液氮通道以及第四液氮通道用于液氮的流通，以为所述通电导体进行降温冷却；通过以上设置，使得超导电缆的中间B相超导层的热传导路径缩短，能够提高其热稳定性。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式中阐述。
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他的附图。
图1为本发明实施例的三相同轴高温超导电缆通电导体剖视图。
图2为本发明实施例的纤维网结构示意图。
图3为本发明实施例的微流通道结构示意图。
图4为本发明实施例的三相同轴高温超导电缆通电导体的A、B、 C三相的超导带材绕制方向示意图。
图5为本实施例中焊接电阻与超导带搭接长度的关系示意图。
图中标记：1-低温杜瓦管，11-第一液氮通道，12-第一液氮通道， 13-第一液氮通道，14-第一液氮通道，2-通电导体，21-柔性骨架，22-第一绝缘层，23-A相超导层，24-第二绝缘层，25-B相超导层， 26-第三绝缘层，27-C相超导层，28-第四绝缘层，29-铜屏蔽层，210-第五绝缘层，211-保护层，3-纤维网。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的手段未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
参阅图1，本发明实施例提出一种三相同轴超导电缆通电导体冷却结构，包括：
低温杜瓦管，其为空心圆柱结构；
设置与所述低温杜瓦管中的通电导体，所述通电导体为空心圆柱结构，其由内之外依次绕制有柔性骨架、第一绝缘层、A相超导层、第二绝缘层、B相超导层、第三绝缘层、C相超导层、屏蔽层、第五绝缘层、保护层；
其中，所述柔性骨架的中空部分构成第一液氮通道；所述低温杜瓦管的内壁面与所述保护层的外壁面之间间隙构成第二液氮通道；所述B相超导层与第二绝缘层之间间隙构成第三液氮通道；所述B 相超导层与第三绝缘层之间间隙构成第四液氮通道。
具体而言，所述冷却结构包括四个液氮通道，所述柔性骨架的中空部分构成第一液氮通道；所述低温杜瓦管的内壁面与所述保护层的外壁面之间间隙构成第二液氮通道；所述B相超导层与第二绝缘层之间间隙构成第三液氮通道；所述B相超导层与第三绝缘层之间间隙构成第四液氮通道；所述第一液氮通道、第二液氮通道、第三液氮通道以及第四液氮通道用于液氮的流通，以为所述通电导体进行降温冷却；通过以上设置，使得超导电缆的中间B相超导层的热传导路径缩短，能够提高其热稳定性。
可选地，所述第三液氮通道和所述第四液氮通道均为微流通道，所述B相超导层与第二绝缘层之间、以及所述B相超导层与第三绝缘层之间设置有纤维网，所述纤维网用于维持所述B相超导层与第二绝缘层之间、以及所述B相超导层与第三绝缘层之间的微流通道。
具体而言，本实施例为了改进超导电缆的B相超导层的冷却效果，在B相导体相邻层引入“微流通道”。即在A-B相和B-C相之间的绝缘层等功能层中间通过微支撑结构引入“微流通道”，微流通道在充入液氮后会充满液氮，为B相导体提供良好的低温环境。不过由于微流通道的空间狭小，表面粘性力占优，雷诺数很大，不会对宏观制冷流程产生明显影响。
其中，微流通道的支撑结构采用一种特制的纤维网，如图3所示，这种纤维网的网孔、经纬线相对粗细是以微流通道CFD计算结果为基准选定的。
可选地，所述纤维网分别通过螺旋绕制的方式绕制在所述第二绝缘层的外壁面以及所述B相超导层的外壁面上，例如图3所示。
本发明的实施例还提出一种三相同轴超导电缆通电导体，包括上述实施例所述的超导电缆通电导体冷却结构；所述A相超导层通过使用超导带材在所述第一绝缘层上以第一方向螺旋绕制而成；所述B相超导层通过使用超导带材在所述第二绝缘层上以第二方向螺旋绕制而成；所述C相超导层通过使用超导带材在所述第三绝缘层上以第一方向螺旋绕制而成；所述第一方向与第二方向关于所述电缆的中轴线对称。
具体而言，本实施例中A相超导层与B相超导层的超导带材的卷绕方向关于所述电缆的中轴线对称，B相超导层与C相超导层的超导带材的卷绕方向关于所述电缆的中轴线对称，即A相超导层与 C相超导层的超导带材的卷绕方向相同，有助于减少周向磁场，适用短距离传输电力的场合，实现低损耗、高效率、大容量输电。
可选地，所述B相超导层的超导带材的中线与所述A相超导层的超导带材的间隙；所述C相超导层的超导带材的中线与所述B相超导层的超导带材的间隙。
具体而言，本实施例中层间超导带的相对位置是“插空”方式，即下一层的超导带对准上一层两根超导带之间的间隙。这种排列方法，相邻超导带的磁场垂直分量被部分抵消，有助于均化磁场，消除垂直场的影响。
可选地，所述第一绝缘层与所述A相超导层之间、所述A相超导层与所述第二绝缘层之间、所述第二绝缘层与所述B相超导层之间、所述B相超导层与所述第三绝缘层之间、所述第三绝缘层与所述C相超导层之间、所述C相超导层与所述第四绝缘层之间分别螺旋绕制有半导电层。
需说明的是，本实施例通过在第一绝缘层2和A相导体层之间、 A相导体层与第二绝缘层之间、第二绝缘层和B相导体层之间、B 相导体层和第三绝缘层之间、第三绝缘层和C相导体层之间、C相导体层和第四绝缘层之间分别螺旋绕制半导电层，来避免导体性质不规则产生的局部电场畸变，利用本实施例制造得到的超导电缆通电导体的局部结构如图1所示，利用本实施例制造得到的超导电缆通电导体适用短距离传输电力的场合，实现低损耗、高效率、大容量输电。
可选地，所述第五绝缘层的厚度小于所述第一、第二、第三、第四绝缘层。其中，通电导体外围设置低温杜瓦管。具体而言，铜屏蔽层外表面螺旋绕制第四绝缘层以及保护层，以隔离所述铜屏蔽层与低温杜瓦管之间的点位，并保护通电导体穿入低温杜瓦管的时候不受到机械损伤。
可选地，本实施例还包括：
将多根超导带材焊接形成满足预设超导电缆长度的超导带材；其中相邻两根超导带材的端部进行搭接，并进行低温焊锡钎焊连接。
可选地，相邻两根超导带材搭接的部分的长度为60mm，并且焊锡厚度小于0.1mm。
其中，由于高温超导带材的电阻是磁场、温度和运行电流的函数，其电阻计算非常复杂。在一定的假设简化下，各层的电阻计算可以遵循如下步骤。
通过临界电流的定义可以确定高温超导带材的电阻，如下式给出：
式中，Ic为温度Θ和磁场B下的临界电流(A)；Io为实际运行电流(A)；N为反应超导材料特性的指数，越大说明超导体越接近理想超导体，表示其E-J曲线的上升部分越陡；R是超导层的平均半径 (m)；α为超导带材的绕向角(rad)。
从定义上看，这一部分超导带材固有的电阻是极小的，可以忽略不计。由于超导带的单带长度有限，需要由多根超导带焊接形成电缆长度的超导带材。超导带之间的非超导焊接，引入了所谓的接头电阻。接头电阻与焊接长度和焊锡厚度等要素有关系。图5给出了采用搭接低温焊锡钎焊的方法，焊接电阻与搭接长度、焊锡厚度的关系。从图5中我们可以看出，搭接长度在60mm之上，焊接电阻的下降开始不再明显；同时，也看到焊接厚度则是以“较薄”为宜。但是焊锡太薄了，可能会产生焊接不牢固或不均匀的问题。综合考虑搭接长度和焊锡厚度两方面因素，本实施例控制搭接60mm并且焊锡厚度小于0.1mm，可以保证焊接接头电阻在20nΩ以下。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (7)
1.一种三相同轴超导电缆通电导体冷却结构，其特征在于，包括：
低温杜瓦管，其为空心圆柱结构；
设置与所述低温杜瓦管中的通电导体，所述通电导体为空心圆柱结构，其由内之外依次绕制有柔性骨架、第一绝缘层、A相超导层、第二绝缘层、B相超导层、第三绝缘层、C相超导层、屏蔽层、第五绝缘层、保护层；
其中，所述柔性骨架的中空部分构成第一液氮通道；所述低温杜瓦管的内壁面与所述保护层的外壁面之间间隙构成第二液氮通道；所述B相超导层与第二绝缘层之间间隙构成第三液氮通道；所述B相超导层与第三绝缘层之间间隙构成第四液氮通道；所述第一液氮通道、第二液氮通道、第三液氮通道以及第四液氮通道用于液氮的流通，以为所述通电导体进行降温冷却。
2.根据权利要求1所述的三相同轴超导电缆通电导体冷却结构，其特征在于，所述第三液氮通道和所述第四液氮通道均为微流通道，所述B相超导层与第二绝缘层之间、以及所述B相超导层与第三绝缘层之间设置有纤维网，所述纤维网用于维持所述B相超导层与第二绝缘层之间、以及所述B相超导层与第三绝缘层之间的微流通道。
3.根据权利要求1所述的三相同轴超导电缆通电导体冷却结构，其特征在于，所述纤维网分别通过螺旋绕制的方式绕制在所述第二绝缘层的外壁面以及所述B相超导层的外壁面上。
4.一种三相同轴超导电缆通电导体，其特征在于，包括权利要求1～3任一项所述的超导电缆通电导体冷却结构；所述A相超导层通过使用超导带材在所述第一绝缘层上以第一方向螺旋绕制而成；所述B相超导层通过使用超导带材在所述第二绝缘层上以第二方向螺旋绕制而成；所述C相超导层通过使用超导带材在所述第三绝缘层上以第一方向螺旋绕制而成；所述第一方向与第二方向关于所述电缆的中轴线对称。
5.根据权利要求4所述的三相同轴超导电缆通电导体，其特征在于，所述B相超导层的超导带材的中线与所述A相超导层的超导带材的间隙；所述C相超导层的超导带材的中线与所述B相超导层的超导带材的间隙。
6.根据权利要求5所述的三相同轴超导电缆通电导体，其特征在于，所述第一绝缘层与所述A相超导层之间、所述A相超导层与所述第二绝缘层之间、所述第二绝缘层与所述B相超导层之间、所述B相超导层与所述第三绝缘层之间、所述第三绝缘层与所述C相超导层之间、所述C相超导层与所述第四绝缘层之间分别螺旋绕制有半导电层。
7.根据权利要求6所述的三相同轴超导电缆通电导体，其特征在于，A、B、C相超导层均由多根超导带材焊接形成；其中相邻两根超导带材的端部进行搭接，并进行低温焊锡钎焊连接；相邻两根超导带材搭接的部分的长度为60mm，并且焊锡厚度小于0.1mm。
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