CN113470889A - 一种堆叠式超导电缆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超导电缆的技术领域，提供了一种堆叠式超导电缆，包括电缆芯体，电缆芯体内设有沿轴向方向延伸的支撑管道，支撑管道内沿轴向方向设有主冷媒流道，支撑管道与电缆芯体之间设有两个以上的电缆导体，相邻电缆导体之间设有沿径向方向延伸的支撑臂，支撑臂内设有支冷媒流道，支冷媒流道与主冷媒流道连通形成第一冷媒流道，电缆芯体由支撑臂划分形成两个以上的导体放置腔，电缆导体堆叠放置于导体放置腔。本发明的堆叠式超导电缆，改善堆叠结构的冷却效果，降低因冷却不佳对电缆载流能力的影响。

Description

一种堆叠式超导电缆

技术领域

本发明涉及超导电缆的技术领域，特别是涉及一种堆叠式超导电缆。

背景技术

超导材料，是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线性质的材料，这个低温条件根据不同的材质而变化，我们称之为临界温度。超导电缆是利用超导材料在其临界温度下成为超导态、电阻消失、损耗极微、电流密度高、能承载大电流的特点而设计制造的。其传输容量远远超过充油电缆，亦大于低温电缆，可达10000MVA以上，是正在大力研究发展中的一种新型电缆。由于超导体的临界温度一般在20K以下，故超导电缆一般在4.2K的液氦中运行。

目前我国对电力的需求越来越大，这就需要增大电力系统的传输容量和传输距离。传统电缆由铜或铝制成，在传输过程中的线损约占15％。中国每年电力传输过程中的线损就超过数百亿千瓦时。与传统电缆相比，高温超导电缆具有容量大、损耗低、体积小、重量轻、以及系统可靠性高、节约资源、环境友好等优势。随着超导技术的发展，高温超导电缆与高温超导限流器被认为是最有可能首先在电力系统中商业应用的超导设备。

随着高温超导材料及其相应技术的发展，制作高温超导电缆已具备了必要的基础。由于工作温区的相对提高，使得利用高温超导材料制作的电缆其输电成本将低于传统电缆的输电成本，用于直流输电其优越性尤为突出。高温超导电缆的诸多优越性决定了它在不久的将来将有广泛应用。

在传统的超导电缆的结构设计中，对于超导电缆采用的堆叠结构能够有效提高芯缆的载流密度，例如专利文献CN108447615B公开的一种高电流密度可以承载大电流的组合正方形堆叠式高温超导消磁电缆结构，属于高温超导消磁电缆领域，所述高温超导消磁电缆沿径向从内到外分别为芯体、绝缘层、隔离带、液氮通道、低温杜瓦管和外保护套，但该设计由于带材层叠数量较多，导致中心区域的超导带材无法充分受到冷却介质的降温或降温效果差，影响电缆的载流能力。

发明内容

本发明的目的是：提供一种堆叠式超导电缆，改善堆叠结构的冷却效果，降低因冷却不佳对电缆载流能力的影响。

为了实现上述目的，本发明提供了一种堆叠式超导电缆，包括电缆芯体，所述电缆芯体内设有沿轴向方向延伸的支撑管道，所述支撑管道内沿轴向方向设有主冷媒流道，所述支撑管道与所述电缆芯体之间设有两个以上的电缆导体，相邻所述电缆导体之间设有沿径向方向延伸的支撑臂，所述支撑臂内设有支冷媒流道，所述支冷媒流道与所述主冷媒流道连通形成第一冷媒流道，所述电缆芯体由所述支撑臂划分形成两个以上的导体放置腔，所述电缆导体堆叠放置于所述导体放置腔。

作为优选方案，所述支撑臂远离所述支撑管道一端与所述电缆芯体的内壁之间设有间隔间隙。

作为优选方案，所述支撑臂的数量设置在3－8个。

作为优选方案，所述支撑臂沿所述电缆芯体的周向等间隔布置。

作为优选方案，所述电缆芯体外侧设有第二冷媒层，所述第二冷媒层内设有第二冷媒流道，所述第一冷媒流道与所述第二冷媒流道连通。

作为优选方案，所述第二冷媒层外侧设有热绝缘层，所述热绝缘层由两层金属波纹管套制，两层所述金属波纹管之间抽真空形成真空层，所述真空层内嵌有防辐射金属箔。

作为优选方案，相邻的所述导体放置腔内的所述电缆导体的堆叠方向相互垂直。

作为优选方案，所述电缆导体堆叠形成导体组，所述导体组的横截面形状为扇形、三角形或正方形。

作为优选方案，所述电缆导体通过低温胶固定于所述支撑臂。

作为优选方案，所述电缆导体的宽度a及其堆叠后形成的厚度b均小于或等于所述支冷媒流道沿径向方向延伸的长度c。

本发明实施例一种堆叠式超导电缆与现有技术相比，其有益效果在于：支撑管道内沿轴向方向设有主冷媒流道，保证电缆芯体在轴向方向的冷却效果，支撑管道沿径向方向凸出周向间隔布置两个以上的支撑臂，相邻的支撑臂之间形成导体放置腔，通过支撑臂的设置在电缆芯体内划分成多个用于放置电缆导体的导体放置腔，将电缆导体的放置区域细分化，通过在支撑臂内设有支冷媒流道，相邻的电缆导体之间均有支冷媒流道通过，支冷媒流道通过为电缆导体划分区域的支撑臂穿插至电缆导体中，使各导体放置腔内的电缆导体均能与支冷媒流道接触，增大整体电路导体的冷却面积，进而充分对电缆导体的各个堆叠结构层进行冷却，改善冷却介质对电缆导体的冷却效果，降低冷却不佳对电缆载流能力的影响。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图。

图中：

10、电缆芯体；11、支撑管道；12、主冷媒流道；

20、支撑臂；21、支冷媒流道；22、导体放置腔；23、电缆导体；30、第二冷媒流道；31、热绝缘层；32、电绝缘层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是焊接连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例优选实施例的一种堆叠式超导电缆，包括电缆芯体10，电缆芯体10内设有沿轴向方向延伸的支撑管道11，支撑管道11内沿轴向方向设有主冷媒流道12，支撑管道11与电缆芯体10之间设有两个以上的电缆导体23，相邻电缆导体23之间设有沿径向方向延伸的支撑臂20，支撑臂20内设有支冷媒流道21，支冷媒流道21与主冷媒流道12连通形成第一冷媒流道，电缆芯体10由支撑臂20划分形成两个以上的导体放置腔22，电缆导体23堆叠放置于导体放置腔22。

在本发明的堆叠式超导电缆，支撑管道11内沿轴向方向设有主冷媒流道12，保证电缆芯体10在轴向方向的冷却效果，支撑管道11沿径向方向凸出周向间隔布置两个以上的支撑臂20，相邻的支撑臂20之间形成导体放置腔22，通过支撑臂20的设置在电缆芯体10内划分成多个用于放置电缆导体23的导体放置腔22，将电缆导体23的放置区域细分化，通过在支撑臂20内设有支冷媒流道21，相邻的电缆导体23之间均有支冷媒流道21通过，支冷媒流道21通过为电缆导体23划分区域的支撑臂20穿插至电缆导体23中，使各导体放置腔22内的电缆导体23均能与支冷媒流道21接触，增大整体电路导体的冷却面积，进而充分对电缆导体23的各个堆叠结构层进行冷却，改善冷却介质对电缆导体23的冷却效果，降低冷却不佳对电缆载流能力的影响。

进一步的，支撑臂20远离支撑管道11一端与电缆芯体10的内壁之间设有间隔间隙。通过间隔间隙的设置，防止支撑臂20内的支冷媒流道21与第二冷媒流道30发生热交换，保证支冷媒流道21的冷却效果，同时防止支冷媒流道21与电缆芯体10内壁之间产生破坏性摩檫力，延长超导电缆的使用寿命。

进一步的，如图1所示，支撑臂20一端向电缆芯体10的内壁延伸，支撑臂20的一端与电缆芯体10内壁之间设置间隙距离，在有限空间内加大支撑臂20的长度，以增大导体放置腔22的空间，导体放置腔22放入更多的电缆导体23，增大电缆的载流能力，支冷媒流道21向支撑臂20两端延伸，在支撑臂20内部使支冷媒流道21延伸面积最大化，在有限空间内提高冷却效果，提高冷却结构利用率。支冷媒流道21的宽度以冷却介质能顺利通过即可，支冷媒流道21的宽度过大占据电缆导体23的堆叠空间，不利于电缆载流能力的优化。

进一步的，如图1所示，支撑臂20数量过多使导体放置腔22的空间变小，支撑臂20数量过少，冷却效果下降，支撑臂20的数量设置在3－8个。将支撑臂20的数量设置在合适范围内，综合效果好。

进一步的，如图1所示，支撑臂20沿电缆芯体10的周向等间隔布置，以使整体电缆导体23的冷却效果更加均匀。

进一步的，如图1所示，电缆芯体10外侧设有第二冷媒层，第二冷媒层设置于电缆芯体10外侧有助于第二冷媒流道30的散热。第二冷媒层内设有第二冷媒流道30，第一冷媒流道与第二冷媒流道30连通。第一冷媒流道用于冷却介质的流入，第二冷媒流道30用于冷却介质的流出，冷却介质通过第一冷媒流道流入电缆芯体10内，吸收电缆芯体10内电缆导体23产生的热量后，流经电缆芯体10外侧的第二冷媒流道30时进行散热，冷却介质温度得以降低，温度降低后的冷却介质重新进入第一冷媒流道为电缆导体23进行冷却，进而实现循环热交换。具体的，超导电缆在短距离传输可直接在第一冷媒流道与第二冷媒流道30的端部通过管道直接连通，如超导电缆在长距离传输时，第一冷媒流道与第二冷媒流道30每隔一端距离需要设置冷却介质交换部进行连通，从第一冷媒流道流出的冷却介质在冷却介质交换部中进行冷却或冷却液交换实现冷却介质温度稳定后再重新流入第二冷媒流道30，以保证冷媒温度的稳定。作为优选的，冷却介质采用液氮或液氦。

进一步的，如图1所示，相邻的导体放置腔22内的电缆导体23的堆叠方向相互垂直，能抵御来自外界的电磁波干扰，同时可以降低超导带材之间的相互干扰。具体的，导体放置腔22内的电缆导体23由导体带材堆叠形成堆叠结构的电缆导体23。

进一步的，如图1所示，电缆导体23堆叠形成导体组，导体组的横截面形状为扇形、三角形或正方形。可根据超导电缆的载流需求或支撑臂20形成的导体放置腔22形状以调整导体组的横截面形状。本发明的超导电缆结构灵活紧凑，实用性强。

进一步的，如图1所示，第二冷媒层外侧设有热绝缘层31，热绝缘层31由两层金属波纹管套制，两层金属波纹管之间抽真空形成真空层，真空层内嵌有防辐射金属箔。热绝缘层31的设置，使电缆导体23与外部环境实现热绝缘，保证在低温环境下超导导体安全运行。具体的，防辐射金属箔为多层，通过多层防辐射金属箔隔离，隔离效果更佳。具体的，热绝缘层31的外侧设有电绝缘层32。电绝缘层32置于热绝缘层31的外面，因其处于环境温度下，故习惯上被称为常温绝缘超导电缆或热绝缘超导电缆，常温绝缘超导电缆的电绝缘层32由常规电缆绝缘材料制作。

进一步的，电缆导体23通过低温胶固定于支撑臂20。电缆导体23固定于支撑臂20，保证超导电缆整体结构稳定性。具体的，低温胶由特殊的接枝共聚物与合金、陶瓷、金刚石等粉末制作。本发明中的低温胶低温环境下具有固化速度快、粘接强度高、耐油、耐温、耐介质、耐老化8～15年等综合性能的优点。

进一步的，支撑管道11由铜、铝或不锈钢制作而成。支撑管道11由铜制成，导电性能好，支撑管道11由铝制成，超导电缆重量轻，支撑管道11由不锈钢制成，生产成本低。

进一步的，电缆导体的宽度a及其堆叠后形成的厚度b均小于或等于支冷媒流道沿径向方向延伸的长度c。作为优选的，支冷媒流道沿径向方向延伸的长度大于等于电缆导体的宽度a及其堆叠后形成的厚度b，以保证热交换效果。

综上，本发明实施例提供一种堆叠式超导电缆，通过支撑臂20的设置在电缆芯体10内划分成多个用于放置电缆导体23的导体放置腔22，将电缆导体23的放置区域细分化，通过在支撑臂20内设有支冷媒流道21，相邻的电缆导体23之间均有支冷媒流道21通过，支冷媒流道21通过为电缆导体23划分区域的支撑臂20穿插至电缆导体23中，使各导体放置腔22内的电缆导体23均能与支冷媒流道21接触，增大整体电路导体的冷却面积，进而充分对电缆导体23的各个堆叠结构层进行冷却，改善冷却介质对电缆导体23的冷却效果，降低冷却不佳对电缆载流能力的影响。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种堆叠式超导电缆，其特征在于：包括电缆芯体，所述电缆芯体内设有沿轴向方向延伸的支撑管道，所述支撑管道内沿轴向方向设有主冷媒流道，所述支撑管道与所述电缆芯体之间设有两个以上的电缆导体，相邻所述电缆导体之间设有沿径向方向延伸的支撑臂，所述支撑臂内设有支冷媒流道，所述支冷媒流道与所述主冷媒流道连通形成第一冷媒流道，所述电缆芯体由所述支撑臂划分形成两个以上的导体放置腔，所述电缆导体堆叠放置于所述导体放置腔。

2.根据权利要求1所述的堆叠式超导电缆，其特征在于：所述支撑臂远离所述支撑管道一端与所述电缆芯体的内壁之间设有间隔间隙。

3.根据权利要求1所述的堆叠式超导电缆，其特征在于：所述支撑臂的数量设置在3－8个。

4.根据权利要求1所述的堆叠式超导电缆，其特征在于：所述支撑臂沿所述电缆芯体的周向等间隔布置。

5.根据权利要求1所述的堆叠式超导电缆，其特征在于：所述电缆芯体外侧设有第二冷媒层，所述第二冷媒层内设有第二冷媒流道，所述第一冷媒流道与所述第二冷媒流道连通。

6.根据权利要求5所述的堆叠式超导电缆，其特征在于：所述第二冷媒层外侧设有热绝缘层，所述热绝缘层由两层金属波纹管套制，两层所述金属波纹管之间抽真空形成真空层，所述真空层内嵌有防辐射金属箔。

7.根据权利要求1所述的堆叠式超导电缆，其特征在于：相邻的所述导体放置腔内的所述电缆导体的堆叠方向相互垂直。

8.根据权利要求1所述的堆叠式超导电缆，其特征在于：所述电缆导体堆叠形成导体组，所述导体组的横截面形状为扇形、三角形或正方形。

9.根据权利要求1所述的堆叠式超导电缆，其特征在于：所述电缆导体通过低温胶固定于所述支撑臂。

10.根据权利要求1所述的堆叠式超导电缆，其特征在于：所述电缆导体的宽度a及其堆叠后形成的厚度b均小于或等于所述支冷媒流道沿径向方向延伸的长度c。

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