CN114464366A - 一种高温超导电缆传导冷却降温系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温超导电缆传导冷却降温系统及方法，包括置于真空绝热腔内的传导冷却超导电缆，传导冷却超导电缆通过由铜编织带组成导冷带作为导冷结构，在导冷带端头轧制铜管连接在制冷机头上，制冷机连接制冷机冷头达到传导冷却超导电缆工作温度区间；传导冷却超导电缆通过电缆接头连接电流引线到出线端子与外部电源连接；通过温度测量系统对传导冷却超导电缆的超导带材温度进行监测，通过真空机组使真空绝热腔内达到低压条件。本发明简化了超导电缆本体与终端的结构，减少了超导电缆终端漏热，提高了制冷机冷量的利用效率，保障电缆长时间稳态运行。
Description
技术领域
本发明属于超导电力技术应用领域，具体涉及通过直接传导冷却方式冷却高温超导带材的超导电缆的降温方法与系统结构设计。
背景技术
现行的高温超导电缆项目第二代高温超导带材制造工艺的成熟，使得利用高载流密度的高温超导电缆进行输电的研究逐渐从试验测试阶段发展到开发应用阶段。通过高温超导材料加工出来的高温超导电缆，在相同的结构尺寸下，传输的电流密度比常规电缆提高了至少两个量级，同时高温超导电缆还具有低损耗、体积小、质量轻、降低传输电压等优势，将高温超导电缆应用于电网，可以大幅度提升电网的输电容量，对现有电力系统的升级具有重要的应用价值。
对于高温超导电缆来说，它的运行总损耗原则上应接近或稍大于常规电缆，才能使其经济性达到一定水平，而目前超导电缆最大的运行损耗就是将电缆冷却到临界温度以下消耗的能量，现行的超导电缆项目大都使用制冷机冷却液氮，使液氮达到过冷状态，来对电缆进行降温，但是这种方式需要定期的维护，而且结构复杂，不适用于空间等无人值守的服役环境。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种高温超导电缆传导冷却降温系统及方法，其可以大幅优化电缆结构、减少超导电缆终端漏热，提高制冷机冷量的利用效率，保障电缆长时间稳态运行。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明提供了一种高温超导电缆传导冷却降温系统，包括置于真空绝热腔内的传导冷却超导电缆，真空绝热腔两端部设有制冷机冷头；传导冷却超导电缆通过由铜编织带组成导冷带作为导冷结构，在导冷带端头轧制铜管连接在制冷机冷头上，制冷机连接制冷机冷头达到传导冷却超导电缆工作温度区间；
传导冷却超导电缆两端通过电缆接头连接电流引线到出线端子，与外部电源连接；
还包括对传导冷却超导电缆的超导带材温度进行监测的温度测量系统以及使真空绝热腔内达到低压条件的真空机组。
作为优选，传导冷却超导电缆为传导冷却高温超导电缆，包括由内至外依次布置的金属支撑波纹管、内绝缘层、超导带材层、外绝缘层和电缆主体导冷层，电缆主体导冷层为铜编织带，在电缆主体导冷层上间隔紧固有十字喉箍。
作为优选，将若干根导冷带完全包裹住电缆主体，采用手工绕制将导冷带缠绕在超导带层上，逐根逐层锚固时不加预张力，缠绕完成后使用十字喉箍从电缆本体的中间位置到接头位置间隔依次紧固。
作为优选，电缆接头外部为正六棱柱结构的铜汇流环，铜汇流环上开有与电流引线连接的螺纹孔，铜汇流环外表面粘装氮化铝陶瓷薄片，电缆接头安装在金属支撑波纹管和内绝缘层上。
作为优选，出线端子包括接线法兰，接线法兰上设内接线端、外出线端和航空插头孔，航空插头孔上安装有真空气密航空插头。
作为优选，电流引线包括铜编织带和电流引线连接端头，电流引线连接端头分别连接电缆接头和接线法兰的内接线端，通过外出线端与外部用电设施与电源连接。
作为优选，温度测量系统为粘装在超导带材层上的铂电阻应变片和与其连接的测量引线，测量引线通过真空气密航空插头连接到外部的温度监视仪。
作为优选，真空绝热腔为多层真空隔热腔，外层为金属外壳层、内层为低温防辐射层，两层之间通过防热辐射层支架连接；低温防辐射层内的传导冷却超导电缆通过电缆支架支撑在真空绝缘腔内。
本发明另一方面，提供一种高温超导电缆传导冷却降温方法，包括：
将绕制并紧固的传导冷却超导电缆装配在真空绝热腔中，将制冷机冷头、真空机组安装于真空绝缘腔上；
将导冷带端头连接于制冷机冷头上，将电缆接头连接电流引线，电流引线连接接线端子至外部电源；
通过铜编织带直接传导冷却超导电缆进行温度测量系统的测试；
封闭真空绝缘腔，降低腔内压强至10-2Pa，制冷机冷头连接制冷压缩机，将超导电缆降温至电缆运行区间；
加载额定工作电流至高温超导电缆，传导冷却超导电缆中温度沿轴向呈梯度分布，监测记录电缆稳态工作的超导带材沿轴向各测量点的温度，判断电缆是否达到工作温度区间。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
1)通过热导率高延展性好的铜编织带直接传导冷却超导电缆的方式满足超导电缆运行过程中电缆本体与终端所需要的温度条件并带走电缆运行过程中产生的热量，以减少超导电缆传导冷却降温过程中的热损耗。
2)本发明中的降温方法大幅度简化了电缆本体与终端的结构，使电缆系统结构更加紧凑，整体的质量和体积大幅减小。
3)制冷机工作稳定，无低温液体输送和补充操作，腔体耐压要求较低，不需要定期的维护与专人值守，能够长期稳定运行。
4)电缆本体与电流引线、制冷系统之间的拆装方便，可根据超导电缆运行电流的大小调整电流引线以减少引线漏热，防止外接线端结霜。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例中传导冷却高温超导电缆系统总体结构剖视图；
图2为本发明实施例中传导冷却高温超导电缆系统部分结构的剖视图；
图3为本发明实施例中传导冷却高温超导电缆主体的横截面结构示意图；
图4为本发明实施例中传导冷却高温超导电缆本体与接头结构剖面示意图。
图5为本发明实施例中传导冷却高温超导电缆接头组装过程中的分体结构示意图。
附图标记：
1、传导冷却超导电缆；
11、电缆主体；111、金属支撑波纹管；112、内绝缘层；113、超导带材层；114、外绝缘层；115、电缆主体导冷层；
12、电缆接头；121、铜汇流环；122、氮化铝陶瓷薄片；123、超导带材连接位置；124；螺纹孔；
13、导冷结构；131、导冷带；132、导冷带端头；133、十字喉箍；134、强力喉箍；
2、真空绝热腔；
21、金属外壳层；211、电流引线腔连接法兰；212、冷头连接法兰；213、接线板连接法兰；
22、低温防辐射层；221、电缆腔低温防辐射层；222、电流引线腔低温防辐射层；
23、防辐射层支架；
24、电缆支架；
3、电流引线；31、铜编织带；32、电流引线连接端头；
4、接线端子；41、接线法兰；42、内接线端；43、外出线端；44、航空插头孔；
5、温度测量系统；51、测量引线；52、真空气密航空插头；
6、真空机组；
7、制冷机冷头。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明高温超导电缆传导式降温系统，包括真空绝热腔2，真空绝缘腔2内置有传导冷却超导电缆1，传导冷却超导电缆1通过电缆支架24支撑在真空绝热腔2内，在真空绝热腔2两端部设有对电缆进行降温的制冷机冷头7，传导冷却超导电缆1通过由铜编织带31组成导冷带131作为导冷结构13，在导冷带端头132轧制铜管连接在制冷机冷头7上；通过制冷机连接制冷机冷头7达到所述传导冷却超导电缆1工作温度区间。
真空绝热腔2内连通有电流引线3、使腔内达到低压条件的真空机组6和对传导冷却超导电缆1进行温度监测的温度测量系统5。传导冷却超导电缆1的两端通过电缆接头12连接电流引线3，电流引线3通过接线端子4接至外部电源。
如图2所示，是本发明实施例中传导冷却高温超导电缆系统部分结构的剖视图，其中，真空绝热腔2为多层真空隔热腔，包括外层的金属外壳层21和内层的低温防辐射层22，金属外壳层21与低温防辐射层22之间安置有低温防辐射层支架23。低温防辐射层22根据所属位置的不同分别为电缆腔低温防辐射层221与电流引线腔低温防辐射层222。真空绝热腔2上分别开有电流引线腔连接法兰211、冷头连接法兰212和接线板连接法兰213；温度测量系统测量引线51和电流引线3的铜编织带31分别固定在电流引线腔连接法兰211和接线板连接法兰213上，与外部温度测量仪器连接。
其中，电流引线3包括铜编织带31和电流引线连接端头32，电流引线连接端头32分别连接电缆接头12和接线端子4，接线端子4包括接线法兰41的内接线端42和外出线端43，电流引线连接端头32连接接线法兰41的内接线端42，外出线端43与外部用电设施与电源连接；同时在接线端子4上开有航空插头孔44，航空插头孔44上安装有真空气密航空插头52。
温度测量系统5包括粘装在超导带材层113上的铂电阻应变片和通过四引线法采用磷铜线制成的测量引线51，磷铜线可以有效屏蔽超导电缆腔内复杂的电磁环境，四引线法可以保证温度测量的准确。测量引线51通过真空气密航空插头52连接到外部的温度监视仪，对于电缆降温运行过程中超导带材沿轴向的温度进行监测，判断其是否失超。
传导冷却超导电缆1通过十字喉箍133与强力喉箍134将铜编织带组成的导冷带131紧固在电缆主体11与电缆接头12上，以减少导冷带与超导带材之间的传导热阻与冷量利用效率，并在导冷带131端头轧制铜管作为导冷带端头132，通过螺栓连接在制冷机冷头上。
在一个实施例中，超导电缆导冷带使用的铜编织带型号为截面积为50mm2，宽度与厚度为28mm*4.8mm的国标铜编织带，铜端头为GT-120紫铜连接管，使用4根该导冷带完全包裹住本发明中的超导电缆。在将导冷带缠绕在超导带层上时，采用手工绕制，逐根逐层锚固时不加预张力，缠绕完成后使用十字喉箍从电缆本体的中间位置到接头位置间隔5cm依次紧固，减少导冷带层与超导带层间的热阻，提高导冷带层到超导带材层的传热降温效率。
图3为本发明实施例中传导冷却高温超导电缆主体11的横截面结构示意图，传导冷却超导电缆主体11从内到外依次为金属支撑波纹管111、内绝缘层112、超导带材层113、外绝缘层114和电缆主体导冷带115。
图4为本发明实施例中传导冷却高温超导电缆本体与接头结构剖面示意图；可以看到传导冷却超导电缆的电缆主体11剖面的各级结构与电缆主体与接头的连接位置，在电缆主体导冷带115层上间隔紧固有十字喉箍133，通过十字喉箍113将导冷带131紧固到电缆接头12上。并在电缆主体导冷带层的引出部分轧制铜端头，将铜端头连接到制冷机冷头7，为超导电缆降温，以达到高温超导电缆超导态运行温度区间。
图5为本发明实施例中传导冷却高温超导电缆接头组装过程中的分体结构示意图，电缆接头12主体为形状为正六棱柱的铜汇流环121，设置有超导带材连接位置123，铜汇流环121上开有与电流引线连接的螺纹孔124，在其他五个面上粘装有氮化铝陶瓷薄片122作为与导冷带之间的绝缘层；电缆接头12安装在电缆的金属支撑波纹管111与内绝缘层112层上，超导带材逐根先锚固后统一通过低温焊锡焊接到电缆接头上，通过强力喉箍134将铜质的电缆主体导冷层115紧固到电缆接头12上。超导带材逐根逐层锚固时不加预张力，缠绕完成后使用低温焊锡焊接到电缆接头的超导带材连接位置123上。以减少接头与导冷带之间的热阻，并将铜接头在电缆运行中产生的焦耳热量及时带走，防止热量累计导致超导带材发生失超。
其中，超导带材层的绝缘材料为PPLP绝缘纸。使用绝缘性好，导热能力强的氮化铝陶瓷材料作为电缆接头的绝缘材料，将氮化铝陶瓷薄片通过低温胶粘装在电缆接头的铜汇流环上并使用低温胶带固定，使用强力喉箍作为夹具将导冷带充分接触在接头上以降低传导热阻，由于氮化铝为脆性材料，铜汇流环的外层结构设计为正六棱柱以方便氮化铝陶瓷片的粘装，导冷带可以及时带走电缆接头由于焦耳热所产生的热量，减少接头通电发热对于高温超导电缆的影响。
下面结合具体实施例对本发明进一步说明，高温超导电缆直接传导式降温方法如下：
1)完成传导冷却超导电缆的绕制与加工，包括确定好作为电缆导冷带131的铜编织带31的型号和长度，在铜编织带两端轧制铜管作为连接制冷机冷头的铜端头；选择合适的金属支撑波纹管111，将内绝缘层112、超导带材层113、外绝缘层114和电缆主体导冷层115绕制和紧固在柔性骨架金属支撑波纹管111上，再通过十字喉箍133和强力喉箍134固定。
将铜导冷带131缠绕在超导带层113上时，采用手工绕制，逐根逐层锚固时不加预张力，缠绕完成后使用十字喉箍133从电缆主体11的中间位置到电缆接头12位置间隔5cm依次紧固，减少导冷带层与超导带层间的热阻，提高导冷带层到超导带材层的热传导降温效率。
2)将传导冷却超导电缆1装配在真空绝热腔2中，将制冷机冷头7、真空机组6和安装于真空绝热腔2上，并完成温度测量系统5的安装与测试。
3)将导冷带端头132通过螺栓连接于制冷机冷头7上，将电缆接头12连接电流引线3，通过接线端子4至外部电源。
4)封闭真空绝热腔2并检查其气密性，降低腔内压强至10-2Pa，开启制冷机通过制冷机冷头7将传导冷却超导电缆1降温至电缆运行区间。
5)检测好高温超导电缆通流能力后，加载额定工作电流至电缆，电缆稳态工作的同时监测记录电缆超导带材层113沿轴向各测量点的温度。
在超导带材上按照点式分布方式安装低温铂电阻应变片，铂电阻应变片测量引线通过真空气密航空插头与腔外的温度监视器相连接，在工作过程检测电缆的温度分布。依据本发明的降温方式，传导冷却超导电缆中温度沿轴向呈梯度分布，在降温结束后呈现两端高中间低的温度分布趋势，即，靠近电缆接头的部分温度较高，电缆中段温度较低，在降温过程中通过温度监视器记录降温过程中传导冷却高温超导电缆整体的温度分布以判断电缆是否达到工作温度区间。
其中，铜质的电流引线3的长度l与横截面积A的取用，根据额定电流I大小的不同，满足以下关系式；
其中，
为铜的平均热导率，I为额定电流大小，Lo为引线材料的洛伦兹常数，Tl为电流引线低温端温度，Th为电流引线高温端温度。通过该关系式确定的电流引线，传导漏热与焦耳热的发热和最低，有效减少电缆在电流引线上的热损耗。
电缆通流能力测量方法如下，从被测传导冷却高温超导电缆两端通过航空插头引出导线，与纳伏表相连接，控制可编程直流电源改变电流，当通过电流超过额定电流20％时，测量传导冷却高温超导电缆两端电压无明显上升，则通流能力超过120％。
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作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高温超导电缆传导冷却降温系统，其特征在于，包括置于真空绝热腔(2)内的传导冷却超导电缆(1)，真空绝热腔(2)两端部设有制冷机冷头(7)；传导冷却超导电缆(1)通过由铜编织带(31)组成导冷带(131)作为导冷结构(13)，在导冷带端头(132)轧制铜管连接在制冷机冷头(7)上，制冷机连接制冷机冷头(7)达到传导冷却超导电缆(1)工作温度区间；
传导冷却超导电缆(1)两端通过电缆接头(12)连接电流引线(3)到出线端子(4)，与外部电源连接；
还包括对传导冷却超导电缆(1)的超导带材温度进行监测的温度测量系统(5)以及使真空绝热腔(2)内达到低压条件的真空机组(6)。
2.根据权利要求1所述的高温超导电缆传导冷却降温系统，其特征在于，所述传导冷却超导电缆(1)为传导冷却高温超导电缆，包括由内至外依次布置的金属支撑波纹管(111)、内绝缘层(112)、超导带材层(113)、外绝缘层(114)和电缆主体导冷层(115)，电缆主体导冷层(115)为铜编织带(31)，在电缆主体导冷层(115)上间隔紧固有十字喉箍(133)。
3.根据权利要求2所述的高温超导电缆传导冷却降温系统，其特征在于，将若干根导冷带(131)完全包裹住电缆主体(11)，采用手工绕制将导冷带(131)缠绕在超导带层(113)上，逐根逐层锚固时不加预张力，缠绕完成后使用十字喉箍(133)从电缆本体(11)的中间位置到接头位置间隔依次紧固。
4.根据权利要求2所述的高温超导电缆传导冷却降温系统，其特征在于，所述电缆接头(12)外部为正六棱柱结构的铜汇流环(121)，铜汇流环(121)上开有与电流引线连接的螺纹孔(124)，铜汇流环(121)外表面粘装氮化铝陶瓷薄片(122)，电缆接头(12)安装在金属支撑波纹管(111)和内绝缘层(112)上。
5.根据权利要求1所述的高温超导电缆传导冷却降温系统，其特征在于，所述出线端子(4)包括接线法兰(41)，接线法兰(41)上设内接线端(42)、外出线端(43)和航空插头孔(44)，航空插头孔(44)上安装有真空气密航空插头(52)。
6.根据权利要求5所述的高温超导电缆传导冷却降温系统，其特征在于，所述电流引线(3)包括铜编织带(31)和电流引线连接端头(32)，电流引线连接端头(32)分别连接电缆接头(12)和接线法兰(41)的内接线端(42)，通过外出线端(43)与外部用电设施与电源连接。
7.根据权利要求5所述的高温超导电缆传导冷却降温系统，其特征在于，所述温度测量系统(5)为粘装在超导带材层(113)上的铂电阻应变片和与其连接的测量引线(51)，测量引线(51)通过真空气密航空插头(52)连接到外部的温度监视仪。
8.根据权利要求1所述的高温超导电缆传导冷却降温系统，其特征在于，所述真空绝热腔(2)为多层真空隔热腔，外层为金属外壳层(21)、内层为低温防辐射层(22)，两层之间通过防热辐射层支架(23)连接；低温防辐射层(22)内的传导冷却超导电缆(1)通过电缆支架(24)支撑在真空绝缘腔(2)内。
9.一种权利要求1-8任一项所述系统的高温超导电缆传导冷却降温方法，其特征在于，包括：
将绕制并紧固的传导冷却超导电缆装配在真空绝热腔中，将制冷机冷头、真空机组安装于真空绝缘腔上；
将导冷带端头连接于制冷机冷头上，将电缆接头连接电流引线，电流引线连接接线端子至外部电源；
通过铜编织带直接传导冷却超导电缆进行温度测量系统的装配与测试；
封闭真空绝缘腔，降低腔内压强至10-2Pa，制冷机冷头连接制冷压缩机，将超导电缆降温至电缆运行区间；
加载额定工作电流至传导冷却超导电缆，传导冷却超导电缆中温度沿轴向呈梯度分布，监测记录电缆稳态工作的超导带材沿轴向各测量点的温度，判断电缆是否达到工作温度区间。
10.根据权利要求9所述的高温超导电缆传导冷却降温方法，其特征在于，根据铜的载流量与故障电流引线热稳定性计算电流引线的长度l与横截面积A；
其中，
为铜的平均热导率，I为额定电流大小，Lo为引线材料的洛伦兹常数，Tl为电流引线低温端温度，Th为电流引线高温端温度。
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