CN115942523B - 用于超导磁体电流引线的耐高电压薄壁复合绝缘加热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于超导磁体电流引线的耐高电压薄壁复合绝缘加热器,包括带有不锈钢外壳的加热单元、高导热绝缘套管、复合材料绝缘层、绝缘帽、绝缘塞和金属外壳。其中,加热单元不锈钢外壳上有接地线引出;带有不锈钢外壳的加热单元用导热绝缘材料缠绕后装配到高导热绝缘套管内;高导热绝缘套管外缠绕复合材料绝缘层;金属外壳包裹在复合材料绝缘层外侧并且与带有不锈钢外壳的加热单元同轴,金属外壳在加热器绝缘套管开口端有渐开口结构;加热器在绝缘套管开口端安装一个带伞裙结构的绝缘帽,绝缘套管封闭端采用绝缘塞封闭。本发明公开的用于超导磁体电流引线的耐高电压薄壁复合材料绝缘加热器通过多层复合绝缘结构,同时实现了在小尺寸空间内的高电压等级绝缘和加热功能。
Description
技术领域
本发明属于高电压技术、超导技术领域,特别是涉及一种用于超导磁体电流引线的耐高电压薄壁复合绝缘加热器。
背景技术
超导磁体电流引线是用于超导磁体供能的部件,在运行时会承载较大的电流,采用高温超导体制作的高温超导电流引线具有较低的低温热负荷,在结构上由常规金属段、高温超导段和低温超导段组成,为保证电流引线的超导体运行在超导态,需要用冷氦气和液氦对电流引线进行冷却。在超导装置待机过程中,过量的冷却会使电流引线处于室温环境的终端过冷,引起凝水、结霜、结冰等问题,影响设备的正常使用,延长设备的自检、开机时间,为了保证超导装置的安全、稳定运行,需要在高温超导电流引线室温端安装电加热器进行热补偿。
超导磁体运行过程中通常伴随着大电流及高电压,加热器与其他设备均从供电系统上获取电能,为保证超导设备及其他相关设备的正常运行和维护人员的安全,需要超导磁体电流引线与主供电回路进行高电压绝缘处理,同时为了保证加热的效率及温度分布均匀,以多个细长的棒状电加热器相互平行插入高温超导电流引线室温端的铜块组成加热链。
查询现有专利,中国发明专利CN114165916A(一种真空绝缘液体电加热器)介绍了一种带有真空夹层的电加热器,该结构利用真空层对加热器进行绝缘和绝热处理,不能满足高温超导电流引线的加热要求,中国实用新型专利CN215010753U(绝缘复合加热器)介绍一种利用陶瓷套管和耐热结构组合的耐高温绝缘陶瓷加热器,该结构尺寸较大,且不能承受局部超过20kV/mm的电压,不适用于高温超导电流引线的加热;中国实用新型专利CN211481497U(一种具有绝缘结构的加热器)介绍了一种经过陶瓷结构加强的加热器,解决了加热器在高温状态下的电性能问题,但上述结构体积大,不满足超导磁体电流引线处于室温终端的加热需求。
发明内容
为解决上述技术难题,本发明提供了一种用于超导磁体电流引线的耐高电压薄壁复合绝缘加热器,以解决基于现有技术的传统加热器绝缘强度不足,尺寸不合适,不能满足在超导磁体电流引线终端上对于绝缘强度的高要求问题。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种用于超导磁体电流引线的耐高电压薄壁复合绝缘加热器,包括加绝缘帽、金属外壳、复合材料绝缘层、高导热绝缘套管、带有不锈钢外壳的加热单元和绝缘塞;
所述带有不锈钢外壳的加热单元被装配在绝缘套管中,所述带有不锈钢外壳的加热单元从不锈钢外壳上引出一根接地线,所述带有不锈钢外壳的加热单元底部为金属圆头;
所述复合材料绝缘层包裹在高导热绝缘套管的直线段部分外侧;
所述绝缘帽与高导热绝缘套管接触配合;
所述金属外壳位于复合材料绝缘层外侧,所述金属外壳顶部具有渐开口结构,其与所述金属外壳的直线段相连;
所述绝缘塞位于绝缘套管的底部,与绝缘套管底部的圆头粘接配合。
进一步地,所述绝缘帽包含中空结构、波纹结构和延长绝缘结构,其中,所述中空结构与绝缘帽同心,将绝缘帽从两端贯通,所述波纹结构位于绝缘帽与高导热绝缘套管结合的一侧,延伸至绝缘帽中段,所述绝缘帽通过所述中空结构与所述高导热绝缘套管配合。
进一步地,所述金属外壳末端具有圆弧倒角。
进一步地,所述带有不锈钢外壳的加热单元与高导热绝缘套管装配的间隙内填充耐高温、高导热绝缘材料。
进一步地,所述位于金属外壳与高导热绝缘套管之间的复合材料绝缘层通过真空压力浸渍工艺进行处理,具有结构致密,绝缘性能好的特点。
进一步地,所述高导热绝缘套管介电常数比所述复合材料绝缘层介电常数高。
有益效果:
本发明的绝缘复合加热器基于工程热物理技术、超导技术、高电压绝缘技术和复合材料技术相结合,以常规加热器为基础,以高导热材料、高电压绝缘材料为补充实现高电压条件下的加热功能,在上端设置带通孔的绝缘帽,在延长暴露在空气端结构的绝缘路径长度的同时,连通绝缘复合加热器内部,防止由于放气和气体膨胀等作用引起的加热器结构损坏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实例或现有技术中的技术方案,下面将对实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,对于本领域普通技术人员而言,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为本发明的一种用于超导磁体电流引线的耐高电压薄壁复合绝缘加热器剖面结构示意图。
图2为绝缘帽示意图。
图3为加热器绝缘套管示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案,下面将结合本发明实例中的附图,对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实例仅仅是本发明一部分实例,而不是全部的实例。基于本发明中的实例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实例,都应当属于本发明保护的范围。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示,本发明的用于超导磁体电流引线的耐高电压薄壁复合绝缘加热器总长550mm,单侧绝缘厚度3.5mm,设计耐直流电压45kV;内有直径的电加热单元,具体结构包括绝缘帽1、金属外壳2、复合材料绝缘层3、高导热绝缘套管4、带有不锈钢外壳的加热单元5和绝缘塞6。
其中,高导热绝缘套管4为氧化铝陶瓷套管,具有良好的导热性能和绝缘性能,同时具有较高的介电常数,放置在加热器内侧可以承受工作时产生的高温。复合材料绝缘层3的介电常数小,耐电压等级高,被放置在高导热绝缘套管4外侧,在氧化铝陶瓷具有较大介电常数的情况下使之分配到更多的电压,提供更好的绝缘效果,同时避免由于加热过程中温度过高导致绝缘材料破坏,绝缘失效。
绝缘帽1包括中空结构1.3,与高导热绝缘套管4同心,中空结构1.3的通孔便于导线的引出以及绝缘复合加热器内部气体的排出,防止由于加热后的材料放气和气体膨胀带来的结构性破坏。绝缘帽1被设置在金属铝质外壳2的顶端,此处电场强度最弱,绝缘帽1外侧设有多个波纹结构1.2以延长沿表面放电路径,防止爬电的产生。绝缘帽1底部含有一个延长绝缘结构1.1,其与复合材料绝缘层3相配合,延长绝缘路径,防止沿间隙放电。
所述金属外壳2与高电压端直接接触,成为高电压端的等电位体,在金属外壳2末端设有渐开口结构2.2,通过螺纹结构与金属铝质外壳2的直线段2.1相连,防止由于表面曲率半径太小带来的电荷集中,破坏加热器的绝缘功能。
所述带有不锈钢外壳的加热单元5被导热绝缘材料5.2缠绕后装配到高导热的绝缘套管4内,提高从带有不锈钢外壳的加热单元5到绝缘套管4的传热效率,防止局部过热。带有不锈钢外壳的加热单元5的不锈钢外壳上引出一根接地线5.1,起到绝缘失效保护的作用,防止高电压直接作用到带有不锈钢外壳的加热单元5的供电电路上,引起更大的设备损坏。
所述复合材料绝缘层3介电常数小,热导率差,放置在绝缘套管4的外侧,从布局上降低了复合材料绝缘层3的温度,防止由于过热导致的材料损坏从而引起绝缘失效,将复合材料绝缘层3布置在绝缘套管4的外侧还可以减少在绝缘套管4上分配的电压,增强整体的绝缘性能。
所述带有不锈钢外壳的加热单元5底部焊有金属圆头5.3用于减小底部的金属结构表面曲率半径,减少电荷积聚,避免尖端放电的产生。
所述绝缘塞6包括与绝缘套管相配合的凹槽结构6.1和用于封闭金属铝质外壳2底部的封盖结构6.2。
本发明用于高温超导电流引线的耐高电压薄壁复合绝缘加热器通过结构设计,能避免由于与之装配结构上的电场集中造成的绝缘结构损坏,具体的原理如下:所述加热的高导热绝缘套管4外侧包有一层金属外壳2,当绝缘复合加热器与被加热件装配时,金属外壳2与被加热件接触,形成等电位,高电压与绝缘材料的界面由装配表面变成了金属外壳2与绝缘套管4的界面,装配界面成为带电体的内表面,不再有电势差分布。
本发明用于高温超导电流引线的耐高电压薄壁复合绝缘加热器通过结构设计,能避免在加热过程中加热器内部结构产生的高压问题,防止绝缘复合加热器因为加热产生的高压导致绝缘结构损坏,具体的原理如下:绝缘套管4由陶瓷材料制成,由于材料特性,极易吸附空气中的水分子等小分子,当绝缘复合加热器工作时,其内部的温度较高,吸附的小分子会从陶瓷材料表面析出,同时随着温度上升,气体膨胀,进一步加剧了其内部的压力增长,从而导致其因为内部压力炸裂,绝缘结构损坏,在绝缘复合加热器上端电场薄弱处开一个与其内部连通的气孔,可以有效地防止上述情况的发生。
本发明用于高温超导电流引线的耐高电压薄壁复合绝缘加热器通过调整不同介电材料的位置分布来提高整体的绝缘性能,具体的原理如下:所述绝缘复合加热器的绝缘部分主要有两种不同的绝缘材料构成,其中,位于内侧的绝缘套管4采用介电常数高但介电强度相对较低的氧化铝陶瓷材料制成,位于外侧的复合材料绝缘层3由介电强度高但相对介电常数较低的树脂复合材料制成,根据麦克斯韦方程的微分形式:
其中:E为电场强度,ρ为带有不锈钢外壳的加热单元5上的总电荷量;ε为相对介电常数。
代入柱坐标方程,忽略沿加热棒轴向的电场分布(L/D≥50)可得:
E=λ/2πεr
其中:L为耐高电压复合绝缘加热器的总长;D为耐高电压复合绝缘加热器的直径;E为电场强度;λ为带有不锈钢外壳的加热单元上的线电荷密度;ε为相对介电常数;r为圆柱面半径。
由上式可知电场强度与介电常数ε和圆柱面半径r的乘积成反比,因此把相对介电常数较大的材料置于内侧,相对介电常数较小的材料置于外侧能有效的均匀绝缘结构内的电场分布,充分利用材料的绝缘性能,避免电场集中造成的绝缘结构损坏。
本发明用于高温超导电流引线的耐高电压薄壁复合绝缘加热器通过对其结构设计,能有效地控制其内部的温度,避免绝缘性能由于高温受到损坏,具体原理如下:所述绝缘复合加热器在工作时内部温度恒定,根据能量守恒,由带有不锈钢外壳的加热单元5的加热芯棒产生的热量等于通过每一个完整包裹住绝缘复合加热器的界面的热量,由于所述绝缘复合加热器为轴对称结构,可知其内部的温度分布也是轴对称,以距离中心为r的圆柱面为例,设环境温度为T0,加热芯棒功率为W,绝缘复合加热器外径为R,得到的微分方程为:
其中T指温度;k为材料的导热系数。
解得沿圆柱体的温度分布为:
其中,R越小,温度越高,热导率越小,温度随r变小而增大的幅度越大,因此,将耐高温、高导热的氧化铝陶瓷材料放于内侧,将不耐高温、热导率较差的复合材料放于外侧能有效的降低绝缘复合加热器的整体温度分布,减少由于过热导致绝缘结构损坏的几率,延长加热器的使用寿命,提高设备的安全性。
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。
以上所述仅是本发明的具体实施方式,使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种用于超导磁体电流引线的耐高电压薄壁复合绝缘加热器,其特征在于:包括绝缘帽(1)、金属外壳(2)、复合材料绝缘层(3)、高导热绝缘套管(4)、带有不锈钢外壳的加热单元(5)和绝缘塞(6);
所述带有不锈钢外壳的加热单元(5)通过导热绝缘材料(5.2)缠绕后装入高导热绝缘套管(4)中,所述带有不锈钢外壳的加热单元(5)从不锈钢外壳上引出一根接地线(5.1),所述带有不锈钢外壳的加热单元(5)底部为金属圆头(5.3);
所述复合材料绝缘层(3)包裹在高导热绝缘套管(4)的直线段部分外表面;
所述绝缘帽(1)位于高导热绝缘套管(4)的开口端并与高导热绝缘套管(4)配合;
所述复合材料绝缘层(3)位于金属外壳(2)与高导热绝缘套管(4)之间并且厚度一致,所述金属外壳(2)在位于高导热绝缘套管(4)的开口端具有渐开口结构(2.2),与所述金属外壳(2)的直线段(2.1)相连;
所述绝缘塞(6)位于高导热绝缘套管(4)的封闭端下部,与高导热绝缘套管(4)底部的半圆头通过环氧树脂粘接配合。
2.根据权利要求1所述的用于超导磁体电流引线的耐高电压薄壁复合绝缘加热器,其特征在于:所述绝缘帽(1)包含中空结构(1.3)、波纹结构(1.2)和 延长绝缘结构(1.1),其中,所述中空结构(1.3)与绝缘帽(1)同心,将绝缘帽(1)从两端贯通,所述波纹结构(1.2)位于绝缘帽(1)的外表面,波纹结构(1.2)的长度位于绝缘帽(1)中段,所述绝缘帽(1)通过所述中空结构(1.3)与所述绝缘套管(4)配合。
3.根据权利要求1所述的用于超导磁体电流引线的耐高电压薄壁复合绝缘加热器,其特征在于:所述金属外壳(2)末端具有圆弧倒角。
4.根据权利要求1所述的用于超导磁体电流引线的耐高电压薄壁复合绝缘加热器,其特征在于:所述带有不锈钢外壳的加热单元(5)与高导热绝缘套管(4)装配的间隙内填充耐高温、高导热、低热膨胀系数绝缘材料。
5.根据权利要求1所述的用于超导磁体电流引线的耐高电压薄壁复合绝缘加热器,其特征在于:所述高导热绝缘套管(4)在位于加热器的上端处开口、下端处的半球壳封闭,具有高导热、耐高温的特点。
6.根据权利要求1所述的用于超导磁体电流引线的耐高电压薄壁复合绝缘加热器,其特征在于:所述带有不锈钢外壳的加热单元(5)与高导热绝缘套管(4)装配的间隙内填充的耐高温、高导热材料的上端有一个气孔与绝缘帽(1)的中空结构(1.3)相通。
7.根据权利要求1所述的用于超导磁体电流引线的耐高电压薄壁复合绝缘加热器,其特征在于:所述高导热绝缘套管(4)和金属外壳(2)之间填充厚度均匀的圆柱壳状环氧树脂基真空浸渍的复合材料绝缘层(3)。
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