CN116110656A

CN116110656A - 故障限流型的超导充电电缆

Info

Publication number: CN116110656A
Application number: CN202310325547.8A
Authority: CN
Inventors: 杨勇; 朱玉嘉; 李晓航
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2023-03-30
Filing date: 2023-03-30
Publication date: 2023-05-12

Abstract

本发明公开一种故障限流型的超导充电电缆，主要解决现有超导电缆无法用于负载双向直流大功率充电，且结构复杂的问题。其包括：电缆骨架与液氮通路(1)，复合导体层(2)，绝热外壳(3)。电缆骨架支撑复合导体层和绝热外壳；复合导体层由内、外超导带材层和内、外故障限流稳定层分别复合构成，包裹在电缆骨架上；通过使用中间层绝缘衬套将内复合导体层与外复合导体层分隔开，实现超导电缆的双向直流充电功能；通过在超导带材层上铠装故障限流稳定层，实现超导电缆对故障电流的限流功能；绝热外壳包裹在外液氮波纹管上，以大幅减少电缆本体向外界的漏热。本发明结构紧凑，无需使用故障限流器，可用于连接电极终端对电动汽车进行大功率直流快速充电。

Description

故障限流型的超导充电电缆

技术领域

本发明属于电缆技术领域，具体涉及一种超导充电电缆，可用于连接电极终端对电动汽车进行大功率直流快速充电。

背景技术

高温超导电缆是利用超导体在工作状态下独有的无阻载流特性，实现低电压、大功率、低损耗的电能输送，而随着超导体转变温度的逐渐升高及高温超导带材制造工艺的成熟，利用高载流密度的高温超导电缆进行输电的研究已经逐渐从试验测试阶段发展到了开发应用阶段。在化石能源日益短缺、环境污染问题日益严重的大背景下，电动汽车产业得到了迅速发展。然而，传统的直流充电方式确存在充电速度缓慢、充电功率小、能量利用率低的不足。此外，为了实现对输电电路的过载保护，传统的高温超导输电电缆体积较大、结构复杂，且需要与故障限流器配合工作。

针对传统电动汽车充电桩充电功率小、充电速度慢的问题，可结合日益成熟的超导电缆技术，将传统超导输电电缆结构小型化，并使用高温超导电缆对电动汽车进行超导直流快充，从而大大提升充电速率和能源利用率。

专利号为CN200710063118.2的专利文献公开了“一种绝缘绝热一体的超导电缆”，该电缆包括支撑内管，电缆导体和电缆外壳。电缆外壳和内管间带有夹层，内管内为低温冷却剂通道及装载的超导导体，所述的电缆外壳和内管上均设有波纹管伸缩段；电缆外壳和内管间的夹层为绝缘绝热层，且置有至少一组夹层绝缘子；该电缆外壳和内管间构成的绝缘绝热层为抽真空夹层或填充轻质泡沫、粉状绝缘绝热材料层。

美国专利US20080119362，公开了一种“超导电缆”，该电缆包括管状支撑结构，多层超导导体和电缆外壳。管状支撑结构位于超导电缆中心，选用不锈钢支撑管；多层超导导体层选用临界转变温度不同的超导材料构成，内层导体的临界转变温度与外层导体的临界转变温度不同；内层导体与外层导体之间的空腔通道用于通流低温冷却液，在不同导体层之间布置有电绝缘层。

上述电缆均存在以下不足：

一是由于支撑骨架均为刚性结构，因而在敷设完毕后无法弯折。

二是其导体层仅能够实现电流的单向通流，无法实现电流的同轴双向通流，仅能用作大功率单向输电载流线缆，不便用于对负载的大功率直流快速充电。

三是由于超导电缆缺乏对线路的过载保护功能，故在使用时需要配合故障限流器共同工作，结构复杂，经济性差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种故障限流型的超导充电电缆，以显著提升电动汽车直流充电的功率及充电速率，简化电缆结构，减小占地面积，实现超导电力组件的小型化。

为实现上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种故障限流型的超导充电电缆，包括：电缆骨架与液氮通路1，复合导体层2，绝热外壳3，其特征在于：

所述电缆骨架与液氮通道1，采用内、外两层柔性金属波纹管12,14作为电缆骨架，实现对电缆导体层的支撑，并能在设定限度内弯折；该内层液氮波纹管12内部设有内层液氮通道11，该外层液氮波纹管14与复合导体层2之间设有外层液氮通道13，通过这两个通道11,13给导体层通入降温的低温工质；

所述复合导体层2，由内、外超导带材层23,25和内、外故障限流稳定层22,26分别复合构成，该内超导带材层23的内侧设有内故障限流稳定层22，该外超导带材层25的外侧设有外故障限流稳定层26，通过这两个故障限流稳定层22,26实现电缆自身对过载电流的限流作用；

所述绝热外壳3，采用复合绝热层31与最外层金属套管32构成，该复合绝热层31位于外层液氮波纹管14的外侧，以减少电缆本体向外界的漏热；该最外层金属套管32位于复合绝热层31的外侧。

进一步，所述内故障限流稳定层22与内超导带材层23固定为一体；所述外故障限流稳定层26与外超导带材层25固定为一体；所述内、外故障限流稳定层22,26均采用高电阻率的导电材料，以提高电缆本体发生故障电流冲击失超时的失超电阻。

进一步，所述内层液氮波纹管12与所述内故障限流稳定层22之间设置有内层绝缘衬套21；所述内超导带材层23与所述外超导带材层25之间设置有中间层绝缘衬套24，用于将内外超导带材层分开，实现超导电缆的双向大功率直流充电功能；所述外故障限流稳定层26与外层液氮通道13之间设置有外层绝缘衬套27；该内层、中间层、外层绝缘衬套21,24,27均采用多层绝缘材料包裹构成，以在千伏电压级别下提供良好的绝缘性能。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明由于使用柔性波纹管作为电缆骨架，使用复合绝热层或柔性真空夹层作为电缆绝热层，使得电缆本体能够弯折，结构简单紧凑，可实现超导电力设备的小型化、柔性化、模块化。

2.本发明由于使用多层绝缘衬套将内超导带材层与外超导带材层分隔开，使内、外超导带材能能够分别独立通电，可实现电缆的双向大功率直流快速充电功能，对用于电动汽车的大功率直流充电，能显著提升充电功率，加快充电速率。

3.本发明由于在内、外超导带材层上分别设置内、外故障限流稳定层形成复合导体层，显著提升了复合导体层的失超电阻，可在发生过载电流冲击时对充电系统线路起到限流保护作用，实现保持超导电缆结构紧凑的同时提升了安全裕度，且无需使用额外的故障限流器部件。

4.本发明由于设置了两种不同形式的复合绝热层，能够大幅减少电缆本体向外界的漏热，提升电缆的充电功率，增强电缆运行时的稳定性；且由于这两种复合绝热层形式可根据实际工况灵活选择，自由切换，拓宽了超导电力设备的应用场景。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是图1的径向截面图；

图3是图1的轴向截面图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例做进一步详细描述。

实施例1：

参照图1、图2、图3，本实施例设计的超导充电电缆，包括：电缆骨架与液氮通路1，复合导体层2，绝热外壳3；复合导体层2逐层包绕在电缆骨架1的内层上；绝热外壳3包绕在电缆骨架1的外层上。

所述电缆骨架与液氮通路1，用于支撑电缆导体层与绝热层，并作为液氮通入的通道，以给复合导体层降温，其包括内层液氮通道11、内层液氮波纹管12、外层液氮通道13和外层液氮波纹管14；该内层液氮波纹管12与外部液氮供给管路连接，液氮从位于内层液氮波纹管12内部的内层液氮通道11流入；该外层液氮波纹管14与外部液氮排出管路连接，液氮从位于外层液氮波纹管14与复合导体层2之间的外层液氮通道13流出，形成低温工质在电缆本体内部的闭式循环。

本实施例中，采用但不限于规格为Ф25×5mm的304不锈钢法兰波纹管作为内层液氮波纹管12，采用但不限于规格为Ф50×5mm的304不锈钢法兰波纹管作为外层液氮波纹管14。

所述复合导体层2，用于承载大功率直流电，其包括内层绝缘衬套21、内故障限流稳定层22、内超导带材层23、中间层绝缘衬套24、外超导带材层25、外故障限流稳定层26和外层绝缘衬套27；该内层绝缘衬套21包绕在内层液氮波纹管12上，使得包裹内层绝缘衬套后的电缆直径约为27mm，以提供大于10kV的绝缘强度；该内故障限流稳定层22铠装焊接在内超导带材层23的内侧，二者固定为一体，共同构成内复合导体层，包裹在内层绝缘衬套21上，中间层绝缘衬套24包裹在内超导带材层23上；该外故障限流稳定层26铠装焊接在外超导带材层25外侧，二者固定为一体，共同构成外复合导体层，包裹在中间层绝缘衬套24上；该外层绝缘衬套27包裹在外故障限流稳定层26上，包裹外层绝缘衬套27后电缆直径约为44mm。

本实施例中，内超导带材层23和外超导带材层25均选用但不限于Bi系高温超导带材按5°的螺旋角包绕，该高温超导带材截面为矩形，截面尺寸宽度约为5mm，厚度约为1mm；内超导带材层23的导体数为18根，外超导带材层25的导体数为20根，由于电缆充电通流时内超导带材层23与外超导带材层25的电流方向相反，内、外超导带材需要以相同方向缠绕以抵消通电过程中产生的磁场。内故障限流稳定层22、外故障限流稳定层26在铠装时选用但不限于低温焊锡多点分段焊接，以保证焊接触点在超低温工作状态下的结构强度，并尽可能减小故障限流层与超导带材层之间的接触电阻。

故障限流稳定层可选用处在液氮温区时电阻率较大的导电材料，如镍铬合金、不锈钢、铜镍合金；本实施例中的内故障限流稳定层22、外故障限流稳定层26均选用但不限于柔性不锈钢编织带构成，当不锈钢编织带与超导带材铠装焊接时能够显著提升复合导体层的失超电阻，以实现电缆本体的过载保护功能。

本实施例中，内层绝缘衬套21、中间层绝缘衬套24和外层绝缘衬套27均选用但不限于多层聚丙烯层压纸加压包裹构成。由于外层绝缘衬套27需要与外层液氮通道13中的液氮直接接触，其可选用但不限于柔性聚四氟乙烯套管，且包裹在多层聚丙烯层压纸上形成复合绝缘衬套，以保证外层绝缘衬套27在电缆服役过程中保持稳定的绝缘性能。

所述绝热外壳3，用于减少电缆本体向外界的漏热，同时实现电缆本体由超低温到室温的温度过渡，其包括复合绝热层31和最外层金属套管32；多层复合绝热层31设置在外层液氮波纹管14的外侧，最外层金属套管32包裹在多层复合绝热层31的外侧。

该复合绝热层31可选用但不限于多层镀铝聚酯纤维薄膜、多层玻璃纤维布、气凝胶绝热毡这些低热导率绝热材料构成；本实施例中多层镀铝聚酯纤维薄膜包裹在外层液氮波纹管14上，在其外侧依次缠绕多层玻璃纤维布、气凝胶绝热毡，最后使用柔性聚四氟乙烯套管铠装构成复合绝热层31。

该最外层金属套管32，可选用但不限于不锈钢金属波纹管。

实施例2：

所述电缆骨架与液氮通路1和复合导体层2的结构与实施例1的结构相同。

所述绝热外壳3，包括复合绝热层31和最外层金属套管32；多层复合绝热层31设置在外层液氮波纹管14的外侧，最外层金属套管32包裹在多层复合绝热层31的外侧。其中：

该复合绝热层31采用防辐射屏与柔性真空夹层构成，在最外层金属套管32的内侧和外层液氮波纹管14的外侧分别设置防辐射屏，在最外层金属套管32和外层液氮波纹管14之间设置柔性真空夹层，通过设置的柔性真空夹层和防辐射屏共同构成复合绝热层31；

该防辐射屏可选用但不限于铝箔、不锈钢等金属反射膜或陶瓷纤维、碳纤维、玻璃纤维薄膜组成；

该最外层金属套管32，选用的材料与实施例1选用的材料相同，即选用不锈钢金属波纹管。

本发明的故障限流效果可通过计算在1kA故障电流级别的能量冲击下，单根超导带材承载的电流进行验证，其验证过程如下：

第一步，将故障限流稳定层铠装焊接在超导带材上，两者近似为致密接触，为计算简便，做出以下假设：

设铠装的故障限流稳定层和超导带材构成一种二元合金复合导体层；

设故障冲击电流均匀通过上述二元合金复合导体层；

由于本实施例中使用Bi系超导带材，近似将其失超电阻等效为铜的电阻。

第二步，基于上述假设，将超导带材视为平面二维构型计算：

设超导带材厚度w＝1mm，长度L＝1m，宽度d＝5mm，计算其等效电阻R：

其中，ρ_Cu为超导带材的电阻率，L为超导带材的长度，w为超导带材的厚度，d为超导带材的宽度；计算得上述超导带材的等效失超电阻为R＝0.0034Ω；

以I_F＝1kA的故障冲击电流为例，假设故障时间t＝3s，计算不铠装故障限流层的超导带材在故障电流冲击期间所产生的焦耳热Q：

Q＝I_F ²Rt

计算得在I_F＝1kA的故障电流冲击下，所述超导带材所产生的焦耳热约为Q＝10kJ；

第三步，基于上述假设，将铠装故障限流稳定层后的复合导体层视为平面二维构型计算：

针对上述平面二维超导带材，结合本实施例中选用的不锈钢编织带故障限流稳定层，在超导带材上铠装一层厚度为1mm的不锈钢编织带形成复合导体层，此时复合导体层厚度w₁＝2mm，宽度d₁＝5mm，长度L＝1m，其等效电阻率ρ'可由下式计算：

式中，ρ₁为铠装的不锈钢编织带等效电阻率，ρ₂为原超导带材等效电阻率，L₁为铠装的不锈钢编织带长度，L₂为原超导带材长度；计算得上述复合导体层的等效电阻率为ρ'＝7.33×10^-7Ω/m，

第四步，根据所计算的等效电阻率ρ'计算铠装故障限流稳定层后复合导体层的电阻R'：

式中，ρ'为铠装故障限流稳定层后复合导体层的等效电阻率，L为铠装故障限流稳定层后复合导体层的长度，w₁为铠装故障限流稳定层后复合导体层的厚度，d₁为铠装故障限流稳定层后复合导体层的宽度；计算得上述复合导体层的等效失超电阻R'＝0.0733Ω；

第五步，以初次I_F＝1kA故障电流冲击所产生的焦耳热Q＝10kJ为例，计算铠装故障限流稳定层后复合导体层的故障电流I_F'：

由计算结果可见，本发明铠装故障限流稳定层后复合导体层的故障电流减小了约78.6％，大幅提升了电缆的安全裕度，且对电缆本体直径只造成了4mm的增量。

Claims

1.一种故障限流型的超导充电电缆，包括：电缆骨架与液氮通路(1)，复合导体层(2)，绝热外壳(3)，其特征在于：

所述电缆骨架与液氮通道(1)，采用内、外两层柔性金属波纹管(12,14)作为电缆骨架，实现对电缆导体层的支撑，并能在设定限度内弯折；该内层液氮波纹管(12)内部设有内层液氮通道(11)，该外层液氮波纹管(14)与复合导体层(2)之间设有外层液氮通道(13)，通过这两个通道(11,13)给导体层通入降温的低温工质；

所述复合导体层(2)，由内、外超导带材层(23,25)和内、外故障限流稳定层(22,26)复合构成，该内超导带材层(23)的内侧设有内故障限流稳定层(22)，该外超导带材层(25)的外侧设有外故障限流稳定层(26)，通过这两个故障限流稳定层(22,26)实现电缆自身对过载电流的限流作用；

所述绝热外壳(3)，采用复合绝热层(31)与最外层金属套管(32)构成，该复合绝热层(31)位于外层液氮波纹管(14)的外侧，以减少电缆本体向外界的漏热；该最外层金属套管(32)位于复合绝热层(31)的外侧。

2.根据权利要求1所述的电缆，其特征在于，所述两个通道(11,13)给导体层通入降温的低温工质，是从内层液氮通道(11)流入，从外层液氮通道(13)流出，构成完整的闭式液氮循环。

3.根据权利要求1所述的电缆，其特征在于，所述内超导带材层(23)和外超导带材层(25)均由数根高温超导带材以相同的螺旋角绕制构成，且内超导带材层(23)与外超导带材层(25)之间相互绝缘，电流方向相反；

电缆工作时内超导带材层(23)作为充电线缆的负极，外超导带材层(25)作为充电线缆的正极，两者共同构成完整的充电回路。

4.如权利要求1所述的电缆，其特征在于：

所述内故障限流稳定层(22)与内超导带材层(23)固定为一体；

所述外故障限流稳定层(26)与外超导带材层(25)固定为一体；

所述内、外故障限流稳定层(22,26)均采用高电阻率的导电材料，以提高电缆本体发生故障电流冲击失超时的失超电阻。

5.如权利要求1所述的电缆，其特征在于：

所述内层液氮波纹管(12)与所述内故障限流稳定层(22)之间设置有内层绝缘衬套(21)；

所述内超导带材层(23)与所述外超导带材层(25)之间设置有中间层绝缘衬套(24)，用于将内外超导带材层分开，实现超导电缆的双向大功率直流充电功能；

所述外故障限流稳定层(26)与外层液氮通道(13)之间设置有外层绝缘衬套(27)；

该内层、中间层、外层绝缘衬套(21,24,27)均采用多层绝缘材料包裹构成，以在千伏电压级别下提供良好的绝缘性能。

6.如权利要求1所述的电缆，其特征在于，所述复合绝热层(31)由多层低热导率材料包裹构成，其位于外层液氮波纹管(14)与最外层金属套管(32)之间，以在不设置抽真空组件的情况下实现良好的绝热效果。

7.如权利要求1所述的电缆，其特征在于，所述复合绝热层(31)还可由柔性真空绝热夹层和防辐射屏复合构成，该柔性真空夹层位于外层液氮波纹管(14)与最外层金属套管(32)之间；该防辐射屏分别位于外层液氮波纹管(14)的外侧和最外层金属套管(32)的内侧。