CN116705449A - 一种可实现kA级载流的迫流冷却高性能超导储能磁体系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可实现kA级载流的迫流冷却高性能超导储能磁体系统,超导线圈系统采取多层同轴的子螺线管线圈组成,各层子螺线管线圈采取kA级高温超导复合化导体进行螺旋绕制;各层子螺线管线圈采取首尾连接的方式串联;各层子螺线管线圈采取独立且相互并行的迫流冷却回路,线圈的内部超导接头可同时实现纳欧级低阻电连接和冷却通道引出;超导线圈骨架刻有带爬匝螺旋弯曲槽,固定复合化高温超导导体与各螺线管线圈引出段;线圈骨架两端采取周向间隔布置的台阶状结构,实现同轴的各层子螺线管线圈定位。本发明有助于降低单根kA级高温超导复合化导体的长度与线圈绕制风险,降低储能磁体运行电感,提升储能磁体快速充放电的安全性和系统响应性。
Description
技术领域
本发明涉及高温超导技术领域,具体为一种可实现kA级载流的迫流冷却高性能超导储能磁体系统。
背景技术
高温超导材料是指超导转变温度在77K之上的超导材料。相比于常见的低温超导线材,高温超导材料在同样的温度与背景磁场下载流更高,因此拥有在电力领域极大的应用潜力。储能磁体系统作为电网与大规模负载之间的桥梁,由电网经过变流器供电励磁,在线圈中产生磁场而储存能量,由于超导材料在转变温度之下电阻会突变为0,相比于常规磁体在运行过程中几乎不会产生欧姆损耗。目前世界各国开发的高温超导储能磁体系统大多采用第二代高温超导带材绕制成饼式线圈后进行组合装配。主流的组合装配方式有两种:直接将多个双饼线圈堆叠而成的磁体系统,类似聚变堆TF磁体的环形磁体系统,即将饼式线圈沿着中心呈圆周排列。
然而,由于重离子加速器等的大型负载对于储能磁体系统运行电流与储能量的要求不断提升,仅仅依靠单根超导带材难以满足需求,因此需要将多根超导带材并联组合后制成复合化超导导体,再利用导体绕制线圈。最先开发的是扭绞堆叠型导体(TSTC),将超导带材堆叠排列成整体后进行扭绞,再整体经过焊锡锅固定成型后装入铜包鞘中。这种导体的结构简单,但超导带材没有完全换位,绕制成磁体后由于各层带材的电感不同,会造成各层电流分布不均匀,电流临界值低于预期。Roebel型高温超导导体是将超导带材进行裁剪,按照一定的方式进行编织,这种类型导体对于材料的利用率较低。CORC型导体由多根超导带材螺旋缠绕在芯管上制备而成,超导带材实现了较大程度的螺旋换位,因此带材电流密度分布均匀。由于整体电感较低,绕制与成型工艺简便可靠,不需要像TSTC导体进行大量的焊接成型,因此成为最有潜力应用在高温超导储能系统的导体形式之一。
第二代高温超导带材的千米级生产成品率偏低,直接限制了CORC导体的大规模成批制造。使用CORC导体绕制的储能线圈必须考虑导体的长度限制,因此采用多个线圈装配的方式来达到固定的储能量。超导储能磁体系统在运行过程中会受到不同来源的瞬态热沉积,一旦发生失超,端电压过大会对磁体性能造成恶劣影响。因此,超导储能磁体系统处于低电感状态运行极为必要。同时,由于多个线圈之间大多采用串联供电的方式进行励磁,能够兼容电连接与迫流冷却的线圈接头为超导储能磁体系统的安全运行提供了至关重要的保障。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供一种可实现kA级载流的迫流冷却高性能超导储能磁体系统,采用了径向分层螺线管线圈,从而既能增加载流,也能降低电感,以此保证储能磁体系统在kA/s的电流变化率下安全运行;并且通过内部超导连接各个子螺线管线圈,使得单根高温超导复合化导体的长度减小,从而降低导体绕制风险;同时采用多路并行迫流冷却回路,以此增强储能磁体的冷却能力;从而提高储能磁体系统的结构稳定性和工作可靠性。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种可实现kA级载流的迫流冷却高性能超导储能磁体系统,包括超导线圈系统,所述超导线圈系统包括多层同轴的子螺线管线圈,各层子螺线管线圈独立绕制;所述各层子螺线管线圈采取kA级的高温超导复合化导体进行螺旋绕制,高温超导复合化导体中间开有迫流冷却通道;所述各层子螺线管线圈采取首尾连接的方式相互串联,层数为偶数层,保证电流引入和引出在同一区域;所述各层子螺线管线圈通过迫流冷却通道实现独立且相互并行的迫流冷却回路,其中迫流冷却回路与电流引线低温端共用;连接各层子螺线管线圈的内部超导接头同时实现纳欧级低阻电连接和冷却通道引出;所述超导线圈骨架沿着轴向方向进行延伸,并挖有带爬匝螺旋弯曲槽,用以固定各层子螺线管线圈引出段的复合化高温超导导体;所述超导线圈骨架两端采取周向间隔布置的台阶状结构,用以实现同轴的各层子螺线管线圈定位,与各层子螺线管线圈定位配合后的周向间隔布置的台阶状结构的间隔空隙用于储能磁体线圈一体化固化浇注入口。
进一步地,所述的多层同轴的子螺线管线圈是由多个同轴但直径不同的螺线管线圈嵌套装配而成。
进一步地,所述的kA级的高温超导复合化导体采用多根高温超导带材以一定角度多层螺旋缠绕在铜管上绕制而成,相邻两层超导带材螺旋方向相反,用以抵消磁通,降低电感。
进一步地,所述的迫流冷却回路为每个子螺线管线圈都拥有的独立的迫流冷却管路系统,迫流冷却管路系统将低温氦气从子螺线管线圈底部压入,从子螺线管线圈顶部流出;迫流冷却管路系统拥有独立的电磁控制装置,用来调控每个子螺线管线圈的低温氦气的质量流量与压力。
进一步地,所述内部超导接头包括带连接孔的铜端子、用于电连接的铜排、氦管;所述的带连接孔的铜端子中的连接孔与高温超导复合化导体的迫流冷却通道的尺寸相同,所述内部超导接头制作完成后,将氦管与带连接孔的铜端子相连接,所述的用于电连接的铜排将两相邻的子螺线管线圈的接头包裹,串联起同轴嵌套的子螺线管线圈,连接各层子螺线管线圈的内部超导接头同时实现纳欧级低阻电连接和冷却通道引出。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明的目的在于提供一种可实现kA级载流的迫流冷却高性能超导储能磁体系统,由于储能磁体系统是kA/s级充放电,因此采用了多层同轴的子螺线管线圈,每个螺线管线圈都是由高温超导复合化导体放入带有螺旋凹槽的线圈骨架上,且高温超导复合化导体采用多根超导带材以一定角度多层螺旋缠绕在铜管上绕制而成,从而既能增加载流,也能降低电感,以此保证储能磁体系统在kA/s的电流变化率下安全运行;同时采用内部超导接头,不仅能将各个螺线管线圈串联,还能用于实现多路并行迫流冷却回路,以此增强储能磁体的冷却能力;由此使得储能磁体系统的结构稳定性和工作可靠性,从而达到kA/s级充放电的预定要求。
附图说明
图1为本发明一实施例的整体结构示意图;
图2为本发明一实施例的并行冷却结构示意图;
图3为本发明一实施例的线圈总体结构示意图;
图4为本发明一实施例的多层同轴的子螺线管线圈的结构示意图;
图5为本发明一实施例的内部导体接头的结构示意图;
图6为本发明一实施例周向间隔布置的台阶状结构的结构示意图。
图中:1、子螺线管线圈;2、高温超导复合化导体;3、迫流冷却通道;4、内部超导接头;5、超导线圈骨架;6、带爬匝螺旋弯曲槽;7、周向间隔布置的台阶状结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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施例,都属于本发明保护的范围。
如图1-5所示,本发明的可实现kA级载流的迫流冷却高性能超导储能磁体系统包括超导线圈系统,所述超导线圈系统由多层同轴的子螺线管线圈1组成,各层子螺线管线圈1独立绕制;所述各层子螺线管线圈1采取kA级的高温超导复合化导体2进行螺旋绕制,高温超导复合化导体2中间有金属芯管;所述内部超导接头4的铜包鞘加工出内螺纹,与高温超导复合化导体2芯管的外螺纹连接,内部超导接头4的另一侧按照同样的方法与迫流冷却通道3的金属管相连接,超临界氦经由迫流冷却通道3的金属管后,通过内部超导接头4进入高温超导复合化导体2中,完成对各层子螺线管线圈的冷却。所述各层子螺线管线圈1采取首尾连接的方式相互串联,层数为偶数层,保证电流引入和引出在同一区域;所述各层子螺线管线圈1通过所述高温超导复合化导体2中间的迫流冷却通道3实现独立且相互并行的迫流冷却回路,其中迫流冷却回路可与电流引线低温端共用;连接各层子螺线管线圈1的内部超导接头4可同时实现纳欧级低阻电连接和迫流冷却通道3的引出;所述超导线圈骨架5使用G10材质加工制造,在表面刻有螺线上升的U型槽,为了保证各层子螺线管的高温超导复合化导体能够垂直引出超导线圈骨架5,在超导线圈骨架5两侧挖有带爬匝螺旋弯曲槽6;所述超导线圈骨架5上下两端采取周向间隔布置的台阶状结构7,各层子螺线管线圈依靠台阶状结构7依次堆摞,竖直吊装后实现同轴的各层子螺线管线圈1定位,所述配合后的台阶状结构7的间隔空隙可用于储能磁体线圈一体化固化浇注入口。
作为本发明一优选实施方案,所述的多层同轴的子螺线管线圈1是由多个同轴但直径不同的螺线管线圈嵌套装配而成,所述各层子螺线管线圈1独立绕制;所述各层子螺线管线圈1是将高温超导复合化导体2放入带有爬匝螺旋弯曲槽6的超导线圈骨架5上螺旋绕制而成。
作为本发明一优选实施方案,所述的各层子螺线管线圈1采取kA级的高温超导复合化导体2进行螺旋绕制,所述的kA级的高温超导复合化导体2采用多根高温超导带材以一定角度多层螺旋缠绕在铜管上绕制而成,相邻两层超导带材螺旋方向相反,用以抵消磁通,降低电感,所述的kA级高温超导复合化导体2开有迫流冷却通道3,为低温冷却液体提供迫流空间。
作为本发明一优选实施方案,所述的各层子螺线管线圈1采取首尾连接的方式相互串联,层数为偶数层,保证电流引入和引出在同一区域,各层子螺线管线圈1通过导体中间的迫流冷却通道3实现独立且相互并行的迫流冷却回路,其中迫流冷却回路可与电流引线低温端共用。所述的迫流冷却回路为每个子螺线管线圈都拥有独立的迫流冷却管路系统,迫流冷却管路系统将低温氦气从子螺线管线圈底部压入,从子螺线管线圈顶部流出。迫流冷却管路系统拥有独立的电磁控制装置,用来调控每个螺线管低温氦气的质量流量与压力。
作为本发明一优选实施方案,连接各层子螺线管线圈1的内部超导接头4包括:带连接孔的铜端子、用于电连接的铜排、氦管。所述的带连接孔的铜端子中的连接孔与高温超导复合化导体2中的迫流冷却通道尺寸相同,接头制作完成后,将氦管与带连接孔的铜端子相连接,所述的用于电连接的铜排将两相邻的子螺线管线圈的接头包裹,串联起同轴嵌套的子螺线管线圈1,连接各层子螺线管线圈1的内部超导接头4可同时实现纳欧级低阻电连接和冷却通道引出。
作为本发明一优选实施方案,与各层子螺线管线圈1配合后的周向间隔布置的台阶状结构7的间隔空隙可用于储能磁体线圈一体化固化浇注入口。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明,所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围,均应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种可实现kA级载流的迫流冷却高性能超导储能磁体系统,其特征在于:包括超导线圈系统,所述超导线圈系统包括多层同轴的子螺线管线圈(1),各层子螺线管线圈独立绕制;所述各层子螺线管线圈采取kA级的高温超导复合化导体(2)进行螺旋绕制,高温超导复合化导体中间开有迫流冷却通道(3);所述各层子螺线管线圈采取首尾连接的方式相互串联,层数为偶数层,保证电流引入和引出在同一区域;所述各层子螺线管线圈通过迫流冷却通道(3)实现独立且相互并行的迫流冷却回路,其中迫流冷却回路与电流引线低温端共用;连接各层子螺线管线圈(1)的内部超导接头(4)同时实现纳欧级低阻电连接和冷却通道引出;所述超导线圈骨架(5)沿着轴向方向进行延伸,并挖有带爬匝螺旋弯曲槽(6),用以固定各层子螺线管线圈(1)引出段的复合化高温超导导体;所述超导线圈骨架两端采取周向间隔布置的台阶状结构(7),用以实现同轴的各层子螺线管线圈定位,与各层子螺线管线圈定位配合后的周向间隔布置的台阶状结构(7)的间隔空隙用于储能磁体线圈一体化固化浇注入口。
2.根据权利要求1的所述的一种可实现kA级载流的迫流冷却高性能超导储能磁体系统,其特征在于:所述的多层同轴的子螺线管线圈(1)是由多个同轴但直径不同的螺线管线圈嵌套装配而成。
3.根据权利要求1的所述的一种可实现kA级载流的迫流冷却高性能超导储能磁体系统,其特征在于:所述的kA级的高温超导复合化导体(2)采用多根高温超导带材以一定角度多层螺旋缠绕在铜管上绕制而成,相邻两层超导带材螺旋方向相反,用以抵消磁通,降低电感。
4.根据权利要求1的所述的一种可实现kA级载流的迫流冷却高性能超导储能磁体系统,其特征在于:所述的迫流冷却回路为每个子螺线管线圈都拥有的独立的迫流冷却管路系统,迫流冷却管路系统将低温氦气从子螺线管线圈底部压入,从子螺线管线圈顶部流出;迫流冷却管路系统拥有独立的电磁控制装置,用来调控每个子螺线管线圈的低温氦气的质量流量与压力。
5.根据权利要求1的所述的一种可实现kA级载流的迫流冷却高性能超导储能磁体系统,其特征在于:所述内部超导接头(4)包括带连接孔的铜端子、用于电连接的铜排、氦管;所述的带连接孔的铜端子中的连接孔与高温超导复合化导体的迫流冷却通道的尺寸相同,所述内部超导接头制作完成后,将氦管与带连接孔的铜端子相连接,所述的用于电连接的铜排将两相邻的子螺线管线圈(1)的接头包裹,串联起同轴嵌套的子螺线管线圈(1),连接各层子螺线管线圈的内部超导接头(4)同时实现纳欧级低阻电连接和冷却通道引出。
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