CN116888847A - 超导电力供应系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超导电力供应系统，可以包括：超导电缆，连接于接线端子之间；回收管，与所述超导电缆形成闭合环路，以回收所述超导电缆的液体冷却剂；泵，通过所述回收管来提供所述液体冷却剂的循环压力；制冷器，冷却所述液体冷却剂以保持温度；以及超导限流器，由所述回收管回收的所述液体冷却剂流入到所述超导限流器，保持浸渍于过冷却液体冷却剂的超导元件的温度。

Description

超导电力供应系统

技术领域

本发明涉及高温超导电力供应系统，更详细而言，涉及一种利用超导电缆和限流器的高温超导电力供应系统。

背景技术

一般而言，超导体是在特定温度和特定电流以下呈现零电阻特性的物质，其中在用作冷却剂的液氮汽化点77K以上的情况下，表现出超导性的物质称为高温超导体(hightemperature superconductor，HTS)。

利用超导体电缆的超导电力供应系统的优点是在使用常规电力电缆的1/3粗度的电缆的同时，可以传输5倍以上的电流。因此，可以提供能够满足电力需求增加的电力网。

在公开专利10-2018-0112593号(2018年10月12日公开，超导电力系统及构成其的制冷剂回收配管)中，记载了一种利用超导电缆供电且通过循环液体制冷剂来保持超导电缆的超导性的结构。

在上述的公开专利中，为了保持制冷剂的温度，使用在反射率较高的金属膜多层形成导热率较低的高分子涂层的回收配管。

另外，虽然附加了通过利用监控来检测制冷剂的温度、压力、真空度的传感器，但未设置对产生故障电流的特别对策，因此需要完善。

尤其，在电力系统中发生预想不到的事故而流入故障电流的情况下，存在利用所具备的监控系统无法应对的缺点。

为了在超导电力供应系统中应对故障电流，超导限流器作为与上述不同的技术被提出。

超导限流器的示例是公开专利10-2008-0102157号(超导体冷却用多槽装置及超导体冷却方法，2008年11月24日公开)。

上述超导限流器包括冷却超导体的冷却槽和包围冷却槽的防护槽，并且调节压力，使得冷却槽保持过冷却状态，防护槽保持饱和状态。

制冷器位于防护槽的内侧上部。制冷器不与防护槽内部的液氮接触，起到饱和状态的液氮在相变为气体的状态下再次液化的作用。

另外，单独配备超低温储存罐，且包括向防护槽供应液氮以补偿防护槽的液位的结构。

结合上述公开专利，可以考虑使用相同的超低温储存罐并应用限流器的结构，但在相同的超低温储存罐中，通过各自的路径来保持超导电缆的温度以及保持超导限流器的温度是不容易的。

另外，因为需要在超导限流器自身和超低温储存罐分别使用制冷器，因此可以预测安装成本的增加和耗电增加的问题。

发明内容

发明所要解决的问题

考虑到上述的问题点，本发明所要解决的问题在于，提供一种在利用超导电缆的超导电力供应系统附加超导限流器，但最小化安装成本和运行成本，并且保养维护容易的超导电力供应系统。

更详细而言，本发明提供一种不使用超导限流器自身的制冷器而通过运用限流器来提高可靠性和经济性的超导电力供应系统。

本发明的另一目的在于，提供一种保持超导限流器的压力的超导电力供应系统。

解决问题的技术方案

为了解决如上所述的技术问题，本发明的超导电力供应系统可以包括：超导电缆，连接于接线端子之间；回收管，与所述超导电缆形成闭合环路，以回收所述超导电缆的液体冷却剂；泵，通过所述回收管来提供所述液体冷却剂的循环压力；制冷器，冷却所述液体冷却剂以保持温度；以及超导限流器，由所述回收管回收的所述液体冷却剂流入到所述超导限流器，保持浸渍于过冷却液体冷却剂的超导元件的温度。

在本发明的实施例中，所述制冷器可以与所述超导限流器的前端的一部分所述回收管进行热交换。

在本发明的实施例中，其特征在于，所述超导限流器不使用额外的制冷器。

在本发明的实施例中，所述超导限流器可以包括：第一容器，容纳浸渍超导元件的过冷却液体冷却剂；以及第二容器，包围所述第一容器的侧面和底面，并包括供由所述回收管回收的液体冷却剂流入的流入管和供流入的液体冷却剂流出的流出管。

在本发明的实施例中，所述超导限流器可以包括：第一容器，容纳浸渍超导元件的过冷却液体冷却剂；以及第二容器，包围所述第一容器的侧面上端，并包括供由所述回收管回收的液体冷却剂流入的流入管和供流入的液体冷却剂流出的流出管。

在本发明的实施例中，根据所述流入管和流出口的高度，所述第二容器的液体冷却剂的液位可以保持为比所述第一容器的过冷却液体冷却剂的液位高。

在本发明的实施例中，所述第一容器中与所述液体冷却剂的液位和所述过冷却液体冷却剂的液位之差对应的侧面区域为，若所述过冷却液体冷却剂汽化则将其再次冷凝，以保持第一容器的内部压力的冷凝面。

在本发明的实施例中，所述冷凝面的高度可以是5至30cm。

发明效果

在本发明中，使用超导电缆的超导电力供应系统采用超导限流器来提高安全性的同时，一体化用于冷却超导电缆和冷却超导限流器的系统，从而具有能够简化系统、降低成本、便于保养维护的效果。

另外，在本发明中，由于未在超导限流器使用额外的制冷器，因此具有能够降低初始安装成本和运行成本的效果。

与此同时，在本发明中，在包括容纳过冷却液体冷却剂的第一容器和包围第一容器的外部并容纳饱和液体冷却剂的第二容器的限流器的结构中，通过调整饱和液体冷却剂和过冷却液体冷却剂之间的热交换位置来使过冷却液体冷却剂自循环，从而具有能够提高温度均匀性并确保超导元件的温度均匀性的效果。

另外，在本发明中，第二容器的饱和液体冷却剂的液位设定为比第一容器的过冷却液体冷却剂的液位更高，从而具有能够使第一容器的壁面起到冷凝面的作用并有利于保持第一容器内部压力的效果。

附图说明

图1是本发明优选实施例的超导电力供应系统的构成图。

图2是本发明另一实施例的超导电力供应系统的构成图。

图3至图6是分别在本发明应用的超导限流器的构成图。

-附图标记的说明-

1：超导限流器 2：第一接线端子

3：超导电缆 4：第二接线端子

5：回收管6：泵

7：制冷器 10：第一容器

11：超导元件 13：冷凝面

20：第二容器 30：第三容器

具体实施方式

为了充分地理解本发明的构成和效果，参照附图对本发明优选实施例进行说明。但是，本发明并不局限于以下说明的实施例，可以实现为各种形态，并进行各种各样变更。但是，针对本实施例的说明是为了使本发明的说明变得完整，并向本发明所属领域的普通技术人员完整地告知发明的范围而提供的。在附图中，为了便于说明构成要素，其大小是比实际扩大而图示的，各个构成要素的比例可以被放大或缩小。

“第一”、“第二”等术语可以用于说明多样的构成要素，然而这些构成要素不限于这些术语。这些术语仅为了将一个构成要素区别于另一构成要素而使用。例如，在不脱离本发明的权利要求范围的情况下，“第一构成要素”可以命名为“第二构成要素”，与此类似地“第二构成要素”也可以命名为“第一构成要素”。另外，除非上下文另外明确指出，否则单数表达包括复数表达。除非另外定义在本发明中使用的术语，否则具有与本领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。

以下，参照附图，详细说明本发明一实施例的超导电力供应系统。

图1是本发明优选实施例的超导电力供应系统的构成图。

参照图1，本发明超导电力供应系统包括：第一接线端子2和第二接线端子4，构成利用超导电缆3的电力供应结构的两端；回收管5，通过泵6的压力来从所述第二接线端子4回收液体冷却剂；超导限流器1，通过利用由所述回收管5回收的液体冷却剂来保持超导元件的温度，并在产生故障电流时增加超导电缆3的电阻；以及制冷器7，通过与回收管5热交换来冷却回收的液体冷却剂，并再供应到超导电缆3。

未说明的附图标记8是阀，可以通过调节流向超导限流器1的流量来调节冷却量。可以通过阀8来控制经过超导电缆3的液体冷却剂的流量，从而一部分经过超导限流器1，而另一部分通过旁通管分流。

以下，进一步详细说明如上构成的本发明超导电力供应系统的构成和作用。

首先，第一接线端子2和第二接线端子4是构成电力供应的两端的电力接线端子，便于说明，以电力从第一接线端子2供应到第二接线端子4进行说明，但电力也可以从第二接线端子4供应到第一接线端子2。

所述第一接线端子2和第二接线端子4由超导电缆3连接。

图1中示出超导电缆3是用于供应三相电源。

即，超导电缆3包括三个超导体3a和冷却超导体3a的液体冷却剂3b。

所述液体冷却剂3b可以使用液氮，尤其，可以使用过冷却的液氮。

所述超导电缆3内部的液体冷却剂3b不是停滞的，而是成为通过泵6的压力沿超导电缆3从第一接线端子2侧以预定的流速流向第二接线端子4侧的状态。

在第二接线端子4和第一接线端子2之间连接有回收管5，液体冷却剂3b通过回收管5回收到第一接线端子2并再次供应到超导电缆3。

即，液体冷却剂3b通过泵6的压力来沿回收管5和超导电缆3构成的闭合环路循环。

此时，液体冷却剂3b通过制冷器7冷却。

虽在附图中省略，但超导电缆3可以包括用于隔热的多种结构，回收管5也包括用于隔热的多种结构。

超导电缆3和回收管5的隔热结构可以使用真空、隔热材料等已知的多种隔热结构。

制冷器7可以与回收管5的一部分热交换，从而将液体冷却剂3b冷却到适当的温度，或可以收集由回收管5回收的液体冷却剂3b后，将收集的液体冷却剂3b冷却。

如图1所示，制冷器7的位置可以位于泵6和第一接线端子2之间并通过与回收管5热交换来冷却液体冷却剂3b。

图2是本发明另一实施例的超导电力供应系统的构成图，如图2所示，制冷器7可以通过位于超导限流器1的前端来冷却回收的液体冷却剂3b。

另外，图2中虽未图示，图1中示出的阀8和旁通管可以在图2中使用。

如上所述，在本发明中，循环液体冷却剂3b以使超导电缆3呈现出超导性，从而在不损失功率的情况下供应电力。

此时，由回收管5回收的液体冷却剂3b经由超导限流器1。

超导限流器1起到改变超导元件的电阻值的作用，以便在供应电力的过程中产生故障电流时，将故障电流转换为能够在各接线端子处理的级别的电流。

超导元件与超导电缆3的超导体3a电连接。

图3示出了在本发明使用的超导限流器的示例。

参照图3，在本发明中使用的超导限流器1包括：第一容器10，容纳浸渍超导元件11的过冷却液体冷却剂12；第二容器20，包围所述第一容器10的侧面和底面，并包括供由所述回收管5回收的液体冷却剂3b流入的流入管21和供流入的液体冷却剂3b流出的流出管22；以及第三容器30，包围所述第二容器20的侧面和底面并内部为真空31。

第一容器10提供圆柱形的容纳空间并在内侧配备有超导元件11。超导元件11可以配备为与电力系统的相数相同。

即，在三相电源系统中可以使用三个超导元件11。

超导元件11在第一容器10的内部浸渍于过冷却液体冷却剂12中，通过过冷却液体冷却剂12来保持温度，从而在产生故障电流之前的状态下，保持电阻接近于零的状态。

所述过冷却液体冷却剂12可以是液氮。

第一容器10的内部压力P1可以是3bar并过冷却液体冷却剂12的温度以77K为正常基准温度，但此可以根据超导元件11的材料而改变。

为了保持第一容器10的内部压力，注入不凝气体。作为不凝气体的示例，有气态的氖和氦，并可以理解为第一容器10的过冷却液体冷却剂12的上部侧空间通过填充气体状的氖或氦和气体状的氮混合的气体来保持压力。

容纳于第一容器10的过冷却液体冷却剂12在没有特殊理由的情况下不会被替换，并保持温度。

第一容器10的过冷却液体冷却剂12的温度由向第二容器20供应的液体冷却剂3b保持。

尤其，本发明的超导限流器1不使用额外的制冷器。

因此，即使不使用追加的制冷器也可以运用超导限流器1。

第二容器20包括分别与回收管5连接的流入管21和流出管22，通过流入管21流入的液体冷却剂3b与容纳于第一容器10的过冷却液体冷却剂12热交换，从而起到保持过冷却液体冷却剂12的温度的作用。

被热交换的液体冷却剂3b通过流出管22再次被回收管5回收。

图4是超导限流器1的另一实施例的构成图。

参照图4，在本发明中使用的超导限流器1的第二容器20位于第一容器10的侧面周缘，且仅位于第一容器10的侧面上部侧。

第二容器20可以从第一容器10的侧面上端向下覆盖侧面高度的50％左右。更详细而言，可以覆盖5至30％。

因此，向第二容器20供应的液体冷却剂3b与容纳于第一容器10的过冷却液体冷却剂12的上层区域A热交换。

过冷却液体冷却剂12的上层区域A的温度会低于下层区域B的温度，过冷却液体冷却剂12会根据上层区域A和下层区域B的温度差产生对流。

即，在本发明中，通过将第二容器20与第一容器10的接触面限制为一部分，并根据热交换在第一容器10内部的过冷却液体冷却剂12中引起局部热失衡来形成对流。

根据如上所述形成的对流，第一容器10内部的过冷却液体冷却剂12自循环并实现温度平衡，因此，具有能够提高温度均匀性的特点。

这种温度均匀性可以使超导元件11整体地冷却为均匀的温度，并也可以通过确保超导元件11的温度均匀性来确保超导元件11自身的电阻均匀性。

第三容器30是将所述第二容器20的侧面和底面以及第一容器10的露出的侧面和底面全部包围的结构，内侧以真空31状态阻断热传递，从而有利于保持第一容器10与第二容器20的过冷却液体冷却剂12和液体冷却剂3b的温度。

图5是本发明的又一实施例的超导限流器的构成图。

与参照图4说明的示例相同地，图5所示的超导限流器1的另一实施例的构成包括：第一容器10；第二容器20，位于第一容器10的外侧一部分周缘；以及第三容器30，包围第一容器10与第二容器20的侧面和底面。

但是，相对地进一步提高第二容器20的流入管21和流出管22的高度，从而使流入到第二容器20的液体冷却剂3b的液位相比于第一容器10的过冷却液体冷却剂12的液位保持为更高。

在过冷却液体冷却剂12的上部侧第一容器10的空间注入不凝气体并保持3bar的压力，过冷却液体冷却剂12的温度保持为77K，在压力为3bar的情况下，理论上，过冷却液体冷却剂12不会汽化，但可能会发生因温度的偏差或其他理由导致过冷却液体冷却剂12汽化，从而增加第一容器10的压力的现象。

第一容器10内部的压力变化是整体地改变相平衡的要素，需要恒定地保持压力。

因此，如图5所示，将第二容器20内部的液体冷却剂3b的液位L2设定为保持高于第一容器10的过冷却液体冷却剂12的液位L1。

对应于液体冷却剂3b的液位L2和过冷却液体冷却剂12的液位L1之差(L2-L1)的第一容器10的外壁一部分区域是相比于另一外壁区域温度更低的区域，命名该区域为冷凝面13。

将冷凝面13的高度，即液体冷却剂3b的液位L2与过冷却液体冷却剂12的液位L2的高度差设置为5至30cm。

在冷凝面13的高度未满5cm的情况下，冷凝效果较低，在超过30cm的情况下，可能会产生不必要的能量浪费。

因此，在第一容器10内部汽化的过冷却液体冷却剂12的气体氮在温度低于冷凝温度的冷凝面13冷凝，从而再次液化并因重力流入到过冷却液体冷却剂12。

如上所述的过程继续重复地进行，因此，将因其他理由汽化的过冷却液体冷却剂12再次冷凝，从而能够保持第一容器10的内部压力。

图6是本发明另一实施例的超导限流器的构成图。

参照图6，在超导限流器1中，流入管21和流出管22可以不贯穿第三容器30的侧面而沿超导限流器1的上板侧形成。

如上所述的结构可以进一步确保制造的容易性，并相对地降低制造成本。

如上所述，容纳于所述第二容器20的液体冷却剂3b在与第一容器10的过冷却液体冷却剂12热交换的同时，冷凝在所述冷凝面13汽化的过冷却液体冷却剂12，之后通过流出管22向第一接线端子2侧循环。

如上所述，本发明可以运用不使用额外的制冷器的超导限流器，从而能够提高电力供应系统的稳定性的同时，最小化成本的投入。

以上说明了本发明的实施例，但这仅作为示例性的，本发明所属领域的普通技术人员可以理解根据此的各种各样变形和同等范围的实施例是可能的。因此，本发明的真正的技术保护范围应由所附权利要求范围来确定。

工业可用性

本发明涉及一种利用自然规律来一体化用于冷却超导电缆和用于冷却超导限流器的系统的技术，具有工业可用性。

Claims (8)

1.一种超导电力供应系统，其中，包括：

超导电缆，连接于接线端子之间；

回收管，与所述超导电缆形成闭合环路，以回收所述超导电缆的液体冷却剂；

泵，通过所述回收管来提供所述液体冷却剂的循环压力；

制冷器，冷却所述液体冷却剂以保持温度；以及

超导限流器，由所述回收管回收的所述液体冷却剂流入到所述超导限流器，保持浸渍于过冷却液体冷却剂的超导元件的温度。

2.根据权利要求1所述的超导电力供应系统，其特征在于，

所述制冷器与所述超导限流器的前端的一部分所述回收管进行热交换。

3.根据权利要求1所述的超导电力供应系统，其特征在于，

所述超导限流器不使用额外的制冷器。

4.根据权利要求3所述的超导电力供应系统，其中，

所述超导限流器包括：

第一容器，容纳浸渍超导元件的过冷却液体冷却剂；以及

第二容器，与所述第一容器的除顶面以外的整体接触，并包括供由所述回收管回收的液体冷却剂流入的流入管和供流入的液体冷却剂流出的流出管。

5.根据权利要求3所述的超导电力供应系统，其中，

所述超导限流器包括：

第一容器，容纳浸渍超导元件的过冷却液体冷却剂；以及

第二容器，与所述第一容器的侧面上侧部的一部分接触，并包括供由所述回收管回收的液体冷却剂流入的流入管和供流入的液体冷却剂流出的流出管。

6.根据权利要求4或5所述的超导电力供应系统，其特征在于，

根据所述流入管和流出口的高度，所述第二容器的液体冷却剂的液位高于所述第一容器的过冷却液体冷却剂的液位。

7.根据权利要求6所述的超导电力供应系统，其特征在于，

所述第一容器中与所述液体冷却剂的液位和所述过冷却液体冷却剂的液位之差对应的侧面区域为，若所述过冷却液体冷却剂汽化则将其再次冷凝，以保持第一容器的内部压力的冷凝面。

8.根据权利要求7所述的超导电力供应系统，其特征在于，

所述冷凝面的高度是5至30cm。