CN117419164A - 一种超导电缆终端导体连接结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超导电缆终端导体连接结构，包括终端低温容器和超导电缆，终端低温容器包括容器本体、第一液氮腔、电缆接口和容器法兰，超导电缆包括电缆芯体、电缆保温管、第二液氮腔和电缆法兰，容器法兰和电缆法兰固定连接、且两者之间设有第一密封圈，第一密封圈包括中空的支撑骨架、固定包覆在支撑骨架外周的金属密封层、以及填实在支撑骨架内的填实层，支撑骨架的硬度都大于金属密封层的硬度和填实层的硬度，支撑骨架具有开口部，支撑骨架的径向厚度沿其周向从中间向两端逐渐减小。当第一密封圈受到压力时，金属密封层和支撑骨架容易变形，由此有效地填充密封面上的缺陷，补偿一定程度因密封面不平行造成的厚度偏差，保障密封效果。

Description

一种超导电缆终端导体连接结构

技术领域

本发明涉及超导电缆系统技术领域，特别是涉及一种超导电缆终端导体连接结构。

背景技术

超导电缆是指利用超导体制成的一类电缆。通常，超导电缆包括电缆芯体、套设在电缆芯体外周的保温管、以及填实在电缆芯体和保温管之间的流动液氮，流动液氮作为超导电缆的冷却介质，维持超导体的低温运行环境。

在超导电缆系统的终端处配置有低温容器和电流引线，低温容器内承装有液氮，电流引线的一端伸入低温容器内、并与伸入低温容器内的超导电缆相连，实现超导电缆与外部电网的连接；并且，低温容器与超导电缆的保温管固定连接，且连接处设有密封圈，避免液氮泄露。

目前，低温容器与超导电缆的保温管之间的密封通常采用高分子材料密封圈、或CF法兰密封、或铟丝密封、或橡胶密封圈。然而，高分子材料密封圈对密封面的关洁度和密封面之间的平行度具有很高的要求，不易实现。CF法兰密封采用不锈钢刀口与紫铜密封圈配合，起到密封作用，但其加工精度要求高，成本高。铟丝密封材料太软，安装难度较大，不易实现。橡胶密封圈在常温区具有很好的密封效果，但在低温下弹性丧失，使得低温容器与超导电缆的保温管之间的密封容易失效。

另外，超导电缆终端处的电流引线通常采用单一金属材料制作，其伸入低温容器中的一端运行于低温液氮环境，焦耳热损耗大，达不到节能功效。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超导电缆终端导体连接结构，低温密封效果好，避免液氮泄露。

为实现上述目的，本发明提供一种超导电缆终端导体连接结构，包括终端低温容器和超导电缆，所述终端低温容器包括容器本体、形成在容器本体内的第一液氮腔、开设在容器本体上且与第一液氮腔相通的电缆接口、以及固设在电缆接口处的容器法兰，所述超导电缆包括电缆芯体、套设在电缆芯体外周的电缆保温管、形成在电缆芯体和电缆保温管之间的第二液氮腔、以及固设在电缆保温管端部处的电缆法兰，所述电缆芯体的一端从电缆接口处伸入第一液氮腔中，所述第一液氮腔与第二液氮腔通过电缆接口连通，所述容器法兰和电缆法兰固定连接；所述超导电缆终端导体连接结构还包括设置在容器法兰和电缆法兰相接处的第一密封圈，所述第一密封圈包括中空的支撑骨架、固定包覆在支撑骨架外周的金属密封层、以及填实在支撑骨架内的填实层，所述支撑骨架的硬度都大于金属密封层的硬度和填实层的硬度，所述支撑骨架具有开口部，所述支撑骨架的径向厚度沿其周向从中间向两端逐渐减小，使所述支撑骨架在开口部处具有薄部，所述第一密封圈的开口部朝向第一液氮腔。

进一步地，所述支撑骨架的材料为不锈钢或紫铜，所述金属密封层的材料为锡、或铅、或铟、或软合金。

进一步地，所述金属密封层和填实层的材料相同。

进一步地，所述电缆保温管为单层管。

进一步地，所述电缆保温管为双层管，该双层管包括内管体、外管体、以及形成在内管体和外管体之间的抽真空腔，所述电缆芯体穿设在电缆保温管的内管体内。

进一步地，所述终端低温容器还包括开设在第一液氮腔一侧的端口、固设在端口处的端口法兰、以及端板，所述端板与端口法兰固定连接，且所述端板封堵端口，所述端板与端口法兰的相接处设有第二密封圈，所述第二密封圈的结构与第一密封圈的结构相同，所述第二密封圈的开口部朝向第一液氮腔。

进一步地，所述超导电缆终端导体连接结构还包括电流引线，所述电流引线的一端伸入第一液氮腔中，并与位于第一液氮腔内的电缆芯体相连。

进一步地，所述电流引线包括引线主体段和引线超导复合段，所述引线超导复合段至少有一部分位于第一液氮腔中，所述引线超导复合段由内而外依次包括导体内芯、超导层和导体外套，所述导体内芯的两端分别与引线主体段和电缆芯体固定连接。

进一步地，所述超导层的材料为Bscco超导体。

进一步地，所述引线主体段和导体内芯为一体式结构，且所述引线主体段和导体内芯的材料都为铜、或铝、或合金。

如上所述，本发明涉及的超导电缆终端导体连接结构，具有以下有益效果：

本申请通过将第一密封圈设置成在较硬的支撑骨架外包覆较软的金属密封层，既安装方便，对容器法兰和电缆法兰的密封面的适应能力强；特别是，当第一密封圈受到压力时，较软的金属密封层、以及具有开口部和厚度变化的支撑骨架容易变形，由此有效地填充密封面上的缺陷，补偿一定程度因密封面不平行造成的厚度偏差，最终较好地保障了低温环境下的密封效果，避免液氮的泄露。

附图说明

图1为本申请中超导电缆终端导体连接结构实施例一的结构示意图。

图2为图1的A圈放大图。

图3为本申请中超导电缆终端导体连接结构实施例二的结构示意图。

图4为本申请中第一密封圈和第二密封圈的结构示意图，该图为径向剖视图。

图5为本申请中电流引线的结构示意图，该图为轴向剖视图。

图6为图5的B-B向剖视图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书附图所绘的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者也可以是通过居中元件间接连接另一个元件。

另外，在本申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

如图1和图2、或者如图3所示，本申请涉及的超导电缆终端导体连接结构包括终端低温容器10和超导电缆20。其中，终端低温容器10包括容器本体30、形成在容器本体30内的第一液氮腔31、开设在容器本体30上且与第一液氮腔31相通的电缆接口32、以及固设在电缆接口32处的容器法兰33，第一液氮腔31内承载有液氮。超导电缆20包括电缆芯体21、套设在电缆芯体21外周的电缆保温管22、形成在电缆芯体21和电缆保温管22之间的第二液氮腔23、以及固设在电缆保温管22端部处的电缆法兰24，电缆芯体21的一端从电缆接口32处伸入第一液氮腔31中，第一液氮腔31与第二液氮腔23通过电缆接口32连通，则终端低温容器10内的液氮流入超导电缆20的第二液氮腔23中，维持电缆芯体21运行所需的低温环境。容器法兰33和电缆法兰24通过数个螺栓固定连接，由此将超导电缆20和终端低温容器10固定连接。

进一步地，如图1和图2、或者如图3所示，容器法兰33朝向电缆法兰24的端面、以及电缆法兰24朝向容器法兰33的端面都为密封面，且容器法兰33和电缆法兰24的相接处设置有第一密封圈40，通过密封面和第一密封圈40保证容器法兰33和电缆法兰24之间的密封性，避免液氮从容器法兰33和电缆法兰24的相接处泄露出。

特别是，如图2和图4所示，第一密封圈40包括中空的支撑骨架41、固定包覆在支撑骨架41外周的金属密封层42、以及填实在支撑骨架41内的填实层43，支撑骨架41的硬度都大于金属密封层42的硬度和填实层43的硬度。在支撑骨架41的周向上，支撑骨架41具有开口部411，且支撑骨架41的径向厚度沿其周向从中间向两端逐渐减小，即支撑骨架41在其周向的中间位置处具有最大径向厚度，支撑骨架41在开口部411两侧的端部处具有最小径向厚度，从而支撑骨架41在开口部411两侧处都具有薄部412；并且，第一密封圈40的开口部411朝向压力较大的第一液氮腔31。

本申请涉及的超导电缆终端导体连接结构中，第一密封圈40为复合层结构，采用较硬的支撑骨架41作为支撑，支撑骨架41的开口部411和薄部412、以及内部较软的填实层43，使得支撑骨架41在受压时，在开口部411处容易变形，有利于形变的发生；固定包覆在支撑骨架41外部的金属密封层42较软，在受压时容易变形；内部填实层43较软，既有利于支撑骨架41形变的发生，又能使支撑骨架41内部没有气隙，便于后续抽真空的实施。因此，当第一密封圈40受到压力时，较软的金属密封层42、以及具有开口部411和厚度变化的支撑骨架41容易变形，由此有效地填充密封面上的缺陷，补偿一定程度因密封面不平行造成的厚度偏差，最终较好地保障了低温环境下的密封效果，避免液氮的泄露。同时，第一密封圈40结构简单易实现，安装便捷，对容器法兰33和电缆法兰24的密封面的适应能力强，有利于降低成本。

优选地，如图2所示，容器法兰33的密封面上设有一圈朝向电缆法兰24的第一安装槽331，第一密封圈40容置在第一安装槽331中，结构简单易实现。

进一步地，第一密封圈40的截面形状根据密封结构进行定制，可以是圆形、方形等形状。支撑骨架41、金属密封层42和填实层43的材料根据密封面的材料进行选择。支撑骨架41的材料为不锈钢、或紫铜、或其他硬度低于密封面材料的合金，则支撑骨架41为硬金属材料。金属密封层42和填实层43可以选用相同的材料，也可以选用不同的材料；本实施例中，金属密封层42和填实层43优选选用相同的材料，都为锡、或铅、或铟、或软合金，软合金是指较软的合金材料，则金属密封层42和填实层43都为软金属材料。支撑骨架41内外两侧部件材料一致后，更加有利于软金属材料形状的稳定性。

进一步地，超导电缆20中，电缆保温管22为单层管或双层管；当电缆保温管22为双层管时，该双层管包括内管体、外管体、以及形成在内管体和外管体之间的抽真空腔，电缆芯体21穿设在电缆保温管22的内管体内，通过对抽真空腔进行抽真空，提高保冷效果。

进一步地，终端低温容器10的容器本体30可以为图1所示的端部封闭式结构，也可以为图3所示的端部开口式结构。当容器本体30为端部开口式结构时，如图3所示，终端低温容器10还包括开设在第一液氮腔31一侧的端口34、固设在端口34处的端口法兰35、以及端板50，端口34的设置便于容器本体30的检修；端板50与端口法兰35通过数个螺栓固定连接、且端板50封堵端口34。端板50朝向端口法兰35的端面、以及端口法兰35朝向端板50的端面都为密封面，且端板50与端口法兰35的相接处设有第二密封圈60，第二密封圈60的结构与第一密封圈40的结构相同，第二密封圈60的开口部411朝向压力较大的第一液氮腔31。第二密封圈60也采用复合层结构，避免液氮从端板50与端口法兰35之间泄露出。优选地，端口法兰35的密封面上设有一圈朝向端板50的第二安装槽351，第二密封圈60容置在第二安装槽351中，结构简单易实现。

进一步地，如图1或图3所示，超导电缆终端导体连接结构还包括电流引线70，电流引线70的一端伸入第一液氮腔31中、并与位于第一液氮腔31内的电缆芯体21相连，通过电流引线70实现超导电缆20与外部电网的连接。因此，电流引线70在第一液氮腔31中的一段处于低温环境，电流引线70在终端低温容器10外部的一段处于常温环境，即电流引线70的温度分布为：沿远离超导电缆20的方向逐渐升温。

特别是，如图5和图6所示，电流引线70包括引线主体段71和引线超导复合段72，引线超导复合段72至少有一部分位于第一液氮腔31中，引线超导复合段72由内而外依次包括导体内芯721、超导层722和导体外套723，导体内芯721的两端分别与引线主体段71和电缆芯体21固定连接，连接方式可以为焊接、或压接、或转接头连接。如此，将超导层722内嵌到金属制的电流引线70中，在超导层722临界温度以下的温区，超导层722以无阻形式，承担全部或部分电流，从而有效降低电流引线70的焦耳热损耗，实现节能功效。

优选地，超导层722的材料为Bscco超导体，可以使超导层722发挥无阻形式作用的这段更长。

进一步地，如图6所示，引线主体段71和导体内芯721为一体式结构，引线主体段71和导体内芯721的材料都为铜、或铝、或合金，引线主体段71的外径大于导体内芯721的外径，使得电流引线70在引线主体段71和导体内芯721的相接处形成有一个台阶；超导层722为环形套，固定包覆在导体内芯721的外周，可也为焊接固定或螺纹连接；导体外套723为环形套，固定包覆在超导层722的外周，可也为焊接固定或螺纹连接。另外，在直流情况下，导体外套723可以采用铁磁性材料制作。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种超导电缆终端导体连接结构，包括终端低温容器(10)和超导电缆(20)，所述终端低温容器(10)包括容器本体(30)、形成在容器本体(30)内的第一液氮腔(31)、开设在容器本体(30)上且与第一液氮腔(31)相通的电缆接口(32)、以及固设在电缆接口(32)处的容器法兰(33)，所述超导电缆(20)包括电缆芯体(21)、套设在电缆芯体(21)外周的电缆保温管(22)、形成在电缆芯体(21)和电缆保温管(22)之间的第二液氮腔(23)、以及固设在电缆保温管(22)端部处的电缆法兰(24)，所述电缆芯体(21)的一端从电缆接口(32)处伸入第一液氮腔(31)中，所述第一液氮腔(31)与第二液氮腔(23)通过电缆接口(32)连通，所述容器法兰(33)和电缆法兰(24)固定连接，其特征在于：还包括设置在容器法兰(33)和电缆法兰(24)相接处的第一密封圈(40)，所述第一密封圈(40)包括中空的支撑骨架(41)、固定包覆在支撑骨架(41)外周的金属密封层(42)、以及填实在支撑骨架(41)内的填实层(43)，所述支撑骨架(41)的硬度都大于金属密封层(42)的硬度和填实层(43)的硬度，所述支撑骨架(41)具有开口部(411)，所述支撑骨架(41)的径向厚度沿其周向从中间向两端逐渐减小，使所述支撑骨架(41)在开口部(411)处具有薄部(412)，所述第一密封圈(40)的开口部(411)朝向第一液氮腔(31)。

2.根据权利要求1所述的超导电缆终端导体连接结构，其特征在于：所述支撑骨架(41)的材料为不锈钢或紫铜，所述金属密封层(42)的材料为锡、或铅、或铟、或软合金。

3.根据权利要求1或2所述的超导电缆终端导体连接结构，其特征在于：所述金属密封层(42)和填实层(43)的材料相同。

4.根据权利要求1所述的超导电缆终端导体连接结构，其特征在于：所述电缆保温管(22)为单层管。

5.根据权利要求1所述的超导电缆终端导体连接结构，其特征在于：所述电缆保温管(22)为双层管，该双层管包括内管体、外管体、以及形成在内管体和外管体之间的抽真空腔，所述电缆芯体(21)穿设在电缆保温管(22)的内管体内。

6.根据权利要求1所述的超导电缆终端导体连接结构，其特征在于：所述终端低温容器(10)还包括开设在第一液氮腔(31)一侧的端口(34)、固设在端口(34)处的端口法兰(35)、以及端板(50)，所述端板(50)与端口法兰(35)固定连接，且所述端板(50)封堵端口(34)，所述端板(50)与端口法兰(35)的相接处设有第二密封圈(60)，所述第二密封圈(60)的结构与第一密封圈(40)的结构相同，所述第二密封圈(60)的开口部(411)朝向第一液氮腔(31)。

7.根据权利要求1所述的超导电缆终端导体连接结构，其特征在于：还包括电流引线(70)，所述电流引线(70)的一端伸入第一液氮腔(31)中，并与位于第一液氮腔(31)内的电缆芯体(21)相连。

8.根据权利要求7所述的超导电缆终端导体连接结构，其特征在于：所述电流引线(70)包括引线主体段(71)和引线超导复合段(72)，所述引线超导复合段(72)至少有一部分位于第一液氮腔(31)中，所述引线超导复合段(72)由内而外依次包括导体内芯(721)、超导层(722)和导体外套(723)，所述导体内芯(721)的两端分别与引线主体段(71)和电缆芯体(21)固定连接。

9.根据权利要求8所述的超导电缆终端导体连接结构，其特征在于：所述超导层(722)的材料为Bscco超导体。

10.根据权利要求8所述的超导电缆终端导体连接结构，其特征在于：所述引线主体段(71)和导体内芯(721)为一体式结构，且所述引线主体段(71)和导体内芯(721)的材料都为铜、或铝、或合金。