CN118136333A - 超导用中继冷却器及超导输电系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种超导用中继冷却器，包括管体机构、制冷管道及降温管道，管体机构包括具有相对设置的第一端及第二端的液氮管组件，液氮管组件内填充有液态氮；制冷管道及降温管道分别设置于第一端及第二端，且与液氮管组件相连通，制冷管道被配置为输送冷媒；降温管道被配置为流通液态氮气化后的氮气。通过设置制冷管道，可输送冷媒，以对液氮管组件的第一端内的液态氮降温；通过设置降温管道，可流通液态氮气化后的氮气，以将氮气排放至外部，从而对液氮管组件的第二端内的液态氮进行降温，从而能够保证液氮管组件的第一端及第二端内的液态氮的温度一致，避免造成资源浪费，且能够避免因温度不均造成的液氮气化，从而引起超导电缆失超的现象。

Description

超导用中继冷却器及超导输电系统

技术领域

本申请涉及冷却器技术领域，特别是涉及一种超导用中继冷却器及超导输电系统。

背景技术

超导体是在临界温度下具有零电阻特性的一种导体，可降低电能传输时的电阻损耗，超导体工作于77k的温度下，需要浸泡在液态氮中才能呈现超导特性。

相关技术中的超导输电系统一般采用单端制冷的方式，这种方式会产生较大的温度梯度，在制冷端，液氮温度低，而在非制冷端液氮温度高，这样不仅会造成制冷量的浪费，且可能发生由于温度不均造成的液氮气化，从而引起超导电缆失超。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够避免造成资源浪费，且能够避免因温度不均造成的液氮气化，从而引起超导电缆失超的现象的超导用中继冷却器及超导输电系统。

一种超导用中继冷却器，包括：

管体机构，所述管体机构包括具有相对设置的第一端及第二端的液氮管组件，所述液氮管组件内填充有液态氮；

制冷管道，所述制冷管道设置于所述液氮管组件的所述第一端，且与所述液氮管组件相连通，所述制冷管道被配置为输送冷媒，以对所述第一端的所述液态氮降温；

降温管道，所述降温管道设置于所述液氮管组件的所述第二端，且与所述液氮管组件相连通，所述降温管道被配置为流通所述液态氮气化后的氮气，以对所述第二端的所述液态氮降温。

通过设置制冷管道，可输送冷媒，以对液氮管组件的第一端内的液态氮降温；通过设置降温管道，可流通液态氮气化后的氮气，以将氮气排放至外部，从而对液氮管组件的第二端内的液态氮进行降温，从而能够保证液氮管组件的第一端及第二端内的液态氮的温度一致，避免造成资源浪费，且能够避免因温度不均造成的液氮气化，从而引起超导电缆失超的现象。

在其中一个实施例中，所述制冷管道远离所述液氮管组件的一端设置有制冷生产机构；

和/或，所述降温管道远离所述液氮管组件的一端设置有抽取发生机构。

制冷生产机构能够将低温传递至第一端内的液态氮，然后将第一端的液态氮中的热量传递至制冷生产机构，从而对第一端内的液态氮进行降温；抽取发生机构可抽取降温管道内液态氮气化后的氮气，从而对液氮管组件的第二端内的液态氮进行降温。

在其中一个实施例中，所述制冷管道的延伸方向与所述液氮管组件的延伸方向相互垂直；所述降温管道的延伸方向与所述液氮管组件的延伸方向相互垂直；所述制冷管道的延伸方向与所述降温管道的延伸方向相互平行。

在其中一个实施例中，所述降温管道远离所述液氮管组件的一端还设置有流通管道，所述流通管道与所述降温管道相连通，以使所述液态氮气化后的氮气可通过所述降温管道流通至所述流通管道内。

流通管道设置于降温管道与抽取发生机构之间，液态氮气化后的氮气可通过降温管道流通至流通管道内，抽取发生机构可抽取流通管道内液态氮气化后的氮气，从而对液氮管组件的第二端内的液态氮进行降温。

在其中一个实施例中，所述降温管道远离所述液氮管组件的一端设置有第一连接法兰，所述流通管道靠近所述降温管道的一端设置有与所述第一连接法兰相连接的第二连接法兰。

在其中一个实施例中，所述流通管道的延伸方向与所述降温管道的延伸方向相互平行，且与所述液氮管组件的延伸方向相互垂直。

通过将流通管道的延伸方向与降温管道的延伸方向设置为相互平行，且与液氮管组件的延伸方向设置为相互垂直吗，同时由于流通管道的长度较长，在重力作用下，液态氮位于流通管道的下方，而液态氮气化后的氮气流通于流通管道的上方，抽取发生机构可抽取流通管道上方的氮气。

在其中一个实施例中，所述液氮管组件包括A相液氮管、B相液氮管及C相液氮管，所述A相液氮管、所述B相液氮管及所述C相液氮管内均填充有液态氮，所述A相液氮管、所述B相液氮管及所述C相液氮管均与一所述制冷管道及所述降温管道相连接。

在其中一个实施例中，所述管体机构还包括外管体，所述液氮管组件设置于所述外管体内，所述外管体上开设置有供所述制冷管道及所述降温管道穿过的穿孔。

在其中一个实施例中，所述外管体的一端设置有第三连接法兰，所述外管体的另一端设置有第四连接法兰。

本申请还提供了一种超导输电系统，包括如上所述的超导用液氮换相器。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本申请一实施例所示的超导用中继冷却器的结构示意图。

图2为本申请一实施例所示的超导用中继冷却器的分解结构示意图。

附图标记说明

10、超导用中继冷却器；100、管体机构；110、液氮管组件；111、A相液氮管；112、B相液氮管；113、C相液氮管；120、外管体；121、穿孔；130、第三连接法兰；140、第四连接法兰；200、制冷管道；210、第五连接法兰；300、降温管道；310、第一连接法兰；400、制冷生产机构；410、第六连接法兰；500、流通管道；510、第二连接法兰。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，这些术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。在本申请的描述中，若有出现术语“多个”，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，若元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在，本申请所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

请参阅图1及图2，本申请的一实施例提供了一种超导输电系统，包括壳体、导体分系统、液氮循环分系统、制冷分系统及监测分系统。超导输电系统总长度为70米，其主要参数为额定电压110kV，额定电流5000A，采用三相交流输电，频率为50Hz，可直接与常规发的电流设备对接。

导体分系统起到能量传输的作用。导体分系统包含用于远距离传输电能的超导电缆及与超导电缆对接的扩径终端，扩径终端包括与超导电缆连接的第一扩径终端及第二扩径终端。电能的传输路径为，电流由第一扩径终端流入，然后通过超导电缆传输至第二扩径终端，第一扩径终端、第二扩径终端上分别有3支套管，与超导电缆连接。超导电缆浸泡在-196℃的液态氮中，通过低温维持超导状态，实现无损耗的电能量传输。

液氮循环分系统起到维持超导电缆低温的作用。液氮循环分系统包括第一液态氮循环接头、第二液态氮循环接头、第一垂直转角筒、第一超导直线段、液态氮回流管、第二超导直线段、超导中间接头筒、液氮换相器、轴流液态氮泵，第三超导直线段、顺磁式过滤器及第二垂直转角筒。

其中，第一垂直转角筒，第一超导直线段、第二超导直线段，超导中间接头筒、液氮换相器、第三超导直线段及第二垂直转角筒内部均包含三根相互独立的液氮管，用于容纳超导电缆的A、B、C三相。液氮管的外部设置有壳体，

在液氮管与壳体之间均采用抽真空实现绝热，液氮管和装置的壳体可分别制造，均为单层结构，可在施工现场组装，由此减少了大型双层结构带来的高成本问题。液态氮的流动路径为：顺磁式过滤器-轴流液态氮泵-液态氮回流管-A相液氮管-B相液氮管-C相液氮管-恒压缓冲罐-顺磁式过滤器，由此形成了循环，液态氮由轴流液态氮泵提供循环所需的能量。

制冷分系统包括超导用中继冷却器10、天然气换热器、超导离心压缩机及氦气循环泵构成，其中，超导离心压缩机是主要制冷装置。通过降低超导用中继冷却器10的氮气压力，实现液态氮减压降温，带走设备的漏热。减压后的氮气通过超导离心压缩机加压放热，其产生的热量由氦气循环泵带入天然气换热器中释放。天然气换热器中有大量的液态天然气用于吸热。超导离心压缩机的出口减压，高压气态氮气减压吸热，冷凝为液态氮注入恒压缓冲罐中，由此实现低温制冷。

本制冷分系统的主要特点是通过-160℃的液态天然气作为冷源，吸收液态氮系统产生的热量，实现了液态天然气冷量的利用，而液态天然气吸收热量气化后，又作为制冷分系统辅机的燃料消耗，由此实现了能量的全面利用。较之传统的全超低温制冷的模式，制冷分系统无需水冷却器，无废热排入大气，具有更高的能量效率和更低的成本。

监测分系统包括监测光纤及光纤传感器，监测光纤由光纤熔接三通器实现串联，A、B、C三相电缆通过同一光路实现状态监测，光纤传感器包括超声局部放电传感器和液态氮气泡探测器，可监测超导电缆中的局部放电和局部热异常。

请参阅图1及图2，本申请的一实施例还提供了一种超导用中继冷却器10，包括管体机构100、制冷管道200及降温管道300，制冷管道200及降温管道300均设置于管体机构100上。

管体机构100包括具有相对设置的第一端及第二端的液氮管组件110，液氮管组件110内填充有液态氮，液态氮能够保证液氮管组件110内的超导体处于超导临界温度下。

制冷管道200设置于液氮管组件110的第一端，且与液氮管组件110相连通，制冷管道200被配置为输送冷媒，以对第一端的液态氮降温。降温管道300设置于液氮管组件110的第二端，且与液氮管组件110相连通，降温管道300被配置为流通液态氮气化后的氮气，以对第二端的液态氮降温。

通过设置制冷管道200，可输送冷媒，以对液氮管组件110的第一端内的液态氮降温；通过设置降温管道300，可流通液态氮气化后的氮气，以将氮气排放至外部，从而对液氮管组件110的第二端内的液态氮进行降温，从而能够保证液氮管组件110的第一端及第二端内的液态氮的温度一致，避免造成资源浪费，且能够避免因温度不均造成的液氮气化，从而引起超导电缆失超的现象。

下面结合附图详细说明本申请的实施例的超导用中继冷却器10。

请参阅图1及图2，根据本申请的一些实施例，可选地，制冷管道200远离液氮管组件110的一端设置有制冷生产机构400。具体地，制冷生产机构400包括制冷驱动部、制冷头及冷热循环部，制冷驱动部用于驱动制冷头可穿过制冷管道200，且能够与液氮管组件110的第一端内的液态氮相接触，从而对第一端内的液态氮进行降温。在本实施例中，冷媒为制冷头。

更具体的，冷热循环部能够降低制冷头进行降温，且制冷头能够将低温传递至第一端内的液态氮，然后将第一端的液态氮中的热量传递至冷热循环部内，从而对第一端内的液态氮进行降温。需要说明的是：冷热循环部可以为已知的结构。

请参阅图1及图2，根据本申请的一些实施例，可选地，降温管道300远离液氮管组件110的一端设置有抽取发生机构。具体地，抽取发生机构可抽取降温管道300内液态氮气化后的氮气，从而对液氮管组件110的第二端内的液态氮进行降温。更具体地，抽取发生机构为超导输电系统中的超导离心压缩机。

请参阅图1及图2，根据本申请的一些实施例，可选地，降温管道300远离液氮管组件110的一端还设置有流通管道500，流通管道500与降温管道300相连通，以使液态氮气化后的氮气可通过降温管道300流通至流通管道500内。具体地，流通管道500设置于降温管道300与抽取发生机构之间，液态氮气化后的氮气可通过降温管道300流通至流通管道500内，抽取发生机构可抽取流通管道500内液态氮气化后的氮气，从而对液氮管组件110的第二端内的液态氮进行降温。

请参阅图1及图2，根据本申请的一些实施例，可选地，制冷管道200的延伸方向与液氮管组件110的延伸方向相互垂直。降温管道300的延伸方向与液氮管组件110的延伸方向相互垂直。制冷管道200的延伸方向与降温管道300的延伸方向相互平行。流通管道500的延伸方向与降温管道300的延伸方向相互平行，且与液氮管组件110的延伸方向相互垂直。

液氮管组件110的延伸方向为水平方向。降温管道300、制冷管道200及流通管道500均为竖直方向。具体地，流通管道500的长度大于降温管道300及制冷管道200的长度。示例性地，流通管道500的长度为15m。

由于流通管道500的长度较长，在重力作用下，液态氮位于流通管道500的下方，而液态氮气化后的氮气流通于流通管道500的上方。抽取发生机构可抽取流通管道500上方的氮气。

请参阅图1及图2，根据本申请的一些实施例，可选地，降温管道300远离液氮管组件110的一端设置有第一连接法兰310，流通管道500靠近降温管道300的一端设置有与第一连接法兰310相连接的第二连接法兰510。

请参阅图1及图2，根据本申请的一些实施例，可选地，管体机构100还包括外管体120，液氮管组件110设置于外管体120内，外管体120上开设置有供制冷管道200及降温管道300穿过的穿孔121。具体地，制冷管道200及降温管道300部分设置于外管体120内，制冷管道200及降温管道300另一部分设置于外管体120外。

请参阅图1及图2，根据本申请的一些实施例，可选地，液氮管组件110包括A相液氮管111、B相液氮管112及C相液氮管113，A相液氮管111、B相液氮管112及C相液氮管113内均填充有液态氮，以保持A相液氮管111、B相液氮管112及C相液氮管113内的超导体处于超导临界温度下。A相液氮管111、B相液氮管112及C相液氮管113均与一制冷管道200及降温管道300相连接。

具体地，制冷管道200及降温管道300的数量均为三个。在本实施例中，制冷生产机构400的数量为三个，且与制冷管道200一一对应设置。抽取发生机构的数量为一个。三个降温管道300与一抽取发生机构相连接。

外管体120与A相液氮管111、B相液氮管112及C相液氮管113之间形成负压腔室。负压腔室内具有负压。

通过在外管体120与A相液氮管111、B相液氮管112及C相液氮管113之间设置负压腔室，能够保证外管体120与A相液氮管111、B相液氮管112及C相液氮管113具有较好的绝热性能。

请参阅图1及图2，根据本申请的一些实施例，可选地，外管体120的一端设置有第三连接法兰130，外管体120的另一端设置有第四连接法兰140。通过在外管体120的一端设置有第三连接法兰130，外管体120的另一端设置有第四连接法兰140，可便于与其他机构连接。具体地，第四连接法兰140与超导输电系统中的超导换向段相连接，第三连接法兰130与超导输电系统中的超导中间接头筒相连接。

制冷管道200远离液氮管组件110的一端设置有第五连接法兰210，制冷生产机构400靠近制冷管道200的一端设置有与第五连接法兰210相连接的第六连接法兰410。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种超导用中继冷却器，其特征在于，包括：

管体机构，所述管体机构包括具有相对设置的第一端及第二端的液氮管组件，所述液氮管组件内填充有液态氮；

制冷管道，所述制冷管道设置于所述液氮管组件的所述第一端，且与所述液氮管组件相连通，所述制冷管道被配置为输送冷媒，以对所述第一端的所述液态氮降温；

降温管道，所述降温管道设置于所述液氮管组件的所述第二端，且与所述液氮管组件相连通，所述降温管道被配置为流通所述液态氮气化后的氮气，以对所述第二端的所述液态氮降温。

2.根据权利要求1所述的超导用中继冷却器，其特征在于，所述制冷管道远离所述液氮管组件的一端设置有制冷生产机构；

和/或，所述降温管道远离所述液氮管组件的一端设置有抽取发生机构。

3.根据权利要求1所述的超导用中继冷却器，其特征在于，所述制冷管道的延伸方向与所述液氮管组件的延伸方向相互垂直；所述降温管道的延伸方向与所述液氮管组件的延伸方向相互垂直；所述制冷管道的延伸方向与所述降温管道的延伸方向相互平行。

4.根据权利要求3所述的超导用中继冷却器，其特征在于，所述降温管道远离所述液氮管组件的一端还设置有流通管道，所述流通管道与所述降温管道相连通，以使所述液态氮气化后的氮气可通过所述降温管道流通至所述流通管道内。

5.根据权利要求4所述的超导用中继冷却器，其特征在于，所述降温管道远离所述液氮管组件的一端设置有第一连接法兰，所述流通管道靠近所述降温管道的一端设置有与所述第一连接法兰相连接的第二连接法兰。

6.根据权利要求4所述的超导用中继冷却器，其特征在于，所述流通管道的延伸方向与所述降温管道的延伸方向相互平行，且与所述液氮管组件的延伸方向相互垂直。

7.根据权利要求1所述的超导用中继冷却器，其特征在于，所述液氮管组件包括A相液氮管、B相液氮管及C相液氮管，所述A相液氮管、所述B相液氮管及所述C相液氮管内均填充有液态氮，所述A相液氮管、所述B相液氮管及所述C相液氮管均与一所述制冷管道及所述降温管道相连接。

8.根据权利要求1所述的超导用中继冷却器，其特征在于，所述管体机构还包括外管体，所述液氮管组件设置于所述外管体内，所述外管体上开设置有供所述制冷管道及所述降温管道穿过的穿孔。

9.根据权利要求8所述的超导用中继冷却器，其特征在于，所述外管体的一端设置有第三连接法兰，所述外管体的另一端设置有第四连接法兰。

10.一种超导输电系统，其特征在于，包括如权利要求1～9任一所述的超导用液氮换相器。