CN1808813A - 超导电缆屏蔽的连接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在多相超导电连接环境下，将所谓“冷介电质”超导电缆(10，12)的屏蔽(16，26)相互电连接的连接装置，每个超导电缆(10，12)包括在低温(14)下呈现超导性的中心超导体，围绕中心导体的电绝缘，围绕电绝缘(16，26)的屏蔽(16，26)和围绕所述屏蔽(16，26)的低温槽(20)。根据本发明，该装置包括位于所述屏蔽之间的超导连接(30)，所述超导连接包括连接超导体(32)和围绕所述连接超导体(32)的低温护套(34)，所述连接超导体(32)的两个末端(46，48)的每一个通过连接装置(36)连接到所述屏蔽(16，26)的其中一个，所述连接装置是导电和导热的。本发明特别适合于高压电。
Description
技术领域
本发明涉及一种冷介电质超导电缆屏蔽用的连接装置，尤其是用于不同相的超导电缆的屏蔽。
背景技术
当使用与由电阻性电导体制成的传统电缆相比电缆截面尽可能小时，通过高压超导电缆传输的电能可使高电流得以传输，同时限制了沿电缆的电损耗，特别是由于焦耳效应引起的损耗，因为那种现象对超导性影响特别微弱。为减少损耗，电以多相交流电(AC)的形式进行传输，通常是三相交流电，并且一个相电缆用于所述相中的每一个(这样三相交流电就有三个分开的相电缆)。
“冷介电质”超导相电缆由中心电导体组成，其中中心电导体至少由以下组成：超导部分(以下称之为“中心超导体”)，围绕所述超导体的电绝缘(以下称之为“介电质”)，围绕所述介电质的屏蔽，其中屏蔽可以全部或部分由超导体组成，以及低温外壳(cryogenic enclosure)或围绕所述屏蔽的“低温槽”(cryostat)。所述的低温槽通常由两层同心的套组成，其中这两层套彼此热绝缘(例如，通过10-5mbar的真空)。包含在低温槽内套中的低温液体通过介电质(这就是术语“冷介电质”的来源)将中心超导体冷却至超导体处于超导状态的温度(例如，对所谓的“高温”超导体而言该温度为-196℃)。
由于安全原因，一旦施加到电缆的电压达到某个值(例如，在法国为1千伏(kV))，电缆中出现屏蔽就是强制性的。所述屏蔽连接到地电位，通常是接地。在意外地接触电缆时，例如有人正在挖掘埋设有地下电缆的地面时，这样做就避免了被电死的危险。
具有冷介电质的超导电缆，在中心超导体和屏蔽内产生流动的相似大小的电流(特别是如果屏蔽全部或部分由超导体组成时)。对于高压电缆，该电流的大小可以很高(例如2400安培(A))，因此设想将屏蔽直接接地是不可能的。解决办法是将相电缆的屏蔽相互连接。得到的电流是相电流的矢量和，这样得到的电流的大小为零或接近零，因此能连接到地。对于三相交流电，两个电缆足够可以将所有三相的屏蔽相互连接起来，在电流矢量取消后，通常用电阻性电缆(例如铜电缆)来连接到地。然而，用电阻性电缆将屏蔽相互连接导致了因焦耳效应引起的热和电损耗，因而产生冷却超导体所消耗的低温液体数量的增加，而且就整体而言导致设备电性能的下降。而且，如果热损耗太大，电阻连接(resistive link)周围的温度升高能防止低温液体在邻近处冷却超导体的效果。然后超导部分可以从超导状态切换到通常的导电状态，这样加剧了设备电效率的下降。
发明内容
本发明解决了这个技术问题，并且提供了一种用于超导相电缆屏蔽的连接装置，每个电缆包括一个中心超导体，围绕所述中心超导体的介电质，围绕所述介电质的屏蔽，围绕所述屏蔽、可容纳低温液体的低温槽。该装置的特点在于，它包括位于所述屏蔽之间的连接超导体电缆，所述连接电缆包括连接超导体和围绕所述连接超导体的低温护套，所述连接超导体的两个端点的每一个通过连接装置连接到各自的所述屏蔽之一，该连接装置是导电和导热的。
在一个实施例中，连接超导体由导电和导热的支架(support)组成，该支架附近缠绕有超导体绞合线。这些超导体绞合线可以成带状或线状(如Bi2Sr2Ca2Cu3O型超导带)。所述连接装置和所述低温液体热接触，并热连接和电连接到所述支架，所述超导体绞合线沿着所述连接装置和所述支架通过热传导进行冷却。支架由金属制成，该金属是电的和热的良导体，如铜，并且它可以是实心棒状、管状或金属电缆(例如，施釉的铜线电缆)。
优选地，所述低温护套可以通过“Johnston”型联接器连接到低温槽，例如，该联接器可以在所述低温护套的容纳物和低温槽的容纳物之间提供密封。
可以在所述低温槽和所述护套的内部之间提供用来通过所述低温液体的所述连接装置，然后所述连接超导体至少部分通过接触所述低温液体被冷却。
所述连接装置优选由连接片组成，该连接片首先连接到所述连接超导体的末端，然后连接到所述屏蔽。该连接片可以通过柔性连接(如一套金属编织)，或者使用中间片连接所述屏蔽，该中间片可以通过滑动电触头(如多接点叶片)首先连接到所述屏蔽，然后紧固到所述连接片。
在另一个实施例中，所述屏蔽由导体连接元件包围，所述屏蔽和所述连接元件相互电连接，所述屏蔽通过所述连接元件连接所述连接装置。所述中间片可以通过滑动触头连接所述连接元件。例如，滑动触头由设置在所述连接元件和所述中间片之间的金属叶片组成。
所述连接元件可以由管形成，管的内壁紧固到所述屏蔽的外壁，优选使用具有低熔融温度的合金进行焊接或铜焊。
附图说明
参考附图，经过对以下本发明的几个实施例的说明，本发明的其他优点和特点将会显而易见，该实施例不是限制性的实施例，其中：
图1是表示两个超导体相电缆和用于这两个电缆的屏蔽的连接装置的剖面图；
图2、3、4和5示出超导体相电缆的连接超导体和屏蔽之间的连接的各种实施例；以及
图6是一部分连接超导体的透视图。
具体实施方式
在图1中，两个相电缆10和12相同，每个由被介电质包围的中心超导体14组成，介电质自身被屏蔽16包围，屏蔽16由导电和导热的材料或超导材料组成，例如一种由一层铜带和一层超导带组成的电缆。介电质由经过挑选和经过测定的绝缘材料组成，该绝缘材料能承受由超导电缆限定的电场，从而避免了在屏蔽(电势为零伏(V))和中心超导体(处于高压)之间的击穿。作为例子，介电质可以由已知的聚丙烯层叠纸(polypropylenelaminated paper)或PPLP的多层聚丙烯基纸(polypropylene based paper)组成。
连接元件18在屏蔽长度的一小部分上包围屏蔽16，其电连接又热连接于所述屏蔽。连接元件18可以成其内壁直接焊接或铜焊到屏蔽16的外表面的环状或管状。连接元件由导电好的导体材料制成，例如铜。优选由具有低熔融温度的合金进行焊接或铜焊。
环形的由外壁22和内壁24组成的低温外壳或低温槽20包围连接元件。低温液体，例如液态氮，可以在内壁中流动，以便冷却相超导体14。在内壁22和外壁24之间提供热绝缘(例如通过10-5mbar的真空)以避免加热低温液体并消耗大量的所述液体。
相互连接两个超导体相电缆的屏蔽16和26的装置，分别为10和12，包括连接超导体电缆30，该电缆由被低温护套34包围的连接超导体32组成，优选是由两个彼此热绝缘的同心套组成(例如通过真空的方法)，并通过装置36将连接超导体32连接到屏蔽16或26。
超导体电缆30和屏蔽16和26之间的连接是相同的，因此仅描述屏蔽16和连接电缆30之间的连接(图1的左侧部分)。
超导体32由机械支架40(见图6)组成，该机械支架上缠绕有带状或线状的一层或多层超导体绞合线42和44。成碳黑或介电质材料的形式的一层或多层附加层46可选地包围超导体带层42和44。机械支架40由导电材料，如铜制成，这样在带42和44从超导状态切换到只有导电性的状态时传输电流。支架40可以是电缆或可以是刚性管或柔性管。不同类型的层，如碳黑或不锈钢带或纸，可以插在超导体带42和44的层之间。这些层可以分别用来使超导体带的层的外径上的电势平稳，从而给超导体带提供更好的保护和机械强度，或者在整个长度或部分长度上于连接超导体和低温护套34之间提供电绝缘。超导体带42和44在两个端点46和48(图1)焊接或铜焊到支架40。
连接装置36包括紧固到连接超导体32的末端46的连接片50(图1)。该连接片由一块导热和导电良好的导体材料制成，如铜。连接片50通过焊接或铜焊52(图1和2)在适合超导体带42和44的温度下紧固到连接超导体32的末端46。连接片的焊接或铜焊可以将超导体带42和44独立焊接或铜焊到支架40的两个末端46和48。
连接装置36还包括将连接片50电连接到连接元件18的柔性连接54(图1和2)。该柔性连接54由多个金属编织组成，首先焊接到连接片50，然后用终端盒(terminal lugs)56机械和电紧固到连接元件18。选择编织的数量和它们的剖面作为要传输的最大电流的函数。
低温护套34的两个端点的每一个紧固到相电缆的各个低温槽。该紧固必须保证低温护套和低温槽之间的热绝缘的连续性以避免加热低温液体。这种类型的紧固可以用联接器58实现，优选使用对本领域技术人员来说是熟知的Johnston型。这种类型的联结器包括相互啮合的阳部分和阴部分，例如，当联结器的阴部分焊接到相电缆的低温槽的内壁24和外壁22之间时，低温护套34通过焊接可以固定到Johnston联结器的阳部分。这些联接器可以由供应商Nexans出售，例如，用于制造低温传送线。
联接片50紧固到低温槽20可以用两种不同的方法实现，这取决于为连接超导体32选择的冷却方法。
在第一实施例中，通过沿着连接片50和连接超导体32的支架40的热传导提供冷却。包含在低温槽20中的低温液体不传输到低温护套34中。然后有必要在低温槽20和护套34之间提供密封。可以通过将连接片50紧靠低温槽20的内壁24夹紧，或者通过在连接器58的阳部分和阴部分之间加紧来获得这一密封。
在第二实施例中，连接超导体32通过直接接触低温槽20的低温液体得到冷却。在这种情况下，连接部分50不必以真空密封的形式紧固，可以通过所述连接片提供通道以便让低温槽20的低温液体流入低温护套34和连接超导体32之间的空间31。
在该第二实施例中，可以观察到连接超导体32也通过热传导部分冷却。这使得特别是如果通过连接片50的低温液体的流率受到限制时，以沿着支架40和连接装置36的热传导通过紧靠连接超导体的低温液体的对流实现直接冷却成为可能。
参考图1、2、3和4所述，将连接片50连接到连接元件18的各种方法都使得电缆的热收缩或位移(displacement)得到调整。在图3和4中，电缆的热收缩通过设置在两个同心元件18和60之间的触头叶片66(多触头叶片)在连接点得到调整，这两个同心部分彼此相对滑动，通过一直与元件18和60保持接触的叶片保持电接触。在图1和2中，没有触头叶片，但通过编织54的移动在热收缩过程中保持电接触。元件16、18和14一起沿着电缆的轴线移动，但是以特殊长度提供的编织54允许发生移动并保持电连接。图1、2、3和4中示出的实施例，都允许电缆的热收缩或位移得到调整，尤其是很好地适应由中心超导体14、介电质和屏蔽16组成的部分相超导体10所处的环境，该屏蔽16能够移动(尤其是当由于热源的收缩，通过注入低温液体冷却装置时，该热源的收缩沿着三个相互机械连接的元件的整个长度产生)。
在图3中，连接装置36包括连接片50和中间片60，中间片60呈环状或呈设置有管状联接器62的圆柱形。连接片50透过联接器62，这样在连接片50和中间片60之间建立了电连接。优选地，联接器62设置有由一套导电的触头叶片组成的滑动电触头64，这样使得将联结片50和中间片60的连接和不连接很容易。这种例如由供应商Multicontact所出售类型的触头叶片，对本领域技术人员来说是公知的。另一个滑动电触头66，优选的是通过金属触头叶片，被被结合在中间片60和连接元件18之间。因为连接元件18紧固到屏蔽(通过焊接或铜焊)，所以由所述元件18、屏蔽16形成的组件，以及相超导体14可以在中间部分60内滑动。因此在相超导体部分10移动的情况下，滑动触头66保持电连接，相超导体部分10由中心超导体14、介电质和屏蔽16组成。滑动金属触头叶片66优选紧固到中间片60。连接元件18和中间片60的长度优选是相同的，并作为所希望的热收缩的函数进行选择。
图4中所示的实施例比图3中的简单。中间片60不再有联接器62，而是直接紧固到连接片50，例如通过焊接或铜焊。中间片60和连接片50可以由单一的机加工片组成。
当相超导体14不能移动，或当热收缩的量小(例如超导相电缆的长度短)时，在连接片50和连接元件18之间的连接可以是固定的，如图5所示。然后连接片50通过焊接或铜焊直接紧固到连接元件18。连接元件18可以通过焊接、铜焊或机械夹紧紧固到屏蔽16。连接片50和连接元件18可以形成单一的机加工片。可选择地，在片50和元件18之间的刚性连接可由可活动的连接所代替，例如图3所示的实施例，具有滑动触头的可活动连接，这样使得超导连接电缆的安装和移动容易实现。
上面已经描述了本发明的几个实施例，然而本发明并不局限于只有两个超导相电缆场的相互连接。所有相的场可以通过串联连接得以相互连接。例如，对三相交流，第1相场连接到第2相场，第2相场连接到第3相场。
当然，本发明并不局限于所述的实施例，在本领域技术人员的能力范围内可以进行改进。
Claims (19)
1、一种用于超导相电缆(10，12)的屏蔽(16，26)的连接装置，每个电缆包括中心超导体(14)，围绕所述中心超导体的介电质，围绕所述介电质的屏蔽(16)，以及围绕所述屏蔽(14)的低温槽(20)，所述低温槽能容纳低温液体，所述装置的特征在于，其包括位于所述屏蔽之间的连接超导电缆(30)，所述连接电缆包括连接超导体(32)和围绕所述连接超导体的低温护套(34)，所述连接超导体(32)的两个末端(46，48)的每一个通过连接装置(36)连接到所述屏蔽(16，26)的其中一个，所述连接装置是导电的和导热的。
2、根据权利要求1的连接装置，其特征在于，所述连接超导体(32)包括导电和导热的支架(40)，该支架在其周围缠绕有超导体绞合线(42，44)，并且所述连接装置(36)与低温液体热接触，并且电连接和热连接所述支架(40)，所述超导体绞合线(42，44)沿着所述连接装置(36)和所述支架(40)通过热传导进行冷却。
3、根据权利要求2的连接装置，其特征在于，所述支架(40)由导电和导热良好的导体的金属制成。
4、根据前述的任何权利要求所述的连接装置，其特征在于，所述连接装置(36)设置有用来在所述低温槽(20)和所述护套(34)的内部(31)之间传输低温液体的装置，所述连接超导体(32)通过接触所述低温液体至少部分被冷却。
5、根据前述的任何权利要求所述的连接装置，其特征在于，所述连接装置(36)包括首先连接到所述连接超导体(32)的末端(46)，然后连接到所述屏蔽(16)的连接片(50)。
6、根据权利要求5的连接装置，其特征在于，所述连接片(50)通过柔性连接(54)连接到所述屏蔽(16)。
7、根据权利要求6的连接装置，其特征在于，所述柔性连接由一套金属编织(54)制成。
8、根据权利要求5的连接装置，其特征在于，所述连接片(50)通过中间片(60)连接到所述屏蔽(16)。
9、根据权利要求8的连接装置，其特征在于，所述中间片(60)通过滑动电触头(64)连接到所述屏蔽(16)。
10、根据权利要求9的连接装置，其特征在于，所述滑动触头(64)由设置在所述连接片(50)和所述中间片(60)之间的金属叶片组成。
11、根据权利要求8的连接装置，其特征在于，所述中间片(60)紧固到所述连接片(50)。
12、根据前述的任何权利要求所述的连接装置，其特征在于，所述屏蔽(16)被导电连接元件(18)包围，所述屏蔽(16)和所述连接元件(18)相互电连接，所述屏蔽通过所述连接元件(18)连接到所述连接装置(36)。
13、根据权利要求8和12所述的连接装置，其特征在于，所述中间片(60)通过滑动触头(66)连接到所述连接元件。
14、根据权利要求13所述的连接装置，其特征在于，所述滑动触头(66)由设置在所述连接元件和所述中间片之间的金属叶片组成。
15、根据权利要求12所述的连接装置，其特征在于，所述连接元件(18)通过铜焊或焊接紧固到所述连接片(50)。
16、根据权利要求12到15的任何一个权利要求所述的连接装置，其特征在于，所述连接元件(18)由管形成，该管的内壁紧固到所述屏蔽的外壁。
17、根据权利要求16所述的连接装置，其特征在于，所述连接元件(18)利用低熔融温度的合金通过焊接或铜焊紧固到所述屏蔽(16)。
18、根据前述任何一个权利要求所述的连接装置，其特征在于，所述低温护套(34)通过真空密封联接器(58)连接到所述低温槽(20)。
19、根据权利要求18所述的连接装置，其特征在于，所述真空密封联接器(58)是“Johnston”型联接器。
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