CN1930749A - 多相超导电缆的终端结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多相超导电缆的终端结构，该终端结构设置在多相超导电缆的端部和室温侧之间，所述终端结构包括具有多个超导层的多相超导电缆，所述超导层通过导体绝缘层同心设置并传导具有不同相位的电流；用于冷却所述超导层的端部的充满制冷剂的制冷剂盒；与各超导层的端部电连接的引线部分；以及绝缘元件，该绝缘元件围绕所述引线的外周设置并密封制冷剂盒内的制冷剂。

Description

多相超导电缆的终端结构
技术领域
本发明涉及多相超导电缆的终端结构，所述终端结构设置在多相超导电缆的端部和室温侧之间。更特别的是，本发明涉及一种包括多个同心地设置的超导层的多相超导电缆的终端结构，其中不同相位的电流允许在所述超导层中流过。
背景技术
过去，在具有由铋基高锝超导带导线或类似物组成的超导层的超导电缆领域，已经不仅在包括单个缆芯的单相电缆而且在包括多个缆芯的多相电缆方面取得了一些发展。这种多相电缆的一个示例是一体多芯型电缆，其中多个缆芯组装在一个单元内。图5是一体三芯型三相超导电缆的剖视图。以下，图中相同的附图标记表示相同的构件。超导电缆100具有的结构是包括三个电缆芯102，这三个电缆芯102绞成股并且容纳在热绝缘管101内。所述热绝缘管101具有双管结构，包括外管101a和内管101b，热绝缘件(未示出)设置在外管和内管之间的空间内，该空间是抽真空的。防腐蚀层104围绕热绝缘管101的周围设置。每个缆芯102包括定径管200、超导层201、电绝缘层202、电缆屏蔽层203以及保护层204，他们从中心起以所列举顺序设置。内管101和缆芯102之间的空间103用作诸如液氮的制冷剂的通道。
图6是示出一体三芯型三相超导电缆的接合结构的示意图，其用于与室温侧连接，图7是示出所述电缆的终端结构的示意图。在一体多芯型多相电缆中，用于与室温侧连接的接合结构为每一相线提供。特别地，如图6所示，所述接合结构包括用于将超导电缆100的端部分成单个相线(缆芯102)的分线箱210，用于容纳从分线箱210中抽出的单个缆芯102的热绝缘层220，以及其中引入缆芯102的端部的终端接合箱230。引入每个终端接合箱230的各个缆芯102与向着室温侧(参照图7)延伸的导体110a连接，导体110a通过连接电缆240与室温侧接合箱250连接，从而使得电力在低温侧和室温侧传输。
如图7所示，终端结构包括缆芯102的端部、用于电连接低温侧和室温侧之间的缆芯102的导体110a、终端接合箱230以及设置在真空容器112内的室温侧的陶瓷管绝缘件113，其中终端接合箱包括制冷剂盒111，其容纳导体110a的端部(与缆芯102连接的那一端)，还包括覆盖制冷剂盒111的外围的真空容器112。在如图7所示的配置中，电流传导杆114与缆芯102的端部连接，并且超导层和导体110a彼此通过电流传导杆114和接头115电连接。通常由铜、铝或类似物组成的导体110a嵌入由玻璃纤维强化塑料(FRP)或类似物形成的绝缘衬套110b内，并且通过真空容器112从制冷剂盒111向陶瓷管绝缘件113延伸。制冷剂盒111充满诸如液氮的制冷剂111a，其冷却电流传导杆114的一端(与接头115连接的那一端)和导体110的一端(同上)。陶瓷管绝缘件113容纳导体110a的另一端(室温侧一端)并且充满介电流体113a，诸如六氟化硫(SF6)或者绝缘油。电流传导杆制冷剂容器116围绕电流传导杆114设置，并且电流传导杆真空容器117围绕电流传导杆制冷剂容器116设置(参见专利文件1)。
专利文件1：日本未审公开专利申请No.2002-238144
发明内容
在一体多芯多相型电缆端部的接合结构中，如上所述，终端结构通过由分线箱分成单个相线而为每一个相线形成。因此，整个结构变得庞大并且已经在谋求减小该结构的尺寸。
因此，本发明的主要目标是提供一种多相超导电缆终端结构，其中在电缆端部的接合结构的尺寸可以进一步减小。
在本发明中，本发明的目标通过采用一种所谓的“同轴型”多相电缆取代一种一体多芯型多相电缆从而得以实现。
也就是说，根据本发明的多相超导电缆的终端结构包括：充满用于冷却超导电缆端部的制冷剂的制冷剂盒，所述制冷剂盒包括多个同心设置的超导层，用于流过不同相位的电流，超导层通过设置在它们之间的导体一绝缘层彼此分开。引线电连接在单个超导层的端部。绝缘元件围绕引线的周围设置，并且该绝缘元件密封所述制冷剂盒内的制冷剂。
具有用于本发明的多相超导电缆的上述配置的终端结构展现出良好的效果，在于：在电缆端部的接合结构可以减小尺寸，由于不像一体多芯型电缆那样，不需要用于将超导电缆端部部分分成单个相线的分线箱，并且可以采用一个终端接合箱用于所有相线，而不是为每一相线提供一个终端接合箱。另外，用作内超导层的明显屏蔽(apparent shield)的外超导层可以与地电绝缘。此外，通过提供热保护结构，可以充分地防止热量从室温侧渗入。
附图说明
图1是示出具有多个同心设置的超导层的多相超导电缆的横截面的示意图；
图2是示出根据本发明的多相超导电缆的终端结构的示意图；
图3(A)是示出在超导层和引线的连接内的固定部分的结构的示意图；
图3(B)是引线的示意图；
图4是示出绝缘元件内的引线的布置的俯视图；
图5是示出一体三芯型三相超导电缆的横截面的示意图；
图6是示出用于与室温侧连接的一体三芯型三相超导电缆的接合结构的示意图；
图7是示出一体三芯型三相超导电缆的终端结构的示意图。
附图标记
1   多相超导电缆
2   缆芯
3   定径管
4   超导层
4a  第一导电层
4b  第二导电层
4c  第三导电层
5   导体一绝缘层
5a  第一导体-绝缘层
5b  第二导体-绝缘层
5c  第三导体一绝缘层
6   电缆屏蔽层
7   保护层
10  制冷剂盒
10a  制冷剂
20   引线
21，21a-21c  衬套
22a  孔
22b  固定部分
23   连接元件
24   固定元件
30   绝缘元件
31，32  凸缘
40   热绝缘盒
41   主体
42   盖子
50   陶瓷管绝缘件
51   上屏蔽件
52   介电流体
100  一体三芯型多相超导电缆
101  热绝缘管
101a 外管
101b 内管
102  缆芯
103  空间
104  抗腐蚀层
110a 导体
110b 绝缘衬套
111  制冷剂盒
111a 制冷剂
112  真空容器
113  陶瓷管绝缘件
113a 介电流体
114  电流传导杆
115  接头
116  电流传导杆制冷剂容器
117  电流传导杆真空容器
200  定径管
201  超导层
202  电绝缘层
203  电缆屏蔽层
204  保护层
210  分线箱
220  热绝缘管
230  终端接合箱
240  连接电缆
250  室温侧接合箱
具体实施方式
本发明以下将进行更加详细说明。
在本发明中，多相超导电缆包括多个同心设置的超导层，导体一绝缘层设置在相邻的超导层之间。特别的是，推荐构建这样一种配置使得超导层和导体-绝缘层从中心起以列举顺序交替布置：由超导材料构成的第一导电层，由绝缘材料组成的第一导体-绝缘层，由相同材料构成的第二导电层，由相同材料构成的第二导体-绝缘层，由相同材料构成的第三导电层，由相同材料构成的第三导体一绝缘层，…
超导层可以通过螺旋缠绕导线形成单层或多层结构来形成，该导线例如由Bi2223基超导材料组成。当采用多层结构时，可以设置绝缘夹层。绝缘夹层例如可以通过缠绕下述材料形成，该材料为绝缘纸，诸如牛皮纸，或半合成绝缘纸，诸如PPLP(注册商标：聚丙烯层压纸，由Sumitomo ElectricIndustries Ltd制造)。第一导电层可以通过围绕定径管的周围绕制而形成。第二和以后的导电层可以通过围绕其各自前面的导体-绝缘层的外围绕制而形成。导体-绝缘层可以通过缠绕半合成绝缘纸，诸如，PPLP(注册商标)，或绝缘纸诸如牛皮纸，使得其绝缘强度可以满足相线与相线之间所需的绝缘要求的方式而形成。与外超导层具有相同结构的电缆屏蔽层可以围绕最外侧的导体-绝缘层的周围而设置。保护层可以围绕电缆屏蔽层的周围而设置。
缆芯通过定径管、上述超导层和导体-绝缘层、且如果需要的化，电缆屏蔽层和保护层以所列举顺序形成。如此制成的缆芯被放置在热绝缘管内从而组成同轴型多相超导电缆。热绝缘管例如具有双管结构，包括内管和外管以及设置在内外管之间的空间内的热绝缘件，该空间是真空的。用于冷却缆芯的制冷剂，诸如液氮，充满内管的内侧。包括诸如聚氯乙稀树脂的抗腐蚀层，可以围绕热绝缘管的周围设置。具有同心布置的超导层的多相超导电缆的横截面积较之传统的一体多芯型多相超导电缆可以减小，并且电缆本身的尺寸也可以减小。另外，优势在于该同轴型多相超导电缆较之一体多芯型超导电缆而言，展现出更小的传输功率损耗。
当超导电缆连接在室温侧时，在电缆端部的超导层必须冷却至低温温度。因此，本发明的终端结构具有制冷剂盒，用于在电缆的端部部分冷却超导层，使得可以维持低温状态。制冷剂盒充满制冷剂，诸如液氮。优选地，具有热保护结构的热绝缘盒围绕制冷剂盒的外围设置。制冷剂盒和热绝缘盒各自优选地由具有优良强度的金属诸如不锈钢组成。
引线被电连接到超导层的端部，使得电力可以在室温侧从每个相线引出。也就是说，电力可以通过引线在低温侧和室温侧之间传输。如果超导层被抽出到外界而没有设置引线，在超导层通过缠绕超导材料构成的导线形成的情况下，充满超导层的制冷剂就会经由超导层泄漏到外界。相反，在本发明的终端结构中，通过设置引线可以防止制冷剂泄漏。引线由导电材料构成。每个引线连接到超导层的一端设置在制冷剂盒内，并且与制冷剂接触。因此，引线可以由即使在制冷剂温度附近仍具有较低电阻的材料构成：例如，当液氮用作制冷剂时，通常导电的金属，诸如铜或铝(在任一情况下，电阻率ρ在77K温度时＝2×10-7Ω·cm)，其即使在液氮的温度附近仍展现出较低的电阻。
如上所述，由于引线由导电材料组成，引线必须彼此绝缘。因此，围绕引线的外围设置有绝缘元件从而实现相线之间的绝缘。引线布置在绝缘元件内使得可以保持相线之间绝缘需要的距离。在三相交流电缆的情况下，例如，带有120°的相位差电流在单个超导层内流过，因此引线具有相差为120°的电势。因此，相对于位于最内侧位置的第一导线层而具有120°相差的电势的第二导电层用作明显屏蔽层。类似的，相对于第二导线层而具有120°相差的电势的第三导电层用作明显屏蔽层。通常，屏蔽层接地。但是，必须为第二导电层和第三导电层提供相对于地的电绝缘，因为它们具有相对于地具有高电势，该高电势是因为大量电流在其中流过导致的。在本发明中，如上所述，通过围绕引线的外围设置绝缘元件，连接在引线上的第二导电层和第三导电层与地电绝缘。这种绝缘元件可以具有实现相线之间绝缘和对地绝缘的任意结构，并且可以由绝缘材料，例如诸如环氧树脂或玻璃纤维强化塑料(FRP)构成。绝缘元件可以单独制备并附着在引线上，或可以与引线整体成形。
在本发明中，绝缘元件也用作制冷剂盒的密封件。这种配置使得不仅可以实现相线之间的绝缘和对地绝缘，而且可以防止制冷剂从制冷剂盒中泄漏出去。例如，可以通过下述方法实现制冷剂盒的密封：制冷剂盒形成管形；制冷剂盒的开口用绝缘元件而密封，该绝缘元件形成为配合到该开口内。
从绝缘元件抽出并放置在外侧的每个引线的另一端可以放置在充满介电流体诸如SF6或绝缘油的陶瓷管绝缘件内，或置于由环氧树脂或类似物构成的管状绝缘件内。
例如，引线可以通过焊料或类似物直接连接在超导层上。在此情况下，如果采用普通焊料(熔点：约190℃)，导体一绝缘层的绝缘特性可能由于热熔化而变差。因此，可以采用低温焊料。特别的是，可以采用其熔点温度低于导体-绝缘层允许的温度限制的焊料。引线可以构建成与超导层的至少一部分连接，或另外，可以构建成与由导电材料构成的衬套连接，该衬套设置成覆盖超导层的外围。优选地采用衬套，特别是对于设置在外侧的超导层，因为超导层的外直径变得很大。衬套电连接在超导层上，该电连接可以采用例如上述具有低熔点的焊料或类似物形成。因为衬套设置在制冷剂盒内并且接触制冷剂，该衬套可以由普通导电材料，诸如铜或铝构成，如引线的情况那样，如此使得衬套在低温温度时仍具有较低的电阻。该衬套优选地具有的形状为可以使其上可以连接尽可能多的超导导线，特别是在超导层由多个超导导线构成的情况下。例如，该衬套可以具有管形，诸如柱状从而使其能覆盖超导层的整个外周围。为了使得该衬套容易围绕超导层的外周围连接，优选地采用这样一种结构，其中通过合并部件成为管形从而形成该衬套。例如，在柱状衬套的情况下，可以构建成具有圆弧形横截面的部件合并形成柱状衬套：特别是具有半圆形横截面的两个相等部件合并而成。为了安装方便，优选地在衬套的壁上形成多个通孔，从外表面向内表面延伸，并且通过经由这些孔流过焊料从而将衬套连接在超导层上。
优选地，热保护结构围绕制冷剂盒的外周围和绝缘元件的外周围(特别是，在从制冷剂盒突出的部分)而设置，从而防止室温侧的热量渗入制冷剂盒侧。例如，可以在制冷剂盒和绝缘元件的外周围设置热绝缘件，并且可以设置热绝缘盒从而覆盖它们的外周围。热绝缘盒的内侧可以抽真空以改善热绝缘特性。
本发明的实施例将参照下述附图而说明。注意附图中的比例不必与说明书中的比例相符合。
图1是示出包括多个同心设置的超导层的多相超导电缆的横截面的示意图，图2是示出根据本发明的多相超导电缆的终端结构的示意图。根据本发明的多相超导电缆的终端结构适合于设置在多相超导电缆1和室温侧之间，并且特别地，多相超导电缆是具有多个同心设置的超导层4的同轴型多相超导电缆，其中具有不同相位的电流从所述超导层流过。如本示例所示的终端结构包括充满制冷剂10a的制冷剂盒10，所述制冷剂用于冷却超导层4的端部，还包括分别与超导层4的端部电连接的引线20，以及围绕引线2的外围布置并且密封制冷剂盒10内的制冷剂10a的绝缘元件30。围绕制冷剂盒10的外围和绝缘元件30的外围设置有热绝缘盒40。在每个引线20的室温侧设置有陶瓷管绝缘件50。单个组成构件将在以下更加详细说明。
多相超导电缆
本示例采用的多相超导电缆，如图1所示为三相超导电缆，包括同轴设置的三个超导层4，通过其内流过三个不同相位的电流，该电缆的缆芯2容纳在热绝缘管101内。热绝缘管101具有双管结构，包括外管101a和内管101b、设置在外和内管之间的空间内的热绝缘件(未示出)，该空间是抽真空的。缆芯2包括定径管3、第一导电层4a、第一导体-绝缘层5a、第二导电层4b、第二导体-绝缘层5b、第三导电层4c、第三导体-绝缘层5c、电缆屏蔽层6以及保护层7，上述各层从中心起以该顺序设置，并且由内管101b和缆芯2限定的空间103用作冷却剂诸如液氮的通道。
导电层4a-4c和电缆屏蔽层6每个由Bi2223基超导带导线(Ag-Mn铠装导线)形成。第一导电层4a、第二导电层4b、第三导电层4c、和电缆屏蔽层6以多层方式分别围绕定径管3、第一导体-绝缘层5a、第二导体-绝缘层5b、第三导体-绝缘层5c的周围螺旋绕制。第一导体-绝缘层5a、第二导体-绝缘层5b、第三导体-绝缘层5c通过采用半合成绝缘纸(PPLP：注册商标：由Sumitomo Electric Industries，Ltd.制造)分别围绕第一导电层4a、第二导电层4b、第三导电层4c的周围绕制而形成。定径管3通过绞合多个绝缘涂覆的铜导线而制成。保护层7通过围绕电缆屏蔽层6的外围绕制牛皮纸而形成。热绝缘管101制备成真空多层热保护结构使得热绝缘件可以设置为层状并且使得作为SUS波纹管的外管101b和内管101a之间可以实现真空。围绕热绝缘管101的周围设置有由聚氯乙稀构成的抗腐蚀层104。
这样的多相超导电缆1较之已知的如图5所示的一体三芯型多相超导电缆而言其具有的优势是横截面积较小且传输功率损失较少。另外，如下所述，在其内完成与室温侧连接的电缆端部的接合结构的尺寸也可以减小。
终端结构
(制冷剂盒)
多相超导电缆1在其端部也必须维持超导状态。因此，多相超导电缆1的端部部分，即与室温侧连接的部分，放置在充满制冷剂10a的制冷剂盒10内。特别的是，缆芯2的端部部分从多相超导电缆1抽出并且被引入制冷剂盒10。在本示例中，制冷剂盒10由不锈钢构成，并且液氮用作制冷剂10a。
(引线)
被引入制冷剂盒10的缆芯2的端部被阶梯状剥开从而暴露单个超导层4，并且由导电材料构成的引线20连接在每个超导层上从而实现与室温侧的电连接。图3(A)是示出超导层和引线之间的固定部分的示意图，图3(B)是引线结构的示意图。本示例中示出的引线为杆状的且由铜构成。每个引线20的一端被引入制冷剂盒10从而被连接到相应的超导层，另一端从制冷剂盒10和热绝缘盒40突出，从而被连接到室温侧的装置或类似物。围绕每个引线的暴露端部设置有陶瓷管绝缘件50。低温侧和室温侧之间的功率传输通过引线20得以实现。
引线20可以直接连接在单个超导层上。在这个示例中，由导电材料构成的衬套21围绕每个超导层的周围设置，并且该引线20与衬套21连接。
(衬套)
在本示例中，分别围绕单个超导层的周围而设置的衬套21a-21c像引线20中的情况一样由铜构成。该衬套设计成其内径R匹配每个超导层的外径的柱状。在本示例中，为了便于固定到超导层上，所用的该衬套具有这样一种结构，其中两个相等的具有半圆形横截面的部件被合并形成柱状衬套。在衬套21的壁上，形成多个通孔22a，该通孔从外表面向内表面延伸。通过在通孔22a内放置焊料，该衬套21与超导层电连接，并且也固定在超导层上。在本示例中，具有低熔点的焊料，特别是采用熔点约79℃(化学组分：Sn：17质量％，Bi：57质量％；In：26质量％)的焊料。该衬套21也设置有固定部件22b，用于与引线20连接。
(连接元件和固定元件)
在本示例中，引线20和衬套21构建成不是直接互相连接，而是通过连接元件23和固定元件24连接。连接元件23和固定元件24每一个由铜构成。连接元件23由编织材料形成。固定元件24是其两端具有孔的块结构。衬套21也设置有固定部件22b，连接元件23连接到该固定部件上。引线20和衬套21以如下方式互相连接。连接元件23的一端插入衬套21的固定部件22b的孔内并实施挤压。另一方面，引线20的一端插入固定部件24的一个孔内并且实施挤压。连接元件23的另一端插入到固定元件24的另一孔内并实施挤压。因此，引线20和衬套21互相连接。因为采用由挠性编织材料形成的连接元件23，引线20和衬套21可以容易地连接，并且即使超导层由于热收缩而移动，该移动也可以被连接元件23的变形而吸收。
(绝缘元件)
围绕引线20的周围设置有绝缘元件30，用于相线之间的绝缘。图4是示出在该绝缘元件内的引线的布置的顶视图。在本示例中，引线20布置成这样，使得可以保持相线绝缘所需的距离。特别的是，如图4所示，引线20布置成这样，使得引线20的中心定位在等边三角形的顶点。
当本示例中的三相电缆用于交流电力传输时，第二导电层相对于第一导电层用作明显屏蔽，第三导电层相对于第二导电层用作明显屏蔽。电缆屏蔽层6相对于第三导电层用作明显屏蔽。电缆屏蔽层6通过如图3(A)所示的制冷剂盒10和热绝缘盒40而接地。但是，第二导电层和第三导电层相对于地具有较高的电势。因此，这些超导层必须与地电绝缘。在本发明中，因为绝缘元件30围绕引线20的周围设置，如上所述，第二导电层和第三导电层通过引线20与地电绝缘。
这样的绝缘元件30由环氧树脂形成。在本示例中，绝缘元件30与三条引线20整体成形。特别的是，绝缘元件30具有柱状，如图3(A)所示，并且凸缘31和32设置在绝缘元件30的两端。凸缘31是用来固定制冷剂盒10的部件，凸缘32是用来固定热绝缘盒40的部件。通过在制冷剂盒10的开口放置凸缘31并利用金属配件诸如螺栓固定绝缘元件30，制冷剂盒10内的制冷剂10a可以得到密封。以此方式，绝缘元件30也用作制冷剂盒10的密封材料。类似的，通过利用金属配件诸如螺栓固定凸缘32和热绝缘盒40(盖子42)，绝缘元件30就固定在热绝缘盒40内。
(热绝缘盒)
为了防止热量从外界进入制冷剂盒10，围绕制冷剂盒10和绝缘元件30的外围设置了热绝缘盒40。在本示例中，热绝缘盒由不锈钢构成，并且具有可分的结构，其包括主体41和可从主体41上拆卸的盖子42。主体41和盖子42之间的边界与绝缘元件30和制冷剂盒10之间的边界处于相同高度。在本示例中，盖子42具有管形，引线20可以从盖子42的一个开口突出。因为具有这样的形状，当为引线20设置的绝缘元件30固定在制冷剂盒10上，接着盖子42被设置成覆盖绝缘元件30时，引线20从盖子42的一个开口突出。为了将盖子42固定在主体41上，在盖子42和主体41的开口设置凸缘，这些凸缘被对齐并且采用金属配件诸如螺栓夹紧。盖子42在引线20突出的一侧通过金属配件诸如螺栓固定在绝缘元件30上。热绝缘件(未示出)围绕制冷剂盒10和绝缘元件30的周围而设置，并且在热绝缘盒40内产生真空从而提高热绝缘特性。
(陶瓷管绝缘件)
围绕从绝缘件30突出的每个引线20的室温部分的外围设置有陶瓷管绝缘件50。上屏蔽件51设置在陶瓷管绝缘件50的开口上。陶瓷管绝缘件50充满诸如绝缘油的介电流体52。虽然在本示例中设置有陶瓷管绝缘件，也可以使用由环氧树脂或类似物构成的管形绝缘件。
在具有如上所述配置的同轴型三相超导电缆的终端结构中，终端接合结构的尺寸相对于一体三芯型终端结构而言可以减小，这是因为不需要分线箱并且三相线与室温侧的连接可以通过一个终端接合箱来实现。
本发明的终端结构最适合用于低温侧和室温侧的连接。该终端结构也可以在采用超导电缆实施电力传输的电力线中与室温侧连接。

Claims (2)

1.一种多相超导电缆的终端结构，包括：
多相超导电缆，其包括多个超导层，用于流过不同相位的电流，所述超导层同心设置并且通过导体-绝缘层彼此分开；
充满制冷剂的制冷剂盒，所述制冷剂用于冷却所述超导层的端部；
与各超导层的端部电连接的引线；和
围绕所述引线的外周设置的绝缘元件，所述绝缘元件密封制冷剂盒内的制冷剂。
2.如权利要求1所述的多相超导电缆的终端结构，其中由导电材料构成的衬套设置成覆盖每个超导层的外围并且与超导层电连接，每个所述引线连接到所述衬套上。
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