CN210349436U - 一种高温超导电缆结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高温超导电缆结构，其从外至内包括：低温恒温器、屏蔽层、至少一层绝缘层和相导体，以及电缆骨架；在所述低温恒温器与屏蔽层之间以及在电缆骨架内均填充有液氮，在所述高温超导电缆里面进一步安装有耐低温测温光纤，所述耐低温测温光纤至少安装在下述三个位置的其中一个：屏蔽层外表面、最外层的绝缘层和最外层的相导体之间、电缆骨架内表面。本实用新型具有使用方便以及结构简单等特点，便于通过低温测温光纤获得高温超导电缆沿线的温度信息。

Description

一种高温超导电缆结构

技术领域

本实用新型涉及输电技术应用领域，具体涉及一种高温超导电缆结构。

背景技术

随着我国经济飞速发展，许多城市用电量逐年上升，城市中心区域的电力负荷激增，输配电容量大幅增加，减少电网损耗和提高电网运行稳定性等问题也随之提出。目前电网系统在输配电环节损耗很大，因此各国都在寻找减少电网损耗方案，其中超导材料是减少电网损耗的最重要方案之一，而高温超导带材的商业化生产促进了超导装置在全世界的广泛研究和应用。而与常规电力电缆相比较，高温超导电缆因为其通流能力强、容量大、结构紧凑、无电磁辐射污染等优势受到广泛关注，目前世界范围内已经有多条高温超导电缆挂网运行。

与常规电力电缆的应用不同的是，高温超导电缆运行环境要求至少要在液氮温度(-196℃)以下，并且其尺寸更小、更紧凑。由此，也就使得高温超导电缆在电网中的大规模应用存在以下两个技术难点：

(1)高温超导电缆运行时，需要从外部将超导电缆冷却到临界温度 (-196℃)以下，否则便无法运行。但在通电时因为超导电缆部分区域的热扰动等原因使超导电缆部分区域从超导态转变为常态时，产生的焦耳热会使超导电缆温度上升，进而促进其周围的常导转变而使常导状态的区域扩大(失超现象)；

(2)高温超导电缆全线运行在液氮之中，因此其结构与常规电力电缆大为不同，其尺寸更小、结构紧凑，导致传统的温度传感器如热电阻、热电阻等无法安装在超导电缆上对其沿线温度进行监测(电缆绝缘性能被破坏及温度传感器测温性能受电磁干扰)。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的缺点，提供一种高温超导电缆结构，在其内部设置有低温测温光纤，具有使用方便以及结构简单等特点。

为了解决上述技术问题，本实用新型的实施例提供一种高温超导电缆结构，其从外至内包括：低温恒温器、屏蔽层、至少一层绝缘层和相导体，以及电缆骨架；在所述低温恒温器与屏蔽层之间以及在电缆骨架内均填充有液氮，其中：

在所述高温超导电缆里面进一步安装有耐低温测温光纤，所述耐低温测温光纤至少安装在下述三个位置的其中一个：屏蔽层外表面、最外层的绝缘层和最外层的相导体之间、电缆骨架内表面。

其中，所述耐低温测温光纤采用石英系的多模光纤，且在光纤包层的周围按照光纤截面为同心圆的方式涂敷包覆材料，或者套设有非金属紧包套管；所述非金属紧包套管为纤维增强复合塑料套管、PBT松套管或芬纶kevlar套管。

其中，所述耐低温光纤采用直线形敷设或S形敷设方式。

其中，所述低温恒温器由带真空夹层的双层不锈钢焊接制成，在所述双层不锈钢的真空夹层中设置有多层绝热材料及活性炭。

其中，所述屏蔽层为铜屏蔽层，其单端或双端接地。

其中，所述绝缘层采用聚丙烯层压纸、芳香聚酰胺纸或聚酰亚胺材料制成。

其中，所述相导体为第二代高温超导带材YBCO，其宽度≥5mm，其厚度要求≈0.3mm，并镀有铜层作为稳定层。

其中，电缆骨架为罩有密致金属网的金属波纹管，其为超导带材排绕的基准支撑物，同时用于液氮流通管道。

其中，所述高温超导电缆为三相独立超导电缆结构、三相平行轴超导电缆结构或三相同轴超导电缆结构。

实施本实用新型实施例，具有如下有益效果：

本实用新型的提供的高温超导电缆，通过预先在超导电缆制作时将光纤安装到超导电缆之中，可以准确地掌握高温超导电缆沿线温度分布，从而便于超导电缆维修检测时的故障排除，缩小故障范围，减少故障处理时间。

本实用新型提供的高温超导电缆结构具有使用方便以及结构简单等特点，根据高温超导电缆结构的不同，可涵盖高、中、低电压等级，其稳定性和可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，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它的附图。

图1为本实用新型提供的一种高温超导电缆的一个实施例的截面示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，为本实用新型提供的一种高温超导电缆的一个实施例的结构示意图。

本实施例中，以三相同轴超导电缆结构进行说明，可以理解的是，本实用新型也可以采用其他两种类型的超导电缆结构。

如图1所示，在本实用新型的实施例中，所述高温超导电缆11其从外至内包括：低温恒温器12、屏蔽层13、至少一层绝缘层和相导体以及电缆骨架16，其中，至少一层绝缘层包括处于最外层的C相绝缘层14，最少一层相导体包括 C相相导体15，接下来依次为B相绝缘层、B相相导体、A相绝缘层、A相相导体；在所述低温恒温器12与屏蔽层13之间以及在电缆骨架16内均填充有液氮17，从而使高温超导电缆11工作在运行温度(-196℃)以下。

在所述高温超导电缆11里面进一步安装有耐低温测温光纤9，所述耐低温测温光纤9至少安装在下述三个位置的其中一个：屏蔽层13外表面、最外层的绝缘层(即C相绝缘层14)和最外层的相导体(即C相相导体15)之间、电缆骨架16内表面。

其中，所述低温恒温器12由带真空夹层的双层不锈钢焊接制成，在所述双层不锈钢的真空夹层中进一步设置有多层绝热材料及活性炭，以保证进出超导电缆11的液氮温度保持不变；

所述屏蔽层13为铜屏蔽层，其单端或双端接地，其主要作用是用于屏蔽电场，本身无电流通过；

所述绝缘层采用聚丙烯层压纸(PPLP)、芳香聚酰胺纸(Nomex)或聚酰亚胺材料制成(PI)，这些材料均为在低温下正常使用的复合型材料；可以理解的是，绝缘层的设计取决于绝缘材料特性、运行电压、电缆尺度等因素。综合考虑电性能、热性能、力性能和工艺难易度等因素，本实施例可以优选PPLP作为低温绝缘材料。

在本实施例中，所述相导体采用第二代高温超导带材YBCO，其宽度≥ 5mm，其厚度要求≈0.3mm，并镀有铜层作为稳定层；可以理解的是，第二代高温超导带材YBCO指在金属基带上外延织构生长的稀土系膜导体(有人称之为稀土系涂层导体)。这种材料是先在镍或镍合金的基带上镀有利于晶构延展的化学稳定层，在高温和特定气氛条件下晶格取向一致地镀上高温超导材料 RBa₂Cu₃O₇(R代表某一稀土元素，最常用是Y系)，然后再镀上银或铜的保护层。目前制作商可以提供4～12mm宽的第二代高温超导带材，其厚度一般在 0.3mm及其以下。

电缆骨架16为罩有密致金属网的金属波纹管，其为超导带材排绕的基准支撑物，同时用于液氮流通管道。

所述耐低温测温光纤9采用石英系的多模光纤，具体地，构成石英系光纤的材质可从纯石英玻璃、掺杂了锗(Ge)的石英玻璃(折射率有所提高)等中适当地进行选择。

可以理解的是，高温超导电缆11中所使用的测温光纤9需要能耐受极低温度(-196℃以下)环境，光信号可在耐低温光纤9中正常传播、且不受除温度以外其他物理因素如应力等的影响；

基于安装光纤后不破坏高温超导电缆11的绝缘性能且尽量不增加安装难度的考虑，耐低温的测温光纤9尺寸要尽可能小、且不能带金属铠装。因此，测温光纤9可采用仅涂敷了聚酰亚胺的裸光纤(强度较低)或非金属紧包套管光纤。所述非金属紧包套管一般为纤维增强复合塑料套管、PBT松套管或芬纶 kevlar套管等，可保护光纤、增加其强度，使其不易被折断。

本实施例中所使用的高温超导电缆11为三相同轴超导电缆结构，其结构紧凑、尺寸较小。因此，所选用的测温光纤9尺寸不易太大，以避免占用过多超导电缆内部空间、且不能影响电缆绝缘性能。在实施例中，选用尺寸较小的仅涂敷了聚酰亚胺的裸光纤或尺寸较小的非金属紧包套管光纤，其在高温超导电缆11内部的安装位置如图1所示。

尺寸很小的仅涂敷了聚酰亚胺材料的裸光纤可安装在C相相导体15和C相绝缘层14之间，以便更直接地检测相导体的温度，但需要注意的是裸光纤强度较低，若直接在超导电缆的制备过程中安装裸光纤，容易在复杂的制备工序中受到破坏而折断(安装难度极大)。为了减低安装难度可考虑使用尺寸较小的非金属紧包套管光纤，其强度较高且对电缆的绝缘性能几乎不造成影响，可将其安装于高温超导电缆11的电缆骨架16上或安装于屏蔽层13和低温恒温器12 之间的间隙中。

实际工程中，可根据具体的测温需求选择光纤安装位置和数量：上述安装位置可同时安装多条测温光纤、也可选择其中一处安装测温光纤。

对于安装于高温超导电缆11内部C相相导体15和C相绝缘层14之间的测温光纤9可采用直线形敷设的方式敷设在C相相导体15上，并随同C相相导体 15一同绕制；对于安装于高温超导电缆11内电缆骨架16或安装于屏蔽层13和低温恒温器12之间的低温测温光纤9可采用S形敷设的方式进行敷设。

可以理解的是，本实用新型中的实施例采用的是三相同轴超导电缆结构进行说明。在实际工程中，还可以采用另外两种结构，即(a)三相独立超导电缆结构和(b)三相平行轴超导电缆结构。其中，三相独立超导电缆是指一根电缆外套内仅含一相导体，为了避免各相之间的电磁干扰，可在中、高电压等级中使用三相独立超导电缆；三相平行轴超导电缆的三相都包含在同一个绝热器和电缆外套内，大大节约了空间，且导体损耗低，不需要屏蔽电磁场用的金属防护层，可在中压等级中使用；而图1中三相同轴超导电缆的三相导体是沿着同一个轴绕制的，更加节约空间，且整根电缆只用一个屏蔽层，也更加节约材料，但这种结构也增加了电气绝缘的难度，仅适用于中低压的电压等级中。

对于其余两种类型的超导电缆，光纤安装位置和方法与本例中所选用的三相同轴高温超导电缆11类似。具体地，对于三相独立超导电缆结构，所述低温测温光纤可以安装在：每一根电缆中绝缘层和相导体之间、电缆骨架内表面。而对于三相平行轴超导电缆结构，其中低温测温光纤可以安装在每一相的绝缘层和相导体之间、电缆骨架内表面。

实施本实用新型实施例，具有如下有益效果：

本实用新型的提供的高温超导电缆，通过预先在超导电缆制作时将光纤安装到超导电缆之中，可以准确地掌握高温超导电缆沿线温度分布，从而便于超导电缆维修检测时的故障排除，缩小故障范围，减少故障处理时间。

本实用新型提供的高温超导电缆结构具有使用方便以及结构简单等特点，根据高温超导电缆结构的不同，可涵盖高、中、低电压等级，其稳定性和可靠性高。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种高温超导电缆结构，其从外至内包括：低温恒温器、屏蔽层、至少一层绝缘层和相导体，以及电缆骨架；在所述低温恒温器与屏蔽层之间以及在电缆骨架内均填充有液氮，其特征在于，

在所述高温超导电缆里面进一步安装有耐低温测温光纤，所述耐低温测温光纤至少安装在下述三个位置的其中一个：屏蔽层外表面、最外层的绝缘层和最外层的相导体之间、电缆骨架内表面。

2.如权利要求1所述的高温超导电缆结构，其特征在于，所述耐低温测温光纤采用石英系的多模光纤，且在光纤包层的周围按照光纤截面为同心圆的方式涂敷包覆材料，或者套设有非金属紧包套管；所述非金属紧包套管为纤维增强复合塑料套管、PBT松套管或芬纶kevlar套管。

3.如权利要求2所述的高温超导电缆结构，其特征在于，所述耐低温光纤采用直线形敷设或S形敷设方式。

4.如权利要求1至3任一项所述的高温超导电缆结构，其特征在于，所述低温恒温器由带真空夹层的双层不锈钢焊接制成，在所述双层不锈钢的真空夹层中设置有多层绝热材料及活性炭。

5.如权利要求4所述的高温超导电缆结构，其特征在于，所述屏蔽层为铜屏蔽层，其单端或双端接地。

6.如权利要求5所述的高温超导电缆结构，其特征在于，所述绝缘层采用聚丙烯层压纸、芳香聚酰胺纸或聚酰亚胺材料制成。

7.如权利要求6所述的高温超导电缆结构，其特征在于，所述相导体为第二代高温超导带材YBCO，其宽度≥5mm，其厚度要求≈0.3mm，并镀有铜层作为稳定层。

8.如权利要求7所述高温超导电缆结构，其特征在于，电缆骨架为罩有密致金属网的金属波纹管，其为超导带材排绕的基准支撑物，同时用于液氮流通管道。

9.如权利要求8所述的高温超导电缆结构，其特征在于，所述高温超导电缆为三相独立超导电缆结构、三相平行轴超导电缆结构或三相同轴超导电缆结构。

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