ES2296272T3 - Estructura de conexion electrica para elemento superconductor. - Google Patents

Abstract

Estructura de conexión eléctrica para elemento superconductor (30) enfriado por un fluido criogénico (31) y conectado a un aislador eléctrico pasante (10, 39), que atraviesa sucesivamente un recinto (12, 45) a temperatura intermedia entre la temperatura ambiente y la temperatura del fluido criogénico y un recinto (15, 48) a temperatura ambiente, desembocando dicho aislador pasante (10, 39) en el exterior del recinto a temperatura ambiente, estando caracterizada dicha estructura porque dicho recinto intermedio (12, 45) está lleno, al menos parcialmente, de un material sólido que tiene una conductividad térmica débil.

Description

Estructura de conexión eléctrica para elemento superconductor.

La presente invención tiene por objeto una estructura de conexión eléctrica para elemento superconductor, tal como un cable que transporta corriente eléctrica a media o alta tensión. Esta estructura permite conectar el extremo del elemento superconductor a temperatura criogénica a un equipo o dispositivo a temperatura ambiente, habitualmente al aire libre.

Debido a la diferencia importante de temperatura entre el elemento superconductor y el equipo a conectar a dicho elemento, por un lado, una temperatura criogénica que puede ser del orden de -200ºC y, por otro lado, la temperatura ambiente, es necesario intercalar una estructura de conexión entre el elemento y el equipo a fin de efectuar la transición de temperatura limitando al máximo las pérdidas térmicas, al mismo tiempo que se respetan las tensiones eléctricas debidas, por ejemplo, a la alta tensión en el caso de un cable. Esta estructura comprende entonces un aislador eléctrico pasante compuesto principalmente por un conductor central rodeado por una funda aislante, para transportar la corriente eléctrica del cable superconductor hasta una conexión de salida a temperatura ambiente. Esta estructura debe efectuar, en una longitud razonable, la transición de temperatura, asegurando al mismo tiempo que las pérdidas por conducción térmica son débiles, de manera que se evite la ebullición del líquido criogénico que enfría el cable y/o de manera que no aumenten los costes de enfriamiento del mismo.

La solución a este problema consiste en proveer a la estructura de conexión de un recinto intermedio adiabático, una cámara o un recinto "amortiguador" por así decirlo, colocado entre la parte a temperatura criogénica y la parte de la estructura de conexión a temperatura ambiente. El aislador eléctrico pasante atraviesa el recinto intermedio. Esta solución se describe, por ejemplo, en la solicitud de patente EP 1283576. Las paredes laterales del recinto intermedio están constituidas por las paredes laterales de un criostato. Las paredes inferior y superior comprenden unas bridas de fijación a través de las que pasa el aislador eléctrico pasante, estando adyacente la pared inferior a la parte a temperatura criogénica y estando adyacente la pared superior a la parte a temperatura ambiente. El recinto intermedio está al vacío o lleno de un gas. Por lo tanto, es imperativo que los pasos del aislador eléctrico pasante a través de las paredes inferior y superior sean estancos, lo que lleva a tener requisitos de realización difíciles y costosos. Por ejemplo, incluso una falta de estanqueidad muy ligera entre la parte a temperatura criogénica y el recinto intermedio (por ejemplo, una fuga del orden de 10^{-8} mbar/l.s) conduce inevitablemente a un cambio de composición del gas o a una degradación del nivel de vacío en el recinto intermedio. Si el fluido criogénico es nitrógeno líquido, una falta de estanqueidad conduce a la presencia de nitrógeno gaseoso en el recinto intermedio, lo que conlleva, por un lado, un consumo suplementario de nitrógeno líquido y, por otro lado, una disminución del aislamiento térmico del recinto intermedio. La sobrepresión en el recinto intermedio resultante de tal fuga tampoco puede ser manejada por las válvulas de seguridad, porque su abertura significaría la destrucción del medio de aislamiento térmico (vacío o gas). Además, no es fácil el mantenimiento in situ, fuera del taller, de dicha estructura de conexión. Por ejemplo, restablecer el vacío o llenar de gas el recinto intermedio in situ necesita equipos especiales y personal formado adecuadamente.

La presente invención aporta una solución a este problema técnico, no utilizando ni gas, ni vacío en el recinto intermedio.

De manera más precisa, la presente invención se refiere a una estructura de conexión eléctrica para elemento superconductor enfriado por un fluido criogénico y conectado a un aislador eléctrico pasante, que atraviesa sucesivamente un recinto a temperatura intermedia entre la temperatura ambiente y la temperatura del fluido criogénico y un recinto a temperatura ambiente, desembocando dicho aislador pasante en el exterior del recinto a temperatura ambiente. Según la invención, dicho recinto intermedio está lleno, al menos parcialmente, de un material sólido que tiene una conductividad térmica débil.

De manera ventajosa, dicho material es con base espuma, como una espuma de poliuretano o una espuma de vidrio celular.

Según el modo de realización preferido, el recinto intermedio forma un criostato provisto de una válvula de seguridad y el recinto a temperatura ambiente está lleno, al menos parcialmente, de un líquido eléctricamente aislante. Las paredes externas del recinto a temperatura ambiente están formadas por un material eléctricamente aislante. Ventajosamente, dicho líquido es aceite.

Según un modo de realización, el aislador eléctrico pasante comprende un conductor central rodeado por una funda eléctricamente aislante, que termina por uno de sus dos extremos en un bulbo que desemboca en el fluido criogénico.

Otras ventajas y características de la invención serán evidentes en el transcurso de la descripción que sigue de un modo de realización de la invención, dado a título de ejemplo no limitativo, con referencia a los dibujos anexos y en los que:

- la figura 1 ilustra esquemáticamente el principio de la invención, y

- la figura 2 muestra en corte longitudinal un modo de realización de la invención.

En la figura 1, la estructura de conexión con un cable superconductor (no representado) comprende un aislador eléctrico pasante 10 conectado al elemento superconductor por su extremo inferior situado en un recinto 11 a temperatura criogénica. Un recinto intermedio 12, adyacente al recinto 11 criogénico, está lleno de un material sólido que tiene una conductividad térmica débil. Este material está, preferiblemente, en forma de espuma, tal como una espuma de poliuretano o una espuma de vidrio celular, por ejemplo, disponible comercialmente con la marca Foamglas. El aislador eléctrico pasante 10 atraviesa la pared inferior del recinto intermedio 12 gracias a una brida de fijación estanca 13 y la pared superior gracias a una brida de fijación estanca 14. El aislador eléctrico pasante 10 se prolonga, saliendo del recinto intermedio 12, en el interior de un recinto 15 a temperatura ambiente que termina en medios 16 de conexión eléctrica del aislador pasante, y, por tanto, del elemento superconductor, a un equipo o dispositivo apropiado. El recinto intermedio se encuentra, por ello, a una temperatura comprendida entre la temperatura del fluido criogénico y la temperatura ambiente. Las paredes 17 y 18, respectivamente, del recinto 11 a temperatura criogénica y del recinto intermedio 12 forman unas paredes de criostato para un buen aislamiento térmico. El recinto intermedio, al ser estanco, está equipado, preferiblemente, con una válvula de seguridad 19 a fin de paliar cualquier sobrepresión que pudiera sobrevenir en caso de fugas al nivel de las bridas 13 y 14.

Se señala que la invención permite resolver el problema de pequeñas fugas al nivel de las bridas 13 y 14. La eficacia del aislamiento térmico se mantiene a un nivel relativamente constante, lo mismo que en el caso de fugas ligeras de las bridas 13 y 14 puesto que no tendrían ningún efecto en la propiedad de aislamiento del material sólido que llena el recinto intermedio.

En la figura 2, que representa en corte longitudinal un modo de realización de la invención, un cable superconductor 30 es enfriado por un fluido criogénico 31, por ejemplo de nitrógeno líquido, contenido en un criostato 33 que tiene una pared externa 34 y una pared interna 35. El nivel de vacío entre estas dos paredes puede ser, por ejemplo, del orden de 10^{-5} mbar. La zona designada por la referencia 36 está a la temperatura criogénica, que para los superconductores llamados "de alta temperatura" es del orden de -200ºC.

El extremo del cable superconductor está conectado por una conexión eléctrica 37 al extremo inferior 38 de un aislador eléctrico pasante 39. Este último está constituido principalmente por un conductor central 40, de aleación de aluminio o de cobre, alrededor del que se ha moldeado una funda eléctricamente aislante 41, realizada, por ejemplo, de epoxi. Esta última termina, por su extremo inferior, en un bulbo 42 que comprende un collarín de fijación 43. Una brida 44 fija de manera estanca el bulbo 42 sobre la pared interna 35 del criostato 33. La superficie externa de la funda aislante está recubierta por una capa 63 de un material eléctricamente conductor, por ejemplo mediante metalización. Al estar conectado este material al potencial eléctrico de tierra y al estar a alta tensión el cable superconductor, el extremo inferior 38 de la funda aislante tiene ventajosamente la forma de un bulbo, de manera que aumenta la línea de fugas entre tierra y alta tensión y evita, de este modo, una ruptura eléctrica al nivel del extremo 38.

Las paredes interna 35 y externa 34 del criostato se prolongan verticalmente para formar las paredes laterales de un recinto intermedio 45. Por lo tanto, este recinto está muy bien aislado térmicamente. El fondo de este recinto intermedio está cerrado de manera estanca por el bulbo 42 y la parte de arriba del recinto por una placa 46 que puede estar realizada en una aleación metálica (por ejemplo, aleación de aluminio o de acero inoxidable). El recinto intermedio está lleno de un material sólido que tiene una conductividad térmica débil. Este material está, preferiblemente, en forma de espuma, tal como una espuma de poliuretano o una espuma de vidrio celular, por ejemplo la espuma de vidrio celular comercializada con la marca Foamglas. Es preferible llenar completamente el recinto intermedio de este material sólido, pero se puede comprender que no se llene más que parcialmente. Para llenar el recinto intermedio, se pueden mecanizar uno o varios bloques de espuma sólida, por ejemplo dos bloques en forma de semiarmazón o un bloque mecanizado con un agujero central que tenga una forma complementaria a la parte del aislador eléctrico pasante 39 situado en el recinto intermedio 45, siendo colocado o colocados a continuación este bloque o bloques en el recinto intermedio. La temperatura de la zona 47 es intermedia entre la temperatura criogénica y la temperatura ambiente.

Por encima del recinto intermedio 45, un recinto 48 a temperatura ambiente está fijado sobre la placa 46. Esta última tiene una buena conductividad térmica, de manera que establece un buen intercambio térmico entre la temperatura ambiente del aire y la parte baja del recinto 48 a temperatura ambiente. El aislador eléctrico pasante 39 atraviesa de manera estanca esta pared superior 46 con la ayuda de una brida de fijación y estanqueidad 49 y desemboca en el exterior del recinto 48 a través de la pared superior 50 de este recinto a temperatura ambiente. La pared lateral de este último está constituida por un aislante eléctrico 51, por ejemplo un epoxi reforzado con fibras de vidrio, designado habitualmente por FRP (abreviatura de "Fiber Reinforced Polymer"). La superficie externa de esta pared comprende una sucesión de aletas 52 de material aislante, por ejemplo de silicona, destinadas a alargar el recorrido de una corriente eventual de fuga que se produzca superficialmente, debido a las impurezas depositadas en esta superficie y aportadas por la contaminación medioambiental y por la lluvia. El recinto 48 a temperatura ambiente está lleno hasta el nivel 53 de un líquido 54 que es buen aislante eléctrico, tal como aceite de silicona. Además de asegurar un buen aislamiento eléctrico del aislador eléctrico pasante 39, el líquido 54 facilita la estabilización térmica del recinto a temperatura ambiente. La zona 55 está, de este modo, a una temperatura próxima a la temperatura ambiente.

Un cono de tensión 56, situado en el recinto 48 a temperatura ambiente, rodea el aislador eléctrico pasante 39 al nivel de la terminación de la capa metalizada 63 y está conectado eléctricamente a la misma, así como a la brida de fijación estanca 49, por mediación de, por ejemplo, un encintado 57 de cintas semiconductoras. La función de este cono de tensión es desplegar o ensanchar las líneas de campo eléctrico al nivel de la terminación de la metalización a fin de evitar una discontinuidad que podría conducir a una ruptura eléctrica. El aislador eléctrico pasante 39 termina en el exterior del recinto 48 a temperatura ambiente gracias a un terminal de conexión 58 para alimentar el cable superconductor de corriente eléctrica a media o alta tensión, o para alimentar un equipo a temperatura ambiente de corriente eléctrica a media o alta tensión desde el cable superconductor 30.

La placa 46 está provista, preferiblemente, de una válvula de seguridad 62 a fin de rebajar una sobrepresión eventual en el recinto intermedio 45 que podría ser debida a una fuga de líquido refrigerante al nivel del collarín 43 y de la brida de fijación 44, pasando entonces el líquido refrigerante en forma gaseosa al recinto intermedio.

El recinto a temperatura ambiente comprende, igualmente, dos válvulas de conexión 59 y 60 que permiten llenarlo de aceite, estando conectada la válvula 58 a un tubo de inmersión 61 de polietileno que permite controlar el nivel de aceite en el recinto.

La estructura de conexión eléctrica que se acaba de describir y que comprende un recinto intermedio lleno, al menos en parte, de un material sólido que es buen aislante térmico permite una buena transición de temperatura entre la parte a temperatura criogénica y la parte a temperatura ambiente, con un flujo térmico limitado en el líquido criogénico y compatible con las condiciones de funcionamiento de la instalación y con un sencillo mantenimiento tanto en el taller como in situ. La altura de la estructura, y, particularmente, la altura del recinto intermedio, se puede adaptar fácilmente a las condiciones de las diferencias de temperatura entre la parte criogénica y la parte a temperatura ambiente y a las condiciones eléctricas, tales como los valores de la tensión y de la intensidad.

El modo de realización descrito se refiere a la conexión de un cable superconductor. Sin embargo, es evidente para el experto en la técnica que la invención se aplica a la conexión de cualquier elemento superconductor, a temperatura criogénica, que se tenga que conectar a un equipo o dispositivo o aparato, a temperatura ambiente.

Claims (10)

1. Estructura de conexión eléctrica para elemento superconductor (30) enfriado por un fluido criogénico (31) y conectado a un aislador eléctrico pasante (10, 39), que atraviesa sucesivamente un recinto (12, 45) a temperatura intermedia entre la temperatura ambiente y la temperatura del fluido criogénico y un recinto (15, 48) a temperatura ambiente, desembocando dicho aislador pasante (10, 39) en el exterior del recinto a temperatura ambiente, estando caracterizada dicha estructura porque dicho recinto intermedio (12, 45) está lleno, al menos parcialmente, de un material sólido que tiene una conductividad térmica débil.

2. Estructura de conexión según la reivindicación 1, caracterizada porque dicho material es con base espuma.

3. Estructura de conexión según la reivindicación 1 o 2, caracterizada porque dicho material es una espuma de vidrio celular o una espuma de poliuretano.

4. Estructura de conexión según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las paredes laterales (18, 34-35) de dicho recinto intermedio (12, 45) están formadas por las paredes de un criostato.

5. Estructura de conexión según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque dicho recinto intermedio (12, 45) está provisto de una válvula de seguridad (19, 62).

6. Estructura de conexión según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque dicho recinto (15, 48) a temperatura ambiente está lleno, al menos parcialmente, de un líquido eléctricamente aislante (54) y porque las paredes externas de dicho recinto están formadas por un material eléctricamente aislante.

7. Estructura de conexión según la reivindicación 6, caracterizada porque dicho líquido (54) es aceite.

8. Estructura de conexión según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque dicho aislador eléctrico pasante (10, 39) comprende un conductor central (40) rodeado por una funda eléctricamente aislante (41), que termina por uno (38) de sus dos extremos en forma de un bulbo (42) que desemboca en dicho fluido criogénico (31).

9. Estructura de conexión según la reivindicación 8, caracterizada porque dicho bulbo (42) comprende una brida de fijación estanca (43) para fijar dicho bulbo en dicho recinto intermedio.

10. Estructura de conexión según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque dicho elemento superconductor es un cable (30).