ES2297818T3 - Penetracion electrica para elemento supraconductor. - Google Patents

Abstract

Penetración eléctrica (39) que permite conectar a temperatura ambiente un elemento supraconductor (30) situado dentro de un recinto a temperatura criogénica (31), atravesando sucesivamente la citada penetración eléctrica un recinto a temperatura intermedia (45) entre las temperaturas ambiente y criogénica y un recinto a temperatura ambiente (48), comprendiendo la citada penetración, al menos, un conductor eléctrico central (40) rodeado de una funda eléctricamente aislante (41), caracterizada porque una pantalla (63), eléctricamente conductora y unida al potencial de tierra, encierra la citada funda aislante (41) en una sección que se extiende desde el extremo (43) de la penetración en contacto con el recinto a temperatura criogénica hasta, al menos, la unión (49) entre el recinto intermedio y el recinto a temperatura ambiente.

Description

Penetración eléctrica para elemento supraconductor.

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

Debido a la importante diferencia de temperatura entre el elemento supraconductor y el equipo que hay que unir al citado elemento, por una parte temperatura criogénica que puede ser del orden de - 200ºC y, por otra, temperatura ambiente, es necesario intercalar una estructura de conexión entre el elemento y el equipo con el fin de efectuar la transición de temperatura limitando al máximo las pérdidas térmicas, respetando al mismo tiempo los requisitos eléctricos, debidos, por ejemplo, a la alta tensión en el caso de un cable. Esta estructura comprende una penetración eléctrica, compuesta, principalmente, por un conductor central rodeado por una funda aislante, para transportar la corriente eléctrica del cable supraconductor 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 a lo largo de la penetración eléctrica sean pequeñas, con el fin de evitar la ebullición del líquido criogénico que enfría el cable. La sección del conductor central no debe ser, por tanto, demasiado grande. Sin embargo, una corriente eléctrica de intensidad importante puede inducir pérdidas térmicas debidas al calentamiento del conductor por efecto Joule y, por tanto, en este caso se tiene interés en aumentar la sección del conductor central. Así pues, se tienen dos imperativos antinómicos.

Otro problema técnico que hay que resolver es controlar la repartición del campo eléctrico creado por la media o alta tensión del conductor central de la penetración eléctrica, con el fin de evitar descargas eléctricas.

La solución conocida al problema de las pérdidas térmicas consiste en dotar a la estructura de conexión de un recinto intermedio adiabático, una cámara o recinto "tampón" en cierto modo, colocada entre la parte a temperatura criogénica y la parte de la estructura de conexión a temperatura ambiente. La penetración eléctrica atraviesa el recinto intermedio. Esta solución está descrita, por ejemplo, en la solicitud de patente EP 1 283 576. Las paredes laterales del recinto intermedio están constituidas por las paredes laterales de un criostato. Las paredes inferior y superior comprenden bridas de fijación a través de las cuales pasa la penetración eléctrica, siendo la pared inferior adyacente a la parte a temperatura criogénica y la pared superior adyacente a la parte a temperatura ambiente. El recinto intermedio está colocado al vacío, o lleno de un gas que asegure un buen aislamiento a la vez térmico y eléctrico. El nivel de vacío o la composición del gas deben elegirse para asegurar este doble aislamiento. La pared externa del recinto intermedio está unida al potencial de tierra.

El inconveniente de esta solución reside en la necesidad de una buena estanqueidad del recinto intermedio y, especialmente de los pasos de la penetración eléctrica a través de las paredes inferior y superior, lo que conduce a exigencias de realización difíciles y costosas. Por ejemplo, incluso una muy ligera falta de estanqueidad 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 implica, por una parte, un consumo suplementario de nitrógeno líquido y, por otra, una disminución del aislamiento térmico y eléctrico del recinto intermedio. Además, la sobrepresión en el recinto intermedio resultante de una fuga de este tipo no puede ser gestionada por válvulas de seguridad porque su apertura significaría la destrucción del medio de aislamiento térmico y dieléctrico (vacío o gas).

La presente invención aporta una solución a este problema técnico, especialmente mejorando la estructura de la penetración eléctrica.

De modo más preciso, la presente invención se refiere a una penetración eléctrica que permite conectar a temperatura ambiente un elemento supraconductor situado dentro de un recinto a temperatura criogénica, atravesando sucesivamente la penetración eléctrica un recinto a temperatura intermedia entre las temperaturas ambiente y criogénica y un recinto a temperatura ambiente, comprendiendo la penetración al menos un conductor eléctrico central rodeado de una funda eléctricamente aislante. De acuerdo con la invención, una pantalla eléctricamente conductora y unida al potencial de tierra, encierra la citada funda aislante en una sección que se extiende desde el extremo de la penetración en contacto con el recinto a temperatura criogénica hasta, al menos, la unión entre el recinto intermedio y el recinto a temperatura ambiente.

De acuerdo con un modo de realización, la pantalla está constituida por una capa metálica adherente a la pared externa de la funda aislante de la citada sección, por ejemplo una capa de cinc o una capa de pintura plateada.

De modo ventajoso, la penetración eléctrica comprende medios de desviación de campo eléctrico. Por ejemplo, el extremo de la funda aislante de la citada sección adyacente al recinto criogénico puede tener una forma acampanada, la cual es recubierta por la pantalla eléctricamente conductora. Esta forma acampanada puede ser la forma de la parte superior de un bulbo que constituye el extremo de la funda aislante de la citada sección adyacente al recinto criogénico. Además, el extremo de la funda aislante de la citada sección situado en la cámara a temperatura ambiente puede comprender, ventajosamente, un cono de tensión.

Preferentemente, los coeficientes de expansión térmica de los materiales que constituyen el conductor central y la funda aislante se eligen aproximadamente idénticos, de modo que estos materiales sean compatibles con la temperatura criogénica y la temperatura ambiente. Por ejemplo, la funda aislante puede estar realizada de epoxy y el conductor central de una aleación de aluminio.

La sección de la parte del conductor central situada en el lado del recinto criogénico es, ventajosamente, más pequeña, en una longitud determinada, que la sección de la parte del conductor central situada en el recinto a temperatura ambiente.

El recinto intermedio está, ventajosamente, lleno, al menos parcialmente, de un material sólido de baja conductividad térmica, por ejemplo, a base de espuma, como una espuma de vidrio celular o una espuma de poliuretano.

Otras ventajas y características de la invención se pondrán de manifiesto en el transcurso de la descripción que sigue de un modo de realización de la invención, dado a título de ejemplo no limitativo, refiriéndose a los dibujos anejos, en los cuales:

- la figura 1 ilustra esquemáticamente 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 a un cable supraconductor (no representado) comprende una penetración eléctrica 10 conectada al elemento supraconductor por su extremo inferior situado dentro de un recinto 11 a temperatura criogénica. Un recinto intermedio 12, adyacente al recinto criogénico 11, está lleno, preferentemente, de un material sólido de baja conductividad térmica. Este material puede ser en forma de espuma, tal como una espuma de poliuretano o una espuma de vidrio celular, por ejemplo disponible comercialmente con la marca Foamglas. La penetración eléctrica 10 atraviesa la pared inferior del recinto intermedio 12 a través de una brida de fijación 13 y la pared superior a través de una brida de fijación estanca 14. La penetración eléctrica 10 se prolonga, saliendo del recinto intermedio 12, al interior de un recinto a temperatura ambiente 15 que termina en medios 16 de conexión eléctrica de la penetración y, por tanto, del elemento supraconductor, a un equipo o dispositivo apropiado. El recinto intermedio se encuentra, por tanto, 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 paredes de criostato para un buen aislamiento térmico. El recinto intermedio, que es estanco, está equipado, preferentemente, de una válvula de seguridad (no representada) con el fin de paliar cualquier sobrepresión que pudiera sobrevenir en caso de fuga a nivel de las bridas 13 y 14.

La penetración eléctrica 10 se compone de un conductor central 19 rodeado de una funda aislante 20. De acuerdo con la invención, una pantalla eléctricamente conductora 21, preferentemente metálica, encierra la funda aislante al menos en una sección de la funda, es decir, en una cierta longitud. Esta pantalla está realizada, ventajosamente, por metalización de la funda aislante sobre la citada sección, la cual se extiende desde la parte del recinto intermedio en contacto con la temperatura criogénica hasta, al menos, una brida 14, es decir, la unión entre el recinto intermedio 12 con el recinto a temperatura ambiente 15. La pantalla está conectada eléctricamente al potencial de tierra. Ésta tiene la función de confinar el campo eléctrico a lo largo del conductor en la penetración eléctrica únicamente y, de modo más preciso, entre el conductor central y la pantalla.

Se observa que el problema de una pequeña fuga a nivel de las bridas 13 y 14 queda prácticamente eliminado cuando un material sólido, y no un gas o el vacío, llena el recinto intermedio 12. La eficacia de aislamiento térmico se mantiene a un nivel relativamente constante, incluso en el caso de una ligera fuga de las bridas 13 y 14, puesto que ésta no tendría ningún efecto sobre 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 supraconductor 30 es enfriado por un fluido criogénico 31, por ejemplo 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, lo que, para los supraconductores denominados de "alta temperatura", es del orden de - 200ºC.

El extremo del cable supraconductor está unido por una conexión eléctrica 37 al extremo inferior 38 de una penetración eléctrica 39. Esta última está constituida, principalmente, por un conductor central 40, de aleación de aluminio o de cobre, alrededor del cual ha sido moldeada una funda eléctricamente aislante 41, realizada, por ejemplo de epoxy. Esta última termina en su extremo inferior en un bulbo 42 que comprende un collarín de fijación 43. La parte del bulbo situada por encima del collarín 43 tiene una forma acampanada, estando la parte más acampanada a nivel del collarín. Una brida 44 fija de modo estanco el bulbo 42 a la pared interna 35 del criostato.

Las paredes interna 35 y externa 34 del criostato se prolongan verticalmente para formar las paredes laterales de un recinto intermedio 45. Este recinto está, por tanto, bien aislado térmicamente. El fondo de este recinto intermedio está cerrado de modo estanco por el bulbo 42 y la parte superior del recinto por un plato 46 que puede estar realizado de aleación metálica (por ejemplo, aleación de aluminio o de acero inoxidable). La temperatura de la zona 47 es intermedia entre la temperatura criogénica y la temperatura ambiente.

La pared externa de una sección de la funda aislante está recubierta por una capa 63 de un material eléctricamente conductor, por ejemplo por metalización. El metal depositado en esta pared externa puede ser, por ejemplo, cinc, pulverizado sobre esta pared externa. Alternativamente, esta pared puede ser hecha eléctricamente conductora recubriéndola de una capa de pintura conductora, tal como pintura plateada. La sección de la funda aislante recubierta por la capa metálica 63 se extiende desde el collarín 43 del bulbo 42 hasta una brida de fijación y de estanqueidad 49 del plato superior 46 que cierra la parte superior del recinto intermedio 45. La capa metálica 63 está unida eléctricamente al potencial de tierra. Ésta, por tanto, forma una pantalla eléctrica que tiene por efecto canalizar las líneas de campo eléctrico entre el conductor central 40 y la capa metálica 63. Estando unida esta última al potencial eléctrico de tierra y estando el cable supraconductor a alta tensión, el extremo inferior 38 de la funda aislante y, por tanto, de la capa metálica 63, tiene, ventajosamente, una forma acampanada, tal como la parte del bulbo 42 situada por encima del collarín 43, con el fin de aumentar la línea de fuga entre tierra y alta tensión y evitar, así, una descarga eléctrica a nivel del extremo 38. En lugar de una capa conductora 63 depositada sobre la pared externa del aislante del cable, lo que constituye la forma de realización preferida, podría utilizarse un tubo cilíndrico metálico que encierre la pared externa de la funda aislante 41 y que tenga una forma acampanada en su extremo próximo al bulbo 42. Este tubo estaría, como la capa conductora 63, unido al potencial de tierra.

Se observa que la temperatura del conductor central 40 en la zona 47 varía desde la temperatura criogénica a nivel del bulbo 42 hasta la temperatura ambiente a nivel del plato superior 46. Disminuyendo la resistividad del conductor central 40 cuando su temperatura disminuye, es ventajoso disminuir la sección del conductor central para las bajas temperaturas con el fin de limitar el flujo térmico, a lo largo del conductor, entre la parte a temperatura ambiente y la parte a temperatura criogénica, conservando al mismo tiempo un bajo nivel de pérdidas térmicas por efecto Joule. Así, en la figura 2, la sección del conductor central 40 es más pequeña a nivel del bulbo 42 que a nivel de la parte superior de la cámara intermedia 45. En teoría, la sección del conductor debería ir aumentando progresivamente desde la conexión 37 con el elemento supraconductor hasta el plato superior 46 a temperatura ambiente. Sin embargo, siendo costosa la realización de una porción de conductor de este tipo, basta con realizar esta variación de sección en una pequeña longitud, como ilustra la figura 2.

El recinto intermedio está lleno, preferentemente, de un material sólido de baja conductividad térmica. Este material está, ventajosamente, en forma de espuma, tal como una espuma de poliuretano o un espuma de vidrio celular, tal como, por ejemplo, la espuma de vidrio celular comercializada con la marca Foamglas. Es preferible llenar completamente el recinto intermedio de este material sólido, pero puede concebirse llenarlo solo parcialmente. Para llenar el recinto intermedio, pueden mecanizarse uno o varios bloques de espuma sólida, por ejemplo dos bloques con forma de semienvuelta o un bloque mecanizado con un agujero central que tenga una forma complementaria de la parte de la penetración eléctrica 39 situada dentro del recinto intermedio 45, siendo colocados después este o estos bloques dentro del recinto intermedio.

Por encima del recinto intermedio 45, un recinto a temperatura ambiente 48 está fijado al plato 46. Este último tiene una buena conductividad térmica con el fin de establecer un buen intercambio térmico entre la temperatura ambiente del aire y la base del recinto a temperatura ambiente 48. La penetración eléctrica 39 atraviesa de modo estanco esta pared superior 46 con la ayuda de una brida de fijación y de estanqueidad 49 y desemboca al 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 una epoxy reforzada por fibras de vidrio, designada habitualmente 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 eventual corriente de fuga en superficie, debido a impurezas depositadas en esta superficie y aportadas por la contaminación ambiente y por la lluvia. El recinto 48 a temperatura ambiente está lleno hasta el nivel 53 de un líquido 54 buen aislante eléctrico, tal como el aceite de silicona. El líquido 54, además de asegurar un buen aislamiento eléctrico de la penetración eléctrica 39, facilita la estabilización térmica del recinto a temperatura ambiente. La zona 55 está, así a una temperatura próxima a la temperatura ambiente.

Un cono de tensión 56, situado dentro del recinto 48 a temperatura ambiente, rodea la penetración eléctrica 39 a nivel del final de la capa metalizada 63. La parte conductora del cono de tensión está unida eléctricamente a la capa metalizada 63 así como a la brida de fijación estanca 49 eléctricamente conductora, por intermedio, por ejemplo, de un encintado 57 de cintas semiconductoras. La capa metálica 63 puede detenerse a nivel de la brida de fijación 49 o prolongarse directamente hasta la parte conductora del cono de tensión 56, siendo lo esencial tener una buena continuidad eléctrica entre la capa metálica 63 y la parte conductora del cono de tensión. La función de este cono de tensión es desviar o acampanar las líneas de campo eléctrico a nivel del final de la metalización con el fin de evitar una discontinuidad que pudiera conducir a una descarga eléctrica. La penetración eléctrica 39 termina al exterior del recinto a temperatura ambiente 48 en un borne de conexión 58 para alimentar el cable supraconductor de corriente eléctrica a media o alta tensión o para alimentar un equipo a temperatura ambiente de corriente eléctrica a media o alta tensión procedente del cable supraconductor 30.

El plato 46 está provisto, preferentemente, de una válvula de seguridad 62 con el fin de evacuar una eventual sobrepresión en el recinto intermedio 45 que podría ser debida a una fuga de líquido refrigerante a nivel del collarín 43 y de la brida de fijación 44, pasando entonces el líquido refrigerante en forma gaseosa al recinto inter-
medio.

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El recinto a temperatura ambiente comprende, igualmente, dos válvulas de conexión 59 y 60 que permiten el llenado del aceite, estando la válvula 59 unida a un tubo sumergido 61 de poliuretano que permite controlar el nivel de aceite dentro del recinto.

Estando confinado el campo eléctrico entre el conductor central 40 y la capa conductora 63 y siendo desviado en los dos extremos de la capa conductora 63, por una parte, por la forma acampanada debida a la forma del bulbo 42 y, por otra, por el cono de tensión 56, no es necesario que el recinto intermedio esté colocado al vacío o lleno de un material eléctricamente aislante (por ejemplo gas).

La estructura de conexión eléctrica que acaba de describirse y que comprende un recinto intermedio ventajosamente lleno de un material sólido y 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 entretenimiento fácil en taller y en propio el lugar. La altura de la estructura y, especialmente, la altura del recinto intermedio, puede ser adaptada fácilmente a las condiciones de diferencia de temperatura entre la parte criogénica y la parte ambiente y a las condiciones eléctricas tales como los valores de la tensión y de la corriente.

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

Claims (14)

1. Penetración eléctrica (39) que permite conectar a temperatura ambiente un elemento supraconductor (30) situado dentro de un recinto a temperatura criogénica (31), atravesando sucesivamente la citada penetración eléctrica un recinto a temperatura intermedia (45) entre las temperaturas ambiente y criogénica y un recinto a temperatura ambiente (48), comprendiendo la citada penetración, al menos, un conductor eléctrico central (40) rodeado de una funda eléctricamente aislante (41), caracterizada porque una pantalla (63), eléctricamente conductora y unida al potencial de tierra, encierra la citada funda aislante (41) en una sección que se extiende desde el extremo (43) de la penetración en contacto con el recinto a temperatura criogénica hasta, al menos, la unión (49) entre el recinto intermedio y el recinto a temperatura ambiente.

2. Penetración eléctrica de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizada porque la citada pantalla está constituida por una capa metálica (63) que se adhiere a la pared externa de la funda aislante (41) de la citada sección.

3. Penetración eléctrica de acuerdo con la reivindicación 2 caracterizada porque la citada capa metálica (63) está formada por una capa de cinc depositada sobre la pared externa de la funda aislante (41) de la citada sección.

4. Penetración eléctrica de acuerdo con la reivindicación 2 caracterizada porque la citada capa metálica (63) está formada por una pintura plateada.

5. Penetración eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes caracterizada porque la funda aislante (41) comprende, al menos en uno de los dos extremos de la citada sección, medios (42, 56) de desviación del campo eléctrico.

6. Penetración eléctrica de acuerdo con la reivindicación 5 caracterizada porque el extremo (42) de la funda aislante de la citada sección adyacente al recinto criogénico tiene una forma acampanada, la cual está recubierta por la citada pantalla metálica.

7. Penetración eléctrica de acuerdo con la reivindicación 6 caracterizada porque el extremo de la funda aislante de la citada sección adyacente al recinto criogénico tiene una forma de bulbo (42) colocado entre el recinto criogénico (31) y el recinto intermedio (45), teniendo la parte del bulbo situada dentro del recinto intermedio la citada forma acampanada.

8. Penetración eléctrica de acuerdo con la reivindicación 5 caracterizada porque la pantalla (63) se extiende hasta el recinto a temperatura ambiente (48) y porque un cono de tensión (56) está fijado alrededor de la citada funda aislante (41) y unido eléctricamente al extremo de la pantalla situado en la cámara a temperatura ambiente.

9. Penetración eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes caracterizada porque los coeficientes de expansión térmica de los materiales que constituyen el conductor central (40) y la funda aislante (41) son aproximadamente idénticos, de modo que los citados materiales sean compatibles con las temperaturas criogénica y ambiente.

10. Penetración eléctrica de acuerdo con la reivindicación 9 caracterizada porque la funda aislante (41) está realizada de epoxy y el conductor central (40) de una aleación de aluminio.

11. Penetración eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes caracterizada porque la sección de la parte del conductor central (40) situada en el lado del recinto criogénico es más pequeña, en una longitud determinada, que la sección de la parte del conductor central situada dentro del recinto a temperatura ambiente.

12. Penetración eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes caracterizada porque el recinto intermedio (45) está lleno, al menos parcialmente, de un material sólido de baja conductividad térmica.

13. Penetración eléctrica de acuerdo con la reivindicación 12 caracterizada porque el citado material es a base de espuma.

14. Penetración eléctrica de acuerdo con la reivindicación 12 caracterizada porque el citado material es una espuma de vidrio celular o una espuma de poliuretano.