RU116266U1

RU116266U1 - HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTING POWER CABLE CURRENT

Info

Publication number: RU116266U1
Application number: RU2011151771/07U
Authority: RU
Inventors: Валерий Петрович Фирсов; Александр Владимирович Карпышев; Илья Владимирович Антюхов; Алексей Анатольевич Горелов; Олег Дмитриевич Никитин; Анатолий Николаевич Курочкин; Виталий Сергеевич Высоцкий; Юрий Гевондович Шакарян
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2012-05-20

Abstract

1. Токоввод высокотемпературного сверхпроводящего силового кабеля, содержащий высоковольтный изолятор, токонесущий элемент, вертикально установленный в герметичной камере высоковольтного изолятора, криостат, контакт подключения токонесущего элемента к сетевому кабелю, контакт подключения токонесущего элемента к высокотемпературному сверхпроводящему силовому кабелю, расположенный в полости криостата, отличающийся тем, что включает в свой состав, по меньшей мере, один диэлектрический тепловой экран, образующий с поверхностью токонесущего элемента кольцеобразный капиллярный канал, и диэлектрические перегородки, горизонтально установленные в камере высоковольтного изолятора и образующие криволинейный проточный канал вдоль токонесущего элемента. ! 2. Токоввод по п.1, отличающийся тем, расстояние между близлежащими поверхностями диэлектрических перегородок вдоль токонесущего элемента выбрано в диапазоне от 3 до 7 мм. ! 3. Токоввод по п.1, отличающийся тем, что между торцевыми частями перегородок и поверхностью токонесущего элемента образован кольцеобразный зазор. ! 4. Токоввод по п.3, отличающийся тем, что величина кольцеобразного зазора составляет от 3 до 4 мм. ! 5. Токоввод по п.1, отличающийся тем, что между торцевыми частями перегородок и внутренней поверхностью камеры высоковольтного изолятора образован кольцеобразный зазор. ! 6. Токоввод по п.5, отличающийся тем, что величина кольцеобразного зазора составляет от 4 до 14 мм. ! 7. Токоввод по п.1, отличающийся тем, что диэлектрические перегородки выполнены из капролона. ! 8. Токоввод по п.1, отличающийся тем, что диэлектрический тепловой экран выполнен в виде вт 1. Current lead of a high-temperature superconducting power cable containing a high-voltage insulator, a current-carrying element vertically installed in a sealed chamber of a high-voltage insulator, a cryostat, a contact for connecting a current-carrying element to a network cable, a contact for connecting a current-carrying element to a high-temperature superconducting power cable, located in the cryostat cavity, , which includes at least one dielectric heat shield, forming an annular capillary channel with the surface of the current-carrying element, and dielectric partitions horizontally installed in the high-voltage insulator chamber and forming a curved flow channel along the current-carrying element. ! 2. Current lead according to claim 1, characterized in that the distance between the adjacent surfaces of the dielectric partitions along the current-carrying element is selected in the range from 3 to 7 mm. ! 3. Current lead according to claim 1, characterized in that an annular gap is formed between the end parts of the partitions and the surface of the current-carrying element. ! 4. Current lead according to claim 3, characterized in that the size of the annular gap is from 3 to 4 mm. ! 5. A current lead according to claim 1, characterized in that an annular gap is formed between the end parts of the partitions and the inner surface of the chamber of the high-voltage insulator. ! 6. Current lead according to claim 5, characterized in that the size of the annular gap is from 4 to 14 mm. ! 7. Current lead according to claim 1, characterized in that the dielectric partitions are made of caprolon. ! 8. Current lead according to claim 1, characterized in that the dielectric heat shield is made in the form of a

Description

Полезная модель относится к криогенной технике, а именно к сверхпроводящим проводникам, и может быть использована в конструкции высокотемпературных сверхпроводящих силовых кабелей.The utility model relates to cryogenic technology, namely to superconducting conductors, and can be used in the construction of high-temperature superconducting power cables.

Известны различные модификации токовводов, применяемых в составе высокотемпературных сверхпроводящих силовых кабелей для соединения низкотемпературных элементов конструкции сверхпроводящих силовых кабелей с промышленными силовыми кабелями и высоковольтным оборудованием, работающим при нормальных температурных условиях. Так, например, в российском патенте RU 97206 (МПК H01B 12/16, опубликован 27.08.2010) описан токовввод сверхпроводящего кабеля. Устройство содержит сверхпроводящий кабель, силовой токонесущий элемент, токонесущий вывод экрана, высоковольтный изолятор и криостат с криогенными интерфейсами. Для сокращения тепловых потерь устройство снабжено азотным каналом, в котором размещены выводы экрана и соединение выводов экрана.There are various modifications of current leads used in the composition of high-temperature superconducting power cables for connecting low-temperature structural elements of superconducting power cables with industrial power cables and high-voltage equipment operating under normal temperature conditions. So, for example, in the Russian patent RU 97206 (IPC H01B 12/16, published August 27, 2010), the current input of a superconducting cable is described. The device contains a superconducting cable, a power current-carrying element, a current-carrying screen output, a high-voltage insulator and a cryostat with cryogenic interfaces. To reduce heat loss, the device is equipped with a nitrogen channel in which the screen leads and the connection of the screen leads are placed.

В патенте Великобритании GB 1402300 (МПК H02G 15/08, опубликован 03.08.1975) представлена конструкция токоввода сверхпроводящего силового кабеля. Сверхпроводящий кабель непосредственно состыкован с силовым токонесущим элементом. Хладоагент заполняет внутреннее пространство коаксиального кабеля. При этом противоположная по отношению к области контакта торцевая часть токонесущего элемента находится при нормальной температуре окружающей среды. С целью снижения тепловых потерь, возникающих за счет высокой теплопроводности металлического токонесущего элемента, применяются теплообменники, которые контактируют с внешней поверхностью токонесущего элемента. Через теплообменники прокачиваются хладоагенты, имеющие различную температуру, с целью создания заданного градиента температур вдоль токонесущего элемента. Подводящие к теплообменникам трубопроводы выполнены в форме спирали, образующей коническую поверхность. Спиралеобразные трубопроводы служат в качестве тепловых экранов в полости, образованной высоковольтным изолятором.British patent GB 1402300 (IPC H02G 15/08, published 03/08/1975) presents the design of the current lead of a superconducting power cable. The superconducting cable is directly connected to the power current-carrying element. The refrigerant fills the interior of the coaxial cable. In this case, the end part of the current-carrying element, which is opposite with respect to the contact region, is at normal ambient temperature. In order to reduce the heat loss due to the high thermal conductivity of the metal current-carrying element, heat exchangers are used that are in contact with the outer surface of the current-carrying element. Refrigerants having different temperatures are pumped through heat exchangers in order to create a predetermined temperature gradient along the current-carrying element. The pipelines leading to the heat exchangers are made in the form of a spiral forming a conical surface. Spiral-shaped pipelines serve as heat shields in a cavity formed by a high-voltage insulator.

Наиболее близким аналогом полезной модели является токоввод высокотемпературного сверхпроводящего силового кабеля, конструкция которого описана в патенте США US 6936771 (МПК Н01 В12/00, опубликован 30.08.2005). Известный токоввод содержит внешний силовой токонесущий элемент, который находится при температуре окружающей среды. Внешний токонесущий элемент соединен с внутренним токонесущим элементом, установленным в герметичной полости высоковольтного электрического изолятора. Сверхпроводящий кабель помещен в охлаждаемый жидким азотом криостат, который снабжен криогенными интерфейсами для соединения с кабелем и с источником жидкого азота.The closest analogue of the utility model is the current lead of a high-temperature superconducting power cable, the design of which is described in US patent US 6936771 (IPC H01 B12 / 00, published 30.08.2005). Known current lead contains an external power current-carrying element, which is at ambient temperature. An external current-carrying element is connected to an internal current-carrying element installed in a sealed cavity of a high-voltage electrical insulator. The superconducting cable is placed in a liquid nitrogen-cooled cryostat, which is equipped with cryogenic interfaces for connecting to the cable and to a source of liquid nitrogen.

Внутренний и внешний проводники сверхпроводящего кабеля раздельно соединены с токонесущими элементами в теплой зоне, находящейся при температуре окружающей среды. Выводы проводников кабеля имеют три последовательно расположенные зоны: низкотемпературную зону, охлаждаемую жидким азотом, промежуточную зону и теплую зону, в которой размещены контакты с токонесущими элементами. При этом первая зона, заполненная жидким азотом, сообщена через капиллярный канал с теплой зоной. Вследствие этого обеспечивается подача газообразного азота в область размещения электрических контактов с целью создания требуемого градиента температур между выводами проводников сверхпроводящего кабеля и силовыми токонесущими элементами.The inner and outer conductors of the superconducting cable are separately connected to current-carrying elements in a warm zone at ambient temperature. The leads of the cable conductors have three consecutive zones: a low-temperature zone cooled by liquid nitrogen, an intermediate zone and a warm zone in which contacts with current-carrying elements are placed. In this case, the first zone filled with liquid nitrogen is communicated through the capillary channel with a warm zone. As a result of this, gaseous nitrogen is supplied to the area of electrical contacts in order to create the required temperature gradient between the terminals of the conductors of the superconducting cable and power current-carrying elements.

Однако данное техническое решение не позволяет исключить или существенно снизить тепловые потери через силовые токонесущие элементы, расположенные внутри герметичных высоковольтных изоляторов, и через камеры, в которых установлены токонесущие элементы. Тепловые потери обусловлены, в первую очередь, высокой теплопроводностью металлических токонесущих элементов, установленных в теплой зоне устройства. В камере изолятора образуется газообразный азот, поступающий в камеру через капиллярные каналы сверхпроводящего кабеля. При этом в области пространства, прилегающей к поверхности токонесущего элемента, происходит естественная конвекция газообразного азота. В результате этого интенсифицируется теплообмен между низкотемпературной зоной сверхпроводящего кабеля и внешним токонесущим элементом, находящимся при температуре окружающей среды. Вследствие данных процессов возникает дополнительный теплоприток в низкотемпературную зону устройства.However, this technical solution does not allow to exclude or significantly reduce heat losses through power current-carrying elements located inside sealed high-voltage insulators, and through chambers in which current-carrying elements are installed. Heat losses are caused, first of all, by the high thermal conductivity of metal current-carrying elements installed in the warm zone of the device. Nitrogen gas is formed in the insulator chamber and enters the chamber through the capillary channels of the superconducting cable. Moreover, in the area of space adjacent to the surface of the current-carrying element, there is a natural convection of gaseous nitrogen. As a result, heat transfer between the low-temperature zone of the superconducting cable and the external current-carrying element at ambient temperature is intensified. As a result of these processes, additional heat gain into the low-temperature zone of the device occurs.

Полезная модель направлена на создание условий, при которых существенно снижается конвективный теплообмен вдоль поверхности металлического токонесущего элемента в направлении от верхнего фланца корпуса камеры изолятора, на котором установлена шина подключения к промышленной силовой электрической сети, к низкотемпературной зоне устройства, расположенной в полости криостата, которая заполнена жидким хладоагентом. Решение данной технической задачи обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении энергетической эффективности токоввода и высокотемпературного сверхпроводящего кабеля за счет снижения теплообмена между низкотемпературной зоной устройства, охлаждаемой жидким хладоагентом, и теплой зоной устройства, в которой происходит нагрев токонесущего элемента и интенсивный теплообмен с окружающей средой.The utility model is aimed at creating conditions under which convective heat transfer along the surface of a metal current-carrying element is substantially reduced in the direction from the upper flange of the insulator chamber housing, on which the bus for connecting to an industrial power electric network is installed, to the low-temperature zone of the device located in the cryostat cavity, which is filled liquid refrigerant. The solution to this technical problem ensures the achievement of a technical result, which consists in increasing the energy efficiency of the current lead and high-temperature superconducting cable by reducing heat transfer between the low-temperature zone of the device, cooled by a liquid refrigerant, and the warm zone of the device, in which the current-carrying element is heated and intense heat exchange with the environment.

Данный технический результат достигается с помощью токоввода высокотемпературного сверхпроводящего силового кабеля, который включает в свой состав высоковольтный изолятор, токонесущий элемент, вертикально установленный в герметичной камере высоковольтного изолятора, криостат, контакт подключения токонесущего элемента к сетевому кабелю и контакт подключения токонесущего элемента к высокотемпературному сверхпроводящему силовому кабелю. При этом последний контакт расположен в полости криостата, заполненной жидким хладоагентом.This technical result is achieved using the current lead of a high-temperature superconducting power cable, which includes a high-voltage insulator, a current-carrying element vertically mounted in a sealed chamber of a high-voltage insulator, a cryostat, a contact connecting a current-carrying element to a network cable, and a contact connecting a current-carrying element to a high-temperature superconducting power cable . In this case, the last contact is located in the cavity of the cryostat filled with a liquid refrigerant.

Согласно разработанному техническому решению токоввод включает в свой состав диэлектрический тепловой экран, образующий с поверхностью токонесущего элемента кольцеобразный капиллярный канал. Данный канал соединяет полость криостата, заполненную жидким хладоагентом, с герметичной камерой высоковольтного изолятора. Кроме того, токоввод содержит диэлектрические перегородки, горизонтально установленные в камере высоковольтного изолятора и образующие криволинейный проточный канал вдоль токонесущего элемента.According to the developed technical solution, the current lead includes a dielectric heat shield, which forms an annular capillary channel with the surface of the current-carrying element. This channel connects the cavity of the cryostat filled with a liquid refrigerant with a sealed chamber of the high-voltage insulator. In addition, the current lead contains dielectric partitions horizontally mounted in the chamber of the high-voltage insulator and forming a curved flow channel along the current-carrying element.

Использование токоввода, в котором образован капиллярный канал между токонесущим элементом и диэлектрическим экраном, отделяющим полость криостата, заполненную жидким хладоагентом, от газовой полости в камере высоковольтного изолятора, а также криволинейного канала вдоль токонесущего элемента для создания органиации движения газообразного хладоагента, позволяет существенно снизить тепловые потоки, поступающие из окружающей среды в криостат.The use of a current lead in which a capillary channel is formed between the current-carrying element and the dielectric screen separating the cryostat cavity filled with liquid refrigerant from the gas cavity in the chamber of the high-voltage insulator, as well as the curved channel along the current-carrying element to create the organization of movement of the gaseous refrigerant, can significantly reduce heat fluxes coming from the environment into a cryostat.

Следует отметить, что при применении традиционной конструкции токоввода возникают значительные тепловые потоки, связанные с теплопроводностью токонесущего элемента, тепловыделением в токонесущем элементе, возникающим при протекании через него электрического тока, и естественной конвекцией газообразного хладоагента. При этом конвективные потоки газообразного хладоагента возникают в кольцевой полости камеры изолятора между внутренней поверхностью корпуса изолятора, поверхностью токонесущего элемента, верхним фланцем изолятора и поверхностью жидкого хладоагента в низкотемпературной зоне устройства. В результате проведенных исследований было установлено, что процесс интенсивной естественной конвекции в кольцеобразной полости камеры высоковольтного изолятора связан с формированием сложной системы трехмерных нестационарных вихрей в газообразной среде. Так, например, в нижней области кольцевой полости образуется винтовой вихрь, переносящий значительные тепловые потоки. Суммарная величина теплопритоков из окружающей среды в низкотемпературную область устройства составляет до 300 Вт, при этом 50% от величины теплопритоков приходится на тепловые потери, обусловленные естественной конвекцией газообразного хладоагента вдоль поверхности токонесущего элемента.It should be noted that when applying the traditional design of the current lead, significant heat fluxes arise, associated with the thermal conductivity of the current-carrying element, the heat release in the current-carrying element that occurs when an electric current flows through it, and the natural convection of a gaseous refrigerant. In this case, convective flows of gaseous refrigerant arise in the annular cavity of the insulator chamber between the inner surface of the insulator housing, the surface of the current-carrying element, the upper flange of the insulator and the surface of the liquid refrigerant in the low-temperature zone of the device. As a result of the studies, it was found that the process of intense natural convection in the annular cavity of the chamber of a high-voltage insulator is associated with the formation of a complex system of three-dimensional unsteady vortices in a gaseous medium. So, for example, a helical vortex is formed in the lower region of the annular cavity, which transfers significant heat fluxes. The total amount of heat influx from the environment into the low-temperature region of the device is up to 300 W, while 50% of the amount of heat influx is due to heat loss due to the natural convection of the gaseous refrigerant along the surface of the current-carrying element.

Применение новой конструкции токоввода позволяет на 50% снизить тепловые потери за счет снижения конвективного теплопереноса путем уменьшения масштаба трехмерных вихрей в газообразной среде, заполняющей камеру высоковольтного изолятора. Дробление крупномасштабных вихрей на более мелкие осуществляется с помощью диэлектрических перегородок, расположенных вдоль поверхности токонесущего элемента. Газообразная среда в полости камеры высоковольтного изолятора образуется в результате перетекания жидкого хладоагента через кольцеобразный капиллярный канал, образованный между диэлектрическим экраном, фиксирующим уровень жидкого хладоагента в криостате, и поверхностью токонесущего элемента.The use of a new current lead design allows to reduce heat losses by 50% by reducing convective heat transfer by reducing the scale of three-dimensional vortices in a gaseous medium filling the chamber of a high-voltage insulator. The crushing of large-scale vortices into smaller ones is carried out using dielectric partitions located along the surface of the current-carrying element. The gaseous medium in the chamber cavity of the high-voltage insulator is formed as a result of the flow of the liquid refrigerant through an annular capillary channel formed between the dielectric screen fixing the level of the liquid refrigerant in the cryostat and the surface of the current-carrying element.

Расстояние между близлежащими поверхностями диэлектрических перегородок вдоль токонесущего элемента выбирается в диапазоне от 3 мм до 7 мм. В частном случае реализации полезной модели между торцевыми частями перегородок и поверхностью токонесущего элемента может быть образован кольцеобразный зазор, оптимальные значения которого составляют от 3 мм до 4 мм.The distance between the adjacent surfaces of the dielectric partitions along the current-carrying element is selected in the range from 3 mm to 7 mm. In the particular case of the implementation of the utility model, an annular gap can be formed between the end parts of the partitions and the surface of the current-carrying element, the optimum values of which are from 3 mm to 4 mm.

Между торцевыми частями перегородок и внутренней поверхностью камеры высоковольтного изолятора может быть образован кольцеобразный зазор, величина которого предпочтительно составляет от 4 мм до 14 мм.An annular gap may be formed between the end parts of the partitions and the inner surface of the chamber of the high-voltage insulator, the value of which is preferably from 4 mm to 14 mm.

Диэлектрические перегородки могут быть выполнены из полимерного материала, обладающего необходимыми свойствами для механической обработки, в частности из капролона.The dielectric partitions can be made of a polymeric material having the necessary properties for machining, in particular of caprolon.

Диэлектрический экран может быть выполнен в виде втулки, образующей герметичное соединение со стенками криостата. В качестве материала втулки может быть использован капролон.The dielectric screen can be made in the form of a sleeve, forming a tight connection with the walls of the cryostat. As the material of the sleeve caprolon can be used.

Далее полезная модель поясняется описанием конкретного примера выполнения токоввода высокотемпературного сверхпроводящего силового кабеля. На прилагаемом чертеже (см. фиг.1) схематично изображен разрез токоввода.Further, the utility model is illustrated by a description of a specific example of a current input of a high-temperature superconducting power cable. In the attached drawing (see figure 1) is a schematic sectional view of the current lead.

Токоввод включает в свой состав криостат 1, заполненный жидким азотом. Криостат представляет собой многослойную конструкцию с внешней экранно-вакуммной изоляцией. Внутренняя часть криостата выполнена из фторопласта. На одной стенке криостата 1 установлено устройство для подачи в камеру криостата переохлажденного жидкого азота, которое выполнено в виде форсунки 2. Входной канал форсунки 2 сообщен с магистралью подвода жидкого хладоагента (криогенным интерфейсом). На противоположной стенке криостата 1 размещен электрический вывод проводника 3 высокотемпературного сверхпроводящего силового кабеля. В соединительном узле криостата и силового кабеля выполнены проточные каналы 4 для подачи жидкого хладоагента в проточную полость сверхпроводящего силового кабеля.The current lead includes a cryostat 1 filled with liquid nitrogen. The cryostat is a multi-layer design with external screen-vacuum isolation. The inside of the cryostat is made of fluoroplastic. On one wall of the cryostat 1, a device is installed for supplying supercooled liquid nitrogen to the cryostat chamber, which is made in the form of a nozzle 2. The input channel of the nozzle 2 is in communication with the liquid refrigerant supply line (cryogenic interface). On the opposite wall of the cryostat 1 there is an electrical lead of the conductor 3 of the high-temperature superconducting power cable. In the connecting node of the cryostat and the power cable, flow channels 4 are made for supplying liquid refrigerant to the flow cavity of the superconducting power cable.

Проводник 3 соединен с токонесущим элементом 5 через контакт 6 подключения токонесущего элемента к высокотемпературному сверхпроводящему силовому кабелю. Вывод проводника 3 подключен к контакту 6 с помощью гибких шин 7, выполненных в виде участков гибкого проводника. Противоположная торцевая часть токонесущего элемента 5 соединена с шиной 8 подключения к силовому кабелю промышленной электрической сети через контакт 9 подключения токонесущего элемента 5 к силовому кабелю. Токонесущий элемент 5 выполнен в виде стержня, образованного витыми токопроводящими жилами, в качестве которых использован гибкий электрический провод типа ПЩ диаметром от 0,3 мм до 0,6 мм.The conductor 3 is connected to the current-carrying element 5 through the contact 6 of the connection of the current-carrying element to a high-temperature superconducting power cable. The output of the conductor 3 is connected to pin 6 using flexible buses 7, made in the form of sections of a flexible conductor. The opposite end part of the current-carrying element 5 is connected to the bus 8 connecting to the power cable of the industrial electric network through pin 9 connecting the current-carrying element 5 to the power cable. The current-carrying element 5 is made in the form of a rod formed by twisted conductive conductors, which are used as a flexible electric wire type ПЩ with a diameter of 0.3 mm to 0.6 mm.

Токонесущий элемент 5 вертикально установлен в герметичной камере высоковольтного изолятора, которая образована внутри корпуса 10. Стенки корпуса 10 имеют многослойную конструкцию. Каждый слой стенки корпуса 10 выполнен из определенного композитного материала. В качестве материалов многослойной стенки корпуса 10 используются текстолит, полиимид и силикон. На внешней поверхности корпуса 10 установлены силиконовые чашки 11 и 12, служащие для предотвращения электрического пробоя вдоль внешней поверхности корпуса 10.The current-carrying element 5 is vertically mounted in a sealed chamber of a high-voltage insulator, which is formed inside the housing 10. The walls of the housing 10 have a multilayer structure. Each layer of the wall of the housing 10 is made of a specific composite material. As materials of the multilayer wall of the housing 10, textolite, polyimide and silicone are used. Silicone cups 11 and 12 are installed on the outer surface of the housing 10, which serve to prevent electrical breakdown along the outer surface of the housing 10.

Полость криостата 1, заполненная жидким азотом, отделена от газовой полости камеры высоковольтного изолятора диэлектрическим тепловым экраном. Экран выполнен в виде втулки 13, которая изготовлена из капролона. Между внутренней поверхностью диэлектрической втулки 13 и противолежащей поверхностью токонесущего элемента 5 образован кольцеобразный зазор, служащий капиллярным каналом. Канал 14 соединяет полость криостата 1, заполненную жидким азотом, и герметичную полость камеры высоковольтного изолятора, образованную корпусом 10. Ширина кольцеобразного капиллярного канала 14 составляет не более 1,5 мм.The cavity of the cryostat 1, filled with liquid nitrogen, is separated from the gas cavity of the chamber of the high-voltage insulator by a dielectric heat shield. The screen is made in the form of a sleeve 13, which is made of caprolon. Between the inner surface of the dielectric sleeve 13 and the opposite surface of the current-carrying element 5, an annular gap is formed, which serves as a capillary channel. Channel 14 connects the cavity of the cryostat 1 filled with liquid nitrogen and the sealed chamber cavity of the high-voltage insulator formed by the housing 10. The width of the annular capillary channel 14 is not more than 1.5 mm.

Вдоль поверхности токонесущего элемента 5 в герметичной камере высоковольтного изолятора горизонтально установлены диэлектрические перегородки 15, выполненные из капролона. Расстояние между близлежащими поверхностями перегородок 15 вдоль токонесущего элемента 5 выбрано равным 6 мм. Между торцевыми частями перегородок 15 и поверхностью токонесущего элемента 5 образован кольцеобразный зазор шириной 3 мм. Между торцевыми частями перегородок 15 и внутренней поверхностью корпуса 10 образован кольцеобразный зазор шириной 7 мм.Dielectric partitions 15 made of caprolon are horizontally mounted along the surface of the current-carrying element 5 in a sealed chamber of a high-voltage insulator. The distance between the adjacent surfaces of the partitions 15 along the current-carrying element 5 is chosen equal to 6 mm Between the end parts of the partitions 15 and the surface of the current-carrying element 5, an annular gap of 3 mm wide is formed. Between the end parts of the partitions 15 and the inner surface of the housing 10, an annular gap of 7 mm wide is formed.

Работа устройства осуществляется следующим образом.The operation of the device is as follows.

Переохлажденный жидкий азот подается в полость криостата 1 под избыточным давлением через форсунку 2. Часть потока жидкого азота перетекает через каналы 4 и криогенный интерфейс в проточную полость сверхпроводящего силового кабеля. Остальная часть жидкого азота протекает через кольцеобразный капиллярный канал 14, образованный между диэлектрической втулкой 13 и токонесущим элементом 5, в полость камеры высоковольтного изолятора. В полости под корпусом 10 жидкий азот испаряется и преобразуется в газообразное состояние. Поверхность (зеркало) жидкого азота в криостате 1 фиксируется диэлектрической втулкой 13. В результате этого в кольцеобразном пространстве ограниченном внутренней поверхностью корпуса 10 изолятора и поверхностью токонесущего элемента 5, формируется газовая полость, заполненная газообразным азотом. Данная газовая полость расположена вне зоны установки экранно-вакуумной изоляции, т.е. за пределами низкотемпературной зоны устройства. Материал втулки 13 подбирается таким образом, чтобы обеспечить теплоизоляцию камеры высоковольтного изолятора от низкотемпературной области криостата 1, заполненной жидким азотом.Supercooled liquid nitrogen is supplied to the cavity of the cryostat 1 under overpressure through the nozzle 2. A part of the liquid nitrogen stream flows through channels 4 and the cryogenic interface into the flow cavity of the superconducting power cable. The rest of the liquid nitrogen flows through an annular capillary channel 14, formed between the dielectric sleeve 13 and the current-carrying element 5, into the chamber cavity of the high-voltage insulator. In the cavity under the housing 10, liquid nitrogen is vaporized and converted to a gaseous state. The surface (mirror) of liquid nitrogen in the cryostat 1 is fixed by a dielectric sleeve 13. As a result, in the annular space bounded by the inner surface of the insulator housing 10 and the surface of the current-carrying element 5, a gas cavity filled with gaseous nitrogen is formed. This gas cavity is located outside the installation area of the screen-vacuum insulation, i.e. outside the low temperature zone of the device. The material of the sleeve 13 is selected in such a way as to provide thermal insulation of the chamber of the high-voltage insulator from the low-temperature region of the cryostat 1 filled with liquid nitrogen.

При достижении рабочей температуры в высокотемпературном сверхпроводящем кабеле в рабочем диапазоне от 67 до 77 К на шину 8, подключенную к силовому кабелю промышленной электрической сети, подается высокое напряжение и через контакт 9 подключения токонесущего элемента 5 к силовому кабелю начинает протекать электрический ток. Электрический ток протекает по гибким проводникам, образующим токонесущий элемент 5, вызывая его нагрев. Через контакт 6 подключения токонесущего элемента 5 к высокотемпературному сверхпроводящему силовому кабелю и через гибкие шины 7 электрический ток поступает на вывод проводника 3 силового кабеля.When the operating temperature in the high-temperature superconducting cable is reached in the operating range from 67 to 77 K, a high voltage is applied to the bus 8 connected to the power cable of the industrial electric network and electric current starts to flow through pin 9 of the connection of the current-carrying element 5 to the power cable. Electric current flows through flexible conductors forming a current-carrying element 5, causing it to heat up. Through the contact 6 of the connection of the current-carrying element 5 to the high-temperature superconducting power cable and through the flexible bus 7, electric current is supplied to the terminal of the conductor 3 of the power cable.

Электрическая прочность токоввода при его работе обеспечивается с помощью высоковольтного изолятора. Многослойный диэлектрический корпус 10 и силиконовые чашки 10 и 11, входящие в состав изолятора, препятствуют образованию электрических пробоев между элементами токоввода, которые находятся под высоким напряжением.The electric strength of the current lead during its operation is ensured by a high-voltage insulator. The multilayer dielectric housing 10 and the silicone cups 10 and 11, which are part of the insulator, prevent the formation of electrical breakdowns between the elements of the current lead, which are under high voltage.

Требуемая низкая температура контакта 6 и соединительных гибких шин 7 достигается за счет погружения их в жидкий азот в низкотемпературной зоне устройства. Тепловые потоки, протекающие через камеру высоковольтного изолятора, и связанные с этим тепловые потери зависят от величины теплопроводности токонесущего элемента 5 и интенсивности конвективного теплообмена. Естественная конвекция газообразного азота возникает в кольцевой камере высоковольтного изолятора, образованной между внутренней стенкой корпуса 10 и поверхностью токонесущего элемента 5. В верхней части камера изолятора ограничена фланцем корпуса 10, а в нижней - поверхностью жидкого азота, заполняющего криостат 1. Основная часть конвективных тепловых потоков переносится нестационарными крупномасштабными вихревыми потоками газообразного хладоагента.The required low temperature of the contact 6 and the connecting flexible bus 7 is achieved by immersing them in liquid nitrogen in the low temperature zone of the device. The heat fluxes flowing through the chamber of the high-voltage insulator and the associated heat loss depend on the thermal conductivity of the current-carrying element 5 and the intensity of convective heat transfer. Natural convection of gaseous nitrogen occurs in the annular chamber of the high-voltage insulator formed between the inner wall of the housing 10 and the surface of the current-carrying element 5. In the upper part, the insulator chamber is bounded by the flange of the housing 10, and in the lower part by the surface of liquid nitrogen filling the cryostat 1. The bulk of convective heat flows carried by non-stationary large-scale vortex flows of a gaseous refrigerant.

Уменьшение конвективного теплообмена в камере высоковольтного изолятора обеспечивается с помощью диэлектрических перегородок 15, образующих криволинейный проточный канал вдоль токонесущего элемента 5. Перегородки 15 позволяют уменьшить масштаб трехмерных нестационарных вихрей за счет разделения кольцеобразной полости камеры высоковольтного изолятора на отдельные области пространства. При этом масштаб образующихся вихревых структур в газообразном хладоагенте оказывается соразмерным с расстоянием между перегородками 15.Reducing convective heat transfer in the chamber of the high-voltage insulator is provided by means of dielectric partitions 15, forming a curved flow channel along the current-carrying element 5. Partitions 15 can reduce the scale of three-dimensional unsteady vortices by dividing the annular cavity of the chamber of the high-voltage insulator into separate areas of space. The scale of the resulting vortex structures in the gaseous refrigerant is commensurate with the distance between the partitions 15.

Вследствие разделения пространства кольцеобразной камеры перегородками 15 обеспечивается существенное уменьшение неравномерности полей температур и скоростей вихреобразных газовых потоков вдоль токонесущего элемента 5. Так, например, если теплопередача через токонесущий элемент 5 (за счет теплопроводности) составляет 112,5 Вт, то величина теплового потока со стороны полости камеры изолятора, заполненной газообразным азотом, в полость криостат 1, заполненную жидким азотом, составляет 92,7 Вт. В результате применения горизонтально установленных диэлектрических перегородок 15 теплоприток в низкотемпературную зону устройства снижается на 50%.Due to the separation of the space of the annular chamber by partitions 15, a significant decrease in the unevenness of the temperature fields and velocities of the vortex-like gas flows along the current-carrying element 5 is provided. For example, if the heat transfer through the current-carrying element 5 (due to thermal conductivity) is 112.5 W, then the heat flux from the side the cavity of the insulator chamber filled with gaseous nitrogen into the cavity of the cryostat 1 filled with liquid nitrogen is 92.7 watts. As a result of the use of horizontally mounted dielectric partitions 15, the heat gain into the low temperature zone of the device is reduced by 50%.

Вышеописанный пример осуществления полезной модели основывается на конкретной форме выполнения конструкции токоввода, однако это не исключает возможности достижения технического результата и в других частных случаях реализации полезной модели в том виде, как устройство описано в независимом пункте формулы. Количество диэлектрических перегородок и расстояние между ними может выбираться в зависимости от размеров полости камеры, ограниченной корпусом высоковольтного изолятора и поверхностью токонесущего элемента, от масштаба вихреобразных потоков газообразного хладоагента и интенсивности конвективных тепловых потоков.The above example of the implementation of the utility model is based on the specific form of the current lead design, however, this does not exclude the possibility of achieving a technical result in other particular cases of the implementation of the utility model as described in the independent claim. The number of dielectric partitions and the distance between them can be selected depending on the size of the chamber cavity, limited by the housing of the high-voltage insulator and the surface of the current-carrying element, on the scale of the vortex-like gaseous refrigerant flows and the intensity of convective heat fluxes.

Криволинейный проточный канал, предназначенный для организации движения конвективных потоков газообразного хладоагента вдоль токонесущего элемента, может быть образован не только за счет зазоров между торцевыми частями диэлектрических перегородок, поверхностью токонесущего элемента и внутренней поверхностью камеры высоковольтного изолятора, но и путем профилирования перегородок для создания возможности перетекания газообразного хладоагента между секциями камеры, разделенной перегородками. В качестве диэлектрического материала перегородок и экранов наряду с капролоном могут использоваться и другие материалы, при этом выбор диэлектрического материала определяется условиями работы токоввода для каждого конкретного варианта конструкции устройства и предъявляемыми технологическими требованиями.A curved flow channel designed to organize the convective flows of gaseous refrigerant along the current-carrying element can be formed not only by the gaps between the end parts of the dielectric partitions, the surface of the current-carrying element and the inner surface of the chamber of the high-voltage insulator, but also by profiling the partitions to allow the flow of gaseous refrigerant between sections of the chamber, divided by partitions. Along with caprolon, other materials can be used as the dielectric material of the partitions and screens, while the choice of dielectric material is determined by the operating conditions of the current lead for each specific design variant of the device and the technological requirements.

Claims

1. The current lead of a high-temperature superconducting power cable containing a high-voltage insulator, a current-carrying element vertically mounted in a sealed chamber of a high-voltage insulator, a cryostat, a contact connecting a current-carrying element to a network cable, a contact connecting a current-carrying element to a high-temperature superconducting power cable located in the cavity of the cryostat , which includes at least one dielectric heat shield forming a token with the surface of the existing element, an annular capillary channel, and dielectric partitions horizontally mounted in the chamber of the high-voltage insulator and forming a curved flow channel along the current-carrying element.

2. The current lead according to claim 1, characterized in that the distance between the adjacent surfaces of the dielectric partitions along the current-carrying element is selected in the range from 3 to 7 mm.

3. The current lead according to claim 1, characterized in that an annular gap is formed between the end parts of the partitions and the surface of the current-carrying element.

4. The current lead according to claim 3, characterized in that the size of the annular gap is from 3 to 4 mm.

5. The current lead according to claim 1, characterized in that an annular gap is formed between the end parts of the partitions and the inner surface of the chamber of the high-voltage insulator.

6. The current lead according to claim 5, characterized in that the size of the annular gap is from 4 to 14 mm

7. The current lead according to claim 1, characterized in that the dielectric partitions are made of caprolon.

8. The current lead according to claim 1, characterized in that the dielectric heat shield is made in the form of a sleeve forming a tight connection with the walls of the cryostat.

9. The current lead according to claim 8, characterized in that the sleeve is made of caprolon.