CN102568696B - 一种超导电力装置用高电压绝缘电流引线 - Google Patents

一种超导电力装置用高电压绝缘电流引线 Download PDF

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Abstract

一种超导电力装置用高电压绝缘电流引线，其紫铜导体(1)的低温端B***低温容器内，所述低温端B的末端装有接线端子(2)。紫铜导体(1)从绝缘套管(3)的室温端C***绝缘套管(3)内，紫铜导体(1)的室温端A露出绝缘套管(3)的室温端C；绝缘套管(3)的中部位置有螺纹(4)。接线鼻子(6)与紫铜导体(1)的室温端A露出绝缘套管(3)部分的端部压接，组成绝缘引线主体(7)。绝缘引线主体(7)的低温端F在低温容器中液氮或液氦的液面以下。密封O圈和绝缘子(11)通过螺母沿轴向固定在低温容器法兰(14)上，并与绝缘引线主体(7)同轴。紫铜导体的室温端从其在低温容器法兰位置到其低温端可采用变截面圆台结构。

Description

一种超导电力装置用高电压绝缘电流引线
技术领域
本发明涉及一种超导电力装置的电流引线，特别涉及低温、高电压绝缘电流引线。
背景技术
超导电力技术是利用超导体的无阻高密度载流能力及超导体的超导态-正常态转变的物理特性发展起来的新型电力技术，可以改善电能的质量、提高电力***运行的稳定性和可靠性、降低电压等级、提高电网的安全性；可以大大提高单机容量和电网的输送容量并大大降低电网的损耗；可以大大改善可再生能源的电能质量，并使其与大电网有效联结。
近些年来，超导电力技术的研究开发取得了重大进展，超导限流器、超导变压器、超导储能***等超导电力装置进入了示范运行阶段。所有超导电力装置都是运行在一定的低温环境下，最通用的技术是把超导线圈等核心部件装配在保温性能良好的低温容器内，把液氮或液氦等制冷剂注入低温容器没过超导线圈等装置，也有极少数利用热传导的方法用制冷机冷却。
无论采用哪种冷却方法，超导线圈等超导装置的电流引线都要从室温过渡到-196℃或更低的低温环境。以前的超导装置，如医疗用的核磁共振、科学实验用的强磁场超导线圈等，都是工作在直流、稳态情况下，引线与低温容器以及引线之间的电压只有几伏到几十伏，所以主要的电流引线技术都集中在减小由室温到低温的热传导上。而最近发展起来的超导电力技术所涉及的超导装置的电流引线，除了考虑热传导以外，最要的是电流引线的高电压绝缘问题。因为超导装置几乎都工作在高电压状态下，引线与低温容器(通常低温容器接地)之间、引线之间的高电压绝缘水平，不仅关系到设备的稳定运行，更关乎安装、运行人员的人身安全。而电流引线从室温过渡到-196℃，不仅温度低而且温差大，常规绝缘技术难以满足要求。电流引线一般采用电阻率小、导电性能好的紫铜材质，而铜的热传导性好，再加上温差大，裸露在低温容器外的引线极易结水或霜，这对引线的高电压绝缘技术提出了更高的要求。目前尚没有可靠、成熟的技术来解决或克服上述问题。
脉冲高电压情况下的电流引线也有研究(IEEE Transactions on Applied Superconductivity，vol.10，no.1，2000，pp1477)，主要使用在液氦冷却条件下的气冷电流引线，技术重点解决的是从事温到液氦温区的漏热问题；有关高电压绝缘采用的是技术方案是在电流引线外套一个直径很大的不锈钢管，内充流动的氮气，采用氮气间隔绝缘。该引线结构复杂，并且采用流动的氮气绝缘，绝缘水平受氮气温度、流动情况的影响很大，高电压绝缘能力不稳定；由于有出气孔，极易结冰、水或露，对电流引线的绝缘有致命的破坏作用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的结构复杂、绝缘能力不稳定等缺陷，提出一种低温高电压绝缘引线装置，本发明可以广泛应用于室温到低温过度的高电压超导电力装置中。
本发明高电压绝缘电流引线主要由紫铜导体、绝缘套管、接线鼻子、绝缘子、密封O圈，以及低温容器法兰等部件组成。
所述的紫铜导体为一根粗细均匀的紫铜棒，紫铜导体的一端，即低温端***低温容器内，所述的低温端的末端预制成接线端子；紫铜导体的另一端，即室温端伸出低温容器外；低温容器内充有液氮或液氦。紫铜导体的长度为l。所述的绝缘套管选用玻璃钢管材或G10管材制作，绝缘套管长度l′比紫铜导体的长度l短3～7cm。绝缘套管套装在紫铜导体外，绝缘套管的内径与紫铜导体的外径紧密配合，并使紫铜导体在低温容器外的室温端露出绝缘套管约2～5cm。接线鼻子与紫铜导体的室温端露出绝缘套管部分的端部压接，共同组成绝缘引线主体。
绝缘套管的中部位置有长度为l2的螺纹。绝缘套管的室温端有长度为l1的密封端子，l1不小于30cm，此密封端子用于与常规电力电缆的密封连接，密封端子外径不大于绝缘套管螺纹部分的最小直径。根据超导装置的额定电压以及绝缘套管材质的电绝缘特性，密封端子的管壁厚度t满足下式：
t＝5+kU/u    (1)
式中t为密封端子的管壁厚度，单位为mm；U为超导装置的额定电压，单位kV；u为绝缘套管材质每mm厚度的击穿电压，单位为kV；k为不同电压等级下，U与一分钟工频耐压的比值。
低温容器法兰为密封低温容器的盖板，并隔开低温容器与室温空间。本发明绝缘电流引线的附属配件主要包括绝缘子、密封O圈和螺母，绝缘子、密封O圈和螺母，主要用于绝缘电流引线与低温容器法兰的密封、防水、固定和加强绝缘等。密封O圈和绝缘子通过螺母固定在低温容器法兰上，它们的相对位置关系如下：下螺母位于绝缘套管中部螺纹的最底部，下密封O圈在下螺母的上方，低温容器法兰在下密封O圈的上方，低温容器法兰的上方依次是中密封O圈、绝缘子、上密封O圈、上螺母，并旋紧，并且与绝缘引线主体同轴。下螺母与上螺母沿轴向把所有附属配件固定在低温容器法兰上。绝缘套管的室温端与低温容器法兰的垂直距离不小于60cm。绝缘电流引线的低温端置于低温容器内，并且绝缘电流引线的低温端端头在液氮或液氦的液面以下，以便于引线与超导装置的连接与冷却紫铜导体。
由于紫铜的电阻随着温度的降低而减小，在-196℃的液氮温度仅为室温时的1/8。为了减小电流引线从室温到低温的热传导，紫铜导体在低温容器法兰以下的部分也可以为变截面的，同时考虑到通电流时焦耳热的影响，紫铜导体低温端的截面可选择为其室温端截面的1/4～1/2。绝缘套管的内孔径与紫铜导体紧密配合，绝缘引线的其他结构均不变。
本发明通过绝缘引线的特殊结构及其附件与低温容器的配合满足了从室温到低温环境高温度梯度的需求，还通过紫铜导体变截面结构有效降低从室温到低温环境的热传导，更重要的是有效的解决了电流引线的高电压绝缘技术难题。本发明可以广泛应用于超导限流器、储能、变压器等超导电装置上。
附图说明
图1低温高电压绝缘引线示意图，图1a为低温高电压绝缘引线部件结构图，图1b为组装后低温高电压绝缘引线示意图，图中：1紫铜导体，2预制接线端子，3绝缘套管，4螺纹，5密封端子，6接线鼻子，7绝缘引线主体，l紫铜导体1的长度，l2螺纹4的长度，l1密封端子5的长度，A紫铜导体1的室温端，B紫铜导体1的低温端，C绝缘套管3的室温端，D绝缘套管3的低温端，E绝缘引线主体7的室温端，F绝缘引线主体7的低温端；
图2低温高电压绝缘引线及其附件的组装位置关系示意图，图中：8下螺母，9下密封O圈，10中密封O圈，11绝缘子，12上密封O圈，13上螺母；
图3组装后的低温高电压绝缘引线及其附件示意图，图中：14低温容器法兰，l3绝缘引线7室外部分长度；
图4变截面紫铜导体示意图，图中：15变截面紫铜导体，A′变截面紫铜导体15的室温端，B′变截面紫铜导体的低温端。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
本发明低温高电压绝缘引线主要由：紫铜导体1、绝缘套管3、接线鼻子6、绝缘子11、下密封O圈9、中密封O圈10、上密封O圈12及低温容器法兰14等部件组成。
如图1a所示，紫铜导体1为一根粗细均匀的紫铜棒，紫铜导体1的低温端B***低温容器内，紫铜导体1的低温端B的末端有预制的接线端子2，紫铜导体1的长度为l。绝缘套管3选用具有良好电绝缘性能、在低温下具有良好的机械性能的材质，通常选用玻璃钢管材。绝缘套管3的长度l′比紫铜导体1的长度l短3～7cm。绝缘套管3的内径与紫铜导体1的外径紧密配合，紫铜导体1的室温端A从绝缘套管3的室温端C***绝缘套管3内，并将紫铜导体1的室温端A露出绝缘套管3的室温端C约2～5cm，紫铜制作的接线鼻子6与紫铜导体1的室温端A露出绝缘套管3部分的端部压接，组成如图1b所示的绝缘引线主体7。
绝缘套管3的中部位置有长度为l2的螺纹4，用于将绝缘引线主体7及绝缘子11、密封O圈、螺母等附属配件固定在低温容器法兰14上；绝缘套管3的室温端C为长度为l1的密封端子5，l1的长度不小于30cm，密封端子5用于绝缘电流引线主体7与常规电力电缆的密封连接。密封端子5的外径不大于螺纹4螺纹底部的最小直径。根据超导装置的额定电压以及绝缘套管材质的电绝缘特性，密封端子5的管壁厚度t满足所述的式(1)。
如图2所示，绝缘引线主体7的附属配件主要包括下螺母8、下密封O圈9、中密封O圈10、绝缘子11、上密封O圈12、上螺母13等，所述的附属配件主要用于绝缘引线主体7与低温容器法兰14的密封、防水、固定和加强绝缘等。绝缘套管上的螺纹4长度l2不小于所有附属配件的轴向长度之和。如图2所示，附属配件之间的位置关系如下：下螺母8在绝缘套管3中部螺纹4的最底部，下密封O圈9在下螺母8的上方，低温容器法兰14在密封O圈9的上方，低温容器法兰14的上方依次是中密封O圈10、绝缘子11、上密封O圈和上螺母13。如图3所示，低温容器法兰14是密封低温容器的盖板。绝缘引线主体7穿过低温容器法兰14上的孔，下螺母8与上螺母13将绝缘引线主体7及附属配件固定在低温容器法兰14上。绝缘套管3的室温端C与低温容器法兰14的垂直距离小于60cm，绝缘引线主体7的低温端F在低温容器中液氮或液氦的液面以下。组装后的低温高电压绝缘引线装置如图3所示。
由于紫铜的电阻随着温度的降低而减小，在-196℃的液氮温度仅为室温时的1/8。为了减小引线主体7从室温到低温的热传导，紫铜导体1在低温容器法兰14以下的部分可以为变截面的。同时考虑到通电流时焦耳热的影响，紫铜导体从低温容器法兰位置到其低温端采用变截面圆台结构，紫铜导体的低温端的截面为其室温端截面的1/4～1/2。如图4所示，变截面紫铜导体15′从低温容器法兰位置到其低温端B′的一段采用变截面圆台结构。绝缘套管3的内孔径与变截面紫铜导体15的变截面结构相似，绝缘套管3的内孔径比变截面紫铜导体15的外径大0.2～0.5mm，二者紧密配合，低温高电压绝缘引线装置的其他结构均不变。

Claims (5)

1.一种超导电力装置用高电压绝缘电流引线，其特征在于，所述的电流引线主要由紫铜导体（1）、绝缘套管（3）、接线鼻子（6）、绝缘子（11）、上密封O圈(12)、中密封O圈（10）、下密封O圈(9)及低温容器法兰（14）组成；所述的紫铜导体（1）为一根粗细均匀的紫铜棒，紫铜导体（1）的低温端B***低温容器内，紫铜导体（1）的低温端B的末端有接线端子（2）；所述的绝缘套管（3）的长度l'比紫铜导体（1）的长度l短3～7cm；所述的绝缘套管（3）的内径与紫铜导体（1）的外径紧密配合；绝缘套管（3）套装在紫铜导体（1）外，紫铜导体（1）从绝缘套管（3）的室温端C***绝缘套管（3）内，紫铜导体（1）的室温端A露出绝缘套管（3）的室温端C；所述的绝缘套管（3）的中部位置有螺纹（4）；所述的接线鼻子（6）与紫铜导体（1）的室温端A露出绝缘套管（3）部分的端部压接，组成绝缘引线主体（7），所述的绝缘引线主体（7）的低温端F在低温容器中液氮或液氦的液面以下；低温容器法兰（14）密封低温容器；下螺母（8）在绝缘套管中部螺纹（4）的最底部，下密封O圈（9）在下螺母（13）的上方；低温容器法兰（14）的上方依次是中密封O圈（10）、绝缘子（11）、上密封O圈(12)，下螺母（8）与上螺母（13）沿轴向把中密封O圈(10)、绝缘子（11）、上密封O圈(12)固定在低温容器法兰（14）上，并与绝缘引线主体（7）同轴。
2.按照权利要求1所述的超导电力装置用高电压绝缘电流引线，其特征在于，所述的绝缘套管（3）的室温端C为长度为l1的密封端子（5），密封端子（5）用于绝缘电流引线主体（7）与常规电力电缆的密封连接；密封端子（5）的外径不大于螺纹（4）底部的最小直径；密封端子（5）的管壁厚度t满足式：
t＝5+kU/u
式中t为密封端子的管壁厚度；U为超导装置的额定电压；u为绝缘套管材质每mm厚度的击穿电压；k为不同电压等级下，U与一分钟工频耐压的比值。
3.按照权利要求1所述的超导电力装置用高电压绝缘电流引线，其特征在于，所述的紫铜导体（1）的室温端A露出绝缘套管（3）的室温端C2～5cm。
4.按照权利要求1所述的超导电力装置用高电压绝缘电流引线，其特征在于，所述的绝缘套管3的室温端C与低温容器法兰14的垂直距离不小于60cm。
5.按照权利要求1所述的超导电力装置用高电压绝缘电流引线，其特征在于，所述的紫铜导体从低温容器法兰位置到低温端被替代为变截面圆台结构；紫铜导体的低温端的截面为其室温端截面的1/4~1/2；所述的绝缘套管（3）的内孔径与变截面紫铜导体（15）的变截面结构相似，绝缘套管（3）的内孔径比变截面紫铜导体（15）的外径大0.2～0.5mm。
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