一种三相同轴超导电缆应力锥制造技术

本发明专利技术公开了一种三相同轴超导电缆应力锥，首先结合三相同轴超导电缆本体结构参数确定应力锥的基本结构参数；根据超导带材与铜层的接触情况选择带材与铜层之间的连接工艺；通过系统额定电流确定铜层横截面大小，确保应力锥具有足够的通流能力；受制于加工工艺，宜选用铜皮绕制的方法制作铜层，使铜层产生弧度符合设计需求，采用半导电层（碳纸）使得铜层表面光滑，达到均匀分散电场的目的；通过一定结构设计使得铜层与铜电流引线能够光滑连接；并通过电磁场仿真设计应力锥绝缘结构。本发明专利技术提供的设计，是一种可以分散电场、改善末端超导带材与铜管之间的电场分布，并实现电流引出的三芯同轴超导电缆终端结构，其设计方法准确分析整个应力锥电磁场分布情况，能准确模拟应力锥在液氮环境下的工作情况，弥补国内在该部分区域的空白。

A stress cone of three-phase coaxial superconducting cable

【技术实现步骤摘要】
一种三相同轴超导电缆应力锥
本专利技术涉及高温超导
，特别涉及一种三相同轴超导电缆应力锥。
技术介绍
高温超导电缆因其具有体积小，重量轻，损耗小等优点在输配电行业具有巨大发展潜力，而应力锥是连接高温超导电缆与常规电缆的终端中的重要结构。现有研究表明，终端内电气绝缘成为电力事故频发的薄弱环节。应力锥在终端内起着改善电场分布的作用。相比于普通的单相及三相平行超导电缆系统，三相同轴电缆系统本体通过将三相绕制在同一根铜骨架上，相比其它系统本体节省了液氮通道的体积及绝缘材料用量，在减少整个系统磁滞损耗的同时，还大大节约了成本。那么超导电缆本体末端的应力锥设计对整个系统的重要性则不言而喻了。国内关于应力锥的设计都是对于单相超导电缆进行的，在三相超导电缆应力锥的研究上还是处于空白阶段，而关于三相超导电缆应力锥的研究，不仅要解决电气绝缘与接触电阻问题，还需考虑电流引出的问题，另外关于三相超导电缆应力锥在液氮环境工作时的电磁场情况还需进行仿真模拟。
技术实现思路
本专利技术的目的在于突破现有单芯超导电缆终端应力锥设计的限制，提供一种三相同轴超导电缆应力锥，从而弥补国内三芯同轴超导电缆终端设计的空白，具有实质和创新性设计意义。本专利技术通过以下的技术方案实现：一种三相同轴超导电缆应力锥，所述应力锥通过铜层与三相同轴超导电缆本体的超导带材压接；所述铜层采用铜皮缠绕的方法制作而成，缠绕方式为：使后一层铜皮的缠绕长度比前一层铜皮的缠绕长度减小预设距离；；所述半导电层上采用半缠绕的方式缠绕PPLP绝缘层；所述半缠绕方式为：半导电层一侧缠绕PPLP绝缘层，另一侧不缠绕直接与液氮接触；所述铜层上部通过铜圆环与铜电流引线连接。进一步的，采用ANSYS或者COMSOL对铜层与超导带材的接触点进行建模，在满足通流情况下，使铜层与超导带材的接触点能够在低于超导带材临界温度下工作，模拟得到满足条件的铜层与超导带材的接触电阻，并根据接触电阻确定超导带材与铜层压接的压接长度。进一步的，所述铜层与超导带材压接的压接长度为40--60mm。进一步的，所述应力锥结构中的铜层内径为25--30mm。进一步的，根据三相同轴超导电缆系统额定工作电流，在满足铜电流引线载流量的前提下，确定铜电流引线截面积；所述铜层横截面大于铜电流引线截面积。进一步的，根据铜电流引线截面积，确定铜电流引线长度，包括：铜电流引线截面与长度最佳比值为：其中，l为铜电流引线的长度，A为铜电流引线截面，为铜平均热导率，I为系统额定电流，L0为平均洛伦兹常数，Th为外界室温温度，Tl为铜电流引线底部低温端温度。进一步的，所述应力锥上部铜圆环直径为30-34mm。进一步的，所述铜层起始厚度为1mm；所述铜层起始厚度是指应力锥与三相同轴超导电缆本体末端连接处铜层的厚度。进一步的，所述PPLP绝缘层厚度为1-2mm。进一步的，采用ANSYS或COMOSL对三相同轴超导电缆应力锥进行建模，通过电流物理接口进行电磁场仿真，对三相同轴超导电缆本体及对应的应力锥施加三相电压，地相及对应的应力锥接地。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本专利技术基于设计完成的三相同轴超导电缆本体，设计并建立与电缆本体连接的三相同轴超导电缆终端应力锥三维仿真模型，能够准确分析整个应力锥的电磁场情况，并能准确模拟实际的应力锥在液氮环境下工作情况，弥补了国内在该部分区域的空白。附图说明图1为三相同轴超导电缆终端应力锥设计流程图；图2为三相同轴超导电缆本体结构示意图；图3为三相同轴超导电缆终端应力锥三维仿真模型结构示意图；图4为三相同轴超导电缆应力锥横截面(不包括电流引线)结构示意图；图5为三相同轴超导电缆应力锥相序示意图；图6为三相同轴超导电缆铜皮缠绕方式示意图；图7为三相同轴超导电缆应力锥三维电磁场仿真结果示意图。具体实施方式下面对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。本专利技术提供一种三相同轴超导电缆应力锥，参见图1，主要包括以下步骤：步骤1，三相同轴超导电缆本体结构参见图2，包括，PPLP(聚丙烯层压纸)制成的绝缘层1，YBCO(钇钡铜氧)超导带材2，液氮3，铜支撑管4，铜接地相5，PPLP所制成的保护层6和低温恒温器7，低温恒温器7采用波纹管中加绝热材料抽真空方式制成，绝缘层1，保护层6和超导带材2均采用手工绕制或机械缠绕的方式进行安装。三相同轴超导电缆终端应力锥的作用与单相超导电缆终端应力锥的作用有较大区别：单相超导电缆终端应力锥起到分散电场、改善末端超导带材与铜管之间的电场分布的作用；而三相同轴超导电缆应力锥在考虑分散电场的情况下还需考虑电流引线导出的问题。结合表1中10kV电压等级的三相同轴超导电缆本体结构参数，确定应力锥结构中铜层内径范围为25--30mm。表1三相同轴超导电缆本体结构参数步骤2，设定应力锥结构中铜层与三相同轴超导电缆本体的超导带材之间采用压接工艺，压接长度范围为40--60mm。利用有限元仿真软件ANSYS或者COMSOL对铜层与超导带材压接的接触点进行建模。已知超导体在临界温度以下电导率高达1020以上，可默认在液氮温度下(77K)超导带材(一代或二代)的电阻率为零，即默认在超导带材两端加载电流时不产生焦耳热；由于超导带材与铜层之间的过渡不可避免地涉及接触电阻，其接触电阻的大小与接触面积、接触部分的压力等因素有关，接触电阻值为uΩ数量级。验证在满足通流情况下，铜层与超导带材的接触点是否能在低于超导带材临界温度下工作，模拟得到满足条件的接触电阻，确定超导带材与铜层之间的接触长度。若接触点温度超过超导带材临界温度将会导致超导带材失超，其失超电阻率远大于铜电阻率，会使接触部分进一步发热从而导致系统整体失超。本专利技术实施例中，确定铜层与超导带材的接触电阻在nΩ级，进而得到满足该接触电阻下的超导带材与铜层之间的压接长度在40--60mm范围内。步骤3，通过系统额定工作电流确定铜层横截面大小，选取10kV三相同轴超导电缆系统，其额定工作电流为1kA。为留有足够裕度，本专利技术中铜电流引线载流量一律取常数，为2A/mm2，可得到铜层及铜电流引线的最小截面积为500mm2，本专利技术中铜电流引线截面积取500mm2，应力锥铜层由于其长度较短，产生的焦耳热较小，且其形状不规则，故其横截面满足大于500mm2的条件即可。假设铜电流引线的横截面积处处相等，并且全部封闭在端头低温恒温器中，处于热稳定状态。铜电流引线与周围气体无热交换，上端温度为环境温度293K，下端温度为液氮温度70K。建立一维坐标，设铜电流引线上端(高温端)x＝0，下端(低温端)x＝l，即铜电流引线的长度为l。在整个铜电流引线处在热平衡状态时，位于任意点处的一个长度为x的引线微元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三相同轴超导电缆应力锥，其特征在于，所述应力锥通过铜层与三相同轴超导电缆本体的超导带材压接；/n所述铜层采用铜皮缠绕的方法制作而成，缠绕方式为：使后一层铜皮的缠绕长度比前一层铜皮的缠绕长度减小预设距离；/n所述铜层表面缠绕半导电层；/n所述半导电层上采用半缠绕的方式缠绕PPLP绝缘层；所述半缠绕方式为半导电层一侧缠绕PPLP绝缘层，另一侧不缠绕直接与液氮接触；/n所述铜层上部通过铜圆环与铜电流引线连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种三相同轴超导电缆应力锥，其特征在于，所述应力锥通过铜层与三相同轴超导电缆本体的超导带材压接；
所述铜层采用铜皮缠绕的方法制作而成，缠绕方式为：使后一层铜皮的缠绕长度比前一层铜皮的缠绕长度减小预设距离；
所述铜层表面缠绕半导电层；
所述半导电层上采用半缠绕的方式缠绕PPLP绝缘层；所述半缠绕方式为半导电层一侧缠绕PPLP绝缘层，另一侧不缠绕直接与液氮接触；
所述铜层上部通过铜圆环与铜电流引线连接。


2.根据权利要求1所述的一种三相同轴超导电缆应力锥，其特征在于，采用ANSYS或者COMSOL对铜层与超导带材的接触点进行建模，在满足通流情况下，使铜层与超导带材的接触点能够在低于超导带材临界温度下工作，模拟得到满足条件的铜层与超导带材的接触电阻，并根据接触电阻确定超导带材与铜层压接的压接长度。


3.根据权利要求2所述的一种三相同轴超导电缆应力锥，其特征在于，所述铜层与超导带材压接的压接长度为40--60mm。


4.根据权利要求1所述的一种三相同轴超导电缆应力锥，其特征在于，所述应力锥结构中的铜层内径为25--30mm。


5.根据权利要求1所述的一种三相同轴超导电缆应力锥，其特征在于，根据三相同轴超导电缆系统额定工作电流，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈杰，曹京荥，刘洋，刘刚，何启笛，贾勇勇，谭笑，李陈莹，胡丽斌，叶城源，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，国家电网有限公司，国网江苏省电力有限公司，华南理工大学，江苏省电力试验研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32