一种基于蒸发冷却的多段式电流引线制造技术

本发明专利技术公开了一种基于蒸发冷却的多段式电流引线，包括连接超导电缆的第一引线段、用于连接第一引线段到液氮液面的第二引线段、用于连接第二引线段的第三引线段、用于连接第三引线段到室温端接线端子的第四引线段；第一引线段包裹超导电缆和引线；第二引线段用于增大引线与液氮之间的换热面积，加强引线与液氮之间的换热；第三引线段用于增大引线与蒸发氮气的换热面积，加强引线与蒸发氮气的换热，降低引线的温度，减少引线的漏热；第四引线段用于从所述第三引线段向室温端的温度过渡。本发明专利技术通过四段引线段的组合具有漏热小、接触电阻小、易拆装、结构清晰新颖、稳定可靠、防止过流时低温端过热以及不通流时高温端结冰等优点。

A multi section current lead based on evaporative cooling

【技术实现步骤摘要】
一种基于蒸发冷却的多段式电流引线
本专利技术属于超导技术应用领域，更具体地，涉及一种基于蒸发冷却的多段式电流引线。
技术介绍
随着我国社会经济的高速发展，城镇居民用电及工业生产用电需求激增；而且我国能源资源主要分布在西部，电力负荷则主要分布在东部，地理分布不均的矛盾逐渐突出。因此，大规模远距离输电对我国十分重要。在传统的输电方式中，特高压输电技术在大容量和远距离输电方面比传统的高压输电技术有很大的优势，但它仍占据着大量的输电走廊；高压电缆输电技术现在已经非常成熟，铺设于电缆沟中具有运行稳定，对环境污染小的优点，在城市配电网中得到了越来越多的应用，但是其在输配电环节中的损耗仍很大。超导输电技术是实现大规模远距离输电的潜在解决方案之一，近年来在国际上得到了较快发展，我国也有了很好的研发基础。高温超导电缆可利用现有的输电通道，结合超导体零电阻、高载流密度的特性，能在较低的电压水平下实现较高的输电能力，具有容量大、损耗低、体积小的优点。电流引线是超导装置不可或缺的一部分，它连接着室温电源和低温超导磁体，既将电流从电源传输到电缆中，又承担着电缆终端中温度的过渡。电流引线通电时产生的焦耳热和高低温差引起的传导热，是低温系统的主要漏热源。据有关文献，在大型超导装置中，电流引线漏热可占系统总漏热的50％以上。因此，电流引线的设计几乎决定了超导装置的可靠性。一个不佳的电流引线的设计会导致超导装置冷却系统的效率大大减小，降低运行的经济性，严重情况下，甚至会导致低温系统热崩溃，引起超导带材失超烧毁。在电流引线设计的过程中，电流引线的材料、冷却方式、长度和横截面积，结构以及绝缘厚度等都会影响电流引线的性能，因而需要正确的影响设计，以保证电流引线的热电性能等能够满足设计要求，同时保证超导装置长期工作的安全稳定性。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于蒸发冷却的多段式电流引线，旨在减少引线的漏热，提高超导磁体的运行稳定性。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于蒸发冷却的多段式电流引线，包括连接超导电缆的第一引线段、用于连接第一引线段到液氮液面的第二引线段、用于连接第二引线段的第三引线段、用于连接第三引线段到室温端接线端子的第四引线段；第一引线段为两片独立的铜板，包裹超导电缆和引线，两片铜板在两端分别为垂直方向的圆弧段，分别连接超导电缆和引线；第二引线段用于增大引线与液氮之间的换热面积，从而加强引线与液氮之间的换热，防止短路故障时引线温度高于液氮沸点，导致液氮沸腾，电缆终端气压过大，造成终端爆炸；第三引线段用于增大引线与蒸发氮气的换热面积，电缆终端中会有少量的氮气蒸发，这些蒸发的氮气可以从终端顶部的泄压阀中溢出。由于引线的漏热与其温度梯度有关，因此可利用低温蒸发氮气具有的冷能，增大其与引线的换热面积，从而加强引线与蒸发氮气的换热，降低引线的温度，减少引线的漏热；第四引线段用于从第三引线段向室温端的温度过渡。优选地，铜板纵向包裹超导电缆本体和轴向包裹引线本体中，使用铟压接。优选地，第二段引线采用伞裙式设计，非伞裙部分截面积大于引线本体有效截面积。优选地，第三引线段采用沿引线某一方向平行排列多根铜排、在外侧沿其垂直方向平行排列两根铜排的‘Ⅲ’型排列方式，各铜排间保持一定的间距。采用铜排式结构与传统棒式引线相比，可增大与低温氮气的换热面积。在交流系统中，考虑到趋肤深度(紫铜在液氮温度下屈服深度约为1.95mm)，多采用多根小截面铜棒并联的形式。实际上，采用铜排在增强换热方面更具有优势。以正方形截面和圆形截面做比较，设正方形边长为a，则正方形面积为S正＝a2；圆形半径为r，则圆形面积为S圆＝πr2。假设两截面面积相等，即S正＝S圆，则其周长的比值为即相同截面积下，正方形截面引线的换热面积是圆形截面引线的1.13倍。实际上，铜排比正方形截面有更大的换热面积。设长方形截面的长和宽分别为a、b，则长方形面积为S长＝ab，长方形周长为C长＝2(a+b)。截面积确定时，长方形截面的周长为：根据不等式，当时周长最小，a越大时周长越大，即正方形截面周长最小，矩形截面长宽比(a/b)越大，周长越大，即换热面积更大。因此，采用合适截面积大小和数量的铜排式结构，可增强自蒸发冷却式，以及迫流冷却式电流引线的换热效果。采用引线侧面滚压出条纹的形式，可在引线表面局部产生湍流。采用不锈钢棒支撑，有利于增强第三段引线结构的稳定性。自蒸发换热段是超导电缆电流引线的主要部分。以1kA/100kV电流引线为例，在传导冷却条件下，引线半径为12mm满足2.5A/mm2载流安全裕度要求，引线长度为1500mm满足终端套管绝缘距离要求，且此时引线长横比(L/A)满足最小漏热要求。铜的热膨胀系数为1.77*10-5m/K，不锈钢的热膨胀系数为1.01*10-5m/K。因此，长1500mm铜引线上由低温造成的收缩约为2.65mm。而实际上，自蒸发引线由于氮气换热，引线最优L/A将增大，保证通流情况下引线长度更长，向高温端的收缩也就更大。过度的收缩将造成引线结构受损，甚至提拉电缆导体层，导致电缆移位、受损和故障。不锈钢棒热膨胀系数更小，有利于减小引线由于低温引起的收缩，提高引线的强度和稳定性。优选地，第三引线段的铜排上压印出花纹，使其产生局部湍流增强换热。优选地，第三引线段的铜排使用四根不锈钢棒支撑。优选地，第一引线段、第二引线段、第三引线段和第四引线段之间互相使用螺母连接。优选地，第四段引线采用变截面设计，从与第三段引线的连接处向室温端逐渐减小截面积，呈锥形过渡。优选地，引线采用剩余电阻率(RRR，ResidualResistanceRatio)小于100的紫铜，各段引线接触面都垫上铟片。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：1、总的来说，本专利技术提供的基于蒸发冷却的多段式电流引线通过四段引线段的组合具有漏热小、接触电阻小、易拆装、结构清晰新颖、稳定可靠、防止过流时低温端过热以及不通流时高温端结冰等优点。2、本专利技术提供的基于蒸发冷却的多段式电流引线的第一引线段主要采用环形包裹的形式连接超导电缆本体和引线本体，具有较大的接触面积，保证通流安全，增大面积也减小了引线段的电阻。采用螺母固定连接的形式，便于终端引线的安装、拆卸和更换。在铜板纵向包裹电缆本体和轴向包裹引线本体中，使用铟压接，有利于减小接触电阻。3、本专利技术提供的基于蒸发冷却的多段式电流引线的第二引线段采用伞裙式设计，当引线工作在过流或短路状态时，引线温升主要集中在低温端。在一定故障持续时间内，低温端温升可达到高温端的80％。一般来说，超导电缆电流引线低温端工作在液氮温区77K，常压下极易蒸发。伞裙式结构和较大的引线面积，可减小引线电阻，从而减小通流时产生的焦耳热；增大换热面积，从而提高引线与液氮之间的换热效率，减小引线的温升，防止液氮迅速蒸发沸腾，导致低温系统失控和超导层超导带材失超。4、本专利技术提供的基于蒸发冷却的多段式电流引本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于蒸发冷却的多段式电流引线，其特征在于，包括连接超导电缆的第一引线段、用于连接第一引线段到液氮液面的第二引线段、用于连接第二引线段的第三引线段、用于连接第三引线段到室温端接线端子的第四引线段；/n所述第一引线段为两片独立的铜板，包裹超导电缆和引线，所述两片铜板在两端分别为垂直方向的圆弧段，分别连接超导电缆和引线；/n所述第二引线段用于增大引线与液氮之间的换热面积，从而加强引线与液氮之间的换热；/n所述第三引线段用于增大引线与蒸发氮气的换热面积，从而加强引线与蒸发氮气的换热，降低引线的温度，减少引线的漏热；/n所述第四引线段用于从所述第三引线段向室温端的温度过渡。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于蒸发冷却的多段式电流引线，其特征在于，包括连接超导电缆的第一引线段、用于连接第一引线段到液氮液面的第二引线段、用于连接第二引线段的第三引线段、用于连接第三引线段到室温端接线端子的第四引线段；
所述第一引线段为两片独立的铜板，包裹超导电缆和引线，所述两片铜板在两端分别为垂直方向的圆弧段，分别连接超导电缆和引线；
所述第二引线段用于增大引线与液氮之间的换热面积，从而加强引线与液氮之间的换热；
所述第三引线段用于增大引线与蒸发氮气的换热面积，从而加强引线与蒸发氮气的换热，降低引线的温度，减少引线的漏热；
所述第四引线段用于从所述第三引线段向室温端的温度过渡。


2.根据权利要求1所述的多段式电流引线，其特征在于，所述铜板纵向包裹超导电缆本体和轴向包裹引线本体中，使用铟压接。


3.根据权利要求1所述的多段式电流引线，其特征在于，所述第二段引线采用伞裙式设计，非伞裙部分截面积大于引线本体有效截面积。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李显皓，石晶，任丽，唐跃进，李敬东，徐颖，郭树强，张宇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42