專利名稱：一種超導電力裝置用高電壓絕緣電流引線的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種超導電力裝置的電流引線，特別涉及低溫、高電壓絕緣電流引線。
背景技術：
超導電力技術是利用超導體的無阻高密度載流能力及超導體的超導態-正常態轉變的物理特性發展起來的新型電力技術，可以改善電能的質量、提高電力系統運行的穩定性和可靠性、降低電壓等級、提高電網的安全性；可以大大提高單機容量和電網的輸送容量并大大降低電網的損耗；可以大大改善可再生能源的電能質量，并使其與大電網有效聯結。近些年來，超導電力技術的研究開發取得了重大進展，超導限流器、超導變壓器、 超導儲能系統等超導電力裝置進入了示范運行階段。所有超導電力裝置都是運行在一定的低溫環境下，最通用的技術是把超導線圈等核心部件裝配在保溫性能良好的低溫容器內， 把液氮或液氦等制冷劑注入低溫容器沒過超導線圈等裝置，也有極少數利用熱傳導的方法用制冷機冷卻。無論采用哪種冷卻方法，超導線圈等超導裝置的電流引線都要從室溫過渡到-196°C或更低的低溫環境。以前的超導裝置，如醫療用的核磁共振、科學實驗用的強磁場超導線圈等，都是工作在直流、穩態情況下，引線與低溫容器以及引線之間的電壓只有幾伏到幾十伏，所以主要的電流引線技術都集中在減小由室溫到低溫的熱傳導上。而最近發展起來的超導電力技術所涉及的超導裝置的電流引線，除了考慮熱傳導以外，最要的是電流引線的高電壓絕緣問題。因為超導裝置幾乎都工作在高電壓狀態下，引線與低溫容器(通常低溫容器接地)之間、引線之間的高電壓絕緣水平，不僅關系到設備的穩定運行，更關乎安裝、運行人員的人身安全。而電流引線從室溫過渡到-196°C，不僅溫度低而且溫差大，常規絕緣技術難以滿足要求。電流引線一般采用電阻率小、導電性能好的紫銅材質，而銅的熱傳導性好，再加上溫差大，裸露在低溫容器外的引線極易結水或霜，這對引線的高電壓絕緣技術提出了更高的要求。目前尚沒有可靠、成熟的技術來解決或克服上述問題。脈沖高電壓情況下的電流引線也有研究(IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 10，no. 1，2000，ppl477)，主要使用在液氦冷卻條件下的氣冷電流引線，技術重點解決的是從事溫到液氦溫區的漏熱問題；有關高電壓絕緣采用的是技術方案是在電流引線外套一個直徑很大的不銹鋼管，內充流動的氮氣，采用氮氣間隔絕緣。該引線結構復雜，并且采用流動的氮氣絕緣，絕緣水平受氮氣溫度、流動情況的影響很大，高電壓絕緣能力不穩定；由于有出氣孔，極易結冰、水或露，對電流引線的絕緣有致命的破壞作用。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術存在的結構復雜、絕緣能力不穩定等缺陷，提出一種低溫高電壓絕緣引線裝置，本發明可以廣泛應用于室溫到低溫過度的高電壓超導電力裝置中。本發明高電壓絕緣電流引線主要由紫銅導體、絕緣套管、接線鼻子、絕緣子、密封0 圈，以及低溫容器法蘭等部件組成。所述的紫銅導體為一根粗細均勻的紫銅棒，紫銅導體的一端，即低溫端插入低溫容器內，所述的低溫端的末端預制成接線端子；紫銅導體的另一端，即室溫端伸出低溫容器夕卜；低溫容器內充有液氮或液氦。紫銅導體的長度為1。所述的絕緣套管選用玻璃鋼管材或GlO管材制作，絕緣套管長度1'比紫銅導體的長度1短3 7cm。絕緣套管套裝在紫銅導體外，絕緣套管的內徑與紫銅導體的外徑緊密配合，并使紫銅導體在低溫容器外的室溫端露出絕緣套管約2 5cm。接線鼻子與紫銅導體的室溫端露出絕緣套管部分的端部壓接， 共同組成絕緣引線主體。絕緣套管的中部位置有長度為I2的螺紋。絕緣套管的室溫端有長度為I1的密封端子，I1不小于30cm，此密封端子用于與常規電力電纜的密封連接，密封端子外徑不大于絕緣套管螺紋部分的最小直徑。根據超導裝置的額定電壓以及絕緣套管材質的電絕緣特性， 密封端子的管壁厚度t滿足下式t = 5+kU/u (1)式中t為密封端子的管壁厚度，單位為mm ；U為超導裝置的額定電壓，單位kV ；u為絕緣套管材質每mm厚度的擊穿電壓，單位為kV ;k為不同電壓等級下，U與一分鐘工頻耐壓的比值。低溫容器法蘭為密封低溫容器的蓋板，并隔開低溫容器與室溫空間。本發明絕緣電流引線的附屬配件主要包括絕緣子、密封0圈和螺母，絕緣子、密封0圈和螺母，主要用于絕緣電流引線與低溫容器法蘭的密封、防水、固定和加強絕緣等。密封0圈和絕緣子通過螺母固定在低溫容器法蘭上，它們的相對位置關系如下下螺母位于絕緣套管中部螺紋的最底部，下密封0圈在下螺母的上方，低溫容器法蘭在下密封0圈的上方，低溫容器法蘭的上方依次是中密封0圈、絕緣子、上密封0圈、上螺母，并旋緊，并且與絕緣引線主體同軸。下螺母與上螺母沿軸向把所有附屬配件固定在低溫容器法蘭上。絕緣套管的室溫端與低溫容器法蘭的垂直距離不小于60cm。絕緣電流引線的低溫端置于低溫容器內，并且絕緣電流引線的低溫端端頭在液氮或液氦的液面以下，以便于引線與超導裝置的連接與冷卻紫銅導體。由于紫銅的電阻隨著溫度的降低而減小，在-196°C的液氮溫度僅為室溫時的 1/8。為了減小電流引線從室溫到低溫的熱傳導，紫銅導體在低溫容器法蘭以下的部分也可以為變截面的，同時考慮到通電流時焦耳熱的影響，紫銅導體低溫端的截面可選擇為其室溫端截面的1/4 1/2。絕緣套管的內孔徑與紫銅導體緊密配合，絕緣引線的其他結構均不變。本發明通過絕緣引線的特殊結構及其附件與低溫容器的配合滿足了從室溫到低溫環境高溫度梯度的需求，還通過紫銅導體變截面結構有效降低從室溫到低溫環境的熱傳導，更重要的是有效的解決了電流引線的高電壓絕緣技術難題。本發明可以廣泛應用于超導限流器、儲能、變壓器等超導電裝置上。
圖1低溫高電壓絕緣引線示意圖，圖Ia為低溫高電壓絕緣引線部件結構圖，圖Ib為組裝后低溫高電壓絕緣引線示意圖，圖中1紫銅導體，2預制接線端子，3絕緣套管，4螺紋，5密封端子，6接線鼻子，7絕緣引線主體，1紫銅導體1的長度，I2螺紋4的長度，I1密封端子5的長度，A紫銅導體1的室溫端，B紫銅導體1的低溫端，C絕緣套管3的室溫端， D絕緣套管3的低溫端，E絕緣引線主體7的室溫端，F絕緣引線主體7的低溫端；圖2低溫高電壓絕緣引線及其附件的組裝位置關系示意圖，圖中8下螺母，9下密封0圈，10中密封0圈，11絕緣子，12上密封0圈，13上螺母；圖3組裝后的低溫高電壓絕緣弓I線及其附件示意圖，圖中14低溫容器法蘭，I3絕緣引線7室外部分長度；圖4變截面紫銅導體示意圖，圖中15變截面紫銅導體，A'變截面紫銅導體15的室溫端，B'變截面紫銅導體的低溫端。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發明。本發明低溫高電壓絕緣引線主要由紫銅導體1、絕緣套管3、接線鼻子6、絕緣子 11、下密封0圈9、中密封0圈10、上密封0圈12及低溫容器法蘭14等部件組成。如圖Ia所示，紫銅導體1為一根粗細均勻的紫銅棒，紫銅導體1的低溫端B插入低溫容器內，紫銅導體1的低溫端B的末端有預制的接線端子2，紫銅導體1的長度為1。絕緣套管3選用具有良好電絕緣性能、在低溫下具有良好的機械性能的材質，通常選用玻璃鋼管材。絕緣套管3的長度Γ比紫銅導體1的長度1短3 7cm。絕緣套管3的內徑與紫銅導體1的外徑緊密配合，紫銅導體1的室溫端A從絕緣套管3的室溫端C插入絕緣套管3內，并將紫銅導體1的室溫端A露出絕緣套管3的室溫端C約2 5cm，紫銅制作的接線鼻子6與紫銅導體1的室溫端A露出絕緣套管3部分的端部壓接，組成如圖Ib所示的絕緣引線主體7。絕緣套管3的中部位置有長度為I2的螺紋4，用于將絕緣引線主體7及絕緣子11、 密封0圈、螺母等附屬配件固定在低溫容器法蘭14上；絕緣套管3的室溫端C為長度為I1 的密封端子5，I1的長度不小于30cm，密封端子5用于絕緣電流引線主體7與常規電力電纜的密封連接。密封端子5的外徑不大于螺紋4螺紋底部的最小直徑。根據超導裝置的額定電壓以及絕緣套管材質的電絕緣特性，密封端子5的管壁厚度t滿足所述的式(1)。如圖2所示，絕緣引線主體7的附屬配件主要包括下螺母8、下密封0圈9、中密封 0圈10、絕緣子11、上密封0圈12、上螺母13等，所述的附屬配件主要用于絕緣引線主體7 與低溫容器法蘭14的密封、防水、固定和加強絕緣等。絕緣套管上的螺紋4長度I2不小于所有附屬配件的軸向長度之和。如圖2所示，附屬配件之間的位置關系如下下螺母8在絕緣套管3中部螺紋4的最底部，下密封0圈9在下螺母8的上方，低溫容器法蘭14在密封0 圈9的上方，低溫容器法蘭14的上方依次是中密封0圈10、絕緣子11、上密封0圈和上螺母13。如圖3所示，低溫容器法蘭14是密封低溫容器的蓋板。絕緣引線主體7穿過低溫容器法蘭14上的孔，下螺母8與上螺母13將絕緣引線主體7及附屬配件固定在低溫容器法蘭14上。絕緣套管3的室溫端C與低溫容器法蘭14的垂直距離小于60cm，絕緣引線主體 7的低溫端F在低溫容器中液氮或液氦的液面以下。組裝后的低溫高電壓絕緣引線裝置如圖3所示。
由于紫銅的電阻隨著溫度的降低而減小，在-196 °C的液氮溫度僅為室溫時的 1/8。為了減小引線主體7從室溫到低溫的熱傳導，紫銅導體1在低溫容器法蘭14以下的部分可以為變截面的。同時考慮到通電流時焦耳熱的影響，紫銅導體從低溫容器法蘭位置到其低溫端采用變截面圓臺結構，紫銅導體的低溫端的截面為其室溫端截面的1/4 1/2。 如圖4所示，變截面紫銅導體15'從低溫容器法蘭位置到其低溫端B'的一段采用變截面圓臺結構。絕緣套管3的內孔徑與變截面紫銅導體15的變截面結構相似，絕緣套管3的內孔徑比變截面紫銅導體15的外徑大0. 2 0. 5mm, 二者緊密配合，低溫高電壓絕緣弓I線裝置的其他結構均不變。
權利要求
1.一種超導電力裝置用高電壓絕緣電流引線，其特征在于，所述的電流引線主要由紫銅導體(1)、絕緣套管(3)、接線鼻子(6)、絕緣子(11)、密封0圈及低溫容器法蘭(14)組成；所述的紫銅導體(1)為一根粗細均勻的紫銅棒，紫銅導體(1)的低溫端B插入低溫容器內，紫銅導體(1)的低溫端B的末端有接線端子O)；所述的絕緣套管(3)的長度Γ比紫銅導體(1)的長度1短3 7cm ；所述的絕緣套管(3)的內徑與紫銅導體(1)的外徑緊密配合；絕緣套管C3)套裝在紫銅導體(1)外，紫銅導體(1)從絕緣套管(3)的室溫端C插入絕緣套管(3)內，紫銅導體(1)的室溫端A露出絕緣套管(3)的室溫端C;所述的絕緣套管(3)的中部位置有螺紋；所述的接線鼻子(6)與紫銅導體(1)的室溫端A露出絕緣套管(3)部分的端部壓接，組成絕緣引線主體(7)，所述的絕緣引線主體(7)的低溫端F在低溫容器中液氮或液氦的液面以下；低溫容器法蘭(14)密封低溫容器；下螺母(8)在絕緣套管中部螺紋(4)的最底部，下密封0圈(9)在下螺母(1 的上方；低溫容器法蘭(14)的上方依次是中密封0圈(10)、絕緣子(11)、上密封0圈(12)，下螺母(8)與上螺母(13)沿軸向把中密封0圈(10)、絕緣子(11)、上密封0圈(12)固定在低溫容器法蘭(14)上，并與絕緣引線主體(7)同軸。
2.按照權利要求1所述的超導電力裝置用高電壓絕緣電流引線，其特征在于，所述的絕緣套管(3)的室溫端C為長度為I1的密封端子(5)，密封端子(5)用于絕緣電流引線主體(7)與常規電力電纜的密封連接；密封端子( 的外徑不大于螺紋(4)底部的最小直徑；密封端子(5)的管壁厚度t滿足式t = 5+kU/u式中t為密封端子的管壁厚度；U為超導裝置的額定電壓；u為絕緣套管材質每mm厚度的擊穿電壓；k為不同電壓等級下，U與一分鐘工頻耐壓的比值。
3.按照權利要求1所述的超導電力裝置用高電壓絕緣電流引線，其特征在于，所述的紫銅導體(1)的室溫端A露出絕緣套管(3)的室溫端C 2 5cm。
4.按照權利要求1所述的超導電力裝置用高電壓絕緣電流引線，其特征在于，所述的絕緣套管3的室溫端C與低溫容器法蘭14的垂直距離不小于60cm。
5.按照權利要求1所述的超導電力裝置用高電壓絕緣電流引線，其特征在于，所述的紫銅導體的室溫端從其在低溫容器法蘭位置到其低溫端采用變截面圓臺結構；紫銅導體的低溫端的截面為其室溫端截面的1/4 1/2 ；所述的絕緣套管(3)的內孔徑與變截面紫銅導體(1 的變截面結構相似，絕緣套管(3)的內孔徑比變截面紫銅導體(1 的外徑大0. 2 0. 5mmο
全文摘要
一種超導電力裝置用高電壓絕緣電流引線，其紫銅導體(1)的低溫端B插入低溫容器內，所述低溫端B的末端裝有接線端子(2)。紫銅導體(1)從絕緣套管(3)的室溫端C插入絕緣套管(3)內，紫銅導體(1)的室溫端A露出絕緣套管(3)的室溫端C；絕緣套管(3)的中部位置有螺紋(4)。接線鼻子(6)與紫銅導體(1)的室溫端A露出絕緣套管(3)部分的端部壓接，組成絕緣引線主體(7)。絕緣引線主體(7)的低溫端F在低溫容器中液氮或液氦的液面以下。密封O圈和絕緣子(11)通過螺母沿軸向固定在低溫容器法蘭(14)上，并與絕緣引線主體(7)同軸。紫銅導體的室溫端從其在低溫容器法蘭位置到其低溫端可采用變截面圓臺結構。
文檔編號H01R11/12GK102568696SQ201210042720
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月22日 優先權日2012年2月22日
發明者周微微, 張東, 張京業, 戴少濤, 林良真, 王子凱, 肖立業, 許熙 申請人:中國科學院電工研究所