CN102754296B - 极低温线缆终端连接器 - Google Patents
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Abstract
提供一种极低温线缆终端连接器，该极低温线缆终端连接器具有来自外部的小的热流入和稳定的电绝缘特性。所述极低温线缆终端连接器具有引出导体（3），该引出导体经由液体制冷剂层（5）、制冷剂气体层（4）和油层（2）从极低温引出到常温。所述引出导体（3）设置有电容锥型绝缘体（34），其中，在整个所述绝缘体上叠置有多个金属箔（35），所述金属箔用于将电场从高压电位到接地电位进行分压。在电压从高压电位到接地电位逐渐改变的电场倾斜部之中，位于下部的电场倾斜部处于所述液体制冷剂层（5）中，位于上部的电场倾斜部处于所述油层（2）中。
Description
技术领域
本申请涉及一种用于传送电力的极低温线缆和超导线缆的末端结构。
背景技术
由诸如液态氮之类的极低温制冷剂冷却的超导线缆和极低温线缆在-100℃至-200℃下操作。为了利用这些线缆传送电力，必需将诸如处于常温部分中的变压器和开闭开关之类的常温设备连接至处于极低温环境下的线缆，并且线缆末端需要终端连接器。
该终端连接器具有从液态氮的温度(其为非常低的温度)至常温的大的温度倾斜(温度梯度)，这是因为连接器的一端由液态氮等冷却，而另一端引出到空气中。将利用图3说明通常的极低温线缆终端连接器。
图3是示出传统上通常的极低温线缆终端连接器的示例的纵向剖视图。如图3所示，诸如极低温线缆的连接器10借助连接器20连接到引出导体3。引出导体3穿过极低温部11和温度倾斜部12，所述极低温部11包括诸如液态氮的液体制冷剂层5，所述温度倾斜部12包括连接在液体制冷剂层5上方的、具有氮气等的制冷剂气体层4。引出导线3进一步穿过位于该温度倾斜部12上方的高电压引出部13并且引入位于空气部分处的高压端子24中。
高电压引出部13借助凸缘6与温度倾斜部12的制冷剂气体层4分开，并且主要包括绝缘体1和油层2，所述油层2例如是填充在绝缘体1内的绝缘油。在图3中，附图标记21表示外部压力容器，附图标记22表示内部压力容器。
通常使用各种形状的应力锥作为因此位于极低温线缆终端连接器中的引出导体3的涂层材料。应力锥包括绝缘涂层3a，该绝缘涂层3a周向围绕诸如铜的引出导体3设置，并且覆盖位于极低温部11上部的部分、位于温度倾斜部12内的部分以及位于高电压引出部13的下部处的部分。另外，用于电场控制的钟形口结构3g、3g设置在绝缘涂层3a的两端附近，抵接凸缘6的凸缘部3k设置在绝缘涂层3a的中心(专利文献1)。
此外，如图5所示，还存在设置有电容锥的引出导体3的示例。在图5所示的构造中，在导体3的周围设置线缆绝缘体3h，并且在线缆绝缘体3h的周围设置电容锥30，该电容锥30包括增强绝缘体3i和埋设在该增强绝缘体3i中的金属箔3j。(专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利申请特开2005-33964号公报
专利文献2：日本专利申请特开2001-8356号公报
发明内容
本发明要解决的问题
然而，在包括周向围绕引出导体的应力锥的传统提议的构造中存在制冷剂气体层不能较长的问题。在应力锥周围，从位于应力锥的两端处的高电压部到中心凸缘部3k的几乎均匀分布的电场变得较小。制冷剂气体层当暴露于高压时放电或者使绝缘破坏，这是因为耐压特性比油层和液体制冷剂的耐压特性低十分之一。因此，应力锥需要浸入液体制冷剂中直到电压变得比制冷剂气体层的耐压值小的点为止，并且因此应力锥的制冷剂气体层仅能够大约为500mm长。
结果，制冷剂气体层在位于极低温下的制冷剂层和位于常温下的油层之间具有从极低温到常温的温度梯度。当该部分较短时，存在穿过容器壁、气体层、应力锥和导体的大的热流入，并且难以充分降低来自外部的热流入。尽管在专利文献2中在技术上描述了使用电容锥，但没有提及制冷剂气体层的长度，并且想到该技术具有与使用应力锥的情况相同的问题。
另外，在这两种传统技术中，应力锥和电容锥均直接实施到导电的导体。在电力线缆中，在正常操作下，当在系统内发生短路或接地故障时，存在超过正常电流10倍以上的电流。当存在这种短路或接地故障电流时，导体被电流加热并且终端连接器的温度迅速升高，其中绝缘体直接施加到该连接器中。当如上所述温度升高时，周围的应力锥或电容锥的热膨胀或热收缩可在绝缘体上产生过应力，并且绝缘涂层可能分离。
本发明的目的是提供一种具有来自外部的小热流入和稳定的电绝缘特性的极低温线缆终端连接器。
解决问题的手段
为了解决上述提及的问题，本发明包括一种极低温线缆终端连接器，该极低温线缆终端连接器具有引出导体，该引出导体经由液体制冷剂层、制冷剂气体层和油层从极低温引出到常温，其中，所述引出导体设置有电容锥型绝缘体，在整个所述绝缘体上叠置有多个金属箔，所述金属箔用于将电场从高压电位到接地电位进行分压，并且在电压从高压电位到接地电位逐渐改变的电场倾斜部之中，位于下部的电场倾斜部处于所述液体制冷剂层中，并且位于上部的电场倾斜部处于所述油层中。
根据本发明，在实施周向围绕经由液体制冷剂层、制冷剂气体层和油层从极低温到常温引出的引出导体的电容锥的构造中，金属箔在绝缘体中的定位得以调节并且由此电场分布能被调节成限定程度。通过将其中电压从高压电位到接地电位逐渐下降的电场倾斜部定位在液体制冷剂层和油层中，可以通过将引出导体的具有高电压的端部和其中电压从端部的电位到接地电位的逐渐变化的电场倾斜部定位在具有高耐压特性的液化气体和油中来确保作为绝缘的可靠性。另一方面，不用担心放电和闪络，这是因为具有低耐压特性的制冷剂气体层中的绝缘体表面位于接地电位。
在根据本发明的极低温线缆终端连接器中，所述液体制冷剂层中的所述电容锥型绝缘体的表面电位位于所述接地电位，并且所述制冷剂气体层中的所述电容锥型绝缘体优选地等于或长于1000mm。
在该构造中，通过调节电容锥型绝缘体的表面的电场分布，可以任意地确定接地电位部的长度。因此，通过加长待位于接地电位的绝缘体(优选地，1000mm或更长)并通过加长在具有低导热性的制冷剂气体层和液化制冷剂层(极低温度)中的常温部，可以降低热侵入。此外，通过加长制冷剂气体层，可以降低来自容器壁的热侵入和通过气体层侵入的热。总之，可以提供具有来自外部的小量的热流入的终端连接盒。
在根据本发明的极低温线缆终端连接器中，所述电容锥型绝缘体周向围绕中空管施加，并且所述引出导体优选地在所述中空管内从常温部贯通到极低温部。这里，期望的是，所述引出导体的外径和所述中空管的内径之间的差为10mm以上。
因此，传送电流的包括诸如铜或铝的良导体的引出导体收纳在中空金属管中，在该金属管周向外周施加电容锥型绝缘体，并且导体的外径和中空管的内径之间的差形成为等于或大于10mm，并且由此液化制冷剂进入导体和中空管之间。导体和液态氮彼此直接接触，并且由此例如冷却效率得以改善且初始冷却的时段能够缩短。
此外，当在其中连接有超导线缆或极低温线缆的系统中或线缆自身中发生短路或接地故障时，比正常电流大10倍至20倍的电流在短时间内流动。在该情况下，即使短路电流或接地故障电流流过导体并且导体由焦耳热加热，具有差导热性的气体层也定位在绝缘体和导体之间，并且由此导热性变弱，诸如热收缩和热膨胀的热应力未被施加，并且能够健全地保持绝缘体。
在本发明中，所述中空管的上部期望地与所述引出导体之间为气密结构。中空管的上部和引出导体之间的这种气密结构使得可以有效地利用中空管的整个长度。
另外，在本发明中，期望的在所述电容锥型绝缘体的周向外周上，在所述制冷剂气体层和所述油层之间设置有凸缘，该凸缘以气密的方式隔离所述制冷剂气体层和所述油层。因此，用于气密地隔离制冷剂气体层和油层的凸缘周向围绕所述电容锥型绝缘体设置在制冷剂气体层和油层之间，并且由此可以可靠地分离温度倾斜部和高电压引出部，并且通过利用该凸缘可以容易地实施电容锥型绝缘体的相对定位和安装。
发明效果
根据本发明，可以获得具有来自外部的小热流入和稳定电绝缘特性的极低温线缆终端连接器。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施方式的极低温线缆终端连接器的主要部分的纵向剖视图。
图2是根据本发明的实施方式的电容锥的放大纵向剖视图。
图3是示出根据传统技术的极低温线缆终端连接器的主要部分的纵向剖视图。
图4是根据传统技术的应力锥的放大纵向剖视图。
图5是根据传统技术的电容锥的放大纵向剖视图。
具体实施方式
在下文中，将参照图1和图2详细地描述本发明的实施方式。
图1是根据本发明的实施方式的用于极低温线缆、超导线缆等的终端连接器的主要部分的纵向剖视图。图2是该实施方式中的电容锥的放大纵向剖视图。
在这些图中，为与图3中所示的传统技术中的基本相同的部件赋予相同的附图标记。
在图1中，引出导体3的下端位于液体制冷剂层5中。在该实施方式中，引出导体3例如借助于诸如柔性连接器的连接终端20连接至超导线缆的导体10。其下端如此连接至导体10的引出导体3经由极低温部11、温度倾斜部12、凸缘6以及连接在温度倾斜部12上方的高电压引出部13向上引出到高电压引出部13的末端，即，常温部。附带地，极低温部11和温度倾斜部12主要包括：由SUS制成的内部压力容器22，该内部压力容器利用外部压力容器21覆盖，该外部压力容器类似地由SUS制成并且形成真空绝热层；以及液体制冷剂层5和气体制冷剂层4，如图1所示，所述液体制冷剂层5和气体制冷剂层4形成在该内部压力容器22中。液体制冷剂容器23包括外部压力容器21和内部压力容器22。附图标记5a表示液体制冷剂层5的液位。
另外，借助凸缘6与温度倾斜部12分离的高电压引出部13主要包括：绝缘体1；油层2，该油层2包括填充在绝缘体1内的绝缘油等；以及高压端子24，该高压端子设置在绝缘体1的末端处。
因此位于超导线缆终端连接器中的本申请的引出导体3在突出到空气中的部分中处于常温下并且在位于液体制冷剂容器23的内部压力容器22中的部分处位于非常低的温度下。因此，引出导体3延伸穿过位于极低温部11中的部分、位于温度倾斜部12中的部分以及位于高电压引出部13中的部分。将利用图2中所示的纵向剖视图详细地说明具有电容锥结构的绝缘体的引出导体3。
不锈钢中空管31以间隙α周向围绕引出导体3的方式同轴地布置，该引出导体3包括诸如铜或铝的良导体。中空管31的上端利用凸缘32支撑在引出导体3上。凸缘32形成为具有与中空管31几乎相同的外径的环形凸缘，并且围绕贯通该凸缘32的中央部的引出导体3周向固定。类似的环形端板33一体形成在中空管31的上端，并且在该端板33的中央部形成有孔33a，以用于使引出导体3气密地从其穿过。端板33附接到凸缘32，由此中空管31在定位状态下支撑在引出导体3上。
中空管31不需要是金属的，并且能够使用诸如FRP(纤维增强塑料)制成的树脂管，树脂管具有降低来自常温的热侵入的优点。引出导体3和中空管31之间的、作为引出导体3的外径和中空管31的内径之间的差的空间优选地等于或大于10mm，以使液体制冷剂容易穿透到该空间中。
使用FRP作为主要绝缘材料的电容锥型绝缘体34围绕该中空管31周向地形成。该电容锥型绝缘体34与已传统地用在诸如OF线缆(油填充线缆)的终端连接器中的电容锥部具有相同的构造。也就是说，均形成宽度恒定的电容器电极的金属箔35在纺锤状锥部14a、14c内彼此平行地以几乎规则的间隔并且以阶梯状和同心的方式埋设在绝缘体36中。
使用环氧树脂、EPR(乙丙橡胶)、橡胶、FRP等作为绝缘体36。另外，金属箔35包括铝箔等，并且具有相等电容的电容器在电容锥型绝缘体34中从高压(引出导体3)侧到低压(凸缘6)侧彼此串联地连接。因此，沿着电容锥型绝缘体34的界面的电场几乎均匀地布置。此外，作为电容锥型绝缘体34的最外层的金属箔35利用附接到电容锥型绝缘体34的接地线(图中未示出)接地，并且因此具有引出导体3的最外直径的柱状部14b的表面电场能处于接地电位。另外，柱状部14b设置有凸缘6，该凸缘6用于将图1中的油层2和制冷剂气体层4隔离，并且借助粘合剂等固定在电容锥型绝缘体34的表面上，以防止油泄漏和气体泄漏。
作为第二实施方式，使用薄膜来制造电容锥型绝缘体。作为绝缘材料，可以使用涂覆有粘性树脂的聚酰亚胺薄膜带或聚乙烯薄膜带、已预浸渍有环氧树脂的玻璃带等。在用于形成绝缘的方法中，这些薄膜被卷绕成层，并且用分布在薄膜之间的粘合剂和树脂结合。这些带卷绕成大约1mm至2mm厚，并且之后卷绕铝带以形成电容锥型绝缘体。该方法能够在不使用高压浸渍容器等的情况下制造电容锥型绝缘体，并且具有降低生产成本的优点。
(实施例)
接下来，将以产生用于275kV的超导线缆的终端连接器为例来说明各个效果。用于275kV的超导线缆的终端连接器的引出导体3使用铜棒作为引出导体3的棒。铜棒的外径是70mmΦ。内径为85mmΦ且外径为105mmΦ的FRP管用作中空管31。电容锥型绝缘体34设置在中空管31的外部并且下锥部14a为1000mm长，柱状部14b为1500mm长，上锥部14c为1000mm长。
需要275kV的空气终端来耐受1300kV的脉冲电压。在该情况下对于电容锥型绝缘体34的设计电场，液体制冷剂层5和油层2两者的表面强度均大约为1.3kV/mm，该表面强度比作为液体制冷剂层5和油层2的设计容许电场的10kV/mm足够地低。因此，能够获得不会引起放电或绝缘破坏的电绝缘的高可靠性的终端。
此外，制冷剂气体层4能够等于或长于1000mm，并且因此可以使来自层内的液化制冷剂容器22的壁面以及来自引出导体3的热流入等于或小于500w，以获得具有小热流入的终端连接器。
当在超导线缆中发生短路或接地故障时，为操作电流的10倍至20倍的电流在短时间内瞬间流动，直到系统断路器跳闸。在275kV的线缆中，达于63kA的电流流动0.6秒。当该短路电流或者接地故障电流瞬间流入终端连接器中的引出导体中时，借助实施方式中的焦耳发热，温度从-196℃的非常低的温度升高到100℃，温度升高大约300℃。
然而，由于在本发明中绝缘体不直接施加到引出导体3并且保持有空间，因此，引出导体3中的热不被传递到绝缘体36，并且绝缘体36的温度与短路电流流动之前的温度相比不升高。由此，在绝缘体36中没有发现分离或裂缝。
上述构造能够形成这样的超导线缆终端连接器装置，该超导线缆终端连接器装置能够耐受3000A的电流、275kV的电压、1300kV的脉冲电压和63kA的短路电流的电流测试，而提供可靠性高的终端连接器。尽管实施例引用了超导线缆，但该实施例也可用于极低温线缆的终端连接器。
根据该实施例的极低温线缆终端连接器，通过将电容锥型绝缘体34的电压梯度部(锥部14a和14c)浸入液体制冷剂层5和油层2中，能够形成具有大耐受电压裕度的绝缘设计。此外，通过使具有低介电强度的制冷剂气体层4中的绝缘体36的表面电场位于接地电场，可以避免具有低耐压特性的气体层中的放电和闪络的事故。换言之，液体制冷剂层5的液位5a和凸缘6的上表面(或油层2的下端)两者都期望地位于电容锥型绝缘体34的柱状部14b的高度范围内。此外，在引出导体3和电容锥型绝缘体34的中空管31之间提供空间使得较难以在位于引出导体3的绝缘涂层部处的绝缘涂层上加载过度应力并且较难以使绝缘涂层被分离。因此，可以提供可靠性高的极低温线缆终端连接器。
工业实用性
本发明能够用于传送电力的极低温线缆和超导线缆的末端结构。
附图标记说明
1 绝缘体
2 油层
3 引出导体
4 制冷剂气体层
5 液体制冷剂层
10 导体
11 极低温部
12 温度倾斜部
13 高电压引出部
14a、14c 锥部
14b 柱状部
20 连接端子
21 外部压力容器
22 内部压力容器
23 液体制冷剂容器
24 高压端子
31 中空管
32 凸缘
33 端板
33a 孔
34 电容锥型绝缘体
35 金属箔
Claims (4)
1.一种极低温线缆终端连接器，该极低温线缆终端连接器包括引出导体，该引出导体经由液体制冷剂层、制冷剂气体层和油层从极低温引出到常温，其中，
所述引出导体设置有电容锥型绝缘体，在所述电容锥型绝缘体中，在整个所述电容锥型绝缘体上叠置有多个金属箔，所述金属箔用于对电场进行分压，使其从高压电位降到接地电位，并且
在电压从高压电位到接地电位逐渐改变的所述电容锥型绝缘体的电场倾斜部之中，位于下部的电场倾斜部处于所述液体制冷剂层中，并且位于上部的电场倾斜部处于所述油层中，
所述电容锥型绝缘体周向围绕中空管设置，并且
所述引出导体在所述中空管内从常温部贯通到极低温部，
所述中空管的上部与所述引出导体之间为气密结构，
所述中空管的下部与所述引出导体处于释放状态。
2.根据权利要求1所述的极低温线缆终端连接器，其中，
所述制冷剂气体层中的所述电容锥型绝缘体的表面电位处于所述接地电位，并且所述制冷剂气体层中的所述电容锥型绝缘体等于或长于1000mm。
3.根据权利要求1所述的极低温线缆终端连接器，其中，
所述引出导体的外径和所述中空管的内径之间的差为10mm以上。
4.根据权利要求1所述的极低温线缆终端连接器，其中，
在所述制冷剂气体层和所述油层之间周向围绕所述电容锥型绝缘体设置有凸缘，该凸缘以气密的方式隔离所述制冷剂气体层和所述油层。
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