[发明专利]高温超导电缆电流引线结构及其设计方法

说明书

高温超导电缆电流引线结构及其设计方法，采用沿引线轴方法平行排列多根金属棒，各根金属棒之间保持预设间距，金属棒包括第一引线段、第二引线段和第三引线段；第一引线段的底端接触液氮液面，第一引线段的顶端连接第二引线段的底端；第二引线段的顶端连接第三引线段的底端，第三引线段的顶端连接室温接线端子；第一引线段和第三引线段是实心金属棒，第二引线段是空心金属棒，第二引线段的顶端不超过环氧板位置。采取内部开空心槽的方式，结构简单，显著优化了热场分布，降低了电流引线漏热，为后续电流引线设计提供可靠的支撑；采用该结构的电流引线易于加工制造、便于安装检修，有利于工程推广应用。

技术领域

本发明涉及高温超导电缆电流引线技术领域，更具体地，涉及高温超导电缆电流引线结构及其设计方法。

背景技术

高温超导电缆具有传输功率大、电流密度高、损耗低和环境友好等优点。高温超导电流引线是一种复合电流引线，在低温段采用高温超导材料，在室温与高温超导材料之间采用铜或铜合金等导电材料，作为陶瓷材料的高温氧化物超导材料的热导率很低，正常工作时不产生热量，因而注入液氮容器的热量非常小，在常规电流引线部分，由于缩小了引线两端的温差，引线漏热也相应减小。

但是，电流引线本身具有一定的电阻，因而在传输电流时要产生热量，这些热量的一部分由引线末端传入低温容器。小型超导电缆的运行电流小，对电流引线可以不作特殊考虑；但是，在大型超导电缆中，电流引线漏热在很大程度上决定着超导电缆在正常运行时所需的冷却容量。因此，在大型超导电缆的设计中，电流引线的设计十分讲究，必须仔细考虑引线各个部分的设计方法。电流引线的设计就是要在满足超导电缆运行电流要求的前提下，尽可能得减小流入低温容器的热量。

通过研究发现，在一定的电流下，电流引线漏热与制作引线的材料有关，一旦引线材料确定后，则引线的漏热与引线的尺寸、形状密切相关，因此，引线尺寸、形状的优化十分重要。由电流引线传入低温容器的漏热包括传导热和焦耳热。加大电流引线的截面积，可以减小焦耳热，但会增加由传导热引起的漏热；而减小电流引线的截面积，情况则刚好相反。因此，在引线各项参数已知的情况下，存在一个热损耗最小的长衡比L/A，即引线长度与横截面积的比值，使得引线末端流入超导电缆低温容器的热量最小。

现有技术中，中国发明专利(CN110323325)公开了一种珀尔帖电流引线装置，通过在现有的铜或铜合金引线插入由热电材料碲化铋形成的电流引线，能够在电流引线通过电流时将电流引线低温端的热量传递到室温端，并且由于碲化铋材料的热导率仅为铜材料的0.4％，在没有电流通过时，能够减少电流引线造成的漏热。

现有技术中，电流引线常常设计成类似热交换器的形式，以尽可能的减小通过电流引线向低温容器的漏热，用不同材料制成的电流引线有不同的最低漏热，在给定材料的基础上，进一步优化电流引线的尺寸来使引线漏热接近最小值；利用低温冷却液容器中冷却液蒸发出来的冷却气体带走电流引线上的传导热和焦耳热，即采用气冷电流引线结构，充分利用冷却气体的显热将大大降低电流引线的漏热，从而减小冷却液的蒸发量。

中国发明专利(CN110994534)公开了一种基于蒸发冷却的多段式电流引线，第一引线段包裹超导电缆和引线，第二引线段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，第四引线段从第三引线段向室温端实现温度过渡；其中第三引线段采用引线截面上两个方向互相垂直且平行排列多根铜排的排列方式，各铜排之间保持预设的间距。中国发明专利(CN107068324)公开了一种6kA高温超导电流引线，其中铜换热器段采用30根直径6mm的铜棒，并呈内层10根、外层20根的排布方式。

综上，需要进一步优化引线结构，减小由焦耳热以及外部传入热量产生的电流引线漏热。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种高温超导电缆电流引线结构及其设计方法，通过优化电流引线结构，以减小电流引线的漏热量。