专利名称：超导电缆线的冷却方法
技术领域：
本发明涉及一种超导电缆线的冷却方法。更具体地，本发明涉及一种防止超导电缆线的绝缘材料中所包含的水分凝固、从而防止冷却剂堵塞流通管道的超导电缆线冷却方法。
背景技术：
图2是一种冷介电型超导电缆示例的结构剖面图，该电缆具有三个缠绕的芯线。图3是电缆芯线的透视图。
超导电缆通常包括在其内部的缠绕的电缆芯线101，设置在芯线101的外面的双绝缘管(波纹内管103和波纹外管105)，保护性遮盖外壳106，以及置于管103和104之间的绝热层104。电缆芯线101外表面和波纹内管103的内表面之间的空间是冷却剂(即液氮)通道102。
每个电缆芯线101从内部依次包括中空或实心定径管107、超导层108、冷介电层109、超导屏蔽层110以及由合成树脂制成的保护层111。介电层109通常由牛皮绝缘纸或半合成纸缠绕在超导层上制成，包括例如聚丙烯叠层纸(由聚丙烯和牛皮纸制成的叠层绝缘纸)(品牌名PPLP)的叠层绝缘纸。
图4是传统超导电缆线的示意图。图5是图4的部分C的放大示意图。设置有如上结构超导电缆的超导电缆线15在其两端与管道(供应管19’和回流管19)连接，从而在它们之间形成环路。此外，在超导电缆线的15的中间部分设置有冷却装置16以冷却例如液氮的冷却剂。超导电缆线15由通过连接部分15B连接在一起的超导电缆制成，在超导电缆线15的两端设置有三相分线盒15A，15C，以将包含在超导电缆线中的电缆芯线分成三相。电缆芯线分别与分线管21相连。分线管21与供应管19’连接以提供冷却剂，而与回流管19连接以将冷却剂送回到冷却装置16。冷却装置16设有用以冷却冷却剂的制冷机17和用以循环冷却剂的循环泵18。
如图5所示，在超导电缆线末端部分的分线管21包括外管21A和内管21B，两管之间设有真空绝缘层19B。同样地，与分线管21连接的回流管19包括外管19A和内管19C，两管之间设有真空绝缘层19B。
传统超导电缆线的冷却方法将参考图4所示的示意图加以描述。
当超导电缆线15处于建造的初始状态时，只有超导电缆设置在超导电缆线15中，冷却剂还未通过在图2中示出的流通通道102投入循环，流通通道102处于中空状态。当超导电缆线15投入工作，冷却剂被从冷却装置16输送到流通通道102。图4中的轮廓箭头表明了冷却剂的流动方向。如轮廓箭头所示，在超导电缆线15的工作中，循环冷却在超导电缆线15→回流管19→冷却装置16→供应管19’→超导电缆线15的密闭环形系统中重复执行。在此循环冷却中，冷却剂工作以冷却图3中的超导层108和超导屏蔽层110，且对电缆的电绝缘起到作用。
冷却开始一段时间以后，使超导电缆线15冷却下来的冷却剂蒸发成气体以逐渐降低电缆线15的温度，且同时沿电缆线15的纵向流动。例如，当液氮被用作冷却剂时，冷却开始一段时间以后，液氮气化，同时沿电缆线15的纵向流动，以将超导电缆线的温度从正常温度降低到液氮的温度(约-196℃)。产生的氮气通过开启阀V4从位于回流管19中间部分的排气管22泄出(purged)。
如上所述，冷却开始一段时间以后，超导电缆线15中的冷却剂没有浸入到超导电缆的介电层109，因此介电层109依旧处于初始状态，其中，如牛皮绝缘纸的绝缘纸或如聚丙烯叠层纸的半合成纸包裹在超导层外。将绝缘纸用于油浸电缆(oil filled cable)的介电层时，通常在使用前用真空烘干绝缘纸。这是因为绝缘纸中包含的水分可以加速电缆的电属性的破坏。在超导电缆的情况下，当绝热管在制造过程中抽真空时，介电层可以被抽成真空。然而，当介电层暴露在电缆终端处理的环境中时，水分夹带在介电层109的表面，造成介电层109的表面具有约5000ppm的水分。即使在电缆安装在电缆线中时，波纹管103的内表面和电缆的全部电缆芯线101经常处于吸湿的状态。
当超导电缆线的冷却在介电层的表面处于水分夹带的状态下开始时，夹带的水分通过冷却剂冷却并固化，导致一种可能的问题冰或凝固的水分可以堵塞在电缆部分的末端。
当超导电缆线15开始工作时，来自电缆芯线101的介电层和其他部分的水分通过冷却剂冷却，这样被冷却的水分以冻冰(sherbet-ice-like)或颗粒的形式凝结或固化。之后，经电缆线顺序蒸发和流动的氮气和其他气体试图将那些固化的水分推向排气部分B并将其从排气部分B排出。
通常回流管19具有窄约20mm的内径，且回流管以直角或近似直角转向。因此，冰或者以冻冰(sherbet-ice-like)或颗粒的形式固化的水分易于在电缆线的排气侧(在图4所示的右手侧)的分线管21和回流管19之间的接合处21C(见图5)充塞。冰或固化水分的充塞可引起回流管19堵塞或净内管19C的截面积减小，从而可能引起循环冷却剂失效，且可能引起电缆线的冷却失效。
在管的外面加热使充塞物质融化从而消除，是可以想象的。但是，即使从外部加热回流管和分线管时，因为这些管由于抽真空而绝热，热量不易传输到管的内部，所以难于通过在管的外部加热来融化充塞物质。此外，一旦回流管和分线管被加热时，需要较长时间将这些管恢复到它们的先前状态，这样造成时间和经济方面的损失。
本发明的主要目的在于提供一种超导电缆线的冷却方法，其中包含在位于超导电缆线中的电缆中的水分在冷却前被从电缆中去除，以防止水分凝固，从而防止如回流管的冷却剂流通管道被凝固的水分堵塞。
发明内容
根据本发明，上述目的通过这种方法来实现，其中通过超导电缆线将气体吹入，以在冷却超导电缆线之前加热电缆线的内部。
本发明提供了一种超导电缆线的冷却方法，该方法包括用于冷却的预处理在安装超导电缆安装之后，冷却剂流入电缆线之前，吹入惰性气体，使其穿过电缆线，从而将包含在电缆线中的水分从电缆线中排出。
根据本发明，安装超导电缆线之后，开始冷却之前，吹入惰性气体，使其经过超导电缆线，以使得包含或夹带在超导电缆的介电层表面的水分随气体一起排出，从而防止流通管道和回流管被堵塞。根据本发明，在安装超导电缆之后，而不是制造超导电缆时，可将在冷却剂循环时产生有害影响的包含在电缆的介电层和其他部分的水分，在上述方式的超导电缆线的安装模式中从电缆的介电层和其他部分排出。
以下将对本发明作具体描述。
本发明中使用的惰性气体优选地预加热到水分几乎不能转化成固态的程度，且介电层的绝缘属性不会被损坏。特别地，惰性气体优选地加热到一温度，该温度不高于绝缘材料所允许的温度。惰性气体的预加热可有助于使包含在介电层和其他层中的水分气化，从而该水分可易于随气体一起排出。结果，去除水分所需的时间得以缩短以改善工作能力。优选地，由聚丙烯叠层纸制成的超导电缆的介电层的预加热温度不高于130℃，或优选不高于80℃。另一方面，优选地，由绝缘纸制成的介电层的预加热温度不高于80℃。便宜的氮气优选作为惰性气体使用。
优选地，超导电缆线具有这样的结构，该结构能够控制被吹入的惰性气体的温度。而且，可测量排出的水分，这样，排出水分的量，换句话说，包含在形成超导电缆线的超导电缆中的水分的量，能够得以掌握。特别地，惰性气体从惰性气体供应装置吹入电缆线，惰性气体供应装置包括惰性气体发生器或容器、惰性气体加热装置和惰性气体温度测量装置。当吹入到电缆线中的惰性气体从电缆线的另一端排出时，包含在排出的惰性气体中的水分可在该位置进行测量。例如，所使用的惰性气体发生器包括作为加热装置使用的、具有温控能力的加热器；和，作为温度控制装置使用的、用于掌握气体温度的气体温度测量仪。在此惰性气体发生器中，可由加热器预先设置所需温度，同时温度也可由气体温度测量仪监控，从而反馈控制。此外，水含量可由设置在超导电缆排气侧的湿度测量装置测量，在此处湿度最大，即在回流管的排气管处。
可使用的惰性气体发生器或容器包括装有惰性气体的气瓶或装有惰性液体(从中可获取气体)的气瓶。优选使用商业上可获得的冷转炉(cold-converter)作为后者。优选使用冷转炉是因为某一时刻从冷转炉中可比从装有干燥气体的气瓶中获取更大量的气体。气体可以通过使用蒸发器从冷转炉中的惰性液体中获得，或储存在瓶中的气体可直接从气瓶的气体排气部分获得，而不使用蒸发器。
优选地，在进行冷却准备并接着进行超导电缆的抽真空之后，冷却剂流入电缆线直到电缆线充满冷却剂。虽然存在于超导电缆的介电层和其他层表面的水分可以在冷却准备中除去，但将抽真空与冷却准备相结合时，存在于介电层和其他层内部的水分能够更有效和可靠地除去。可以想象将超导电缆线中的水分简单地通过抽真空除去。然而，因为一些超导电缆在接合处之间的长度约为400-500m，且存在于介电层和其他层内部的水分可逐渐移动到表面，所以，在通过抽真空而顺序蒸发水分时，仅通过抽真空需要花大量时间排除或去掉在超导电缆线中的水分。因此，在本发明中，同时进行冷却准备和抽真空。当冷却准备和抽真空重复进行多于一次时，超导电缆线中的水分能够更有效和可靠地除去。
期望连续地将如氮气的惰性气体吹入电缆线，直到超导电缆的介电层和其他层的水分含量不多于3000ppm，或优选不多于1800ppm。发明者的研究表明，通过除湿过程，在排气端的水分含量减小到不超过一特定的水分含量时，即使当超导电缆线由如液氮的冷却剂冷却时，几乎不可能因管道堵塞或流通管道截面积和循环冷却剂流速的减小而引起循环冷却失效。
图1是本发明超导电缆线的冷却方法的示意图；图2是一种冷介电型超导电缆示例的结构剖面图，该电缆具有三个缠绕的芯线；图3是图2所示超导电缆的电缆芯线的透视图；图4是传统超导电缆线的示意图；以及图5是图4的部分C的放大示意图。
具体实施例方式
以下将对本发明的实施例进行描述。
图1是本发明超导电缆线的冷却方法的示意图。该超导电缆线的基本结构与图4中所示的传统超导电缆线相同。在本发明中，超导电缆线装有惰性气体发生容器，因而在冷却剂流入到超导电缆线15中之前，惰性气体从连接到供应管19’的流入管23吹经电缆线15，以从排气管中排除电缆线15中的水分和气体。以下，重点描述本发明，且集中在包含于超导电缆线15中的除湿结构。
如图1所示，超导电缆线15在入口侧A(在如图1所示的左手侧)设有氮气发生容器1和加热器3。在所示实施例中，在工作场合方便使用的便携式冷转炉被用作氮气发生容器1。氮气发生容器1在其出口的附近设有气体流量计2。当使用气体流量计2监测吹入电缆线的气体体积时，气体流量计2可设置在排气侧B。加热器3具有控制加热温度的能力。此外，加热器3在其出口处设有气体温度测量仪4，用于监控所提供气体的温度。加热器3连接到流入管23，通过该流入管，加热到一定温度的氮气被吹经超导电缆线15。在回流管19的排气侧B与回流管19相连的排气管22设有湿度测量装置20，以测量排出气体的水分含量。
在所示实施例中，除去包含在超导电缆线15中的水分的过程是在这样的条件下进行，即冷却设备16与超导电缆线断开。特别地，在供应管19’中的阀V1和在回流管19中的阀V2都关闭，同时另一方面，在流入管23中的阀V3和在排气管22中的阀V4都开启。然后，惰性气体从氮气发生容器1流入超导电缆线15，且从排气部分B侧吹出，由此超导电缆线15中的水分从排出惰性气体的环路中除去。包括有制冷机17和循环泵18的冷却设备作为一个组合件形成，这样抽真空和排气能够易于进行。如此一体化的冷却装置16有助于水分的去除，且这样能够允许将环路与冷却装置16分离，如本实施例所示。
在图1中，黑箭头表明了氮气的流动方向。如上所述，在安装超导电缆，以形成超导电缆线15之后，惰性气体吹经电缆线15，以在冷却剂流入电缆线15中之前除去包含在电缆线15中的水分。
(1)首先，氮气从氮气发生容器1中获取，且经气体流量仪2输入加热器3。
输入到超导电缆线中的气体由加热器3加热到一定温度，该温度对超导电缆的绝热材料没有影响。这是因为不低于标准温度的温度能够缩短去除水分所需的时间。然后，将气体输入到电缆线中，同时用温度测量仪4测量气体温度。吹入的氮气气体体积约在1-3升/秒的范围。
(2)从加热器3中排出的氮气经阀3输入到超导电缆线15中。
(3)流经超导电缆线15的氮气流经回流管19和排气管22，并和电缆线15中所含水分一起排出。
在此过程中，氮气被吹出，同时用湿度测量仪器监控排出气体的水含量。
(4)通过将惰性气体吹经超导电缆线15除去电缆线15中的水分后，停止吹入惰性气体。然后，将冷却剂送入电缆线，且在超导电缆线→回流管→冷却装置→超导电缆线的闭合环形系统中循环冷却，此方式与传统方式相同。
当通过湿度测量装置测得所排放氮气的含湿量达到3000ppm或稍小时，停止除湿操作。
此外，准备过程可以和抽真空过程相结合。在准备过程中，包含在超导电缆线中的水分可通过将惰性气体吹经电缆线而除去。在此结合的过程中，优选重复进行若干次短时间抽真空和惰性气体的吹入。抽真空可以通过将抽真空设备连接到流入管23来进行，这也可以作为将氮气发生容器1和加热器3连接到流入管23的另一备选方法。
工业应用如上所述，根据本发明的超导电缆线的冷却方法，在安装超导电缆线之后，以及冷却剂流经超导电缆线之前，将惰性气体吹经电缆线，以除去包含在电缆线中的水分，从而防止冷却剂造成的管道堵塞、流通通道截面积的减小以及循环冷却剂流速的减小。这样能够防止循环冷却的失效和冷却性能的损坏，由此改善了超导电缆线的性能。
权利要求
1.一种超导电缆线的冷却方法，该方法包括在安装超导电缆之后和冷却剂流入电缆线之前的冷却准备过程，在此过程中，吹入惰性气体，并使其经过电缆线，从而从电缆线中除去包含在电缆线中的水分。
2.如权利要求1所述的超导电缆线的冷却方法，其中惰性气体被加热到不高于绝热材料所允许温度的温度。
3.如权利要求1所述的超导电缆线的冷却方法，其中惰性气体是氮气。
4.如权利要求1所述的超导电缆线的冷却方法，其中惰性气体从惰性气体输入装置吹入电缆线，该惰性气体输入装置包括惰性气体发生器或容器、加热惰性气体的加热设备以及惰性气体温度测量设备，由此在电缆线的一端排出的惰性气体中的水含量可以得到测量。
5.如权利要求1所述的超导电缆线的冷却方法，其中在安装超导电缆之后，进行冷却的准备，接着进行超导电缆的抽真空，之后冷却剂流入电缆线直到电缆线充满冷却剂。
6.如权利要求5所述的超导电缆线的冷却方法，其中冷却准备和抽真空重复进行一次以上。
全文摘要
提供了一种超导电缆线的冷却方法，其中，包含在超导电缆线的电缆中的水分在安装超导电缆线之后冷却之前可被除去，从而能够防止水分凝固以防止包括冷却剂流通管道和回流管道的管道堵塞。提供了一种惰性气体发生容器，从而在冷却剂流入超导电缆线15之前，惰性气体从与供应管19’连接的流入管23吹入电缆线，并与水分一起从排气管22排出。惰性气体在输入到电缆线之前被加热器3预加热。与回流管19的排气侧B相连的排气管22设置有用以测量排出气体的水含量的湿度测量仪器20。
文档编号H01B13/00GK1610955SQ0380180
公开日2005年4月27日 申请日期2003年3月31日 优先权日2002年4月5日
发明者须泽千鹤, 增田孝人, 大仓健吾, 高桥芳久, 本庄升一, 下馆正人, 佐藤礼文, 内山敏之 申请人:住友电气工业株式会社, 东京电力株式会社