专利名称：输电冷却系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及 一 种冷却系统，更具体而言，涉及 一 种用于高温超导 (hightemperature superconducting ;HTS)装置、尤其是HTS电力电缆的低温冷却系统。
背景技术：
超导性是指 一 种如下材料状态当材料被冷却至足够低的温度(称 为临界温度)时，电阻变为零。 一 种类型的超导体被称为高温超导体(high temperaturesuperconductor ;HTS)，其在大气压力下具有高于液氮沸点(77° K)的临界温 度。 使用超导材料尤其是超导电缆是可取的，因为其能消除电阻损耗。因此，目前正在 设计、制造和测试用于例如输电系统等工业应用的超导电缆。 高温超导体可用于构造超导电力电缆，此种电缆能够在中等电压额定值下满足极 高功率需求。为使HTS电缆正确地工作，常常使用具有循环的过冷(sub-cooled)液氮的低 温冷却系统来使HTS电缆在正常运行期间保持超导状态。 传统上，利用低温致冷系统将冷态的绝缘超导电缆冷却至某一温度( 70K)，该 温度可远低于HTS临界温度(90K)。由于临界电流会随工作温度的降低而显著增大，因而此 可允许传输更高的临界电流。这些系统可包含致冷单元、循环泵和冷却回路，用于提供温度 远低于所述临界温度的致冷剂或冷却剂(例如液氮)。致冷单元是一种机械致冷装置，其在 低温温度下产生冷却功率。冷却剂(例如液氮)从致冷单元通过循环泵流入冷却回路。冷 却剂在冷却回路中循环以从HTS电缆中抽取热量，接着返回至致冷系统以移除热量，然后 再循环回冷却回路。冷却回路可以是位于超导电缆配件外的管道或者是由超导电缆成形体 形成的空心。 超导电缆常常使用一个冷却站(cooling station)和一个冷却回路。遗憾的是， 由于单个冷却站所产生的压头和冷却功率有限，现有的冷却系统设计可使HTS电缆的长度 受到限制。这些系统还可能要求针对各别电缆项目定制致冷系统，此可导致致冷系统的成 本非常高。
发明内容
根据本发明一方面提供一种冷却系统，包括第一段高温超导(high temperaturesuperconducting ;HTS)电缆，用以接收以第一速率流动的冷却剂流，并允许 所述冷却剂流经其流过。所述冷却剂流在其经过所述HTS电缆时可经历温度升高。该冷却 系统还可包括第一致冷模块，用以从所述HTS电缆接收所述冷却剂流并降低所述冷却剂流 的温度。所述第一致冷模块可用以将所述冷却剂流划分成多个冷却剂流束，每一冷却剂流 束以第二速率流动。该冷却系统还可包括第二段HTS电缆，用以接收所述多个冷却剂流束 中的至少一个。所述第二段HTS电缆可用以允许所述多个冷却剂流束中的所述至少一个经 其流过。该冷却系统可另外包括第三段HTS电缆，用以接收所述多个冷却剂流中的所述至少一个。所述第三段HTS电缆可用以允许所述多个冷却剂流束中的所述至少一个经其流过。所述多个冷却剂流束可组合形成以所述第一速率流动的所述冷却剂流。
可包括一或多种下列特征。该冷却系统可包括第二致冷模块，用以从所述第二段HTS电缆接收所述多个冷却剂流束中的所述至少一个。 第三致冷模块用以从所述第三段HTS电缆接收所述多个冷却剂流束中的至少一个。所述多个冷却剂流束可从所述第二致冷模块和所述第三致冷模块输出并组合形成所述冷却剂流。 至少一个压力控制单元可操作地连接每一段HTS电缆。所述至少一个压力控制单元可用以在每一段HTS电缆中维持一致的工作压力。 根据本发明另一方面提供一种电缆接头，用以耦合第一段高温超导(HTS)电缆和第二段HTS电缆。该电缆接头可包括外层和可操作地连接所述外层的内层。所述内层与所述外层可在其间限定空间。该电缆接头还可包括导电引线，用以使与所述第一段HTS电缆相关的一部分HTS导线和与所述第二段HTS电缆相关的一部分HTS导线电性连接。该电缆接头可包括至少一个导管，用以允许冷却剂流通过冷却剂管线在所述电缆接头与至少一个致冷模块之间流动，所述冷却剂管线是与所述第一段HTS电缆和所述第二段HTS电缆分离的。 可包括一或多种下列特征。所述至少一个导管可包括第一导管和第二导管，所述第一导管用以供应一第一冷却剂流至所述至少一个致冷模块，所述第二导管用以在重新冷却(re-cooling)和重新加压(re-pressurization)中的至少一种操作之后从所述至少一个致冷模块接收所述第一冷却剂流。所述内层与所述外层之间的空间可被施加压力。所述内层与所述导电引线可限定通道，所述通道用以允许第一冷却剂流经其流过。所述导电引线可包括至少一个开口 ，所述至少一个开口用以允许第二冷却剂流经其流过。所述第一冷却剂流和所述第二冷却剂流可相组合并传送到至少一个致冷模块。在某些实施例中，所述导电引线可由铜构成。 根据本发明又一方面提供一种冷却系统。该冷却系统可包括第一段高温超导(HTS)电缆，用以接收第一冷却剂流并允许所述第一冷却剂流经其流过。该冷却系统还可包括第二段高温超导(HTS)电缆，用以接收第二冷却剂流并允许所述第二冷却剂流经其流过。该冷却系统还可包括电缆接头，用以耦合所述第一段HTS电缆与所述第二段HTS电缆。该电缆接头可与至少一个致冷模块流体连通。该电缆接头可包括至少一个导管，所述至少一个导管用以允许第三冷却剂流通过冷却剂管线在所述电缆接头与所述至少一个致冷模块之间流动，所述冷却剂管线是与所述第一段HTS电缆和所述第二段HTS电缆分离的。
可包括一或多种下列特征。该电缆接头可包括导电引线，所述导电引线用以使与所述第一段HTS电缆相关的一部分HTS导线电性连接与所述第二段HTS电缆相关的一部分HTS导线。所述至少一个致冷模块用以从所述电缆接头接收组合冷却剂流，并对所述组合冷却剂流执行重新冷却和重新加压中的至少一种操作。 根据本发明的再一方面提供一种用于冷却高温超导(HTS)电缆的方法。该方法可包括在第一段HTS电缆处接收第一冷却剂流，并允许所述第一冷却剂流经其流过。该方法还可包括在第二段HTS电缆处接收第二冷却剂流，并允许所述第二冷却剂流经其流过。该方法可另外包括通过电缆接头耦合所述第一段HTS电缆和所述第二段HTS电缆。所述电
5缆接头可与至少一个致冷模块流体连通，并可包括至少一个导管，所述至少一个导管用以
允许第三冷却剂流通过冷却剂管线在所述电缆接头与所述至少一个致冷模块之间流动，所
述冷却剂管线是与所述第一段HTS电缆和所述第二段HTS电缆分离的。 可包括一或多种下列特征。通过所述电缆接头使与所述第一段HTS电缆相关的一
部分HTS导线电性连接与所述第二段HTS电缆相关的一部分HTS导线。在所述至少一个致
冷模块处从所述电缆接头接收组合冷却剂流。所述致冷模块可用以对所述组合冷却剂流执
行重新冷却和重新加压中的至少一种操作。 通过至少一个压力控制单元在所述各段HTS电缆的每一个中维持恒定压力。所述压力控制单元可用以在故障条件下接收及/或分配一定量的冷却剂。 下面在附图和说明中阐述一种或多种实施方式的细节。其它特征和优点通过本说明、附图、以及权利要求书将变得显而易见。
图1是安装在公用事业电网内的铜芯HTS电缆系统的示意图； 图2是图1的铜芯HTS电缆的等距视图； 图3是空芯HTS电缆的等距视图； 图4是HTS电缆的冷却系统的示意图； 图5是与HTS电缆一起使用的冷却系统的示意图； 图6是与包括图7所示电缆接头的HTS电缆一起使用的冷却系统的示意图； 图7是与HTS电缆的冷却系统一起使用的电缆接头的剖视图；以及图8为一种用于冷却HTS电缆的方法的流程图。
主要组件标记说明10 :公用事业电网12 :HTS电缆14 :电网段16 :电网段18 :电缆20 :变电站24 :69kV变电站26 :装置28 :装置30 :装置32 :装置34 :断路器36 :断路器38 :故障管理系统40 :电流传感器100 :绞合铜芯102 :第一 HTS层104 :第二HTS层106 :高电压介电绝缘层108 :铜屏蔽层110 :HTS屏蔽层112 :冷却剂通道114 :内低温恒温器壁116 :隔热层118 :真空空间120 :外低温恒温器壁122:外电缆护套124 :故障电流152 :内冷却剂通道200 :冷却系统202A :HTS电缆202B :HTS电缆202C :HTS电缆204A :冷态终端
206A:高电压终端208A :冷态终端
210A:高电压终端212 :低温致冷模块
214供应管线216 :返回管线
218低温存储容器300:冷却系统302低温致冷模块304:低温致冷模块306低温致冷模块308凍310泵312凍314压力控制单元316:压力控制单元318压力控制单元320:HTS电缆322HTS电缆324:HTS电缆326第一终端328:第二终端330第一终端332:第二终端334第一终端336:第二终端338低温冷却剂容器340:低温冷却剂容器342低温冷却剂容器344:低温冷却剂容器346低温冷却剂容器348:低温冷却剂容器400冷却系统402:致冷模块404致冷模块406:致冷模块408致冷模块410:致冷模块412致冷模块414凍416泵418凍420泵422凍424泵426:压力控制单元428压力控制单元430:压力控制单元432压力控制单元434:HTS电缆436HTS电缆438:HTS电缆440HTS电缆442:HTS电缆444HTS电缆446:相应终端448相应终端450:相应终端452相应终端454:相应终端456相应终端458:低温冷却剂容器460低温冷却剂容器462:低温冷却剂容器464低温冷却剂容器466:低温冷却剂容器468低温冷却剂容器470:冷却电缆接头472冷却电缆接头474 :冷却电缆接头
500冷却电缆接头502 :HTS电缆
504HTS电缆506 :外层
508内层510 :介电绝缘层
512HTS导线层514 :成形体层
516:导电引线 518 :接头 520:介电绝缘段 522:第一导管 524 :第二导管 602 :配置 604 :电缆接头 606 :HTS导线
具体实施例方式
参照图1，公用事业电网10的一部分可包括高温超导(HTS)电缆12。 HTS电缆12 可具有几百或几千米的长度，且可提供用于从发电站(未示出)输送电力或从远程公用事 业公司(未示出)输入电力的相对高电流/低电阻电气路径。 HTS电缆12的横截面积可以仅是传统铜芯电缆的横截面积的几分之一，且可能够 载送相同大小或更大的电流。如上所述，在相同横截面积内，HTS电缆可以提供传统AC电缆 的三至五倍的载流容量；以及达到传统DC电缆的十倍的载流容量。随着HTS技术的成熟， 这些比可以增大。 如下文所将更详细地讨论，HTS电缆12包括HTS导线，该HTS导线可能够处理多 达相同尺寸铜导线的一百五十倍或更大的电流。因此，通过使用相对少量的HTS导线(与 绞合在传统AC电缆的芯内的大量铜导线相反)，可构造所提供电力能够三至五倍于相同尺 寸传统铜导体电力电缆的HTS电力电缆。 可在输电电网段14内连接用于载送例如138kV水平的电压并从电网段14延伸至 电网段16的HTS电缆12，所述电网段16可接收此电压并将其变换至例如69kV的较低水 平。例如，输电电网段14可接收765kV的电力(经由架空线路或电缆18)且可包括138kV 的变电站20。 138kV变电站20可包括765kV/138kV变压器(未示出)，用于将在电缆18上 接收到的765kV电力降低至138kV。然后可经由例如HTS电缆12将此"降低的"138kV电 力提供给输电电网段16。输电电网段16可包括69kV变电站24，该69kV变电站24可包括 用于将经由HTS电缆12接收到的138kV电力降低至69kV电力的138kV/69kV变压器(未 示出)，所述69kV电力可被分配给例如装置26、28、30、32。装置26、28、30、32的实例可包 括但不限于34. 5kV变电站。 以上所述电压水平仅用于说明性目的，并非旨在限制本发明。因此，本发明同等地 适用于输配电系统中的各种电压和电流水平。同样地，本发明同等地适用于诸如工业配电 或车辆配电等非公用事业应用(例如船、火车、飞机以及宇宙飞船)。 —个或多个断路器34、36可被连接在例如HTS电缆12的每一端上，并可允许HTS 电缆12快速地与公用事业电网10断开连接。故障管理系统38可为HTS电缆12提供过电 流保护，以保证HTS电缆12被维持在可能使HTS电缆12受损的点之下的温度。
故障管理系统38可通过监测在HTS电缆12所耦合到的公用事业电网段中流动的 电流来提供此类过电流保护。例如，故障管理系统38可感测通过138kV变电站20的电流 (使用例如电流传感器40)，并可至少部分地基于由电流传感器40提供的信号来控制断路 器34、36的操作。 在本实例中，HTS电缆12可被设计为耐受持续时间为200ms (即60Hz电压的12个 周波)的高达51kA的故障电流。故障管理系统38的细节在标题为"HTS电力电缆的故障 管理(Fault Management of HTS Power Cable)"的美国专利申请案第11/459， 167号中有所描述，该申请案在2007年12月4日被颁布为美国专利第7， 304， 826号。通常，为了耐受此水平的故障电流，HTS电缆可包含大量的铜，此可说明载送高故障电流并从而保护HTS导线。铜的存在是为了保护HTS电缆，但是其由于其电阻非常低而不具有显著的电流限制效果。 还参照图2，图中示出可包括绞合铜芯100的单相铜芯HTS电缆12的典型实施例，所述绞合铜芯100沿径向依次被第一 HTS层102、第二 HTS层104、高电压介电绝缘层106、铜屏蔽层108、HTS屏蔽层110、冷却剂通道112、内低温恒温器壁114、隔热层116、真空空间118、外低温恒温器壁120和外电缆护套122所围绕。HTS层102和HTS层104还可称为"相导体(phase conductor):或者，铜屏蔽层108可位于HTS屏蔽层110外面。在工作期间，可从外部冷却剂源(未示出)供应致冷剂或液体致冷剂(例如液氮，未示出)，且所述致冷剂或液体致冷剂可在冷却剂通道112内部并沿着冷却剂通道112的长度循环。电缆的所有部件被设计为使得能够实现HTS电缆12的挠性。例如，绞合铜芯IOO(在其上面缠绕有第一HTS层102和第二HTS层104)是挠性的。因此，通过利用挠性绞合铜芯IOO，实现沿着其长度呈连续挠性的HTS电缆12。可选地，可使用波纹金属成形体来支撑以螺旋形式缠绕的HTS导线，从而沿着电缆长度提供连续的挠性。 另外/或者，可利用附加的同轴HTS和绝缘层。例如，对于单相，可使用多于两层HTS导线。而且，可利用被绝缘层(未示出)分隔的三组HTS层来载送三相功率。此类电缆布置的实例是由Ultera(即位于Carrollton， GA.的Southwire公司与位于德国Cologne的nkt cables公司的合资企业)提出的Triax HTS电缆布置。HTS电缆12的其它实施例可包括但不限于热和/或冷电介质配置；单相对多相配置；以及各种屏蔽配置(例如无屏蔽或基于低温恒温器的屏蔽)。 铜芯100和铜屏蔽层108可被配置为载送电缆12内可能出现的故障电流(例如故障电流124)。例如，当在电缆12内出现故障电流124时，HTS层102、 104内的电流可急剧增大至超过HTS层102、 104的临界电流水平(即1。)的水平，该水平可促使HTS层102、104失去其超导特性(即HTS层102、104可变为"正常")。对于额定值为3000A S的电缆(其中Arms指的是电流的有效值)，临界电流水平Ic的典型值是4， 242APMk。
HTS材料中的临界电流水平可取决于电场水平的选择。传统上，临界电流水平Ic被定义为l微伏/厘米的电场水平，虽然也使用较低值。然而，典型超导体表现出为电流水平的函数形式的位于零电阻(即超导)状态和全电阻(即非超导)状态之间的过渡区。由于此过渡区中的工作而引起的导体损耗低于在全电阻状态下的导体损耗。因此，在实际中，HTS电缆的导体部分可在临界电流水平下切换到全电阻状态，所述临界电流水平是由1微伏/厘米标准定义的传统临界电流水平I。的因子("f")倍。在具有YBCO薄膜的折线(meander line)导线中，此因子被确定为约为2，但是观察到其随着时间推移而略有变化。参见中由H. -P. Kraemer等人所著的"电阻性故障电流限制器中YBCO薄膜导体的开关行为(SwitchingBehavior of YBCO Thin Film Conductors in Resistive Fault CurrentLimiters) ，， (IEEETrans. On Applied Superconductivity,第13巻，No. 2， 2003年6月，第2044-7页)。具有类似YBCO薄膜的HTS导线的f因子预计处于类似的范围内(例如1 4)。 因此，当超过(上文定义的)临界电流水平与f因子的乘积时，HTS层1Q2、104的电阻可显著增大，并可变得相当高(即在与铜芯100相比时)。由于通过多个平行导体的电流相对于各单独导体的电阻而成反比地分布，大部分故障电流124被转向与HTS层102、104并联连接的铜芯100。故障电流124通过铜芯100的此传输可持续至故障电流124减弱；或适当的断路器(例如断路器34、36)断开故障电流124通过HTS电缆12的传输。
可通过由铜芯100提供的两点益处来避免HTS电缆12中的HTS导体的过热。首先，通过使故障电流(或其至少一部分)从HTS层102、104改向到铜芯IOO，可避免HTS电缆12中的HTS导体的过热。其次，铜芯100的增加的热容量会降低HTS层102和104中的温升。倘若故障电流124(或其至少一部分)未从HTS层102、104改向到铜芯IOO，则故障电流124可由于HTS层102、104的高电阻而使HTS电缆12中的HTS导体显著变热，这可导致形成液氮的气"泡"(即由于液氮在冷却剂通道112内从液态转换为气态)。遗憾的是，液氮的气"泡"的形成可降低介电层的介电强度并可导致HTS电缆12的电压击穿和毁坏。对于热介电电缆配置(未示出)，未被从HTS层102、 104改向的故障电流可单纯地使HTS层102、 104过热并毁坏。 HTS电缆12的实例可包括但不限于可从法国巴黎的Nexans ;日本大阪的SumitomoElectric Industries公司；以及Ultera (艮卩位于Carrollton， GA.的Southwire公司与位于德国Cologne的NKT cables公司的合资企业)获得的HTS电缆。 虽然铜芯100使HTS层102、104周围的故障电流(或其一部分)改向，但利用此类"内部"铜芯存在缺点。例如，铜芯IOO可能需要HTS电缆12在物理上较大且较重，这可导致成本增加且HTS电缆12内的热滞留量(heat retention)更大。因此，可能需要更多的致冷以补偿附加的热滞留量，从而导致总体系统成本和运行成本升高。此外，万一故障电流的能量使温度升高至超过可在HTS层102U04中保持超导性的点，则铜芯100的增加的热容量和HTS层102、104与冷却剂之间由于介电层而引起的热阻可大大地增加恢复时间。例如，倘若故障电流通过铜芯IOO改向，则致冷系统(未示出)将HTS电缆12冷却至适当的工作温度范围内(例如66 77° K)会耗费几个小时的时间。将HTS电缆12冷却至电缆的工作范围内所需的时间一般称为"恢复时间"，公用事业公司可能要求该时间尽可能短(例如几秒钟)。或者，可对HTS电缆12使用独立的故障电流限制器来限制故障电流；然而，这具有需要在连结到HTS电缆12的变电站中安装另一台大型且昂贵的电气设备的缺点。如上所述，故障管理系统38的细节在标题为"HTS电力电缆的故障管理(Fault Managementof HTS Power Cable)"的美国专利申请案第11/459， 167号中有所描述，该申请案在2007年12月4日被颁布为美国专利第7， 304， 826号。 参照图3，图中显示根据本发明的挠性空芯HTS电缆150。虽然HTS电缆150可包括现有技术铜芯HTS电缆12的各种部件，但HTS电缆150不包括绞合铜芯100 (图2)-其已被替换为挠性空芯(例如内冷却剂通道152)。内冷却剂通道152的实例可包括但不限于挠性波纹不锈钢管。所有铜屏蔽层也被去除。致冷剂(例如液氮)可流过内冷却剂通道152。 以类似于铜芯HTS电缆12的方式，内冷却剂通道152可沿径向依次被第一HTS层102、第二HTS层104(通常以与层102相反的螺旋方向缠绕)、高电压介电绝缘层106、 HTS屏蔽层110、冷却剂通道112、内低温恒温器壁114、隔热层116、真空空间118、外低温恒温器壁120和外电缆护套122所围绕。在工作期间，可从外部冷却剂源(未示出)供应致冷剂
10(例如液氮，未示出)，且所述致冷剂可在冷却剂通道112和内冷却剂通道152内并沿着冷却剂通道112和内冷却剂通道152的长度循环。在例如MgB2等较低转变温度材料的情况下，可使用替代冷却剂(例如液氖或液氢)。 如HTS电缆12 —样，HTS电缆150的所有部件被设计为使得能够实现沿电缆长度的连续挠性。例如，且如上所述，内冷却剂通道152(在其上面缠绕有第一HTS层102和第二HTS层104)是挠性的。因此，通过利用挠性内冷却剂通道152，可实现挠性HTS电缆150。
现在参照图4，图中显示与HTS电缆一起使用的冷却系统200。冷却系统200可包括例如三根单独的HTS电缆202A、202B和202C。每根HTS电缆可在电缆的每一端上包括冷态终端(cold termination)和高电压终端。例如，HTS电缆202A可在电缆的第一端包括相互耦合的冷态终端204A与高电压终端206A，并在电缆的第二端上包括相互耦合的冷态终端208A与高电压终端210A。 HTS电缆202B和202C可包括类似的配置，如图4所示。
每根HTS电缆202A、202B和202C可连接低温致冷模块212，低温致冷模块212可通过供应管线214和返回管线216连接每根电缆。可使用任意数量的管线。低温致冷模块212还可连接低温存储容器218，低温存储容器218可用以存储大量的低温冷却剂，例如液氮。低温致冷模块212可包括各种控制系统(例如，监控和数据采集(Supervisory Controland Data Acquisition ;SCADA))，这些控制系统可用以控制从液氮存储容器218向每根HTS电缆202A、202B和202C分配液氮。该系统还可用于监测HTS电缆202A-C和每个低温致冷模块的温度及/或压力，以及用于诸多其它冷却、加热或加压功能。
低温致冷模块212可包括各种市售低温致冷系统。这些系统可包括但不限于由位于法国巴黎的Air Liquide公司和位于美国康奈提格州Danbury的Praxair公司提供的系统。而且，应注意，在本文所述实施例中使用的低温冷却剂并不限于液氮。其它适用的冷却剂可包括但不限于天然气、气态氦、氢气、液化空气、氧气与氮气以除在空气中存在的百分比以外的各种百分比形成的气体混合物、以及氖。 在某些实施例中，HTS电缆202A、202B和202C可为单相电缆，例如上文参照图2所述的单相电缆。然而，也可使用其它HTS电缆设计。例如，如上文所述，可利用通过绝缘层隔开的三组HTS层来载送三相功率。这种电缆配置的实例是上文所述的TriaxHTS电缆配置。也可采用这些电缆配置。 现在参照图5，图中显示用于HTS电缆的冷却系统300的实例性实施例。冷却系统300可包括多个低温致冷模块302、304和306。低温致冷模块302、304和306的配置可类似于上文在图4中所述或者类似于本文所述的任何实施例。在某些实施例中，所述多个低温致冷模块可以是标准模块，其可根据不同的运行条件运行。 每一致冷模块302、304和306可操作地连接相关的泵，以说明在整个系统300中输送低温冷却剂。例如，模块302可连接泵308，模块304可连接泵310，模块306可连接泵312。尽管图5显示三个不同的低温致冷模块，然而也可使用任意数量的模块及/或泵，这并不脱离本发明的范围。 在某些实施例中，致冷模块302、304和306可用以从各个HTS电缆段及/或至少一个压力控制单元接收低温冷却剂。这些压力控制单元在图5中被显示为参考编号314、316和318。每一压力控制单元可用以在整个系统300中维持一致的工作压力并接收及/或分配低温冷却剂，以在系统的温度变化时维持恒定的压力。例如，每一压力控制单元可用以在
11故障条件下从特定的一段HTS电缆接收低温冷却剂输入流。也就是说，因故障条件而可能 出现的相应温度升高可对特定HTS电缆内的液氮体积产生影响。此种体积的增大可致使低 温冷却剂压力升高并随后进入压力控制单元314、316和318。每个压力控制单元可由任何 适宜的材料构成，例如由不锈钢构成，并可采用真空绝缘环境以降低正常运行条件下的热 泄漏。 每一压力控制单元314、316和318可操作地连接与一段HTS电缆相关的终端。例 如，图5显示不同的三段HTS电缆被标记为参考编号320、322及324。每一段HTS电缆可包 括第一终端及第二终端。例如，第一段HTS电缆320可包括第一终端330和第二终端332，第 二段HTS电缆322可包括第一终端326和第二终端328，并且第三段HTS电缆324可包括第 一终端334和第二终端336。每一终端可包括由参考编号338、340、342、344、346及348所示 的相应低温冷却剂容器。每个低温冷却剂容器的位置可邻近其各自终端的至少一部分，并 可用以存储例如液氮等低温冷却剂。超导电缆终端的一个实例描述于由Ron C.Lee等人所 著的"HTS电缆低温致冷系统(Cryogenic Refrigeration System for HTS Cables) "(IEEE Transactionson Applied Superconductivity,第15巻，No. 2， 2005年6月，第1788页) 中。然而，也可采用替代终端设计。 在运行中，可通过致冷模块302和致冷模块306将特定温度(例如72K)和压力 (例如18巴)的低温冷却剂供应至第一HTS电缆段320。在该特定实例中，在HTS电缆段 320的初始部分中，该冷却剂可具有约72K的温度、约18巴的压力，并且可以约5kg/s的速 率流动。 一旦冷却剂接近第一 HTS电缆320的第二终端332，冷却剂便可能已经历温度升 高，如图5中的74K所示。然后，冷却剂可在第二压力(例如15. 1巴)下离开第一HTS电 缆段320及/或压力控制单元316。此时，冷却剂可随后进入致冷模块304，在致冷模块304 中可通过泵310进行附加冷却及/或重新加压。冷却剂通过第一 HTS电缆段320的原始速 率(即5kg/s)可然后被近似地分成两半，从而得到近似为2. 5kg/s的两个冷却剂流束，其 中每个流束在其进入第二段HTS电缆322和第三段HTS电缆324时具有近似相等的压力。 一旦进入HTS电缆322和324，这两个冷却剂流束便可分别具有约为72K的温度，从而相对 于模块304经历温度降低。当冷却剂流经每个HTS电缆时，随着冷却剂沿电缆长度前进，可 出现相应的温度升高。 一旦这两个冷却剂流离开第二 HTS电缆322和第三HTS电缆324，其 便可分别进入致冷模块302和306，以便进行附加的冷却及/或加压。这两个冷却剂流然后 可组合形成第一 HTS电缆段320的供应源。 此种配置提供了优于某些现有技术实施方案的优点。例如，通过利用多个致冷模 块，可允许总HTS电缆长度增大。而且，此种配置可允许使用标准致冷模块，此可降低与单 独改型设计相关的成本。在某些实施例中，可获得约为5000m的总电缆长度(例如，使用工 作容量为20kW的致冷模块)。然而，如所预计的一样，增大致冷模块的工作功率便可允许增 大电缆长度。当然，其它配置也属于本发明的范围内。 现在参见图6，图中显示冷却系统400的另一实例性实施例。冷却系统400可包括 多个致冷模块402、404、406、408、410和412。每个致冷模块可包括至少一个相关的泵414、 416、418、420、422和424，并且可用以向HTS电缆段供应低温冷却剂及/或从HTS电缆段接 收低温冷却剂。系统400还可包括在功能上类似于上文在图5中所述的压力控制单元426、 428、430和432。每一致冷模i央402、404、406、408、410和412可与至少一段HTS电缆434、436、438、440、442和444流体连通。例如，致冷模块402可与HTS电缆段434流体连通，致 冷模块404可与HTS电缆段436流体连通，等等。 每一段HTS电缆可包括位于该HTS电缆段的一端的相应终端446、448、450、452、 454和456、以及相应的低温冷却剂容器458、460、462、464、466和468。这些冷却剂容器的 配置可类似于本文所述的那些。每一段HTS电缆的相对的一端(即与终端相对的一端)可 与冷却电缆接头相耦合。在图6中，显示三个冷却电缆接头，如参考编号470、472和474所 示。当然，可根据所需HTS电缆的长度而增加额外的冷却电缆接头、HTS电缆段、致冷模块 等或从该图中去除冷却电缆接头、HTS电缆段、致冷模块等。以下提供关于冷却电缆接头及 一种可能的实施方式的结构及运行的更详细论述。 现在参照图7，图中显示冷却电缆接头500的实例性实施例。冷却电缆接头500可 用以允许对位于至少一段HTS电缆内的低温冷却剂进行重新冷却和重新加压。在某些实施 例中，使用一或多个冷却电缆接头500便可实现长距离HTS电缆的制造及后续运行。
在某些实施例中，冷却电缆接头500可用以使第一段HTS电缆502与第二段HTS 电缆504相连。冷却电缆接头500可尤其包括外层506和内层508。层506和508可限定 用以允许冷却剂经其流过的通道。这些层可由任意数量的适宜材料构成，例如在至少一个 特定实施例中，这些层可由不锈钢制成。然而，例如铜等其它材料也处于本发明的范围内。 冷却电缆接头500的外层502及内层504可在其间限定低压区域或真空。
每一HTS电缆(例如HTS电缆502)可包括多个层，这些层类似于或等同于本文所 述的层，例如参照图2-3所述的那些层。如图7所示，HTS电缆502可包括介电绝缘层510、 HTS导线层512及成形体层514。在一种相应的配置中，HTS电缆504可包括具有等同或类 似配置的层。 在某些实施例中，HTS导线层512可在接头518处与导电引线516电性连接。在 某些实施例中，导电引线516可由铜制成，然而，还涵盖其它材料。导电引线516可用以使 第一段HTS电缆502与第二段HTS电缆504之间具有恒定的电性连接。由于导电引线516 的电阻性质(非超导性)，可采用一种冷却方法来移除热量的产生。例如，导电引线516的 一段可被设计成允许冷却剂流动以移除热量的产生，如图7所示。冷却电缆接头500的某 些部分可与介电绝缘段520相连，介电绝缘段520可接地并用以耐受导电引线516与地电 位之间的HTS电缆工作电压。导电引线516还可包括至少一个开口，用以允许冷却剂通过 该开口流动，如下文所将详细说明。 在某些实施例中，冷却电缆接头500可用以从第一段HTS电缆502的多个部分接 收低温冷却剂。例如，当从HTS电缆接收低温冷却剂时，可穿过冷却电缆接头500的内层 508和导电引线516形成第一冷却剂流。第二冷却剂流可从HTS电缆502的成形体层514 流至导电引线516的内部(显示于接头518处)。导电引线516的内部可包括至少一个开 口 ，用以允许第一与第二冷却剂流相组合。组合后的冷却剂流可流经冷却剂管线，该冷却剂 管线与任何HTS电缆段相分离。该组合冷却剂流可通过第一导管522传送至至少一个致 冷模块，用于根据需要进行额外冷却和加压，例如传送至任一低温致冷模块402、404、406、 408、410和412。 一旦低温冷却剂经过正确的重新冷却及/或重新加压，便可从致冷模块转 送重新冷却的冷却剂并在冷却电缆接头500的第二导管524处接收。此时，重新冷却及/ 或重新加压的冷却剂可重新进入冷却电缆接头500，并且该冷却剂可按类似于在关于第一段HTS电缆502的说明中所述的方式流经第二段HTS电缆504。 重新参照图6和图7，冷却系统400可利用冷却电缆接头470、472和474来增大 HTS电缆的长度、同时在整个HTS电缆的长度内维持实质相同的最小压力(例如16巴)和 最大相导体温度(例如76K)。在运行中，低温冷却剂可由致冷模块402和406提供给HTS 电缆段438。低温冷却剂可流经HTS电缆段438，直到其在第一电缆接头472处被接收到为 止。如所预计的一样，低温冷却剂可沿HTS电缆段438的长度经历温度升高。冷却剂可接着 进入第一电缆接头472，第一电缆接头472可具有类似于上文在图7中所述的配置(602)。 冷却剂可通过第一导管522传送至致冷模块412，致冷模块412可用以对所接收的冷却剂 进行重新冷却及/或重新加压。接着，冷却剂被抽送至第二电缆接头470和第三电缆接头 473。可通过与第二电缆接头470和第三电缆接头473中的每一者相关的第二导管524接 收冷却剂。 一旦在电缆接头470和474处接收到冷却剂，冷却剂便可通过泵416和420分 别在HTS电缆段436和444中流动，直到到达用于进行额外冷却及/或重新加压的致冷模 块404和408。倘若出现故障条件，如上文所述，可利用压力控制单元426、428、430和432 在每一 HTS电缆段中维持恒定的压力。 在离开每一致冷模块404和408中，冷却剂可形成返回线路，以通过冷却结构472 进行分配。来自每一致冷模块404及408的冷却剂流可相组合并可流经HTS电缆段，直至 到达第一电缆接头472(604)。如上文所述，电缆接头472可使与第一 HTS电缆段438相关 的一部分HTS导线电性连接与第二 HTS电缆段440相关的一部分HTS导线(606)。返回线 路可继续经过致冷模块410和泵422，致冷模块410和泵422可根据需要执行额外的重新 冷却和重新加压。该冷却剂可接着被传送至第二电缆接头470和第三电缆接头474，如图6 中所示。电缆接头470可从致冷模块470接收冷却剂，并可允许冷却剂经过HTS电缆段434 流至致冷模块402。类似地，电缆接头474还可从致冷模块410接收冷却剂，并允许冷却剂 经过HTS电缆段442流至致冷模块406。 一旦在致冷模块402和406处经过冷却，这两个冷 却剂流束便可组合形成HTS电缆段438的供应线路。 上文已描述了许多实施方式。尽管如此，应理解，可以进行各种修改。因此，其它 实施方式也在权利要求书的范围内。
1权利要求
一种冷却系统，包括第一段高温超导(HTS)电缆，用以接收以第一速率流动的冷却剂流，并允许所述冷却剂流经其流过，所述冷却剂流在其经过所述HTS电缆时经历温度升高；第一致冷模块，用以从所述第一段HTS电缆接收所述冷却剂流并降低所述冷却剂流的温度，所述第一致冷模块用以将所述冷却剂流划分成多个冷却剂流束，每一冷却剂流束近似以第二速率流动；第二段HTS电缆，用以接收所述多个冷却剂流束中的至少一个，所述第二段HTS电缆用以允许所述多个冷却剂流束中的所述至少一个经其流过；以及第三段HTS电缆，用以接收所述多个冷却剂流中的所述至少一个，所述第三段HTS电缆用以允许所述多个冷却剂流束中的所述至少一个经其流过；其中所述多个冷却剂流束组合形成以所述第一速率流动的所述冷却剂流。
2. 如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，还包括第二致冷模块，用以从所述第二段HTS电缆接收所述多个冷却剂流束中的所述至少一个。
3. 如权利要求2所述的冷却系统，还包括第三致冷模块，用以从所述第三段HTS电缆接收所述多个冷却剂流束中的至少一个。
4. 如权利要求3所述的冷却系统，其特征在于，所述多个冷却剂流束从所述第二致冷模块和所述第三致冷模块输出并组合形成所述冷却剂流。
5. 如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，还包括与每一段HTS电缆可操作地连接的至少一个压力控制单元，所述至少一个压力控制单元用以在每一段HTS电缆中维持一致的工作压力。
6. —种电缆接头，用以耦合第一段高温超导(HTS)电缆和第二段HTS电缆，所述电缆接头包括外层；内层，可操作地连接所述外层，所述内层与所述外层在其间限定空间；导电引线，用以使与所述第一段HTS电缆相关的一部分HTS导线和与所述第二段HTS电缆相关的一部分HTS导线电性连接；以及至少一个导管，用以允许冷却剂流通过冷却剂管线在所述电缆接头与至少一个致冷模块之间流动，所述冷却剂管线是与所述第一段HTS电缆和所述第二段HTS电缆分离的。
7. 如权利要求6所述的电缆接头，其特征在于，所述至少一个导管包括第一导管和第二导管，所述第一导管用以供应所述冷却剂流至所述至少一个致冷模块，所述第二导管用以在重新冷却和重新加压中的至少一种操作之后从所述至少一个致冷模块接收所述冷却剂流。
8. 如权利要求6所述的电缆接头，其特征在于，所述内层与所述外层之间的空间被施加压力。
9. 如权利要求6所述的电缆接头，其特征在于，所述内层与所述导电引线限定通道，所述通道用以允许第一冷却剂流经其流过。
10. 如权利要求9所述的电缆接头，其特征在于，所述导电引线包括至少一个开口 ，所述至少一个开口用以允许第二冷却剂流经其流过。
11. 如权利要求io所述的电缆接头，其特征在于，所述第一冷却剂流和所述第二冷却剂流相组合并传送到至少一个致冷模块。
12. 如权利要求6所述的电缆接头，其特征在于，所述导电引线是由铜构成。
13. —种冷却系统，包括第一段高温超导(HTS)电缆，用以接收第一冷却剂流并允许所述第一冷却剂流经其流过；第二段高温超导电缆，用以接收第二冷却剂流并允许所述第二冷却剂流经其流过；以及电缆接头，用以耦合所述第一段HTS电缆与所述第二段HTS电缆，所述电缆接头与至少一个致冷模块流体连通，所述电缆接头包括至少一个导管，所述至少一个导管用以允许第三冷却剂流通过冷却剂管线在所述电缆接头与所述至少一个致冷模块之间流动，所述冷却剂管线是与所述第一段HTS电缆和所述第二段HTS电缆分离的。
14. 如权利要求13所述的冷却系统，其特征在于，所述电缆接头包括导电引线，所述导电引线用以使与所述第一段HTS电缆相关的一部分HTS导线电性连接与所述第二段HTS电缆相关的一部分HTS导线。
15. 如权利要求13所述的冷却系统，其特征在于，所述至少一个致冷模块用以从所述电缆接头接收组合冷却剂流，并对所述组合冷却剂流执行重新冷却和重新加压中的至少一种操作。
16. —种用于冷却高温超导(HTS)电缆的方法，包括在第一段HTS电缆处接收第一冷却剂流，并允许所述第一冷却剂流经其流过；在第二段HTS电缆处接收第二冷却剂流，并允许所述第二冷却剂流经其流过；以及通过电缆接头耦合所述第一段HTS电缆和所述第二段HTS电缆，所述电缆接头电性连接所述第一段HTS电缆和所述第二段HTS电缆，所述电缆接头与至少一个致冷模块流体连通，所述电缆接头包括至少一个导管，所述至少一个导管用以允许第三冷却剂流通过冷却剂管线在所述电缆接头与所述至少一个致冷模块之间流动，所述冷却剂管线是与所述第一段HTS电缆和所述第二段HTS电缆分离的。
17. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，电性连接包括通过所述电缆接头使与所述第一段HTS电缆相关的一部分HTS导线电性连接与所述第二段HTS电缆相关的一部分HTS导线。
18. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括在所述至少一个致冷模块处从所述电缆接头接收组合冷却剂流，所述致冷模块用以对所述组合冷却剂流执行重新冷却和重新加压中的至少一种操作。
19. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括通过至少一个压力控制单元在所述各段HTS电缆的每一个中维持恒定压力。
20. 如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述压力控制单元用以在故障条件下接收及/或分配一定量的冷却剂。
全文摘要
本发明提供一种冷却系统，包括第一段高温超导(high temperaturesuperconducting；HTS)电缆，该第一段HTS电缆用以接收第一冷却剂流并允许所述第一冷却剂流经其流过。该系统还可包括第二段高温超导(HTS)电缆，用以接收第二冷却剂流并允许所述第二冷却剂流经其流过。该系统还可包括电缆接头，用以耦合所述第一段HTS电缆与所述第二段HTS电缆。该电缆接头可与至少一个致冷模块流体连通，并可包括至少一个导管，所述至少一个导管用以允许第三冷却剂流通过冷却剂管线在所述电缆接头与所述至少一个致冷模块之间流动，所述冷却剂管线是与所述第一段HTS电缆和所述第二段HTS电缆分离的。其它实施例和实施方式也属于本发明的范围内。
文档编号H02G15/34GK101714426SQ20091020498
公开日2010年5月26日 申请日期2009年9月30日 优先权日2008年10月3日
发明者J·袁, J·马圭尔 申请人:美国超导公司