10米10_5kV_1_5kA三相交流高温超导电缆液氮冷却系统的设计.pdf

10 米 1015 kV/ 115 kA 三相交流高温超导电缆 液氮冷却系统的设计 3 范宇峰1 　龚领会1 　徐向东1 　李来风1 　张亮1 　肖立业2 ( 1 中国科学院理化技术研究所 　北京 　100080) ( 2 中国科学院电工所 　北京 　100080) 　　摘 　要 　液氮冷却系统是 10 米 1015kV/ 115kA 三相交流高温超导电缆实验装置中的一个主要分 系统。介绍了液氮冷却系统设计方案的选择 ,提供了液氮冷却系统的主要设计计算内容 ,并通过与高 温超导电缆联机试验 ,表明了该液氮冷却系统的设计是成功的 ,为 75 米三相交流高温超导电缆研制提 供稳定可靠冷源奠定了基础。 主题词 　液氮 　冷却系统 　高温超导电缆 　　3 受“863”超导专项 (2002AA306161)和甘肃长通电缆股份有限公司资助。范宇峰 ,男 ,25 岁 ,博士生。 修改稿于 2003 年 12 月 24 日收到。 1 　引 　言 高温超导 ( High Temperature Superconductor ,简 称 HTS)电缆具有功率输送密度高、损耗小、体积小、 重量轻、单位长度电抗值小的特点 ,在电力工业可以 实现低压大电流高密度输电 ,减少城市用地 ,符合环 保和节能的发展要求。高温超导电缆输电被认为是 高温超导强电应用最有希望的领域。冷却高温超导 电缆的低温冷却系统的研究也就成为制冷低温技术 领域的重要研究课题。 基于 HTS 电缆最佳工作温区是 50 K～90 K ,因 此现在各国都是采用液氮作为制冷工质。同时液氮 具有生产成本小 ,无污染的优点。HTS 电缆的冷却系 统同样也是采用液氮作为制冷工质 ,采用了带液氮泵 的单相密闭循环冷却系统 ,让过冷后的液氮通过 HTS 电缆 ,满足 HTS 电缆正常工作的要求。本文将对 HTS 电缆液氮冷却系统的设计方案、主要设计计算和 调试运行情况等进行介绍。 2 　液氮冷却系统方案设计 HTS电缆的低温系统的方案主要有 :液氮浸泡 HTS 电缆冷却系统、减压液氮制冷的闭循环过冷液氮 迫流冷却系统和低温制冷机冷却的过冷液氮 HTS 电 缆冷却系统 (低温制冷机可采用多台 G - M 制冷机、 斯特林制冷机、逆布雷顿循环制冷机) 。选取何种冷 却系统 ,则需要根据 HTS 电缆的具体要求来确定。 比如小型的 HTS 电缆实验装置 ,一般采用液氮浸泡 冷却系统或者是 G - M 低温制冷机冷却的过冷液氮 冷却系统 ,中大型的 HTS 电缆装置采用减压液氮制 冷的闭循环过冷液氮迫流冷却系统[1 ]或者逆布雷顿 制冷机制冷的冷却系统较多。 10 米 1015 kV/ 115 kA 三相交流 HTS 电缆试验 系统 ,其 HTS 电缆共有 3 根 ,分别为 A ,B ,C 三相 ,每 根 10 米长 ,共需要 6 个电流引线端子。HTS 电缆采 用超高真空多层绝热 , HTS 电缆的设计热负荷为 3 kW。同时要求 HTS 电缆进口温度小于 66 K ,出口温 度小于 76 K ,所以根据 HTS 电缆的这些要求 , HTS 电缆的冷却系统选择减压液氮制冷的闭循环过冷液 氮迫流冷却系统是最合适的。该系统的设备简单、成 本低、操作方便 ,能适应直流和交流、单相和三相 HTS 电缆的不同试验要求 ,可以提供较大的制冷量 ,如美 国 ORNL 的低温系统[1 ,2 ]就是采用该设计方案。 10 米 1015 kV/ 115 kA 三相交流 HTS 电缆的冷 却系统的原理流程如图 1 所示。该系统主要由液氮 2004 年第 2 期 　总第 138 期 低　温　工　程 CR YO GEN ICS No12 　2004 Sum 　No1138 泵、真空泵、过冷器、气液分离器及 HTS 电缆实验段 组成。其工作原理是 :整个系统管路经过充分的预冷 并充满液氮后 ,启动液氮泵 ,液氮泵将气液分离器中 的液氮以一定的压力和流速输送到过冷器 ,在过冷器 内同负压下的液氮进行热交换 ,使液氮达到深度过冷 (接近三相点) ,过冷液氮从过冷器出来直接送到 HTS 电缆的低温容器内 ,将 HTS 电缆系统产生的热量带 走 ,使其温度保持在 76 K 以下 ,最后回到气液分离 器 ,这样形成了一个单相密闭循环系统。该系统的冷 量来自于过冷器内液氮减压降温 ,负压液氮蒸发所产 生的制冷量 ,保证了整个系统内循环的过冷液氮不发 生汽化 ,特别是在 HTS 电缆内不发生汽化 (汽化很可 能损坏 HTS 带材或者大大降低 HTS 电缆的临界电 流) ,即必须保证 HTS 电缆出口处液氮的温度 (整个 系统内温度最高点) 小于此处压力所对应的饱和温 度。整个冷却系统压力则由气液分离器的压力和液 氮泵的扬程来决定。 图 1 　带液