[发明专利]一种压差驱动的射流式高温超导冷却装置和方法

说明书

本发明公开了一种压差驱动的射流式高温超导冷却装置，包括低温液体浸泡槽，浸泡在所述低温液体浸泡槽内的超导限流器，通过第一调节阀连接所述低温液体浸泡槽上层的低压气体区的气体缓冲罐，还包括：低温导流管道，布置在所述低温液体浸泡槽内，管体上开设有多个朝向所述超导限流器表面的射流导流孔；高压过冷液罐，通过第二调节阀与所述低温导流管道连通，向所述低温导流管道通入过冷液体以使过冷液体在射流导流孔处产生高速射流液体；本发明还公开了一种压差驱动的射流式高温超导冷却方法；本发明的装置和方法可以极大改善超导限流器表面的传热特性，加快超导限流器的再冷却有效地缩短了超导限流器的复温时间。

技术领域

本发明涉及高温超导冷却领域，具体是涉及一种压差驱动的射流式高温超导冷却装置和方法。

背景技术

伴随着输配电网规模日益扩大，电网互联程度越来越高。电网的互联改善了电网的输电效率，但这也使得电网的短路阻抗越来越小，短路电流水平急剧增大。现在很多电网的短路电流水平已经超出或即将超出现有线路断路器能够应对的范围，电网运行安全存在着很大隐患。在设备上解决短路电流过大问题，传统上采用的是高阻抗变压器或限流电抗器，但这些设备的使用增加了输电损耗，减弱了电网的电压调节能力。同时加大了电网损耗和电网建设成本。而利用超导技术制作的限流器可以打破传统限流器面临的困境，提高限流器的效率和可行性。超导材料具有其他材料所不具有的两个独特性质，即零电阻特性和完全抗磁性，使其可能制作出理想的故障电流限制设备，即超导限流器。

对于低温超导，由于其采用的超导材料的工作温度的限制，必须采用氦作为低温冷却介质。而采用低温氦为冷却介质，其经济性将受到严重影响。随着高温超导材料的出现，使得高温超导技术不断发展进步，超导技术的应用从原来的液氦温区上升到液氮的温区。高温超导中过冷液氮的研究已经成为高温超导技术的一个重要研究方向。高温超导材料的独特性质必须在一定的低温环境下才能体现出，所以高温超导材料的低温冷却系统非常关键。然而能否维持足够的低温环境，并且在该低温环境下提供足够的低温制冷量，用来平衡高温超导材料由于运行产生的交流损耗以及由于系统的传导和辐射漏热，关系到高温超导材料能否正常稳定的运行和工作。超导磁体系统运行的低温环境主要由3种方式提供，分别是制冷机传导冷却、再冷凝式冷却和低温液体浸泡冷却。制冷机传导冷却结构简单无低温液体输送补充，但冷却均匀性差预冷时间长且伴随制冷机振动；再冷凝式冷却零蒸发模式液体消耗量小，磁体不受机械振动，但结构复杂成本高；低温液体浸泡冷却结构简单温度稳定性好无机械振动，当液体消耗量大。

对于采用低温液体浸泡冷却结构，其超导材料失超后的再冷却过程时间冗长问题，至今没有找到很好的解决措施。当电力系统发生故障时，超导限流器理想工作状态发生改变，失去其超导性，即呈现阻抗性。当电流通过超导限流器，会在其表面产生巨量的焦耳热，热量传递到液氮中，使液氮剧烈气化，而形成的气泡会有很大一部分覆盖在超导限流器与液氮的接触表面，造成散热热阻急剧增大，延缓了超导限流器的再冷却过程。

传统超导限流器的低温冷却系统如图1所示，其结构简单，包括液氮槽1、超导限流器2、自动启闭阀3和氮气缓冲罐4。超导限流器2完全浸没在液氮槽1的下部液氮中，液氮槽1上部低压氮气区和氮气缓冲罐4相连接，通过自动启闭阀3控制液氮槽1和氮气缓冲罐4的连通状态。当超导限流器2失超后，短路电流通过超导限流器，产生大量焦耳热，热量传递到液氮中，使液氮剧烈气化，自动启闭阀3迅速打开，超导限流器2表面产生的气泡一部分上升至上方氮气区，在压差驱动下进入氮气缓冲罐4，而残留在超导限流器2表面的气泡只能通过自然排出，之后液氮才能重新流回液氮槽1将其冷却，导致超导限流器2复温重启严重滞后。

发明内容

本发明提供了一种压差驱动的射流式高温超导冷却装置，有效解决超导限流器失超瞬间高热容超导材料的快速再冷却问题。

一种压差驱动的射流式高温超导冷却装置，包括低温液体浸泡槽，浸泡在所述低温液体浸泡槽内的超导限流器，通过第一调节阀连接所述低温液体浸泡槽上层的低压气体区的气体缓冲罐，还包括：