摘要：结合国内外高温超导电缆工程实例从制冷原理，系统形式等方面介绍了几种常用的高温超导电缆冷却系统;同时从适用条件、运行可靠性、经济性等方面对它们进行比较;分析国际上对高温电缆冷却系统的研究趋势，并对其研究发展提出建议。
关键词：高温超导电缆;冷却系统
引言
高温超导线材在液氮温区下，能进入超导状态，电流电阻率消失，几乎可实现无损失输电的特性，该类线材制成的电缆即高温超导电缆。超导电缆较常规电缆优势明显，在相同截面下，其传送电力的能力比常规电缆高三到五倍，可以利用低电压实现大电流，故超导电缆的使用可以满足城市不断增长的电力需求并节省日益紧张的城市地下空间。除此之外其还具有临界长度长，耐受短路电流大等优势。高温超导电缆的导电层主要采用Bi2223，YBCO和MgB2等带材，这些材料在液氮范围内均能实现超导特性。目前，美国、意大利、日本、韩国、法国、丹麦等工业发达国家的大公司都在积极研究开发超导电缆。
1低温系统可靠性设计
超导电缆低温系统的硬件主要由制冷机、低温热交换器、循环系统、压力控制系统等部分组成。液氮作为冷媒，在系统中循环流动，吸收系统回路中所消耗的热量(包括外部环境的漏热以及超导电缆内部所生成的热量)，并且将热量返回至制冷机，同时制冷机再将液氮冷却到初始温度。高温超导电缆低温系统其主要的设计思路是通过对系统的关键设备冗余和采用合理控制的方式来提高系统的可靠性。通过理论计算，得出宝钢高温超导电缆系统总体热负荷为2810W，其中超导电缆本体热负荷为2475W(包括超导电缆终端漏热、超导电缆本体恒温器漏热以及交流损耗)，低温系统自身漏热335W(包括冷箱、泵箱、液氮输液管道以及阀门等的漏热)。通过8台G－M型制冷机或者抽空减压的方式来冷却冷箱内的液氮，过冷的液氮再通过低温换热器来冷却内部循环的液氮。系统正常运行时，需6台制冷机开启，提供3000W的制冷量，剩余两台制冷机作为备用。一旦所有制冷机同时出现故障，系统将会立即启动抽空减压的方式进行制冷，亦可为超导电缆系统提供3000W的制冷量，保证系统的正常运行，从而满足系统可靠性的要求。
2冷却系统设计
现国内外高温超导电缆多采用Bi2223、YBCO带材，这两种带材的临界温度均略高于液氮沸点温度77K，而液氮可以直接从空气中分离出来，是最低廉的低温液体。因此在高温超导电缆的冷却系统中，大多采用液氮对电缆进行冷却，液氮流动在电缆管线的相应流动层中。超导电缆冷却系统按其工作模式分为开式、闭式两种。开式系统中蒸发的液氮直接排放到大气中，液氮直接蒸发冷却即属于此类，电缆直接浸泡于液氮中，液氮蒸发后直接排出。故开式系统需为电缆配备较大的液氮罐，用于不断补充系统中的液氮。闭式系统中的液氮回到冷箱，被制冷机重新冷却后进入系统参与循环，故闭式系统需要配以可靠度高的制冷机。现国内外超导电缆常用制冷机有布雷顿制冷机，斯特林制冷机及G－M制冷机。冷却系统的设计要遵循以下四项基本原则:(1)满足超导电缆冷却的最高温度限制和制冷量要求;(2)满足超导电缆的过冷冷却要求，最低温度不能低于液氮凝固点，且要保证管中液氮没有气泡产生，防止液氮绝缘性的恶化;(3)满足系统压力运行设计要求;(4)满足系统运行稳定安全要求。
3常用冷却方式
超导电缆是国内外超导领域的一大热门，世界各地超导电缆工程因系统特性，冷却要求，当地条件差异，使用的冷却方式也不尽相同。下文将结合具体实例，介绍各种不同方式超导冷却方式在超导电缆工程中的应用。
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3.1利用液氮蒸发冷却的冷却系统
液氮蒸发冷却属于开式冷却系统，2015年日本MPACC中一条使用ＲEBCO线材30m长的高温超导电缆以及2014年德国埃森市安培项目建造的1km超导电缆均使用的该种系统，现以德国埃森市的高温超导电缆项目为例介绍该种系统。该项目中，该条三相同轴高温超导电缆长达1km，载荷为10kV/40MVA，是当时世界上最长的一条高温超导电缆。
该冷却系统由过冷却器、液氮罐、真空泵、液氮泵等组成。超导电缆冷却介质液氮进口设定温度为67K。再冷却器中的液氮在150mbar下蒸发进入大气，通过换热器向超导电缆中的循环液氮提供冷量。在该系统中，最关键部件为一50m3液氮罐，液氮罐一方面为再冷却器提供液氮，另一方面为超导电缆中的液氮循环管道补给液氮，除此之外其还可在系统扰动期间对系统进行保护。该制冷系统可在67K制冷温度下提供5．6kW制冷量，其利用过冷液氮蒸发冷却的方式，基本可满米级超导电缆的冷却要求。
3.2利用布雷顿制冷机的冷却系统
布雷顿循环也称透平－布雷顿制冷循环。布雷顿循环制冷机属于间壁换热式低温制冷机。图2为透平－布雷顿制冷机的制冷原理图。在环境温度下，压缩机对气体进行绝热压缩;气体压缩后经级后冷却器到环境温度，再经间壁式换热器等压冷却到低温;低温气体进入膨胀透平绝热膨胀到最低制冷温度;离开膨胀机的冷气流在冷量换热器中等压吸热，而后通过逆流式间壁换热器的低温流道被再次加热到环境温度。俄罗斯圣彼得堡2．5km长的50MW/20kV高温超导电缆，即采用透平布雷顿制冷机，在70K下提供12kW制冷量。美国长岛的LIPA项目，也采用布雷顿制冷机为600m长，96MVA/13．8kV的超导电缆进行冷却，可在65K下提供5．6kW制冷量。
4制冷系统发展前景
现国内外对超导电缆制冷系统的研究主要集中在制冷系统中制冷机及制冷剂的改进上。目前，超导电缆用制冷机仍是超导电缆的一大技术难题。现国内外超导电缆用制冷机大多存在效率低，价格高等问题，至今市面上仍没有一款各方面性能均满足超导电缆冷却需求的制冷机，而制冷机对超导电缆的发展起着决定性的作用。故大功率、高效率、低成本低温制冷机的需求问题亟待解决，而随着制冷机行业的不断发展，脉管制冷机突显出巨大的发展潜力。
广泛应用于航天领域的脉管制冷机以其在低温下没有运动部件，寿命长等优势，备受超导电缆冷却行业关注。
除了对制冷机方面的研究，低温界仍在探索更高效制冷剂。MIT首先提出用固态氮冷却系统为直流HTS系统进行冷却，可以在没有主动冷却的一段时间内保证电缆处于超导态。京都大学也对固氮冷却BSCCO线材进行了研究，研究表明固氮的使用增强了线材的热稳定性，但由于纯固体的热传导问题，又提出了混合固液氮的方法。韩国SongJung－Bin等对混合制冷剂在超导电缆冷却系统的应用进行了更详尽的研究，研究了固氮－液氮混合，固氩－液氮混合，固氮－液氖混合的方式，认为减少液体制冷剂的使用，能提升制冷剂与被冷物体之间的传热系数。故混合工质冷却也是高温超导领域十分值得探索的领域。
结语
通过尽可能去除运动及有摩擦的部件提高制冷系统可靠性、提高压缩机效率、减少不可逆损失以提高制冷机的效率并尽可能降低制冷机制造成本是当务之急。故为了更好地提升制冷机与超导电缆的匹配性，需要相应考虑超导电缆用制冷机的研究同步进行探索，从而制造出更符合超导电缆冷却需求的制冷机。
参考文献
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［2］张喜泽，汤涛，张俊峰．高温超导电缆低温系统的可靠性分析［J］．低温与超导，2016(7):6－9．
［3］汪明君，朱绍伟．推移活塞脉管制冷机的实验研究［C］．中国工程热物理学会工程热力学与能源利用学术年会会议论文集．2016:11．
论文作者:张志明
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年11期
论文发表时间:2019/9/30
标签：超导论文; 液氮论文; 制冷机论文; 电缆论文; 系统论文; 低温论文; 高温论文; 《工程管理前沿》2019年11期论文;