CN100456586C - 超导电缆的接合结构和用于连接超导电缆的绝缘分隔件 - Google Patents

超导电缆的接合结构和用于连接超导电缆的绝缘分隔件 Download PDF

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Abstract

一种具有增强的连接强度并且防止超导层开裂的超导电缆接合结构。绝缘分隔件(1)的中心导体(3)和超导电缆(8)通过具有套筒形状端部的导体连接件(4)相连。尤其是，绝缘分隔件(1)的中心导体(3)和导体连接件(4)通过多接触连接相连。

Description

超导电缆的接合结构和用于连接超导电缆的绝缘分隔件
技术领域
本发明涉及一种接合结构和一种用于超导电缆连接的绝缘分隔件。更具体地，本发明涉及一种在超导电缆终端部分或在两个超导电缆的连接部分处将超导电缆终端和使超导电缆终端相对接地部分绝缘的绝缘分隔件的中心导体连接的结构，以及一种在这种连接中使用的绝缘分隔件。
背景技术
图6是超导电缆的代表性示例的透视图。超导电缆具有芯部由金属线(wire)制成的定径管40以及覆盖所述定径管40的超导层41(超导线)。超导层41通常由带状(tape shaped)的超导线42构成，该超导线中设置有超导丝(filament)，所述带状超导线以螺旋形式围绕定径管缠绕多层(例如，在该示例中是四层)，螺旋节距彼此之间稍微变化。超导层41穿过绝缘层43被屏蔽层44覆盖。
屏蔽层44用来屏蔽超导层41生成的电场。屏蔽层44通常由内部设置有超导丝的带状超导线构成，和超导层41的情况类似。带状线螺旋地缠绕成多层(例如，在示例中是两层)，螺旋节距彼此之间稍微变化。保护层45进一步覆盖屏蔽层44。
图7示出终端部分的代表性示例，该部分将用于电能传输的超导电缆和将电流抽出到外电流系统的电流引导端(current lead)相连。在超导电缆的终端部分53，超导电缆51的保护层、绝缘层和其他部分被除去并用补充绝缘纸52替换。在外部还设置有例如液态氮的冷却剂58，用以冷却超导电缆终端部分53。超导电缆51通过导体与电流引导端55相连，该导体和超导电缆51的终端部分53相连。将该连接固定在下部电屏蔽件54中，以防止电场泄露到外部。
电流引导端55被由FRP(纤维加强塑料)等制成的衬套56覆盖，以控制电场的泄漏。在终端部分的上部分，电流引导端55还被陶瓷绝缘件57覆盖。电流引导端55的下部分和下部电屏蔽件54被例如液态氮的冷却剂58冷却。冷却剂池59设置在用于绝热的真空室60内。
在上述终端部分中，冷却剂池59和真空室60被接地，它们需要相对超导电缆终端部分53绝缘。使用绝缘分隔件执行该绝缘。通常，绝缘分隔件61由环氧树脂制成(因此，被称作“环氧单元”)，并通常被造型为中部较厚、两端像锥形一样变窄。中心导体设置在绝缘分隔件61的芯部，以便使电流流过。
超导电缆终端部分53的端部与该中心导体的一个端部相连。中心导体的另一端被引导进入下部电屏蔽件54并且直接或间接地和电流引导端55相连。
尽管在OF电缆、CV电缆或者常规导电类型的电缆等中，没有示出任何绝缘分隔件的中心导体和超导电缆的端部分的接合结构，但是，中心导体和电缆端部通常利用压力套筒(sleeve)通过压力相连。
上述技术在以下文献中有所描述：
Masuda等人的“Verification Tests of 3-core 66kV HTS Cable System forPractical Use”，接合技术在超导性和线性驱动应用的会议论文，IEEE日本，日本电气工程师协会，2002年1月24日，文档NoASC-02-4，LD-02-4，第20页(The Papers of Joint Technical Meeting on Application ofSuperconductivity and Linear Drives，IEEE Japan，The Institute of ElectricalEngineers of Japan，January 24，2002，Document No.ASC-02-4，LD-02-4，page20)。
发明内容
但是，当使用将绝缘分隔件的中心导体与常规导电电缆相连的上述方法时，超导电缆内部的超导层(超导线)易于损坏，在这种情况下，不能保证超导性能。此外，难以直接将绝缘分隔件的中心导体和超导电缆连接在一起，其中，绝缘分隔件的主体通常由包含铝或铜的金属制成，而超导电缆的材料和结构与前者完全不同。
通过对不会导致出现上述问题的连接方法的努力研究，发明人发现上述问题可以如下解决：通过具有套筒形状的一个端部、尤其是两个端部的导体连接件(其对应于本发明的第一实施例)在中心导体和超导电缆终端之间实现连接。
但是，该连接方法依然存在如下问题：
经常难以在终端部分所处的地方通过焊接(welding)、尤其是采用电子束的焊接(EB焊接)和钎焊(soldering)等，来实现绝缘分隔件的中心导体和导体连接件之间的连接，因为，焊接、尤其是EB焊接需要特殊的设备和技术；以及
如果绝缘分隔件的中心导体和导体连接件由不同材料制成，难以通过钎焊等实现连接的足够强度。
此外，在导体连接件和超导电缆终端部分通过压力连接的情况下，通过将超导电缆终端部分插入导体连接件的凹陷部分并且从外部对凹陷部分施压，这样，超导电缆中的超导层(超导线)可以会被损坏，从而导致超导性能受损，如上述情况。
而且，由于在电缆纵向长度上的连接长度由于导体连接件的长度而被增加，整个接合结构件变长。
基于上述内容，本发明的目的在于提供一种能够使大量电流通过并能够解决上述问题的超导电缆终端结构。
本发明的第一实施例是一种超导电缆的接合结构，其中，绝缘分隔件的中心导体和超导电缆通过具有套筒形状的端部的导体连接件相连。
本发明的第二和第三实施例是第一实施例的优选实施例，其中，绝缘分隔件的中心导体和导体连接件通过多接触连接或者摩擦粘结(frictionbonding)相连。每个实施例提供了一种能够以足够的强度在绝缘分隔件的中心导体和导体连接件之间实现容易的连接的超导电缆接合结构，即使在设置终端部分的地方，或者甚至即使中心导体和导体连接件由不同材料构成。
发明人通过以下发现实现本发明的第二和第三实施例：相比于传统的EB焊接或钎焊，通过多接触连接或摩擦焊接可以将绝缘分隔件的中心导体和导体连接件之间的连接所需的强度、持久性和电流特性保持在相同或更高的水平。
尤其是，本发明的第二实施例对应于如此一种超导电缆接合结构：绝缘分隔件的中心导体和超导电缆通过具有套筒形状端部的导体连接件相连，其中，绝缘分隔件的中心导体和导体连接件通过多接触连接相连。
本发明的第三实施例对应于如此一种超导电缆接合结构：绝缘分隔件的中心导体和超导电缆通过具有套筒形状端部的导体连接件相连，其中，绝缘分隔件的中心导体和导体连接件通过摩擦焊接相连。
然后，本发明的第四实施例涉及超导电缆和导体连接件之间的连接。其提供了如此一种超导电缆的接合结构：超导电缆的定径管和导体连接件通过压力相连，导体连接件和超导层通过钎焊或铜焊相连，这样，可以在不损坏超导层的条件下以足够的强度连接导体连接件和超导电缆。
尤其是，本发明的第四实施例对应于如此一种超导电缆接合结构：超导电缆和长导体通过导体连接件相连，其中，超导电缆的定径管的端部分和导体连接件通过压力相连，设置在定径管外周上的超导层和导体连接件通过钎焊或者铜焊相连。
此处，虽然所述长导体可以是绝缘分隔件的中心导体，但不限于此，它可以是常规的导电电缆或其他的超导电缆。
本发明的第五实施例提供一种超导电缆接合结构，其在电缆纵向上较短，其中，在绝缘分隔件的芯部设置有中空管，导体连接件的连接部分和超导电缆布置在该中空管中。
尤其是，本发明的第五实施例对应于如此一种超导电缆接合结构：超导电缆和长导体通过导体连接件相连，其中，导体连接件和超导电缆之间的连接部分布置在设置于绝缘分隔件的芯处的中空管中。
这种将导体连接件和长导体的连接部分设置中空管中的设置的有利之处在于，接合结构在电缆纵向上的长度被缩短。中空管的材料不限于导体。
本发明的第六实施例使用中心导体，该中心导体具有作为绝缘分隔件的中心导体的超导层，以便从载流能力的角度得到更有效的超导电缆连接。
尤其是，本发明的第六实施例对应于一种用于超导电缆的绝缘分隔件，其具有和超导电缆相连的中心导体，该中心导体具有超导层。
附图说明
以下通过结合附图对本发明的详细描述，本发明的前述和其他目的、特征、方面和优点将变得明显，附图中：
图1至5示出本发明的各种示例；
图6是传统超导电缆示例的透视图；
图7示出超导电缆的传统终端部分的示例。
具体实施方式
以下将参照附图详细描述本发明的实施例。
首先，描述本发明的第一至第三实施例。
图1示出根据本发明第一、第二和第四实施例的超导电缆的接合结构的示例。在该示例中，绝缘分隔件1由树脂部分2和实心(solid)中心导体3构成。通常将环氧树脂用于树脂部分2。
中心导体3由在低温下具有低阻抗的金属制成，可以是以铜或铝作为主体的金属。其中，以铝作为主体的金属优选使用。此处，以铝作为主体的金属包括单纯的铝物质以及以铝作为其主要成分的合金。
例如，导体连接件4由以铝或铜作为主体的金属制成。其中，以铝作为主体的金属优选使用。此处，以铝作为主体的金属包括单纯的铝物质以及以铝作为其主要成分的合金。
在将以铝作为主体的金属用于中心导体3并且将以铜作为主体的金属用于导体连接件4的情况下，难以通过不同种类金属之间的钎焊或铜焊(brazing)实现足够强度的连接。为解决该问题，如上所述的，本发明的第二实施例使用多接触连接。
尤其是，如图1所示示例，多接触连接用于在中心导体3和导体连接件4之间实现连接。更具体地，导体连接件4在一端具有凹陷部分7。凹陷部分7的内周设置有三个槽5，导电弹性体(未示出)插入该槽中。在中心导体3的一端设置有突出部分6，该部分的直径稍小于凹陷部分7的内径。突出部分6插入凹陷部分7中。
使用多接触连接有助于在中心导体3和导体连接件4之间实现连接，即使在用于设置终端部分的地方。该连接部分可以使大量电流从其通过。但是，利用这种多接触连接，插入到凹陷部分7(连接孔)中的突出部分6仅仅通过导电弹性体的弹性而得以保持，从而出现突出部分6脱落的可能。所以，最好在多接触连接部分中使用例如防松螺母(locknut)、锁闩环等的锁闩机构(未示出)，以防止突出部分6滑落。例如，可以在和导体连接件4相连的、中心导体3的连接部分的表面上设置外螺纹，可以使用在其两端都具有防松螺母的连接螺母将导体连接件和中心导体相连。通过拧紧外螺纹，防松螺母施加用于锁闩的力。
尽管图1所示示例具有5个槽，但是并不限于此，可以适当地设置一个或者多个槽。槽5可以设置在凹陷部分7的外周上，而不是设置在其内周上。在这一示例中，中心导体3设置有突出部分6，而导体连接件4设置有凹陷部分7。或者，中心导体3可以设置有凹陷部分，而导体连接件4可以设置有突出部分。
在本发明的第三实施例中，中心导体3和导体连接件4通过摩擦焊接彼此相连，而不是通过多接触连接。在摩擦焊接方式中，需要相连的元件各部分(在图1示例中，中心导体3和导体连接件4)彼此接触，两个件中的一个旋转(或者，两个件沿彼此不同的方向以不同的速度旋转)以便通过接触摩擦产生热量。当旋转停止时，所述件借助摩擦生热和施加给连接部分的压力粘结。通过这种摩擦焊接，仍然可以容易地实现中心导体3和导体连接件4之间的连接，即使在终端部分所处的位置，并且该连接可以使大量电流通过。
下文描述本发明的第四实施例。
图1所示导体连接件4的另一终端和超导电缆8的终端相连。图1所示示例的超导电缆8具有和图6所示传统超导电缆类似的结构。
尤其是，第四实施例的超导电缆8具有芯部由金属线制成的定径管10，该芯部顺序地由超导层9、绝缘层、屏蔽层和保护层覆盖。在将要和导体连接件4相连的部分处，绝缘层、屏蔽层和保护层被除去，超导层9的各层和定径管10呈阶梯状露出。
超导层9通过钎焊和导体连接件4相连。在图1所示示例中，超导层9形成为四层，它们通过钎焊和导体连接件4相连。尽管在本示例中采用的是钎焊，但是也可以使用例如银铜焊(silver brazing)的铜焊。
定径管10通过压力和导体连接件4相连。尤其是，导体连接件4具有凹陷部分11，定径管10插入该凹陷部分中，从插入部分的外部对导体连接件4施压，从而将导体连接件4和定径管10相连。
在该示例中，超导层9和导体连接件4不是通过压力相连的，而是通过焊接等相连的。这样防止超导层受损，这是应用传统技术经常遇到的问题。该连接也能够使大量电流通过。另一方面，定径管10和导体连接件4通过压力相连，从而确保足够的连接强度。如此，可以在不损坏超导层的条件下在超导电缆8和超导连接件4之间实现具有足够强度并且能够使大量电流通过的连接。
中心导体3可以是中空管。在这种情况下，电流的表面效应(skin effect)可以防止载流能力的明显降低。
现在描述本发明的第五实施例。
图2示出本发明第五实施例的示例。如图2所示，超导电缆21的终端和导体连接件24在中空管22中彼此相连。尽管没有对连接部分的结构进行具体限定，但是图2所示示例具有和图1所示示例类似的结构。当连接部分被布置在中空管22中时，超导电缆的接合结构的长度可以减小导体连接件24和超导电缆21的终端部分的长度。
图2所示示例中，导体连接件24的另一端和另一长导体25相连。尽管没有对连接部分的结构进行具体限定，但是可以使用多接触连接等。在导体连接件24和另一长导体25相连的情况下，中空管22不必是导体，其可以是绝缘体。例如，它可以是由绝缘分隔件的树脂部分23的树脂形成的管。
或者，例如铝的导体管可以用作中空管22，可以将中空管22和导体连接件24相连以使大量的电流可以流过。此外，中空管22还可以用作绝缘分隔件的中心导体。
尽管导体连接件24与另一长导体25相连的部分不一定设置在中空管22之内，但是如图2所示，将其设置于中空管22内可以进一步减小超导电缆的接合结构的长度。
图3示出根据本发明第五实施例的、超导电缆之间的连接的示例。在该示例中，超导电缆30和31通过位于绝缘分隔件的中空管32内的导体连接件34彼此相连，该绝缘分隔件由树脂部分33和中空管32形成。
现在描述本发明的第六实施例。
在本发明的第六实施例中，在图1所示超导电缆的接合结构中，中心导体3具有超导层(超导线)，其在使用本发明的超导电缆接合结构的环境下变为具有超导性。如果中心导体3没有设置这种超导层，并且不具有足够大的截面积，大量电流通过时会产生大量的热量。例如，这样会导致由例如液态氮的冷却剂的蒸发引起的故障，因此，需要使用大功率的冰箱来避免出现这种问题。
另一方面，如果中心导体3的截面积增加以确保高的载流能力，绝缘分隔件1的整体尺寸会增加，导致出现树脂部分2可能由于中心导体3和冷却过程中的树脂之间的热收缩的不同而开裂的问题。如果中心导体3设置有超导层，该超导层能够使大量电流从其经过而不产生热量，这样就有利地消除了增加中心导体3的截面积的需要。
作为一种为中心导体3设置超导层的方法，提出了一种通过沿着中心导体3钎焊超导线而将超导线嵌入中心导体3中的方法。在其中心导体中具有这样的超导层的绝缘分隔件不仅可以使用在上述的第一至第五实施例中，而且还可以用于超导电缆终端和中心导体相连而不介入导体连接件的情况。所有这些情况都具有如下的益处：能够经过大量电流而不产生热量，不需要增加中心导体的截面积。
根据本发明第一至第六实施例的超导电缆接合结构可以应用于超导电缆和常规导电电缆之间的连接，也可以应用于超导电缆之间的连接。
根据本发明第一至第二实施例的超导电缆接合结构的特征在于：多接触连接或者摩擦焊接被用来在绝缘分隔件的中心导体和导体连接件之间实现连接，从而使大量电流可以经过。这样还有助于实现中心导体和导体连接件之间的连接，即使在终端部分所处的地方，或者即使中心导体和导体连接件由不同的材料制成，并且确保连接的足够强度。
根据本发明第四实施例的超导电缆接合结构的特征在于：导体连接件和超导电缆定径管的端部通过压力相连，导体连接件和超导层的端部通过钎焊或者铜焊相连，从而使大量电流经过。导体连接件和超导电缆以更高的强度彼此相连，且不会损坏超导线。
根据本发明第五实施例的超导电缆接合结构的特征在于：导体连接件和超导电缆之间的连接部分布置在绝缘分隔件处的中空管中，该连接部分在电缆的纵向上具有更小的连接长度，这样，可以缩短接合结构的整体长度。
根据本发明第六实施例的、用以连接超导电缆的绝缘分隔件具有设置在该绝缘分隔件的中心导体处的超导层，使大量电流可以经过，并且能够减小中心导体的截面积。如此，可将减小绝缘分隔件的整体尺寸，并防止其树脂部分开裂。
图4示出本发明的另一个示例。图4中，示出了树脂部分2、中心导体3、导体连接件4和凹陷部分11的横截面，示出了定径管10、超导层9和超导电缆8的侧面。如图4所示，定径管10和导体连接件4的凹陷部分11通过压力相连。相比之下，超导层9和凹陷部分11通过在两者之间应用融焊料而相连。导体连接件4和中心导体3形成为单件。超导层9布置在定径管10的外周上。
图5示出本发明的另一个示例。图5中，类似地，示出了定径管10、超导层9和超导电缆8的侧面，其他部分以横截面示出，和图3图示的方式类似。图5中，超导线109嵌入中心导体3中。尤其是，超导线109事先嵌入中心导体3中，构成环氧单元的树脂部分2通过注模形成。中心导体3由导体103和超导线109形成。
如上所述，根据本发明，如图1所示，超导电缆的接合结构包括：具有中心导体3的绝缘分隔件1；超导电缆8；以及，电缆连接件4，该件在其一端凹陷部分7，在其另一端具有凹陷部分11。凹陷部分7具有套筒形状并且和中心导体3相连。凹陷部分11也具有套筒形状并且和超导电缆8相连。
绝缘分隔件1的中心导体3可以通过多接触连接和导体连接件4相连。
绝缘分隔件1的中心导体3可以通过摩擦焊接和导体连接件4相连。
绝缘分隔件1的中心导体3可以由以铝作为主体材料的金属制成。
参照图4，根据本发明的超导电缆的接合结构包括超导电缆8、作为长导体的中心导体3以及连接超导电缆8和中心导体3的导体连接件4。超导电缆8包括定径管10和设置在定径管10外周上的超导层9。定径管10的一端和导体连接件4通过压力焊接相连，超导层9和导体连接件4通过钎焊或铜焊相连。
所述长导体构成绝缘分隔件1的中心导体3。
参照图2，根据本发明的超导电缆的接合结构包括超导电缆21、长导体25、连接超导电缆21和长导体25的导体连接件24和覆盖导体连接件24的绝缘分隔件1。导体连接件24和超导电缆21的连接部分布置在中空管22中，该中空管设置在绝缘分隔件1的芯部。
导体连接件24和长导体25的连接部分也可以布置在设置于绝缘分隔件1的芯部的中空管22中。
参照图5，根据本发明的、用以连接超导电缆的绝缘分隔件是具有和超导电缆8相连的中心导体3的绝缘分隔件1。中心导体3具有超导线109。
参照图1，根据本发明的、用以连接超导电缆的绝缘分隔件是具有中心导体3的绝缘分隔件1。中心导体3通过导体连接件4和超导电缆8相连。
尽管详细描述和示出了本发明，但是应该明白，上文的描述仅是演示和示例，而不是用以限制，本发明的实质和范围有权利要求书限定。

Claims (2)

1、一种超导电缆的接合结构，包括：
具有中心导体(3)的绝缘分隔件(1)；
超导电缆(8)；以及
具有一端(7)和另一端(11)的导体连接件(4)，其中，
所述一端(7)具有套筒形状并且和所述中心导体(3)相连，以及
所述另一端(11)具有套型形状并且和所述超导电缆(8)相连，
其特征在于，
所述一端(7)具有设置有至少一个凹槽(5)的内周，导电弹性体插入其中，以及
突出部分(6)设置在所述中心导体(3)的一端，该突出部分的直径稍微小于所述一端(7)的内直径，
所述绝缘分隔件(1)的所述中心导体(3)和所述导体连接件(4)通过多接触连接或摩擦焊接相连，其中，所述突出部分(6)插入所述一端(7)。
2、如权利要求1所述的超导电缆的接合结构，其中，所述绝缘分隔件(1)的中心导体(3)由以铝作为主体的金属制成，所述导体连接件(4)由以铜作为主体的金属制成。
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