CN101409127A - 高安全性低漏热高温超导大电流引线的分流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高安全性低漏热高温超导大电流引线的分流器，它与数十个已钎焊成一体的HTS叠焊接构成HTS组件。分流器的温端与冷端分别焊接有无氧铜端头，温端与冷端之间，依次有锡磷青铜段和不锈钢段，都与HTS叠钎焊。所述无氧铜端头、锡磷青铜段、不锈钢段相邻处都是硬钎焊连接。本发明通过选择分流器材料和改进结构，即使电流引线失超，在磁体放电过程中高温超导热点温度低于200K；并限制向5K的总漏热低于0.2W/kA水平。本发明分流器传导漏热低，安全性高，适用于大型超导磁体的HTS电流引线，将应用于磁体贮能量数十GJ水平的68kA电流引线。

Description

高安全性低漏热高温超导大电流引线的分流器

技术领域

本发明涉及大型超导磁体的高温超导电流引线超导组件，具体是一种高安全性低漏热高温超导大电流引线的分流器。

背景技术

21世纪中国将发展超导技术并大规模地应用于高能加速器、核聚变实验装置、高场磁体和贮能磁体等。4K低温致冷技术的难度和昂贵的运行费用曾是低温超导技术推广的屏障，大型超导磁体馈电的电流引线是最主要的热负荷来源。采用高温超导(HTS)电流引线可使4.5K热负荷下降一个数量级。但不少人对大电流引线的可靠性心存疑虑：如果制冷机或低温系统故障停止供冷会不会导致HTS失超？HTS组件失超会不会使超导磁体无法安全退磁等等？

大型磁体的安全是十分重要的，铜制常规电流引线其实也存在失去冷却后会不会烧毁的问题，只是它不存在失超的危险。HTS电流引线对于失冷所产生的安全威胁，现有的对策是降低HTS温端至室温的常规换热器段电流密度，增加换热器的热沉；同时增加HTS分流温度与运行温度之差，即提高温度裕度。德国卡尔斯鲁厄技术物理所(FZK-ITP)的70kA电流引线试验证明，当电流引线试验电流在68kA额定值，失冷5分钟后HTS才出现分流和失超转变。如果磁体在5分钟内退磁，则HTS不发生失超，一般情况下5分钟时间已足够让磁体电流回零，所以HTS电流引线的可靠性和安全性也是有保障的。

那么HTS组件一旦发生失超，它会不会在磁体退磁过程中被烧毁或性能因过热而退化？这取决于与它并联的分流器设计。分流器设计包括材料选择和截面积确定，在正常运行情况下分流器不承载电流，只起到对HTS叠的机械支撑作用。一旦HTS达到分流温度，则分流器和HTS带的Ag-Au基体共同承载部分电流。目前欧洲核研究中心(CERN)用于超级强粒子对撞机(LHC)的13kA电流引线和FZK-ITP的70kA电流引线都选择不锈钢作为分流器材料，其优点是热导率小，它的比热对电阻率的比值比其他金属大。HTS失超后电流完全转移到基体和分流器中，由于HTS组件的材料都具低热导、高电阻率特性，升温快速，可近似按绝热过程处理，即电流产生的焦耳热全部转化为对导电材料的加热。从失超到热点温度阈值的热逃逸时间可表达为(1)

$t=\frac{{A_{\mathrm{shunt}}}^2}{I^2}{\∫}_{T_{\mathrm{initial}}}^{T_{\mathrm{hotspot}}}\frac{C_v}{\mathrm{\ρ}}\mathrm{dT}---\left(1\right)$

上式中A_shunt是分流器的截面积，I-分流器承载的电流，C_v-分流器的体积比热，ρ-电阻率，T_hotspot-热点温度阈值，T_initial-失超的初始温度。由式(1)可见，如果考虑失超后的安全性，即延长热逃逸时间t，可通过增加截面积A_shunt或选择低电阻率材料。但随之而来的问题是漏热增加，因为分流器的漏热

$Q_C=\frac{A_{\mathrm{shunt}}}{L_{\mathrm{shunt}}}\underset{4.5K}{\overset{T_{\mathrm{shunt}-w-\mathrm{end}}}{\∫}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{shunt}}\left(T\right)\mathrm{dT}---\left(2\right)$

上式中λ_shunt是分流器材料的热导率，T_shunt-w-end分流器温端温度。根据Wiedemann-Frantz定律

λρ＝L₀T    (3)

上式中L₀是Lorentz常数，T-温度。所以，较低电阻率材料的热导率必然较高，增加热逃逸时间必将导致漏热增加。

美国超导公司曾为LHC研发13kA电流引线时采用黄铜分流器。EAST有一对纵场磁体16kA电流引线也用了黄铜分流器，实验结果表明，其安全性能很好，但传导漏热高达11W/个。

总之，现有大电流引线的分流器设计都采用单一材料，要么安全性不够，要么漏热过大。巨型超导磁体是未来磁约束聚变能开发必不可少的部件，因此，高安全性、低漏热HTS电流引线具有潜在的市场需求。

现有的分流器多数多采用单一的不锈钢材料，具有漏热低的优点，当热逃逸时间要求大于13秒以上时分流器设计成为难题。不锈钢分流器的一个主要问题是其电阻率比Ag-5.3wt.％Au合金大～21倍，而二者在并联导电时电流按截面积与电阻率的比值分配电流。以FZK的70kA不锈钢分流器为例[2]，虽然分流器的截面积4955mm²是Ag-Au基体的9.1倍，但由于电阻率的悬殊差异，不锈钢承载电流仅仅占30％，而70％电流由HTS带的基体承载。单位体积的发热比例于电流密度的平方与电阻率的乘积，由于电流密度悬殊差异，HTS叠内发热密度竟是不锈钢分流器的21倍，这样，分流器实际上并非从HTS叠分走电流，而是作为热沉分走发热。然而不锈钢的热导率相当低，试验表明，即使距离HTS叠7mm的不锈钢分流器，在失超后的温差可高达30-35K。这说明厚壁不锈钢分流器的大部分材料对热沉的贡献很少。

国际热核聚变试验堆(ITER)的环形场磁体由18个D形线圈组成，设计额定电流68kA，全部贮能量～41GJ，出于安全考虑，每两个线圈连接一对电流引线。纵场线圈导体的放电时间常数为11秒，为防止电磁噪声产生的误触发保护系统，从失超信号检测到触发磁体电源断开及移能保护，延时2秒。在前2秒内电流引线保持全电流，自第2秒后电流将按负指数衰减，这样13秒内的发热等值于2+11/2＝7.5秒内全电流发热。但为安全起见，要求13秒内维持全电流，热点温度不超过160K。

FZK-ITP的70kA电流引线试验结果表明，以HTS两端电位差10mV为失超判据为计时起点，7s后热点温度达到150K，因此未满足13s要求，而且相差甚远。

发明内容

本发明的目的是提供一种高安全性低漏热高温超导大电流引线的分流器，通过正确选择分流器材料和改进其结构提高安全性，延缓升温速率，但又不以增加漏热作为代价，电流引线一旦失超，在磁体放电时间常数加2秒内即使电流引线维持额定电流，HTS的热点温度不超过160K；并且分流器向5K低温的漏热低于0.06W/kA水平。

本发明技术方案如下：

一种高安全性低漏热高温超导大电流引线的分流器，包括有温端与冷端分别焊接有高导无氧铜端头，其特征在于所述的温端与冷端之间，依次有锡磷青铜段和不锈钢段；所述无氧铜端头、锡磷青铜段、不锈钢段相邻处真空硬钎焊连接，与事先已软焊接为一体的HTS叠的钎焊温度需低于HTS叠钎料熔点。

所述的高安全性低漏热高温超导大电流引线的分流器，其特征在于所述的锡磷青铜段、不锈钢段之长度比为2-3∶2。

本发明分流器是将分流器纵向分成两段，在较高运行温度段采用热导比不锈钢略好的铜合金，在低运行温度段仍采用不锈钢以减小向低温漏热，它适用于大型超导磁体的HTS电流引线，将应用于磁体贮能量GJ水平的68kA电流引线。

根据美国HORIZON公司CRYOCOMPv3.06软件提供的合金材料数据，锡磷青铜在100K温度的电阻率约比不锈钢低6倍，二者的电阻率、热导率和体积比热对温度的变化见图1-3。锡磷青铜较低的电阻率可使它从失超的HTS叠中分出更多的电流，同时由于它的热导率比不锈钢高3倍多，能更好地帮助HTS叠散热。所以，从安全性考虑它比不锈钢能更有效地保护HTS材料失超导致过热损坏。

需要特别指出的是，HTS失超通常出现在温度最高区，然后向低温区传播，在失超区扩展到不锈钢段之前，此段HTS叠仍承载几乎全部电流，这样其情况与全青铜分流器的一样，这已被实验证实。

本发明公开如何设计锡磷青铜与不锈钢复合的分流器，将式(1)进行变换可得分流器锡磷青铜截面积的表达式

$A_{\mathrm{shunt}}=I_{\mathrm{op}}{\left[\frac{2}{({2t}_{\mathrm{delay}}+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{disch}\arg e})}{\∫}_{T_{\mathrm{initial}}}^{T_{\mathrm{hot}-\mathrm{spot}}}\frac{C_{\mathrm{shunt}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{shunt}}}\mathrm{dT}\right]}^{-\frac{1}{2}}---\left(4\right)$

上式中τ_discharge指要求的、按负指数衰减的线圈时间常数，根据安全裕度可取实际时间常数的2倍或更大；起始温度取90K，在此温度下Ag-Au合金基体和分流器已承载电流；试验表明，热点温度限制在150K以下是安全的，但由于本计算忽略了纵向热传导，因此可将热点温度提升至200K作为变通的办法。

精确的失冷后的HTS段升温过程需应用ANSYS软件做仿真，数学模型如偏微分方程(5)，初值温度分布是气冷优化电流引线的换热器和传导冷却的HTS段稳态运行解，其数学模型如式(6)和(7)：

$\frac{\∂}{\∂x}\left[\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂x}\right]+\mathrm{\ρ}\left(T\right)J^2=C_M\frac{\∂T}{\∂t}---\left(5\right)$

$\frac{d}{\mathrm{dx}}\left[\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dx}}\right]+\mathrm{\ρ}\left(T\right)J^2-\frac{\mathrm{hP}}{A}(T-\mathrm{\θ})=0---\left(6\right)$

$\mathrm{hP}(T-\mathrm{\θ})=\stackrel{\·}{m}\mathrm{Cp}\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dx}}---\left(7\right)$

通常，数值模拟得到的HTS热逃逸时间大于初始的要求时间，其多出时间也计入安全裕度。

发明效果

以ITER装置的68kA电流引线为例，如果锡磷青铜截面积取3000mm²，则它将承载51％电流，从而使HTS带的发热功率减半，温升速率减半；其次，由于它的热导率是不锈钢的3-4倍(见图3)，它的热沉作用比不锈钢好得多。热导率大的不良影响是对低温端的漏热增加，采用不锈钢与青铜纵向复合分流器可克服漏热增加的弊端。在50K以下的温区，不锈钢的热导率是青铜的～1/3，不锈钢段的长度0.11m(占总长35％)。对于有效长度0.31m整个分流器的漏热可低达0.06W/kA(图4)，此值仅仅是HTS叠漏热的一半；与截面积5000mm²的全不锈钢分流器漏热相当，但从失超升温至160K的时间增加2倍。

现68kA电流引线由90个HTS叠组成，为验证分流器安全性和HTS叠的载流能力，按截面积1/90比例制作了3个试件：a)全不锈钢分流器(图5)，b)全Be青铜分流器，c)2/3长度Be青铜分流器与1/3长度不锈钢复合分流器(图6)，测量电流引线失冷和失超后升温过程。以HTS段电位差10mV为计时起点，当HTS热点温度达160K为计时终点，这3个样品的热逃逸时间分别为：10s、36s和37s，见图8和9。可见全不锈钢分流器热逃逸时间＜13s，不满足安全性要求；其余2个分流器热逃逸时间是不锈钢分流器的3倍多，大大高于安全性要求。也显示了复合分流器的安全性与全Be青铜分流器相当，但漏热与全不锈钢的接近。在68kA电流引线设计时复合分流器的不锈钢段截面积是全不锈钢分流器的一半，由于不锈钢在低于50K温度的热导率明显下降(见图3)，最终复合分流器的漏热可达到略低于全不锈钢分流器。

为提高安全性，采用铍青铜分流器取代不锈钢进行实验。1/90电流引线的模型试验表明，对提高安全性十分有效，以10mV作为失超判据，升温至160K的时间长达36s；但分流器漏热增加十分明显，高达14W，是不锈钢的3.6倍。

附图说明

图1.锡磷青铜和不锈钢的电阻率随温度的变化。

图2.锡磷青铜和不锈钢的热导率随温度的变化。

图3.锡磷青铜和不锈钢的体积比热随温度的变化。

图4.锡磷青铜-不锈钢复合分流器的漏热与界面温度。

图5.已有技术的HTS叠与分流器组件剖面图。

图6.HTS叠与复合分流器的组件剖面图。

图7.圆筒形复合分流器截面图.

图8.全不锈钢分流器1/90试件的失冷失超的升温过程。

图9.全Be青铜分流器和Be青铜-不锈钢复合分流器1/90试件的失冷失超的升温过程。

具体实施方式

参见图6、7。分流器与已软钎焊成为一体的HTS叠1钎焊连接。一种高安全性低漏热高温超导大电流引线的分流器，包括有温端与冷端的高导无氧铜端头2，温端与冷端之间，依次有锡磷青铜段3a、不锈钢段3b，并相互真空硬钎焊而构成的复合分流器。它通常设计成圆筒状(参见图8，18个槽共可放下90个HTS叠)或可组成圆筒的1/12～1/18单元条。所述分流器再与数十个HTS叠1进行温度低于30-40度的二次软钎焊构成高温超导组件。

此复合分流器已应用于ITER装置的高温超导电流引线设计，无论其68kA纵场线圈，52kA极向场，45kA中心螺管或10kA校正场线圈等电流引线都采用。各分流器的截面积与放电时间常数相关，与最大运行电流成正比。分流器可设计成圆筒状，由锡磷青铜和不锈钢管组成，二者之间可采用高温真空钎焊。分流器圆筒的两端也与高导无氧铜真空钎焊。为便于HTS叠钎焊，在圆筒表面开槽。HTS叠的排列以垂直于超导带宽面的磁场分量尽量小为原则，并且HTS叠与分流器筒的软钎焊的焊透率应＞95％，以保证电流和热流的传递。软钎焊焊料可采用Sn-3.5％Ag或Sn-3.8％Ag-0.7％Cu，其熔点分别为221和217℃。在77K下电导率高。以68kA电流引线的试件为例，分流器长度0.31m，HTS叠长度0.41m，两端与高导无氧铜的钎焊长度分别为55和45mm。分流器圆筒的不锈钢段长度0.11m，截面积2730mm²；锡磷青铜段长度0.2m，截面积3130mm²，升温至160K的热逃逸时间为16s，大于要求的13s。此分流器温端65K，其漏热为3.9W，它比90条HTS叠(每叠12层)的传导热8W小一半。适当增加不锈钢段长度(比如0.16m)，则分流器的漏热还可能降至3W水平。

Claims (3)

1、一种高安全性低漏热高温超导大电流引线的分流器，包括温端与冷端分别焊接有高导无氧铜端头，其特征在于所述的温端与冷端之间，依次有锡磷青铜段和不锈钢段；所述无氧铜端头、锡磷青铜段、不锈钢段相邻处真空硬钎焊连接。

2、根据权利要求1所述的高安全性低漏热高温超导大电流引线的分流器，其特征在于所述的锡磷青铜段、不锈钢段之长度比为2-3∶2。

3、根据权利要求1所述的高安全性低漏热高温超导大电流引线的分流器，其特征在于所述的分流器各部分与事先已软焊接为一体的HTS叠的钎焊温度低于HTS叠钎料熔点。

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