CN101694908A - 用于高温超导电流引线冷端、低接头电阻的低温超导组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高温超导特大电流引线冷端、低接头电阻的低温超导组件。40～70kA高温超导特大电流引线下端与低温超导母线连接的电阻必须低达～1纳欧水平。本发明采用矩形截面铌钛/铜超导线和高导铜材，与超导母线的连接用成对盒式接头结构。试验已证明，本发明的低温超导组件与高温超导组件的接头电阻可低达0.5纳欧，与超导母线的接头电阻低于1纳欧。本发明系开发国际热核聚变试验堆特大电流引线的中间成果，其特点是构思新颖，制造成本低。

Description

用于高温超导电流引线冷端、低接头电阻的低温超导组件

技术领域：

本发明属于低温超导磁体的馈线技术领域。

背景技术：

热核聚变将是人类彻底解决能源需求之路，国际热核聚变试验堆(ITER)计划将在未来十年实施。为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)电流引线可使致冷电耗节省2/3。2003和04年日、德先后为ITER磁体研发成功60kA和70kA HTS电流引线，在低温试验时都与常规铜电流引线配对。日本原子能所采用很多条铌钛超导线连接HTS组件和铜电流引线，液氦浸泡冷却，纯粹为完成低温试验的权宜做法。德国FZK研究中心技术物理所的电流引线做得十分讲究：HTS组件冷端与一块高导铜板焊成一体，为减小接头电阻，与另一条电流引线连接的铜板表面作镀金处理，而且内埋两条铌三锡电缆，并灌满锡铅焊料。

日本原子能所技术不符合与ITER穿管超导电缆的盒式接头连接的要求；德国的接头造价很高：大面积镀金十分昂贵，而且靠螺钉压紧的连接电阻较大，容易蠕变松弛；此外，铌三锡电缆的750℃热处理生成铌三锡化合物后才超导，热处理2周时间费用也很昂贵。

低温超导组件是巨型热核聚变装置中超导磁体的供电馈线的部件，采用高温超导(HTS)电流引线可节省常规电流引线致冷能耗的2/3，原常规电流引线的热负荷又占聚变装置总热负荷的60％，故经济效益明显，采用HTS电流引线已经成为从事超导磁体设计者的共识。而电流引线的HTS段冷端不宜与超导磁体相连的超导母线直接连接，通常的做法首先将高温超导的冷端过渡为低温超导线束，此线束的另一端做成与穿管绞缆(CICC)超导母线端头可方便现场连接的盒式接头。但目前的接头技术不能达到足够低的接头电阻。

欧洲核研究中心的13kA高温超导电流引线采用两条铌钛超导线与一条HTS叠直接锡焊；这与日本60kA电流引线类似，但这两家的电流引线都不与迫流冷却的超导母线连接，或者说不要求HTS叠冷端处于真空环境。在设计EAST托克马克的15kA高温超导电流引线时，也采用两条直径0.87mm铌钛超导线与一条HTS叠直接锡焊，但EAST磁体和超导母线都采用迫流冷却的穿管绞缆超导体，它要求HTS组件在绝热真空环境中。而与HTS叠连接的低温超导线另一端必须在超临界氦流中冷却，因此它们不得不穿越真空与氦流的界面。由于限制钎焊超导线的最高温度不得大于300℃，故锡铅焊成了通常的选择。如果操作得不当容易泄漏，而且难以修理。

发明内容：

本发明的目的是提供一种用于高温超导特大电流引线冷端、低接头电阻的低温超导组件，低温超导组件与HTS组件分开组装，本身满足真空气密性要求，且总接头电阻满足小于1纳欧的要求(ITER要求)；此外，与超导母线连接适合成对盒式接头要求，总接头电阻低于2纳欧。

本发明的技术方案如下：

一种用于高温超导特大电流引线冷端、低接头电阻的低温超导组件，其特征在于：具体有一接头盒，接头盒由底座与盖板组成，所述的底座与盖板均由铜板与不锈钢板经过爆炸焊接为一体，底座与盖板的铜板层上有对合的半圆槽；数根低温超导线束螺旋绕套在铜杆外，铜杆侧壁上开有槽；所述的低温超导线和接头盒的底座与盖板的铜板层表面事先热镀Sn-40Pb焊料，并不得残留焊剂，然后数根低温超导线束与铜杆一起插入接头盒的半圆槽中，然后在200吨压力下进行氩弧焊接，并将接头盒底座与盖板的不锈钢板之间焊接连接；

所述低温超导线束的另一端嵌镶在铜质分流锥外壁上轴向条形槽内，所述铜杆端部插入分流锥的锥形端部凹槽内并真空钎焊连接；

所述的HTS组件的铜套内有连接配合段，它在铜质分流锥的圆柱端配合处具有一环形凸起过盈配合，在装配时需对外套加热至120℃，连接孔与铜质分流锥之间的间隙通过从上至下流入的熔化焊料进行焊接；

氦密封套罩在铜质分流锥外，一端与接头盒焊接连接，氦密封套另一端与HTS组件的铜套上的不锈钢环氩弧焊，氦密封套罩上还与氦气进/出管焊接；

铜质分流锥中部有台阶状沉孔，侧壁上有开孔与沉孔联通，所述的氦气进/出管与开孔接通，所述的铜质分流锥的外缘有18个冷却通道，从氦气进/出管进入的气氦从铜质分流锥侧壁上的开孔进入台阶状沉孔，然后进入HTS组件与铜质分流锥端部之间的间隙内，然后从铜质分流锥外缘上冷却通道进入氦密封套与铜质分流锥之间的间隙中，然后，再经过铜杆侧壁上的槽进入接头盒内。

一种用于高温超导特大电流引线冷端、低接头电阻的低温超导组件，其特征在于：所述的焊接采用熔点差异30～40度的锡-银-铜、锡-铅、铋-锡和铋-锡-铅焊料，防止后道焊接导致前道焊料熔化；并且所选焊料在5K温度具有超导电性或低电阻率。

根据权利要求2所述的一种用于高温超导特大电流引线冷端、低接头电阻的低温超导组件，其特征在于：所述的低温超导线采用截面为矩形的铌钛超导线，数量为90条，截面积为1×2.7mm₂；螺旋绕套在铜杆外时，铌钛超导线窄边贴在铜杆外。

在结构设计方面，本发明组件为一相对独立的组件，其冷端与超导母线连接，采用接头盒设计；另一端的载流件将与HTS组件的冷端铜套内孔真空锡焊。

本发明低温超导线束采用90条矩形截面为1×2.7mm铌钛超导线作为低温超导组件的载电流主体，表1给出了超导线的参数和性能。在4.2K温度和5T磁场下一条F5400超导线的临界电流高达2,200A；对于实际运行温度可能高达5-6K，但磁场低于0.25T。当90条超导线并联时，其载流能力可超过210kA，是额定电流的3倍。如此大的载流裕度是十分必要的，主要是考虑冷却氦流温度在4.5K时，超导线的运行温度可高达4.8K或以上；其次是出现失冷故障发生时，低温超导组件失超发生的时间推迟，也许在磁体及时退电流至零前不出现失超。矩形截面的周界大于圆形线，有利于接头电阻降低。

表1德国Bruker EAS公司F5400NbTi/Cu超导线参数

参数	数据	说明
			尺寸：宽x厚	2.7x1mm	裸线
临界电流，4.2K、5T下	2200A	判据：0.1μV/cm
			NbTi细丝数目	5400
丝径	16μm
			扭距	20mm
铜超比	1.75∶1
			RRR	80

采用1×2.7mm矩形截面超导线的主要问题是螺旋地立绕(窄边贴在铜杆外壁)在外径32mm铜杆上十分困难，因为导线截面积较大，而且需绕的超导线有90条；而且立绕使超导线与接头盒的铜板接触面之间容易产生压痕，获得较低的接头电阻。

解决立绕困难的方法是采用事先在直径稍大些的模具芯棒上密绕(可利用车床，8～10条低温超导线一起并绕)，在装配时像拉弹簧似的拉开即可。这90条超导线另一端嵌镶在铜质分流锥外壁上的的条形槽内，铜质分流锥和铜杆在超导线失超时将分流电流，保护超导线失超后不会过热而损坏。

低温超导线束和铜杆一起插入接头盒底座与盖板之间，两者之间不宜过紧，也不应太松。超导线束与接头盒的铜板板之间的低接头电阻是依靠在200吨油压下进行接头盒氩弧焊封盖。接头盒由304不锈钢厚板和高导无氧铜板爆炸焊接而成，其焊缝必须达到真空气密。应该注意，为确保获得低接头电阻，超导线和接头盒铜板表面应事先热镀Sn-40Pb焊料，并不得残留焊剂。

最终，低温超导组件与HTS组件之间电连接采用熔点143℃的铋-锡-铅焊料。在5K低温下、当电流密度低于3.5A/mm²时它具有超导电性。只要电流密度低于4A/mm²，可使接头电阻足够低。

焊料组分	熔点[℃]
		Pb-8Sn-2Ag	295
Sn-3.8Ag-0.7Cu	217
		Sn-40Pb	183

焊料组分	熔点[℃]
		19.26Bi-39.41Sn-Pb	143
Bi-18.8Sn-21.2Pb	100

低温超导组件和HTS组件之间的钎焊在真空容器中进行，工件竖直放置，利用重力使融化的焊料流入焊缝中，HTS组件支撑筒端部内侧与铜质分流锥的圆柱端配合处具有一环形凸起，宽度5mm，采用过渡配合，以防止焊料从下端流失，装配时HTS组件铜套在大气中加热至120℃，低温超导组件铜质分流锥插入。

低温超导组件的氦密封套一端与不锈钢接头盒焊接，另一端与HTS组件焊接，此外还与氦气进/出管焊接；这三道焊缝都要求真空气密，仔细检漏。

为减小压头损失，缠绕低温超导线的铜杆两侧开有槽。

发明的效果

低温超导组件与高温超导组件之间的总电阻0.5和0.66纳欧，也满足＜1纳欧要求。

附图说明：

图1为本发明结构示意图。

图2为在低温下几种焊料的接头电阻的V-A特性图。

具体实施方式：

一种用于高温超导特大电流引线冷端、低接头电阻的低温超导组件，具体有一接头盒1，接头盒1由底座与盖板组成，所述的底座与盖板均由铜板与不锈钢板经过爆炸焊接为一体，底座与盖板的铜板层上有对合的半圆槽；截面积为1×2.7mm²的矩形铌钛超导线束2，数量为90条，螺旋状窄边绕套在铜杆3外，铜杆3侧壁上开有槽4；矩形铌钛超导线2和接头盒1的底座与盖板的铜板层表面事先热镀Sn-40Pb焊料，并不得残留焊剂，然后矩形铌钛超导线束2与铜杆3一起插入接头盒1的半圆槽中，然后在200吨压力下进行氩弧焊接，并将接头盒1底座与盖板的不锈钢件之间焊接连接；

所述矩形铌钛超导线束2的另一端嵌镶在铜质分流锥5外壁上轴向条形槽内，所述铜杆3端部插入分流锥5的锥形端部凹槽内并真空焊接连接；

所述的HTS组件的铜套7与所述铜质分流锥5的圆柱端配合处具有一环形凸起6，达到过盈配合，连接孔与铜质分流锥5之间的间隙通过从上至下流入的熔化焊料进行焊接；

氦密封套8罩在铜质分流锥5外，一端与接头盒1焊接连接，氦密封套8另一端与HTS组件的铜套7上不锈钢环焊接，氦密封套8上焊接连接有氦气进/出管9；

铜质分流锥5中部有台阶状沉孔10，侧壁上有开孔11与沉孔联通，所述的氦气进/出管9与开孔11接通，所述的铜质分流锥5的外缘有18个冷却通道12，从氦气进/出管9进入的气氦从铜质分流锥5侧壁上的开孔11进入台阶状沉孔10，然后进入HTS组件与铜质分流锥5端部之间的间隙内，然后从铜质分流锥5外缘冷却通道12进入氦密封套8与铜质分流锥5之间的间隙中，然后，再经过铜杆3侧壁上的槽4进入接头盒1内。分流锥与HTS组件铜套真空钎焊，采用熔点143℃的铋-锡-铅焊料。

本发明已应用于为ITER装置研发的68和52kA高温超导电流引线设计，并且获得了满足ITER技术要求的试验结果。试验结果表明，两个超导线立绕接头电阻分别为0.85和1.31纳欧，远远低于ITER要求的2纳欧。此接头电阻包括6部分：1)铌钛超导线的铜基体电阻，2)超导线与接头盒铜板之间的接触电阻，3)两块接头盒底座与盖板上的铜板层电阻，4)两块接头盒底座与盖板上铜板层之间铋-锡-铅低温焊料(熔点100℃)电阻，5)连接两条电流引线的超导电缆铜基体电阻，6)超导电缆与接头盒铜板之间的接触电阻。其中电阻值大的接头是由于接头盒封盖时超导电缆与接头盒铜板的接触压紧程度不够，既变形量较小。总之，矩形超导线立绕与接头盒铜板的接触电阻可达到相当小水平(50纳欧*厘米²)。

对低温超导组件有4项基本要求：1)足够大的载流能力，2)足够低的接头电阻，3)较低的压头损失，4)较低的制造成本。

68/52kA两条电流引线的最大试验电流达90kA，高于额定电流32％。其低温超导组件与高温超导组件之间的总电阻0.5和0.66纳欧，也满足＜1纳欧要求；其中低温超导组件与HTS组件上铜环电阻仅仅0.16纳欧，说明90条矩形截面超导线平布的设计是成功；在85kA稳态电流试验中对于10g/s氦流量，两个盒式接头和两个电流引线冷端的全部压头损失为6kPa，这是相当低的压差。此外，相对于昂贵的的Nb3Sn和镀金FZK接头，本发明低温超导组件既成本低又性能满足要求。

Claims (3)

1.一种用于高温超导特大电流引线冷端、低接头电阻的低温超导组件，其特征在于：具体有一接头盒，接头盒由底座与盖板组成，所述的底座与盖板均由铜板与不锈钢板经过爆炸焊接为一体，底座与盖板的铜板层上有对合的半圆槽；数根低温超导线束螺旋绕套在铜杆外，铜杆侧壁上开有槽；所述的低温超导线和接头盒的底座与盖板的铜板层表面事先热镀Sn-40Pb焊料，并不得残留焊剂，然后数根低温超导线束与铜杆一起插入接头盒的半圆槽中，然后在200吨压力下进行氩弧焊接，并将接头盒底座与盖板的不锈钢板之间焊接连接；

所述低温超导线束的另一端嵌镶在铜质分流锥外壁上轴向条形槽内，所述铜杆端部插入分流锥的锥形端部凹槽内并真空钎焊连接；

所述的HTS组件的铜套内有连接配合段，它在铜质分流锥的圆柱端配合处具有一环形凸起过盈配合，在装配时需对外套加热至120℃，连接孔与铜质分流锥之间的间隙通过从上至下流入的熔化焊料进行焊接；

氦密封套罩在铜质分流锥外，一端与接头盒焊接连接，氦密封套另一端与HTS组件的铜套上的不锈钢环氩弧焊，氦密封套罩上还与氦气进/出管焊接；

铜质分流锥中部有台阶状沉孔，侧壁上有开孔与沉孔联通，所述的氦气进/出管与开孔接通，所述的铜质分流锥的外缘有18个冷却通道，从氦气进/出管进入的气氦从铜质分流锥侧壁上的开孔进入台阶状沉孔，然后进入HTS组件与铜质分流锥端部之间的间隙内，然后从铜质分流锥外缘上冷却通道进入氦密封套与铜质分流锥之间的间隙中，然后，再经过铜杆侧壁上的槽进入接头盒内。

2.根据权利要求1所述的一种用于高温超导特大电流引线冷端、低接头电阻的低温超导组件，其特征在于：所述的焊接采用熔点差异30～40度的锡-银-铜、锡-铅、铋-锡和铋-锡-铅焊料，防止后道焊接导致前道焊料熔化；并且所选焊料在5K温度具有超导电性或低电阻率。

3.根据权利要求2所述的一种用于高温超导特大电流引线冷端、低接头电阻的低温超导组件，其特征在于：所述的低温超导线采用截面为矩形的铌钛超导线，数量为90条，截面积为1×2.7mm²；螺旋绕套在铜杆外时，铌钛超导线窄边贴在铜杆外。

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