CN102779582A - 一种基于ReBCO涂层超导体的各向同性超导股线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超导材料领域，涉及一种基于ReBCO涂层超导体的各向同性超导股线。基于ReBCO涂层超导体各向同性超导股线的横截面为圆形、正方形或长方形结构，由超导股线线芯和包覆层组成，包覆层卷制包覆在超导股线线芯上，采用激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接。超导股线线芯由ReBCO涂层超导板经切割成涂层超导带材排列拼合成圆形、正方形或长方形横截面，实现了基于ReBCO涂层超导体各向同性超导股线的要求。本发明拓展了ReBCO涂层超导体的应用范围，超导股线具有各向同性的特点，可以提高超导股线的工程电流密度，应用于超导电缆、高场磁体、超导故障限流器、电流引线等超导电力装置中。
Description
技术领域
本发明属于超导材料领域，特别涉及一种基于ReBCO涂层超导体各向同性超导股线。
背景技术
连接电厂和市区的电力电网主要由架空线路和地下电缆组成，电缆主要用于在市区。地下电缆主要材料是铜，电流密度大约是1A·mm-2。相比之下，高温超导体能够传输更大的电流密度，如果地下电缆使用高超导（HTS）线，其结构可以变得更为紧凑。
超高压的铜电缆需要约一个直径大约3米的隧道，但高温超导电缆可以安装在直径只有150毫米的电缆管道中，铺设成本低，铺设时间短。由于超导体的焦耳损耗很小，低损耗也能导致二氧化碳的排放量减少，因此包括冷却高温超导电缆的运行成本也将减少。超导电缆的屏蔽层可以将电缆的漏磁降为零，从而减少电磁污染。所以高温超导电力电缆能够有效地扩大电力电网的容量。
使用BSCCO（铋系）超导带制成的100米长的高温超导电缆在世界各地进行测试和使用。但是，BSCCO超导带的价格较高，交流损耗也比较大，不利于其应用于实际的电力电网中。近几年来，具有大电流密度的ReBCO（稀土系钡铜氧，Re为Y、Sm或 Nd）涂层超导体的制备技术取得了重大进展，并且将其应用于超导电缆的制造技术也取得了飞速发展。ReBCO涂层超导带材的价格比BSCCO超导带材的价格低得多，并且由于ReBCO涂层超导带材很薄也能降低交流损耗。
高温超导材料具有强烈的各向异性，在77K温度直流磁场中，临界电流Ic(B, θ)随磁场大小和方向变化的经验模型为
其中，B//和B⊥分别是平行和垂直于超导带材表面的磁场分量的磁感应强度；θ为磁场与超导材料表面的夹角；Ic(0)为超导材料自场（零外磁场）下的临界电流；B0、γ和α为拟合常数。图1为高温超导带材临界电流各向异性的典型曲线，其中小图是磁场相对超导带材的方向，由图可知，垂直场对临界电流的影响比平行场影响要大得多。
另外，对于高场磁体，如在粒子加速器和聚变装置中，要求大电流、低电感和低交流损耗。高场磁体中的超导股线应该满足以下条件：大工程电流密度；圆形、柔韧以及较大的机械强度；具有各向同性和很低的交流损耗。
因此为了克服高温超导材料具有强烈的各向异性造成垂直场对临界电流的影响，需要一种能够克服高温超导材料各向异性的基于ReBCO涂层超导体的超导股线结构。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中所述的克服高温超导材料各向异性的基于ReBCO涂层超导体的超导股线结构，进一步提高现有的超导股线的工程电流密度、柔韧性，且该超导股线具有各向同性的特性，提供一种基于ReBCO涂层超导体各向同性超导股线，技术方案为：
第一种方案为，基于ReBCO涂层超导体各向同性超导股线的横截面为圆形结构，由圆形横截面的超导股线线芯和包覆层Ⅰ12组成，圆形横截面的超导股线线芯的左半部为由涂层超导带材Ⅰ11竖直排列拼合成半圆形横截面的一条二级线芯，圆形横截面的超导股线线芯的右半部由涂层超导带材Ⅰ11水平排列拼合成半圆形横截面的另一条二级线芯，包覆层Ⅰ12卷制包覆在圆形横截面的超导股线线芯上，Ag焊料在包覆层Ⅰ12卷制缝内将包覆层Ⅰ12焊接并形成焊缝17；
所述涂层超导带材Ⅰ11的材料为ReBCO涂层超导板；
所述涂层超导带材Ⅰ11的宽度按照超导股线线芯的左半部竖直排列拼合成半圆形横截面的二级线芯和超导股线线芯的右半部水平排列拼合成半圆形横截面的二级线芯的要求切割；
所述包覆层Ⅰ12所用的包覆带材料为铜带、铝带、铝合金带、不锈钢带或ReBCO涂层超导带；包覆带材料采用ReBCO涂层超导带，ReBCO涂层超导带的超导薄膜面向内侧；
所述包覆层Ⅰ12卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接。
第二种方案为，基于ReBCO涂层超导体各向同性超导股线的横截面为正方形结构，由正方形横截面的超导股线线芯和包覆层Ⅱ14组成，正方形横截面的超导股线线芯由4条相同面积的正方形横截面的二级线芯组成，每条二级线芯均由相同数量的涂层超导带材Ⅱ13排列拼合而成，左上部的二级线芯和右下部的二级线芯中的涂层超导带材Ⅱ13为竖直排列拼合，左下部的二级线芯和右上部的二级线芯中的涂层超导带材Ⅱ13为水平排列拼合，包覆层Ⅱ14卷制包覆在正方形横截面的超导股线线芯上，Ag焊料在包覆层Ⅱ14卷制缝内将包覆层Ⅱ14焊接并形成焊缝17；
所述涂层超导带材Ⅱ13的材料为ReBCO涂层超导板；
所述涂层超导带材Ⅱ13的宽度按照排列拼合成超导股线线芯中的正方形横截面的二级线芯的要求切割，涂层超导带材Ⅱ13的宽度和所述正方形横截面的二级线芯的边长相同；
所述包覆层Ⅱ14所用的包覆带材料为铜带、铝带、铝合金带或不锈钢带；
所述包覆层Ⅱ14卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接。
第三种方案为，基于ReBCO涂层超导体各向同性超导股线的横截面为长方形结构，由长方形横截面的超导股线线芯和包覆层Ⅲ16组成，长方形横截面的超导股线线芯由2条相同面积的正方形横截面的二级线芯水平排列组成，每条二级线芯均由相同数量的涂层超导带材Ⅲ15排列拼合而成，左部的二级线芯中的涂层超导带材Ⅲ15为竖直排列拼合，右部的二级线芯中的涂层超导带材Ⅲ15为水平排列拼合，包覆层Ⅲ16卷制包覆在长方形横截面的超导股线线芯上，Ag焊料在包覆层Ⅲ16卷制缝内将包覆层Ⅲ16焊接并形成焊缝17；
所述涂层超导带材Ⅲ15的材料为ReBCO涂层超导板；
所述涂层超导带材Ⅲ15的宽度按照排列拼合成超导股线线芯中的正方形横截面的二级线芯的要求切割，涂层超导带材11的宽度和所述正方形横截面的二级线芯的边长相同；
所述包覆层Ⅲ16所用的包覆带材料为铜带、铝带、铝合金带或不锈钢带；
所述包覆层Ⅲ16卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接。
本发明的原理是将涂层超导板按排列拼合成超导股线线芯中的正方形、长方形或半圆形横截面的二级线芯的要求，经切割技术切割成宽度不等的带材，然后按照要求排列拼合成超导股线线芯，再在外层以铜带、铝带、铝合金带、不锈钢带或涂层超导体为包覆层，采用激光焊接技术制成圆截面、正方形截面或长方形截面超导股线。切割后的每一根超导带材均是各向异性的，但是由于水平排列和竖直排列的超导带材数量及横截面积各占一半，对于整个股线来说在任何方向的磁场方向的作用下，磁场的水平分量和垂直分量均相等，消除了高温超导材料的各向异性，因此使超导股线具有各向同性的特征，从而可以制备出符合实际几何参数需要及电学参数需要的各向同性超导股线。
本发明的有益效果为，本发明是一种基于ReBCO涂层超导体各向同性超导股线，拓展了ReBCO涂层超导体的应用范围。该超导股线具有各向同性的特点，提高了超导股线的工程电流密度和机械强度。包覆材料为铜、铝、铝合金或超导涂层导体的股线适合应用于超导电缆、超导变压器、超导电机、超导磁体应用，包覆材料为不锈钢材料的股线适合于电流引线、超导限流器应用。
附图说明
图1为高温超导带材临界电流各向异性的典型曲线；
图2A为圆形横截面的各向同性超导股线结构示意图；
图2B为正方形横截面的各向同性超导股线结构示意图；
图2C为长方形横截面的各向同性超导股线结构示意图；
图3为各向同性超导股线包覆层卷制和焊接实施流程示意图。
图中，11--涂层超导带材Ⅰ，12--包覆层Ⅰ，13--涂层超导带材Ⅱ，14--包覆层Ⅱ，15--涂层超导带材Ⅲ，16--包覆层Ⅲ，17--焊缝，21--排列拼合后的超导股线线芯，22--包覆带，23--激光焊接焊枪，24--清洁装置，25--各向同性超导股线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
图2A、图2B、图2C分别给出了3种横截面的各向同性超导股线结构示意图。
实施例1，圆形横截面的基于ReBCO涂层超导体各向同性超导股线。
圆形横截面的基于ReBCO涂层超导体各向同性超导股线的横截面为圆形结构如图2A所示，各向同性超导股线的横截面为圆形结构，由圆形横截面的超导股线线芯和包覆层Ⅰ12组成，圆形横截面的超导股线线芯的左半部为由涂层超导带材Ⅰ11竖直排列拼合成半圆形横截面的一条二级线芯，圆形横截面的超导股线线芯的右半部由涂层超导带材Ⅰ11水平排列拼合成半圆形横截面的另一条二级线芯，包覆层Ⅰ12卷制包覆在圆形横截面的超导股线线芯上，Ag焊料在包覆层Ⅰ12卷制缝内将包覆层Ⅰ12焊接并形成焊缝17。
涂层超导带材Ⅰ11的材料为ReBCO（稀土钡铜氧系）中的YBCO涂层超导板。涂层超导带材Ⅰ11的宽度按照超导股线线芯的左半部竖直排列拼合成半圆形横截面的二级线芯和超导股线线芯的右半部水平排列拼合成半圆形横截面的二级线芯的要求切割；
包覆层Ⅰ12所用的包覆带材料为ReBCO（稀土钡铜氧系）中的YBCO涂层超导带，YBCO涂层超导带的超导薄膜面向内侧。
包覆层Ⅰ12卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接。包覆层Ⅰ12卷制包覆在圆形横截面的超导股线线芯上和采用激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接实施流程如图3所示。首先用螺旋卷制方法将包覆带22卷制在排列拼合后的超导股线线芯21的外表面，再用激光Ag焊接技术由激光焊接焊枪23将卷制后的包覆带对缝焊接在排列拼合后的超导股线线芯21的外表面形成焊缝，排列拼合后的超导股线线芯21、卷制和焊接后的包覆带22和焊缝构成各向同性超导股线25，再经过清洁装置24对各向同性超导股线25进行清洗。
图2A中，材料为YBCO涂层超导板的涂层超导带材Ⅰ11中，厚度均为0.20mm，水平排列的带材层数为14层（各层宽度分别为0.35mm、0.65mm、0.90mm、1.10mm、1.25mm、1.35mm、1.40mm、1.40mm、1.35mm、1.25mm、1.10mm、0.90mm、0.65mm、0.35mm），竖直排列的带材层数为7层（各层宽度分别为0.70mm、1.30mm、1.80mm、2.20mm、2.50mm、2.70mm、2.80mm），包覆层Ⅰ12厚度为0.10mm，圆形截面各向同性超导股线的直径为3.00mm，自场下临界电流约为560A。
实施例2，正方形横截面的基于ReBCO涂层超导体各向同性超导股线。
正方形横截面的基于ReBCO涂层超导体各向同性超导股线的横截面为正方形结构如图2B所示，各向同性超导股线的横截面为正方形结构，由正方形横截面的超导股线线芯和包覆层Ⅱ14组成，正方形横截面的超导股线线芯由4条相同面积的正方形横截面的二级线芯组成，每条二级线芯均由相同数量的涂层超导带材Ⅱ13排列拼合而成，左上部的二级线芯和右下部的二级线芯中的涂层超导带材Ⅱ13为竖直排列拼合，左下部的二级线芯和右上部的二级线芯中的涂层超导带材Ⅱ13为水平排列拼合，包覆层Ⅱ14卷制包覆在正方形横截面的超导股线线芯上，Ag焊料在包覆层Ⅱ14卷制缝内将包覆层Ⅱ14焊接并形成焊缝17。
涂层超导带材Ⅱ13的材料为ReBCO系（稀土钡铜氧系）中的YBCO涂层超导板。涂层超导带材Ⅱ13的宽度按照排列拼合成超导股线线芯中的正方形横截面的二级线芯的要求切割，涂层超导带材Ⅱ13的宽度和所述正方形横截面的二级线芯的边长相同；
包覆层Ⅱ14所用的包覆带材料为铜带；
包覆层Ⅱ14卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接；
包覆层Ⅱ14卷制包覆在正方形横截面的超导股线线芯上和采用激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接实施流程与实施例1相同。
图2B中，材料为YBCO涂层超导板的涂层超导带材Ⅱ13中，厚度均为0.20mm，宽度均为1.60mm， 8层带材排列成正方形横截面的二级线芯，包覆层Ⅱ14厚度为0.10mm，正方形截面各向同性超导股线的截面边长为3.40mm，自场下临界电流约为1024A。
实施例3，一种长方形横截面的基于ReBCO涂层超导体各向同性超导股线。
一种长方形横截面的基于ReBCO涂层超导体各向同性超导股线的横截面为长方形结构如图2C所示，各向同性超导股线的横截面为长方形结构，由长方形横截面的超导股线线芯和包覆层Ⅲ16组成，长方形横截面的超导股线线芯由2条相同面积的正方形横截面的二级线芯水平排列组成，每条二级线芯均由相同数量的涂层超导带材Ⅲ15排列拼合而成，左部的二级线芯中的涂层超导带材Ⅲ15为竖直排列拼合，右部的二级线芯中的涂层超导带材Ⅲ15为水平排列拼合，包覆层Ⅲ16卷制包覆在长方形横截面的超导股线线芯上，Ag焊料在包覆层Ⅲ16卷制缝内将包覆层Ⅲ16焊接并形成焊缝17。
涂层超导带材Ⅲ15的材料为ReBCO系（稀土钡铜氧系）中的YBCO涂层超导板。涂层超导带材Ⅲ15的宽度按照排列拼合成超导股线线芯中的正方形横截面的二级线芯的要求切割，涂层超导带材11的宽度和所述正方形横截面的二级线芯的边长相同；
包覆层Ⅲ16所用的包覆带材料为铝合金带；
包覆层Ⅲ16卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接；
包覆层Ⅲ16卷制包覆在长方形横截面的超导股线线芯上和采用激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接实施流程与实施例1相同。
图2C中，材料为YBCO涂层超导板的涂层超导带材Ⅲ15中，厚度均为0.20mm，宽度均为1.60mm，水平排列和竖直排列的带材数均为8层，包覆层Ⅲ16厚度为0.10mm，长方形截面各向同性超导股线截面尺寸为3.40mm×1.80mm，自场下临界电流约为512A。
本发明将各向异性的ReBCO涂层超导板按照排列拼合成的超导股线线芯中的二级线芯横截面的要求切割成超导带材，以水平方向和垂直方向各占一半的方式排列，使其在任何方向的磁场作用下垂直分量和水平分量均相等，然后以激光焊接技术将涂层超导带制成各向同性的超导股线。本发明拓展了涂层超导体的应用范围，本发明所述的各种超导股线具有各向同性的特点，提高了超导股线的工程电流密度。包覆层为铜、铝或铝合金，超导股线适合于超导电缆、超导变压器、超导电机和高场超导磁体等超导电力装置；包覆层为不锈钢或超导涂层导体，超导股线适合于电流引线和超导故障限流器，本发明具有重要应用前景。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于ReBCO涂层超导体的各向同性超导股线，其特征在于，基于ReBCO涂层超导体各向同性超导股线的横截面为圆形结构，由圆形横截面的超导股线线芯和包覆层Ⅰ（12）组成，圆形横截面的超导股线线芯的左半部为由涂层超导带材Ⅰ11竖直排列拼合成半圆形横截面的一条二级线芯，圆形横截面的超导股线线芯的右半部由涂层超导带材Ⅰ（11）水平排列拼合成半圆形横截面的另一条二级线芯，包覆层Ⅰ（12）卷制包覆在圆形横截面的超导股线线芯上，Ag焊料在包覆层Ⅰ（12）卷制缝内将包覆层Ⅰ（12）焊接并形成焊缝（17）；
所述涂层超导带材Ⅰ（11）的材料为ReBCO涂层超导板；
所述涂层超导带材Ⅰ（11）的宽度按照超导股线线芯的左半部竖直排列拼合成半圆形横截面的二级线芯和超导股线线芯的右半部水平排列拼合成半圆形横截面的二级线芯的要求切割；
所述包覆层Ⅰ（12）所用的包覆带材料为铜带、铝带、铝合金带、不锈钢带或ReBCO涂层超导带；包覆带材料采用ReBCO涂层超导带，ReBCO涂层超导带的超导薄膜面向内侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于ReBCO涂层超导体的各向同性超导股线，其特征在于，所述包覆层Ⅰ（12）卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接。
3.一种基于ReBCO涂层超导体的各向同性超导股线，其特征在于，基于ReBCO涂层超导体各向同性超导股线的横截面为正方形结构，由正方形横截面的超导股线线芯和包覆层Ⅱ（14）组成，正方形横截面的超导股线线芯由4条相同面积的正方形横截面的二级线芯组成，每条二级线芯均由相同数量的涂层超导带材Ⅱ（13）排列拼合而成，左上部的二级线芯和右下部的二级线芯中的涂层超导带材Ⅱ（13）为竖直排列拼合，左下部的二级线芯和右上部的二级线芯中的涂层超导带材Ⅱ（13）为水平排列拼合，包覆层Ⅱ（14）卷制包覆在正方形横截面的超导股线线芯上，Ag焊料在包覆层Ⅱ（14）卷制缝内将包覆层Ⅱ（14）焊接并形成焊缝（17）；
所述涂层超导带材Ⅱ（13）的材料为ReBCO涂层超导板；
所述涂层超导带材Ⅱ（13）的宽度按照排列拼合成超导股线线芯中的正方形横截面的二级线芯的要求切割，涂层超导带材Ⅱ（13）的宽度和所述正方形横截面的二级线芯的边长相同；
所述包覆层Ⅱ（14）所用的包覆带材料为铜带、铝带、铝合金带或不锈钢带。
4.根据权利要求3所述的一种基于ReBCO涂层超导体的各向同性超导股线，其特征在于，所述包覆层Ⅱ（14）卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接。
5.一种基于ReBCO涂层超导体的各向同性超导股线，其特征在于，基于ReBCO涂层超导体各向同性超导股线的横截面为长方形结构，由长方形横截面的超导股线线芯和包覆层Ⅲ（16）组成，长方形横截面的超导股线线芯由2条相同面积的正方形横截面的二级线芯水平排列组成，每条二级线芯均由相同数量的涂层超导带材Ⅲ（15）排列拼合而成，左部的二级线芯中的涂层超导带材Ⅲ（15）为竖直排列拼合，右部的二级线芯中的涂层超导带材Ⅲ（15）为水平排列拼合，包覆层Ⅲ（16）卷制包覆在长方形横截面的超导股线线芯上，Ag焊料在包覆层Ⅲ（16）卷制缝内将包覆层Ⅲ（16）焊接并形成焊缝（17）；
所述涂层超导带材Ⅲ（15）的材料为ReBCO涂层超导板；
所述涂层超导带材Ⅲ（15）的宽度按照排列拼合成超导股线线芯中的正方形横截面的二级线芯的要求切割，涂层超导带材11的宽度和所述正方形横截面的二级线芯的边长相同；
所述包覆层Ⅲ（16）所用的包覆带材料为铜带、铝带、铝合金带或不锈钢带。
6.根据权利要求5所述的一种基于ReBCO涂层超导体的各向同性超导股线，其特征在于，所述包覆层Ⅲ（16）卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接。
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