CN102918714A - 超导电缆导体的末端结构和端子构件 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于超导电缆导体的末端结构和端子构件，其中在超导电缆导体与端子构件之间的连接部中机械强度增大且电连接电阻减小。在连接超导电缆导体的末端部（10）和也用作良导体的端子构件的金属套筒（30）的结构中，末端部（10）设置有布置在中心支承体（11）的外周上的超导层（12）和围绕该超导层的绝缘体层（13），其中绝缘层（13）和超导层（12）被剥离使得中心支承体（11）和超导层（12）从端部依次暴露。金属套筒（30）设置有第一筒状部（31）、第二筒状部（32）和第三筒状部（33），第一筒状部的内表面（3a）与中心支承体（11）的暴露部分紧密接触，第二筒状部的内表面（3b）焊接到超导层（12）的暴露部分，绝缘体层（13）插入第三筒状部内。

Description

超导电缆导体的末端结构和端子构件

技术领域

本发明涉及用于超导电力电缆中的超导电缆导体的末端结构，该超导电力电缆以低损耗传输大量电力，并且涉及在所述末端结构中所使用的端子构件。本发明可应用于在终端连接点或中间连接点处使超导电缆和导体相互连接的技术。

背景技术

在以低损耗传输电力的超导电缆中，超导带成螺旋形缠绕在柔性芯上以形成导体层，从而电缆具有柔性。当需要高电流容量时，具有增加数量的导体层的多层电缆用来提供高电流传输。高温超导带的示例包括Bi（铋）基超导带和Y（钇）基超导带。这些类型的超导带被广泛使用，因为它们具有高临界电流并且容易形成长带。

现在描述制造超导电缆导体的实际方法。筒形多股绞合线导体被制备为中心支承件。该多股绞合线由多根具有柔性且高导电的电线形成，所述电线例如包括元素Cu、合金Cu、元素Al或合金Al。超导带例如是4mm宽且0.2mm厚，该超导带以不留空间的方式成螺旋形缠绕在中心支承件上，而形成第一层。另一个超导带接着与第一层类似以不留空间的方式成螺旋形缠绕在第一层的外表面上，而形成第二层。类似地，第三层进一步缠绕在第二层上。因此，在中心支承件上缠绕多个层以形成多层导体。接着，在超导电缆导体的外表面上设置绝缘体（绝缘层）。绝缘层由多层牛皮纸、半合成纸或合成纸制成，这些层的厚度与电压对应。因此，即使当向导体施加高压时也能避免绝缘击穿。

为了通过超导电缆导体传输电流，必须剥离绝缘层以暴露超导层，使得所暴露的层与Cu电极连接。专利文献1公开了一种使Cu电极（端子构件）与超导层电连接的方法。在该方法中，每个超导层的外表面均覆盖有焊料，使得超导层与Cu电极连接。该方法获得了每个超导层和Cu电极之间的小且均匀的连接电阻，从而使得每层中的电流均匀，并且使得能进行低损耗且稳定的电流传输。

通常，由于超导电缆的热收缩和/或在安装电缆期间的张力，高的张应力被施加于电极和超导电缆导体。包括使超导层和焊料连接的上述方法由于这种张应力而可能向超导带施加大的力，这导致对超导带的机械损伤。另外，当在包括超导电缆的电力系统中出现接地故障或短路时，在电力系统内瞬时流动量值比正常电流大十倍至几十倍的故障电流。在这样的情况下，超过超导层的电流容量的故障电流可能导致烧损超导层。为了避免这种烧损，超导电缆导体的中心支承件由Cu或Al多股绞合线制成，使得故障电流流过中心支承件。

超导电缆导体的末端应该考虑操作期间的这种故障而设计。专利文献2公开了如图7和图8所示的超导电缆导体的末端。在该超导电缆导体的末端中，绝缘套13被移除以暴露中心支承件11上的超导层12（第一层12a和第二层12b）。而且，一定长度的绝缘套13和超导层12被移除以进一步暴露中心支承件11。金属套筒30包括两个相邻的部分31和32。金属套筒30的第一部分31绕中心支承件11的暴露部分装配，并且金属套筒30的第二部分32绕超导层12的暴露部分焊接。该结构确保高机械抗张强度，并且提供这样的末端，其中，金属套筒30的第一部分32电连接到中心支承件11以允许故障电流流动。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本未审专利申请公报No.2004-087265

专利文献2：日本未审专利申请公报No.2010-050103

发明内容

待由本发明解决的问题

根据专利文献2，金属套筒30的第一部分31绕中心支承件11的暴露部分装配，并且所述金属套筒30的第二部分32绕末端中的超导层12的暴露部分焊接。然而，遗憾的是，该结构允许在金属套筒30的边缘30a和绝缘套13之间形成间隙。

该间隙导致下列问题：当向超导电缆施加弯曲力时，所述电缆在该间隙位置处局部弯曲；并且形成超导层的线材从绝缘套13上被拉出，从而导致向所述线材施加极高应力。大的弯曲角或大的张力能弯曲和/或切断所述线材。

同时，专利文献2的末端结构包括金属套筒130的第一部分和第二部分，这样的末端结构具有以下优点，即，当超导电缆110被冷却时，该超导电缆110耐受热收缩或张力，如图9A所示。

然而，当所述超导电缆110经受从超低温到室温的热循环时，没有对该超导电缆的热膨胀采取对策。所述电缆110的热膨胀导致该电缆内不均匀的应力分布，也就是说，导致在末端连接区域处的应力集中。如图9B所示，在专利文献2的超导电缆130的末端和导体的末端部中，所述末端或末端部未被设计成承受这种弯曲应力，而使该应力集中导致弯曲或断裂。

因此，本发明的目的在于提供一种这样的连接，该连接在超导电缆导体和端子构件之间具有高机械强度和低电连接电阻。

解决问题的手段

本发明提供一种超导电缆导体的末端结构，该末端结构用于连接所述超导电缆导体的末端部和良导体的端子构件，所述末端部包括：设置在中心支承件的外周上的超导层；以及围绕所述超导层的绝缘层，其中所述绝缘层和所述超导层被部分移除以便从所述超导电缆导体的端部使所述中心支承件和所述超导层依次暴露；并且所述端子构件包括覆盖所述末端部的金属套筒，所述金属套筒包括：第一筒状部，该第一筒状部的内表面与所述中心支承件的暴露部分紧密接触；第二筒状部，该第二筒状部绕所述超导层的暴露部分焊接；以及第三筒状部，所述绝缘层插入到该第三筒状部中。

根据本发明，所述金属套筒包括供所述绝缘层插入的第三筒状部。因为所述绝缘层和所述金属套筒在它们之间不会形成空间或者所述绝缘层和所述金属套筒彼此紧密接触，因此所述绝缘层和所述金属套筒之间几乎不发生挠曲；并且当向所述超导电缆导体的末端部施加弯曲力时能维持线性状态。因此在本发明中的所述超导层和所述绝缘层之间的边界处不发生挠曲，然而，在常规末端结构的暴露的超导层和绝缘层之间的边界处发生局部挠曲。因此，该部分不会由于所述超导层的应力集中或挠曲而遭受损伤，诸如切断电线。因此，所述末端结构不但在电方面可靠，而且在拉伸和/或弯曲之类的机械方面也可靠。

此外，即使当所述超导电缆由于低温而收缩或由于热而膨胀时，所述金属套筒的所述第三筒状部也防止所述绝缘层或所述金属套筒之间的挠曲，这使得所述末端结构可靠。

根据本发明，因为所述金属套筒的所述第一筒状部的内表面与所述中心支承件的所述暴露部分紧密接触，因此所述第一筒状部约束所述中心支承件的运动，从而提高所述连接部的机械强度。

同时，所述超导层和所述金属套筒之间的焊接也有助于连接电阻的减小并且有助于该连接电阻的均匀分布，从而实现具有低损耗的稳定电流。

在本发明中，优选地，所述绝缘层包括所缠绕的绝缘带；并且所述第三筒状部的长度大于所述绝缘带的宽度。该结构使得由所缠绕的所述绝缘带形成的所述绝缘层被牢固地约束或固定。更具体地，如果覆盖所述绝缘层的所述第三筒状部的长度小于所述绝缘带的宽度，则所述绝缘带可能滑动并且在边缘处松开，从而导致整个绝缘层的固定的失败。本发明的结构能防止这样的问题。

在本发明中，优选地，所述第三筒状部具有直径增大部，在该直径增大部中，内径朝向所述第三筒状部的边缘逐渐增大。因此，当向电缆施加弯曲应力时所述电缆能沿着所述直径增大部的内部曲率逐渐弯曲。

在本发明中，优选地，所述第三筒状部具有狭缝结构；并且所述第三筒状部的直径在该第三筒状部中容纳有所述超导电缆的所述绝缘层的情况下被减小，使得所述第三筒状部与所述绝缘层紧密接触。这种结构赋予所述第三筒状部以弹性，该弹性在没有任何粘合剂或施加的压缩力的情况下实现所述第三筒状部的内表面与所述绝缘层的牢固接触。

在本发明中，优选地，所述超导层的暴露部分包括多个子层，这多个子层以从最外子层到其最内子层的顺序阶梯状布置。根据该结构，所述超导层的所有子层能被焊接以与所述金属套筒的内表面连接。

本发明的金属套筒优选地包括具有低电阻和良好加工性能的金属Cu、合金Cu以及合金Al中的至少一种。

本发明提供一种待与超导电缆导体的末端部连接的良导体的端子构件，所述端子构件包括安装在所述末端部上的金属套筒，所述金属套筒包括具有不同内径的第一筒状部、第二筒状部和第三筒状部，其中，所述第一筒状部的内径大于所述超导电缆导体的中心支承件的外径；所述第二筒状部的内径大于设置在所述中心支承件的外周上的超导层的外径；并且所述第三筒状部的内径大于围绕所述超导层的绝缘层的外径。

所述金属套筒的所述第二筒状部优选地具有开口，低熔点金属通过所述开口被浇入到所述第二筒状部中。

发明效果

本发明提供超导电缆导体和端子构件之间的具有高机械强度和低电连接电阻的连接。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施方式的超导电缆导体的末端结构的侧视图。

图2是根据本发明的第一实施方式的超导电缆导体的末端部的立体图。

图3A是根据本发明的第一实施方式的设置有金属套筒的端子构件的平面图。

图3B是根据本发明的第一实施方式的设置有金属套筒的端子构件的侧视图。

图3C是根据本发明的第一实施方式的设置有金属套筒的端子构件的左端视图。

图3D是根据本发明的第一实施方式的设置有金属套筒的端子构件的右端视图。

图4A示出根据本发明的第一实施方式的金属套筒的状态，该金属套筒防止超导电缆由于该电缆的收缩而弯曲。

图4B示出了根据本发明的第一实施方式的金属套筒的状态，该金属套筒防止超导电缆由于该电缆的膨胀而弯曲。

图5A是根据本发明的第二实施方式的设置有金属套筒的端子构件的平面图。

图5B是根据本发明的第二实施方式的设置有金属套筒的端子构件的侧视图。

图5C是根据本发明的第二实施方式的设置有金属套筒的端子构件的左端视图。

图5D是根据本发明的第二实施方式的设置有金属套筒的端子构件的右端视图。

图6是根据本发明的第三实施方式的设置有金属套筒的端子构件的剖面图。

图7是根据常规技术的超导电缆导体的末端部和金属套筒的立体图。

图8是超导电缆导体的常规末端结构的立体图。

图9A示出了超导电缆导体的常规末端结构的状态，该末端结构防止超导电缆由于该电缆的收缩而弯曲。

图9B示出了超导电缆导体的常规末端结构的状态，该超导电缆导体由于该电缆的膨胀而弯曲。

具体实施方式

现在将参照图1、图2和图3在下面详细地描述本发明的实施方式。

图1是第一实施方式中的连接部的侧视图，在该第一实施方式中，本发明应用于多层超导电缆。

[第一实施方式]

在第一实施方式中，超导带绕中心支承件11以无间隙的方式成螺旋形缠绕以形成超导层12，并且绝缘纸缠绕在超导层12的外表面上以形成绝缘层13。这里，中心支承件11可以是由多根Cu线或Al线的多股绞合线构成的导体。另选地，中心支承件11可以是由缠绕有Cu线或Al线的螺旋形芯管或柔性芯管构成的中空导体。绕中心支承件11缠绕的超导带可以是Bi基超导带或Y基超导带。在本实施方式中，宽度为4mm且厚度为0.2mm的Y基超导带被缠绕以形成超导层12。

绝缘层13是宽度为20mm且厚度为0.1mm的绝缘纸或半合成纸的缠绕带。绝缘层13的厚度对于66-kV级超导电缆来说大约为6mm，对于154-kV级超导电缆来说大约为15mm或者对于275-kV级超导电缆来说大约为25mm。绝缘纸可以另选的是牛皮纸或合成纸。超导电缆导体的边缘部（末端部）10示出了盖被移除的多段结构，如图2所示。该多段结构包括从电缆的端部开始依次布置的中心支承件11、超导层12和绝缘层13。超导层12包括4层，即，呈多段结构的暴露的超导层12a、12b、12c和12d，如图2所示。

金属套筒30（参见图3A至图3D）装配到中心支承件11、超导层12和绝缘层13的暴露部分。金属套筒30包括第一筒状部31、第二筒状部32和第三筒状部33，这些筒状部在每个筒状部的端部处彼此相邻。在该实施方式中，金属套筒30还用作良导体的端子构件。金属套筒30可以具有凸出部，该凸出部具有孔以确保根据需要连接到诸如元素Cu、合金Cu或合金Al的良导体。第一筒状部31具有中空筒状形状，其内径略大于中心支承件11的直径。金属套筒30的第一筒状部31可以由外部施加力而被挤压，以通过接合或压力结合而固定在暴露中心支承件11上。例如，第一筒状部31的压缩实现内表面31a与中心支承件11的紧密接触或将内表面31a固定到中心支承件11。

金属套筒30的第二筒状部32的内径大于超导层12的直径，从而在金属套筒30的第二筒状部32的内表面32a与超导层12之间限定空间α。金属套筒30的开口35延伸穿过第二筒状部32。作为低熔点金属的软焊料通过开口35被浇入到第二筒状部32的内表面32a与超导层12之间的空间中，并且能使形成超导层12的超导带和金属套筒30通过焊接而连接。

散布在第二筒状部32的内表面32a与超导层12之间的空间中的焊料确保在低连接电阻的情况下超导层12和金属套筒30之间的优良电连接。为了提高焊料的粘附性，第二筒状部32的内表面或金属套筒30的整个内表面，或金属套筒30的整个内表面和外表面可以镀有Ag、Sn或任何焊接材料。

第三筒状部33具有中空筒状形状，其内径略大于绝缘层13的直径。该结构使绝缘层13由内表面33a约束在第三筒状部33内。结果，该部分即使被施加弯曲力也不会弯曲，而是保持笔直。第三筒状部33可以具有这样的内径，该内径在内表面33a和绝缘层13之间留有空间。在这种情况下，该空间小至使得电缆不能在该空间中弯曲。另选地，第三筒状部可以具有大至足以将绝缘层13插入其中的内径，并且第三筒状部33与绝缘层13之间的空间在插入之后可以填充有粘合剂，或第三筒状部33的直径可以被减小成与绝缘层13紧密接触。

第三筒状部33的长度L设定成至少为20mm，该长度与形成绝缘层13的绝缘纸的宽度对应。这是因为，如果长度L小于绝缘纸的宽度，则在被施加弯曲力时纸可能滑动并且松开，这将破坏绝缘层13的固定。

第一实施方式中金属套筒30具有三段结构，该三段结构对于相应的段来说具有不同的内径。第一筒状部31具有最小内径，该内径略大于超导电缆的中心支承件11的外径，使得中心支承件11能插入第一筒状部31中。与第一筒状部31相邻的第二筒状部32的内径大至足以在第二筒状部32和超导层12之间留有空间，该空间能容纳所需量的焊料。第三筒状部33具有最大内径，该内径设计成略大于绝缘层13的外径，使得超导电缆的绝缘层13能够在具有用于装配其的公差的情况下插入第三筒状部33中。

包括中心支承件11、超导层12和绝缘层13（依次暴露）的末端部10设置在金属套筒30中。接着第一筒状部31被从外周挤压（压缩）以减小直径，使得金属套筒30适合中心支承件11。第二筒状部构造成包含软焊料，该软焊料已被浇入到该第二筒状部中以便通过焊接连接超导层12的所有超导带与金属套筒30。第三筒状部33大体与超导电缆的绝缘层13紧密接触。

根据第一实施方式，金属套筒30包括供绝缘层13插入的第三筒状部33。因为绝缘层13和第三筒状部33不会在它们之间形成空间或者该绝缘层13和第三筒状部33彼此紧密接触，因此在绝缘层13与第三筒状部33之间几乎不发生挠曲；并且当向超导电缆导体的末端部施加弯曲力时也维持线性状态。因此在该实施方式中在超导层12与绝缘层13之间的边界处不发生挠曲，然而，在常规末端结构的所暴露的超导层12和绝缘层13之间的边界处发生局部挠曲。结果，该部分不会由于超导层12的应力集中或挠曲而遭受损坏，诸如线的切断。因此末端结构不但在电方面可靠，而且在拉伸和/或弯曲之类的机械方面也可靠。

如图4A所示，金属套筒30的上述第三筒状部33能保持绝缘层13，从而当超导电缆经受张应力时防止金属套筒30与绝缘层13之间的挠曲。当超导电缆变换到导致超导电缆的热收缩的超低温状态时，产生张应力。

类似地，如图4B所示，金属套筒30的第三筒状部33能保持绝缘层13，从而当超导电缆膨胀时防止金属套筒30与绝缘层13之间的局部挠曲。超导电缆的膨胀当从超低温状态变换成正常温度状态时发生。

因此，金属套筒30能提供在热循环中的温度显著变化下（从超低温到正常温度；和从正常温度到超低温）不会削弱可靠性的末端结构。

[第二实施方式]

图5A至图5D示出了本发明的第二实施方式。金属套筒30包括第一筒状部31、第二筒状部32和第三筒状部33，这三个筒状部同轴布置并且在每个筒状部的端部处彼此相邻。第三筒状部33具有多个沿该第三筒状部33的周向方向间隔布置的纵向狭缝36。这些狭缝36在第三筒状部33的整个长度上沿着金属套筒30纵向延伸。这允许第三筒状部33具有向内压缩（或直径减小）的弹簧的特性。因此，该结构使得第三筒状部33可以在没有任何粘合剂或施加的压缩力的情况下与绝缘层13紧密接触。

更具体而言，第三筒状部33的直径在该第三筒状部33中容纳有绝缘层13的情况下减小，使得第三筒状部33与绝缘层13紧密接触。这种结构沿直径方向赋予第三筒状部33以弹性，这实现了在没有任何粘合剂或施加的压缩力的情况下第三筒状部33的内表面33a与绝缘层13之间的牢固接触。这里，第三筒状部33的内径优选地设定成基本等于绝缘层13的外径。这是因为，利用由狭缝36造成的第三筒状部33的弹性，绝缘层13能够被容易地插入第三筒状部33中。

[第三实施方式]

图6示出了本发明的第三实施方式。金属套筒30包括第一筒状部31、第二筒状部32和第三筒状部33，这三个筒状部同轴布置并且在每个筒状部的端部处彼此相邻。第三筒状部33包括位于内表面33a的一部分上的弯曲部33b。该弯曲部33b具有允许电缆在被施加弯曲力时逐渐弯曲的曲率。第三筒状部33的内表面33a的该结构能保护超导层12不被损坏，这是因为即使向电缆施加弯曲力，该电缆也沿着整个内表面33a和33b逐渐弯曲。

在上述实施方式中，金属套筒还用作端子构件。另选地，金属套筒可以与凸出部成一体，该凸出部具有孔以电连接到良导体，该良导体诸如为不是超导体的元素Cu、合金Cu或合金Al。

在第二实施方式中第三筒状部设置有狭缝36，在第三实施方式中第三筒状部设置有弯曲部33b。然而，狭缝36和弯曲部33b两者都可以在一个实施方式中设置。

工业应用性

本发明可应用于在终端连接点或中间连接点处超导电缆和导体之间的连接的技术领域。

附图标记

10导体边缘部

10末端部

11中心支承件

12超导层

12a第一层

12b第二层

12c第三层

12d第四层

13绝缘层

30金属套筒

31第一筒状部

31a内表面

32第二筒状部

32a内表面

33第三筒状部

33a内表面

35开口

36狭缝

α空间

Claims (8)

1.一种超导电缆导体的末端结构，所述末端结构用于连接所述超导电缆导体的末端部与良导体的端子构件，

所述末端部包括：

设置在中心支承件的外周上的超导层；和

围绕所述超导层的绝缘层，其中

所述绝缘层和所述超导层被部分移除以使所述中心支承件和所述超导层依次从所述超导电缆导体的端部暴露；并且

所述端子构件包括覆盖所述末端部的金属套筒，所述金属套筒包括：

第一筒状部，所述第一筒状部的内表面与所述中心支承件的暴露部分紧密接触；

第二筒状部，所述第二筒状部绕所述超导层的暴露部分被焊接；以及

第三筒状部，所述绝缘层插入所述第三筒状部中。

2.根据权利要求1所述的超导电缆导体的末端结构，其中

所述绝缘层包括所缠绕的绝缘带；并且

所述第三筒状部的长度大于等于所述绝缘带的宽度。

3.根据权利要求1或2所述的超导电缆导体的末端结构，其中

所述第三筒状部具有直径增大部，在该直径增大部中，内径朝向所述第三筒状部的边缘逐渐增大。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的超导电缆导体的末端结构，其中

所述第三筒状部具有狭缝结构；并且

所述第三筒状部的直径在该第三筒状部容纳有所述超导电缆的所述绝缘层的情况下被减小，使得所述第三筒状部与所述绝缘层紧密接触。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的超导电缆导体的末端结构，其中

所述超导层的所述暴露部分包括多个子层，这多个子层以从其最外子层到最内子层的顺序阶梯状布置。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的超导电缆导体的末端结构，其中

所述金属套筒包括元素Cu、合金Cu和合金Al中的至少一种。

7.一种待与超导电缆导体的末端部连接的良导体的端子构件，所述端子构件包括：

安装在所述末端部上的金属套筒，所述金属套筒包括具有不同内径的第一筒状部、第二筒状部和第三筒状部，其中

所述第一筒状部的内径大于所述超导电缆导体的中心支承件的外径；

所述第二筒状部的内径大于设置在所述中心支承件的外周上的超导层的外径；并且

所述第三筒状部的内径大于围绕所述超导层的绝缘层的外径。

8.根据权利要求7所述的待与超导电缆导体的末端部连接的端子构件，其中

所述金属套筒的所述第二筒状部具有开口，低熔点金属通过所述开口被浇入到所述第二筒状部中。

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