CN107346681A - 一种基于ReBCO各向同性超导股线的卢瑟福电缆 - Google Patents

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王银顺
阚常涛
薛济萍
吴姜
李彦
侯言兵
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North China Electric Power University
Jiangsu Zhongtian Technology Co Ltd
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Jiangsu Zhongtian Technology Co Ltd
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    • H01B12/02—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by their form
    • H01B12/08—Stranded or braided wires
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    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Abstract

本发明属于超导电工技术领域，尤其涉及一种基于ReBCO各向同性超导股线的卢瑟福电缆。针对大电流低温超导电缆在制作高场磁体线圈时，运行电流密度低、临界磁场强度低、运行温度域度小、拉伸机械性能差等问题，本发明提出了一种基于ReBCO各向同性超导股线的卢瑟福电缆，电缆由中心导体、ReBCO各向同性超导股线、金属护套、冷却通道构成，ReBCO各向同性超导股线作为子股线围绕着中心导体紧密排布且螺旋缠绕，ReBCO各向同性超导股线之间实现完全换位。该卢瑟福电缆具有临界电流各向同性较好、运行温度高、运行电流密度大、机械特性好、易于弯曲，生产工艺简单、成熟等优点，适合大规模生产，拓展了ReBCO各向同性超导股线在核聚变大型超导磁体线圈等装置中的应用。

Description

一种基于ReBCO各向同性超导股线的卢瑟福电缆
技术领域
本发明属于超导电工技术领域，尤其涉及一种基于ReBCO各向同性超导股线的卢瑟福电缆。
背景技术
随着科技的不断发展，受控制的核聚变有望成为一种高效率、无污染、可持续发展的新能源。当前核聚变反应的主要装置为托克马克反应堆，它的磁体系统由超导大型磁体线圈构成，磁体线圈产生磁场约束等离子体的运动并进行核聚变反应，反应堆的大型超导磁体线圈包括环向磁体线圈、极向磁体线圈、中心螺线管等。例如在ITER(国际热核实验反应堆)中，反应堆需要产生一个中心磁场强度达6.3T、中心线长度为34.1m的等离子体圆环。为了产生上述大小的等离子体圆环，磁体系统中的环向磁体线圈由18个运行电流为9.1MA，直径12.6m，宽度为8.1m的D形线圈排列组成。D形线圈绕组由144根低温超导体Nb3Sn大电流电缆构成，每根大电流超导电缆的运行电流为67.91kA，运行时所承受的外部磁场为10.8T。与ITER相比，欧洲核聚变能源发展联盟等合作机构计划建设世界上第一个DEMO(核聚变演示发电厂)，DEMO设计的核聚变功率更大、输出电网功率更高，因此DEMO核聚变装置需要一个更大的等离子体容积和中心磁场强度高达6.85T的等离子体圆环。为了满足这些要求，需要增大DEMO中超导大型磁体线圈的尺寸和提高磁体线圈的运行电流密度，进而需要增大构成磁体线圈的大电流超导电缆的临界电流和稳定性。而大电流低温超导电缆在制作高场磁体线圈时，运行电流密度低、临界磁场强度低、运行温度域度小、拉伸机械性能差，此时再利用低温超导体来制作大电流超导电缆已不能解决上述问题。
发明内容
针对上述技术背景中大电流低温超导电缆在制作高场磁体线圈时，运行电流密度低、临界磁场强度低、运行温度域度小、拉伸机械性能差等问题，本发明提出了一种基于ReBCO各向同性超导股线的卢瑟福电缆。所述电缆的截面为长方形，由金属护套4、ReBCO各向同性超导股线5，中心导体6和冷却通道8组成，多根ReBCO各向同性超导股线5以电缆轴线为基准，按一定角度α围绕着中心导体6螺旋缠绕一周，各股线在冷却通道8中紧密排列且相互平行，并在多根ReBCO各向同性超导股线5的外围加装长方形金属护套4，ReBCO各向同性超导股线5之间形成一定电缆扭矩以实现完全换位。
所述ReBCO各向同性超导股线5的截面为圆形，由包覆层1，填充材料2和ReBCO超导线芯3组成，包覆层1包裹超导线芯3和填充材料2。
所述ReBCO超导线芯3的截面为正方形，由四个相同的正方形截面的二级超导线芯组成，四个二级超导线芯按中心对称方式分布。
所述二级超导线芯由三根长方体结构的ReBCO涂层导体并排排列成截面为正方形的结构，左上方和右下方的二级超导线芯为竖直排列结构，左下方和右上方的二级超导线芯为水平排列结构。
所述包覆层1采用激光Ag焊接技术对缝焊接。
所述金属护套4的外表面为长方体结构，截面为矩形，由两个相同的半护套焊接而成，中间掏空部分的尺寸形状与排列好的ReBCO各向同性超导股线5的尺寸相吻合，制作材料可选用铜，铝，不锈钢。
所述冷却通道8用来流通液氦或超流液氦冷却介质进行冷却。
所述中心导体6的截面由中间部分的长方形和两边的半圆形组成，制作材料可以选用铜，铝材料。
本发明的有益效果在于：
本发明提出的一种基于ReBCO各向同性超导股线的高载流卢瑟福电缆，具有临界电流各向同性较好、运行温度高、运行电流密度大、机械特性好、易于弯曲，生产工艺简单、成熟，适合大规模生产，拓展了ReBCO各向同性超导股线在核聚变大型超导磁体线圈等装置中的应用。
附图说明
附图1为ReBCO各向同性超导股线卢瑟福电缆的三维结构示意图；
附图2为ReBCO各向同性超导股线卢瑟福电缆的截面示意图；
附图3为单个ReBCO各向同性超导股线的结构示意图；
附图标记：1-包覆层，2-填充材料，3-ReBCO超导线芯，4-金属护套，5-ReBCO各向同性超导股线，6-中心导体，7-焊缝，8-冷却通道；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图1为ReBCO各向同性超导股线卢瑟福电缆的三维结构示意图，如图1所示，所述卢瑟福电缆由金属护套4、ReBCO各向同性超导股线5，中心导体6和冷却通道8组成，多根ReBCO各向同性超导股线5以电缆轴线为基准，按一定角度α围绕着中心导体6螺旋缠绕一周，各股线在冷却通道8中紧密排列且相互平行，并在缠绕完成的多根ReBCO各向同性超导股线5的外围加装长方形金属护套4，ReBCO各向同性超导股线5之间形成缠绕扭矩为Lp的电缆扭矩以实现完全换位。在实际缠绕时，应根据ReBCO各向同性超导股线5的机械特性进行调整，不对其临界电流造成过多损害，根据中心铜导体的宽度和厚度，可增加或减少卢瑟福超导电缆中ReBCO各向同性超导股线5的数量，以改变它的电流运载能力。附图2为ReBCO各向同性超导股线卢瑟福电缆的截面示意图，如图2所示，所述卢瑟福电缆的截面为长方形，其中，金属护套4的截面为矩形，其外表面为长方体结构，所述金属护套4由两个相同的半护套焊接而成，在焊接处形成如图所示的焊缝7，中间掏空部分的尺寸形状与排列好的ReBCO各向同性超导股线5的尺寸相吻合，金属护套与各向同性超导股线之间形成的空隙，即冷却通道8，可用来作为液氦或超流液氦等冷却介质的流通通道进行冷却，金属护套4的制作材料可选用铜，铝，不锈钢。中心铜导体6的截面由中间长方形和两边半圆形状组成，其中，所述中心铜导体6的制作材料可以选用铜，铝材料。ReBCO各向同性超导股线5的截面为圆形，具体结构如图3所示，所述ReBCO各向同性超导股线5由包覆层1、填充材料2和ReBCO超导线芯3组成，ReBCO超导线芯3的截面为正方形，由四个相同的小正方形截面的二级超导线芯组成，四个二级超导线芯按中心对称方式分布。所述二级超导线芯由三根长方体结构的ReBCO涂层导体并排堆叠成截面为正方形的结构，其中左上方和右下方的二级超导线芯为竖直排列结构，左下方和右上方的二级超导线芯为水平排列结构。实际上可根据涂层导体厚度和宽度的大小，来增加或减少堆叠涂层导体的数量，使其能够组合成小正方形结构。包覆层1用来包裹超导线芯3和填充材料2，最后采用激光Ag焊接技术将包覆层1对缝焊接。为了提高超导股线的弯曲特性，可以事先将制作各向同性股线的包覆层1和填充材料2进行退火热处理。为了减少各向同性超导股线的交流损耗，可以将超导线芯堆叠后，沿着中心轴线扭转，达到一定的扭矩后再加装填充材料2并用包覆层1进行包覆焊接。
此实施例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 (8)

1.一种基于ReBCO各向同性超导股线的卢瑟福电缆，其特征在于，所述电缆的截面为长方形，由金属护套(4)、ReBCO各向同性超导股线(5)，中心导体(6)和冷却通道(8)组成，多根ReBCO各向同性超导股线(5)以电缆轴线为基准，按一定角度α围绕着中心导体(6)螺旋缠绕一周，各股线在冷却通道(8)中紧密排列且相互平行，并在多根ReBCO各向同性超导股线(5)的外围加装长方形金属护套(4)，ReBCO各向同性超导股线(5)之间形成缠绕扭矩为Lp的电缆扭矩以实现完全换位。
2.根据权利要求1所述的一种基于ReBCO各向同性超导股线的卢瑟福电缆，其特征在于，所述ReBCO各向同性超导股线(5)的截面为圆形，由包覆层(1)，填充材料(2)和ReBCO超导线芯(3)组成，将堆叠好的超导线芯(3)沿着中心轴线扭转后，再加装填充材料(2)和包覆层(1)。
3.根据权利要求2所述的一种基于ReBCO各向同性超导股线的卢瑟福电缆，其特征在于，所述ReBCO超导线芯(3)的截面为正方形，由四个相同的正方形截面的二级超导线芯组成，四个二级超导线芯按中心对称方式分布。
4.根据权利要求3所述的一种基于ReBCO各向同性超导股线的卢瑟福电缆，其特征在于，所述二级超导线芯由三根长方体结构的ReBCO涂层导体并排排列成截面为正方形的结构，左上方和右下方的二级超导线芯为竖直排列结构，左下方和右上方的二级超导线芯为水平排列结构。
5.根据权利要求2所述的一种基于ReBCO各向同性超导股线的卢瑟福电缆，其特征在于，所述包覆层(1)采用激光Ag焊接技术对缝焊接。
6.根据权利要求1所述的一种基于ReBCO各向同性超导股线的卢瑟福电缆，其特征在于，所述金属护套(4)的外表面为长方体结构，截面为矩形，由两个相同的半护套焊接而成，中间掏空部分的尺寸形状与排列好的ReBCO各向同性超导股线(5)的尺寸相吻合，制作材料可选用铜，铝，不锈钢。
7.根据权利要求1所述的一种基于ReBCO各向同性超导股线的卢瑟福电缆，其特征在于，所述冷却通道(8)用来流通液氦或超流液氦冷却介质进行冷却。
8.根据权利要求1所述的一种基于ReBCO各向同性超导股线的卢瑟福电缆，其特征在于，所述中心导体(6)的截面由中间部分的长方形和两边的半圆形组成，制作材料可以选用铜，铝材料。
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