CN108428516A - 一种高电流密度堆叠式高温超导消磁电缆的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高电流密度可以承载大电流的堆叠式高温超导消磁电缆的制备方法，属于高温超导消磁电缆领域，包括：确定超导带材的根数；确定绝缘层的厚度、绝缘层的绕制结构及对绝缘层进行消缺处理；选用尼龙或氟塑料缠绕作为隔离带，将其缠绕在所述绝缘层的外侧；将缠绕了绝缘层和隔离带的芯体集成于低温杜瓦管内部，所述低温杜瓦管与隔离带之间留有液氮通道，在所述低温杜瓦管的外侧设置外保护套。本发明采用堆叠式电缆芯体结构，可以进一步提高载流导体的电流密度，具有更小的重量及体积，而且简化结构，易于生产。

Description

一种高电流密度堆叠式高温超导消磁电缆的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高电流密度可以承载大电流的堆叠式高温超导消磁电缆的制备方法，属于高温超导消磁电缆领域。

背景技术

新造和修理后的舰船，以及使用一定期限的舰船都要进行消磁，防御水中磁性武器(如磁性感应水雷)的攻击和被磁探测仪器发现，保障舰艇航行安全。消磁有两种方法：(1)临时线圈消磁法：用于抵消舰船的固有磁场，由消磁船和消磁站执行。消磁站或船配有消磁发电机组、消磁线圈、磁场检测设备、控制装置等。一般要把消磁电缆按规定缠绕在被消磁舰船的船体上，通电消除磁场。消磁船在海上进行消磁，比较灵活。(2)固定绕组消磁法：用于补偿舰船的感应磁场，由舰船自身敷设的固定消磁绕组进行。消磁主要还是针对磁性引信的水雷，当初在二战和越战里磁性水雷炸沉了不少船只，磁性引信已经成为水雷的常用引信，许多复合引信水雷里除了水压引信和音响引信也会有磁性引信。以至于军舰消磁已经成为必需的出厂措施，多久再消磁就不大清楚了，这跟航行海域所处的地磁区域有关。潜艇也需要消磁，但作用没有水面舰艇大，因为针对性的磁异探测仪只要水下一定深度有大型钢铁物体就基本能探测到，潜艇消磁只能稍微减少点可探测深度距离，作用有限。

高温超导消磁电缆可用于提高舰艇的磁性防护能力。据美国水面作战中心的项目工程师称，在消磁系统中用高温超导导线替代铜导线将减轻导线重量，减少线圈圈数。美国超导公司的高温超导导线能够传输的电流是同样直径的铜导线的150倍。对于典型的军方用舰艇，例如LPD17两栖登陆舰，采用高温超导导线的消磁系统在重量上比采用铜导线的消磁系统轻20％，它不仅减轻了系统重量，而且也减少了安装成本。消磁电缆系统将被应用在世界上所用的舰艇上。高温超导消磁电缆应用了美国超导公司的高温超导导线，总长度达到142英尺。消磁电缆能够输送4100安培电流，达到了舰艇用常规铜消磁导线的一般水平，但是电压可以小于0.5伏，或比铜导线低1000倍。而且最重要的是，高温超导消磁电缆的重量仅为普通铜导线消磁电缆的20％。因此，高温超导消磁电缆在重量，体积方面的优势预计将使其与基于铜导线的消磁系统在安装成本上减少40％。另外，由于高温超导导线的零电阻的特性，因此只需要很少的能源就可以使高温超导消磁系统运行。美国超导公司宣称，该公司成功验证了全球首个全尺寸基于超导体的消磁电缆。海军舰艇大多采用消磁电缆，以减低磁信号特征，使舰艇不易被发现，特别是避免磁感应水雷的威胁。用于验证的高温超导消磁电缆长40米，实验中，电缆通过了4100安培的电流，这是目前舰载常规铜制消磁电缆的典型值，但工作电压却明显降低了，0.5伏的电压只是铜电缆工作电压的千分之一。

专利CN 102855982 A公开了消磁电缆领域中的一种舰船用屏蔽型纵向水密消磁电缆及其制造方法，镀锡铜丝浸渍密封胶后绞合成绞合铜导体，绞合铜导体外周浸渍有导体密封胶层，导体密封胶层外周挤包有绝缘橡胶层构成绝缘芯线，各绝缘芯线之间的缝隙处填充有氯丁橡胶填充条且多根绝缘芯线整体绞合成缆芯，缆芯外周依次设有缆芯内密封胶层、内护套橡胶层、铠装屏蔽层和外护套橡胶层。该电缆导体单丝浸渍密封胶，绞合铜导体外周浸渍有导体密封胶层，缆芯外周挤包有缆芯内密封胶层形成了多重密封，氯丁橡胶填充条在后续硫化时膨胀能够完全填充缆芯内的缝隙，并会造成绝缘芯线与绝缘芯线之间不再相切，从而使挤包缆芯内密封胶层时，密封胶能够渗透进缆芯内部，确保水密效果。专利CN 102751017 A公开了消磁电缆领域中的一种舰船用增强抗拉型纵向水密消磁电缆及其制造方法，多根镀锡铜丝浸渍密封胶后绞合成为绞合铜导体，绞合铜导体外周浸渍有导体密封胶层，导体密封胶层外周挤包有绝缘橡胶层构成绝缘芯线，各绝缘芯线之间的缝隙处填充有氯丁橡胶填充条且多根绝缘芯线整体绞合成缆芯，缆芯外周挤包有缆芯密封胶层，缆芯密封胶层外周挤包有护套橡胶层。该电缆导体单丝浸渍密封胶，绞合铜导体外周浸渍有导体密封胶层，缆芯外周挤包有缆芯密封胶层，形成了多重密封，氯丁橡胶填充条在后续硫化时膨胀能够完全填充缆芯内的缝隙，并会造成绝缘芯线与绝缘芯线之间不再相切，从而使挤包缆芯密封胶层时，密封胶能够渗透进缆芯内部，确保水密效果。专利CN102751020 A公开了消磁电缆领域中的一种舰船用纵向水密消磁电缆及其制造方法，多根镀锡铜丝浸渍密封胶后绞合成为绞合铜导体，绞合铜导体外周浸渍有导体密封胶层，导体密封胶层外周挤包有绝缘橡胶层构成绝缘芯线，各绝缘芯线之间的缝隙处填充有氯丁橡胶填充条且多根绝缘芯线整体绞合成缆芯，缆芯的外周挤包有缆芯密封胶层，缆芯密封胶层的外周挤包有护套橡胶层。该电缆导体单丝浸渍密封胶，绞合铜导体外周浸渍有导体密封胶层，缆芯的外周挤包有缆芯密封胶层，形成了多重密封，氯丁橡胶填充条在后续硫化时膨胀能够完全填充缆芯内的缝隙，并会造成绝缘芯线与绝缘芯线之间不再相切，从而使挤包缆芯密封胶层时，密封胶能够渗透进缆芯内部，确保水密效果。专利CN 105469888 A公开了消磁电缆领域中的一种双导体结构的同轴消磁电缆，从内到外包括内导体、橡胶绝缘层、外导体、橡胶隔离层以及外护套；所述的内导体由位于其中心的承载芯以及以承载芯为圆心围绕在加强芯外的若干根铝合金导体绞合而成；外导体由四根以电缆中心对称的加强芯和若干根铜导体组合而成；在橡胶隔离层与外护套之间设有塑料软管；所述的外护套上还设有温度感应报警器，温度感应报警器的高度不大于0.3mm，宽度不大于0.8mm；所述的塑料软管上设有四个凸槽，外护套上设有四个与凸槽相对应的凹槽。本发明的自承载以及抗压性能，防潮及密封性好，柔软性好、衰减小、屏蔽效果好，还能同时起到监控电缆温度作用。专利CN 105469888 A公开了消磁电缆领域中的一种消磁电缆槽、船舶用电缆的敷设装置及电缆敷设方法，涉及电缆敷设技术领域。消磁电缆槽，包括：电缆槽槽体，截面为矩形且顶部开口；盖板，盖合于电缆槽槽体的顶部开口处；和固定所述电缆的电缆紧钩，内置于电缆槽槽体中，电缆紧钩包括由两立杆及底杆所形成的U型支架和两相对平行的升降杆，每一升降杆的内侧各设有两个凹槽并对应限位于两立杆的外侧端，两个升降杆之间通过紧固件连接。船舶用电缆的敷设装置，由多个消磁电缆槽连接构成，相邻两个消磁电缆槽之间通过套筒连接而成。电缆敷设方法，采用船舶用电缆的敷设装置实施。本发明通过在电缆槽槽体内敷设电缆，可以大大方便施工人员的电缆敷设工作，减少对电缆的刮碰损伤。

上述所公开的及现有的消磁电缆，大多基于金属材料，如铜铝缆制造的消磁电缆，其采用有阻电缆芯体绕制，具有较大的体积重量以及电阻损耗，需更高功率的配套电源。而高温超导电缆采用具有高电流密度，零电阻损耗的超导材料绕制而成，基于高温超导电缆的消磁电缆具有体积小重量轻，损耗小，需配套电源功率低等优势。

专利CN 101069247A公开了一种超导电缆，该超导电缆能够以一种简单的结构吸收冷却中的超导线元件的收缩量。根据本发明的超导电缆包括：通过螺旋形缠绕构成超导层(导体层(13)、回流管导体(17))的超导线元件；设置在超导层的内侧上的应力松弛层(内侧应力松弛层(12)、绝缘层/外侧应力松弛层(16))；以及设置在应力松弛层的内侧上的电缆构成元件(成形件(11))。电缆构成为由应力松弛层吸收对应于由制冷剂冷却超导线元件的超导层在直径方向的收缩量。专利CN 101142637A提及发明提供了电缆直径进一步减小的超导电缆和包括该超导电缆的DC传输系统。超导电缆(1)具有这样的结构,其中两个电缆芯(2)被绞合到一起并容纳在热绝缘管(8)中，每个电缆芯具有均由超导材料制成的超导导体层(4)和外超导层(6)。每个电缆芯(2)从中心开始按序具有成形器(3)、超导导体层(4)、绝缘层(5)、外超导层(6)和保护层(7)。在单极传输中，两个芯(2)的超导导体层(4)被用作携带单极电流的去程线路,两个芯(2)的外超导层(6)被用作携带回流电流的回流线路。在双极传输中,一个芯(2)的超导导体层(4)被用作正极传输，另一个芯(2)的超导导体层(4)被用作负极传输,而两个芯(2)的外超导层(6)被用作中性线层。专利CN 102859613 A本发明公开了一种具有低材料成本和良好的耐电压性能的超导电缆，所述电缆能够抑制介电损耗。具体公开了具有位于导体外周上的绝缘层(5)的直流超导电缆(10)，并且所述电缆的特征在于：绝缘层(5)由内层至外层依次由第一绝缘层(5a)、第二绝缘层(5b)和第三绝缘层(5c)形成；绝缘层(5)浸渍有液氮；第一绝缘层(5a)的介电常数ε1与介电损耗正切值tanδ1的乘积和第二绝缘层(5b)的介电常数ε2与介电损耗正切值tanδ2的乘积满足ε1×tanδ1>ε2×tanδ2的关系；并且第二绝缘层(5b)的介电常数ε2与介电损耗正切值tanδ2的乘积和第三绝缘层(5c)的介电常数ε3与介电损耗正切值tanδ3的乘积满足ε2×tanδ2<ε3×tanδ3的关系。专利CN 103177815 A发明涉及一种三轴超导电缆。该三轴超导电缆包括：低温恒温部，其具有同轴地设置的内低温恒温部和外低温恒温部，其间插设有空间；以及单个芯，设置在低温恒温部的内低温恒温部中，其间插设有空间，其中绕线模设置在芯的中心处，具有每一相的超导传导层沿径向在外侧同轴地设置在绕线模的外周处，其间插设有绝缘层，并且绝缘层同轴地设置在最外部的超导传导层的外周处，其中低温恒温部的外低温恒温部由铝材料制成并且构造为在超导电缆系统处电连接到中性极(N极)的中性线。专利CN 106716558A提及一种超导电缆，其特点在于通过增强超导线材的物理强度，进而使故障电流的分流路径多样化，从而能够减小骨架的直径(截面积)或重量的超导电缆。

上述所公开的或现有的高温超导电缆结构大多为三相同轴、三相同心超导电缆结构，设有铜芯或中空波纹管的骨架结构。而堆叠式高温超导电缆芯体结构与三相同轴、三相同心超导电缆结构比较，省去了铜芯或者是中空波纹管的骨架结构，可以进一步提高超导电缆芯体的电流密度，具有更小的重量及体积，而且简化结构，易于生产。采用堆叠式可以增强高温超导带材尤其是YBCO涂层导体沿C轴方向的的机械强度。且现有的超导电缆需要窄带进行绕制，堆叠式高温超导电缆可采用宽带进行绕制，避免宽带分割，可以进一步提高芯缆的载流密度。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种高电流密度堆叠式高温超导消磁电缆的制备方法，所述的消磁电缆的芯体载流材料为可以承载大电流的高温超导带材，进而提高功率密度，同时通过采用堆叠式电缆芯体结构，可以进一步提高载流导体的电流密度。作为舰船用消磁电缆，本发明具有良好的弯曲特性及水下密封性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高电流密度堆叠式高温超导消磁电缆的制备方法，所述高温超导消磁电缆沿径向从内到外分别为芯体、绝缘层、隔离带、液氮通道、低温杜瓦管和外保护套，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

步骤1，所述芯体由超导带材堆叠而成；利用超导带材临界电流Ic随磁场变化特性，根据芯体的运行电流大小和方向确定高温超导消磁电缆芯体上磁场大小和方向，进而确定芯体的临界电流；根据所述芯体的临界电流和运行裕度，对芯体的运行电流和芯体上磁场进行迭代计算，得到芯体的最佳运行电流，最终确定超导带材的根数；

步骤2，确定绝缘层的厚度、绝缘层的绕制结构及对绝缘层进行消缺处理；

步骤3隔离带为尼龙缠绕管或氟塑料带，所述尼龙缠绕管或氟塑料带缠绕在所述绝缘层的外侧；

步骤4，将缠绕了绝缘层和隔离带的芯体集成于低温杜瓦管内部，所述低温杜瓦管与隔离带之间留有液氮通道，在所述低温杜瓦管的外侧设置外保护套。

进一步的，所述芯体采用厚度不大于0.3mm，宽度不大于20mm，临界电流不小于100A的由铜、铜合金或不锈钢包覆的超导带材。

进一步的，步骤2中，所述绝缘层的厚度根据下式确定：

其中：U为电压，为2.6～3.3倍的超导消磁电缆额定电压；E为对应的工频击穿场强或冲击击穿强度，m为对应于工频和冲击电压下的安全裕度，取1.2～1.65；Rc为芯体半径，R为绝缘层外半径，R-R_c即为绝缘层厚度。

进一步的，所述绝缘层由多层绝缘材料绕制而成，所述绝缘材料选用聚酰亚胺薄膜、聚丙烯层压纸、纤维素纸或油浸电缆纸聚芳酰胺纤维纸中的一种；步骤2中所述绝缘层的绕制结构为：在紧靠芯体及位于所述绝缘层最外的几层绝缘材料采用搭盖式绕制方法，其余部分采用间隙式绕制方法。

进一步的，所述绝缘层对芯体具有两种绕包方式：将每根超导带材都进行绝缘绕包，然后捆扎固定为一束芯体；或将所有超导带材直接使用绝缘绕包带捆扎固定为一束芯体。

进一步的，所述低温杜瓦管沿径向由内而外分别设有内波纹管和外波纹管，所述内波纹管和外波纹管的两端均焊接连接不锈钢直管的一端，由所述内波纹管、外波纹管和不锈钢直管构成一个具有中间夹层的柔性管道，所述不锈钢直管的另一端焊接刀口法兰并连接终端。

进一步的，所述低温杜瓦管中，所述外波纹管的长度大于内波纹管的长度，所述中间夹层为真空夹层，且所述中间夹层的两端分别设有真空抽嘴，所述真空夹层中设有隔热材料。

进一步的，所述杜瓦管的绝热结构可为堆积绝热，在所述中间夹层内填充有堆积材料，所选用的堆积材料为膨胀珍珠岩、珠光砂、气凝胶、超细玻璃棉或聚苯乙烯泡沫塑料，并在所述堆积材料中充填冷凝温度低于内波纹管表面温度的气体；

或所述杜瓦管的绝热结构为高真空绝热，所述中间夹层的真空度低于1.3×10^{- 3}Pa，所述中间夹层的内壁表面采用铜或铝并做光洁处理；

或所述杜瓦管的绝热结构为真空多孔绝热，在所述中间夹层内填充有多孔性绝热材料，再将中间夹层抽至1-10Pa的低真空，所选用的多孔性绝热材料为气凝胶、蛭石、珠光砂或微球绝热材料；

或所述杜瓦管的绝热结构为高真空多层绝热，在中间夹层内包裹多层金属箔。

进一步的，所述芯体为由n层超导带材堆叠成横截面呈矩形的堆叠超导体经扭绞得到，扭绞后的堆叠超导体通过铜丝缠绕进行成型固定，所述铜丝与堆叠超导体的连接处使用柔性垫片，以分散铜丝固定产生的应力。

进一步的，所述芯体为由4组堆叠超导体堆叠成的横截面呈组合正方形的超导导体块；每组堆叠超导体均由n层超导带材堆叠而成，且所述堆叠超导体的横截面呈正方形，相邻的堆叠超导体的堆叠方向相互垂直。

进一步的，所述芯体为由n层超导带材堆叠成横截面呈类圆的堆叠超导体，所述堆叠超导体固定在隔离带中。

进一步的，所述芯体包括超导层和失超保护层，所述超导层和失超保护层沿所述芯体径向排布或沿所述芯体径向分层相间排布；所述超导层采用超导带材，所述失超保护层采用红铜软线。

进一步的，所述失超保护层表面绕制有一层与所述超导层相接触的绕制保护层，所述绕制保护层选用质地松软且在低温下不会脆裂的材料。

本发明的有益效果为：

本发明所制备得到的高温超导消磁电缆，由高电流密度，零电阻损耗的超导材料绕制而成，具有体积小重量轻，损耗小，需配套电源功率低等优势。本发明所述高温超导消磁电缆与三相同轴、三相同心超导电缆结构比较，省去了铜芯或者是中空波纹管的骨架结构，可以进一步提高超导电缆芯体的电流密度，具有更小的重量及体积，而且简化结构，易于生产。堆叠式芯体可采用尼龙或氟塑料缠绕进行绕制，可以进一步提高芯缆的载流密度。同时采用堆叠式可以增强高温超导带材尤其是YBCO涂层导体沿C轴方向的机械强度。

附图说明

图1为低温杜瓦管结构示意图；

图2为液氮循环系统示意图；

图3a为实施例1中横截面呈矩形的堆叠超导体的结构示意图；

图3b为实施例1中横截面呈矩形的堆叠超导体截面图；

图4a为实施例2中横截面呈组合正方形的堆叠超导体截面图；

图4b为实施例2中横截面呈组合正方形的堆叠超导体主视图；

图5为实施例3中横截面呈类圆的堆叠超导体截面图；

图6为本发明所述超导消磁电缆径向截面结构示意图；

其中，1-内波纹管，2-外波纹管，3-不锈钢直管，4-真空抽嘴，5-中间夹层，6-超导消磁电缆，7-液氮泵，8-低温阀门，9-液氮储槽，10-芯体，11-绝缘层，12-液氮通道，13-外保护套。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种高电流密度堆叠式高温超导消磁电缆的制备方法，所述高温超导消磁电缆沿径向从内到外分别为芯体10、绝缘层11、隔离带、液氮通道12、低温杜瓦管和外保护套13，所述制备方法包括以下步骤：

步骤1，所述芯体由超导带材堆叠而成；利用超导带材临界电流Ic随磁场变化特性，根据芯体的运行电流大小和方向确定高温超导消磁电缆芯体上磁场大小和方向，进而确定芯体的临界电流；根据所述芯体的临界电流和运行裕度，对芯体的运行电流和芯体上磁场进行迭代计算，得到芯体的最佳运行电流，最终确定超导带材的根数。

所述芯体采用厚度不大于0.3mm，宽度不大于20mm，临界电流不小于100A的由铜、铜合金或不锈钢包覆的超导带材。

步骤2，所述绝缘层在高温超导消磁电缆中作用为电气绝缘和捆扎固定。所述绝缘层对芯体具有两种绕包方式：将每根超导带材都进行绝缘绕包，然后捆扎固定为一束芯体；或将所有超导带材直接使用绝缘绕包带捆扎固定为一束芯体。绝缘层处于液氮环境中，采用与液氮相容性良好耐低温的电气绝缘材料，所述绝缘层选用低温绝缘材料，主要有聚酰亚胺薄膜(PI)、聚丙烯层压纸PPLP、纤维素纸或油浸电缆纸聚芳酰胺纤维纸(Nomex)等材料。

所述绝缘层的选择可以是聚酰亚胺薄膜：聚酰亚胺(PI)拥有优良的物理、化学性能及耐热能力，其热稳定性良好，可以在零下269摄氏度到400摄氏度范围内保持良好的运行状态，能耐几乎所有的有机溶剂和酸，有较好的耐磨耐电弧等特性。这使得PI薄膜成为高温超导电工绝缘材料中使用最多的薄膜材料。PI薄膜在LN₂下的交流击穿场强在威布尔概率值等于62％时为279kV/mm。当PI薄膜用于匝间绝缘且绕包数不大于3时，其在LN₂下的交直流击穿场强随绕包数的增多而增加。PI薄膜在液氮下的局部放电特性，低温下可以抑制局部放电的发生，液氮下局部放电起始电压要比常温下高两倍，且局部放电随内部缺陷的增大而增强。

所述绝缘层的选择可以是聚丙烯层压纸：聚丙烯层压纸(PPLP)是日一种由多孔的纸浆材料同聚丙烯薄膜压制而成的绝缘纸，为三层结构，外两层为木纤维纸，内层为聚丙烯，材料成本较PI更低，且PPLP具有良好的浸渍性能，在低温下具有良好的机械性能和较高的电气强度。

所述绝缘层的选择可以是纤维素纸:低温绝缘试验中常用的纤维素纸为Kraft纸。纤维素纸具有较好的浸渍性，在77K LN₂浸渍、1个大气压的条件下，其相对介电常数为2.21，介质损耗角正切值为0.14。浸渍纤维素纸复合绝缘的电气强度随着LN₂压力的增大而呈非线性增加。在77K下，当压力达到8个大气压时，交流击穿场强达到饱和。Kraft纸在室温下的交流击穿场强为9.84kV/mm，其在LN₂下的交流击穿场强在威布尔概率值等于63.2％时为74kV/m，是其在室温下的7.5倍，此外，Kraft纸在LN₂下其直流击穿场强比交流击穿场强约高2倍，与空气中的实验结果类似，当Kraft纸用于匝间绝缘且绕包数不大于3时，随绕包数的增加，其在LN₂下的直流击穿场强从10kV增加到25kV，是交流击穿场强的1.1-1.5倍。

所述绝缘层的选择可以是油浸电缆纸聚芳酰胺纤维纸:油浸电缆纸聚芳酰胺纤维纸(Nomex)是一种合成的芳香族酰胺聚合物绝缘纸，具有良好的柔性、低温电气性能及机械性能。Nomex纸在LN₂下的直流击穿场强比交流击穿场强约高2倍，这与空气中的实验结果类似。当Nomex用于匝间绝缘且绕包数小于3时，其在LN₂下的交直流击穿场强随绕包数的增多而增加。

所述绝缘层结构的设计首先应确定绝缘层的厚度.对于单芯电缆，其绝缘厚度可按下式进行计算：

其中：U为电压，为2.6～3.3倍的超导消磁电缆额定电压；考虑冲击试验，可根据保护水平选取。E为对应的工频击穿场强或冲击击穿强度，m为对应于工频和冲击电压下的安全裕度，取1.2～1.65；R_c为芯体半径，R为绝缘层外半径，R-R_c即为绝缘层厚度。

确定了绝缘层的厚度后，需要确定绝缘层的绕制结构，绝缘层由多层绝缘材料绕制而成，这样既便于制作，可保证电缆的可曲度，又分散了绝缘纸带中的弱点，增加绝缘层的均匀度，提高绝缘层的击穿强度，降低绝缘层击穿强度的分散性。绝缘层的绕制方法有搭盖式和间隙式两种。搭盖式比间隙式的可曲度和缠绕紧密度低，因此仅用于紧靠线芯和绝缘层最外的几层，可使表面光滑，减小空隙尺寸。

绝缘层绕制完成后，应进行消缺处理。绝缘层中含有水分会显著降低浸渍后绝缘层的介电及老化性能，因此电缆绝缘层必须进行干燥。绝缘材料的厚度和不透气性对脉冲击穿强度有显著影响，因此减小绝缘材料的厚度、增加绝缘材料的不透气度均会增加浸渍绝缘材料绝缘的冲击击穿场强。绝缘材料层间的间隙相重合，会大大降低浸渍绝缘材料绝缘的冲击击穿场强，同时也会降低其工频击穿强度，应严格限制间隙重叠数。另外，由于液氮和绝缘材料的介电常数不同，会在通高压的情况下，在间隙间产生局部放电，这一点被认为是耐压退化的主要原因之一。因此，绝缘层应该避免局部放电，更好更久的保持操作的稳定性。

在实际运行工况下，超导电缆受到轴向的冷收缩和相邻超导带材之间的接触力，而且超导带材在绕制过程，为防止松散，需要施加合适的径向力，加上绝缘层保护层等作用，会对超导带材产生沿径向的压缩力。这些外加载荷会引起超导带材性能的退化，要对超导电缆进行力学特征分析，确保消磁电缆芯体的安全运行。

步骤3，所述超导消磁电缆芯体的隔离带是位于绝缘层的外侧，其作用为物理上隔离并保护芯体、绝缘层。选用尼龙缠绕管或氟塑料带作为隔离带，将其缠绕在所述绝缘层的外侧。

步骤4，将缠绕了绝缘层和隔离带的芯体集成于低温杜瓦管内部，所述低温杜瓦管与隔离带之间留有液氮通道，在所述低温杜瓦管的外侧设置外保护套。所述低温杜瓦管位于隔离带的外侧，其作用为容纳低温冷却介质，隔离带与杜瓦管之间为液氮通道。低温杜瓦管的设计首先要依托于消磁电缆芯体的设计，并且与芯体的设计保持高度衔接，使得在确保芯体与低温杜瓦管良好集成的基础上，实现低温杜瓦管的经济性；其次，杜瓦管设计中一个重要的环节是其热损耗的大小，需要优化其结构，通过有效的方法实现杜瓦管的热损耗处于一个较为合理的范围，从而可以降低超导消磁电缆对低温制冷量的需求；再次，出于轻量化方面的考虑，低温杜瓦管作为消磁电缆整体重量的重要组成部分，有必要对其结构进行优化，减轻重量；最后，在杜瓦管的结构设计和制造过程中，需要在低温杜瓦管所用材料及其选型等方面从符合市场需求的角度统筹考虑，尽可能地减少低温杜瓦管的加工和制造成本。

如图1所示，所述低温杜瓦管沿径向由内而外分别设有内波纹管1和外波纹管2，所述内波纹管1和外波纹管2的两端均焊接连接不锈钢直管3的一端，由所述内波纹管1、外波纹管2和不锈钢直管3构成一个具有中间夹层5的柔性管道，所述不锈钢直管3的另一端焊接刀口法兰并连接终端。

所述低温杜瓦管中，所述外波纹管的长度大于内波纹管的长度，所述中间夹层为真空夹层，且所述中间夹层的两端分别设有真空抽嘴，所述真空夹层中设有隔热材料。

所述杜瓦管综合考虑对流、传导和辐射等传热途径，尽量减少热量从室温向内管的传递，提高绝热效果。

所述杜瓦管的绝热结构可以选择堆积绝热，这是一种非真空绝热，固体热传导和气体导热占该类绝热结构热流量的90％以左右。为减小固体导热，通常选用密度小的堆积材料，如膨胀珍珠岩(珠光砂)、气凝胶、超细玻璃棉、聚苯乙烯和泡沫塑料等。为防止绝热材料中气体的冷凝导致绝热性能恶化，堆积材料中充填冷凝温度低于内波纹管表面温度的气体，如氢气或氦气。该绝热结构有制作工艺简单、成本低等优势，但有保温性能差、绝热层厚等致命缺陷，在高温超导电缆中很少采用。

所述杜瓦管的绝热结构可以选择高真空绝热，这是一种单纯的真空绝热，为达到良好的绝热效果，绝热夹层的真空度要低于1.3×10^-3Pa。辐射热损耗是该结构的主要热损耗来源，为减少辐射热损耗，高真空壁面通常采用低发射率的铜、铝等材料并做光洁处理。单纯真空绝热具有结构简单、紧凑、热容量小、制造方便等优点，缺点是辐射热损耗降低程度有限，对于长期工程应用的超导电缆来说，热损耗偏大、维护较为频繁。

所述杜瓦管的绝热结构可以选择真空多孔绝热，这种绝热方式是在绝热空间充填多孔性绝热材料，再将绝热空间抽至1-10Pa的低真空，常用的多孔绝热材料有气凝胶、蛭石、珠光砂和微球绝热材料等。真空多孔绝热所要求的真空度低，绝热性能比堆积绝热优2个数量级，比高真空绝热优1个数量级，但具有夹层间距大、结构复杂而笨重等缺点。

所述杜瓦管的绝热结构可以选择高真空多层绝热，这种绝热方式是在绝热空间包裹多层金属箔(如铝箔等)来大幅消减辐射热损耗的一种高绝热结构，是目前绝热效果最好的一种绝热结构，也称超级绝热，也是目前应用最广的绝热方式。

冷却介质液氮在低温杜瓦管中循环，为高温超导消磁电缆提供冷却的低温环境，液氮循环系统应满足几个技术性要求：信赖性：液氮循环系统应具有可靠性，在运行中发生故障可能性降低到最小；运行控制：在液氮循环过程中，对于液氮温度及流量进行有效控制，满足高温超导消磁电缆的稳定运行；保修、检查：定期对于液氮循环系统管路进行检查，确保安全，消除管道老化等因素引起的液氮泄漏事故；经济性：液氮循环系统在满足运行要求的基础上，应满足经济性要求。在液氮循环系统运行时，必须保证以上的运行原则，以确保高温超导消磁电缆的稳定安全运行。图2展示了液氮循环系统。

所述芯体堆叠方式具有以下3种实施例：

实施例1

如图3a和3b所示，所述芯体由n层宽度为w，厚度为d的超导带材平行堆叠成横截面呈矩形的堆叠超导体，再经扭绞得到，其中nd与w的大小接近或相等。扭绞的约束在于综合考虑超导带材切向的扭绞应力、芯体沿长度方向的弯曲直径综合实验值。扭绞后的堆叠超导体通过铜丝缠绕进行成型固定，所述铜丝与堆叠超导体的连接处使用柔性垫片，以分散铜丝固定产生的应力。铜丝固定要多匝缠绕，以对其进行成型。所述芯体经扭绞后，不仅可以抵御一部分来自外界的电磁波干扰，也可以降低超导带材之间的相互干扰。

实施例2

如图4a和4b所示，所述芯体为由4组堆叠超导体堆叠成的横截面呈组合正方形的超导导体块，每组堆叠超导体均由n层宽度为w、厚度为d的超导带材平行堆叠而成，且所述每组堆叠超导体的横截面均呈正方形，其中nd与w的大小接近或相等。相邻两个堆叠超导体的堆叠方向互相垂直，可以抵御一部分来自外界的电磁波干扰，同时也可以降低超导带材之间的相互干扰。所述堆叠后的芯体固定在隔离带中。

实施例3

如图5所示，所述芯体由n层超导带材平行堆叠成横截面呈类圆的堆叠超导体，超导带材的厚度相同，超导带材宽度随圆截面的弦长变化而变化，所述堆叠超导体固定在隔离带中。所述堆叠超导体中，相邻超导带材之间均设有失超保护层。

上述实施例1-3中堆叠超导体均省去了铜芯或者是中空波纹管的骨架结构，可以进一步提高超导电缆芯体的电流密度，具有更小的重量及体积。重堆叠后的超导带材之间，界面处电子的离域化程度增强，由此导致费米面附近的电子态密度增加，从而超导特性增强。且堆叠式芯体采用尼龙或氟塑料缠绕管进行绕制作为隔离带，可以进一步提高芯缆的载流密度。尤其所述呈组合正方形状的超导导体块和横截面呈类圆状的堆叠超导体都还具有较好的稳定性。

优选的，上述实施例1-3中所述芯体都设置有超导层和失超保护层。所述超导层和失超保护层沿所述芯体径向排布；或沿所述芯体径向，超导层和失超保护层分层相间排布；或所在述堆叠超导体中，相邻超导带材之间均设有失超保护层。在载流运行时，一旦超导带材出现失超现象，电缆的通流能力将瞬间大幅度下降，甚至会融化超导带材。失超保护层的作用就是在超导带材出现失超的情况下分担一部分电流，保护芯体不受损伤，一般采用通流能力较高的红铜软线。失超保护层表面需要绕制一层保护层作为与超导层相接触的绕制表面，选用质地松软且在低温下不会脆裂的材料，如聚酰亚胺薄膜、棉布带。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高电流密度堆叠式高温超导消磁电缆的制备方法，所述高温超导消磁电缆沿径向从内到外分别为芯体、绝缘层、隔离带、液氮通道、低温杜瓦管和外保护套，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

步骤1，所述芯体由超导带材堆叠而成；利用超导带材临界电流Ic随磁场变化特性，根据芯体的运行电流大小和方向确定高温超导消磁电缆芯体上磁场大小和方向，进而确定芯体的临界电流；根据所述芯体的临界电流和运行裕度，对芯体的运行电流和芯体上磁场进行迭代计算，得到芯体的最佳运行电流，最终确定超导带材的根数；

步骤2，确定绝缘层的厚度、绝缘层的绕制结构及对绝缘层进行消缺处理；

步骤3，隔离带为尼龙缠绕管或氟塑料带，所述尼龙缠绕管或氟塑料带缠绕在所述绝缘层的外侧；

步骤4，将缠绕了绝缘层和隔离带的芯体集成于低温杜瓦管内部，所述低温杜瓦管与隔离带之间留有液氮通道，在所述低温杜瓦管的外侧设置外保护套。

2.根据权利要求1所述的高电流密度堆叠式高温超导消磁电缆的制备方法，其特征在于，所述芯体采用厚度不大于0.3mm，宽度不大于20mm，临界电流不小于100A的由铜、铜合金或不锈钢包覆的超导带材。

3.根据权利要求1所述的高电流密度堆叠式高温超导消磁电缆的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述绝缘层的厚度根据下式确定：

其中：U为电压，为2.6～3.3倍的超导消磁电缆额定电压；E为对应的工频击穿场强或冲击击穿强度，m为对应于工频和冲击电压下的安全裕度，取1.2～1.65；R_c为芯体半径，R为绝缘层外半径，R-R_c即为绝缘层厚度。

4.根据权利要求1所述的高电流密度堆叠式高温超导消磁电缆的制备方法，其特征在于，所述绝缘层由多层绝缘材料绕制而成，所述绝缘材料选用聚酰亚胺薄膜、聚丙烯层压纸、纤维素纸或油浸电缆纸聚芳酰胺纤维纸中的一种；步骤2中所述绝缘层的绕制结构为：在紧靠芯体及位于所述绝缘层最外的几层绝缘材料采用搭盖式绕制方法，其余部分采用间隙式绕制方法。

5.根据权利要求1所述的高电流密度堆叠式高温超导消磁电缆的制备方法，其特征在于，所述绝缘层对芯体具有两种绕包方式：将每根超导带材都进行绝缘绕包，然后捆扎固定为一束芯体；或将所有超导带材直接使用绝缘绕包带捆扎固定为一束芯体。

6.根据权利要求1所述的高电流密度堆叠式高温超导消磁电缆的制备方法，其特征在于，所述低温杜瓦管沿径向由内而外分别设有内波纹管和外波纹管，所述内波纹管和外波纹管的两端均焊接连接不锈钢直管的一端，由所述内波纹管、外波纹管和不锈钢直管构成一个具有中间夹层的柔性管道，所述不锈钢直管的另一端焊接刀口法兰并连接终端。

7.根据权利要求1所述的高电流密度堆叠式高温超导消磁电缆结构，其特征在于，所述芯体为由n层超导带材堆叠成横截面呈矩形的堆叠超导体经扭绞得到，扭绞后的堆叠超导体通过铜丝缠绕进行成型固定，所述铜丝与堆叠超导体的连接处使用柔性垫片，以分散铜丝固定产生的应力。

8.根据权利要求1所述的高电流密度堆叠式高温超导消磁电缆结构，其特征在于，所述芯体为由4组堆叠超导体堆叠成的横截面呈组合正方形的超导导体块；每组堆叠超导体均由n层超导带材堆叠而成，且所述堆叠超导体的横截面呈正方形；相邻的堆叠超导体的堆叠方向相互垂直。

9.根据权利要求1所述的高电流密度堆叠式高温超导消磁电缆结构，其特征在于，所述芯体为由n层超导带材堆叠成横截面呈类圆的堆叠超导体，所述堆叠超导体固定在隔离带中。

10.根据权利要求1所述的高电流密度堆叠式高温超导消磁电缆结构，其特征在于，所述芯体包括超导层和失超保护层，所述超导层和失超保护层沿所述芯体径向排布或沿所述芯体径向分层相间排布；所述超导层采用超导带材，所述失超保护层采用红铜软线。