CN108463924B - 低温设备的电流引线 - Google Patents

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Abstract

在本发明的实施例中，提供了一种超导体引线，超导体引线配置成其自身电流产生较低欧姆加热并且从室温传输到低温设备所处的极低温时具有较少的热传导极低温。本说明书中所公开的零欧姆电阻和低导热率的超导体引线通过并联设置超导体而使电流容量最大化，每个超导体具有相等电流。以此对电阻进行控制来提供均匀的电流分布通过高温超导体(HTS)引线的每个超导体。

Description

低温设备的电流引线
相关申请案的交叉引用
本申请案主张于2015年9月1日递交的美国专利申请14/841,746的优先权，所述专利申请以引用方式全文并入本文中。
背景技术
本说明书中所公开的本发明主题大体上涉及超导体领域，并且更确切地说，涉及一种高温超导体(HTS)引线，用于将处于非超导体或室温下的来自电源的大范围电流输送到处于低温或极低温(cryogenic temperature)下的低温设备(cryogenic apparatus)的超导体材料。
需要非常低的温度才能使超导体材料显示其性能。电源必须向在极低温下工作的超导体装置供电，电源通常在室温或大约300K下。为将电导体或接头的温度降低到低温超导体材料的工作范围(通常约4K)并且之后保持该温度，通常使用超冷气体。这是因为所述导体携带的大电流由于其电阻特性而产生热量。超导体引线必须采用绝热体消除这些大电流所产生的热量，但材料的不稳定性和热泄漏仍然可能发生。
由于超导体的电流容量随温度升高而降低，因此在引线的高温端处，所述材料的电流容量会不足。本说明书中公开的本发明试图解决此情况并增加电流容量，同时提供均匀电流分布并使引线电流容量最大化。
现已证实，均匀电流分布是超导体DC(直流)电缆的重要要求。各个超导体带焊接到每一端铜端子处的接触电阻在形成时会产生一些变化，或者可能由于焊料材料的老化不同而产生变化。这些变化是导致电缆中的超导体带之间发生电流不均匀分布的潜在原因，这会对许多操作参数产生不利影响，例如交流损耗增加、安全裕度降低以及电缆可能损坏。这与上述问题相同的是在引线的高温端材料的电流容量会不足。此外，电流不均匀分布是由接触电阻的变化引起的，并且尚未提出任何技术方案来解决这个问题。
需要增加位于引线高温端处的超导体电流容量。有利地，超导体的配置将提供所述增大的电流容量，并使总引线电流容量最大化。此外，这些发展将使所属领域中的技术人员能够将所述方法从磁共振应用扩展到整个HTS电力电缆。
发明内容
上述和其他缺点或不足可以通过开发下述系统来克服或减轻。超导体磁体、电机、发电机、故障限流器和/或超导体变压器等低温设备利用电流引线，所述电流引线将来自室温电源的电流馈送到处于低温下的低温设备。
所述引线有利地设计成自身电流产生较低的欧姆加热并且在从室温转到低温设备所在的极低温时具有较少的热传导。零欧姆电阻和低导热率的超导体开发成具有用于所述电流引线的适当材料。目前，所述超导体仅可用在100K左右或低于100K的温度下。因此，本申请案的实施例主要涉及所述电流引线的较低温度。所用的所述材料包括公认的HTS导线：称为第一代(1G)导线的BSCCO(“铋-锶-钙-铜-氧”)、超导体复合材料REBCO(“稀土-钡-氧化铜”)或MgB2(“二硼化镁”)。
由于超导体的电流容量随温度升高而降低，因此在所述引线的高温端处，所述材料的电流容量不足。
为解决所述情况，多个超导体可以并联使用，以增加电流容量。为使电流容量最大化，并联配置的每个超导体具有相等电流或等效的电流。否则，一个超导体将首先达到它的临界电流并使之具有阻抗。在某些情况下，所述电阻性超导体可以产生足够热量来降低相邻超导体的电流能力，并使其也具有电阻性，等等。这种效应会产生多米诺骨牌效应，最终导致整个超导体引线组件具备电阻性。发生这种情况时，所述引线可能会烧毁或损坏。本说明书中公开的实施例提供了使每个超导体的电流均匀并使总引线电流容量最大化的方式。
并联导体上的电流分布由从终端到每个导体的电阻来控制。由于超导体本质上不存在电阻，因此电阻来自铜端子以及铜端子与超导体之间的接触电阻。为使电流分布均匀，通过采取一个或多个措施来均匀地控制所述电阻。
所公开的实施例包括：(1)铜端子缝隙，用于使每个铜到超导体的电阻大致相同；(2)铟压缩接头，用于控制压缩力以使接触电阻均匀；(3)其中产生均匀电阻的焊接黄铜或不锈钢或其他电阻材料(即忽略小但分散的焊接电阻)；(4)通过霍尔探头(Hall probe)测量电流分布，然后调整接头电阻。
在一个实施例中，利用一种高温超导体(HTS)引线来从室温向极低温输送电流，所述高温超导体引线包括：并联设置的两个或更多个超导体，每个超导体具有第一端和第二端；至少两个电连接器，一个电连接器连接在所述第一端并且一个电连接器连接在所述第二端；其中每个所述超导体具有电流分布，所述电流分布由所述电连接器与所述超导体的所述第一端和所述第二端中的每一者之间的电阻控制，所述超导体中的每个超导体传输等效电流。在一个方面中，通过超导体进行的电流分布的组合具有最大化的总引线电流容量，所述总引线电流容量由通过每个超导体分布等效电流而最大化。通常，第一端是热端并且第二端是冷端。所述两个电连接器中的至少一个电连接器是铜端子，但这两者均可以是铜、黄铜或任何适当材料或组合。
一个实施例使用铜端子，所述铜端子采用叉形，至少两个尖头(prong)之间具有缝隙，因此成为多尖头的叉件。在另一个实施例中，铜端子在所述第一端或第二端处压到所述两个或更多个超导体，所述两个或更多个超导体之间夹有电阻元件。所述电阻元件是铟或同等材料。在另一个实施例中，所述铜端子焊接到所述两个或更多个超导体，所述两个或更多个超导体之间夹有电阻元件。所述电阻元件是不锈钢、黄铜、其他合金材料或者它们的组合。因此，进一步实施例可以包括单独或组合使用的任何上述端子。因此，所述两个电导体可以包括一个或多个多尖头铜导体，至少一个电导体在所述热端或所述冷端处压到所述两个或更多个超导体，其中所述两个或更多个超导体之间夹有电阻元件；并且至少一个电导体在所述热端或所述冷端处单独或组合焊接到所述两个或更多个超导体，其中所述两个或更多个超导体之间夹有电阻元件；这两个方案单独采用或组合采用。
一种通过两个或多个超导体均匀分布电流的方法包括以下步骤：提供权利要求1所述的HTS引线；以及通过所述超导体将来自室温电源的电流输送到处于极低温下的低温设备，以使整个HTS引线的电流分布均匀。所述方法进一步包括以下步骤：控制所述电连接器处的电阻以提供等效电流通过每个超导体。
另外，公开了一种测量高温超导体(HTS)引线的两个或更多个超导体中的每个超导体中的电流的方法，该方法包括以下步骤：在所述超导体处提供磁性测量探头以扫描磁场；以及在电流达到所述超导体中的每个超导体的相应临界电流之前，采集由所述超导体中的每个超导体中的电流所产生的磁场测量值。所述磁性测量探头是沿扫描磁场的方向移动的霍尔探头或类似探头。所述磁性测量探头在所述超导体上滑动并通过感测所述超导体中的每个超导体中的电流所产生的磁场来测量电流分布。所述方法进一步包括在采集存在分流不均匀的场分布的步骤时实施利用所述磁场测量值来调整所述电连接器处的电阻的步骤。在调节电阻的步骤中，所述场分布允许并提供每个超导体之间均匀分流。
附图说明
图1A示出了定义成低温系统的设备。
图1B示出了图1A所示系统的简化表示。
图2示出了随示例性HTS材料的温度而变的电阻率变化。
图3提供了超导体电流容量的图形描述。
图4示出了在一个实施例中，总电流分流到三个超导体上。
图5是正视图(a)和侧视图(b)中的超导体引线的实施例。
图6是示出一个方面中的不均匀电流分布的实施例。
图7示出铜端子具有缝隙以使从铜端子到超导体的每个电阻相同的实施例。
图8提供了一个实施例，其中形成铟压缩接头，从而控制压缩力以使接触电阻相同。
图9示出了采用焊接电阻元件，本说明书中为黄铜板，用来促使每个超导体具有等效电阻的一个实施例。
图10是包括组合使用的本发明方面的各种属性的实施例。
图11示出了一个实施例中用于测量并联超导体上的不均匀电流分布并控制接头电阻产生均匀电流分布的过程。
图12示出了利用磁场传感器来测量并联超导体上的不均匀电流分布，然后通过调整黄铜或其他电阻材料板厚度来产生相同或相似接头电阻的系统的一个实施例。
具体实施方式
下文将参照附图来更全面地描述各种实施例。所述实施例不应被解释为限制性的。例如，一个或多个方面可以用于其他实施例以及甚至其他类型的系统和方法中。大体上参见附图，应理解，这些图示用于描述特定实施例而非限制性的。
图1A示出了低温系统100，低温系统具有处于室温下的电源102。低温气冷电流引线104将电源102连接到低温设备106。套管112容纳电流引线104，电流引线从电源通过低温系统的盖子114延伸到超导体。套管提供围绕引线104的冷却气体通道，冷却气体通道分别从开口端211、213通到气体出口116、118。箭头(→)表示低温气体通过系统100的套管112的流动。本说明书中的低温设备106包括超导体磁体，但是也包括低温下的各种超导体设备，包括电动机、发电机、故障限流器和/或超导体变压器。在本说明书中，低温设备106位于容纳在低温恒温器110内的制冷剂池108(例如氦气或氮气等)中，以使低温系统保持低温。对于图示的低温系统100，超导体设备在低于约100K的温度下使用。引线104可以是实心结构、扁平带或中空结构。引线具有以大约40-65K运行的上(较热)部分25(参见图1B)，其中在磁体106的斜坡(例如充电)期间一般以约50K运行；并且下部分26以约4K运行，并且连接到制冷剂108附近的磁体引线125，以便气体与引线交换热量并且离开出口116、118。空心铜引线使得制冷剂蒸汽能够穿过引线，以增加与蒸汽的接触面积。
如图1B中所示，低温系统100简化成示出具有上部25和下部26的电流引线104。上引线通过电力电缆103连接到电源102。电流引线104将来自室温电源102的电流通过上部25、下部26馈送到处于低温下的低温设备106。在本说明书中，下部26是超导体，即本公开申请案中的HTS引线。因此，低温设备106位于不含制冷剂的真空密封低温恒温器110中。由于低温恒温器中没有液态氦，因此不存在蒸汽来冷却引线。因此，使用在约65K下为超导体的HTS引线来减少来自上部电流引线的热载荷。
由于低温设备保持低温执行其功能，因此应使低温区域(图1A所示容器中的底部阴影区域)的热输入最小化。电流引线104选择成具有：
1)通过自身电流实现的较少欧姆加热(R×I2)；和/或
2)在从室温(即，图1B所示靠近电源的上部)传输到低温超导体设备所处的极低温(即，图1B的下部26)时热传导较少。
铜是一种已用于电流引线的材料。但是通过铜的电流将产生欧姆热。此外，铜具有高导热性，在从室温传输到极低温时会传热。因此，选择欧姆电阻为零(即，R×I2不产生热量)并且导热率低(即，从上到下的热传递较少)的超导体作为电流引线104的材料。在一个方面中，上部25(参见图1B)可以是铜或黄铜，而底部26是超导体。
由于超导体在低于约100K的温度下可用(参见图2)，因此电流引线104的下部26提供了上述的实施方案。因此，本发明着重于电流引线104的较低温下部26。时，铜用于电流引线104的介于室温与约100K之间的上部25。所用的超导体材料包括BSCCO、REBCO和/或MgB2，它们分别在低于约110K、90K和40K的温度下呈现超导体性。它们在此称为HTS引线。
图2示出了称为YBCO(“钇钡铜氧化物”)的REBCO型，用于高温超导体性。由于这些BTS材料的电流容量通常为几百安培(约100A)，因此不足以用作电流引线。本申请案中使用的电流引线利用大于约500A的电流容量。
如图3所示，曲线302示出了一个YBCO带的约100A电流容量。低于约100A时，YBCO带不呈现电压，这表示超导体属性。超导体处于超导体状态时的电流称为临界电流(Ic)。在本说明书中，超导体的电流容量限于其Ic，并且不足以用作电流引线。因此将多个超导体并联使用，以增加电流容量。参见图4。
图4示出分别分布在三(3)个超导体401、402、403上的总电流I1+I2+I3。并联导体上的电流分布由从每个终端(404、406)到每个导体401/402/403的电阻来控制。由于超导体本身从本质上说不存在电阻，因此电阻来自铜端子404、406本身，以及铜端子与超导体之间的接触电阻。
图5是由正视图(a)和侧视图(b)示出的低温系统500的图示。在上部中，图4所示的铜端子5连接到超导体7、8。在下部中，铜端子6连接到超导体7、8。铜端子电阻11、12分别在电流路径9和10的侧视图(b)中示出。铜端子和超导体之间的接触电阻13、14图示成使接触电阻13与电流路径9相对应并且接触电阻14与电流路径10相对应。之前，不对电阻进行刻意控制。因此，如图6中的电流分布所示，整个低温系统500中的电流并不由并联导体均匀分流，其中I1＞I2＞I3(参见图4)，例如由图6所示电流箭头的密度所示。在低温系统500中，三个导体中的一个导体首先达到其临界电流(Ic)并变得不稳定，易于变得具有电阻性。因此，总电流不是Ic的三倍(I1+I2+I3＜3×Ic)。图6示出了超导体电流引线在两个超导体上的不均匀电流分布，其中电阻11加13小于电阻12加14。
应认识到，在并联导体上提供均匀电流分布可使总电流最大化。
I1＝I2＝I3
通过控制端子接头处的电阻，可实现均匀电流。由于超导体的电流容量随温度升高而降低，因此在引线的高温端处，材料的电流容量不足。为解决所述问题，将多个超导体并联使用，以增加电流容量。为使电流容量最大化，并联的每个超导体具有类似电流，优选地，具有相等的电流。否则，一个超导体将首先达到它的临界电流并使之具有电阻性。从超导体到正常电阻状态的状态变化会产生热量，这可能会损坏引线。本说明书的下文使每个超导体具有均匀的电流分布并且使总引线电流容量最大化。
并联导体上的电流分布由从终端到每个导体的电阻来控制。由于超导体本身从本质上说不存在电阻，因此电阻来自铜端子本身，以及铜端子与超导体之间的接触电阻。为使电流分布均匀，通过采取下述一个或多个措施来均匀地控制电阻。
(1)多尖头铜端子
在一个实施例中，如图7所示，低温系统700具有超导体引线701，其中铜端子形状是多尖头的叉件。铜端子5具有尖头706，尖头具有相似的电阻并且在每个尖端704处连接到超导体7、8。在本说明书中，超导体是在尖头706之间具有缝隙16的HTS带。如系统700所示，超导体电流引线701通过将铜端子5、6配置成使它们之间具有缝隙16而提供均匀的电流分布。在本说明书中，缝隙16控制电流路径和电阻。
在另一个实施例中，系统800利用超导体电流引线801，超导体电流引线具有压到多个超导体的铜端子5，其中HTS带7、8之间夹有类似电阻元件15。所使用的电阻元件是铟，但是可以是所属领域中已知的任何电阻元件。如上所示，电阻元件用于调节和控制电阻，从而为超导体电流引线提供均匀电流分布。
在另一个实施例中，系统800利用超导体电流引线801，超导体电流引线具有压到多个超导体的铜端子5，其中HTS带7、8之间夹有类似电阻元件15。所使用的电阻元件是铟，但是可以是所属领域中已知的任何电阻元件。如上所示，电阻元件用于调节和控制电阻，从而为超导体电流引线提供均匀电流分布。
如图9所示，超导体引线901的一个实施例利用铜端子902，铜端子焊接到多个超导体903，其中它们之间夹有类似或相同的电阻元件904(例如不锈钢(SST)或黄铜)。电阻元件代替如图8所示的电阻控制元件15。
超导体引线901的一个实施例利用铜端子902，铜端子焊接到多个超导体903，其中它们之间夹有类似或相同的电阻元件904(例如不锈钢(SST)或黄铜)。电阻元件代替如图8所示的电阻控制元件15。
(4)组合：按入多尖头端子
实施例还以任何组合方式集成上述方案中的一个或多个。出于示例而非限制目的，可以通过将铜端子压到多个超导体来实施多尖头方案，从而集成将部件701与部件801结合使用的技术。
另外，如图10所示，超导体组件990的一个实施例通过使用焊接电阻元件904(参见图9)将部件701的多尖头方案与焊接到多个超导体993的铜端子991集成在一起。
(5)组合：采用焊接的多尖头端子
另外，超导体组件990的一个实施例通过使用焊接电阻元件904(参见图9)将部件701的多尖头方案与焊接到多个超导体993的铜端子991集成在一起。
在另一方面中，通过感测磁场来测量电流分布。然后通过使用任何上述装置和技术来调整电阻。
图11表示用于分流调整或验证的测量技术111。通过采用霍尔探头在两个HTS带上滑动来进行现场测量113，从而通过感测其磁场来测量电流分布。在存在不均匀电流115分流的情况下采集场分布。当使用上述实施例中的方法调整电阻时，可得到均匀分流117的预期场分布。
图12表示低温系统222的实施例，以使霍尔探头17对磁场进行测量。但是，可以使用任何磁场传感器。探头沿方向18移动以扫描磁场。
通过利用本申请案的实施例，可将并联的超导体数量最小化，因为每个超导体承载相等的电流，直到每个超导体同时达到其固有临界电流(Ic)。较少数量的并联超导体提供更具成本效益的系统。较少数量的超导体部件还提高了简化装配过程的可靠性。通过采用本发明公开的一个或多个技术控制每个超导体的电阻，可实现均匀的电流分布。之后，可以在总电流下使用引线，其中各个导体总计达到Ic的一定百分比(例如，80％，或根据需要)。这可在引线的操作中提供更大的稳定性。
本发明的实施例也可以通过增加并联超导体的数量来开发和验证。然而，这增加了材料成本并提高了装配复杂性。此外，也可以实现增加单个超导体的电流容量，但是这也增加了成本并且导致装配更复杂。也可以实施上述方案的任何组合，而不脱离所公开的本发明。本发明实施例的属性和技术将提高性能并改善均匀电流分布，同时提供成本有效和简化的装配措施。并联超导体的数量最小化；而元素较少意味着性能越可靠、性价比越高。此外，均匀电流分布也意味着引线的操作更稳定。
尽管仅参照几个示例性实施相当详细地对本发明进行描述，但是应理解，本发明并不意图仅限于这些实施例，因为可以对所公开实施例进行各种修改、省略、添加和替换，而不实质上脱离本发明的范围。此外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以进行许多修改以适应特定的情况或装置。因此，应理解，本发明已经以说明而非限定的方式进行了描述。因此，本发明意图涵盖包括在由权利要求书限定的本发明范围和精神内的所有修改、省略、添加、替换等。

Claims (19)

1.一种高温超导体引线，用于从室温向极低温输送电流，所述高温超导体引线包括：
并联设置的两个或更多个超导体，每个超导体具有第一端和第二端；
至少两个电连接器，一个电连接器连接在所述第一端并且一个电连接器连接在所述第二端；
其中每个所述超导体具有电流分布，所述电流分布由所述电连接器与所述超导体的所述第一端和所述第二端中的每一者之间的电阻控制，所述超导体中的每个超导体传输等效电流。
2.根据权利要求1所述的高温超导体引线，其中通过所述超导体的所述电流分布的组合具有总引线电流容量，所述总引线电流容量通过每个超导体中的等效电流分布而最大化。
3.根据权利要求1所述的高温超导体引线，其中所述第一端是热端并且所述第二端是冷端。
4.根据权利要求1所述的高温超导体引线，其中所述两个电连接器中的至少一个电导体是铜端子。
5.根据权利要求4所述的高温超导体引线，其中所述铜端子呈叉形，其中至少两个尖头之间具有缝隙。
6.根据权利要求5所述的高温超导体引线，其中所述叉形具有多尖头。
7.根据权利要求4所述的高温超导体引线，其中所述铜端子在所述第一端或所述第二端处压到所述两个或更多个超导体，其中两个或更多半导体之间夹有电阻元件。
8.根据权利要求7所述的高温超导体引线，其中所述电阻元件是铟。
9.根据权利要求7所述的高温超导体引线，其中所述铜端子焊接到所述两个或更多个超导体，其中所述两个或更多个超导体之间夹有电阻元件。
10.根据权利要求9所述的高温超导体引线，其中所述电阻元件是不锈钢、黄铜、其他合金材料或者它们的组合。
11.根据权利要求3所述的高温超导体引线，其中所述至少两个电导体包括一个或多个多尖头铜导体，至少一个电导体在所述热端或所述冷端处压到所述两个或更多个超导体，其中所述两个或更多个超导体之间夹有电阻元件；并且至少一个电导体在所述热端或所述冷端处焊接到所述两个或更多个超导体，其中所述两个或更多个超导体之间夹有电阻元件；这两个方案单独采用或组合采用。
12.一种通过两个或多个超导体均匀分布电流的方法，所述方法包括以下步骤：
提供根据权利要求1所述的高温超导体引线；以及
通过所述超导体将来自室温电源的电流输送到处于极低温下的低温设备，使整个所述高温超导体引线的电流分布均匀。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括以下步骤：控制所述电连接器处的电阻以提供等效电流通过每个超导体。
14.一种测量根据权利要求1所述的高温超导体引线的所述两个或更多个超导体中的每个超导体中的电流的方法，所述方法包括以下步骤：
在所述超导体处提供磁性测量探头以扫描磁场；以及
在所述电流达到所述超导体中的每个超导体的相应临界电流之前，采集由所述超导体中的每个超导体中的电流所产生的磁场测量值。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述磁性测量探头是沿扫描所述磁场的方向移动的霍尔探头。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述磁性测量探头在所述超导体上滑动并通过感测所述超导体中的每个超导体中的电流所产生的所述磁场来测量电流分布。
17.根据权利要求14所述的方法，进一步包括以下步骤：在存在不均匀分流的情况下，采集场分布。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括以下步骤：使用所述磁场测量值调节所述电连接器处的电阻。
19.根据权利要求18所述的方法，其中在调节电阻的所述步骤中，所述场分布提供每个超导体之间的均匀分流。
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