CN110942862A - 一种高温超导导体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高温超导导体。所述高温超导导体包括超导线芯、金属箔、金属包套；所述超导线芯包括金属骨架和超导带材组。本发明所述超导线芯采用将超导带材排列在外侧的结构，在超导带材和金属骨架截面积不变的前提下可以获得较大的临界电流，从而提高工程电流密度，并且这种结构也能够提高超导导体的稳定性；还可以根据具体的输电或磁体应用需求调节超导导体中超导带材和金属骨架截面积的比例来灵活调节临界电流大小，提高超导导体运行的经济性。

Description

一种高温超导导体
技术领域
本发明涉及超导导体应用技术领域，特别是涉及一种高温超导导体。
背景技术
随着电力系统向着系统容量越来越大发展，电网向着大规模、超大规模发展，超导由于输电损耗极低、电流密度大、载流能力强等优势，使得超导技术在电力系统中的应用成为了可能。随着第二代REBCO(REBa2Cu3Oz)高温超导带材的研制成功，超导电力技术发展日益壮大，先后出现了超导电缆、超导变压器、超导限流器、超导发电机等超导设备。目前超导电缆的发展十分迅速，但是超导电缆的发展面临着许多问题要去解决。比如，超导电缆制作成本较高，稳定性差，系统故障时可能会使超导电缆失超，有些时候超导电缆中的金属导体不足以承受故障电流，从而会烧毁超导电缆；在运行过程中，超导电缆中产生的热量无法快速传导至冷却介质中，容易造成超导电缆的损坏。因此，很有必要提出一种新型高温超导导体结构，既能提高运行经济性，又能提高超导电缆的稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温超导导体，以解决现有超导导体经济性差、稳定性差的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种高温超导导体，所述高温超导导体包括：超导线芯、金属箔、金属包套；所述超导线芯包括金属骨架和超导带材组；所述超导带材组包括四份数量相同的超导带材，分别为第一份超导带材、第二份超导带材、第三份超导带材和第四份超导带材；
所述金属骨架包括形状相同的第一单元、第二单元、第三单元以及第四单元；所述第一单元与所述第三单元关于所述金属骨架的中心对称；所述第二单元与所述第四单元关于所述金属骨架的中心对称；所述第一单元绕所述金属骨架的中心逆时针旋转90度后与所述第二单元重合；所述金属骨架外侧包覆所述金属箔；所述第一单元、所述第二单元与所述金属箔围成第一空间；所述第二单元、所述第三单元与所述金属箔围成第二空间；所述第三单元、所述第四单元与所述金属箔围成第三空间；所述第四单元、所述第一单元与所述金属箔围成第四空间；所述第一空间、所述第二空间、所述第三空间以及所述第四空间内分别插入有所述第一份超导带材、所述第二份超导带材、所述第三份超导带材以及所述第四份超导带材；所述第一份超导带材与所述第三份超导带材关于所述金属骨架的中心对称；所述第二份超导带材与所述第四份超导带材关于所述金属骨架的中心对称；所述第一份超导带材绕所述金属骨架的中心逆时针旋转90度后与所述第二份超导带材重合；所述金属箔外侧套设有所述金属包套。
可选的，所述超导线芯及所述金属箔的横截面为方形；所述第一单元、所述第二单元、所述第三单元以及所述第四单元的横截面均为矩形。
可选的，所述金属箔为铝箔、铜箔或合金箔。
可选的，所述金属包套为铜包套、铝包套或合金包套。
可选的，所述超导线芯及所述金属箔扭绞预设角度；所述金属包套的横截面为圆形；所述金属包套与所述金属箔之间填充有金属填充物。
可选的，所述金属包套的横截面为圆形；所述金属包套与所述金属箔之间填充有金属填充物。
可选的，所述金属填充物为铝填充物或铜填充物。
可选的，所述金属包套的横截面为方形；方形的所述金属包套包覆在方形的所述金属箔的外侧表面。
可选的，所述金属骨架为铜骨架、铝骨架或合金骨架。
可选的，所述金属骨架采用金属带材堆叠而成；所述金属带材为铜带材、铝带材或合金带材。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种高温超导导体，所述高温超导导体包括超导线芯、金属箔、金属包套；所述超导线芯包括金属骨架和超导带材组。本发明所述超导线芯采用将超导带材排列在外侧的结构，在超导带材和金属骨架截面积不变的前提下可以获得较大的临界电流，从而提高工程电流密度，并且这种结构也能够提高超导导体的稳定性；还可以根据具体的输电或磁体应用需求调节超导导体中超导带材和金属骨架截面积的比例来灵活调节临界电流大小，提高超导导体运行的经济性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据本发明提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的高温超导导体实施例一的结构示意图；
图2为本发明提供的高温超导导体实施例一的横截面示意图；
图3为本发明提供的高温超导导体实施例一的金属骨架的结构示意图；
图4为本发明提供的高温超导导体实施例一的金属骨架的横截面示意图；
图5为本发明提供的高温超导导体实施例二的结构示意图；
图6为本发明提供的高温超导导体实施例三的结构示意图；
图7为本发明提供的高温超导导体实施例三的横截面示意图；
图8为本发明提供的高温超导导体实施例四的结构示意图；
图9为本发明提供的高温超导导体实施例四的横截面示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种高温超导导体，以解决现有超导导体经济性差、稳定性差的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的高温超导导体实施例一的结构示意图。图5为本发明提供的高温超导导体实施例二的结构示意图。图6为本发明提供的高温超导导体实施例三的结构示意图。图8为本发明提供的高温超导导体实施例四的结构示意图。参见图1、5、6、8，本发明提供的所述高温超导导体的结构包括：超导线芯1、金属箔4、金属包套6。其中，所述超导线芯1包括金属骨架3和超导带材组2。所述超导带材组包括四份数量相同的超导带材，分别为第一份超导带材201、第二份超导带材202、第三份超导带材203和第四份超导带材204。
图2为本发明提供的高温超导导体实施例一的横截面示意图；图7为本发明提供的高温超导导体实施例三的横截面示意图；图9为本发明提供的高温超导导体实施例四的横截面示意图。参见图2、7、9，所述金属骨架3的横截面为风车状，横截面为风车状的所述金属骨架3结构具体包括形状相同的第一单元301、第二单元302、第三单元303以及第四单元304。所述第一单元301与所述第三单元303关于所述金属骨架的中心O对称；所述第二单元302与所述第四单元304关于所述金属骨架的中心O对称。并且所述第一单元301绕所述金属骨架的中心O逆时针旋转90度后与所述第二单元302重合；同理，所述第二单元302绕所述金属骨架的中心O逆时针旋转90度后与所述第三单元303重合；所述第三单元303绕所述金属骨架的中心O逆时针旋转90度后与所述第四单元304重合；所述第四单元304绕所述金属骨架的中心O逆时针旋转90度后与所述第一单元301重合。
如图1、2、5、6、7、8、9所示，所述金属骨架3外侧包覆所述金属箔4。所述金属箔4外侧套设有所述金属包套6。所述超导线芯及所述金属箔4的横截面均为方形。所述第一单元301、所述第二单元302、所述第三单元303以及所述第四单元304的横截面均为矩形。
如图2、7、9所示，所述第一单元301、所述第二单元302与所述金属箔4围成第一空间；所述第二单元302、所述第三单元303与所述金属箔4围成第二空间；所述第三单元303、所述第四单元304与所述金属箔4围成第三空间；所述第四单元304、所述第一单元301与所述金属箔4围成第四空间。所述第一空间、所述第二空间、所述第三空间以及所述第四空间内分别插入有所述第一份超导带材201、所述第二份超导带材202、所述第三份超导带材203以及所述第四份超导带材204。其中，所述第一份超导带材201与所述第三份超导带材203关于所述金属骨架的中心O对称；所述第二份超导带材202与所述第四份超导带材204关于所述金属骨架的中心O对称。所述第一份超导带材201绕所述金属骨架的中心O逆时针旋转90度后与所述第二份超导带材202重合；同样的，所述第二份超导带材202绕所述金属骨架的中心O逆时针旋转90度后与所述第三份超导带材203重合；所述第三份超导带材203绕所述金属骨架的中心O逆时针旋转90度后与所述第四份超导带材204重合；所述第四份超导带材204绕所述金属骨架的中心O逆时针旋转90度后与所述第一份超导带材201重合。
在实际应用中，所述超导带材组2采用第二代涂层高温超导带材REBa2Cu3Oz(REBCO)，其中RE代表稀土元素，如钬(Ho)、钆(Gd)、钐(Sm)、镝(Dy)、钇(Y)等。所述金属骨架3采用如图3、图4所示的横截面积为“风车”形状的铜骨架、铝骨架或合金骨架，根据不同输电要求选择加工不同截面积的金属骨架3。所述金属骨架3也可以采用金属带材代替，所述金属带材包括铜带材、铝带材、合金带材。所述金属箔4可采用铝箔、铜箔或合金箔。所述金属包套6可采用铜包套、铝包套或合金包套，如不锈钢包套。所述金属包套6的横截面可以为圆形或方形，材质为铜包套、铝包套、合金包套中的一种。
本发明提出的新型高温超导导体结构，能够实现临界电流灵活可调，在超导带材和金属骨架截面积比例不变的情况下获得较大的临界电流，提高工程电流密度，提高单根超导带材的利用率，提高超导导体运行经济性，增强超导导体运行稳定性。
本发明所述高温超导导体采用一种基于金属骨架(或堆叠的金属带材)和堆叠的超导带材的超导导体结构，包括：超导线芯1、金属箔4、金属填充物5(可选)、金属包套6；其中超导线芯1由金属骨架3和超导带材组2组成；将超导带材组2平均分成四份，将这四份超导带材按照中心对称的方式插入金属骨架3与金属箔4围成的四个空间中组成超导线芯1。这种将超导带材2排列在外侧的结构，在超导带材2和金属骨架3截面积不变的前提下可以获得较大的临界电流，从而提高工程电流密度；这种结构也能够提高超导导体的稳定性；可以根据具体的输电或磁体应用需求调节超导导体中超导带材2和金属骨架3(或堆叠的金属带材)截面积的比例来灵活调节临界电流大小，提高超导导体运行的经济性。本发明同时设计了四种在此结构下的超导导体：
如图1-4所示，本发明所述高温超导导体的实施例一中，所述超导线芯及所述金属箔4扭绞预设角度；所述金属包套6的横截面为圆形；所述金属包套6与所述金属箔4之间填充有金属填充物5。如图5所示，本发明所述高温超导导体的实施例二中，所述金属包套6的横截面为圆形；所述金属包套6与所述金属箔4之间填充有金属填充物5。在实际应用中，所述金属填充物5可以为铝填充物或铜填充物。
如图6-7所示，本发明所述高温超导导体的实施例三中，所述金属包套6的横截面为方形；方形的所述金属包套6直接包覆在方形的所述金属箔4的外侧表面，二者之间不具有填充物。
如图1-7所示，本发明所述高温超导导体的实施例一、二、三中，所述金属骨架3均为一体成型的铜骨架、铝骨架或合金骨架。而本发明所述高温超导导体的实施例四中，如图8-9所示，所述金属骨架3采用金属带材堆叠而成；所述金属带材可以为铜带材、铝带材或合金带材。
具体的，如图1-4所示，本发明所述高温超导导体实施例一中，所述高温超导导体由超导线芯1、金属箔4、金属填充物5、金属包套6组成。其中超导线芯1由金属骨架3和超导带材组2组成。将所述超导带材组2平均分成四份，分别为第一份超导带材201、第二份超导带材202、第三份超导带材203以及第四份超导带材204。将这四份超导带材按照中心对称的方式插入金属骨架3与金属箔4构成的四个空间中组成超导线芯。所述超导线芯外侧包覆金属箔4，在金属箔4外侧添加金属填充物5，将超导线芯扭绞一定角度，套上金属包套6，组成扭绞的高温超导导体。
所述超导线芯的横截面为方形；所述金属骨架3与金属箔4围成的四个空间中，左上空间和右下空间水平(或竖直)插入超导带材，右上空间和左下空间竖直(或水平)插入超导带材；每一空间的超导带材都位于外侧。所述超导线芯中的超导带材2和金属骨架3的截面积的比例可以根据输电要求或磁体应用需求进行调节；输电要求大时可以增加超导带材2的比例；反之，可以降低超导带材2的比例。超导线芯可以扭绞一定角度，从而降低超导带材表面磁场垂直分量的影响，进一步提高超导导体的临界电流。
所述超导带材2为第二代涂层高温超导带材REBa2Cu3Oz(REBCO)，其中RE代表稀土元素，如钬(Ho)、钆(Gd)、钐(Sm)、镝(Dy)、钇(Y)等。所述金属骨架3采用如图3、图4所示的横截面积为“风车”形状的铜骨架、铝骨架或合金骨架，根据不同输电要求选择加工不同截面积的金属骨架3。所述金属骨架3也可以采用金属带材代替，所述金属带材包括铜带材、铝带材、合金带材。所述金属箔4为铝箔、铜箔、合金箔中的一种。所述金属填充物5为铝填充物或铜填充物。所述金属包套6的横截面为圆形，材质为铜包套、铝包套、合金包套中的一种。
优选的，本发明实施例一中，所述金属骨架3采用铜骨架，所述金属箔4采用铝箔，所述金属填充物5采用铝填充物，所述金属包套6采用铜包套。所述超导线芯1由40根第二代REBCO涂层高温超导带材2和铜骨架3按照横截面积比1:1组成。所述铜骨架3横截面积为“风车”形状；将第二代REBCO涂层高温超导带材2平均分成四份，按照中心对称的方式插入铜骨架3中组成超导线芯1；超导线芯1的四个空间中，左上空间(第一空间)和右下空间(第三空间)插入的超导带材2同时为水平排列拼合，右上空间(第四空间)和左下空间(第二空间)同时为竖直排列拼合。所述超导线芯1包覆铝箔4，在铝箔4外侧添加铝填充物5，将超导线芯扭绞一定角度，套上金属包套6，组成扭绞的超导导体。
本发明所述高温超导导体采用一种基于金属骨架(或堆叠的金属带材)和堆叠的超导带材的超导导体结构，包括：超导线芯1、金属箔4、金属填充物5(可选)、金属包套6；其中超导线芯1由金属骨架3和超导带材组2组成；将超导带材组2平均分成四份，将这四份超导带材按照中心对称的方式插入金属骨架3与金属箔4围成的四个空间中组成超导线芯1，再将超导线芯1扭绞一定角度。这种将超导带材2排列在外侧的结构，在超导带材2和金属骨架3截面积不变的前提下可以获得较大的临界电流，再将超导线芯1扭绞一定角度，可以进一步提高超导导体的临界电流，从而提高工程电流密度；这种结构也能够提高超导导体的稳定性；可以根据具体的输电或磁体应用需求调节超导导体中超导带材2和金属骨架3(或堆叠的金属带材)截面积的比例来灵活调节临界电流大小，提高超导导体运行的经济性。
如图5所示，本发明所述高温超导导体实施例二的结构包括：超导线芯1、金属箔4、金属填充物5以及金属包套6。所述超导线芯1由金属骨架3和超导带材组2组成。优选的，所述金属骨架3采用铜骨架，所述金属箔4采用铝箔，所述金属填充物5为铝填充物，所述金属包套6为铜包套12，所述金属包套6的横截面为圆形。所述超导线芯1由40根第二代REBCO涂层高温超导带材2和铜骨架3按照横截面积比1:1组成；将超导带材2平均分成四份，按照中心对称的方式塞入铜骨架3中组成超导线芯1；超导线芯1包覆铝箔4，套上圆形截面的铜包套6，在铜包套6和铝箔4之间填充铝填充物5。
如图6所示，本发明所述高温超导导体实施例三的结构包括：超导线芯1、金属箔4以及金属包套6。所述超导线芯1由金属骨架3和超导带材组2组成。优选的，所述金属骨架3采用铜骨架，所述金属箔4采用铝箔，所述金属包套6为不锈钢包套，所述不锈钢包套6的横截面为正方形。如图7所示，所述超导线芯1由铜骨架3和40根第二代REBCO涂层高温超导带材2组成；将第二代REBCO涂层高温超导带材2平均分成四份，每一份按照中心对称的方式插入铜骨架3中组成超导线芯1。所述超导线芯1中铜骨架3的截面积和超导带材2的截面积之比为1:1；超导线芯1的四个空间中，左上空间(第一空间)和右下空间(第三空间)插入的超导带材2同时为水平排列拼合，右上空间(第四空间)和左下空间(第二空间)同时为竖直排列拼合。所述超导线芯1包覆铝箔4，套上正方形截面积的不锈钢包套6，构成所述高温超导导体。
如图8所示，本发明所述高温超导导体实施例四的结构包括：超导线芯1、金属箔4、金属填充物5以及金属包套6。所述超导线芯1由超导带材组2和金属带材7堆叠而成。所述金属带材7可采用铜带材、铝带材或合金带材。优选的，所述金属箔4采用铝箔，所述金属填充物5为铝填充物，所述金属包套6为铜包套，所述铜包套6的横截面为圆形。所述金属带材7为铜带材。如图9所示，所述超导带材组2和所述金属带材7均由完全相同的四个单元组成，所述金属带材7包括形状相同的第一单元301、第二单元302、第三单元303以及第四单元304，每一单元由6根铜带材堆叠而成。所述超导带材组2包括形状相同的第一份超导带材201、第二份超导带材202、第三份超导带材203和第四份超导带材204，每一份超导带材由14根第二代REBCO涂层高温超导带材堆叠而成。所述第一单元301与所述第四份超导带材204组成所述超导线芯1的第一部分(图9右上部分)，所述第二单元302与所述第一份超导带材201组成所述超导线芯1的第二部分(图9左上部分)，所述第三单元303与所述第二份超导带材202组成所述超导线芯1的第三部分(图9左下部分)，所述第四单元304与所述第三份超导带材203组成所述超导线芯1的第四部分(图9右下部分)，每一部分中，14根第二代REBCO涂层高温超导带材2和6根铜带7按照截面积为7：3的比例堆叠，其中第二代REBCO涂层高温超导带材2排列在外侧，铜带7排列在内侧。四个部分按照中心对称的方式堆叠，左上部分和右下部分同时为水平排列拼合，右上部分和左下部分同时为竖直排列拼合。所述超导线芯1包覆铝箔4，套上圆形截面积的铜包套6，在铜包套6和铝箔4之间填充铝填充物5，形成所述高温超导导体。
本发明提出的所述高温超导导体的结构，拓展了超导体的应用范围，本发明高温超导导体的此种结构具有诸多优点：
1、超导导体中超导带材2和金属骨架3的比例可以根据输电需求进行调整。当输电需求大时，可以通过增加超导带材2数量、减少金属骨架3截面积的方式来提高超导导体的临界电流。反之，降低超导带材2的比例。这样可以灵活调节超导带材2的使用数量，降低成本，提高经济性。
2、超导线芯1中，每一部分都将超导带材2排列在外侧。这种排列方式，在超导带材2和金属骨架3截面积比例不变的条件下，相比较其他排列方式可以获得较大的临界电流。同时，在这种排列方式下，单位数量超导带材2的输送电流达到最大，可以提高单根超导带材的利用率。
3、将超导线芯1扭绞一定角度，可以降低垂直于超导带材2表面磁场分量的影响，从而进一步提高超导导体的临界电流，提高工程电流密度。
4、所述超导导体的超导线芯1中加入金属骨架3，系统故障时，加入的金属骨架3可以起到分流的作用，增强了超导导体的稳定性。
5、由于金属骨架3(如铜骨架)的热导率高，超导带材2在运行过程中产生的热量能够通过金属骨架3及时的传递到冷却介质中，从而提高超导导体的稳定性。
本发明提出的一种高温超导导体，解决了现有超导导体经济性差、稳定性差的问题，在提高经济性的同时，还能最大化的提高超导导体的临界电流密度。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施例，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披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该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书的保护范围为准。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种高温超导导体，其特征在于，所述高温超导导体包括：超导线芯、金属箔、金属包套；所述超导线芯包括金属骨架和超导带材组；所述超导带材组包括四份数量相同的超导带材，分别为第一份超导带材、第二份超导带材、第三份超导带材和第四份超导带材；
所述金属骨架包括形状相同的第一单元、第二单元、第三单元以及第四单元；所述第一单元与所述第三单元关于所述金属骨架的中心对称；所述第二单元与所述第四单元关于所述金属骨架的中心对称；所述第一单元绕所述金属骨架的中心逆时针旋转90度后与所述第二单元重合；所述金属骨架外侧包覆所述金属箔；所述第一单元、所述第二单元与所述金属箔围成第一空间；所述第二单元、所述第三单元与所述金属箔围成第二空间；所述第三单元、所述第四单元与所述金属箔围成第三空间；所述第四单元、所述第一单元与所述金属箔围成第四空间；所述第一空间、所述第二空间、所述第三空间以及所述第四空间内分别插入有所述第一份超导带材、所述第二份超导带材、所述第三份超导带材以及所述第四份超导带材；所述第一份超导带材与所述第三份超导带材关于所述金属骨架的中心对称；所述第二份超导带材与所述第四份超导带材关于所述金属骨架的中心对称；所述第一份超导带材绕所述金属骨架的中心逆时针旋转90度后与所述第二份超导带材重合；所述金属箔外侧套设有所述金属包套。
2.根据权利要求1所述的高温超导导体，其特征在于，所述超导线芯及所述金属箔的横截面为方形；所述第一单元、所述第二单元、所述第三单元以及所述第四单元的横截面均为矩形。
3.根据权利要求1所述的高温超导导体，其特征在于，所述金属箔为铝箔、铜箔或合金箔。
4.根据权利要求1所述的高温超导导体，其特征在于，所述金属包套为铜包套、铝包套或合金包套。
5.根据权利要求2所述的高温超导导体，其特征在于，所述超导线芯及所述金属箔扭绞预设角度；所述金属包套的横截面为圆形；所述金属包套与所述金属箔之间填充有金属填充物。
6.根据权利要求2所述的高温超导导体，其特征在于，所述金属包套的横截面为圆形；所述金属包套与所述金属箔之间填充有金属填充物。
7.根据权利要求5或6所述的高温超导导体，其特征在于，所述金属填充物为铝填充物或铜填充物。
8.根据权利要求2所述的高温超导导体，其特征在于，所述金属包套的横截面为方形；方形的所述金属包套包覆在方形的所述金属箔的外侧表面。
9.根据权利要求1所述的高温超导导体，其特征在于，所述金属骨架为铜骨架、铝骨架或合金骨架。
10.根据权利要求1所述的高温超导导体，其特征在于，所述金属骨架采用金属带材堆叠而成；所述金属带材为铜带材、铝带材或合金带材。
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