CN113012862A - 一种组合式超导复合导体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种组合式超导复合导体及其制备方法，将铜绞线或波纹管制成铜骨架，按照预设的绕制速度、绕向角和绕制节距在铜骨架上的绕制多层超导带材，形成导体层；在导体层上按螺旋方式绕制绝缘层，在绝缘层的上安装波纹管。本发明制备时，从经济因素考虑，本发明克服了现有的高温超导复合导体性能及制备工艺的不足，制得工艺简单、综合性价比高的组合式超导复合导体。从制作工艺角度考虑，HTS Roebel Cable超导复合导体对采用的超导带材不仅要求质量极高，而且需要激光切割，制作工艺相对较难；本发明的组合式超导复合导体制作方法最简单。

Description

一种组合式超导复合导体及其制备方法

技术领域

本发明属于超导电工技术领域，涉及一种组合式超导复合导体及其制备方法。

背景技术

随着高温超导材料制备技术的不断进步，目前单根超导带材自场下的临界电流可以达到 200-300A，为应用超导技术的发展奠定了基础。但是，随着人们对大载流电力装置需求的逐渐增加，单根超导带材的载流量已经不能满足实际应用的需要。在电力变压器装置中，变压器低压侧绕组产生较大的电流时，常规电力变压器往往采用多根铜导线并联绕制提高载流量。而在超导限流变压器中，单根超导带材自场下的临界电流约为200-300A，不能承载低压侧绕组的大电流。所以具有高载流量、低交流损耗等良好超导复合导体是应用在MVA容量超导涂层导体变压器绕组的一种发展趋势。目前，国内外主要有两类超导复合导体。HTS Roebel Cable超导复合导体是由新西兰General Cable Superconductor有限公司和新西兰维多利亚大学共同研制开发，该复合导体已应用在美国、新西兰研制的高温超导变压器绕组中。

扭曲堆叠式复合导体是将多根超导带材堆叠，并用钢丝捆绑来固定多根带材的扭转节距，但捆绑不能太紧，在带材的层与层之间需要留有一定的空隙，层与层之间的带材可以相对移动，根据带材移动的最大程度在该导体外面用液态焊锡固定，该超导复合导体可适用于大容量超导储能系统中的超导磁体线圈。

对于上述HTS Roebel Cable超导复合导体和扭曲堆叠式复合导体，从制作工艺角度考虑， HTS Roebel Cable超导复合导体对采用的超导带材不仅要求质量极高，而且需要激光切割，制作工艺相对较难；从经济因素考虑，HTS Roebel Cable超导复合导体已形成商品，价格十分昂贵，扭曲堆叠式复合导体的制作难度较大。

发明内容

为克服现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种组合式超导复合导体及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种组合式超导复合导体，其特征在于，包括由内至外设置的铜骨架、导体层、绝缘层和保护层；其中，绝缘层的厚度为采用交流电压与冲击电压计算得到的厚度中的最大值。

本发明进一步的改进在于，铜骨架为铜绞线或波纹管；保护层为波纹管。

本发明进一步的改进在于，铜骨架为铜绞线时，铜绞线的截面面积通过下式计算：

其中，S_min为铜绞线的最小截面积；I_∞为稳态短路电流值；t为短路电流的作用时间；C 为铜热稳定系数。

本发明进一步的改进在于，导体层包括多层超导带材层，每层超导带材层沿铜骨架长度方向按照绕制节距螺旋排列而成，每层超导带材的螺旋绕向角均不相等。

本发明进一步的改进在于，超导带材采用第一代高温超导材料或第二代高温超导材料。

本发明进一步的改进在于，超导带材的层数N通过下式计算为：

其中，I为组合式超导复合导体的传输电流，Ic为超导带材的临界电流，k₁为组合式超导复合导体磁场引起的临界电流的退化率，k₂为机械应变引起的超导带材临界电流的衰减率， k₃为热循环引起的超导带材临界电流的退化率，k₄为组合式超导复合导体设计的裕度系数。

本发明进一步的改进在于，每层超导带层包括若干超导带材，每层超导带层中超导带材数量N_i通过下式计算：

式中，w为带材宽度，R_i为第i导体层的半径，β为超导带材的绕向角。

本发明进一步的改进在于，绝缘层的材质为聚丙烯层压纸、低密度聚乙烯、聚酰亚胺薄膜或电缆纸。

本发明进一步的改进在于，绝缘层的厚度采用公式(4)和(5)计算的结果中的最大值；

t₂＝V×K₁×K₂×K₃/E_lac (4)

其中，t₂为采用交流电压计算得到的绝缘层厚度，V为最高工作相电压，K₁为工频电压老化系数，K₂为温度系数，K₃为裕度系数，E_lac为符合韦伯分布工频击穿电压最低值；

t₃＝V_Bil×l₁×l₂×l₃/E_Limp (5)

其中，t₃为采用冲击电压计算得到的绝缘层厚度，V_Bil为冲击电压水平，l₁为冲击电压老化系数，l₂为冲击电压温度系数，l₃为冲击电压裕度系数，E_limp为符合韦伯分布冲击电压最低值。

一种组合式超导复合导体的制备方法，将铜绞线或波纹管制成铜骨架，按照预设的绕制速度、绕向角和绕制节距在铜骨架上的绕制多层超导带材，形成导体层；在导体层上按螺旋方式绕制绝缘层，在绝缘层的上安装波纹管。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明通过由内至外的设置的铜骨架、导体层、绝缘层和保护层，形成组合式超导复合导体，制作工艺简单，易于实现，适用于大电流密度的超导限流变压器等超导电力装置。

本发明制备时，从经济因素考虑，HTS Roebel Cable超导复合导体已形成商品，价格十分昂贵，以Ic＝1000A为例，约是组合式超导复合导体的3.5倍，本发明克服了现有的高温超导复合导体性能及制备工艺的不足，制得工艺简单、综合性价比高的组合式超导复合导体。从制作工艺角度考虑，HTS Roebel Cable超导复合导体对采用的超导带材不仅要求质量极高，而且需要激光切割，制作工艺相对较难；本发明的组合式超导复合导体制作方法最简单。当组合式超导复合导体作为超导限流变压器的绕组时，由于波纹管作为保护层，可以为组合式超导复合导体提供额外的冷却通道。

附图说明

图1为本发明的超导复合导体的结构示意图。

图中，1为铜骨架，2为导体层，3为绝缘层，4为保护层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

超导限流变压器是一种典型的功能复合化超导电力装备，兼具电能变换和故障电流限制功能。

超导复合导体是一种利用超导材料与其他常规导体材料以一定的结构组合，从而使超导材料有更加实用和广泛应用的导体。超导复合导体适用于超导限流变压器。参见图1，本发明提供一种用于超导限流变压器的高载流高温超导复合导体，该超导复合导体主要由内至外依次设置的铜骨架1、导体层2、绝缘层3和保护层4构成。

铜骨架1作为组合式超导复合导体的支撑物，可以有多种形状，比如实心圆形、空心圆形等，从制作工艺方面考虑，一般建议选择实心圆形铜绞线或波纹管作为超导变压器绕组的铜骨架。如果选择铜绞线作为绕制超导带材的支撑架，铜骨架1可以与导体层2的超导层并联，当有大电流通过时铜骨架1可以起分流保护的作用，保护超导层因失超过热对带材性能的破坏。铜绞线截面的计算公式依据短路热稳定性的原则，见公式(1)。

其中，S_min为铜绞线的最小截面积，单位为mm²；I_∞为稳态短路电流值，单位为A；t为短路电流的作用时间，单位为s；C为铜热稳定系数。

如果选择波纹管作为绕制超导带材的支撑架，基于中空的波纹管，液氮在波纹管中流动，为高温超导限流变压器的副边绕组提供迫流冷却等多种冷却方式。

导体层2包括多层超导带材，多层高温超导带材包括第一代高温超导带材(Bi系)以及第二代高温超导带材(YBCO涂层导体)。每层超导带材沿铜骨架1长度方向按照某一绕制节距螺旋排列而成，每层超导带材的螺旋绕向角均不相等。考虑到高温超导带材的横截面比较小，承受故障电流的时间及其有限，组合式超导复合导体的导体层2的设计需要考虑最大载流容量。导体层2的带材数量由组合式超导复合导体通过的总电流、超导带材临界电流退化率、临界电流衰减率以及电流的裕度系数综合决定，见公式(2)。通过导体层2的层数为偶数和减少层数的方法，来减小通流产生的磁场轴向分量和交流损耗，提高组合式超导复合导体的性能。

公式(2)中，I为组合式超导复合导体的传输电流，Ic为超导带材的临界电流，k1为组合式超导复合导体磁场引起的临界电流的退化率，k2为机械应变引起的超导带材临界电流的衰减率，k3为热循环引起的超导带材临界电流的退化率，k4为组合式超导复合导体设计的裕度系数，则组合式超导复合导体总的导体层带材数量N为：

第i层导体层的带材数量是：

式中，w—带材宽度，R_i—第i导体层的半径，β—超导带材的绕向角。

导体层2的多层高温超导带材沿长度方向采用变绕向角绕制，加快了组合式超导复合导体的失超传播速度，进而增大了组合式超导复合导体的限流阻抗变化率和限流阻抗大小，使组合式超导复合导体在能够传输大电流的基础上，还具备限制故障电流的特性。

导体层2的最外层通常需要绕制一定厚度的绝缘层3，这是因为当组合式超导复合导体应用到超导变压器副边绕组时需要叠加弯曲，以此起到匝间、层间的绝缘作用，起到保护导体层2的作用。设计组合式超导复合导体的绝缘层3时，考虑适合的绝缘的同时，还需要重点考虑低温条件下绝缘材料的性能。一般应用在超导变压器的绝缘材料主要有聚丙烯层压纸 (PPLP)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚酰亚胺薄膜(PI)、电缆纸等材料。所述绝缘层3由适用于液氮温度的绝缘材料组成，主要有聚丙烯层压纸(PPLP)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚酰亚胺薄膜(PI)和电缆纸等。确定好绝缘材料，绝缘层3厚度可以采用交流电压和冲击电压的方法计算，然后取两种方法的最大值。

按按交流电压计算绝缘层3厚度，如公式(4)：

t₂＝V×K₁×K₂×K₃/E_lac (4)

其中，V为最高工作相电压，K₁为工频电压老化系数，一般取2.3～4，K₂为温度系数，K₃裕度系数，一般取1.1，E_lac为符合韦伯分布工频击穿电压最低值。

按冲击电压计算绝缘厚度，如公式(5)：

t₃＝V_Bil×l₁×l₂×l₃/E_Limp (5)

其中，V_Bil为冲击电压水平，l₁为冲击电压老化系数1.25，l₂为冲击电压温度系数1.1，l₃为冲击电压裕度系数为1.1，E_limp为符合韦伯分布冲击电压最低值。

保护层4一般选择波纹管，对组合式超导复合导体进行绝缘保护，防止绝缘破坏，起到保护组合式超导复合导体和提供一个密封空间的作用。

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。参见图1所示，本发明是一种用于超导限流变压器的组合式超导复合导体，包括由内向外依次设置的铜骨架1、导体层2、绝缘层3 和保护层4。以组合式超导复合导体模型绕组为例，具体的绕制步骤如下：

(1)铜骨架1，由铜绞线制成，作为超导电缆的支撑物。

(2)超导带材的处理。按照组合式超导复合导体的模型绕组的超导带材层数和每层导体层所需超导带材根数，准备相应数量的高温超导带材，并对高温超导带材表面进行污垢处理，保持超导带材的干净整洁。

(3)导体层2的包绕。将铜骨架固定在具有旋转功能的自动化绕制设备上，将铜骨架的两端固定在绕制设备上，按照预设的绕制速度、绕向角和绕制节距实现多层超导带材在铜骨架1上的绕制。注意每层超导带材在包绕过程中要保证导体层2与铜骨架1紧密缠绕，避免发生超导带材的隆起和松动情况。

(4)绝缘层3的包绕。导体层2绕好制后，在导体层2外按螺旋方式绕制绝缘层3，保持在每一层绝缘的绕制过程中张力一致，并且尽量保证超导层2与绝缘层3之间的紧密度。

(5)保护层4，在绝缘层的外层安装波纹管，对组合式超导复合导体进行绝缘保护。

本发明制作工艺简单，易于实现，适用于大电流密度的超导限流变压器等超导电力装置。

从制作工艺角度考虑，HTS Roebel Cable超导复合导体对采用的超导带材不仅要求质量极高，而且需要激光切割，制作工艺相对较难；组合式超导复合导体在三种超导复合导体中，制作相对最简单。从经济因素考虑，HTS Roebel Cable超导复合导体已形成商品，价格十分昂贵，以Ic＝1000A为例，约是组合式超导复合导体的3.5倍，克服了现有的高温超导复合导体性能及制备工艺的不足，提出了一种制备工艺简单、综合性价比高的组合式超导复合导体。

表1给出了三种超导复合导体的性能比较。

表1三种超导复合导体的性能比较

Claims (10)

1.一种组合式超导复合导体，其特征在于，包括由内至外设置的铜骨架(1)、导体层(2)、绝缘层(3)和保护层(4)；其中，绝缘层(3)的厚度为采用交流电压与冲击电压计算得到的厚度中的最大值。

2.根据权利要求1所述的一种组合式超导复合导体，其特征在于，铜骨架(1)为铜绞线或波纹管；保护层(4)为波纹管。

3.根据权利要求1所述的一种组合式超导复合导体，其特征在于，铜骨架(1)为铜绞线时，铜绞线的截面面积通过下式计算：

其中，S_min为铜绞线的最小截面积；I_∞为稳态短路电流值；t为短路电流的作用时间；C为铜热稳定系数。

4.根据权利要求1所述的一种组合式超导复合导体，其特征在于，导体层(2)包括多层超导带材层，每层超导带材层沿铜骨架(1)长度方向按照绕制节距螺旋排列而成，每层超导带材的螺旋绕向角均不相等。

5.根据权利要求4所述的一种组合式超导复合导体，其特征在于，超导带材采用第一代高温超导材料或第二代高温超导材料。

6.根据权利要求4所述的一种组合式超导复合导体，其特征在于，超导带材的层数N通过下式计算：

其中，I为组合式超导复合导体的传输电流，Ic为超导带材的临界电流，k₁为组合式超导复合导体磁场引起的临界电流的退化率，k₂为机械应变引起的超导带材临界电流的衰减率，k₃为热循环引起的超导带材临界电流的退化率，k₄为组合式超导复合导体设计的裕度系数。

7.根据权利要求4所述的一种组合式超导复合导体，其特征在于，每层超导带层包括若干超导带材，每层超导带层中超导带材数量N_i通过下式计算：

式中，w为带材宽度，R_i为第i导体层的半径，β为超导带材的绕向角。

8.根据权利要求1所述的一种组合式超导复合导体，其特征在于，绝缘层(3)的材质为聚丙烯层压纸、低密度聚乙烯、聚酰亚胺薄膜或电缆纸。

9.根据权利要求1所述的一种组合式超导复合导体，其特征在于，绝缘层(3)的厚度采用公式(4)和(5)计算的结果中的最大值；

t₂＝V×K₁×K₂×K₃/E_lac (4)

其中，t₂为采用交流电压计算得到的绝缘层厚度，V为最高工作相电压，K₁为工频电压老化系数，K₂为温度系数，K₃为裕度系数，E_lac为符合韦伯分布工频击穿电压最低值；

t₃＝V_Bil×l₁×l₂×l₃/E_Limp (5)

其中，t₃为采用冲击电压计算得到的绝缘层厚度，V_Bil为冲击电压水平，l₁为冲击电压老化系数，l₂为冲击电压温度系数，l₃为冲击电压裕度系数，E_limp为符合韦伯分布冲击电压最低值。

10.一种组合式超导复合导体的制备方法，其特征在于，将铜绞线或波纹管制成铜骨架(1)，按照预设的绕制速度、绕向角和绕制节距在铜骨架(1)上的绕制多层超导带材，形成导体层(2)；在导体层(2)上按螺旋方式绕制绝缘层(3)，在绝缘层(3)上安装波纹管形成保护层(4)。

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