CN113113185A - 一种高温超导电缆结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高温超导电缆结构包括，支撑单元，所述支撑单元内部设置有容置空间，所述容置空间自所述支撑单元内部凹陷形成；超导带单元，设置在所述容置空间内，所述超导带单元旋转缠绕贴合在所述支撑单元内壁上。

Description

一种高温超导电缆结构
技术领域
本发明涉及超导电缆技术技术领域，特别是，涉及一种高温超导电缆结构。
背景技术
随着近十年的不断发展，高温超导带材在临界电流，电流密度，均匀性和成本上都有了明显的提高，这些特点极大地促进了其在工业和科学研究上的商业化发展。高温超导带材是建造高磁场磁体的实用导体，在电机、变压器、电力缆线等领域都有极大的应用前景。为了进一步增大带材的载流能力，对于超导电缆的研究成为热点。
超导材料的超导特性需要保证在一定温度以下，超导电缆的使用稳定性成为工程应用中令人担忧的问题，例如超导磁储能系统(SMES)局部发热后失超将产生严重后果，线圈冷却成为系统中的重要环节。
目前国际上对于高温超导集束缆线的结构研究主要可分为以下几类：超导扁带换位(Roebel)电缆，超导扭曲堆叠带(TSTC)电缆，超导缠绕柔性圆芯(CORC)电缆，以及其他高温超导电缆。其中Roebel电缆和TSTC电缆和单根超导带都为不对称结构，不具有各向同性，垂直于超导较宽面(电缆较宽面)的磁场对其临界电流会造成较大的影响，故临界电流和交流损耗会随外加磁场的大小和方向而变化。本发明的这种集束缆线的超导带材是螺旋方式分布，可实现超导带的完全换位，电缆结构的各向同性决定其临界电流和交流损耗不会随外加磁场的方向变化而变化。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的超导带制作完成后应力得不到释放和超导带和冷却介质无法充分的接触缺陷，从而提供一种高温超导电缆结构。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种高温超导电缆结构
作为本发明所述高温超导电缆结构的一种优选方案，其中：包括，支撑单元，所述支撑单元内部设置有容置空间，所述容置空间自所述支撑单元内部凹陷形成；超导带单元，设置在所述容置空间内，所述超导带单元旋转缠绕贴合在所述支撑单元内壁上；
作为本发明所述高温超导电缆结构的一种优选方案，其中：所述超导带单元还包括导通部件和基底部件，所述导通部件和所述基底部件之间固定连接，所述基底部件与所述支撑单元贴合固定。
作为本发明所述高温超导电缆结构的一种优选方案，其中：所述超导带单元的数量M≥1，当M≥2时，所述超导带单元之间能够通过间隙式、对缝式或者叠绕方式进行对接。
作为本发明所述高温超导电缆结构的一种优选方案，其中：所述支撑单元的层数N为单层。
作为本发明所述高温超导电缆结构的一种优选方案，其中：所述支撑单元的层数N为多层。
作为本发明所述高温超导电缆结构的一种优选方案，其中：填充单元，所述填充单元设置在所述容置空间内部，所述填充单元填充所述容置空间，所述导通部件与所述填充单元贴合固定。
还包括结合单元，所述结合单元能够在硬化后将超导带单元固定在所述支撑单元的内壁上。
作为本发明所述高温超导电缆结构的一种优选方案，其中：所述超导带单元的材料为ReBCO超导带、Bi-超导带、Bi-超导带其中一种或者多种。
作为本发明所述高温超导电缆结构的一种优选方案，其中：所述填充单元为低温物质，为液氮、液氦、固氦、液氢其中一种或者多种。
作为本发明所述高温超导电缆结构的一种优选方案，其中：所述支撑单元的材料设置为硬度小、柔韧性大的材料。
作为本发明所述高温超导电缆结构的一种优选方案，其中：所述支撑单元的材料由硬度大的金属材质组成。
本发明的有益效果：
1.本发明提供一种高温超导电缆结构，原超导带固定在中心内芯上，制造过程中的拉伸应力无法得到释放，且制造过程中不同的拉伸应力对超导带的性能有不同的影响，本发明使电缆在较小的弯曲直径下不损坏，增大了不损坏条件下电缆的弯曲范围，可用于绕制紧凑型的磁体绕制，扩展了电缆的使用范围。
2.本发明提供一种高温超导电缆结构，原超导带与冷却介质无法直接接触，本发明的电缆由于使用外层骨架支撑，内层超导带内为空腔，空腔内通流冷却介质，超导带浸泡于冷却介质内，保证超导带与冷却介质最大的接触面积，散热效果更好，不易发生局部失超，提高电缆的使用稳定性，同时相比于将整根内部无空腔的电缆浸泡于冷却介质的方法大大减小占用空间。
3.本发明提供一种高温超导电缆结构，单根超导带都为不对称结构，不具有各向同性，垂直于超导较宽面(电缆较宽面)的磁场对其临界电流会造成较大的影响，其故临界电流和交流损耗会随外加磁场的大小和方向而变化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为高温超导电缆结构整体结构示意图；
图2为高温超导电缆结构支撑单元结构示意图；
图3为高温超导电缆结构超导带单元剖开结构示意图；
图4为高温超导电缆结构带有填充单元一个视角结构示意图；
图5为高温超导电缆结构带有结合单元的一个视角结构示意图；
图6为高温超导电缆结构带有两个超导带单元的结构示意图；
图7为高温超导电缆结构不同支撑单元的结构示意图；
图8为高温超导电缆结构超导带单元释放应力的结构示意图；
图9为高温超导电缆结构有多条超导带单元的结构示意图；
图10为高温超导电缆结构结合单元将容置空间填满的结构示意图；
图11为高温超导电缆结构操作电流下的示意图；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
本实施例提供了一种高温超导电缆结构，如图1所示，在这一实施方式中，高温超导电缆结构包括支撑单元100和超导带单元200，支撑单元100为高温超导电缆结构的外壳，在高温超导电缆结构中做支撑部位，超导带单元200为导电部位，贴附在支撑单元100的内壁上。
较佳的，支撑单元100为高温超导电缆结构的外壳，中间设置有容置空间101，初始时，有一圆形内芯，将超导带单元200以螺旋形绕制这一圆形内芯上，支撑单元100的容置空间101略大于此结构，将支撑单元100套在此结构上，均匀释放超导带单元200的应力，使其直径可控均匀膨胀，当控制螺旋角增大到规定值后，将圆形内芯撤走，此时的超导带单元200与支撑单元100的内壁缠绕贴合。
一种高温超导电缆结构充分的释放的了原支撑单元100即原超导电缆的外壳，原应力无法释放，受冷却气体的作用，导致外壳易损坏，并导致超导电缆电传递效率低。
实际操作中，支撑单元100中已经释放超导带单元200的应力，电缆在较小的弯曲直径下不损坏，这种电缆可用于绕制紧凑型的磁体绕制，扩展了电缆的使用范围，且超导带单元200支撑骨架位于超导带外侧，自带保护铠装，对超导带有较好的保护作用。
实施例2
本实施例提供了一种高温超导电缆结构，如图1-5，在这一实施方式中，高温超导电缆结构包括填充单元300和结合单元400，填充单元300为当超导带单元200释放应力后填充的低温液体，其不限于液氮、液氦、液氢、固氮或者其他低温液体，以保证超导电缆结构能够使用。
结合单元400，是设置在超导带单元200和支撑单元100之间的填充物质，为了使得超导带单元200能够和支撑单元100之间能够紧密的贴合在一起。
较佳的，支撑单元100为高温超导电缆结构的外壳，中间设置有容置空间101，初始时，有一圆形内芯，将超导带单元200以螺旋形绕制这一圆形内芯上，支撑单元100的容置空间101略大于此结构，将支撑单元100套在此结构上，均匀释放超导带单元200的应力，使其直径可控均匀膨胀，当控制螺旋角增大到规定值后，将圆形内芯撤走，此时的超导带单元200与支撑单元100的内壁缠绕贴合。
填充单元300为当超导带单元200释放应力后填充的低温液体，其不限于液氮、液氦、液氢、固氮或者其他低温液体，以保证超导电缆结构能够使用。
结合单元400，是设置在超导带单元200和支撑单元100之间的填充物质，为了使得超导带单元200能够和支撑单元100之间能够紧密的贴合在一起，超导带单元200可以选着外镀焊料或者其他能够流动的最后可以硬化的物质，在电缆组装完成后，这些结合单元400变为流动态后硬化将整体结构结合在一起，电缆会获得更好的机械结构和电气性能。超导带单元与支撑单元100之间以及超导带单元200内部空腔填充流动态结合单元400后硬化，整根电缆结合为一个整体。
实际操作中，填充单元300是在超导带单元200释放应力后，仍与支撑单元100之间存在间隙，因此设置流动的填充单元300，制作完成后，填充单元固化，将超导带单元200固定在支撑单元100上，填充单元300又与超导带单元200直接充分的接触，更加有利于散热，不易发生局部失超，提高使用稳定性，减小占用空间。
实施例3
本实施例提供了一种高温超导电缆结构，如图1-11，在这一实施方式中，支撑单元100为高温超导电缆结构的外壳，中间设置有容置空间101，初始时，有一圆形内芯，将超导带单元200以螺旋形绕制这一圆形内芯上，支撑单元100的容置空间101略大于此结构，将支撑单元100套在此结构上，均匀释放超导带单元200的应力，使其直径可控均匀膨胀，当控制螺旋角增大到规定值后，将圆形内芯撤走，此时的超导带单元200与支撑单元100的内壁缠绕贴合。
填充单元300为当超导带单元200释放应力后填充的低温液体，其不限于液氮、液氦、液氢、固氮或者其他低温液体，以保证超导电缆结构能够使用。
结合单元400，是设置在超导带单元200和支撑单元100之间的填充物质，为了使得超导带单元200能够和支撑单元100之间能够紧密的贴合在一起，超导带单元200可以选着外镀焊料或者其他能够流动的最后可以硬化的物质，在电缆组装完成后，这些结合单元400变为流动态后硬化将整体结构结合在一起，电缆会获得更好的机械结构和电气性能。超导带单元与支撑单元100之间以及超导带单元200内部空腔填充流动态结合单元400后硬化，整根电缆结合为一个整体。
超导带单元200还包括导通部件201和基底部件202，导通部件201和基底部件202之间固定连接，基底部件202与支撑单元100贴合固定，导通部件201与填充单元300贴合固定，超导带单元200中的导通部件201为导通电流的单位，基底部件202是超导带单元200与其他零部件接触的部位，缠绕时导通部件201贴紧柔性圆芯，释放应力后基底部件202贴紧支撑单元100。
超导带单元200选用包括一种或多种超导材料组成超导层的带状导体，包括但不限于ReBCO超导带、Bi-2212超导带、Bi-2223超导带或其他超导带状导体。
超导带单元200的数量M≥1，当超导带单元200的数量变多时，能增加电缆结构的整体导流效果。
当超导带单元200的数量M≥2时，同一层的超导带单元200可选择间隙式、对缝式或者叠绕等多种缠绕方式。
特殊的，所有层的超导带单元200缠绕方向相同。
在另一种实施方式中，相邻层或者每隔一层或多层的超导带单元200缠绕方向相反。
在另一种实施方式中，多层超导带单元200的螺旋角具有相同或者不同的螺旋角。
在以上的实施方式中，多层超导带单元200之间除空气外无任何绝缘层或其他介质，紧密缠绕。
实际操作中，导通部件201和基底部件202的设置能够使得电缆结构区分正反方向，便于将导通部件201贴合在柔性圆芯上，超导带单元200采用以下但不限于ReBCO超导带、Bi-2212超导带，Bi-2223超导带的超导材料，当超导带单元200的数量增加多余一个时，其导流效果变优，其缠绕方式可以选择间隙式、对缝式或者叠绕等。
实施例4
本实施例提供了一种高温超导电缆结构，如图1-11，在这一实施方式中，支撑单元100为高温超导电缆结构的外壳，中间设置有容置空间101，初始时，有一圆形内芯，将超导带单元200以螺旋形绕制这一圆形内芯上，支撑单元100的容置空间101略大于此结构，将支撑单元100套在此结构上，均匀释放超导带单元200的应力，使其直径可控均匀膨胀，当控制螺旋角增大到规定值后，将圆形内芯撤走，此时的超导带单元200与支撑单元100的内壁缠绕贴合。
填充单元300为当超导带单元200释放应力后填充的低温液体，其不限于液氮、液氦、液氢、固氮或者其他低温液体，以保证超导电缆结构能够使用。
结合单元400，是设置在超导带单元200和支撑单元100之间的填充物质，为了使得超导带单元200能够和支撑单元100之间能够紧密的贴合在一起，超导带单元200可以选着外镀焊料或者其他能够流动的最后可以硬化的物质，在电缆组装完成后，这些结合单元400变为流动态后硬化将整体结构结合在一起，电缆会获得更好的机械结构和电气性能。超导带单元与支撑单元100之间以及超导带单元200内部空腔填充流动态结合单元400后硬化，整根电缆结合为一个整体。
超导带单元200还包括导通部件201和基底部件202，导通部件201和基底部件202之间固定连接，基底部件202与支撑单元100贴合固定，导通部件201与填充单元300贴合固定，超导带单元200中的导通部件201为导通电流的单位，基底部件202是超导带单元200与其他零部件接触的部位，缠绕时导通部件201贴紧柔性圆芯，释放应力后基底部件202贴紧支撑单元100。
超导带单元200选用包括一种或多种超导材料组成超导层的带状导体，包括但不限于ReBCO超导带、Bi-2212超导带、Bi-2223超导带或其他超导带状导体。
超导带单元200的数量M≥1，当超导带单元200的数量变多时，能增加电缆结构的整体导流效果。
当超导带单元200的数量M≥2时，同一层的超导带单元200可选择间隙式、对缝式或者叠绕等多种缠绕方式。
特殊的，所有层的超导带单元200缠绕方向相同。
在另一种实施方式中，相邻层或者每隔一层或多层的超导带单元200缠绕方向相反。
在另一种实施方式中，多层超导带单元200的螺旋角具有相同或者不同的螺旋角。
在以上的实施方式中，多层超导带单元200之间除空气外无任何绝缘层或其他介质，紧密缠绕。
较佳的，在一中实施例中，支撑单元100的层数为单层，单层的支撑单元100为支撑骨架，单层的支撑单元100的组成材料可以为绝热材料等特性材料，单层的支撑单元100更加的细小，具有更多的实用范围。
在另一种实施例中支撑单元100的层数为多层，多层的支撑单元100中可以包含真空层、绝热层等带有特性的，能够更好保护电缆的中间层。
在一种实施例中，支撑单元100的材料为硬度较小，柔韧性更好的材料或者具有绞合形式的导线管包括但不限于聚合物、橡胶、陶瓷等材料，这样的支撑单元100可以适用在一些不规则的场景，便于折弯等操作。
在另一些实施例中，支撑单元100为硬度较大的材料包括但不限于铜或其他金属及合金，更好的保护超导带单元200，不易被破坏。
以上的支撑单元100的截面形状可以但不限于圆形、椭圆形等闭合曲线，示意图中的圆形形状只是一种较为特殊的形状。
在另一种实施例中，结合单元400填充整个容置空间101，外部设置的多层支撑单元100中设置有填充单元300。
附图11所示，高温超导电缆结构在不同操作电流下的能力，当超导带单元200增加后，导流能力变大。
实际操作中，根据不同的使用场景更换不同的支撑单元100的材料、层数，让高温超导电缆结构适用不同的使用场景，并且保护其中的超导带单元200不受破坏。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种高温超导电缆结构，其特征在于：包括，
支撑单元(100)，所述支撑单元(100)内部设置有容置空间(101)，所述容置空间(101)自所述支撑单元(100)内部凹陷形成；
超导带单元(200)，设置在所述容置空间(101)内，所述超导带单元(200)旋转缠绕贴合在所述支撑单元(100)内壁上。
2.如权利要求1所述的高温超导电缆结构，其特征在于：所述超导带单元(200)还包括导通部件(201)和基底部件(202)，所述导通部件(201)和所述基底部件(202)之间固定连接，所述基底部件(202)与所述支撑单元(100)贴合固定。
3.如权利要求2所述的高温超导电缆结构，其特征在于：所述超导带单元(200)的数量M≥1，当M≥2时，所述超导带单元(200)之间能够通过间隙式、对缝式或者叠绕方式进行对接。
4.如权利要求3所述的高温超导电缆结构，其特征在于：所述支撑单元(100)的层数N为单层。
5.如权利要求3所述的高温超导电缆结构，其特征在于：所述支撑单元(100)的层数N为多层。
6.如权利要求4或5所述的高温超导电缆结构，其特征在于：填充单元(300)，所述填充单元(300)设置在所述容置空间(101)内部，所述填充单元(300)填充所述容置空间(101)，所述导通部件(201)与所述填充单元(300)贴合固定。
还包括结合单元(400)，所述结合单元(400)能够在硬化后将超导带单元(200)固定在所述支撑单元(100)的内壁上。
7.如权利要求6所述的高温超导电缆结构，其特征在于：所述超导带单元(200)的材料为ReBCO超导带、Bi-2212超导带、Bi-2223超导带其中一种或者多种。
8.如权利要求7所述的高温超导电缆结构，其特征在于：所述填充单元(300)为低温物质，为液氮、液氦、固氦、液氢其中一种或者多种。
9.如权利要求8所述的高温超导电缆结构，其特征在于：所述支撑单元(100)的材料设置为硬度小、柔韧性大的材料。
10.如权利要求8所述的高温超导电缆结构，其特征在于：所述支撑单元(100) 的材料由硬度大的金属材质组成。
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