CN113345641B - 附带失超探测保护的超导带材、超导缆线和保护方法 - Google Patents

附带失超探测保护的超导带材、超导缆线和保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种附带失超探测保护的超导带材、超导缆线和保护方法，包括：第一超导带材和第二超导带材，所述第一超导带材的基底层和所述第二超导带材的基底层相连；所述第一超导带材的宽度小于所述第二超导带材的宽度；所述第一超导带材与所述第二超导带材分别单独供电，在所述第二超导带材正常励磁时，通过控制所述第一超导带材的工作电压，使所述第一超导带材的工作电流保持在即将失超的预设范围内。通过本发明可以快速准确的检测到超导带材的局部失超，从而可以及时对整个系统实施保护。

Description

附带失超探测保护的超导带材、超导缆线和保护方法
技术领域
本发明涉及超导技术领域，具体地，涉及一种附带失超探测保护的超导带材、超导缆线和保护方法。
背景技术
第二代超导带材，由于其作为超导载流核心的ReBCO本身硬且脆，所以一般是在镍基合金基底上采用多层覆膜的工艺生产，所以又被成为涂层导体。第二代超导带材一般由基带、缓冲层(过渡层)、超导层以及保护层组成。超导带材的厚度一般为50～300微米，宽度一般为4～12毫米。因此，二代高温超导带材是一种有着超高纵宽比的带状结构。单根高温超导带材的载流能力是有限的，工程应用中为了产生更大的载流能力，往往需要将多跟超导带材并在一起做成集束导线，这个被称为超导电缆。目前，根据空间结构的不同，基于二代高温超导带材的超导电缆分为三类：CORC电缆，Roebel电缆，TSTC电缆。三种不同超导电缆的主要不同在于空间几何结构，与之相对应的生产绕制工艺也会有所不同。
CORC复合导体(Conductor on round core)是由van der Laan于2009年首次提出，结构是将REBCO带材以螺旋缠绕的方式绕制在柔性圆芯上，其结构如下图2所示。Roebel线缆结构由Ludwig Roebel于1912年提出，其首先对单根高温超导带材进行切割，然后将多根进行换位纽绞编织在一起。2011年，美国麻省理工学院(MIT)的Takayasu M提出了一种基于为超导带堆叠后再扭曲的复合导体，将其命名为TSTC(Twisted Stacked-Tape Cables)复合导体。结构为将多根超导带堆叠形成一个单元，堆叠带的顶部和底部使用铜带作为支撑，增加其机械稳定性，而后进行纽绞，纽绞后外层可覆盖保护套作为保护，保护套和带材之间使用胶水、树脂等进行填充。
为了获得更高的载流量，工程中也会在这三种结构的高温超导电缆的基础上，进一步的将多跟高温超导电缆并绕在一起，形成二级缆线。在本发明中将这三种类型的高温超导电缆，一级以此为基础衍生出来的二级，和更多级的缆线统称为高温超导电缆。而本发明的应用对象，面向如上所有类型的高温超导电缆。
目前，在高温超导的科学研究和工业生产中，带材的“失超保护”是最大的技术挑战之一。超导体只有在超导态下才会保持零电阻特性，当超导体的温度、磁场、电流任何一个参数超过其临界值时，超导体都会突然失去超导特性，从超导态进入有阻正常态，这个被称为失超。诱发失超的因素很多，各种形式的电-磁-热-力扰动、超导带材的性能退化和其他未知偶然因素都会诱发失超。失超发生时，高温超导体的电阻急剧升高，瞬间产生大量的焦耳热，导致失超区域温度快速升高，从而加深失超的发展，并促使失超向周围空间传播。因此，失超传播是一个复杂的、快速的(毫秒级)电磁热多物理场耦合的发展过程，一旦发生，往往是一个快速的不可逆的正反馈过程。如果不及时制止并实施有效的保护，会烧坏超导体。因此必须采取相应的保护措施。高温超导电缆失超保护的核心技术分为两个方面：失超检测和失超保护。前者为通过技术手段检测到失超的发生，越能在失超的早期检测到失超，保护系统动作后的效果越好；后者为在判定失超发生后，采取相应的措施抑制失超的传播和深化，避免带材发生不可逆的损毁。
在失超发生的早期，及时准确的检测到失超的发生，是高温超导失超保护成败的关键。传统的失超检测方法主要两种：温度检测法和电压检测法。电压检测法是对导体两端的电压进行检测，一旦发生局部失超，会在超导体两端产生电压升信号，从而检测失超。这个方法主要适用于低温超导体，因为低温超导体的失超传播速度很快，一旦发生局部失超，能在很短的时间形成较长的失超区域，从而在导体两端形成比较明显的足以被有效测量的电压升高信号。但二代高温超导体的失超传播速度比低温超导低两个数量级，无法在失超发生的早起形成比较明显的电压升高信号，当在导体两端检测到明显的电压升高信号后，部分失超的部位已经发生了不可恢复的损伤。对于高温超导电缆以及由其绕制的线圈磁体来说，接头电阻和不同带材之间的分流使得失超电压的检测变得更为困难。温度检测法，指的是通过测量导体的温升来检测失超的发生。对于温度的测量，传统的方法多采用热电偶和测温光纤的方式。但这两种方法的主要问题是，如果失超发生的起始位置不是温度测量点，就很难及时的发现失超。如果预埋测温点太多，又会是的超导电缆的工艺复杂度和难度急剧增加。此外还有声波检测，基于的应力检测方法等，这些方法目前都还不是很成熟，尚在科研中。
目前失超保护常见的做法是建立失超保护电路，如果超导线圈内部出现失超的部分，由其引发的内部电压差能够触发失超保护电路里的发热元件，通过发热元件的加热尽快的在超导磁体内的所有线圈中创建更多的失超区域，只要使得有足够多的非超导区域来承担整体的磁能转换而成的热能，而不是所有的热量都集中在局部区域释放，那么原先运行的强大电流就能够在数秒内衰减下来，而不会造成超导磁体线圈在失超过程中受到损坏。基于上述理论，失超在线圈内部引起的初始电压一旦出现，失超保护电路需要尽可能快地让电路中的发热元件加热相应的超导线圈部分，即尽快的让失超在超导磁体线圈中传播开来。从这个角度出发，失超保护又可以分为主动失超保护和被动失超保护，主动失超保护一般指的是利用计算机等类似的外部电子设备来探测失超出现的电压信号，然后同样是通过计算机等类似的外部电子设备发出指令让失超保护电路中发热元件加热超导线圈；被动失超保护一般指的是利用超导线圈内部产生的电压来驱动失超保护电路里的发热元件工作。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种附带失超探测保护的超导带材、超导缆线和保护方法。
根据本发明提供的一种附带失超探测保护的超导带材，包括：第一超导带材和第二超导带材，所述第一超导带材的基底层和所述第二超导带材的基底层相连；
所述第一超导带材的宽度小于所述第二超导带材的宽度；
所述第一超导带材与所述第二超导带材分别单独供电，在所述第二超导带材正常励磁时，通过控制所述第一超导带材的工作电压，使所述第一超导带材的工作电流保持在即将失超的预设范围内。
优选地，所述第一超导带材的宽度为0.005mm-0.1mm。
优选地，所述第一超导带材和所述第二超导带材为通过在一整体超导带材上沿长度方向进行激光刻蚀的方式得到。
优选地，所述第一超导带材与所述第二超导带材的宽度比为1:100。
优选地，控制所述第一超导带材的工作电压在1uV/cm-10uV/cm之间。
优选地，所述第一超导带材位于所述整体超导带材的边缘。
优选地，所述第一超导带材与所述第二超导带材的端部分别通过激光刻蚀有电极。
根据本发明提供的一种超导缆线，包括上述的附带失超探测保护的超导带材。
根据本发明提供的一种附带失超探测保护的超导带材的保护方法，采用上述的附带失超探测保护的超导带材，所述保护方法包括：
步骤1、施加工作电流至第一超导带材，控制第一超导带材处于超导和失超状态之间；
步骤2、在第二超导带材正常励磁时，通过控制第一超导带材的工作电压，使第一超导带材的工作电流保持在即将失超的预设范围内；
步骤3、检测第一超导带材的电压，在检测到第一超导带材的电压出现非线性增长时，判定第二超导带材失超。
优选地，还包括：
步骤4：在判定第二超导带材失超的状态下，切断第一超导带材和第二超导带材的电源，或用加热盘对带材进行整体加热进行保护。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
超导带材的失超往往由于局部的低点造成。生产工艺产生膜层上的低点往往有梯度分布特征，往往是低点圆心损坏的厉害，到四周损坏的相对减轻。由于超导层制备过程中，需要将整根带材温度加热到800度以上，带材在宽度方向上的温度分布是两侧温度高，中间温度低。为了保证整根带材的总电流较高，通常以带材中间大面积部分作为制定生产温度的依据。因此带材边缘的温度往往会间断性的过高，导致工艺低点的出现。
从超导I-V曲线的特性可知，过了失超临界点后，带材的电压会剧烈升高，电阻也会剧烈变大。由于第二超导带材和第一超导带材本是同一根材料切割而来，因此生产工艺产生膜层上的低点完全对齐。
在第二超导带材发生低点处局部失超时，热量会传到第一超导带材。如果第一超导带是一根没有低点理想的带材，受到热量电压的增长还在平缓区增长，增长的信号往往被淹没在电压噪声中。
如果第一超导带在受热的地方，恰巧是其更恶劣的低点所在，电压的增长在指数增长区，立马会使得两端的探测电压呈现非线性快速增长。将第一超导带材处于失超边缘的准平衡点打破，从而探测到第二超导带材的局部失超。通过本发明可以快速准确的检测到超导带材的局部失超，从而可以及时对整个系统实施保护。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为实施例1的结构示意图；
图2为实施例1的剖视图；
图3为实施例2的结构示意图；
图4为实施例2的剖视图；
图5为第一超导带材在第二超导带材失超前后的电压变化示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供的一种附带失超探测保护的超导带材，包括：第一超导带材和第二超导带材，第一超导带材的基底层和第二超导带材的基底层相连。
第一超导带材的宽度小于第二超导带材的宽度。第一超导带材与第二超导带材分别单独供电，在第二超导带材正常励磁时，通过控制第一超导带材的工作电压，使第一超导带材的工作电流保持在即将失超的预设范围内。
第一超导带材与第二超导带材的宽度比为1:100，以宽度为10mm的带材为例，第一超导带材的宽度为0.005mm-0.1mm。第二超导带材临界电流500A，第一超导带材只需要通5A就失超，先将第一超导带材通道失超边缘，用PID控制电压，将电压控制在1uV/cm-10uV/cm之间，也就是将其稳定在不失超。
如图1和图3所示，第一超导带材1和第二超导带材2为通过在一整体超导带材上沿长度方向进行激光刻蚀的方式得到。
实施例1
如图1和图2所示，第一超导带材1位于整体超导带材的边缘位置。通过激光刻蚀整体超导带材，刻蚀的深度为将第一超导带材1的第一超导层11和第二超导带材2的第二超导层21相互分离，并在第一超导带材1与第二超导带材2的端部分别通过激光刻蚀有电极。
实施例2
如图3和图4所示，第一超导带材1位于整体超导带材的中部，两侧分别为一个第二超导带材。其制备和工作原理与实施例1相同。
这种带材可以用到超导缆线中，绕成线圈做成电缆。
如图5所示，本发明提供的一种附带失超探测保护的超导带材的保护方法，采用上述的附带失超探测保护的超导带材，保护方法包括：
步骤1、施加工作电流至第一超导带材，使第一超导带材处于超导和失超状态之间。
步骤2、在第二超导带材正常励磁时，通过控制第一超导带材的工作电压，使第一超导带材的工作电流保持在即将失超的预设范围内。
步骤3、检测第一超导带材的电压，在检测到第一超导带材的电压出现非线性增长时，判定第二超导带材失超。
步骤4：在判定第二超导带材失超的状态下，切断第一超导带材和第二超导带材的电源，或用加热盘对带材进行整体加热进行保护。通触发过保护电路来保护整个带材，整个系统。
在第二超导带材正常励磁时，磁场的缓慢增加对第一超导带材的影响是线性的，可预先通过程序消除的，并一直控制在准平衡点上。当第二超导带材发生局部失超时，热量通过基底层3传到到第一超导带材，将其准平衡点打破。让第一超导带材电压非线性突然增加，使得边丝变成正常态。从而探测到整体带材的局部失超。此刻启动整个系统的保护，将电源切断。
一般超导带材总有电流波动，总有低点区域。低点区域总会率先发热，这个局部的热量最难探测。而从其本身旁边划出的边丝(第一超导带材)，临界电流属性与其一致，因为膜层的生产是连续的。也就是说这根带材本体局部低点，旁边的边丝部分同样是低点。对并联的带材某点加热，总电压的变化是将失超的效果均摊了。但对旁边边丝低点加热，正好打在薄弱点。由图5图像可知，电压本身的再增加就是非线性。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种附带失超探测保护的超导带材，其特征在于，包括：第一超导带材和第二超导带材，所述第一超导带材的基底层和所述第二超导带材的基底层相连；
所述第一超导带材的宽度小于所述第二超导带材的宽度；
所述第一超导带材与所述第二超导带材分别单独供电，在所述第二超导带材正常励磁时，通过控制所述第一超导带材的工作电压，使所述第一超导带材的工作电流保持在即将失超的预设范围内。
2.根据权利要求1所述的附带失超探测保护的超导带材，其特征在于，所述第一超导带材的宽度为0.005mm-0.1mm。
3.根据权利要求1所述的附带失超探测保护的超导带材，其特征在于，所述第一超导带材和所述第二超导带材为通过在一整体超导带材上沿长度方向进行激光刻蚀的方式得到。
4.根据权利要求1所述的附带失超探测保护的超导带材，其特征在于，所述第一超导带材与所述第二超导带材的宽度比为1:100。
5.根据权利要求4所述的附带失超探测保护的超导带材，其特征在于，控制所述第一超导带材的工作电压在1uV/cm-10uV/cm之间。
6.根据权利要求3所述的附带失超探测保护的超导带材，其特征在于，所述第一超导带材位于所述整体超导带材的边缘。
7.根据权利要求3所述的附带失超探测保护的超导带材，其特征在于，所述第一超导带材与所述第二超导带材的端部分别通过激光刻蚀有电极。
8.一种超导缆线，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的附带失超探测保护的超导带材。
9.一种附带失超探测保护的超导带材的保护方法，其特征在于，采用权利要求1至8任一项所述的附带失超探测保护的超导带材，所述保护方法包括：
步骤1、施加工作电流至第一超导带材，控制第一超导带材处于超导和失超状态之间；
步骤2、在第二超导带材正常励磁时，通过控制第一超导带材的工作电压，使第一超导带材的工作电流保持在即将失超的预设范围内；
步骤3、检测第一超导带材的电压，在检测到第一超导带材的电压出现非线性增长时，判定第二超导带材失超。
10.根据权利要求9所述的附带失超探测保护的超导带材的保护方法，其特征在于，还包括：
步骤4：在判定第二超导带材失超的状态下，切断第一超导带材和第二超导带材的电源，或用加热盘对带材进行整体加热进行保护。
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