CN114188089A - 一种超导缆结构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种超导缆结构，该超导缆结构包括：若干超导线；以及若干铜线，与至少部分的所述超导线接触并可在所述超导线进入失超状态时产生感应电动势，所述铜线与另一所述铜线或超导线绝缘；其中，所述超导线与所述铜线之间扭绞构成绞缆。本申请的超导缆结构通过铜线与超导线之间形成感应电动势来使得磁体在失超动作阶段的失超区域快速扩散，可实现非线性quench‑back效应，增强此类超导缆应用磁体的运行鲁棒性。并且，本申请超导缆结构的拓扑结构简单，易于生产，有利于降低生产成本。

Description

一种超导缆结构

技术领域

本申请涉及超导材料领域，特别涉及一种超导缆结构。

背景技术

在超导材料应用研究中，超导磁体应用是其面向民用和科研的最大应用分支，比如医疗器械领域的核磁共振成像系统MRI、半导体材料领域的单晶硅炉NMR以及大科学装置高能粒子加速器系统中复杂庞大的各类功能性超导磁体。随着超导磁体技术的发展，超导线材已从低场的NbTi延伸到高场的Nb₃Sn，高温超导更是将超导材料的液氦4.2K工况扩展到液氮的77K，这些线材的发展和磁体技术的发展相辅相成。

传统上的超导缆主要是为了解决快交变磁体所需的大电流小电感的需求(如卢瑟福缆) 以及快速冷却的需求(如CICC和CACC缆)，卢瑟福缆主要用在cos型线圈结构，特别是以 Nb3Sn型的超导COS线圈。CICC是ITER项目专用缆，其导线通过不锈钢包壳支撑，实现线圈的刚度强化，导线间缝隙用于液氦流通，最大化换热效果，防止超导材料局部失超的出现和扩散，CACC通过铜管内通液氦，再由铜管传冷至超导线，同样是使超导线的冷却效率最大化，铜管同时具有在增强超导缆稳定性的作用。

由此可见，超导缆的出现与其应用的工况密切联系，粒子加速器系统的异形超导磁体结构，如大孔径的CCT/DCT二极磁体，此类磁体通常具有高精度布线需求，即超导线必须限位于开了槽的骨架上或者直接粘贴在骨架表面，传统的单根线材通常都比较细，开槽工艺不仅加工制作昂贵，而且制作周期长，效率低，贴线工艺同样具有低效和高风险的缺点；而如卢瑟福缆、CICC以及CACC等大股的超导电缆，其对缆线的弯曲工艺有苛刻要求，无法完全满足此类需要精准布线磁体结构的设计要求，而且对于绝缘型的磁体骨架，对于大型磁体在发生失超时保护较困难。

发明内容

本申请提供一种超导缆结构，可实现超导缆结构的失超快速自传播。

本申请公开了一种超导缆结构，包括：

若干超导线；以及

若干铜线，与至少部分的所述超导线接触并可在所述超导线进入失超状态时产生感应电动势，所述铜线与另一所述铜线或超导线绝缘；

其中，所述超导线与所述铜线之间扭绞构成绞缆。

在一实施例中，所述超导线设于所述铜线的外侧，所述超导线与所述铜线之间形成枣糕式分布。

在一实施例中，所述铜线具有多根，所述铜线与铜线之间经所述超导线间隔设置。

在一实施例中，所述超导缆结构的超导线为绝缘型超导线；

所述超导线之间及铜线之间各自首尾相接自成回路。

在一实施例中，所述铜线的首尾之间串接有调节电阻。

在一实施例中，所述超导缆结构的外侧设置有绝缘层。

在一实施例中，所述绝缘层包括玻璃纤维、尼龙、特夫纶、聚酯材料或聚酰亚胺的一种或多种材料构成。

在一实施例中，所述超导缆结构的截面为中心对称的两层或两层以上的多层结构。

在一实施例中，所述超导缆结构为7股缆结构。

在一实施例中，所述超导缆结构为19股缆结构。

在一实施例中，所述超导缆结构为37股缆结构。

在一实施例中，所述不同层之间允许通过设置阻隔层进行阻隔。

由上可知，本申请的一种超导缆结构中，由若干超导线和铜线共同构成绞缆，具有较大的载流能力，通过铜线与超导线之间形成感应电动势来使得磁体在失超动作阶段的失超区域快速扩散，可实现非线性quench-back效应，增强此类超导缆应用磁体的运行鲁棒性。并且，本申请超导缆结构的拓扑结构简单，易于生产，有利于降低生产成本。

附图说明

图1为本申请实施例提供的超导缆结构的7股缆结构示意图。

图2为本申请实施例提供的超导缆结构的电流衰减对比图。

图3为本申请实施例提供的超导缆结构的磁体内部热点温度对比图。

图4为本申请实施例提供的超导缆结构的19股缆结构示意图。

图5为本申请实施例提供的超导缆结构的19股缆另一结构示意图。

图6为本申请实施例提供的超导缆结构的37股缆结构示意图。

图7为本申请实施例提供的超导缆结构的37股缆另一结构示意图。

图8为本申请实施例提供的7股缆结构的剖面结构示意图。

图9为本申请实施例提供的7股缆结构的首尾相接方式的连接方式示意图。

图10为本申请实施例提供的超导缆结构的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的较佳实施例进行详细阐述，以使本申请的优点和特征更易被本领域技术人员理解，从而对本申请的保护范围作出更为清楚的界定。在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请实施例公开了一种超导缆结构，包括若干超导线以及若干铜线进行扭绞构成超导缆。

该超导线，可以为绝缘状态，也可以为裸露状态，可以根据实际需求而定，其截面形态及内部构造均不限，例如截面采用圆形、矩形、梯形、其他多边形等规则或不规则结构。

该铜线，与超导线接触并可在超导线进入失超状态时产生感应电动势，铜线与另一铜线或超导线绝缘。与超导线类似，该铜线的截面形态不限。

实际应用中，每一根铜线的外层可以采用绝缘材料进行覆盖、包裹等，以实现对外绝缘，并将铜线组成回路。其中，超导线与所述铜线之间扭绞构成绞缆。扭绞可以加强超导缆结构的结构稳定性及可靠性，易弯折，适用于大电流快交变磁体应用领域，亦可将超导缆(由绝缘超导线扭绞而成)中的各超导线首尾相接，实现磁体的小电流激励应用。

当超导线进入失超状态时，可以在铜线上产生相应的感应电动势，因超导线与铜线之间近距离接触，铜线回路中感应的焦耳热能快速传递给相邻近的超导线，这些受热的超导线发生常导转变后，产生的焦耳热更会连续传给临近依然处于超导态的导线，从而促使整根电缆中的超导线都发生快速常导转变，即加快失超传播速度，防止超导线在局部热点过热对磁体产生不可逆的损伤。

该铜线与超导线的线径，以及铜线与超导线之间的数量比例、线径比例均可以根据实际情况而定。例如，超导缆的总股数依据研究磁体所需的工程电流密度(Je)大小而定，大Je用股数多的缆结构，多股缆磁体又依据运行模式不同，所用超导缆可采用带绝缘超导线和不带绝缘超导线两种方式进行绞制，第一种超导缆结构通过超导线的首尾相接实现磁体的小电流激励，第二种超导缆结构可直接负载大电流实现激励。两种缆采用的铜线都带绝缘，并外接调节电阻，调控失超保护动作时的加热功率。为防止磁体加电励磁阶段在铜线发生具有负影响的焦耳热，铜线回路同时可串入若干二极管。铜线的数量可依据数值模拟计算而定，通常单根分布在缆中心的铜线可胜任quanch-back保护任务，当单根铜线的加热效率不足以保护磁体后，一次增加铜线股数，铜线在缆截面中的分布为枣糕模式，以加热超导线的效率最高和超导缆股数占比最高为优化目标。

由上可知，本申请的一种超导缆结构中，由若干超导线和铜线共同构成绞缆，具有较大的载流能力，通过铜线与超导线之间形成感应电动势来使得磁体在失超动作阶段的失超区域快速扩散，可实现非线性quench-back效应，增强此类超导缆应用磁体的运行鲁棒性。并且，本申请超导缆结构的拓扑结构简单，易于生产，有利于降低生产成本。

参照图1，图中示出了本申请实施例提供的超导缆结构中的一种7股缆结构。

如图1所示，该7股缆结构适用于如CCT/DCT等需要高精度布线磁体应用的超导缆结构，包含1根铜线2以及6根超导线1，且该超导线1与铜线2之间进行扭绞构成绞缆。其中，该超导线1设于铜线2的外侧，并形成枣糕式分布(铜线2为枣，超导线1为糕)，该超导线1 与铜线2之间的线径可以1:1设置，铜线2与超导线1之间可采用绝缘材料进行相对绝缘。该方式只需采用一根铜线2即可对外围6根超导线1进行失超区域的传导。

另外，该7股缆结构的外侧可以设置有绝缘层3，通过绝缘层3以加强线缆的绝缘保护，也可以通过该绝缘层3实现超导缆结构的强化，避免因外力造成超导缆结构的损坏。

在一实施例中，该绝缘层3可以包括玻璃纤维、尼龙、特夫纶、聚酯材料或聚酰亚胺的一种或多种材料构成，以起到一定的绝缘及受力保护作用。该绝缘层3可以是编制绝缘层3、参差叠包的带状绝缘层3或者是其他绝缘结构，例如，超导缆结构的外表以玻璃纤维或尼龙等绝缘材料编制成套，以加强线缆的绝缘保护，绝缘材料亦可以是玻纤布或聚酰亚胺带等绝缘带绕包而成，本申请对此不做限定。

本实施例以2.9mm线规的7股缆结构示意图为参考，对多股缆的几何外形进行简单介绍，导线根数由最少数量同半径相切圆的稳定结构而来，即中心可以是一根φ0.9mm的铜线2，后边均布6根线径同样为φ0.9mm的超导线1，各导线均为绝缘线(裸线直径：0.85，绝缘漆 0.025mm)，超导线1以铜超比1.3为例，当设计一台温孔半径100mm，中心场为1T的DCT 型二极磁体，分别使用单根超导线和超导缆的设计和成本预估如下表所示。

表1

注：1、主要计算骨架开槽机时，通常正比于走刀路径长度，1.5为线径不同引入的修正因子；2、磁体研制周期与导线层数成正比。

由上表可知，多股缆对于高精度布线工艺的成本优化具有非常大的影响，该超导缆结构可以降低多股缆应用磁体的加工时长以及制造成本。

在一些情况中，导线的绝缘情况，在超导线1需要小电流大电感工况下励磁时，要求各超导线1具有绝缘层，在超导线1需要大电流小电感工况下励磁时，对各超导线1的绝缘层情况不做要求，通常无绝缘层的超导线1具有相对较高的工程电流密度。

其中，7股缆的铜线2与超导线1的线径通常选择一致，也可以是不一致(主要适用于非绝缘的超导线1情况)，要求所得绞缆结构的各导线能紧密贴合，结构稳定即可。

可以理解的，图1中的7股缆结构仅为超导缆结构的其中一种实施方式，该铜线2与超导线1之间的数量及位置关系，以及铜线2与超导线1之间的线径、线径之间的比例均可以根据实际情况而定。

在一些实施例中，该超导缆结构的界面为中心对称的两层或两层以上的多层结构，从而提高超导缆的载流能力，并可以增强磁体在失超过程中的自保护能力。

以图1为例说明，对于两层绞缆结构，第一层(中心)与第二层导线线径间的关系满足 (R1+R2)*sinα＝R2，其中R1为中心导线的半径，R2为第二层阵列绞制导线的半径，α为中心导线和第二层导线相切状态下，以中心导线中心为原点，第二层导线切点角的一半。同时要求α必须满足可等分或近似等分360°(实际实施过程允许5°以内的偏差)，如120°、 90°、60°、51.4°等。

请参阅图2-3，图中分别示出了本申请实施例提供的超导缆结构的电流衰减对比图以及磁体内部热点温度对比图。

如图2所示，其中，采用了具有铜线的超导缆结构的电流衰减曲线为曲线①，无铜线的超导缆结构的电流衰减曲线为曲线②。

可见，该具有铜线的超导缆结构，通过闭合铜线回路，在磁体失超动作阶段，利用感应电动势所产生的焦耳热，可以使得周围的超导线迅速升温并快速进入到失超状态，在0.1秒左右以后本申请超导缆结构中的电流开始相对传统无铜线回路或者断开铜线回路的超导缆结构迅速衰减，并在0.4秒后快速趋近于零。

对比来看，传统无铜线回路或者断开铜线回路的超导缆结构在0.4秒后仍具有400A以上电流，磁体内的热点温度容易超出安全范围。可知，当采用了具有铜线的超导缆结构，在进入失超状态时其电流衰减速度比无铜线回路的超导缆结构更加迅速。

如图3所示，其中，采用了具有铜线的超导缆结构的磁体内部温度曲线为曲线③，无铜线的超导缆结构的磁体内部温度曲线为曲线④。

可见，该具有铜线的超导缆结构通过感应电动势所产生的焦耳热，可以使得周围的超导线迅速升温并快速进入到失超状态，在0.2秒左右以后本申请超导缆结构中的热点温度开始趋于稳定在100K以内，使得超导缆结构的热点温度均处于安全范围。

对比来看，传统无铜线回路或者断开铜线回路的超导缆结构因电流衰减的速度更慢，且随着超导回路内阻的缓慢增加其热点温度呈大幅上升的趋势，在0.4秒以后温度达到300K以上，容易对该超导缆结构磁体产生损坏。

可知，当采用了具有铜线回路的超导缆结构，进入失超状态相较于无铜线回路的超导缆结构更为快速，其磁体内部电流衰减更快，且内部温度相较无铜线回路的超导缆结构的磁体内部温度更为均匀，使得热点温度更加安全和稳定。

在传统的CACC缆中，虽然其设有铜管用于热传导，冷媒位于其内的铜管内，通过铜管的热传导性能使得其能快速冷却超导缆结构在快交变场引起的热量，但因为该铜管截面积较大，其激磁效率不高，且不容易弯曲，应用场景基本用于制作快脉冲磁体，适用工况相对较少。

而本申请的超导缆结构，通过将铜线与超导线一起组成绞缆结构，并将铜线组成回路，可以使得铜线在超导缆从超导状态进入失超状态时实现quench-back效应，通过感应电动势产生焦耳热实现超导线失超区域的快速传导，使得该超导缆结构的热点温度维持在较低水平，从而无需像CACC缆中利用粗大的铜管进行散热。

同时，结构的优化使得超导缆结构相对于CACC缆获得更高的载流能力，并且，本申请的超导缆结构可以具有更优秀的小角度弯曲能力，抗拉伸性能更强，若采用冷媒浸泡式可以使其可应用的工况更加多样。

因此，通过铜线与超导线之间形成感应电动势来使得磁体在失超动作阶段的失超区域快速扩散，可实现非线性quench-back效应，增强超导缆结构的鲁棒性。并且，本申请超导缆结构的拓扑结构简单，易于生产，有利于降低生产成本。

请参阅图4，图中示出了本申请实施例提供的超导缆结构的19股缆的结构。

如图4所示，该超导缆结构的截面为中心对称的三层结构，采用了3根铜线2以及16根超导线1，铜线2与部分超导线1接触。

具体的，该超导缆结构的中心为超导线1，第二层间隔分布有3根铜线2，中心处的超导线1以及第二层的超导线1均与铜线2接触。在第三层中，包含有12根超导线1，可以与第二层的铜线2接触或靠近。如此，不同层的超导线1与铜线2之间交错设置，共同构成19股缆的超导缆结构。

第三层的超导线1的线径选择与第二层类似，此时以中心导线和第二层导线的绞缆外接圆为假想中心导线，其半径记为R＝R1+R2，第三层导线半径记为R3，此时R3需满足：

(R+R3)*sinβ＝R3，其中β同样要求满足可等分或近似等分360°。

当然，若需要更多导线绞缆，第四层、第五层的线径同样以第三层的递推规则要求确定。最终绞缆的总导线数为：1+360/α+360/β+…；其中分数向下取整。可以理解的，具体的设计可以根据实际绞缆的结构需求进行确定，本申请对此不做限定。

请参考图5，图中示出了本申请实施提供的超导缆结构的19股缆的另一结构。

如图5所示，该19股缆的截面结构与图3的区别在于，该超导缆结构的不同层之间可以通过设置阻隔层4进行阻隔。其中，阻隔层4可以采用隔膜或者绝缘胶带等方式实现，以区别层间电流设置或者增加结构稳定性。该隔膜或者绝缘胶带同样可以采用玻璃纤维、尼龙、特夫纶、聚酯材料或聚酰亚胺的一种或多种材料构成，其具体应用的材料可以根据实际生产及应用需要而定。

请参考图6，图中示出了超导缆结构的37股缆结构。

其中，该超导缆结构具有四层结构，采用了3根铜线2和34根超导线1。

具体的，该超导缆结构的中心为超导线1，第二层间隔分布有3根铜线2，中心处的超导线1以及第二层的超导线1均与铜线2接触。在第三层中，包含有12根超导线1，可以与第二层的铜线2接触或靠近。第四层均为超导线1，该第四层的超导线1在进入失超状态所产生的热量可以间接通过第三层传递到第二层的铜线2中，以加热超导线的效率最高和超导缆股数占比最高为优化目标。

上述结构可以通过较少的铜线2实现37股超导缆结构。

请参考图7，图中示出了超导缆结构的另一37股结构。

其中，与图6的区别在于，在第一层采用了1根铜线2，并在第三层分别间隔地分布了3 根铜线，各层的超导线1均分别与上述各层的铜线2进行直接或间接进行热量传导。

该超导缆的外层还设置有绝缘层3，通过绝缘层3以加强线缆的绝缘保护，也可以通过该绝缘层3实现超导缆结构的强化，避免因外力造成超导缆结构的损坏。

需要说明的，上述各实施例的超导缆结构各层导线绞缆方向可以是同向，也可以是两两相反，可以根据生产工艺及产品设计需求进行灵活调整。并且，铜线2与超导线1的排布、线径等可以根据实际情况而定，以加热超导线的效率最高和超导缆股数占比最高为优化目标，本申请对此不做限定。

请参考图8-9，图中示出了本申请实施例提供的7股缆结构的剖面结构及小电流激励下的超导缆首尾相接方式。

如图8所示，该7股缆结构包括7根线，其中缆结构中心处的导线g为1根铜线，导线a-f为6根超导线，从而铜线与超导线之间构成枣糕型分布。

结合图9，图中示出了7股缆结构在首尾相接后，实现磁体的小电流激励应用，超导线首尾相接后接入电源激励回路，铜线自成回路。

其中，将超导线的出线端与相邻的另一超导线的进线端连接，使得多根超导线之间构成同一回路，将超导缆结构的铜线自成回路。

具体的，一根7股缆结构包括进线端及出线端，其中，导线a在进线端的一端可作为超导磁体的电源正极接入口(超导线总进)，导线a在出线端的一端与进线端的导线b连接，并将导线b的出线端与导线c的进线端连接，其他导线以此类推进行首尾连接。最后被孤立的出线端导线f作为电源负极接入口(超导线总出)。而对于作为铜线的导线g，可以将进线端与出线端的导线g进行相连自成回路。

在一实施例中，超导缆结构的铜线的首尾之间串接有调节电阻，该调节电阻可用于调节感应焦耳热的产生与传导效率，从而提高超导缆结构失超区域的传导效果。

请参阅图10，图中示出了本申请实施例提供的超导缆结构的等效电路。

如图10所示，在应用超导缆后的等效电路中，超导线首尾相接后形成的等效电感Ls与等效电阻Rs，还可以包括外部泄能电阻Rd及其控制开关SWICH1。铜线首尾相接后形成的等效电感Lh以及等效电阻Rh，还可以包括可调电阻Ra。在一些实施例中，该铜线还可以设置有单向/双向二极管。

由上可知，本申请的一种超导缆结构中，由若干超导线和铜线共同构成绞缆，具有较大的载流能力，通过铜线与超导线之间形成感应电动势来使得磁体在失超动作阶段的失超区域快速扩散，可实现非线性quench-back效应，增强此类超导缆应用磁体的运行鲁棒性。并且，本申请超导缆结构的拓扑结构简单，易于生产，有利于降低生产成本。

上面结合附图对本申请的实施方式作了详细说明，但是本申请并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (12)

1.一种超导缆结构，其特征在于，包括：

若干超导线；以及

若干铜线，与至少部分的所述超导线接触并可在所述超导线进入失超状态时产生感应电动势，所述铜线与另一所述铜线或超导线绝缘；

其中，所述超导线与所述铜线之间扭绞构成绞缆。

2.如权利要求1所述的超导缆结构，其特征在于，所述超导线设于所述铜线的外侧，所述超导线与所述铜线之间形成枣糕式分布。

3.如权利要求1所述的超导缆结构，其特征在于，所述铜线具有多根，所述铜线与铜线之间经所述超导线间隔设置。

4.如权利要求1所述的超导缆结构，其特征在于，所述超导缆结构的超导线为绝缘型超导线；

所述超导线之间及铜线之间各自首尾相接自成回路。

5.如权利要求4所述的超导缆结构，其特征在于，所述铜线的首尾之间串接有调节电阻。

6.如权利要求1-5任意一项所述的超导缆结构，其特征在于，所述超导缆结构的外侧设置有绝缘层。

7.如权利要求6所述的超导缆结构，其特征在于，所述绝缘层包括玻璃纤维、尼龙、特夫纶、聚酯材料或聚酰亚胺的一种或多种材料构成。

8.如权利要求1-5任意一项所述的超导缆结构，其特征在于，所述超导缆结构的截面为中心对称的两层或两层以上的多层结构。

9.如权利要求8任意一项所述的超导缆结构，其特征在于，所述超导缆结构为7股缆结构。

10.如权利要求8任意一项所述的超导缆结构，其特征在于，所述超导缆结构为19股缆结构。

11.如权利要求8任意一项所述的超导缆结构，其特征在于，所述超导缆结构为37股缆结构。

12.如权利要求8任意一项所述的超导缆结构，其特征在于，所述不同层之间通过设置阻隔层进行阻隔。

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