CN115079063B - 适用于超导带材失超判断的结构、判断方法及超导带材 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于超导带材失超判断的结构、判断方法及超导带材，包括：多条间隙，间隙将对应位置的超导带材或超导带材的超导层沿宽度方向等分为多份；多条间隙包括一条长间隙和多条短间隙；长间隙设置于超导带材宽度方向的中线上，长间隙的第一位置上设置有磁场传感器；短间隙分为一排或多排设置于长间隙其余位置的两侧；其中，在磁场变化超过预设值后判断超导带材失超；间隙11对应位置的超导带材包裹封装层。本发明在超导带材上设置了一个薄弱部分作为该带材的保险丝，如果发生失超，超导带材会在该处发生烧毁，从而保护该超导带材的其他部分。采用磁场传感器检测到的磁场变化作为失超信号，比测量超导带材的电压更加灵敏。

Description

适用于超导带材失超判断的结构、判断方法及超导带材

技术领域

本发明涉及超导技术领域，具体地，涉及一种适用于超导带材失超判断的结构、判断方法及超导带材。

背景技术

以ReBCO(Re为稀土元素)为材料的第二代超导带材，也被称为涂层导体，因其具有相比铋系带材更强的载流能力、更高的磁场性能和更低的材料成本，在医疗、军事、能源等众多领域具备更广更佳的应用前景。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，所以又被称为涂层导体。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。金属基底的作用是为带材提供优良的机械性能。过渡层的作用一方面是防止超导层与金属基底发生元素间的相互扩散，另一方面最上方的过渡层需为超导层的外延生长提供好的模板，提高YBCO晶粒排列质量。制备超导性能优良的涂层导体，需要超导层具有一致的双轴织构。双轴织构是指晶粒在a/b轴和c轴(c轴垂直于a/b面)两个方向均有着近乎一致的排列。由于YBCO薄膜在a/b轴方向的排列程度(面内织构)相对较难实现，而面内织构较差会严重降低超导性能。因此需要YBCO超导薄膜在已经具有双轴织构和匹配晶格的过渡层上外延生长。制备实现双轴织构有两种主流的技术路线，一种是轧制辅助双轴织构基带技术，另一种为离子束辅助沉积技术。ReBCO超导层制备的常见技术分为多种，有脉冲激光沉积、金属有机物化学气相沉积、反应共蒸发等。保护层主要是用来保护超导膜层，一般在超导带材表面镀1-5um的银层。然而这些超导带材，由于其本身材料或者制作工艺的限制还存在着有许多弱点，尤其在将其应用到具体的超导应用装置中，这些材料在加工中需要经过接头制作，绕制线圈，环氧浸渍，真空浇筑，在应用中需要急冷急热，大量冷热循环，受到大磁场所带来的应力，大电流的冲击等等复杂的工况环境。可以说纯粹经过初步银保护的超导带材，其性能远远不能满足实际超导带材应用的工况，尤其是电学和力学方面的性能。因此在此基础上普遍的做法是对其进行表面镀铜处理，即在已经镀银的超导带材表面电镀1-80um的铜层。

第二代高温超导带材的失超保护一直以来困扰着业界。由于其材料的陶瓷属性，相比于低温超导失超传播速度慢3-4个数量级，只有0.1-1cm/s。这对第二代高温超导的工程应用带来了严重的影响和挑战。带材局部失超后，在局部形成热点，热点扩散缓慢意味着，整个超导系统在电压背景噪声下检测一个失超信号相当困难，甚至根本不知道失超的发生，没有形成切断电流等保护动作。局部的热点会导致超导带材的烧坏，或者导致一个钇钡铜氧化物材料由于热量产生氧气的缺失导致降解，最终整个超导应用装置会损坏。

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适用于超导带材失超判断的结构、判断方法及超导带材。根据本发明提供的一种适用于超导带材失超判断的结构，包括：

多条间隙11，通过激光划刻的方式沿超导带材2的长度方向平行开设在超导带材上，所述间隙11将对应位置的超导带材或超导带材的超导层沿宽度方向等分为多份；

所述多条间隙11包括一条长间隙110和多条短间隙111；

所述长间隙设置于所述超导带材2宽度方向的中线上，所述长间隙110的第一位置上设置有磁场传感器7，检测所述长间隙对应位置中的磁场变化；

所述短间隙111分为一排或多排设置于所述长间隙其余位置的两侧；

其中，在所述磁场变化超过预设值后判断所述超导带材失超；

所述间隙11对应位置的超导带材包裹封装层。

优选地，包裹封装层的方式包括在所述间隙11对应位置的超导带材上下设置焊锡并覆盖铜层；

所述磁场传感器7固定在所述铜层上。

优选地，所述间隙11的宽度至少为0.5mm。

优选地，所述间隙11设置于所述超导带材的端部。

优选地，多个所述超导带材2相互平行缠绕，或者依次缠绕在管型支架6上。

优选地，所述超导带材2卷绕为跑道状后呈马鞍形设置在管型支架6上，或者，所述超导带材2卷绕为圆形线圈。

优选地，所述适用于超导带材失超判断的结构通过接头与其他超导带材可拆卸连接。

根据本发明提供的一种超导带材失超判断方法，采用所述的用于超导带材失超判断的结构，在检测到所述间隙11中的磁场变化超过预设值后判断对应的所述超导带材失超。

优选地，在检测到所述间隙11中的磁场变化后对对应的超导带材执行第一失超保护操作，在检测到所述间隙11中的磁场变化超过预设值后对应的超导带材执行第二失超保护操作。

根据本发明提供的一种超导带材，包括所述的适用于超导带材失超判断的结构。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明在超导带材上设置了一个薄弱部分作为该带材的保险丝，如果发生失超，超导带材会在该处发生烧毁，从而保护该超导带材的其他部分。

采用磁场传感器检测到的磁场变化作为失超信号，比测量超导带材的电压更加灵敏。

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至图4为本发明例举的四种不同应用场景示意图；

图5为图4的局部放大图；

图6为本发明一实施例的结构示意图；

图7为本发明另一实施例的结构示意图；

图8、图9为本发明的原理图；

图10为本发明缝隙一侧超导带材发生失超(未完全失超)时的临界电流示意图；

图11为本发明缝隙两侧超导带材都发生失超(完全失超)时的临界电流示意图。

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。

如图1至图7所示，本发明提供的一种适用于超导带材失超判断的结构1，包括：多条间隙11，通过激光划刻的方式沿超导带材的长度方向平行开设在超导带材2上，间隙11将对应位置的超导带材或超导带材的超导层沿宽度方向等分为多份。间隙11分为一条长间隙110和多条短间隙111，长间隙设置于超导带材2宽度方向的中线上，长间隙110的第一位置上设置有磁场传感器7，检测长间隙对应位置中的磁场变化，在磁场变化超过预设值后判断超导带材失超。短间隙111分为一排或多排设置于长间隙其余位置的两侧。由于分割了超导带材或其超导层后，导致相应部位成为带材的薄弱位置，因此在间隙11对应位置的超导带材包裹封装层，包裹封装层的方式包括在间隙11对应位置的超导带材上下设置焊锡并覆盖铜层，起到保护该区域的作用，同时能够抗过流。同时，磁场传感器7通过焊接或者粘贴固定在铜层上，以固定其位置。

一条长间隙110和多条短间隙111的分布方式在本发明中给出了两个示例，一种是如图6所示，短间隙111排成一排，设置在磁场传感器7的后侧，另一种是如图7所示，短间隙111排成两排，设置在磁场传感器7的前后两侧，而磁场传感器7的两侧没有与其并排的短间隙，避免多个间隙之间的磁场相互抵消而影响检测结果。检测多个间隙11中的磁场变化，可以使信号更为灵敏，同时可以将局部的热斑点划分的更为细致，使结果更为准确。

如图6、7所示，这种方法将第二代导线沿着导线长度方向分为多个相等宽度的部分，可以由机械完成缝隙切割，也可以用尖刀、干法或湿法刻蚀。由于机械开缝容易使带材出现裂纹，因此也可以通过激光划刻的方式。连接着两个部分的超导区域在带材的端部完好无损。在缝隙区域安装一个磁场传感器贴住带材的表面。

如图8和图9所示，在超导状态下，这些线的裂缝出会携带等量的输送电流。这些电流在导线周围产生一个磁场，磁场在缝隙处最强。通常情况下，在这个缝隙区域中磁场得到平衡，这是因为磁场在缝隙两侧的两个电流线对应的部分相等但方向相反。局限的失超导致一侧的临界电流(Ic)降低了，过剩的电流流向了另外一侧。实践中，在各部分之间电流的分配首次出现在电阻的出现的时刻。在局部的Ic得到抑制时，电流的分配开始形成并且在探测到电压发生变化之前发生。

本发明的适用于超导带材失超判断的结构1设置于一段超导带材上，该段超导带材可通过接头与另一段超导带材可拆卸连接，作为该另一段超导带材的保险丝进行使用，从而实现随时更换保险丝的目的。

在本实施例中，间隙11的宽度至少为0.5mm，且间隙11设置于超导带材的端部。如图1所示，多个超导带材2相互平行缠绕，或者如图3所示依次缠绕在管型支架6上，构成螺线管形4。如图2所示，超导带材2卷绕为跑道状后呈马鞍形5设置在管型支架6上。如图4所示，超导带材2卷绕为圆形线圈3，多个圆形线圈共同使用。

采用上述用于超导带材失超判断的结构，在检测到间隙11中的磁场变化超过预设值后判断对应的超导带材失超。在检测到间隙11中的磁场变化后对对应的超导带材执行第一失超保护操作，例如降低通过的电流。在检测到间隙11中的磁场变化超过预设值后对应的超导带材执行第二失超保护操作，例如完全断开失超的超导带材的电流。

实验中，带材的临界电流Ic如图10、图11所示，在电流为I＝160A时磁场出现一个陡然的上升，这清晰的表明在电流接近临界电流Ic时，带材中电流重新分配。原因在于其中的一侧的带材率先失超，产生电阻，另一侧还没有。这个信号相比电压的信号，清晰而强烈。预示带材失超情况将要发生,带材还未完全失超。利用这个信号启动保护装置，保护整个电路。在电流I>183A时，磁场开始下降。这说明两侧的带材都发生失超。

一种超导带材，采用上述的适用于超导带材失超判断的结构，该结构通过接头与其他超导带材可拆卸连接。超导带材可以如图1所示平行卷绕在圆管6上，也可以如图2所示卷成线圈，也可以如图3所示依次卷绕在圆管6上，也可以如图4、5所示呈马鞍形设置在圆管上。

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 (9)

1.一种适用于超导带材失超判断的结构，其特征在于，包括：

多条间隙(11)，通过激光划刻的方式沿超导带材(2)的长度方向平行开设在超导带材上，所述间隙(11)将对应位置的超导带材或超导带材的超导层沿宽度方向等分为多份；

所述多条间隙(11)包括一条长间隙(110)和多条短间隙(111)；

所述长间隙设置于所述超导带材(2)宽度方向的中线上，所述长间隙(110)的第一位置上设置有磁场传感器(7)，检测所述长间隙对应位置中的磁场变化；

所述短间隙(111)分为一排或多排设置于所述长间隙其余位置的两侧；

其中，在所述磁场变化超过预设值后判断所述超导带材失超；

所述间隙(11)对应位置的超导带材包裹封装层；

所述间隙(11)设置于所述超导带材的端部。

2.根据权利要求1所述的适用于超导带材失超判断的结构，其特征在于，包裹封装层的方式包括在所述间隙(11)对应位置的超导带材上下设置焊锡并覆盖铜层；

所述磁场传感器(7)固定在所述铜层上。

3.根据权利要求1所述的适用于超导带材失超判断的结构，其特征在于，所述间隙(11)的宽度至少为0.5mm。

4.根据权利要求1所述的适用于超导带材失超判断的结构，其特征在于，多个所述超导带材(2)相互平行缠绕，或者依次缠绕在管型支架(6)上。

5.根据权利要求1所述的适用于超导带材失超判断的结构，其特征在于，所述超导带材(2)卷绕为跑道状后呈马鞍形设置在管型支架(6)上，或者，所述超导带材(2)卷绕为圆形线圈。

6.根据权利要求1所述的适用于超导带材失超判断的结构，其特征在于，所述适用于超导带材失超判断的结构通过接头与其他超导带材可拆卸连接。

7.一种超导带材失超判断方法，其特征在于，采用权利要求1所述的用于超导带材失超判断的结构，在检测到所述间隙(11)中的磁场变化超过预设值后判断对应的所述超导带材失超。

8.根据权利要求7所述的超导带材失超判断方法，其特征在于，在检测到所述间隙(11)中的磁场变化后对对应的超导带材执行第一失超保护操作，在检测到所述间隙(11)中的磁场变化超过预设值后对应的超导带材执行第二失超保护操作。

9.一种超导带材，其特征在于，包括权利要求1所述的适用于超导带材失超判断的结构。

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