CN1192287A - 导体和电缆 - Google Patents
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Abstract
一种应用于超导电缆的导体,该导体包括一个中空的开放(槽)或闭合(管)的铜部件,并且铜部件内至少疏松地放置一基本超导体带,从而允许有至少(当导体被端接时,优选为只有)沿导带宽度方向上相对于铜部件的相对移动。这使得导带与铜部件之间有足够的接触而不会导致压力的增加,也不会有因弯曲而损坏的危险,其中导体中的导带牢固地焊接在铜部件上。
Description
这是一项关于应用于电缆，尤其是在其工作温度下具有超导特性的电力电缆的导体的发明。为简单起见，所述电缆在下文称为“超导电缆”。本发明基本上涉及应用于工作温度大于15K的“高温”磁超导材料的电缆中的超导体。也包括采用所述导体的电缆。
为了得到足够的超导电流容量，所述导体必须由多个基本超导体构成，通常，该基本超导体呈扁平导带状，并且包括一个容纳陶瓷超导微粒的扁平银管，陶瓷超导微粒是各向异性的，因此应尽量使其主平面平行于导导带的扁平表面。所述导带一般与铜载体相连，主要用来提供结构上的支持和当由于置于高温环境或磁场中(或者其它原因)，超导体的一小部分失掉其超导特性时，阻抗较小的交变电流通道。
迄今为止，一般通过铜焊或钎焊把基本超导体导带牢固地焊接在铜载体上，这不仅会提高生产成本，而且会形成一种相对坚硬且弯曲易损坏的复合导体。
现在我们发现导带和铜载体之间不必每一点都相连，因此，可以制成一种在导带和载体之间无牢固粘合的坚韧且有效的导体。
根据所述发明，应用于超导电缆的导体包括一个中空的、在其内部至少有一个基本超导体带被疏松地放置在其中的铜部件，从而至少可以沿带宽方向相对于铜部件移动。
为了在导带与铜载体之间，以及有一个以上导带时，在各导带间实现最大的连接，我们认为只允许沿导体被终接的方向的相对移动为好，但是也不排除沿导带的厚度或/和长度方向的自由移动，而且当把导体装配到电缆中时，沿导带长度方向的移动也是允许的。
不排除把导带局部地焊接在铜载体上使得对它的长度的大部份可实现所要求的移动；但除了在有外部连接处可以外，并不推荐如此。
中空的铜部件可以有一闭合的横截面(管)，或者有一开放的横截面(槽)，但是该开放的横截面应该最好延伸到至少包围导带的三个边。如果初始时是开放式的，可以通过改变其形状或者在装配导带之后添加一独立的闭合构件而全部或部分地实现闭合。所述铜部件最好至少有一个平的内表面与所述导带的一个平面相对，用来提供面对面接触的可能性。
为了达到最高效率，此部件与任何独立的闭合构件最好完全由铜制成，但也允许包括其它材料(例如如果和其中有要求，则用不锈钢实现机械支撑或用锡实现焊接)，并且有时闭合构件可能是完全非导电性的。
致冷要求对横截面的限制是可以接受的，并且在实际容量的电缆中，通常有必要把几个所述导体装配在一起。优选为具有可以被轴向装配的外部形状，或者优选为具有一螺旋形层面，形成一个有或没有独立的圆柱形内部支撑的管状完全导体。对于具有支撑的情况，铜部件可以是梯形或圆柱截体(或如果所装配的数目足够大，可以是正方形或矩形)。没有支撑时，为了在相邻铜分段的邻接面之间形成联锁，可以对所述简单外形进行修正：例如，在每一部件的一个平面上可以有一突出部分，而在其相反平面上有相应的一个凹槽，或者(如果所要装配的数目是偶数)当装配时，在所有同其它类型的部件相邻的铜部件平面上，一半有凸出部分，另一半有凹槽。
可以采用任何已知的几种陶瓷超导体材料；目前我们优选采用满足经验公式Bi2-xPbxSr2Ca2Cu3O10-δ的“BSCCO”超导体，(其中δ小于1)，但这只是基于易实现而不是特殊技术的要求。所述发明可能应用金属材料(例如Nb3Sn)的基本超导体带。
当采用陶瓷超导材料时，我们优选地通过一种“粉末在管中”的方法，把所用材料制成带状结构。在上述方法中，超导体材料(或者是经过一系列热处理可具有超导性的先驱物)被封装在银管中，然后银管经过至少包括拉延、锻造、轧制(轴向或横向)、旋转锻压或逐步挤压之一的过程，转变为具有小的横截面的带状结构。最后三个过程，尤其是轧制和旋转锻压，由于能比拉延或锻造变生更高程度的粒子排列，所以被优选采用。
应用当前超导体带工艺，嵌于载体内的基本超导体带的数目范围约是5到20。如果铜部件是开放式的，则可用的导带的性能是变化的(就象目前超导带的小批试产)，最好选择具有最高临界电流密度(Jc值)的导带放置于最靠近铜部件底层的位置，这是因为，在发生故障或开关时，处于此位置的导带会引起不均匀的冲击电流。
最好通过把导带预装配成一束或多束来简化嵌入铜部件的过程；所述导带束可以通过由细长柔软的铜(或银)带构成的闭合或开放的包层，或者是由适当的塑料材料构成的开放式包层来保护。
根据本发明的电缆，包括至少两个所述导体和实现相互导体间电绝缘以及与外界环境绝热的装置(并且将涉及在安装中至少把导体冷却到低温工作温度的装置)。优选为至少有两个所述类型的管状完全导体同轴排列在中央冷剂管道周围。
电绝缘材料优选为纸(大致地根据浸油纸的电力电缆的应用，但是包含绝缘气体(或者液化气体)和非油的浸渍剂)。同一绝缘气体(或液化气体)也可以用作致冷剂。
参考下面草图，通过实施例，对所述发明作进一步描述。
图1-5为根据本发明的导体的横截面图；
图6为根据本发明的电缆的横截面图。
图1为根据本发明的导体的一种简单形式，包括一个完全矩形的有槽形断面的铜部件1，其内疏松地放置着由基本超导带3形成的导带束2，该导带束被由聚酰亚胺(Kapton)线或聚酰胺(Kevlar)带形成的开放式螺旋形包层4包围。在铜部件内通过同样的完全包层5可以捕获导带束，但允许导带束在带宽方向以0.5mm的数量级自由移动(水平平行于所画纸平面)。包层4的弹性和相对小的张力也使得各基本超导体之间可以沿同一方向作类似的相对移动。在其它方向上没有基本的自由移动。尽管为简单说明，只显示出四个导带，但也考虑了更大数目的情况。
在第一和第二改进方法(没有分别说明)中，包层4和/或包层5分别被一薄软铜带取代，如果需要，铜带可以足够宽，以至把整个导带束或者导带束与铜部件包围在其内；如果那样，可以选择为轴向的铜带来代替螺旋形的。
图2为多种可以单独采用的改进方法：首先，导带3垂直而不是水平地放置在铜部件中(没有显示出可选择的导带束)；其次，铜窄条6经线焊或点焊使铜部件1的槽形断面的开放边闭合，形成中空的闭合横截面的铜部件(中空无缝的闭合横截面亦可，但此时导带的嵌入困难)；第三，铜部件的侧面倾斜使其具有梯形截面，并且可以被装配到一紧密配合的管状完全导体中：注意内侧面8保持垂直，从而可以与导带3进行面对面的接触。
图3也显示了多种可单独采用的改进方法：采用多于一束的导带2；铜部件的侧面具有潜在的联锁结构9(拱肋)和10(凹槽)，以允许形成自支撑的管状完全导体；铜部件的底面11向内凹进弯曲，以与所述完全导体的预定光滑孔径相一致。
图4显示出铜部件1，其初始形状由虚线画出，在嵌入导带3(例如通过轧制)之后，如何通过发生形变，使其不借助其它元件就可以被捕获。
图5显示了另一种利用初始为弯曲，被展平后放入主铜部件1中的凹槽13中的独立铜锁合构件12来固定导带束2的方法。还显示了拱肋9和凹槽10的另一种变形，并且说明了底面11可以是凸曲面，以形成平滑管状导体的外表面的一部分。
图6是根据本发明的一种完整电缆的横截面图。它包括同轴的管状完全内导体14和外导体15。内导体14呈螺旋形放置，由开放式不锈钢螺杆16支撑，另外包括32个图1所示的导体17，每一导体的铜截面积都是15mm2，并且内部有10个宽3mm、厚0.2mm的银包层的基本BSSCO超导体。在自场条件下，各基本超导体的平均临界电流(Ic)值在77K时约为10A，在40K时约为40A，相应的临界电流密度(Jc)分别为8KA/cm2和32 KA/cm2。
根据通常对浸渍纸绝缘电缆的应用，内导体14位于导体屏蔽层18中，该屏蔽层包括3层加碳纸和一层双层纸(包括在造纸过程中，放置并捆扎在一起的多层加碳纸和绝缘纸，且加碳层与加碳纸带相对)，绝缘层19包括34个总厚度达5mm的绝缘纸带，绝缘屏蔽层20包括另一双层纸带和一层加碳纸带。
外部完全导体15呈螺旋形直接装配在绝缘屏蔽层上，在保证两个管状导体中的导体数目和尺寸一致的同时，该层导体包括32个图1所示及上面所描述(参考21)的导体和6个空的铜载体(沿圆周均匀分布)。并且外导体15被有3层加碳纸和一双层纸的外屏蔽层22和包括20层总厚度为5mm的绝缘纸带(各纸带的厚度大于第一绝缘层中纸带的厚度)的外绝缘层23所围绕。
电缆外部的其它部分采用传统工艺，包括一个被“超绝缘层”25(真空下由金属箔实现热绝缘)围绕的波纹状铜套24，和由共轴铜管26和27限制的外冷却剂管道28(由定位架支撑，未画出)，以及另一超绝缘层29和外金属套30。
电缆可以由氦气冷却(例如)，在25K温度下，氦气进入中央冷却剂管道，当到达电缆的另一端前，温度上升到58K，之后经外冷却剂管道28返回，在被送回制冷设备重新利用之前，氦气在外冷却剂管道28又进一步升温，最高温度约为230K。
除了没有外导体所用的空载体(因此外导体的容量大于内导体)，根据图6制成一小段电缆样品，其外部部分(套24以外)被省略并且整个浸入一个大低温容器中。(在浸入前)，通过用成分为95％的铟(In)和5％的银(Ag)的合金将导带局部焊接在一起并焊接到铜载体上以形成端接。在31K工作温度下，该电缆样品在自场条件下可以承受高达10KA的直流电流。
Claims (15)
1.一种应用于超导电缆的导体，包括一个中空的、至少有一个基本超导带被疏松地放置在其中的铜载体，从而允许有至少在导带宽度方向上相对铜载体的相对移动。
2.根据权力要求1的导体，在端接时，基本相对移动只允许在所述方向上发生。
3.根据权力要求1或2的导体，其中中空的铜载体延伸到至少可以包围导带的三个边或者整个导带。
4.根据权力要求3的导体，其中铜部件初始时是开放的，通过改变其形状或在导带装配后添加一独立的闭合构件，可使导体整个或部分闭合。
5.根据权力要求1-4的任一权力要求的导体，其中铜部件至少具有一个平表面，与所述导体的一个平面(或者一个所述导带)相对，以提供面对面接触的可能性。
6.根据权力要求1-5中的任一权力要求的导体，具有可与相同或相应形状的导体装配轴向地或以一螺绞矩以形成一管状的完全导体的外部形状。
7.根据权力要求6的导体，铜部件表面具有联锁结构，在装配时被邻接。
8.根据权力要求1-7中的任一权力要求的导体，其中所述导带包含陶瓷超导材料。
9.根据权力要求1-7中的任一权力要求的导体，其中所述导带包含满足经验公式Bi2-xPbxSr2Ca2Cu3O10-δ的超导材料，(其中δ小于1)。
10.根据权力要求8或9的导体，其中所述导带由一种“粉末在管中”的方法形成，在所述方法中，超导体材料(或者是经过一系列热处理可具有超导性的先驱物)被封装在银管中，然后银管经过至少包括拉延、锻造、轧制(轴向或横向)、旋转锻压或逐步挤压之一的过程，转变为具有小的横截面的带状结构。
11.基本上通过参考图1-5中的一个或多个附图的例子描述的一种应于超导电缆的导体。
12.一种包括至少两个根据权力要求1-11中的任一权力要求的导体的超导电缆，和实现相互导体之间电绝缘以及与外界环境之间热绝缘的装置。
13.根据权力要求12的电缆，该电缆包括至少两个由多个所述导体装配成的管状完全导体，该管状完全导体被同轴放置在中央冷却剂管道周围。
14.基本参考图6描述的一种超导电缆。
15.一种超导电缆的安装，包括至少一条根据权力要求1-14中任一权利要求的电缆和至少把导体冷却到低温工作温度的装置。
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