CN114512277B - 一种超导线材、Roebel超导复合电缆及其编织方法 - Google Patents

一种超导线材、Roebel超导复合电缆及其编织方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超导线材、Roebel超导复合电缆及其编织方法，属于超导电工理论与技术领域，其包括多个依次连接的重复单元，多个重复单元包括多个第一重复单体和多个第二重复单体，第一重复单体和第二重复单体交替设置；第一重复单体包括第一连接段和第一直线段，且第一连接段的第一端与第一直线段的第一端连接；第二重复单体包括第二连接段和第二直线段，且第二连接段的第一端与第一直线段的第二端连接；第二连接段的第二端与第二直线段的第一端连接。本发明实现了通过手工编织Roebel超导电缆的方法即可得到大电流容量的超导复合电缆，解决了电流分布不均、承受拉伸应力小及机械特性差等问题。

Description

一种超导线材、Roebel超导复合电缆及其编织方法
技术领域
本发明属于超导电工理论与技术领域，具体涉及一种超导线材、Roebel超导复合电缆及其编织方法。
背景技术
随着涂层式高温超导线材的发明及应用，目前单根3mm的超导带自场下的临界电流可达到90-110A，单根4mm的超导带材自场下的临界电流可达到110-210A，单根10mm的超导带材自场下的临界电流可达到300-550A，为超导电力装置的制备奠定了基础。
但随着有越来越多的大容量高载流的超导电力设备需求，现有技术中的可生产的单根超导带材已满足不了对于大容量、高载流、低损耗的要求，传统的电力设备采用多根导体并联以提高其载流量，但直接并联往往会存在电流分布不均、机械特性差和不易弯曲等缺点。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：
一种超导线材，包括多个依次连接的重复单元，多个所述重复单元包括多个第一重复单体和多个第二重复单体，所述第一重复单体和第二重复单体交替设置；
所述第一重复单体包括第一连接段和第一直线段，所述第一连接段与所述第一直线段夹角设置，且所述第一连接段的第一端与所述第一直线段的第一端连接；
所述第二重复单体包括第二连接段和第二直线段，所述第二连接段与所述第二直线段夹角设置，且所述第二连接段的第一端与所述第一直线段的第二端连接；所述第二连接段的第二端与所述第二直线段的第一端连接；所述第二直线段的第二端与下一个相邻的第一重复单体的第一连接段的第二端连接。
进一步地，所述第一连接段的第一端延长线与所述第二连接段的第一端延长线相交；所述第一直线段与所述第二直线段平行。
一种Roebel超导复合电缆，包括N股超导线材，N股所述超导线材依次堆叠设置，每股所述超导线材的重复单元的换位周期为L，每股所述超导线材的第一连接段的第二端与与其相邻股的所述超导线材的第一连接段的第二端之间的距离为L/N。
进一步地，每股所述超导线材的第一连接段的第二端和第二直线段的第二端在重复单元的换位周期内分别位于所述Roebel超导复合电缆的最下端和最上端。
进一步地，所述超导线材为HTS子导线。
一种Roebel超导复合电缆的编织方法，包括以下步骤：
S30、将N个单股超导线材依次堆叠放置，其中，每股超导线材的重复单元的换位周期为L，每股超导线材的第一连接段的第二端与与其相邻股的超导线材的第一连接段的第二端之间的距离为L/N；
S40、编织时，每股超导线材的第一连接段的第二端和第二直线段的第二端在重复单元的换位周期内分别位于Roebel超导复合电缆的最下端和最上端。
进一步地，在编织步骤S30之前还包括单股超导线材的制备过程，所述单股超导线材的制备过程包括以下步骤：
S10、对单股超导线材宽度、股线间距、换位处宽度、换位角、换位周期参数进行设计，并计算在上述参数下所得到的单股超导线材的载流能力、交流损耗；
S20：按照预设形状制备单股超导线材。
进一步地，当所述Roebel超导复合电缆中超导线材的股数N为偶数，且N≥6时，应将N拆分成多个股数为m的超导线材组成的超导线材组，其中，m≤4；将股数为m的超导线材组按照步骤S30和S40进行编织，然后，再对多个所述超导线材组进行二次编织。
进一步地，所述超导线材组中m股超导线材的m为偶数。
有益效果：
本发明提供的一种超导线材、Roebel超导复合电缆及其编织方法，实现了通过手工编织Roebel超导电缆的方法即可得到大电流容量的超导复合电缆，解决了电流分布不均、承受拉伸应力小及机械特性差等问题。
附图说明
图1为本发明单股超导线材的局部正视结构示意图；
图2为本发明单股超导线材的局部侧视结构示意图；
图3为本发明4股Roebel超导电缆的局部正视结构示意图；
图4为本发明4股Roebel超导电缆的局部侧视结构示意图；
图5为本发明6股Roebel超导电缆的局部正视结构示意图；
图6为本发明6股Roebel超导电缆的局部侧视结构示意图；
图7为本发明8股Roebel超导电缆的局部正视结构示意图；
图8为本发明8股Roebel超导电缆的局部侧视结构示意图；
图9为本发明10股Roebel超导电缆的局部正视结构示意图；
图10为本发明10股Roebel超导电缆的局部侧视结构示意图；
图11为本发明12股Roebel超导电缆的局部正视结构示意图；
图12为本发明12股Roebel超导电缆的局部侧视结构示意图；
图13为本发明编织12股Roebel超导电缆部分超导电缆(第一个3股)的局部正视结构示意图；
图14为本发明编织12股Roebel超导电缆部分超导电缆(第一个3股)的局部侧视结构示意图；
图15为本发明编织12股Roebel超导电缆部分超导电缆(第二个3股)的局部正视结构示意图；
图16为本发明编织12股Roebel超导电缆部分超导电缆(第二个3股)的局部侧视结构示意图；
图17为本发明编织12股Roebel超导电缆部分超导电缆(第三个3股)的局部正视结构示意图；
图18为本发明编织12股Roebel超导电缆部分超导电缆(第三个3股)的局部侧视结构示意图；
图19为本发明编织12股Roebel超导电缆部分超导电缆(第四个3股)的局部正视结构示意图；
图20为本发明编织12股Roebel超导电缆部分超导电缆(第四个3股)的局部侧视结构示意图；；
其中，1-重复单元；11-第一连接段；12-第一直线段；13-第二连接段；14-第二直线段；R-圆角半径；φ-Roebel角；Wt-未剪裁前带材宽度；Wr-单股直线宽度；Wx-单股换位处宽度；Wc-单股上下直线段间隙；L-换位周期。
具体实施方式
实施例1
参考图1-2，一种超导线材，包括多个依次连接的重复单元1，多个重复单元1包括多个第一重复单体和多个第二重复单体，第一重复单体和第二重复单体交替设置；
第一重复单体包括第一连接段11和第一直线段12，第一连接段11与第一直线段12夹角设置，且第一连接段11的第一端与第一直线段12的第一端连接；
第二重复单体包括第二连接段13和第二直线段14，第二连接段13与第二直线段14夹角设置，且第二连接段13的第一端与第一直线段12的第二端连接；第二连接段13的第二端与第二直线段14的第一端连接；第二直线段14的第二端与下一个相邻的第一重复单体的第一连接段11的第二端连接。
在本实施例中，第一连接段11的第一端延长线与第二连接段13的第一端延长线相交；第一直线段12与第二直线段14平行。
在本实施例中，圆角半径R即为内圆角的尺寸，一般为设计为4mm，换位处与直线段间的连接是尖锐部分，这样会构成两个角，分别为外角(∠A)和内角(∠B)，一般单股Roebel线材换位处的外角保持尖锐结构，换位处的内角则由尖锐角变为圆角。
Roebel角φ即为内角与水平方向的角度，其大小为外角的补角，一般设计为30°。
未剪裁前带材宽度为高温超导带材的原始宽度一般有10mm和12mm两种规格。
单股直线宽度Wr为水平直线处带材的宽度，一般为4mm。
单股换位处宽度Wx为换位结构处带材的宽度，由于换位处带材曲折，造成该处载流能力下降，交流损耗增加，为保持高载流性能，单股换位处宽度Wx一般比单股直线宽度Wr宽1mm左右。
单股上下直线段间隙Wc，即为未剪裁前带材宽度Wt减去上下单股直线宽度Wr所得到的尺寸，该间隙的存在会在编织的Roebel电缆在受到应力和应变时确保留有裕度。若未剪裁前带材宽度选用10mm规格，则单股上下直线段间隙的尺寸为2mm。
在本实施例中，换位周期L指类似于正弦函数的周期定义，每个单股超导线材是由上述设计相同的结构每隔一定的距离不断重复出现构成的，这样的距离即为换位周期L。通常其大小与堆叠股数有关，堆叠股数越多，换位周期越大，设计时需根据编织股数来确定。
由于编织的影响，会造成线材侧面看去一定程度的弯曲，如图2所示。
实施例2
参考图3-图12，一种Roebel超导复合电缆，包括N股实施例1提供的超导线材，其中，N股超导线材依次堆叠设置，每股超导线材的重复单元的换位周期为L，每股超导线材的第一连接段的第二端与与其相邻股的超导线材的第一连接段的第二端之间的距离为L/N。
在本实施例中，每股超导线材的第一连接段的第二端和第二直线段的第二端在重复单元的换位周期内分别位于Roebel超导复合电缆的最下端和最上端。
在本实施例中，超导线材为HTS子导线。
其中，图3至图12，每个示出部分截取的不同股数相同长度的编织电缆，分别是由4个、6个、8个、10个和12个相同结构的单股线材编织而成，电缆股数可根据编织距离来确定，换位长度和换位处结构可以根据生产使用的Roebel复合电缆结构来设计和改变。
实施例3
参考图11-图20，一种Roebel超导复合电缆的编织方法，本实施例提供的编织方法适用于实施例2提供的Roebel超导复合电缆的编织，该编织方法包括以下步骤：
S30、将N个单股超导线材依次堆叠放置，其中，每股超导线材的重复单元的换位周期为L，每股超导线材的第一连接段的第二端与与其相邻股的超导线材的第一连接段的第二端之间的距离为L/N。
S40、编织时，每股超导线材的第一连接段的第二端和第二直线段的第二端在重复单元的换位周期内分别位于Roebel超导复合电缆的最下端和最上端。
在本实施例中，在编织步骤S30之前还包括单股超导线材的制备过程，单股超导线材的制备过程包括以下步骤：
S10、对单股超导线材宽度、股线间距、换位处宽度、换位角、换位周期参数进行设计，并计算在上述参数下所得到的单股超导线材的载流能力、交流损耗。
其中，得到的单股超导线材应满足在设计参数下所得到的单股超导线材的载流能力最强，交流损耗最低等条件。
单股超导线材的设计参数应满足实施例1中各个参数要求。
将制备成功的单股超导线材按照一定的规律进行编织，得到不同股数符合高载流能力、低交流损耗要求的Roebel超导复合电缆。
S20：按照预设形状制备单股超导线材。
在本实施例中，当Roebel超导复合电缆中超导线材的股数N为偶数，且N≥6时，应将N拆分成多个股数为m的超导线材组成的超导线材组，其中，m≤4；将股数为m的超导线材组按照步骤S30和S40进行编织，然后，再对多个超导线材组进行二次编织。
在本实施例中，超导线材组中m股超导线材的m为偶数。
在本实施例中，Roebel超导电缆的编织规律在于将股数为偶数的多股电缆分成股数较少的几个部分先进行编织，编织的线材股数较少的部分电缆的个数应为偶数，之后再将编织好的股数较少的部分进行整体编织得到符合要求股数的Roebel电缆。
示例如下：利用实施例1中提供的单股超导线材按照手工编织的方法分别编织4股、6股、8股、10股和12股等偶数股Roebel电缆，以编织12股Roebel电缆为例，由于编织股数过多，12股一次性编织操作不方便，更有损伤超导带材的风险，采用将12股分成股数较少的几个部分先进行编织，之后再将编织好的股数较少的部分进行整体编织得到符合要求股数的Roebel电缆。
其中，编织的股数线材较少的部分电缆的个数应为偶数，例如，编织12股Roebel超导电缆，首先将12股分为4个3股的编织整体并按照一定的编织规律进行编织；若将12股分为3个4股的编织整体并按照一定的编织规律进行编织将会不成功。
本实施例中，图11至图20，示意性示出本发明的多股Roebel超导复合电缆和利用12个单股线材形成Roebel电缆的一个实施例。
其中，图11和图12示出编织好的12股Roebel超导电缆；
图13至图20，分别示出构成第1个、第2个、第3个和第4个3股Roebel电缆的局部正视图和局部侧视图；其中，12股Roebel超导电缆应由4个相同并已经进行过一次编织的3股Roebel电缆进行二次编织来完成。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种Roebel超导复合电缆，其特征在于，包括N股超导线材，N股所述超导线材依次堆叠设置，每股所述超导线材的重复单元的换位周期为L，每股所述超导线材的第一连接段的第二端与与其相邻股的所述超导线材的第一连接段的第二端之间的距离为L/N；
所述超导线材包括多个依次连接的重复单元，多个所述重复单元包括多个第一重复单体和多个第二重复单体，所述第一重复单体和第二重复单体交替设置；
所述第一重复单体包括第一连接段和第一直线段，所述第一连接段与所述第一直线段夹角设置，且所述第一连接段的第一端与所述第一直线段的第一端连接；
所述第二重复单体包括第二连接段和第二直线段，所述第二连接段与所述第二直线段夹角设置，且所述第二连接段的第一端与所述第一直线段的第二端连接；所述第二连接段的第二端与所述第二直线段的第一端连接；所述第二直线段的第二端与下一个相邻的第一重复单体的第一连接段的第二端连接；
所述第一连接段的第一端延长线与所述第二连接段的第一端延长线相交；所述第一直线段与所述第二直线段平行；
圆角半径R即为内圆角的尺寸，设计为4mm，换位处与直线段间的连接是尖锐部分，构成两个角，分别为外角∠A和内角∠B，单股Roebel线材换位处的外角保持尖锐结构，换位处的内角则由尖锐角变为圆角；
Roebel角φ即为内角与水平方向的角度，其大小为外角的补角，设计为30°；
所述Roebel超导复合电缆的编织方法，包括以下步骤：
S30、将N个单股超导线材依次堆叠放置，其中，每股超导线材的重复单元的换位周期为L，每股超导线材的第一连接段的第二端与与其相邻股的超导线材的第一连接段的第二端之间的距离为L/N；
S40、编织时，每股超导线材的第一连接段的第二端和第二直线段的第二端在重复单元的换位周期内分别位于Roebel超导复合电缆的最下端和最上端。
2.根据权利要求1所述的Roebel超导复合电缆，其特征在于，每股所述超导线材的第一连接段的第二端和第二直线段的第二端在重复单元的换位周期内分别位于所述Roebel超导复合电缆的最下端和最上端。
3.根据权利要求2所述的Roebel超导复合电缆，其特征在于，所述超导线材为HTS子导线。
4.根据权利要求1所述的Roebel超导复合电缆，其特征在于，在编织步骤S30之前还包括单股超导线材的制备过程，所述单股超导线材的制备过程包括以下步骤：
S10、对单股超导线材宽度、股线间距、换位处宽度、换位角、换位周期参数进行设计，并计算在上述参数下所得到的单股超导线材的载流能力、交流损耗；
S20：按照预设形状制备单股超导线材。
5.根据权利要求4所述的Roebel超导复合电缆，其特征在于，当所述Roebel超导复合电缆中超导线材的股数N为偶数，且N≥6时，应将N拆分成多个股数为m的超导线材组成的超导线材组，其中，m≤4；将股数为m的超导线材组按照步骤S30和S40进行编织，然后，再对多个所述超导线材组进行二次编织。
6.根据权利要求5所述的Roebel超导复合电缆，其特征在于，所述超导线材组中m股超导线材的m为偶数。
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