CN116913606A - 基于高温超导带材的cicc导体低电阻搭接接头结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于高温超导带材的CICC导体低电阻搭接接头结构，包括用于将两个第一导体组件进行连接的第一接头盒，两个第一接头盒贴附设置，两个第一导体组件的端部分别部分***两个第一接头盒中，两个第一接头盒的贴附处设置有铜板，两个第一接头盒之间连通设置有第一氦管；在该CICC导体接头结构中对各电缆接头部位台阶式结构处理得到第一导体，然后将两个第一导体进行搭接，使得电流可以通过第一接头盒实现导体间的稳定传输及电流的均匀分配，有利于电流在带材与带材间以及导体与导体间低阻传输，采用本结构制备的基于高温超导带材的CICC导体搭接接头在4.2K(‑269℃)、自场条件下电阻小于5nΩ。
Description
技术领域
本发明涉及高温超导导体接头技术领域，尤其涉及基于高温超导带材的CICC导体低电阻搭接接头结构。
背景技术
第二代高温超导材料ReBCO带材具有很高的上临界磁场、不可逆场及临界电流密度，在强磁场中保持高的电流密度。在大型超导磁体中使用ReBCO带材可以体现出设计的优越性，其可以在20K至40K的范围能运行，极大的降低了运行成本；由ReBCO制成的磁体不需要经过热处理，自身具有良好的机械性能；其热稳定性和电稳定性较优，具有很高的Tc。CORC缆是基于高温超导ReBCO涂层导体而研发出的截面圆形的柔性导体，结构为在截面圆型的芯棒上绕制ReBCO带材，该电缆在运行时的载流能力可为带材载流能力的总和。然而，未来大型磁体在运行过程中所需电流远超过一根CORC缆的负载，因此CORC CICC导体(Cable in Conduit Conductor)的出现为磁体设计提供了另一种可能，其结构为6根CORC电缆围绕1根中心管扭绞，并在外部套有不锈钢铠甲，其在4.5K温度下，10T的磁场中，运行时载流可达50kA以上。
在磁体设计过程中，CICC导体由ReBCO带材缠绕得到，导体接头是不可缺少的一部分，可以将两个CICC导体连接，或将CICC导体连接到电流引线，实现电流的长距离传输。因此，设计低电阻的导体接头十分重要。如若每个ReBCO带材的接触电阻相同，就可以保证整个导体中电流均匀分布。导体运行过程中，电流不均匀分布时，会导致部分带材中电流优先达到临界值，引发局部失超，严重时会导致整个导体损伤。
ReBCO具有多层薄带结构，主要包括金属稳定层、银覆盖层、高温超导层、缓冲层及基底层。这种复杂结构使得两层超导带接触时，会产生接触电阻。目前，在单缆接头的制备过程，为了减少层与层之间的接触电阻，通常采用的方式为，将电缆端部制备呈阶梯状，其主要是通过将多层带材进行台阶式结构处理，使得电流可以由焊料和导电的端子底座及盖板直接传输到每层带子，更加有利于带材之间均匀分布。尽管单缆接头的制备已经可以实现，但是可承受大电流的由多个电缆扭绞成型的CICC导体接头的制备还具有待研究。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了基于高温超导带材的CICC导体低电阻搭接接头结构，使得电流在带材与带材间以及导体与导体间低阻传输。
本发明提出的基于高温超导带材的CICC导体低电阻搭接接头结构，包括用于将两个第一导体进行连接的第一接头盒，两个第一接头盒贴附设置，两个第一导体的端部分别部分***两个第一接头盒中，两个第一接头盒的贴附处设置有铜板，两个第一接头盒之间连通设置有第一氦管。
进一步地，两个第一接头盒拱手形搭接设置，两个第一接头盒的端部平齐，第一氦管设置于两个第一接头盒的端部并两端与两个第一接头盒连接。
进一步地，两个第一接头盒握手形搭接设置，两个第一接头盒的端部相对设置，两个第一接头盒中在靠近端部位置均设置有液氦缓冲区，液氦缓冲区与同一第一接头盒中的第一通道连通，第一氦管的两端分别与两个第一接头盒中的液氦缓冲区连通。
进一步地，第一接头盒和铜板之间压接有高导电、低电阻物质；所述每个第一接头盒中设置有第一导体和用于液氦流通的第一通道，第一通道穿过第一导体设置，第一氦管分别与两个第一接头盒中的第一通道连通。
基于高温超导带材的CICC导体低电阻搭接接头结构，包括第二氦管和用于连接两个CICC导体的第二接头盒，第二接头盒中设置有第二导体，两个第二导体的一端分别穿过第二接头盒与两个第二导体铠甲连接、另一端通过第二氦管连通。
进一步地，两个第二导体拱手形搭接设置，两个第二导体的端部平齐，两个第二导体之间贴附设置有铜垫块，第二氦管设置于两个第二导体的端部并两端与两个第二导体中的第二通道连通。
进一步地，两个第二导体握手形搭接设置，两个第二导体的端部相对设置，两个第二导体之间贴附设置有铜垫块，第二氦管设置于两个第二导体的端部并两端与两个第二导体中的第二通道连通。
进一步地，第二接头盒中填充焊料。
本发明提供的基于高温超导带材的CICC导体低电阻搭接接头结构的优点在于：本发明结构中提供的基于高温超导带材的CICC导体低电阻搭接接头结构，对第一导体的端部去除部分铠甲，暴露出内部导体，并对由高温超导带材制备的电缆进行台阶式结构处理得到第一导体，然后将两个第一导体进行搭接，使得电流可以通过第一接头盒实现导体间的稳定传输及电流的均匀分配，有利于电流在带材与带材间以及导体与导体间低阻传输；第一氦管的设置，提高了第一接头盒的冷却速率；第一接头盒和铜板之间压接有高导电、低电阻物质，例如铟片，使得两者间导电效果更好，减小接头的电阻。由本结构制备的基于高温超导带材的CICC导体搭接接头在4.2K(-269℃)、自场条件下电阻小于5nΩ。
附图说明
图1为基于高温超导带材的CICC导体接头结构示意图；
图2为双接头盒的CICC导体接头结构中两个第一接头盒为拱手形搭接的结构示意图；
图3为图2中第一接头盒的内部结构示意图；
图4为双接头盒的CICC导体接头结构中两个第一接头盒为握手形搭接的结构示意图；
图5为图4中第一接头盒的内部结构示意图；
图6为单接头盒的CICC导体接头结构中两个第二接头盒为拱手形搭接的结构示意图；
图7为图6中第二接头盒的内部结构示意图；
图8为单接头盒的CICC导体接头结构中两个第二接头盒为握手形搭接的结构示意图；
图9为图8中第二接头盒的内部结构示意图；
其中，1-第一导体组件，2-第一接头盒，3-铜板，4-第一氦管，5-第一通道，6-液氦缓冲区，7-第一导体，8-第二接头盒，9-第二导体，10-第二氦管，11-铜垫块，12-第二导体铠甲。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
如图1至9所示，(A)本发明提出的基于高温超导带材的CICC导体低电阻搭接接头结构，当为双接头盒的CICC导体接头结构时，包括用于将两个第一导体7进行连接的第一接头盒2，两个第一接头盒2贴附设置，两个第一导体组件1的端部分别部分***两个第一接头盒2中，两个第一接头盒2的贴附处设置有铜板3，两个第一接头盒2之间连通设置有第一氦管4。
第一接头盒2由不锈钢架及高纯度无氧铜板焊接而成，其中，铜板3采用高纯度无氧铜板，高纯度无氧铜板具有良好的导电性及导热性，可使成型的导体接头具有较优的低电阻性能，其与不锈钢架焊接形成第一接头盒2，两个第一接头盒2的贴附处设置有铜板3，实现两个第一接头盒2之间的电路连通，可以在第一接头盒2和铜板3之间压接有高导电、低电阻物质，例如铟片，使得两者间导电效果更好，减小整体的电阻。
第一氦管4为了流通液氦，提供低温环境，只有在超低温下才能实现超导，具体为：第一氦管4可以与第一接头盒2焊接设置，每个第一接头盒2中设置有第一导体7和用于液氦流通的第一通道5，第一通道5穿过第一导体7设置，第一氦管4分别与两个第一接头盒2中的第一通道5连通。使得液氦可以由一根第一导体7流入到另一根第一导体7，实现冷却。
第一导体组件1的端部分别部分***第一接头盒2中的深度小于10mm，一方面第一导体组件1与第一接头盒2之间连接以对第一接头盒2进行支撑，对第一导体7的位置进行限位同时保护第一导体；其中第一导体7是将第一导体组件1剥离外部保护所得到的导体部件。
对第一导体组件1的端部去除部分铠甲，暴露出内部导体，并对电缆进行台阶式结构处理得到第一导体7，然后将两个第一导体7进行搭接，使得电流可以通过第一接头盒2实现导体间的稳定传输及电流的均匀分配，有利于电流在带材与带材间以及导体与导体间低阻传输。CICC导体接头在制造过程中不受电缆个数限制及电缆中带材数量限制。
其中高温超导带材的CICC导体可以通过如下方式制备：(1)ReBCO超导带材在一定直径(例如5mm)的铜芯上绕制的多层(3层以上)得到CORC缆，6根CORC缆扭绞后套装不锈钢铠甲挤压成型CICC导体，因而一个CICC导体中存在多个CORC缆，在对两个CICC导体进行连接时，需要保证多个CORC缆均能实现有效连接，以实现电流在带材与带材间以及导体与导体间低阻传输，本实施例以导体铠甲表达未剥离外壳的CICC导体；(2)去除第一导体组件1；(3)各CORC子缆接头部位进行台阶式结构处理，如图1所示，每个台阶可包含一根或多根带材，各层带材剥离长度即预制接头长度，可根据带材数量及设计的接头端子长度进行分配；(4)各CORC缆端部从第一导体组件1中露出，露出长度为设计的接头端子长度。
对于双接头盒的CICC导体接头结构，每个第一导体组件1连接一个第一接头盒2，因而两个第一导体组件1进行连接时，自然是两个第一接头盒2之间的进行连接两个第一接头盒2通过铜板3实现电路联通；其中第一通道5为第一导体7中预先设置的空腔，确保液氦可以在此通道内流通。
其中，两个第一接头盒2有两种连接形式：拱手形搭接(a1)和握手形搭接(a2)。
(a1)第一种为两个第一接头盒2拱手形搭接设置，如图2和3所示，两个第一接头盒2的端部平齐，第一氦管4设置于两个第一接头盒2的端部并两端与两个第一接头盒2连接，液氦由第一接头盒2流入或流出，再重新流入到另一第一接头盒2的电缆中，可以使第一接头盒2发热量较大处得到充分冷却，同时提供低温环境，使得导体实现超导性能，第一接头盒2中填充焊料。该种方式中，两个第一导体组件1在第一接头盒2处是平行设置的，两个第一导体组件1在第一接头盒2处的延伸方向一致，此时第一氦管4为U型结构。
(a2)第二种为两个第一接头盒2握手形搭接设置，如图4和5所示，两个第一接头盒2握手形搭接设置，两个第一接头盒2的端部相对设置，两个第一接头盒2中在靠近端部位置均设置有液氦缓冲区6，液氦缓冲区6与同一第一接头盒2中的第一通道5连通，第一氦管4的两端分别与两个第一接头盒2中的液氦缓冲区6连通，液氦由液氦缓冲区6流入或流出，再重新流入到第一导体7的电缆中，可以使第一导体7发热量较大处得到充分冷却，同时提供低温环境，使得导体实现超导性能；在该种方式中，两个第一导体组件1在第一接头盒2处是平行设置的，两个第一导体组件1在第一接头盒2处的延伸方向相反，因而两个第一接头盒2的端部相差一个第一接头盒2的长度。
以上(a1)和(a2)双接头盒的CICC导体接头结构在具体连接过程中，用洁净的纱布蘸取酒精擦拭清洁第一导体7；第一接头盒2加热至160℃-220℃(使用的焊料不同，加热温度也不同)，开始将第一导体7装入第一接头盒2内，并向第一接头盒2中填充低电阻高电导率的焊料，整体加热时间维持在10-20min(时间设置于10-20min之间是由于高温超导ReBCO对温度敏感，长时高温加热将影响其超导性能)；第一接头盒2内填满焊料后开始冷却第一接头盒2，可以使用浸水湿布/浸泡酒精的湿布/水冷装置冷却至室温，即完成双接头盒的CICC导体接头连接。
以上双接头盒的CICC导体接头结构可以实现电流在CORC缆的带材间均匀传输，并且可以在CICC导体与导体间稳定传输，降低了接头电阻。同时，该操作还可以实现在导体接头被损坏时，可随时更换拆卸导体，对另一未损伤的导体可不做处理，从而节约成本。
(B)如图6至9所示，基于高温超导带材的CICC导体低电阻搭接接头结构，当为单接头盒的CICC导体接头结构时，包括第二氦管10和用于连接两个CICC导体的第二接头盒8，第二接头盒8中设置有第二导体9，两个第二导体9的一端分别穿过第二接头盒8与两个第二导体铠甲12连接、另一端通过第二氦管10连通；第二导体9为是将第二导体铠甲12剥离外部保护所得到的导体部件，将两个第二导体9同时放置在同一个第二接头盒8内，第二接头盒8内填充焊料，第二接头盒8端部焊接氦管，使得液氦可以从一个导体流入另一个导体，实现冷却。
其中，第二接头盒8中的两个第二导体9有两种连接形式：拱手形搭接(b1)和握手形搭接(b2)。
(b1)第一种为两个第二导体9拱手形搭接设置，如图6和7所示，两个第二导体9的端部平齐，两个第二导体9之间贴附设置有铜垫块11，实现两个第二导体9之间的电连接，第二氦管10设置于两个第二导体9的端部并两端与两个第二导体9中的第二通道12连通，第二接头盒8中填充焊料；该种方式中，两个第二导体铠甲12在第二接头盒8处是平行设置的，两个第二导体铠甲12在第二接头盒8处的延伸方向一致，此时第二氦管10为U型结构。
(b2)第二种为两个第二导体9握手形搭接设置，如图8和9所示，两个第二导体9的端部相对设置，两个第二导体9之间贴附设置有铜垫块11，实现两个第二导体9之间的电连接，第二氦管10设置于两个第二导体9的端部并两端与两个第二导体9中的第二通道12连通，液氦由第二导体9流入或流出，再重新流入到另一第二导体9的电缆中，可以使第二导体9发热量较大处得到充分冷却，第二接头盒8中填充焊料；该种方式中，两个第二导体铠甲12在第二接头盒8处是平行设置的，两个第二导体铠甲12在第二接头盒8处的延伸方向相反。
在(A)和(B)中，以上第一接头盒2和第二接头盒8中填充焊料时，可选用低熔点焊锡，加热融化后起固定及导电作用。以上基于高温超导带材的CICC导体低电阻搭接接头结构实现了电流在带材与带材间以及导体与导体间低阻传输。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于高温超导带材的CICC导体低电阻搭接接头结构，其特征在于，包括用于将两个第一导体组件(1)进行连接的第一接头盒(2)，两个第一接头盒(2)贴附设置，两个第一导体组件(1)的端部分别部分***两个第一接头盒(2)中，两个第一接头盒(2)的贴附处设置有铜板(3)，两个第一接头盒(2)之间连通设置有第一氦管(4)。
2.根据权利要求1所述的基于高温超导带材的CICC导体低电阻搭接接头结构，其特征在于，两个第一接头盒(2)拱手形搭接设置，两个第一接头盒(2)的端部平齐，第一氦管(4)设置于两个第一接头盒(2)的端部并两端与两个第一接头盒(2)连接。
3.根据权利要求1所述的基于高温超导带材的CICC导体低电阻搭接接头结构，其特征在于，两个第一接头盒(2)握手形搭接设置，两个第一接头盒(2)的端部相对设置，两个第一接头盒(2)中在靠近端部位置均设置有液氦缓冲区(6)，液氦缓冲区(6)与同一第一接头盒(2)中的第一通道(5)连通，第一氦管(4)的两端分别与两个第一接头盒(2)中的液氦缓冲区(6)连通。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于高温超导带材的CICC导体低电阻搭接接头结构，其特征在于，第一接头盒(2)和铜板(3)之间压接有高导电、低电阻物质；
所述每个第一接头盒(2)中设置有第一导体(7)和用于液氦流通的第一通道(5)，第一通道(5)穿过第一导体(7)设置，第一氦管(4)分别与两个第一接头盒(2)中的第一通道(5)连通。
5.基于高温超导带材的CICC导体低电阻搭接接头结构，其特征在于，包括第二氦管(10)和用于连接两个CICC导体的第二接头盒(8)，第二接头盒(8)中设置有第二导体(9)，两个第二导体(9)的一端分别穿过第二接头盒(8)与两个第二导体铠甲(12)连接、另一端通过第二氦管(10)连通。
6.根据权利要求5所述的基于高温超导带材的CICC导体低电阻搭接接头结构，其特征在于，两个第二导体(9)拱手形搭接设置，两个第二导体(9)的端部平齐，两个第二导体(9)之间贴附设置有铜垫块(11)，第二氦管(10)设置于两个第二导体(9)的端部并两端与两个第二导体(9)中的第二通道(12)连通。
7.根据权利要求5所述的基于高温超导带材的CICC导体低电阻搭接接头结构，其特征在于，两个第二导体(9)握手形搭接设置，两个第二导体(9)的端部相对设置，两个第二导体(9)之间贴附设置有铜垫块(11)，第二氦管(10)设置于两个第二导体(9)的端部并两端与两个第二导体(9)中的第二通道(12)连通。
8.根据权利要求5-7任一所述的基于高温超导带材的CICC导体低电阻搭接接头结构，其特征在于，第二接头盒(8)中填充焊料。
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2023
- 2023-07-06 CN CN202310828684.3A patent/CN116913606A/zh active Pending
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