一种基于tstc的各向同性导体螺旋股线的管内电缆导体
技术领域
1.本发明属于超导电工技术领域，尤其涉及一种基于tstc各向同性超导股线的管内电缆导体，可以有效提高超导电缆的机械稳定性和临界电流密度。
背景技术：
2.由于单根rebco超导带材载流能力有限，所以多根并联使用成为必然。rebco带材的带状结构具有很高的宽纵比，但是各向异性的临界电流导致低温超导技术在高温超导电缆中的应用很难实现。为了解决这些技术难题，近些年几种基于第二代高温超导带材的超导导体结构被相继提出，如raac、tstc、corc、hts-croco以及tstc等。第二代高温超导导体不仅可以实现高温低场的电力传输，而且可以在低温高场下用于绕制大型超导磁体。为了实现上述功能，需要以这些导体为基本单元制作成载流更大的管内电缆(cable-in-conduit conductor，cicc)。除此之外，也可将其制成换位大载流导体rutherford电缆，优点是在运行中减小导体产生的交流损耗。以往cicc导体多由低温超导体铌三锡、铌钛制作而成，具有临界电流密度低、临界磁场小、运行温度低、机械性能差等缺点，难以满足更大电流、更稳定的大电流超导电缆的需求。tstc导体具有极高的临界电流和良好的弯曲特性，由32根宽度为4.0mm，厚度为0.098mm的高温超导带材堆叠而成，在液氮77k温度下，tstc导体临界电流可达1.53ka，在液氦4.2k温度下可达10ka以上。考虑到tstc导体平行堆叠的结构使得带材间的相互支撑力化解了弯曲过程中应力过于集中的问题。因此，tstc导体可以制成超导线圈。为了提高导体的机械性能，将tstc导体嵌入有螺旋沟槽的金属芯内，并外加金属包套，可应用于大型超导磁体线圈。
技术实现要素：
3.针对上述技术背景中低温超导体制作的管内电缆导体存在的问题，本发明提出一种基于tstc各向同性超导股线缠绕弯曲的管内电缆导体。本文所述的管内电缆导体的截面为圆形，由不锈钢金属护套、四根tstc超导股线、中心冷却通道组成，所述tstc各向同性超导股线共四根，以中心管道的中轴线为基准，围绕着中心冷却通道管道旋转缠绕包裹一周，每根tstc股线之间平行排列，tstc股线外部包裹一层铜护套，缠绕完成之后，所有tstc各向同性超导股线外围再加装一层金属护套，tstc之间实现完全换位，每根tstc之间、tstc跟冷却通道之间、冷却通道内部通入液氮。
4.所述tstc各向同性超导股线的截面为圆形，由铜护套、填充材料铝和rebco超导芯组成，将堆叠好的超导芯沿着冷却管道的中心轴线旋转完成之后，再安装填充材料和包覆层。
5.所述tstc各向同性超导线芯为正方形形状，由五个小长方形组成。
6.所述外包裹层11由不锈钢焊接而成，为圆环结构，中间部分放置四根tstc各向同性超导股线和冷却通道，尺寸恰好吻合。
7.所述中心管道为冷却通道，中空，制作材料为不锈钢。
8.本发明的优点在于：
9.本发明提出一种基于tstc各向同性超导股线的缠绕式的管内电缆导体，能够有效的提高机械稳定性和增大运行临界电流密度，易于弯曲，抗扭绞能力强，拓展了超导股线在核聚变大型超导磁体线圈等高能物理装置中的应用。
附图说明
10.附图1为tstc各向同性超导导体的二维结构示意图；
11.附图2为缠绕式超导导体的缠绕三维结构示意图；
12.附图3为cicc超导导体的三维结构示意图；
13.附图4为缠绕式cicc超导导体的截面示意图；
14.附图标记：1—tstc金属护套，2—rebco超导线芯，3—tstc填充材料，4—中心导体，5—缠绕tstc，6、7、8、9—tstc各向同性超导股线，10—冷却通道，11—包覆层；
具体实施方式
15.下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
16.附图4为基于tstc缠绕式超导超体的截面示意图，附图3为基于tstc不缠绕式超导超导的三维示意图，tstc的缠绕的方式如图2所示，如图4所示，所述管内电缆导体由包覆层11，tstc各向同性超导股线6、7、8、9，冷却通道12，中心导体4组成，4根tstc超导股线以冷却通道中轴线为基准，围绕着中心导体4缠绕，缠绕方式如图2所示，以实现完全换位，4根股线之间平行有序排列，缠绕完成后，在四根tstc股线外围加装圆柱形不锈钢金属护套，中间的缝隙部分和冷却通道流通的是液氮。注意缠绕时应该注意tstc的临界弯曲半径，避免过度弯曲导致损伤tstc的本身的特性。图4为所述管内电缆的截面图，所述管内电缆的截面为圆形，4根tstc的排列组合方式如图4所示，6号至9号带材依次围绕中心旋转90度，即6号带材跟8号带材水平放置，7号根9号带材逆时针旋转90度。附图1为tstc各向同性超导股线截面，截面为圆形，rebco超导带材2的尺寸恰好符合铜护套的直径，中间的空隙部分用填充材料3填充，填充材料大多数采用铝，此外，还需要注意rebco带材的宽度、厚度和数量，以满足堆叠完成后可以搭成一个正方形。为了提高超导股线的弯曲机械特性，可以将包覆层11和填充材料3进行退火热处理。
技术特征：
1.一种基于各向同性超导股线的管内电缆导体,管内电缆导体的截面为圆形,由金属护套、各向同性超导股线,中心导体和冷却通道组成,4根tstc各向同性超导股线围绕着冷却通道进行螺旋缠绕完成换位,在缠绕完成的多根各向同性超导股线的外围加装圆柱形金属护套，金属护套与中心导体之间的空隙以及中心导体中间的空隙形成冷却通道,作为冷却介质的流通通道。2.根据权利要求所述的一种基于各向同性超导股线的管内电缆导体,其特征在于,所述各向同性超导股线的截面为圆形,由包覆层、填充材料和tstc组成,将堆叠好的超导线芯沿着中心轴线扭转后,然后再加装填充铝填充层和不锈钢包覆层。3.根据权利要求所述的一种基于各向同性超导股线的管内电缆导体,其特征在于,所述超导线芯的截面为正方形,由5根rebco各向同性超导股线拼接而成，堆叠成一个正方形，从而得到一个tstc各向同性超导股线。4.根据权利要求所述的一种基于各向同性超导股线的管内电缆导体,其特征在于,所述金属护套的外表面为圆环结构,由两个相同的半圆护套焊接而成,中间掏空部分的尺寸形状与排列好的各向同性超导股线的尺寸相吻合,金属护套的制作材料可以选用铜、铝、不锈钢。
技术总结
本发明属于超导电工技术领域，涉及一种基于tstc各向同性超导股线的管内电缆导体。当前低温超导导体制作的管内电缆导体临界电流密度低、运行的工况差、运行温度低且范围较小，击穿磁场强度小、弯曲特性差、机械性能不佳等特点，本发明提出了一种基于tstc各向同性超导股线的管内电缆导体，管内电缆导体由中心导体、rebco各向同性超导股线构成的tstc超导股线、铜护套、冷却通道和不锈钢外壳构成，4根tstc超导股线作为子股线围绕着中心导体螺旋缠绕，从而实现4根tstc超导股线的完全换位。该管内电缆导体具有临界电流各向同性较好、运行温度较高、适用于大规模生产等优点，电磁性能十分优越，可以在一定程度上减少电力运输中的损耗，增加电力传输容量，进而在电力系统稳定性和电能质量的提升方面发挥一定的作用，拓展tstc各向同性超导股线在核聚变大型超导磁体线圈等高能物理装置中的应用。高能物理装置中的应用。
技术研发人员：郑砚好
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/10/15