一種超導技術的斷路器及其製備方法
2023-06-06 19:32:46
專利名稱：一種超導技術的斷路器及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種超導技術的斷路器及其製備方法，屬於超導技術的應用領域，特別是屬於用薄帶狀的超導材料，製造成消除磁場影響，可穩定可靠運行、實用化的斷路器的技術。
背景技術：
隨著超導材料的實用化，其在強磁場產生領域得到了越來越多的應用。磁共振成像、磁體儲能等很多領域中超導磁體需要在持續電流模式下運行，而超導斷路器是這種模式閉環運行的必要條件。磁體升場時將超導斷路器斷開，用外電源為磁體充電。當充電電流達到額定值後就可以閉合超導斷路器。這樣即使撤掉電源磁體也能長期運行下去。
為了使超導斷路器開或閉有多種方法，根據超導材料的性質，只有當超導材料所處的溫度和磁場低於一定的水平，且流經超導材料的電流也低於一定密度時電流才能無阻地流過超導材料。這三個條件分別被稱為超導材料的臨界溫度，臨界磁場和臨界電流，三個臨界條件互相影響且因超導材料不同而有很大差別。只要破壞其中一種條件，超導材料就進入電阻態，從而達到分斷超導斷路器的目的。在美國專利申請US 5805036A的說明書中就使用了磁分斷技術，在需要分斷斷路器時用一磁體接近超導材料，使其處於高於其臨界磁場的環境下，從而使超導材料失超，達到了分斷斷路器的目的。而在中國專利申請0310570.0的說明書中就使用了磁場與加熱的雙重技術。
以上技術存在如下問題1、對於現在常用的高溫超導帶材，在其實用溫度(20°～40°K)下的臨界磁場較高，較難用於斷路器控制。在不追求斷路器動作速度的情況下就首先考慮加熱的辦法，且加熱有助於提高分斷後開斷電阻，增強斷路器性能。
2、由於超導斷路器的額定電流都很大，不當的設計會使其具有較大的磁性，一方面超導線在洛侖茲力的作用下會產生對材料不利的內應力，另一方面其產生的磁場對周圍的設備也可能有影響。
發明內容
本發明提出了一種解決上述問題的超導斷路器及其製備方法，它是由分斷間隔1、加熱體4和冷卻部件5三個主要部分構成，詳細結構如圖1所示。詳細結構及製備方法如下1、使用由粉末裝管法生產的Bi2223(Bi2Sr2Ca2Cu3Ox)多芯超導扁帶材料4作為斷路器的分斷間隔1，其基底多為銀或銀合金。超導扁帶4斷面結構如圖2所示，4a為其中一根超導芯，4b為銀或銀合金基底。
2、選用康銅薄帶3作為斷路器的加熱體，用絕緣漆將它與超導扁帶4粘緊並絕緣，緊粘在超導扁帶4組成的分斷間隔1的外側，根據不同的製冷條件設計選擇了康銅帶3的加熱功率，可將斷路器的溫度控制在150°～200°K。
3、如圖3所示的纏繞成斷路器的分斷間隔，其突出的特點是超導扁帶為一個或並排纏的繞數個超導扁帶組成為一體物，纏繞過程中沒有接頭，把超導扁帶的中間段放在纏繞線圈的最內層，呈太極圖狀，超導扁帶在纏繞過程中都呈一定半徑(其半徑大於20mm)的圓弧。內層太極圖狀如圖3所示，是由兩個玻璃鋼材料製成的構成太極圖狀的骨架2，根據斷路器性能要求設計出不同長度的超導扁帶4組構成的分斷間隔1。其長度L＝R0/R(cm)，R為150°K時1cm超導扁帶組的電阻值，R0為根據斷路器性能要求分斷後的最小電阻值。之後按圖3所示，在超導扁帶4外側粘附上康銅帶3後纏繞成圓盤形。
4、在各個超導扁帶4，康銅薄帶3兩側都塗敷耐低溫樹脂絕緣漆，在纏繞過程中要對超導扁帶組4和康銅薄帶3構成的複合帶材施加1N～5N的預應力，將其繞緊形成緊固的圓盤形。纏繞後在它的外圓加封耐低溫樹脂絕緣漆，構成2mm左右的薄絕緣漆層5，在構成了斷路器的分斷間隔1和加熱體3的圓盤纏繞體的一個平面側塗上1mm左右薄絕緣漆層5，並與銅質冷卻部件7通過壓緊螺栓6壓緊，如圖5所示。使圓盤纏繞體通過壓緊的冷卻部件7和制冷機冷頭實現整體熱偶聯。
5、斷路器的分斷間隔1與加熱體3纏繞完成後需要在200℃～400℃下將絕緣漆烘乾、固化。
當制冷機工作時把斷路器分斷間隔1整體冷卻到20°～40°K；此時超導扁帶組4有很好的載流能力，如用一個超導扁帶臨界電流大於100A，如需要更大額定電流的斷路器時可用數個並排纏繞超導扁帶組，將它們並聯在一起，其通過的電流可達到1000A以上。由於本發明斷路器分斷間隔1是由中間無接頭的一體超導扁帶組4最內層按太極圖形纏繞的。同樣大小的電流在相鄰導體中反方向流動，電流產生的磁場得以抵消，實現了無感繞制，加上外面康銅帶3是無磁的就降低了超導斷路器的磁性問題。同時在超導扁帶組4鄰近外側緊粘並繞在一起的康銅薄帶3為整體加熱器，當其送電時斷路器分斷間隔1整體加熱快速升溫，使超導扁帶組4溫度迅速升至臨界溫度以上，使超導扁帶組4進入電阻態，實施分斷。這種整體加熱，整體冷卻的結構可使斷路器動作的響應時間很短，動作相對靈活。
本發明用一條帶就可以完成整個斷路器的繞制，這保證了斷路器閉合狀態下是完全超導的。斷路器內部沒有接頭，也保證了斷路器的額定電流儘可能接近超導帶本身的臨界電流，而不會受內部接頭的影響。
為了控制超導斷路器的開與閉，本發明使用了加熱超導帶使其溫度高於臨界溫度，使超導扁帶組4進入電阻態的方法。加熱體選用康銅薄帶3，與超導扁帶組4並繞，進行整體加熱。這一方法保證了斷路器分斷的速度。
為了使斷路器儘可能無磁，本發明採用了太極圖形的雙線並繞方式。加熱體繞在超導雙線外側，儘可能減小電流環面積。最後斷路器以耐低溫樹脂絕緣固化，保證了絕緣的同時使超導帶4與加熱體3的熱耦合得儘量好。超導斷路器可通過制冷機傳導耦合，停止加熱後斷路器可儘快恢復超導態。
綜上所述，通過合理的設計，本發明達到儘可能大的額定電流和儘可能快的動作速度的同時，也實現了超導斷路器的無磁設計。具有體積小、性能好、無磁和牢固可靠的特點。
圖1是本發明超導斷路器的結構簡圖；圖2是超導扁帶材料的斷面結構示意圖；圖3為本發明超導中分斷間隔的繞制方式；圖4是太極圖形的骨架；圖5為超導斷路器與制冷機的聯結方式示意圖。
具體實施例方式
本發明由Ag/Au基底的用粉末裝管法生產的Bi2223超導帶材作為斷路器的分斷間隔，其斷面結構見附圖2，其斷面寬度為4mm，厚度為0.2mm。Bi2223臨界溫度在100°K以上，通過制冷機冷卻到20°～40°K時此種超導材料有很好的載流能力，單根帶臨界電流大於100A，如需更大額定電流的斷路器可用多根帶並聯的方法。
太極圖形的斷路器骨架外形如圖3所示。該骨架由外形相同的兩塊玻璃剛件構成。該骨架的外圓直徑為8cm，內圓直徑為4cm，厚度為0.4cm與Bi2223超導帶材斷面寬度相同。兩塊骨架合在一起就構成了中間有空隙的太極圖形狀超導帶就穿過這條縫隙後並繞在這個骨架上。
根據對超導斷路器額定工作條件的要求選擇超導帶的長度和條數。用四引線法可測得40K下超導帶的臨界電流Ic。若超導斷路器要求的額定電流大於單根超導帶的臨界電流，就選取多根超導帶，使其臨界電流的總和大於超導斷路器所要求的額定電流。用四引線法還可測得1cm長超導帶在150°K的電阻R，根據斷路器要求分斷後最小的電阻R0就可計算出需要超導帶得長度L＝R0/R(cm)。當需要多根超導帶並聯時要保證超導帶並聯後的電阻滿足要求。例如，用在高溫超導磁共振磁體上的超導斷路器，要求額定工作電流在50A到100A之間。因此使用單根超導帶製造超導斷路器就可以了。根據具體的磁體設計，要求斷路器分斷後最小的電阻可能不同，但基本都在零點幾到幾歐姆之間。若取1歐姆，根據測得1cm長超導帶在150°K的電阻R計算出需要超導帶的長度應為幾十米。準確的長度應根據具體的測量結果而定。再例如，用在某一實驗室磁體上的超導斷路器要求1000A的額定電流。這時就應選用10根左右超導帶並聯。而所有超導帶的長度應該都等於L＝R0/R(cm)。其中R應為所有超導帶並聯後在150°K下1cm長的電阻。
加熱帶的選擇。為使超導斷路器不顯示磁性，本發明選用無磁性的康銅薄帶作為斷路器的加熱體。其斷面寬度與超導帶斷面寬度同為4mm。其斷面厚度選擇為0.1mm。
加熱帶和超導帶的絕緣處理。在各條帶兩側都塗絕緣漆0.01mm。在200℃～400℃之間烘乾。烘乾前各條帶不得粘連。
超導斷路器的繞制。將所有超導帶和加熱帶的中間夾在太極圖形的斷路器骨架(如圖4)中，固定斷路器骨架後將超導帶和加熱帶並繞在斷路器骨架上。應保證加熱帶在超導帶外側如圖3所示。繞制過程中在各條帶的外側塗耐低溫的樹脂絕緣漆。繞制過程中對各條帶施加1N到5N的預應力。纏繞過程中超導帶任何位置絕對不能折彎到半徑2cm以下。
分斷間隔和加熱體纏繞制完成後，在200℃～400℃間烘乾。之後斷路器外圓外側加封耐低溫的樹脂的絕緣漆2mm以上作為加強。在將斷路器的一個側面塗耐低溫的樹脂的絕緣漆1mm以上後磨平。此面將來與制冷機冷頭緊密接觸，作為熱耦合結構。採用螺栓壓接方式把圓盤形分斷間隔和加熱體組成的纏繞體與冷卻部件緊壓接在一起(如圖5)，利用銅質的冷卻部件和分斷間隔基底多為銀和銀合金的熱良導性，很好地實現熱耦合。
為了使斷路器分斷，本發明使用康銅帶對超導斷路器進行整體加熱，根據不同的製冷條件通過選擇加熱功率可將斷路器溫度控制在150°～200°K，保證超導帶處在電阻態。超導斷路器由耐低溫的樹脂絕緣漆固化，其與制冷機的冷頭通過熱傳導良好耦合。加熱停止後超導斷路器將恢復工作溫度，超導帶恢復超導態，斷路器重新閉合。
本發明的超導斷路器由超導帶以太極圖形式進行無感繞制，解決了降低超導斷路器磁性的問題。加熱器在超導帶外側與超導帶並繞，達到整體加熱的效果，並通過良好的整體熱導率保證了斷路器的快速動作。
權利要求
1.一種超導技術的斷路器及其製備方法，其斷路器由分斷間隔、加熱體和冷卻部件三個主要部件組成；其製備方法包括超導扁帶分斷間隔和加熱體的纏繞、耐低溫樹脂絕緣漆的塗覆、加熱烘乾、與冷卻部件的壓接；其特徵在於，選擇中間無接頭的一體化，由基底粉末裝管法生產的Bi2223超導扁帶材為斷路器的分斷間隔，基底多為銀和銀合金。
2.按照權利要求1所說的斷路器，其特徵在於由作為加熱體的康銅薄片與作為分斷間隔的超導扁帶材一併繞制，用絕緣漆將它與超導扁帶粘接在一起，並作到絕緣。
3.按照權利要求1所說的斷路器的分斷間隔，其特徵在於一體化Bi2223超導扁帶材可根據對斷路器要求通過的額定電流的強度大小，可以是單片的，也可以做成多片並聯的，並且並排纏繞，這樣超導體在其臨界電流強度下可使斷路器通過大的電流。
4.按照權利要求1所說的斷路器的製備，超導扁帶分斷間隔與加熱體康銅薄帶一併纏繞，其特徵在於在玻璃鋼的骨架上把超導扁帶組的對等處放置在線圈的最內層，繞製成太極圖形，其外側用絕緣漆粘緊康銅薄帶，並隨超導扁帶組一起繞成一個圓盤形，當超導扁帶組外側的康銅帶通電加熱時被整體加熱升溫進入電阻態；這種雙線並繞方式和將無磁的加熱體康銅薄帶繞在超導雙線外側，實現了超導斷路器的無磁設計。
5.按照權利要求1所說的斷路器的製備中的與冷卻部件壓接，其特徵在於把斷路器的分斷間隔與加熱體圓盤形繞組的一個側平面塗覆耐低溫樹脂絕緣漆，並磨平；與銅質冷卻部件緊密壓接，實現了超導斷路器與它的熱聯耦合，整體冷卻。
全文摘要
本發明為一種超導技術的斷路器及其製備方法，屬於超導技術應用領域，其包括了一個由Bi2223超導扁帶材組繞制的分斷間隔與超導扁帶材組一併纏繞的康銅薄帶的加熱器以及與分斷間隔加熱器圓盤繞組側平面緊壓接的冷卻部件；本發明採用了太極圖形的雙線並繞方式；隨著加熱體通電對超導扁帶材的整體加熱以及製冷頭通過銅製冷卻部件對超導扁帶組纏繞體製冷耦合，使超導扁帶材組分斷間隔的溫度在120°－150°K與20°－40°K之間快速轉換，進而至使超導扁帶組處於電阻態和超導態而實現斷路器的開閉；斷路器實現了無磁動作，可以通過大電流，動作響應時間短且可靠的特點。
文檔編號H01H71/00GK1555102SQ200310119188
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月23日 優先權日2003年12月23日
發明者王軼楠 申請人:瀋陽東軟數字醫療系統股份有限公司