一種超導導線結構及其應用方法

2023-06-30 02:21:31 2

專利名稱：一種超導導線結構及其應用方法
技術領域：
本發明涉及利用高溫超導材料製備的高溫超導導線，具體涉及的是利用新型的導線排列結構有效地保護高溫超導導線的超導電性的方法。
高溫超導材料發展至今已取得了令人矚目的成果，如利用高溫超導材料製造的輸電電纜、變壓器、電動機和超導磁懸浮列車等。Bi系2223相高溫超導導線是利用Bi系2223相高溫超導材料製備的導線，其臨界溫度高、電流密度高、成形好，且具有良好的加工性能，從而成為目前高溫超導材料中具有廣闊發展前景的一種產品。一般製備Bi系2223相高溫超導導線是利用Ag套管填充Bi系氧化物粉末法，簡稱PIT法。利用該法製備的導線由超導體芯及包在芯周圍的銀或銀合金基體組成，這樣製成的導線通常也被稱為銀帶。在高溫超導導線的使用過程中，導線的某處可能出現斷裂缺陷，某些芯可能會斷開，導致導線的其餘芯承擔總的電流，這一總電流如超過這些芯的電流輸運能力，超過的部分將由基體分流，使基體成為電流的旁路，一般基體的材料為銀或銀合金，這樣的基體有可能經不住導線中大的分流電流，如100安的電流，致使外套燒毀，從而使導線斷開，甚至使導線著火，危害整個超導器件，這種情形就給高溫超導導線的實際電力應用帶來了障礙。基於上述情況，需要一種特殊方法對高溫超導導線的超導電性進行保護，當導線中有斷裂缺陷、某些芯斷開或在某處導線斷開時，電流還存在其他通道，不至於燒掉導線，從而保證超導器件的穩定運行。
目前已有的導線的結構主要有以下幾種類型(1)單芯導線如

圖1所示，在美國專利US 5006671中涉及了這種結構，其中1為超導體，2為玻璃纖維管。單芯導線具有簡單的結構，高的填充因子(FF)，FF＞0.4-0.5，其中FF＝[超導體]/([超導體]+[Ag])，與其他種類結構的導線相比具有較高的臨界電流密度，從而也具有較高的工程電流密度。單芯導線的另一種形式是P.Kovac等人(P.Kov et al，Supercond.Sci.Technol.，13(2000)，378-384)提出的Bi-2223/Ag/阻擋層/Ag的複合結構，如圖2所示，其中1為Bi-2223相超導體，2為Ag，3為阻擋層，4為Ag，這種結構有一些優點，如可減小導線的交流損耗。
儘管單芯導線具有一些獨特的優點，但單芯導線只有一個超導區，當其中某點斷開，通過該處的總電流將全部加在銀或銀合金基體上，基體可能經不住導線中大的分流電流，致使外套燒毀，從而使導線斷開，導致整個電路的斷路，影響超導器件的穩定性。
(2)多芯導線在美國專利US 5869430和參考文獻(林玉寶等，低溫物理學報，Vol.21(1999)，No.2,122-130)中涉及了這種結構。如圖3所示的導線，其中1為超導體，2為貴金屬或貴金屬合金，3為管的縫隙，可在這些縫隙中加入超導體，4為銀或銀合金套管，這樣的導線經過軋製成為如圖4所示的高溫超導導線，其中1為超導體芯，2為銀或銀合金套管。在多芯導線中貴金屬或貴金屬合金包圍每一根超導芯，每根芯為帶狀，在銀帶的橫截面上超導芯均勻地分布，貴金屬或其合金在每根芯之間有相同的厚度。這種導線具有較高的臨界電流密度和很好的機械強度，臨界彎曲應變εc＞0.3％，但是由於繞在每根芯周圍的銀，使得填充因子較小(FF≤0.3)，因而降低了臨界電流密度。N.V.Vo等人(Journal ofMagnetic Materials，188(1998)，145-152)提出了另一結構的超導帶，它是根據Ic與B的關係曲線，磁場從線圈中心由內向外降低，線圈所用的導線在向外的半徑方向橫截面面積可逐漸減小，較薄的導線能用來運輸同樣大小的臨界電流，採用這種結構可減少材料的用量，降低成本。這種結構從理論上來看比較合理，但難以大規模生產。P.Kov等人(P.Kov et al，Supercond.Sci.Technol.13(2000)378-384)還提出了多芯的Bi-2223/Ag/阻礙層/Ag複合結構，該結構與同樣結構的單芯導線的性能類似，也存在著電流密度低的缺點，難以實用化。
(3)同心的導線
L.Martini等人(Luciano Martini，Supercond.Sci.Technol.11(1998)231-237)提出了這種結構，如圖5、6所示，其中1為超導體，2為銀或銀合金外套，超導體被同軸的銀或銀合金層分開，圖5中有一個超導體環，圖6中有三個超導體環。同心導線的性能與多芯導線的性能相似，超導體具有較好的電學性能和彎曲性能，如Jε＞40kAcm-2和εc＞0.3％。導線中心的銀或其合金增強了熱穩定性，並且在超導體轉變成正常態時能為電流提供另外的通道。這種結構的缺點是交流電損失比多芯導線大。
(4)多層導線L.Martini等人(L.Martini et al，Supercond.Sci.Technol.7(1994)24-29)提出了這種摺狀結構，如圖7所示，其中1為銀箔，2為超導層，把厚為80-100μm的純銀箔折成摺狀結構，銀的兩面填上超導粉末，經過壓制和煅燒，獲得多層導線，這樣製得的多層導線是用金屬層把相鄰的超導薄層隔開，該結構具有很高的FF(FF＞0.7)和電流輸運能力，在77K下Ic＞600A，但目前多層導體只能做成短的導線，長度到1米，因而限制了其實際應用。
基於上述情況和高溫超導材料的特性，一般高溫超導導線的結構需滿足以下要求(1)需做成細線。超導電器在利用超導導線時通常需要導線在經過彎曲後沒有臨界電流密度的降低。根據形變理論，用彎曲應變來表徵加在導線上的應變值，它等於h/D，其中h為材料的厚度，D為材料需彎曲的直徑，h越大，形變越大，導體的臨界彎曲應變定義為材料在經歷電性能急劇下降前能承受的應變，其值一般為0.2％左右，如果彎曲超過了導線的臨界值，導線的電流輸運能力將會顯著地降低。(2)需做成多芯的複合導體。在多芯導線中如某根或某些芯斷開，還可能剩餘別的芯起到導電作用。並且，多芯導線與單芯導線相比具有更好的機械性能，多芯導線較不易產生斷裂，因為隨著芯的數量的增加，臨界彎曲應變εc也會增大，可能大於1％，而單芯導線的臨界彎曲應變εc＜0.1％。另外，在導線的製備工藝中，單芯導線中斷裂的治療能力和氧進入超導體的能力都比多芯導線低。(3)做成帶狀。因為帶狀導線的厚度較小，與圓柱形的導線相比有更小的彎曲直徑，更適宜於製備線圈等用電器。(4)為了保護超導導線的超導電性，可以採用幾根導線並聯的方式。當電流通過單根超導導線時，電流只通過超導體部分，當超導體的某處出現斷裂缺陷或某些芯斷開時，導線的其餘芯將承擔總的電流，這一總電流如超過這些芯的電流輸運能力，超過的部分將由基體分流，使基體成為電流的旁路，基體可能經不住導線中大的分流電流，致使基體燒毀，從而使導線斷開，甚至使導線著火，而當採用幾根導線並聯的方式時，如導線中有某根或某些芯斷開或燒損時，與之相連的芯能成為旁路，對總電流進行分流，以免導線燒損。
所以高溫超導材料可以做成芯徑小、芯數多的多芯導線，導線之間用並聯的方式來有效地保護導線的超導電性。
本發明的目的是提出一些特殊的導線排列結構，以有效地保護高溫超導導線的超導電性。本發明可適用於任何超導材料，尤其適用於鉍系高溫超導材料，導線的形狀和大小沒有嚴格的限制。
本發明包括以下一些方法(1)寬度面並聯1)導線的連接方式。如圖9所示，把一根導線的寬度面(ab面)單面絕緣，然後把這樣的兩根導線的沒塗有絕緣層的面靠在一起，再兩根並繞，導線可以繞軸一層或更多層。當某根或某些芯斷開時，電流還存在其他通道。2)塗絕緣層的方式。可以是先把絕緣層分別刷在兩根導線的一寬度面上，再把這兩根導線連在一起，也可以是兩根導線連在一起組成一組後再在這一組的寬度面上塗絕緣層。3)導線的數目。可以是兩根，也可以是三根，或是更多。
(2)高度面並聯1)導線的連接方式。如圖13所示，把一根導線的高度面(ac面)單面絕緣，然後把這樣的兩根導線的沒塗有絕緣層的面靠在一起，再兩根並繞，導線可以繞軸纏繞一層或更多層。2)塗絕緣層的方式。可以是先把絕緣層分別刷在兩根導線的一高度面上，再把這兩根導線連在一起，也可以是兩根導線連在一起組成一組後再在這一組的高度面上塗絕緣層。3)導線的數目。可以是兩根，也可以是三根，或是更多。
(3)用金屬並聯導線平行排列，把按圖9所示的ab面用金屬連接。金屬可以用銀。這種方法更適用於生產，因為採用(1)，(2)法，導線之間的粘連有可能斷開，而此方法可以使導線之間達到很好的電接觸。
(4)用導電媒質並聯導線之間灌導電媒質，如銀膠、碳膠。
(5)用銀線並聯導線之間加銀線連接。
(6)並聯的複合結構導線之間的連接可以綜合(1)、(2)，採用複式連接方式，即不同導線之間可以既水平又垂直地連接。
下面將結合附圖對本發明的具體實例進行詳細的描述，其中圖1為單芯導線的示意圖；圖2為單芯的Bi-2223/Ag/阻擋層/Ag複合材料的示意圖；圖3為多芯導線的截面示意圖；圖4為多芯導線的立體圖；圖5為有一個超導體環的同心導線的截面示意圖；圖6為有三個超導體環的同心導線的截面示意圖；圖7為多層導線的截面示意圖；圖8為在寬度面塗絕緣層的導線的截面示意圖；圖9為在寬度面塗絕緣層的導線的立體圖；圖10為兩根在寬度面塗絕緣層的導線相連的截面示意圖；圖11為兩根在寬度面塗絕緣層的導線相連繞軸纏繞形成線圈示意圖；圖12為在高度面塗絕緣層的導線的截面示意圖；圖13為在高度面塗絕緣層的導線的立體圖；圖14為兩根在高度面塗絕緣層的導線相連的截面示意圖；圖15為兩根在高度面塗絕緣層的導線相連繞軸纏繞形成線圈示意圖；圖16為下面用銀相連的兩根導線的截面示意圖17為中間灌有導電媒質的兩根導線相連的截面示意圖；圖18為中間用銀導線相連的兩根導線的截面示意圖；圖19為4根導線採用複式結構連接的截面示意圖。
實施例1選用兩根Bi系2223相高溫超導導線，把這兩根導線的寬度面(ab面)單面絕緣，如圖8、9所示，其中1為絕緣層，2為導線，導線的寬為4mm，厚為0.25mm，然後把這樣的兩根導線的沒塗有絕緣層的面靠在一起，如圖10所示，其中1為絕緣層，2為導線，最後再把這樣一組導線繞軸纏繞，如圖11所示，其中3為導線，4為軸。
實施例2選用兩根Bi系2223相高溫超導導線，把這兩根導線的高度面(ac面)單面絕緣，如圖12、13所示，其中1為絕緣層，2為導線，導線的寬為4.5mm，厚為0.21mm，然後把這樣的兩根導線的沒塗有絕緣層的面靠在一起，如圖14所示，其中1為絕緣層，2為導線，最後再把這樣一組導線繞軸纏繞，如圖15所示，其中3為導線，4為軸。
實施例3如圖16所示，選用兩根Bi系2223相高溫超導導線，導線的寬為4.4mm，厚為0.20mm，導線平行排列，下面用金屬銀連接。
實施例4選用兩根Bi系2223相高溫超導導線，導線的寬為4.4mm，厚為0.20mm，導線之間灌導電媒質銀膠，如圖17所示。
實施例5如圖18所示，選用兩根Bi系2223相高溫超導導線，導線的寬為4.4mm，厚為0.20mm，導線之間加銀線連接。
實施例6如圖19所示，選用四根Bi系2223相高溫超導導線，導線的寬為4.4mm，厚為0.20mm，把這四根導線的高度面單面絕緣，並且其中兩根在寬度面上也單面絕緣，然後採用如圖19所示的複式連接。
權利要求
1.一種超導導線的排列結構，其特徵在於通過將超導導線彼此之間按照一定的方式進行排列和交聯，從而有效地保護高溫超導導線的超導電性。
2.根據權利要求1所述的超導導線的排列結構，其特徵在於將導線的寬度面單面絕緣，然後把這樣的兩根導線的沒塗有絕緣層的面連在一起，再兩根並繞，導線可以繞軸纏繞一層或更多層。
3.根據權利要求2所述的超導導線的排列結構，其特徵在於可以是先把絕緣層分別刷在兩根導線的一寬度面，再把這兩根導線連在一起，也可以是兩根導線連在一起組成一組後再在這一組的寬度面上塗絕緣層，且所述導線的數目可以是兩根，也可以是三根，或是更多。
4.根據權利要求1所述的超導導線的排列結構，其特徵在於將導線的高度面單面絕緣，然後把這樣的兩根導線的沒塗有絕緣層的面連在一起，再兩根並繞，導線可以繞軸纏繞一層或更多層。
5.根據權利要求4所述的超導導線的排列結構，其特徵在於可以是先把絕緣層分別刷在兩根導線的一高度面，再把這兩根導線連在一起，也可以是兩根導線連在一起組成一組後再在這一組的高度面上塗絕緣層，且導線的數目可以是兩根，也可以是三根，或是更多。
6.根據權利要求1所述的超導導線的排列結構，其特徵在於所述超導導線平行排列，下面用金屬連接。
7.根據權利要求6所述的超導導線的排列結構，其特徵在於所述金屬可以用銀。
8.根據權利要求1所述的超導導線的排列結構，其特徵在於所述導線之間灌導電媒質，如銀膠、碳膠。
9.根據權利要求1所述的超導導線的排列結構，其特徵在於導線之間加銀線連接。
10.根據權利要求1所述的超導導線的排列結構，其特徵在於導線之間的連接可以採用複式連接方式，導線之間可以既水平又垂直地連接。
全文摘要
一種超導導線的排列結構,通過將超導導線彼此之間按照一定的方式進行排列和交聯,從而有效地保護高溫超導導線的超導電性。本發明可適用於任何超導材料,尤其適用於鉍系高溫超導材料,導線的形狀和大小沒有嚴格的限制。
文檔編號H01B12/00GK1354483SQ0013274
公開日2002年6月19日 申請日期2000年11月16日 優先權日2000年11月16日
發明者韓徵和 申請人:北京英納超導技術有限公司