滑动式电接头结构及其制造装配方法与流程

本发明涉及接电技术，尤其涉及滑动式电接头结构，该滑动式电接头结构能够应用于托卡马克实验装置中的真空室穿透电缆和电源总线的接电过程，本发明还涉及该滑动式电接头结构的制造装配方法。

背景技术：

为了抑制等离子体的不稳定性、实现各种托卡马克聚变实验功能，作为托卡马克聚变实验装置的核心部件的真空室内需要设置多种内部线圈，包括面向等离子体的各种诊断线圈、强磁场中的屏蔽线圈、边缘局域模和垂直不稳定性线圈、偏滤器微调线圈、TBM主动补偿线圈等等。这时需要通过穿透真空室壁设置穿透电缆给真空室内的上述各种线圈供电，同时，穿透电缆的一端需要和电源总线连接，通常的连接方式是将穿透电缆和真空室壁、电源总线分别焊接，在这种连接方式下，真空室穿透电缆和电源总线通过其自身的支撑块对真空室的(很微小的焊缝周围)局部结构进行了的径向约束，使得真空室弹性刚度出现了径向局部不协调性，一旦真空室因复杂工况下发生必要的弹性形变或局部受力，真空室不可能在真空室穿透电缆和电源总线支撑的焊接部位出现均匀形变，从而使得真空室壁以及穿透电缆与真空室壁、电源总线的焊缝处均存在很大的应力集中，从而危及真空室的结构安全，产生漏气风险，同时，由于普通的电缆和电源总线接头结构很难克服上述应力，从而增加穿透电缆与电源总线连接失败的风险，上述各部位应力产生的主要原因如下：

首先，由于这些内部线圈都将面临聚变反应的强辐照环境(中子辐照和伽马射线辐照)，工作温度偏高(300℃以上)，此温度会通过电缆与真空室的焊接接触由电缆传递给真空室，电缆和真空室会一起产生热膨胀形变，而真空室穿透电缆和电源总线的固定接头方式约束限制了真空室的形变(全金属结构的真空室薄壁变形量较大)，由于电缆和真空室的热膨胀系数因结构和材料的差异而不相等，于是真空室与穿透电缆及电源总线支撑的焊接处会出现应力集中。

其次，由于托卡马克磁约束聚变装置的真空室内为强磁场环境，穿透电缆在通电状态下会产生很大的电磁力，具体可计算如下：电缆直径一般为5mm～500mm，真空室(其直径约为3m～20m)内的电磁强度为0.5T～10T，则0～20kA的带电电缆受到大约10kN/m～20kN/m的幅值高频电磁力，电磁力方向与电缆的轴线垂直，经计算在真空室径向的分量大约为2～4吨。除了电源接头结构中的支撑结构，电缆上本身还有一定数量的支撑块均匀地圆周状分布在真空薄壁的内表面上，在采用传统的电缆与电源总线固定式电接头结构的情况下，穿透电缆不能在轴向滑动，穿透电缆与电源总线、真空室薄壁的焊接部位的刚度要较其它的支撑块要高，固定式电接头结构自身的形变量小，其值不足以卸掉其它支撑结构的在真空室径向的形变量，使得电缆上的分布在真空室薄壁内表面上的其它支撑结构承受的力小，而穿透电缆与真空室薄壁、电源总线的焊接部位受力集中，真空室薄壁的焊接周围会在电缆电磁力的反作用力下发生较大局部变形(大约在电缆直径2～3倍的圆周面范围内)，这是因为传统的电源总线与电缆的电接头结构限制了电缆在轴向(与真空室的径向方向相同)上的移动，使得电缆与真空室薄壁不能够通过其它支撑块形成一个整体结构一起均匀受力，这种应力集中会危及真空室的结构安全并增加漏气风险，所以一般传统的电缆和电源总线接头结构很难克服这种应力集中，从而增加穿透电缆与电源总线的连接失败的风险。

此外，托卡马克在运行期间，真空室的温度会由30℃迅速上升至100℃；而在托卡马克烘烤期间(每次持续24小时～36小时)，真空室的温度会由30℃迅速上升至300℃，如此高的温差会给真空室的结构带来很大的形变和应力，而同时，托卡马克在运行期间电源总线的温度变化较小，相比真空室来说，电源总线的温差较小、热形变很小，这就使得传统的电缆与电源总线电接头结构不能很好的和真空室一起在真空室的径向(与电缆的轴向同向)移动，电缆相比真空室薄壁来说是刚体结构，那么刚体的电缆与柔性的真空室薄壁的负荷传递主要是靠焊接连接承受，从而真空室薄壁与电缆的焊接处会出现很大的热应力集中，危及焊缝的强度，增加真空室漏气风险。

而且，不仅上述托卡马克实验装置中存在上述问题，这些问题在其他很多需要给强磁真空环境供电的领域同样涉及到，例如，太空航天器处在外太空的 真空环境中时，航天器外面是真空，航天器里面是生存环境，为了对高速数字相机进行供电，而供电电缆需要穿过航天器的真空容器抵达放置于其里面的电源总线，而且同样处于地球、宇宙等离子体产生的强磁场中，与此同时，太空和托卡马克实验环境一样处于强烈的太阳中子辐照和超高温差的工作环境(面朝太阳侧温度达300度以上)，从而同样存在相关部位热应力集中的问题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是现有的强磁场、真空环境供电领域存在的真空室壁以及穿透电缆与真空室壁、电源接头的焊缝等部位存在的受力不均匀、应力集中的问题，进而提供一种能够降低上述部位应力的滑动式电接头结构，本发明还提供该滑动式电接头结构的制造装配方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

滑动式电接头结构，用于连接第一导电元件和第二导电元件，其特征在于：还包括滑动导电体，所述滑动导电体与所述第一导电元件固定连接，在所述滑动导电体上有供所述第二导电元件穿过、且内壁与所述第二导电元件配合的开孔，安装状态下，所述第二导电元件插入所述开孔中实现所述第二导电元件与所述滑动导电体之间的滑动式电连接。

优选地，所述第一导电元件为电源总线，所述第二导电元件为真空室穿透电缆，所述滑动式电接头结构还包括用于支撑并固定所述滑动导电体的支撑件，所述支撑件能够与所述滑动导电体可拆卸连接，在所述支撑件与所述滑动导电体之间设置有绝缘结构，所述支撑件与真空室壁固定连接。

优选地，在所述滑动导电体与所述真空室穿透电缆的接触面位置的所述滑动导电体、所述真空室穿透电缆上分别镀有银层；

进一步优选地，所述滑动导电体上的所述银层的厚度可以是2μm～30μm，

进一步优选地，所述真空室穿透电缆上的所述银层的厚度可以是1μm～30μm。

优选地，所述滑动导电体经所述开孔分开成两半，所述支撑件将所述滑动导电体预压紧至所述真空室穿透电缆上。

优选地，所述支撑件包括两个对称固定在真空室壁上、所述真空室穿透电 缆两侧的支撑架，所述滑动导电体上所述开孔两侧对称设置支撑臂，所述滑动导电体通过其中一个所述支撑臂与所述电源总线固定连接，安装状态下，所述滑动导电体通过所述开孔套在所述真空室穿透电缆上，两个所述支撑臂分别固定在两个所述支撑架上。

优选地，每个所述支撑臂通过一个绝缘外包壳夹紧并固定在所述支撑架上，所述绝缘结构设置在所述滑动导电体外侧，并延伸至所述绝缘外包壳与所述支撑臂之间。

优选地，所述绝缘外包壳采用环氧树脂制成。

优选地，所述绝缘结构均采用环氧树脂制成。

优选地，所述支撑件与真空室壁采用焊接方式固定连接。

优选地，所述滑动导电体与所述电源总线采用焊接方式固定连接。

优选地，所述开孔为通孔。

优选地，在所述真空室穿透电缆内部设计有水冷孔。

上述滑动式电接头结构的制造装配方法，包括以下步骤：

S01：在所述滑动导电体、所述第二导电元件分别镀上银层；

S02：对镀上银层后的所述滑动导电体、所述第二导电元件进行热处理的步骤：

在温度为450℃～550℃、真空度为10^-3Pa～10^-5Pa的条件下恒温处理30min～24h后速冷至室温，冷却速度为0.5℃/s～5℃/s。

优选地，在步骤S02中在将温度升高到预设温度之后恒温处理之前还包括将所述滑动导电体和所述第二导电元件装配在一起的步骤，在步骤S02之后，还包括继续将温度冷却至0℃～-15℃后恒温至其它部件装配完成的步骤。

优选地，在步骤S01之前，还包括对所述滑动导电体依次进行酸洗、水洗和烘干的步骤以及对所述第二导电元件的待镀表面依次进行水洗和烘干的步骤。本发明的有益效果如下：

本发明的发明人经研究发现，真空室薄壁的受力强度与打鸡蛋壳的受力机理相似，如果局部敲打很容易破碎(真空室薄壁容易出现局部应力集中)，但是如果鸡蛋整个球面均匀受力很难敲碎(真空室薄壁则不容易出现裂缝等局部损伤)，据此，本发明提供了滑动式电接头结构，其能够使作为第二导电元件的穿 透电缆在轴向自由滑动，从而减少电缆对真空室薄壁的在真空室径向(与电缆轴向方向一致)的局部约束，使得布置在真空室内表面上的支撑结构能够均匀分摊电缆在真空室径向的电磁力分量，使得电磁力能够均匀地传递给真空室薄壁结构，使得电缆的通过焊接连接传递到真空室薄壁的电磁力，可以被真空室薄壁利用其自身的径向形变来均匀承受，降低真空室的薄壁出现局部受力的不均匀性，减少焊缝的应力过大出现漏气的风险，同时滑动电接触也避免电源总线与供电电缆的力负载的传递，从而很好的解决了现有固定式的电接头结构的受力不均匀和应力集中问题，降低了电缆与真空室穿透部位的应力从而达到保护真空室与电缆焊缝的强度，延长电缆与电源总线的应力疲劳寿命，降低真空室的漏气风险的目的，具有广泛的工程应用意义，能够应用于托卡马克聚变实验装置的真空室内电缆供电、聚变-裂变实验混合堆的真空室内电缆供电，还可用于太空航天器的真空内电缆供电、太空真空窗射电电缆供电和真空腔的穿透电缆供电等等。

与此同时，本发明提供的新的滑动式的接头结构制造装配方法，采用450℃～550℃的真空(10^-3Pa～10^-5Pa)高温装配，让银离子渗透进入线圈铜表面，持续30min～24h后速冷至室温，使得银金属在铜表面0～2nm渗透层形成一层致密的银铜合金层，耐磨、导热性能优越，能很好地避免铜导体之间的瞬间电弧、电火花等，降低电晕工作人员等危及人身安全的风险，降低容易引起火灾等重大事故的风险。

附图说明

图1为本发明的滑动式电接头结构的一个实施例的主视示意图；

图2为图1所示实施例的俯视示意图；

图3为图1中所示实施例的左视示意图；

图4为图3中沿D-D的剖视示意图；

图5为本发明的滑动式电接头结构的详细装配流程图；

图6为本发明的滑动式电接头结构与传统固定结构的接头结构的ANSYS有限元应力计算对比图，其中a1为在正常工况下的真空室薄壁及传统固定式电接头的整体的等效应力分布图，a2为在正常工况下的真空室薄壁及传统固定式电 接头的整体形变图，b1为真空室薄壁及滑动式电接头的整体的等效应力分布图，b2为真空室薄壁及滑动式电接头的整体的整体形变图。

图中：

1滑动导电体、2开孔、3电源总线、4真空室穿透电缆、5支撑架、6支撑臂、7绝缘外包壳、8绝缘结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案和有益效果进一步进行说明。

如图1至图4所示，本发明的滑动式电接头结构，用于连接第一导电元件和第二导电元件，包括滑动导电体1，滑动导电体1与第一导电元件固定连接，在滑动导电体1上有供第二导电元件穿过、且内壁与第二导电元件配合的开孔2，安装状态下，第二导电元件插入开孔2中实现第二导电元件与滑动导电体1之间的滑动电连接。

其中，本发明的滑动式电接头结构用于托卡马克实验装置时，第一导电元件可以为电源总线3，第二导电元件可以为真空室穿透电缆4，因为电源总线在位于托卡马克外围，也受到大约1吨～2吨的电磁力，所以需要设计电源总线支撑结构来固定电源总线3，从而本发明的滑动式电接头结构还包括用于支撑并固定滑动导电体1的支撑件，支撑件能够与滑动导电体1可拆卸连接，在支撑件与滑动导电体1之间设置有绝缘结构8，支撑件与真空室壁固定连接。

本发明的滑动式电接头结构可以在滑动导电体1与真空室穿透电缆4的接触面位置的滑动导电体1、真空室穿透电缆4上分别镀上银层，这样可以降低电缆和滑动导电体之间的电阻，减少电缆与滑动导电体之间接触刚度，有利于增强滑动接头的结构强度，同时避免电弧、电火花等事件的发生。滑动导电体1上的银层的厚度可以是2μm～30μm，真空室穿透电缆4上的银层的厚度可以是1μm～30μm，因为不同直径的电缆上的电压和电流密度不同，电压、电流密度越大需要的银层厚度越厚，根据不同的电压、电流密度设置镀银层的厚度一方面可以很好地避免高电压电弧、电火花的出现，另一方面也不会造成浪费，相比滑动导电体1，真空室穿透电缆4的电流密度较小，所以真空室穿透电缆4的 镀银层厚度比滑动导电体1的镀银层厚度相对范围要大一些。

为了方便安装，可以将滑动导电体1经开孔2分开成两半，并通过支撑件将滑动导电体1预压紧至真空室穿透电缆4上，例如可以采用螺栓进行预压紧安装。

本发明的支撑件可以采用任何可以固定并支撑真空室穿透电缆4及电源总线3的结构形式，附图中给出了一种具体形式，支撑件包括两个对称固定在真空室壁上、两侧的支撑架5，滑动导电体1上开孔2两侧对称设置支撑臂6，滑动导电体1通过其中一个支撑臂6与所述电源总线3固定连接，安装状态下，滑动导电体1通过开孔2套在真空室穿透电缆4上，两个支撑臂6分别固定在两个支撑架5上。

本发明中，可以使每个支撑臂6通过一个绝缘外包壳7夹紧并固定在支撑架5上，绝缘结构8设置在滑动导电体1外侧，并延伸至绝缘外包壳7与支撑臂6之间，当然也可以不舍绝缘外包壳7，而是采用其它方式固定。

本发明中，绝缘外包壳7、绝缘结构8均可采用环氧树脂制成，也可以采用其它任何绝缘性好的材料制成。

支撑件与真空室壁之间的连接方式及滑动导电体1与电源总线2之间的连接方式均可以采用焊接方式。

开孔2的作用是能够实现和穿透电缆4的连接并允许有一定轴向滑动，其可以为通孔，当然也可以采用盲孔。

环氧树脂制成的绝缘结构8可以根据需要现场制作，此时，可以先将环氧树脂进行固化成块，然后压制到滑动导电体1外表面上，实现电源总线与电源支撑结构之间的电绝缘。

本发明还提供上述滑动式电接头结构的制造装配方法，包括以下步骤：

S01：在滑动导电体1、第二导电元件分别镀上银层；

S02：对镀上银层后的滑动导电体1、第二导电元件进行热处理的步骤：

在温度为450℃～550℃、真空度为10^-3Pa～10^-5Pa的条件下处理30min～24h后速冷至室温，冷却速度为0.5℃/s～5℃/s。

在步骤S02中在将温度升高到预设温度之后恒温处理之前还包括将滑动导电体(1)和第二导电元件装配在一起的步骤，在步骤S02之后，还包括继续将 温度冷却至0℃～-15℃后恒温至其它部件装配完成的步骤。

在步骤S01之前，还可以包括对滑动导电体1、第二导电元件的待镀表面分别依次进行酸洗、水洗和烘干的步骤。

下面结合一个具体实例，详细说明本发明的滑动式电接头结构的制造装配方法，参见附图5，具体步骤如下：

首先分别进行如下步骤：

(1)对真空室穿透电缆4的接头处进行水洗烘干；然后在真空室穿透电缆4的接头处进行精密机械加工，加工误差为0.2mm；最后在电缆接头处镀上银，根据电缆的直径变化，镀层厚可在1μm～30μm变化，主要是因为不同直径的电缆上的电压和电流不同，镀银层厚度的变化可以很好地避免高电压电弧、电火花的出现；

(2)对滑动导电体的接头处进行机械精加工，加工精度0.1mm，再依次进行酸洗、水洗以及烘干步骤，然后镀上2μm的银，因为不同直径的电缆上的电压和电流不同，镀银层厚度的变化可以很好地避免高电压电弧、电火花的出现，经测试后的镀层为镀层2μm～30μm；

(3)环氧树脂熔化、烘干和固化，制成合适形状的绝缘外包壳7、绝缘结构8；

(4)锻制支撑件中的两条支撑臂6；

其中，真空室穿透电缆4的外壳、支撑件可以采用316不锈钢制成，真空室穿透电缆4、滑动导电体1可以采用铬锆铜材质制成，真空室穿透电缆4、滑动导电体1在制作过程中，可以根据设计加工比例1.2裁制初始样件，对部件进行初始成形，最后再精加工成形。

然后，采用真空(根据镀银温度和装配温度的变化选定10^-3Pa～10^-5Pa)高温装配滑动导电体1和真空室穿透电缆4，装配温度为450至550摄氏度，然后进行速冷却至室温，冷却速度为0.5℃/s～5℃/s，装配时，首先将温度升到预设温度，再将滑动导电体1装配置真空室穿透电缆4上，恒温处理30min～24h后速冷至室温，形成一个独立的滑动式电接头部件。本发明中之所以选择高温装配，主要是因为电缆4表面和滑动导电体1表面的银很容易被刮掉，高温速冷能够促进银渗透到铜表面，形成一层薄薄的银铜合金，耐磨、导电性能将得到 大大改善；

最后，继续冷却至0℃至-15℃的环境温度下恒温完成后续装配，直至装配完成：将预先制备好的绝缘外包壳7、绝缘结构8先组装在一起，然后从两侧套在滑动导电体1两侧的支撑臂6上，再利用螺栓把绝缘外包壳7、绝缘结构8和滑动导电体1固定在支撑件上，最后将支撑件焊接在真空室的侧壁上，将滑动导电体1焊接到电源总线3上。本发明中之所以选择低温装配上述部件是为了保持本发明的滑动电接头结构的装配结构保持一定预应力，可以把电缆紧紧地压在滑动导电体上，从而使得电缆与滑动式电接头能够在移动的过程中一直保持电接触，防止电缆在其它电磁力分量(区别于真空室径向电磁力分量)的作用下与滑动导电体发生碰撞。

本发明的滑动式电接头结构经过测量和力学疲劳实验：这种滑动式接头结构应力为380MPa，根据国际不锈钢的疲劳测试结果，不锈钢的结构许用应力为420MPa，可见滑动式电接头的结构强度能够很好地满足力学疲劳的要求，滑动式电接头ANSYS的计算结果如说明书附图6所示，图中有固定式电接头的结构应力及形变和滑动式电接头的结构应力及形变，从图6可以看出，滑动式电接头结构大大降低了不锈钢真空室薄壁与电缆不锈钢外壳的结构应力，具体的：

从图6中a1中可以看出固定式电接头结构和薄壁真空室的等效应力已经1097MPa远远超过不锈钢的最高强度极限值，表示这个电接头在现有的工况下不能够承受550℃的高温和2～4吨的真空室径向的电磁力分量力；而相比之下，如图6中的b1可以看出，滑动式电接头结构和薄壁真空室的等效应力为380.7MPa，滑动电接头减小了整个真空室和电接头及电缆的等效应力。从图6中的a2和b2可以看出，滑动式电接头能够把单一的沿电缆轴向的变形转化为所有的其它沿真空室薄壁内表面圆周分布的支撑(此图中未画出，穿透电缆需要真空室内的支撑是常识)形变，采用滑动式电接头之后，穿透电缆和真空室薄壁的变形从36mm被减小至0.6mm，滑动式接头不但降低了整个电接头及穿透电缆和真空室的等效应力和形变，全螺栓拆装也相对方便。

综上，本发明的由电源总线3-电源供电电缆(滑动导电体1)-环氧树脂绝缘层(绝缘结构8、绝缘外包壳7)-支撑件构成的滑动式电接头结构，用于连接真空室穿透电缆4与电源总线3时，能够提高电缆穿透真空室薄壁的结构强度， 降低了电缆4与电源总线3之间的震动传递和负荷传递，降低电源总线3与电缆4的热应力和机械应力，并能够实现以下目标参数：

(1)滑动式电接头结构的设计可使电缆4的轴向和真空室薄壁的径向振动降低60％；由于滑动式电接头结构和真空室薄壁是一直承受AC电流下的真空室薄壁径向方向上的往复电磁力载荷，5kHz的电磁力的驱动下，电缆和真空室的震动将会大大影响电源总线3的支撑结构的设计，这样电源总线3的振动惯量也会增强真空室薄壁与电缆4自身的振动强度，如果采用本发明的滑动式电接头结构将会减少了电缆4与电源总线3之间的负荷传递，同时也减少了电源总线3的反作用力，即，本发明的滑动式电接头结构设计可降低电缆的震动噪音传递到电源总线上，同时降低了电源总线的机械振动引起的真空室薄壁与电缆振动的增强效果。

(2)滑动式的电源接头使得电缆可以承受低于550℃工作环境，而电源总线上温度却低于150℃，两者的温度差会带来较大的热应力，本发明通过在电缆的自由轴向热膨胀和银铜软层之间的相对滑动，促进了热变形，降低了两个部件之间的热应力，缓解了温差的影响和热应力集中，大大降低了电源总线的接触热应力。

(3)整个滑动式的电源接头的应力由以前的1000MPa被降到380MPa，大大增加了接头的结构可靠性。

(4)绝缘层的耐电压达到了500V，在500V AC交流试验中，可保证2小时内不被击穿，达到了基本的绝缘需要。

(5)电源总线与电缆之间的接触电阻小于10μΩ，镀银有效地降低滑动式导电体的接触面被氧化的风险，增强了电源接头的接电强度,防止了电火花和电弧产生火灾或电晕工作人员的风险。