专利名称：一种超导导线结构及其应用方法
技术领域：
本发明涉及利用高温超导材料制备的高温超导导线，具体涉及的是利用新型的导线排列结构有效地保护高温超导导线的超导电性的方法。
高温超导材料发展至今已取得了令人瞩目的成果，如利用高温超导材料制造的输电电缆、变压器、电动机和超导磁悬浮列车等。Bi系2223相高温超导导线是利用Bi系2223相高温超导材料制备的导线，其临界温度高、电流密度高、成形好，且具有良好的加工性能，从而成为目前高温超导材料中具有广阔发展前景的一种产品。一般制备Bi系2223相高温超导导线是利用Ag套管填充Bi系氧化物粉末法，简称PIT法。利用该法制备的导线由超导体芯及包在芯周围的银或银合金基体组成，这样制成的导线通常也被称为银带。在高温超导导线的使用过程中，导线的某处可能出现断裂缺陷，某些芯可能会断开，导致导线的其余芯承担总的电流，这一总电流如超过这些芯的电流输运能力，超过的部分将由基体分流，使基体成为电流的旁路，一般基体的材料为银或银合金，这样的基体有可能经不住导线中大的分流电流，如100安的电流，致使外套烧毁，从而使导线断开，甚至使导线着火，危害整个超导器件，这种情形就给高温超导导线的实际电力应用带来了障碍。基于上述情况，需要一种特殊方法对高温超导导线的超导电性进行保护，当导线中有断裂缺陷、某些芯断开或在某处导线断开时，电流还存在其他通道，不至于烧掉导线，从而保证超导器件的稳定运行。
目前已有的导线的结构主要有以下几种类型(1)单芯导线如
图1所示，在美国专利US 5006671中涉及了这种结构，其中1为超导体，2为玻璃纤维管。单芯导线具有简单的结构，高的填充因子(FF)，FF＞0.4-0.5，其中FF＝[超导体]/([超导体]+[Ag])，与其他种类结构的导线相比具有较高的临界电流密度，从而也具有较高的工程电流密度。单芯导线的另一种形式是P.Kovac等人(P.Kov et al，Supercond.Sci.Technol.，13(2000)，378-384)提出的Bi-2223/Ag/阻挡层/Ag的复合结构，如图2所示，其中1为Bi-2223相超导体，2为Ag，3为阻挡层，4为Ag，这种结构有一些优点，如可减小导线的交流损耗。
尽管单芯导线具有一些独特的优点，但单芯导线只有一个超导区，当其中某点断开，通过该处的总电流将全部加在银或银合金基体上，基体可能经不住导线中大的分流电流，致使外套烧毁，从而使导线断开，导致整个电路的断路，影响超导器件的稳定性。
(2)多芯导线在美国专利US 5869430和参考文献(林玉宝等，低温物理学报，Vol.21(1999)，No.2,122-130)中涉及了这种结构。如图3所示的导线，其中1为超导体，2为贵金属或贵金属合金，3为管的缝隙，可在这些缝隙中加入超导体，4为银或银合金套管，这样的导线经过轧制成为如图4所示的高温超导导线，其中1为超导体芯，2为银或银合金套管。在多芯导线中贵金属或贵金属合金包围每一根超导芯，每根芯为带状，在银带的横截面上超导芯均匀地分布，贵金属或其合金在每根芯之间有相同的厚度。这种导线具有较高的临界电流密度和很好的机械强度，临界弯曲应变εc＞0.3％，但是由于绕在每根芯周围的银，使得填充因子较小(FF≤0.3)，因而降低了临界电流密度。N.V.Vo等人(Journal ofMagnetic Materials，188(1998)，145-152)提出了另一结构的超导带，它是根据Ic与B的关系曲线，磁场从线圈中心由内向外降低，线圈所用的导线在向外的半径方向横截面面积可逐渐减小，较薄的导线能用来运输同样大小的临界电流，采用这种结构可减少材料的用量，降低成本。这种结构从理论上来看比较合理，但难以大规模生产。P.Kov等人(P.Kov et al，Supercond.Sci.Technol.13(2000)378-384)还提出了多芯的Bi-2223/Ag/阻碍层/Ag复合结构，该结构与同样结构的单芯导线的性能类似，也存在着电流密度低的缺点，难以实用化。
(3)同心的导线
L.Martini等人(Luciano Martini，Supercond.Sci.Technol.11(1998)231-237)提出了这种结构，如图5、6所示，其中1为超导体，2为银或银合金外套，超导体被同轴的银或银合金层分开，图5中有一个超导体环，图6中有三个超导体环。同心导线的性能与多芯导线的性能相似，超导体具有较好的电学性能和弯曲性能，如Jε＞40kAcm-2和εc＞0.3％。导线中心的银或其合金增强了热稳定性，并且在超导体转变成正常态时能为电流提供另外的通道。这种结构的缺点是交流电损失比多芯导线大。
(4)多层导线L.Martini等人(L.Martini et al，Supercond.Sci.Technol.7(1994)24-29)提出了这种摺状结构，如图7所示，其中1为银箔，2为超导层，把厚为80-100μm的纯银箔折成摺状结构，银的两面填上超导粉末，经过压制和煅烧，获得多层导线，这样制得的多层导线是用金属层把相邻的超导薄层隔开，该结构具有很高的FF(FF＞0.7)和电流输运能力，在77K下Ic＞600A，但目前多层导体只能做成短的导线，长度到1米，因而限制了其实际应用。
基于上述情况和高温超导材料的特性，一般高温超导导线的结构需满足以下要求(1)需做成细线。超导电器在利用超导导线时通常需要导线在经过弯曲后没有临界电流密度的降低。根据形变理论，用弯曲应变来表征加在导线上的应变值，它等于h/D，其中h为材料的厚度，D为材料需弯曲的直径，h越大，形变越大，导体的临界弯曲应变定义为材料在经历电性能急剧下降前能承受的应变，其值一般为0.2％左右，如果弯曲超过了导线的临界值，导线的电流输运能力将会显著地降低。(2)需做成多芯的复合导体。在多芯导线中如某根或某些芯断开，还可能剩余别的芯起到导电作用。并且，多芯导线与单芯导线相比具有更好的机械性能，多芯导线较不易产生断裂，因为随着芯的数量的增加，临界弯曲应变εc也会增大，可能大于1％，而单芯导线的临界弯曲应变εc＜0.1％。另外，在导线的制备工艺中，单芯导线中断裂的治疗能力和氧进入超导体的能力都比多芯导线低。(3)做成带状。因为带状导线的厚度较小，与圆柱形的导线相比有更小的弯曲直径，更适宜于制备线圈等用电器。(4)为了保护超导导线的超导电性，可以采用几根导线并联的方式。当电流通过单根超导导线时，电流只通过超导体部分，当超导体的某处出现断裂缺陷或某些芯断开时，导线的其余芯将承担总的电流，这一总电流如超过这些芯的电流输运能力，超过的部分将由基体分流，使基体成为电流的旁路，基体可能经不住导线中大的分流电流，致使基体烧毁，从而使导线断开，甚至使导线着火，而当采用几根导线并联的方式时，如导线中有某根或某些芯断开或烧损时，与之相连的芯能成为旁路，对总电流进行分流，以免导线烧损。
所以高温超导材料可以做成芯径小、芯数多的多芯导线，导线之间用并联的方式来有效地保护导线的超导电性。
本发明的目的是提出一些特殊的导线排列结构，以有效地保护高温超导导线的超导电性。本发明可适用于任何超导材料，尤其适用于铋系高温超导材料，导线的形状和大小没有严格的限制。
本发明包括以下一些方法(1)宽度面并联1)导线的连接方式。如图9所示，把一根导线的宽度面(ab面)单面绝缘，然后把这样的两根导线的没涂有绝缘层的面靠在一起，再两根并绕，导线可以绕轴一层或更多层。当某根或某些芯断开时，电流还存在其他通道。2)涂绝缘层的方式。可以是先把绝缘层分别刷在两根导线的一宽度面上，再把这两根导线连在一起，也可以是两根导线连在一起组成一组后再在这一组的宽度面上涂绝缘层。3)导线的数目。可以是两根，也可以是三根，或是更多。
(2)高度面并联1)导线的连接方式。如图13所示，把一根导线的高度面(ac面)单面绝缘，然后把这样的两根导线的没涂有绝缘层的面靠在一起，再两根并绕，导线可以绕轴缠绕一层或更多层。2)涂绝缘层的方式。可以是先把绝缘层分别刷在两根导线的一高度面上，再把这两根导线连在一起，也可以是两根导线连在一起组成一组后再在这一组的高度面上涂绝缘层。3)导线的数目。可以是两根，也可以是三根，或是更多。
(3)用金属并联导线平行排列，把按图9所示的ab面用金属连接。金属可以用银。这种方法更适用于生产，因为采用(1)，(2)法，导线之间的粘连有可能断开，而此方法可以使导线之间达到很好的电接触。
(4)用导电媒质并联导线之间灌导电媒质，如银胶、碳胶。
(5)用银线并联导线之间加银线连接。
(6)并联的复合结构导线之间的连接可以综合(1)、(2)，采用复式连接方式，即不同导线之间可以既水平又垂直地连接。
下面将结合附图对本发明的具体实例进行详细的描述，其中图1为单芯导线的示意图；图2为单芯的Bi-2223/Ag/阻挡层/Ag复合材料的示意图；图3为多芯导线的截面示意图；图4为多芯导线的立体图；图5为有一个超导体环的同心导线的截面示意图；图6为有三个超导体环的同心导线的截面示意图；图7为多层导线的截面示意图；图8为在宽度面涂绝缘层的导线的截面示意图；图9为在宽度面涂绝缘层的导线的立体图；图10为两根在宽度面涂绝缘层的导线相连的截面示意图；图11为两根在宽度面涂绝缘层的导线相连绕轴缠绕形成线圈示意图；图12为在高度面涂绝缘层的导线的截面示意图；图13为在高度面涂绝缘层的导线的立体图；图14为两根在高度面涂绝缘层的导线相连的截面示意图；图15为两根在高度面涂绝缘层的导线相连绕轴缠绕形成线圈示意图；图16为下面用银相连的两根导线的截面示意图17为中间灌有导电媒质的两根导线相连的截面示意图；图18为中间用银导线相连的两根导线的截面示意图；图19为4根导线采用复式结构连接的截面示意图。
实施例1选用两根Bi系2223相高温超导导线，把这两根导线的宽度面(ab面)单面绝缘，如图8、9所示，其中1为绝缘层，2为导线，导线的宽为4mm，厚为0.25mm，然后把这样的两根导线的没涂有绝缘层的面靠在一起，如图10所示，其中1为绝缘层，2为导线，最后再把这样一组导线绕轴缠绕，如图11所示，其中3为导线，4为轴。
实施例2选用两根Bi系2223相高温超导导线，把这两根导线的高度面(ac面)单面绝缘，如图12、13所示，其中1为绝缘层，2为导线，导线的宽为4.5mm，厚为0.21mm，然后把这样的两根导线的没涂有绝缘层的面靠在一起，如图14所示，其中1为绝缘层，2为导线，最后再把这样一组导线绕轴缠绕，如图15所示，其中3为导线，4为轴。
实施例3如图16所示，选用两根Bi系2223相高温超导导线，导线的宽为4.4mm，厚为0.20mm，导线平行排列，下面用金属银连接。
实施例4选用两根Bi系2223相高温超导导线，导线的宽为4.4mm，厚为0.20mm，导线之间灌导电媒质银胶，如图17所示。
实施例5如图18所示，选用两根Bi系2223相高温超导导线，导线的宽为4.4mm，厚为0.20mm，导线之间加银线连接。
实施例6如图19所示，选用四根Bi系2223相高温超导导线，导线的宽为4.4mm，厚为0.20mm，把这四根导线的高度面单面绝缘，并且其中两根在宽度面上也单面绝缘，然后采用如图19所示的复式连接。
权利要求
1.一种超导导线的排列结构，其特征在于通过将超导导线彼此之间按照一定的方式进行排列和交联，从而有效地保护高温超导导线的超导电性。
2.根据权利要求1所述的超导导线的排列结构，其特征在于将导线的宽度面单面绝缘，然后把这样的两根导线的没涂有绝缘层的面连在一起，再两根并绕，导线可以绕轴缠绕一层或更多层。
3.根据权利要求2所述的超导导线的排列结构，其特征在于可以是先把绝缘层分别刷在两根导线的一宽度面，再把这两根导线连在一起，也可以是两根导线连在一起组成一组后再在这一组的宽度面上涂绝缘层，且所述导线的数目可以是两根，也可以是三根，或是更多。
4.根据权利要求1所述的超导导线的排列结构，其特征在于将导线的高度面单面绝缘，然后把这样的两根导线的没涂有绝缘层的面连在一起，再两根并绕，导线可以绕轴缠绕一层或更多层。
5.根据权利要求4所述的超导导线的排列结构，其特征在于可以是先把绝缘层分别刷在两根导线的一高度面，再把这两根导线连在一起，也可以是两根导线连在一起组成一组后再在这一组的高度面上涂绝缘层，且导线的数目可以是两根，也可以是三根，或是更多。
6.根据权利要求1所述的超导导线的排列结构，其特征在于所述超导导线平行排列，下面用金属连接。
7.根据权利要求6所述的超导导线的排列结构，其特征在于所述金属可以用银。
8.根据权利要求1所述的超导导线的排列结构，其特征在于所述导线之间灌导电媒质，如银胶、碳胶。
9.根据权利要求1所述的超导导线的排列结构，其特征在于导线之间加银线连接。
10.根据权利要求1所述的超导导线的排列结构，其特征在于导线之间的连接可以采用复式连接方式，导线之间可以既水平又垂直地连接。
全文摘要
一种超导导线的排列结构,通过将超导导线彼此之间按照一定的方式进行排列和交联,从而有效地保护高温超导导线的超导电性。本发明可适用于任何超导材料,尤其适用于铋系高温超导材料,导线的形状和大小没有严格的限制。
文档编号H01B12/00GK1354483SQ0013274
公开日2002年6月19日 申请日期2000年11月16日 优先权日2000年11月16日
发明者韩征和 申请人:北京英纳超导技术有限公司