一种高温超导电缆及其接头连接方法与流程

本发明涉及高温超导材料技术领域，尤其涉及一种高温超导电缆及其接头连接方法。

背景技术：

高温超导是超导发展的趋势，目前二代高温超导带材的性能已经不亚于低温超导铌钛线，但是目前有很多因素制约着它的大规模应用。比如，扁带各项异性，不能加工成卢瑟福电缆，没有成熟的电缆加工工艺，价格高等，所以目前的高温超导只是应用在小型实验室磁体和内插磁体上，还没有大型高温超导磁体的应用。

国内外一些研究机构一直在研制高温超导电缆，到现在为止还没有一个成熟的可以批量使用的二代高温超导带材rebco(稀土钡铜氧)的电缆绕制方式。例如，mit(massachusettsinstituteoftechnology)研制的tstc(twistedstacked-tapecable)高温超导rebco电缆，把不同层数的rebco带材放到两个铜片，并用不锈钢丝捆扎，然后扭绞，但这种高温超导电缆适合绕制紧凑小尺寸的磁体，无法应用于大尺寸磁体。mit还基于tstc的高温超导电缆研制了单通道电缆和三通道电缆，但需要在铜棒上连续开槽，精度和长度非常难把握，还需要把tstc电缆嵌进去，不仅成本很高，难控制，也很难实现长电缆导体的加工。act(advancedconductortechnologiesllc)研制的corc(conductoronroundcore)电缆具有非常差的电缆带材长度比，比如需要100米的corc电缆，需要单根高温超导带材的长度就将近200米，现阶段生产单根rebco带材的长度有限，基本都是百米量级，长度越大，成本会更高，同时相对较低的工程电流密度。generalcablesuperconductorsltd研制的racc(roebelassembledcoatedconductor)电缆，浪费高温超导带材，费用高昂，各向异性。

高温超导电缆接头是电缆研制过程中不可避免的难题，由于目前高温超导带材单根长度有限，厂家批量生产的超导带材基本都是百米量级，如果先加工电缆的话，只能用一样长度的带材，基本都是一百多米的长度，造成厂家生产出来的带材有很多的废料，短了不能用，长了需要裁掉，并且电缆每一百多米就需要加工一个接头，并且接头的尺寸远大于电缆尺寸，造成电缆不均匀，绕制线圈比较困难。所以要做成超导电缆必须解决电缆接头的难题，目前国内外的超导电缆接头有各种形式，但是无论哪种形式，接头的尺寸都比较大，甚至比原电缆的尺寸大很多，并且加工工艺复杂，加工难度大，接头的稳定度也不高，如果做一个大型超导线圈，将面临数百个超导接头时，线圈绕制困难，工作量将十分巨大。因此，急需研制一种工艺简单、电阻小、导热快、体积小的电缆接头连接方法。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种高温超导电缆及其接头连接方法，用以解决现有高温超导电缆接头体积大、电阻大、导热慢、加工难度大以及接头稳定度差的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，提供一种高温超导电缆接头连接方法，包括如下步骤：

步骤一：将多条高温超导带材依次首尾叠放焊接成单层长带材；

步骤二：将多个单层长带材叠放，相邻两层单层长带材的焊接点在水平方向上间隔设置；

步骤三：利用捆绑件将叠放的多个单层长带材捆绑成高温超导叠。

进一步地，还包括步骤四：在高温超导叠的表面覆铝。

进一步地，步骤一中，单层长带材中带材的排布方式为：除去第一条带材和最后一条带材，中间的每一条带材的两端焊接点位于该条带材的两侧，或者，中间的每一条带材的两端焊接点位于该条带材的同侧。

进一步地，步骤二中，相邻两层单层长带材的第m个焊接点之间的横向距离为d2，m为大于等于1的整数。

进一步地，以顶层单层长带材的第一个焊接点为基准，由上往下叠放，第n层单层长带材的第一个焊接点距离顶层单层长带材的第一个焊接点的横向距离为(n-1)×d2，其中，n为大于等于2的整数；单层长带材的第一条带材的长度大于焊接点的长度，且小于等于单根带材的出厂长度。

另一方面，提供一种基于上述接头连接方法的高温超导电缆，高温超导电缆包括高温超导叠，高温超导叠由多个单层长带材叠放设置；单层长带材由多条高温超导带材依次首尾叠放焊接而成，相邻两层单层长带材的焊接点在水平方向上间隔设置。

进一步地，还包括捆绑件，捆绑件用于将叠放的多个单层长带材捆绑成高温超导叠；高温超导叠的表面设有覆铝层。

进一步地，相邻两层单层长带材的第m个焊接点之间的横向距离为d2，m为大于等于1的整数；以顶层单层长带材的第一个焊接点为基准，由上往下叠放，第n层单层长带材的第一个焊接点距离顶层单层长带材的第一个焊接点的横向距离为(n-1)×d2，其中，n为大于等于2的整数；单层长带材的第一条带材的长度大于焊接点的长度，且小于等于单根带材的出厂长度。

进一步地，高温超导叠的上、下表面分别设有一层铝垫片。

进一步地，捆绑件为铝丝或者铝片。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果之一：

a)本发明提供的高温超导电缆接头连接方法，先将多条高温超导带材依次首尾叠放焊接成单层长带材；再将多个单层长带材叠放，相邻两层单层长带材的焊接点在水平方向上间隔设置；利用捆绑件将叠放的多个单层长带材捆绑成高温超导叠，该方法把单个电缆的大接头变成单根带材的接头并均匀分布在电缆中，该接头连接方法制成的电缆接头对电缆的尺寸改变小，解决了电缆接头较多，工艺复杂，加工难度大，绕制线圈困难等难题，能够实现加工成任意长度的电缆，并且这种接头方式适用于目前所有的高温超导电缆，应用前景广泛。

b)本发明提供的高温超导电缆接头连接方法，对高温超导带材的长度的要求小，解决了目前厂家生产的高温超导带材长度有限、并且长度不均匀的问题，降低高温超导带材厂家的生产成本。

c)本发明提供的高温超导电缆，高温超导叠由多个单层长带材叠放设置；单层长带材由多条高温超导带材依次首尾叠放焊接而成，相邻两层单层长带材的焊接点在水平方向上间隔设置，该结构设计把单个电缆的大接头变成单根带材的接头并均匀分布在电缆中，电缆尺寸均匀，没有局部增大，大大减小了接头体积，而且接头结构简单、加工容易，工作量小，带材不浪费，多长的带材都能用，降低成本。此外，由于接头体积小，电缆发热更均匀，并且可根据需求调整焊接长度，进而调整接头电阻，具有广泛的应用前景。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中电缆接头示意图；

图2为本发明实施例中长缆接头示意图；

图3为本发明实施例中多层电缆接头示意图；

图4为本发明实施例中的采用铝丝捆绑的高温超导叠的示意图；

图5为本发明实施例中的采用铝片捆绑的高温超导叠的示意图；

图6为本发明实施例中覆铝组件的结构示意图；

图7为本发明实施例中覆铝组件中挤压头的结构示意图；

图8为本发明实施例中方形电缆结构示意图；

图9为本发明实施例中圆形电缆结构示意图。

附图标记：

1-铝垫片；2-高温超导叠；201-高温超导带材；3-捆绑件；4-挤压头；5-铝棒材；6-出线端；7-导出口。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

由于高温超导带材厂家生产的高温超导带材长度不同，从几米到几百米不等，批量化生产最长的基本都是一百多米的长度。如果先加工电缆的话，只能用一样长度的带材，基本都是一百多米的长度，造成厂家生产出来的带材有很多的废料，短了不能用，长了需要裁掉，并且电缆每一百多米就需要加工一个接头，并且接头的尺寸远大于电缆尺寸，造成电缆不均匀，绕制线圈比较困难。本实施例提供了一种新的高温超导电缆接头方式，该高温超导电缆接头连接方法的把传统电缆的大接头变为单根带材的接头并均匀分布在电缆中，该高温超导电缆接头连接方法包括如下步骤：

步骤一：将多条高温超导带材201依次首尾叠放焊接成单层长带材。

根据设计需要制作n层单层长带材，每一单层长带材需要焊接m条高温超导带材201(可简称带材201)，如图1至图3所示，并依次命名l1，l2，l3，l4，…ln…ln，n≥2，每一单层长带材的焊接点依次命名为k1，k2，k3，…km…，km，m≥2，基于对电缆电阻的性能需求，确定焊接的长度d1，焊接长度d1也即相邻两条高温超导带材201的叠放重合长度。实际操作中，根据所需要的接头电阻的限值，确定焊接长度d1的数值或数值范围，优选的，d1为5cm至20cm中的某一数值或数值范围。

本实施例中，单层长带材中带材的排布方式有两种：第一种方式为，除去第一条带材和最后一条带材，单层长带材的中间每一条带材的两端焊接点位于该条带材的两侧；第二种方式为，除去第一条带材和最后一条带材，单层长带材的中间每一条带材的两端焊接点位于该条带材的同侧，如图2至3所示。考虑到高温超导带材有正反面，正面即有ybco的面，焊接的两带材的正面对着正面，即一根带材的ybco面与另一根带材的ybco面正对设置进行焊接，此焊接方式能够减小焊接电阻。

步骤二：将多个单层长带材叠放，相邻两层单层长带材的焊接点在水平方向上间隔设置。

将步骤一中的多个单层长带材垂向上叠置，叠置时，将不同层的单层长带材的焊接点分散在电缆中，也就是说，相邻两层单层长带材的第m个焊接点在垂向上间隔设置，垂向上投影不重叠，将传统电缆的大接头变成单层长带材的接头并均匀分布在电缆中。优选地，相邻两层单层长带材的第m个焊接点之间的横向距离为d2，其中，m为大于等于1的整数。优选地，d2大于1m。需要说明的是，相邻两层单层长带材的第m个焊接点之间的横向距离可以相同也可以不同，只要二者之间的横向距离大于1m即可，因此，本发明的接头连接方法对带材的长度无严格要求，大大减少电缆制作过程中带材废料，短带材或长带材不需要裁掉，也可以合理利用，能够显著降低成本。

为了进一步减小接头体积，进一步对多个单层长带材垂向上叠放方式进行优化，以顶层单层长带材的第一个焊接点为基准，由上往下叠放，第n层单层长带材的第一个焊接点距离顶层单层长带材的第一个焊接点的横向距离为(n-1)×d2，其中，n为大于等于2的整数，顶层单层长带材的第一条带材的长度大于焊接点的长度d1。当n为1时，仅有一个单层长带材，不需叠放，本实施例的接头连接方法用于单层长带材的层数大于等于2层的电缆连接。由于受单根带材出厂长度的限制，单层长带材的第一条带材的长度小于等于单根带材的最大长度，当某一层单层长带材的第一条带材按照递增计算的长度大于单根带材的最大长度时，完成第一轮叠放，从头开始排列，多个单层长带材的接头排布结构如图3所示，第ln-1层单层长带材的第一条带材长度为d3，而单根带材的最大长度为d3，因此，从第ln层开始，按照第一轮叠放方式进行第二轮叠放，如此循环，直至叠放的单层长带材的层数满足设计需求。或者，当完成第一轮叠放后，单层长带材的第一条带材按照以d2的长度递减设置，当某一单层长带材的第一条带材长度小于等于焊接长度d1时，完成第二轮叠放，随后每一层单层长带材的第一条带材按照以d2的长度递增设置，即按照第一轮叠放操作进行第三轮叠放，依次循环，直至叠放的单层长带材的层数满足设计需求。以单条带材长度120米为例，如需要1200米长的电缆，大约需要10根带材焊接在一起，5层的电缆需要约50根带材。

本实施例的一个优选方式，制作高温超导叠2采用相同长度的高温超导带材201，优选采用高温超导带材201的长度为120m±0.5m。由相同长度带材制成的单层长带材，结构相同，焊接点的位置也相同，在叠放时，将相邻两层相同序号的焊接点错开叠放，叠放完成后，按照高温超导叠2两端最短的带材进行切割，由于采用的带材长度规格相同，焊接方便，可以实现批量焊接，从而提高工作效率。

本实施例的又一个优选方式，制作高温超导叠2采用长度不同的高温超导带材201，具体为第一条带材和最后一条带材的长度不同。具体的，根据电缆长度、电阻等设计需要，第一条带材和最后一条带材的长度进行预先制定，中间带材的采用相同长度。示例性的，对于每轮叠放的多个单层长带材，单层长带材第一条带材的长度由上向下呈递增设置，最后一条带材的长度由上向下呈递减设置，或者，第一条带材的长度由上向下呈递减设置，最后一条带材的长度由上向下呈递增设置，叠放时，按照单层长带材首尾对齐叠放即可，不必进行切割，从而避免带材浪费。

需要说明的是，本实施例提供的超导电缆接头连接方法，所采用的单根带材长度无特殊限制，可以采用相同长度的带材也可以采用不同长度的带材。其中的一个优选方式，采用不同长度的高温超导带材201，在焊接成单层长带材之前对不同长度的带材进行编号并记录每一条高温超导带材201的长度数据，叠放单层长带材制作超导叠时，保证相邻两层单层长带材的焊接点不重合即可，因此，对高温超导带材的长度无严格要求，从而解决了目前厂家生产的高温超导带材长度有限、并且长度不均匀的问题，提升了带材利用率，降低高温超导带材厂家的生产成本。

步骤三：利用捆绑件3将叠放的多个单层长带材捆绑成高温超导叠2。

利用捆绑件3将步骤二制作的多个单层长带材叠层进行捆绑，制成高温超导叠2，优选地，捆绑件3为铝丝或者铝片。

为了提高高温超导电缆的性能，在利用捆绑件3缠绕捆绑之前，在高温超导叠2的上、下表面各加一层铝垫片1，铝垫片1的宽度与高温超导叠2的宽度相同，如图4至图5所示，用铝丝或者铝片对放置铝垫片1的多个单层长带材叠层进行绕包，形成一个高温超导叠2，在高温超导叠2的上、下表面各加一层铝垫片1能够保护高温超导带材，降低在制作超导叠和高温超导电缆生产过程中的拉伸、挤压和高温等因素对高温超导电缆结构上带来的不利影响。

步骤四：在高温超导叠2的表面覆铝。

本实施例中，采用铝作为稳定体，与铜等金属相比，铝的熔点低、导电率高、热导率高，用铝作为稳定体具有如下优势：(1)在超导带材失超或者过流时，铝可以作为导体导电，保护超导带材不被烧毁，保证了高温超导电缆的工作稳定性，延长了使用寿命；(2)绕制大型磁体时，铝能够作为支撑结构，在铝支撑结构的作用下高温超导电缆本身可以承担绝大部分的电磁应力和冷缩应力，因而提升了高温超导电缆的工作稳定性。

本步骤中的覆铝过程，利用铝包覆机进行，包括如下步骤：将高温超导叠2供入铝包覆机；覆铝组件通过摩擦加热的方式把铝棒材5挤压加热到450左右，使铝变软，然后再把变软的铝挤压到高温超导叠2上，覆铝组件的结构示意图如图6所示。其中，铝包覆机的挤压头4的结构如图7所示，挤压头4设有与高温超导叠2横截面相同的导出口7，变软的铝进入到挤压头4外壁至出线端6之间的空间内，高温超导叠2经导出口7从出线端6出线的过程中，铝包覆在高温超导叠2表面。由于铝比较软，为了尽快成型，出线端6设有冷却装置，优选采用水冷却的方式。最终成型的电缆形状包括但不限定以下两种，一种是如图8所示的矩形电缆，另一种是如图9所示的圆形电缆，用于不同的磁体。

与现有技术相比，本实施例提供的高温超导电缆接头连接方法，先将多条高温超导带材201依次首尾叠放焊接成单层长带材；再将长带材制成高温超导叠2，相邻两层单层长带材的焊接点在水平方向上间隔设置，将传统电缆的大接头变成单层长带材的接头并均匀分布在电缆中，此方法制成的接头体积小，对电缆的尺寸改变小，接头的结构简单、加工容易、工作量小，解决了电缆接头较多，工艺复杂，加工难度大，绕制线圈困难等难题，利用本发明的接头连接方法，能够加工成任意长度的电缆，并且这种接头方式适用于目前各类高温超导电缆。此外，该方法对高温超导带材201的长度的要求小，解决了目前厂家生产的高温超导带材201长度有限、并且长度不均匀的问题，降低高温超导带材厂家的生产成本，具有广泛的应用前景。

实施例二

本发明的有一个实施例，公开了一种高温超导电缆，该高温超导电缆基于实施例一中的电缆接头连接方法连接而成，该高温超导电缆包括：高温超导叠2，高温超导叠2由多个单层长带材叠放设置；单层长带材由多条高温超导带材201依次首尾叠放焊接而成，相邻两层单层长带材的焊接点在水平方向上间隔设置；还包括捆绑件3，捆绑件3将叠放的多个单层长带材捆绑成高温超导叠2。

为了提高高温超导电缆的性能，高温超导叠2的上、下表面分别设有一层铝垫片1，捆绑件3将铝垫片1与超导叠缠绕捆绑，优选地，捆绑件3为铝丝或者铝片。高温超导叠2的上、下表面分别设置铝垫片1，铝垫片1的宽度与高温超导叠2的宽度相同，如图4至图5所示。在高温超导叠2的上、下表面各加一层铝垫片1能够保护高温超导带材，降低在制作超导叠和高温超导电缆生产过程中的拉伸、挤压和高温等因素对高温超导电缆结构上带来的不利影响。

为了提高高温超导电缆的性能，高温超导叠2的表面设有覆铝层，采用铝作为稳定体，与铜等金属相比，铝的熔点低、导电率高、热导率高，用铝作为稳定体具有如下优势：(1)在超导带材失超或者过流时，铝可以作为导体导电，保护超导带材不被烧毁，保证了高温超导电缆的工作稳定性，延长了使用寿命；(2)绕制大型磁体时，铝能够作为支撑结构，在铝支撑结构的作用下高温超导电缆本身可以承担绝大部分的电磁应力和冷缩应力，因而提升了高温超导电缆的工作稳定性。

本实施例中，根据设计需要制作n层单层长带材，每一单层长带材需要焊接m条带材，并依次命名l1，l2，l3，l4，…ln…ln，n≥2，每一单层长带材的焊接点依次命名为k1，k2，k3，…km…，km，m≥2，基于对电缆电阻的性能需求确定焊接的长度d1，焊接长度d1也即相邻两条高温超导带材201的叠放重合长度。实际操作中，根据所需要的接头电阻的限值，确定焊接长度d1的数值或数值范围，优选的，d1为5cm至20cm中的某一数值或数值范围。

本实施例中，单层长带材中带材的排布方式有两种：第一种方式为，除去第一条带材和最后一条带材，单层长带材的中间每一条带材的两端焊接点位于该条带材的两侧；第二种方式为，除去第一条带材和最后一条带材，单层长带材的中间每一条带材的两端焊接点位于该条带材的同侧，如图2至3所示。考虑到高温超导带材有正反面，正面即有ybco的面，焊接的两带材的正面对着正面，即一根带材的ybco面与另一根带材的ybco面正对设置进行焊接，此焊接方式能够减小焊接电阻。

本实施例中，高温超导叠2由层单层长带材叠放而成，相邻两层单层长带材的焊接点在水平方向上间隔设置。将多个单层长带材垂向上叠置时，将不同层的单层长带材的焊接点分散在电缆中，也就是说，相邻两层单层长带材的第m个焊接点在垂向上间隔设置，垂向上投影不重叠，将传统电缆的大接头变成单层长带材的接头并均匀分布在电缆中。优选地，相邻两层单层长带材的第m个焊接点之间的横向距离为d2，其中，m为大于等于1的整数。优选地，d2大于1m。需要说明的是，相邻两层单层长带材的第m个焊接点之间的横向距离可以相同也可以不同，只要二者之间的横向距离大于1m即可，因此，本发明的接头连接方法对带材的长度无严格要求，大大减少电缆制作过程中带材废料，短带材或长带材不需要裁掉，也可以合理利用，能够显著降低成本。

为了进一步减小接头体积，进一步对多个单层长带材垂向上叠放方式进行优化，以顶层单层长带材的第一个焊接点为基准，由上往下叠放，第n层单层长带材的第一个焊接点距离顶层单层长带材的第一个焊接点的距离为(n-1)×d2，顶层单层长带材的第一条带材的长度大于焊接点的长度d1。由于受单根带材出厂长度的限制，单层长带材的第一条带材的长度小于等于单根带材的最大长度，当某一层单层长带材的第一条带材按照递增计算的长度大于单根带材的最大长度时，完成第一轮叠放，从头开始排列，多个单层长带材的接头排布结构如图3所示，第ln-1层单层长带材的第一条带材长度为d3，而单根带材的最大长度为d3，因此，从第ln层开始，按照第一轮叠放方式进行第二轮叠放，如此循环，直至叠放的单层长带材的层数满足设计需求。或者，当完成第一轮叠放后，单层长带材的第一条带材按照以d2的长度递减设置，当某一单层长带材的第一条带材长度小于等于焊接长度d1时，完成第二轮叠放，随后每一层单层长带材的第一条带材按照以d2的长度递增设置，即按照第一轮叠放操作进行第三轮叠放，依次循环，直至叠放的单层长带材的层数满足设计需求。以单条带材长度120米为例，如需要1200米长的电缆，大约需要10根带材焊接在一起，5层的电缆需要约50根带材。

本实施例的一个优选方式，制作高温超导叠2采用相同长度的高温超导带材201，优选采用高温超导带材201的长度为120m±0.5m。由相同长度带材制成的单层长带材，结构相同，焊接点的位置也相同，在叠放时，将相邻两层相同序号的焊接点错开叠放，叠放完成后，按照高温超导叠2两端最短的带材进行切割，由于采用的带材长度规格相同，焊接方便，可以实现批量焊接，从而提高工作效率。

本实施例的又一个优选方式，制作高温超导叠2采用长度不同的高温超导带材201，具体为第一条带材和最后一条带材的长度不同。具体的，根据电缆长度、电阻等设计需要，第一条带材和最后一条带材的长度进行预先制定，中间带材的采用相同长度。示例性的，对于每轮叠放的多个单层长带材，单层长带材第一条带材的长度由上向下呈递增设置，最后一条带材的长度由上向下呈递减设置，或者，第一条带材的长度由上向下呈递减设置，最后一条带材的长度由上向下呈递增设置，叠放时，按照单层长带材首尾对齐叠放即可，不必进行切割，从而避免带材浪费。

与现有技术相比，本实施例提供的高温超导电缆，包括高温超导叠2，高温超导叠2由多个单层长带材叠放设置；单层长带材由多条高温超导带材201依次首尾叠放焊接而成，相邻两层单层长带材的焊接点在水平方向上间隔设置，该结构设计把单个电缆的大接头变成单根带材的接头并均匀分布在电缆中，电缆尺寸均匀，没有局部增大，大大减小了接头体积，显著降低了绕制线圈的难度，而且接头结构简单、加工容易，工作量小，带材不浪费，多长的带材都能用，降低成本。此外，由于接头体积小，电缆发热更均匀，并且可根据需求调整焊接长度，进而调整接头电阻，具有广泛的应用前景。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。