一种应用于ReBCO多带材超导电缆接头端子的设计及其制作方法与流程

本发明属于电缆技术领域，涉及一种应用于二代高温超导带材(rebco)超导电缆接头端子设计与制作方法，更具体的，涉及由多根rebco超导带材组成的超导电缆在性能测试分析过程中的接头端子结构设计与制作方法，使得其具有低接头电阻与高的带材之间电流分布均匀特性。

背景技术：

第二代涂层导体rebco具有较高的临界温度、临界电流密度以及上临界磁场，被认为是应用于下一代千安级以上高场磁体的潜力材料之一。目前其主要以带材形式应用，具有各向异性。此带材的各向异性特点加剧了其超导电缆的结构设计与应用难度。同时，针对rebco超导带材的电缆结构设计，目前认可度较高的有超导扁带连续换位(roebel)复合导体、超导扭曲堆叠(tstc)复合导体以及螺旋形复合导体(corc)等等。在对这些多带材组成的rebco超导电缆性能进行测试分析的过程中，需要有一个过渡接头，来实现电流从引线到超导电缆的过渡传输。此过渡接头直接影响着被测试电缆中各超导带材之间的电流分布情况，在电流分布不均的情况下不可避免的会出现局部失超引起的电缆性能的误判或造成电缆的损坏。因此，对于多带材组成的rebco超导电缆，接头端子是评估其性能的关键部件之一。

目前圆线类超导电缆(如nbti，nb3sn，bi2212，mgb2等)测试过程中接头端子的制作工艺比较成熟，主要采用铜排开槽与超导电缆锡焊的方法，由于这些圆线类超导电缆在锡焊的过程中温度的限制范围较宽(一般控制在焊锡熔点之上500℃以下)，接头制作的锡焊过程较简单，且较高温度的控制能够使得超导电缆与铜槽之间的空隙填满焊锡，因此通常其单个接头端子电阻值在运行工况(～4.2k)下为10^-13～10^-14欧姆之间。

然而，rebco涂层导体是一种多层薄带结构，如图1中所示，通常包括有金属稳定层(如铜稳定层)、银保护层、超导层、缓冲层和基底层。rebco超导带材的这种复合结构给其超导电缆的接头端子的设计与制造带来了一定的困难。为了对多带材rebco超导电缆性能进行分析，图2(a)、(b)和(c)简要示出了目前典型的多带材rebco电缆接头端子的处理方法。其中(a)结构主要是通过加工锥形或方形铜排，然后将每一根rebco超导带材在铜排上进行锡焊或压接，从而起到固定与电流传输的作用；图2(b)与和(c)分别示出了目前典型的圆形和方形电缆的接头端子，主要是将多带材电缆的端部通过焊料或其他高导电物使其成一整体结构，然后与铜排上相应形状槽进行紧装配。以上结构图2(a)操作相对复杂，尤其是在带材数量超过一定值以后，且端子根部带材易受到局部应变的作用，引起性能衰退；图2结构(b)和(c)电流传输需经历从外向内，尽管电流能够在填充的焊料或其他高导电物之间进行传输，但其还是会导致高接头电阻以及不同超导带材之间电流分布不均匀的现象。此外，高的接头电阻引起的发热量大，进而影响整个电缆的载流性能。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种适用于rebco多带材超导电缆的接头端子设计与制作方法，使得其适用于各种结构的多带材rebco超导电缆的电学性能测试分析。主要采取对多带材进行分层处理的模式，其相对于现有典型模式接头端子的设计使得电流可以通过接头端子盖板或底座、高导电物直接进入每一根rebco超导带材，其更有利于电流在不同带材之间的均匀分配。此外，其制作过程避免了包括根部在内的局部易损结构，解决了多带材rebco超导电缆在接头端子制作过程中易出现机械损伤造成电学性能衰退的问题，且其制作过程不受带材数量的限制，操作简便。

本发明提供一种应用于rebco多带材超导电缆接头端子的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、rebco超导带材组成的多带材rebco超导电缆的两端部采用台阶状的分层结构，层数根据带材的数量以及测试设备所允许的接头端子的长度进行分配，每层长度≥10mm，超导电缆中的rebco超导带材绕制或堆叠的层数均为n层，电缆端部接头部分的超导带材根据其绕制或堆叠层数设计为n个台阶；

步骤2、与超导电缆性能测试过程中电流输入所采用的电流引线连接用端子设计采用底座与盖板组装结构；

步骤3、底座设计，在长方体块材的上端面开槽用于固定rebco超导电缆端部，其中所述槽横截面为半圆形、u型或者方形，且在长度方向上设计为台阶式结构，根据电缆端部的各层台阶长度或相邻层累加长度确定台阶式结构的长度，所述槽的半径或宽度应大于电缆的外径或宽度，方形或者u型槽的深度需大于电缆直径/厚度；

步骤4、基于前述底座进行对应的盖板结构设计，如果底座采用半圆形槽结构，则盖板对应位置也采用相同的半圆形槽结构，如果底座采用方形或者u型槽结构，则盖板为一平板结构，无需进行槽结构设计；

步骤5、步骤1中的rebco超导电缆的接头端子部分与端子底座以及盖板通过底座和盖板上的槽进行组合装配，底座上的槽的位置根据电流引线的连接状态而定；

步骤6、底座与盖板采用螺纹连接安装固定，底座上采用螺纹孔，盖板采用通孔结构；

步骤7、端子底座、盖板与超导电缆的装配空隙采用高导电物质填充；

步骤8、为便于高导电物质的填充处理，盖板上对应于底座槽的位置设计采用通槽/通孔结构，通槽/孔的数量根据整个盖板的长度选择单个或多个，盖板两端部以及通孔/通槽之间的连接距离需大于预定长度阈值以避免加工变形的影响；通槽宽度/通孔直径需小于电缆宽度/直径。

本发明还提供一种应用于rebco多带材超导电缆接头端子的制作方法，包括如下步骤：

步骤1、对由多根rebco超导带材组成的超导电缆的两端进行处理，根据带材的数量以及测试设备所允许的接头端子的长度，测量获得接头端子部分各层的起始及末端位置；

步骤2、对各层的台阶长度上的rebco超导带材末端进行固定，去除末端以外长度上多余的超导带材；

步骤3、在多rebco超导带材之间采用高导电性物质进行填充，以满足带材间的电流传输与连接固定的需求，此高导电性填充材料熔点满足≤220℃；

步骤4、对多带材超导缆的两端部台阶部分采用高导电物质进行结构固定预处理；

步骤5、端子底座、盖板与超导电缆组装采用高导电物质填充装配的方式，确保其起到机械固定与低阻电流传输的作用；

进一步的，在进行超导电缆两端设计处理过程中，台阶式结构中的单层台阶放置单根或多根超导带材。

进一步的，电缆两端的台阶式结构部分采用高导电性能物质固定，并在固定后进行加热融化预处理。

进一步的，端子底座或盖板上的通槽或台阶式槽尺寸由超导电缆尺寸决定，台阶长度是超导电缆单层或相邻多层台阶长度。

进一步的，端子盖板上的通槽/通孔数量视具体的接头端子的长度为是一个或多个，以确保盖板整体强度的同时，保证有足够的空间进行高导电物质的后续高均匀度低孔隙率填充，通过通槽/通孔填充高导电物质。

进一步的，接头端子底座、盖板与超导电缆之间的固定方式，是熔点满足≤220℃的高导电物质熔融连接或通过高塑性高导电填充物紧配合的方式；

进一步的，接头端子的底座与盖板的结合方法采用螺栓连接或焊接方式。

本发明还提供一种应用于rebco多带材超导电缆接头端子，其特征在，包括：

方形的底座与盖板；

所述底座包括，在长方体块材的上端面开槽，其中所述槽横截面为半圆形、u型或者方形，且在长度方向上设计为台阶式结构，根据电缆端部的各层台阶长度或相邻层累加长度确定台阶式结构的长度，所述槽的半径或宽度应大于电缆的外径或宽度，方形或者u型槽的深度需大于电缆直径/厚度；

所述盖板，与底座相配合，如果底座采用半圆形槽结构，则盖板对应位置也采用相同的半圆形槽结构，如果底座采用方形或者u型槽结构，则盖板为一平板结构；

超导电缆的接头端子部分与端子底座以及盖板通过底座和盖板上的槽进行组合装配；

所述底座与盖板采用螺纹连接安装固定，底座上采用螺纹孔，盖板采用通孔结构；

所述端子底座、盖板与超导电缆的装配空隙采用高导电物质填充。

本发明的优点是：

本发明为了满足rebco多带材超导电缆电学性能测试分析用接头端子需求，设计对超导电缆端部进行台阶式处理后与高导电底座及盖板组装，最后对组装间隙采用高导电物质进行填充的方式，有效的改善了多带材rebco超导电缆接头端子的电流分布状况，大大降低了接头电阻。此外，其操作简单，解决了接头端子制造过程中易引起超导带材局部损伤，破坏其超导特性的难题。

附图说明

图1是常规rebco超导带材结构示意图；

图2(a)是目前现有典型铜排/铜锥端子上rebco超导带材逐层锡焊结构的接头端子示意图；

图2(b)是目前现有rebco圆柱形电缆整体锡焊结构的接头端子示意图；

图2(c)是目前现有rebco堆叠方形电缆整体锡焊结构的接头端子示意图；

图3(a)是本发明的一种应用于rebco多带材超导电缆接头端子中圆形电缆端部处理示意图；

图3(b)是本发明的一种应用于rebco多带材超导电缆接头端子中方形电缆端部处理示意图；

图4(a)是本发明的一种应用于rebco多带材超导电缆接头端子的圆形/u型槽底座示意图；

图4(b)是本发明的一种应用于rebco多带材超导电缆接头端子的方形槽底座示意图；

图5(a)是本发明的一种应用于rebco多带材超导电缆接头端子的半圆形槽盖板示意图；

图5(b)是本发明的一种应用于rebco多带材超导电缆接头端子的平板式盖板示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

参见附图，图1是常规rebco超导带材结构示意图，包括稳定层、银保护层、超导层、缓冲层和基底层；

图2(a)是目前现有典型铜排/铜锥端子上rebco超导带材逐层锡焊结构的接头端子示意图；图2(b)是目前现有rebco圆柱形电缆整体锡焊结构的接头端子示意图；图2(c)是目前现有rebco堆叠方形电缆整体锡焊结构的接头端子示意图。

根据本发明的一个实施例，本发明提供一种应用于rebco多带材超导电缆接头端子的设计方法，包括如下步骤：

步骤1、rebco超导带材组成的多带材rebco超导电缆的两端部采用台阶状的分层结构，层数根据带材的数量以及测试设备所允许的接头端子的长度进行分配，单层长度≥10mm，例如图3(a)和(b)中所示，超导电缆中的rebco超导带材绕制或堆叠的层数均为3层，则电缆端部接头部分的超导带材根据其绕制层数可设计为三个台阶。

步骤2、与超导电缆性能测试过程中电流输入所采用的电流引线连接用端子材料选用高导电性(如剩余电阻比大于100的高纯无氧铜)块材，此外，为方便与步骤1中的rebco超导电缆端部安装，端子设计采用底座与盖板组装结构；

步骤3、底座设计如图4中所示，在长方体块材的上端面开槽用于固定步骤1中的rebco超导电缆端部，其中所述槽可以为半圆形、u型或者方形的台阶式结构，根据步骤1中电缆端部的各层台阶长度或相邻层累加长度进行台阶式结构设计，槽的半径或宽度应略大于电缆的外径或宽度，为便于操作，方形或者u型槽的深度需略大于电缆直径/厚度。图4(a)示出了半圆形或u型槽端子底座示意，图4(b)示出了方形槽端子底座示意；

步骤4、根据步骤3中的底座进行盖板结构设计，如图5中所示，如底座采用半圆形槽结构，则盖板对应的位置也需要进行相同的半圆形槽结构，示意如图5(a)所示，如底座采用方形或者u型槽结构，则盖板可以为一平板结构，示意如图5(b)所示，无需进行槽结构设计。

步骤5、步骤1中的rebco超导电缆的接头端子部分与端子底座以及盖板通过底座和盖板上的槽进行组合装配，因此，步骤3中底座槽可位于长方体块材上表面的任意位置，具体随电流引线的连接状态而定；

步骤6、底座与盖板的安装固定设计采用螺纹连接，底座上采用螺纹孔，盖板上采用通孔结构；

步骤7、端子底座、盖板与超导电缆的装配空隙采用高导电物质(如sn63pb37)填充；

步骤8、为便于高导电物质的填充处理，盖板上对应于底座槽的位置设计采用通槽/通孔结构，如图5中所示，通槽/孔的数量可以根据整个盖板的长度选择单个或多个，盖板两端部以及通孔/通槽之间的连接距离需确保足够的长度以避免加工变形的影响。通槽宽度/通孔直径需小于电缆宽度/直径；

本发明还提出一种应用于rebco多带材超导电缆接头端子的制作方法，其特征在于,包括如下步骤：

步骤1、对由多根rebco超导带材组成的超导电缆的两端进行处理，根据带材的数量以及测试设备所允许的接头端子的长度，测量获得接头端子部分各层的起始及末端位置；

步骤2、对各层的台阶长度上的rebco超导带材末端进行固定，去除末端以外长度上多余的超导带材；

步骤3、在多rebco超导带材之间采用高导电性物质(如sn63pb37)进行填充，以满足带材间的电流传输与连接固定的需求，此高导电性填充材料熔点满足≤220℃；

步骤4、对多带材超导缆的两端部台阶部分(如图3中所示部分)采用高导电物质进行结构固定预处理(如可采用sn63pb37进行各rebco超导带材台阶部分的焊接固定)；

步骤5、端子底座、盖板与超导电缆组装采用高导电物质填充装配的方式，确保其起到机械固定与低阻电流传输的作用；

在进行超导电缆两端设计处理过程中，台阶式结构中的单层台阶可以放置单根或多根超导带材；

电缆两端的台阶式结构部分可以采用高导电性能物质(如焊锡)固定，并在固定后进行加热融化预处理；

端子底座及盖板上的槽结构任意，可以是方形或圆形，可根据rebco多带材超导电缆的具体形状选择；

端子底座或盖板上的通槽或台阶式槽尺寸由超导电缆尺寸决定，台阶长度可以是超导电缆单层或相邻多层台阶长度；

端子盖板上的通槽/通孔数量视具体的接头端子的长度可以是一个或多个，以确保盖板整体强度的同时，保证有足够的空间进行高导电物质的后续高均匀度低孔隙率填充，通过通槽/通孔填充高导电物质；

接头端子底座、盖板与超导电缆之间的固定方式，可以是高导电物质(熔点满足≤220℃)熔融连接或通过高塑性高导电填充物(如铟)紧配合的方式；

接头端子的底座与盖板的结合方法可以采用螺栓连接或焊接方式；

如图3及图4所示，根据本发明的另一实施例，提出一种应用于rebco多带材超导电缆接头端子的制作方法，包括如下步骤：

步骤1、根据rebco超导电缆包含的超导带材数量(层数)确定电缆两端部台阶部分总长度，单层台阶长度≥10mm，台阶部分总长度200～400mm；可选的，采用宽度为1-6mm、厚度为0.05-0.2mm的rebco超导带材绕制的多层(3层以上)，每层2-5根超导带材的超导电缆；

步骤2、根据电缆两端部台阶部分尺寸以及其与相应的电流引线的连接结构确定端子底座和盖板的结构设计，盖板上槽/孔的数量可以根据端子的长度具体选择，槽的宽度可以根据电缆尺寸确定，一般使得其小于电缆的外形尺寸；

可选的，为了满足通电过程中电流在各层超导带材之间均匀分配，电缆接头内部超导带材设计采用台阶式结构，每个台阶的长度需要依据电缆结构和接头内电缆长度以及铜接头尺寸计算所得，使得各层超导带材的端部都裸露在外侧；

步骤3、采用高导电材料加工端子底座和盖板；

步骤4、rebco超导电缆两端部台阶部分处理，首先根据(1)中的最外层层台阶长度设计，将台阶端部的超导带材进行固定处理，并移除此层长度上多余的rebco超导带材，依次逐层处理，直至最内层；

步骤5、rebco超导电缆两端部台阶部分预处理，采用高导电性物质如焊锡等进行加热熔化预处理或采用高导电物质紧密包裹处理；

步骤6、组装rebco超导电缆端部以及端子底座和盖板，并在空隙处填充高导电物质，

步骤7、通过盖板上的槽/孔结构填充熔融态高导电性物质固定并强化接头端子，高导电填充物质熔点满足≤220℃。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。