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中国科学院自主研发“铝基卢瑟福超导电缆”通过出厂验收会

时间:2020-07-26

卢瑟福电缆是截面被展平成矩形的换位单层电缆。包括导体、金属护套和多根超导股线。超导电力技术不仅可以明显改善电能的质量,提高电力系统运行的稳定性和可靠性,还可以大大提高单机容量以及电网的输送容量。超导电缆是目前超导电力技术领域最有发展前景的超导电力设备。

2020年6月中旬,中国科学院高能物理研究所研制的“铝基卢瑟福超导电缆”通过出厂验收会。该超导电缆将用于EMuS超导俘获螺线管的预研样机研制,其对于推进CEPC探测器超导磁体预研工作也具有重要意义。产品质量达到国际同类产品先进水平。该产品由16股NbTi超导线制成的卢瑟福电缆经外面包覆纯铝而成,为国内首次实现生产。

铝基复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料,它由两种或两种以上性质不同的材料通过各种工艺手段复合而成。铝及其合金都适于作金属基复合材料的基体,铝基复合材料的增强物可以是连续的纤维,也可以是短纤维,也可以是从球形到不规则形状的颗粒。铝基复合材料增强颗粒材料有SiC、AL2O3、BN等,金属间化合物如Ni-Al,Fe-Al和Ti-Al也被用工作增强颗粒。复合材料可分为三类:聚合物基复合材料(PMCs)、金属基复合材料(MMCs)、陶瓷基复合材料(CMCs)。金属基复合材料基体主要是铝、镍、镁、钛等。铝在制作复合材料上有许多特点,如质量轻、密度小、可塑性好,铝基复合技术容易掌握,易于加工等。

超导电缆是利用超导在其临界温度下成为超导态、电阻消失、损耗极微、电流密度高、能承载大电流的特点而设计制造的。其传输容量远远超过充油电缆,亦大于低温电缆,可达10000MVA以上,是正在大力研究发展中的一种新型电缆。由于超导体的临界温度一般在20K以下,故超导电缆一般在4.2K的液氦中运行。

超导电缆的结构有刚性和可挠性两种形式,缆芯分单芯和三芯。设计时须充分考虑其组成材料的膨胀系数,以免电缆因热胀冷缩产生过大内应力而受损。

超导电缆是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径,由于它的潜在优势如此诱人,所以各国科技工作者为此正在进行大量的研制工作。

低温超导电缆的导电层是采用低温超导线材,通常是NbTi/Cu或NbsSn/Cu复合超导线制成。由于NbTi的临界温度是9.5 K,的临界温度是18.1 K,因此低温超导电缆都必需在液氦温区下运行。

高温超导电缆的导电层主要采用Bi2223带材,它的临界温度约为110 K,因此可以在液氮温区下运行,其低温结构相对低温超导电缆要简单。

直流超导电缆由于超导材料处在超导态时几乎没有电阻,输电时只有电流引线和低温制冷装置有电能损耗。

交流超导输电电缆由于超导体在通电运行时会产生交流损耗以及绝缘层介质损耗等,因此其热损耗要比直流电缆大。

常温绝缘超导电缆的电绝缘层是处在电缆低温容器外的常温区,它可以采用常规电缆的电绝缘材料和技术,

低温绝缘超导电缆的电绝缘层是直接缠包在导体上,并与导体一起处在低温区,这样电缆尺寸将更紧凑。为了防止电缆载流时产生磁场对周围环境的影响,通常在绝缘层外还加有屏蔽层。

超导电缆本体包括电缆芯、电绝缘和低温容器,电缆芯是由超导体组成,它装在维持电缆芯所需低温的低温容器管中,低温容器管两端与终端相连。电缆芯的超导带在终端通过电流引线与外部电源或负载相连接。对高温超导电缆,电缆芯是由绕在骨架上的多层高温超导带材组成,超导带层间缠绕绝缘带,以降低电缆因电磁耦合引起的交流损耗。电缆的低温容器管采用具有高真空和超级绝热的双不锈钢波纹管结构,这种结构保证了高温超导电缆的柔性和保持夹层高真空度。对低温绝缘电缆,电绝缘包在导体层外侧,与导体层同处低温环境中。对常温绝缘电缆,电绝缘处在低温容器外侧,在绝缘层外再加电缆保护层。

终端是超导电缆与外部电气部件连接的端口,同时也是电缆低温部分与外部室温的过渡段,因此终端要求有很好的热绝缘,以保证超导电缆整体热损耗最小。同时,低温冷却装置还要通过终端冷却超导电缆芯的超导带材,保证超导体能在设计的运行温度下运行。另外,由于超导电缆导体层将通过电流引线与外部高电压母线连接,因此要求终端有相应的电绝缘水平。