本发明专利技术公开了一种高安全性低漏热高温超导大电流引线的分流器，它与数十个已钎焊成一体的ＨＴＳ叠焊接构成ＨＴＳ组件。分流器的温端与冷端分别焊接有无氧铜端头，温端与冷端之间，依次有锡磷青铜段和不锈钢段，都与ＨＴＳ叠钎焊。所述无氧铜端头、锡磷青铜段、不锈钢段相邻处都是硬钎焊连接。本发明专利技术通过选择分流器材料和改进结构，即使电流引线失超，在磁体放电过程中高温超导热点温度低于２００Ｋ；并限制向５Ｋ的总漏热低于０．２Ｗ／ｋＡ水平。本发明专利技术分流器传导漏热低，安全性高，适用于大型超导磁体的ＨＴＳ电流引线，将应用于磁体贮能量数十ＧＪ水平的６８ｋＡ电流引线。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及大型超导磁体的高温超导电流引线超导组件，具体是一种高安 全性低漏热高温超导大电流引线的分流器。
技术介绍
21世纪中国将发展超导技术并大规模地应用于高能加速器、核聚变实验装 置、高场磁体和贮能磁体等。4K低温致冷技术的难度和昂贵的运行费用曾是低 温超导技术推广的屏障，大型超导磁体馈电的电流引线是最主要的热负荷来源。 采用高温超导(HTS)电流引线可使4.5K热负荷下降一个数量级。但不少人对大 电流引线的可靠性心存疑虑如果制冷机或低温系统故障停止供冷会不会导致 HTS失超？ HTS组件失超会不会使超导磁体无法安全退磁等等？大型磁体的安全是十分重要的，铜制常规电流引线其实也存在失去冷却后 会不会烧毁的问题，只是它不存在失超的危险。HTS电流引线对于失冷所产生的 安全威胁，现有的对策是降低HTS温端至室温的常规换热器段电流密度，增加 换热器的热沉；同时增加HTS分流温度与运行温度之差，即提高温度裕度。德 国卡尔斯鲁厄技术物理所(FZK-ITP)的70kA电流引线试验证明，当电流引线试 验电流在68kA额定值，失冷5分钟后HTS才出现分流和失超转变。如果磁体在 5分钟内退磁，则HTS不发生失超， 一般情况下5分钟时间已足够让磁体电流回 零，所以HTS电流引线的可靠性和安全性也是有保障的。那么HTS组件一旦发生失超，它会不会在磁体退磁过程中被烧毁或性能因 过热而退化？这取决于与它并联的分流器设计。分流器设计包括材料选择和截 面积确定，在正常运行情况下分流器不承载电流，只起到对HTS叠的机械支撑 作用。 一旦HTS达到分流温度，则分流器和HTS带的Ag-Au基体共同承载部分 电流。目前欧洲核研究中心(CERN)用于超级强粒子对撞机(LHC)的13kA电流 引线和FZK-ITP的70kA电流引线都选择不锈钢作为分流器材料，其优点是热导 率小，它的比热对电阻率的比值比其他金属大。HTS失超后电流完全转移到基体和分流器中，由于HTS组件的材料都具低热导、高电阻率特性，升温快速，可 近似按绝热过程处理，即电流产生的焦耳热全部转化为对导电材料的加热。从 失超到热点温度阈值的热逃逸时间可表达为(1)<formula>formula see original document page 4</formula>上式中At是分流器的截面积，I—分流器承载的电流，a—分流器的体积比热,p—电阻率，Th。tsp。t—热点温度阈值，Tinitial —失超的初始温度。由式(1)可见， 如果考虑失超后的安全性，即延长热逃逸时间t，可通过增加截面积A^t或选择 低电阻率材料。但随之而来的问题是漏热增加，因为分流器的漏热<formula>formula see original document page 4</formula>上式中、一是分流器材料的热导率，Tw-，，d分流器温端温度。根据Wiedemann-Frantz定律<formula>formula see original document page 4</formula>上式中L。是Lorentz常数，T一温度。所以，较低电阻率材料的热导率必然较高， 增加热逃逸时间必将导致漏热增加。美国超导公司曾为LHC研发13kA电流引线时采用黄铜分流器。EAST有一对 纵场磁体16kA电流引线也用了黄铜分流器，实验结果表明，其安全性能很好， 但传导漏热高达llW/个。总之，现有大电流引线的分流器设计都采用单一材料，要么安全性不够，要 么漏热过大。巨型超导磁体是未来磁约束聚变能开发必不可少的部件，因此， 高安全性、低漏热HTS电流引线具有潜在的市场需求。现有的分流器多数多采用单一的不锈钢材料，具有漏热低的优点，当热逃 逸时间要求大于13秒以上时分流器设计成为难题。不锈钢分流器的一个主要问 题是其电阻率比Ag-5. 3wt.%Au合金大 21倍，而二者在并联导电时电流按截面 积与电阻率的比值分配电流。以FZK的70 kA不锈钢分流器为例[2]，虽然分流 器的截面积4955 mm2是Ag-Au基体的9.1倍，但由于电阻率的悬殊差异，不锈 钢承载电流仅仅占30%，而7(^电流由HTS带的基体承载。单位体积的发热比例于电流密度的平方与电阻率的乘积，由于电流密度悬殊差异，HTS叠内发热密度 竟是不锈钢分流器的21倍，这样，分流器实际上并非从HTS叠分走电流，而是 作为热沉分走发热。然而不锈钢的热导率相当低，试验表明，即使距离HTS叠 7mra的不锈钢分流器，在失超后的温差可高达30-35K。这说明厚壁不锈钢分流器的大部分材料对热沉的贡献很少。国际热核聚变试验堆(ITER)的环形场磁体由18个D形线簡组成，设计额定 电流68 kA，全部贮能量 41 GJ，出于安全考虑，每两个线圈连接一对电流引 线。纵场线圈导体的放电时间常数为ll秒，为防止电磁噪声产生的误触发保护 系统，从失超信号检测到触发磁体电源断开及移能保护，延时2秒。在前2秒 内电流引线保持全电流，自第2秒后电流将按负指数^减，这样13秒内的发热 等值于2 + 11/2 = 7.5秒内全电流发热。但为安全起见，要求13秒内维持全 电流，热点温度不超过160 K。FZK-ITP的70kA电流引线试验结果表明，以HTS两端电位差10 mV为失超 判据为计时起点，7s后热点温度达到150 K,因此未满足13s要求，而且相差甚远o
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高安全性低漏热高温超导大电流引线的分流器，通 过正确选择分流器材料和改进其结构提高安全性，延缓升温速率，但又不以增加漏热作为代价，电流引线一旦失超，在磁体放电时间常数加2秒内即使电流 引线维持额定电流，HTS的热点温度不超过160K;并且分流器向5K低温的漏热 低于0. 06W/kA水平。本专利技术技术方案如下一种高安全性低漏热高温超导大电流引线的分流器，包括有温端与冷端分 别焊接有高导无氧铜端头，其特征在于所述的温端与冷端之间，依次有锡磷青 铜段和不锈钢段；所述无氧铜端头、锡磷青铜段、不锈钢段相邻处真空硬钎焊 连接，与事先已软焊接为一体的HTS叠的钎焊温度需低于HTS叠钎料熔点。所述的高安全性低漏热高温超导大电流引线的分流器，其特征在于所述的 锡磷青铜段、不锈钢段之长度比为2-3: 2。本专利技术分流器是将分流器纵向分成两段,在较高运行温度段采用热导比不锈钢略好的铜合金，在低运行温度段仍采用不锈钢以减小向低温漏热，它适用于 大型超导磁体的HTS电流引线，将应用于磁体贮能量GJ水平的68kA电流引线。根据美国HORIZON公司CRY0C0MPv3. 06软件提供的合金材料数据，锡磷青 铜在100K温度的电阻率约比不锈钢低6倍，二者的电阻率、热导率和体积比热 对温度的变化见图1-3。锡磷青铜较低的电阻率可使它从失超的HTS叠中分出更 多的电流，同时由于它的热导率比不锈钢高3倍多，能更好地帮助HTS叠散热。 所以，从安全性考虑它比不锈钢能更有效地保护HTS材料失超导致过热损坏。需要特别指出的是，HTS失超通常出现在温度最高区，然后向低温区传播， 在失超区扩展到不锈钢段之前，此段HTS叠仍承载几乎全部电流，这样其情本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高安全性低漏热高温超导大电流引线的分流器，包括温端与冷端分别焊接有高导无氧铜端头，其特征在于所述的温端与冷端之间，依次有锡磷青铜段和不锈钢段；所述无氧铜端头、锡磷青铜段、不锈钢段相邻处真空硬钎焊连接。
【技术特征摘要】
1、一种高安全性低漏热高温超导大电流引线的分流器，包括温端与冷端分别焊接有高导无氧铜端头，其特征在于所述的温端与冷端之间，依次有锡磷青铜段和不锈钢段；所述无氧铜端头、锡磷青铜段、不锈钢段相邻处真空硬钎焊连接。2、 根据权利要求1所述的高安全性低漏热高...
【专利技术属性】
技术研发人员：毕延芳，丁开忠，林贤军，
申请(专利权)人：中国科学院等离子体物理研究所，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]
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