[发明专利]一种大型超导磁体的铌三锡超导电缆的绕制方法

说明书

技术领域

   本发明主要涉及超导磁体技术领域，具体涉及一种大型超导磁体的铌三锡超导电缆的绕制方法。

背景技术

管内电缆导体是将铌钛或铌三锡超导线通过多级扭绞成为超导电缆，再将超导电缆穿入不锈钢钢管中，通过缩径、成型，制作成管内电缆导体，采用超临界氦或超流氦进行迫流冷却。该方法提高了超导线和氦的接触面积，改善了传热条件，而且使得管内电缆导体具有良好的自支撑、较低的交流损耗、所需冷却介质少、运行安全可靠、性能高等特点，已成为大型超导磁体的首选导体，成功的应用在托卡马克装置、仿星器装置以及大型高场超导磁体当中。然而，近年来在国际热核聚变装置ITER的铌三锡管内电缆导体研发的过程中发现，在多次电磁循环之后，铌三锡超导导体的超导性能出现不可逆的性能退化，这将直接影响到大型超导磁体的长期稳定运行。

通过大量的实验发现，由于热处理后的铌三锡材料具有很强的脆性，电磁循环中的洛伦兹力使得超导导体产生了很大的横向磁压，导致铌三锡材料的内部结构发生了变化，在局部产生了细微的裂纹，从而导致了超导导体性能的退化。因此不能直接采用原有铌钛管内电缆导体的设计理念，需要重新改进采用铌三锡超导材料的管内电缆导体以及超导电缆的设计，使之具有良好的自支撑，减少甚至消除由于电磁循环导致的性能退化。

发明内容

为解决现有技术中铌三锡管内电缆导体在多次电磁循环后出现的不可逆性能退化问题，制造出能够长期稳定运行的大型超导磁体。

本发明提供一种超导大型超导磁体的铌三锡超导电缆的绕制方法，采用铌三锡超导股线与铜股线分四级进行扭绞，增长前几级的扭距，使得超导电缆中的股线之间更好的接触，具有了良好的自支撑；同时减小超导电缆最后一级的扭距，降低超导导体的交流损耗。

本发明提供的大型超导磁体的铌三锡超导电缆，还采用铌三锡超导股线和铜线混搭的方式，既满足了超导导体对超导体和铜面积的要求，还保证了超导股线在导体内部的均匀分布，同时还降低了超导股线的用量，节约了生产成本。该设计方法使得超导电缆的设计更加灵活和实用。

为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：

大型超导磁体的铌三锡超导电缆的绕制方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）根据超导导体的工作条件、超导磁体分流温度的要求、以及失超后磁体热保护的需要，计算所需超导股线和铜线的数目，并配置超导电缆的组成方式，保证超导股线和铜线在超导电缆内部均匀分布；

（2）第一级绞缆，由三根超导股线或超导线与铜线组合绞制成一级缆，利用单绞机，采用主动退扭的方式进行绞制，过模并稳径，扭距选择为一级缆过模后直径的32-34倍，较长的扭距保证了股线间良好的支撑，从而能保证超导磁体中的超导电缆在电磁力作用下不会发生较大的位移和变形；采用应力反馈控制的方式对各股线的应力进行调节，确保各股线间应力分布均匀，同时保证每根股线的拉力小于20N。

（3）第二级绞缆，由三至四根一级缆绞制成二级缆，可采用相同的一级缆，也可采用不同组分的一级缆混搭而成，既满足磁体需要载流的超导面积以及磁体失超后热保护需要的铜面积要求，又节省了超导股线的用量；利用单绞机，采用主动退扭的方式进行绞制，过模并稳径，扭距选择为二级缆过模后直径的28-32倍；绞缆过程中合理配置放线盘和放线孔的位置，保证各子缆间位置分布对称。

（4）第三级绞缆，由三至四根二级子缆绞制成三级缆，利用单绞机，采用主动退扭的方式进行绞制，过模并稳径，扭距选择为二级缆过模后直径的20-22倍；采用周长尺、游标卡尺以及激光测径仪等工具实时测量和监控电缆的外径。

（5）第四级绞缆，由三至五根三级子缆绞制成四级缆，利用1+6/1250型成缆机，采用主动退扭的方式进行绞制；采用三道钨钢模具对超导电缆进行紧压缩径，使得电缆的空隙率达到38-42%，以保证超导电缆在超导导体中的均匀分布；扭距选择为四级缆缩径后直径的14-16倍，较短的扭距减小了股线间的耦合电流损耗，从而可降低超导磁体的交流损耗；要求超导电缆无跳线，无损伤，电缆外形尺寸均匀，无椭圆或麻花情况。

（6）四级缆表面采用0.05mm厚的不锈钢带进行45-55%叠包，要求钢带平整，不打皱，不破裂；从而制作成铌三锡超导电缆。在电缆收缆前装配“通规”，在线检测电缆的外径尺寸，以保证穿管要求。