一种超导技术的断路器及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种超导技术的断路器及其制备方法，属于超导技术的应用领域，特别是属于用薄带状的超导材料，制造成消除磁场影响，可稳定可靠运行、实用化的断路器的技术。
背景技术
随着超导材料的实用化，其在强磁场产生领域得到了越来越多的应用。磁共振成像、磁体储能等很多领域中超导磁体需要在持续电流模式下运行，而超导断路器是这种模式闭环运行的必要条件。磁体升场时将超导断路器断开，用外电源为磁体充电。当充电电流达到额定值后就可以闭合超导断路器。这样即使撤掉电源磁体也能长期运行下去。
为了使超导断路器开或闭有多种方法，根据超导材料的性质，只有当超导材料所处的温度和磁场低于一定的水平，且流经超导材料的电流也低于一定密度时电流才能无阻地流过超导材料。这三个条件分别被称为超导材料的临界温度，临界磁场和临界电流，三个临界条件互相影响且因超导材料不同而有很大差别。只要破坏其中一种条件，超导材料就进入电阻态，从而达到分断超导断路器地目的。在美国专利申请US 5805036A的说明书中就使用了磁分断技术，在需要分断断路器时用一磁体接近超导材料，使其处于高于其临界磁场的环境下，从而使超导材料失超，达到了分断断路器的目的。而在中国专利申请0310570.0的说明书中就使用了磁场与加热的双重技术。
以上技术存在如下问题：
1、对于现在常用的高温超导带材，在其实用温度(20°～40°K)下的临界磁场较高，较难用于断路器控制。在不追求断路器动作速度的情况下就首先考虑加热的办法，且加热有助于提高分断后开断电阻，增强断路器性能。
2、由于超导断路器的额定电流都很大，不当的设计会使其具有较大的磁性，一方面超导线在洛仑兹力的作用下会产生对材料不利的内应力，另一方面其产生的磁场对周围的设备也可能有影响。
【发明内容】
本发明提出了一种解决上述问题的超导断路器及其制备方法，它是由分断间隔1、加热体4和冷却部件5三个主要部分构成，详细结构如图1所示。详细结构及制备方法如下：
1、使用由粉末装管法生产的Bi2223(Bi2Sr2Ca2Cu3Ox)多芯超导扁带材料4作为断路器的分断间隔1，其基底多为银或银合金。超导扁带4断面结构如图2所示，4a为其中一根超导芯，4b为银或银合金基底。
2、选用康铜薄带3作为断路器的加热体，用绝缘漆将它与超导扁带4粘紧并绝缘，紧粘在超导扁带4组成的分断间隔1的外侧，根据不同的制冷条件设计选择了康铜带3的加热功率，可将断路器的温度控制在150°～200°K。
3、如图3所示的缠绕成断路器的分断间隔，其突出的特点是超导扁带为一个或并排缠的绕数个超导扁带组成为一体物，缠绕过程中没有接头，把超导扁带的中间段放在缠绕线圈的最内层，呈太极图状，超导扁带在缠绕过程中都呈一定半径(其半径大于20mm)的圆弧。内层太极图状如图3所示，是由两个玻璃钢材料制成的构成太极图状的骨架2，根据断路器性能要求设计出不同长度的超导扁带4组构成的分断间隔1。其长度L＝R0/R(cm)，R为150°K时1cm超导扁带组的电阻值，R0为根据断路器性能要求分断后的最小电阻值。之后按图3所示，在超导扁带4外侧粘附上康铜带3后缠绕成圆盘形。
4、在各个超导扁带4，康铜薄带3两侧都涂敷耐低温树脂绝缘漆，在缠绕过程中要对超导扁带组4和康铜薄带3构成的复合带材施加1N～5N的预应力，将其绕紧形成紧固的圆盘形。缠绕后在它的外圆加封耐低温树脂绝缘漆，构成2mm左右的薄绝缘漆层5，在构成了断路器的分断间隔1和加热体3的圆盘缠绕体的一个平面侧涂上1mm左右薄绝缘漆层5，并与铜质冷却部件7通过压紧螺栓6压紧，如图5所示。使圆盘缠绕体通过压紧的冷却部件7和制冷机冷头实现整体热偶联。
5、断路器的分断间隔1与加热体3缠绕完成后需要在200℃～400℃下将绝缘漆烘干、固化。
当制冷机工作时把断路器分断间隔1整体冷却到20°～40°K；此时超导扁带组4有很好的载流能力，如用一个超导扁带临界电流大于100A，如需要更大额定电流的断路器时可用数个并排缠绕超导扁带组，将它们并联在一起，其通过的电流可达到1000A以上。由于本发明断路器分断间隔1是由中间无接头的一体超导扁带组4最内层按太极图形缠绕的。同样大小的电流在相邻导体中反方向流动，电流产生的磁场得以抵消，实现了无感绕制，加上外面康铜带3是无磁的就降低了超导断路器的磁性问题。同时在超导扁带组4邻近外侧紧粘并绕在一起的康铜薄带3为整体加热器，当其送电时断路器分断间隔1整体加热快速升温，使超导扁带组4温度迅速升至临界温度以上，使超导扁带组4进入电阻态，实施分断。这种整体加热，整体冷却的结构可使断路器动作的响应时间很短，动作相对灵活。
本发明用一条带就可以完成整个断路器的绕制，这保证了断路器闭合状态下是完全超导的。断路器内部没有接头，也保证了断路器的额定电流尽可能接近超导带本身的临界电流，而不会受内部接头的影响。
为了控制超导断路器的开与闭，本发明使用了加热超导带使其温度高于临界温度，使超导扁带组4进入电阻态的方法。加热体选用康铜薄带3，与超导扁带组4并绕，进行整体加热。这一方法保证了断路器分断的速度。
为了使断路器尽可能无磁，本发明采用了太极图形的双线并绕方式。加热体绕在超导双线外侧，尽可能减小电流环面积。最后断路器以耐低温树脂绝缘固化，保证了绝缘的同时使超导带4与加热体3的热耦合得尽量好。超导断路器可通过制冷机传导耦合，停止加热后断路器可尽快恢复超导态。
综上所述，通过合理的设计，本发明达到尽可能大的额定电流和尽可能快的动作速度的同时，也实现了超导断路器的无磁设计。具有体积小、性能好、无磁和牢固可靠的特点。
【附图说明】
图1是本发明超导断路器的结构简图；
图2是超导扁带材料的断面结构示意图；
图3为本发明超导中分断间隔的绕制方式；
图4是太极图形的骨架；
图5为超导断路器与制冷机的联结方式示意图。
具体实施方式
本发明由Ag/Au基底的用粉末装管法生产的Bi2223超导带材作为断路器的分断间隔，其断面结构见附图2，其断面宽度为4mm，厚度为0.2mm。Bi2223临界温度在100°K以上，通过制冷机冷却到20°～40°K时此种超导材料有很好的载流能力，单根带临界电流大于100A，如需更大额定电流的断路器可用多根带并联的方法。
太极图形的断路器骨架外形如图3所示。该骨架由外形相同的两块玻璃刚件构成。该骨架的外圆直径为8cm，内圆直径为4cm，厚度为0.4cm与Bi2223超导带材断面宽度相同。两块骨架合在一起就构成了中间有空隙的太极图形状超导带就穿过这条缝隙后并绕在这个骨架上。
根据对超导断路器额定工作条件的要求选择超导带的长度和条数。用四引线法可测得40K下超导带的临界电流Ic。若超导断路器要求的额定电流大于单根超导带的临界电流，就选取多根超导带，使其临界电流的总和大于超导断路器所要求的额定电流。用四引线法还可测得1cm长超导带在150°K的电阻R，根据断路器要求分断后最小的电阻R0就可计算出需要超导带得长度L＝R0/R(cm)。当需要多根超导带并联时要保证超导带并联后的电阻满足要求。例如，用在高温超导磁共振磁体上的超导断路器，要求额定工作电流在50A到100A之间。因此使用单根超导带制造超导断路器就可以了。根据具体的磁体设计，要求断路器分断后最小的电阻可能不同，但基本都在零点几到几欧姆之间。若取1欧姆，根据测得1cm长超导带在150°K的电阻R计算出需要超导带的长度应为几十米。准确的长度应根据具体的测量结果而定。再例如，用在某一实验室磁体上的超导断路器要求1000A的额定电流。这时就应选用10根左右超导带并联。而所有超导带的长度应该都等于L＝R0/R(cm)。其中R应为所有超导带并联后在150°K下1cm长的电阻。
加热带的选择。为使超导断路器不显示磁性，本发明选用无磁性的康铜薄带作为断路器的加热体。其断面宽度与超导带断面宽度同为4mm。其断面厚度选择为0.1mm。
加热带和超导带的绝缘处理。在各条带两侧都涂绝缘漆0.01mm。在200℃～400℃之间烘干。烘干前各条带不得粘连。
超导断路器的绕制。将所有超导带和加热带的中间夹在太极图形的断路器骨架(如图4)中，固定断路器骨架后将超导带和加热带并绕在断路器骨架上。应保证加热带在超导带外侧如图3所示。绕制过程中在各条带的外侧涂耐低温的树脂绝缘漆。绕制过程中对各条带施加1N到5N的预应力。缠绕过程中超导带任何位置绝对不能折弯到半径2cm以下。
分断间隔和加热体缠绕制完成后，在200℃～400℃间烘干。之后断路器外圆外侧加封耐低温的树脂的绝缘漆2mm以上作为加强。在将断路器的一个侧面涂耐低温的树脂的绝缘漆1mm以上后磨平。此面将来与制冷机冷头紧密接触，作为热耦合结构。采用螺栓压接方式把圆盘形分断间隔和加热体组成的缠绕体与冷却部件紧压接在一起(如图5)，利用铜质的冷却部件和分断间隔基底多为银和银合金的热良导性，很好地实现热耦合。
为了使断路器分断，本发明使用康铜带对超导断路器进行整体加热，根据不同的制冷条件通过选择加热功率可将断路器温度控制在150°～200°K，保证超导带处在电阻态。超导断路器由耐低温的树脂绝缘漆固化，其与制冷机的冷头通过热传导良好耦合。加热停止后超导断路器将恢复工作温度，超导带恢复超导态，断路器重新闭合。
本发明的超导断路器由超导带以太极图形式进行无感绕制，解决了降低超导断路器磁性的问题。加热器在超导带外侧与超导带并绕，达到整体加热的效果，并通过良好的整体热导率保证了断路器的快速动作。