[发明专利]高安全性低漏热高温超导大电流引线的分流器

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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)

t=Ashunt2I2∫TinitialThotspotCvρdT---(1)]]>

上式中A_shunt是分流器的截面积，I-分流器承载的电流，C_v-分流器的体积比热，ρ-电阻率，T_hotspot-热点温度阈值，T_initial-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_shunt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