超导电流引线-夏文君

1、武汉中科牛津波谱技术有限公司武汉中科牛津波谱技术有限公司超导电流引线电流引线概述2021-10-15 低温超导磁体在液氦（温度4.2K）中运行，由高温超导材料制成的磁体也需在液氮（77K）中运行，为磁体励磁的电源处于室温，连接室温电源和低温磁体的导体称为电流引线。 无论是纵向场还是极向场超导线圈都需要电流引线，低温超导系统运行时，希望尽可能降低其热负荷，从而减小系统制冷量，但在大型超导磁体系统中，电流引线往往是磁体系统的主要漏热源。 为了满足传输电流的要求，需要采用电的良导体制作电流引线，以降低电流传输过程中引起的焦耳热，而为了降低电流引线向低温系统传热，又需要采用热导率小的材料制作电流引线，

2、电流引线通常由金属或合金材料制成，但实际上，对于金属类材料，它是电的良导体时也是热的良导体。电流引线概述2021-10-15 由于电流引线通常由金属或合金材料制成，本身有一定的电阻，因而在传输电流时要产生热量，这些热量一部分由引线末端传入低温容器，对于大型超导磁体，电流引线漏热在往往影响着超导磁体运行时的液氦消耗量，因此，大型超导磁体的电流引线的设计是十分讲究的。电流引线的设计就是要满足磁体运行电流要求的前提下，尽可能减小注入低温容器的热量。 在一定的电流下，引线漏热与制作引线的材料有关，一旦引线的材料确定后，漏热则与引线的形状和尺寸密切相关，由引线传入低温容器的热量来自引线的传导热和焦耳热两

3、个方面，加大引线的截面积，可减小引线的焦耳热，而减小引线的截面积，情况正好相反，两者之间是存在着矛盾的，因此，恰当的处理好传导热和焦耳热之间的关系是引线设计的要点之一。怎样在满足传输电流的前提下，减少电流引线向低温系统漏热，自超导磁体出现以来，一直是人们专门研究的课题。电流引线的分类2021-10-15按冷却方式分：传导冷却电流引线；气冷电流引线。按与磁体的连接方式：可拔式电流引线；固定式电流引线。按材料分：传统电流引线；采用高温超导材料的电流引线。 电流引线的分类2021-10-15 传导冷却电流引线：传导冷却电流引线又称为一端冷却电流引线，传导冷却电流引线主要用在小电流或者电流较大但通电时

4、间不长时采用的一种简单形式的电流引线，除端部外，电流引线中间部分基本上不进行热交换，可见这种电流引线的散热条件是很差。对于这种电流引线，降低热端温度能有效的减小注入低温容器的热量。如果将引线的温度降到液氮温度，引线流入液氦区的热量将减小1/4，下图为这种引线结构示意图：气冷电流引线2021-10-15所谓气冷电流引线是利用引线末端漏热引起液氦蒸发产生的氦气冷却电流引线本体的一种电流引线，这种引线可分为气冷电流引线和自冷电流引线。这种引线充分利用了电流显热，与传导冷却电流引线相比，气冷电流引线末端引起的漏热要减小两个数量极。气冷电流引线的结构形式很多，以下对几种常见的结构形式做简单的介绍：气冷电

5、流引线2021-10-15束状电流引线（Braided Current leads）：这种电流引线由许多线束构成的，其中每一束又由若干金属细线构成，引线与氦气接触面积很大。这种引线结构能让氦气在引线内部流动，气流在流动时能产生很小的旋涡，因而能获得充分的冷却效果，并且结构紧凑。线或管状电流引线（Current leads made of Wires or Tubers）：这种电流引线由多个线或管组成，线管间彼此不接触，成为气流的流动通道。为了使气流紊流化，在引线壳中，可以设置若干挡流板来改变气流的流动方向，从而可以强化传热效果，下面是以上两种电流引线的结构图：气冷电流引线2021-10-15气

6、冷电流引线2021-10-15带有翘片的电流引线（ Current leads with finned current carrying elements）：这是一种在电流管上焊有翘片的电流引线，实验表明附轴向翘片的引线其热交换效果明显优于附径向翘片的热交换效果。内置旋转叶轮的电流引线（Current leads of Rotating Turbulator)：氦气流经这种引线时，引线内旋转的叶轮使气体处于强迫对流状态，破坏氦气的边界层，并且气体流动的方向也在不断的改变，从而大大提高热交换次数。这种引线应用于过载电流引线，更能显示出它的优越性能。2021-10-15气冷电流引线按与磁体连接方式

7、分类2021-10-15固定式电流引线：这种电流引线始终与磁体相连，这就相应的增加了磁体的热负荷，但这种电流引线技术成熟、工作可靠。实际上超导磁体只有在励磁或去磁时必须与外界电源相连，在恒定电流时并不需要电源经磁体提供能量，电源的实际作用只是补偿电缆、接头和电源的热消耗。可拔式电流引线：为了克服固定式电流引线的缺点，人们采用超导开关对磁体进行励磁以消除引线正常运行时的漏热，其运行原理是在超导线圈两端并联一个由超导线绕成的无感线圈（超导开关），并由一个加热器来控制其是否处于超导状态，当磁体励磁时，给加热器加一定电流，使超导开关处于临界温度以上，此时超导开关呈现一定的电阻，这样全部励磁电流对磁体励磁，当励磁电流达到额定值后，将加热器电流断开，超导开关由正常态转变为超导态，磁体电流就可以长时间流动。按制造电流引线的材料分类2021-10-15传统电流引线：传统电流引线又称常规电流引线，常规电流引线一般采用铜或铜合金制成。高温超导电流引线：高温超导电流引线是一种复合电流引线，在低温段采用高温超导材料，在室温与高温超导材料之间采用铜或铜合金等导电材料，作为陶瓷材料的高温氧化物超导材料（一般是YBCO（钇钡铜氧）、Bi22212、 Bi22223）的热导率很低，正常工作时