在超导绕组各不同线股之间的电流分配

摘要

绕组(3a)各超导线股之间的一种连接装置，供以交流电，其电流要通过冷冻槽中的电流引线(6，7)连接的。其中冷冻槽内的电流引线由许多彼此绝缘的子引线组成，冷冻槽外没有中间绝缘体的子引线都互连成实心的电流引线，且各线股直接与各子引线的端部相连接。

说明书

应用超导效应时，所使用的物体其电导体往往是由组成一个绕组的许多线股组成的，这个物体通常是配置在一个所谓的冷冻槽的下部分，冷冻剂以冷冻液的形式围绕着该物体配置。冷冻槽液面的上部空间的充满着气态冷冻剂。由经固定法兰连接到冷冻槽盖的套管中的电流引线将电流加到该物体上。本发明涉及交流应用中绕组各线股与电流引线之间的一种连接装置，能确保电流在各线股之间良好分配。

电抗器绕组或变压器绕组中的各导线，为了最大限度地减少有害的集联效应，往往被分成许多彼此相互绝缘的线股。但即使各线股经过很好的换位，由于各不同的线股不会包绕着大小完全相同的磁力线，感应出来的电压始终也会有一些变化。这反过来仅促使电流在各不同线股之间分布不均匀，从而使所谓的铜耗增加。然而，各线股的电阻对电流的分布具有稳定作用，这是因为感应电压最大的各线股其电流也最大，因而其电阻性电压降也最大。

那末，如果这类绕组是由许多超导线股组成，则这些起稳定作用的电阻性压降就可以忽略不计了。鉴于现有技术是将绕组和各线股在绕组端子上彼此连接在一起，感应电压的变化可能会使电流的分布产生很大的变化;关于这点，可以参看例如1992单元月第28卷第1期的《电气与电子工程师学会关于磁体的会刊》（IEEE    TRANSACTIONS    ON    MAGNETS）第394-397页（特别是397页和图7）上题为“1000千伏安级电力变压器大容量超导电缆的改进”一文。这样，载流量大的线股可能会因超过临界电流密度而有达到失去超导能力状态的危险。这会导致不希望有的局部发热。

然而，超导线股在例如磁体方面的直流应用就不会产生相应的问题。其原因在于，在恒定状态下，不会感应出能引起电流分布发生变化的电压，电流是以极低的单位时间变化率变化的。

在超导应用中产生的一个问题是热量因周围环境与实验物体之间的温度差而流入冷冻液中的问题。这是因为，套管中的电流引线除了是良好的导电体外同时也是良好的热导体所致。此外，起码在大电流的情况下，套管中的电流引线因有电流流过其中而产生热量。在交流电的情况下也因涡流的出现而生热。另外还必须考虑电阻因集肤效应而引起的增加。因热量流入冷冻槽而产生的气体可以通过套管在冷冻槽外面的部分上的排气孔自由排入周围的大气中。

以上所说的意味着，在液体与气体之间的界面处基本上保持液体温度的气流在其往上一直流到槽盖然后排入周围环境（在那里气流取周围大气的温度）的一路上围绕电流引线流动，从而可利用来冷却电流引线。由于气流的方向与热量流入的方向相反，这种气体冷却过程经常叫做对流冷却过程。为尽可能提交电流引线的效率，电流引线按热交换器进行设计。因此，冷冻槽充气部分的电流引线可以有各种不同的设计。在牛津的克拉伦敦出版社出版的《超导磁体》（Super    conducting    Magnets）一书第272页上，电流引线被说成是在电气上并联连接彼此间隔一段距离装设的薄金属片，冷冻剂即沿这些薄金属片流过。薄金属片组件安置在绝缘材料制成的管状包壳中，包壳具有内部开口空间，包壳的横截面呈矩形。我们与本申请同时申请的题为“作超导用途用的气冷套管”的专利申请介绍了一种也利用气流冷却电流引线的冷却装置，该电流引线由许多板状子引线组成，在各子引线之间和周围形成有中间绝缘横肋条构成的冷却盘管。在冷冻槽外，各子引线变成实心的电流引线。按照特别是《超导磁体》一书所述的目前技术发展水平，各子引线是在绕组的各端子处在电气上互连起来的。

从以上所述可以知道，非超导体对在绕组各端子处互连起来的不同线股形成的各闭合回路之间的电流分布有一定的稳定作用，这是由于各线股中具有电阻性的电压降所致。另一方面，当各线股是由超导体组成时，上述稳定作用可以忽略不计。

出于冷却和最大限度地减少集肤效应的原因，因此根据以上所述，有人将套管中的电流引线分成许多子引线，或者取金属薄片的形式，或者板状的形式。然后将这些子引线再在绕组所有线股的绕组端子处互连起来。从以上所述还可以知道，由于套管由子引线组成的电流引线有欧姆电阻，因此电流引线通电时会产生热量。

现在，本发明是使套管中各电流引线彼此绝缘呈金属薄片或板状的子引线，其数目取得与绕组中彼引绝缘的线股一样多，并将各线股的端部与套管每一个电流引线的子引线连接起来。因此，绕组各线股在电气上的互连是在冷却槽紧上方各子引线变成实心导线处进行的。这样，各线股回路，即由各线股和相应的子引线形成的回路会有源发于两电流引线中各子引线的一定欧姆电阻。这反过来又意味着在各线股是超导体的绕组中对各不同线股之间的电流分布也会起稳定作用。

鉴于绕组是由许多超导线股组成的，因而将套管各电流引线中子引线的以得和绕组线股一样多是不切实际的。因此本发明也采取这样的作法，即，将绕组中线股的数目分成与套管电流引线中各子引线的数目一样多的许多线股组，并使各线股组中的线股数相等。这就是说，在这种情况下也可以对电流的分布有相当大的稳定作用。

图1    示出了冷冻槽在槽中采用本发明接线实施方案时的剖面。

图2    示出了在冷冻槽内采用的本发明的另一接线实施方案。

图3    示出了冷冻槽中的各电流引线在垂直于图1和2剖面的平面上的剖面。

冷冻槽的实施方案通常取决于实验物体的形状和大小，实验的目的是想使该实验物体的温度达到能使与实验物体相联接的电导体进入超导状态的温度。而套管连同其电流引线实际上总是安置在冷冻槽的槽盖上的。但套管安置在槽盖上的位置则可根据有关的实验物体加以改变。

图1和2示出了套管安置在槽盖中心时冷冻槽的剖面。从述有两个电流引线的实施例的图中，可以看到冷冻槽1、槽盖2、实验物体3（这里可以看到实验物体3是个由换位线股组成的绕组3a和磁轭3b）、冷冻液4、气态冷冻剂5、电流引线6和7、装有电流引线带固定法兰9的套管外壳8和排气孔10。

从附图中还可以看到在各电流引线之间的绝缘体11，且各电流引线由许多板状子引线12组成。这些子引线在冷冻槽上方夹持着，从而形成大体上实心的电流引线。出于冷却的原因和其它原因，各子引线在冷冻槽内最好彼此间隔一段间距配置。为确保各子引线之间具有相同的间距，并在各子引线之间的空间形成冷却通道，获得机械稳定性，从各附图可以清楚地看到，在电流引线6的各子引线与电流引线7相应的横肋条14a、14b……14n之间安置有许多排绝缘材料制成的横肋条13a、13b……13n。从图3可以清楚地看到各横肋条和冷却通道的配置位置，同时可以看到各电流引线处在垂直于图1和图2平面的平面上。

在图1的最佳实施例中，绕组由许多数目与套管各电流引线的子引线数一样多的线股组成，就是说，一个线股接各子引线的端部。然而，由于各子引线之间的横肋条是绝缘的，所以各子引线在冷冻槽外侧互连之前，各线股是不会在电气上互连起来的。