CTD或Composite Technology Development,Inc. 与麻省理工学院等离子体科学与聚变中心合作，近期开发并演示了一种用于绞合堆叠带材超导电缆的可重构绝缘高温超导接头。该原型接头展现出极低的带间电阻（约400纳欧），对于大多数带材对，其通过接头的临界电流与所供导体带材的临界电流相当（Ic = 142安）。性能最佳的绝缘方案显示出超过10千伏的耐压能力。接头的拆卸与重装未导致性能下降。
一、引言
数种未来的聚变反应堆设计正在积极考虑采用REBCO超导体。这些未来聚变反应堆的规模极其庞大，将需要大量接头（无论是永久性还是可重构式）用于建造和维护。例如，采用可重构极向场线圈的托卡马克反应堆将便于内部组件的快速垂直更换。接头设计需要在提供低电阻电流通路的同时，提供可靠安全的绝缘系统。模块化系统组件的开发不仅对聚变领域有价值，也对众多正在发展的高温超导技术具有广泛意义，例如微电网和数据中心的直流配电系统，以及高输出容量的高温超导风力发电机。
当前实验性托卡马克聚变反应堆的维护方案依赖于耗时且需远程操作的设备，通过狭窄端口进入反应堆内部，更换完全包裹在超导磁体内的等离子体室组件。针对采用高温超导磁体的下一代反应堆，提出的新方案是在磁体中引入可重构接头，使磁体能够完全打开，从而将整个等离子体容器作为整体单元快速更换。可重构接头的开发不仅对聚变领域有价值，也对众多正在发展的高温超导技术具有广泛意义，例如微电网和数据中心的直流配电系统，以及高输出容量的高温超导风力发电机。
本研究开发并演示了一种绝缘的“桥接型”接头设计，该设计具备完全拆卸和相对便捷重装的潜力。
二、技术方案
01.高温超导接头的开发
过去几年中，大容量高温超导电缆的开发取得了显著进展。目前有三种适用于高电流密度应用的电缆概念正在积极研发中：绞合堆叠带材电缆、圆芯绕制电缆以及罗贝尔电缆。
然而，针对每种电缆概念的接头开发却远未达到同等成熟度。已有若干原型接头在实验室小规模演示，其重点在于电气性能，而对绝缘方案的考量有限甚至缺失。研究人员开发了采用高温超导电缆与终端堆叠带材之间一对一接触的可拆卸终端。研究人员开发了焊接至锥形圆芯绕制电缆的卡口式终端。研究人员深入研究了电缆堆栈之间的对接和边接接头。此外，一种强调跨接两个阶梯堆叠电缆的阶梯堆叠“桥接”结构中各带材间面对面接触的焊接接头，已在100千安导体上完成开发和测试。
“桥接型”设计在采用刚性结构堆叠带材导体构建螺旋线圈方面已得到广泛研究。该配置展现出1.8纳欧的极低接头电阻。此类低电阻是必需的，因为根据运行电流的不同，聚变磁体中众多接头对反应堆电耗的累积效应可能非常巨大。接头电阻产生的热量也会给反应堆系统低温工厂带来额外负担。
这些设计大多在组装过程中要求极高精度的对位，因为它们依赖于高温超导带材之间的直接接触。先前的接头开发工作未能充分考虑这些设计的工业化实施。尽管如此，这些初步努力为理解可重构高温超导电缆接头的工程要求奠定了坚实基础。
本文介绍了一种可反复拆卸和重装而不降低接头性能的接头。在大型聚变磁体紧急放电期间，对地电压通常约为10千伏量级，而电缆载流能力通常低于100千安。聚变磁体接头必须满足这些最低要求，同时提供可接受的最低电气性能和交流局部放电耐受能力。
02.电缆接头设计
为最大限度降低导体成本，我们采用了在黄铜带之间堆叠少量超导带材的电缆。因此，确保一端终端内的超导带材与另一端终端内的超导带材精确对准至关重要（如图1所示）。对于图1(a)所示的搭接接头，确保一端终端的超导带材与另一端的超导带材耦合是直观的，尤其是在电缆中超导带材数量有限的情况下。
图1：采用(a)搭接与(b)对接或边接技术制作的示例性接头示意图。
针对我们的接头设计，制备完成的电缆端头被完全封装在坚固且低电阻的铜质终端内，以避免在接头组装/拆卸过程中直接操作电缆端头。制备好的电缆端头通过向每个终端填充焊料得以固定，这既实现了带材与终端间合理且均匀的低电阻分布，又通过填充必要的装配间隙增强了机械强度。
香港星云先进技术有限公司（NAT）是Composite Technology Development（CTD）代理商，我们为客户提供（高性能树脂（环氧树脂、氰酸酯等）、尖端复合材料、压力容器）产品。
为形成接头，我们在终端之间安装了一层薄铟层（厚度约为38微米）以最小化其接触电阻。为便于操作及后续接头拆卸，该铟层被电镀在5微米厚、每英寸250线的电铸镍网上。组装过程中，镍网使铟层初始厚度不均，确保终端夹紧时铟能够流动。随之产生的形变会破坏铟表面必然形成的氧化层，从而实现铟与铜表面的有效冷焊。拆卸时，镍网提供应力集中点，便于铟层的分离。
终端被约束在一个设计用于施加40兆帕标称界面压力的夹具组件中。我们基于早期研究表明压力高于此值时电阻最小的研究结果选定了该压力值。贝氏弹簧垫圈在低温冷却后能保持必要的夹紧力。图2显示了夹具两半中的终端。在介电测试中，螺栓孔上方覆盖了薄金属箔以抑制这些区域的场强集中。
图2：准备进行接头组装，下终端已安装镀铟镍网。
03.复杂结构的绝缘
对于大多数应用，在整个最终装配体上拥有连续、不间断的电气绝缘至关重要。若在最终装配前对部件进行绝缘处理，即使部件本身已绝缘，仍可能沿间隙出现表面爬电。
当前为下一代聚变磁体考虑的高温超导电缆终端和接头提出了若干绝缘挑战。接头绝缘材料及其应用方法必须与基础连接结构、超导材料、基底绝缘类型、负载条件及物理几何形状兼容。CTD近期参与了多个项目，既涉及开发与高温超导兼容的绝缘系统，也涉及复杂结构的绝缘处理。
CTD近期为ITER中央螺线管氦气贯穿件开发的绝缘系统，为我们提供了可直接适用于REBCO电缆接头绝缘的理念和材料。特别是，CTD开发了一种可喷涂的聚酰亚胺配方（命名为CTD-201），用于涂覆氦气贯穿件与ITER中央螺线管线圈间的复杂界面。CTD-201薄膜的介电击穿强度如图3所示；图中亦包含Kapton HN薄膜的数据以供比较。数据显示，CTD新型聚酰亚胺涂层的介电击穿强度与Kapton非常接近，尤其是在低温下。
图3：聚酰亚胺涂层与Kapton薄膜在20°C及77K（-196°C）下的介电击穿强度。CTD-201片材由商业供应商生产，而喷涂薄膜由CTD制作。
在组装接头之前，使用喷涂方法将CTD-201涂覆于夹具部件上。通过多次喷涂获得了25微米至60微米不等的涂层厚度。在某些情况下，接头组装完成后，还额外包覆了两层聚酰亚胺胶带作为外包绝缘。
04.电气测试
使用以铜材替代电缆终端的夹具结构模拟件来评估绝缘性能。介电测试参考ASTM标准D149和D3755进行。以标准D149的程序B（逐步法）作为流程参考，并使用液氮作为周围介电流体。接地夹具沿模拟接头结构以五个等间隔位置放置，并在每个间隔点进行测试，从而从每个单独的接头组件获得一组五个数据点。
05.接头测试
接头性能通过在麻省理工学院测量来自两个终端的高温超导带材选定配对之间的电阻进行实验评估。逐带测量是可用于评估整体接头均匀性的方法之一，其部分取决于所有带材对中观察到的电阻值最大差异。在接头送往CTD进行绝缘和耐压测试之前，首先在50安培条件下进行了一组带间电阻测量。接头返回麻省理工学院后，再次测量了所有配对的带间电阻以及选定带材对的临界电流，以与初始测量结果进行比较，并与我们接头中使用的REBCO带材在77K自场下的平均临界电流值（142安培）和n值（约30）进行对比。
三、测试结果与讨论
01.绝缘电气测试
介电测试结果见表一。所获数据显示，采用聚酰亚胺外包带（对接边缘）的CTD-201绝缘层的平均击穿电压为13.5千伏，绝缘耐压强度为72.4千伏/毫米。
表一：模拟接头结构的介电测试结果
模拟件1上的失效区域几乎全部位于接头两半的拐角处，这是预期之中的情况，因为喷涂绝缘层在夹具边缘处因表面张力而变薄。采用聚酰亚胺绝缘的模拟件2的失效发生在外包带的单层区域，即聚酰亚胺胶带自身对接处。这可以通过重叠相邻胶带或使用整体式套管来解决。
02. 接头演示
对所制造接头的接头电阻和临界电流进行了评估。图4显示了在进行带间电阻和临界电流测量时使用的带材命名规则。图中垂直比例被大幅夸大，以便于区分各条带材。索引号为“1”的带材最靠近接头界面，仅略微伸入其各自终端内；而索引号为“5”的带材离接头界面最远，但几乎伸入各自终端的全长。
图4：麻省理工学院进行电阻与临界电流测量所用的带材命名规则示意图。
在我们的测试中，标记为字母“L”的带材连接到电源的低压侧，而标记为字母“E”的带材连接到高压侧。每条REBCO带材都连接到其独立的电压引线，这些引线可在低温恒温器外与任何其他引线组合，输入到我们的数据采集系统。
表二总结了在CTD施加额外接头绝缘之前以及样品在施加绝缘后返回麻省理工学院之后，在77K下测量的选定带材对的带间电阻值。在CTD施加额外绝缘后，所有接头电阻要么略有降低，要么至少与绝缘前测量的值相同。带间电阻随时间的轻微下降很可能是由于接头界面处铟层的持续蠕变所致。由此我们得出结论，绝缘过程对带间电阻要么没有影响，要么具有净积极影响。将我们典型的约400纳欧带间电阻值换算至完整的40带材电缆接头，可得到标称电缆接头电阻值约为10纳欧。在此电阻值下，每个10千安、40带材接头的功耗约为1瓦，可轻易容纳在20K低温工厂提供的冷却能力范围内。
表二：施加接头绝缘前后带材间电阻对比
图5显示了一个典型带材对的临界电流与电流关系曲线。蓝色实线为测量数据，橙色虚线为数据非线性回归拟合的结果。该曲线的测量电压经过再处理，首先从总电压中减去电压的电阻部分，然后再绘图。临界电流拟合至方程：
其中V(I)代表电压-电流曲线，Eo是用于区分常态转变起始点的电场判据（通常等于1微伏/厘米），L是测量中包含的超导体的长度，Ic是临界电流（通过曲线拟合确定），n是表示转变陡度的幂律指数（亦通过拟合确定）。
图5：带材对临界电流的测定，在进行非线性拟合前已减去电阻性电压。
总体而言，各带材对的性能相比制造商报告的142安培临界电流值及约30的“n”值均未出现退化。
03.拆卸/重装
拆卸程序从用剃须刀片切开接头一端附近的聚酰亚胺热缩胶带并简单将其解包开始。随后卸下固定接头夹具的盖板螺钉及其贝氏弹簧垫圈组。不锈钢接头夹具与终端自由分离。夹具可直接重复使用，或用溶剂清洗并重新喷涂CTD-201，以防止喷涂涂层的过度累积。
通过用拇指指甲边缘作为楔子对终端盖板凸起边缘形成的微小间隙施加轻微压力，终端即可轻松分离。
电缆终端可便捷地准备就绪以进行接头重装。用剃须刀片轻刮去除任何残留的铟镍网，随后根据需要细砂纸打磨，并用低残留溶剂轻轻擦拭以清除剩余的细小碎屑。接头重装遵循与之前相同的程序。
在高达50安培的标称电流下，重新测量了所有带材对的单个带间接头电阻。图6比较了初始组装与重装后测量的带间电阻值的变化情况。图中x轴为无量纲重叠长度，由两条带材的下标索引相加得出——对于L5-E4配对，此值为“9”。无量纲重叠长度指示了带材伸入接头终端的综合程度。
图6：接头在初始组装状态及移除绝缘层重装后，所有带材对的带间电阻。
四、结论
我们设计并演示了一种简单的可重构接头结构，其实现了接近预测值的每带材对约400纳欧的带间电阻。无论是接头绝缘程序，还是接头的反复组装与拆卸，均未对带间电阻及高温超导带材的临界特性产生影响。
接头成功采用CTD-201喷涂和热缩聚酰亚胺包裹进行绝缘，其耐压能力超过10千伏。绝缘层易于施加，同样易于移除。使用镀铟镍网有助于通过适度的楔入动作轻松分离电缆终端。
香港星云先进技术有限公司（NAT）是Composite Technology Development（CTD）代理商，采购（高性能树脂（环氧树脂、氰酸酯等）、尖端复合材料、压力容器）请立即联系我们。
编辑 ｜NAT
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