composite technology development, inc.CTD最近與麻省理工學院等離子體科學與聚變中心（PSFC）合作，開發並展示了一種用於雙絞層壓帶狀電纜（TSTC）的可重新製造的絕緣高溫超導電纜密封套。 原型接頭表現出較低的帶間電阻 （400 N：），並且大多數帶對通過接頭的臨界電流與提供的導體帶 （IC = 142 A） 相匹配。 效能最好的絕緣方案顯示出超過10 kV的介電耐壓。 接頭的拆卸和重新組裝顯示效能沒有下降。 （福林塑膠**復合技術開發M材料）。
一些未來的聚變反應堆設計正在積極考慮REBCO超導體。 這些未來聚變反應堆的尺寸非常大，需要大量的永久性和可重新製造的接頭，以便建造和維護。 例如，帶有可改裝TF線圈的托卡馬克反應堆將有助於快速垂直更換內部元件。 接頭設計需要提供低電阻電流路徑，同時提供可靠和安全的絕緣系統。 模組化系統元件的開發不僅對融合很有價值，而且對正在開發的各種高溫超導技術也很有價值，例如微電網和資料中心的直流配電以及高輸出容量的高溫超導柴油風力渦輪機。
目前實驗性托卡馬克聚變反應堆的維護協議依賴於耗時的遠端操作裝置來到達小埠內部，以替換完全封閉在反應堆超導磁體內的等離子體室元件。 下一代反應堆的擬議方案是利用高溫超導磁體，將再製造接頭合併到磁體中，使它們完全開啟，以便整個等離子體容器可以作為乙個單元快速更換[ARC]。 可重構的聯合開發不僅對核聚變很有價值，而且對正在開發的各種高溫超導技術也很有價值，例如微電網和資料中心的直流配電，以及高輸出容量的高溫超導風力發電機組。
在這項工作中，開發並演示了一種絕緣的“橋梁”接頭設計，該設計有可能相對容易地完全拆卸和重新組裝。
01.高溫超導接頭的開發
近年來，大電流容量高溫超導電纜的開發取得了重大進展。 目前正在積極開發用於高電流密度應用的三種佈線概念：絞合堆疊帶狀電纜 （TSTC）; 圓芯電纜（CORC）; 和羅貝爾。
然而，每個電纜概念的接頭開發還遠未取得進展。 在實驗室中，已經小規模地演示了幾個原型接頭，重點關注電氣效能，但有限或根本沒有考慮絕緣選項。 Takayasu 開發了可拆卸端子，利用電纜中的 HTS 膠帶和堆疊在電纜端子中的 HTS 膠帶之間的一對一接觸。 Van der Laan開發了焊接在錐形CORC電纜上的卡口端子。 Ito 對電纜堆之間的對接和邊緣接頭進行了廣泛的研究。 最後，開發了一種焊接接頭，該接頭強調了跨越兩條樓梯堆疊電纜的樓梯堆疊“橋”中各個帶之間的面對面接觸，並在 100 ka 導體上進行了測試。
“橋”設計已被廣泛研究用於使用組裝在剛性結構 （STARS） 導體中的堆疊帶來構建螺旋線圈。 這種配置表現出非常低的接頭電阻（18 nω）。之所以需要如此低的電阻，是因為根據工作電流的不同，許多接頭對聚變磁體中反應堆電能消耗的累積影響可能非常大。 關節電阻產生的熱量也會給反應堆系統的低溫單元帶來額外的壓力。
這些設計中的大多數在組裝過程中都需要非常高精度的對準，因為它們依賴於高溫超導帶之間的直接接觸。 以前的聯合開發工作沒有充分考慮到這些設計的工業實施。 儘管如此，這些初步的努力使我們更好地了解了再製造高溫超導電纜接頭的工程要求。
本文提出了一種可以反覆拆卸和重新組裝而不會降低接頭效能的接頭。 在大型熔融磁體緊急放電期間，對地電壓通常約為 10 kV，而電纜電流容量通常小於 100 kA。 熔融磁體接頭必須支援這些最低要求，同時提供可接受的最低電阻和交流 PD 電阻。
02.電纜密封套設計
為了最大限度地降低導體成本，我們使用的電纜包含少量堆疊在黃銅條之間的超導帶。 因此，將乙個端子中的超導帶與第二個端子中的超導帶對齊非常重要（如圖 1 所示）。 在搭接接頭的情況下，如圖1（a）所示，可以確保乙個端子中的超導條與另乙個端子中的超導帶耦合，特別是當電纜中的超導帶數量有限時。
圖1採用搭接 （a） 和對接或邊緣 （b） 技術製成的示例性接頭。
對於我們的接頭設計，準備好的電纜端完全封裝在堅固的低電阻銅端子中，以防止在接頭元件拆卸過程中直接處理電纜端。 通過用焊料填充每個端子來固定準備好的電纜端部，以提供相當低且均勻分布的端子的膠帶電阻，同時通過填充所需的裝配間隙來提高機械堅固性。
為了形成接頭，我們在端子之間安裝一層薄的（約 38 m 厚）銦層，以最大限度地降低它們的接觸電阻。 為了便於處理和隨後的接頭去除，銦被鍍在5公尺厚、每英吋250根絲的電鑄鎳網上。 在組裝過程中，鎳網為銦提供初始不均勻的厚度，以確保銦在端子夾在一起時能夠流動。 隨後的變形破壞了始終在銦表面上形成的氧化層，有效地將銦和銅表面冷焊在一起。 在拆卸過程中，網格提公升力集中器，以促進銦層的分離。
端子被限制在設計用於施加 40 MPa 標稱介面壓力的夾具元件中。 我們根據早期的研究選擇了這個壓力，這些研究顯示，在高於這個值的壓力下，阻力最小。 Belle的墊圈在低溫冷卻後保持必要的鎖模力。 圖 2 顯示了半夾緊中的端子。 在電介質測試期間，在螺栓孔上放置一層薄金屬箔，以抑制這些區域的磁場集中。
圖2在下端安裝鍍銦鎳網後準備組裝連線。
03.複雜結構的隔熱
對於大多數應用，必須在整個最終裝配過程中保持連續、不間斷的電氣絕緣。 如果元件在最終組裝之前是絕緣的，即使元件是絕緣的，表面痕跡也可能沿著間隙出現。
目前考慮用於下一代聚變磁體的高溫超導電纜端子和接頭帶來了一些絕緣挑戰。 接頭絕緣材料和應用方法必須與底層聯結器結構、超導材料、底座絕緣型別、負載和物理幾何形狀相適應。 CTD最近參與了高溫超導相容絕緣系統和複雜結構絕緣的開發專案。
CTD最近開發了一種用於ITER電磁閥（CS）氦氣滲透的絕緣系統，從而產生了我們可以輕鬆用於Rebco電纜密封套絕緣的概念和材料。 CTD專門開發了一種可噴塗的聚醯亞胺配方，命名為CTD-201，用於氦氣滲透液和ITER CS盤管之間的複雜介面的塗層。 CTD-201薄膜的介電擊穿強度如圖3所示。 包括 Kapton HN 薄膜的資料以供比較。 這些資料表明，CTD的新型聚醯亞胺塗層的介電擊穿強度與Kapton非常接近，尤其是在低溫下。 （福林塑料** CTD-201 聚醯亞胺塗層）。
圖3聚醯亞胺塗層和Kapton薄膜在20和77 K（-196）下的介電擊穿強度。 CTD-201 片材由商業**供應商製造，而 CTD 生產噴膜。
在組裝接頭之前，使用噴塗方法將 CTD-201 施加到夾具上。 使用多次噴塗可實現 25 m 至 60 m 的塗層厚度。 在某些情況下，一旦接頭組裝好，還使用由兩層聚醯亞胺膠帶組成的外包裝。
04.電氣測試
使用電纜終端的銅替代品的夾緊結構模型評估絕緣性能。 使用ASTM標準D149和D3755作為參考進行介電測試。 使用標準 D149 程式 B（分步）作為程式參考，使用液氮作為周圍的介電流體。 接地鉗沿模型拼接結構以五個間隔放置，並在每個間隔處進行測試，允許每個單獨的拼接元件有一組五個資料點。
05.聯合測試
麻省理工學院 （MIT） 通過測量選定的高溫超導帶對之間的電阻（每個端子乙個）對接頭的效能進行實驗評估。 逐帶測量是一種可用於判斷整體接頭均勻性的方法，這在一定程度上取決於在所有帶對之間觀察到的電阻值的最大變化。 在將接頭送到CTD進行絕緣和介電電阻測試之前，在50 A下進行一組初始的磁帶到磁帶電阻測量。
將接頭返回麻省理工學院後，還測量了所有線對的磁帶到磁帶電阻和所選磁帶對的臨界電流，以便與初始測量值和 SuperPower 報告的平均值進行比較，我們接頭中使用的 Rebco 磁帶具有自場，77 k 臨界電流值為 142 A，N 值約為 30。
01.絕緣電氣測試
介電測試結果見表I。 得到的資料顯示，CTD-201聚醯亞胺外包裝（對接邊緣）絕緣的平均擊穿電壓為135 kV，絕緣公差值 724 kv/mm。
表一模型接頭結構的介電測試結果。
模型 1 上的失效區域幾乎完全位於接頭半的角落，這是由於夾具邊緣噴塗絕緣材料的表面張力變薄所預料的。聚醯亞胺絕緣模型 2 的故障發生在封裝的單層區域，聚醯亞胺膠帶正在該區域進行自我反作用。 這可以通過重疊相鄰的膠帶線或使用整體套管來解決。
02.聯合演示
評估了製造接頭的接頭電阻和臨界電流。 圖4顯示了用於測量帶間電阻和臨界電流的頻帶命名術語。 此圖中的垂直刻度被大大誇大，以便於區分各個磁帶。 索引號為“1”的磁帶最靠近配接介面，僅略微伸入相應的端子，而索引號為“5”的磁帶離配接介面最遠，幾乎突出到相應端子的整個長度。
圖4麻省理工學院用於電阻和臨界電流測量的磁帶命名法。
在我們的測試中，標有字母“L”的磁帶連線到電源的低壓側，標有字母“E”的膠帶連線到高壓側。 每個REBCO磁帶都連線到自己的電壓引線，該引線可以與低溫恆溫器以外的任何其他引線組合，以輸入到我們的資料採集系統中。
表II總結了在CTD施加額外的接頭絕緣之前和在應用絕緣後將樣品送回MIT之後，在77 K下測量的選定膠帶對的膠帶-膠帶電阻值。 在 CTD 施加額外的絕緣後，所有接頭電阻都略低於絕緣前測得的電阻，或者至少相同。 隨著時間的流逝，磁帶到磁帶電阻的輕微降低很可能是由於接頭介面處銦層的連續蠕變。 由此，我們得出結論，絕緣過程對帶間電阻沒有影響或淨正影響。 將我們典型的膠帶電阻值（約 400 nohm）重新調整為完整的 40 膠帶電纜密封套，得到的標稱電纜密封套電阻值約為 10 nohm。 在此電阻下，每個 10 kA、40 個帶接頭的消耗約 1 W，並且很容易適應 20 K 低溫裝置提供的冷卻能力。
表二膠帶在接頭絕緣前後的電阻。
圖 5 顯示了其中乙個磁帶的典型臨界電流和電流走線。 藍色實線顯示測量資料，橙色虛線顯示資料的非線性回歸擬合結果。 在繪圖之前，通過從總電壓中減去電壓的電阻部分來重新處理跡線的測量電壓。 臨界電流符合以下公式：
圖5確定帶到臨界電流，減去非線性擬合前的電阻電壓。
其中 V（i） 表示電壓與電流的走線，EO 是用於區分正常狀態轉換開始的電場標準（通常等於 1 V cm），L 是測量中包含的超導體的長度，IC 是臨界電流（由曲線擬合確定），N 是表示躍遷尖銳度的冪律指數（也由擬合確定）。
總體而言，製造商報告的臨界電流值為 142 A，約為 30 A"n "值，則磁帶對的效能不會下降。
03.拆卸和重新組裝
拆卸過程首先用刀片切割接頭一端附近的聚醯亞胺收縮膠帶，然後簡單地解開膠帶。 然後，將接頭夾固定到位的帶頭螺釘與貝恩的墊圈組一起拆下。 不鏽鋼接頭夾可自由地與端子分離。 該夾具可以按原樣重複使用，也可以用 CTD-201 進行溶劑清潔和重新噴塗，以防止噴塗塗層過度堆積。
將縮圖的邊緣用作楔子，只需輕輕按壓端子蓋凸起邊緣形成的端子之間的小間隙，即可輕鬆分離端子。
電纜端子已準備好重新組裝接頭。 用剃鬚刀片輕輕刮除任何殘留的銦鎳網，然後根據需要用細砂紙打磨，並用低殘留溶劑輕輕擦拭以去除剩餘的細碎屑。 接頭的重新組裝遵循與以前相同的程式。
在高達 50 A 的標稱電流下重新測量所有磁帶對的單個磁帶到磁帶接頭電阻。 圖 6 比較了初始組裝和重新組裝後測量的膠帶之間的電阻值變化。 圖的 x 軸是乙個無量綱重疊長度，通過新增兩個磁帶的下標索引（L5-E4 對的值為“9”）建立。 無量綱搭接長度表示膠帶延伸到配接端子的組合程度。
圖6在初始組裝配置期間和移除聯結器絕緣層後重新組裝期間，聯結器中所有磁帶對的膠帶對膠帶電阻。
我們設計並演示了一種簡單的可返工拼接配置，該配置接近每對膠帶約 400 nohm 的帶間電阻。 帶間電阻和高溫超導帶臨界均不受接頭絕緣程式和接頭反覆組裝和拆卸的影響。
該配件採用 CTD-201 噴塗和熱縮聚醯亞胺包裹成功絕緣，可提供高於 10 kV 的耐壓。 絕緣材料易於粘附，易於去除。 鍍銦鎳網的使用使得通過適度的楔形作用輕鬆分離電纜端子。
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