高温超导二极磁体样机设计与测试

高温超导二极磁体是强流重离子加速装置(HIAF)的重要组成部分,能够为离子偏转提供均匀、快速变化的磁场。文中介绍了高温超导二极磁体样机的电磁设计、结构设计、加工与装配。磁体主体由Bi系跑道线圈、E型铁芯组成,线圈通流30A时气隙中心磁感应强度达到1T。通过线圈和磁体直流测试,得到了线圈的临界电流、气隙中心磁场随电流的变化曲线、磁体的最大工作电流;通过磁体交流测试,验证了高温超导磁体18.2T/s的快速变场速率。     

高温超导电机电枢线圈临界电流密度研究

高温超导线材的临界电流密度受磁场的影响,在设计计算时,通常假设在线圈截面上电流密度是均匀分布的。但是,实际上在线圈截面上,电压是一致的。由于线圈中的磁场不均匀分布,各处的临界电流密度是不同的。采用数值模拟的方法,分析了高温超导线圈截面上的临界电流分布。结果显示,临界电流密度的分布是不均匀的,总的临界电流可比按均匀分布时的计算结果提高25%以上。     

高温超导带材的弯曲通流特性研究

高温超导带材的弯曲通流特性决定了超导线圈的临界电流大小。文中针对典型的铋系和钇系高温超导带材,设计了一套测量其弯曲通流能力的装置,研究了77K、自场下高温超导带材在不同弯曲直径下的临界电流,以及双面弯曲再拉直情况下临界电流的恢复特性,并对实验结果进行了分析。     

高温超导磁体系统发热仿真及实验研究

本论文对高温超导磁体在传输直流电流时产生的损耗进行了理论分析和实验验证.本文考虑了高温超导带材非线性模型磁场方向对带材临界电流和n值的影响,用Bi2223超导带材绕制了(一个由20个双饼组成的高温超导磁体,用数值仿真和实验方法研究了此磁体传输直流电流时的指数损耗.并对每个双饼以及每匝线圈的损耗进行了分析.在液氮温度下对一个双饼线圈进行了指数损耗的测量,测量结果与数值仿真结果相当吻合.利用高温超导体临界电流此非线性模型,本文对此磁体快速励磁情况下的交流损耗的特点进行了数值模拟.     

高温超导磁体系统发热仿真及实验研究

本论文对高温超导磁体在传输直流电流时产生的损耗进行了理论分析和实验验证．本文考虑了高温超导带材非线性模型磁场方向对带材临界电流和n值的影响，用Bi2223超导带材绕制了（一个由20个双饼组成的高温超导磁体，用数值仿真和实验方法研究了此磁体传输直流电流时的指数损耗．并对每个双饼以及每匝线圈的损耗进行了分析．在液氮温度下对一个双饼线圈进行了指数损耗的测量，测量结果与数值仿真结果相当吻合．利用高温超导体临界电流此非线性模型，本文对此磁体快速励磁情况下的交流损耗的特点进行了数值模拟．     

基于有限元的高温超导线圈临界电流快速算法

超导线圈在电力设备中应用广泛。临界电流作为超导线圈的一项重要参数,在电力设备复杂的电磁环境中快速和准确预测线圈的临界电流是非常重要的。基于有限元(FEM),分别使用H方程模型与磁场(简称:MF)等效模型对一个双层的高温超导线圈临界电流进行了计算,两种模型的仿真结果一致,并分析了MF等效模型仿真快速高效的原因。将MF等效模型拓展至含分磁环的超导线圈中,进一步计算不同外场条件下分磁环对临界电流的影响,并发现分磁环影响下的端部电场激升是线圈临界电流下降的主要原因。     

一种高温超导变压器的优化设计:复合带宽及多间距结构（英文）

高温超导变压器由于具有体积小,交流损耗低等优点而在电网中占有非常重要的作用.本文设计了一种三相1 MVA容量的混合行高温超导变压器,为10 MVA大容量的高温超导变压器的设计提供技术经验.其中,高压绕组采用常规Cu导线;低压绕组采用YBCO第二代高温超导带材,由12个饼并联绕制而成.为了优化其结构,采用了有限元分析方法,在Opera-3D中建立了"磁-路"耦合模型并进行计算.计算结果表明,低压线圈中的电流分布不均匀,导致了材料的浪费并且可能造成线圈损坏.因此,我们采用复合带宽线圈替换相同带宽的线圈,即:12根带材的宽度与其承载的电流的大小成正比.结果给出了复合带宽线圈中每个饼的电流分布情况,表明复合带宽线圈可以应用于变压器中.同时,为了提高低压线圈中电流的均一性,我们提出了多间距结构,并且将实验电流与临界电流的比值定义为电流均一度.结果显示修改后的设计有更好的电流均一性.     

An Optimize Design of HTS Transformer :Multi-Width and Multi-Distance Structure北大核心CSCD

高温超导变压器由于具有体积小,交流损耗低等优点而在电网中占有非常重要的作用.本文设计了一种三相1 MVA容量的混合行高温超导变压器,为10 MVA大容量的高温超导变压器的设计提供技术经验.其中,高压绕组采用常规Cu导线;低压绕组采用YBCO第二代高温超导带材,由12个饼并联绕制而成.为了优化其结构,采用了有限元分析方法,在Opera-3D中建立了“磁-路”耦合模型并进行计算.计算结果表明,低压线圈中的电流分布不均匀,导致了材料的浪费并且可能造成线圈损坏.因此,我们采用复合带宽线圈替换相同带宽的线圈,即:12根带材的宽度与其承载的电流的大小成正比.结果给出了复合带宽线圈中每个饼的电流分布情况,表明复合带宽线圈可以应用于变压器中.同时,为了提高低压线圈中电流的均一性,我们提出了多间距结构,并且将实验电流与临界电流的比值定义为电流均一度.结果显示修改后的设计有更好的电流均一性.     

直流偏置下YBCO单层导体的交流损耗特性研究

在高压直流输电系统中,高温超导直流电缆具有高功率密度特点被广泛使用。然而,电网中的直流以及开关器件和环境产生的交流纹波,都造成交流损耗。由第二代(2G)带材组成的五边形单层导体在交流和直流作用下,进行了交流损耗特性研究。该次实验从电压引线高度,接触位置和频率等不同角度测量分析了五边形单层导体的交流损耗。结果表明,尽管电压引线的接触位置不同,由于五边形单层导体的对称结构,每根带材的交流损耗几乎相同;当总电流大于临界电流时交流损耗取决于频率。此外,对五边形单层导体进行了仿真计算,与实验结果做了比较分析。结果表明,交流损耗实验测试结果与模型仿真结果基本吻合。     

新型高温超导限流器无感线圈结构设计与性能测试

本文设计了一种用于磁偏置高温超导故障限流器的平行带材式YBCO超导无感线圈,该线圈由10个单元模块串联而成,每个模块的设计采用一种新型的正反S弯绕制工艺及自张紧结构。实验研究了单模块直流35 kV耐压性能、整个线圈在77 K工作温度下的临界电流性能,以及10 ms且有效值为250 A故障电流冲击下暂态电阻性能。结果表明,超导无感线圈在77 K环境下的临界电流为83 A,10 ms故障电流冲击下的限流电阻约为0.83Ω。测试结果满足设计要求。     

Influence of DC external magnetic field on AC transport current loss of HTS tape

We measured the AC transport current loss of Bi 2223 multifilament Ag-sheathed tape under DC external magnetic field of 0–0.2 T. There were discrepancies between the measured data and Norris' formula for elliptical model in the range of low value of I_p/I_c (I_p and I_c are peak of the AC transport current and critical current of the tape respectively), while without DC background field, the loss of the tape was close to Norris' formula. Theoretically speaking, even with the DC background field and decreased critical current the AC transport current loss of the tape follows Norris' formula which is derived from the Bean model. When DC background field is applied to the HTS tape, n value of the power law E–J characteristics decreases together with the decrease of J_c. Dependence of the AC transport current loss on the n value was analyzed by numerical calculation. The results show that the loss depends on the n value and that decrease of the n value is one of the causes of the discrepancies between the measured data and Norris' formula.     

AC-induced DC voltage in HTS coil

The interplay between AC and DC currents in a High-T_c Superconducting (HTS) coil, made of multifilamentary silver-sheathed Bi-2223 tape, was investigated. We observed that the application of a small sinusoidal current in the frequency range of 50–500 Hz into the coil, while it is already carrying a DC current in the range of 16–22.5 A, caused an increase in the coil DC voltage. The DC voltage increment due to the AC signal is found to increase linearly with frequency and quadratically with amplitude. The DC voltage increment increases as the coil current grows towards its critical value of 22.2 A. This result may be important in some power applications such as fault current limiters (FCL) and superconducting magnet energy storage (SMES) based on HTS coils.     

高温超导磁体临界电流影响因素的研究

临界电流值是描述Bi2223高温超导带材性能的一个基本参数,在一定的温度条件下,Bi2223高温超导带材的临界电流是带材所在位置磁场大小和磁场方向的函数,其短样的临界电流值可以通过四引线法测量,单根超导带材的自场很小,磁场对临界电流的影响可以忽略.高温超导磁体的临界电流被定义成引发该磁体失超的最小电流,高温超导磁体的自场比单根超导带材的自场要大得多,磁体各个位置的磁场大小和方向各不相同,很难用理论的方法准确计算磁体的临界电流.对于高温超导磁体而言,除了磁场的影响因素以外,绕制磁体所用的超导带材自身的均匀性也是影响其临界电流的一个重要因素.本文对这两个因素进行探讨,并着重讨论高温超导带材自身的均匀性对临界电流大小的影响,本文的结论可以为高温超导磁体的设计、磁体绕制时带材的选择、磁体运行时安全工作电流的确定提供帮助.     

高温超导直流电缆现状

文中对高温超导直流电缆现状进行了介绍。高温超导直流电缆是用于直流输电的高温超导电缆。高温超导直流电缆发展相对落后于高温超导交流电缆,国际上示范项目也较少。但随着轻型直流输电应用的逐渐发展,高温超导直流电缆越来越引起人们的重视。高温超导直流电缆的本体结构和高温超导交流电缆本体结构类似。高温超导直流电缆具有输电损耗小、适合长距离输电、增加电网稳定等功能。比较适用于背靠背直流输电,工业直流输电,互联网数据中心直流供电,远距离、大容量直流输电等场合。此外,还介绍了目前国际上主要的超导直流电缆项目及研究机构情况。     

新型高温超导复合导体的磁场仿真与实验分析

针对兆伏安级容量的超导变压器,通过绕组初步设计,考虑导体的电流密度、载流量和交流损耗,提出面向大容量超导变压器应用的新型超导复合导体结构,介绍了含内外超导层的新型高温超导复合导体的结构。引入电流矢量T和磁矢量势A的方法,考虑临界电流密度J_c和磁场B的关系,建立了导体不对称三维数值载流模型,计算分析了不同结构参数对导体临界电流的影响规律。通过绕制的新型高温超导复合导体短样,在液氮环境下对其自场临界电流进行了测量,计算结果和实验结果基本吻合,验证了模型的合理性。     

外场下机械振动对高温超导带材交流损耗的影响

高温超导带材在磁场中传输交变电流时,将受到电磁力的作用而产生机械振动,振动对带材的交流损耗将产生影响.本文讨论了振动情况下交流损耗的测量方法,在平行于带面的直流磁场下,测量了Bi-2223/Ag高温超导带材在不同振动情况下的交流损耗.结果显示:当传输电流频率偏离样品的共振频率时,振动对带材的交流损耗影响不大;只有当电流频率在共振频率附近时,样品产生剧烈振动,交流损耗才有明显的增加;另外,带材振动时的交流损耗随频率变化曲线的斜率比不振动时略有增加.     

Reconstruction of critical current density profiles from AC loss measurements

A method of reconstruction of critical current profiles from measurements of a hysteretic AC loss is proposed. As an example, we have applied this approach to study the degradation in the bulk melt-textured HTS sample with a resonance oscillations technique developed earlier for granular HTS samples and now modified to study HTS bulks. The critical current density profile was determined after the degradation in the thin undersurface layer of about 60 μm.     

Investigation of Bi-2223 high temperature superconducting tape as the material for gradient coil in MRI

The use of Bi-2223 high temperature superconducting (HTS) tape as a material for gradient coils in MRI is evaluated in this paper. Bi-2223 tapes have a very high critical current and a very low power loss. A HTS tape gradient coil is expected to provide much higher gradient strength and generate much lower heating than a copper coil. Measurements of the AC power loss of Bi-2223 tapes at typical operating frequencies for gradient coils are presented. The degradation of the critical current and its effect on the increase of AC power loss is analyzed. Practical technical issues such as resistance, gradient strength and mechanical performance are also discussed. A prototype Bi-2223 HTS tape gradient coil is evaluated to verify the concept.     

The Influence of Parameters of the Stabilizing Layer of 2G HTS Tapes and the Specifics of Heat Removal on the CVC Shape in the Resistive State and on the Critical Voltage Inducing Irreversible Changes in Superconducting Properties

The actual form of the resistive section of the AC current–voltage curve (CVC) is determined experimentally. It is found that the CVC is shaped both by the electrical properties of the superconducting layer and by the thermomechanical properties of layers in the tape structure. The specific features of CVC behavior in different current ranges are determined. It is demonstrated that small amounts of heat released in stabilizing and superconducting layers do not affect the CVC shape below the critical current. Above the critical current, combined heat releases in stabilizing and superconducting layers raise the temperature and the resistance of an HTS tape in the resistive state. It is found that the stabilizing layer has a critical thickness. Below this critical level, the current in the resistive state flows primarily along the HTS layer, and its slight overheating initiates the transition of the sample to the normal state due to the thermal instability of heat removal to liquid nitrogen. In tapes with thicker copper layers, the current in the resistive state is distributed between stabilizing and HTS layers, and the transition to the normal state occurs near the critical temperature of the superconductor at zero current. The dependence of critical voltages characterizing different damage levels of HTS tapes on the thickness of the copper layer is determined. It is found that the breakdown occurs at higher voltages if step voltage is applied.     

准各向同性高温超导股线交流损耗的实验研究

高温超导体的交流损耗直接影响超导电力装置的运行成本和稳定性,是判断超导电力设备设计是否合理的重要特性之一.在阐述准各向同性高温超导股线结构特点的基础上,首先对准各向同性高温超导股线的交流损耗和磁滞损耗进行仿真研究,利用有限元软件Comsol Multiphysics分析了交流背景磁场下的损耗,然后在对光纤布拉格光栅(optical fiber Bragg grating,简称FBG)波长与损耗关系标定的基础上,使用光纤布拉格光栅测量交流背景磁场下的交流损耗.理论计算与实验结果相吻合,表明在工频和液氮温度下股线的交流损耗以磁滞损耗为主.