Bi系高温超导带材交流传输损耗的研究和分析

本文研究了Bi-2223高温超导带材的交流传输损耗和频率及运行电流的关系, 调查了热循环过程对交流传输损耗的影响. 实验中, 使用了Lock-in 放大器, 利用四引线法来测量带材交流传输损耗. 实验在温度为77K频率从45Hz到135Hz下进行. 在调查损耗和频率及运行电流的关系时, 发现在运行电流幅值小于临界电流时, 每周传输损耗和频率无关, 说明这时的损耗主要来源于磁滞损耗, 实验结果和Norris椭圆模型的计算结果很接近. 在研究交流传输损耗和热循环的关系时, 发现随着冷热循环次数的增加, 交流损耗也在增加. 这种损耗的增加来源于冷热循环过程中产生的应力, 这种应力的释放减弱了晶粒间的Josephson连接, 使临界电流下降, 从而造成了交流传输损耗的增加.     

高温超导YBCO带材的交流传输电流损耗测量

文中对不同频率不同幅值的交变电流下高温超导体YBCO带材的交流传输损耗进行了实验研究。实验在77K下,对Superpower公司生产的SCS4050型号带材采用电测法通过锁相放大器进行了交流损耗值的测量,并将其工作电流为50Hz时的测量结果与Norris矩形模型估算值进行了对比,同时也给出了15Hz到300Hz不同频率下交流损耗测量结果的比较分析。     

高温超导YBCO线圈交流损耗实验研究与分析

交流损耗是高温超导YBCO线圈设计的一个重要参数,直接关系到高温超导装置的运行成本和稳定性。文中利用热测法实现对高温超导YBCO线圈交流损耗的准确测量,并给出了高温超导YBCO线圈的理论数值计算模型,通过理论计算值与实验结果的比较分析,两者结果基本相符。研究结果为开展1MJ高温超导储能-限流磁体的研制具有十分重要的指导意义。     

铜骨架高温超导复合缆线的交流损耗计算

高温超导复合缆线的运行温度直接决定其载流性能,超导带材交流损耗计算的准确性对缆线的温升计算至关重要。面向具有铜骨架和双层高温超导带材结构的高温超导复合缆线,通过改进利兹线(Litz-wire)涡流损耗计算模型,将导电层作为利兹线结构中由多股线按一定节距扭转的束级结构的并联,分别计算了49.9 Hz和60 Hz下复合缆线的集肤效应损耗和邻近效应损耗。通过分析高温超导带材的平行磁场分量和垂直磁场分量,计算了复合缆线的磁滞损耗。最后,基于超导样缆交流损耗补偿测量系统,对0.2 m、110 kV/1.5 kA铜骨架高温超导复合缆线的交流损耗进行了测量,得到工频下1 200 A载流时的交流损耗为1.21 W。研究发现,在不同频率下,铜骨架高温超导复合缆线的交流损耗随传输电流的增大而增大。通过对比仿真和实验结果,验证了铜骨架高温超导复合缆线交流损耗计算结果的准确性。     

YBCO线圈交流损耗的有限元分析与实验验证

随着高温超导YBCO带材载流能力的不断提高和成本的逐渐降低,YBCO线圈及磁体的应用将日益广泛。文中利用有限元方法研究了YBCO线圈的交流损耗特性,计算了50Hz下线圈的瞬时交流损耗,分析了每匝带材中的电流和磁场分布。仿真结果表明,线圈内侧承受的磁场最大,但线圈中部每周期的交流损耗最大,且线圈中始终存在未被磁场穿透的区域。除此之外,文中实验测量了YBCO线圈的临界电流和交流损耗,实验结果良好地验证了仿真方法的正确性。     

YBCO带材交流损耗电测法实验研究

介绍了交流损耗测量理论,搭建了高温超导带材的电测法测量平台,并分别测量不同频率下AMSC和Super Power两家公司生产的YBCO带材的交流损耗。将测试结果进行了归一化处理,并与计算结果和Norris模型进行比较,从两种带材材料层面分析了测量结果与计算结果存在微小差别的原因。实验结果表明测量结果与计算结果基本一致,并且和Norris模型吻合较好,说明该测量系统可以很好地测量不同频率下YBCO带材的交流损耗。     

超导变压器YBCO线圈轴向错位对交流损耗影响

为了研究超导变压器YBCO线圈轴向错位对交流损耗的影响，基于H公式法对超导线圈使用中会出现的两种轴向错位情况进行了仿真，并与无轴向错位的线圈进行对比分析。结果表明，在50 Hz的激励电流下，当施加的电流小于0.75I_c0,倾斜错位和无序错位会导致交流损耗增加。而当激励电流大于0.75I_c0时，轴向错位线圈产生的交流损耗小于完美缠绕线圈。在外加交变磁场下，轴向错位线圈的交流损耗始终大于完美缠绕线圈。随着磁场幅值的增大，轴向错位线圈与完美缠绕线圈的交流损耗偏差逐渐缩小并趋于稳定。     

基于改进电测法的Bi-2223/Ag高温超导带的交流损耗研究

研究了B i-2223/Ag高温超导带材的交流传输损耗与频率及运行电流的关系。采用锁相放大器激励,内参考方式,首先对纯阻性相位进行定标的改良电测法,对带材的交流传输损耗进行测量。实验在温度77K,频率45-200Hz的范围内进行。实验结果显示:当运行电流幅值小于临界电流时,传输损耗与电流的关系式(P-In)中,指数n介于2-3之间,说明这时的损耗除来源于磁滞损耗外,涡流损耗的作用也不可忽略。鉴于电测法测得的交流损耗与Norris模型的理论计算值差别较大,分析了这种差别产生的原因,并与另一种B i系高温超导带的交流损耗情况进行了对比;此外还对实验误差的大小进行了理论估测。     

超导变压器YBCO线圈轴向错位对交流损耗影响

为了研究超导变压器YBCO线圈轴向错位对交流损耗的影响,基于H公式法对超导线圈使用中会出现的两种轴向错位情况进行了仿真,并与无轴向错位的线圈进行对比分析。结果表明,在50 Hz的激励电流下,当施加的电流小于0.75I_c0,倾斜错位和无序错位会导致交流损耗增加。而当激励电流大于0.75I_c0时,轴向错位线圈产生的交流损耗小于完美缠绕线圈。在外加交变磁场下,轴向错位线圈的交流损耗始终大于完美缠绕线圈。随着磁场幅值的增大,轴向错位线圈与完美缠绕线圈的交流损耗偏差逐渐缩小并趋于稳定。     

外场因素对高温超导堆叠带材交流损耗的影响

REBCO高温超导带材在传输电流时会产生交流损耗,从而影响超导设备的稳定运行。基于麦克斯韦方程组,结合超导体的非线性E-J关系,使用H方法推导求解超导体交流损耗的数值计算公式,利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件建立二维轴对称模型并进行计算。结果表明,在通入交变电流后,超导带材由于抗磁性会出现部分零磁通区域,随着传输电流幅值、磁通蠕变系数、频率及环境温度的增大,磁通穿透深度逐渐增大,零磁通区域逐渐减小,传输电流主要分布于带材两端。增大传输电流幅值、磁通蠕变系数以及环境温度中任一变量,交流损耗随之增大,而交流损耗随频率的增大而减小。合理选取超导带材参数可有效降低交流损耗,保障超导设备安全运行。     

AC losses in multifilamentary HTS-composite tapes based on BiPbSrCaCuO

Some results of AC loss measurements are presented for 19, 61, 127-filamentary Bi-2223/Ag tapes prepared by the ‘powder-in-tube' method. All measurements have been made at T=77 K under sinusoidal transport current with frequency in the range of 30–600 Hz and the current amplitude up to 30 A. The measurements have been carried out both in self field conditions and at the external magnetic field applied to the tape at the different angles. The dependencies of the AC losses on current amplitude and frequency have been obtained. It is found that for all tapes the current amplitude dependencies of the AC losses show good agreement with the Norris prediction for an elliptical or strip geometry. The AC loss dependencies on frequency were linear. The measurements of AC losses in external magnetic field show that the change of AC losses is only through the change of the critical current. So the transport AC losses in the tapes are the ‘saturation losses' that is they are different from classic hysteresis losses.     

AC losses and transverse resistivity in filamentary MgB2 tape with Ti barriers

We measured and analyzed AC losses of MgB₂ tape with 19 filaments surrounded by Ti barriers and embedded in copper stabilization, exposed to external magnetic field with frequencies from 30 mHz up to 1.4 Hz and amplitudes up to 0.8 T at 4.2 K. Using the measured frequency dependence of the total AC losses we determined the contribution of hysteresis and coupling losses. The transverse resistivity determined from the coupling losses is considerably higher than that corresponding to the resistivity of copper stabilization before the tape processing due to diffusion of Ti. From the measured penetration field critical current densities were determined using results of theories for circular as well as rectangular filaments.     

基于不同结构新型方形超导线材的交流损耗仿真研究

高温超导体的交流损耗直接影响超导设备的价格及其商用化.对于高温超导体,降低其交流损耗有助于优化电力传输性能并降低运行成本.对于不同堆叠结构的YBCO超导方形线材,本文使用有限元分析软件Comsol Multiphysics基于H方程计算了不同种类方形线材的交流损耗.通过数据汇总计算与结果分析,验证了仿真计算的有效性、准确性与合理性.     

AC losses in BiPbSrCaCuO-2223/Ag multifilamentary tapes in conditions similar to those in superconducting transmission lines

Transport AC losses in BiPbSrCaCuO-2223/Ag multifilamentary tape with 19 filaments were measured. The sample was 1.05 m long, wound in form of a helix with a gap between the tapes comparable with the tape width. Two different types of potential leads—tape following, axis following—with taps positioned in the centre of the tape were mounted on inner as well as outer surface of the helical sample. AC losses were measured at power frequencies by an electrical method using a lock-in nanovoltmeter. The influence of potential wires arrangement and the potential taps position on measured AC loss level and its frequency dependence was analysed.     

高温超导YBCO带材的交流损耗的FEM仿真分析

对高温超导带材YBCO的交流损耗进行了仿真分析。运用有限元FEM方法,基于Maxwell方程组的数值建模,引入了基于实验数据的power-law对交流损耗进行计算。首先对自场下的交流损耗值进行了仿真计算并分析了带材的电流密度与磁场分布情况,并通过与实验测量数据做比较验证仿真方法的有效性。其次分别对不同幅值下的平行场与垂直场下的交流损耗进行了计算,将自场、平行场以及垂直场下的电流密度与磁场强度的分布以及交流损耗值进行了对比分析。     

在单一和连续等离子体放电条件下KSTAR PF线圈的运行特性分析

我们使用分析程序SAITOKSCPF研究了KSTAR PF 超导线圈的运行特性.为了控制KSTAR超导托卡马克的运行等离子的外形以便实现受控热核聚变反应,在超导PF线圈内通过高变化率的运行电流.由于电磁感应,在超导线圈、支持结构和低温容器内产生感应电流和损耗.超临界氦流过CICC导体内部保持超导体运行在4.2K的温度.分析表明最大的温度在PF1线圈内部.在这篇论文中,我们对于单一和连续条件下等离子体放电对超导体运行的影响进行了研究.     

YBCO薄膜过电流失超特性实验及分析

YBCO薄膜材料作为电阻型高温超导限流器的限流元件具有单位通流长度耐压高,失超后不易损毁等优点.本文设计一套实验设备,在不同幅值交流电源条件下,对YBCO薄膜过电流失超特性进行了测量.实验得到了在不同过电流作用下YBCO薄膜的阻抗及电压随时间的变化关系.大量实验数据表明,YBCO对短路电流有很好的限流效果.并且动作迅速,失超后有效限流电阻大.结合实验数据,文中将YBCO薄膜的过电流失超过程分为三个不同阶段.对应于不同幅值的交流电源,分析了不同阶段YBCO的电阻发展过程.本文得到的结论对YBCO薄膜限流元件的建模及失超传播分析有着重要的参考意义.     

Degradation of the performance of a YBCO-coated conductor double pancake coil due to epoxy impregnation

Now that YBCO-coated conductors have been commercialized, a number of YBCO coils have been developed. However, their basic performances have not been systematically investigated so far. Here, we demonstrate that of a YBCO double pancake coil. The critical current of an epoxy impregnated YBCO double pancake coil was substantially degraded, i.e. the normal voltage appears above 8 A, only 18% of that for the dry coil. It was inferred that degradation occurs if the cumulative radial stress developed during cool down exceeds the critical transverse stress for the YBCO-coated conductor (typically 10 MPa). Under these conditions, the conductor was debonded at the interface between the buffer layer and YBCO layers, or fractured in the YBCO layer itself, causing cracks on the YBCO layer, resulting in a significant decline of the critical current. These negative effects are suppressed if the coils are dry wound or impregnated with paraffin, as the bonding strengths between turns are negligible and therefore turns are separated if the cumulative radial stress tends to be tensile. For non-circular coils in which epoxy impregnation is inevitable, degradation due to cumulative tensile transverse stress is still the major problem.