新型高温超导扭绞缆线的临界电流评估方法及其特性研究

高温超导缆线是研究各种大电流高温超导应用的基础.将超导材料通过不同方式组合成复合导体,不仅可以让缆线的载流量得到提升,更可以在机械强度和电磁特性等方面得到改善.在国内外众多研究缆线的团队中,上海交通大学超导团队提出了一种基于YBCO高温超导带材的新型高温超导扭绞缆线结构.这种结构在理论上不仅实现了载流量和机械强度的平衡,还通过扭绞改善了电磁特性[4-5].但是目前对于这种缆线的研究还处于起步阶段,特别是对其临界电流特性的研究.因此为了研究新型高温超导扭绞缆线的临界电流特性,本文从新型高温超导扭绞缆线的结构出发,通过仿真和实验两个角度对新型高温超导扭绞缆线的临界电流特性进行研究.在仿真方面,用H方程法计算缆线的临界电流,并探究扭绞节距是否会对临界电流的衰减产生影响.在实验方面,研究出了一种最适合于该缆线结构的临界电流评估方法“SVWE-copperwire-TU”.并用该方法测量了新型高温超导扭绞缆线的临界电流特性.本研究的结论对于后续制作更大电流的新型高温超导扭绞缆线具有重要意义.     

小型YBCO超导脉冲变压器线圈结构优化设计

超导脉冲变压器在电感储能的脉冲功率电源技术中具有非常大的应用潜力.设计合理的线圈结构参数,可以减小脉冲功率电源系统的体积和成本.本文基于YBCO超导带材的临界特性,探讨了高温超导线圈的临界电流计算方法,以饼式线圈叠加形式为超导脉冲变压器的基本结构,通过有限元仿真软件Ansoft Maxwell建模分析了结构参数对脉冲变压器中超导线圈的最大磁场、临界电流密度、储能和变压器耦合系数的影响.通过结果分析,确定了能够实现较大储能和较高耦合系数要求的结构参数范围,最后综合脉冲功率电源的要求选择了一个小型高温超导脉冲变压器的结构参数.     

准各向同性高电流密度导体弯曲特性研究

提出了一种准各向同性高工程电流密度高温超导导体的有限元模型,利用该有限元模型计算了导体在不同弯曲半径下的应变分布以及临界电流衰减程度,并对导体样品进行了弯曲实验。实验结果和仿真结果基本一致,基于该有限元模型进一步计算了导体的不同参数对弯曲半径的影响。该研究为准各向同性高工程电流密度高温超导导体在聚变磁体领域的应用提供了参考依据。     

用于脉冲电源的高温超导脉冲变压器模型及其参数影响分析

高温超导脉冲变压器用于能量存储以及电流脉冲放大,是电感储能型脉冲电源的重要设备。为了合理地设计高温超导脉冲变压器线圈的几何参数,满足脉冲功率系统体积小型化和储能密集化的发展趋势,本文选择了同轴饼式线圈叠加结构的脉冲变压器模型,利用有限元仿真软件Ansoft Maxwell进行建模仿真,分析了几何参数对高温超导脉冲变压器原边超导线圈的临界电流密度、储能容量、线圈中超导带材的受力以及变压器耦合系数的影响。通过对仿真结果的综合分析,得出原边超导线圈的高厚比小于0.3时,小型高温超导脉冲变压器可以获得较高的性能,为脉冲功率技术的基础性实验验证研究提供了一定的理论基础。     

高温超导薄膜临界电流密度的无损测量研究

临界电流密度Jc是超导薄膜的一个重要参量,它可以衡量超导薄膜的功率承载能力。大面积高温超导薄膜制成后,其Jc需要被无损精确测量。文中提出了一种新的交流磁场下的高温超导薄膜临界态模型:(1)基于此模型对薄膜的临界电流密度进行了精确无损测量;(2)并将实验测量的三次谐波电压曲线进行拟合研究。首先,根据麦克斯韦方程和伦敦方程,计算外加直流磁场超导薄膜Meissner态下电流和磁场在薄膜内的分布;然后分析薄膜进入临界态后内部电流的变化,在考虑顶扎力作用的情况下,提出了临界态电流和磁场非均匀分布模型;最后根据其模型,推导出三次谐波电压的表达式。为了验证该理论,分别对四片超导薄膜在不同频率下进行了三次谐波和临界电流密度测量。实验结果表明:三次谐波电压的理论与实验曲线一致;与四点传输法的测量结果相比较,该方法测量超导薄膜临界电流密度的误差在5%左右,具有高精度、无损伤、方便快捷等优点。     

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。     

窄堆线的堆叠方式对高温超导管内电缆导体临界电流的影响

为了提高超导缆线的结构性能,将利用2mm宽的超导带材形成窄堆线,并将其嵌入到开槽铝管中,制备成一种基于窄堆线的高温超导管内电缆导体。通过临界电流测量实验,研究了不同带材根数和不同扭绞节距对高温超导管内电缆导体临界电流的影响。结果表明,扭绞节距一定时,带材堆叠根数越多,临界电流折损率越大;当扭绞节距最小为100mm时,超导窄堆线依旧能保持良好超导特性,且临界电流未发生较大折损。     

金属封装内冷型高温复合超导体电磁特性的有限元分析

基于工程化高温超导带材的内冷型复合超导体电磁特性受磁场各向异性影响较大,采用有限元方法分析了内冷型复合超导体的电磁特性。利用COMSOL Multiphysics建立了基于商品化高温超导带材的金属封装内冷型高温复合导体的有限元计算模型,并对其进行电磁仿真分析,得到了内冷型复合超导体的磁场分布,应用高温超导材料在磁场下的Jc-B曲线关系,获得内冷型复合导体在77K液氮温区下临界电流受磁场影响的变化规律。采用电场强度与电流密度进行面积分的方法,计算得到了不同频率、不同通流下内冷型复合导体的交流损耗情况,计算表明,相同频率下交流损耗随激励电流的增大而增大,相同激励电流条件下交流损耗与通流频率成正比关系。     

临界电流密度对场冷超导磁悬浮力的影响研究

基于Kim临界态模型,通过考虑超导块材内部屏蔽电流的穿透历史过程,讨论了场冷条件下临界电流密度对高温超导悬浮系统磁悬浮排斥力和吸引力的影响.结果显示:最大超导磁悬浮排斥力和吸引力均随临界电流密度的增加呈指数关系增加,并趋于饱和;场冷条件下的磁悬浮力回滞能量损耗远高于零场冷情况;存在一个磁悬浮力比率κ,κ值对于评价大电流...     

高温超导变压器绕组的研究现状与设计技术展望

高温超导变压器是通过用高温超导带材取代铜导线绕制超导绕组,液氮取代变压器油作为冷却介质,超导绕组在液氮环境中运行,以达到提高能效并减少电力传输损失的变压器。针对高温超导变压器的绕组设计,从超导变压器的绕组材料、绕组结构、绕组布局三方面比较了近年内美、日、韩、中国等具有代表性的高温超导变压器绕组的研究现状,通过综合比较和分析国际上各种主流复合超导体的结构特征,设计方法等关键技术,提出了未来高温超导变压器的绕组设计需要以提高临界电流,减少绕组漏磁场尤其是其径向分量,以及降低交流损耗为目标。     

Electro-mechanical behavior of single twisted high-temperature superconducting tape under transverse Lorentz force

In recent years, several cabling methods of high temperature superconducting (HTS) cable have been proposed; e.g., the conductor on a round core cable (CORC), the Roebel assembled coated conductor cable, the helical twisted stacking-tape cable (TSTC) and the twisted-stack slotted core HTS cable (TSSC). These cabling methods allow the high temperature superconducting tapes widely used in the high-field magnets. The single superconducting tape performance under applied loads directly relates to the transport performance of the cable and the choice of the cabling method. In this paper, we investigate the effect of twisting morphology on the electro-mechanical properties of HTS tapes. Particular attention is given to the transverse Lorentz force of a pre-twisted HTS tape. The analytical solution of the deflection of the HTS tape under transverse Lorentz force is derived. Then, the current distribution and AC loss of the tape are calculated by using H-formulation. The effects of twist angle and loading conditions are examined for different HTS tape lengths. The results show that the stiffness resistance ability to Lorentz force of the HTS tape can be increased in several ranges by increasing the twist angle. The twisting structure can also reduce current degradation and AC loss, and thus enhance the transport capacity of HTS tape. This study helps understand the electro-mechanical properties of pre-twisted HTS tapes and provides theoretical reference for the design of novel HTS cable structures.     

不同载流运行下冷绝缘高温超导电缆的温度场数值分析

针对冷绝缘高温超导电缆(Cold Dielectric High Temperature Superconducting cable,CD HTS cable)在不同载流下的运行稳定性,采用有限元数值分析方法对超导电缆内部温度场进行准确计算和分析。根据超导电缆内部各层传热特征,建立基于ANSYS的CD HTS电缆有限元模型,给出正常载流及故障载流下超导电缆温度场分析传热边界条件,计算得到不同载流情况下超导电缆本体温度分布变化规律,从而为其通流能力影响下的运行稳定性分析提供参考依据,对超导电缆的故障保护具有一定的指导意义。     

高温超导电缆层电流分布对电缆稳态运行特性的影响分析

为了分析冷绝缘高温超导电缆层电流分布对其稳态运行特性的影响,提出超导电缆的等效电路模型,给出求解各层电流的矩阵方程,应用超导电缆的温度分布计算模型和边界条件,获得不同均流效果下的超导电缆最大载流能力和稳态径向温升,并与有限元计算结果进行对比。结果比较表明,各层电流均衡分布不仅能提高电缆的载流能力,而且可以降低超导电缆的稳态运行温升,提高了超导电缆在稳态运行时的稳定性。     

高温超导电缆研究进展综述

人们对电能需求的持续增长,促使电网输电密度和输电容量逐渐增大,传统的输电技术将遇到越来越多的问题。高温超导电缆具有传输容量大和功率密度高等优势,是解决这些问题和满足未来大容量电力传输的重要技术之一。在综合分析国内外大量文献资料的基础上,介绍高温超导电缆的基本结构、发展现状和关键技术,总结制约其工业化应用过程当中面对的主要问题,并提出了高温超导电缆的发展建议。     

窄丝化工艺对第二代高温超导带材临界电流特性的影响

超导带材应用于超导电力设备时,其临界电流特性受外界交变磁场大小和方向的影响,展现出明显的各向异性.为了减小外场对超导带材的影响,本文通过窄丝化工艺将4 mm宽的高温超导带材分切成2 mm宽的高温超导细丝.本文通过冷热循环疲劳测试实验和带材显微观察两个角度相互验证,对2 mm超导细丝临界电流性能做了具体评估.创新性地提出"在窄丝化工艺中引入电镀铜工艺作为过渡来改善超导细丝临界电流特性",通过实验以及显微观察证实"电镀铜工艺能够在超导细丝表面生成铜保护层,有效降低超导细丝临界电流的衰减".本文也为后续超导细丝在复合结构的应用中提供了重要参考.     

低温/高温复合超导体中的电流分布的研究

低温/高温复合超导体是将高温超导体部分取代复合实用低温超导体中的金属稳定材料或两者直接复合成一体,这种复合超导体具有稳定性高,工程电流密度大等优点.本文对NbTi/Bi2223高温复合超导体中的电流分布进行了理论研究,并得出液氦温度下,如果复合超导导体中,低温超导体和高温超导体具有相同的临界电流,超导体正常运行时低温超导体中的电流大于高温超导体中的电流,两者之比随运行电流的升高而降低.     

Effect of the twisting chirality configuration on the electromechanical behavior of multilayer superconducting tapes

Seeking a geometry that can withstand greater transverse loads based on the electromechanical material properties of high-temperature superconducting (HTS) tape is an effective way of improving the transport performance of HTS cables. The cabling method requires the determination of the optimum twist angle of the HTS tape for withstanding transverse loads. This paper investigates the critical current characteristics of HTS tapes under combined deformation. The limit range of the twist angle under the combined deformation is measured and the optimum twist angle of the HTS tape is determined. The results show that the twisting chirality configuration obviously affects the bending strength of the HTS tape. In the elastic range, increasing the pre-twist angle increases the bending strength of the HTS tape, thereby improving the transport performance. In addition, a numerical model is built to further investigate the effect of the twisting chirality configuration on the electromechanical properties of the HTS tape, and the experimental results are explained. The experimental and simulation results generally agree well, and calculations show that there is always a sharp change in stress at the interface of different materials. These findings explain the mechanism of the effect of the twisting chirality configuration on the mechanical behavior and critical current of the HTS tape. They also provide a reference for cabling methodologies for the HTS cable configuration.     

冷绝缘高温超导电缆电磁特性计算与分析

为了获得超导电缆电磁特性变化规律,针对冷绝缘高温超导电缆本体的基本结构,采用安培定律推导了超导电缆导体层和屏蔽层自感、互感的计算公式.通过110kV冷绝缘超导电缆的实例计算,研究了超导电缆导体层、屏蔽层的内径、绕向角、绕制方向三个结构参数对电磁特性的影响,总结了电感参数变化规律.