10 kV三相同轴高温超导电缆力学性能分析

针对电缆示范工程的并网实验要求，以10 kV/1 kA三相同轴高温超导电缆为研究对象，重点研究了超导电缆的弯曲力学特性。运用了有限元分析软件建立其三维模型，模拟超导电缆受到不同弯曲半径下的应力和应变分布，再结合临界电流密度，计算出临界电流。在此基础上，对电缆样件进行弯曲实验，测量出不同弯曲半径下的临界电流。研究结果表明，该力学模型可以准确得出超导电缆的临界弯曲半径，有效保障电缆运行的安全性与稳定性。     

准各向同性高温超导股线的弯曲特性研究

主要研究了各向同性高温超导股线在77K、自场下的弯曲特性。首先阐述了各向同性高温超导股线的结构特点,分析了在弯曲状态下股线内部超导体不同区域的弯曲情况并建立了单根带材侧向弯曲的几何模型。在此基础上,对单根带材样品进行侧向弯曲实验,测量其在不同弯曲半径下的临界电流并分析其衰减情况,得到带材的临界弯曲半径。然后对各向同性高温超导股线样品进行弯曲特性实验,确定了超导股线的最小弯曲半径,该超导股线在电力传输及大型超导磁体方面具有潜在应用价值。     

基于高温超导带材的三通道导体载流特性的仿真研究

本文基于三通道扭曲堆叠导体和准各向同性导体, 提出了三通道准各向同性导体. 在有限元仿真软件中使用自洽模型对两种导体进行建模, 分析并对比了两种三通道导体的临界电流、 临界电流各向异性、 工程电流密度与导体半径之间的关系. 仿真结果表明三通道准各向同性导体在背景场条件下具有使用价值, 同时也为提高两种三通道导体工程电流密度提出了建议。     

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。     

基于准各向同性股线的管内电缆导体的弯曲和扭绞力特性分析

高温超导管内电缆导体(CICC Cable-in-Conduit Conductor)在高磁场和大型磁体(如加速器和未来的聚变能装置)中具有广阔的应用前景,为使其能够承受大的洛伦兹力并在低温下能够工作,高温超导CICC需要有较高的机械稳定性和热稳定性。本文分析了基于准各向同性股线(Q-IS Quasi-Isotropic Strand)的CICC的力学性能,包括弯曲半径、扭转节距和临界电流之间的关系,采用模拟计算的方法得到了CICC在弯曲、扭转载荷及其复合载荷作用下的应力分布以及临界弯曲半径和临界扭矩,所得的临界弯曲半径和临界扭矩对大型磁体在高磁场和低温电流引线下的应用具有重要意义。     

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。     

基于ReBCO涂层导体各向同性超导股线自场下临界电流

本文提出一种基于第二代高温超导涂层导体(ReBCO CC)具有各向同性结构的高温超导股线.股线中的带材按照中心对称的方式进行排列,使用导热导电性能良好的金属材料对带材进行捆扎包覆,采用金属包套工艺提高股线的机械性能和电磁稳定性.为了研究各向同性高温超导股线(IHTSS),本文提出一种根据带材各向异性,通过有限元仿真,计算股线自场下临界电流的方法.制作了一根20cm长的IHTSS短样,在液氮温度下对其自场临界电流进行了测量,实验结果与计算结果基本一致,证明了计算的合理性.此外,实验和仿真表明,IHTSS在液氮温度下已具有较高的临界电流.     

基于磁场强度的高温超导磁悬浮轴承数值仿真方法

本文提出了一种高温超导磁悬浮轴承数值仿真方法,并对其悬浮力计算结果进行了验证.该方法采用基于磁场强度的H法对高温超导进行建模,利用间接耦合方法体现磁场对于超导作用,从而对高温超导磁悬浮进行仿真.该模型在有限元软件COMSOL Multiphysics中进行计算.此外,本文探讨了剖分网格对于模型计算时间、精度的影响和不同涂层导体堆叠方式对悬浮力的影响,以指导在实际应用中对于堆叠方式的选取.     

端部松动对高温超导电缆导体交流损耗影响的定性分析（英文）

高温超导电缆由于其较低的交流损耗和高传输电流密度的特点,随着地下电缆容量的不断提升在人口密集城区具有潜在的应用前景.交流损耗是是高温超导电缆的一个重要参数,对其运行稳定性和运行成本具有重要影响.为了研究高温超导电缆的交流损耗,用YBCO涂层导体绕制了一根长1.5米的冷绝缘电缆导体,此电缆导体包括一层导体层,绝缘层,和一层屏蔽层.基于Bean临界态模型对电缆导体的交流损耗进行了分析并在工频77K条件下用电测法对交流损耗进行了测量.结果在计算值与试验结果之间有难以置信的差异.本文基于电缆导体两端的几何与机械结构对产生这种现象的原因进行了定性分析.     

高温超导环形螺旋导体的磁化损耗研究

针对高温超导线圈的基本结构单元环形螺旋导体，通过仿真计算分析其磁化损耗特性。首先通过实验和仿真验证了三维T-A法的可靠性，研究了不同的环中心圆半径、不同的圆管半径下磁化损耗特性。研究结果表明，随着环中心圆半径的增大，环形螺旋导体的磁化损耗逐渐增加；随着圆管半径的增大，环形螺旋导体的磁化损耗逐渐减小。     

YBCO线圈在低温下的温度仿真分析

近几年,高温超导线材的制造技术已日趋成熟。作为第二代高温超导带材的代表,YBCO在低温下具有的优点使其在超导磁体领域的应用越来越突出。但是在高温超导磁体的运行中会因为受到扰动而失超。为了探讨这个问题,模拟了一个磁体在低温下(20K左右)有加热点扰动时的稳定性情况,即对YBCO线圈在低温下的工作情况进行了模拟仿真。文中根据实验设计的YBCO单饼线圈参数,利用热传导方程和基本电路方程,采用有限元计算方法,模拟出线圈内部的温度分布。分析仿真结果可以为后续实验设计提供参考。     

Multi-stable static states of Bi-based superconducting composites and current instabilities at various operating temperatures

Static thermal and electric states before current instability in the current-carrying conductor like Bi-based superconducting composite are theoretically studied under the assumption that the critical current density of a superconductor and matrix resistivity are the non-linear functions of the temperature at fixed applied magnetic field. The simulation was made for the conduction-cooling conditions at different operating temperatures. The proposed analysis was based on the investigation of the non-isothermal voltage–current characteristics of composite superconductors. It is shown that they may have many-valued stable and unstable branches appearing in accordance with the non-trivial variation of the differential resistivity with increasing temperature. These states, first of all, are due to the temperature change of ∂J_c/∂T and are accompanied with the jump-like current-sharing mechanism. The parameters of the current instability onset as a function of operating temperature are numerically derived accounting for the additional stable branches of the voltage–current characteristics. In particular, it is revealed the existence of the static states when Bi-based composite superconductors may have a stable current distribution in the temperature range increasing up to the critical temperature of a superconductor without redistribution of all transport current into the matrix. The peculiarities of these phenomena are discussed.     

二代高温超导带材耐高温性能研究

通过有限元软件对由20层高温超导带材所制成的超导叠带在覆铝时的温度分布进行模拟,模拟结果表明在覆铝过程中两侧带材均会经历420°C以上的高温.对几种高温超导带材在不同温度和持续时间下,对其ReBCO侧、哈氏合金侧和双侧分别加热进行高温实验,测试得出了各带材临界电流的退化情况.实验结果表明,高温对带材造成了性能退化,不同...     

用于高场加速器磁体的新型高温超导内插线圈概念设计

中国科学院高能物理研究所正在进行环形正负电子对撞机-超级质子对撞机(CEPC-SPPC)的研究工作,未来超级质子对撞机(SPPC)初期要求的主环二极磁体磁场强度为12 T,升级后的磁体场强需求为20～24 T.为了达到15 T及以上的场强,高温超导线材制作的内插高场线圈是目前的唯一选择.本文对YBCO内插线圈做了相应的探究,并提出的一种新的设计方案,具有以下特点:线圈结构采用Common-coil与Block-type混合的设计,并解决了端部弯曲半径小的问题;充分利用YBCO在高场下磁场与超导带材平行时临界电流密度是垂直情况下的数倍特性,通过优化端部结构减小线材与磁场夹角;计算了不同形状及弯曲半径组合下的线材弯曲情况,综合考虑了端部长度与线材张力之间相互制约的问题,并给出了最终结果;试绕了两种端部的铜线圈,以及balloon-end的高温超导YBCO线圈并进行了测试.     

MgB2超导圆线基底交流损耗的计算分析

二硼化镁(MgB2)超导体在非铜氧化物陶瓷超导体中具有最高临界转变温度,给超导应用带来了新的契机.铁与镁不反应,且价格低廉,在需要热处理的超导成材工艺中,常常采用铁作MgB2的基底;然而,这种高磁导率的材料有可能增大基底的损耗.本文采用有限元分析软件ANSYS计算了工频下不同材料基底超导圆线传输交流的基底损耗,分析了基底损耗与电流大小、基底厚度之间的关系,对双层基底的损耗也进行了研究.本文的结果对于适当选取截面尺寸、基底材料和工作电流以期减小交流损耗,具有一定参考意义.     

The observation of sonic range velocities of normal zone propagation in high current density superconductor

The sonic range velocities of normal zone propagation in high current density superconductor were observed. The experimental results were obtained on samples of 0.16–0.11 mm thickness of a monofilamentary NbTi wire with critical current density J_c about 10⁶ A/cm². The s→n change of the sample sections was recorded after the normal zone stimulation by the magnetic field impulse. The voltage increasing speed reached 1.5×10⁷ V/s, and the normal zone propagation velocity exceeded 5±1 km/s. This high velocity can be caused by the detonation-like propagation of normal phase in superconductor with high current density.     

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.     

Bi2223/Ag高温超导带的侧向弯曲率对载流能力的影响

Bi2 2 2 3银包套超导带材是研制高温超导磁体和高温超导强电应用的基础。文中就对高温超导磁体最大运行电流有重要影响的 Bi2 2 2 3银包套带材侧向弯曲形变进行了初步探讨 ,就不同的侧向弯曲率对超导带载流能力的影响进行了实验测试 ,并提出了提高 HTS磁体最大运行电流的方法。     

Critical current degradation behaviors of ReBCO coated conductor tapes under pressurized liquid nitrogen

In the case of 2G coated conductor (CC) tapes, it has been reported that thin–thick CC tapes with IBAD substrate showed a superior electromechanical property even at smaller bending radius compared with the cases of 1G BSCCO tapes. Considering the application of CC tapes it is significant to evaluate the transport property under operating environment, because CC tapes might experience a change in operating pressure that can affect its current carrying capacity due to temperature variation and deformation. This study was focused on the I_c degradation behavior in bent CC tapes under pressurized liquid nitrogen. Differently processed YBCO and SmBCO CC tapes with IBAD substrate are used as samples. The bending strain characteristics at elevated pressure levels were evaluated by using the ρ-shaped sample holder which can induce different bending strain values at pressured state. Depressurization and thermal cycling were performed to check the reversibility of I_c in CC tapes. Vacuuming tests were also carried out to investigate the characteristics of I_c at different LN₂ temperature levels.