YBCO高温超导带材大电流冲击特性实验研究北大核心

随着第二代高温超导带材的性能不断提高和商业化供应,基于YBCO材料的超导电力技术应用研究也在逐步向多领域深入进行。超导带材的大电流冲击性能对于超导电缆的短路电流冲击耐受能力、电阻型限流器的限流性能等有着直接的影响。以不锈钢加强型超导带材样品为研究对象进行了实验研究,并对常压液氮浸没环境中,不同冲击时长、不同冲击电压条件大电流冲击过程中温升、冷却时长等特性开展了实验研究,总结了温升与冲击时长、冷却时间的关系和规律。实验是以超导限流器用超导带材为研究对象进行的。超导带材在故障电流下的发热量及其散热结构设计将成为超导电缆、超导限流器等超导电力装置设计成功与否的关键。     

YBCO带材过流特性与抗过流能力研究

大电流条件下超导带材的失超和耐受特性是超导限流器对带材用量选择的一个重要依据。本文建立了与实际工艺结构一致的带材几何物理模型,并考虑带材的失超及电热特性,用Matlab完成数值计算,在直流环境下,带材通以时长为30 ms、通流达3倍临界电流时,得到其电压、电流特性及温升大小,通过与实验对比,具有较好的一致性。同时,进一步进行了最大通流达5倍临界电流的极限冲击实验,根据实验现象预判了带材各层传热的动态过程,优化了数学模型,进而给出带材耐受电流及温度判据。     

螺旋形超导带材的直流冲击实验研究

基于超导直流电缆应用,针对第二代高温超导带材Re BCO开展了直流冲击实验。首先,通过改变冲击条件(冲击电流大小和持续时间)得到带材的耐直流冲击特性,确定可保证带材性能完好的最大冲击电流幅值(安全电流)及其相应冲击时间。随后,针对实际电缆中超导带材是以螺旋形态缠绕于支撑管上,设计实验研究超导带材螺旋角和螺旋直径对其临界电流和耐冲击特性的影响规律,发现带材所能承受的最大冲击电流幅值随冲击作用时长的增加而逐渐下降、过大的螺旋角和过小的螺旋直径均会对带材造成损伤,影响其通流能力。上述研究结果为电缆的后续设计和制造提供了必要的参考依据。     

YBCO在热冲击条件下的失超特性研究

在实际的超导电力装置运行过程中,超导带材可能由于电力系统中诸如系统短路故障等各种动态过程,承受短路大电流、不平衡电流的冲击,以及由此而产生的电磁、机械应力、热量的作用而失超,因此,研究热冲击对超导材料性能的影响对超导电力装置失超保护非常重要.本文以第二代高温超导(YBCO)带材为样品,模拟实际超导电力装置中带材的绝热环境,通过外加电源对超导带材进行热冲击,研究YBCO带材在不同情况的热冲击条件下的失超过程以及带材温度和超导性能的变化.试验结果表明:对于美国Superpower公司生产的YBCO工程带材,瞬时温度超导300K后,带材的临界电流下降,瞬时温度超过500K,带材可能出现烧断现象.     

一种用于电阻型超导限流器新型结构的第二代高温超导带材

电阻型超导故障限流器(R-SFCL) 结构简单、 限流效果好等优点, 在电力系统中具有广阔的应用前景. 超导故障限流器的发展经历了实验级、 配电级、 输电级样机研制等阶段. 随着超导限流器容量不断攀升, 由于单根材料性能的限制, 不可避免在系统中会采用大量的串并联方式. 带材的临界电流和耐瞬态冲击能力决定着一个限流器在额定电流通流下和过流冲击下的并联支路数. 带材的失超电阻决定着一个限流器在一定故障电流抑制率下的串联支路数. 通过分析目前 REBCO 超导带材的参数和典型的限流器设计参数, 发现了超导带材电流和耐过流冲击相差近3 倍的关系. 本文提出了一种宽的不锈钢封装窄的超导带结构, 目的是让不锈钢的宽度与超导带材的宽度保持在3 倍的关系, 以贴合部分限流器的需求. 经过测试, 结果显示低成本新结构的超导带材瓶颈性能保有原结构带材的91 .3% , 成本下降一半, 这对未来电阻型超导限流器成本的降低来说是一个非常好的选项.     

电阻型超导限流器中带材失超与恢复特性

电阻型超导故障限流器中带材失超和超导恢复特性受电流、温度、磁场等因素影响,以YBCO超导带材为研究对象,建立了饼式线圈和螺线管式线圈绕制模型,分析了两种线圈中磁场分布特性,在液氮冷却条件下,表明了温度、磁场对临界电流密度和失超电阻率的影响;通过分析在三角波形故障电流作用下带材失超和超导恢复过程中的热过程,表明了超导恢复时间与失超后的温度和散热条件有关,当温度低于105 K时,超导特性恢复较快。为超导限流器的结构、冷却设计提供参考。     

限流器用YBCO带材过电流冲击特性影响因素探究

为了评估用于电阻型超导限流器的YBCO超导带材的过电流冲击特性,实验研究了YBCO带材中各结构参数对带材单位长度的失超电阻值和过电流幅值的影响。实验结果表明,不锈钢层较厚的带材,其耐受过电流幅值更大,但单位长度的失超电阻值较小;铜层较厚的带材,其耐受过电流幅值和单位长度的失超电阻均较大,能有效改善带材的过电流冲击特性;而且,带材的临界电流大小与过电流幅值没有明确的对应关系。限流器的实际设计过程中,需要根据过电流冲击特性优化配置超导带材的各结构参数。     

适用于电阻型超导限流器的超导带材选取与实验研究

电阻型超导限流器主要利用超导带材在失超后的电阻抑制故障电流值,目前一般采用不锈钢加强的ReBCO超导材料。由于涂层导体的银、铜稳定层对其电阻率的影响较大,尤其在低温段的影响尤为显著,成为影响超导带材在电流冲击后响应过程的主要因素。实验表明,超导带材可承载的冲击电流幅值随持续时间延长而迅速降低,不锈钢加强层厚度的增大有利于超导带材耐冲击电流水平的增加。因此,交流超导限流器应适当选用加强层较厚的超导带材,而直流超导限流器应选择具有铜稳定层及适当减小不锈钢加强层厚度的超导带材。     

Bi-2223喷雾热分解粉末热处理工艺优化

Bi-2223 带材目前在电流引线、 超导电机、 超导电缆、 超导限流器等领域实现了许多示范性应用, 载流性能是表征其性能的重要指标, 而高质量的前驱体粉末是最终带材性能的关键保障. 本文选用具有工艺简单、 粉末效率高、 批次稳定性好等优点的喷雾热分解法制备的Bi-2223 前驱体粉末, 利用 TG-DSC、XRD、SEM 等测试手段对低氧条件下不同保温时间烧结的粉末进行分析, 并结合最终带材的载流性能测试结果, 获得了最优粉末烧结参数, 为后续喷雾热分解粉末的进一步生成 Bi-2223 相以及高性能粉末的制备提供了依据.     

温度对高温超导材料(HTS)性能的影响

超导电力技术将为电力工业带来重大的技术突破,其在电力系统中的应用具有重大意义,而失超保护则是对超导电力系统安全运行的保障。在失超保护设计中正确把握温升对超导材料性能的影响非常重要。该文以高温超导带材为样品,通过实验实际测得加热到不同温度时样品恢复后的临界电流,研究了超导材料经历不同温升后临界电流的变化情况。结果显示:对于同一样品,超过一定温度以后,材料将发生不可恢复的变化,超导材料经历一定温升后,其临界电流会下降,温度越高,下降幅值越大,高温的经历对材料的损伤是不可恢复的。