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℃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,不同样品的带材性能退化程度不同。     

缺陷条件下高温超导直流线圈稳定性研究

在高温超导带材生产及线圈制作的过程中,会不可避免的存在缺陷。缺陷区域的带材性能退化,表现为临界电流Ic与n值下降;极端情况下超导结构被完全破坏,呈现出非超导的阻性区。线圈工作时在阻性区会出现焦耳热,若热量不能有效地传出,温度会持续上升直到带材烧毁出现失超事故。在假设线圈退化情况的条件下,利用有限元仿真的方法,对不同热环境下带材退化对线圈温度的影响进行了研究,得出了不同热环境与区域退化下线圈的最大稳定工作电流。     

高温超导带材通流能力测试平台的设计

高温超导带材通流能力I_c是带材应用时的重要性能指标,而不同的环境温度、会对I_c产生非常大的影响。为量化测定高温超导带材在不同温度环境下的性能,设计了一套可提供高温超导带材样品性能测试的装置。该装置可提供20~77K任意温度环境、0~1000A稳定通流能力的平台,为高温超导带材性能测试提供平台。     

高温超导带材接头焊接技术研究

焊接技术是高温超导带材实际应用中的关键技术,焊接温度、焊料、搭接长度等工艺环节对带材接头性能都有一定的影响.本文针对高温超导一代Bi2223/Ag带材和二代YBCO带材的接头焊接工艺进行了系统的实验研究,包括焊接温度对带材性能的影响、不同焊料及搭接长度对接头性能的影响等.实验结果表明:一代Bi2223/Ag高温超导带材在400℃焊接温度以内载流能力不会发生明显退化,而二代YBCO带材对温度较敏感,在200℃以上带材性能会出现明显退化;在Bi2223/Ag及YBCO带材各自的焊接温区内,不同焊料对带材接头性能有一定的影响,但液氮温度下接头电阻均能达到10-8Ω量级,其临界电流与带材短样相比无太大变化;两种超导带材的接头电阻均与焊接搭接长度成反比,适当增加焊接搭接长度可以减小接头电阻,提高带材接头性能.     

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.     

高温超导带材的故障电流冲击模型

提出了一种高温超导带材的故障电流冲击模型的建立方法,该方法以超导带材的数学模型为基础,用可变电阻模拟带材的阻值变化情况;搭建了带材的电路模型,编写了电阻值的计算程序,将PSCAD/EMTDC和MATLAB通过接口程序连接到一起进行联合仿真;得到了大电流下,高温超导带材失超过程中的电流、电压及温度的波形图,并对其进行了分析。对超导带材进行了交流测量实验,并将实验得到的波形和仿真波形进行了对比和分析。     

几种Bi-2223/Ag超导带材层状复合结构的制备及性能研究

本文利用Bi-2223/Ag高温超导带材与抗拉强度σb为700MPa的铜带进行组合,带材宽度面间采用低熔点的Sn-Ag-Cu无铅焊料进行连接,制备了C-SC-C型、SC-C-SC型(C代表铜带,SC代表高温超导带)等四种层状复合结构.研究和考察了四种结构样品在室温下的拉伸性能和弯曲性能,以及电性能等.测试结果表明:与高温超导带材相比,复合后结构的拉伸性能得到了提高;复合结构中采用两根高温超导带材后,提高了传输电流的能力.研究结果为Bi-2223/Ag高温超导带材的实际应用以及新应用结构的设计提供了参考数据和实验依据.     

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.     

基于多布拉格光栅串的ReBCO带材失超探测研究

高温超导电缆、线圈和磁体的失超探测一直都是一个难点。利用基于光纤光栅传感技术的多光栅串温度监测系统,通过检测温度的实时变化为快速探测失超并准确找到失超点提供了一种新的方法。通过多次对高温超导带材失超探测实验,结果表明,在超导带材失超时,多光栅串会同时发生中心波长位移,表明带材温度变化可以被光栅串实时监测。通过理论计算和实验测定,验证了基于多光栅串探测高温超导失超的可行性,为后续的高温超导磁体和超导电缆的失超探测提供了一种新方法。     

高温超导带材最优焊接长度设计北大核心CSCD

高温超导体在需要高磁场的环境中变得越来越有吸引力,其相较于低温超导体有更高的临界磁场上限.在现今高温超导研究领域,高温超导带材以及线圈之间大多都需要焊接,而焊接电阻的存在严重影响了高温超导体工作时的稳定性与持续性.本文针对两种不同规格的第二代高温超导带材YBCO,在同种焊锡下设计不同的焊接长度进行实验,对实验的结果进行分段分析,根据实验结果,得到不同焊接长度下第二代高温超导带材YBCO的焊接电阻分布,利用最小二乘法拟合出焊接电阻-焊接长度的分布函数.提出了一个新的指标Rd用以表征焊接电阻随焊接长度的变化趋势,并且用黄金分割法求出随着焊接长度的增加,焊接电阻变化率的分布情况.进一步得出了各种焊接电阻变化率条件下的最优焊接长度.着重分析了两种规格的高温超导带材YBCO分别在不同的焊接长度条件下的焊接电阻变化情况,最终得到不同规格高温超导带材YBCO分别的最优焊接长度选择方案.     

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.     

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.     

拉伸应力下的高温超导带材临界电流特性研究

针对在低温、拉伸应力共同作用下,高温超导带材临界电流测量困难的问题,详细介绍了一种独立改造后的简便拉伸设备,利用四引线法对两种具有代表性的高温超导带材的临界电流进行了测量,并对结果进行了一系列的验证,证明了此设备能较好的完成测量任务。最后,结合带材的物理结构,简要分析了临界电流产生变化的原因。对今后的测量工作和超导磁体的设计与制备有一定的指导意义。     

脉冲磁化下高温超导带叠层导体的力学特征分析

第二代(RE)BCO高温超导带可以进行切割和堆叠以形成叠层状的复合导体结构,具备磁化后捕获强磁场的潜力.脉冲磁化条件下,叠层导体会受到电-磁-热多物理场作用,易对高温超导带的力学稳定性造成不利影响.本文基于电磁场H格式和热传导方程对叠层导体进行了多场耦合建模分析,同时结合有限元方法,分析了圆柱形叠层导体脉冲磁化过程中的应力分布特性.结果显示,环向拉应力是叠层导体的主要破坏因素.环向应力的主导成分为热应力,其变化趋势与热应力变化高度吻合.热应力在叠层内部处于较低水平,表现为拉应力,沿半径逐渐变更为压缩应力,在边缘区域达到峰值-34 MPa,随后转变为拉应力,并在边界处达到峰值38 MPa,峰值时间点都位于升磁阶段,降磁阶段峰值不断降低.     

ITER电流引线高温超导叠制作工艺及性能测试

ITER高温超导电流引线载流能力最大要达到68 kA,一根电流引线共需要1000多根银金基Bi-2223高温超导带并联.这些高温超导带分成90叠,每叠由12层带组成.银金基Bi-2223带价格是普通银基Bi系带的4～5倍,而目前欧洲超导公司提供的超导叠的报价几乎是其带价格加倍,所以开发超导叠的制作工艺是非常有价值的.本文详细的介绍了超导叠的真空钎焊制作工艺,并进行了77 K下超导带的接头电阻测试和77 K自场下的临界电流测试,以及模拟在实际运行温度65～5 K条件下高温超导叠的载流能力测试和接头电阻的测试.测试结果证明了此工艺的可行性.     

传输交流的Bi2223/Ag高温超导带在不同取向交流外场下的交流损耗

在高温超导的电力应用中，如超导电机、变压器等，多数情况下，高温超导带材在通以交流传输电流的同时还处于交变磁场中。此时，超导体的交流损耗不仅依赖于磁场的大小，还与磁场相对于超导带面的取向有关。本文在77K及工频50Hz情况下，实验研究了单根多芯Bi2223/Ag高温超导带及两带并联时的交流损耗随着外磁场与带面夹角的变化情况；以及交流磁场对临界电流的影响情况；并对单根带及两带并联的实验结果进行了比较与分析。     

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.     

35kJ高温超导储能磁体的优化设计

介绍了35kJ高温超导储能磁体的设计步骤。为了减少常规寻优方法的计算量,将加权粒子群优化算法(WPSO)引入到高温超导储能磁体的优化设计中,给出了用B i-2223超导线材进行35kJ储能磁体设计的优化结果,分析了高温超导线材的各向异性对磁体临界电流的影响,并比较了两种不同的单螺线管磁体结构在不同优化目标的情况下,超导线材用量和杂散磁场的分布的变化。     

20kA高温超导电流母线本体的绕制和实验

系统描述了20kA、5米长高温超导电流母线本体的绕制、焊接及实验。超导母线本体设计采用成熟的均流技术设计,在自主开发的专用绕线机上进行绕制。超导线采用B i2223/Ag多芯不锈钢加强带材。在超导带材与端部焊接过程中采用新的焊接技术,保证了超导性能不退化和减小接触电阻。对绕制的超导母线本体进行了直流实验。实验结果表明,两端端部接触电阻小于10nΩ,超导母线的临界电流大于32kA,满足设计指标要求。     

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.