EAST装置15kA高温超导电流引线研发

低温超导磁体采用高温超导电流引线能显著降低制冷系统的造价和运行费用.正在建造中的大型超导托卡马克核聚变试验装置(EAST)需要一对16kA和12对15kA电流引线.所研发的电流引线采用美国超导(AMSC)公司提供的Bi-2223/Ag-Au带材, 每5条超导带组成单元叠,与不锈钢支撑圆筒表面50个槽软钎焊成超导段.支撑筒两端铜接头,温端与铜电流引线段丝扣连接并低温钎焊;冷端与100根NbTi/Cu超导线直接锡铅钎焊.冷端采用4K超临界氦流冷却;温端正常运行温度为78K,用液氮冷却.设计要求在此冷却条件下的临界电流大于16kA.78～290K铜电流引线采用3头螺旋槽换热器,冷氮气冷却.为提高电流引线的安全性,在高温超导段温端贮存适量液氮作为热沉,大大增加电流引线被烧毁的时间常数.     

EAST装置15kA高温超导电流引线研发

低温超导磁体采用高温超导电流引线能显著降低制冷系统的造价和运行费用．正在建造中的大型超导托卡马克核聚变试验装置（EAST）需要一对16kA和12对15kA电流引线．所研发的电流引线采用美国超导（AMSC）公司提供的Bi-2223／Ag-Au带材，每5条超导带组成单元叠，与不锈钢支撑圆筒表面50个槽软钎焊成超导段．支撑筒两端铜接头，温端与铜电流引线段丝扣连接并低温钎焊;冷端与100根NbTi／Cu超导线直接锡铅钎焊．冷端采用4K超临界氮流冷却;温端正常运行温度为78K，用液氮冷却．设计要求在此冷却条件下的临界电流大于16kA.78-290K铜电流引线采用3头螺旋槽换热器，冷氮气冷却．为提高电流引线的安全性，在高温超导段温端贮存适量液氮作为热沉，大大增加电流引线被烧毁的时间常数．     

万安级YBCO高温超导段分流器结构优化设计

针对YBCO(Y-Ba2-Cu3-O7-x)高温超导材料的特性,设计适用于万安级高温超导电流引线的新型高温超导段结构。温端的设计温度为65K,冷端设计温度为5K,在此冷却条件下需要临界电流大于10k A,满足正常工作时的强度要求,漏热不大于3W,不烧毁时间不低于7s。该高温超导段采用双层套筒结构形式,YBCO带材单层平铺在内外筒,以保证结构紧凑性,降低冷却难度,并达到万安级载电流能力。     

EAST降温实验中HTS电流引线的降温操作与自动控制

EAST装置的8对铜电流引线于2007年升级改造为HTS电流引线。基于改造后的冷却回路和降温操作经验,在低温DCS中设计并实现了HTS电流引线降温操作的自动控制,包括降温流程的顺序控制和自动安全监控,以及液位和温度等关键过程参数的自动控制回路。经过降温实验验证,以上自动控制策略完全满足HTS电流引线的降温要求。     

电流引线迫流冷却传热分析

如何降低电流引线向低温环境的漏热,是超导电力技术领域的一项重要课题.文中概述了电流引线研究进展,建立了电流引线迫流冷却传热模型,并分析了氮气迫流冷却作用,推导了电流引线温度分布和最优长度-横截面积比(ORLA)函数式.自然蒸发迫流冷却对最优长度-横截面积比(ORLA)影响较小.     

高安全ITER高温超导电流引线的分流器材料选择

当高温超导失超后其电流由分流器承载,分流器材料的选择将影响电流引线冷端热负荷和运行费用.本文通过不同金属材料物性的对比计算,寻找最佳的分流器材料,使得ITER巨型超导磁体的高温超导电流引线运行可靠和费用最低.分流器横截面积确定基于分流器与Bi-2223基体AgAu的电阻率对失超后电流分配比,这样保证超导体转入电阻态后分流器分流大部分电流,同时由于分流器具有很好热沉作用,抑制超导体温度迅速上升,从而避免超导材料烧毁或过热.     

ITER高温超导电流引线的高安全分流器研究

电流引线是室温电源电缆与低温磁体之间的电连接部件.高温超导材料在液氮温度下具有零电阻率和低热导率的特性,用它做成的电流引线可以大大减小低温系统的热负荷,从而减少制冷设备投资及系统运行费.高温超导电流引线可以分为阻性换热器段和高温超导段两部分(其中还包括各部件间的连接部分).高温超导段的分流器设计关系到冷端热负荷大小以及超导段失超后的安全问题.为了研究国际热核聚变试验堆(ITER)电流引线高安全性能,专门设计、试验了68kA引线的1/90实验样品.本文通过对比全CuBe(cu-2%Be)分流器、全不锈钢分流器和二元分流器的失冷故障(LOFA)实验结果,证明二元分流器能够克服安全性和冷端漏热矛盾,可以满足ITER高安全性的要求.     

超临界氦迫流冷却超导装置电流引线的最佳化

对超导装置电流引线的一种新型冷却方式——超临界氦迫流冷却作了研究。发现对于一定的运行电流,存在着一种最佳工况,此时冷却超导装置制冷机的室温功耗最低。对于残余电阻比rrr=89的铜引线和温度T=5.2K,压强p=8×10~5Pa的超临界氦冷介质,最佳工况参数与运行电流间的函数关系已被求得并为实验证实。     

气冷电流引线气流不均衡分配条件下运行参数研究

气冷电流引线被广泛的应用于许多大型超导磁体及其它一些超导装置中.由于引线实际制作过程中的差异或者超导装置本身的一些问题,正负两个引线之间或者同一引线的不同流道之间都存在着冷却气流分配上的不均衡.超导装置中除电流引线外的其他低温热源也可能使流经引线的冷却气流处于非正常状态.所有这些都会使电流引线的实际工作状况偏离最优化设计.本文用数值模拟的方法对非最优化冷却气流条件下的电流引线运行状况进行了研究,分析了冷却气流偏离最优化程度与引线实际运行参数之间的影响关系.     

气冷电流引线气流不均衡分配条件下运行参数研究

气冷电流引线被广泛的应用于许多大型超导磁体及其它一些超导装置中．由于引线实际制作过程中的差异或者超导装置本身的一些问题，正负两个引线之间或者同一引线的不同流道之间都存在着冷却气流分配上的不均衡．超导装置中除电流引线外的其他低温热源也可能使流经引线的冷却气流处于非正常状态．所有这些都会使电流引线的实际工作状况偏离最优化设计．本文用数值模拟的方法对非最优化冷却气流条件下的电流引线运行状况进行了研究，分析了冷却气流偏离最优化程度与引线实际运行参数之间的影响关系．     

电力系统用高温超导磁体的热稳定性分析

为了研究高温超导磁体在电力系统应用中的运行状态,在建立了高温超导磁体在交变电流运行下的分析模型的基础上,对磁体温度场进行有限元分析,给出了磁体在交变电流运行下磁体内部的温度分布,探求了磁体的安全工作电流,提出了改善磁体热稳定性的措施,对直接冷却、饼式结构的高温超导磁体研制有一定参考意义。     

Induced current of high temperature superconducting loops by combination of exciting coil and thermal switch

With its commercialization, the second-generation (2G) high temperature superconducting (HTS) RE—Ba—Cu—O (REBCO, RE is rare earth) tape is extensively applied to the superconducting magnets in the high magnetic fields. However, unlike low temperature superconducting (LTS) magnets, the HTS magnet cannot operate in the persistent current mode (PCM) due to the immature superconducting soldering technique. In this paper, an exciting method for two HTS sub-loops, so-called charging and load loops, is proposed by flux pump consisting of exciting coil and controllable thermal switch. Two HTS sub-loops are made of an REBCO tape with two slits. An exciting coil with iron core is located in one sub-loop and is supplied with a triangular waveform current so that magnetic field is generated in another sub-loop. The influence of magnetic flux on induced current in load loop is presented and verified in experiment at 77 K. The relationship between the induced magnetic flux density and the current on the sub-loops having been calibrated, magnetic flux density, and induced current are obtained. The results show that the HTS sub-loops can be excited by a coil with thermal switch and the induced current increases with magnetic flux of exciting coil increasing, which is promising for persistent current operation mode of HTS magnets.     

热载荷下LEYBOLD G-M制冷机制冷性能测试

简要介绍了高温超导传导冷却的意义和G-M(Gifford-McMahon)制冷机的制冷原理。对高温超导传导冷却用G-M制冷机的空载降温过程,热载荷下的工作过程进行实验分析。总结了制冷机性能测试中的实验过程及方法,解决了实验中的一些问题。     

Bi-2223带材制备的高温超导电流引线

为了降低沿电流引线的漏热,用于制备高温超导电流引线的B i-2223带材要求具有较低的热导率。文中介绍了低热导率银金合金B i-2223高温超导带材;给出了其热导率的测试结果;并采用该带材制造了高温超导电流引线样机。液氮条件下测试该段高温超导引线的临界电流为332A。     

基于最小热量传递势容耗散原理的导热优化

导热是一个不可逆过程,它的优化遵循最小热量传递势容耗散原理。本文根据该原理,对体点问题中的高导热材料布置进行了优化。当域内导热系数的积分为定值时,最小热量传递势容耗散对应于导热系数与当地热流成正比,即全场的温度梯度均匀。以温度梯度均匀化为准则,利用仿生优化方法得到了域内有均匀和非均匀热源时高导热材料的最优布置。     

不同目的热优化目标函数:热量传递势容损耗与熵产

热量传递势容(势容)反映了物体的导热能力,在导热过程中势容有损耗,对应于势容损耗最小的导热过程效率最高,传热速率最大。熵反映了过程的不可逆性,在导热过程中熵有增加(熵产),对应于熵产最小的过程是系统做有用功的能力((?))损失最小的过程。以势容损耗和熵产为目标函数,分别对导热平板和圆形导热管进行了导热优化计算。以势容损耗作为目标函数的优化,要求沿传热方向温度的梯度为常数,结果是系统具有最大的导热能力。以熵产作为目标函数的优化,要求沿传热方向温度的自然对数的梯度为常数,结果是系统具有最小的(?)损耗。     

HTS电流引线中接头电阻的研究和焊接工艺

针对Bi-2223/Ag-Au高温超导带材制造的二元HTS电流引线设计中不同材料之间连接的技术要求,设计了减小接头电阻的焊接工艺实验,包括焊接温度、焊料、搭接长度和焊锡层厚度对接头电阻的影响。着重分析了HTS电流引线中应用的三种接头的焊接工艺对焊接电阻的影响,并总结出在HTS电流引线中接头电阻的焊接工艺参数。     

直线电机用高温超导块材磁体作用力—磁场特性分析

本文以探究高温超导块材磁体在同步直线电机实际应用特性为目标,搭建了对磁场、三维电磁力信号同时采集的多物理场测试平台.实验探究了作为直线电机次级的高温超导块材磁体所受电磁力、俘获磁通随充磁电流、电机初级三相交流电电流幅值、频率等参数的变化规律.理论分析了高温超导块材俘获磁通在行波磁场中的衰减规律.基于所得结论,提出可有效抑制磁场衰减的方法—引入铁磁材料,并重点讨论该方法对初次级间电磁力的影响.