铌钛中空超导电缆接头的直流特性分析

超导电缆接头是超导磁体的关键部件之一,其性能直接影响超导磁体的运行稳定性。通过对超导电缆接头的直流特性分析,可以比较全面详实的了解接头中电流的分布规律,并据此设计超导接头的最佳连接方式和尺寸。分析采用的软件是OPERA 13.0,建立并计算了超导接头全尺寸简化模型、1/33分段股线模型和1/33分段单侧股线模型,3类共计48个模型。在以减少超导接头引起的电缆载流能力损失,即做到各股线电阻的尽可能一致,并将接头整体电阻控制在nΩ级为目标,通过48个模型的计算结果,确定了中空超导电缆接头的最佳几何参数,分析了影响接头电流分布的关键因素。     

高温超导直流电缆现状

文中对高温超导直流电缆现状进行了介绍。高温超导直流电缆是用于直流输电的高温超导电缆。高温超导直流电缆发展相对落后于高温超导交流电缆,国际上示范项目也较少。但随着轻型直流输电应用的逐渐发展,高温超导直流电缆越来越引起人们的重视。高温超导直流电缆的本体结构和高温超导交流电缆本体结构类似。高温超导直流电缆具有输电损耗小、适合长距离输电、增加电网稳定等功能。比较适用于背靠背直流输电,工业直流输电,互联网数据中心直流供电,远距离、大容量直流输电等场合。此外,还介绍了目前国际上主要的超导直流电缆项目及研究机构情况。     

超导直流电缆的短路冲击特性分析

柔性直流输电应用场景逐渐丰富,超导直流输电作为一种新型输电技术,具有零电阻的优势,但直流网侧短路故障对超导电缆的冲击效应有待进一步研究。研究了Bi2223超导带材及其绕制的电缆短样在直流冲击作用下电阻、电压随电流的变化规律,总结出试样的短路冲击特性,并针对Bi2223带材与电缆的特性差异进行理论分析,得出电缆铜骨架结构能有效抑制直流冲击下的焦耳热生成,为超导直流电缆的优化设计和故障分析提供了理论依据。     

波纹管对超导电缆出口液氮温度的影响

建立了30米长高温超导电缆的二维模型,利用Fluent软件对该模型进行仿真分析。在该模型中,采用波纹管恒温器,分析了波纹管的波距、波高等因素对出口液氮温度的影响。结果表明:在相同的热负荷及流量下,波纹管的波距越小,波高越大,出口液氮温度越高。超导电缆波纹管内液氮温度模拟,为低温冷却系统的优化设计提供理论依据。     

高温超导电缆导体层电流分布研究

通过建立高温超导电缆等效电路模型,并提出电流分布等效数学方程,求得高温超导电缆导体层电流分布。绕制一根0.2m长110kV/2kA高温超导电缆样缆,并进行载流能力实验,得到各层电流分布结果。分析发现,各层电流分布的实验结果与理论计算结果吻合,从而验证电流分布计算模型的正确性,以及调整绕制角度对均匀层间分流的有效性。研究结论对以后更长高温超导电缆的载流能力分析具有一定的指导意义。     

多层导体超导电缆的交流输电特性

在完成设计和制造我国第一组并网运行的超导电缆系统的工作中，我们对不同结构的超导电缆短样样品的交流载流特性进行了系统的研究，内容包括层电流均流特性、电缆失超特性、失超恢复特性、电缆载流能力和抗短路冲击能力等．结果表明，对多层螺旋导体结构的超导电缆，影响其输运电流在各导体层分布的主要因素是邻近效应．由于其零电阻特性，在相同的结构中，超导体表现出比常规导体大得多的临近效应．显著的邻近效应使多层导体结构的超导电缆的均流问题变得更加复杂．此类超导电缆有很强的抗短路电流冲击能力，能够承受高于额定电流20倍以上的短路电流，并且有很好的超导性能恢复能力．由于交流超导电缆的电压与电流相位差对电阻的变化非常敏感，所以可以被用作判断失超的预警参数用来避免热溃式失超的发生．     

外场中超导结的直流约瑟夫逊电流的计算

外加磁场对超导体/半导体/超导体结的临界电流有一定影响。超导结的临界电流与磁场的曲线非常类似于单色光在单狭缝衍射的夫琅和费图样。该文在未考虑外加磁场的超导体/半导体/超导体结的临界电流的基础上,进一步对外加磁场的情形进行了研究,并对其结果借助M athem atica软件做了进一步的讨论。     

铋系高温超导直流电缆的研制

6m长,2000A的铋系高温超导直流电缆在中国科学院电工研究所研制并试验成功,电缆的导体由8层共238根Bi-2223/Ag带材在不锈钢波纹管骨架上螺旋绕制而成,导体的内径为41．5mm,导体层间绝缘,导体层外侧有低温电绝缘,电缆芯的外径为48mm,它安装在低温容器内,并与两个终端相连,电缆的直流耐压大于2．5kV,在液氮下的实验表明,电缆的临界电流为2480A（1uV/cm判据）,n值为7．7,接头总电阻为0．1mΩ,均超过设计指标,在1h传输2kA电流的运行中,电缆的传输特性稳定,经4次热循环,电缆的临界电流没有降低。     

超导电缆与传统电缆生命周期费用的比较

超导电缆作为高温超导技术电力应用的一个主要发展方向，由于其低损耗、大容量、无污染等优点受到越来越多的关注．本文提供了一组比较超导电缆和传统电缆生命周期费用的计算模型，根据该组模型可以对制冷机价格、超导电缆费用、制冷机效率、电缆负荷状态等因素如何影响超导电缆生命周期费用进行分析，为高温超导的产业化发展提供方向．文章最后给出一组超导电缆与传统电缆的比较实例。     

过耦合结构超导铝共面波导谐振器温度特性研究

制备了基于超导铝膜的四分之一波长反射型共面波导谐振器,并利用矢量网络分析仪测量了该谐振器在低温超导状态下的传输特性。实验结果表明:对于拥有较大耦合电容的超导共面波导谐振器,在超导状态下随着环境温度的升高,超导薄膜的表面阻抗会增大,进而谐振器的中心谐振频率降低,谐振峰变宽。温度越高,谐振频率随温度升高而向低频偏移的速率越快。另一方面,随着环境温度升高,谐振器的外部耦合品质因数和负载品质因数也都会降低。温度越高,谐振器品质因数随温度升高而降低的速率越快。用二能级理论解释了实验现象,品质因数理论计算值与实验测量结果相接近。     

Design parameters influencing non-uniform current distributions in superconducting multi-stage stranded cables

We have suggested that non-uniform currents occur due to certain design parameters, for example a combination of cabling pitches, in a previous study. In the present study, we evaluate the occurrences of non-uniform current distributions in terms of design parameters, i.e., the combination of cabling pitches, winding methods (solenoidal and pancake winding) and cross-sectional shape of the cable by numerical analyses. Finally, some basic design concepts to solve this problem are proposed.     

直流背场下高温超导带材临界电流及n值的分析

本文在77 K温度下,采用四引线法就超导带材,分别在0～100 mT不同的外界磁场强度和0～90°不同的磁场方向下进行测量,分析第二代高温超导带材的临界电流和n值对直流背景磁场的依赖性。结果表明,随着外界磁场强度的增大,超导带材的临界电流逐渐衰减,当磁场由0°平行方向转向90°垂直方向的过程中,临界电流逐渐衰减,且衰减逐渐严重;随着磁场强度的增大,超导带材的n值减小;随着磁场与带材夹角由0°变为90°,超导带材的n值不断减小,但减小的程度逐渐缓慢。     

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。     

Transient stability of AC multi-strand superconducting cables

AC application, it is necessary to estimate the stability of multi-strand superconducting cable. Therefore, we have been studying the transient stability of non-insulated multi-strand cable when one strand in a cable turns into the normal state locally. In the quench process, local temperature rise produced by current redistribution among strands is not desirable for stability. In a previous work, we discussed the effect of Cu matrix allocated to each strand on the transient stability and showed that the Cu matrix allocation can improve the stability of non-insulated multi-strand cable through mainly numerical simulations. In this paper, we carried out experiments on three kinds of non-insulated three-strand cables; one consists of NbTi/CuNi strands and the others consist of NbTi/Cu/CuNi strands having different cross-sectional arrangement. These sample strands have almost the same diameter, the same matrix to superconductor ratio and the same B–J characteristics to evaluate the effect of Cu allocation quantitatively. We choose to define the transient stability in terms of the minimum quench energy (MQE) at each DC transport current. We also investigated the transient stability of sample cables when quench is initiated in two or three (all) strands simultaneously.     

Thickness dependence of the maximum DC Josephson current in superconducting proximity junctions

We investigated the maximum dc Josephson current I_M in NbNb_xO_yCu/Pb junctions as a function of normal layer thickness d_Cu. Theoretical calculations based on the McMillan proximity effect model are in good agreement with the experimental data. The monotonous decrease of RI_M (R is the normal tunneling resistance) indicates the absence of any oscillatory behaviour or anomaly in the pair amplitude F_Cu(d_Cu) of the Cu/Pb sandwich, in contradiction with theoretical prediction.     

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。     

YBCO高温超导带材大电流冲击特性实验研究

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。     

Temperature and current density distributions at spark plasma sintering of inhomogeneous samples

We analyze the effect of inhomogeneity in the properties of a material on the conditions of obtaining thermoelectrics by spark plasma sintering. Inclusions localized and distributed over the volume of materials with different values of electric and thermal conductivities are considered. It is found that the presence of macroscopic inhomogeneities changes the current density distribution in the cross section of the sample being sintered. It is shown that inhomogeneity in the properties of materials during sintering do not substantially affect the temperature field in the sample at the macroscopic level, but change the current density distribution profile. The ranges of variation of the current density in the regions with inhomogeneous electric and thermal conductivities are determined for various types of macroscopically inhomogeneous inclusions and their distribution. The applicability of various models for describing spark plasma sintering is considered.     

Temperature dependence of the current to sustain a normal hotspot is superconducting microbridges

A modification of the boundary condition to determine the SN boundary in the hotspot model of superconducting microbridges is proposed and successfully applied to the interpretation of recent measurements of the hotspot-sustaining current by Mizuno and Aomine. It is shown that suppression of the order parameter due to the applied current gives rise to an additional temperature dependence of the hotspot-sustaining current in the extreme vicinity of the transition temperature.     

高温超导电缆在故障状态下的温升计算

为了更好地研究高温超导电缆在电力系统中的暂态过程,有必要研究高温超导电缆温升情况。从高温超导电缆的结构出发,分析了高温超导电缆的温度特性,建立了故障状态下高温超导电缆温度分布的数学计算模型,并通过MATLAB仿真软件对220kV高温超导电缆模型进行了仿真计算。结果表明高温超导电缆超导层与屏蔽层温度在系统发生三相短路时瞬间增大,但随着故障的解除而减小;超导层与屏蔽层电阻在瞬间增大之后会随温度的增大而增大。结果验证了所提出的电缆温度数学模型的可行性。