YBCO矩形双面薄膜直流限流特性研究

本文对以La Al O3(铝酸镧)为基片的YBCO(铱钡铜氧)矩形双面薄膜进行微细加工和安装,制成微型电阻型超导直流限流器。在此基础上搭建实验电路,对其开展实验研究,深入分析了不同结构薄膜的直流短路过程。高温超导双面薄膜失超后内部磁、热变化复杂,本文通过短路实验研究从整体上掌握其直流限流特性,验证了该类型限流器的可行性。     

YBCO薄膜过电流失超特性实验及分析

YBCO薄膜材料作为电阻型高温超导限流器的限流元件具有单位通流长度耐压高,失超后不易损毁等优点.本文设计一套实验设备,在不同幅值交流电源条件下,对YBCO薄膜过电流失超特性进行了测量.实验得到了在不同过电流作用下YBCO薄膜的阻抗及电压随时间的变化关系.大量实验数据表明,YBCO对短路电流有很好的限流效果.并且动作迅速,失超后有效限流电阻大.结合实验数据,文中将YBCO薄膜的过电流失超过程分为三个不同阶段.对应于不同幅值的交流电源,分析了不同阶段YBCO的电阻发展过程.本文得到的结论对YBCO薄膜限流元件的建模及失超传播分析有着重要的参考意义.     

基于YBCO的变压器型双面超导薄膜限流器

超导限流器对于其他限流器而言具有响应时间短、能够自动恢复等优点,是一种十分理想的限流器.相对于单面超导薄膜的结构特点,双面超导薄膜的失超电阻是其两倍,基于此提出了将双面超导薄膜应用于变压器型超导薄膜限流器中.通过理论分析并且进行实验对单面、薄膜双面串联情况下的限流效果进行了对比,并改变原边电感观察其对限流效果的影响.通过实验,副边负载以及变压器性能对限流效果影响明显.     

二代高温超导带材失超电阻的交-直流等效计算方法

超导故障限流器具有通态损耗低、响应速度快等优点,是一种应用场景广阔的超导电力设备,但二代高温超导带材失超电阻的有效计算较困难,难以同时满足计算精度和速度的要求。本文对YBCO高温超导带材进行交流和直流过电流冲击实验,测量了短路故障电流作用下带材的失超电阻特性。结果表明,带材失超电阻与积累能量具有一一对应关系,且该对应关系在交流和直流工况下一致。以此为理论基础,搭建了基于电阻-能量关系的电阻型超导限流器失超电阻计算模型,提出了交直流等效失超电阻分析方法,可用交流冲击实验等效替代直流实验,降低实验与仿真建模的难度。     

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。     

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.     

基于LabVIEW平台的YBCO超导带材失超传播特性测试系统

基于LabVIEW软件平台,搭建了高温超导带材失超传播特性测试系统。在77K、自场环境下,能够通过上位机控制超导电源,并通过4个PT100铂电阻温度计、TM208温度监视器和keithly2000数字电压表测量YBCO超导带材失超以后的电压和温度数据。系统通过虚拟仪器软件架构(VISA)完成数据采集后,绘制出沿带材样品纵方向的电压和温度变化曲线,计算出YBCO带材的失超传播速度、最小触发能等参数,实验结果与一维热流方程模型计算结果一致。所设计的测试系统可操作性高,自动化程度高,人机交互界面友好,为超导带材失超传播特性的研究提供了方便可靠的具体实验方案。     

双根堆叠YBCO超导带材缺陷状态下失超传播规律研究

因双根并绕堆叠结构的YBCO带材能够进一步增加设备承载电流密度,被广泛应用于大型超导设备线圈绕制中.本文研究了外层有包绕绝缘的双根并绕堆叠YBCO带材有缺陷情况下的失超传播特性,应用有限元法方法,建立了双根YBCO带材堆叠状态下失超仿真模型,研究了存在不同缺陷的情况下双根堆叠超导带材的失超传播特性,探索了堆叠带材在不同工作电流下传播速度(NZPV)等参数的变化趋势,同时探究了不同铜稳定层厚度下并绕堆叠带材失超传播规律.结果表明缺陷区域面积增加以及铜稳定层厚度减小,都将导致双根并绕堆叠结构的二代高温超导带材失超传播速度增加,在带材上的温升增加,增加失超的风险.研究结果可以为超导设备安全稳定运行参数设置提供支持.     

基于分裂电抗器的开关转换型超导直流限流器

多端柔性直流电网技术的发展面临快速限制短路电流的巨大挑战。超导直流限流器被认为是故障限流的最有效解决方案之一。提出了一种基于分裂电抗器的开关转换型超导直流限流器,该限流器通过限流单元(分裂电抗器的绕组由YBCO带材绕制)与固态开关相配合,稳态时,限流器呈并联结构,等效电感小,运行损耗低;故障发生后,限流器转换为串联结构,并受大电流冲击而失超,产生较大的限流电阻,能够有效限制短路电流。基于MATLAB/Simulink建立了超导限流器模型,仿真分析了限流过程中的电流变化情况,对比分析了开关动作前后的限流情况,验证了该限流器的可行性。     

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。     

YBCO超导线圈失超保护的研究

近来膜超导体YBCO的长尺寸化取得了较大的进展，有望在不久的将来用这种下一代的高温超导体制成超导线圈。与用低温超导体材料绕制的线圈相比，高温超导线圈可以在较高的温度下运行且较难发生失超现象。即使这样，对高温超导体失超的研究和测量也是非常有必要的。特别是膜超导体由YBCO薄膜和Ni基金属基带(比如Hastelloy合金)组成，当导体失超时有较高的电阻率。     

超导带材并联结构的失超传播特性研究

失超传播速度v_(nzp)和最小失超能量E_(mq)是超导磁体的失超保护设计的重要参数。对由YBCO制成的单长导体、平行并联双导体和堆叠并联双导体进行实验,测试和分析了液氮温度下三种不同结构样品的失超传播速度和最小失超能量,监测了并联结构受到局部热干扰时的带材分流情况,及带材分流对于失超特性的影响。结果表明,分流现象导致失超传播速度降低,最小失超能量升高;通流比相同时,堆叠并联结构相比单根带材,失超传播速度约下降14%,最小失超能量约上升13%。     

用于柔性直流输电的电阻型超导限流器优化策略研究

电阻型超导限流器应用于柔性直流系统的短路故障限流,可以有效降低与之配合的断路器开断要求。通过建立基于实测数据的YBCO超导带材短时电流冲击模型,发现超导带材失超电阻过小是影响限流性能的主要因素。针对此问题,提出了低温优化策略和带材结构优化策略,两种策略都可通过减少导电金属面积来达到节省带材的目的。最后,根据直流系统和限流器要求,提供了一种带材结构综合优化算法,并利用模型仿真验证了其有效性。     

一种YBCO带材及其单饼线圈的失超传播特性分析

对一种YBCO涂层的高温超导带材及其单饼线圈进行了失超传播特性的实验测试与分析。实验测试在77K温度的液氮环境下进行,给带材通入恒定直流电流,使用加热丝给带材上一点提供脉冲热扰动,主要测量了超导带材及单饼线圈失超传播过程中的最小失超能和失超传播速度。实验结果表明YBCO超导带材及其线圈的失超传播速度随电流升高而增大,最小失超能随电流升高而减小,线圈中径向传播速度要远小于纵向传播速度。     

高温超导带材失超传播特性实验研究

采用测量多个电压节点顺序失超的方式,测量了在液氮浸泡和有包裹材料情况下不锈钢加强Bi-2223/Ag和YBCO涂层导体高温超导带材样品的失超传播速率。根据实验结果,Bi-2223/Ag高温超导带的失超传播速率约为2 cm/s,YBCO带材的失超传播速率约为0.4 cm/s,均远远低于低温超导材料的相应数值。对这一现象的原因进行了简要分析,并根据高温超导带材的这一特点,提出了在高温超导电力应用中需特别注意的问题。     

高温超导带材YBCO涂层导体的失超传播特性研究

在液氮(77K)环境下对YBCO涂层导体的交、直流失超传播特性进行了研究。测量了交、直流情况下的失超传播速度以及最小失超能量;分析了超导带材的失超传播速度与传输电流的关系;推导了一维模型下的失超传播速度计算公式。结果表明,当带材的传输电流交流(有效值)与直流相同时,交、直流失超传播速度基本一致,交流的最小失超能略小,且随着传输电流的增大最小失超能间的差距加大。     

YBCO线圈在液氮中的失超特性研究

由于高温超导材料的临界温度较高,可以运行在一个较宽的温度范围内,因此高温超导磁体被看作是稳定性较好的磁体,它在超导电力、超导磁体方面的应用占着日益重要的地位.YBCO带材作为第二代高温超导体的代表,近年来其生产工艺水平也得到了迅速发展和提高.磁体失超是影响超导磁体运行稳定性的重要问题之一.本文研究了YBCO单饼线圈在液氮环境中因由热扰动诱发的失超特性,设计了一套高温超导线圈在液氮浸泡下的失超测量系统,通过软件LABVIEW和数据采集卡对线圈的温度和电压进行采集和记录,测量YBCO单饼线圈在不同运行条件下的失超特性.     

超导储能磁体的失超保护装置

根据电力系统对超导储能(SMES)装置的要求,并针对中国电力科学研究院制备的YBCO和BSCCO超导储能磁体失超的特点,作者研制了一套数字式失超保护装置.该装置采用数字信号处理技术(DSP)进行算法实现,通过对失超触发事件进行处理来控制保护电路的动作;同时,进行人机界面的开发,用于监测工作环境、失超保护电路及超导磁体的工作状态.最终,该装置通过了SMES系统动模试验,从而验证了其有效性.     

串联超导单元失超特性改善方法的仿真研究(英文)

为承受高电压与高电流等级,电阻型超导限流器的各个无感超导单元间不可避免地要进行串并联,由此会带来单元间失超不同步的问题.本文以单根344S超导带材在100ms的故障时间内,带材温度由92K升至300K时,失超电阻随温度的变化为基础,对两者间的关系进行了拟合.之后,以拟合函数为核心,利用Simulink的库中元件构建了单位长度344S带材的失超电阻模型并将其封装为模块.最后,搭建仿真电路模拟了故障时间内两个串联失超模块不同步失超的过程,仿真了分流电阻对失超不同步的改善并对分流电阻的选取进行了优化分析.结论证实,较小阻值的分流电阻更有利于改善失超特性.     

超导储能系统失超保护实验研究

介绍了超导储能系统的失超保护实验,分别对实验装置、失超保护系统、实验连线以及实验电路四个方面进行了阐述。在超导储能系统运行过程中,通过测量在磁体电流超过临界电流情况下,失超保护系统中失超电压及电流的变化曲线,分析了不同充电电流对磁体阀值电压的影响以及在磁体参数改变下失超保护系统的适用情况。实验结果表明,失超保护系统能快速、准确地检测失超信号,并进行保护动作。同时,实验数据的统计也说明了不同的充电电流速度对阀值电压没有产生影响。