准各向同性高温超导股线交流损耗的实验研究

高温超导体的交流损耗直接影响超导电力装置的运行成本和稳定性,是判断超导电力设备设计是否合理的重要特性之一.在阐述准各向同性高温超导股线结构特点的基础上,首先对准各向同性高温超导股线的交流损耗和磁滞损耗进行仿真研究,利用有限元软件Comsol Multiphysics分析了交流背景磁场下的损耗,然后在对光纤布拉格光栅(optical fiber Bragg grating,简称FBG)波长与损耗关系标定的基础上,使用光纤布拉格光栅测量交流背景磁场下的交流损耗.理论计算与实验结果相吻合,表明在工频和液氮温度下股线的交流损耗以磁滞损耗为主.     

准各向同性导体指数损耗分析北大核心

高温超导材料具有弱连接和低钉扎力的特性,当超导中通入交流时,导体内磁通线的运动需克服钉扎力,导致焦耳热损耗,即指数损耗,特别是通入的电流接近于临界电流时,该损耗不可忽略。运用数值仿真的方法分析了由第二代高温超导带材构成的准各向同性高温超导股线的指数损耗的特点。研究表明:指数损耗在股线中的分布与磁场的分布密切相关,即处于股线外侧的超导带材的指数损耗要远大于内侧的超导带材;股线总的指数损耗随着通入的电流的增大呈指数倍的增加。     

准各向同性高温超导股线的弯曲特性研究

主要研究了各向同性高温超导股线在77K、自场下的弯曲特性。首先阐述了各向同性高温超导股线的结构特点,分析了在弯曲状态下股线内部超导体不同区域的弯曲情况并建立了单根带材侧向弯曲的几何模型。在此基础上,对单根带材样品进行侧向弯曲实验,测量其在不同弯曲半径下的临界电流并分析其衰减情况,得到带材的临界弯曲半径。然后对各向同性高温超导股线样品进行弯曲特性实验,确定了超导股线的最小弯曲半径,该超导股线在电力传输及大型超导磁体方面具有潜在应用价值。     

高温超导方形细线的交流损耗特性研究

当前超导电缆能否实现大规模应用还面临着多项关键技术问题,进一步改进超导电缆的结构和绕制技术、进一步降低交流损耗就是其中的两个方面。将多根高温超导方形细线(Soldered-Stacked-Square HTS wire)通过并联形成一根双根结构的高温超导缆线,采用电测量法,在77 K、零外场及不同频率条件下,对高温超导方形细线通以不同运行电流时产生的交流传输损耗进行测量,可以获得双根高温超导方形细线的交流损耗与传输电流频率之间的关系,结果表明两者无关,并且超导方形细线的双根并联结构对减小线材的交流损耗能够产生一定影响。     

金属封装内冷型高温复合超导体电磁特性的有限元分析

基于工程化高温超导带材的内冷型复合超导体电磁特性受磁场各向异性影响较大,采用有限元方法分析了内冷型复合超导体的电磁特性。利用COMSOL Multiphysics建立了基于商品化高温超导带材的金属封装内冷型高温复合导体的有限元计算模型,并对其进行电磁仿真分析,得到了内冷型复合超导体的磁场分布,应用高温超导材料在磁场下的Jc-B曲线关系,获得内冷型复合导体在77K液氮温区下临界电流受磁场影响的变化规律。采用电场强度与电流密度进行面积分的方法,计算得到了不同频率、不同通流下内冷型复合导体的交流损耗情况,计算表明,相同频率下交流损耗随激励电流的增大而增大,相同激励电流条件下交流损耗与通流频率成正比关系。     

聚变堆用堆叠型REBCO超导股线的交流损耗特性研究

制备了一种面向聚变堆磁体用的堆叠型REBCO超导股线，采用电测法，用锁相放大器及数字采集卡对液氮环境下该种超导股线的传输损耗进行了测量。基于H公式对股线传输损耗进行了有限元模拟，并与实验值、理论值进行了对比，工频下不同加载电流幅值下实验值与仿真值的平均差异为16.2%,验证了实验结果，为进一步研究更复杂情况下堆叠型REBCO超导股线的交流损耗提供了参考。     

外场因素对高温超导堆叠带材交流损耗的影响

REBCO高温超导带材在传输电流时会产生交流损耗,从而影响超导设备的稳定运行。基于麦克斯韦方程组,结合超导体的非线性E-J关系,使用H方法推导求解超导体交流损耗的数值计算公式,利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件建立二维轴对称模型并进行计算。结果表明,在通入交变电流后,超导带材由于抗磁性会出现部分零磁通区域,随着传输电流幅值、磁通蠕变系数、频率及环境温度的增大,磁通穿透深度逐渐增大,零磁通区域逐渐减小,传输电流主要分布于带材两端。增大传输电流幅值、磁通蠕变系数以及环境温度中任一变量,交流损耗随之增大,而交流损耗随频率的增大而减小。合理选取超导带材参数可有效降低交流损耗,保障超导设备安全运行。     

液氢温区YBCO超导带材的交流损耗研究

超导电缆具有载流能力强、损耗低等优势,是电力输送的良好选择。但是,超导电缆需工作于低温环境。液氢温度为20K,可为超导电缆提供低温条件,将超导电缆输电与液氢燃料输送相结合,可解决超导电缆在输电中的瓶颈问题。开展了液氢替代液氮后高温超导带材的传输交流损耗研究。针对美国超导公司提供的黄铜加强YBCO带材,采用H法有限元模型,仿真分析了液氢、液氮冷却时超导带材的传输交流损耗。结果表明采用液氢作为超导带材的冷却介质时,带材正常金属产生的涡流损耗和磁性基底产生的铁磁损耗对总损耗的影响程度较小。所得结果可为液氢温区超导电缆的设计和运行提供参考。     

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。     

Bi系高温超导带材交流传输损耗的研究和分析

本文研究了Bi-2223高温超导带材的交流传输损耗和频率及运行电流的关系, 调查了热循环过程对交流传输损耗的影响. 实验中, 使用了Lock-in 放大器, 利用四引线法来测量带材交流传输损耗. 实验在温度为77K频率从45Hz到135Hz下进行. 在调查损耗和频率及运行电流的关系时, 发现在运行电流幅值小于临界电流时, 每周传输损耗和频率无关, 说明这时的损耗主要来源于磁滞损耗, 实验结果和Norris椭圆模型的计算结果很接近. 在研究交流传输损耗和热循环的关系时, 发现随着冷热循环次数的增加, 交流损耗也在增加. 这种损耗的增加来源于冷热循环过程中产生的应力, 这种应力的释放减弱了晶粒间的Josephson连接, 使临界电流下降, 从而造成了交流传输损耗的增加.     

110 kV高温超导电缆屏蔽层交流损耗特性研究

基于H方程求解了110 kV/3 kA高温超导电缆在不同工况下运行时的磁场分布和交流损耗,在此基础上分析屏蔽层感应电流的变化情况,并探究导电层和屏蔽层采用组合超导带材的可行性。结果表明,随着传输电流的增大,屏蔽层感应电流发生了畸变,电缆总体的交流损耗显著增加。当导电层采用77 K下临界电流为210 A的超导带材时,电缆可显著降低大约48%的交流损耗。     

高温超导电缆在城市地下输电系统应用的可行性研究

本文通过对交流高温超导电缆系列设计计算对额定电压35kV、110kV、220kV的高温超导电缆,按不同传输电流(或传输容量),以高温超导电缆的传输效率(损耗与传输容量比)、高温超导电缆外径限值和超导导体绕制结构限制条件,确定高温超导电缆适用性界定条件,提出城市地下输电、配电系统用高温超导电缆可行方案.     

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.     

10 kV紧凑型三相同轴高温超导电缆交流损耗研究

根据10 kV紧凑型三相同轴高温超导电缆参数,在COMSOL Multiphysics有限元软件中建立电缆的二维仿真模型,基于H方程求解了电缆在额定工况稳态运行时以及不同传输电流下的磁场分布和交流损耗;在此基础上,分析了绕制半径、相间距离以及相间相对角度对交流损耗的影响.仿真结果表明,各相超导层绕制半径越小,相间距离越小,各相产生的交流损耗越小;三相的交流损耗有随着超导层结构周期性变化的特点,且当相间相对角度为0°时,各相产生的交流损耗最大.     

高温超导YBCO线圈交流损耗的频率特性

YBCO线圈的交流损耗直接关系到YBCO设备的运行成本及稳定性。实现对YBCO线圈交流损耗的快速、准确测量,对于开展YBCO涂层导体的应用研究具有重要的意义。文中采用电测量法,在77K、零场和不同频率条件下,对YBCO线圈通以不同运行电流时产生的交流传输损耗进行测量。构建了YBCO线圈交流损耗的数值计算模型,对YBCO线圈交流损耗进行理论研究,最后将实验数据与理论计算结果进行比较,两者结果基本一致。可以发现,YBCO线圈在频率低于75Hz时,交流传输损耗随频率的增大而减小,当频率从75Hz增加到195Hz时,交流传输损耗随频率的增大而增加。     

高温超导带材临界电流角度依赖性测量分析

第二代高温超导带材与第一代相比,有着载流能力强、交流损耗低、无需贵金属等优点,在超导电力应用中有广阔前景。高温超导带材临界电流在外磁场的影响下会发生衰减,超导带材临界电流的角度依赖性是超导电力装备设计必不可少的参数。实验选取温度50～77 K、磁场0～3.5 T、磁场角度0～360°区间,分别测量了上海超导、苏州新材料等厂家生产的市面主流第二代高温超导带材的临界电流,分析了不同背景磁场大小及角度下超导带材的各向异性。结果表明,各厂家生产的超导带材具有明显的各向异性。     

基于改进电测法的Bi-2223/Ag高温超导带的交流损耗研究

研究了B i-2223/Ag高温超导带材的交流传输损耗与频率及运行电流的关系。采用锁相放大器激励,内参考方式,首先对纯阻性相位进行定标的改良电测法,对带材的交流传输损耗进行测量。实验在温度77K,频率45-200Hz的范围内进行。实验结果显示:当运行电流幅值小于临界电流时,传输损耗与电流的关系式(P-In)中,指数n介于2-3之间,说明这时的损耗除来源于磁滞损耗外,涡流损耗的作用也不可忽略。鉴于电测法测得的交流损耗与Norris模型的理论计算值差别较大,分析了这种差别产生的原因,并与另一种B i系高温超导带的交流损耗情况进行了对比;此外还对实验误差的大小进行了理论估测。     

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.     

基于补偿法的超导单元交流损耗测量系统设计

交流损耗是影响超导电力装置运行稳定性和成本的关键因素之一.本文提出了一种基于电压补偿法的大载流超导单元交流损耗测量方法,通过串联在回路中的大电流补偿线圈,抵消超导单元的感性电压来实现.在系统设计上,通过数据采集卡和运动控制器,获取超导单元、补偿线圈的电压信号,同时控制步进电机拖动补偿线圈.通过相位的对比计算,实现精确定位补偿,从而测量超导单元的交流损耗.最后,在不同频率下,测量了0.2 m长、110 kV/1.5 kA的高温超导电缆样缆的交流损耗,得出的交流损耗曲线与计算结果基本吻合.实验结果表明,采用补偿线圈的交流损耗测量系统具有自动检测、定位和测量功能,可以实现具有大电流容量超导单元交流损耗的准确测量.     

不同热处理条件下Bi-2212超导线材的临界性能研究

Bi-2212高温超导材料在4.2K具有优异的磁场载流性能,并且是目前高温超导材料当中唯一可制备成各向同性圆线的材料,可以绞制成大电流的CICC电缆,也是大型超强磁场磁体的首选材料之一。高压热处理技术可以大幅提高材料超导性能。临界电流与n值是超导导线的主要性能参数。本文测量了两组分别经过常压和高压热处理的超导线在不同背景磁场中的临界电流和n值。测试所用Bi-2212导线是以Ag和Ag/Mg合金为基体,采用粉末装管法制备而成,两组导线在890℃下经不同压强热处理。从对比的数据中定性地分析热处理压强和超导线性能之间的关系。