高温超导电缆论文

高温超导电缆论文（精选7篇）

高温超导电缆论文 第1篇

新采用的高温超导直流输电电缆是由中科院电工所与河南中孚公司等单位联合研制的。它长达360米, 载流能力达到10千安。研究人员围绕着大电流、长距离这一高温超导直流电缆的核心技术攻关, 突破了一系列关键技术, 形成了系列化自主知识产权。针对超导电缆低温杜瓦管加工长度有限的问题, 首次提出了“分段设计、插接集成”的思路和技术方案, 通过采用标准化接口和双层夹套真空密封连接技术, 可以实现任意长度超导电缆的连接, 为长距离超导电缆研制奠定了基础。这条电缆是目前世界上传输电流最大的高温超导电缆, 也是世界首条实现并网示范运行的高温超导直流电缆。

据课题组组长、中科院电工所所长肖立业介绍, 这一超导电缆于去年9月26日投入示范运行, 已安全可靠地为河南中孚公司电解铝生产线供电多月。与相同容量的常规电力电缆相比, 这种电缆节能效果达到了65%以上。

高温超导电缆论文 第2篇

高温超导直流电缆 (下称超导直流电缆) 具有损耗小、容量大、占地小等特点, 各主要国家都对超导直流电缆的研发表示了极大兴趣。2012年中国科学院电工研究所研制成功360m超导直流电缆并投入电解铝车间运行。美国计划在连接三大电网的超级电站中使用超导直流电缆。日本经产省将在北海道地区部署两条分别长500m和2000m的超导直流电缆。韩国则规划了一条1000m的超导直流电缆。这些项目示范了或将示范超导直流电缆的大电流、大容量、长距离输电等能力[1,2,3,4]。

超导直流电缆的特点决定了长距离输电是其未来发展中重要的可能应用场景。长距离应用下, 配置电缆系统参数使单个制冷站的制冷长度最大是关键问题之一。由基本的热平衡和流体力学关系可知, 电缆的热损耗、工质流量和杜瓦管尺寸等都对制冷站的最大制冷长度有影响。已有一些研究分析了逆流制冷方式情况下的制冷特性和制冷距离的影响因素[5,6], 而对于顺流制冷方式的详细分析还较少。

本文用解析的方法分析电缆顺流制冷方式稳态情况下多个电缆系统参数与电缆制冷距离的相互关系。解析法相比有限元等方法, 具有参数关系明确、方便分析多种情况下的关系等优点。

2 模型

低温绝缘型 (Cold Dielectric, CD) 高温超导直流电缆单条即可包含两极组成回路, 且消除了对外电磁干扰, 是超导直流电缆的主流结构。低温绝缘超导直流电缆结构如图1所示。从内到外依次为骨架、正极、绝缘、负极、绝缘、内杜瓦管、超级绝热和外杜瓦管[7]。

讨论制冷工质行为时最重要的几何参数是骨架内径r1、电缆本体外径r2和内杜瓦管内径r3, 如图1 (b) 所示。为减小电缆尺寸, 要求r1应较小;而为减少超导带的缠绕层数, 又要求r1不要太小。r1是在以上两因素要求下的优化。r2取决于r1与绝缘层和超导层的厚度。r3取决于r2和安装环境对电缆外径的要求。作为算例, 本文使用的通用几何参数见表1。

液氮的流动通道是骨架内 (r1内, 称内流) 以及电缆本体和内杜瓦管间隙 (r3和r2间, 称外流) 。本文研究内流和外流流向一致 (即顺流) 的情况。此种制冷方式, 单条超导电缆不能形成液氮循环回路。由于研究的是输电型超导电缆的长距离应用, 超导电缆由多段短电缆连接而成, 制冷站制冷末端的液氮可经降温加压后继续用于制冷下一段超导电缆, 不回流至电缆起点要比使用回流管送回更具经济性。若输送容量较大, 需要多个回路, 则可以配置两条并行电缆, 液氮流动方向为一去一回形式, 此时, 液氮会得到最大程度的利用。基于此, 本文考虑的制冷系统无液氮回流管, 制冷站仅用于超导电缆的制冷。

由图1 (b) 抽象出低温绝缘超导直流电缆的制冷系统稳态下的流体-热力学模型如图2所示[5]。为了简化分析并形成标准化结论, 假定该电缆为图1 (a) 所示的同心结构且沿长度方向水平敷设, 即不考虑偏心、转弯、爬坡等位置变化带来的管路损失、局部流动形式剧变等影响。

分别用Ti (x) 和To (x) 表示内流和外流的温度, 并记T (x) =[Ti (x) , To (x) ]T, 则工质管道的热平衡态方程为:

其中, 分别是内流和外流的质量流量, 并假定内外流依其通路截面面积按比例分配流量;cp是液氮的比热容;Qi为内部产热之和, 为定值且设其沿长度方向均匀分布;Qo为外界侵入热负荷, 为定值且设其沿长度方向均匀分布;Qf为流体摩擦产热, 与流动状况有关, 设其沿长度方向均匀分布。参数K反映了内外流间的换热, 定义为:

其中, kd为由内外流间的低温绝缘层和超导层等层 (下称换热层) 的等效热导率;h1和h2分别为换热层与内流和外流之间的对流换热系数, 由液氮热导率kf、水力直径Dh和无量纲数Re、Nu、Pr等决定, 其相互关系为:

其中, ρ是液氮密度;v是液氮流速;μ是液氮的动力粘度。

工质粘性流动摩擦产热为:

其中, L是电缆的长度;Δp是在L长度内液氮的压降, 由Darcy-Weisbach方程确定:

式中, f是流体与壁面间的摩擦系数。对圆形管道流, 依Colebrook方程计算;对于环形管道流, 可折合为圆形管道后采用同样方法计算[8]。在雷诺数Re=4000~108、相对粗糙度ε=0.004~0.05范围内, 使用Zigrang-Sylvester公式准确度较高[9]:

联立式 (1) ~式 (6) , 给定入口温度T (0) =T0, 即可解出电缆液氮流动通道内的温度分布T (x) 。

3 算例和讨论

实际运行的超导电缆对温度和压力都有具体的要求。对于运行温度, 要求高于工质的冰点并小于工质的沸点。因为两相流的出现会严重影响液氮的制冷效果和绝缘性能, 所以实际的上下限温度一般要稍微偏离两相点。考虑到在超导态范围内, 高温超导材料的临界电流密度随温度下降而提高, 故希望运行温度尽量低。对于运行压力, 增大压力能使制冷距离延长, 但是为避免增加杜瓦管的设计复杂度, 又希望运行压力不要过大, 此外还要考虑商业化的液氮泵所能提供的出口压力的实际能力。

高温超导电缆一般使用液氮制冷, 在1atm压力下, 液氮温区为77.4~63.2K。加压会扩展液氮温区, 但下限温度几乎没有变化[6]。基于以上原因, 为了避免两相流出现且为维持超导材料较大的临界电流, 算例确定液氮入口温度为65K, 允许温升10K。常见液氮泵的出口压力一般可达3~5bar, 本算例确定入口压力为5bar。

考虑到在算例选定的温度和压力区间内液氮物性变化并不大, 为简化计算, 取液氮物性参数见表2, 并认为其为常值。

超导直流电缆内部损耗主要为谐波损耗、介质损耗和杂散损耗, 其总和很小, 算例取为0.3W/m;外部热损耗取1W/m。

算例使用的电缆主要特征的基准值见表2。即下文计算中分析某特征参数变化的影响效果时, 仅该特征参数变化而其他参数均取基准值。

3.1 外部热损耗

外部热损耗是因工质和外界温差引起、由超级绝热进入的热负荷, 其值和电缆的电气参数关系不大, 主要由超导电缆中超级绝热层的半径、超级绝热材料和超级绝热实施工艺等决定, 可变性较大。近年来的超导直流电缆项目的公开报道数据显示, 现在的超级绝热材料和工艺, 能将外部热损耗控制在1~2W/m, 且有继续降低的潜力[10,11]。

外部热损耗是系统总体热损耗的主要部分, 直接影响到单制冷站对超导电缆的制冷距离。研究外部热损耗对最大制冷距离的影响规律对于优化超级绝热设计等工程实践具有参考意义。图3给出了外部热损耗和最大制冷距离 (Maximum Cooling Length, MCL) 的关系。

由图3可见, 最大制冷长度和外部损耗呈现负相关, 降低外部热损耗对延长单制冷站的超导电缆制冷长度具有明显效果。工程上, 应通过优化超级绝热的设计等手段尽可能降低外部热损耗。

3.2 流量

更大的流量意味着更多的冷量, 一般来说制冷距离应该越长。然而, 流量的增大也使单位距离压降、流动摩擦增大。图4给出了流量和最大制冷距离的关系。

由图4可知, 流量和最大制冷长度之间并非线性关系。在一定范围内 (临界点约为0.5kg/s) , 制冷距离随流量增加线性增加;超过临界点, 流量的增加反而引起最大制冷距离的减小。

图4说明, 在给定的管道尺寸下, 存在一个最优流量对应最大制冷长度。超过临界值, 压降 (式 (5) ) 开始成为最大制冷距离的限制条件, 增加流量并没有延长制冷长度。所以, 大于临界流量的流量设计没有实用工程价值。然而, 如果工程需要, 可以通过改变管道尺寸来适应更大的质量流量, 以便获得更长的制冷距离 (详细论述在3.5节) 。

3.3 内外换热

内流和外流之间的换热, 即换热层的热导率会影响到系统的温度分布, 进而影响最大制冷距离。换热层的热导率是绝缘材料、超导材料、波纹管等多种材料的等效热导率。图5给出了顺流制冷方式两种流量下热导率和最大制冷距离的关系。

有研究表明逆流制冷下, 内外换热效果对系统温度分布和最大制冷长度影响明显[12]。由图5可知, 在顺流制冷方式下, 换热层等效热导率的增大同样会引起最大制冷长度的减小, 但是引起的减小量并不是很大。在工程设计时, 对于换热层的热导率参数可以作比较宽松的选择。

3.4 壁面粗糙度

由式 (4) ~式 (6) 可知, 壁面粗糙度是影响流体产热的重要因素。文献[13]研究了壁面粗糙度和摩擦系数、所需制冷量等的关系, 表明壁面粗糙度的增加会引起摩擦系数变大, 所需制冷量相应增加。不过, 壁面粗糙度的影响在流量较大以及粗糙度较大时才明显。

本算例超导直流电缆的壁面包括三部分:柔性波纹管内壁、电缆本体外壁和内杜瓦管内壁。此处, 假定三个壁面的绝对粗糙度一样。图6给出了在几种不同流量下壁面粗糙度对最大制冷长度的影响。

由图6可知, 在某一流量下, 最大制冷距离随壁面粗糙度增大而减小。在粗糙度较小时 (如0.001m时) , 些微的粗糙度增大对制冷长度减小量并不明显;只有粗糙度超过某一值后, 粗糙度的影响才开始明显。考虑不同流量的情况, 则有:在流量较小时, 壁面粗糙度对制冷距离的影响不明显;随着流量增大, 壁面粗糙度的增大对最大制冷长度开始有明显的影响。如前文所指出的, 粗糙度增加同时通过增大压降和摩擦产热而影响制冷长度。壁面粗糙度对电缆制冷长度的影响力大小与流量有密切关系。所以, 工程设计中是否要重点考虑壁面粗糙度, 要结合电缆的设计流量而定。然而, 壁面并非越光滑越好, 光滑的壁面不利于湍流的产生和发展, 不利于壁面和流体的热量交换。

3.5 内杜瓦管内径

内流的截面受超导体层数等条件的限制, 可变性较小。而外流的截面由电缆本体和内杜瓦管共同决定, 若非对电缆外径有明确限制 (如限定要安装于某特定尺寸的管槽之中) , 内杜瓦管的半径选择就比较宽松。由于杜瓦管半径的变化会引起外流水力直径的变化和内外流界面比的变化, 直接导致内外流的液氮质量流量分配变化, 进而影响到液氮流体压降[14]、内外流换热等过程, 最终影响到最大制冷长度。在确保流动为湍流的前提下, 图7给出了多个流量下不同的内杜瓦管内径与最大制冷长度的关系。

可见, 在给定流量下, 最大制冷长度和内杜瓦管内半径在一定范围内呈正相关。但是杜瓦管内半径达到某个值后, 继续增大半径对最大制冷长度的延伸效果不再明显。工程中, 可以根据设计流量绘出内杜瓦管半径-最大制冷长度曲线以便选择合适的内杜瓦管以获得较长的制冷距离。

同时可见, 同一个制冷长度可对应不同流量下的不同内杜瓦管半径。工程上, 如果最大制冷长度是给定量, 图7给出的关系可以作为确定流量和内杜瓦管半径的一个依据。

4 结论

本文以典型低温绝缘型高温超导直流电缆结构为基础, 建立了超导直流电缆顺流制冷方式的热力学-流体力学模型, 用解析的方法研究了一个算例, 分析了在电缆及其制冷系统稳态情况下外部热损耗、流量等因素单个作用时分别对电缆最大制冷长度的影响, 得到以下结论:

(1) 外部热损耗与制冷距离呈负相关。

(2) 仅在一定范围内制冷长度随流量增加而延长;超过临界点, 继续增加流量反会引起制冷长度缩短。

(3) 内外流间的换热效果对制冷距离的影响并不十分明显。

(4) 在给定流量下更粗糙的壁面对应的最大制冷距离较小;流量越大粗糙度增加对制冷长度的缩短效果越明显。

(5) 给定流量下, 在一定范围内较大的内杜瓦管半径对应更长的制冷距离;较大的流量一般需要较大的内杜瓦管半径以获得更长的制冷距离。

高温超导电缆论文 第3篇

随着超导电力设备在超导电力应用领域中正逐步接近产业化, 不论超导故障限流器、超导电机、超导变压器还是超导储能装置都离不开超导绕组和低温绝缘材料。

国内外各种超导限流器 (电阻型、屏蔽型、饱和铁心型等) 研制样机和挂网试运行经验证明:饱和铁心型超导故障限流器是目前世界范围内最有可能在高压和超高压电网中解决短路电流问题且实现工业化生产的超导限流器[1,2]。与电阻型超导限流器利用超导体的失超特性实现短路电流限制的原理不同, 饱和铁心超导限流器的超导绕组不存在失超过程。其系统原理如图1所示。

其中电抗系统是设备的主体, 是实现限流功能的主要部分, 由铁心、交流绕组和超导 (直流) 绕组组成。交流绕组串联接入系统中, 其感抗随铁心磁饱和程度不同发生非线性变化, 从而实现低阻通流、高阻限流的作用。即当稳态运行时, 强大的直流偏磁使铁心深度饱和, 交流绕组表现出较低的阻抗, 设备本身压降低、耗能小;当短路故障发生时, 直流励磁被切断, 铁心退出饱和, 交流绕组呈现高阻抗。

饱和铁心型超导限流器的高压交流绕组通常采用传统的变压器/电抗器制造技术, 载流体选用铜或铝, 绝缘结构可根据要求设计为干式、油纸或气体绝缘。目前1 000 k V的特高压绝缘结构也已有成功的设计和制造经验。而提供强大直流偏磁的超导绕组通常被置于低温杜瓦中, 由高温超导带材绕制。目前国外高温超导带材第一代Bi-2223带材零场下的临界电流可达180 A, 几何尺寸仅约5×0.3 mm, 因此超导绕组的励磁安匝可以很大, 而体积相对较小。直流励磁系统为超导绕组供电, 电流可根据励磁要求连续调节。

超导绕组正常工作时电阻几乎为零 (含接触电阻等<1×10-6Ω) , 绕组两端电压很小, 此时对绝缘的要求并不高, 但当电网短路故障发生, 直流被切断, 绕组处于释能放电过程时, 电流在很短的时间内骤变, 绕组两端将产生一个感应电压, 即

因此超导绕组的设计应综合考虑上述情况, 满足一定的绝缘要求。所选绝缘材料不仅要能保证低温下的电气安全, 还应考虑具有较高的机械性, 保障在电网发生短路故障时, 超导绕组能抵抗电气、机械等负荷的冲击。

1 低温绝缘介质性能

低温绝缘通常有液体绝缘和固体绝缘, 目前常用的低温液体绝缘介质主要有液氮和液氦两种, 液氮可作为高温超导的绝缘和冷却介质, 液氦适用于低温超导, 液氮和液氦的性能参数如表1所示。

低温固体绝缘材料则种类较多, 包括电绝缘漆、胶、电工薄膜以及层压制品等, 可根据不同的使用场合进行选择。电绝缘漆常用来做漆包线绝缘和线圈浸渍, 如聚酰亚胺漆。电绝缘胶有包封胶、灌注胶和浇注胶等。电工薄膜则常用作匝间绝缘、层间绝缘等, 工艺上常分切成带或制成粘带后使用如聚酰亚胺、聚酯、聚乙烯和聚四氟乙烯等。而层压制品如环氧层压板 (G10) 由于其电气和机械性能俱佳, 通常被用作骨架结构, 除作电气绝缘外还起机械支撑作用。

低温固体绝缘材料的性能参数主要包括热、电气和力学三个方面。热性能包括热收缩率、热导率和比热容, 选择绝缘材料时应尽量选用与超导体热收缩应力接近的;电气性能包括介电常数、体积电阻率、介质损耗正切值、击穿特性和电老化特性;常规绝缘材料在77 K温度下会丧失柔韧性变硬变脆, 尤其吸附的水会变成冰, 使绝缘材料开裂, 超导绕组正常是在直流电压下工作, 而且稳态工作电压较低, 因此除电气性能外, 还应从机械性能角度考虑, 选择低温力、热学性能较好的材料。常用低温电工薄膜的性能参数见表2。

a测量条件:60 Hz, 电极采用Ф12.7 mm钢球, 间隙0.19 mm。

b测量条件:Ф2.5 mm球—平板电极。

2 超导绕组的匝间绝缘试验

众所周知, 绝缘材料的击穿电压与电极 (导体) 形状、几何结构, 电压类型等因素有关。饱和铁心型超导限流器的超导绕组载流体通常选用Bi-2223/Ag超导带材, 其截面几何尺寸为4.6×0.24 mm (宽边×窄边) , 边缘处容易电场集中。由于聚酰亚胺薄膜在低温下电气、热收缩和力学性能较优, 故超导绕组匝间绝缘选用聚酰亚胺薄膜。

为研究超导绕组匝间绝缘在液氮中, 外加直流电压下的击穿特性, 在液氮77 K温度下进行匝间绝缘直流击穿试验。

试验采用如图2所示接线。由被试品、液氮储槽、示波器和高压直流电源组成。被试品超导体采用与上述相同截面尺寸的Bi-2223/Ag超导带, 绝缘采用0.02 mm厚聚酰亚胺胶带。被试品分为两组, 其中一组匝间绝缘为0.04 mm聚酰亚胺胶带, 另外一组除0.02 mm聚酰亚胺胶带作导体绝缘, 每匝间还设置有1 mm液氮间隙。试验时, 被试品分别置于液氮中, 施加直流电压, 从零开始连续均匀地升高试验电压, 升压速率为1k V/s, 直至样品击穿。试验数据见表3。

试验结果显示:

a.无液氮间隙匝间绝缘的平均直流击穿电压为20.6 k V, 击穿均在窄边边缘发生。

b.1 mm液氮间隙匝间绝缘的局部放电起始电压约20 k V, 电压加至直流源的最大值40 k V, 被试品均未发生击穿。

相关资料表明, 液氮的脉冲击穿电压 (1/50μs) 比交流击穿电压高, 脉冲系数为2.5~3.5。在均匀电场下, 脉冲击穿电压和直流击穿电压大致相同[3];不均匀电场下, 直流击穿电压较低, 脉冲击穿电压比均匀电场下的高。此实验中带材近似平板电极, 电场近似均匀电场, 可认为直流击穿电压与脉冲击穿电压相近。

3 高温超导绕组的绝缘结构和工艺

超导绕组通常需封闭在低温杜瓦中, 饱和铁心型超导限流器的高温超导绕组也不例外。杜瓦作为液氮等低温介质的容器为超导绕组提供低温环境, 通常设计有电流引线管、进液和排气绝热管, 超导绕组浸泡于液氮中由电流引线管中的引线引出接至励磁电源。带电运行时杜瓦及绝热管接地, 如图3所示。

高温超导绕组设计为双饼叠垒结构。其中超导双饼是绕组的基本结构单元如图4所示。由绕组骨架、超导带材和绝缘构成。绕组骨架采用环氧层压板 (G10) 制作, 主要承受带材热胀冷缩的内应力和短路时的电动力, 同时作为饼间绝缘耐受超导绕组充放电过程的瞬态电压。双饼骨架分为5层, 中间层 (3) 和最外两层 (1和5) 为厚度较薄的环氧薄板, 其余两层 (2和4) 为适应线材宽度的环氧板, 相对较厚。通常双饼骨架径向尺寸较小, 而直径尺寸较大 (2 000 mm左右) , 为保证骨架的机械强度, 克服低温下收缩的不利影响, 同时也考虑简化加工工艺, 节省加工原料, 设计中将骨架分解多个尺寸完全一致的, 然后进行粘接组装, 如图5所示。设计要求, 包覆好绝缘的超导带绕制在骨架上, 形成一个双饼, 再在每一饼外部包绕一层或几层玻璃纤维带, 最后浸渍低温绝缘胶固化成一体, 最终与液氮共同形成对地 (杜瓦壁、引线管等接地金属部件) 复合绝缘。

将若干个固化好的双饼线圈按照一定的叠装方式组装为一个桶状的超导绕组, 每两个双饼线圈之间加装环氧树脂衬垫层, 用以保证超导体与液氮间拥有足够换热空间。双饼线圈叠装完成后, 使用非导磁金属拉杆将所有线圈以及端板轴向固紧, 最终形成一个完整的超导绕组。若干双饼线圈根据通流需要进行串并联连接, 并联引线的出线端接到公共导电铜排上, 并采用环氧层压板、低温胶和热缩管做绝缘。导电铜排再由聚四氟乙烯绝缘套管引出, 该绝缘套管的高压试验结果显示其耐压水平可达30 k V。

上述结构表明:超导绕组的绝缘———饼与饼之间 (饼间绝缘) 、匝与匝之间 (匝间绝缘) 以及整个绕组的外围 (对地绝缘) , 都是由环氧层压板、聚酰亚胺薄膜、低温胶、聚四氟乙烯以及液氮构成的复合绝缘。其中环氧层压板提供绝缘层的刚度和强度, 基本控制着绝缘层的力学性能;聚酰亚胺薄膜则作为匝间和对地绝缘的主要介质承受可能出现的各种电压作用;低温胶则有多种用途, 实现多种目的, 包括连接、密封、填充、导热和绝缘;液氮作为冷却介质的同时, 还承担绝缘作用。

4 高温超导绕组的电气性能试验

超导绕组需承受各种工况下的电压作用, 因此其电气性能必须经过试验验证, 保证安全可靠才能投入运行。除通过直流电阻、绝缘电阻等性能指标检测, 以及进行直流耐压等稳态性能测试外, 还可以通过模拟实际运行工况:速断直流试验来考核其暂态下的可靠性。

试验方法:先采用配套的强励直流电源使超导绕组在几十毫秒内达到额定电流, 稳定一段时间, 再采用配套的灭磁系统, 在几个毫秒内切断直流供电, 同时测量超导绕组两端电压, 并采集记录波形。“快速起励-稳定-速断直流释能”的过程模拟可以检验在电网系统发生故障产生短路电流时, 迅速切断超导绕组的直流供电产生的感应电压是否对超导绕组绝缘造成影响。

220 k V饱和铁心型超导限流器已在现场试验时根据上述方法进行了模拟测量。测得切断直流时超导绕组两端产生的操作冲击电压峰值约9k V。试验后, 检查超导绕组外观, 无任何损坏和异常;进行72h稳态通流能力测试, 通流期间, 性能稳定, 一切正常。

本文第3节超导绕组匝间绝缘试验显示, 77K液氮温度下, 0.04 mm厚聚酰亚胺薄膜匝间绝缘的直流击穿电压可达20.6 k V。而相关资料[6]指出, 玻璃布与低温胶的复合绝缘击穿电压 (交流) 在室温下可达40 k V, 且根据资料和经验, 环氧胶和玻璃环氧复合材料在低温下的绝缘性能更好, 另外材料的冲击耐压值高于交流击穿值。因此采用聚酰亚胺薄膜、环氧层压板以及低温胶等做低温绝缘材料的饼式结构高温超导绕组绝缘, 其电气强度是足够满足要求的。220 k V饱和铁心型超导限流器的超导绕组设计为5组并联, 每组9个双饼, 共504匝。校核在最大冲击电压 (峰值) 下的匝间击穿电压的安全系数为:1 151。也就是说饱和铁心型限流器超导绕组的绝缘材料、结构和工艺选择都是安全可靠的。

5 结束语

饱和铁心型超导限流器的超导绕组绝缘不仅是提供可靠的电气性能, 还是绕组的主要机械支撑, 尤其在电网故障发生短路时, 因此设计中应综合考虑各种工况下的性能要求, 选择合适的绝缘材料和加工工艺。

高温超导材料的研究现状与展望 第4篇

超导技术是21世纪具有巨大发展潜力和重大战略意义的技术, 超导材料具有高载流能力和低能耗特性, 可广泛应用于能源、国防、交通、医疗等领域。

由于高温超导体较高的临界温度, 且用于其冷却的液氨价格便宜, 操作方便, 是具有实用意义的新能源材料。自从上世纪八十年代, 瑞士的Bednorz和Müller发现氧化物超导体 ( Tc = 35 K) 以来, 全球掀起了研究高温超导电性的热潮。此后, 人们又发现了超导转变温度越来越高的各种系列的高温超导材料, 目前汞系超导体的转变温度已高达130多K。在基础研究的同时, 世界各国在超导材料的产业化研究方面, 也投入了大量的人力物力[1]。

1各种高温超导体的研究现状

1. 1钇系 ( YBCO) 超导体

在目前已知的各种高温超导体中, Y123 ( YBa2Cu3O7, YBCO) 是研究得最为深入的一种。YBCO在92 K左右显示出超导电性, 且超导相的比例极高。

YBa2Cu3O7 - δ ( YBCO) 在液氮温区具有高的临界电流密度 ( Jc值) , 在外磁场下具有比Bi系超导体更好的性能, 故其是当前的研究热点之一[1]。

薛运才[2]等运用正电子湮没技术和X - 射线衍射等实验手段, 对Eu替代Y位Y1 - xEuxBa2Cu3O7 - δ样品的正电子寿命谱、超导电性及晶体结构进行了研究。结果表明, 超导转变温度Tc随着Eu替代浓度x增加而增加, 超导转变温度Tc达94. 7 K。

陈镇平[3]等探究了稀土离子Gd3 +的Y位掺杂对YBa2Cu3O7 - δ ( YBCO) 体系晶体结构和局域电子结构的影响。 其中输运测量表明, 实验样品超导转变温度Tc均在90 K以上。

陈羽[4]等研究了Cu元素、O元素在铜氧化物高Tc超导体中对超导电性的产生, 超导转变温度的变化, 掺杂元素的特征效应具有决定性作用, 认为Cu O2平面上的Cu、O元素的键态的声子模对电声配对具有决定性作用。

崔旭梅[5]等利用TFA - MOD方法制备YBCO超导薄膜, 其中超导转变温度Tc≈90K, 转变宽度 ΔTc = 0. 5K。

何萌[6]等制备了YBa2Cu3O7–δ/ Sr Nb0. 01Ti0. 99O3P - N结, 其零电阻温度Tc = 92 K, 转变宽度 ΔTc为0. 4 K。

朱亚彬[7]等采用电泳技术 ( EPD ) , 将两种粉末YBa2Cu3O7 - δ和1g/ mmol YBa2Cu3O7 - δ+ 0. 4g / mmol Y2Ba Cu O5制备成YBCO先驱膜, 研究高温超导厚膜超导转变温度: 起始转变温度是93 K。

刘震[8]等运用脉冲激光沉积制备了YBa2Cu3O7 - δ/ Nb - doped Sr Ti O3双层结, 其超导转变温度为91K。

国外研究表明, KCl O3掺杂可以降低YBCO烧结温度到920℃ , 制备的样品转变温度有所提高, 约为94 K[9]。

可见, YBCO类高温超导体已经成为高温超导体中的一个重要分支, 目前研究中, 其超导转变温度约在93K左右。

1. 2铋系超导体

铋系超导体是仅次于钇系、第二个研究较为透彻的高温超导体。1988年初日本人用Bi2O3代替稀土, 用锶、钙代替钡在Br Sr Ca Cu O ( BSCCO) 系中发现了新的高温超导相。此后, 美、日都宣布发现Tc为110K的超导体。经研究BSCCO共有Bi2Sr2Ca Cu2O8 ( Bi2212) 和 ( Bi, Pb) 2Sr2Ca2Cu3O10 ( Bi2223) 两个高温超导相, 前者的Tc约80 K, 后者为110 K[10]。

王正道[11]等研究了Bi系2223高温超导带材77K下的力学性质, 其中给出了4种不同包装的Jc值 ( A/cm2) : Ag /Ag为4700, Ag / Ag Cu为4550, Ag Cu / Ag Cu为4280, Ag Cu / Ag为3 300。

汪静[12]等研究了烧结温度和时间对铋系超导体性能的影响, 当烧结温度为850℃ 保温90 h条件下, 2223相的含量达到了88% , 其Tc为105 K。

1. 3镁硼超导体

Mg B2是一种新发现的超导材料, 2001年Mg B2超导体被日本教授秋光纯发现, 其晶体结构简单、原料成本低, 超导转变温度为39 K, 且没有“晶界弱连接性”, 被认为是应用于20 ~ 40 K磁场适中条件下的最佳超导材料。Mg B2超导体是近年来超导材料领域的研究热点之一。

王淑芳[13]等分别运用化学气相沉积、脉冲激光沉积和电泳技术在氧化物单晶基片Mg O ( 111) 和c - Al2O3上制备了Mg B2超导薄膜和厚膜。三种方法制备的样品零电阻转变温度分别为38、38. 4和39 K。

许红亮[14]等制备了掺杂Ti B2的Mg B2超导线材, 其临界电流密度分别达到9 960 A/cm2 ( 6 K, 4. 5 T ) 和1 110 A/cm2 ( 6 K, 7 T) 。

陈莉萍[15]等制备了不锈钢衬底Mg B2, 其超导厚膜样品的Tc ( onset) = 37. 8K, Tc ( zero) = 36. 6K, ΔT = 1. 2 K。

白心悟[16]等通过B4C - Mg二元体系合成Mg B2复相超导体, 超导相含量为88% 的Mg B2- B4C复相超导体临界转变温度为33. 5 K, 10 K环境6T外场下电流密度达1 × 104A / cm2, 这表明Mg B2- B4C复相超导体具有良好的磁通钉扎行为及强电应用潜力。

1. 4铊系超导体

1988年, 第三种高温超导体———铊系高温超导体被发现, 铊的主要缺点是有毒, 吸入、注射和皮肤接触都会危害健康, 90年代以后, 人们才对铊系材料的超导性能有所了解。

铊系超导体是具有高转变温度的超导材料之一, 具有多种工艺制备方法, 其中Tl - 2223相超导体具有最高Tc值 ( 125 K) 。

沙建军[17]等提出采用增加铊蒸气压来提高Tl - 2223相超导体中的铊含量, 从而提高Tc值, 该方法简单可行, 制备的超导体Tc值可达127. 6 K。

伊长虹[18]等以铝酸镧 ( 001) 单晶为基片, 采用两步法制备Tl - Ba2Ca Cu2Oy ( Tl - 2212) 高温超导薄膜, 其零电阻温度为106. 2 K。

路昕[19]等在Mg O衬底上, 利用共蒸发法制备Dy Ba2Cu3O7作缓冲层, 再运用磁控溅射及后处理, 制备Tl2Ba2Ca Cu2O8薄膜, 其制备的Tl - 2212薄膜最高Tc = 105. 5K, 液氮温度下的临界电流密度为Jc = 2. 5 × 106A / cm2。

1. 5汞系超导体

1993年, 人们发现汞系超导体, 和铊系超导相同, 汞的毒性同样也影响了HBCCO的发展。1995年, 名古屋工学院采用溶液纺丝法 ( Solution Spinning) 制备出Hg - 1223 ( Hg Ba2Ca2Cu3Ox) 的超导丝 ( Φ250μm) , Tc值达127K, Jc ( 77K, 0T) 达103 A / cm2, 开辟了汞系超导体的制备新途径。

1995年, 由南京大学、香港城市大学和香港大学共同合作, 烧结制备的汞系超导体, 其抗磁转变温度提高到143 K。

王德武[20]等用离子注入的方法成功地制备了汞系超导体Hg - 1223在Sr Ti O3衬底上的薄膜材料, 其超导转变温度为118 K。

高孝恢[21]等研制了掺氟汞系1223相, 研究了产品结构与超导电性。掺氟烧结样品的超导临界温度Tc为133. 8 K, 比不掺氟烧结样品的Tc提高约22 K。

季鲁[22]等利用阳离子置换反应技术, 制得Hg - 1212和Hg - 1223超导薄膜, 其临界转变温度Tc可分别高达124 K和132 K。

2展望

我国是世界上较早开始研究和应用超导材料的国家之一, 近年来, 超导材料研究取得了比较大的成就, 但人们对高温超导微观机理的研究还不够深入, 要充分认识高温超导的微观机理, 还需要通过一段时间的研究。

另外, 与国外相比, 我国在高温超导材料工艺成型、产业化和工程化领域还有待提高, 需进一步推动和发展高温超导材料产业化制备关键技术, 以提高我国超导材料的制备和应用水平。

高温超导同步发电机的励磁绕组优化 第5篇

近几年来我国面临着严峻的资源压力, “煤、电、油”全面告急, 能源瓶颈正成为制约国民经济可持续发展的最主要因素[1]。同步电机采用超导励磁绕组, 可以大大提高电机磁场强度, 使其具有效率高、重量轻、体积小等显著特点为我们提供了更加的选择[2]。超导发电机具有损耗小、发电效率高、具有良好的运行调节性能, 可以大幅度提高电力系统稳定性, 从而使发电厂、变电站、城市地下送电通道的工程规模得以大大减小, 特别是对于大容量、高密度送电方面有着常规发电技术无法比拟的优点。近年来国内外对超导电机的研究取得了一定成果, 图1为超导电机的基本模型。

研究超导发电机, 提高电机的气隙磁密在电机的设计中是非常重要的, 气隙磁密不但对电机的稳定性有重要影响, 而求还影响着电机的功率。本文主要对电机的气隙磁密进行了优化。

2 影响磁密因素

高温超导发电机主要包括, 定子绕组, 转子绕组, 磁屏蔽, 阻尼器, 真空层, 支撑架, 冷却系统等组成, 其中除了磁屏蔽其余的都是非导磁材料[3]。

影响超导电机气隙磁密包括多个方面。磁屏蔽厚度, 励磁线圈材料的特性, 转子绕组的励磁电流大小, 转子结构的选取, 励磁绕组线圈的匝数等均对超导电机气隙的磁密产生影响, 其中磁屏蔽的作用还能防止定子的磁场向外发散[4]。

3 超导线圈材料的选取

目前, 能够实用化的高温超导带材主要有BSCCO带材 (称为第一代高温超导带材, 简称1G) 和在柔性金属基带上涂以YBCO厚膜的涂层导体 (称为第二代高温超导带材, 简称2G) 。高温超导带材能够在在低温条件下实现高电流密度, 它还具有完全抗磁性, 对垂直磁场的敏感程度远远大于平行磁场等特性[5]。图2为高温超导带平行磁场和垂直磁场强度与温度、电流的关系曲线。为了保证HTS的稳定性, 我们必须保证有足够低的温度, 工作电流小于其临界电流 (电流产生的垂直磁场不让HTS失超, 保证工作的安全裕度) 。本文章我们选用的是Bi2223超导体。

目前, 超导线材价格还是很昂贵, 制作超导电机的主要花费还是在超导线材上, 另外电机冷却系统也要占一部分开支, 温度越低开支越大。因此, 在我们选用超导线材时, 不但要考虑到超导线材的稳定性, 还要考虑它的经济效益, 保证超导线材安全裕度的情况下, 尽可能的选择临界电流低, 工作温度较高线材。我们的工作电流确定为120A, 结合上面给出的图形我们分析, 最终选用工作在77K临界电流为160A的超导线。

4 励磁绕组结构的确定

4.1 励磁绕组类型的选取

超导励磁绕组主要有鞍座型绕组和跑道型绕组两种结构, 其中以跑道型的研究为多。我们这里使用的是跑到性的励磁绕组结构, 图3为我们设计的跑到型励磁绕组, 图4定转子二维切面图.

4.2跑道结构的选取

磁体的结构电机气隙磁密、电势波形、超导线的用量等有重要的影响, 在电机的设计过程中, 需要对其进行优化, 以提高电机的总体性能。超导磁体的结构主要设计变量是双饼线圈的个数、内径和匝数等参数。本文在保证超导线材用量基本相同的情况下, 除超导线圈层数、内外径和每层匝数外, 其它结构参数不变, 分析某超导电机的磁场分布并获得所需方案, 表1为不同结构的参数对比。

通过上面对比, 我们可以容易的发现, 方案一的线材长度用量最短, 节约电机成本, 谐波含量相对最低, 产生的基波磁密的幅值最大。因此我们我们决定选择方案一。

4.3 磁屏蔽厚度的确定

磁屏蔽不但可以防止定子磁密向外扩散, 而且不同厚度的磁屏蔽还对定子磁密有一定的影响。图5为基波磁密随磁屏蔽厚度的变化, 图6为谐波含量随磁屏蔽厚度的变化, 图7为3、5、7次谐波随磁屏蔽厚度的变化。

5 结果

经过对比我们选择磁屏蔽厚度为28mm, 此时的谐波含最低, 而基波幅值也相对比较大。图9为各次谐波含量的柱形图。

综合上述的讨论, 我们最终选择工作在77K临界电流为160A的超导线, 四跑道双层绕组, 磁屏蔽厚度为28mm。图9为各次谐波含量的柱形图, 图8为最终的磁密波形图。

6 结论

本文我们通过对比分析不同超导体材料, 不同励磁绕组结构, 不同磁屏蔽厚度情况下的磁密分布, 最终我们确定了比较合适的方案。但这不是最终结果, 后面还有很多工作要做。

参考文献

[1]唐跃进, 李敬东, 潘垣, 王惠龄, 程时杰.超导旋转电机—发电机和电动机的研究现状.电力系统自动化超导技术系列讲座, Feb.25, 2001:72-76.

[2]Y.K.Kwon, M.H.Sohn, S.K.Baik, E.Y.Lee, J.M.Kim, T.S.Moon, H.J.Park, Y.C.Kim, and K.S.Ryu“, Development of a100hp Synchronous Motor With HTS Field Coils, ”IEEE TRANSACTIO-NS ON APPLIED SUPERCONDUC-TIVITY, VOL.15, NO.2, JUNE2005.

[3]Maitham K.Al-Mosawi, C.Beduz, and Y.Yang“, Construction of a100kVA High Temperature Superconduct-ing Synchronous Generator, ”IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCOND-UCTIVITY, VOL.15, NO.2, JUNE2005.

[4]李辉.超导发电机发展及其电磁系统分析方法综述[J].大电机技术, 2004 (6) .

二代高温超导带材缓冲层的制备 第6篇

超导材料是超导电缆的电流载体。考虑到超导电缆的长距离应用,要求超导电缆中的超导材料必须以带材(截面为矩形或圆形)的形式进行应用。超导带材的制备工艺复杂,对设备要求高,难度很大,所以目前世界上能生产超导带材的厂家并不多。按照超导材料的种类,分为一代超导带材(1G)和二代超导带材(2G)[1,2],前者由铋锶钙铜氧元素组成,统称为铋(Bi)系超导带材;后者由钇钡铜氧元素组成(缩写为YBCO),称为二代超导带材。由于YBCO超导带材性能的优越性及更广的使用范围,其越来越受到关注。

YBCO超导带材具有多层结构,包括基板、缓冲层、超导层、保护层。其中缓冲层和保护层根据实际应用的需要,可能又包含多层不同的材料。缓冲层是超导层与基板的中间层,既可以防止基板与超导层材料间发生反应,又可以将基板或自身的织构传递给超导层,是超导带材中非常重要的组成部分。

1 缓冲层材料

常见的缓冲层材料包括CeO2、Y2O3及Y2O3稳定化的ZrO2、MgO等[3]。缓冲层材料的晶格参数必须与超导层相接近,才能作为超导带材的缓冲层。表1给出了室温下常见缓冲层材料的相关参数(为了便于对比,列出了YBCO材料的相关参数)。

缓冲层具有阻止化学反应(如基底中的金属原子进入超导层或超导层中的氧原子向基底扩散)和传递织构的功能。YBCO超导层只有在一定的晶格取向下才表现出较高的载流能力。织构的好坏对超导层的性能有重要影响。如织构在基底上形成,则通过缓冲层将基底上的织构传递至超导层;如缓冲层自身具有择优的晶格取向,则缓冲层自身就为超导层的生长提供了模板。

缓冲层通常具有多层结构,如包括籽晶层、阻隔层和模板层。籽晶层是生长单晶的种子,也叫晶种;阻隔层的作用是防止各层材料间原子的相互扩散。模板层即为超导层的生长提供模板。

缓冲层层数越多,制备的难度越大。目前,简化缓冲层的结构也是研究的重点。

2 缓冲层的制备方法

现有YBCO超导带材的缓冲层一般由多层结构组成,各层可能采用不同的制备方法。但从整体上看,主要有离子束辅助沉积法、倾斜基底沉积法、溅射法和和电子束蒸发法等[5,6,7,8,9]。在缓冲层制备过程中,通常采用以上多种方法的综合。

2.1 离子束辅助沉积法

英文全称为Ion Beam Assisted Deposition,简称IBAD法,即通过离子束的二次作用,使缓冲层具有双轴织构。主要过程为,将含有缓冲层靶材材料蒸发至基板上,然后利用辅助离子束对沉积层进行蚀刻,通过控制辅助离子束的角度,使得沉积层具有一定的择优取向(主要为立方织构)。IBAD法是目前制备缓冲层主流方法,用来制备其中的某一层或多层。在早期的缓冲层材料研究中,利用IBAD法制备钇稳定化的氧化锆(YSZ)作为缓冲层受到了广泛的关注,但IBAD-YSZ耗时长,制备1 m～1μm厚的YSZ,需要20 h,成本太高。如何提高缓冲层的沉积速率已成为其降低成本、实现工业化制备必须面对的问题。以此为目标,IBAD-MgO得到了发展。S.Hanyu等[10,11]利用IBAD法制备了制备了GdBCO/CeO2/IBAD-GZO/IBAD-MgO(3层)和IBAD-MgO(4层)两种结构的缓冲层。结果表明,前者的生产速率达到20 m/h,后者生产速率更是高达500 m/h。与另一种形成织构基底的方法不同(轧制辅助双轴法),IBAD法制备的缓冲层是织构的初始模板,所以该法具有的优势是基底的选择范围广,很多金属都可以作为超导带材的基带。镍合金由于其易获取,在高温下机械性能好以及和缓冲层、超导层热膨胀系数接近等优点,是目前最常用的基底材料。IBAD法的主要缺点是所用设备复杂、需要高真空系统,成本高

2.2 倾斜基底沉积法(Inclined Substrate Deposition)

简称ISD,是一种很有潜力的新方法。ISD法首次报道于1996年。与IBAD法不同,ISD法没有辅助离子源,其利用电子束或其他激发源将原材料激发,基底本身与激发源成一定角度,从而直接在基底上得到具有一定取向的缓冲层。ISD法沉积速率较快,可达10μm/s。Balachandran等[12]利用ISD法在哈氏特洛伊金属基板上(Hastelloy,尺寸1 cm×0.5 cm×0.5μm)制备了MgO缓冲层,沉积速率最高达到10μm/s。通过表征发现,MgO与基板成55°,夹角半高峰宽约9°。随后利用脉冲激光沉积法(PLD)在MgO上沉积了YBCO超导层,77 K自场条件下,临界电流密度约2×105 A/cm2。

Dürrschnabel等[13]利用ISD法,在Hastelloy-C276金属板上沉积了MgO薄膜。利用SEM、AFM和TEM对所得薄膜形貌等进行了表征。结果表明,在MgO厚度在800 nm的情况下,薄膜面长度和面高度分别为71 nm和18 nm。

2.3 溅射法(Sputtering)

以高能粒子轰击某种材料制成的靶材表面,使靶材中的原子或分子从本体中逸出。与周围气体分子不断碰撞后,沉积到基底上的过程。溅射法可分为直流溅射、交流溅射、反应溅射和磁控溅射四大类。利用溅射法可在基底表面获得金属、合金、氧化物等各种薄膜,是一种最为常见的制备薄膜的方法之一。溅射法的特点是:在惰性气氛中进行,常用气体为氩气;所用基底温度低;制备薄膜纯度高;工艺重现性好等。美国超导公司(AMSC)和韩国SuNAM(瑞蓝)公司开发的商用YBCO超导带材,均利用溅射工艺制备缓冲层中的一层或多层,见图3。文献[14]中以Ni-5at%W (Ni-5W)金属带为基底,利用直流反应溅射法,以reel-to-reel (卷轴对卷轴)的方式制备了Ce2Y2O7(CYO)薄膜。经表征后发现:厚度为350 nm时,得到的CYO薄膜致密、表面平滑无裂纹,在CeO2中掺杂Y,可以有效的抑制薄膜中裂纹的出现。Wang等[15]在CeO2/NiW金属带上,采用射频溅射法沉积了YSZ薄膜。调查了氧压比和溅射功率对薄膜表面形貌和粗糙度的影响。经研究表明:①薄膜的颗粒尺寸及表面粗糙度随着溅射功率的变大而增加;②氧氩比不同,得到不同晶格取向的YSZ。

溅射法是目前实验室及工业生产中一种制备薄膜的主要工艺,现在在光通信、显示技术等光学领域也显示了巨大的需求。

3 结语

科学家研制出新型高温超导材料 第7篇

超导磁悬浮 (资料图)

他们的这种创新材料具备在高温下操作的能力。大多数超电导材料通常含有传导性元素, 比如说铌、铅或者水银, 而且只能在极端寒冷的条件下操作, 这就使它们在现实世界中的应用变得不切实际。然而耐高温超导体在目前的医疗技术中找到了实际应用, 比如说在诊断测试中使用的磁共振成像 (MRI) 以及超导量子干涉装置 (SQUIDs) 。借助电动力悬浮的磁悬浮列车也依靠耐高温超导材料进行工作。