Bi2223_Ag和YBCO高温超导带材在交流过电流冲击下的失超及恢复特性研究

严重时甚至会使超导电力设备性能退化或损坏 。 高温超导失超研究包括对超导材料失超产生 、
传播和恢复过程的研究 [6, 7 ] 。对于大电流短路冲击 情况 ,失超的产生和传播多在瞬间完成 ,因而研究 失超恢复过程对超导电力应用及失超保护具有重 要意义 。本文通过交流冲击实验测量了 B i2223 / Ag和 YBCO 超导带材在交流过电流冲击下的温 度 、电压和电流 ,研究了两种带材在液氮浸泡直接 冷却条件和准绝热条件下的失超和恢复性能 。
3 实验结果与分析
3. 1 冲击前后带材电流 、电压及电阻特性 超导带材的临界电流是温度的函数 ,即可写
为 Ic ( T) ,当通过带材的电流小于 Ic ( T)时带材会 保持在超导态 ,且 Ic ( T )随带材温度 T 升高而减 小 。由此我们可以推测 ,带材在不同的冲击电流 下和持续工作电流下 ,存在以下几种可能情况 :在 实验开始时 ,带材初始温度为 T0 ,如果冲击电流 峰值 Imax < Ic ( T0 ) ,带材保持超导 。 Imax > IC ( T0 ) 时带材开始出现失超 。冲击后 ,带材温度上升到 T1 ,若持续工作电流 IW < Ic ( T1 ) ,带材将立即恢复 超导态 。若 IW > Ic ( T1 ) ,带材将存在一定的失超 恢复过程 ,如果带材产生热量小于散热量 ,带材可 逐渐降温至 T2 ,此时如 IW < Ic ( T2 ) ,即恢复超导 态 ;如果带材产生热量大于散热量 ,将无法恢复超 导态 。基于以上分析 ,为得到冲击电流对带材特 性的影响 ,实验采用不同的冲击电流 ,保持固定的 IW (峰值为 50A ) 。为得到带材其它特性 ,实验也 采用了同一冲击电流下 ,通以不同的 IW 。冲击时 间 tP 均在 400m s以下 。 3. 1. 1液氮浸泡直接冷却条件下的 B i带
(1. 中国科学院应用超导重点实验室 , 北京 100190;
2. 中国科学院电工研究所 ,北京 100190; 3中国科学院研究生院 , 北京 100190) 摘要 :采用交流冲击实验装置测量了在不同交流过电流 、持续交流工作电流及冲击时间情况下 ,不同散热条件 下 B i2223 /Ag和 YBCO 高温超导带材的电压 、电流和温度随时间变化曲线 ,分析了冲击期间和冲击后带材各参数变 化及失超恢复时间与散热条件和冲击参数的关系 。研究结果表明 :带材在交流过电流冲击下的失超和恢复过程主 要取决于冲击能量和冲击过后带材内发热与散热的竞争效应 。 关键词 : B i2223 /Ag超导带材 ; YBCO 超导带材 ;过流冲击 ;失超 ;恢复
0. 2 4. 2 15 - 20 80 - 90 30 - 45
3 以上数据在 77K,自场情况下测量得到 。
在低温下 , DW - 3低温环氧胶的热导率为 0. 15W / (m ·K) ,银的热导率为 520W / (m ·K) , B i - 2223的热导率约 3 W / (m ·K) , YBCO 的热导 率约为 30W / (m ·K) ,且均随温度变化 ,但其变 化不大 。因此可以认为 ,经环氧包裹处理后的超 导带材与液氮基本不存在直接表面换热 ,即本工 作定义的“准绝热条件 ”。
开始出现失超 ,失超时电压波形有明显畸变 ,冲击 过程中带材电压和电流幅值基本不变 ,冲击后带 材电压立即恢复到冲击前的状态 。典型本类冲击
情况实验结果如图 1所示 , Imax = 250A ( ～2 Ic ) , tP = 200m s,在整个冲击期间电流波形基本无变化 ,
在通过电流瞬时值超过 Ic 时 , 带材出现部分失 超 ,在过零点附近 ,通过电流小于 Ic ,带材重新恢 复超导态 ,此时只有感性阻抗 ,电压波形出现一定 的畸变 。在整个冲击期间 ,电压的峰值基本保持 不变 。冲击结束后 ,回路中还有峰值为 50A 的持 续工作电流 IW , IW 小于此时带材的瞬态临界电流 Ic ,带材直接恢复到超导态 ,可认为失超恢复时间 为零 。
表 1 B i2223 /Ag带材和 YBCO 带材的性能参数 Tab. 1 Parameters of B i2223 /Ag and YBCO tapes
参数
B i2223 /Ag
YBCO
带材厚度 /mm 带材宽度 /mm 带材长度 / cm 3 临界电流 /A
3 n值
0. 32 4. 8 15 - 20 125 - 130 18 - 24
Abstract: The voltage, current and temperature of B i2223 /Ag and YBCO tapes were measured and analyzed under different cooling conditions at AC over - current w ith various amp litude, duration time and different working currents. The correlation be2 tween the conditions of pulse and parameters of tapes during and after the pulse was analyzed. The results show that the quench recovery depends on the energy of the over - current, the work current and the competition of the cooling and heating in the tape.
考虑不同冲击电流下的失超和恢复过程 ,根
第 2期 超导技术 Superconductivity
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据带材的特性变化可将冲击分为 : ( 1) Imax < Ic ( 120A )带材在整个冲击过程中
保持超导态 ,没有失超和恢复过程 。 ( 2) Ic < Imax < 2. 5 Ic ( 300A )在冲击期间带材
2. 2 实验装置与实验方法 实验装置主要包括交流过流冲击电路和直流
临界电流测量电路 。每次交流冲击后切换到直流
电路 ,检测带材临界电流 IC 的变化 。交流冲击实 验电路由交流调压器 、反并联可控硅开关 、可控硅
开关控制器 、电阻 、PC I总线数据采集卡和霍尔电 流传感器等组成 。冲击实验中 ,通过带材的持续 工作电流设置为装置运行预期的额定值 ,交流电 源连接调压器为测量回路提供可变的电压 ,通过 调整两个并联电阻的阻值可调整持续工作电流的
频率为 1kHz。该采集卡同时采集安置在样品上 的热电偶或 Pt100电阻温度传感器以及各电压引 线上的瞬时电压 ,并进行记录 。
实验中 ,先在冲击前用四引线法测量 77K、自 场下的带材 Ic ,电压引线距离 10cm ～15 cm , 带材 的 n 值通过对电场电流曲线上电场为 0. 1 ～1. 5μV / cm 的范围进行拟合得到 。其后 ,切换到交 流冲击电路 ,进行冲击测量 。通过改变交流冲击 电流的幅值和持续时间 ,分别在液氮浸泡直接冷 却条件下和准绝热条件下进行多次冲击 ,记录冲 击过程中带材两端电压 、通过带材的电流及带材 温度随时间的变化情况 ,并在经过一定次数过流 冲击后 ,检测超导带材的 Ic 退化情况 。冲击电流 幅值从 100A 开始直到 1 000A ,对带材进行逐次 增大的过流冲击 ,每次增幅为 50A ～100A。每次 电流冲击的持续时间设为 100m s、200m s、300m s、 400m s四种 ,冲击发生前后回路持续电流幅值范 围设为 20A ～80A。
Quench and reB i2223 /Ag and Y BCO HTS tapes a t AC over - curren t
Yang X iao le 1, 2, 3 , L i X iaohang1, 2, , Zhang Zhengchen 1, 2, 3 , Zhou Yigang1, 2, 3 , D u X iao ji 1, 2, 3 , Ye L iyang 1, 2, 3 , Han Lei 1, 2, 3 (1. App lied Superconductivity Laboratory, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China; 2. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China; 3. Graduate University of Chinese Academy of science , Beijing 100190, China)
的不锈钢多芯 B i2223 /Ag超导带材和 YBCO 涂层 导体超导带材 ,主要性能参数如表 1所示 。
在本文实验工作中 ,冷却条件分为两类 :将裸 露的带材清洗后放入液氮中视为液氮浸泡直接冷 却条件 ;将带材用玻璃丝带以半叠包方式缠绕一 层 ,再用低温环氧胶将带材与玻璃丝带密封固定 处理 ,模拟超导线圈内部传热条件 ,视为带材处于 准绝热条件 。
Keywords:B i2223 /Ag tapes, YBCO tapes, Over - current, Quench, Recovery;
1 引言
随着制备技术不断提高 ,高温超导线材的性 能越来越优异 ,给以其为基础制造的电力设备带 来了广泛的应用前景 [ 1, 2 ] 。目前主要应用的有 B i 系和 YBCO 超导带材 [ 3, 4 ] 。近年来 , 已有多台高 温超导电力设备试验样机并网开展试验研究 。超 导电力设备在并网运行中可能会遇到各种突发故 障 ,其 中 短 路 故 障 的 发 生 概 率 较 高 且 危 害 较 大 [ 5 ] 。在短路故障中 ,超导材料可能会承受几十 乃至数百毫秒的过流冲击 ,冲击电流可能会达到 额定电流的数十倍 ,此时超导材料会因为严重过流 而转入正常态 ,导体因电阻发热产生热量累积 ,累 积的热量将导致温升显著 ,对材料性能产生影响 ,
的恢复过程 ,恢复过程中电压波形出现明显畸变 。 典型实验结果如图 3所示 ,开始时 Imax = 550A ( ～ 4. 5 Ic ) , tP = 300m s,冲击结束时电流峰值衰减到 520A。在冲击过程中 ,随着热积累 ,带材温度上 升 ,不能及时散热恢复超导态 ,使其趋于呈现电阻 性 ,从而使电压波形趋近于正弦且幅值越来越大 。 由于带材电阻增大 ,而供电电压恒定 ,冲击电流有 一定的衰减 。
大小 。需要模拟冲击情况时 ,在指定时间间隔内 , 将其中一个电阻通过开关控制予以短路 ,从而改 变回路总电阻 ,实现不同时间间隔的冲击 ,调节该 电阻可在相同供电电压下得到不同冲击电流与工
作电流的比值 。冲击电流有效值最大可达 1 000 A ,时间间隔可精确至毫秒级 ,持续工作电流有效 值可达 120 A。电流实时波形由霍尔电流传感器 探测 ,用 PC I总线数据采集卡进行高速采集 ,采样
2 实验
2. 1 实验材料 本文工作使用了美国超导公司 (AMSC)生产
收稿日期 : 2008 - 12 - 26 基金项目 :国家自然科学基金项目 (50777063)支持 。 作者简介 :杨晓乐 (1980 - ) ,男 ,硕士研究生 ,主要从事超导电力研究 。
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超导技术 Superconductivity 第 2期
低温与超导 第 37卷 第 2期
超导技术 Sup e rconduc tivity
Cryo. & Supercond. Vol. 37 No. 2
B i2223 /Ag和 YBCO高温超导带材在交流过电流 冲击下的失超及恢复特性研究
杨晓乐 1, 2, 3 ,李晓航 1, 2, ,张正臣 1, 2, 3 ,周义刚 1, 2, 3 ,杜晓纪 1, 2, 3 ,叶立阳 1, 2, 3 ,韩磊 1, 2, 3