基于国产YBCO带材的高温超导发电机的研制

随着可再生能源工业的发展对发电机技术提出更高容量和更大功率密度的需求,高温超导发电机在海上风力发电机领域有着广阔的应用前景。中国科学院电工研究所与上海电气集团上海电机厂有限公司合作研究高温超导发电机技术并研制基于国产YBCO带材的500 kW高温超导发电机原理样机。500 kW高温超导发电机为首台基于国产YBCO超导带材的高温超导发电机。目前,超导发电机已经完成研制工作并进行满负荷运行测试,电机运行良好,各项指标依据国标测试达到预期值。该文着重介绍500 kW高温超导发电机系统的研制工作,其中包括国产YBCO带材和9%Ni低温导磁钢的电磁特性研究,超导励磁绕组的优化设计和研制,同时介绍500 kW高温超导发电机的系统级测试工作,包括空载特性、负载特性、满载效率,并给出相应实验测试结果。

磁性基底YBCO带材在DC外场下的交流损耗特性

随着载流能力的不断提高和生产成本的逐渐降低,高温超导YBCO带材在未来高温超导电力装置中具有广泛的应用前景。对磁性基底YBCO带材在平行和垂直DC外场下的交流损耗进行了测量,并研究了磁性基底的磁饱和和磁记忆特性对其交流损耗的影响。实验结果表明,平行外场和垂直外场分别大于240Gs和450Gs时,带材的交流损耗降至最低。除此之外,实验还发现,撤掉垂直外场后,带材在较小的载流范围内,仍能保持较低的交流损耗。

YBCO带材在直流冲击下的电阻变化规律研究

多端柔性直流输电系统的直流侧短路故障电流严重影响电网运行安全性。研究了直流故障电流特征，建立了直流冲击平台，测量了YBCO带材试样在直流冲击下的电阻变化规律，详细分析了电阻一电流曲线整体形状特征和走势规律以及在失超初期的电阻骤增现象：将电阻一电流曲线分为顺时针型、8字型、逆时针型和半环型四类，解释了失超恢复过程中的液氮散热对曲线走势的影响；利用统计方法发现了电阻骤增现象与起始失超电流过低之间的充分必要关系，给出了电阻骤增现象发生的电流上升速度阈值大约为770A·m^-1。利用电阻，焦耳热曲线发现了失超过程中YBCO带材电阻与产热之间存在明确的对应关系，并给出了失超过程中电阻与产热之间的通用拟合关系式，验证了失超过程中液氮散热对YBCO带材失超的影响不大。该研究为超导直流限流器的优化设计奠定了基础。

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。

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带材直流冲击特性的LM神经网络预测

柔性直流电网中的直流(DC)侧短路故障电流会严重危害电网的运行,而电阻型超导故障限流器(RSFCL)能有效地限制短路故障电流的增长,降低对直流断路器开断容量和开断时间的要求。为了研究用于RSFCL的氧化钇钡铜(YBCO)超导带材在短时直流冲击电流下的电阻特性,根据故障电流特征搭建了高压直流冲击平台,实验测量了在不同电流峰值和不同冲击时间的冲击电流下YBCO带材的电阻变化情况。详细分析了失超电阻越过拐点阻值前后的不同变化趋势并解释了其产生原因。据此,分阶段建立了基于Levenberg-Marquardt(LM)算法的多层前馈神经网络,并利用实验室获得的实验数据对网络进行训练和网络结构的优化。利用训练好的神经网络建立YBCO带材直流冲击特性预测模型。预测结果与实验结果的对比表明,基于LM神经网络的建模方法可以有效地预测直流冲击下YBCO带材失超电阻的变化。所得的预测模型可用于研究RSFCL在柔直电网中的设计与应用。

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

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Bi2223/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。

YBCO超导带材交流过流冲击下的稳定性

通过实验方式测量了各种交流过电流幅值以及持续时间情况下,YBCO超导带材电压、电流和温度,以及冲击后临界电流的变化情况,结合YBCO超导带材的过电流冲击下的热传导模型,以及液氮的热交换系数对YBCO超导带材过流冲击条件下的电及热特性进行分析,并根据对YBCO超导带材的性能退化与温度对应关系的分析,提出其过流冲击下的安全极限。研究结果可以为YBCO超导带材的性能优化和超导电力设备的设计提供有益的参考。

外界磁场对两种YBCO超导带材临界电流及n值影响分析

为掌握钇钡铜氧(YBCO)高温超导带材在不同种类和大小的外界磁场环境下的基本特性,针对AMSC和Superpower制备的两种不同的YBCO超导带材(超导带材Ⅰ和Ⅱ)在不同磁场强度及角度下的Ic及n值进行实验测量和计算,分析了外界磁场变化对Ic及n值的影响。采用在液氮环境下改变超导带材的外界磁感应强度及角度(0～0.9T,0～90°),在交直流背景磁场下,应用直流超导电源给超导带材加载流并测量带材两端的电压,获得两种YBCO高温超导带材的Ic(1μV/cm)及n值(0.1～1.5μV/cm)。由实验结果可知,虽然两种超导带材的Ic及n值都随外界磁场强度的增大而减小,但是无论是在直流背景磁场还是在交流背景磁场下,带材表面与磁场的夹角对超导带材Ⅰ特性的影响要小于超导带材Ⅱ,超导带材Ⅰ的稳定性要好于超导带材Ⅱ。

YBCO超导带材的结构、特性和制备方法

1986年,YBCO超导材料的发现标志着一个时代的开始。YBCO超导材主要由基板、缓冲层和超导层组成。本文介绍了基板和缓冲层的材料、特性以及制备方法、YBCO超导层的制备方法。最后提出了YBCO超导带材的规模化生产及应用需要解决的问题。

不同并联模式对YBCO超导带材失超恢复特性的影响

失超和恢复是电阻型超导直流限流器的关键特性,由于单根钇钡铜氧(YBa2Cu3O(7-x),YBCO)超导带材载流能力有限,为传输足够大的额定电流,避免超导元件限流时产生过多的焦耳热,所以通常要采用并联分流电路组成限流器的限流元件.针对平行并联空间利用率低和无绝缘堆叠并联换热效率低的问题,提出一种带绝缘的堆叠并联模式.通过不同并联模式的理论传热分析,得出带绝缘堆叠并联模式主要通过增大传热面积和提高传热系数来加快超导带材的失超恢复过程.对不同并联模式的带材进行直流冲击实验,实验结果表明:对YBCO-YBCO堆叠并联导体,导体间带绝缘比无绝缘时失超恢复时间减少30%~50%;对YBCO-不锈钢带堆叠并联导体,导体间带绝缘比无绝缘时失超恢复时间减少5%~10%.

溅射法在YBCO高温超导带材制备中的应用

高温超导电缆的开发正成为全球的研究热点。钇钡铜氧(YBCO)高温超导涂层导体作为高温超导电缆的载流层材料,各国正对其进行长带化研究。作为典型的真空沉积技术,溅射法在制备YBCO缓冲层材料中发挥了巨大的作用。本文介绍了溅射法的分类,重点介绍了射频溅射、磁控溅射和离子束辅助沉积技术。随着薄膜材料研究的深入,溅射法必将在包括超导在内的材料领域发挥更大的作用。

YBCO带材过流特性与抗过流能力研究

大电流条件下超导带材的失超和耐受特性是超导限流器对带材用量选择的一个重要依据。本文建立了与实际工艺结构一致的带材几何物理模型,并考虑带材的失超及电热特性,用Matlab完成数值计算,在直流环境下,带材通以时长为30 ms、通流达3倍临界电流时,得到其电压、电流特性及温升大小,通过与实验对比,具有较好的一致性。同时,进一步进行了最大通流达5倍临界电流的极限冲击实验,根据实验现象预判了带材各层传热的动态过程,优化了数学模型,进而给出带材耐受电流及温度判据。

超导电力设备中YBCO超导带材不均匀性对载流特性的影响

随着第二代高温超导带材技术的发展,YBCO超导带材在超导电力应用中愈加广泛。但超导电力设备中依然存在像制备或运行过程中产生的内部缺陷等影响超导体稳定性的因素,对超导电力设备的运行可靠性产生影响。为研究超导电力设备中超导带材的内部缺陷造成的不均匀性对带材载流特性的影响。先通过磁探针扫描法研究了带材应力型缺陷对临界电流密度的不均匀退化的影响,并通过建立缺陷仿真模型与扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscope,SEM)微观照片分析了临界电流退化的机理。随后通过实验研究了宏观缺陷的不均匀性对超导带材载流特性的影响趋势。结果表明,超导带材在应力下产生的内部缺陷会造成超导带材临界电流的退化与不均匀性,主要原因是由超导层结构损伤造成的临界电流密度退化与微裂纹造成的超导通流面积降低造成的。超导带材的载流能力不仅受到局部临界电流退化程度的影响,更是受到沿电流方向优先失超区域面积的影响。所得研究结果可以为超导带材的制备与超导电力设备的载流设计提供有益的参考。

220 kV分裂电抗型超导限流器的仿真与优化设计

输电网的短路故障电流大、危害范围广,实现高压电网的短路故障限流有非常重要的意义。为了降低超导限流器的制造成本和提高其限流能力,提出了一种分裂电抗型超导限流器拓扑,进行了限流原理理论分析和建模方法的研究。针对220 k V输电网,建立了系统仿真模型,开展了限流器的参数优化方法研究和限流特性分析。并进行了电阻型超导限流单元和分裂电抗器的优化设计。研究结果表明:分裂电抗型超导限流器能够降低超导带材的使用量,提高超导限流器的限流能力和运行可靠性,为220 k V/1.5 k A示范样机的研制奠定了基础。

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。

第二代YBCO超导带材低温热解炉的研制

文中介绍了一种适用于YBCO带材在工艺气氛下的低温热解专用设备。详细阐述了炉体、炉膛、电控、气控的分段模块化设计并集成于一个标准段,多段集成后拼接成可扩展式低温热解炉。设备专业设计了三层式马弗进气结构,保证产品表面气流均匀;创新采用模组式歧管分流汇集的方式,解决了多路多功能气路的优化布置。

D-T聚变中子辐照对YBCO超导带材的影响

研究了D-T聚变中子辐照(剂量为1.55×10^(13) n/cm^(2)和7.78×10^(13) n/cm^(2))对YBCO带材组织和性能的影响。结果表明,辐照前试样未发现任何放射性同位素,而辐照后随着辐照剂量的增大,放射性增加。同时,YBCO带材中Cu包覆层经辐照后无新的析出相,且衍射峰位置与强度未发现明显变化。在77 K和自场测试条件下,YBCO带材的临界电流I_(c)和n值在辐照前后均无明显变化。

大型超导磁体高温超导电流引线的研究

高温超导电流引线作为减少漏热的有效途径,在超导磁体系统中得到了广泛的应用。本文介绍了大型超导磁体用高温超导电流引线的结构和材料。此外,还描述了高温超导电流引线的热特性。为了研究高温超导电流引线在正常运行和故障运行条件下绝缘结构对其电强度的影响,采用有限元法对16 kV高温超导电流引线进行了电分析。仿真结果表明,高温超导电流引线具有足够的介电强度。

YBCO超导体的电工学应用研究进展

超导体具有一些完全区别于传统电工导体和电工磁性材料的电磁特性,因而在电工学领域具有广泛的应用价值。自从1987年发现高温超导体以来,高温超导体的电工学应用研究得到了快速的发展。YBCO超导材料具有比BSCCO超导材料更加优越的电工学应用性能,因而随着YBCO超导材料逐渐实现小批量供货,近年来有关YBCO超导体的电工学应用研究得以广泛的开展。文章重点介绍国内外在YBCO材料(包括块材和带材)及其在电力技术和磁体技术等方面的应用研究进展,以此纪念YBCO超导体发现30周年。