基于第二代高温超导带材的高载流超导导体研究进展

由于其高临界电流密度以及优越的机械性能和电磁特性,第二代高温超导带材(也叫涂层导体)在高温低场的电力传输和低温高场下的磁体应用具有广阔的应用前景。在电力传输的低场应用中,高温超导导体在低电压大容量场合需要几千安培甚至上万安培的传输电流。在大型高场磁体应用方面,为了避免由于过高电感在磁体失超和快速关断过程中的感应高压问题,大载流容量、高电流密度高温超导导体在运行于4.2K及以下温度的大型高场超导磁体方面具有很好的应用前景。近年来,基于第二代高温超导带材,国际上相继提出了几种高载流容量的高温超导导体,本文介绍几种高温超导导体的结构及研发现状和进展,并对其结构、性能和工艺进行简单的比较和评述。     

我国成功自主研发百米级第二代高温超导带材

上海交通大学物理系李贻杰教授领导的科研团队历时3年,采用独特的技术路线,成功研发一整套具有我国自主知识产权的百米级第二代高温超导带材,实现了国内超导带材领域的新突破。国产百米级第二代高温超导带材像一层薄膜,金属基带的宽度为1厘米、厚度为80微米,而用于传输超导电流的稀土氧化物超导层的厚度还不到1微米。     

我国自主研发百米级第二代高温超导带材

上海交通大学1月23日宣布,该校历时3年,采用独特的技术路线,成功研发一整套具有我国自主知识产权的百米级第二代高温超导带材,实现了国内超导带材领域的新突破。     

二代高温超导带材失超特性研究

高温超导带材失超会降低其通流能力，从而影响高温超导装置的运行稳定性。目前，高温超导带材失超仿真模型多为二维计算模型，无法准确模拟其失超过程中的电磁热行为。该文采用有限元方法对二代高温超导带材失超特性进行多物理场耦合分析。在三维直角坐标系下，以磁场强度矢量为求解变量，建立了二代高温超导带材失超演化电磁热仿真模型，研究了二代高温超导带材长度方向与宽度方向在不同热扰动工况下的电磁热特性及其演化过程，分析了高温超导带材过电流失超过程中的各层分流状况与超导层电阻率变化行为，区分了不同类型的过电流失超行为，并提出了高温超导带材过电流冲击失超的电阻率判据。     

非均匀高温超导带材对CORC电缆失超特性的影响研究

高温超导CORC(conductor on round core)电缆失超时的热负荷严重威胁了低温系统和电缆本体的安全稳定运行。受微米级超导薄膜制备工艺等的影响,CORC电缆并绕的多根高温超导带材不均匀。为分析不均匀临界电流对CORC电缆失超特性的影响,该文搭建了基于三维TA方程的有限元模型。以降维的带材曲面为求解区域,以等效的电流密度为求解变量,失超模型在同一几何中表达超导和常导两种属性,构建电流和电势两种约束。在导体域建立降维的热模型,用以考虑损耗和传热的影响;在全局建立等效的电路模型,用以控制并联导体的分流。进一步地,耦合模型考虑温度依赖的接头电阻以模拟CORC电缆带材的烧断和电流的突变。结果表明,非均匀高温超导带材影响了电流重分配的动态响应,加快了局部失超的发展过程。     

第二代100m高温超导导线在美问世

由铋、锶、钙、铜和氧组成的第一代高温超导导线（BSCCO），携带电流的能力比同样尺寸的铜导线高100倍，但由于它的成本也是铜导线的100倍，所以很难打进输电线市场。因而全世界的研究人员开始研发第二代高温超导导线，以降低其成本和提高其性能。经过10年缓慢但有成效的进展，由YBCO组成的超导导线很有可能很快进入市场。     

高温超导材料的研发、产业化与经济性能提高

20世纪80年代末发现的氧化物超导体超导转变温度达到了90K以上,可以工作在液氮环境中。由于氮气资源的极为丰富以及相对于4.2K制冷成本的大大降低,使得超导技术的大规模应用变为可能。通过20多年来对高温超导实用成材技术的研发,基于铋锶钙铜氧体系的第一代高温超导带材已经实现了产业化。基于钇钡铜氧体系的第二代高温超导带材也已制备出了单根长度达千米的带材,标志着制约产业化的长度瓶颈已经解决。由于第二代高温超导带材性能更为优越,不需要贵金属,因而具有成本进一步下降的潜力。因此,第二代高温超导带材的产业化有可能在不远的将来就会实现,它将会极大地推动超导技术的大规模应用。     

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。     

基于第二代高温超导带材的超导限流电缆限流特性研究

本文基于第二代高温超导带材的结构及特性,提出一种高温超导故障限流电缆的概念.该电缆使用不锈钢加强的第二代超导带材,并以不锈钢丝绞线作为骨架.通过对带材超导态下低电阻和失超时高电阻特点的利用,实现超导限流电缆的限流特性.本文在实验研究不锈钢带材的失超电阻及限流特性的基础上,对限流电缆进行结构设计并制作了限流样缆.通过对电...     

考虑磁体动态特性的高温超导磁储能磁体设计

超导磁体是超导磁储能系统（SMES）的核心部件,其优化设计可以提高SMES的经济性和运行性能。提出了一种考虑磁体动态特性的高温超导磁储能磁体设计方法,该方法以有限元方法为基础,选取遗传算法作为优化工具,对高温超导磁体的内径、单饼匝数和双饼个数进行了优化。该方法将超导磁体的优化分为了两个部分,一次优化以磁体的用线量为优化目标,二次优化将交流损耗低为优化目标。最后用此方法对储能容量为150 kJ的高温超导磁储能磁体进行了优化设计,经过两次优化后的150 kJ磁体方案兼具低用线量和低交流损耗的优点。     

Development of new conductors of the cable‐in‐conduit type for HTS coils with high performance

A new type of cable‐in‐conduit conductor composed of HTS tapes was proposed as a winding for high‐performance HTS coils with high current capacities and low AC losses. In the fabrication of the conductor, the twist of stacked tapes around their axes was made before inserting them inside conduits. The twist angle should be changed continuously along the axis to reduce face‐on oriented magnetic fields applied to the tape in the winding conductor during coil operation. In order to confirm the high current capacity of this type conductor, two single‐layered solenoidal coils wound with sample conductors composed of five stacked Bi‐2223 tapes with bias angles of 20 and 0° were fabricated and tested in liquid nitrogen. A copper magnet system was used in this experiment to generate the spread magnetic field with a spread angle of 20° from the coil axis to the radial direction, which simulates the profile of magnetic fields near the edge windings of practical coils. A large improvement on critical‐current degradation affected by spread magnetic fields was successfully observed for the test coil wound with the 20° bias conductor. © 2005 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 153(4): 12–19, 2005; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20218     

高温超导电缆的研发现状和发展趋势

与常规电缆相比,高温超导电缆具有体积小、重量轻、容量大、电流密度高、损耗低、环境友好等优势,为未来电网提供了一种新的电力传输方式。随着高温超导线材取得的重要研究进展,国际上相继开展了高温超导电缆的研发,已有多条超导电缆工程成功地进行了挂网示范运行。本文介绍高温超导电缆的研发进展情况,并简单对高温超导电缆的发展趋势和关键技术做出展望。     

高温超导电缆在城市地下输电系统应用的可行性研究

大城市有可能最先采用商业化运行高温超导电缆 ,用于城市地下交流输电系统。其主要应用目标是用于地下电缆工程改造 ,利用现有排管以高温超导电缆取代现有的常导电缆 ,增加地下电缆传输容量以及采用高温超导电缆将巨大电能 (1GVA以上 )输入到城市负荷中心。采用常导电力电缆传输 1GVA以上的电能进入中心城区 ,输电电压一般要求为 5 0 0 k V。在城市中心区不可能建设 5 0 0 k V变电站。 5 0 0 k V电缆线路所需的 5 0 0 k V大长度电缆和相应附件 ,目前尚未研制开发。采用高温超导电缆将有可能降低输电电压等级 ,可以采用 2 2 0 k V高温超导电缆将 1GVA以上的电能输入到城市负荷中心 ,满足特大型城市负荷中心供电需求。采用 110 k V高温超导电缆 ,亦有可能传输 1GVA左右电能。本文通过对交流高温超导电缆系列设计计算对额定电压 35 k V、110 k V、2 2 0 k V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。     

极端高温下10kV电缆中间接头载流量分析

随着世界各地夏季环境温度不断升高,电缆中间接头的工作环境正在恶化。为此,文中基于有限元法建立10 kV三芯电缆及其中间接头仿真模型,分析不同环境温度和不同电流下中间接头的温度分布。首先,开展温升试验,得到电缆中间接头表面的稳态温度,验证仿真模型的准确性;然后,拟合不同环境温度下中间接头高压载流导体表面温度与电流的函数关系,以此可以计算不同极端环境温度下中间接头的极限安全载流量。结果表明,环境温度升高对中间接头高压载流导体表面的温度分布趋势几乎没有影响,在外护套外表面处也满足此规律。中间接头高压载流导体表面温度与电流近似成二次函数关系。当电流幅值为480 A、环境温度为75 ℃时,高压载流导体表面与外护套外表面最高温度分别是环境温度为30 ℃时的1.57倍与1.69倍。当环境温度超过55 ℃时,按照国标规定的持续允许载流量会使中间接头高压铜导体表面温度超过最高允许运行温度90 ℃。考虑到自2020年起夏季环境温度持续增加,现行国标中10 kV铜导体三芯交联聚乙烯绝缘电缆中间接头的持续允许载流量须被修正。     

电动自行车用蓄电池板栅设计的探讨

对铅酸蓄电池的板栅结构进行了分析,设计时注意增加板栅强度,提供良好的大电流放电性能,使电流分布均匀,制造深循环、长寿命的铅酸蓄电池。     

含分布式电源的馈线电流序分量比较式保护

分布式电源的接入对传统配电网保护带来了严重的影响。此外,逆变型DG的故障特性以及系统的故障穿越电流均会影响到常规纵联保护的动作性能。对此,提出了一种含DG馈线的电流序分量比较式保护。针对非对称性故障,根据保护区域两侧负序电流的相位差异,构造了负序电流相位比较式保护判据。针对对称性故障,根据系统侧与DG侧提供短路电流的大小差异,构造了正序电流幅值比较式保护判据。基于上述保护原理,开发了保护样机,仿真分析与动模测试结果验证了所提含DG馈线保护的有效性。     

Development of high-Jc NbTi multifilamentary superconducting wire with Nb artificial pins for AC applications

High critical current densities of 1.61 × 10¹⁰ A/m² at 1 T, 6.1 × 10⁹ A/m² at 3 T and 2.9 × 10⁹ A/m² at 5 T were achieved by controlling the distribution of Nb artificial pins in NbTi multifilamentary superconducting wires for ac applications. The critical current densities attained are over two times higher than those of conventional ac superconducting wires. This increase can be attributed to the shift of the peak of pinning force density to higher magnetic field by optimizing the pinning parameters. The benefits of increasing critical current densities for ac applications are demonstrated. A 2.5 T/100 kVA ac superconducting magnet was designed and made by using high J_c wire with controlled distribution of Nb artificial pins. Compared with conventional ac superconducting magnets, the new magnet exhibits a drastic decrease in size as well as in ac losses.     

含高渗透率DG的配电网实用化保护方案

分析了高渗透率DG接入配网对传统三段式过流保护的影响。为了解决三段式过流保护可能存在的误动、拒动问题,提出了一种含高渗透率DG的配电网实用化保护方案并给出了保护配置及整定原则。该保护方案基于重合闸前加速保护、防孤岛保护和合于故障保护之间的时序配合,不依赖于通信且无需装设大量PT,保护定值整定按照常规配网无DG接入条件下整定,不受DG接入的数量、容量和位置影响。RTDS仿真结果表明,所提出的保护方案实用、有效,能够在含高渗透率DG接入环境下准确隔离配网故障。     

高功率超级电容器功率特性的影响因素

以碳-碳材料为正负极活性物质、乙腈溶剂为电解液组装软包装超级电容器(65 mm×45 mm×11 mm),考察集流体类型(铝箔和涂炭铝箔)、极片烘干温度(110℃和180℃)对超级电容器功率性能的影响。以涂炭铝箔为集流体,在180℃下烘干极片,可提高超级电容器的功率性能。以360 C (25. 0 A)在0～2. 85 V循环的电容达到166. 7 F,比功率达12. 5 k W/kg。