面向实用化的第二代高温超导带材研究进展

自20世纪80年代钇钡铜氧化合物被发现具有超导电性以来,它受到了世界范围内研究者的广泛关注。该材料具有高不可逆场、高超导转变温度、高临界电流密度等本征物理优势。这种材料以薄膜外延沉积在织构柔性金属基带上,被称为第二代高温超导带材。近年来,国内外数家科研机构和公司解决了生产公里级超导带材的技术瓶颈,已能够批量生产第二代高温超导带材,极大地推动了超导示范工程的开展。此外,超导带材用户单位也从应用角度向超导带材性能提出新的要求,拉动了超导带材材料的发展。本文结合国内外二代超导带材发展的主要趋势,重点介绍面向实用化第二代高温超导带材研发取得的主要进展。     

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。     

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。     

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。     

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。     

应用第2代高温超导体的冷绝缘超导电缆输电导体层间均流技术

冷绝缘高温超导电缆的导电层一般设计为多层结构以满足大电流载流特性,但伴随层数的增加,超导体上的集肤效应会引起电缆输电导体各层电流分布不均匀的问题,从而造成电缆损耗增加和传输性能下降。采用基于动态惯性权重因子的粒子群优化算法,提出了电缆导体层电流层间均流优化的设计方法。应用第2代高温超导材料钇钡铜氧涂层导体,通过建立超导电缆的等效电路模型,考虑电场、磁场等约束因素,对一根1km长,110kV/3kA等级的冷绝缘高温超导电缆进行优化设计,获得了电缆本体结构参数及输电导体层和屏蔽层的电流分布。比较优化前后层电流的结果可知,优化后超导电缆各导体层电流与平均电流相比最大不平衡率小于3.5%,各屏蔽层电流达到均布,较好地实现了电缆各导体层电流均匀分布的优化目标。最后,超导模型样缆载流特性实验也验证了优化设计方法的有效性。     

低温绝缘(CD)高温超导电缆屏蔽层电流对超导电缆导体和屏蔽电流分布的影响

文中首次提出低温绝缘（CD）高温超导电缆在屏蔽层通过与导体电流相等的反向电流条件下,屏蔽层自感、屏蔽层层间互感、屏蔽层与导体间互感的计算式,以及CD绝缘高温超导电统屏蔽和导体电流均匀分布的设计计算方法。通过对几种典型的屏蔽和导体结构的CD绝缘高温超导电缆屏蔽电流和导体电流分布计算,分析研究屏蔽层电流对CD绝缘高温超导电缆的导体和屏蔽电流分布的影响,并推荐将文中提出的计算方法作为CD绝缘高温超导电缆导体和屏蔽结构的设计基础。完善的计算机程序已缟制完成,可作为实际应用。     

高温超导电缆的发展及应用前景

对超导现象的发现和超导线材的发展历程作简单回顾,介绍了高温超导电缆国内外的研究情况和高温超导电缆类别、特点、结构性能,并展望了其发展前景。     

Development and test in grid of 630 kVA three-phase high temperature superconducting transformer

Abstract A 630-kVA 10.5 kV/0.4 kV three-phase high temperature superconducting (HTS) power transformer was successfully developed and tested in a live grid. The windings were wound by hermetic stainless steel-reinforced multi-filamentary Bi2223/Ag tapes. The structures of primary windings are solenoid with insulation and cooling path among layers, and those of secondary windings consist of double-pancakes connected in parallel. Toroidal cryostat is made from electrical insulating glass fiber reinforced plastics (GFRP) materials with room temperature bore for commercial amorphous alloy core with five limbs. Windings are laid in the toroidal cryostat so that the amorphous core operates at room temperature. An insulation technology of double-half wrapping up the Bi2223/Ag tape with Kapton film is used by a winding machine developed by the authors. Fundamental characteristics of the transformer are obtained by standard short-circuit and no-load tests, and it is shown that the transformer meets operating requirements in a live grid. __________ Translated from Proceedings of the CSEE, 2007, 27(27): 24–31 [译自:中国电机工程学报]     

高温超导变压器高压绕组的绝缘设计和试验

为了研究630kVA/10.5kV三相高温超导变压器雷电冲击情况下的绝缘问题,设计研制了一台与630kVA超导变压器高压绕组1∶1的模型。导线采用与超导变压器所用高温超导Ag合金包套不锈钢加强Bi2223多芯带材同样尺寸的CuNi合金带材,导线以聚酰亚胺薄膜采用双半叠包工艺进行绝缘。高压绕组模型为多层圆筒式结构,层间置有层间绝缘和冷却通道。液氮温度77K下远高于国家规定的该电压等级标准(75kV)要求的155kV,雷电全波冲击试验、波过程的测量试验以及对波过程仿真计算的结果表明,测量结果和理论计算结果比较吻合,冲击电位分布接近线性,没有形成震荡,为630kVA/10.5kV高温超导变压器的成功研制提供了依据。     

高温超导船用推进电动机的发展和现状

超导体在超导状态下可以产生大电流和强磁场,超导电机就是利用超导技术及材料研制的一种高性能的电机,因而超导电机具有低损耗、体积小、大功率和高转矩等优良特性,这对于空间和重量严重影响整体性能的船舶,尤其是对军舰、潜艇具有巨大的应用前景.主要阐述了船用高温超导电机的特性及代表世界先进发展水平的船用推进高温超导电机,指出了基于高温超导技术的船用推进电机的优越性,最后总结了高温超导电机应用前景及发展趋势.     

Verification tests and insulation design method of cold dielectric superconducting cable

A High‐Temperature Superconducting (HTS) cable has a bulk power transmission capacity as a candidate for the replacement of aged cables and/or for the increase of the power transmission capacity, and its diameter is preferred to be smaller than the inner diameter of the duct for the existing cables. To reduce the diameter of HTS cable, the cold dielectric (CD)‐type electrical insulation in which a cable core is immersed into liquid nitrogen (LN₂) should be adopted, and the thickness of its electrical insulation layer has to be optimized. Since a partial discharge (PD) in the electrical insulation layer of the CD‐type HTS cable is considered as a major cause for the aging of the insulation layer, PD‐free design must be adopted for the CD‐type HTS cable. This paper describes a design method for the electrical insulation layer of the CD‐type HTS cable adopting the PD‐free design under AC stress, based on the experimental results such as a PD inception stress (PDIE), an impulse breakdown stress, and PD extinction characteristics under AC stress superimposed with an impulse stress. Moreover, the proposed design method was applied to a 500‐m HTS cable and was verified by a field test. © 2008 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 164(2): 25–36, 2008; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20512     

无人机用高电压钴酸锂的制备及性能

用机械球磨-高温煅烧法制备钴酸锂(LiCoO_2),然后进行磷酸铝(AlPO_4)包覆。XRD、SEM和电化学性能测试结果表明:制备的LiCoO_2为二次颗粒结构,表面有均匀的AlPO_4包覆层。在3.00~4.50 V以1.0 C充电、2.0 C放电,包覆AlPO_4材料第50次循环的放电比容量由未包覆材料的137.0 mAh/g上升到166.6 mAh/g。包覆处理可提升正极的热稳定性和高电压高温持续充电的时间,从而提高电池的高温安全性能。