高温超导带材的交流损耗特性研究

发布时间：2020-05-22 09:23

【摘要】：近年来,对于超导材料应用于电力设备中的发展趋势不断增强。超导材料零电阻的特性能够大大降低电力设备的损耗,极大的提高其工作效率,能够更好的实现高效节能的目标。然而,超导材料的应用环境较为严格,低温超导的工作温度要求为4.2K的液氦环境,高温超导的则要求77K的液氮环境,因此对于电力设备的结构设计也带来了挑战。同时,由于电力设备中存在复杂的电磁环境,不同方向、不同幅值的磁场都会导致超导材料的交流损耗(AC losses)的增加。而交流损耗的存在也会引起超导电力设备的运行不稳定、降低工作效率等。因此,对超导材料交流损耗特性的研究,尤其是对超导材料处于不同磁场环境下的交流损耗特性变化的研究具有十分重要的实际意义。本文主要对高温超导带材临界电流及和交流损耗的各向异性进行了研究,并且对测试带材特性所需的跑道型背景磁体进行了设计与加工制作。本文首先对高温超导材料的分类及其基本特性进行了阐述,基于临界态模型介绍了带材临界电流的场角依赖特性及其数学模型;对HTS的交流损耗产生原理及其分类也进行了详述,同时对其自场下及直流外场下的交流损耗数学模型进行了介绍并利用相关数据进行计算。根据高温超导带材的电磁特性,基于H方程对带材交流损耗数值计算的数学模型进行了推导得到相应的偏微分方程,并在多物理场仿真软件中进行了建模仿真;在仿真计算时不仅研究自场下交流损耗随传输电流变化的影响,同时还在模型中加入了直流外场,研究当带材处于特定幅值、特定角度下的直流外场HTS的交流损耗特性。为了能够测量带材在外场下的临界电流及交流损耗特性,本文对新型的跑道型背景磁体进行了设计制作。首先对跑道型亥姆霍兹线圈的空间磁场分布进行分析得到空间磁场分布最优化时的线圈尺寸。其次对其建模仿真,对线圈的尺寸参数进行调整计算验证解析得到的线圈尺寸的最优性。同时,为了使带材能够更好的置于磁体中进行不同背场强度及角度下的特性测量研究,本文还对磁体线圈骨架进行了设计,在线圈固定、带材固定、角度变换等方面都进行了设计。能够为长带材提供一定磁感应强度的背景磁场,同时具备改变磁场与带材之间夹角等功能。以跑道型背景磁体为核心,首先搭建了临界电流测试平台,测量拟合得到样品带材的E-I特性曲线,利用电场判据法得到带材的临界电流值。并对不同背场强度、角度情况下的临界电流特性进行了对比分析。同时基于锁相放大器测量法原理搭建了交流损耗测试平台,利用该平台测量带材样品无外场下的自场损耗;也对处于直流外场下不同磁场幅值及角度对带材的交流损耗特性影响进行了测量分析研究。将测量结果与数学理论模型的解析值及仿真模型所得的结果进行对比分析,验证高温超导带材自场及外场下交流损耗计算公式及仿真模型的正确性。
【图文】：

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７逦长丝逡逑图２＿６第一代多芯复合高温超导材料内部结构示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２－６邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｆｉｒｓｔ邋ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｍｕｌｔｉ－ｃｏｒｅ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ逡逑ｈｉｇｈ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ逡逑（２）二代高温超导带材逡逑不同于一代高温超导多丝芯结构，第二代高温超导带材采用涂层技术，在薄逡逑的金属带上向外延伸形成多层结构的超导带材。二代高温超导带材的结构如图２－７逡逑所示。逡逑银（Ａｇ）稳定层逡逑ｙｂｃｏ邋超导层■逡逑■逦逦？缓冲层逡逑哈氏合金基材逡逑＾铜（Ｃｕ）稳定层逡逑图２－７二代高温超导带材内部结构示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２－７邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｓｅｃｏｎｄ邋ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｈｉｇｈ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ邋ｔａｐｅ逡逑导体内部主要结构有稳定层、超导层、缓冲层、基材等。稳定层主要由Ｃｕ、逡逑Ａｇ等具有良好的导电性常导金属组成，，在超导导体失超时，能有一定的分流作用逡逑防止大电流通过超导层对导体造成损伤，起到失超保护的作用；超导层中使用的逡逑是含稀土的钡铜氧化物（ＲｅＢａ２Ｃｕ３０７，邋ＲｅＢＣＯ），邋Ｒｅ表示的是稀土元素，包括钬逡逑（Ｈｏ）、钆（Ｇｄ）、钇（Ｙ）等，这种材料研制成本较低，且在液氮的工作温度下逡逑有较高的上临界磁场（７Ｔ），能够使用高磁场的工作环境，不易失超同时具有较小逡逑的交流损耗。根据超导层应用的稀土元素的不同，将二代高温超导带材分别命名逡逑为ＧｄＢＣＯ

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（２）二代高温超导带材逡逑不同于一代高温超导多丝芯结构，第二代高温超导带材采用涂层技术，在薄逡逑的金属带上向外延伸形成多层结构的超导带材。二代高温超导带材的结构如图２－７逡逑所示。逡逑银（Ａｇ）稳定层逡逑ｙｂｃｏ邋超导层■逡逑■逦逦？缓冲层逡逑哈氏合金基材逡逑＾铜（Ｃｕ）稳定层逡逑图２－７二代高温超导带材内部结构示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２－７邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｓｅｃｏｎｄ邋ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｈｉｇｈ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ邋ｔａｐｅ逡逑导体内部主要结构有稳定层、超导层、缓冲层、基材等。稳定层主要由Ｃｕ、逡逑Ａｇ等具有良好的导电性常导金属组成，在超导导体失超时，能有一定的分流作用逡逑防止大电流通过超导层对导体造成损伤，起到失超保护的作用；超导层中使用的逡逑是含稀土的钡铜氧化物（ＲｅＢａ２Ｃｕ３０７，邋ＲｅＢＣＯ），邋Ｒｅ表示的是稀土元素，包括钬逡逑（Ｈｏ）、钆（Ｇｄ）、钇（Ｙ）等，这种材料研制成本较低，且在液氮的工作温度下逡逑有较高的上临界磁场（７Ｔ），能够使用高磁场的工作环境，不易失超同时具有较小逡逑的交流损耗。根据超导层应用的稀土元素的不同，将二代高温超导带材分别命名逡逑为ＧｄＢＣＯ，ＹＢＣ０等；缓冲层内部也存在多层结构，每层的材料有Ｙ２０３、Ａ１２０３、逡逑ＭｇＯ等等
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM26

【参考文献】