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高温超导带材对短路冲击电流的耐受能力

2020-10-24 436 上传者：管理员

摘要：超导电缆可用于提升电网的输电能力,是一种前瞻性输电技术,但是随着电网规模越来越大,故障电流冲击日益频发,冲击幅值也越来越大,有必要研究高温超导带材对故障电流的耐受能力。考虑到超导电缆多用铋系高温超导带材制造,搭建了故障电流冲击试验测试平台,以日本住友公司的铋系高温超导带材:TypeHT-NX带材、TypeHT-CA带材和中国英纳超导公司铋系带材作为实验对象,对它们施加冲击幅值可调、作用时间固定为5ms的短路冲击电流,获得它们在不同冲击电流下的伏安特性。实验结果表明,TypeHT-NX带材的电阻随电流上升速率增大而增大,TypeHT-CA带材和英纳公司带材电阻受电流上升速率影响不大。英纳公司带材所能耐受的冲击电流幅值为1.4kA(约10IC),在三种带材中最小。

关键词：
材料科学
液氮温区
电阻
短路电流冲击
铋系高温超导带材
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1、引言

铋锶钙铜氧(BSCCO)带材被定义为第一代高温超导带材(HTStape),其商业化生产实现得较早,制备工艺较为成熟。与YBCO带材相比,较容易制备长达数千米的带材,应用更为广泛,但是也有着临界电流密度较小/受磁场影响较大等缺点[1]。

近年来,电网规模越来越大,故障电流水平越来越高[2],需要考虑电网中日益频发的故障电流对超导电缆的冲击问题。由于故障电流往往远超带材的临界电流,会导致带材失超,载流能力下降,甚至过热烧毁,造成安全事故,因此,研究超导带材的抗故障电流能力就显得尤为重要。

在国外,2011年,MasashiYasuda等人对YBCO/Ag带材开展AC过电流测试实验,发现失超电阻受冲击过程中的积累热的影响[3]。同年,TomiokaAkira等人对YBCO/Cu带材开展AC过电流实验,探究其抗冲击特性[4]。2012年,GandioliCamille等人对不同型号YBCO带材开展AC过电流实验,发现带材的不均匀会导致局部发热和老化[5]。2015年,BaldanAlbertoCarlos等人对美国超导公司(AMSC)的YBCO带材开展AC过电流实验,并探究其对故障电流的限制能力[6]。

在国内,2005年,中科院电工所朱志芹等人,对AMSC的BSCCO/Ag带材开展AC过电流实验,发现该带材在烧毁前,超导特性基本不变[7]。2008年,中科院电工所杨晓乐等人,对AMSC的Bi2223/Ag和YBCO带材进行AC过电流冲击实验,发现带材失超恢复时间主要取决于冲击过程中带材内发热和散热的竞争效应[8]。2017年,中科院电工所周微微等人,对某国产YBCO带材开展AC过电流实验,发现超导带材的发热量与冷却时长随冲击时长呈线性增长[9]。同年,中科院电工所又对AMSC的YBCO带材开展DC冲击电流实验,探究了该带材在直流冲击电流下的电阻特性[10]。

上述研究对高温超导带材的抗短路冲击特性作出了充分贡献,但是对一些新型BSCCO带材的抗短路冲击特性的研究仍然不足。因此,本文以日本住友公司和中国英纳超导公司的3款商业化铋系高温超导带材为对象,实验研究其在开放液氮环境下对短路冲击电流的耐受能力,从而为其在电网应用提供参考依据。

2、实验方法

2.1临界电流特性测量原理

本文采用四引线法测量超导带材的临界电流。四引线法的原理如图1所示,图中超导带材上连接着两根电流引线和两根电压引线,共四根引线,故而称之为四引线法。将超导带材两侧通过电流引线接到电流源输出侧,电压引线焊接在超导带材两端,两根电压引线与电压表连接;四引线法可以排除电流引线的导线电阻对超导带材的电压测量的干扰,是国际上较为成熟的测量小电阻的方法。

图1四引线法测量示意图

用四引线法测量带材的临界电流时,对高温超导带材施加逐渐上升的直流电流,当带材两端电压达到1μV/cm时,判断带材失超,记录此时电流为临界电流,并逐渐减小电源电流到0。

2.2短路电流冲击测试方法

本文采用RLC过阻尼电路,对超导带材施加冲击电流作用,实验电路的原理如图2所示。实验开始前,开关S断开,220V交流电源经变压器升压后,利用二极管给电容预充电;实验开始后,开关S闭合,电容经过电感和电阻放电,形成冲击电流。对于过阻尼电路,电阻应足够大,此时可以通过改变电容的预充电电压、电容和电感值,从而得到目标的电流幅值和作用时间。

图2冲击电路原理图

2.3实验平台

本文在开放液氮环境下(常压,77K)对超导带材进行临界电流和冲击特性实验,图3展示各设备的位置和连接关系,实验平台主要由四部分组成,分别为电源、测量仪表、低温系统和数据采集系统。图3(a)是临界电流特性实验平台示意图,采用直流电流源、纳伏表和分流器进行实验;图3(b)是故障电流冲击实验平台,使用冲击电流源和具有快速响应能力的示波器测量超导带材上电压、电流的动态变化过程。低温制冷方式为液氮浸泡,将超导带材与外部电路连线后,固定在样品平台上,然后置于泡沫箱中,并加入液氮将其完全浸没。

图3实验平台示意图

2.4实验对象

分别以日本住友公司TypeHT-NX带材、TypeHT-CA带材和中国英纳超导公司带材为对象,将每根带材裁剪到20cm长的样品,并固定在样品平台上,然后在样品上焊接电压引线,引线焊点间距约为8cm,带材实物图如图4所示。

图4实验带材图

2.5实验流程

在开始故障电流冲击实验时,首先测量临界电流特性,然后施加短路冲击电流,冲击结束后,再次测量临界电流特性。比较冲击前后的临界电流,如果冲击后带材临界电流没有明显减小,则认为被试带材没有发生退化,能够耐受住该幅值和时长的冲击电流。在本实验中,冲击电流幅值0—2kA可调节,冲击时长固定为5ms。重复上述步骤实验,逐步增大冲击电流幅值,直到达到设定的最大电流幅值,或者观察到带材退化或烧毁为止,实验流程如图5所示。

图5实验流程图

3、实验结果与分析

3.1TypeHT-NX带材

对TypeHT-NX带材施加的最大冲击电流幅值为2kA,带材的临界电流冲击前测得202A,冲击后测得203A,没有观察到临界电流退化,这说明TypeHT-CA带材可以耐受最大幅值为2.0kA、作用时间为5ms的冲击电流。

图6是在不同幅值冲击电流作用下,TypeHT-NX带材的伏安特性。从图中可以看到,TypeHT-NX带材的三条伏安曲线出现明显分离。当冲击电流幅值增大时,由于作用时间固定为5ms,则电流上升速率增大,此时伏安特性曲线上翘程度增大。表明在流经相同的电流时,带材电阻随电流上升速率增大而增大。这种伏安特性的带材,可以被应用于超导限流器中,能够有效抑制电网中快速增大的故障电流,对于上升速率更快的故障电流有着更强的限制效果。

图6TypeHT-NX带材的伏安特性

3.2TypeHT-CA带材

对TypeHT-CA带材施加的最大冲击电流幅值为1.7kA,带材的临界电流冲击前测得185A,冲击后测得185A,也没有观察到临界电流退化,这说明TypeHT-CA带材可以耐受最大幅值为1.7kA,作用时间为5ms的冲击电流。

图7TypeHT-CA带材的伏安特性

图7是在不同幅值冲击电流作用下,TypeHT-CA带材的伏安特性。从图中可以看到,TypeHT-CA带材的三条伏安特性曲线,在冲击电流幅值为200—1000A的时候,有一定分离;但是在冲击电流幅值大于1000A时,重合度较高,三条曲线近似为斜率相同的重叠直线。这说明TypeHT-CA带材的电阻受电流上升速率的影响不大,在冲击电流幅值较大时,因失超产生的电阻基本不变,可视为常数。

3.3英纳带材

对英纳带材施加的最大冲击电流幅值为1.4kA,带材的临界电流冲击前测得155A,冲击后测得101A,观察到临界电流退化现象,这说明英纳带材无法耐受最大幅值为1.4kA、作用时间为5ms的冲击电流。

图8是在不同幅值冲击电流作用下,英纳带材的伏安特性。从图中可以看出,英纳带材的伏安特性曲线,与TypeHT-CA带材的伏安特性曲线较为相似,当临界电流幅值在700A以上时,三条伏安特性曲线重合度较高。

图8英纳带材的伏安特性

3.4对比分析

考虑到幅值为1.4kA,作用时间为5ms的冲击电流足以使英纳带材发生临界电流退化,因此,统一对三种带材施加该幅值和作用时间的冲击电流,比较三种带材的伏安特性,如图9所示。从图中可以看出,当冲击电流幅值小于600A时,三条伏安特性曲线重合度较高,差异不明显;当冲击电流幅值大于600A时,TypeHT-NX的曲线上翘幅度最大,产生的电阻最大;英纳带材产生的电阻次之,接近于前者;TypeHT-CA的曲线上翘幅度最少,失超产生的电阻显著小于前两者。

图9三种带材的伏安特性对比

4、结论

本文首先介绍超导带材临界电流的测试原理和冲击电路的电路图,然后搭建了开放液氮环境下的临界电流测量实验平台和冲击电流测试实验平台,最后本文以日本住友公司TypeHT-NX带材、TypeHT-CA带材和中国英纳超导公司带材为对象,开展实验研究它们对短路冲击电流的耐受能力。

经过实验后,本文得出如下结论:(1)TypeHT-NX的临界电流最大,TypeHT-CA的临界电流次之,英纳带材的临界电流最小。(2)英纳带材在施加幅值1.4kA(约10IC)和时间5ms的冲击电流后,观察到有临界电流退化现象;而此时另外两种带材未发生临界电流退化。(3)TypeHT-NX带材的失超电阻随电流上升速率增大而增大,能够有效抑制电网中快速增大的故障电流,对于上升速率更快的故障电流有着更强的限制效果;另外两种带材失超后产生的电阻受电流上升速率影响不大。

参考文献：

[1]金建勋.高温超导体及其强电应用技术[M].北京:冶金工业出版社,2009.

[2]武守远,荆平,戴朝波,金雪芬.故障电流限制技术及其新进展[J].电网技术,2008,32(24):23-32.

[7]朱志芹,赵祥,王银顺,等.Bi-2223高温超导带材焊接接头电阻和过电流冲击性能实验研究[J].低温物理学报,2006(02):185-190.

[8]杨晓乐,李晓航,张正臣,等.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[J].低温与超导,2009,37(02):25-31.

[9]周微微,滕玉平,汪天龙,等.YBCO高温超导带材大电流冲击特性实验研究[J].低温与超导,2017,45(09):37-40.

严植泳,孙宇光,张东.液氮环境下高温超导带材抗短路电流冲击特性[J].低温与超导,2020,48(10):1-5.

基金:国家重点研发计划(2018YFB0904400)资助.