高温超导轴承（精选七篇）
高温超导轴承 篇1
轴承在旋转机械中应用广泛。工业生产中使用较多的有机械轴承 (MB) 、电磁轴承 (AMB) 和永磁轴承 (PMB) 。机械轴承的结构简单, 但是易磨损, 需要维护。由于摩擦力大, 限制了旋转机械的转速。电磁轴承是一种悬浮轴承, 它的摩擦力比机械轴承小, 但是需要外部电源和控制系统, 增加了使用的复杂度。永磁轴承结构简单, 但是缺乏自稳定性, 无法单独使用。
近年来, 随着高温超导材料的出现, 超导技术得到了快速发展。由于高温超导磁悬浮具有独特的无源自稳定性[1,2], 应用也越来越多。其重要的应用之一为高温超导轴承, 已成为超导领域的研究热点之一。目前, 国际上已经研制出能够悬浮吨量级的大型高温超导轴承, 并已应用到飞轮储能系统 (FESS) 中[3]。
2 高温超导轴承工作原理及类型
2.1 高温超导轴承的工作原理
高温超导轴承的定转子一般为超导定子和永磁转子, 当超导定子进入超导态, 永磁转子的磁通被超导定子俘获, 并被钉扎在钉扎中心处。由于钉扎力的作用, 转子在轴向和径向上保持稳定, 形成稳定悬浮。当永磁转子上安装了驱动设备 (通常为电机) , 处于磁悬浮状态的永磁转子就可以实现高速旋转。
高温超导轴承的定转子之间发生相对运动后, 超导体内感应出电流, 电流在磁场的作用下产生了洛伦兹力, 所以高温超导轴承的悬浮力为:
其中, J为超导体内的感应电流密度;B为永磁体产生的磁通密度;F的方向垂直于J与B所在的平面。从微观的角度看, 超导块可以被分成有限数量的基本环路, 每个环路具有相同的电流密度和面积。在永磁转子移动的过程中, 环路中感应出电流并与磁场相互作用产生悬浮力[4]。总的悬浮力为:
其中, φ为磁通链;S为基本环路面积;x为移动距离。式 (1) 和式 (2) 为高温超导轴承悬浮力的基本计算方法。
2.2 高温超导轴承的结构与类型
高温超导轴承的主要结构包括定子和转子两部分, 为了减少设计的复杂度, 一般情况下, 设计成超导定子和永磁转子。超导定子主要由超导体 (一般为超导块材) 、低温杜瓦和热沉等部分组成。超导块材是超导定子的重要部分, 其他两部分都是为其服务的。一般情况下, 超导块材用添加了高热导率的氧化铝或氮化铝的环氧树脂粘在热沉上。热沉由导热性好的铜板或不锈钢板制成, 低温通过热沉传导到超导块上。低温杜瓦是低温容器, 起到保温和绝热的作用。永磁转子主要由不导磁轴、永磁体和软铁组成。永磁体一般为Nd Fe B等稀土永磁材料制成, 经充磁后可产生较强磁场。软铁的作用为聚集磁通, 提高定转子之间气隙磁密梯度。
按照定转子之间气隙磁场方向与悬浮力方向是否平行的原则, 高温超导轴承可分为轴向型和径向型两类, 如图1所示。
轴向型高温超导轴承的结构特征是定转子均做成碟形或盘型平行相对, 两者几何轴线重合。超导定子放置在低温杜瓦中, 永磁转子与轴相连。其结构简单, 结构图如图1 (a) 所示。轴向型高温超导轴承的工作原理为:永磁转子在面向超导定子移动的过程中, 由于超导体的抗磁性, 受到向上的斥力的作用, 使其在垂直自由度上达到平衡;当永磁转子由于振动等其他原因在横向发生偏移时, 导向力使其回到原来的平衡位置, 则轴向型高温超导轴承达到平稳运行。
径向型高温超导轴承的结构特征为:定转子都采用环绕主轴的环形结构。永磁环与软铁环交叠层堆排列, 永磁环沿轴向充磁, 充磁方向相反的永磁环相邻, 磁力线被聚集在软铁中并沿径向挤出。高温超导块粘在圆柱形铜壁上, 铜壁起支撑和传导冷却的作用, 超导块表面贴有绝热材料层, 其结构图如图1 (b) 所示。其工作原理为:转子在轴向上受到超导块上导向力的作用悬浮自身及负载;当径向振动或发生偏心时, 受到超导块斥力的作用, 保证永磁转子的稳定悬浮。以上两种轴承结构见表1。
3 国内外研究进展
国外研究高温超导轴承的时间可追溯到20世纪90年代。从研究的进程可以看出, 高温超导轴承的研制过程往往伴随着超导飞轮储能系统的研制过程, 两者相辅相成。下面介绍典型公司或研究机构的研制情况。
3.1 美国波音公司轴向型高温超导轴承
波音公司研制的高温超导轴承是轴向型高温超导轴承的典型代表, 如图2所示。高温超导轴承的永磁转子由3个径向充磁的同心永磁环组成。为了减少离心负荷, 永磁环由多弧段拼接而成, 相邻两个磁环之间放置铁磁钢片, 用来增强磁场梯度, 使磁通导向轴向。由于高速旋转, 磁体受到很大的离心力, 要求转子必须有坚固的支撑结构。磁体支撑结构包括箍套在磁装置外径的增强纤维环, 以及传递中心轴与磁体之间负荷的玻璃纤维层压轮毂结构。在转子中央有一个着陆轴承, 它的作用有两方面, 一是当超导块回温时擎住转子, 二是旋转时限制转子位置的偏离。转子面向YBCO块材, 气隙为mm级。超导定子中的超导块材由六边形瓦片状的YBCO块材组成, 块材维度为36mm×4.5mm, 采用闭环液氮冷却。波音把这种高温超导轴承安装在飞轮储能系统中, 经测试, 每小时整个系统损耗低于总储能的0.1%, 最高转速为23675rpm。在目前同等级别的超导飞轮储能系统中, 仍保持着损耗最低、转速最高的记录。
在2009年研制的小型5k W·h/3k W超导飞轮储能系统中[5], 波音对超导定子的冷却方式做了重要改进:超导定子中的YBCO块材完全采用制冷机传导冷却方式, 冷却装置如图2 (c) 所示。采用制冷机冷却超导块材不仅能够使块材温度降到更低, 大幅提高了悬浮特性, 而且节约了能量, 提高了系统效率。波音还致力于超导轴承的损耗和高速转子的研究, 其设计的双超导轴承转子最高转速达114000rpm[5,6], 处于国际领先水平。
3.2 德国ATZ公司径向型高温超导轴承
2001年, ATZ公司研制出采用径向型高温超导轴承的激光偏转多边形检测仪, 最高转速达174000rpm[7]。公司从2005年开始研制5k W·h/250k W等级的超导飞轮储能系统, 2008~2009年完成了装配和测试[3], 在此期间对径向型高温超导轴承进行了深入的实验和研究, 其结构和样机如图3所示。超导轴承的设计尺寸为205mm×120mm, 超导定子采用55块YBCO超导块材粘接在铜环上, 每块YBCO的维度为65mm×35mm×13mm。ATZ把超导轴承的热沉设计成双壁环形容器结构, 既可在外壁安装冷头传导冷却YBCO, 也可以在环形容器中通入液氮冷却, 使用时可根据实验条件或运行条件灵活选择。永磁转子中的每个永磁环的尺寸为200mm×150mm×8mm, 永磁转子总的外表面积为768cm2, 定转子间留有2.5mm的气隙, 转子径向有2mm的自由度。超导轴承的总重量为55kg。轴承座采用G10材料制成, 为了防止漏热, 其内壁上贴有超级绝热材料。
实验时采用液氮和亚冷液氮 (72K) 分别冷却YBCO, 冷却时间为3h。测量特性如下:在72K时, 3.2mm轴向位移处最大径向力为4.7k N, 3.3mm处轴向负载力达到10080N (1t重轴向力) ;在72K和79K时, 径向刚度分别为1.8k N/mm、1.4k N/mm;72K和78.5K时的轴向刚度分别为4.5k N/mm、3k N/mm;热量损耗小于20W, 旋转摩擦小于5×10-4N·m。通过上述数据可以看出, ATZ设计的径向型超导轴承具有占用空间小、轴向悬浮力和径向刚度大、损耗小等优点, 代表了当前径向型超导轴承的发展水平。
3.3 日本超导工学研究所 (ISTEC) 径向型高温超导轴承
2004年ISTEC制造出一套10k W·h/400k W超导飞轮储能系统并完成了测试。在该系统中, ISTEC采用第一阶段提出的外永磁转子内超导定子的径向型高温超导轴承方案, 如图4所示。同ATZ设计的外定子内转子的结构相比, 这种方案的特点是:减少了超导块材用量, 降低了旋转损耗, 增强转子机械特性;YBCO能够通过中心轴内的液氮循环冷却系统冷却, 简化了真空腔体内的结构。为保证旋转磁场的一致性, 降低YBCO上的涡流损耗, ISTEC选出了捕获能力和排斥力相似的40块YBCO组成5层定子单元。整个超导定子内径93.2mm、外径123.2mm、高60.0mm, 放置在外径125.2mm、厚度1.0mm的低温不锈钢容器中, 每两层单元之间留有4mm的间隙确保超导块充分冷却。在静态测试中[8], 最大悬浮力为8700N, 最小轴向移动距离时悬浮力为7000N;悬浮力密度达到11N/cm2 (77K) , 最高转速为11250rpm。实验证实了预载法和过冷法能够有效地抑制悬浮高度弛豫。
3.4 韩国电力研究院径向型高温超导轴承
2001年, 韩国电力研究院 (KEPRI) 在径向型高温超导轴承的技术上取得进展, 研制出采用2个径向型高温超导轴承的卧式超导飞轮储能系统, 最高转速达67000rpm[9]。
KEPRI研制的用于10k W·h超导飞轮储能系统的高温超导轴承[10], 其超导定子由8块单晶体YB-CO组成, 每块尺寸为38mm×38mm×12.5mm。永磁转子由一个Φ88.8mm×70mm的环形永磁体构成。为减少低温耗散, 在轴承上方增加了用绝热材料做成的支撑体, 结构图如图5 (a) 所示。经实验得到, 当转子在轴向±0.2~±1mm振动时, 由于超导磁滞效应, 轴向悬浮力呈滞回特性, 轴向悬浮刚度从267N/mm减少到215N/mm。此外, KEPRI还在优化高温超导轴承的气隙磁密分布、100k W级冷却轴承技术等方面做了深入研究[11]。
3.5 巴西里昂联邦大学电工系轴向型高温超导轴承
在轴向型高温超导轴承的研究中, 巴西里昂联邦大学电工系 (UFRJ) 对永磁转子结构提出了两种设计方案:磁通型 (FS) 和轴向磁化型 (AMR) , 结构如图6所示。在FS拓扑中, 永磁体采用径向磁化, 使用小段拼成圆环, 径向相邻永磁体极性相反, 磁通由中间的钢环导向轴向, 结构类似于波音的设计。在AMR的拓扑结构中, 永磁环沿轴向磁化, 采用后磁轭降低磁阻[12]。比较两种结构的永磁转子在场冷和零场冷时悬浮力和导向力的情况, 在相同维度和悬浮特性时, FS具有明显优势:质量轻 (FS的质量为1.84kg, AMR的质量为2.43kg) 、磁通连续规则、损耗低。
3.6 国内研究进展
2000年中国科学院电工研究所提出基于高温超导混合轴承的飞轮储能系统方案[13], 即高温超导轴承为轴向型, 位于系统底部, 由内嵌式永磁环和7块YBCO组成, 液氮冷却。经测试, 径向静态刚度大于1MN/mm, 轴向静态刚度大于50N/mm。2001在国内实现了高温超导混合磁悬浮轴承高速运转, 最高运行转速为9600rpm, 具有大范围稳定性[14]。2008年, 西南交通大学研制出一套演示用的超导飞轮储能系统[15]。该系统采用双轴向型高温超导轴承的设计方案, 两个轴向型超导轴承上下分置, 每个超导定子均由7块圆柱形YBCO组成, 实验转速达到2000rpm。2011年, 西南交通大学研制出用于低温液体泵的径向型高温超导轴承[23], 超导定子由6块长方形YBCO组成, 工作转速达到3801rmp。2012年, 中国科学院电工研究所开始研究径向型高温超导飞轮储能系统, 并对径向型高温超导轴承的结构和悬浮特性进行了研究[24]。
4 当前的研究热点
通过对高温超导轴承的调研和分析, 当前研究热点主要集中在两个方面, 即提高高温超导轴承的性能和拓展高温超导轴承的应用, 具体可归纳如下:
(1) 优良性能高温超导材料的研制。高温超导轴承中使用的高温超导块材是超导定子的重要组成部分, 它的制备工艺直接影响到块材中钉扎中心的数量和密度, 从而影响块材的磁场俘获能力和临界电流密度等重要指标[16,17]。磁通钉扎力与超导材料中的空位、内应力、杂质、脱溶相、位错等缺陷有关[18]。超导块材的一致性 (或均匀性) 直接影响到超导轴承的动态稳定性, 所以块材的一致性是提高超导轴承性能重要因素之一[19,20]。研制优良性能的高温超导材料对提高高温超导轴承悬浮性能至关重要, 这一直是研究的热点之一。
(2) 大悬浮力/刚度的径向型高温超导轴承的研究。在大容量系统设计时, 要求系统不仅容量 (或功率) 大, 而且结构紧凑、体积小、安装便利。轴向型高温超导轴承占用体积较大, 当系统增加容量时需加大超导轴承的直径 (包括永磁转子和超导定子) ;而且因为直径大, 所以当转速较快时, 转子所受离心力大, 因而对转子结构的设计有较高要求。而径向型高温超导轴承通过增加沿轴向的永磁体和超导块材层数来提高系统承载力和稳定度, 不占用多余的横向空间, 非常适合大容量系统[3,8,10]。研制大悬浮力/刚度的径向型高温超导轴承是当前研究热点, 也是市场化的要求。
(3) 高温超导轴承结构的优化。在永磁体和超导块总体积不变的情况下, 通过改变永磁体和超导块的形状与排列方式, 提高气隙磁密分布, 最终达到提高轴向和径向刚度, 提高高温超导轴承悬浮力和稳定性的目的[11,21]。优化高温超导轴承结构还涉及冷却、减振等辅助设备的合理设计与布置。
(4) 旋转损耗的研究。高温超导轴承损耗包括超导定子的磁滞、涡流损耗以及永磁转子中软铁部分的涡流损耗, 由于这些损耗是在转子旋转时产生, 所以又称之为旋转损耗。减少旋转损耗, 提高高温超导轴承的效率具有非常重要的意义, 是当前的研究热点之一[5,6]。
5 高温超导轴承主要的应用领域
由于高温超导轴承具有的无源自稳定、非接触、无摩擦以及无污染等突出优点, 目前主要应用于以下领域:
(1) 飞轮储能系统。用高温超导轴承代替常规飞轮储能系统中的电磁轴承, 省去控制系统和励磁电源, 使系统损耗大幅降低, 提高了飞轮储能系统的效率[3,5]。其潜在应用领域有电力系统调峰、电动汽车以及UPS电源等领域。
(2) 高速转子和旋转机械。摩擦阻力、温升以及转子振动是限制旋转机械运行速度的重要因素。摩擦阻力可直接引起旋转机械温度升高, 这不仅限制转子速度, 还会影响机械性能, 缩短其寿命。高温超导轴承代替机械轴承应用到旋转机械中, 可使定转子达到真正意义上的无接触, 摩擦系数非常低, 是机械轴承的千分之一, 具有巨大的优势。目前高温超导轴承已经应用于离心机、涡轮机、偏转多边形激光束扫描器等旋转机械中[7]。潜在应用领域还有大型电机/发电机组、船舶推进器等大型旋转机械装备的升级改造。
(3) 卫星、太空领域。太空中自有的低温环境使高温超导轴承具有天然的优势。高温超导轴承的机械动量矩可以对航天器精密定位和姿态进行控制[22], 其高速而稳定的旋转不仅保证航天器所需足够的转扭而且使振动大幅减小。其潜在应用领域有宇宙飞船和宇宙空间站的能量储存系统、轨道卫星姿势控制等领域。
6 设计高温超导轴承需要考虑的问题
通过对国内外研究机构研制的轴承样机的分析, 我们认为设计高温超导轴承时需要考虑以下几个问题:
(1) 在选择轴承方式时, k W级以上大功率超导轴承选择径向型, 而小功率或微型超导轴承选择轴向型。
(2) 电机选择调控方便、调速范围宽、转子损耗低、散热少的直流无刷永磁电机, 套装在主轴上, 内置。
(3) 冷却方式采用传导冷却, 用制冷机冷却超导块材, 节能方便。
(4) 采用密闭的不锈钢杜瓦, 增加系统整体机械强度, 减少风损。
(5) 选择高性能、一致性相近的高温超导块材, 提高悬浮刚度, 减少由于不对称性引起的涡流损耗。
(6) 减震系统和监测装置布置合理, 减少密闭空间体积。
(7) 做好绝热设计, 减少热传导和热辐射等漏热, 降低能量损耗。
7 结论
高温超导电缆保护研究 篇2
高温超导电缆是解决迅猛发展的大城市和城市密集居住地区电能传输“瓶颈”的较好选择[1,2,3,4,5]。超导体只有在满足特定条件时才能体现超导特性。一旦条件被破坏,超导体将发生超导态到正常态的相变,产生失超(quench),释放出大量热能并使超导体温度迅速升高,甚至会进一步破坏超导体内部结构并烧毁磁体[6,7]。
目前,对失超特性的研究主要集中于超导线材和超导磁体。文献[8]在绝热条件下对超导磁体失超过渡过程的相关物理量进行了计算,从而对磁体的安全性进行了评估。文献[9]测量了在液氮气氛(77 K)环境下零背景磁场时Bi-2223/Ag超导多芯带的纵向失超传播速度与传输电流关系,得到最小传播电流;同时采用有限元方法模拟出超导体失超传播过程中由超导态过渡到正常态的温度变化行为。文献[10]对Bi-2223/Ag超导带的失超传播过程进行了研究,建立了导热冷却条件下的超导带失超模型,用数值模拟的方法研究超导带的失超传播特性,通过对导热偏微分方程的有限差分数值求解获得了失超过程中超导带温度的空间、时间分布。高温超导电缆由多层超导带材绕制而成,其失超过程与超导磁体和超导带材有很多相同之处,但其结构决定了失超特性与前两者不同,需要针对高温超导电缆的具体结构和冷却方式研究其失超特性。文献[11-13]介绍了目前已研究的失超检测,主要有温升检测、压力信号检测、流速信号检测、超声波检测、电压检测等。温升检测、压力检测和流速检测分别受到低温传感器、压敏传感器和流速传感器性能的限制,其检测速度和检测可靠性都存在瓶颈,而且检测成本较高;超声波检测法由超声波性质决定了易受到声波的干扰引起误动;电压检测方法对电压信号的准确性要求较高,而且需要检测电缆纵向压降,一旦电缆线路长就难以实现。由于高温超导电缆在电力系统中经常遭遇过电流等各种扰动,常规失超检测已不能完全满足要求,需要研究专门针对高温超导电缆失超的快速检测方法。
本文根据高温超导电缆的结构特点,建立了高温超导电缆本体温度分布计算模型,分析了其稳态和暂态的温度变化情况;重点就短路电流与超导电缆温升之间的变化关系进行了深入研究,提出了高温超导电缆综合保护及其具体实现方案。
1 高温超导电缆故障特点
架空线路和常规电缆的故障由内部短路造成,而高温超导电缆故障状态除了内部短路故障以外,还包括冷却系统故障和本体故障(失超故障)。高温超导电缆内部短路故障和架空线路、常规电缆的内部短路故障相类似,可使用常规继电保护方法进行保护;本文主要针对高温超导电缆本体故障进行保护。
高温超导电缆产生超导失超现象的机理复杂,涉及因素多,主要包括冷却系统故障、电缆本体故障以及电力系统短路电流等。因此,超导电缆的保护需要全面考虑以上各种因素的影响。
超导电缆正常工作时,流动的液氮能带走高温超导电缆系统产生的热量。当制冷循环系统发生机械故障或超导电缆本体某相出现堵塞时,超导电缆的三相将出现流量不足,此时电缆温度将缓慢上升,流量越小温升越快,断流时电缆温度近似于绝热上升。当温度超过失超点时,电缆的温升急剧加快。电缆某相或各相温度升高将导致某相或各相的液氮出口温度升高。当出口温度超过允许值并伴随温度的急剧升高则应采取保护措施,切除电缆。制冷系统制冷量不足或系统出现漏热时,超导电缆入口处的温度将升高。当入口温度高于某个值时,电缆失超从而导致电缆温升加快。因此,当检测到液氮出口温度达到某一临界数值并且温升速度加快时应采取保护措施。
电力系统中不可避免会出现诸如短路电流之类的大电流冲击。当短路电流大于电缆临界电流时,电缆整体将失超,温度升高。短路电流作用下电缆温度将在很短的时间内升到最高允许温度,超导电缆有可能发生不可恢复的损坏。同时,在超导电缆失超状态下,即使电流恢复正常,根据冷却条件的不同,电缆的温度也有可能持续上升。短路电流对超导电缆的影响程度与短路电流的大小有关。如果短路故障非常严重,巨大的短路电流将会使超导电缆全线失超,温度迅速升高,进而对超导电缆造成巨大损害,此时需立即将超导电缆从电网中切除。若短路点较远,短路电流相对较小时,超导电缆发热并不十分严重,在这种小短路电流下,应允许超导电缆继续运行一段时间,以便由其他保护切除故障,避免频繁切除超导电缆。
高温超导电缆也存在局部失超的可能性,在发生局部失超且失超区域大于最小传播区时,失超区域会传播扩大,最终影响到超导电缆的正常性能。
短路电流是高温超导电缆运行在实际电网中遭遇到的严重考验之一,由于短路电流造成的失超瞬时性强,使得电缆本体温度迅速上升,可能很快就将电缆烧毁;而温度、流量、压力信号的变化较慢,难以及时反映电缆超导状态的变化,因此由短路电流造成的失超故障是高温超导电缆保护的重点,必须对遭遇短路电流冲击时电缆本体温升变化过程进行分析,并提出相应的保护策略。
2 高温超导电缆本体温度分析
当高温超导电缆遭遇过电流扰动突然失超时,其本体温度将迅速上升,了解其失超过程中的温度变化过程是高温超导电缆失超保护的重要基础。
2.1 高温超导电缆本体暂态温度计算模型
图1为双通道热绝缘高温超导电缆结构图(温升变化与超导电缆结构和冷却方式有关,以下以昆明普吉变电站35 k V高温超导电缆为例)。假设超导电缆在轴向上结构和材料均匀一致,工作在额定电流下,温度保持恒定(77 K),认为在轴向上稳态温度没有变化,暂态温度变化一致。认为物体间接触良好,忽略超导带材与支撑管的接触热阻,忽略超导带材与绝缘的接触热阻。
选取超导电缆超导层半径方向上r处一个微元为研究对象,轴向单位长度上单位时间内r处圆上流入微元体的热量为,其中k为超导层导热系数。轴向单位长度上单位时间内r+dr处圆上流出微元体的热量为。则为轴向单位长度上单位时间内流入微元体的净热量。2!πr·dr·q"是轴向单位长度上微元体r+dr单位时间内由于各种损耗产生的热量,其中q是超导带材单位体积在单位时间内产生的损耗。是轴向单位长度上微元体r+dr在单位时间内内能变化量。其中,ρ是超导带材的密度,c是超导带材的比热。
根据热力学第一定律,可以得到超导层在热稳定状况下的导热方程:
将上式中第2项展开为Taylor级数
舍掉二次以上的高阶项并代入式(1),可得:
可化为
或
2.2 边界条件和初始条件
超导层内外部均有液氮冷却通道(双通道),忽略导体层和内部管道、外部绝缘的接触热阻(认为接触良好),可认为超导导体层内外两侧边界上均处于对流换热条件,则边界条件为
其中,h1和h2为超导导体层内侧与外侧的对流换热系数(可由对流换热边界条件间接计算得到,由于篇幅所限未加以说明),T1和T2为内侧和外侧的流体温度。液氮冷却通道为单通道时的边界条件与式(5)(6)类似。
高温超导电缆暂态温度计算的初始条件即为其稳态温度(稳态温度可根据超导电缆结构仿照暂态温度计算得出,这里略去推导过程),为
2.3 双通道高温超导电缆稳态/暂态温度分布
对式(4)采取六点差分格式,对边界条件(5)(6)采取元体平衡法,并联立式(4)~(7)求解可得:
其中,
图2、图3分别是双通道高温超导电缆超导层稳态和暂态温度分布图。
从图2、图3可以看出,高温超导电缆在过电流情况下发生失超时,温升非常迅速,要求保护做到及时可靠动作;在正常稳态工作状态下,双通道超导电缆导体层内外侧温差很小,最高温度出现在内外侧之间的地方,这符合其内外侧均有冷却通道的实际情况。暂态过程中超导层层内温差明显比稳态时增大,这是因为超导层内部各层之间存在热阻以及两侧冷却条件不同造成的。现在各国制造的超导电缆通过改善内外侧冷却条件,并在各层超导体之间采用具有较高热导率的绝缘膜或提高超导材料本身的热导率是能够有效减小超导层内部温差的。因此在研究高温超导电缆过电流失超过程计算电缆本体温升时可近似将超导体层作为一个薄壁来考虑。
3 高温超导电缆过电流、温升和时间的关系
在分析高温超导电缆过电流、时间和温升的关系时,将超导层部分看作一个整体(不考虑内部温差),同时假设为绝热过程。这样做的依据是:
a.液氮流速较慢,而且短路电流持续时间较短,在这个过程里可以认为液氮停止流动,没有对流导热,只有热传导,而热传导的热量较小,可以近似认为是绝热的;
b.由上节可知,高温超导电缆快速升温的过程中,内外侧虽然存在一定大小的温差,但相对于内外侧的温度而言还是很小,因此在快速升温过程中可以将超导体层作为一个整体来考虑;
c.由上节可知,在过电流下温升过程非常迅速,可以近似认为是绝热过程,同时,这种偏保守的处理方法对保障电缆本体安全是有利的。
基于以上假设,认为超导电缆失超时的主要热源是电缆中的银基(被短路电流加热),它发出的热量被银基本身和超导带材所吸收,导致超导电缆温度从液氮温度(77 K)迅速升高。热平衡过程对应的微分方程为
整理可得到:
其中,ρAg是银的电阻率;dAg、dhts是银和高温超导线材的密度;AAg、Ahts是电缆中银和高温超导线材的截面积;CAg、Chts是银和高温超导线材的比热。
对该微分方程采用改进Euler法求解,以昆明普吉变电站高温超导电缆结构参数为例,在不同过电流条件下可以得到图4,图中的曲线从下到上所对应的过电流值分别为:4、8、12、16、20、30、40 k A,时间为1 s(注意,图4中超导电缆本体温度达到300 K以上时的情况只是仿真计算值,在实际中由于液氮冷却和超导带材材料的限制不可能达到)。
4 高温超导电缆综合保护及其实现方案
引起超导电缆本体故障的因素较多,影响程度不尽相同,因此,本体保护需综合考虑各种不同的故障情况,采取综合性保护方案。对于冷却系统故障,由于其引发的失超故障的发展速度相对较慢,可通过检测超导电缆两端的温度、流量和压力的变化来实现保护,以提高检测的可靠性和准确性。对于局部失超,考虑到超导电缆的电流裕度以及银包套超导带材具有一定的承流能力,也可以通过温度、流量、压力等非电气量参数来进行检测。对于因外部短路电流引起的失超故障,应根据短路电流的大小采用不同的保护策略。对于短路电流较大的严重故障,采用瞬时大电流失超保护,以确保超导电缆的运行安全。若短路点较远,短路电流相对较小时,采用反时限热积累失超保护,即根据实时电流采样数据来计算超导电缆的热量积累,若热量积累达到整定值,切除超导电缆,以避免外部故障频繁切除超导电缆。
根据高温超导电缆的结构和实际应用要求,高温超导电缆综合保护包括3个部分:非电气量保护、瞬时大电流失超保护和反时限热积累失超保护。
4.1 非电气量保护
基于非电气量的保护主要包括液氮流量偏低保护、液氮压力偏高保护、超导电缆入口温度偏高保护、超导电缆温升偏高保护等。如果高温超导电缆的非电气量信号满足保护判据,保护将动作,切除超导电缆。
4.2 瞬时大电流失超保护
瞬时大电流失超保护定值主要由超导电缆的热平衡过程决定。鉴于瞬时大电流失超保护速度快,短路电流持续时间短,在工程应用中,可采用偏保守的绝热模型。超导电缆失超时的主要热源是电缆中的银基(被短路电流加热),它发出的热量被银基本身和超导带材所吸收,导致超导电缆温度从液氮温度(77 K)迅速升高,其热平衡过程对应的微分方程为式(10),若超过最高允许温度Tmax,保护应立即跳闸,将超导电缆切除。超导电缆最高允许温度Tmax以及从正常温度(77 K)上升到最高允许温度Tmax所花费的时间trun是瞬时大电流失超保护整定计算中的2个关键参数。为确保安全,实用中trun一般选择为0.5 s。超导电缆最高允许温度Tmax由绝缘材料可承受的温度、引起超导体的性能发生根本性改变的温度和超导带材发生破坏性损害的温度等综合考虑决定。当参数Tmax和trun确定后,根据式(10)即可计算得出瞬时大电流失超保护的电流保护定值。
4.3 反时限热积累失超保护
当短路电流大于超导电缆临界电流而小于瞬时大电流失超保护电流保护定值时,短路电流引起的失超故障由反时限热积累失超保护进行检测,其热学模型如式(11)所示,它是式(10)的积分形式。
当超导电缆电流超过临界电流时,由式(11)计算热积累值,若热积累值大于整定值就切除超导电缆。流过超导电缆的电流越大,电缆发热越严重,保护动作时间越短。和瞬时大电流失超保护不同的是,反时限热积累失超保护的容许温度上限需要重新计算,这是因为其动作时限较长,必须考虑冷却系统所带走的热量。
由前文可知,反时限热积累失超保护的温度上限应该由下面几个值的最小者决定:绝缘材料可承受的温度、引起超导体的性能发生根本性改变的温度、超导带材发生破坏性损害的温度、在较小过电流扰动下,能被冷却系统带走热量并自恢复超导态的最高温度。显然,最后一个温度值是最小的,因此以这个温度值来确定温度上限。高温超导电缆在过电流扰动下达到这个最高温度时,去掉过流故障,电流又恢复到额定工作电流时,冷却系统能够将失超后产生的正常区中的能量带走,从而使得正常区冷却到临界温度以下,重新恢复超导态运行。
与这个过程相应的计算公式如下:
Q1是电流恢复到工作电流以后电缆本体正常区单位长度上产生的瞬时欧姆热,Q2是冷却系统单位长度上瞬时带走的热量。其中,Q1就是银基上产生的欧姆热(不考虑分流),Q2是液氮带走的热量。波纹管单位长度上的热流为
其中,k1、k2分别是超导层向内、向外的综合热导率;d1、d2分别是超导层内外径;d3、d4分别是外侧聚乙酰胺膜的内外径;T1、T2分别是液氮温度和超导层的温度。
联立式(12)和(13)可以求出自恢复超导态的最高温度。显然,高温超导电缆在过电流扰动时温度不超过自恢复超导态最高温度时,当电流又恢复到额定工作电流后,冷却系统能够将失超后产生的正常区中的能量带走,从而使得正常区冷却到临界温度以下,重新恢复超导态运行。
5 结论
本文根据高温超导电缆的结构特点,分析计算了高温超导电缆系统本体温度分布情况,在此基础上对过电流与高温超导电缆本体温升之间的关系进行了深入分析,进一步提出了高温超导电缆保护及其具体实现方案,可有效克服单纯基于非电气量的失超检测方法响应速度慢,难以对由于短路电流引发的失超故障进行有效保护的缺陷,便于工程应用。
目前,基于该保护原理的高温超导电缆保护与监测系统已经过国家科技部组织的验收,在云南普吉变电站投运至今,在超导电缆系统发生故障时动作正确,现场运行效果良好,得到了用户的好评。
摘要：在高温超导电缆故障特征的研究基础上,依据高温超导电缆的结构特点,建立了超导电缆本体温度分布计算模型,在不同边界条件下分析了其稳态和暂态的温度变化情况;针对高温超导电缆在短路电流下的失超现象进行了深入研究,分析了绝热过程中温升、短路电流和时间之间的关系,进而提出了一套基于电气量信号和非电气量信号的高温超导电缆综合保护及其具体实现方案:非电气量保护、瞬时大电流失超保护和反时限热积累失超保护。基于该原理的保护装置已成功投运,运行效果良好。
传导冷却高温超导储能磁体制作 篇3
随着我国电网输电容量越来越大, 供电密度越来越高, 系统稳定性、供电品质已成为电力系统发展的突出问题。大容量储能技术的应用可以有效提升电网稳定性、电能质量水平。
超导磁储能 (SMES superconducting magnetic energy storage) 利用超导磁体的高效储能特性和现代电力电子装置的快速功率响应特性, 可以快速、独立地响应电力系统的有功和无功功率需求, 从而提高系统稳定性、增大输电线路的输送极限功率, 并可抑制电网频率和电压波动, 改善供电品质。随着高温超导线材技术的进步, 我国高温超导磁储能系统的研究工作正在日益发展, 其在未来电力系统中将具有良好的发展前景[1,2]。
为了提升超导储能磁体的临界电流值, 增加磁体内储存的能量, 需要将超导储能磁体进一步冷却到20 K温区下运行[3]。现有工程应用中的高温超导储能系统多采用制冷机直接传导冷却磁体的方式, 相比其它冷却方式的超导磁体, 设计增加高换热效率的导冷结构是维持储能磁体稳定运行的关键。储能磁体的导电部件与导冷部件之间需要绝缘处理, 绝缘与导冷是两个相互矛盾的因素, 使用常规超导磁体的绝缘方式会极大的降低储能磁体的导冷效率, 在绝缘结构设计的时候需要均衡两者间的相互影响, 在保证绝缘强度的情况下提高线圈的导冷效率。由于储能磁体在能量充放过程中会承受较大的电动力冲击, 优化结构设计提高储能磁体的低温机械强度也是保障磁体正常工作的关键要素。提出了一种新型的超导储能磁体结构与制作方法。其主要特点是:
1) 使用掺入有氮化铝粉末的玻纤布带与超导线材一同叠绕线圈, 在提高线材径向导冷效率的同时增强线材匝间的绝缘强度;
2) 在导冷部件与导电部件之间添加绝缘隔网, 增强单饼线圈的电气绝缘性能;
3) 将单饼线圈与导冷部件进行整体固化, 提高线圈的结构强度, 利用与线材并绕玻纤布带的吸附性, 主动引导固化剂均匀填充每一匝线材之间的缝隙, 提高线圈的整体固化强度, 运用真空浸渍工艺, 使固化剂均匀填充线圈与各导冷部件之间微小的空间间隔, 提高线圈与支撑结构整体的结构强度。
运用该方法加工制作了一个100 k J高温超导储能磁体, 该磁体具有较高的导冷效率;线圈的绝缘强度满足磁体绝缘设计要求;固化后的线圈机械强度大, 能够承受储能磁体充放电过程中的电动力冲击, 满足磁体正常工作要求。
1 100 k J超导储能磁体
1.1 磁体组成
100 k J超导磁体由30个超导单饼线圈组成。每个单饼线圈由310 m Bi-2223高温超导带材绕制而成。整个磁体采用传导方式冷却。
通过对每个单饼线圈进行单独固化, 保证每个线圈均具备较强的低温机械性能。将固化后的单饼线圈叠装成磁体, 在磁体的上下两端依次加装紫铜导冷法兰、不锈钢法兰, 用不锈钢拉杆穿过整个磁体, 并用螺母将整个磁体固定。如图1所示。
1.2 磁体导冷设计
磁体的导冷设计思路是将制冷机的冷量传递至若干根紫铜制成的导冷杆, 每个单饼线圈与导冷杆连接, 吸收冷量。单饼线圈与导冷杆之间的导冷效率主要与接触面积、接触应力有关, 为了增加接触面积, 单饼线圈径向外侧预留有主导冷联接槽 (即单饼线圈中的导冷块) , 内侧骨架上预留有辅助导冷联接槽, 联接槽为半圆形弧面, 可与紫铜导冷柱外圆配合形成环形面接触。上下导冷法兰通过多根导冷柱与单饼线圈相连, 使用夹板将导冷柱与每个单饼线圈单独锁紧, 在所有贴合面间铺装铟片, 增加实际接触面积, 降低接触热阻, 提高导冷效率。
图2为整个磁体的导冷途径示意图。超导线材, 用于冷却整个超导磁体。
磁体采用内外双导冷路径, 可有效降低线圈径向内外的温度梯度, 使线圈实现内外温度平衡, 提高线圈的热稳定性。
2 100 k J超导储能磁体单饼线圈
2.1 单饼线圈结构
单饼线圈选用一代Bi-2223/Ag高温超导线材绕制, 单根线材长度310 m, 线圈内径322mm、外径437 mm、高度12 mm, 每个单饼线圈匝数为226匝。单饼线圈结构如图3所示。
说明:①金属骨架②导冷板③导冷块④电流引线⑤中隔板⑥绝缘隔网⑦导冷柱夹板⑧超导线圈
2.2 单饼线圈的固化工艺设计
为了提高储能磁体低温结构强度, 常用方法是将超导线圈浸渍低温胶固化, 使线圈形成一个具有高强度的线圈饼, 以满足磁体的低温力学性能。
传统的传导冷却超导储能线圈采用分体固化工艺, 即将超导线材绕制的线圈先进行固化, 然后在与导冷部件组合压接后进行二次固化。但二次固化过程中, 新固化剂与线圈表面已经凝固的固化剂亲和力降低, 在低温环境下容易出现分层或龟裂等现象, 严重时会诱发线圈开裂, 造成磁体整体机械强度降低甚至损坏。
通过一系列优化措施, 改进了原有线圈固化工艺, 优化后的单饼线圈固化工艺采用真空浇铸方法将超导线圈与其他部件一同固化。复合固化方式使得线圈具有多方向的支撑结构, 固化后的单饼线圈导冷部件与超导线圈一次性固化成型, 完整度高, 且低温机械性能优越, 可以有效提高超导储能磁体低温下的机械强度。
2.3 绝缘设计
2.3.1 线圈匝间绝缘设计
一般的传导冷却磁体对于线圈匝间绝缘强度的处理方法是在超导线材表面包裹聚酰亚胺薄膜材料。但聚酰亚胺薄膜导热性较差, 包裹在带材表面会增加线圈与导冷部件之间的传导热阻, 降低线圈的导冷效率。而且, 在线圈固化过程中, 聚酰亚胺薄膜与固化剂的贴合性较弱, 更不利于固化剂的渗透与粘接, 降低了线圈的低温机械性能。
为了避免上述问题, 进行了优化改进:
1) 使用低温绝缘漆代替线材外面包裹的绝缘材料, 涂刷厚度约为10μm;
2) 用玻纤布带与涂漆后的超导线材一同叠绕线圈, 间隔线圈匝间线材。
试验结果表明, 该工艺方案使线圈的绝缘强度、机械强度以及导冷效率均有显著提升。绝缘漆可作为线材外表面的基础绝缘层, 为线材各个表面提供绝缘保护。固化剂浸渍后的玻纤布带可以有效隔离匝间超导线材, 增强线圈匝间的绝缘强度, 为线圈提供二次绝缘保护。玻纤布带具有较强的吸附性, 在线圈真空浇铸过程中可以将固化剂吸附在纤维网格中, 使线圈匝间缝隙均匀填充固化剂, 提高线圈固化的饱满程度, 增强固化强度。
2.3.2 线圈与导冷部件间的绝缘设计
储能磁体工作时, 线圈中的超导线材、电流引线处于高电位, 骨架、导冷板等导冷部件处于零电位, 需要在导电部件与导冷部件之间进行绝缘处理。绝缘性能与导冷效率是相互矛盾的, 普通绝缘材料导热系数较低, 大面积铺装绝缘板材会严重影响线圈的导冷效果。常规的解决方法是先将线圈进行固化, 利用固化剂层使线圈外表面具备的绝缘能力, 再与线圈外表面叠装的导冷板建立导冷路径。该方法会造成导冷板与线圈表面之间产生不均匀的微小缝隙, 增加接触热阻, 降低线圈与导冷板之间的换热效率。
100 k J超导储能磁体单饼线圈采用复合绝缘方式, 使用少量环氧板材与玻纤布粘接组合成绝缘隔网 (其中环氧板材仅为玻纤布带提供支持、塑形, 不承担主要绝缘作用) , 将绝缘隔网放在超导线圈与导冷板之间 (如图3所示) , 当单饼线圈整体固化时, 固化剂会被玻纤布吸附在超导线圈与导冷板之间, 填充两者之间的微小缝隙, 隔离线圈与导冷板。浸渍固化剂之后的玻纤布形成类似环氧板材一样的绝缘隔离层, 可有效提高线圈与导冷板之间的绝缘强度, 并且该种方法可以将导冷板与线圈之间的导冷路径压缩至最短, 提高换热效率。
对固化后的超导单饼线圈进行了测试。直流电压500 V时, 线圈与导冷板之间的绝缘电阻大于5 GΩ。测试结果证明该种绝缘方式可靠有效。
2.4 单饼线圈导冷设计
为了满足单个线圈的换热需要, 每个单饼线圈设计有独立的导冷路径, 单饼线圈骨架采用非导磁金属材质加工, 超导线材叠绕在金属骨架外侧, 线圈圆环外侧放置有导冷块, 导冷块高度与线圈厚度相同, 线圈上下表面铺装有导冷板, 导冷板外径侧与导冷块压接, 导冷板内径侧与金属骨架压接, 从而使超导线圈形成被金属导冷部件完全包裹的超导单饼线圈。线圈外侧的导冷块、内侧的金属骨架均通过导冷杆与导冷法兰连接获取冷量冷却超导线圈, 从而实现具有独立导冷路径的储能单饼线圈。如图3所示。
为了进一步提高单饼线圈固化后的导冷效果, 通常是在固化过程中在固化剂中添加具有较高导热系数的氮化铝粉末, 提高固化剂的换热效率, 从而间接提高线圈与外界导冷部件间的导冷效率。但该工艺存在明显缺陷, 原因在于固化剂与氮化铝粉末的混合溶液在线圈固化过程中经常发生氮化铝粉末沉淀现象, 导致线圈固化后出现氮化铝浓度不一致、导冷效率不均衡等问题。而且, 相比纯固化剂液体, 添加氮化铝粉末后的混合溶液粘度加大、流动性变差, 很难渗透到线材与线材之间微小的缝隙中, 降低了线圈的固化密度, 从而影响线圈的低温机械强度。为避免上述问题, 我们改进线圈的制作工艺, 将氮化铝粉末涂抹在与超导线材一同并绕线圈的玻纤布带表面, 放弃在固化剂内掺加氮化铝粉末的方法, 使用纯固化剂固化已经加入氮化铝粉末后的线圈, 运用该方法制作的单饼线圈, 固化后其匝间氮化铝含量均匀, 导冷效果提升明显, 并且在线圈真空浸渍过程中, 玻纤布带上少量的氮化铝粉末会溶于固化剂内, 随着固化剂的流动填充线圈与导冷部件间的微小缝隙, 降低线圈导冷路径上各导冷部件间的接触热阻, 提升超导线圈与导冷部件之间的导冷效率。
2.5 100 k J储能磁体单饼线圈制作
单饼线圈制作流程如下:首先, 将超导带材与涂抹氮化铝粉末后的玻纤布叠绕在黄铜骨架上, 焊接电流引线铜环, 在制作完成的超导线圈上、下表面依次叠装环氧板与玻纤布制成的绝缘隔网, 线圈圆环外侧放置导冷块, 将紫铜导冷板叠装在线圈两侧绝缘隔网的外面, 最后使用模具进行真空浸渍固化。
3 浸渍氮化铝玻纤布带导冷试验
有两种掺加氮化铝粉末的方法, 一种是把氮化铝粉末掺入玻纤布, 然后将玻纤布和超导线材一起绕制。另一种方法是将玻纤布和超导线材一起绕制, 再把单饼线圈浸泡在混有氮化铝粉末的酒精中充分浸泡, 最后把酒精全部蒸发。为了比较两种方法的效果, 分别制作了A、B两个样品, 并测试其在绝热环境下的降温速度。
A样品是将玻纤布带卷成直径10 mm的圆柱体, 放入30%体积浓度的氮化铝粉末与固化剂混合溶液中浸泡5分钟后取出, 升温固化。B样品是将玻纤布带展开放入25%浓度的氮化铝粉末与酒精的混合溶液中浸泡5分钟后取出卷成直径10 mm的圆柱体, 然后在放入30%浓度的氮化铝粉末与固化剂混合溶液中浸泡5分钟后取出, 升温固化。
测试方法:选取一块表面光滑平整的铜块与金属容器的底面贴合联接, 将样品的上端面与铜块下表面压紧固定, 在样品的下表面粘贴薄片型温度计, 将所有器件放入杜瓦中, 对杜瓦内部抽真空, 避免测试过程样品对环境产生热交换, 向金属容器内灌入液氮, 同时记录样品下表面的温度值。
图4为相同初始条件下, 两种样品下表面温度随时间的变化曲线。在相同时间内充分浸渍过氮化铝粉末与酒精混合溶液的玻纤布带固化后降温速率更快、导冷效率更高。因此我们在单饼线圈制作时采用了该工艺。
4 结束语
本文介绍了一种传导冷却高温储能线圈的制作工艺。该工艺方案对于提升超导储能线圈的导冷效率, 提高线圈的电气绝缘性能、增强线圈的机械强度具有显著效果。并且运用该工艺制造的储能磁体还具有外形美观、结构紧凑、模块化程度高等特点, 显著降低了储能磁体的制作难度, 提高传导冷却高温超导磁体在工程应用过程中的经济性、稳定性与耐久性。
摘要：介绍高温超导储能的特点, 提出一种超导储能磁体的结构及其制作工艺, 能保证了超导磁体的导冷效率、绝缘强度, 还有效地提高了磁体的机械强度。
关键词：超导储能,超导磁体,传导冷却,真空浸渍
参考文献
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[2]陈建斌, 胡玉峰, 吴小辰.储能技术在南方电网的应用前景分析, 南方电网技术, 2010, 4 (6) :32-36
典型高温超导带材及性能要求 篇4
关键词：超导带材,钇系,铋系,二硼化镁
自20世纪80年代至今,高温超导(HTS)材料及其相关技术取得了显著的进步,超导电缆、超导变压器、超导限流器以及超导储能飞轮等[1,2,3,4]产品的开发在美、中、日、韩等国正积极的开展。随着技术的发展,铋系(主要指Bi-2223/Ag)和钇系(YBCO)超导带材(二者统称为HTS带材)已实现了批量化制备。HTS带材及其相关技术的发展极大的推动了其应用产品的开发。
与传统的电力技术相比,HTS材料及其相关技术仍不成熟。尽管超导材料有着独特的技术优势,但应用于电力产品时,必须对其性能、成本、安全性、维护等各个方面进行评估。高温超导技术及产品的优越性与先进性在理论上已无需过多宣扬。在实际工程化应用中,超导产品的优势会通过各种研发项目进一步得到验证。实际上,超导技术要想得到规模化应用,首先需要面对的就是产品性能的提高及降低成本。
本文从材料角度出发,对带材载流能力、交流损耗和电性能及力学性能等方面进行了阐述,并对Bi-2223/Ag、YBCO和二硼化镁(MgB2)材料进行了介绍。
1 超导带材要求
1.1 载流能力
HTS带材载流能力强是其显著特点及优势,也是其应用于电力传输领域的前提。高临界电流Ic,尤其是高临界工程电流密度Je(Je=Ic/带材截面面积),是HTS带材工程化应用中参考的重要参数。进行工程化应用时,在77 K下,通常需保证Je值维持在103~105 A/cm2范围内。当应用于高磁场领域时,要求在20~77 K范围内,场强0.05~10 T内,HTS带材必须具有较高的Je值[5]。
由于超导材料本身的特性(属陶瓷材料),在制备过程中容易形成裂纹和孔洞。当HTS过载时,这些裂纹和孔洞产生大量的热,导致材料热损伤,所以减少材料中的裂纹和孔洞是超导领域重要的研究方向。裂纹和孔洞的减少还可以提高超导材料的Ic值。为了避免超导材料在过流时受损,现在采用的通用做法是在超导材料上沉积或压制一层具有良好导热导电能力的金属导体,以及时导出过流和热量。金属导体层制备中,必须保证与超导层具有良好的电气接触,否则难以保证过流时超导材料的安全性。
1.2 机械强度
HTS材料属于陶瓷材料,脆性大、延展性差,抗弯强度约为50 MPa。因此,当进行工程化应用时,为了避免在制备或操作过程中HTS发生损伤,有必要提高HTS材料的机械强度。美国超导公司(AMSC)等用金属带压合在HTS材料两侧,极大的提高了带材的机械强度,通过此方法,已可制备出抗弯强度超过250 MPa、最小弯曲半径达5 cm的一代Bi-2223/Ag商用超导带材[6]。尽管二代YBCO(钇钡铜氧)超导带材机械强度已较高(以金属为基板),但通常仍需要采用压合或电镀等工艺进一步提高其机械强度,以满足工程化时不同应用场合的需要。
1.3 交流损耗
超导材料在直流情况下,电阻为零,表现出“零电阻性”。但通过交流或处于交变磁场中时,会产生一定的损耗,即交流损耗。由于交流损耗会导致系统无用功增加,运行成本增大,所以在应用中应尽可能的减少交流损耗的产生。当外部磁场垂直于带材表面时,产生的交流损耗远高于外磁场平行于带材表面时产生的损耗。在实际应用中,为了减少交流损耗,通常需要将HTS带材按一定角度和截距进行螺旋绕制,Bi-2223/Ag带材本身采用的多芯细丝结构也有助于降低交流损耗,为了进一步Bi-2223/Ag的各向异性带来的影响,现已开发出具有低交流损耗的圆形和方形的超导线。
1.4 成 本
除了技术上的原因外,成本较高是限制HTS带材应用的另一个重要因素。目前,商用Bi-2223/Ag带材的市场售价为200~400$/kAm,而传统的铜线售价仅为25$/kAm左右,尽管性能上前者具有绝对的优势,但在价格上毫无优势可言。Bi-2223/Ag售价过高的主要原因是使用了金属银作为套管材料。YBCO耗费材料少,似乎价格上应有绝对的优势。但由于其复杂的制备工艺及昂贵的制造设备,市售YBCO带材的价格也在300~400$/kAm。随着工艺的成熟及规模化生产,YBCO 带材的价格有望降低到5~10$/kAm,但还有待时日。
2 典型的高温超导带材
Bi-2223和YBCO均具有类似于钙钛矿型的层状结构(见图1),各向异性较强。此外,多晶HTS材料,尤其是YBCO材料,晶粒间存在弱连接,这种弱连接及各向异性极大地限制了高质量HTS长带的制备。
2.1 Bi-2223
是最先实现商用的超导带材,日本住友电工(SEI)是目前世界上最主要的商用Bi-2223超导带材的生产商之一,其发明的过压热处理技术[7],可大大降低带材中存在的孔洞,极大的提高了带材的载流能力,SEI生产的Bi-2223/Ag带材已被应用于多条超导电缆示范线中。北京英纳超导技术有限公司是我国唯一一家有能力生产千米级Bi-2223/Ag超导带材的企业,2004年7月,其参与的“三相33.5 m-35 kV-2 kA实用型超导电缆系统”在云南普吉变电站成功并网运行。粉末套管法(PIT)是制备Bi系超导带材最主要的方法:将前驱粉体装入金属管内,经拉拔、截断,再次灌装轧制后进行热处理,最终得到成品带材。据报道,商用Bi系超导带材的载流能力达150~200 A。
2.2 YBCO
YBCO超导材料的发现早于Bi系超导材料,但由于技术条件上的限制,发展一直较为缓慢。由于YBCO具有更为优异的载流能力和高场性能,目前各国都将YBCO超导长带的制备技术作为重点发展。可批量化制备YBCO超导长带的企业有AMSC、日本藤仓电缆公司(Fujikura)、美国Superpower公司(已被日本古河电工收购)和日本昭和电线电缆会社(SWCC)等。2010年,AMSC向韩国LS电缆公司出售了3000 km长的YBCO带材,以便后者开展国内的超导电缆项目。我国目前仅可制备百米级超导带材,该技术由上海交通大学的李贻杰教授所带领的团队所掌握。
YBCO超导带材由基板、缓冲层、超导层和保护层组成(结构见图2)。如何在基板上制备具有一定织构取向的YBCO薄膜,是工艺中的难点。现采取的主要方法是制备具有一定晶格取向的基板,通过缓冲层材料将织构传递至超导层。
(1) 基板的制备:
轧制辅助双轴法(RABiTS)[8,9]和离子束辅助沉积法(IBAD)[10,11]是最为主流的两种方式,兴起不久的倾斜基板沉积法(ISD)[12]也是很有前途的制备方法。RABiTS法通过机械轧制具有面心立方结构的金属,然后热处理,从而得到立方织构。IBAD法利用与缓冲层成一定角度的电子枪,对沉积在基板上的薄膜材料进行轰击,从而得到具有一定取向的缓冲层。
(2) 超导层的制备方法可分为物理法和化学法,见表1。
2.3 MgB2
MgB2发现于2000年,临界温度约39 K[13]。严格说来,MgB2并不属于HTS材料的范畴,而是属于中间温度超导材料(MTS)。MgB2具有弱的晶界连接、原料成本低,可应用于20~30 K的低温领域,如医疗用磁共振成像等(MRI)。目前,我国MRI市场十分巨大,发展基于MgB2的MRI装置,不但可以满足社会发展的需求,还有助于超导器件研究技术的提高。此外,MgB2可以用于分辨率极高的超导量子干涉仪(SQUID)和超强磁体。与Bi系超导带材的制备方法相似,MgB2长带也是利用PIT法进行制备,PIT法又可细分为原位法(In-situ)和先位法(ex-situ)[14]。
3 结 语
高温超导强电技术的研发和应用 篇5
从20世纪80年代开始,全球掀起了“超导研究热”,经过了多年的研发,高温超导强电技术取得了革命性的发展,该种技术在多种领域都有着无法替代的作用。
1 高温超导强电的研发历史
高温超导强电技术是近几十年发展起来的高科技技术,它在电力、交通、医疗、工业、国防等很多领域都有非常重要的意义和发展前景。近年来,我国在超导强电技术、超导材料技术以及超导弱电技术上,都取得了革命性的突破,在高温超导材料以及低温制冷技术的发展下,超导技术的应用也开始得到了推广。
在20世纪初,荷兰的一位物理学家Kammerlingh.Onnes(卡麦林·昂尼斯)在一次液化氧气实验中,取得了成功,从而使得实验第一次获得4.2K的低温,Kammerlingh.Onnes研究发现汞在低温下具有零电阻的超导强电的电性,这也使得高温超导强电的研究进入到了新的领域。后来的研究显示,许多金属元素的高温超导性能极易受到磁场影响的破坏,例如铅Pb在56 MT的磁场下就会失去高温强电超导性,而且无法获取实际的应用,一直到20世纪70年代初,科研人员才发现铌和锆等合金材料后有着强大的高温超导特性,这才让超导技术的实际应用得到实现。20世纪70年代,全球专家学者曾对高温超导技术在电力方面的应用作了深入的探讨和研究,开展了一系列的模拟和辩论,但由于当时经济和科学研究技术落后,最终没有实现预期的目标和效果。
20世纪80年代,随着经济和科研技术的发展,极细丝交流强电超导线开始出现,全球很多国家相继展开了中、小型的超导强电故障限流机器的研究。此外,超导存储储能装置、超导强电变压器、超导强电电缆的研究也获得了成功,有了实质性效果。在20世纪80年代,瑞士两位专家Bednorz J G和Muller K A在瑞士的IBN实验室中发现La-Ba-Cu-O系氧化物体具有超导强电电性,其超导温度态转变温高为30K,这一个重大发现,引起了全球权威专家学者的高度关注,并立即召开了全球权威专家学者模拟探讨研究,针对高温超导问题展开了深入的研究,这一重大发现,开创了高温超导的新时代。
2 高温超导强电的研究和应用
超导就是某些金属在非常低的温度下,电阻会完全消失,电流能够实现完全无消耗的流动。超导现象于1911年被美国科学家巴丁·库珀和施里沸在《物理学评论》中首次提出,其微观机理得到了非常令人满意的答复。在1986年,有报道称,科学家们在Ba-la-Cu-O提取出了Tc、33K的报道。1987年2月,中国科学物理研究所科研人员宣布,液氧温区超导体起始转变温度在105 K左右。而后超导临界温度更是突破了液氧的77K大关。这一重大的研究成果对全球高温超导强电领域的发展有着划时代的重大意义。
我国高温超导强电的技术研究应用是在20世纪60年代,专家以Nb Zr和Nb Ti开始研究超导低温材料,当时中国科学院物理研究所和原治金工业部北京有色金属研究院针对这些材料展开了深入的研究。此后,中国科学院与武汉的712科学研究院中国船舶重工集团第七十二研究所合作,共同研发了一台名为20 KW超导电视,其转子线圈采用我国宝鸡研制的有色金属加工的单芯Nb Ti超导线制,这是我国研制的第一个超导磁体。1971年,中国科学院的电力研究所与物理科学研究所合作,研发了最大贮能量为100 KJ的强电超导贮能线圈;1974年,中国科学院电力电工研究所根据当时我国高能物理的研究和建造质子同步加速器的规划,展开了高能物理、超导加速器应用。加速器用了超导二级磁体以及高能探测器械,应用了超导磁体,取得了成功。在1976年中国科学院电工研究所和电子科学研究所共同合作,研制了天文磁聚焦望远镜,大大提升了普通的均匀的超导磁体密度。2001年,云南电力公司和北京英纳超导公司合作成立了电英超导电缆公司,专门研发高温超导电缆,并研制出30 m 35 KV/2KA的高温超导电缆,已在2004年实施电网试用。目前清华大学、华中科技大学、华北电力科技大学,都已经展开了高温超导强电的研究,清华大学还与保定天威公司合作,研制成功了0.3 MJ的超导装置,将超导蓄能装置安装在本学校和合作公司的网络中心,以备应急用电。
3 结语
超导技术是21世纪的十大关键技术之一,各发达国家都非常重视超导技术发展。尽管我国在高温超导技术研究领域做出了巨大努力,但整体技术水平与国外相比仍有较大差距,特别是工程化应用方面的差距较大。我国应借鉴国外经验,合理组织研究力量,在超导技术应用研究上加大投入力度,促进我国这一产业的可持续发展。
参考文献
[1]罗贞礼,韩征和.高温超导复杂产品国外近期应用态势及对我们的启示[J].新材料产业,2009(1).
高温超导技术应用和前景展望 篇6
1高温超导体的发现历程
自1911年荷兰物理学家卡末林· 昂内斯 (H.K.Onnes) 发现恭 (Hg) 的超导电性以来, 随着越来越多的超导体被发现并带入人类的视野, 经历了从简单到复杂、由一元系到二元系、以及多元系的过程。随后在1958年至1986年间, 也就是高温氧化物U-Ba-Cu-0被发现之前, 人类对超导应用技术准备性的探索阶段, 许多国家加大实验室规模上, 大力尝试了超导的应用。随后, 在1953至1973年间, 发现了如Tc>17的Nb3Sn等超导体。而苏黎世科学家J.G.Bendnorz等人在1986年发现的镧银铜复合氧化物达到30K, 突破了传统的BCS理论引起了世界范围的巨大反响。1987年, 美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤等人相继发现忆-钡-铜G-氧的氧化物超导体, 把Tc提高到90K以上, 同时液氮的禁区也奇迹般地被突破了77K。直到1993年, Putilin和Schilling等人又发现了的汞-钡-钙-铜氧的氧化物超导体, 至今它们还保持着最高的临界转变温度。
2高温超导体材料 (HTS) 的特性
下图为低温下典型超导体的不可逆线, 由图可以看出, 尽管Bi系带材容易制造, 但由于其固有的低不可逆场, 限制了它在温度77K和高磁场条件下的应用。而Ti和Hg属于复合材料, 尽管有相对较高的Tc以及有比Bi系材料高的不可逆场, 但由于存在弱连接问题, 它们Jc仍很低, 加之其本身有毒, 制备难度也随之加大。所以科学家们得出结论, 高温超导体材料 (HTS) 具有超导电性和抗磁性两个重要特性。要让超导体得到现实的应用, 首先要有容易找到的超导材料。即主要研究方向就是寻找能在较高温度下存在的超导体材料, 简言之, 就是将高温超导材料HTS (超导转变温度T>77K) 。Bi系超导线材是目前率先能够产业化生产的高温超导线材, 其导电性能超过相同横截面积铜导线的一百倍以上。我们由上图也易得出这一结论, 因此, 使用Bi系线材制备的超导电缆、超导变压器、超导电机、超导储能系统, 超导限流器等具有常规产品无法比拟的优点。近年来, 世界各国纷纷投人巨资加紧研发, 以此不断推动超导技术发展。
3高温超导体材料 (HTS) 的应用
3.1高温超导体材料 (HTS) 在磁悬浮技术上的应用
高温超导磁悬浮支撑的储能飞轮是一种新型的转子支撑系统, 与传统的机械轴承支撑的飞轮相比, 在控制精度和使用寿命等方面具有明显的优势。采用高温超导磁悬浮储能飞轮轮毂结构, 优化其设计方法, 以此提高储能密度。主要是采用建立轮毂结构模型, 引入拓扑结构优化、材料优选与形状优化等方法对其进行改进。最后结果表明, 在满足强度、极转动惯量、一阶弹性共振频率、形状、几何尺寸以及控制系统等多学科约束条件下, 轮毂的储能密度比设计方案提高了7.6 %。该优化方法不仅提高了转子的设计效率, 对飞轮的高速储能也有重要意义。
3.2高温超导体材料 (HTS) 在电力技术上的应用
(1) 节能减排, 例如节省输配电过程中的电阻损耗、降低高能耗工业设备的电损耗等;
(2) 解决可再生能源接入电网和远距离输送问题, 例如通过高温超导限流器、储能器来解决可再生能源接入电网所引起的波动和不稳定问题, 用高温超导电缆来解决超长距离输电问题。
4高温超导体材料 (HTS) 的前景与展望
目前从高温超导体的应用研究现状来看, HTS磁悬浮储能飞轮、HTS电缆、HTS电机和故障限流器可能会是HTS电力应用的最主要市场, 这些技术具有强有力的市场推动力和号召力, 但商品化需要高性能第二代导体支撑。HTS技术作为未来技术, 还需要规范化的风险分析以及周密的咨询评估, 其中的关键是降低成本, 设法找到材料、制冷和绝缘三者之间的最佳契合点。
参考文献
[1]金建勋, 郑陆海.高温超导材料与技术的发展及应用[J].电子科技大学学报, 2006, (8) .
[2]张俊莲, 金建勋.高温超导电缆技术探讨与应用[J].华中电力, 2006, (6) .
X光可直接“书写”出高温超导电路 篇7
超导材料能以零电阻导电, 将电路中的能量损耗降低到零。早在25年前科学家就发现, 用X光照射某些金属氧化物材料能使其中的氧原子重新排列, 使材料在微小范围内具有高温超导性能。这一过程中, X光就好像一支“绘图”铅笔, 在二维平面上“画出”超导电路。
研究人员解释说, 过渡金属氧化物的微观结构都很复杂, 其中氧原子的微观排布对材料的整体属性有着不同影响, 也影响材料的超导转变温度。他们发现, 一种含有铜和镧元素的氧化物 (La2CuO4+) 属于高转变温度的超导材料, 在其间隔层La2O2+中, 晶格间氧原子序列呈不规则分布, 这种不规则掺杂的特点增强了材料的高温超导性能。他们通过X光照重新排列材料微观结构, 可以控制高温超导的温度范围, 绘制出比人的头发丝还细的高温超导电路。此外, 还能通过一种热处理技术, “擦掉”这些电路。
研究小组目前已经开发出了高精度的“绘图”和“擦除”工具。“现在我们只要几个简单的步骤, 就能直接给普通的铜氧材料加入超导‘智能’了, 甚至不需要设备制造中常用的化学药品。”研究小组负责人、罗马第一大学教授安东尼奥·比安康尼说。
