Bi2223/Ag高溫超導(dǎo)帶材失超傳播特性研究

瞿青云 劉華軍 陳敬林 武 玉 劉 勃 吳亞楠

(中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031)

Bi2223/Ag高溫超導(dǎo)帶材失超傳播特性研究

瞿青云 劉華軍 陳敬林 武 玉 劉 勃 吳亞楠

(中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031)

對(duì)高溫超導(dǎo)Bi2223/Ag帶材在自場(chǎng)、氣冷環(huán)境條件下的失超傳播速度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并比較分析了不同傳輸電流條件下帶材失超的最小觸發(fā)能量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:Bi2223/Ag高溫超導(dǎo)帶材的失超傳播速度范圍在0.1—0.6 cm/s，其失超傳播速度與傳輸電流大小有關(guān)，與觸發(fā)能量無(wú)關(guān)，帶材載流越大，失超傳播越快;存在最小傳輸電流48.5 A，帶材失超傳播在該電流值以下被截止。

高溫超導(dǎo) 失超傳播速度 觸發(fā)能量 最小傳輸電流

1 引言

近年來(lái)，由于高溫超導(dǎo)材料研究上取得了較大的進(jìn)展，其制備技術(shù)不斷提高，性能也越來(lái)越優(yōu)異，給以其為基礎(chǔ)制造的電力設(shè)備帶來(lái)了廣泛的應(yīng)用前景。尤其隨著Bi2223/Ag［1］高溫超導(dǎo)帶材商業(yè)化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，其在電力等方面的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。但是，超導(dǎo)電力裝置在系統(tǒng)中并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可能會(huì)遇到各種突發(fā)故障，如系統(tǒng)短路故障等。在故障發(fā)生時(shí)，超導(dǎo)材料將承受短路大電流、不平衡電流的沖擊以及由此而產(chǎn)生的電磁、機(jī)械應(yīng)力及熱量的作用。超導(dǎo)電力裝置有可能因過(guò)大的短路電流或電磁機(jī)械應(yīng)力的作用等原因而失超。超導(dǎo)裝置的失超，不僅會(huì)改變超導(dǎo)電力裝置的電氣參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也將產(chǎn)生一定的影響［2］。因此，超導(dǎo)運(yùn)行穩(wěn)定性是高溫超導(dǎo)體在實(shí)用化過(guò)程中必須要面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。只有充分了解高溫超導(dǎo)體的失超傳播特性，才能采取合適的保護(hù)措施，避免因局部失超而造成整個(gè)超導(dǎo)裝置的破壞，從根本上提高和改善高溫超導(dǎo)體的穩(wěn)定性，進(jìn)而保護(hù)超導(dǎo)裝置。

表征超導(dǎo)帶材失超傳播特性的主要參數(shù)有最小觸發(fā)能量 MQE(Minimum Quench Energy)［3］和失超傳播速度NZPV(Normal Zone Propagation Velocity)［4］。最小觸發(fā)能量是引起超導(dǎo)體失超所需要的小范圍短時(shí)內(nèi)的最小觸發(fā)能量脈沖，它是衡量超導(dǎo)帶材抗熱擾動(dòng)能力的重要參數(shù);而失超傳播速度則是在焦耳熱的驅(qū)動(dòng)下，超導(dǎo)體正常區(qū)域的傳播速度。

本文主要針對(duì)目前處于應(yīng)用階段的一代高溫超導(dǎo)Bi2223/Ag帶材，在氣冷環(huán)境下(～80 K)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了其失超過(guò)程中的電壓變化曲線，研究Bi2223/Ag超導(dǎo)帶材的失超傳播特性，為其在實(shí)用超導(dǎo)電力裝置中的穩(wěn)定應(yīng)用及其失超保護(hù)提供參考依據(jù)。

2 數(shù)學(xué)計(jì)算模型

考慮到邊界條件及起始溫度分布對(duì)高溫超導(dǎo)帶材失超傳播的影響，在下述假設(shè)條件下建立其數(shù)學(xué)計(jì)算模型:(1)整根Bi2223/Ag超導(dǎo)帶材除兩端外均絕熱，兩端恒溫;(2)高溫超導(dǎo)帶材只受到自場(chǎng)的作用;(3)高溫超導(dǎo)帶材橫截面上無(wú)溫差;(4)忽略縱向傳播，認(rèn)為正常區(qū)只沿帶材軸向傳播;(5)正常區(qū)域以恒定速度v移動(dòng)，并引入移動(dòng)坐標(biāo)ξ=x-vt?？紤]到對(duì)稱性，僅對(duì)帶材右半部分的失超傳播進(jìn)行建模。由此，則可以利用計(jì)算一維熱流方程模擬出Bi2223/Ag高溫超導(dǎo)帶材的失超傳播特性［5-7］，其方程表達(dá)式如下:

式中:k(T)為帶材的熱導(dǎo)率，W/(m·K);C(T)為帶材比熱，J/(kg·K)，隨溫度T變化而變化;Q(T)為焦耳熱，J;G為加載的觸發(fā)能量，J;W(T)為單位體積液氮冷氣帶走的熱量，J。

由于超導(dǎo)帶材從超導(dǎo)態(tài)向正常態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中要經(jīng)歷以下分流過(guò)程:當(dāng)T＜Tcs(分流溫度)時(shí)，電流全部流經(jīng)超導(dǎo)層;當(dāng)Tcs≤T＜Tc時(shí)即分流區(qū)域，一部分電流流經(jīng)超導(dǎo)層，一部分流經(jīng)銀基底，且隨著溫度的逐漸升高，超導(dǎo)層電流逐漸減小，基底電流逐漸增大;當(dāng)溫度T≥Tc時(shí)，電流幾乎全部流經(jīng)銀基底。因此，Q(T)表達(dá)式如下(ρAg是銀的電阻率):

假設(shè)熱參數(shù)與溫度無(wú)關(guān)，僅僅只在銀基底產(chǎn)生焦耳熱，即Q=ρAgJ2，則失超時(shí)正常區(qū)域傳播速度可以表示為［8］:

式中:ρm為材料密度，kg/m;ρAg為電阻率，Ω·m;J為流過(guò)銀基底的電流密度，A/m2。從式(3)中可以看出，失超傳播速度與加載的觸發(fā)能量無(wú)關(guān)，與傳輸電流及材料參數(shù)有關(guān)。同時(shí)，若材料一定，參數(shù)等為定值，其失超傳播速度與傳輸電流成線性關(guān)系。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)樣品與裝置

實(shí)驗(yàn)所用樣品為日本生產(chǎn)的高溫超導(dǎo)Bi2223/Ag帶材。為了更好地模擬樣品工作在高溫超導(dǎo)電力裝置內(nèi)部的絕熱環(huán)境，對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品做如下處理:由于超導(dǎo)體局部失超后向兩側(cè)對(duì)稱傳播，因此在樣品中央采用直徑為0.2 mm規(guī)格的錳銅漆包線(電阻15.31 Ω/m)繞制一個(gè)用于實(shí)驗(yàn)時(shí)觸發(fā)能量的脈沖熱擾動(dòng)加熱器，為消除加熱器自感，采用雙繞線法。然后將繞好的樣品用低溫環(huán)氧膠密封固定。實(shí)驗(yàn)帶材樣品具體參數(shù)見表1，表中Ic為帶材臨界電流。

表1 高溫超導(dǎo)Bi2223/Ag帶材實(shí)驗(yàn)樣品參數(shù)Table 1 Specifications of test samples of Bi2223/Ag tapes

采用四引線法［9］連接實(shí)驗(yàn)電路，其測(cè)量原理圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)用Bi2223/Ag超導(dǎo)帶材樣品全長(zhǎng)300 mm，距離加熱器30 mm處在樣品表面焊電壓引線(V1-V4)和熱電偶(銅-康銅熱電偶［10］，T1-T4)，電壓引線間距離為20 mm，熱電偶位于相鄰兩根電壓引線中間。電壓引線及熱電偶與樣品表面的焊接焊點(diǎn)要盡可能小，為避免噪音干擾，將相鄰電壓測(cè)量引線合攏扭絞。同時(shí)，制樣和焊接過(guò)程要十分小心，避免樣品帶材因任何損傷而使性能受損。

圖1 四引線法測(cè)量失超傳播速度實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.1 Experimental scheme of quench propagation velocity through four leads measurement

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)將樣品帶材兩端分別固定在焊有電流引線的兩個(gè)銅塊上，以保持良好電接觸。將實(shí)驗(yàn)裝置放置在液氮屏蔽保護(hù)的冷氣室中，經(jīng)過(guò)一定的冷卻時(shí)間，樣品帶材達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需穩(wěn)定溫度(～80 K)時(shí)，用直流電源給樣品供電，并保持傳輸電流I在某一常數(shù)(應(yīng)小于臨界電流)。利用電容向加熱器提供脈沖電流，即給加熱器一個(gè)能量脈沖E來(lái)模擬一個(gè)熱擾動(dòng)，從而使超導(dǎo)帶材在加熱器附近出現(xiàn)正常態(tài)(即局部失超)。由于超導(dǎo)帶材持續(xù)通傳輸電流，該段正常區(qū)域會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，焦耳熱將會(huì)沿著超導(dǎo)帶材左右對(duì)稱縱向傳播，從而引起失超傳播。采用通過(guò)Labview軟件編程實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄樣品帶材上不同監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的電壓信號(hào)的變化，即可確定帶材的失超傳播特性。最小觸發(fā)能量(MQE)即是使樣品失超的最小脈沖能量;而失超傳播速度(NZPV)可以從樣品失超時(shí)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)電壓變化曲線中獲得。由于電壓軌跡幾乎是線性的，因此正常態(tài)區(qū)域的傳播速度v可以用如下公式計(jì)算:

式中:l為相鄰兩根電壓引線的距離，本實(shí)驗(yàn)中為2 cm;Δt為相鄰兩個(gè)電壓信號(hào)軌跡達(dá)到某同一失超電壓時(shí)的時(shí)間間隔。目前失超電壓值沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只要兩個(gè)電壓軌跡己經(jīng)按照同樣的斜率上升并且明顯已達(dá)到失超即可［11］。

4 結(jié)果與分析

4.1 觸發(fā)能量對(duì)失超傳播速度的影響

在相同的傳輸電流(94 A)且溫度基本不變(～80 K)的條件下，給樣品帶材分別加載6.0、6.5、8.0、10.0 J的觸發(fā)能量，其對(duì)應(yīng)電壓特性曲線如圖2所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，當(dāng)觸發(fā)能量 E大于 6.0 J分別為6.5、8.0、10.0 J時(shí)，失超傳播隨即發(fā)生，測(cè)得的樣品帶材失超傳播速度v基本均在0.62 cm/s左右。可以看出:當(dāng)其它條件一定時(shí)，Bi2223/Ag高溫超導(dǎo)帶材失超傳播速度基本保持不變，與觸發(fā)能量大小無(wú)關(guān)，觸發(fā)能量只是決定帶材失超是否能傳播，觸發(fā)能量越大，高溫超導(dǎo)帶材兩端越早出現(xiàn)電壓，帶材失超越早，且失超傳播越容易發(fā)生。這是因?yàn)閹Р氖С芊駛鞑ブ饕Q于正常區(qū)域產(chǎn)生的焦耳熱的大小。加熱器只是觸發(fā)一個(gè)初始的正常區(qū)域，觸發(fā)時(shí)間非常短暫，因此失超傳播速度與觸發(fā)能量無(wú)關(guān)。

同時(shí)，從圖2可以看出，當(dāng)觸發(fā)能量不大于6.0 J時(shí)，Bi2223/Ag樣品帶材在脈沖結(jié)束后正常態(tài)區(qū)域立刻開始收縮，并恢復(fù)超導(dǎo)態(tài);當(dāng)觸發(fā)能量增加到6.5 J及以上時(shí)，樣品電壓持續(xù)上升，不再恢復(fù)，超導(dǎo)帶材失超。由于受脈沖電源精度的限制，無(wú)法更精確地逼近真實(shí)的最小觸發(fā)能量，因此近似取其在94 A電流下的最小觸發(fā)能量為上述兩種狀態(tài)觸發(fā)能量的平均值約6.25 J。同樣，當(dāng)傳輸電流為75 A時(shí)，最小觸發(fā)能量約為9.0 J。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)工作溫度一定時(shí)，不同傳輸電流，Bi2223/Ag帶材失超的最小觸發(fā)能量也不同，傳輸電流增大，最小觸發(fā)能量隨之減小。這是因?yàn)楫?dāng)傳輸電流越大，失超后正常區(qū)域產(chǎn)生的焦耳熱越大，熱累積越多，從而更容易向兩端傳播;同時(shí)，由于溫度升高，帶材的臨界電流要下降，因此傳輸電流較大時(shí)更容易引起正常區(qū)域的出現(xiàn)。反之，則需要更多的觸發(fā)能量來(lái)引起失超和傳播。

4.2 傳輸電流對(duì)失超傳播速度的影響

使樣品帶材工作在穩(wěn)定溫度條件(～80 K)下，給樣品分別施加不同的傳輸電流 38、56、58、65、75、94 A，測(cè)得帶材失超傳播的電壓特性曲線如圖3所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表3所示。通過(guò)對(duì)比圖3(c)—(f)中 V2、V3、V4的變化趨勢(shì)可以看出，傳輸電流越大，相鄰的兩個(gè)失超電壓曲線的間隔越窄，失超傳播速度越快，同時(shí)失超也越提前即失超發(fā)生時(shí)間越早。這是因?yàn)槌瑢?dǎo)帶材的失超傳播速度受帶材失超產(chǎn)生的正常態(tài)區(qū)域所產(chǎn)生的焦耳熱影響，而正常區(qū)域產(chǎn)生的焦耳熱與帶材上傳輸電流的平方成正比，因此當(dāng)工作溫度一定時(shí)，傳輸電流越大，正常態(tài)區(qū)域熱量產(chǎn)生越大，累積越快，失超更容易，失超傳播速度也越快。

圖2 傳輸電流為94 A、不同觸發(fā)能量下Bi2223/Ag超導(dǎo)帶材電壓特性曲線Fig.2 Voltage curves of Bi2223/Ag tapes at 94 A carrying current and different quench energy

表2 Bi2223/Ag帶材不同觸發(fā)能量下的失超傳播特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Quench propagation properties of Bi2223/Agtapes at different quench energies

4.3 最小傳輸電流

由上述實(shí)驗(yàn)分析可知:當(dāng)傳輸電流越小時(shí)，其失超傳播速度也逐漸減小。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳輸電流不大于56 A時(shí)，無(wú)論加載多大的觸發(fā)能量，樣品帶材都能自行恢復(fù)超導(dǎo)態(tài)而無(wú)法失超，這說(shuō)明Bi2223/Ag高溫超導(dǎo)帶材在特定條件下存在一個(gè)最小傳輸電流Ip［12］，定義為正常態(tài)區(qū)域的傳播速度v=0時(shí)的電流，可以通過(guò)失超傳播速度與傳輸電流關(guān)系曲線得到見圖4。

從圖4可以看出，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)近乎成線性關(guān)系，與前文建模分析規(guī)律相一致，其擬合曲線關(guān)系式為v=0.013I-0.631。根據(jù)最小傳輸電流的定義可知，擬合后的直線與橫軸交點(diǎn)(v=0)對(duì)應(yīng)的電流即為最小傳輸電流Ip，其值為48.5 A，與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的56 A相比有一定的誤差。理論上，當(dāng)傳輸電流I＜Ip時(shí)，觸發(fā)脈沖一旦停止，正常區(qū)域立即開始收縮并恢復(fù)超導(dǎo)態(tài)，無(wú)法構(gòu)成失超傳播，如圖3a所示;當(dāng)傳輸電流I＞Ip時(shí)，即使觸發(fā)脈沖停止，局部失超區(qū)域也能繼續(xù)傳播，但是在實(shí)際過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)采用氣冷條件，由于熱擾動(dòng)的存在，當(dāng)傳輸電流I稍高于Ip時(shí)，Bi2223/Ag帶材有可能仍會(huì)自行恢復(fù)，如圖3b所示;只有當(dāng)有足夠的能量支持熱擾動(dòng)，失超才會(huì)傳播，如圖3c所示。因此，在氣冷式液氮冷卻(～80 K)環(huán)境下實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最小傳輸電流應(yīng)該和理論值存在偏差。

圖3 不同傳輸電流下Bi2223/Ag超導(dǎo)帶材電壓特性曲線Fig.3 Voltage curves of Bi2223/Ag tapes at different carrying currents

表3 Bi2223/Ag帶材不同傳輸電流下的失超傳播特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Quench propagation properties of Bi2223/Ag tapes at different carrying currents

5 小結(jié)

對(duì)一代高溫超導(dǎo)Bi2223/Ag帶材在自場(chǎng)、氣冷式液氮冷卻環(huán)境下的失超傳播特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明:

(1)Bi2223/Ag高溫超導(dǎo)帶材在不同觸發(fā)能量、不同傳輸電流的條件下，其失超傳播速度范圍在0.1—0.6 cm/s。

(2)在工作溫度和傳輸電流一定時(shí)，觸發(fā)能量越大，Bi2223/Ag高溫超導(dǎo)帶材失超出現(xiàn)的越早，但失超傳播速度基本保持不變，即失超傳播速度與觸發(fā)能量大小無(wú)關(guān)。

圖4 Bi2223/Ag帶材不同傳輸電流和失超傳播速度關(guān)系圖Fig.4 Quench propagation velocities vscarrying currents

(3)不同傳輸電流條件下，Bi2223/Ag高溫超導(dǎo)帶材失超時(shí)的最小觸發(fā)能量也不同。傳輸電流越大，能夠引起失超和傳播的最小觸發(fā)能量就越小。同時(shí)，傳輸電流越大，帶材失超越早，其失超傳播速度也越快。

(4)實(shí)驗(yàn)證明，Bi2223/Ag高溫超導(dǎo)帶材存在最小傳輸電流48.5 A，實(shí)測(cè)結(jié)果為56 A，在傳輸電流較小時(shí)，帶材局部失超后會(huì)很快恢復(fù)超導(dǎo)態(tài)，觸發(fā)能量再大，失超也不能傳播，抑或失超傳播速度很慢或者只傳播很短的距離。

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Study on quench propagation properties of
Bi2223/Ag high temperature superconductor tapes

Qu Qingyun Liu Huajun Chen Jinglin Wu Yu Liu Bo Wu Ya’nan

(Institute of Plasma Physics Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China)

The quench propagation properties of Bi2223/Ag high temperature superconducting tapes were investigated experimentally under the cooling condition of nitrogen gas and in a zero background magnetic field.The minimum quench energy of Bi2223/Ag tapes were compared and analyzed at different carrying currents.The experimental results show that the quench propagation velocity is about 0.1—0.6 cm/s for Bi2223/Ag tapes，it increases with the carrying current and has nothing with the quench energy.The quench propagation velocity can be cut off below 48.5 A.

high temperature superconducting;normal zone propagation velocity;quench energy;minimum carrying current

TM26

A

1000-6516(2013)03-0001-06

2013-03-12;

2013-05-18

國(guó)家自然科學(xué)基金(51177163)和國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃專項(xiàng)基金(2011GB112004)。

瞿青云，女，24歲，碩士研究生。