高溫超導線圈繞制工藝及性能測試研究

李 力，孫星瑞，侯東斌，李 超，宋 萌，林友新，胡南南，史正軍

（1.廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣東 510080；2.西安聚能超導磁體科技有限公司，西安 710018）

0 引言

隨著我國國民經濟的不斷發(fā)展，電子系統(tǒng)規(guī)模迅速擴展，電網短路電流水平已經逼近甚至超過開關設備的開斷能力，以致于嚴重影響到電網的安全運行，也成為制約電力系統(tǒng)發(fā)展的重要因素。傳統(tǒng)的限制短路電流的方法主要通過加裝電抗器、分區(qū)等被動方式達到限流目的，此類方式對電網的安全性及靈活性有較大影響，亟需研制適用于超高壓電網的主動式限流裝置[1-3]。

由于超導材料有零電阻的性質，因此，將其應用到電力系統(tǒng)中可以大幅減少電能的熱損耗，節(jié)約電能。特別是以Bi2223、YBCO（釔鋇銅氧）為代表的高溫超導帶材，具有更強的載流能力、更高的磁場性能和更低的材料成本等特點，在超導儲能、超導電機、超導電纜、超導限流器、超導變壓器等超導電力領域取得顯著成果。超導材料的臨界性能（臨界電流密度、臨界磁場、臨界溫度）對于其是否能安全、可靠、穩(wěn)定的運行至關重要。目前，超導材料、超導磁體在我國電力系統(tǒng)的應用仍處于研發(fā)階段，高溫超導帶材的基礎物理特性及工程應用問題仍亟待解決。

主要介紹了Bi2223高溫超導帶材短樣的性能測試、徑向彎曲次數對Bi2223帶材臨界電流的影響、高溫超導雙餅線圈繞制工藝、測試方法及線圈接頭的焊接工藝等，針對各環(huán)節(jié)的技術要點進行了簡要地分析，期待為工程應用積累更多的經驗。

1 Bi2223/Ag帶材性能測試

所采用的Bi2223/Ag超導帶為日本住友電工生產的Type HT-CA帶材，基本參數為：平均寬度4.5±0.1 mm、平均厚度0.34±0.02 mm、臨界電流Ic（77 K自場下）220 A。

由于超導帶材的性能直接影響雙餅線圈的性能，所以在雙餅繞制前，需要對超導帶的載流性能進行測試。采用四引線法測試短樣在77 K自場下的臨界電流，通過Labview軟件實現測控量數據的采集及記錄。圖1為四引線法測試示意圖。為了減小接觸電阻，帶材兩端和電流引線之間使用無氧銅塊進行壓接。

圖1 四引線法測量示意圖Fig.1 Illustration of four leads method

Bi2223/Ag短樣長度為16 cm，電壓引線間距為4 cm，電流升速為 1.2 A/s，失超判據為 1μV/cm[4]，測試結果如圖2所示，通過測試可知Bi2223/Ag樣品的臨界電流Ic為239.82 A.

圖2 Bi2223/Ag在77 K自場下臨界電流曲線Fig.2 Critical current of Bi2223/Ag short sample at 77 K

2 彎曲及應變疲勞對Bi2223/Ag帶材性能的影響

在高溫超導雙餅線圈繞制過程中，繞制直徑的不同對超導帶材的性能有顯著的影響，導致雙餅線圈的載流能力存在較大差異[5-6]。同時，根據超導磁體電磁設計要求，超導線圈通常采用密排繞制或疊加繞制的方式，高溫超導雙餅線圈在繞制過程中，由于繞制操作異常等特殊原因會導致退線、重新繞制的情況，例如繞制過程中發(fā)生的帶材絕緣破損、帶材缺陷等，相同的繞制半徑經過多次退線、再繞制后是否會發(fā)生載流性能的下降，是工程中經常會遇到的問題，也是高溫超導帶材大規(guī)模工程應用面臨的主要問題。為此研究多次彎曲后應變疲勞對Bi2223/Ag載流能力的影響十分必要。

為了合理制定雙餅的繞制工藝，對不同彎曲直徑下Bi2223/Ag帶材的性能進行測試，得出合理的繞制直徑。實驗過程中依次將帶材繞制通過直徑20～120 mm的繞線輪，并測量不同彎曲直徑下帶材的臨界電流，圖3為經過彎曲處理的短樣。

在高溫超導線圈繞制過程中，經常會發(fā)生退線，甚至是重新繞制的情況，為了研究高溫超導帶材反復繞制對其性能的影響，實驗分別將3根Bi2223/Ag帶材反復繞制3次、5次、7次和10次后通過直徑為35 mm、45 mm、55 mm的繞線輪繞線機構，并采用四引線法分別測量各條帶材的臨界電流。實驗數據如圖4所示，根據實驗發(fā)現，當彎曲直徑分別為35mm、45mm、55mm時，彎曲次數對Bi2223/Ag帶材的載流性能影響不大。

圖3 經過彎曲處理后的Bi2223/Ag短樣圖Fig.3 Bi2223/Ag short sample after bending test

圖4 彎曲次數與Bi2223/Ag帶材臨界電流的關系曲線Fig.4 The relationship between critical current and bending times of Bi2223/Ag

3 高溫超導線圈繞制工藝及性能測試研究

3.1 雙餅線圈繞制工藝研究

根據線圈設計要求，所用Bi2223超導帶材長度約為306 m，為提高帶材的利用率，降低運行風險，減少匝數，選擇采用雙帶并繞模式制作餅式線圈。由于超導帶平均寬度為4.5 mm，考慮到線圈絕緣及測試問題，雙餅線圈設計厚度為12 mm，雙餅線圈之間的通道層厚度為1 mm，繞組線匝實際有效最小內徑為1 940 mm。雙餅線圈采用多雙餅串并聯結構，根據系統(tǒng)電磁設計，最終繞組由80個雙餅構成。每個雙餅線圈均由兩根超導帶材并聯繞制，共52匝，平均分布于正、反餅，單側正、反餅均包含26匝，分別由2根超導帶材上下疊繞。瞿青云等[7]、陳敬林等[8]、魏海鴻等[9]研究了Bi2223/Ag和YBCO雙餅的繞制工藝，提出了雙餅線圈的繞制方法，并成功完成了Bi2223/Ag和YBCO雙餅的繞制，為本項目雙餅線圈的繞制提供了一定的參考。

雙餅線圈的繞制分為兩個階段：正向繞制和反向繞制，每個單餅的第一匝為過渡層，過渡層直接決定整個線圈性能的優(yōu)劣，所以第一匝繞制結束后需要加以固定。繞制過程中，需控制繞制速度并時刻關注線圈絕緣情況。一側單餅繞制結束后，使用膠帶固定線圈，然后在繞好的單餅內側加一層G10片做絕緣，在絕緣片的另一側反向繞制第二個餅。雙餅繞制的難點在于，在反向繞制前的扭角及翻餅過程中極易出現帶材扭折、錯位及尖角的現象[10]，操作時需要控制工藝細節(jié)。反向與正向繞制工藝流程相似，整體繞制結束后需要用綢帶加以固定。Bi2223/Ag帶材繞制過程中容易發(fā)生彎曲形變，且不同彎曲半徑對超導帶材的載流能力影響顯著，選擇合適的繞線輪及相關工裝十分必要。

高溫超導線圈工作環(huán)境復雜，超導帶材有可能在電磁力的作用下發(fā)生位移從而導致失超的發(fā)生，為了使帶材層間緊密，雙餅繞制過程中需要施加一定的張力，繞制張力的大小會影響雙餅線圈性能，小的張力會使得線圈預緊力不夠，線圈松散性能下降；張力過大則會導致帶材損傷，載流能力下降，Bi2223/Ag超導帶材的超導芯是脆性氧化物陶瓷材料，過大的張力會損傷帶材內部的超導芯從而影響其性能。Li等[11]通過合理假設，提出了超導磁體繞制張力的計算模型，為線圈繞制張力的設定提供了理論依據。本項目通過對現有設備的改造，將理論計算與線圈繞制工程經驗相結合，最終確定繞線機在高溫超導帶材上的拉力為35～40 N。繞制成功的高溫超導線圈如圖5所示。

圖5 繞制成功的高溫超導線圈圖Fig.5 Bi2223/Ag double pancake coil

高溫超導雙餅線圈的測試采用四引線法，將雙餅線圈固定在測試骨架上，使用專用吊具將骨架與線圈一并放入線圈專用測試杜瓦中，測試過程中，使液氮液面充分覆蓋整個線圈，測試裝置如圖6所示。

圖6 雙餅線圈測試裝置圖Fig.6 Cold test of double pancake coil

圖7是雙餅線圈在升流速度為2 A/min時的VI曲線。雙餅在未失超前，直流特性曲線比較平坦，雙餅測試的判據標準為1μV/cm。載流高溫超導的特性曲線通常表示為：

式中：I為傳輸電流，根據雙餅測試標準，可以得到雙餅線圈的臨界電流Ic和n值。采用上述方法測得了高溫超導雙餅線圈在77 K自場下的臨界電流為157.12 A，與帶材短樣臨界電流239.82 A（如圖2）相比，雙餅線圈的Ic能達到短樣的70.1%。測試結果表明，采用雙餅繞制工藝制造的高溫超導雙餅線圈性能較好，能夠滿足超導限流器的基本要求。

圖7 雙餅線圈V-I曲線Fig.7 V-I curve of HTS coil

4 高溫超導帶材接頭的焊接

超導線圈組成的系統(tǒng)運行過程中，理論上幾乎無熱量損耗，此時線圈間接頭電阻所產生的焦耳熱成為主要熱源，直接影響到磁體的運行情況。降低雙餅線圈接頭的電阻，可有效提高超導限流器的穩(wěn)定性和相關制冷費用[12]。高溫超導帶材焊接工藝的研究是超導限流器研制的關鍵技術。邵慧等[13]對影響B(tài)i2223/Ag焊接接頭的因素進行了系統(tǒng)性的分析，發(fā)現焊接溫度、焊料、焊接搭接長度、焊接方式是影響接頭電阻的主要因素。黃暉等[14]采用不同的方式對焊接溫度、焊料等影響因素做了進一步的研究，發(fā)現Bi2223/Ag帶材在焊接溫度為273～673 K內，其載流性能沒有明顯的變化，同時采用Sn63Pb以釬焊的方式在焊接溫度約為493 K得到的超導帶材接頭焊接均勻性良好，其接頭電阻測試結果在10-8～10-9Ω之間。

實驗參考其他焊接工藝，采用Sn63Pb釬焊的方式對高溫超導帶材接頭進行焊接處理，焊接溫度選擇為493 K。除了焊接溫度和焊料對帶材焊接后的性能有一定影響外，帶材的搭接長度也對焊接后雙餅線圈的載流性能有較大的影響，為了制定合理的帶材焊接工藝，需要對不同搭接長度下的測試結果進行分析，以選擇最優(yōu)的帶材焊接搭接長度。實驗采用2.0 cm、2.5 cm、3.0 cm、3.5 cm、4.0 cm 不同搭接長度，得到接頭電阻為8.9×10-9Ω、6.0×10-9Ω、5.1×10-9Ω、4.8×10-9Ω、4.4×10-9Ω。

由此可以得出，帶材搭接長度對超導接頭電阻有明顯的影響，當帶材搭接長度較短時，接頭電阻較大，隨著搭接長度的增長，接頭的電阻值逐漸減小。當帶材的搭接長度為4 cm時，帶材焊接后載流能力與短樣測試結果類似，此時若繼續(xù)增加搭接長度，接頭電阻的變化程度不大，反而使焊接工藝難度加大，甚至會造成帶材焊接性能的退化。因此，在雙餅帶材焊接過程中，要適當控制接頭的搭接長度，減小接頭電阻，同時又降低了焊接的難度。圖8為搭接長度與接頭電阻的關系。

圖8 搭接長度與接頭電阻的關系曲線Fig.8 Relationship between joint resistance and contact lenth of Bi2223/Ag

5 結論

通過對高溫超導雙餅帶材的性能進行測試，得出結論：

（1）采用四引線法對超導限流器所用Bi2223/Ag帶材測試，發(fā)現其臨界電流為239.82 A。當徑向彎曲直徑大于70 mm時，帶材臨界電流相比未彎曲前基本沒有變化；當彎曲直徑小于70 mm，帶材臨界電流開始出現明顯衰減，隨著彎曲直徑的不斷減小，臨界電流的衰減速率逐漸加快，直到帶材喪失超導性能。實驗發(fā)現，相同彎曲直徑下，彎曲次數與帶材臨界電流沒有明顯的關系。

（2）雙餅線圈的繞制分為正、反兩個階段，每個單元餅繞制時應嚴格控制相關過程的工藝細節(jié)，避免在扭角及翻餅時出現帶材扭折、錯位及尖角等現象發(fā)生，確保線圈繞制的均勻性、可靠性。雙餅線圈測試結果發(fā)現，其77 K自場下的臨界電流為157.12 A，雙餅性能達到短樣的70.1%，進一步證明繞制工藝的可靠性。

（3）高溫超導帶材焊接工藝是超導限流器研制的關鍵技術，接頭的電阻直接影響線圈載流能力，采用焊接溫度493 K、焊料Sn63Pb，搭接長度4 cm時，獲得了較好的焊接效果，為超導限流器的安全運行提供了基礎。