大型超導磁體高溫超導電流引線的研究

黑穎頓，周興梅，陳偉

（云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217）

0 前言

在包括大型超導磁體在內的電氣設備中，由于超導體無電阻、低損耗、低導熱等特點，高溫超導（HTS）技術被逐漸應用于電流引線研制中，將室溫下的電源與低溫下的超導磁體進行連接。與相同工作電流的傳統(tǒng)金屬電流引線相比，采用高溫超導電流引線可顯著降低運行成本和制冷功率[1-3]。

1 高溫超導電流引線的結構

作為二元電流引線，高溫超導電流引線由傳統(tǒng)的金屬模塊、高溫超導模塊和超導接頭組成。在結構上，金屬模塊主要由銅質端子板、銅鉛、不銹鋼（SS）液氮儲存容器和外絕緣組成。高溫超導組件主要由Bi-2223 超導帶和黃銅分流器或SS 分流器組成。在金屬模塊和高溫超導模塊之間，采用銅散熱片來限制高溫超導模塊的溫升。如圖1 和圖2，金屬模塊可以用液氮（77 k）或冷氦氣（60-80 k）冷卻，當金屬模塊用液氮冷卻時，汽化的氮氣通過出口直接釋放到大氣中。但由于液態(tài)氦的稀有性和昂貴性，當金屬模塊被冷氦氣冷卻時，氦氣被收集在出口處回收利用。

為了提高金屬模塊的冷卻效果，應優(yōu)化金屬電流引線的長徑比和換熱結構。例如，為了充分提高氣體冷卻介質的流動阻力，采用了螺旋結構或翅片結構。高溫超導電流引線的設計問題如下：

1）載流能力；

2）金屬模塊結構優(yōu)化；

3）散熱器結構優(yōu)化；

4）絕緣結構設計與優(yōu)化；

5）關節(jié)阻力；

6）熱泄漏到4.2 K 液氦；

7）熱穩(wěn)定性；

8）失超保護。

在圖1 和圖2 中，LTS 表示低溫超導體。對于高溫超導電流引線，由于銅、不銹鋼、高溫超導材料和絕緣材料的熱膨脹系數不同，降低絕緣熱應力的問題應引起重視。

圖1 高溫超導電流引線冷卻方式1

圖2 高溫超導電流引線冷卻方式2

2 高溫超導電流引線材料

2.1 絕熱低溫液體

為了實現超導狀態(tài)，液氮、液氦和冰箱被廣泛應用于超導器件中。池冷式低溫超導磁體一般采用液氦冷卻，池冷式高溫超導磁體一般采用液態(tài)氦或液氮冷卻。另外，傳導冷卻的超導磁體通常采用電冰箱冷卻。

液氮和液氦是兩種當下具有優(yōu)良介電性能的絕緣低溫液體。在超導器件中，液氮、液氦、冷氮氣和冷氦氣同時作為冷卻介質和絕緣材料。然而，氦氣體的介電性能遠低于液態(tài)氦。特別是低氣壓的氦氣更容易導致放電。

如表1 所示，液氮的汽化潛熱約為液氦的10 倍，而液態(tài)氦的顯熱則是液氮的5 倍。對于高溫超導電流引線，金屬模塊的熱負荷主要由焦耳熱和傳導熱組成。為了充分冷卻金屬模塊，必須充分利用冷氮氣或冷氦氣的顯熱。但是，室溫下氦氣1 W 制冷量所需功率遠高于室溫下氮氣。液體氦在50 HZ 交流電下的擊穿特性約為30 kV/mm，而冷氦氣體的擊穿特性低于500 V/mm。

表1 液氮和液態(tài)氦的特性參數

2.2 耐低溫固體絕緣材料

耐低溫固體絕緣材料在大型超導磁體高溫超導電流引線中起著重要作用。根據公式（1），當超導磁體失超時，施加在高溫超導電流引線上的電勢是相當大的。

式中：L—超導線圈電感；-當前變化率。

為了避免放電或電氣故障，可以使用卡普頓、聚四氟乙烯（PTFE）和玻璃纖維增強聚合物（GFRP）對高溫超導電流引線進行絕緣。

2.3 導電材料

耐低溫固體絕緣材料在大型超導磁體高溫超導電流引線中起著重要作用。根據公式（1），當超導磁體失超時，施加在高溫超導電流引線上的電勢是相當大的。

如圖3 所示，用于電流引線的材料的熱導率的差異很明顯。黃銅的導熱系數遠低于銅。因此，銅可以用來制造金屬電流引線和散熱片，而黃銅可以用來制造高溫超導模塊的分流管。高溫超導帶材的等效熱導率可用高溫超導帶材和金屬基體的熱導率計算。

圖3 電流引線材料的熱導率

傳統(tǒng)金屬材料符合Wiedemann-Franz 定律，如式（2）所示：

式中，LL=2.45x10-8WΩK-2是洛倫茲常數，表示導熱系數λ(T)和電阻率ρ(T)的代數乘積與溫度T 成正比。然而，為了使高溫超導組件的分流漏熱降低，必須同時選用低λ(T) 和低ρ(T)的金屬材料。

3 傳統(tǒng)金屬模塊

氣體冷卻金屬電流引線安裝在帶熱屏蔽的低溫恒溫器內部，所以不考慮熱對流和熱輻射。在工作條件下，金屬電流引線的熱平衡原理如圖4 所示，焦耳熱來自外加電流，傳導熱來自溫度梯度。如圖4 所示，金屬電流引線的溫度分布可用公式（3）-（5）表示。金屬電流引線下端漏熱導致液氮氣化或冷氦氣溫度升高，如式（4）所示。對于液氮冷卻的金屬電流引線，如圖1 所示，金屬電流引線的下端和上端之間的傳導熱和焦耳熱被冷氮氣的顯熱交換，如式（5）所示。

圖4 氣冷金屬電流引線的熱平衡原理

式中：L—金屬電流引線的有效長度；A(x)—金屬電流的橫截面積；P—冷卻周長；Cp—冷氮氣的熱容量；CL—液氮汽化潛熱；Tg—冷氮氣溫度；m—冷氮氣總質量流量；mi—冷氮氣的質量流量來源于液氮中電流鉛的焦耳熱；f-金屬電流引線和冷氮氣的對流換熱系數。

對于二元電流引線，大部分熱負荷來自金屬電流引線，對超導磁體系統(tǒng)的熱負荷較低。

4 高溫超導模塊

4.1 熱特性

當處于超導狀態(tài)時，高溫超導的電阻為零。當超導磁體為直流時，如果不考慮模塊兩端的連接電阻，就不會產生焦耳熱，因此模塊采用了傳導冷卻的方法來進行冷卻。高溫超導組件的熱導率復合材料和電阻率復合材料取決于各組件的體積比，可按并聯(lián)結構計算，如式（6）和式（7）所示。

導熱冷卻高溫超導電流引線的熱泄漏量可按式（8）計算：

其中，i—高溫超導電流引線各部件的標志；

Je—高溫超導臨界電流密度（A/m2）；

X—高溫超導帶的長度；

Tc，Tw—高溫超導帶的低溫端和高溫端溫度（K）；

Q—高溫超導電流引線末端的熱泄漏。

為了計算高溫超導電流引線的燒毀時間，假設條件如下：

1）高溫超導電流引線的初始狀態(tài)為超導狀態(tài)，高溫超導模塊變?yōu)殡娮杓訜釥顟B(tài)。

2）沒有冷卻液來冷卻HTS 模塊。

如果高溫超導組件的初始溫度為0t，最高電阻溫度為ft，非絕熱加熱條件下的熱平衡方程如下：

高溫超導電流引線的燒毀時間如式（10）所示：

式中，γ—超導材料的密度；C—超導材料的比熱；ρ—超導材料的電阻率。

實際上，由于忽略了熱傳導和冷卻，計算出的傳熱時間是保守的。如果考慮到Bi-2223帶材的分流、Ag/Au 保護層和高溫超導模塊兩端的散熱片，實際的燒毀時間將會延長。

為了減少超導磁體的熱泄漏，高溫超導組件的結構設計應以獲得較低的導熱系數和足夠的載流能力為目標。為了保護高溫超導組件在失冷過程中的安全，并聯(lián)電路的結構設計需要被重點考慮。

4.2 電磁特性

為了減小垂直磁場對超導帶材載流能力的影響，將高溫超導帶材焊接到分流均勻的溝槽上，如圖5 所示。

圖5 分流三維模型

根據右手法則，如果將高溫超導帶材的前表面焊接到槽底表面，則施加在前表面上的垂直磁場很弱。雖然側面施加的垂直磁場很強，但對高溫超導帶材的載流能力影響不大。然而，當高溫超導電流引線靠近超導磁體時，外加磁場會導致其載流能力下降。因此，大型超導磁體的高溫超導電流引線應遠離超導磁體。

5 高溫超導電流引線的絕緣

如圖6 所示，使用不銹鋼低溫恒溫器提供真空，通過熱輻射和熱對流向高溫超導電流引線的熱泄漏遠遠低于熱傳導。作為一種絕緣結構元件，溫度梯度會產生熱應力，另外，當超導磁體發(fā)生失超時，產生的高壓會對絕緣產生缺陷和損傷。

如圖6 所示，該模擬模型用于模擬大規(guī)模超導磁體的16 kA 高溫超導電流引線的電場。由于低溫恒溫器接地，所以低溫恒溫器的電勢為0 V。由于氦氣體的介電強度較低，在發(fā)生失超時，低溫恒溫器內低壓的氦氣體很容易導致帕申放電。為了避免電擊穿，高溫超導電流引線和低溫恒溫器之間的距離應足夠大。當超導磁體的產生電壓為4.5 kV，HTS 電流引線的外加電壓為10 kV，如圖7 所示。

圖6 電氣分析仿真模型

定義的材料特性如下[4]：

1）空氣相對介電常數：1；

2）G10 絕緣相對介電常數：3；

3）氦氣的相對介電常數：1.0001。

圖7 荷載和邊界條件

在正常工作條件下，空氣（低溫恒溫器內部）和G10 絕緣部位的峰值電場強度分別為433.67 V/mm 和384.04 V/mm，電場強度分布如圖8 所示。在故障工況下，氦氣段（低溫器內）和G10 絕緣段的峰值電場強度為433.66 V/mm和384.04 V/mm。根據空氣（10-3 pa）的擊穿強度，直流（DC）下的氦氣和G10 絕緣分別為3.5 kV/mm、450 v/mm 和3 kV/mm[5-8]，說明高溫超導電流引線的介電強度足夠。

圖8 電場強度等值線圖結果

6 結束語

1）對于大型超導磁體的高溫超導電流引線，由于工作電流大，金屬組件的熱負荷大，為充分利用冷氦氣或冷氮氣的顯熱，金屬模塊應采用氣體冷卻。

2）高溫超導引線的載流能力、熱穩(wěn)定性和電氣強度是結構設計的關鍵問題。特別是高溫超導模塊的絕緣設計和結構設計應引起重視。