瞿青云 劉華軍 陳敬林 武 玉 劉 勃 吳亞楠

(中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031)

Bi2223/Ag高溫超導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

(中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031)

對高溫超導Bi2223/Ag帶材在自場、氣冷環(huán)境條件下的失超傳播速度進行了實驗研究，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。實驗結果表明:Bi2223/Ag高溫超導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，與觸發(fā)能量無關，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 失超傳播速度 觸發(fā)能量 最小傳輸電流

1 引言

近年來，由于高溫超導材料研究上取得了較大的進展，其制備技術不斷提高，性能也越來越優(yōu)異，給以其為基礎制造的電力設備帶來了廣泛的應用前景。尤其隨著Bi2223/Ag［1］高溫超導帶材商業(yè)化生產(chǎn)的實現(xiàn)，其在電力等方面的應用也越來越廣泛。但是，超導電力裝置在系統(tǒng)中并網(wǎng)運行時可能會遇到各種突發(fā)故障，如系統(tǒng)短路故障等。在故障發(fā)生時，超導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、機械應力及熱量的作用。超導電力裝置有可能因過大的短路電流或電磁機械應力的作用等原因而失超。超導裝置的失超，不僅會改變超導電力裝置的電氣參數(shù)，對系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定及經(jīng)濟運行也將產(chǎn)生一定的影響［2］。因此，超導運行穩(wěn)定性是高溫超導體在實用化過程中必須要面臨的關鍵問題。只有充分了解高溫超導體的失超傳播特性，才能采取合適的保護措施，避免因局部失超而造成整個超導裝置的破壞，從根本上提高和改善高溫超導體的穩(wěn)定性，進而保護超導裝置。

表征超導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)能量是引起超導體失超所需要的小范圍短時內的最小觸發(fā)能量脈沖，它是衡量超導帶材抗熱擾動能力的重要參數(shù);而失超傳播速度則是在焦耳熱的驅動下，超導體正常區(qū)域的傳播速度。

本文主要針對目前處于應用階段的一代高溫超導Bi2223/Ag帶材，在氣冷環(huán)境下(～80 K)，通過實驗測量了其失超過程中的電壓變化曲線，研究Bi2223/Ag超導帶材的失超傳播特性，為其在實用超導電力裝置中的穩(wěn)定應用及其失超保護提供參考依據(jù)。

2 數(shù)學計算模型

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

式中:k(T)為帶材的熱導率，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。

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

假設熱參數(shù)與溫度無關，僅僅只在銀基底產(chǎn)生焦耳熱，即Q=ρAgJ2，則失超時正常區(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)能量無關，與傳輸電流及材料參數(shù)有關。同時，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系。

3 實驗

3.1 實驗樣品與裝置

實驗所用樣品為日本生產(chǎn)的高溫超導Bi2223/Ag帶材。為了更好地模擬樣品工作在高溫超導電力裝置內部的絕熱環(huán)境，對實驗樣品做如下處理:由于超導體局部失超后向兩側對稱傳播，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)繞制一個用于實驗時觸發(fā)能量的脈沖熱擾動加熱器，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。實驗帶材樣品具體參數(shù)見表1，表中Ic為帶材臨界電流。

表1 高溫超導Bi2223/Ag帶材實驗樣品參數(shù)Table 1 Specifications of test samples of Bi2223/Ag tapes

采用四引線法［9］連接實驗電路，其測量原理圖如圖1所示。實驗用Bi2223/Ag超導帶材樣品全長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要盡可能小，為避免噪音干擾，將相鄰電壓測量引線合攏扭絞。同時，制樣和焊接過程要十分小心，避免樣品帶材因任何損傷而使性能受損。

圖1 四引線法測量失超傳播速度實驗原理圖Fig.1 Experimental scheme of quench propagation velocity through four leads measurement

3.2 實驗測量方法

實驗時將樣品帶材兩端分別固定在焊有電流引線的兩個銅塊上，以保持良好電接觸。將實驗裝置放置在液氮屏蔽保護的冷氣室中，經(jīng)過一定的冷卻時間，樣品帶材達到實驗所需穩(wěn)定溫度(～80 K)時，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，即給加熱器一個能量脈沖E來模擬一個熱擾動，從而使超導帶材在加熱器附近出現(xiàn)正常態(tài)(即局部失超)。由于超導帶材持續(xù)通傳輸電流，該段正常區(qū)域會產(chǎn)生焦耳熱，焦耳熱將會沿著超導帶材左右對稱縱向傳播，從而引起失超傳播。采用通過Labview軟件編程實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄樣品帶材上不同監(jiān)測節(jié)點的電壓信號的變化，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)可以從樣品失超時不同監(jiān)測點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可以用如下公式計算:

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

4 結果與分析

4.1 觸發(fā)能量對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，其對應電壓特性曲線如圖2所示，實驗數(shù)據(jù)分析結果如表2所示。從表2中可以看出，當觸發(fā)能量 E大于 6.0 J分別為6.5、8.0、10.0 J時，失超傳播隨即發(fā)生，測得的樣品帶材失超傳播速度v基本均在0.62 cm/s左右?？梢钥闯?當其它條件一定時，Bi2223/Ag高溫超導帶材失超傳播速度基本保持不變，與觸發(fā)能量大小無關，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。這是因為帶材失超能否傳播主要取決于正常區(qū)域產(chǎn)生的焦耳熱的大小。加熱器只是觸發(fā)一個初始的正常區(qū)域，觸發(fā)時間非常短暫，因此失超傳播速度與觸發(fā)能量無關。

同時，從圖2可以看出，當觸發(fā)能量不大于6.0 J時，Bi2223/Ag樣品帶材在脈沖結束后正常態(tài)區(qū)域立刻開始收縮，并恢復超導態(tài);當觸發(fā)能量增加到6.5 J及以上時，樣品電壓持續(xù)上升，不再恢復，超導帶材失超。由于受脈沖電源精度的限制，無法更精確地逼近真實的最小觸發(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，當傳輸電流為75 A時，最小觸發(fā)能量約為9.0 J。經(jīng)過多次實驗，發(fā)現(xiàn)當工作溫度一定時，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。這是因為當傳輸電流越大，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，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)能量來引起失超和傳播。

4.2 傳輸電流對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，測得帶材失超傳播的電壓特性曲線如圖3所示，實驗數(shù)據(jù)分析結果如表3所示。通過對比圖3(c)—(f)中 V2、V3、V4的變化趨勢可以看出，傳輸電流越大，相鄰的兩個失超電壓曲線的間隔越窄，失超傳播速度越快，同時失超也越提前即失超發(fā)生時間越早。這是因為超導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，因此當工作溫度一定時，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驗結果Table 2 Quench propagation properties of Bi2223/Agtapes at different quench energies

4.3 最小傳輸電流

由上述實驗分析可知:當傳輸電流越小時，其失超傳播速度也逐漸減小。在實驗過程中還發(fā)現(xiàn)，當傳輸電流不大于56 A時，無論加載多大的觸發(fā)能量，樣品帶材都能自行恢復超導態(tài)而無法失超，這說明Bi2223/Ag高溫超導帶材在特定條件下存在一個最小傳輸電流Ip［12］，定義為正常態(tài)區(qū)域的傳播速度v=0時的電流，可以通過失超傳播速度與傳輸電流關系曲線得到見圖4。

從圖4可以看出，這些數(shù)據(jù)點近乎成線性關系，與前文建模分析規(guī)律相一致，其擬合曲線關系式為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(v=0)對應的電流即為最小傳輸電流Ip，其值為48.5 A，與實驗測得的56 A相比有一定的誤差。理論上，當傳輸電流I＜Ip時，觸發(fā)脈沖一旦停止，正常區(qū)域立即開始收縮并恢復超導態(tài)，無法構成失超傳播，如圖3a所示;當傳輸電流I＞Ip時，即使觸發(fā)脈沖停止，局部失超區(qū)域也能繼續(xù)傳播，但是在實際過程中，實驗采用氣冷條件，由于熱擾動的存在，當傳輸電流I稍高于Ip時，Bi2223/Ag帶材有可能仍會自行恢復，如圖3b所示;只有當有足夠的能量支持熱擾動，失超才會傳播，如圖3c所示。因此，在氣冷式液氮冷卻(～80 K)環(huán)境下實驗測得的最小傳輸電流應該和理論值存在偏差。

圖3 不同傳輸電流下Bi2223/Ag超導帶材電壓特性曲線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驗結果Table 3 Quench propagation properties of Bi2223/Ag tapes at different carrying currents

5 小結

對一代高溫超導Bi2223/Ag帶材在自場、氣冷式液氮冷卻環(huán)境下的失超傳播特性進行了實驗研究，研究結果表明:

(1)Bi2223/Ag高溫超導帶材在不同觸發(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，觸發(fā)能量越大，Bi2223/Ag高溫超導帶材失超出現(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)能量大小無關。

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

(3)不同傳輸電流條件下，Bi2223/Ag高溫超導帶材失超時的最小觸發(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，傳輸電流越大，帶材失超越早，其失超傳播速度也越快。

(4)實驗證明，Bi2223/Ag高溫超導帶材存在最小傳輸電流48.5 A，實測結果為56 A，在傳輸電流較小時，帶材局部失超后會很快恢復超導態(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

國家自然科學基金(51177163)和國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃專項基金(2011GB112004)。

瞿青云，女，24歲，碩士研究生。