黑穎頓，周興梅，陳偉

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217）

0 前言

在包括大型超導(dǎo)磁體在內(nèi)的電氣設(shè)備中，由于超導(dǎo)體無電阻、低損耗、低導(dǎo)熱等特點，高溫超導(dǎo)（HTS）技術(shù)被逐漸應(yīng)用于電流引線研制中，將室溫下的電源與低溫下的超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電流引線的結(jié)構(gòu)

作為二元電流引線，高溫超導(dǎo)電流引線由傳統(tǒng)的金屬模塊、高溫超導(dǎo)模塊和超導(dǎo)接頭組成。在結(jié)構(gòu)上，金屬模塊主要由銅質(zhì)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(dǎo)組件主要由Bi-2223 超導(dǎo)帶和黃銅分流器或SS 分流器組成。在金屬模塊和高溫超導(dǎo)模塊之間，采用銅散熱片來限制高溫超導(dǎo)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(dāng)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(dāng)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(yīng)優(yōu)化金屬電流引線的長徑比和換熱結(jié)構(gòu)。例如，為了充分提高氣體冷卻介質(zhì)的流動阻力，采用了螺旋結(jié)構(gòu)或翅片結(jié)構(gòu)。高溫超導(dǎo)電流引線的設(shè)計問題如下：

1）載流能力；

2）金屬模塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化；

3）散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化；

4）絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化；

5）關(guān)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(dǎo)體。對于高溫超導(dǎo)電流引線，由于銅、不銹鋼、高溫超導(dǎo)材料和絕緣材料的熱膨脹系數(shù)不同，降低絕緣熱應(yīng)力的問題應(yīng)引起重視。

圖1 高溫超導(dǎo)電流引線冷卻方式1

圖2 高溫超導(dǎo)電流引線冷卻方式2

2 高溫超導(dǎo)電流引線材料

2.1 絕熱低溫液體

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

液氮和液氦是兩種當(dāng)下具有優(yōu)良介電性能的絕緣低溫液體。在超導(dǎo)器件中，液氮、液氦、冷氮氣和冷氦氣同時作為冷卻介質(zhì)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(dǎo)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(dǎo)電流引線，金屬模塊的熱負(fù)荷主要由焦耳熱和傳導(dǎo)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(shù)

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(dǎo)磁體高溫超導(dǎo)電流引線中起著重要作用。根據(jù)公式（1），當(dāng)超導(dǎo)磁體失超時，施加在高溫超導(dǎo)電流引線上的電勢是相當(dāng)大的。

式中：L—超導(dǎo)線圈電感；-當(dāng)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(dǎo)電流引線進行絕緣。

2.3 導(dǎo)電材料

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

如圖3 所示，用于電流引線的材料的熱導(dǎo)率的差異很明顯。黃銅的導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)模塊的分流管。高溫超導(dǎo)帶材的等效熱導(dǎo)率可用高溫超導(dǎo)帶材和金屬基體的熱導(dǎo)率計算。

圖3 電流引線材料的熱導(dǎo)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(shù)，表示導(dǎo)熱系數(shù)λ(T)和電阻率ρ(T)的代數(shù)乘積與溫度T 成正比。然而，為了使高溫超導(dǎo)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(nèi)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(zhì)量流量；mi—冷氮氣的質(zhì)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(shù)。

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

4 高溫超導(dǎo)模塊

4.1 熱特性

當(dāng)處于超導(dǎo)狀態(tài)時，高溫超導(dǎo)的電阻為零。當(dāng)超導(dǎo)磁體為直流時，如果不考慮模塊兩端的連接電阻，就不會產(chǎn)生焦耳熱，因此模塊采用了傳導(dǎo)冷卻的方法來進行冷卻。高溫超導(dǎo)組件的熱導(dǎo)率復(fù)合材料和電阻率復(fù)合材料取決于各組件的體積比，可按并聯(lián)結(jié)構(gòu)計算，如式（6）和式（7）所示。

導(dǎo)熱冷卻高溫超導(dǎo)電流引線的熱泄漏量可按式（8）計算：

其中，i—高溫超導(dǎo)電流引線各部件的標(biāo)志；

Je—高溫超導(dǎo)臨界電流密度（A/m2）；

X—高溫超導(dǎo)帶的長度；

Tc，Tw—高溫超導(dǎo)帶的低溫端和高溫端溫度（K）；

Q—高溫超導(dǎo)電流引線末端的熱泄漏。

為了計算高溫超導(dǎo)電流引線的燒毀時間，假設(shè)條件如下：

1）高溫超導(dǎo)電流引線的初始狀態(tài)為超導(dǎo)狀態(tài)，高溫超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電流引線的燒毀時間如式（10）所示：

式中，γ—超導(dǎo)材料的密度；C—超導(dǎo)材料的比熱；ρ—超導(dǎo)材料的電阻率。

實際上，由于忽略了熱傳導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)磁體的熱泄漏，高溫超導(dǎo)組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)以獲得較低的導(dǎo)熱系數(shù)和足夠的載流能力為目標(biāo)。為了保護高溫超導(dǎo)組件在失冷過程中的安全，并聯(lián)電路的結(jié)構(gòu)設(shè)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(dǎo)帶材載流能力的影響，將高溫超導(dǎo)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(jù)右手法則，如果將高溫超導(dǎo)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(cè)面施加的垂直磁場很強，但對高溫超導(dǎo)帶材的載流能力影響不大。然而，當(dāng)高溫超導(dǎo)電流引線靠近超導(dǎo)磁體時，外加磁場會導(dǎo)致其載流能力下降。因此，大型超導(dǎo)磁體的高溫超導(dǎo)電流引線應(yīng)遠離超導(dǎo)磁體。

5 高溫超導(dǎo)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(dǎo)電流引線的熱泄漏遠遠低于熱傳導(dǎo)。作為一種絕緣結(jié)構(gòu)元件，溫度梯度會產(chǎn)生熱應(yīng)力，另外，當(dāng)超導(dǎo)磁體發(fā)生失超時，產(chǎn)生的高壓會對絕緣產(chǎn)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(dǎo)磁體的16 kA 高溫超導(dǎo)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(nèi)低壓的氦氣體很容易導(dǎo)致帕申放電。為了避免電擊穿，高溫超導(dǎo)電流引線和低溫恒溫器之間的距離應(yīng)足夠大。當(dāng)超導(dǎo)磁體的產(chǎn)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(shù)：1；

2）G10 絕緣相對介電常數(shù)：3；

3）氦氣的相對介電常數(shù)：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(nèi)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(nèi)）和G10 絕緣段的峰值電場強度為433.66 V/mm和384.04 V/mm。根據(jù)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(dǎo)電流引線的介電強度足夠。

圖8 電場強度等值線圖結(jié)果

6 結(jié)束語

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

2）高溫超導(dǎo)引線的載流能力、熱穩(wěn)定性和電氣強度是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題。特別是高溫超導(dǎo)模塊的絕緣設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)引起重視。