二次耦合方法的高溫超導諧振器弱耦合設計

2011年1月15日,特變電工股份有限公司召開高溫超導電力變壓器新產品發(fā)布會:由中國科學院電工研究所、特變電工合作研制的我國第一臺擁有自主知識產權的高溫超導電力變壓器順利研制成功。這也是世界上繼瑞士abb后,第二臺掛網運行的三相高溫超導變壓器,也是全球首臺采用非晶合金鐵心的高溫超導變壓器。本產品的研制成功,將加快我國超導電力技術的應用步伐,標志著我國在高溫超導

提出了一種新型加載插指電容的u型階躍阻抗諧振器,該諧振器可用于實現(xiàn)高溫超導帶通濾波器的寬阻帶抑制。利用所提出的新型諧振器結構,設計并制作了一個4節(jié)切比雪夫型高溫超導帶通濾波器。濾波器中心頻率為1026mhz,帶寬12.6mhz,第一諧頻頻率5121mhz,第一諧頻與基頻的比值為4.92,阻帶抑制度優(yōu)于60db。

cicc超導導體性能測試用50ka超導變壓器由初級線圈和次級線圈組成,初級線圈浸泡在4.2k液氦低溫杜瓦中,次級線圈為cicc導體采用4.2k/354637pa超臨界氦迫流冷卻,液氦和超臨界氦均由500w/4.5k制冷機提供,變壓器低溫杜瓦的理論液氦蒸發(fā)率為1.52l/h。為減少電流引線漏熱,超導變壓器采用bi-2223/agau高溫超導(hts)二元電流引線,并且在頸管中部設計了一個新型的直接用液氮冷卻的熱截流裝置來截斷電流引線高溫端的熱流;最后對銅電流引線部分進行了尺寸優(yōu)化計算,得到最佳截面積和直徑分別為28mm2和6mm。

采用脈沖激光沉積法(pld)在10x10mm2的srtio3雙晶基片上制備了純c取向的高溫超導ybco薄膜,薄膜表面平整,雜相顆粒少,在20μm尺度范圍內,起伏在幾個nm之內。通過標準光刻和離子束刻蝕工藝制備出了高溫超導墊圈型雙晶結dcsquid磁強計。測試結果表明:磁強計有效面積達009mm2,在沒有超導屏蔽的環(huán)境下,磁強計白噪聲區(qū)磁場噪聲達到333ft/hz1/2。

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近年來,隨著高溫超導材料的發(fā)展,特別是在銅氧化物高溫超導材料方面的研究進展,使得自旋玻璃態(tài)逐漸成為科學家研究的一個方向。自旋玻璃是一種非晶態(tài)磁性材料,對它的研究具有極大的科學意義和不可估量的潛在應用價值,自旋玻璃的應用非常廣泛,在絕大多數(shù)科研項目中都發(fā)揮了極其重要的作用,高溫超導就是其應用之一。該文從自旋玻璃態(tài)的一系列現(xiàn)象出發(fā),研究分析了最近幾年來科學家們對自旋玻璃態(tài)的研究成果。

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富通集團天津超導技術應用公司高溫超導電纜項目，日前正式啟動運行。該項目將在天津建設國內第一條二代釔系高溫超導電纜傳輸示范線，以加快推進超導線材和超導電纜的實用化進程。富通超導公司擁有全球領先、全國唯一的超導電纜生產線及檢測設備，主要研究方向為高溫超導基帶，并研制建設全球最長的高溫超導電纜應用試驗線。

制造高溫超導電線電纜的可能方法

根據iter電流引線的要求,設計和試驗了分別由全鈹銅(be2%cu)、全不銹鋼(ss)和二元金屬(becu/ss)三種不同類型分流器制作的68ka電流引線的1/90試件。研究了超導段各組件的性能,詳細討論了失冷故障實驗結果。結果表明,對比全鈹銅和全不銹鋼分流器,二元分流器制作的超導模件更能夠提高安全性以及減小冷端漏熱,滿足iter高安全性和低熱負荷的要求。

低溫絕緣高溫超導電力電纜

6m長、2000a的鉍系高溫超導直流電纜在中國科學院電工研究所研制并試驗成功.電纜的導體由8層共238根bi-2223ag帶材在不銹鋼波紋管骨架上螺旋繞制而成,導體的內徑為415mm,導體層間絕緣,導體層外側有低溫電絕緣.電纜芯的外徑為48mm,它安裝在低溫容器內,并與兩個終端相連.電纜的直流耐壓大于25kv.在液氮下的實驗表明,電纜的臨界電流為2480a(1μvcm判據),n值為77,接頭總電阻為01μω,均超過設計指標.在1h傳輸2ka電流的運行中,電纜的傳輸特性穩(wěn)定.經4次熱循環(huán),電纜的臨界電流沒有降低.

電流引線是室溫電源電纜與低溫磁體之間的電連接部件.高溫超導材料在液氮溫度下具有零電阻率和低熱導率的特性,用它做成的電流引線可以大大減小低溫系統(tǒng)的熱負荷,從而減少制冷設備投資及系統(tǒng)運行費.高溫超導電流引線可以分為阻性換熱器段和高溫超導段兩部分(其中還包括各部件間的連接部分).高溫超導段的分流器設計關系到冷端熱負荷大小以及超導段失超后的安全問題.為了研究國際熱核聚變試驗堆(iter)電流引線高安全性能,專門設計、試驗了68ka引線的1/90實驗樣品.本文通過對比全cube(cu-2%be)分流器、全不銹鋼分流器和二元分流器的失冷故障(lofa)實驗結果,證明二元分流器能夠克服安全性和冷端漏熱矛盾,可以滿足iter高安全性的要求.

磁懸浮列車由于無接觸、無摩擦、高速運行的特點,成為軌道交通領域的研究熱點。以液氮為制冷劑的高溫超導體具有完全抗磁性和磁通釘扎特性,將高溫超導體應用于磁懸浮列車,可以形成懸浮高度和左右導向無需控制的自穩(wěn)定系統(tǒng)。對于超導磁懸浮列車而言,懸浮性能是其運行的關鍵參數(shù)。因此,重點介紹了超導磁懸浮系統(tǒng)懸浮力的研究進展以及超導磁懸浮列車在國內外應用研究,并對其發(fā)展進行了展望。

大電流高溫超導電線材料

磁懸浮列車由于無接觸、無摩擦、高速運行的特點,成為軌道交通領域的研究熱點.以液氮為制冷劑的高溫超導體具有完全抗磁性和磁通釘扎特性,將高溫超導體應用于磁懸浮列車,可以形成懸浮高度和左右導向無需控制的自穩(wěn)定系統(tǒng).對于超導磁懸浮列車而言,懸浮性能是其運行的關鍵參數(shù).因此,重點介紹了超導磁懸浮系統(tǒng)懸浮力的研究進展以及超導磁懸浮列車在國內外應用研究,并對其發(fā)展進行了展望.

力矩管是高溫超導電機中的一個重要部件,起著絕熱、支撐轉子及傳遞轉矩等多項重要作用.由于超導線材工作在深低溫環(huán)境,處于低溫與常溫之間的力矩管是高溫超導電機的主要傳導漏熱源之一,它的漏熱量直接影響了配套制冷機的制冷功率,進而影響到電機系統(tǒng)的總體效率.因此,進行力矩管的漏熱分析尤顯重要.文中應用測試儀對力矩管復合材料的導熱系數(shù)進行了測試,對其漏熱分別進行了理論計算、有限元分析及低溫測試.漏熱分析及試驗結果表明:該力矩管方案滿足高溫超導電機總體性能要求,同時該計算方法同樣適用于其他類似應用場合的力矩管設計.

直流輸電中線路上的紋波電流會在輸電過程中產生交流損耗,考慮到這一點,提出了一種可以用于雙極直流輸電系統(tǒng)的冷絕緣高溫超導直流電纜導體的設計原則。實際設計了一個運行電流為3ka的模型,并與按照均流設計的冷絕緣高溫直流電纜的在不同紋波電流幅值下交流損耗做了對比。發(fā)現(xiàn)這種設計原則下,從運行損耗,節(jié)省空間和對環(huán)境的影響方面,相對于常規(guī)的直流電纜有著不可比擬的優(yōu)勢。

為了降低運行費用,正在建設中的中國科學院強磁場科學中心穩(wěn)態(tài)混合磁體的電流引線采用高溫超導電流引線。依據一種較為精確計算電流引線的方法,從傳熱學中的特征關聯(lián)式出發(fā),初步計算出了穩(wěn)態(tài)混合磁體15ka高溫超導電流引線的基本尺寸與漏熱。高溫超導電流引線的常溫段采用板式換熱器的結構形式,增大了對流換熱面積;超導段的保護體采用不銹鋼,降低了對液氦熱沉的熱負荷。

為了更好地研究高溫超導電纜在電力系統(tǒng)中的暫態(tài)過程,有必要研究高溫超導電纜溫升情況。從高溫超導電纜的結構出發(fā),分析了高溫超導電纜的溫度特性,建立了故障狀態(tài)下高溫超導電纜溫度分布的數(shù)學計算模型,并通過matlab仿真軟件對220kv高溫超導電纜模型進行了仿真計算。結果表明高溫超導電纜超導層與屏蔽層溫度在系統(tǒng)發(fā)生三相短路時瞬間增大,但隨著故障的解除而減小;超導層與屏蔽層電阻在瞬間增大之后會隨溫度的增大而增大。結果驗證了所提出的電纜溫度數(shù)學模型的可行性。

高溫超導電纜在電力系統(tǒng)中運行是發(fā)展趨勢,若超導電纜本身故障或電力系統(tǒng)故障時都會對其產生重要影響。文中在理論分析低溫絕緣的高溫超導電纜在短路故障情況下屏蔽層電流與導體層電流相位、幅值的關系基礎上,提出了針對低溫絕的緣高溫超導電纜的失超檢測新方法——基于幅值差值檢測和相位差值變化率檢測,并通過仿真軟件pscad/emtdc分析了電力系統(tǒng)發(fā)生各種短路故障時高溫超導電纜的失超特性,從而驗證了這兩種檢測方法的可行性。

冷絕緣高溫超導電纜的導電層一般設計為多層結構以滿足大電流載流特性,但伴隨層數(shù)的增加,超導體上的集膚效應會引起電纜輸電導體各層電流分布不均勻的問題,從而造成電纜損耗增加和傳輸性能下降。采用基于動態(tài)慣性權重因子的粒子群優(yōu)化算法,提出了電纜導體層電流層間均流優(yōu)化的設計方法。應用第2代高溫超導材料釔鋇銅氧涂層導體,通過建立超導電纜的等效電路模型,考慮電場、磁場等約束因素,對一根1km長,110kv/3ka等級的冷絕緣高溫超導電纜進行優(yōu)化設計,獲得了電纜本體結構參數(shù)及輸電導體層和屏蔽層的電流分布。比較優(yōu)化前后層電流的結果可知,優(yōu)化后超導電纜各導體層電流與平均電流相比最大不平衡率小于3.5%,各屏蔽層電流達到均布,較好地實現(xiàn)了電纜各導體層電流均勻分布的優(yōu)化目標。最后,超導模型樣纜載流特性實驗也驗證了優(yōu)化設計方法的有效性。