外界磁场对两种YBCO超导带材临界电流及n值影响分析

陈 鑫 诸嘉慧 周卓楠 丘 明

（中国电力科学研究院 北京 100192）

1 引言

超导体与一般常规导体相比，具有损失小，电流密度高等优点，期望被广泛应用在电力送电电缆、变压器、限流器等交流电力设备。特别是第2代钇钡铜氧（Yttrium Barium Copper Oxygen，YBCO）高温超导带材与第1代BSCCO高温超导带材相比具有一系列的明显优势：物理特性上电流密度更高，超导电性各向异性比较弱，可以在液氮温区和较高磁场下获得更好的载流能力[1]，更重要的是其理论成本远低于第1代，能够大规模的应用于电力系统。

因为YBCO超导带材采用了各向异性结晶的结构，现在YBCO高温超导带材多为带状或者薄膜形状。当高温超导带材通过交流电流时，交流电流所产生的自身磁场由于超导体本身的各向异性结构及非线性磁通侵入等原因变得非常复杂[2]。因此，关于第2代高温超导带材的交流损耗还没有确立明确的评价方法。临界电流特性是衡量超导带材特性的重要参数之一[3]，但是只应用临界电流特性并不能够精确的计算交流损耗。近年研究的高温超导带材的交流损耗解析模型中，已经有一些能够比较精确的体现超导带材的伏安特性曲线的n值模型公式[4-6]。为了能够精确掌握YBCO高温超导带材在各种不同磁场环境下的临界电流及n值特性，本文应用自主开发的临界电流测试系统，测量了两种YBCO高温超导带材在直流与交流外界背景磁场环境下的临界电流及n值。特别是在交流外界磁场环境下的测量，为研究高温超导电缆的交流损耗特性打下了基础。

2 实验系统设计

2.1 实验原理及装置

高温超导带材临界电流测试实验原理如图1所示[7]。为了测量得到不同磁场下带材的临界电流大小，需要将超导带材放置在具有均匀磁场强度的背景磁场环境中。背景磁场由交直流磁体产生，由于铁心磁导率是空气的万倍以上，交直流磁体产生的磁通大部分经过铁心从而能够在空气隙中形成一个均匀的磁场区域，这样便获得了一个稳定的外界磁场。

图1 带材临界电流测试系统集成图Fig.1 Critical current test system integration

图2是带空气隙铁心的背景磁场磁体的正视剖面图。通过背景磁场磁体电流引线给外界磁场磁体的线圈通入不同交直流电流，得到不同磁感应强度的背景磁场。同时，在超导带材中间位置还放置了磁场霍尔探头以测量空气隙中心区域的磁感应强度。超导带材样本架垂直穿过背景磁场磁体铁心空气隙，其上部通过旋转杆接出到低温杜瓦盖外部，连接一个带有角度刻度的旋转把手，通过旋转把手能够控制超导带材样本的旋转角度，等效于控制背景磁场的方向。当超导带材平行于空气隙放置时，磁场方向垂直于超导带材表面，当超导带材被旋转过一个角度后，磁场方向与超导带材的夹角可以通过位置几何关系得到。因此，通过旋转把手带动样本架在0～90°范围内旋转，能得到不同方向的背景磁场。将液氮装入低温杜瓦，用一台真空机组实现低温杜瓦内温度从77K逐渐降低的变化。当温度达到最低点后，还可以继续应用GM制冷机使杜瓦内液氮的温度进一步降低，使高温超导带材临界电流的测试温度具有较宽的温度区间，能够较好地达到预期值。在本文中只介绍77K时的测量结果。到达超导带材测试温度区间后，直流超导电源通过超导带材电流引线为超导带材加载流。在超导带材表面上按一定距离安放2～3组测量接头以测量电压信号。当通过超导带材的电流超过一定的数值后，测量的电压值升高，超导态被破坏，转为正常态。当测量的电压值达到1μV/cm时，通过超导带材的电流值即为该超导带材的临界电流。从而测得超导带材的临界电流，并通过数据分析得到其n值。

图2 外界背景磁场装置剖面图Fig.2 The section plane of magnet

2.2 被测超导带材参数

本文中作为被测样品的两种超导带材具体参数如下表所示。从该表可以看出两种超导带材的宽度基本一致，大约为4mm左右；而带材厚度差别较大，这主要是由两种带材的稳定化层的厚度决定的；两种带材在77K，不加外界磁场时的临界电流及n值如表所示，带材Ⅰ要略大于带材Ⅱ。

表 待测YBCO高温超导带材参数Tab.Specifications of the YBCO high temperature superconducting tapes

3 实验结果分析

应用本文提出的测量方法和装置对两种YBCO高温超导带材在外加磁场强度和磁场方向变化等因素共同影响下的Ic进行了测量。并针对每次实验获得的伏安特性曲线，应用式（1）得到跟临界电流对应的n值。根据高温超导带材临界电流附近（本文取0.1～1.5μV/cm）的伏安特性，用经验式（1）推导出n值计算式（2）

式中，l是电压引线之间的带材长度；Ic是临界电流；Ec是高温超导带材的失超判据（μV/cm）。

图3是不加外界磁场情况下一次临界电流测试结果，图中实线为实验得出的伏安特性曲线，虚线为得到n值后根据式（1）计算得出的伏安特性曲线。可以看出两条曲线具有很好的吻合度，由此可知，n值模型公式能够很好的模拟出超导带材的伏安特性。

图3 超导带材的伏安特性曲线Fig.3 V-I curve of the superconducting tape

3.1 超导带材Ⅰ的实验数据与分析

YBCO高温超导带材Ⅰ在直流外界磁场下的实验结果如图4所示。从该图可以看出超导带材Ⅰ的Ic及n值都随外界磁场强度的增大而减小，并且减小趋势在磁场强度相对较小时要大于磁场强度相对较大时。虽然图4b中的n值曲线存在交叉的现象，这是由测量精度以及n值本身的不确定性所引起的，并不影响对整体变化趋势的判断。式（3）是带材表面与磁场夹角为90°时Ic随磁场强度变化的二项式拟合公式。式中，y为临界电流（A），x为磁感应强度（T），下文中出现的拟合公式各参数意义与此相同。

Ic及n值随带材与直流外界磁场夹角的变化很小，由此可以看出直流外界磁场夹角的变化对该超导带材的稳定性影响很小。

图4 直流外界磁场下超导带材Ⅰ的测量结果Fig.4 Experimental results of superconducting tape Ⅰin DC background magnetic field

YBCO高温超导带材Ⅰ在交流外界磁场下的实验结果如图5所示。从图5a可以看出超导带材Ⅰ的Ic及n值都随外界磁场强度的增大而减小，并且减小趋势在磁场强度相对较小时要略大于磁场强度相对较大时。另外在交流背景磁场强度接近0.03T，磁场与带材表面的夹角为0°时，超导带材的Ic将趋近于0A，这表示超导带材Ⅰ的临界磁场强度相对较小。式（4）是带材表面与磁场夹角为0°时临界电流随磁场强度变化的二项式拟合公式。

图5 交流外界磁场下超导带材Ⅰ的测量结果Fig.5 Experimental results of superconducting tapeⅠin AC background magnetic field

从图5b可以看出Ic及n值随带材表面与磁场夹角的变化很大，并且随夹角的变大而变大。这跟直流外界磁场条件下的结果呈现相反趋势，并与本文3.2节的超导带材Ⅱ的结果相反。这种结果可能是由于不同厂家的加工工艺所导致的，需要进一步的研究。

3.2 超导带材Ⅱ的实验数据与分析

YBCO高温超导带材Ⅱ在直流外界磁场下的实验结果如图6所示。从该图可以看出超导带材Ⅱ的Ic及n值都随外界磁场强度的增大而减小，并且减小趋势在磁场强度相对较小时要大于磁场强度相对较大时。式（5）是带材表面与磁场夹角为90°时Ic随磁场强度变化的二项式拟合公式。

图6 直流外界磁场下超导带材Ⅱ的测量结果Fig.6 Experimental results of superconducting tapeⅡin DC background magnetic field

Ic及n值随带材表面与磁场夹角的增大而减小，并且减小趋势在夹角相对较小时要大于夹角相对较大时。由此可以看出带材与直流外界磁场夹角的变化对该超导带材的稳定性影响较大。

YBCO高温超导带材Ⅱ在交流外界磁场下的实验结果如图7所示。从图7a可以看出超导带材Ⅱ的Ic及n值都随外界磁场强度的增大而减小，并且减小趋势在磁场强度相对较小时要略大于磁场强度相对较大时。另外在交流背景磁场强度接近0.05T，磁场与带材表面的夹角为0°时，超导带材的Ic大约为60A，这表示超导带材Ⅱ的临界磁场强度要大于超导带材Ⅰ。式（6）是带材表面与磁场夹角为0°时Ic随磁场强度变化的二项式拟合公式。

从图7b可以看出Ic及n值随带材表面与磁场夹角的变化很大，并且随夹角的变大而变小。这跟直流外界磁场条件下的结果一致，由此可以看出带材与交流外界磁场夹角的变化对该超导带材的稳定性影响较大。

图7 交流外界磁场下超导带材Ⅱ的测量结果Fig.7 Experimental results of superconducting tapeⅡin AC background magnetic field

4 结论

（1）两种YBCO高温超导带材的Ic及n值都随外界磁场强度的增大而减小，并且在磁场强度较小时的减小幅度要大于在磁场强度相对较大时的减小幅度。

（2）带材表面与磁场的夹角对超导带材Ⅰ特性的影响要小于超导带材Ⅱ。

（3）交流外界磁场强度对临界电流特性的影响要大于直流外界磁场，并且在交流外界磁场与带材表面夹角为0°时超导带材Ⅱ的临界磁场要大于超导带材Ⅰ，另外在交流外界磁场下超导带材I的Ic和n值随带材表面与磁场夹角的变化趋势与带材II的相反。

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