Bi2223/Ag高温超导带材失超传播特性研究

瞿青云 刘华军 陈敬林 武 玉 刘 勃 吴亚楠

(中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031)

Bi2223/Ag高温超导带材失超传播特性研究

瞿青云 刘华军 陈敬林 武 玉 刘 勃 吴亚楠

(中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031)

对高温超导Bi2223/Ag带材在自场、气冷环境条件下的失超传播速度进行了实验研究，并比较分析了不同传输电流条件下带材失超的最小触发能量。实验结果表明:Bi2223/Ag高温超导带材的失超传播速度范围在0.1—0.6 cm/s，其失超传播速度与传输电流大小有关，与触发能量无关，带材载流越大，失超传播越快;存在最小传输电流48.5 A，带材失超传播在该电流值以下被截止。

高温超导 失超传播速度 触发能量 最小传输电流

1 引言

近年来，由于高温超导材料研究上取得了较大的进展，其制备技术不断提高，性能也越来越优异，给以其为基础制造的电力设备带来了广泛的应用前景。尤其随着Bi2223/Ag［1］高温超导带材商业化生产的实现，其在电力等方面的应用也越来越广泛。但是，超导电力装置在系统中并网运行时可能会遇到各种突发故障，如系统短路故障等。在故障发生时，超导材料将承受短路大电流、不平衡电流的冲击以及由此而产生的电磁、机械应力及热量的作用。超导电力装置有可能因过大的短路电流或电磁机械应力的作用等原因而失超。超导装置的失超，不仅会改变超导电力装置的电气参数，对系统的安全、稳定及经济运行也将产生一定的影响［2］。因此，超导运行稳定性是高温超导体在实用化过程中必须要面临的关键问题。只有充分了解高温超导体的失超传播特性，才能采取合适的保护措施，避免因局部失超而造成整个超导装置的破坏，从根本上提高和改善高温超导体的稳定性，进而保护超导装置。

表征超导带材失超传播特性的主要参数有最小触发能量 MQE(Minimum Quench Energy)［3］和失超传播速度NZPV(Normal Zone Propagation Velocity)［4］。最小触发能量是引起超导体失超所需要的小范围短时内的最小触发能量脉冲，它是衡量超导带材抗热扰动能力的重要参数;而失超传播速度则是在焦耳热的驱动下，超导体正常区域的传播速度。

本文主要针对目前处于应用阶段的一代高温超导Bi2223/Ag带材，在气冷环境下(～80 K)，通过实验测量了其失超过程中的电压变化曲线，研究Bi2223/Ag超导带材的失超传播特性，为其在实用超导电力装置中的稳定应用及其失超保护提供参考依据。

2 数学计算模型

考虑到边界条件及起始温度分布对高温超导带材失超传播的影响，在下述假设条件下建立其数学计算模型:(1)整根Bi2223/Ag超导带材除两端外均绝热，两端恒温;(2)高温超导带材只受到自场的作用;(3)高温超导带材横截面上无温差;(4)忽略纵向传播，认为正常区只沿带材轴向传播;(5)正常区域以恒定速度v移动，并引入移动坐标ξ=x-vt。考虑到对称性，仅对带材右半部分的失超传播进行建模。由此，则可以利用计算一维热流方程模拟出Bi2223/Ag高温超导带材的失超传播特性［5-7］，其方程表达式如下:

式中:k(T)为带材的热导率，W/(m·K);C(T)为带材比热，J/(kg·K)，随温度T变化而变化;Q(T)为焦耳热，J;G为加载的触发能量，J;W(T)为单位体积液氮冷气带走的热量，J。

由于超导带材从超导态向正常态转变过程中要经历以下分流过程:当T＜Tcs(分流温度)时，电流全部流经超导层;当Tcs≤T＜Tc时即分流区域，一部分电流流经超导层，一部分流经银基底，且随着温度的逐渐升高，超导层电流逐渐减小，基底电流逐渐增大;当温度T≥Tc时，电流几乎全部流经银基底。因此，Q(T)表达式如下(ρAg是银的电阻率):

假设热参数与温度无关，仅仅只在银基底产生焦耳热，即Q=ρAgJ2，则失超时正常区域传播速度可以表示为［8］:

式中:ρm为材料密度，kg/m;ρAg为电阻率，Ω·m;J为流过银基底的电流密度，A/m2。从式(3)中可以看出，失超传播速度与加载的触发能量无关，与传输电流及材料参数有关。同时，若材料一定，参数等为定值，其失超传播速度与传输电流成线性关系。

3 实验

3.1 实验样品与装置

实验所用样品为日本生产的高温超导Bi2223/Ag带材。为了更好地模拟样品工作在高温超导电力装置内部的绝热环境，对实验样品做如下处理:由于超导体局部失超后向两侧对称传播，因此在样品中央采用直径为0.2 mm规格的锰铜漆包线(电阻15.31 Ω/m)绕制一个用于实验时触发能量的脉冲热扰动加热器，为消除加热器自感，采用双绕线法。然后将绕好的样品用低温环氧胶密封固定。实验带材样品具体参数见表1，表中Ic为带材临界电流。

表1 高温超导Bi2223/Ag带材实验样品参数Table 1 Specifications of test samples of Bi2223/Ag tapes

采用四引线法［9］连接实验电路，其测量原理图如图1所示。实验用Bi2223/Ag超导带材样品全长300 mm，距离加热器30 mm处在样品表面焊电压引线(V1-V4)和热电偶(铜-康铜热电偶［10］，T1-T4)，电压引线间距离为20 mm，热电偶位于相邻两根电压引线中间。电压引线及热电偶与样品表面的焊接焊点要尽可能小，为避免噪音干扰，将相邻电压测量引线合拢扭绞。同时，制样和焊接过程要十分小心，避免样品带材因任何损伤而使性能受损。

图1 四引线法测量失超传播速度实验原理图Fig.1 Experimental scheme of quench propagation velocity through four leads measurement

3.2 实验测量方法

实验时将样品带材两端分别固定在焊有电流引线的两个铜块上，以保持良好电接触。将实验装置放置在液氮屏蔽保护的冷气室中，经过一定的冷却时间，样品带材达到实验所需稳定温度(～80 K)时，用直流电源给样品供电，并保持传输电流I在某一常数(应小于临界电流)。利用电容向加热器提供脉冲电流，即给加热器一个能量脉冲E来模拟一个热扰动，从而使超导带材在加热器附近出现正常态(即局部失超)。由于超导带材持续通传输电流，该段正常区域会产生焦耳热，焦耳热将会沿着超导带材左右对称纵向传播，从而引起失超传播。采用通过Labview软件编程实现的数据采集系统记录样品带材上不同监测节点的电压信号的变化，即可确定带材的失超传播特性。最小触发能量(MQE)即是使样品失超的最小脉冲能量;而失超传播速度(NZPV)可以从样品失超时不同监测点电压变化曲线中获得。由于电压轨迹几乎是线性的，因此正常态区域的传播速度v可以用如下公式计算:

式中:l为相邻两根电压引线的距离，本实验中为2 cm;Δt为相邻两个电压信号轨迹达到某同一失超电压时的时间间隔。目前失超电压值没有统一的标准，只要两个电压轨迹己经按照同样的斜率上升并且明显已达到失超即可［11］。

4 结果与分析

4.1 触发能量对失超传播速度的影响

在相同的传输电流(94 A)且温度基本不变(～80 K)的条件下，给样品带材分别加载6.0、6.5、8.0、10.0 J的触发能量，其对应电压特性曲线如图2所示，实验数据分析结果如表2所示。从表2中可以看出，当触发能量 E大于 6.0 J分别为6.5、8.0、10.0 J时，失超传播随即发生，测得的样品带材失超传播速度v基本均在0.62 cm/s左右。可以看出:当其它条件一定时，Bi2223/Ag高温超导带材失超传播速度基本保持不变，与触发能量大小无关，触发能量只是决定带材失超是否能传播，触发能量越大，高温超导带材两端越早出现电压，带材失超越早，且失超传播越容易发生。这是因为带材失超能否传播主要取决于正常区域产生的焦耳热的大小。加热器只是触发一个初始的正常区域，触发时间非常短暂，因此失超传播速度与触发能量无关。

同时，从图2可以看出，当触发能量不大于6.0 J时，Bi2223/Ag样品带材在脉冲结束后正常态区域立刻开始收缩，并恢复超导态;当触发能量增加到6.5 J及以上时，样品电压持续上升，不再恢复，超导带材失超。由于受脉冲电源精度的限制，无法更精确地逼近真实的最小触发能量，因此近似取其在94 A电流下的最小触发能量为上述两种状态触发能量的平均值约6.25 J。同样，当传输电流为75 A时，最小触发能量约为9.0 J。经过多次实验，发现当工作温度一定时，不同传输电流，Bi2223/Ag带材失超的最小触发能量也不同，传输电流增大，最小触发能量随之减小。这是因为当传输电流越大，失超后正常区域产生的焦耳热越大，热累积越多，从而更容易向两端传播;同时，由于温度升高，带材的临界电流要下降，因此传输电流较大时更容易引起正常区域的出现。反之，则需要更多的触发能量来引起失超和传播。

4.2 传输电流对失超传播速度的影响

使样品带材工作在稳定温度条件(～80 K)下，给样品分别施加不同的传输电流 38、56、58、65、75、94 A，测得带材失超传播的电压特性曲线如图3所示，实验数据分析结果如表3所示。通过对比图3(c)—(f)中 V2、V3、V4的变化趋势可以看出，传输电流越大，相邻的两个失超电压曲线的间隔越窄，失超传播速度越快，同时失超也越提前即失超发生时间越早。这是因为超导带材的失超传播速度受带材失超产生的正常态区域所产生的焦耳热影响，而正常区域产生的焦耳热与带材上传输电流的平方成正比，因此当工作温度一定时，传输电流越大，正常态区域热量产生越大，累积越快，失超更容易，失超传播速度也越快。

图2 传输电流为94 A、不同触发能量下Bi2223/Ag超导带材电压特性曲线Fig.2 Voltage curves of Bi2223/Ag tapes at 94 A carrying current and different quench energy

表2 Bi2223/Ag带材不同触发能量下的失超传播特性实验结果Table 2 Quench propagation properties of Bi2223/Agtapes at different quench energies

4.3 最小传输电流

由上述实验分析可知:当传输电流越小时，其失超传播速度也逐渐减小。在实验过程中还发现，当传输电流不大于56 A时，无论加载多大的触发能量，样品带材都能自行恢复超导态而无法失超，这说明Bi2223/Ag高温超导带材在特定条件下存在一个最小传输电流Ip［12］，定义为正常态区域的传播速度v=0时的电流，可以通过失超传播速度与传输电流关系曲线得到见图4。

从图4可以看出，这些数据点近乎成线性关系，与前文建模分析规律相一致，其拟合曲线关系式为v=0.013I-0.631。根据最小传输电流的定义可知，拟合后的直线与横轴交点(v=0)对应的电流即为最小传输电流Ip，其值为48.5 A，与实验测得的56 A相比有一定的误差。理论上，当传输电流I＜Ip时，触发脉冲一旦停止，正常区域立即开始收缩并恢复超导态，无法构成失超传播，如图3a所示;当传输电流I＞Ip时，即使触发脉冲停止，局部失超区域也能继续传播，但是在实际过程中，实验采用气冷条件，由于热扰动的存在，当传输电流I稍高于Ip时，Bi2223/Ag带材有可能仍会自行恢复，如图3b所示;只有当有足够的能量支持热扰动，失超才会传播，如图3c所示。因此，在气冷式液氮冷却(～80 K)环境下实验测得的最小传输电流应该和理论值存在偏差。

图3 不同传输电流下Bi2223/Ag超导带材电压特性曲线Fig.3 Voltage curves of Bi2223/Ag tapes at different carrying currents

表3 Bi2223/Ag带材不同传输电流下的失超传播特性实验结果Table 3 Quench propagation properties of Bi2223/Ag tapes at different carrying currents

5 小结

对一代高温超导Bi2223/Ag带材在自场、气冷式液氮冷却环境下的失超传播特性进行了实验研究，研究结果表明:

(1)Bi2223/Ag高温超导带材在不同触发能量、不同传输电流的条件下，其失超传播速度范围在0.1—0.6 cm/s。

(2)在工作温度和传输电流一定时，触发能量越大，Bi2223/Ag高温超导带材失超出现的越早，但失超传播速度基本保持不变，即失超传播速度与触发能量大小无关。

图4 Bi2223/Ag带材不同传输电流和失超传播速度关系图Fig.4 Quench propagation velocities vscarrying currents

(3)不同传输电流条件下，Bi2223/Ag高温超导带材失超时的最小触发能量也不同。传输电流越大，能够引起失超和传播的最小触发能量就越小。同时，传输电流越大，带材失超越早，其失超传播速度也越快。

(4)实验证明，Bi2223/Ag高温超导带材存在最小传输电流48.5 A，实测结果为56 A，在传输电流较小时，带材局部失超后会很快恢复超导态，触发能量再大，失超也不能传播，抑或失超传播速度很慢或者只传播很短的距离。

1 金建勋，郑陆海.高温超导材料与技术的发展及应用［J］.电子科技大学学报，2006，35(4):612-627.

2 刘 喜，李晓航，孔令启.高温超导带材失超传播特性实验研究［J］.低温与超导，2007，35(3):234-237.

3 吴春俐，白质明，黄志丹.Bi2223/Ag超导带最小触发能量的测试［J］.仪器仪表学报，2004，25(4):17-18.

4 许振领.高温超导带材交流传输损耗及失超传播特性研究［D］.郑州:解放军信息工程大学，2010.

5 孔令启，李晓航，杜晓纪，等.MgB2超导带材的失超传播特性研究［J］.稀有金属材料与工程，2008，37:448-452.

6 张 婕，邵海成，吴 锐，等.Bi-2223/Ag超导带材的失超传播速度研究［J］.低温与超导，2012，40(6):25-28.

7 杨艳芳.电网用高温超导储能磁体的失超保护研究［D］.北京:北京交通大学，2009.

8 Michael Tinkham.Introduction to Superconductivity［M］.Dover Publications Inc.，Mineola，New York，2nd edition 2004.

9 邵 惠，严仲明，付 磊，等.高温超导带材Bi-2223/Ag的焊接接头电阻研究［J］.超导技术，2010，39(3):30-33.

10 刘晓辉，鲁墨森，谭婷婷.铜-康铜测温热电偶的制作和标定［J］.落叶果树，2009(5):34-37.

11 吴 瑕.超导体失超传播特性的研究［D］.沈阳:东北大学，2006.

12 王金星.超导磁体［M］.北京:原子能出版社，1985.

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

国家自然科学基金(51177163)和国际热核聚变实验堆(ITER)计划专项基金(2011GB112004)。

瞿青云，女，24岁，硕士研究生。