高温超导带材在磁场环境下的角度依赖性研究

黑颖顿，罗书山，谭亚雄，陈伟根，周兴梅

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400044）

0 前言

自上世纪90年代以来，高温超导材料实用化技术取得了重大突破。随着高温超导材料制备技术的日益成熟，使用长度Bi系和Y系高温超导带材已进入商业化生产阶段，极大地推进了高温超导技术的研究。目前，高温超导带材广泛应用于超导电缆、限流器、变压器等超导电力设备，并实现了示范运行[1-2]。

临界电流是衡量高温超导带材载流特性的重要参数之一[3-4]。高温超导材料是氧化物陶瓷材料，具有晶粒特性和强烈的各向异性，因此，高温超导带材的临界电流不仅受到磁场强度的影响，还与磁场的方向密切相关。超导电力设备在实际应用中往往处于磁场环境中，超导带材的临界电流在磁场下呈现不同程度的衰减[5-6]。因此，对高温超导带材在不同磁场下的角度依赖性研究很有必要。

本文选取美国超导（AMSC）、韩国苏南（SuNAM）、上海超导和苏州新材料研究所（以下简称苏新所）等国内外超导带材厂商生产的几种典型高温超导带材为研究对象，通过测试各带材在77 K温度、0～1 T/360°磁场环境下的临界电流，分析其电流衰减情况及各向异性，掌握高温超导带材在磁场环境下的临界电流角度依赖性，为高温超导带材的应用提供参考。

1 实验方法

1.1 临界电流测量方法

本文采用接触式四引线法进行带材临界电流测试[7-8]。如图1所示，电流引线位于带材两端，接直流电源；电压引线位于带材中央，接纳伏表。开始测量时，直流电源对超导带材通电流，纳伏表测量一部分长度（本文取1 cm）带材上的压降，并采用1 μV/cm作为判据，判断带材的临界电流Ic，如图2所示。四引线法的测量结果不受引线自身电阻以及接触电阻的影响，精确度表现优秀，可以用于监测带材样品上的微小电阻变化。

图1 四引线法测量电路示意图

图2 高温超导带材的U-I特性曲线

1.2 背景磁场

本文通过对超导样品添加背景磁场，测试其角度依赖性。本文采用的背景磁场由带铁芯的超导磁体产生，超导线圈绕组套在铁芯上，如图3所示。铁芯中间有气隙用于放置样品。当超导线圈绕组通电后，气隙中便会产生均匀的强磁场。磁场的强度大小与超导线圈绕组中的电流大小呈现正相关关系。由于铁磁材料的磁导率是非线性的，所以磁体气隙中的磁场大小与超导线圈绕组中的电流值并不是线性关系，在实际使用中需要查看磁体标定曲线，如图4所示，根据所需要的磁场大小来输入合适的磁体电流。

图3 背景磁场示意图

图4 磁体标定曲线

2 实验样品及平台

2.1 实验样品

本文选取美国超导（AMSC）、韩国苏南（SuNAM）、上海超导和苏新所等国内外超导带材厂商生产的4种典型高温超导带材为研究对象，具体参数如表1所示。

表1 带材样品参数

2.2 实验平台

超导带材角度依赖性测试系统，旋转台用于控制带材样品旋转，以实现0～360°任意角度的连续测量；测量架用于连接旋转台、通流线路及样品台，实现升降、旋转情况下通电等功能；样品台上可焊接超导带材样品于电极A、B之间，从而实现超导带材的通流，如图5所示；杜瓦用于承装液氮及背景磁体，为超导带材提供液氮低温和磁场环境。

3 实验结果及分析

应用本文提出的实验方法、样品及装置，对4种高温超导带材在77 K，0～1 T/360°磁场环境下进行临界电流角度依赖性测试。实验结果如图5所示，其中定义临界电流归一化值为：

式中：ρ为归一值；Ic为超导带材临界电流测量值；I0为超导带材临界电流自场初始值。

从图7中可以看出，对于4种带材样品，随着磁场的增大，临界电流均衰减较大，且在0～0.5 T范围内衰减程度明显大于0.6 T～1.0 T范围。从0.6 T开始，各带材临界电流在各个角度都较小，仅为初始值的30%左右。临界电流对磁场强度的依赖性很大。

而对于各带材的角度依赖性，为方便观察，取各带材在不同磁场强度下垂直场和平行场的临界电流归一值作图（由于平台设计的原因，本文中取90°和270°为平行场），观察得到在垂直场下超导带材的临界电流总是小于平行场下临界电流，如图6所示。综合图5和图6可以看出：

1）对于AMSC-8501超导带材，在同一磁场下，临界电流值随磁场角度变化不大，即该带材在磁场环境下的角度依赖性不明显；

2）对于SuNAM-SCN04150超导带材，在0.1 T磁场下，带材临界电流在360°范围内波动；而在0.2～1.0 T范围内，60～120°和240～300°范围临界电流波动较为明显，分别由90°和270°处向两侧衰减，在其余角度范围变化不明显；该带材随着磁场增大，角度依赖性有所增强；

图5 各带材对磁场的角度依赖性

图6 各带材垂直场与平行场归一值

3）对于上海超导ST-05-EL100超导带材，在同一磁场下，临界电流在360°范围内波动较为明显，分别由90°和270°处向两侧衰减；该带材角度依赖性较为明显；

4）对于苏新所DCCS002超导带材，在同一磁场下，70～100°和250～280°范围临界电流波动较为明显，分别由90°和270°处向两侧衰减，在其余角度范围变化不明显，即该带材在70～100°和250～280°范围内角度依赖性较为明显。

4 结束语

本文选取AMSC-8501、SuNAM-SCN04150、上海超导ST-05-EL100和苏新所DCCS002等国内外超导带材厂商生产的4种典型高温超导带材为研究对象，通过测试各带材在77 K温度、0～1 T/360°磁场环境下的临界电流，分析其电流衰减情况及角度依赖性，掌握了高温超导带材在磁场环境下的临界电流变化规律：

1）随着磁场强度的增大，高温超导带材的临界电流衰减严重，带材对磁场的依赖性较强；

2）在不同的磁场大小及角度下，不同超导带材表现出的角度依赖性往往不同：AMSC-8501超导带材在磁场环境下的角度依赖性不明显；对于SuNAM-SCN04150超导带材，随着磁场增大，角度依赖性有所增强；上海超导ST-05-EL100超导带材在360°范围内角度依赖性较为明显；苏新所DCCS002超导带材在70～100°和250～280°范围内角度依赖性较为明显；

3）在同一磁场强度下，对于所有实验带材，垂直场下的临界电流总是小于平行场下的临界电流。

以上结论为超导设备的设计及高温超导带材的应用提供参考：高温超导带材在不同磁场强度及大小下呈现不同的角度依赖性，因此在其应用过程中，需根据超导设备工作的磁场环境选择合适的带材，且必须保证设备工作电流小于带材垂直场下的临界电流。同时，在今后的工作中，可从超导带材的微观结构入手，进一步深入研究各带材呈现不同角度依赖性的微观原因，从而为超导带材的制备提供参考。