超导磁体失超过程中Quench-Back效应的数值模拟研究北大核心CSCD

Quench-Back是一种诱发超导磁体内产生新的失超区从而加快失超传播的现象.合理利用Quench-Back效应进行失超保护,需要准确理解Quench-Back作用下磁体内部的传热与电磁过程.以实际工程中某超导螺线管磁体为例,建立了失超过程三维瞬态耦合热-电磁-电路模型.整个模型采用两个顺序耦合的子模型实现,子模型一为三维传热模型,子模型二为轴对称电磁-电路直接耦合模型.得到了失超过程电流,热点温度和内电压变化曲线,分析了Quench-Back效应对失超过程关键参数的影响,研究了Quench-Back加速失超传播的具体过程.研究结果表明:Quench-Back效应可以有效控制失超过程中磁体内的热点温度,降低磁体内的过电压;Quench-Back效应与骨架材料,线圈结构和失超起始位置关系密切.     

FAIR项目Super-FRS超导二极磁铁测试线圈的三维失超数值模拟

国际反质子与离子研究装置(FAIR)项目中的Super-FRS超导二极磁铁是一个大型温铁结构的超导磁体,由中国负责设计、研制和测试。为了研究超导线圈的性能和其设计的可靠性,前期研制了一个测试线圈。建立了一个基于ANSYS和OPERA 3D的三维失超模型,不仅将模拟结果和实验数据进行对比,更可以获得失超过程的更多细节。模型将环氧浸渍的超导线圈简化为各项异性连续介质。将ANSYS求解器用于瞬态传热过程的分析,OPERA 3D用于磁场计算,并采用ANSYS脚本语言（APDL）进行焦耳热的计算和保护电路方程的求解。模拟得到了温度、电压、电流随时间的变化曲线和失超传播过程。最后将模拟结果和测试线圈的测试结果进行了比较。     

一维热传播模型下高温超导带的失超特性研究

对Bi-2223/Ag高温超导带材的失超传播特性进行了研究。测量了Bi-2223/Ag带材在有绝缘材料包裹和液氮浸泡环境下的电压变化曲线,同时利用一维热流方程模型,模拟出超导体失超传播过程中由超导态过渡到正常态的温度变化行为,同时还对传输电流和触发能量对失超传播速度的影响进行了实验研究。这些工作对高温超导磁体及电力系统的应用有着重要的参考价值。     

YBCO在热冲击条件下的失超特性研究

在实际的超导电力装置运行过程中,超导带材可能由于电力系统中诸如系统短路故障等各种动态过程,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、热量的作用而失超,因此,研究热冲击对超导材料性能的影响对超导电力装置失超保护非常重要.本文以第二代高温超导(YBCO)带材为样品,模拟实际超导电力装置中带材的绝热环境,通过外加电源对超导带材进行热冲击,研究YBCO带材在不同情况的热冲击条件下的失超过程以及带材温度和超导性能的变化.试验结果表明:对于美国Superpower公司生产的YBCO工程带材,瞬时温度超导300K后,带材的临界电流下降,瞬时温度超过500K,带材可能出现烧断现象.     

高温超导带材YBCO涂层导体的失超传播特性研究

在液氮(77K)环境下对YBCO涂层导体的交、直流失超传播特性进行了研究。测量了交、直流情况下的失超传播速度以及最小失超能量;分析了超导带材的失超传播速度与传输电流的关系;推导了一维模型下的失超传播速度计算公式。结果表明,当带材的传输电流交流(有效值)与直流相同时,交、直流失超传播速度基本一致,交流的最小失超能略小,且随着传输电流的增大最小失超能间的差距加大。     

基于PSCAD/EMTDC的高温超导电缆模型

在PSCAD/EMTDC中对国内首条110kV冷绝缘高温超导电缆建立了模型,该模型能够反映出电流在导体层和铜骨架之间的分流情况;将MATLAB与PSCAD/EMTDC通过接口程序连接,在MATLAB中编写了导体层阻值的计算程序,该程序考虑到了温度和电流的影响,能够反映出每一个采样时间段内阻值的变化情况;设置了单相接地故障,对故障电流下超导电缆的失超过程进行了仿真,得到并分析了失超过程中电流波形图以及导体层的温度曲线。     

超导磁体失超过程中Quench-Back效应的数值模拟研究

Quench-Back是一种诱发超导磁体内产生新的失超区从而加快失超传播的现象.合理利用Quench-Back效应进行失超保护,需要准确理解Quench-Back作用下磁体内部的传热与电磁过程.以实际工程中某超导螺线管磁体为例,建立了失超过程三维瞬态耦合热-电磁-电路模型.整个模型采用两个顺序耦合的子模型实现,子模型一为三维传热模型,子模型二为轴对称电磁-电路直接耦合模型.得到了失超过程电流,热点温度和内电压变化曲线,分析了Quench-Back效应对失超过程关键参数的影响,研究了Quench-Back加速失超传播的具体过程.研究结果表明:Quench-Back效应可以有效控制失超过程中磁体内的热点温度,降低磁体内的过电压;Quench-Back效应与骨架材料,线圈结构和失超起始位置关系密切.     

恒压下Bi2223/Ag带材失超规律研究

高温超导材料的实际应用中其装置两端的电压保持恒定,而现有的研究都是建立在恒流的基础上。基于此,通过建立恒压下Bi2223/Ag高温超导带材的一维失超传播模型,用数值模拟方法研究了Bi2223/Ag高温超导带在恒压作用下的失超传播行为。通过计算给出了Bi2223/Ag带材在恒压下的最小失超能(MQE)、失超传播速度(NZPV)及其变化规律,同时对恒流和恒压两种条件下的失超行为进行了对比,发现恒压下的最小失超能明显小于恒流下的最小失超能,同时恒压下的失超传播比恒流更慢。     

高温超导带最小触发能量的有限元分析

本文用有限元方法(finite element method,简称FEM)对Bi2223/Ag高温超导多芯带材的最小触发能量进行了理论估算,得到最小触发能量(MQE)与传输电流(It)之间的关系并与实验结果进行了比较.通过计算机模拟运算,可以方便得到加热器触发局域失超后的失超传播过程中超导带的空间和时间的温度分布.研究表明,建立合适的热分析模型,用有限元分析可以模拟出超导体失超传播过程中由超导态过渡到正常态的温度变化行为.     

一种YBCO带材及其单饼线圈的失超传播特性分析

对一种YBCO涂层的高温超导带材及其单饼线圈进行了失超传播特性的实验测试与分析。实验测试在77K温度的液氮环境下进行,给带材通入恒定直流电流,使用加热丝给带材上一点提供脉冲热扰动,主要测量了超导带材及单饼线圈失超传播过程中的最小失超能和失超传播速度。实验结果表明YBCO超导带材及其线圈的失超传播速度随电流升高而增大,最小失超能随电流升高而减小,线圈中径向传播速度要远小于纵向传播速度。     

Bi-2223/Ag超导带材的失超传播速度研究

文中对超导带材的失超产生机理进行了详细分析,建立了其失超传播的计算模型。在此基础上,对Bi-2223/Ag高温超导带材失超传播进行了实验研究,用四引线法测得不同条件下其失超传播的U-t曲线,由此计算出Bi-2223/Ag超导带材的失超传播速度为0.4cm/s～1.98cm/s。实验结果表明:带材的失超传播速度与载流大小有关,与触发失超的能量无关,带材载流越大,失超传播得越快。     

C掺杂MgB2超导线材的失超特性研究

研究了不同芯数(单芯、6芯和12芯)的C掺杂MgB2超导线材的失超特性.在制冷机环境(20K)下测量了C掺杂MgB2超导线材样品在自场下的最小触发能及失超传播速度.实验结果表明,失超传播速度随着工作电流的增大而线性增加.失超传播速度的大小跟测量位置有关,离触发区越近的传播速度越大.单芯样品的最小触发能最小,6芯和12芯线的最小触发能相差不大.最小触发能随工作电流的增加成指数形式衰减.     

Bi2223/Ag高温超导带的侧向弯曲率对载流能力的影响

Bi2 2 2 3银包套超导带材是研制高温超导磁体和高温超导强电应用的基础。文中就对高温超导磁体最大运行电流有重要影响的 Bi2 2 2 3银包套带材侧向弯曲形变进行了初步探讨 ,就不同的侧向弯曲率对超导带载流能力的影响进行了实验测试 ,并提出了提高 HTS磁体最大运行电流的方法。     

14T全身超导MRI磁体的技术挑战——大规模应用强场超导磁体未来十年的发展目标之一

本文首先综述了大规模应用的超导磁体,依赖并推动铌三锡Nb3Sn导线技术进步,向更强磁场发展的趋势.着重分析了超高场14 T全身MRI磁体的挑战性技术.选择青铜Nb3Sn导线,采用Nb3Sn线圈和NbTi线圈相结合的混合结构,对14 T全身MRI磁体进行了电磁概念设计和热稳定性及失超保护仿真分析,并简要阐述了14 T全身MRI磁体在应力、接头和匀场方面的关键问题.根据分析结果认为:1)Nb3Sn导线是14 T全身MRI磁体需要面临的首要挑战性问题—作为最佳选择的青铜Nb3Sn导线,其现有产品的性能指标离14 T全身MRI磁体的要求尚存在有一定的差距;2)14 T全身MRI磁体的失超保护涉及线圈的铜超比设计、运行电流同线圈电感的协调配置、被动保护的分段策略和主动保护的失超触发控制以及主动屏蔽结构磁体在失超过程中的逸散磁场限制等多个十分复杂的环节,是最具挑战性的综合性技术.     

高温超导带材失超传播特性实验研究

采用测量多个电压节点顺序失超的方式,测量了在液氮浸泡和有包裹材料情况下不锈钢加强Bi-2223/Ag和YBCO涂层导体高温超导带材样品的失超传播速率。根据实验结果,Bi-2223/Ag高温超导带的失超传播速率约为2 cm/s,YBCO带材的失超传播速率约为0.4 cm/s,均远远低于低温超导材料的相应数值。对这一现象的原因进行了简要分析,并根据高温超导带材的这一特点,提出了在高温超导电力应用中需特别注意的问题。     

Numerical modelings of superconducting wires for AC loss calculations

Superconducting properties of superconducting wires as well as the influence of their composite structure and twisting should be taken into account for their numerical modeling for AC loss calculations. Furthermore, complicated electromagnetic conditions in electrical apparatuses under which superconducting wires are used influence their AC loss properties; superconducting wires carry their transport current and are exposed to the external magnetic field whose direction and magnitude vary spatially. A series of numerical models of superconducting tapes based on the finite element method has been developed. In each model, some of the above-mentioned factors that could influence the AC loss properties are taken into account. The models are formulated with the current vector potential and the scalar magnetic potential (T–Ω method). Superconducting property is given by the E–J characteristic represented by a power law. The current distributions in non-twisted and twisted superconducting tapes carrying their transport current and/or exposed to the external magnetic field are calculated with these models to estimate their AC loss. The current distribution in a short piece of superconducting tape exposed to AC magnetic field is also calculated.     

Long-term stability of Bi(2223) and Dy(123) superconducting tapes in the direct current circuit

The stability of critical parameters T _c and I _c of commercial high-temperature superconducting wires upon long-term passage of transport current (about 0.7I _c) in liquid nitrogen (77 K) is studied. Voltage-current characteristics U(I), as well as the critical current and critical temperature, are investigated for the case of Bi(2223) hermetic multifilament wires and Dy(123) superconducting tapes covered by a thin Ag layer. In the former case, a considerable decrease in the critical current (by ～30%) and swelling of the wires after passage of the current for 323 h are observed. The same is true for a reference sample, which does not experience the action of current and stays in liquid nitrogen for 700 h. The decrease in the critical current in the Bi(2223) sample is likely to be associated with penetration of a liquid coolant into the composite conductor: evaporating and expanding as a result of heating, it severely deforms the material. The Dy(123) sample grown epitaxially demonstrates high stability of the critical current after it has experienced the action of current for 400 h and been kept in liquid nitrogen for 1000 h.     

122型铁基超导线带材实用化研究进展

在种类众多的新型铁基超导材料中,122型铁基超导体具有高转变温度、超高上临界场、低各向异性、高临界电流密度等优点,因此成为高场应用领域最具竞争力的铁基超导材料.目前122型铁基超导线带材在4.2 K,10 T下的传输临界电流密度已经超过10⁵A/cm²这一实用化门槛值,表现出十分广阔的应用前景.本文回顾了新型铁基超导体的发现及发展历程,结合122型铁基超导体的自身特点,就如何制备高性能122型铁基超导线带材展开讨论,同时对粉末装管法制备流程中影响线带材性能的几大关键因素进行了详细分析.重点介绍了近年来122型铁基超导线带材的实用化研究进展,包括高强度线带材的制备、圆线的研制、多芯线材及长线的制备、超导接头的研究、力学性能及各向异性的研究等.对122型铁基超导线带材实用化研究进行了总结,并对其未来的发展趋势进行了展望.     

液氮浸泡式高性能ReBCO超导带材失超传播特性研究

高性能高温超导带材在大型超导磁体装置上的应用已成为一种趋势,由于存在失超传播速度缓慢、失超检测信号微弱等不足,对失超保护设计提出很大挑战。本文基于液氮浸泡式双保护层的高性能ReBCO带材失超传播特性,采用一维热平衡方程建立失超传播速度的数学模型,通过增加失超源,检测热点温度与电压信号,探究液氮浴环境下的ReBCO带材在传输电流等不同参数下失超传播速度和最小失超能量的变化规律。结果显示:相同条件下,高温超导带材的失超传播速度与传输电流成正相关,最小失超能量与传输电流成负相关,且相比无保护层的普通高温超导带材,具有双保护层的高性能ReBCO临界电流和触发裕度均有提升。