高温超导带材及线圈载流特性的研究

论文摘要

超导技术作为21世纪的关键技术之一,在超导电机、超导变压器、超导故障限流器、超导电缆等强电领域具有广阔的应用前景。用超导线材或带材取代普通的铜导线承载电流,具有载流能力强,损耗小等优点。而超导线材或带材具有与普通铜导线不同的特性,例如,其载流能力会随着所处环境的磁场和温度的变化而变化,于是,研究超导材料的载流特性具有重要的意义。本文介绍了高温超导体临界电流特性及其影响因素,采用anderson-kim磁通蠕动模型,从磁通动力学角度阐述了高温超导带材临界态机制及失超原因,分析了电流处于临界电流附近时高温超导带材磁通运动规律及E-I特性,介绍了几种常用的临界电流判据,并通过实验测量得到了不同磁场下一、二代高温超导带材的临界电流。针对目前高温超导带材在交变磁场下或传输交流电流时载流能力没有统一的判定标准这一情况,本文利用anderson-kim磁通蠕动模型分析交流工况下高温超导带材E-I特性的特点,讨论临界电流判据的适用性问题,并通过实验测得交流磁场直流电流、直流磁场交流电流、交流磁场交流电流几种情况下高温超导带材的V-I特性曲线,总结磁场对高温超导带材载流能力影响的相关规律,并从磁通动力学角度对其原因予以解释。高温超导线圈相比于带材载流能力会有所下降,这主要是因为线圈中每根带材处于其他带材所产生的磁场中,以及线圈中带材将被弯曲和拉伸。本文根据超导带材临界电流的研究测量结果,通过有限元方法计算了高温超导线圈在有无磁屏蔽两种情况时的临界电流,介绍了高温超导线圈临界电流的计算方法。实验测量是研究高温超导带材及线圈重要手段,本文设计并建立了基于labview程序的高温超导带材实验测量系统,介绍了实验系统的组成、测量方法,及测量中的几个关键问题。通过labview程序的编写,实现了直流电流的自动加载功能,节省了研究人员的劳动强度并避免了因电流加载过快或人为失误造成带材烧毁的危险性。

论文目录

• 摘要
• Abstract.
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 高温超导带材及线圈的研究现状
• 1.2.1 高温超导带材的发展现状
• 1.2.2 临界电流特性的研究现状
• 1.2.3 交流工况下载流特性的研究现状
• 1.2.4 高温超导带材及线圈载流特性测量方法的研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 高温超导带材直流载流特性的研究
• 2.1 引言
• 2.2 超导体的基本性质
• 2.2.1 超导体的三个基本特性
• 2.2.2 超导体的临界参量
• c1和H_c2'>2.2.3 第Ⅱ类超导体及其上、下临界磁场H_c1和H_c2
• 2.2.4 磁通运动和磁通运动阻抗
• 2.2.5 磁通钉扎
• 2.3 高温超导带材的直流临界电流特性及其影响因素
• 2.3.1 高温超导带材的直流临界电流特性
• 2.3.2 高温超导带材的直流临界电流判据
• 2.3.3 影响高温超导带材临界电流特性的因素
• 2.4 临界态理论与anderson-kim 磁通蠕动模型简介
• 2.4.1 临界态模型概述
• 2.4.2 anderson-kim 磁通蠕动模型简介
• 2.4.3 失超产生的原因讨论
• 2.5 外加磁场对临界电流特性的影响
• 2.6 临界电流特性的各向异性
• 2.7 基底对高温超导带材临界电流特性的影响
• 2.8 本章小结
• 第3章 高温超导带材在交流工况下的载流特性
• 3.1 引言
• 3.2 高温超导带材交流损耗的产生机制及其对载流能力的影响
• 3.3 交变磁场下高温超导带材的直流临界电流特性
• 3.3.1 交变磁场下直流临界电流与磁场的关系
• 3.3.2 交变磁场下临界电流判据的适用性讨论
• 3.3.3 交变磁场下高温超导带材V-I 特性曲线的特点
• 3.4 高温超导带材的交流载流特性
• 3.4.1 自场及直流背景磁场下高温超导带材的交流载流特性
• 3.4.2 交流背景磁场下高温超导带材的交流载流特性
• 3.5 交、直流磁场对交、直流载流特性影响的实验结论总结及原因分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 高温超导线圈的载流特性
• 4.1 引言
• 4.2 高温超导线圈的结构
• 4.3 高温超导线圈临界电流的计算
• 4.3.1 高温超导线圈临界电流的计算方法
• 4.3.2 交流工况下高温超导线圈载流能力的计算方法分析
• 4.4 引入铁磁材料的高温超导线圈临界电流计算
• 4.5 本章小结
• 第5章 测量方法研究及实验系统设计
• 5.1 引言
• 5.2 临界电流的测量方法
• 5.2.1 四引线法的测量原理
• 5.2.2 采用曲线拟合求解Ic、n 值及交流最大工作电流的方法
• 5.2.3 高温超导带材传输交流电流时阻性电压分量的测量方法
• 5.3 实验系统设计
• 5.3.1 实验系统的组成
• 5.3.2 基于labview 的数据采集系统
• 5.3.3 含电压反馈的电流自动加载功能
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢