基于涂层导体高温超导股线的电磁和机械特性以及稳定性研究

Progress on ReBCO coated conductor, so called the second generation (2nd G ) HTS tapes, has been great made in recent 10 years, and its transport current density per unit centimeter is higher than 500 A, which can provide an important material basis for HTS power applications. However, point discharge phenomenon easily happens in 2nd G HTS tapes since its geometry of cross section is thin slab whose gross aspect ratio is more than 20, which easily results in difficulty of cryogenic electrical insulation and is also the bottleneck of its application in superconducting apparatus with high-voltage class. In order to avoid point discharge and improve current density, concepts of HTS strands with geometrical structure of circular, rectangular cross-sections are suggested. The strand consists of 2nd G tapes and cladding metal sheath, the former are arranged in central core of the strand on which the latter are cladded by laser welding technology. Consequently the isotropic HTS strands based on 2nd G HTS tapes are realized. It is predicted that the suggested project can expand the application scope of ReBCO CC. With its advantages of isotropy, large transport current capacity and then high engineering current density without point discharge, it can be applied in applications of superconducting power apparatus with high-voltage level such as cable, fault current limiter (FCL), transformer, generator/motor, magnet with large scale and current leads.

近年来，第二代高温超导涂层导体取得了重大进展，单位厘米宽度载流达到500A以上，为高温超导电力应用提供了重要材料基础。然而，由于第二代高温超导涂层导体是带材结构，宽厚比大于20，极易发生尖端放点，低温绝缘问题突出，限制了其在高压电力装置中的应用，是高温超导高电压应用中的瓶颈问题。为了解决尖端放电问题及高载流问题，本课题提出横截面为圆形、正方形或长方形结构超导涂层导体股线概念，由超导股线线芯和包覆层组成，包覆层卷制包覆在超导股线线芯上，采用激光焊接技术将包覆带对缝焊接。超导股线线芯由涂层超导板经切割成涂层超导带材排列拼合成圆形、矩形横截面，实现了基于涂层超导体各向同性超导股线。本课题拓展了涂层超导体的应用范围，超导股线具有各向同性、载流容量大、工程电流密度、无尖端放点的特点，可以应用于高电压等级超导电缆、超导故障限流器、超导变压器、超导电机、大型高场超导磁体、电流引线等超导电力装置中。

虽然涂层导体（也叫第二代高温超导带材）具有高临界电流密度和强机械特性，为高温超导电力应用提供了重要材料基础。但是，由于涂层导体很薄的带状结构，绝缘困难，还具有很强的各向异性，且单根涂层导体载流能力有限，限制了其在高压、大载流电力装置中的应用。本课题提出横截面为圆形、正方形结构超导涂层导体股线概念，由超导股线线芯和金属包覆层组成，金属层包覆在超导股线线芯外侧，采用激光焊接技术将包覆带对缝焊接。超导股线线芯由4组涂层超导带堆叠的子股线对称排列拼合成矩形横截面或者外加弧形金属材料拼合成圆形截面结构，实现基于涂层超导体的准各向同性方形或圆形截面超导股线。本课题拓展了涂层超导体的应用范围，超导股线具有各向同性、载流容量大、工程电流密度高、绝缘简单的特点，可以应用于高载流、高电压等级超导电力装置和大型高场超导磁体。.为了实现高载流、准各向同性的目标，对涂层导体临界电流各向异性、稳定性、机械特性、失超及恢复特性、过流特性进行理论和实验研究，建立了涂层导体临界电流各向异性模型；对涂层导体面外弯曲特性、扭绞特性进行了系统实验研究。在此基础上，提出准各向同性涂层导体股线的概念，设计制作了铜包套、铝包套和不锈钢包套股线的圆截面和方形截面股线，对股线进行临界电流、交流损耗、拉伸和弯曲、扭绞特性、稳定性、失超及恢复特性、过流特性进行系统理论和试验研究。分析和实验研究正常导体与涂层导体之间的电流转移长度，为超导股线与正常导体端部焊接提供了技术依据。对激光焊接不同金属材料功率进行实验探索，获得不同包套材料所需激光焊接功率；研制加工模具，在现有光缆生产线上，实现了10米长圆截面超导股线的加工。并对10米股线长样进行了临界电流实验。.研究结果表明，所提出的超导股线临界电流各向异性得到极大地改善，临界电流各向异性在77K和0.6T以下小于10%，该磁场在超导电力装置的磁场范围之内。准各向同性股线可有效地提高载流容量。通过10米长准各向同性股线的加工和实验，超导股线临界电流具有很好的均匀性，该工艺可实现实用长度超导股线生产，实现从基础研究直接推广到能够实际应用的导体。该股线在77K温度电力应用以及低温高场大型超导磁体、高载流导体方面具有重要的实用价值。