高温超导涂层导体的交流特性研究

Three fundemental parameters of superconductor are critical current, critical temperature and critical magnetic field. As for high-temperature superconductors(HTS), the critical current is defined as the current that could produced the voltage of 1uV per cm which are measured from Direct Current(DC) tests. Whereas most applications of HTS are under alternating current（AC） circumstances, there are great differences between DC operation and AC ones since flux creep exists. YBCO superconducting coated conductor（CC） has excellent high magnetic filed performance, high critical current and week anisotropy compared to Bi-superconductors. The research is aimed to discover the mechanism of ac V-I hysteresis characteristic, put forward the new criterion of ac critical current and modify the loss model since a little discrepancy existed between tests and calcultions at the low frequency. It will found the theoretical and experimental foundation for the eletrical engneering application of YBCO CC superconductor.

临界电流、临界温度、临界磁场是超导体的三个最基本的参数。对于高温超导体而言，临界电流定义为产生1uV/cm电压的电流，这通常是在直路电流下进行测量得到的。然而，高温超导体的应用中有很多是交流应用场合，超导体在交流运行情况下包括磁通蠕动，从而导致交流下的伏安特性、临界电流、临界磁场等与直流情况有很大差异。YBCO高温超导涂层导体与Bi-系高温超导带材相比具有优异的高磁场性能，在液氮温区附近较高磁场下有较高的临界电流，同时其各向异性与Bi-系高温超导带材相比较弱。本项目以YBCO高温超导涂层导体为研究对象，探索高温超导涂层导体交流伏安滞回特性的机理，通过理论计算、计算机仿真和试验研究高温超导涂层导体随频率变化的伏安特性，提出定义高温超导涂层导体交流临界电流的判据，进一步修正交流损耗模型，解决目前在低频段理论和试验吻合不很好的问题。该研究将为高温超导涂层导体电力应用奠定理论和试验基础。

本项目开展了高温超导涂层导体YBCO的交流特性研究，搭建了高温超导涂层导体的交流临界电流和交流损耗测量平台，获得了高温超导涂层导体随频率变化的伏安特性，提出了高温超导涂层导体交流临界电流的新型判据，获得了高温超导涂层导体在自场、直流背场下的交流损耗与频率的关系。主要研究工作与成果包括：.（1）搭建了高温超导涂层导体的交流伏安特性和交流损耗测量平台，该平台可实现在77K，频率在10Hz-500Hz下的伏安特性和自场下的交流损耗测量、在直流背景磁场下交流损耗测量，为研究高温超导涂层导体的交流特性提供了实验保障。.（2）在搭建交流实验平台的基础上，实验研究了高温超导涂层导体在自场下的伏安特性、交流损耗与频率的关系，提出了高温超导涂层导体交流临界电流的新型判据。该判据在原1uV/cm基础上乘以一个与特征频率和运行的交流电流频率有关的系数。.（3）结合麦克斯韦方程、超导体的非线性E-J 特性以及修正的Kim 模型仿真分析了高温超导涂层导体YBCO自场下的交流损耗特性，并与实验相对比，验证了仿真模型的正确性。.（4）实验研究了高温超导涂层导体在不同直流背景场大小及不同磁场方向下的交流损耗与频率的关系。研究表明,高温超导涂层导体存在一个转折频率，在转折频率以下，损耗随着频率增加而降低，超过转折频率，则交流损耗随着频率增加而增加；Ni-W基体的存在使得YBCO涂层导体的交流损耗高于非铁磁基体的YBCO涂层导体；各向异性的实验表明YBCO的各向异性比Bi2223/Ag的弱；而且，Ni-W基体的存在使得其在小直流背场下的损耗低于自场损耗。