高温超导复合带材的交流损耗及失超行为的数值研究

2018-03-02冯青

中国设备工程 2018年4期

关键词：超导体带材损耗

冯青

（宝鸡文理学院，陕西宝鸡 721013）

高温超导复合材料一直受到学术界关注，但是目前阶段高温超导复合带材的交流损耗依然是阻碍实际应用的重要问题，尤其是在低温环境当中会导致交流损耗。基于此种情况，本文对高温超导复合带材的交流损耗以及失超行为的数值进行了必要的分析与研究。

1 高温超导复合带材交流损耗以及失超行为简介

1.1 关于交流损耗的研究现状分析

所谓交流损耗是指处于交变电磁场中的超导体会产生交流损耗现象，而这些热量会逐渐扩散到整个设备当中，这不仅会导致制冷系统负荷的增加，同时还会导致超导材料的应用成本大幅度增加，在某些情况下甚至还会导致整个系统的设备运行稳定性受到较大的影响。高温超导复合带材交流损耗可以分为涡流损耗、磁滞损耗以及耦合损耗三种不同的形式，涡流损害是指高温超导带材中因为存在感应涡电流而导致的损耗，磁滞损耗则是指磁通涡旋线克服钉扎作用及表面势垒而产生的能量损耗，耦合损耗则是指两个以及两个以上的高温超导带材中的电流在不同超导体材料中耦合而产生的损耗。但是对于一些特殊的超导材料来说交流损耗还包含了其他的一些损耗，例如对于包含了铁磁性材料的超导材料来说交流损耗同时还包含了铁磁损耗。变化的外磁场中超导体的交流损耗也称为磁化损耗或外场损耗，传输交变电流产生的交流损耗称为传输损耗，也称为自场损耗；载流的超导体在交变外磁场中的交流损耗包括传输损耗和磁化损耗两部分。

1.2 关于失超研究现状分析

超导是一种特殊的工作状态，只有在达到临界条件之后超导材料才能正常工作，一旦超导材料的某一个或者几个条件突破了临界条件之后，则超导材料或者整个装置都会完全失去超导性能，这种现场被称之为失超。一般情况下在高温超导复合带材中电磁临界条件很容易满足，同时电磁临界条件也具备一定的稳定性，因此，一般情况下对于高温超导复合带材来说很少会因为电磁临界条件不满足而出现失超现象。一般情况下导致高温超导复合带才失超的主要原因在于温度临界条件无法满足，这主要是由于对于高温超导材料来说由于装置的复杂性以及环境的精确性，一般临界条件很难实现完美控制，因此，在实际中温度临界条件的稳定性也存在着较大的问题，很容易导致超出临界条件而出现失超行为。

2 叠堆高温超导复合带材的交流损耗分析

高温超导复合带材在电力工程中的应用往往是由于高电流的传递，因此在实际使用中往往采用多根超导带材进行输电配送，这主要是由于单根带材的承载能力往往无法满足电力输送的实际要求，同时也会将多根同时担负输送任务的带材进行叠堆处理制造出输送能力更强的传输电缆。在分析叠堆高温超导复合带材的电磁行为时不能按照对单根带材分析时所采用的无限长假设，否则必然会得出错误的结论。一般情况下可以将单层带材直接简化为二维平面，即只考虑横截面上所发生的电磁场问题，忽略端部效应之外的其他因素。在最近几年当中随着研究的进一步深入，叠堆高温超导复合带材的二维模型也逐渐被应用于一些大型超导线圈的电磁分析当中。在计算叠堆高位超导复合带材的交流损耗时，由于叠堆使得带材的复杂性明显增加，同时多层结构也在一定程度上增加了计算的难度，一般情况下需要对计算过程进行必要的简化，例如，假定带材为各向同性材料，同时在长度方向是一种均匀材料，任何性能都是完全均匀的。在实际计算中可以采用如下模型进行计算，如下图1中所示，但是下图1中所示的结构包含了铁磁高温超导带材的计算模型，因此，在计算非铁磁高温超导带材时需要将铁磁基底层去掉，并采用绝缘层进行替代处理，即可以将两个不同超导层之间的距离直接定义为109μm，在建模计算时依然还是采用传统的二维模型。

图1 叠堆高温超导复合带材的交流损耗计算模型

3 叠堆高温超导复合带材的失超分析

高温超导体在环境发生变化或者受到能量扰动之后很容易出现失超行为，同时这种失超行为并不是单一要素所引起的，一般情况下都是一种耦合作用过程，其计算过程也相对较为复杂，现阶段在学术界当中关于高温超导复合带材的失超行为分析还缺乏大量的数据支持，在实际数值计算当中往往也需要进行大量的假设，因此，从某种程度上来说失超行为的数值计算在精确性方面也存在着较大的缺陷。对叠堆高温超导复合带材的失超行为进行分析，一般情况下是建立在超导体材料能量扰动响应的基础之上的，具体来说如下图2中所示。

叠堆高温超导复合带材的失超行为主要是由于电磁效益以及温度所引起的，因此主要需要从这两个方面入手进行分析。对于电磁效应的分析可以从交流损耗进行，前文已经对此进行了必要的分析与研究，因此，在下文当中笔者将系统性阐述温度所造成的超导带材的失超行为。

图2 叠堆高温超导复合带材的失超行为响应

根据Fourier定律，介质内部热量的传导及温度随时间的变化可以使用热传导方程进行描述。热传导方程的一般形式为：

而f则主要是由以下三个不同的组成部分所组成：

由于叠堆超导复合带材的失超行为并不是一种单纯某一临界条件被突破之后的结果，而是一种耦合破坏现象，因此，在采用有限元对其进行分析时，必须要采用热传导方程对整个超导材料内部温度的变化过程以及空间分布特征进行全面的分析与研究。同时还必须要采用上文中所建立的电磁分析模型对超导体内部的环境与温度参数进行分析，一般情况下，温度环境参数与电磁场的变化参数不能超过内部的局部临界值，同时还需要将通过电磁模型计算所得到的热量输入到热传导方程当中进行再次计算，最终得到温度作用下的复合带材失超行为数值。