大型超导磁体高温超导电流引线的研究

2021-03-18黑颖顿周兴梅陈伟

云南电力技术 2021年1期

黑颖顿，周兴梅，陈伟

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217）

0 前言

在包括大型超导磁体在内的电气设备中，由于超导体无电阻、低损耗、低导热等特点，高温超导（HTS）技术被逐渐应用于电流引线研制中，将室温下的电源与低温下的超导磁体进行连接。与相同工作电流的传统金属电流引线相比，采用高温超导电流引线可显著降低运行成本和制冷功率[1-3]。

1 高温超导电流引线的结构

作为二元电流引线，高温超导电流引线由传统的金属模块、高温超导模块和超导接头组成。在结构上，金属模块主要由铜质端子板、铜铅、不锈钢（SS）液氮储存容器和外绝缘组成。高温超导组件主要由Bi-2223 超导带和黄铜分流器或SS 分流器组成。在金属模块和高温超导模块之间，采用铜散热片来限制高温超导模块的温升。如图1 和图2，金属模块可以用液氮（77 k）或冷氦气（60-80 k）冷却，当金属模块用液氮冷却时，汽化的氮气通过出口直接释放到大气中。但由于液态氦的稀有性和昂贵性，当金属模块被冷氦气冷却时，氦气被收集在出口处回收利用。

为了提高金属模块的冷却效果，应优化金属电流引线的长径比和换热结构。例如，为了充分提高气体冷却介质的流动阻力，采用了螺旋结构或翅片结构。高温超导电流引线的设计问题如下：

1）载流能力；

2）金属模块结构优化；

3）散热器结构优化；

4）绝缘结构设计与优化；

5）关节阻力；

6）热泄漏到4.2 K 液氦；

7）热稳定性；

8）失超保护。

在图1 和图2 中，LTS 表示低温超导体。对于高温超导电流引线，由于铜、不锈钢、高温超导材料和绝缘材料的热膨胀系数不同，降低绝缘热应力的问题应引起重视。

图1 高温超导电流引线冷却方式1

图2 高温超导电流引线冷却方式2

2 高温超导电流引线材料

2.1 绝热低温液体

为了实现超导状态，液氮、液氦和冰箱被广泛应用于超导器件中。池冷式低温超导磁体一般采用液氦冷却，池冷式高温超导磁体一般采用液态氦或液氮冷却。另外，传导冷却的超导磁体通常采用电冰箱冷却。

液氮和液氦是两种当下具有优良介电性能的绝缘低温液体。在超导器件中，液氮、液氦、冷氮气和冷氦气同时作为冷却介质和绝缘材料。然而，氦气体的介电性能远低于液态氦。特别是低气压的氦气更容易导致放电。

如表1 所示，液氮的汽化潜热约为液氦的10 倍，而液态氦的显热则是液氮的5 倍。对于高温超导电流引线，金属模块的热负荷主要由焦耳热和传导热组成。为了充分冷却金属模块，必须充分利用冷氮气或冷氦气的显热。但是，室温下氦气1 W 制冷量所需功率远高于室温下氮气。液体氦在50 HZ 交流电下的击穿特性约为30 kV/mm，而冷氦气体的击穿特性低于500 V/mm。

表1 液氮和液态氦的特性参数

2.2 耐低温固体绝缘材料

耐低温固体绝缘材料在大型超导磁体高温超导电流引线中起着重要作用。根据公式（1），当超导磁体失超时，施加在高温超导电流引线上的电势是相当大的。

式中：L—超导线圈电感；-当前变化率。

为了避免放电或电气故障，可以使用卡普顿、聚四氟乙烯（PTFE）和玻璃纤维增强聚合物（GFRP）对高温超导电流引线进行绝缘。

2.3 导电材料

如图3 所示，用于电流引线的材料的热导率的差异很明显。黄铜的导热系数远低于铜。因此，铜可以用来制造金属电流引线和散热片，而黄铜可以用来制造高温超导模块的分流管。高温超导带材的等效热导率可用高温超导带材和金属基体的热导率计算。

图3 电流引线材料的热导率

传统金属材料符合Wiedemann-Franz 定律，如式（2）所示：

式中，LL=2.45x10-8WΩK-2是洛伦兹常数，表示导热系数λ(T)和电阻率ρ(T)的代数乘积与温度T 成正比。然而，为了使高温超导组件的分流漏热降低，必须同时选用低λ(T) 和低ρ(T)的金属材料。

3 传统金属模块

气体冷却金属电流引线安装在带热屏蔽的低温恒温器内部，所以不考虑热对流和热辐射。在工作条件下，金属电流引线的热平衡原理如图4 所示，焦耳热来自外加电流，传导热来自温度梯度。如图4 所示，金属电流引线的温度分布可用公式（3）-（5）表示。金属电流引线下端漏热导致液氮气化或冷氦气温度升高，如式（4）所示。对于液氮冷却的金属电流引线，如图1 所示，金属电流引线的下端和上端之间的传导热和焦耳热被冷氮气的显热交换，如式（5）所示。

图4 气冷金属电流引线的热平衡原理

式中：L—金属电流引线的有效长度；A(x)—金属电流的横截面积；P—冷却周长；Cp—冷氮气的热容量；CL—液氮汽化潜热；Tg—冷氮气温度；m—冷氮气总质量流量；mi—冷氮气的质量流量来源于液氮中电流铅的焦耳热；f-金属电流引线和冷氮气的对流换热系数。

对于二元电流引线，大部分热负荷来自金属电流引线，对超导磁体系统的热负荷较低。

4 高温超导模块

4.1 热特性

当处于超导状态时，高温超导的电阻为零。当超导磁体为直流时，如果不考虑模块两端的连接电阻，就不会产生焦耳热，因此模块采用了传导冷却的方法来进行冷却。高温超导组件的热导率复合材料和电阻率复合材料取决于各组件的体积比，可按并联结构计算，如式（6）和式（7）所示。

导热冷却高温超导电流引线的热泄漏量可按式（8）计算：

其中，i—高温超导电流引线各部件的标志；

Je—高温超导临界电流密度（A/m2）；

X—高温超导带的长度；

Tc，Tw—高温超导带的低温端和高温端温度（K）；

Q—高温超导电流引线末端的热泄漏。

为了计算高温超导电流引线的烧毁时间，假设条件如下：

1）高温超导电流引线的初始状态为超导状态，高温超导模块变为电阻加热状态。

2）没有冷却液来冷却HTS 模块。

如果高温超导组件的初始温度为0t，最高电阻温度为ft，非绝热加热条件下的热平衡方程如下：

高温超导电流引线的烧毁时间如式（10）所示：

式中，γ—超导材料的密度；C—超导材料的比热；ρ—超导材料的电阻率。

实际上，由于忽略了热传导和冷却，计算出的传热时间是保守的。如果考虑到Bi-2223带材的分流、Ag/Au 保护层和高温超导模块两端的散热片，实际的烧毁时间将会延长。

为了减少超导磁体的热泄漏，高温超导组件的结构设计应以获得较低的导热系数和足够的载流能力为目标。为了保护高温超导组件在失冷过程中的安全，并联电路的结构设计需要被重点考虑。

4.2 电磁特性

为了减小垂直磁场对超导带材载流能力的影响，将高温超导带材焊接到分流均匀的沟槽上，如图5 所示。

图5 分流三维模型

根据右手法则，如果将高温超导带材的前表面焊接到槽底表面，则施加在前表面上的垂直磁场很弱。虽然侧面施加的垂直磁场很强，但对高温超导带材的载流能力影响不大。然而，当高温超导电流引线靠近超导磁体时，外加磁场会导致其载流能力下降。因此，大型超导磁体的高温超导电流引线应远离超导磁体。

5 高温超导电流引线的绝缘

如图6 所示，使用不锈钢低温恒温器提供真空，通过热辐射和热对流向高温超导电流引线的热泄漏远远低于热传导。作为一种绝缘结构元件，温度梯度会产生热应力，另外，当超导磁体发生失超时，产生的高压会对绝缘产生缺陷和损伤。

如图6 所示，该模拟模型用于模拟大规模超导磁体的16 kA 高温超导电流引线的电场。由于低温恒温器接地，所以低温恒温器的电势为0 V。由于氦气体的介电强度较低，在发生失超时，低温恒温器内低压的氦气体很容易导致帕申放电。为了避免电击穿，高温超导电流引线和低温恒温器之间的距离应足够大。当超导磁体的产生电压为4.5 kV，HTS 电流引线的外加电压为10 kV，如图7 所示。

图6 电气分析仿真模型

定义的材料特性如下[4]：

1）空气相对介电常数：1；

2）G10 绝缘相对介电常数：3；

3）氦气的相对介电常数：1.0001。

图7 荷载和边界条件

在正常工作条件下，空气（低温恒温器内部）和G10 绝缘部位的峰值电场强度分别为433.67 V/mm 和384.04 V/mm，电场强度分布如图8 所示。在故障工况下，氦气段（低温器内）和G10 绝缘段的峰值电场强度为433.66 V/mm和384.04 V/mm。根据空气（10-3 pa）的击穿强度，直流（DC）下的氦气和G10 绝缘分别为3.5 kV/mm、450 v/mm 和3 kV/mm[5-8]，说明高温超导电流引线的介电强度足够。