【摘 要】
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随着高温超导技术的发展,第二代高温超导带材YBCO凭借其高载流能力、高临界温度等优越性在超导电力设备的应用中愈加广泛。但由于高温超导带材尚不成熟的制备工艺与其极低温下的电-磁-热运行工况,超导带材在线圈绕制、短路冲击等过程中十分容易受到复杂应力的作用而产生性能退化,影响并联超导带材电流分布的均匀性,给高温超导设备的运行带来安全隐患。本文目的在于研究应力作用下高温超导带材载流性能的变化特性与退化机理
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随着高温超导技术的发展,第二代高温超导带材YBCO凭借其高载流能力、高临界温度等优越性在超导电力设备的应用中愈加广泛。但由于高温超导带材尚不成熟的制备工艺与其极低温下的电-磁-热运行工况,超导带材在线圈绕制、短路冲击等过程中十分容易受到复杂应力的作用而产生性能退化,影响并联超导带材电流分布的均匀性,给高温超导设备的运行带来安全隐患。本文目的在于研究应力作用下高温超导带材载流性能的变化特性与退化机理,分析并联带材的动态电流调节机制与性能退化对并联电流分布的影响,主要研究如下:(1)实验测试了超导带材在应力作用下临界电流的变化与超导带材的机械特性,对临界电流在应力作用下的变化规律进行了分析。研究发现应力作用下的超导带材在应变小于0.5%仅发生弹性变形,临界电流变化不大。而当应变大于0.5%进入屈服阶段后,由于超导带材开始产生塑性变形,临界电流会随着应变的增大而不断降低,当应变达到0.8%时,超导带材基本丧失超导载流性能。(2)利用磁探针扫描和扫描电镜观测,从临界电流密度分布与微观结构变化的角度分析了应力作用下超导带材局部临界电流下降的机理。基于超导层的结构缺陷,建立了高温超导带材的电-热耦合缺陷仿真模型,对其失超传播过程中的电热分布特性进行了研究,得出了局部临界电流下降在整体载流性能退化中的作用机制。通过实验测试了不同缺陷带材的载流能力,对上述分析进行了验证。研究表明超导层微裂纹缺陷造成的临界电流密度与可通流面积下降是局部临界电流下降的主要原因。载流能力的退化受到局部临界电流下降程度与电流方向上优先失超区域面积的影响,其中优先失超区域面积影响更大,说明优先失超面积是影响失超热量积累与传播的主要因素。(3)实验研究了带材性能退化对并联带材电流分布的影响,揭示了并联带材动态电流分布的调节机制,获得了超导带材性能退化与两支路电流差的关系,并从失超电阻变化与能量积累的角度分析了造成电流分布不均匀的原因。研究发现并联带材的电流分布变化是一个受临界电流与失超电阻影响的电热耦合动态调节过程。临界电流的退化会造成并联带材的不同步失超,而失超电阻的退化会阻碍电流分布调节的自平衡,进而造成电流分布的不均匀。尤其当带材应变进入屈服阶段后,电流最大值处会产生较大的并联电流差,且该差异会随着性能退化程度与施加电流幅值的增大而增大。此外,本文还建立了并联超导带材-焊接电阻仿真模型,更系统地对焊接电阻的均流作用进行了分析,结果表明焊接电阻只决定超导带材失超前电流分布,对并联带材失超后的电流分布几乎不造成影响。本文对应力作用下高温超导带材载流性能的变化特性与退化机理进行了研究,分析得到了并联带材的动态电流调节机制与性能退化对电流分布的影响。研究成果可以为超导设备的长期稳定运行与超导带材的并联使用提供理论参考。
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