并绕铜带对高温超导绕组交流损耗影响实验研究_陈志福

低温与超导第42卷第7期超导技术Superconductivity Cryo．＆Supercond．Vol．42No．7投稿日期：2014－04－25基金项目：国家“863”计划课题———500kV 大容量超导限流器样机研制（2014AA032705）资助。

作者简介：陈志福（1982－），男，博士，研究方向为超导技术与应用。

并绕铜带对高温超导绕组交流损耗影响实验研究陈志福1，2，张敬因2，魏子镪2，王立中2，信赢2，龚伟志2，洪辉2，余梦泽3，韦斌3（1．天津大学机械工程学院，天津300072；2．北京云电英纳超导电缆有限公司，北京100176；3．广东电网公司电网规划研究中心，广州510080）摘要：在许多超导电力设备的应用中，超导绕组的机械性能和电流过载能力是关乎设备运行安全性和可靠性的重要现实问题。

利用铜线（或铜带）与高温超导带材平行绕制的方法是解决这一问题的可行方案之一。

但这种方案有可能带来额外的交流损耗。

为了研究这一问题，制作了两个尺寸相同的超导绕组，绕组内径70mm ，外径90mm ，高45mm ，其中一个绕组由超导带与铜带并绕而成，另一个则由超导带材单独绕制而成。

两个样品使用的超导带材均为一代Bi －2223/Ag 高温超导带，宽4．6mm ，厚0．22mm ；铜加强带宽5mm ，厚0．1mm 。

采用了卡路里法对比研究了两个样品的交流损耗。

实验结果显示加入铜带没有明显增加超导绕组的交流损耗。

因此，超导绕组中并绕铜带不失为一种有效提高超导绕组机械性能和过载能力的方法，在超导电力设备中有一定的应用价值。

关键词：高温超导；超导绕组；铜加强带；交流损耗Investigation of the effect of parallel wound copper tapes for HTS coils on ac lossChen Zhifu 1，2，Zhang Jingyin 2，Wei Ziqiang 2，Wang Lizhong 2，Xin Ying 2，Gong Weizhi 2，Hong Hui 2，Yu Mengze 3，Wei Bin 3（1．School of Mechanical Engineering ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ；2．Innopower Superconductor Cable Co．，Ltd．，Beijing 100176，China ；3．Grid Planning ＆Ｒesearch Center ，Guangdong Power Grid Co．，Guangzhou 510080，China ）Abstract ：In some cases ，copper wires /tapes are used in parallel with HTS tapes for fabricating magnet coil to enhance its mechanical or electrical stability．The addition of the copper tapes may increase AC loss of the coil．In this work ，we investigated AC loss of HTS coils with strengthening copper tapes．Two HTS coils were fabricated．One of them was made by HTS tapes only ；another was made by HTS tapes and parallel copper tapes．The HTS tape was 1G Bi －2223/Ag tape with width 4．6mm and thick 0．22mm．The width and thick of copper tape were 5mm and 0．1mm respectively．The inside and outside diameters of the coils were 70mm and 90mm respectively ，the height is 45mm．AC loss of the coils was measured by weighting the liquid nitrogen evap-orating rate under different AC loads．The experimental data show that the copper tape does not substantially increase the AC loss of the coils．Keywords ：High temparature superconductor ，HTS coil ，Strengthening copper tape ，AC loss1引言高温超导材料具有很高的通流能力、很低的损耗，且对环境友好，对于设计制造新型的节能环保的电力设备有非常重要意义和价值。

由高温超导带材绕制的绕组是高温超导限流器、高温超导储能系统等设备的关键部分。

绕组的性能对于设备有至关重要的影响。

对于限流器的大型高温超导磁体，在制作过程和冷却过程中由于材料性质、材料分布的不均匀可能使超导绕组内产生应力集中。

当超导绕组通电时，超导绕组也可能会受到较大的电磁力作用。

绕组中过大的应力在一定程度上会影响超导带材的通流能力，甚至造成绕组损伤［1］。

另外，对于高温超导储能系统中的超导绕组，绕组的导冷是影响系统性能的关键问题。

对于以上的问题，可以采用高温超导带和铜带并绕制作超导绕组的方法来增强高温超导绕组的机械稳定性、电气稳定性和热稳定性。

这种方法有以下几点好处。

第一，使用铜带与超导带材并绕制作绕组可以提高超导绕组的机械强度［2］。

第二，如果超导导体失超，并联铜带可以起到辅助通流的作用，减小电流对超导导体的冲击。

第三，超导绕组中加入铜带，可以增大超导绕组的热容量，增加导冷通道，增强冷却效果。

但是，铜带的引入同时可能会增加超导绕组的交流损耗。

如果交流损耗过大，会影响绕组的通流能力、设备的功耗等，使加入铜带的效果得不偿失。

为了研究并绕铜带对高温超导绕组交流损耗的影响，我们制作了两个小超导绕组。

一个是仅由超导带绕制，另一个是由超导带和铜带并行绕制。

两个小绕组结构、尺寸相同。

本文通过测量两个样品的热损耗分析，加强铜带对超导绕组交流损耗的影响。

关于交流损耗的测量，采用热测法，即测量由于绕组的能量损耗引起的液氮蒸发率来计算绕组的交流损耗［3］。

2实验设备与原理介绍2．1超导绕组为了研究加强铜带对超导绕组交流损耗的影响，我们制作了两个超导绕组，分别为：样品1，仅由裹绝缘的超导带绕制而成，如图1（a）所示；样品2，由裹绝缘的超导带、铜带和绝缘带三层叠绕而成，如图1（b）所示。

叠绕方法如图1（c）所示，表1超导绕组样品参数Tab．1HTS coil sample parameters参数名称参数值超导带类型Bi－2223/Ag 超导带I c（自场，77K）≥170A超导带宽度4．6mm超导带厚度0．22mm铜带宽度5mm铜带厚度0．1mm绕组内径70mm绕组外径90mm绕组高度45mm绕组匝数样品1158样品2144使用带材长度约36m超导带材和铜带平行，绝缘胶带在叠绕后刚好隔在相邻两匝铜带之间，起到匝间绝缘的作用。

这样避免了绕组通交流电时铜带短路可能引起的较大环流损耗，影响超导绕组的通流能力和实验的准确性。

两个样品的尺寸大致相同，匝数接近，使用的超导带材均为一代Bi－2223/Ag高温超导带。

超导带材和超导绕组样品的具体参数见表1。

（c）叠绕方法图1超导绕组样品和叠绕方法示意图。

1号样品由超导带绕制，2号样品由超导带、铜带、绝缘带三层叠绕。

Fig．1Sample winding illustration：（a）Sample1；（b）Sample2；（c）Overlapping Winding Method2．2其它实验设备其它实验设备主要包括：美国POPE－8942杜瓦瓶，容积4300mL（见图2）；普利斯特PTQ－A10000电子秤，测量精度0．1g；最大通流200A，最大输出电压5V的直流电源；最大通流126A，最大输出电压115V的交流电源；保护电阻等。

图2实验设备Fig．2Test equipment：（a）Dewar and scale；（b）Current lead and coils．2．3实验原理测量超导绕组的热损耗有许多种方法，其中主要有电测法和热测法［4］。

热测法主要通过测量浸泡绕组的液氮的蒸发率来计算绕组的热损·92·第7期超导技术Superconductivity耗。

热测法实验原理简单，测量较准确。

因此本文采用热测法。

实验中液氮和绕组盛放在低温容器（杜瓦）内，如图3所示。

通过电子称可以测量液氮容器的重量变化。

电子称测量数据通过数字接口记录到计算机内。

图3热测法测交流损耗示意图Fig．3Illustration of heat method实验中引起液氮蒸发的热量来源主要有三部分：环境热源，超导绕组引线、接头等电阻不为零的部分通流时产生的焦耳热，超导绕组的交流损耗（包括磁滞损耗、涡流损耗等）。

为了准确测量交流损耗，需要从总热损耗中减去前两个因素带来的热损耗。

因此，在测量超导绕组交流损耗时按以下四个步骤进行：（一）首先测量样品的临界电流、电感、交流通流能力。

确定适当的实验通流参数。

（二）测自然漏热Q 1将样品放入盛有液氮的杜瓦瓶。

不通电流，记录1个小时自然蒸发过程中消耗的液氮量，对应的热损耗记为Q 1，以此作为自然漏热本底。

（三）测直流损耗Q d 直流损耗反映超导绕组引线、接头等有电阻部分通流时产生的焦耳热。

实验时，给杜瓦瓶补充液氮，通过一定大小的直流电流，记录1小时内的液氮蒸发量，对应的热损耗记为Q 2。

则直流损耗可以表示为：Q d =Q 2－Q 1，即测直流损耗时的液氮蒸发量扣除自然漏热本底后即为样品的直流损耗。

（四）测交流损耗Q a给杜瓦瓶补充液氮。

通交流电流，其有效值大小与第（三）步中直流电流大小相同。

记录1个小时内的液氮蒸发量，对应的热损耗记为Q 3。

则绕组的交流损耗可以表示为：Q a =Q 3－Q 1－Q d ，即通交流时的液氮蒸发量扣除自然漏热本底和直流损耗后为样品的交流损耗。

将这一步的测量重复三次，用测量数据的平均值作为最后的测量结果。

根据以上步骤分别对样品1和样品2进行测量。