李 力，孫星瑞，侯東斌，李 超，宋 萌，林友新，胡南南，史正軍

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 510080；2.西安聚能超導(dǎo)磁體科技有限公司，西安 710018）

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電子系統(tǒng)規(guī)模迅速擴(kuò)展，電網(wǎng)短路電流水平已經(jīng)逼近甚至超過(guò)開關(guān)設(shè)備的開斷能力，以致于嚴(yán)重影響到電網(wǎng)的安全運(yùn)行，也成為制約電力系統(tǒng)發(fā)展的重要因素。傳統(tǒng)的限制短路電流的方法主要通過(guò)加裝電抗器、分區(qū)等被動(dòng)方式達(dá)到限流目的，此類方式對(duì)電網(wǎng)的安全性及靈活性有較大影響，亟需研制適用于超高壓電網(wǎng)的主動(dòng)式限流裝置[1-3]。

由于超導(dǎo)材料有零電阻的性質(zhì)，因此，將其應(yīng)用到電力系統(tǒng)中可以大幅減少電能的熱損耗，節(jié)約電能。特別是以Bi2223、YBCO（釔鋇銅氧）為代表的高溫超導(dǎo)帶材，具有更強(qiáng)的載流能力、更高的磁場(chǎng)性能和更低的材料成本等特點(diǎn)，在超導(dǎo)儲(chǔ)能、超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)變壓器等超導(dǎo)電力領(lǐng)域取得顯著成果。超導(dǎo)材料的臨界性能（臨界電流密度、臨界磁場(chǎng)、臨界溫度）對(duì)于其是否能安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行至關(guān)重要。目前，超導(dǎo)材料、超導(dǎo)磁體在我國(guó)電力系統(tǒng)的應(yīng)用仍處于研發(fā)階段，高溫超導(dǎo)帶材的基礎(chǔ)物理特性及工程應(yīng)用問(wèn)題仍亟待解決。

主要介紹了Bi2223高溫超導(dǎo)帶材短樣的性能測(cè)試、徑向彎曲次數(shù)對(duì)Bi2223帶材臨界電流的影響、高溫超導(dǎo)雙餅線圈繞制工藝、測(cè)試方法及線圈接頭的焊接工藝等，針對(duì)各環(huán)節(jié)的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要地分析，期待為工程應(yīng)用積累更多的經(jīng)驗(yàn)。

1 Bi2223/Ag帶材性能測(cè)試

所采用的Bi2223/Ag超導(dǎo)帶為日本住友電工生產(chǎn)的Type HT-CA帶材，基本參數(shù)為：平均寬度4.5±0.1 mm、平均厚度0.34±0.02 mm、臨界電流Ic（77 K自場(chǎng)下）220 A。

由于超導(dǎo)帶材的性能直接影響雙餅線圈的性能，所以在雙餅繞制前，需要對(duì)超導(dǎo)帶的載流性能進(jìn)行測(cè)試。采用四引線法測(cè)試短樣在77 K自場(chǎng)下的臨界電流，通過(guò)Labview軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)控量數(shù)據(jù)的采集及記錄。圖1為四引線法測(cè)試示意圖。為了減小接觸電阻，帶材兩端和電流引線之間使用無(wú)氧銅塊進(jìn)行壓接。

圖1 四引線法測(cè)量示意圖Fig.1 Illustration of four leads method

Bi2223/Ag短樣長(zhǎng)度為16 cm，電壓引線間距為4 cm，電流升速為 1.2 A/s，失超判據(jù)為 1μV/cm[4]，測(cè)試結(jié)果如圖2所示，通過(guò)測(cè)試可知Bi2223/Ag樣品的臨界電流Ic為239.82 A.

圖2 Bi2223/Ag在77 K自場(chǎng)下臨界電流曲線Fig.2 Critical current of Bi2223/Ag short sample at 77 K

2 彎曲及應(yīng)變疲勞對(duì)Bi2223/Ag帶材性能的影響

在高溫超導(dǎo)雙餅線圈繞制過(guò)程中，繞制直徑的不同對(duì)超導(dǎo)帶材的性能有顯著的影響，導(dǎo)致雙餅線圈的載流能力存在較大差異[5-6]。同時(shí)，根據(jù)超導(dǎo)磁體電磁設(shè)計(jì)要求，超導(dǎo)線圈通常采用密排繞制或疊加繞制的方式，高溫超導(dǎo)雙餅線圈在繞制過(guò)程中，由于繞制操作異常等特殊原因會(huì)導(dǎo)致退線、重新繞制的情況，例如繞制過(guò)程中發(fā)生的帶材絕緣破損、帶材缺陷等，相同的繞制半徑經(jīng)過(guò)多次退線、再繞制后是否會(huì)發(fā)生載流性能的下降，是工程中經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題，也是高溫超導(dǎo)帶材大規(guī)模工程應(yīng)用面臨的主要問(wèn)題。為此研究多次彎曲后應(yīng)變疲勞對(duì)Bi2223/Ag載流能力的影響十分必要。

為了合理制定雙餅的繞制工藝，對(duì)不同彎曲直徑下Bi2223/Ag帶材的性能進(jìn)行測(cè)試，得出合理的繞制直徑。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中依次將帶材繞制通過(guò)直徑20～120 mm的繞線輪，并測(cè)量不同彎曲直徑下帶材的臨界電流，圖3為經(jīng)過(guò)彎曲處理的短樣。

在高溫超導(dǎo)線圈繞制過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生退線，甚至是重新繞制的情況，為了研究高溫超導(dǎo)帶材反復(fù)繞制對(duì)其性能的影響，實(shí)驗(yàn)分別將3根Bi2223/Ag帶材反復(fù)繞制3次、5次、7次和10次后通過(guò)直徑為35 mm、45 mm、55 mm的繞線輪繞線機(jī)構(gòu)，并采用四引線法分別測(cè)量各條帶材的臨界電流。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彎曲直徑分別為35mm、45mm、55mm時(shí)，彎曲次數(shù)對(duì)Bi2223/Ag帶材的載流性能影響不大。

圖3 經(jīng)過(guò)彎曲處理后的Bi2223/Ag短樣圖Fig.3 Bi2223/Ag short sample after bending test

圖4 彎曲次數(shù)與Bi2223/Ag帶材臨界電流的關(guān)系曲線Fig.4 The relationship between critical current and bending times of Bi2223/Ag

3 高溫超導(dǎo)線圈繞制工藝及性能測(cè)試研究

3.1 雙餅線圈繞制工藝研究

根據(jù)線圈設(shè)計(jì)要求，所用Bi2223超導(dǎo)帶材長(zhǎng)度約為306 m，為提高帶材的利用率，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，減少匝數(shù)，選擇采用雙帶并繞模式制作餅式線圈。由于超導(dǎo)帶平均寬度為4.5 mm，考慮到線圈絕緣及測(cè)試問(wèn)題，雙餅線圈設(shè)計(jì)厚度為12 mm，雙餅線圈之間的通道層厚度為1 mm，繞組線匝實(shí)際有效最小內(nèi)徑為1 940 mm。雙餅線圈采用多雙餅串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，根據(jù)系統(tǒng)電磁設(shè)計(jì)，最終繞組由80個(gè)雙餅構(gòu)成。每個(gè)雙餅線圈均由兩根超導(dǎo)帶材并聯(lián)繞制，共52匝，平均分布于正、反餅，單側(cè)正、反餅均包含26匝，分別由2根超導(dǎo)帶材上下疊繞。瞿青云等[7]、陳敬林等[8]、魏海鴻等[9]研究了Bi2223/Ag和YBCO雙餅的繞制工藝，提出了雙餅線圈的繞制方法，并成功完成了Bi2223/Ag和YBCO雙餅的繞制，為本項(xiàng)目雙餅線圈的繞制提供了一定的參考。

雙餅線圈的繞制分為兩個(gè)階段：正向繞制和反向繞制，每個(gè)單餅的第一匝為過(guò)渡層，過(guò)渡層直接決定整個(gè)線圈性能的優(yōu)劣，所以第一匝繞制結(jié)束后需要加以固定。繞制過(guò)程中，需控制繞制速度并時(shí)刻關(guān)注線圈絕緣情況。一側(cè)單餅繞制結(jié)束后，使用膠帶固定線圈，然后在繞好的單餅內(nèi)側(cè)加一層G10片做絕緣，在絕緣片的另一側(cè)反向繞制第二個(gè)餅。雙餅繞制的難點(diǎn)在于，在反向繞制前的扭角及翻餅過(guò)程中極易出現(xiàn)帶材扭折、錯(cuò)位及尖角的現(xiàn)象[10]，操作時(shí)需要控制工藝細(xì)節(jié)。反向與正向繞制工藝流程相似，整體繞制結(jié)束后需要用綢帶加以固定。Bi2223/Ag帶材繞制過(guò)程中容易發(fā)生彎曲形變，且不同彎曲半徑對(duì)超導(dǎo)帶材的載流能力影響顯著，選擇合適的繞線輪及相關(guān)工裝十分必要。

高溫超導(dǎo)線圈工作環(huán)境復(fù)雜，超導(dǎo)帶材有可能在電磁力的作用下發(fā)生位移從而導(dǎo)致失超的發(fā)生，為了使帶材層間緊密，雙餅繞制過(guò)程中需要施加一定的張力，繞制張力的大小會(huì)影響雙餅線圈性能，小的張力會(huì)使得線圈預(yù)緊力不夠，線圈松散性能下降；張力過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致帶材損傷，載流能力下降，Bi2223/Ag超導(dǎo)帶材的超導(dǎo)芯是脆性氧化物陶瓷材料，過(guò)大的張力會(huì)損傷帶材內(nèi)部的超導(dǎo)芯從而影響其性能。Li等[11]通過(guò)合理假設(shè)，提出了超導(dǎo)磁體繞制張力的計(jì)算模型，為線圈繞制張力的設(shè)定提供了理論依據(jù)。本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的改造，將理論計(jì)算與線圈繞制工程經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，最終確定繞線機(jī)在高溫超導(dǎo)帶材上的拉力為35～40 N。繞制成功的高溫超導(dǎo)線圈如圖5所示。

圖5 繞制成功的高溫超導(dǎo)線圈圖Fig.5 Bi2223/Ag double pancake coil

高溫超導(dǎo)雙餅線圈的測(cè)試采用四引線法，將雙餅線圈固定在測(cè)試骨架上，使用專用吊具將骨架與線圈一并放入線圈專用測(cè)試杜瓦中，測(cè)試過(guò)程中，使液氮液面充分覆蓋整個(gè)線圈，測(cè)試裝置如圖6所示。

圖6 雙餅線圈測(cè)試裝置圖Fig.6 Cold test of double pancake coil

圖7是雙餅線圈在升流速度為2 A/min時(shí)的VI曲線。雙餅在未失超前，直流特性曲線比較平坦，雙餅測(cè)試的判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為1μV/cm。載流高溫超導(dǎo)的特性曲線通常表示為：

式中：I為傳輸電流，根據(jù)雙餅測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，可以得到雙餅線圈的臨界電流Ic和n值。采用上述方法測(cè)得了高溫超導(dǎo)雙餅線圈在77 K自場(chǎng)下的臨界電流為157.12 A，與帶材短樣臨界電流239.82 A（如圖2）相比，雙餅線圈的Ic能達(dá)到短樣的70.1%。測(cè)試結(jié)果表明，采用雙餅繞制工藝制造的高溫超導(dǎo)雙餅線圈性能較好，能夠滿足超導(dǎo)限流器的基本要求。

圖7 雙餅線圈V-I曲線Fig.7 V-I curve of HTS coil

4 高溫超導(dǎo)帶材接頭的焊接

超導(dǎo)線圈組成的系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，理論上幾乎無(wú)熱量損耗，此時(shí)線圈間接頭電阻所產(chǎn)生的焦耳熱成為主要熱源，直接影響到磁體的運(yùn)行情況。降低雙餅線圈接頭的電阻，可有效提高超導(dǎo)限流器的穩(wěn)定性和相關(guān)制冷費(fèi)用[12]。高溫超導(dǎo)帶材焊接工藝的研究是超導(dǎo)限流器研制的關(guān)鍵技術(shù)。邵慧等[13]對(duì)影響B(tài)i2223/Ag焊接接頭的因素進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析，發(fā)現(xiàn)焊接溫度、焊料、焊接搭接長(zhǎng)度、焊接方式是影響接頭電阻的主要因素。黃暉等[14]采用不同的方式對(duì)焊接溫度、焊料等影響因素做了進(jìn)一步的研究，發(fā)現(xiàn)Bi2223/Ag帶材在焊接溫度為273～673 K內(nèi)，其載流性能沒(méi)有明顯的變化，同時(shí)采用Sn63Pb以釬焊的方式在焊接溫度約為493 K得到的超導(dǎo)帶材接頭焊接均勻性良好，其接頭電阻測(cè)試結(jié)果在10-8～10-9Ω之間。

實(shí)驗(yàn)參考其他焊接工藝，采用Sn63Pb釬焊的方式對(duì)高溫超導(dǎo)帶材接頭進(jìn)行焊接處理，焊接溫度選擇為493 K。除了焊接溫度和焊料對(duì)帶材焊接后的性能有一定影響外，帶材的搭接長(zhǎng)度也對(duì)焊接后雙餅線圈的載流性能有較大的影響，為了制定合理的帶材焊接工藝，需要對(duì)不同搭接長(zhǎng)度下的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，以選擇最優(yōu)的帶材焊接搭接長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)采用2.0 cm、2.5 cm、3.0 cm、3.5 cm、4.0 cm 不同搭接長(zhǎng)度，得到接頭電阻為8.9×10-9Ω、6.0×10-9Ω、5.1×10-9Ω、4.8×10-9Ω、4.4×10-9Ω。

由此可以得出，帶材搭接長(zhǎng)度對(duì)超導(dǎo)接頭電阻有明顯的影響，當(dāng)帶材搭接長(zhǎng)度較短時(shí)，接頭電阻較大，隨著搭接長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，接頭的電阻值逐漸減小。當(dāng)帶材的搭接長(zhǎng)度為4 cm時(shí)，帶材焊接后載流能力與短樣測(cè)試結(jié)果類似，此時(shí)若繼續(xù)增加搭接長(zhǎng)度，接頭電阻的變化程度不大，反而使焊接工藝難度加大，甚至?xí)斐蓭Р暮附有阅艿耐嘶?。因此，在雙餅帶材焊接過(guò)程中，要適當(dāng)控制接頭的搭接長(zhǎng)度，減小接頭電阻，同時(shí)又降低了焊接的難度。圖8為搭接長(zhǎng)度與接頭電阻的關(guān)系。

圖8 搭接長(zhǎng)度與接頭電阻的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between joint resistance and contact lenth of Bi2223/Ag

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)高溫超導(dǎo)雙餅帶材的性能進(jìn)行測(cè)試，得出結(jié)論：

（1）采用四引線法對(duì)超導(dǎo)限流器所用Bi2223/Ag帶材測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其臨界電流為239.82 A。當(dāng)徑向彎曲直徑大于70 mm時(shí)，帶材臨界電流相比未彎曲前基本沒(méi)有變化；當(dāng)彎曲直徑小于70 mm，帶材臨界電流開始出現(xiàn)明顯衰減，隨著彎曲直徑的不斷減小，臨界電流的衰減速率逐漸加快，直到帶材喪失超導(dǎo)性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相同彎曲直徑下，彎曲次數(shù)與帶材臨界電流沒(méi)有明顯的關(guān)系。

（2）雙餅線圈的繞制分為正、反兩個(gè)階段，每個(gè)單元餅繞制時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制相關(guān)過(guò)程的工藝細(xì)節(jié)，避免在扭角及翻餅時(shí)出現(xiàn)帶材扭折、錯(cuò)位及尖角等現(xiàn)象發(fā)生，確保線圈繞制的均勻性、可靠性。雙餅線圈測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其77 K自場(chǎng)下的臨界電流為157.12 A，雙餅性能達(dá)到短樣的70.1%，進(jìn)一步證明繞制工藝的可靠性。

（3）高溫超導(dǎo)帶材焊接工藝是超導(dǎo)限流器研制的關(guān)鍵技術(shù)，接頭的電阻直接影響線圈載流能力，采用焊接溫度493 K、焊料Sn63Pb，搭接長(zhǎng)度4 cm時(shí)，獲得了較好的焊接效果，為超導(dǎo)限流器的安全運(yùn)行提供了基礎(chǔ)。