張開明，朱銀鋒，吳小四，鄭 旭，唐夢雨，王傳東

(安徽建筑大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

在超導(dǎo)電物理裝置中，電流引線主要是用來連接處于室溫的電源和處于極低溫的超導(dǎo)磁體[1]。用于大型超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)電流引線應(yīng)具有足夠的通電流能力以及盡可能小的低溫?zé)嶝?fù)荷，并且還應(yīng)具備足夠的絕緣強(qiáng)度[2-3]。高溫超導(dǎo)電流引線是在室溫下制作，但卻運(yùn)行在極低溫條件下，金屬材料、高溫超導(dǎo)材料和絕緣材料熱膨脹系數(shù)的差異，絕緣材料的低溫脆性以及絕緣材料制備過程中產(chǎn)生的氣隙均能導(dǎo)致絕緣失效，由氣隙引發(fā)的局部放電產(chǎn)生的能量和高能粒子效應(yīng)會侵蝕其周圍的樹脂絕緣材料，最終引起絕緣層被擊穿造成嚴(yán)重事故[4-5]。本文以16 kA高溫超導(dǎo)電流引線為研究對象，通過開展電場強(qiáng)度的數(shù)值模擬探討絕緣結(jié)構(gòu)及絕緣材料缺陷對其絕緣性能的影響。

1 高溫超導(dǎo)電流引線結(jié)構(gòu)

高溫超導(dǎo)電流引線由金屬引線段、高溫超導(dǎo)引線段和低溫超導(dǎo)引線段等組成，低溫超導(dǎo)引線段末端與超導(dǎo)磁體饋線系統(tǒng)中的超導(dǎo)電纜相連[6-8]。高溫超導(dǎo)電流引線三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。萬安級高溫超導(dǎo)電流引線的基本參數(shù)見表1[9-10]。

圖1 高溫超導(dǎo)電流引線三維結(jié)構(gòu)

表1 萬安級高溫超導(dǎo)電流引線的基本參數(shù)

金屬引線通常根據(jù)剩余電阻比選用通電流能力和熱穩(wěn)定性較好的紫銅，金屬引線的冷卻通道選用耐低溫的不銹鋼材料制作。在大型超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中，高溫超導(dǎo)電流引線通常垂直或水平安裝，金屬引線段采用液氮、冷氦氣進(jìn)行冷卻。當(dāng)金屬引線的電阻率為ρ(T)、截面面積為A、電流密度為J時，沿金屬引線長度方向微元產(chǎn)生的焦?fàn)枱酫Joule和冷卻介質(zhì)流經(jīng)該微元帶走的熱量Qvap計算公式分別為：

dQJoule=ρ(T)J2Adz

(1)

dQvap=c(p)mdTvap

(2)

式(2)中，c(p)為冷卻介質(zhì)比熱；m為冷卻介質(zhì)質(zhì)量；Tvap為冷卻介質(zhì)溫度。

根據(jù)能量守恒原理可知，金屬引線段在冷卻介質(zhì)缺失情況下產(chǎn)生的焦耳熱會對電流引線加熱，設(shè)置在金屬引線段和高溫超導(dǎo)引線段之間的紫銅熱沉可有效抑制電流引線溫升的速率，從而提高整個電流引線的安全性。

當(dāng)電流引線的高溫超導(dǎo)體由于溫升引起失超，電流從支撐高溫超導(dǎo)體的筒狀分流器中流過。高溫超導(dǎo)帶材均勻布置在筒狀分流器外表面的開槽內(nèi)可使垂直磁場引起的通電流能力下降[9]。

2 高溫超導(dǎo)電流引線絕緣設(shè)計

2.1 絕緣必要性

超導(dǎo)磁體失超時呈現(xiàn)電阻加熱態(tài)，電流的快速變化在萬安級勵磁電流的超導(dǎo)磁體兩端產(chǎn)生高電壓，因此高溫超導(dǎo)電流引線需要進(jìn)行絕緣處理以承受高電壓。高電壓計算公式為：

(3)

由于高溫超導(dǎo)電流引線溫度梯度較大，其絕緣材料除了承受高電壓之外還需承受溫度梯度引起的熱應(yīng)力[11]。高溫超導(dǎo)電流引線結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)充分考慮絕緣結(jié)構(gòu)及絕緣材料對其低溫絕緣性能的影響 。

2.2 耐低溫絕緣材料

常用于萬安級高溫超導(dǎo)電流引線的耐低溫絕緣材料包括增韌環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺薄膜和玻璃纖維。3種絕緣材料的主要電學(xué)性能見表2[12-13]。

表2 3種絕緣材料的主要電學(xué)性能

對于多相混合物，若復(fù)合材料各組分分布均勻，根據(jù)Lichtenecker對數(shù)混合法可知，復(fù)合材料各組分的體積比決定其相對介電常數(shù)[14]：

(4)

式(4)中，Vi是第i組分的體積分?jǐn)?shù)；εi是第i組分的介電常數(shù)。

由式(4)可知，各組分分布均勻的復(fù)合材料相對介電常數(shù)由各組分的相對介電常數(shù)及體積比決定。對用于高溫超導(dǎo)電流引線的絕緣處理，通常采用連續(xù)的玻璃纖維增韌環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其相對介電常數(shù)還受到玻璃纖維空間布局的影響。常用于增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的玻璃纖維種類及其性能見表3[15]。

表3 玻璃纖維的種類及其性能

選取R玻璃纖維增強(qiáng)雙酚A環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行絕緣處理的16 kA高溫超導(dǎo)電流引線，當(dāng)R玻璃纖維體積比為70%，計算得到復(fù)合材料的相對介電常數(shù)約為4.87。

3 高溫超導(dǎo)電流引線電場仿真

3.1 絕緣材料內(nèi)部氣隙引起的電場變化

高溫超導(dǎo)電流引線運(yùn)行過程中，金屬材料和絕緣材料熱膨脹系數(shù)的差異可導(dǎo)致兩者脫粘，并且由于絕緣結(jié)構(gòu)制作過程中絕緣材料內(nèi)部產(chǎn)生氣隙等缺陷，從而導(dǎo)致絕緣材料絕緣性能下降，容易產(chǎn)生局部放電。

當(dāng)絕緣材料內(nèi)部氣隙為橢球體時，橢球體氣隙內(nèi)的電場強(qiáng)度Ee計算公式為[16]：

(5)

式(5)中，ε為絕緣材料的相對介電常數(shù)；E為絕緣材料的總電場強(qiáng)度；K為橢球體的無量綱特征，K=2/(abcA)，參量A為[16]：

(6)

式(6)中，s為虛擬變量；a，b，c分別為橢球體的半軸長度。

當(dāng)絕緣材料內(nèi)部氣隙為球體時，a=b=c，即K=3，球體氣隙內(nèi)的電場強(qiáng)度Es計算公式為[16]：

(7)

3.2 絕緣材料無微觀缺陷的電場仿真

16 kA高溫超導(dǎo)電流引線承受的最高電壓為直流4.5 kV，對上端法蘭的下部外表面進(jìn)行絕緣處理承受高電壓?？紤]到足夠的安全裕度，電場分析施加的電壓為直流10 kV。

在建立電場仿真模型之前定義材料屬性，空氣相對介電常數(shù)為1；玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相對介電常數(shù)為4.87；金屬材料相對介電常數(shù)為109。

電場仿真模型由空氣區(qū)、電流引線導(dǎo)體、電流引線絕緣體組成。采用6面體20節(jié)點(diǎn)的solid122實(shí)體單元劃分有限單元。為提高有限單元劃分的質(zhì)量，對于電流引線和空氣的回轉(zhuǎn)體部分采用掃描方式劃分單元，上端方形銅排以及空氣的非回轉(zhuǎn)體部分單獨(dú)采用掃描方式劃分單元，然后通過節(jié)點(diǎn)耦合與回轉(zhuǎn)體部分的有限單元連接。電場仿真建模如圖2所示。

(a) 電場分析模型 (b) 模型的網(wǎng)格單元

在仿真模型的外表面施加遠(yuǎn)場邊界，電流引線導(dǎo)體施加直流電壓10 kV，支撐電流引線的金屬法蘭施加電壓為0 V。絕緣材料無微觀缺陷電場強(qiáng)度云圖如圖3所示。從圖3中可以看出，電流引線絕緣法蘭盤和金屬引線段絕緣材料結(jié)合部位存在電場集中，另外，絕緣法蘭盤和支撐電流引線的金屬法蘭結(jié)合部位也存在電場集中。

圖3 絕緣材料無微觀缺陷電場強(qiáng)度云圖

沿絕緣法蘭徑向的A，B，C，D點(diǎn)定義節(jié)點(diǎn)路徑，徑向方向節(jié)點(diǎn)路徑及電場強(qiáng)度變化曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4 徑向方向節(jié)點(diǎn)路徑

圖5 電場強(qiáng)度變化曲線

3.3 絕緣材料有微觀缺陷的電場仿真

為了解絕緣材料中的微觀缺陷對高溫超導(dǎo)電流引線絕緣性能的影響，在仿真模型中的絕緣法蘭和金屬支撐法蘭結(jié)合部位建立直徑為0.5 mm的氣隙，氣隙位置如圖6所示。在電流引線導(dǎo)體施加電壓為10 kV，支撐法蘭電壓為0 V條件下計算電場強(qiáng)度。含氣隙絕緣層電場強(qiáng)度云圖如圖7所示。

圖6 氣隙位置

圖7 含氣隙絕緣層電場強(qiáng)度云圖

由圖7可知，電場強(qiáng)度最大值位于氣隙處為963.58 V/mm，該部位電場強(qiáng)度明顯高于絕緣法蘭和金屬支撐法蘭結(jié)合的其他部位，并且顯著高于絕緣材料無缺陷的電場強(qiáng)度最大值383.32 V/mm。如圖6所示，沿絕緣法蘭徑向的A，B，C，D點(diǎn)且通過氣隙定義節(jié)點(diǎn)路徑，沿該節(jié)點(diǎn)路徑的電場強(qiáng)度變化曲線如圖8所示。

圖8 電場強(qiáng)度變化曲線

3.4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)對高溫超導(dǎo)電流引線模型展開的電場強(qiáng)度仿真得出以下結(jié)論。

1) 絕緣結(jié)構(gòu)變化較大的部位容易產(chǎn)生電場強(qiáng)度集中。

2) 絕緣材料中存在氣隙等微觀缺陷會顯著降低電流引線的低溫絕緣特性，可通過改進(jìn)絕緣制造工藝加以改善。

4 結(jié)束語

1) 絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計以及絕緣材料的組分、配比和微觀結(jié)構(gòu)對高溫超導(dǎo)電流引線的低溫絕緣性能有較大影響。

2) 萬安級高溫超導(dǎo)電流引線的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)關(guān)注熱應(yīng)力引起的絕緣材料和導(dǎo)體材料脫粘問題，可以通過對玻璃纖維施加纏繞預(yù)緊力以及限制電流引線溫升加以避免。