黑穎頓，羅書山，譚亞雄，陳偉根，周興梅

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400044）

0 前言

自上世紀(jì)90年代以來，高溫超導(dǎo)材料實用化技術(shù)取得了重大突破。隨著高溫超導(dǎo)材料制備技術(shù)的日益成熟，使用長度Bi系和Y系高溫超導(dǎo)帶材已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)階段，極大地推進(jìn)了高溫超導(dǎo)技術(shù)的研究。目前，高溫超導(dǎo)帶材廣泛應(yīng)用于超導(dǎo)電纜、限流器、變壓器等超導(dǎo)電力設(shè)備，并實現(xiàn)了示范運(yùn)行[1-2]。

臨界電流是衡量高溫超導(dǎo)帶材載流特性的重要參數(shù)之一[3-4]。高溫超導(dǎo)材料是氧化物陶瓷材料，具有晶粒特性和強(qiáng)烈的各向異性，因此，高溫超導(dǎo)帶材的臨界電流不僅受到磁場強(qiáng)度的影響，還與磁場的方向密切相關(guān)。超導(dǎo)電力設(shè)備在實際應(yīng)用中往往處于磁場環(huán)境中，超導(dǎo)帶材的臨界電流在磁場下呈現(xiàn)不同程度的衰減[5-6]。因此，對高溫超導(dǎo)帶材在不同磁場下的角度依賴性研究很有必要。

本文選取美國超導(dǎo)（AMSC）、韓國蘇南（SuNAM）、上海超導(dǎo)和蘇州新材料研究所（以下簡稱蘇新所）等國內(nèi)外超導(dǎo)帶材廠商生產(chǎn)的幾種典型高溫超導(dǎo)帶材為研究對象，通過測試各帶材在77 K溫度、0～1 T/360°磁場環(huán)境下的臨界電流，分析其電流衰減情況及各向異性，掌握高溫超導(dǎo)帶材在磁場環(huán)境下的臨界電流角度依賴性，為高溫超導(dǎo)帶材的應(yīng)用提供參考。

1 實驗方法

1.1 臨界電流測量方法

本文采用接觸式四引線法進(jìn)行帶材臨界電流測試[7-8]。如圖1所示，電流引線位于帶材兩端，接直流電源；電壓引線位于帶材中央，接納伏表。開始測量時，直流電源對超導(dǎo)帶材通電流，納伏表測量一部分長度（本文取1 cm）帶材上的壓降，并采用1 μV/cm作為判據(jù)，判斷帶材的臨界電流Ic，如圖2所示。四引線法的測量結(jié)果不受引線自身電阻以及接觸電阻的影響，精確度表現(xiàn)優(yōu)秀，可以用于監(jiān)測帶材樣品上的微小電阻變化。

圖1 四引線法測量電路示意圖

圖2 高溫超導(dǎo)帶材的U-I特性曲線

1.2 背景磁場

本文通過對超導(dǎo)樣品添加背景磁場，測試其角度依賴性。本文采用的背景磁場由帶鐵芯的超導(dǎo)磁體產(chǎn)生，超導(dǎo)線圈繞組套在鐵芯上，如圖3所示。鐵芯中間有氣隙用于放置樣品。當(dāng)超導(dǎo)線圈繞組通電后，氣隙中便會產(chǎn)生均勻的強(qiáng)磁場。磁場的強(qiáng)度大小與超導(dǎo)線圈繞組中的電流大小呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。由于鐵磁材料的磁導(dǎo)率是非線性的，所以磁體氣隙中的磁場大小與超導(dǎo)線圈繞組中的電流值并不是線性關(guān)系，在實際使用中需要查看磁體標(biāo)定曲線，如圖4所示，根據(jù)所需要的磁場大小來輸入合適的磁體電流。

圖3 背景磁場示意圖

圖4 磁體標(biāo)定曲線

2 實驗樣品及平臺

2.1 實驗樣品

本文選取美國超導(dǎo)（AMSC）、韓國蘇南（SuNAM）、上海超導(dǎo)和蘇新所等國內(nèi)外超導(dǎo)帶材廠商生產(chǎn)的4種典型高溫超導(dǎo)帶材為研究對象，具體參數(shù)如表1所示。

表1 帶材樣品參數(shù)

2.2 實驗平臺

超導(dǎo)帶材角度依賴性測試系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)臺用于控制帶材樣品旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)0～360°任意角度的連續(xù)測量；測量架用于連接旋轉(zhuǎn)臺、通流線路及樣品臺，實現(xiàn)升降、旋轉(zhuǎn)情況下通電等功能；樣品臺上可焊接超導(dǎo)帶材樣品于電極A、B之間，從而實現(xiàn)超導(dǎo)帶材的通流，如圖5所示；杜瓦用于承裝液氮及背景磁體，為超導(dǎo)帶材提供液氮低溫和磁場環(huán)境。

3 實驗結(jié)果及分析

應(yīng)用本文提出的實驗方法、樣品及裝置，對4種高溫超導(dǎo)帶材在77 K，0～1 T/360°磁場環(huán)境下進(jìn)行臨界電流角度依賴性測試。實驗結(jié)果如圖5所示，其中定義臨界電流歸一化值為：

式中：ρ為歸一值；Ic為超導(dǎo)帶材臨界電流測量值；I0為超導(dǎo)帶材臨界電流自場初始值。

從圖7中可以看出，對于4種帶材樣品，隨著磁場的增大，臨界電流均衰減較大，且在0～0.5 T范圍內(nèi)衰減程度明顯大于0.6 T～1.0 T范圍。從0.6 T開始，各帶材臨界電流在各個角度都較小，僅為初始值的30%左右。臨界電流對磁場強(qiáng)度的依賴性很大。

而對于各帶材的角度依賴性，為方便觀察，取各帶材在不同磁場強(qiáng)度下垂直場和平行場的臨界電流歸一值作圖（由于平臺設(shè)計的原因，本文中取90°和270°為平行場），觀察得到在垂直場下超導(dǎo)帶材的臨界電流總是小于平行場下臨界電流，如圖6所示。綜合圖5和圖6可以看出：

1）對于AMSC-8501超導(dǎo)帶材，在同一磁場下，臨界電流值隨磁場角度變化不大，即該帶材在磁場環(huán)境下的角度依賴性不明顯；

2）對于SuNAM-SCN04150超導(dǎo)帶材，在0.1 T磁場下，帶材臨界電流在360°范圍內(nèi)波動；而在0.2～1.0 T范圍內(nèi)，60～120°和240～300°范圍臨界電流波動較為明顯，分別由90°和270°處向兩側(cè)衰減，在其余角度范圍變化不明顯；該帶材隨著磁場增大，角度依賴性有所增強(qiáng)；

圖5 各帶材對磁場的角度依賴性

圖6 各帶材垂直場與平行場歸一值

3）對于上海超導(dǎo)ST-05-EL100超導(dǎo)帶材，在同一磁場下，臨界電流在360°范圍內(nèi)波動較為明顯，分別由90°和270°處向兩側(cè)衰減；該帶材角度依賴性較為明顯；

4）對于蘇新所DCCS002超導(dǎo)帶材，在同一磁場下，70～100°和250～280°范圍臨界電流波動較為明顯，分別由90°和270°處向兩側(cè)衰減，在其余角度范圍變化不明顯，即該帶材在70～100°和250～280°范圍內(nèi)角度依賴性較為明顯。

4 結(jié)束語

本文選取AMSC-8501、SuNAM-SCN04150、上海超導(dǎo)ST-05-EL100和蘇新所DCCS002等國內(nèi)外超導(dǎo)帶材廠商生產(chǎn)的4種典型高溫超導(dǎo)帶材為研究對象，通過測試各帶材在77 K溫度、0～1 T/360°磁場環(huán)境下的臨界電流，分析其電流衰減情況及角度依賴性，掌握了高溫超導(dǎo)帶材在磁場環(huán)境下的臨界電流變化規(guī)律：

1）隨著磁場強(qiáng)度的增大，高溫超導(dǎo)帶材的臨界電流衰減嚴(yán)重，帶材對磁場的依賴性較強(qiáng)；

2）在不同的磁場大小及角度下，不同超導(dǎo)帶材表現(xiàn)出的角度依賴性往往不同：AMSC-8501超導(dǎo)帶材在磁場環(huán)境下的角度依賴性不明顯；對于SuNAM-SCN04150超導(dǎo)帶材，隨著磁場增大，角度依賴性有所增強(qiáng)；上海超導(dǎo)ST-05-EL100超導(dǎo)帶材在360°范圍內(nèi)角度依賴性較為明顯；蘇新所DCCS002超導(dǎo)帶材在70～100°和250～280°范圍內(nèi)角度依賴性較為明顯；

3）在同一磁場強(qiáng)度下，對于所有實驗帶材，垂直場下的臨界電流總是小于平行場下的臨界電流。

以上結(jié)論為超導(dǎo)設(shè)備的設(shè)計及高溫超導(dǎo)帶材的應(yīng)用提供參考：高溫超導(dǎo)帶材在不同磁場強(qiáng)度及大小下呈現(xiàn)不同的角度依賴性，因此在其應(yīng)用過程中，需根據(jù)超導(dǎo)設(shè)備工作的磁場環(huán)境選擇合適的帶材，且必須保證設(shè)備工作電流小于帶材垂直場下的臨界電流。同時，在今后的工作中，可從超導(dǎo)帶材的微觀結(jié)構(gòu)入手，進(jìn)一步深入研究各帶材呈現(xiàn)不同角度依賴性的微觀原因，從而為超導(dǎo)帶材的制備提供參考。