简介概要

YBCO带材在直流冲击下的电阻变化规律研究

来源期刊：稀有金属2018年第10期

论文作者：王浩男张志丰邱清泉刘清峰刘师卓张国民

文章页码：1040 - 1045

关键词：直流冲击;YBCO带材;失超过程;焦耳热;

摘要：多端柔性直流输电系统的直流侧短路故障电流严重影响电网运行安全性。研究了直流故障电流特征,建立了直流冲击平台,测量了YBCO带材试样在直流冲击下的电阻变化规律,详细分析了电阻-电流曲线整体形状特征和走势规律以及在失超初期的电阻骤增现象:将电阻-电流曲线分为顺时针型、8字型、逆时针型和半环型四类,解释了失超恢复过程中的液氮散热对曲线走势的影响;利用统计方法发现了电阻骤增现象与起始失超电流过低之间的充分必要关系,给出了电阻骤增现象发生的电流上升速度阈值大约为770 A·m-1。利用电阻-焦耳热曲线发现了失超过程中YBCO带材电阻与产热之间存在明确的对应关系,并给出了失超过程中电阻与产热之间的通用拟合关系式,验证了失超过程中液氮散热对YBCO带材失超的影响不大。该研究为超导直流限流器的优化设计奠定了基础。

网络首发时间: 2018-04-18 17:49

稀有金属 2018,42(10),1040-1045 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy17080030

YBCO带材在直流冲击下的电阻变化规律研究

王浩男张志丰邱清泉刘清峰刘师卓张国民

中国科学院电工研究所应用超导重点实验室

中国科学院大学

摘要：

多端柔性直流输电系统的直流侧短路故障电流严重影响电网运行安全性。研究了直流故障电流特征, 建立了直流冲击平台, 测量了YBCO带材试样在直流冲击下的电阻变化规律, 详细分析了电阻-电流曲线整体形状特征和走势规律以及在失超初期的电阻骤增现象:将电阻-电流曲线分为顺时针型、8字型、逆时针型和半环型四类, 解释了失超恢复过程中的液氮散热对曲线走势的影响;利用统计方法发现了电阻骤增现象与起始失超电流过低之间的充分必要关系, 给出了电阻骤增现象发生的电流上升速度阈值大约为770 A·m-1。利用电阻-焦耳热曲线发现了失超过程中YBCO带材电阻与产热之间存在明确的对应关系, 并给出了失超过程中电阻与产热之间的通用拟合关系式, 验证了失超过程中液氮散热对YBCO带材失超的影响不大。该研究为超导直流限流器的优化设计奠定了基础。

关键词：

直流冲击;YBCO带材;失超过程;焦耳热;

中图分类号： TM721.1

作者简介：王浩男 (1994-) , 男, 河北邯郸人, 硕士研究生, 研究方向:超导直流限流器;E-mail:wanghaonan@mail.iee.ac.cn;;*张志丰, 副研究员;电话:18600513769;E-mail:zhzf@mail.iee.ac.cn;

收稿日期：2017-08-29

基金：国家自然科学基金项目 (51577179, 51721005);国家科技部国家重点基础研究发展计划 (973计划) 项目 (2015CB251005);中国科学院前沿科学重点研究项目 (QYZDJ-SSW-JSC025) 资助;

Resistance Characteristics of YBCO Tape under Direct Current Impact

Wang Haonan Zhang Zhifeng Qiu Qingquan Liu Qingfeng Liu Shizhuo Zhang Guomin

Applied Superconductivity Key Laboratory, Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Science

University of Chinese Academy of Science

Abstract：

Direct current ( DC) short circuit fault current of the multi-terminal flexible DC transmission system affected the operation safety of the power grid seriously. The characteristics of DC fault current were studied, and the DC impact platform was established.The variation law of resistance and temperature of YBCO tape specimen under DC impact was measured. The shape and trend of resistance-current curve ( R-I curve) and the resistance surge ( R-surge) were analyzed in detail: the R-I curve was pided into clockwise, 8-shaped, counterclockwise and semi-ring and liquid nitrogen' s heat dissipation effect during the recovery was explained; the results showed that there was a sufficient and necessary correlation between R-surge and the initial quenching current, and the current rise speed threshold was about 770 A·m-1. The relationship between the resistance of YBCO tape and the Joule heat was found by the resistance-Joule curve ( R-Q curve) . The general fitting relation between resistance and Joule heat during quenching was given. The results showed that liquid nitrogen's heat dissipation had little effect on YBCO tape's quench. This study laid the foundation for the optimal design of superconducting DC current limiter.

Keyword：

direct current (DC) impact; YBCO tape; quenching; Joule heat;

Received： 2017-08-29

目前, 随着直流输电系统的大规模筹建与传输功率的提高, 其中许多技术难题日益凸显出来, 直流故障中电流的开断就是其中之一^[1]。不同于常规交流输电系统, 直流输电系统在发生短路故障时, 不存在电流过零, 这对断路器的开断能力提出了更高的要求。

为了将故障电流限制在断路器可以切断的范围之内, 直流限流技术受到了广泛关注, 超导限流器应运而生, 形成了一系列的限流原理, 而且完成了多项示范工程^[2,3]。而电阻限流的方式利用了超导失超后产生电阻的特性, 因而响应迅速, 且具有吸能效果, 被认为是直流限流的理想方案之一^[4]。

近些年YBCO高温超导带材已经成为研制电阻型超导故障限流器 (RSFCL) 的关键材料^[5]。对YBCO带材的电阻特性研究也有了一定的进展, 主要集中于带材失超时的电阻变化以及失超恢复时间与低温环境的关系^[6,7,8], 提出了相应的电-热耦合模型^[9,10]。

本文利用直流冲击平台对YBCO带材试样进行直流冲击实验, 用以模拟带材在直流故障电流下的失超过程。通过调整相关参数, 测量了不同冲击电流峰值和冲击时间下的带材电压的变化情况, 得到了带材电阻-电流曲线, 对曲线的形状和走势进行了总结和解释。此后, 本论文截取了局部电阻-电流曲线簇, 分析了冲击电流的大小、电流上升速度和时间对YBCO带材电阻的影响, 并给出了解释。

1 实验

1.1 直流冲击平台

直流输电系统发生短路时的暂态过程类似于电容器放电过程^[11]。本文利用直流冲击平台的电容放电, 产生的冲击电流模拟了直流故障电流。测量了在冲击电流作用下10 cm带材试样的电压变化情况, 经过电脑运算处理得到了YBCO带材的电阻变化情况。平台的原理图和实物图如图1, 2所示。在图2 (b) 中, 两根YBCO带材试样不会同时接入试验平台, 带材试样正极相连, 实验时只需更换负极接线就可以更换接入试验平台的带材试样。

实验时, 先断开S2, 闭合S1, 电容器充电;当电容器电压达到设定值时停止充电, 断开S1, 闭合S2, 形成RLC放电回路, 同时记录流经YBCO带材试样的电流和带材试样两端的电压。

图1 直流冲击平台原理图Fig.1 Schematic diagram of DC impact platform

图2 直流冲击平台实物图Fig.2 Photo of DC impact platform

(a) DC impact platform; (b) YBCO tape specimen

1.2 冲击电流波形

当S2闭合之后, RLC放电回路形成, 放电过程可以由式 (1) 来表示^[11],

式中, L为放电回路中的电感, R为回路电阻, C为放电电容, u_c为电容电压, L_S和R_S分别表示带材试样的电感和电阻, 这两个值分别远小于L和R。设定 , 放电回路处在过阻尼状态。实验得到的冲击电流曲线和冲击电压曲线以图3所示为例。

其中, I为流过带材试样的电流大小, U为带材试样两端的电压大小。通过调整L和C的大小可以调整冲击时间T, 调整放电电容的充电电压可以调整冲击电流峰值I_max, 可以得到冲击电流和冲击时间不同的电阻-电流曲线。本文选取了5个不同的 (610, 1076, 1365, 2107, 2724 A) 和8个不同的T (1.9, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0 ms) , 共得到32条电阻-电流曲线。为了更好地对电阻-电流曲线进行分类, 本文提取了曲线的两个特征:整体电阻-电流曲线的形状和失超初期的电阻是否存在骤增。

图3 冲击电流与冲击电压波形示例Fig.3 An example of DC impact current and voltage

2 结果与讨论

2.1 电阻-电流曲线的形状分类

本文还绘制了1.9 ms下其他冲击电流峰值的电阻-电流曲线, 发现曲线形状存在一定的规律和共性, 其他冲击时间下的电阻-电流曲线也存在相同的规律。

图4所示是480 A的电阻-电流曲线, 按顺时针呈环状, 起始失超时电阻骤增, 冲击电流过峰值以后, 电阻迅速降为零。相同的冲击电流值下, 冲击电流下降时对应的电阻小于冲击电流上升时对应的电阻。产生的原因是冲击电流较小, 产热量较小, 液氮散热效果明显, 故很快失超恢复。图5所示为1082和1269 A的电阻-电流曲线, 681, 786 A的曲线形状类似, 按右半环逆时针的方向呈“8”字状, 起始失超时电阻骤增, 冲击电流过峰值以后, 电阻经过一段时间 (在冲击电流值下降至起始失超电流前) 降为零。相同的冲击电流值下, 冲击电流下降时对应的电阻大于冲击电流上升时对应的电阻。681, 786 A的曲线在冲击电流上升时, 电阻先增后降, 在冲击电流下降时, 电阻下降较快;1082, 1269 A的曲线在冲击电流上升时, 电阻单调递增, 在冲击电流下降时, 电阻下降趋缓。

图6所示为1373 A的电流电阻曲线, 按逆时针呈环状, 起始失超时电阻骤增, 冲击电流过峰值后, 电阻经过一段时间 (冲击电流值下降至起始失超电流后、降为零前) 降为零。在冲击电流下降时, 电阻在一段时间内基本不变。此时失超恢复点继续后移。图7为1492和1661 A的电阻-电流曲线, 2169, 2742和2867 A的曲线形状类似, 呈半环状上升, 冲击电流过峰值后, 电阻在冲击电流结束前没有降到零并持续增大。此时YBCO带材试样的电阻持续上升, 失超恢复需要更长的时间。

图4 YBCO带材电阻-电流关系 (顺时针型) Fig.4 R-I relationship of YBCO tape (clockwise)

图5 YBCO带材电阻-电流关系 (8字型) Fig.5 R-I relationship of YBCO tape (8-shaped)

在图5中可以观察到, 当冲击电流上升至0.8~1.0 kA之间时, 实线表示的电阻-电流曲线的斜率有明显的变化, 类似的变化也体现在其他曲线中。电流-电阻曲线斜率的变化将在2.3节中利用电阻与产热的关系作出解释。

观察电阻-电流曲线可以发现, 所有的曲线中, 随着冲击电流值的增大, 电阻的增速会由缓转急 (不考虑电阻骤增) , 且在同一电流值下, 电流上升时对应的电阻增速一般大于电流下降时对应的电阻增速, 这符合液氮热交换的发展趋势^[12]。同时, 通过研究电阻-电流曲线的变化情况 (上升、下降或不变) , 结合YBCO带材的产热量的计算, 可以推出在直流冲击过程中液氮的散热情况, 为研究超导限流器的失超恢复时间提供依据, 为YBCO带材在暂态冲击下冷却方法的改进 (如进行自动控制下的强迫冷却) 提供一种评价方法。

图6 YBCO带材电阻-电流关系 (逆时针型) Fig.6 R-I relationship of YBCO tape (counterclockwise)

图7 YBCO带材电阻-电流关系 (半环型) Fig.7 R-I relationship of YBCO tape (semi-ring)

2.2 失超初期的电阻骤增

实验发现, 某些情况 (I_max, T) 下, 在带材试样失超初期, 其电阻存在骤增, 即电阻在较小的电流上升下有较大的升高, 如图8所示。其中, 图8 (a) 中的电阻由0升至0.01Ω·m^-1需要电流从93 A升至193 A;图8 (b) 中的电阻在相同范围内上升需要电流从630 A升至960 A。电阻骤增只存在于较小的电流范围内, 电阻骤增结束后, 电阻-电流曲线会趋缓, 而不存在电阻骤增的电阻-电流曲线会基本维持这一电阻增速不变。

电阻骤增情况的相关统计情况如表1所示。可以看出, 电阻骤增现象集中发生在T=1.9 ms下, 其他冲击时间基本不发生电阻骤增。定义电阻-电流曲线上第一个电阻不为零的点对应的电流值为起始失超电流I₀, 可以发现I₀在80 A以下 (远低于临界电流260 A) 的电阻-电流曲线均存在电阻骤增, I₀在临界电流附近或以上的曲线均不存在骤增。

为了解释电阻骤增的相关现象, 计算了几组电阻-电流曲线的电阻在骤增现象发生过程中的电流上升速度v_I, 计算方法如式 (2) 所示,

图8 失超初期的电阻骤增现象Fig.8 R-surge in early stages of quenching (a) R-surge; (b) No R-surge

式中, t₀表示起始失超电流对应的时刻, I表示t₀时刻对应的YBCO带材试样上流过的瞬态电流的大小。计算结果如表2所示。

由表2可以看出, 存在电阻骤增的电阻-电流曲线在起始失超阶段对应的较大, 而不存在电阻骤增的曲线在起始失超阶段对应的较小, 阈值大约在650 A·ms^-1。

对失超初期的电阻骤增现象, 文献[8]认为该现象反映的是YBCO带材的n指数性质, 如式 (3) 所示^[13];而后期体现的是基底、保护层、稳定层等材料的电阻随温度的变化规律。

表1 电阻骤增与起始失超电流过低的相关性Table 1Correlation between R-surge and initial quench-ing current 下载原图

表1 电阻骤增与起始失超电流过低的相关性Table 1Correlation between R-surge and initial quench-ing current

表2 电流上升速度的计算结果Table 2 Calculation results of current rise speed 下载原图

表2 电流上升速度的计算结果Table 2 Calculation results of current rise speed

本文认为这种解释存在以下问题: (1) 文献[8]中的实验表明, 电阻骤增存在于几乎所有电阻曲线中, 而本文中的电阻骤增现象只存在于少数曲线中, 且这些曲线存在着共性; (2) 文献[8]中的电阻骤增的拐点在0.05Ω·m^-1附近, 且与冲击电流峰值大小无关, 而本文中的电阻骤增的拐点基本在0.01Ω·m^-1以下, 且与冲击电流峰值有相关性。

鉴于此, 电流上升速度快与电阻-电流曲线在起始失超阶段骤增有关, 由于电流上升速度较快, 导致相同的时间内YBCO带材产生了更多的热量, 表现在曲线上就是电阻骤增, 但是不能解释骤增与小电流失超之间的充分必要关系, 以及计算v_I时如何选择t₀时刻及其邻域也需要更多其他研究。

2.3 YBCO带材电阻与产热的关系

在实际的超导电力装置运行过程中, 引起超导带材失超的原因有多种, 其中由故障电流带来的热冲击对带材失超的发展与恢复都影响极大, 因此, 研究暂态热冲击过程中YBCO带材的电阻变化非常重要^[14]。

根据焦耳定律和冲击电流曲线, 在忽略冲击过程中的液氮散热功率的条件下, 可以得到冲击过程中带材试样的产热曲线, 如式 (4) ;进而可以绘制出相应的电阻-焦耳热曲线, 如图9所示。

图9 YBCO带材电阻-焦耳热关系Fig.9 R-Q relationship of YBCO tape (a) Whole curve; (b) Beginning of curve

式中, Q表示产生的焦耳热, J·m^-1;I为冲击电流值, A;U为测得的YBCO带材试样的电压值, V;t为时间, s。其中, Q, I, U均为时间t的函数。

可以发现, 无论冲击条件如何变化, 电阻与焦耳热存在一个基本确定的对应关系, 拟合得到的关系式与其他曲线的关系如图9所示。拟合关系式为:

这条拟合曲线的两部分对应的R²值分别为0.999和0.9966, 拟合的效果比较好。通过观察发现, 该拟合公式基本适用于本次实验得到的所有电阻-焦耳热曲线。同时可以观察到, 除去带材产热极小时液氮散热对电阻变化的影响, 在忽略液氮散热功率的情况下得到的曲线可以得到较好的重合, 这也印证了文献[5, 8, 15]中提到的液氮散热功率过小, 不会对暂态冲击过程中的带材电阻产生较大影响的结论。

3 结论

本文利用直流冲击平台, 得到了YBCO带材试样在不同冲击电流下的电阻-电流曲线, 对曲线的电阻骤增现象进行了说明和解释, 并对整体电阻-电流曲线的形状和走势给予了分类阐述。在整体电阻-电流曲线的形状方面, 对电阻-电流曲线进行了分类, 将所有电阻-电流曲线分为“顺时针环”、“8字”、“逆时针环”、“半环”4类, 认为冲击电流峰值和冲击时间的增大使得带材失超恢复推迟是曲线形状变化的原因。在电阻骤增方面, 本论文发现了电阻-电流曲线中的骤增现象, 对该现象的发生进行了统计分析, 发现了该现象与起始失超电流过低同时发生, 而正常的起始失超电流则不存在骤增现象。利用计算电流上升平均速度, 从电流增速方面对该现象进行了解释, 认为电流上升速度缓慢是曲线中电阻骤增发生的原因。在电阻与产热的关系方面, 通过绘制和观察电阻-焦耳热曲线, 得到了电阻与产热之间的拟合关系式, 并印证了液氮散热功率过小这一结论。

YBCO带材失超过程是一个电磁-热耦合过程, 利用电阻-电流曲线对其进行研究是一种较为直观的方法, 对获取带材在直流冲击下的特征参数是有帮助的。这种方法还可以推广至超导带材受交流冲击或其他复杂负载电流作用下的研究工作中, 对研究超导电力设备的失超也是有意义的。