高温超导导线的性能衰退及寿命特性研究

There are numerous superconducting electrical devices being demonstratively operated in the power grid at home and abroad, but with little substantial applications. Apart from the high cost of the superconducting electrical devices, the main reason also lies on the less recognition of their reliability and durability. Therefore, the research on whether the superconducting tapes and the superconducting electrical devices can undertake the longtime electromagnetic pulses has been an essential issue which concerns the application of the superconducting electric technology. The fund application aims to study the performance degradation and life characteristics of HTS tapes under the influence of repetitive frequency current impulse and periodic stress, and explores the practical life evaluation method of HTS tapes. The contents includes, the research on experimental method of simulating the transient electromagnetic environment in the power system, the research on the HTS tapes endurance capacity of repetitive current impulses under various cooling conditions and time intervals, the research on HTS tapes degradation characteristic under periodic mechanical stress; the performance failure mechanism analysis and the life evaluation model of HTS tapes will be made based on the mass of experimental data ,which lays the foundation of further research on the design and reliability evaluation of superconducting power devices.

国内外已经有了不少超导电力设备挂网示范运行，但仍未能得到实质性推广应用。究其原因，成本问题是其一，超导电力装置的可靠性、寿命特性等尚未得到用户的充分认可也是重要的原因。对于超导导线、乃至超导电力装置在电力系统长期运行并经历各种动态、瞬态电磁冲击下的性能衰减、寿命等疑问已成为制约超导电力技术实际应用的重要问题。本项目拟研究高温超导带材在重复的过电流冲击、周期性的应力作用下的性能衰减特性及寿命特性。研究内容包括：研究能模拟电力系统动态和瞬态电磁环境变化的实验方法；研究高温超导带材在不同冷却条件、不同时间间隔下耐受多次过电流冲击的能力；研究高温超导带材在周期性机械应力（模拟运行中的电磁应力）作用下的性能衰减特性；基于大量的实验数据，分析高温超导带材的性能失效机理、确立有效的寿命特性评估方法，为进一步研究超导电力装置的可靠性、寿命特性奠定可信的技术基础。

超导电力技术被认为在未来的电力系统中具有重要的应用前景，受到了国内外的广泛关注。近年来，超导限流器等超导电力设备的样机已经研制成功，但仍未获得推广应用，其可靠性和寿命特性尚未得到明确的数据支撑是原因之一。因此，迫切需要对超导电力设备，特别是对其核心超导部件，开展寿命特性研究工作。本项目以高温超导导线为研究对象，研究了其在重复过电流冲击、周期性应力作用下的性能衰退特性及寿命特性，分析了其性能衰退的机理及影响因素，建立了其寿命分析和预测模型。本项目完成的主要工作和取得的成果如下：.（1）设计了交流过电流、直流过电流以及应力疲劳特性研究的实验方案，建立了超导导线交流过电流冲击、直流过电流冲击和周期性应力特性测试平台。.（2）实验研究了高温超导导线的在重复交流过电流冲击下的性能衰退特性、冷却条件对导线过流特性的影响，结合仿真方法对导线过流过程中的特性进行了模拟。结果表明，性能衰退特性与过电流幅值和持续时间有关，性能退化会导致导线在过电流冲击时的失超速度越来越快，充分的热交换能提高导线的过流承受能力。.（3）实验研究了高温超导导线在重复直流过电流下的性能衰退特性，进行了交直流冲击特性对比，建立了超导导线的三维电磁热的多物理场仿真模型，并与实验结果进行了对比验证。结果表明，导线寿命急剧下降的直流冲击电流幅值的区间非常窄，导线完全过流失超时，失超电阻R与产生的焦耳热Q之间的关系可以用一条固定曲线描述，该曲线与电流、电阻和持续时间有关。仿真结果较好地还原了实验结果，验证了仿真模型的准确性。.（4）实验研究了高温超导导线在周期性机械应力和电磁应力下的性能衰退特性。结果表明，在导线的许用应力范围内，周期性应力对导线的特性影响很小。.（5）分析了高温超导导线的性能失效机理，研究了高温超导导线的寿命评估方法并建立了寿命评估模型。分析表明，超导层的裂纹是引起高温超导导线性能退化的重要原因；超导导线的可靠度与过流冲击次数之间存在着类似于指数函数的关系。