第二代高温超导带材过流失超机理的模型和实验研究

本课题从理论模型和实验测量两方面研究第二代高温超导带材过流失超传播特性。理论方面将开发一套能够应对复杂几何结构的基于有限元分析的三维多物理量耦合超导仿真模型。该模型可以精确计算超导体在三维空间内的电磁量分布，在此基础上引入热传导模块与之耦合，从而能够计算超导带材过流失超过程中温度与临界电流相互影响的复杂物理过程。在实验方面将搭建一套超导带材过流失超过程测量和观测系统，该系统独具匠心的将电压测量法和气泡拍摄法集成在同一实验环境中，实现两种方法的优势互补。本课题将对单根和多根超导带材在不同工作条件下从过流失超到逐步恢复超导态的全过程中的电磁和热学特性进行研究，也将探索不同带材结构、带材排列顺序、带材性质均一度、焊点和损坏点对失超传播过程的影响。本课题将为基于第二代高温超导带材的电阻型超导限流器的设计提供重要的理论和实验依据。也将为超导磁体、电缆和电机等设备的失超保护方案提供重要信息。

本课题以超导带材基本特性为出发点，分别借助有限元仿真及基础实验科学手段完成面向二代高温超导带材过流失超机理的研究。项目完成过程中，在有限元模型及过流失超实验手段方面均完成了创新性研究。有限元模型搭建方面，首先完成二维模型单物理场到多物理场耦合的功能扩展，实现对超导带材过流失超过程中温度、应力等重要特征参数的动态模拟；其次完成二维模型到三维模型的空间扩维，攻克有限元对超导复杂结构无法进行模拟的难题，为超导复杂结构空间尺寸优化提供有力的理论依据；在以上模型基础上利用场路耦合、多软件联合仿真手段完成电压源型超导模型搭建，实现外部电路与超导带材物理量的协同计算，为不均匀超导带材过流失超特性研究提供了相应的理论支撑。以上成果均已被SCI期刊录用或发表。基础实验测试方面，在课题开始的第一年内主要完成包含临界电流测试平台、交流损耗测试平台、超导带材长带均一性测试平台等超导带材基本特性测试平台搭建，为研究超导带材过流失超特性奠定坚实的基础；此后针对超导带材在超导限流器中的应用需求，先后完成超导带材交流、直流短路测试平台搭建，并同时综合配置上海交通大学高电压实验室相关资源完成超导带材雷电流短路冲击试验平台设计，利用以上三类平台，探索超导带材过流失超特性与电流幅值、频率等电流参数之间的关系，获取超导带材在不同电流波形下过流失超临界参数，揭示超导带材在过流冲击中性能折损的机理。以上成果均已被SCI期刊录用或发表。基于以上有限元及基础实验测试结果，课题组完成了两台分别应用于交、直流电流系统的电阻型超导限流器的设计、制备、及挂网运行试验。