外界磁場對兩種YBCO超導帶材臨界電流及n值影響分析

陳 鑫 諸嘉慧 周卓楠 丘 明

（中國電力科學研究院 北京 100192）

1 引言

超導體與一般常規導體相比，具有損失小，電流密度高等優點，期望被廣泛應用在電力送電電纜、變壓器、限流器等交流電力設備。特別是第2代釔鋇銅氧（Yttrium Barium Copper Oxygen，YBCO）高溫超導帶材與第1代BSCCO高溫超導帶材相比具有一系列的明顯優勢：物理特性上電流密度更高，超導電性各向異性比較弱，可以在液氮溫區和較高磁場下獲得更好的載流能力[1]，更重要的是其理論成本遠低于第1代，能夠大規模的應用于電力系統。

因為YBCO超導帶材采用了各向異性結晶的結構，現在YBCO高溫超導帶材多為帶狀或者薄膜形狀。當高溫超導帶材通過交流電流時，交流電流所產生的自身磁場由于超導體本身的各向異性結構及非線性磁通侵入等原因變得非常復雜[2]。因此，關于第2代高溫超導帶材的交流損耗還沒有確立明確的評價方法。臨界電流特性是衡量超導帶材特性的重要參數之一[3]，但是只應用臨界電流特性并不能夠精確的計算交流損耗。近年研究的高溫超導帶材的交流損耗解析模型中，已經有一些能夠比較精確的體現超導帶材的伏安特性曲線的n值模型公式[4-6]。為了能夠精確掌握YBCO高溫超導帶材在各種不同磁場環境下的臨界電流及n值特性，本文應用自主開發的臨界電流測試系統，測量了兩種YBCO高溫超導帶材在直流與交流外界背景磁場環境下的臨界電流及n值。特別是在交流外界磁場環境下的測量，為研究高溫超導電纜的交流損耗特性打下了基礎。

2 實驗系統設計

2.1 實驗原理及裝置

高溫超導帶材臨界電流測試實驗原理如圖1所示[7]。為了測量得到不同磁場下帶材的臨界電流大小，需要將超導帶材放置在具有均勻磁場強度的背景磁場環境中。背景磁場由交直流磁體產生，由于鐵心磁導率是空氣的萬倍以上，交直流磁體產生的磁通大部分經過鐵心從而能夠在空氣隙中形成一個均勻的磁場區域，這樣便獲得了一個穩定的外界磁場。

圖1 帶材臨界電流測試系統集成圖Fig.1 Critical current test system integration

圖2是帶空氣隙鐵心的背景磁場磁體的正視剖面圖。通過背景磁場磁體電流引線給外界磁場磁體的線圈通入不同交直流電流，得到不同磁感應強度的背景磁場。同時，在超導帶材中間位置還放置了磁場霍爾探頭以測量空氣隙中心區域的磁感應強度。超導帶材樣本架垂直穿過背景磁場磁體鐵心空氣隙，其上部通過旋轉桿接出到低溫杜瓦蓋外部，連接一個帶有角度刻度的旋轉把手，通過旋轉把手能夠控制超導帶材樣本的旋轉角度，等效于控制背景磁場的方向。當超導帶材平行于空氣隙放置時，磁場方向垂直于超導帶材表面，當超導帶材被旋轉過一個角度后，磁場方向與超導帶材的夾角可以通過位置幾何關系得到。因此，通過旋轉把手帶動樣本架在0～90°范圍內旋轉，能得到不同方向的背景磁場。將液氮裝入低溫杜瓦，用一臺真空機組實現低溫杜瓦內溫度從77K逐漸降低的變化。當溫度達到最低點后，還可以繼續應用GM制冷機使杜瓦內液氮的溫度進一步降低，使高溫超導帶材臨界電流的測試溫度具有較寬的溫度區間，能夠較好地達到預期值。在本文中只介紹77K時的測量結果。到達超導帶材測試溫度區間后，直流超導電源通過超導帶材電流引線為超導帶材加載流。在超導帶材表面上按一定距離安放2～3組測量接頭以測量電壓信號。當通過超導帶材的電流超過一定的數值后，測量的電壓值升高，超導態被破壞，轉為正常態。當測量的電壓值達到1μV/cm時，通過超導帶材的電流值即為該超導帶材的臨界電流。從而測得超導帶材的臨界電流，并通過數據分析得到其n值。

圖2 外界背景磁場裝置剖面圖Fig.2 The section plane of magnet

2.2 被測超導帶材參數

本文中作為被測樣品的兩種超導帶材具體參數如下表所示。從該表可以看出兩種超導帶材的寬度基本一致，大約為4mm左右；而帶材厚度差別較大，這主要是由兩種帶材的穩定化層的厚度決定的；兩種帶材在77K，不加外界磁場時的臨界電流及n值如表所示，帶材Ⅰ要略大于帶材Ⅱ。

表 待測YBCO高溫超導帶材參數Tab.Specifications of the YBCO high temperature superconducting tapes

3 實驗結果分析

應用本文提出的測量方法和裝置對兩種YBCO高溫超導帶材在外加磁場強度和磁場方向變化等因素共同影響下的Ic進行了測量。并針對每次實驗獲得的伏安特性曲線，應用式（1）得到跟臨界電流對應的n值。根據高溫超導帶材臨界電流附近（本文取0.1～1.5μV/cm）的伏安特性，用經驗式（1）推導出n值計算式（2）

式中，l是電壓引線之間的帶材長度；Ic是臨界電流；Ec是高溫超導帶材的失超判據（μV/cm）。

圖3是不加外界磁場情況下一次臨界電流測試結果，圖中實線為實驗得出的伏安特性曲線，虛線為得到n值后根據式（1）計算得出的伏安特性曲線?？梢钥闯鰞蓷l曲線具有很好的吻合度，由此可知，n值模型公式能夠很好的模擬出超導帶材的伏安特性。

圖3 超導帶材的伏安特性曲線Fig.3 V-I curve of the superconducting tape

3.1 超導帶材Ⅰ的實驗數據與分析

YBCO高溫超導帶材Ⅰ在直流外界磁場下的實驗結果如圖4所示。從該圖可以看出超導帶材Ⅰ的Ic及n值都隨外界磁場強度的增大而減小，并且減小趨勢在磁場強度相對較小時要大于磁場強度相對較大時。雖然圖4b中的n值曲線存在交叉的現象，這是由測量精度以及n值本身的不確定性所引起的，并不影響對整體變化趨勢的判斷。式（3）是帶材表面與磁場夾角為90°時Ic隨磁場強度變化的二項式擬合公式。式中，y為臨界電流（A），x為磁感應強度（T），下文中出現的擬合公式各參數意義與此相同。

Ic及n值隨帶材與直流外界磁場夾角的變化很小，由此可以看出直流外界磁場夾角的變化對該超導帶材的穩定性影響很小。

圖4 直流外界磁場下超導帶材Ⅰ的測量結果Fig.4 Experimental results of superconducting tape Ⅰin DC background magnetic field

YBCO高溫超導帶材Ⅰ在交流外界磁場下的實驗結果如圖5所示。從圖5a可以看出超導帶材Ⅰ的Ic及n值都隨外界磁場強度的增大而減小，并且減小趨勢在磁場強度相對較小時要略大于磁場強度相對較大時。另外在交流背景磁場強度接近0.03T，磁場與帶材表面的夾角為0°時，超導帶材的Ic將趨近于0A，這表示超導帶材Ⅰ的臨界磁場強度相對較小。式（4）是帶材表面與磁場夾角為0°時臨界電流隨磁場強度變化的二項式擬合公式。

圖5 交流外界磁場下超導帶材Ⅰ的測量結果Fig.5 Experimental results of superconducting tapeⅠin AC background magnetic field

從圖5b可以看出Ic及n值隨帶材表面與磁場夾角的變化很大，并且隨夾角的變大而變大。這跟直流外界磁場條件下的結果呈現相反趨勢，并與本文3.2節的超導帶材Ⅱ的結果相反。這種結果可能是由于不同廠家的加工工藝所導致的，需要進一步的研究。

3.2 超導帶材Ⅱ的實驗數據與分析

YBCO高溫超導帶材Ⅱ在直流外界磁場下的實驗結果如圖6所示。從該圖可以看出超導帶材Ⅱ的Ic及n值都隨外界磁場強度的增大而減小，并且減小趨勢在磁場強度相對較小時要大于磁場強度相對較大時。式（5）是帶材表面與磁場夾角為90°時Ic隨磁場強度變化的二項式擬合公式。

圖6 直流外界磁場下超導帶材Ⅱ的測量結果Fig.6 Experimental results of superconducting tapeⅡin DC background magnetic field

Ic及n值隨帶材表面與磁場夾角的增大而減小，并且減小趨勢在夾角相對較小時要大于夾角相對較大時。由此可以看出帶材與直流外界磁場夾角的變化對該超導帶材的穩定性影響較大。

YBCO高溫超導帶材Ⅱ在交流外界磁場下的實驗結果如圖7所示。從圖7a可以看出超導帶材Ⅱ的Ic及n值都隨外界磁場強度的增大而減小，并且減小趨勢在磁場強度相對較小時要略大于磁場強度相對較大時。另外在交流背景磁場強度接近0.05T，磁場與帶材表面的夾角為0°時，超導帶材的Ic大約為60A，這表示超導帶材Ⅱ的臨界磁場強度要大于超導帶材Ⅰ。式（6）是帶材表面與磁場夾角為0°時Ic隨磁場強度變化的二項式擬合公式。

從圖7b可以看出Ic及n值隨帶材表面與磁場夾角的變化很大，并且隨夾角的變大而變小。這跟直流外界磁場條件下的結果一致，由此可以看出帶材與交流外界磁場夾角的變化對該超導帶材的穩定性影響較大。

圖7 交流外界磁場下超導帶材Ⅱ的測量結果Fig.7 Experimental results of superconducting tapeⅡin AC background magnetic field

4 結論

（1）兩種YBCO高溫超導帶材的Ic及n值都隨外界磁場強度的增大而減小，并且在磁場強度較小時的減小幅度要大于在磁場強度相對較大時的減小幅度。

（2）帶材表面與磁場的夾角對超導帶材Ⅰ特性的影響要小于超導帶材Ⅱ。

（3）交流外界磁場強度對臨界電流特性的影響要大于直流外界磁場，并且在交流外界磁場與帶材表面夾角為0°時超導帶材Ⅱ的臨界磁場要大于超導帶材Ⅰ，另外在交流外界磁場下超導帶材I的Ic和n值隨帶材表面與磁場夾角的變化趨勢與帶材II的相反。

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