高溫超導帶材在磁場環境下的角度依賴性研究

黑穎頓，羅書山，譚亞雄，陳偉根，周興梅

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

0 前言

自上世紀90年代以來，高溫超導材料實用化技術取得了重大突破。隨著高溫超導材料制備技術的日益成熟，使用長度Bi系和Y系高溫超導帶材已進入商業化生產階段，極大地推進了高溫超導技術的研究。目前，高溫超導帶材廣泛應用于超導電纜、限流器、變壓器等超導電力設備，并實現了示范運行[1-2]。

臨界電流是衡量高溫超導帶材載流特性的重要參數之一[3-4]。高溫超導材料是氧化物陶瓷材料，具有晶粒特性和強烈的各向異性，因此，高溫超導帶材的臨界電流不僅受到磁場強度的影響，還與磁場的方向密切相關。超導電力設備在實際應用中往往處于磁場環境中，超導帶材的臨界電流在磁場下呈現不同程度的衰減[5-6]。因此，對高溫超導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（AMSC）、韓國蘇南（SuNAM）、上海超導和蘇州新材料研究所（以下簡稱蘇新所）等國內外超導帶材廠商生產的幾種典型高溫超導帶材為研究對象，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，掌握高溫超導帶材在磁場環境下的臨界電流角度依賴性，為高溫超導帶材的應用提供參考。

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，判斷帶材的臨界電流Ic，如圖2所示。四引線法的測量結果不受引線自身電阻以及接觸電阻的影響，精確度表現優秀，可以用于監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 高溫超導帶材的U-I特性曲線

1.2 背景磁場

本文通過對超導樣品添加背景磁場，測試其角度依賴性。本文采用的背景磁場由帶鐵芯的超導磁體產生，超導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。當超導線圈繞組通電后，氣隙中便會產生均勻的強磁場。磁場的強度大小與超導線圈繞組中的電流大小呈現正相關關系。由于鐵磁材料的磁導率是非線性的，所以磁體氣隙中的磁場大小與超導線圈繞組中的電流值并不是線性關系，在實際使用中需要查看磁體標定曲線，如圖4所示，根據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（AMSC）、韓國蘇南（SuNAM）、上海超導和蘇新所等國內外超導帶材廠商生產的4種典型高溫超導帶材為研究對象，具體參數如表1所示。

表1 帶材樣品參數

2.2 實驗平臺

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

3 實驗結果及分析

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

式中：ρ為歸一值；Ic為超導帶材臨界電流測量值；I0為超導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度下垂直場和平行場的臨界電流歸一值作圖（由于平臺設計的原因，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，即該帶材在磁場環境下的角度依賴性不明顯；

2）對于SuNAM-SCN04150超導帶材，在0.1 T磁場下，帶材臨界電流在360°范圍內波動；而在0.2～1.0 T范圍內，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；

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ST-05-EL100超導帶材，在同一磁場下，臨界電流在360°范圍內波動較為明顯，分別由90°和270°處向兩側衰減；該帶材角度依賴性較為明顯；

4）對于蘇新所DCCS002超導帶材，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°范圍內角度依賴性較為明顯。

4 結束語

本文選取AMSC-8501、SuNAM-SCN04150、上海超導ST-05-EL100和蘇新所DCCS002等國內外超導帶材廠商生產的4種典型高溫超導帶材為研究對象，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，掌握了高溫超導帶材在磁場環境下的臨界電流變化規律：

1）隨著磁場強度的增大，高溫超導帶材的臨界電流衰減嚴重，帶材對磁場的依賴性較強；

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

3）在同一磁場強度下，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。

以上結論為超導設備的設計及高溫超導帶材的應用提供參考：高溫超導帶材在不同磁場強度及大小下呈現不同的角度依賴性，因此在其應用過程中，需根據超導設備工作的磁場環境選擇合適的帶材，且必須保證設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，可從超導帶材的微觀結構入手，進一步深入研究各帶材呈現不同角度依賴性的微觀原因，從而為超導帶材的制備提供參考。