超导电力技术基础部分课件

2023年7月20日超导技术电力应用基础1报告内容超导电性简介实用超导材料介绍低温容器及制冷简介小结2023年7月20日超导技术电力应用基础2超导体具有零电阻：R=0超导电工/电力

完全抗磁性Meissnereffect：B=0超导磁悬浮

宏观量子效应Josephson效应超导电子学一超导简介2023年7月20日超导技术电力应用基础3电流电阻焦耳热温度电流电阻-宏观2023年7月20日超导技术电力应用基础4电流电阻焦耳热温度焦耳热温度-宏观电流电阻焦耳热温度-微观非弹性散射v1v22023年7月20日超导技术电力应用基础5电流电阻焦耳热温度-微观非弹性散射电子损失能量原子核获得能量原子核振动加剧-运动混乱程度加剧2023年7月20日超导技术电力应用基础6电流电阻焦耳热温度-微观温度定义：描述微观粒子运动混乱程度所以温度升高，T>0依据出现电阻-2023年7月20日超导技术电力应用基础7二流体模型R=0?导电电子=超导电子+正常电子牛顿第二定律若超导电流密度JS为稳定（直流）超导电流密度，则，E=0,由欧姆定律JS=E,所以只有，也就是电阻率＝0。反之，E不为零2023年7月20日超导技术电力应用基础8BCS-TheoryCooperpairsR=0?ShrödingerEquaion

最难解释：用到量子力学波函数概概念Fermi-DiracandBose-EinsteinDistribution2023年7月20日超导技术电力应用基础9带电粒子在外电磁场及外场中的薛定谔方程为其中，A和V为矢量位和标量位，q为电荷量2023年7月20日超导技术电力应用基础10库珀对-一对电子之间“净”引力如果f12<FQe//，两个同性电荷中心之间存在“等效”的“净”引力FQe//2023年7月20日超导技术电力应用基础11BCS-TheoryCooperpairsR=0?只有R=0超导电性2023年7月20日超导技术电力应用基础12MeisnnerEffectB=0

量子化得

2023年7月20日超导技术电力应用基础13MeisnnerEffect-B=0-penetrateddepth10-8m;2023年7月20日超导技术电力应用基础142023年7月20日超导技术电力应用基础15宏观上超导体内B=0,J=02023年7月20日超导技术电力应用基础16约瑟夫逊（Josephson）效应-DC效应实部2023年7月20日超导技术电力应用基础17约瑟夫逊（Josephson）效应-AC效应虚部代入（1）取实部（1）2023年7月20日超导技术电力应用基础18SQUID-SuperconductingQuantumInterferenceDeviceQuantaflux2023年7月20日超导技术电力应用基础19超导体分类-第一类超导体和第二类超导体体-penetrateddepth10-8m-InterferenceLength10-6m“distance”betweenCooperpairsGinzburg-Landauparameters

第一类超导体第二类超导体2023年7月20日超导技术电力应用基础20第一、二类超导体特性第一类超导体第二类超导体2023年7月20日超导技术电力应用基础21第二类超导体混合态超导电性相图Hc1,Hc2N正常态；S超导态2023年7月20日超导技术电力应用基础22理想和非理想第二类超导体磁化曲线可逆，无剩磁,交流无损耗磁化曲线不可逆，有剩磁，YBCO19T@20K，可作为永磁体，交流有损耗2023年7月20日超导技术电力应用基础23理想和非理想第二类超导体2023年7月20日超导技术电力应用基础24超导现象发现历史1911年，超导电性的发现；Tc=4.2K;1960年，NbTi和Nb3Sn；Tc=9.3KandTc=18K;1986年，高温超导体的发现；Tc=92K(Yi-based)Tc=110K(B-based),Tc=135K(Tl-based);2001年，MgB2超导材料；Tc=39K2008年,Fe-based;Tc=56K;三个基本临界参数:临界温度Tc;临界磁场Hc;临界电流密度jc;

2023年7月20日超导技术电力应用基础252023年7月20日超导技术电力应用基础262023年7月20日超导技术电力应用基础271960年，NbTi和Nb3Sn：合金1982年，极细丝NbTi导线：1micro-meter1999年，第一代HTSwie/tape,BSSCO超导带材:粉末管装法（PIT）；2005年，MgB2wire/tape,粉末管装法（PIT）；2007年，第二代HTSwie/tapeYBCO超导带材:化学涂层法（MOV）,离子束辅助沉积(IBAD);IBAD轧制辅助双轴织构化(RABiTS)；倾斜基板沉积法（ISD）;激光溅射法（PLD）实用超导体材料加工工艺2023年7月20日超导技术电力应用基础28超导材料的电磁特性－临界电流定义：2等效判据2023年7月20日超导技术电力应用基础29超导材料的各向异性At4.2K2023年7月20日超导技术电力应用基础30超导材料的电磁各向异性(2G)AMSCprovideNCEPUInnoverPower2023年7月20日超导技术电力应用基础31超导材料的稳定性Flux-jump,MQE,MZP,QV,a超导体直径细丝化可减小MQE：外界干扰LTS-J,HTS-mJMZP:NormalZonePropationQTV:LTS-100m/s,HTS-cm/s绝热稳定动态稳定2023年7月20日超导技术电力应用基础32超导材的交流损耗超导体在直流运行条件下电阻为零，没有焦耳损耗；在交流运行情况下，产生磁滞损耗。2023年7月20日超导技术电力应用基础33超导现象发现历史1911年，超导电性的发现；Tc=4.2K;1960年，NbTi和Nb3Sn；Tc=9.3KandTc=18K;1986年，高温超导体的发现；Tc=92K(Yi-based)Tc=110K(B-based),Tc=135K(Tl-based);2001年，MgB2超导材料；Tc=39K2008年,Fe-based;Tc=56K;三个基本临界参数:临界温度Tc;临界磁场Hc;临界电流密度jc;

2023年7月20日超导技术电力应用基础341960年，NbTi和Nb3Sn：合金1982年，极细丝NbTi导线：1micro-meter1999年，第一代HTSwie/tape,BSSCO超导带材:粉末管装法（PIT）；2005年，MgB2wire/tape,粉末管装法（PIT）；2007年，第二代HTSwie/tapeYBCO超导带材:化学涂层法（MOV）,离子束辅助沉积(IBAD);IBAD轧制辅助双轴织构化(RABiTS)；倾斜基板沉积法（ISD）;激光溅射法（PLD）实用超导体材料简介2023年7月20日超导技术电力应用基础35实用超导体材料加工工艺-拉拔法NbTi多芯超导线的制备工艺

2023年7月20日超导技术电力应用基础36内扩散法制备Nb3Sn多芯复合超导线工艺外扩散法制备Nb3Sn多芯复合超导线工艺

2023年7月20日超导技术电力应用基础37MgB2Wire-PIT2023年7月20日超导技术电力应用基础38Bi2223/Ag-1Gtape-PIT2023年7月20日超导技术电力应用基础39YBCO-2GTape-PIT2023年7月20日超导技术电力应用基础4040FundamentalElementsofAppliedSuperconductivityinElectricalEngineering,FirstEdition.YinshunWang.©2013SciencePress.Published2013byJohnWiley&SonsPte.Ltd.(1)

Melt-texture-growthprocess(MTG)

(2)Quench-melt-growthprocess(MTG)/Melt-powder-melting-growthprocess(MPMG)

(3)Powder-melting-process(PMP)TypicalshapesofReBCObulks.

(a)SingleYBCOgrains,(b)hexagonalshape,(c)cylindricaldisk,(d)hollowcylinderwithouterthintubeoffiberreinforcedplastics

(a)

(b)(c)(d)HTSBulk2023年7月20日超导技术电力应用基础416.7HTSBulk-Meltcastprocess(MCP)

TwotypicalshapesofBi2212bulksusedascurrentleadswithdifferentsizescommerciallyfabricatedbyNexans.(a)rods,(b)tubes

(a)

(b)

2023年7月20日超导技术电力应用基础42超导材料的电磁各向异性(2G)AMSCprovideNCEPUInnoverPower2023年7月20日超导技术电力应用基础43FundamentalElementsofAppliedSuperconductivityinElectricalEngineering,FirstEdition.YinshunWang.©2013SciencePress.Published2013byJohnWiley&SonsPte.Ltd.-机械特性的一般描述韧性材料轴向应力-应变曲线

2023年7月20日超导技术电力应用基础44超导材料的机械特性拉伸弯曲2023年7月20日超导技术电力应用基础45超导材料的稳定性Flux-pump,MQE,MZP,QV,a超导体直径细丝化可减小MQE：外界干扰LTS-J,HTS-mJMZP:NormalZone’QTV:LTS-100m/s,HTS-cm/s采取合理的保护措施2023年7月20日超导技术电力应用基础46超导材料的交流损耗－磁滞损耗

电力设备：Iac+BacIac,bac归一化值2023年7月20日超导技术电力应用基础47超导材料的交流损耗－磁滞损耗

电力设备：Iac+BacIac,bac归一化值2023年7月20日超导技术电力应用基础48实用超导线价格NbTiPresently:1-2$/kAm 0.6$/kAm(@5T) Nb3SnToday:10-20$/kAm Expected:2-4$/kAm 1.27$/kAm(@12T)YBCOPresently:300$/kAm 36$/kAm(2212@12T)Guessed:10-20$/kAmExpertopinion:50$/kAmBi-2223PresentlyAMSC124$/kAm--Lowestlimitsofcost:Nb-based:$150/kg$0.60/m(strand)$1.50/kA-m@0.5H*PIT-processed:powderisexpensive,butgettingcheaperMgB2mightbe<$50/kg,<$0.10/m2023年7月20日超导技术电力应用基础49二低温及制冷低温容器传热方式：固体热传导（Solid-conduction)：对流(Convection)：热辐射（ThermalRadiation）：对应采取措施：减小截面；抽真空；加多层辐射屏Wiedemann-Franz定律：2023年7月20日超导技术电力应用基础50低温容器结构（ACapplication)交流用暖瓶-杜瓦2023年7月20日超导技术电力应用基础51不锈钢环氧玻璃钢2023年7月20日超导技术电力应用基础52低温制冷技术密闭系统：压缩-放热膨胀-吸热浅冷：>125K深冷:<125K空调、冰箱，制冷机Stirling制冷机G-M制冷机2023年7月20日超导技术电力应用基础53低温制冷及生产厂家斯特林制冷机（Stirling）：Netherland(StirlingCryogenics&RefrigerationBV)逆布雷顿循环制冷机：France（AirLiquide）andUSALindeKryotechnikAGG-M制冷机(W.E.Gifford

andH.O.McMahon):Japan(Sumitomo),USA