高温超导线圈绕制工艺及性能测试研究

李 力，孙星瑞，侯东斌，李 超，宋 萌，林友新，胡南南，史正军

（1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 510080；2.西安聚能超导磁体科技有限公司，西安 710018）

0 引言

随着我国国民经济的不断发展，电子系统规模迅速扩展，电网短路电流水平已经逼近甚至超过开关设备的开断能力，以致于严重影响到电网的安全运行，也成为制约电力系统发展的重要因素。传统的限制短路电流的方法主要通过加装电抗器、分区等被动方式达到限流目的，此类方式对电网的安全性及灵活性有较大影响，亟需研制适用于超高压电网的主动式限流装置[1-3]。

由于超导材料有零电阻的性质，因此，将其应用到电力系统中可以大幅减少电能的热损耗，节约电能。特别是以Bi2223、YBCO（钇钡铜氧）为代表的高温超导带材，具有更强的载流能力、更高的磁场性能和更低的材料成本等特点，在超导储能、超导电机、超导电缆、超导限流器、超导变压器等超导电力领域取得显著成果。超导材料的临界性能（临界电流密度、临界磁场、临界温度）对于其是否能安全、可靠、稳定的运行至关重要。目前，超导材料、超导磁体在我国电力系统的应用仍处于研发阶段，高温超导带材的基础物理特性及工程应用问题仍亟待解决。

主要介绍了Bi2223高温超导带材短样的性能测试、径向弯曲次数对Bi2223带材临界电流的影响、高温超导双饼线圈绕制工艺、测试方法及线圈接头的焊接工艺等，针对各环节的技术要点进行了简要地分析，期待为工程应用积累更多的经验。

1 Bi2223/Ag带材性能测试

所采用的Bi2223/Ag超导带为日本住友电工生产的Type HT-CA带材，基本参数为：平均宽度4.5±0.1 mm、平均厚度0.34±0.02 mm、临界电流Ic（77 K自场下）220 A。

由于超导带材的性能直接影响双饼线圈的性能，所以在双饼绕制前，需要对超导带的载流性能进行测试。采用四引线法测试短样在77 K自场下的临界电流，通过Labview软件实现测控量数据的采集及记录。图1为四引线法测试示意图。为了减小接触电阻，带材两端和电流引线之间使用无氧铜块进行压接。

图1 四引线法测量示意图Fig.1 Illustration of four leads method

Bi2223/Ag短样长度为16 cm，电压引线间距为4 cm，电流升速为 1.2 A/s，失超判据为 1μV/cm[4]，测试结果如图2所示，通过测试可知Bi2223/Ag样品的临界电流Ic为239.82 A.

图2 Bi2223/Ag在77 K自场下临界电流曲线Fig.2 Critical current of Bi2223/Ag short sample at 77 K

2 弯曲及应变疲劳对Bi2223/Ag带材性能的影响

在高温超导双饼线圈绕制过程中，绕制直径的不同对超导带材的性能有显著的影响，导致双饼线圈的载流能力存在较大差异[5-6]。同时，根据超导磁体电磁设计要求，超导线圈通常采用密排绕制或叠加绕制的方式，高温超导双饼线圈在绕制过程中，由于绕制操作异常等特殊原因会导致退线、重新绕制的情况，例如绕制过程中发生的带材绝缘破损、带材缺陷等，相同的绕制半径经过多次退线、再绕制后是否会发生载流性能的下降，是工程中经常会遇到的问题，也是高温超导带材大规模工程应用面临的主要问题。为此研究多次弯曲后应变疲劳对Bi2223/Ag载流能力的影响十分必要。

为了合理制定双饼的绕制工艺，对不同弯曲直径下Bi2223/Ag带材的性能进行测试，得出合理的绕制直径。实验过程中依次将带材绕制通过直径20～120 mm的绕线轮，并测量不同弯曲直径下带材的临界电流，图3为经过弯曲处理的短样。

在高温超导线圈绕制过程中，经常会发生退线，甚至是重新绕制的情况，为了研究高温超导带材反复绕制对其性能的影响，实验分别将3根Bi2223/Ag带材反复绕制3次、5次、7次和10次后通过直径为35 mm、45 mm、55 mm的绕线轮绕线机构，并采用四引线法分别测量各条带材的临界电流。实验数据如图4所示，根据实验发现，当弯曲直径分别为35mm、45mm、55mm时，弯曲次数对Bi2223/Ag带材的载流性能影响不大。

图3 经过弯曲处理后的Bi2223/Ag短样图Fig.3 Bi2223/Ag short sample after bending test

图4 弯曲次数与Bi2223/Ag带材临界电流的关系曲线Fig.4 The relationship between critical current and bending times of Bi2223/Ag

3 高温超导线圈绕制工艺及性能测试研究

3.1 双饼线圈绕制工艺研究

根据线圈设计要求，所用Bi2223超导带材长度约为306 m，为提高带材的利用率，降低运行风险，减少匝数，选择采用双带并绕模式制作饼式线圈。由于超导带平均宽度为4.5 mm，考虑到线圈绝缘及测试问题，双饼线圈设计厚度为12 mm，双饼线圈之间的通道层厚度为1 mm，绕组线匝实际有效最小内径为1 940 mm。双饼线圈采用多双饼串并联结构，根据系统电磁设计，最终绕组由80个双饼构成。每个双饼线圈均由两根超导带材并联绕制，共52匝，平均分布于正、反饼，单侧正、反饼均包含26匝，分别由2根超导带材上下叠绕。瞿青云等[7]、陈敬林等[8]、魏海鸿等[9]研究了Bi2223/Ag和YBCO双饼的绕制工艺，提出了双饼线圈的绕制方法，并成功完成了Bi2223/Ag和YBCO双饼的绕制，为本项目双饼线圈的绕制提供了一定的参考。

双饼线圈的绕制分为两个阶段：正向绕制和反向绕制，每个单饼的第一匝为过渡层，过渡层直接决定整个线圈性能的优劣，所以第一匝绕制结束后需要加以固定。绕制过程中，需控制绕制速度并时刻关注线圈绝缘情况。一侧单饼绕制结束后，使用胶带固定线圈，然后在绕好的单饼内侧加一层G10片做绝缘，在绝缘片的另一侧反向绕制第二个饼。双饼绕制的难点在于，在反向绕制前的扭角及翻饼过程中极易出现带材扭折、错位及尖角的现象[10]，操作时需要控制工艺细节。反向与正向绕制工艺流程相似，整体绕制结束后需要用绸带加以固定。Bi2223/Ag带材绕制过程中容易发生弯曲形变，且不同弯曲半径对超导带材的载流能力影响显著，选择合适的绕线轮及相关工装十分必要。

高温超导线圈工作环境复杂，超导带材有可能在电磁力的作用下发生位移从而导致失超的发生，为了使带材层间紧密，双饼绕制过程中需要施加一定的张力，绕制张力的大小会影响双饼线圈性能，小的张力会使得线圈预紧力不够，线圈松散性能下降；张力过大则会导致带材损伤，载流能力下降，Bi2223/Ag超导带材的超导芯是脆性氧化物陶瓷材料，过大的张力会损伤带材内部的超导芯从而影响其性能。Li等[11]通过合理假设，提出了超导磁体绕制张力的计算模型，为线圈绕制张力的设定提供了理论依据。本项目通过对现有设备的改造，将理论计算与线圈绕制工程经验相结合，最终确定绕线机在高温超导带材上的拉力为35～40 N。绕制成功的高温超导线圈如图5所示。

图5 绕制成功的高温超导线圈图Fig.5 Bi2223/Ag double pancake coil

高温超导双饼线圈的测试采用四引线法，将双饼线圈固定在测试骨架上，使用专用吊具将骨架与线圈一并放入线圈专用测试杜瓦中，测试过程中，使液氮液面充分覆盖整个线圈，测试装置如图6所示。

图6 双饼线圈测试装置图Fig.6 Cold test of double pancake coil

图7是双饼线圈在升流速度为2 A/min时的VI曲线。双饼在未失超前，直流特性曲线比较平坦，双饼测试的判据标准为1μV/cm。载流高温超导的特性曲线通常表示为：

式中：I为传输电流，根据双饼测试标准，可以得到双饼线圈的临界电流Ic和n值。采用上述方法测得了高温超导双饼线圈在77 K自场下的临界电流为157.12 A，与带材短样临界电流239.82 A（如图2）相比，双饼线圈的Ic能达到短样的70.1%。测试结果表明，采用双饼绕制工艺制造的高温超导双饼线圈性能较好，能够满足超导限流器的基本要求。

图7 双饼线圈V-I曲线Fig.7 V-I curve of HTS coil

4 高温超导带材接头的焊接

超导线圈组成的系统运行过程中，理论上几乎无热量损耗，此时线圈间接头电阻所产生的焦耳热成为主要热源，直接影响到磁体的运行情况。降低双饼线圈接头的电阻，可有效提高超导限流器的稳定性和相关制冷费用[12]。高温超导带材焊接工艺的研究是超导限流器研制的关键技术。邵慧等[13]对影响Bi2223/Ag焊接接头的因素进行了系统性的分析，发现焊接温度、焊料、焊接搭接长度、焊接方式是影响接头电阻的主要因素。黄晖等[14]采用不同的方式对焊接温度、焊料等影响因素做了进一步的研究，发现Bi2223/Ag带材在焊接温度为273～673 K内，其载流性能没有明显的变化，同时采用Sn63Pb以钎焊的方式在焊接温度约为493 K得到的超导带材接头焊接均匀性良好，其接头电阻测试结果在10-8～10-9Ω之间。

实验参考其他焊接工艺，采用Sn63Pb钎焊的方式对高温超导带材接头进行焊接处理，焊接温度选择为493 K。除了焊接温度和焊料对带材焊接后的性能有一定影响外，带材的搭接长度也对焊接后双饼线圈的载流性能有较大的影响，为了制定合理的带材焊接工艺，需要对不同搭接长度下的测试结果进行分析，以选择最优的带材焊接搭接长度。实验采用2.0 cm、2.5 cm、3.0 cm、3.5 cm、4.0 cm 不同搭接长度，得到接头电阻为8.9×10-9Ω、6.0×10-9Ω、5.1×10-9Ω、4.8×10-9Ω、4.4×10-9Ω。

由此可以得出，带材搭接长度对超导接头电阻有明显的影响，当带材搭接长度较短时，接头电阻较大，随着搭接长度的增长，接头的电阻值逐渐减小。当带材的搭接长度为4 cm时，带材焊接后载流能力与短样测试结果类似，此时若继续增加搭接长度，接头电阻的变化程度不大，反而使焊接工艺难度加大，甚至会造成带材焊接性能的退化。因此，在双饼带材焊接过程中，要适当控制接头的搭接长度，减小接头电阻，同时又降低了焊接的难度。图8为搭接长度与接头电阻的关系。

图8 搭接长度与接头电阻的关系曲线Fig.8 Relationship between joint resistance and contact lenth of Bi2223/Ag

5 结论

通过对高温超导双饼带材的性能进行测试，得出结论：

（1）采用四引线法对超导限流器所用Bi2223/Ag带材测试，发现其临界电流为239.82 A。当径向弯曲直径大于70 mm时，带材临界电流相比未弯曲前基本没有变化；当弯曲直径小于70 mm，带材临界电流开始出现明显衰减，随着弯曲直径的不断减小，临界电流的衰减速率逐渐加快，直到带材丧失超导性能。实验发现，相同弯曲直径下，弯曲次数与带材临界电流没有明显的关系。

（2）双饼线圈的绕制分为正、反两个阶段，每个单元饼绕制时应严格控制相关过程的工艺细节，避免在扭角及翻饼时出现带材扭折、错位及尖角等现象发生，确保线圈绕制的均匀性、可靠性。双饼线圈测试结果发现，其77 K自场下的临界电流为157.12 A，双饼性能达到短样的70.1%，进一步证明绕制工艺的可靠性。

（3）高温超导带材焊接工艺是超导限流器研制的关键技术，接头的电阻直接影响线圈载流能力，采用焊接温度493 K、焊料Sn63Pb，搭接长度4 cm时，获得了较好的焊接效果，为超导限流器的安全运行提供了基础。