ABSTRACT In the paper several important applications of the low temperature technology in su-perconducting power systemare discussed. Some cryogenic refrigeration system, such as cryocooler cool-ing, LN circulation system and Peltier cooling based on Peltier materials are introduced. It is pointedthat the key problems are characteristics of 3D interfacial layer, the effects of thermal contact resistanceon dynamic stability of high temperature superconducting for applying superconducting technique to elec-tric power systems.
KEYWORDS lowtemperature technology; direct cryocooler cooling; 3D interfacial layer resis-tance; highTcsuperconductor
摘 要 阐述低温技术在超导电力系统中的制冷机直接冷却技术、液氮迫流循环系统以及基于Peltier材料的Peltier冷却方法等几个重要应用。指出用微低温工程学(micro-nanocryogenics)观点研究三维低温界电力技术论文发表面层和界面层热阻对高温超导动态稳定性的影响是高温超导电力应用低温技术的研究热点及重要研究方向之一。
主题词 低温技术 制冷机直接冷却 三维低温界面层热阻 高温超导
1 前 言
随着超导理论及高温超导材料技术研究的发展和电力系统增长的需要,高温超导限流器、超导储能系统、超导电缆和超导变压器等高温超导(HTS)电力应用的研制相继出现,进入了高温超导有可能首先在电力系统应用的突破阶段。其中,超导电缆在一些发达国家甚至已经投入电网系统正式运行。据美国、日本等国一些专家分析,在21世纪初,超导将实际用于电力系统。预计在21世纪前期,超导产业的市场可达到上千亿美元,而其中约半数将用于电力系统中。
在超导电力应用系统的研究中,低温技术与超导技术是协调发展和相互促进的。发展超导技术应用对低温技术提出了更高的要求,低温技术的发展也促进了高温超导材料及装置器件的扩大应用,直接关系到超导设备的效率和安全可靠性,是超导技术能否实际应用的关键之一,成为应用超导系统整体的一个重要的不可分割的部分。为此,大力进行超导电力应用低温技术的研究,对推广高温超导技术在电力系统中的应用具有迫切而重大的意义。
在高温超导应用中需要解决的科学问题与关键技术已提到日程上,然而即使在国外,对高温超导材料进行研究的一些重要的低温热力参量基本应用数据仍然极为缺乏,冷却过程若干重要科学问题和关键技术细节报道甚少。
2 制冷机直接冷却系统
低温超导磁体或器件采用液氦浸泡冷却,但随着高温超导材料与低温技术的发展,采用制冷机直接冷却已经成为发展方向。使用制冷机直接冷却超导磁体系统具有运行维护方便、结构紧凑、安全性好、效率高、长时间运行不需补液等优点[1]。利用稀土磁性材料Er3Ni作为低温回热器的材料, GM制冷机二级冷头的温度可以降到4•2 K[2],因而利用两级GM制冷机直接冷却将成为可能。Sumitomo的GM制冷机的连续工作周期超过10 000小时, Cryomech的脉管制冷机的连续工作周期超过20 000小时[3],这就使得制冷机直接冷却方式更具有实用性和商业性。
制冷机直接冷却的高温超导装置由超导磁体、HTS电流引线、低温制冷机、辐射屏等组成,如图1所示[4]。为了加快冷却速度,可以在系统内设置液氮或液氦装置,用以对系统进行预冷;也可以对系统采用多台制冷机,用来冷却辐射屏和超导磁体,或一台冷却辐射屏,一台冷却超导磁体。制冷机多选用GM制冷机或脉管制冷机[5]。
制冷机直接冷却系统最具潜力的应用在于超导储能(SMES)。超导储能可提高系统的稳定储备和响应的容许输电容量,同时还具有提高功率因素,稳定电网周波,控制电压波动,保证重要用户不间断供电等多种功能,从而大大提高电力系统的供电品质。美国超导公司(ASC)已经开发出两种不同电力电子线路的小型SMES装置。华中科技大学、西北有色金属研究院等在我国高科技发展计划支持下,开始研制制冷机直冷却高温超导磁储能系统的中小型SMES系统,开拓温超导应用直接冷却的新途径。
3 界面热阻对直接冷却系统的影响
在高温超导制冷机直接冷却系统中,制冷机冷头与电绝缘垫片之间、电绝缘垫片与电流引线之间都存在界面热阻,它影响和限制超导器件冷却的效率和运行可靠性。界面热阻引起的焦耳热几乎占总漏热的1/3~1/2,对系统的动态稳定性有重要影响,是超导电流引线发生失超的主要根源之一。因此,减小和控制低温界面热阻是实现超导系统直接冷却的技术关键。
影响界面热阻的因素很多,包括材料的热物性、表面性质、表面粗糙度、负载、温度和界面的介质等。国内外已经有很多学者做过相关研究,但是一般把两固体的接触界面只看成一个简单的几何面。王惠龄教授用电子显微镜观测Cu-Al冷压连接界面的微观结构,发现这个接触界面是一个具有微米级厚度的薄层,并且通过实验测出了这个界面热阻[6]。图2是测得的Bi-2223与AlN的界面热导率随温度变化的关系图,由图可以看出:随着温度的升高,界面热导率增大。当温度低于90 K和高于110K时,界面热导率随温度的变化比较明显;而在90 K~110 K之间,界面热导率随温度的变化则比较平缓。由于Bi-2223样品在85 K~110 K之间发生相变,其热导率在该温区出现极大值和极小值,影响了通过接触界面的热量传输,进而影响了界面热阻的大小[7]。因此我们提出“三维低温界面层”的新概念。三维界面层晶体结构排列、缺陷、杂质等对界面层热阻的机制有重要影响,从微低温工程学的角度来研究三维低温界面层特性、界面层热阻以及界面层上的热输运特性,及从界面层微观结构探索超导直接冷却最佳热耦合机制是高温超导应用基本而重要的科学问题之一。
4 液氮迫流循环冷却
目前超导电缆和超导变压器多采用液氮迫流循环冷却,它是一种强迫液氮在系统内流动输送冷量的冷却方式,在美国已投入使用的第一条高温超导电缆采用的制冷方式就是液氮迫流循环,冷却系统流程图如图3所示[8]。
HTS电缆在大约77 K的低温下运行,由强迫过冷态液氮流经整个系统实现。当制冷剂流过HTS系统时,吸收系统的漏热,并且把这部分漏热输送到一个低温制冷器里,低温制冷器带走这部分漏热,并使制冷剂吸收冷量恢复到原来的温度;用来冷却流经HTS电缆的液氮的氦制冷机采用Brayton循环,这个制冷机包括两个并联的透平机和两个逆流热交换器,这种制冷系统的可靠性已经被证实;安装备用系统是为了保证在氦循环系统失效的时候进行冷量的传递以阻止HTS电缆系统工作的中断;由一个大的液氮储存槽提供的液氮在低于大气压的压力下沸腾,进入LN-LN热交换器以确保与氦制冷机几乎相同的流量供应;液氮循环系统由两个低温泵组成,低温泵提供足够的压头以维持HTS电缆中液氮的流动;压力系统限制在电缆负荷变化期间由于制冷剂容量波动而引起的压力变化。
超导电缆可以输送特大功率的电能,系统允许过载的周期较长,而且在短时期内可耐受用户的短路电流,另外其电缆载流量与土壤等敷设条件无关[9]。超导电缆的上述优点,使它具有巨大的潜在经济效益,各国都把它列为重大的研究项目。世界上第一条实用高温超导电缆已在美国于2000年1月投入使用,德国、日本、丹麦等国家也分别研制出了HTS电缆,我国也开始研制能够投入实际电网中使用的高温超导电缆。
超导变压器可以提高电力系统的效率和系统安全性,增大电压调节范围,另外超导体的限制故障电流能力可减小整个系统的投资。这些优点使它成为21世纪最理想的节能变压器,极具开发前景[10]。各国研制的HTS变压器主要技术指标如表1所示[11,12]。
在HTS电缆和变压器的研究中需要解决的关键技术问题之一是长期可靠运行的冷却技术。在电缆冷却中,由于电缆芯的直径一般都比较小(12 mm左右),液氮在其间的流动状态及传热特性是需要深入研究的问题,由此掌握液氮在微小管道的流动特性及其传热特性对于提高液氮的冷却效率降低系统的功耗是优化设计的重要环节。变压器冷却中,采用过冷氮冷却的优点是: (1)过冷氮本身是一种绝好的电绝缘材料,可以降低电绝缘耗材成本; (2)与77 K饱和氮相比,过冷氮冷却的Bi-2223的临界电流密度更大; (3)使用单相制冷机维持过冷氮的温度可以限制由于冷耗引起的缺陷[12]。因此,变压器冷却更宜采用过冷氮,在这种情况下,研究过冷氮的热输运特性具有重要意义。
同时在液氮冷却系统中,液氮的相变过程对超导装置的稳定性有很大影响,这是因为相变过程本身具有动态性质和波动特征。超导装置的动态稳定性是超导技术进入实际应用的最重要问题之一。超导磁体冷却对稳定性的影响是限制进一步提高电流密度、磁场强度及运行可靠性的根本问题。建立冷却系统合理模型,进行状态识别、故障诊断、超导装置设计、优化及预测、控制超导磁体稳定性,是现在研究的关
