高温超导磁通泵研究进展与发展趋势

高温超导磁通泵是一种基于电磁感应定律的高温超导磁体无接触式供电设备,可在没有任何直接电接触或物理接触下将磁通量泵入超导闭环线圈,以补偿高温超导磁体系统衰减的电流并确保磁体磁场稳定性,从而使高温超导磁体能够工作在持续电流模式下,为实现稳态强磁场提供技术支持.超导磁通泵未来能够替代昂贵的高温超导磁体电流引线,在减小体积和重量的前提下有效提高无线电源设备的能效及可靠性,降低超导磁体带材使用量及制冷机功率,极大地推动高温超导磁体的广泛应用,将对航空航天、国防军事、轨道交通、生物医疗、高能物理等工程应用领域的技术革新做出贡献.本文总结了不同类型高温超导磁通泵的设计方案、技术特点以及最新研究进展,对比分析了各类型超导磁通泵的优缺点与应用前景,阐述了磁通泵在超导磁体及超导电机等应用领域中的潜在发展趋势,为高温超导磁体无线直流电源技术提供了理论支持与技术展望.     

热开关和多脉冲励磁的类比特高温超导模型磁体的捕获磁通及电磁特性研究EI北大核心CSCD

高温超导磁体因其体积小、高实用性、高场强等优点,在科学研究等领域具有广泛的应用。然而,高温超导带材之间焊接技术的不成熟,很难实现持续电流模式。该文提出一种利用RE-Ba-Cu-O(RE为稀土元素,REBCO)超导片堆叠组成的类比特高温超导模型磁体,该模型磁体不但没有焊接电阻的影响,而且实现持续电流模式。该文说明单片REBCO超导片和由超导片堆叠而成的类比特高温超导模型磁体的结构细节,介绍采用热开关和多脉冲励磁的方法,说明通过COMSOL模拟利用热开关和多脉冲电源对超导片以及类比特高温超导模型磁体进行励磁的过程,证明其能够实现持续电流模式,并对其在持续模式下运行的捕获磁通和电磁特性进行仿真分析以及实验验证。结果表明,热开关和多脉冲励磁的方法可以激励类比特高温超导模型磁体。与传统高温超导磁体相比,由多个超导片堆叠而成的高温超导模型磁体可在无电流引线的情况下实现闭环运行,避免无阻焊接的技术瓶颈。     

永磁轨道磁场不平顺对YBCO高温超导块材温升行为的影响

永磁轨道磁场不平顺激扰下YBCO高温超导块材的内在动态温升行为对高温超导钉扎磁浮热稳定性及列车运行可靠性研究具有重要意义。本文基于自主研制的超导磁浮动态测试装置SCML-03搭建了超导块材温升检测平台，研究了不同运行工况时永磁轨道磁场不平顺激励下YBCO块材内部温升行为规律。实验表明，在不同速度磁轨磁场不平顺的动轨条件下，YBCO块材内部温度均表现出先快速升高而后逐渐趋于稳定的趋势，YBCO块材内部关键点的温升在0～3 K范围内波动；此外建立了永磁体磁化强度与空间磁场的数学关系，实现了对真实永磁轨道磁场波动的模拟，基于Comsol Multiphysics有限元软件构建了真实动轨磁场不平顺下高温超导块材电磁-热-力多物理场耦合仿真模型。实验对比验证了磁轨磁场不平顺模拟方法和多场耦合模型的有效性，为下一步研究高温超导钉扎磁浮磁轨不平顺设计限值标准提供了前期基础。     

BI-2212超导圆筒热学特性测试及有限元分析

感应屏蔽型高温超导故障电流限制器的动态测试实验中，在故障期间，Bi-2212超导圆筒处于磁通流动状态并出现电阻，处于交变磁场中的超导圆筒的内部，有大量的感应电流产生，焦耳热引起超导圆筒温升，使限流器的阻抗不断上升，进行超导圆筒的热学性能测试和分析，对研究限流器故障阶段阻抗的变化及故障后限流器的恢复具有重要的意义。该文通过对有银皮包套的超导圆筒和没有银皮包套的超导圆筒在通过大电流(大于临界电流Ic)时温度变化的测试及有限元分析计算，得到了样品分别在液氮和77K氮气中温度的变化和分布。结果表明，银皮包套对超导圆筒的温升有很大影响，超导圆筒的中心温度高于边界温度，超导圆筒温度的恢复时间大约为3s，与限流器动态测试中的恢复时间相同。     

藤仓高温超导带材临界电流测试实验研究

高温超导带材应用于超导限流器、超导储能等超导电力装置时,会受到外界磁场的影响。在外界磁场的影响下,高温超导带材的临界电流会发生衰减,衰减程度由外界磁场的方向和强度决定。临界电流直接影响这些超导电力设备的性能,因此在背景磁场下开展高温超导带材临界电流实验研究就显得至关重要。在77 K温度、不同磁场方向(垂直磁场、平行磁场和30°倾斜磁场)以及不同磁场强度(0~0.9T)的外界条件下,采用四引线法测量了日本藤仓公司生产的REBCO高温超导带材临界电流的变化情况。详细介绍了临界电流特性测试平台的搭建和测量方法,最后基于REBCO超导带材临界电流的测试结果,分析了临界电流特征的变化规律,为高温超导带材应用于超导电力装置提供了参考。     

超导电力装置电流引线迫流冷却传热分析

超导电力装置中连接低温磁体与室温电源的电流引线是整个系统漏热的主要来源。为减少系统漏热,有必要对电流引线进行热损耗分析。本文应用有限元法对超导储能系统中的35kV/2kA电流引线进行漏热分析和优化设计,并研究了对引线采用氮气迫流冷却时的传热问题。在利用传统方法得到电流引线初始取值范围的基础上,采用有限元法对自冷条件下的电流引线进行电热耦合分析,得到最小漏热目标下电流引线的长横比。接着分析了氮气迫流冷却条件下电流引线与氮气的共轭传热问题,得到铜引线的温度分布及氮气流速、换热系数与出口压强之间的关系。分析结果为确定真空泵的运行参数提供了依据。     

大型超导磁体高温超导电流引线的研究

高温超导电流引线作为减少漏热的有效途径,在超导磁体系统中得到了广泛的应用.本文介绍了大型超导磁体用高温超导电流引线的结构和材料.此外,还描述了高温超导电流引线的热特性.为了研究高温超导电流引线在正常运行和故障运行条件下绝缘结构对其电强度的影响,采用有限元法对16 kV高温超导电流引线进行了电分析.仿真结果表明,高温超导...     

超导磁体失超检测电路的设计

超导磁体的失超检测与保护是超导电力技术实用化的一个重要课题。为了实现对超导储能混合磁体的失超检测与保护,本论文根据混合磁体的特点及结构,在现有有源功率检测的基础上,提出了一种针对超导混合磁体的电压校正电路,通过对混合超导磁体上产生的失超信号进行隔离、放大、滤波以及比较等,实现失超信号的检测。设计并完成了失超检测系统硬件电路的制作与调试。通过搭建高温超导线圈的实验装置,在高温超导储能磁体上进行失超检测的实验研究,得出了电压矫正前后的线圈电压波形。给线圈分别以不同速度充电,研究充电速度对阀值电压、失超的起始点及临界电流的影响。实验线圈电压波形表明,该失超检测系统能及时、有效地检测超导混合磁体失超的发生。     

连续放电下涡流效应对脉冲电感线圈温升的影响

脉冲电感线圈可产生脉冲强磁场,可应用于电磁发射、电磁成型、脉冲功率电源等多个领域。线圈通过脉冲大电流,在产生强磁场的同时,由于焦耳热温度会急剧升高,温度过高可能会使线圈发生结构损坏。考虑涡流效应单次放电时电流会集中在导体外表薄层,从而使得局部电阻和温升增高,连续放电时由于线圈存在散热过程,导线温度会重新分布,是否还需要考虑涡流效应对线圈温升的影响,目前没有相关分析。因此,本文针对连续放电下涡流效应对脉冲电感线圈温升的影响,建立了二维电感线圈电磁-热多物理场瞬态耦合传热模型。首先,计算了绝热条件下的导线温升,与理论公式所得导线温升进行对比,验证了仿真所建模型的准确性;然后分析了单次放电时考虑涡流效应与加载均匀电流时电感线圈电流密度以及温升的分布特点,对比了两种加载方式下线圈不同时刻的温升差异;最后对连续放电条件下两种加载方式的线圈温升进行了对比分析,结果表明：1 ms电流峰值时刻考虑涡流效应的线圈存在严重的集肤效应,导线外表面温升最高,20 ms时刻由于温度的累积效应以及导线热传递作用,导线各匝温度分布均匀,与加载均匀电流的导线温升一致;六次放电后,放电间隔分别为6 s与50 s时,考虑...     

300 kV·A/25 000 V/860 V高温超导变压器漏磁场研究

高温超导变压器的漏磁场严重会影响绕组中的临界电流和交流损耗。由于超导材料磁化的各向异性,减小漏磁场径向分量显得尤其重要。利用ANSYS软件计算多种情况下超导变压器的磁场分布,研究了变压器的铁心结构、绕组形式、二次绕组不均匀气隙以及不同的一、二次绕组线圈高度等因素对漏磁场的影响。所得结论可供设计参考。     

感应加热用传导冷却YBCO高温超导磁体的热稳定性实验研究

与传统的高频交流感应加热技术相比,高温超导直流感应加热技术能够大幅度提升低电阻率、非铁磁性金属材料的透热处理加工效率。在高温超导感应加热系统中,超导磁体的热稳定性是保证系统安全稳定运行的关键。本文对传导冷却YBCO高温超导磁体进行通流实验,通过布置在磁体不同位置的多个温度传感器来监测各部分的温度情况,以温度能否在安全范围内趋于平稳作为判定条件研究超导磁体的热稳定性。同时,本文还研究了磁体载流的幅值与上升速率对磁体温升的影响。结果表明,高温超导磁体在传导冷却条件下,其长期安全稳定运行电流值的安全裕度因子选择通常比浸泡冷却式磁体略低,对于运行的实验磁体,安全裕度因子可取为0.65;传导冷却磁体远端导热性能差,可通过增加导冷点以及改善传热的方式来弥补冷却不均的缺陷;在磁体能够稳定运行的一定范围内,电流不同的上升速率对最终温升无明显影响。本文的研究成果将为今后大型传导冷却超导磁体的热稳定性分析与安全运行提供有价值的参考。     

高温超导电缆保护研究

在高温超导电缆故障特征的研究基础上,依据高温超导电缆的结构特点,建立了超导电缆本体温度分布计算模型,在不同边界条件下分析了其稳态和暂态的温度变化情况;针对高温超导电缆在短路电流下的失超现象进行了深入研究,分析了绝热过程中温升、短路电流和时间之间的关系,进而提出了一套基于电气量信号和非电气量信号的高温超导电缆综合保护及其具体实现方案:非电气量保护、瞬时大电流失超保护和反时限热积累失超保护。基于该原理的保护装置已成功投运,运行效果良好。     

电网故障电流冲击下高温超导变压器表征模型及其限流特性分析

城市负荷中心电网中逐渐增大的短路电流已经超过断路器的开断容量,成为威胁电网安全运行的主要问题。而具有故障限流特性的高温超导变压器不仅能提高城市变电站容量,还能限制短路电流,成为研究热点之一。针对一台25MV·A/110kV高温超导变压器,基于磁热耦合分析方法,对高温超导变压器中超导线圈的失超限流过程搭建理论分析模型,然后应用PSCAD/EMTDC与Matlab联合仿真法,建立含高温超导变压器的单机无穷大系统仿真模型,计算并比较在不同短路故障下的高温超导变压器限流运行暂态过程、限流波形变化规律及限流比,获得超导变压器在不同故障下的温升变化规律。发现超导变压器的限流率随故障电流幅值增加而逐渐增大,最大可达55.63%,温升值取决于限流比率。最后,绕制一个超导变压器模型线圈,测试该线圈的临界电流特性和大电流冲击下的失超阻抗变化规律,验证超导线圈的限流效果。研究结论可以为具有限流特性的超导变压器的设计与保护提供参考。     

点状热干扰源诱导的准各向同性高温超导股线失超特性

第二代高温超导带材因其较高的临界电流密度以及良好的机械特性,近年来在超导研究领域得到极大关注。由REBCO带材组成的高温超导导体在液氮温度下的零电阻特性使其在超导输电领域具有巨大的潜力。从安全角度看,高温超导导体的失超保护研究是其获得广泛应用的一个关键。该文建立了准各向同性超导股线的三维失超仿真模型,耦合了电场、磁场和温度场,模拟了不同运行电流以及不同点状热干扰能量下超导股线的失超行为,求解出股线的温度、电流密度以及磁场分布,得到了准各向同性高温超导股线的最小失超能（MQE）以及失超传播速度（QPV）,对超导装置的失超保护具有重要意义。该文对准各向同性超导股线建立的三维失超模型,也可以应用到其他结构的高温超导导体的失超研究中。     

高温超导线圈的性能研究与应用进展

以铜基氧化物超导体为代表的高温超导材料,在液氮温度下将呈现特殊的超导性。使用铜基氧化物超导带材制作的高温超导超导线圈,具备无电阻、高载流、低重量等优势,因此在强磁体、限流器、储能、电机等领域得到广泛应用。由于超导线圈处于“力-电-磁”的复杂工作环境,需要对其机械性能、交流损耗、失超等进行研究。为此,本文综述和分析了高温超导线圈的研究和应用进展。     

柔性类圆芯准各向同性高温超导导体屏蔽电流场特性研究

由稀土(rare earth,Re)、钡(Ba)、铜(Cu)、氧(O)元素组成的第二代高温超导带材,统称为REBCO带材,因其高临界电流密度、良好的机械强度和电磁性能,在高场磁体中有着广泛的应用前景。然而,当REBCO带材处于变化的外磁场中时,磁场的垂直分量会穿透带材的宽度部分,产生分布不均匀且随时间变化的屏蔽电流场,这会对高精度的高场磁体产生较大影响。该文提出一种柔性类圆芯准各向同性高温超导导体的结构,利用有限元分析的方法计算其在77K不同外磁场方向、不同磁场幅值及不同励磁速率下的屏蔽电流场特性。然后,在与仿真条件相同的情况下对导体样品进行实验,实验结果与仿真结果相吻合。该文的研究结果可为柔性类圆芯准各向同性高温超导导体在今后的高场磁体设计中提供参考。     

高温超导储能实验装置研究

所研制的高温超导储能实验装置由Bi系高温超导线圈、IGBT功率变换器和TMX320F2812DSP控制器组成.BSCCO超导线在液氮温度下临界电流密度低,超导线圈端部漏磁场基本上垂直于超导带表面,使临界电流密度进一步下降,影响了高温超导的实用化进程.文中讨论了解决这些问题的关键技术.     

基于超导磁体的高温超导电流引线的传热优化

简述并分析了超导磁体系统中高温超导电流引线的冷却结构、国内外电流引线研究现状以及铜引线传热优化设计,其中,优化设计过程中高温超导电流引线承载电流为150 A,截流温度为70 K,铜引线高温端温度为290 K,通过最佳尺寸经验公式法与MATLAB优化工具分别对铜段电流引线进行传热优化设计,最后确定铜引线最小漏热为9.95 W,铜引线直径为6.4 mm,横截面积为32 mm^(2),长度为712 mm,并展望了高温超导电流引线的发展趋势。     

高温超导磁通切换电机励磁线圈电磁力计算

针对高温超导磁通切换电机中交变的电枢反应磁场使得高温超导励磁线圈产生形变,致使高温超导励磁线圈发生物理性损坏,影响电机安全稳定运行这一问题,以静密封高温超导磁通切换电机为例,对其高温超导励磁线圈的匝间电磁力进行了研究。基于超导线圈分离模型,在计及迈斯纳效应和趋肤效应的条件下,提出了一种高温超导磁通切换电机中跑道型超导线圈直线部分以及弯曲部分的电磁力计算方法,并在此基础上计算了超导线材的匝间电磁力。匝间电磁力计算结果表明,超导线圈的最外匝线材受到的电磁力最小,但受到同一线圈中其余匝线材作用的合力最大。为验证理论分析的正确性,采用三维有限元分析法,进一步计算并得到了高温超导励磁线圈的匝间电磁力,有限元计算结果验证了该计算方法的正确性。     

基于磁-路耦合分析法的高温超导环形储能磁体电磁优化设计

高温超导磁储能(HTS-SMES)系统可将运行温区提高到20~77K,极大地降低了制冷成本。高温超导储能磁体作为HTS-SMES系统的核心部件,其电磁优化设计显得尤为重要。应用REBCO涂层导体,采用储能密度大、漏磁场小的环形磁体构型,利用磁-路耦合分析方法,对高温超导环形储能磁体开展设计研究。提出一种基于Matlab与COMSOL联合进行高温超导环形储能磁体电磁优化的设计方法,分析了环形储能磁体在运行工况下的磁感应强度及漏磁场情况,得到了给定总用线量以及一定运行温度下储能量所能达到的最大环形储能磁体结构参数。优化结果表明,在总用线量和运行温度一定的条件下,不同单元线圈数目的环形储能磁体所能达到的最大储能量差别较小,而且随着单元线圈数目的增加储能量呈现先增加后减小的趋势。利用该电磁优化设计方法,能使环形储能磁体的储能量得到较大的提高,在寻找储能量最大值所对应的结构参数计算方面效果良好。