高温超导储能线圈应力应变分析

发布时间：2020-05-31 16:07

【摘要】：随着城市化进程的发展,人们对于电力质量的要求越来越高,高温超导储能系统可以有效的平衡电力系统中的负荷波动,维持电压和频率的稳定。高温超导储能磁体是超导储能系统最为关键的器件,因此对于其稳定性的分析显得尤为重要。高温超导储能线圈在正常工作中会受到两种应力的作用,一种为超导线圈因受到安培力而产生的电磁应力,另一种为超导线圈在充放电过程中交流损耗引起的温升所产生的热应力,本文将从电磁应力与热应力两个方面来分析超导线圈的应力应变。现有的交流损耗计算方法在求解三维超导线圈模型时存在计算速度慢、收敛性差等问题,因此本文提出基于迭代电导率的快速交流损耗求解方法,通过电导率与电场强度E的关系来描述超导体高度非线性E-J本构关系,充分考虑磁场因素对临界电流的影响,通过此方法可以准确求解交流损耗。本文首先分析了 4根堆叠超导带材的电磁应力应变分布,结果表明超导带材电磁应力应变分布并不均匀,应力最大值为3.95×104 Pa,在浸渍环氧树脂后,应力最大值为2.16×104 Pa,结合应力数值以及应力分布图可以看出浸渍环氧树脂可以有效降低超导带材所受的电磁应力。然后分析了超导储能线圈在两种固定约束下的应力应变分布图,结果表明,超导储能线圈在电磁应力下均发生了一定的形变,形变量对于超导带材有一定的拉伸作用,但是两种情况下的应力应变均未超过超导带材的临界值。本文建立三维超导线圈有限元模型,分析了以交流损耗作为热源的超导线圈热应力应变分布,在模型中通过电磁仿真求解交流损耗,得到超导线圈的交流损耗具有周期性的结论,其周期为传输电流周期的一半,最大交流损耗体密度为5.97×105 W/m3。然后结合固体传热理论与热膨胀理论分析超导线圈热应力应变,结果表明超导线圈最大热应力为1.08×104 Pa,在只考虑热膨胀作用下超导线圈总7位移最大值为8.2×10-,结合热应力应变数值与分布图可以得出,超导线圈的热应力应变分布并不均匀,若热量不能及时耗散在热量聚集区域,有可能会造成超导线圈与环氧树脂绝缘层产生分离现象,造成超导线圈失超。本文实验绕制了超导双饼线圈,在分析浸渍固化热处理温度与时间对临界电流的影响得出最佳浸渍范围后,对超导线圈进行真空浸渍,实验测量了浸渍固化前后超导线圈的临界电流,结果表明超导线圈的临界电流衰减3.2%,线圈浸渍工艺对超导线圈临界电流的衰减在可接受范围之内。
【图文】：

逡逑图１－３邋Ｂｉ－２２２３高温超导带材的截面示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｃｒｏｓｓ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｂｉ－２２２３邋ｈｉｇｈ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ邋ｔａｐｅ逡逑ＲＥＢＣＯ涂层导体即第二代高温超导带材是通过在带状的金属基底上采用物逡逑理气相沉积法沉积涂抹ＲＥＢＣＯ薄膜而制成的高温超导带材，ＲＥ指的是稀土元素，逡逑第二代高温超导带材中具有代表性的为ＹＢＣＯ高温超导带材。ＹＢＣＯ高温超导体逡逑的制造工艺思路为在金属基带上镀膜，因此也被称为涂层导体。ＹＢＣＯ高温超导逡逑体类似于三明治结构，如图１－４所示为ＹＢＣＯ涂层导体结构示意图。ＹＢＣＯ导线逡逑通常分为基底层、金属氧化物缓冲层、ＹＢＣＯ高温超导层、以及金属保护层［１５］。逡逑ＹＢＣＯ涂层导体镀膜的方式主要有激光沉积法、溅射法和通过有机金属化合物气逡逑相沉积（ＭＯＣＶＤ）为代表的化学气相沉积法。ＹＢＣＯ涂层导体的通流能力比Ｂｉ逡逑高温超导体要好，且具有更好的拉伸强度，在较大的机械应力下仍能保证临界电逡逑流不会有较大幅度的衰减。ＹＢＣＯ高温超导带材的主要生产厂家有美国ｓｕｐｅｒｐｏｗｅｒ逡逑公司、美国超导公司、韩国ＳｕＮＡＭ、日本藤仓公司、中国上海超导公司等。其中逡逑中国上海超导公司采用物理气相沉积法制备ＹＢＣＯ高温超导薄膜。其生产的超导逡逑带材具有优越的电性能，较高的电流密度以及较大的交流损耗。现如今美国超导逡逑公司己经可以生产出几百米、几千米长的高温超导带材，，己经达到超导带材在电逡逑力系统中的使用要求。表１－１提供了不同厂家的ＹＢＣＯ高温超导带材各项参数。逡逑铜稳定层邋逦逡逑银

的机械特性适合用于大容量高温超导储能磁体。采用绝缘套或金属套捆绑固定可逡逑以使其具有较好的机械强度，但是随着导体厚度的加大ＴＳＴＣ复合导体只能用于逡逑绕制较大半径的高温超导储能线圈。图１－７为３２根ＹＢＣＯ组成的ＴＳＴＣ高温超导逡逑体［１７］。逦．逦？逦．逡逑ＩＨ逡逑⑷焊接RG逡逑［：笔墓：…逡逑（ｂ）焊接后逡逑图］－７邋３２根ＹＢＣＯ组成的ＴＳＴＣ高温超导体逡逑Ｆｉｇ．邋１－７邋ＴＳＴＣ邋ｈｉｇｈ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ邋ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ邋ｏｆ邋３２邋ＹＢＣＯ逡逑７逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM55

【参考文献】

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7 吴晋波;孙海顺;文劲宇;程时杰;徐友平;卢放;;利用储能技术实现交流互联电网分区解耦控制的可行性研究[J];中国电机工程学报;2011年16期

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9 邹继斌;江善林;梁维燕;;考虑邻近效应的高速永磁无刷电机交流损耗[J];电机与控制学报;2010年05期

10 丁世英;;超导电性的交流磁化率研究[J];物理学进展;2009年03期

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5 郭伟;YBCO复合导体的设计及其性能测试[D];华北电力大学;2014年

6 李林珏;运用于微电网储能系统的双向逆变器控制策略研究[D];浙江大学;2013年

本文编号：2690119