电磁热耦合作用下的超导磁体损耗评估和安全性分析

发布时间：2020-10-30 01:28

　　 超导磁体是大多数超导电力设备的主要元件之一,其交流损耗直接关系到整个系统的效率,损耗产生的热量将会导致磁体温度升高,甚至会导致磁体失超,影响系统的安全可靠运行。针对超导磁体运行的安全问题,精确地计算和测量磁体的交流损耗,评估磁体内部的温升,获取安全可靠的电流运行区间,结合安全理论和电气技术对超导磁体的结构进行优化设计,从超导线圈本身出发防止失超事故的发生,做到本质安全化,对整个系统的安全、高效运行有着重要意义。本文综合考虑线圈的电磁场、温度场,采用电磁热耦合的方法对高温超导材料ReBCO绕制的单饼线圈进行了建模分析,分别研究了面向无线电能传输、电磁储能控制、低温直流斩波的超导线圈的交流损耗和线圈内部的温升情况,根据线圈的热稳定性来对线圈进行了安全运行分析,得到了面向不同应用时超导线圈的安全电流范围。具体内容如下:(1)阐述了高温超导体失超的机理,给出了高温超导线圈安全运行判据。介绍了超导线圈的交流损耗计算方法、实验测量方法以及超导线圈热稳定性的分析方法。(2)在Comsol Multiphysics中使用H公式法建立了ReBCO超导线圈的二维轴对称仿真模型,分别计算了面向三种不同应用场合的超导线圈的交流损耗,从超导线圈内部磁场和电流密度的分布进行分析,讨论了不同运行电流对超导线圈损耗的影响。另外,对不同结构的分磁环的减损性能进行了评估,且对其进行了优化设计。采用锁相放大器法,测量了各应用场合下超导线圈的损耗,并与积分计算结果和仿真结果进行对比,三者结果具有良好的一致性,从实验验证了仿真模型的可用性。(3)利用电磁热耦合的方法,仿真计算了超导线圈在运行过程中的内部温度,对线圈的热稳定性进行了分析,对超导线圈容易出现失超的区域进行了说明,界定了线圈能够安全运行的电流范围:面向无线电能传输系统的超导线圈,易失超区域为第8匝,安全电流上限为148.1A;面向电磁储能控制系统的超导线圈,易失超区域为第11匝附近,安全电流上限为176.2A;面向低温直流斩波系统的超导线圈,易失超区域为第6匝,安全电流上限为184A。本文针对面向三种不同应用的超导磁体的电磁热特性进行了系统的分析,获得了可靠的安全电流区间,为采取有效的保护措施提供了一定的参考。
【学位单位】：四川师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TM26
【部分图文】：

3面向无线电能传输的超导线圈电磁热耦合仿真及实验29号发生器输出的信号，测试信号为超导线圈两端的电压信号。将测试信号和参考信号输入到锁相放大器中，锁相放大器就可以输出与参考信号同频同相的电压值，将电压值乘以电流值即得到交流损耗值。ACRscR2Lsc锁相放大器信号发生器液氮虚拟信号测试信号SR865A-4MHz锁相放大器图3.15基于锁相放大器的自场损耗测量原理图实验过程中，由于超导线圈两端的电压值很小，极容易收到环境中各种因素的影响，导致测量精度不高，为了更精确地测量超导线圈的交流损耗，实验前期必须排除各种可能影响实验结果的因素。为了抑制外来的各种干扰信号，可以采取各种措施，例如：“8”字形测量回路、使用采用双绞屏蔽线、样品中点接地等[88]。因此在本实验开始前，首先，根据大量研究者对超导线圈损耗测量的经验，实验中必须在带材的边缘焊接用于测量线材电压的引线，并且带的半宽度应该是离开带中心的1/3处，这一步是用来确保测量过程中传输电流流过带材所产生的磁场大部分被包括在电压引线所围的环路中。此外，为了排除外界环境中的电磁干扰，将电压测量回路改成“8”字形，可有效地消除外部磁场变化在回路中产生的感应电压。除此之外，实验中，将待测样品中点接地、将测量电压引线进行双绞来消除外部信号对测量的影响，如图3.16所示。图3.16“8”字引线连接示意图电流引线电压引线超导带材

四川师范大学硕士学位论文30在超导带材中，既包括电阻又包括电感，电压引线的连接方式会影响测量精度[89]。当正弦交流电通过超导带材时，带材会产生两部分电压，一个是电阻电压，一个是电感电压，两者之间的相位差是90°。实验需要得到的是电阻电压，将其与电流相乘，即可得到损耗功率，所以实验过程中应该抑制感应分量。在实验中所采取的方法是利用补偿线圈进行补偿，如图3.17，将电压测试线和一个补偿线圈进行反串联，调整补偿线圈的位置，尽可能地降低感应分量，并将抑制感性分量后的电压信号传输给锁相放大器。反串联的操作主要是为了让补偿线圈产生的信号和电压测试信号叠加，从而达到减小感应分量的目的。实验测量时电流的测量工具是电流钳。如图3.18所示是实验电路：图3.17补偿线圈示意图图3.18线圈交流损耗测试电路补偿线圈功率分析仪超导线圈

四川师范大学硕士学位论文30在超导带材中，既包括电阻又包括电感，电压引线的连接方式会影响测量精度[89]。当正弦交流电通过超导带材时，带材会产生两部分电压，一个是电阻电压，一个是电感电压，两者之间的相位差是90°。实验需要得到的是电阻电压，将其与电流相乘，即可得到损耗功率，所以实验过程中应该抑制感应分量。在实验中所采取的方法是利用补偿线圈进行补偿，如图3.17，将电压测试线和一个补偿线圈进行反串联，调整补偿线圈的位置，尽可能地降低感应分量，并将抑制感性分量后的电压信号传输给锁相放大器。反串联的操作主要是为了让补偿线圈产生的信号和电压测试信号叠加，从而达到减小感应分量的目的。实验测量时电流的测量工具是电流钳。如图3.18所示是实验电路：图3.17补偿线圈示意图图3.18线圈交流损耗测试电路补偿线圈功率分析仪超导线圈
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本文编号：2861767