交变磁场下超导薄圆筒的交流损耗研究

通过数值模拟方法研究了超导薄圆筒在交变磁场下的交流损耗特性.这种超导体的几何模型为一个通有与外加磁场同相位的交流电且厚度可忽略的圆筒.基于Bean临界态模型,通过数值方法得到了交流损耗Q,与实验结果符合得很好.此值模拟方法仅适用于超导薄圆筒,对涂层超导体具有一定的应用价值.     

基于积分法的超导交流损耗测量系统

高温超导材料的交流损耗是超导设备在电力应用的一个重要参数,直接影响着超导设备的稳定性及实际电力的运行情况。结合Lab VIEW采用一种基于积分法测量高温超导体交流损耗的新方法。与其他测量方法相比,积分法测量更具有实时性和简便性。测量高温超导电流引线在47Hz下的交流损耗,测量数据与Norris理论模型进行比较,具有良好的一致性,验证了试验系统的准确性和可行性。     

基于补偿法的超导单元交流损耗测量系统设计

交流损耗是影响超导电力装置运行稳定性和成本的关键因素之一.本文提出了一种基于电压补偿法的大载流超导单元交流损耗测量方法,通过串联在回路中的大电流补偿线圈,抵消超导单元的感性电压来实现.在系统设计上,通过数据采集卡和运动控制器,获取超导单元、补偿线圈的电压信号,同时控制步进电机拖动补偿线圈.通过相位的对比计算,实现精确定位补偿,从而测量超导单元的交流损耗.最后,在不同频率下,测量了0.2 m长、110 kV/1.5 kA的高温超导电缆样缆的交流损耗,得出的交流损耗曲线与计算结果基本吻合.实验结果表明,采用补偿线圈的交流损耗测量系统具有自动检测、定位和测量功能,可以实现具有大电流容量超导单元交流损耗的准确测量.     

不同几何参数的Bi-2223带材在外磁场中的耦合时间常数分析

随着高温超导技术的发展,超导材料的损耗成为制约其大规模应用的一个重要因素。目前已开展了许多关于Bi-2223带材交流损耗的研究。在应用过程中,外场下的交流损耗是影响超导电力设备运行的极为重要的部分。利用交流磁化率测量装置,测量出Bi-2223带材在平行场和垂直场下的交流磁化率,然后通过计算得到Bi-2223带材在平行场和垂直场下的交流损耗。分析了在平行和垂直外场下,Bi-2223带的耦合损耗时间常数与宽厚比的关系,以及不同宽厚比带材的交流损耗和频率之间的关系。研究发现平行场下,耦合损耗时间常数随宽厚比的增加而增加。而在垂直场下耦合损耗时间常数随宽厚比的增加而减小。     

一种铁基超导带材交流损耗的测量

近年来铁基超导材料的发现掀起了又一轮新型超导材料研究的热潮,各种配方的铁基超导材料不断被制备出来,转变温度也不断提高,中国科学家在该领域取得了十分突出的成果,制备出了多种铁基超导材料,但对其交流损耗特性研究鲜有报道,而实际应用中交流损耗的特性又十分重要,因此搭建了一套采用探测线圈法的交流损耗测量平台,测试了一种中国科学院电工研究所采用PIT工艺制作的单芯铁基超导带材的交流损耗。该文介绍了采用探测线圈法测量超导材料交流损耗的一种测量平台的搭建与标定,以及采用标定过的测量平台在液氦温度下测量的一种采用PIT工艺制作的单芯铁基超导带材的交流损耗;并与计算得到的铁基带材超导芯的磁滞损耗和包套的涡流损耗进行了比较分析,得出了其交流损耗与背景磁场频率成正比,其涡流损耗可以忽略的结论。     

高温超导方形细线的交流损耗特性研究

当前超导电缆能否实现大规模应用还面临着多项关键技术问题,进一步改进超导电缆的结构和绕制技术、进一步降低交流损耗就是其中的两个方面。将多根高温超导方形细线(Soldered-Stacked-Square HTS wire)通过并联形成一根双根结构的高温超导缆线,采用电测量法,在77 K、零外场及不同频率条件下,对高温超导方形细线通以不同运行电流时产生的交流传输损耗进行测量,可以获得双根高温超导方形细线的交流损耗与传输电流频率之间的关系,结果表明两者无关,并且超导方形细线的双根并联结构对减小线材的交流损耗能够产生一定影响。     

准各向同性高温超导股线交流损耗的实验研究

高温超导体的交流损耗直接影响超导电力装置的运行成本和稳定性,是判断超导电力设备设计是否合理的重要特性之一.在阐述准各向同性高温超导股线结构特点的基础上,首先对准各向同性高温超导股线的交流损耗和磁滞损耗进行仿真研究,利用有限元软件Comsol Multiphysics分析了交流背景磁场下的损耗,然后在对光纤布拉格光栅(optical fiber Bragg grating,简称FBG)波长与损耗关系标定的基础上,使用光纤布拉格光栅测量交流背景磁场下的交流损耗.理论计算与实验结果相吻合,表明在工频和液氮温度下股线的交流损耗以磁滞损耗为主.     

液氢温区YBCO超导带材的交流损耗研究

超导电缆具有载流能力强、损耗低等优势,是电力输送的良好选择。但是,超导电缆需工作于低温环境。液氢温度为20K,可为超导电缆提供低温条件,将超导电缆输电与液氢燃料输送相结合,可解决超导电缆在输电中的瓶颈问题。开展了液氢替代液氮后高温超导带材的传输交流损耗研究。针对美国超导公司提供的黄铜加强YBCO带材,采用H法有限元模型,仿真分析了液氢、液氮冷却时超导带材的传输交流损耗。结果表明采用液氢作为超导带材的冷却介质时,带材正常金属产生的涡流损耗和磁性基底产生的铁磁损耗对总损耗的影响程度较小。所得结果可为液氢温区超导电缆的设计和运行提供参考。     

110 kV高温超导电缆屏蔽层交流损耗特性研究

基于H方程求解了110 kV/3 kA高温超导电缆在不同工况下运行时的磁场分布和交流损耗,在此基础上分析屏蔽层感应电流的变化情况,并探究导电层和屏蔽层采用组合超导带材的可行性。结果表明,随着传输电流的增大,屏蔽层感应电流发生了畸变,电缆总体的交流损耗显著增加。当导电层采用77 K下临界电流为210 A的超导带材时,电缆可显著降低大约48%的交流损耗。     

高温超导线圈交流损耗测试研究

超导线圈交流损耗的测量,能为研究超导线圈交流损耗提供重要方法,并对应用中超导线圈的优化提供重要依据。通过测量电流电压得到功率、再对时间积分的方法,来计算交流损耗,实验中可采用电容补偿降低电源功率负荷,电感补偿降低采集信号噪音,调整采样周期进一步提高采集效率和信噪比等方法来进行。将超导单带在88 Hz及小线圈在90 Hz的实验结果,与理论公式、经典锁相放大器测试结果对比,实验结果中交流损耗从小电流到大电流的差别为17%～1%,证明用该方法测量超导线圈交流损耗,准确、合理。     

不同温区下准各向同性超导股线传输损耗研究

对第二代高温超导带材堆叠的准各向同性高温超导股线进行仿真，研究其在不同温区下的交流损耗。首先采用自洽模型获得20 K至77.5 K下超导股线的自场临界电流和磁场分布，然后通过T-A算法计算超导股线在不同温区下的传输不同幅值、频率的传输交流损耗。仿真结果表明，准各向同性高温超导股线在不同温区下的传输交流损耗与传输电流大小成正比，且温度越低传输交流损耗越大；不同温区下超导股线的传输损耗与频率无关。这对准各向同性超导股线应用于高场强磁体的冷却系统效率及热负荷的预估具有重要的参考意义。     

并绕铜带对高温超导绕组交流损耗影响实验研究

在许多超导电力设备的应用中,超导绕组的机械性能和电流过载能力是关乎设备运行安全性和可靠性的重要现实问题。利用铜线(或铜带)与高温超导带材平行绕制的方法是解决这一问题的可行方案之一。但这种方案有可能带来额外的交流损耗。为了研究这一问题,制作了两个尺寸相同的超导绕组,绕组内径70mm,外径90mm,高45mm,其中一个绕组由超导带与铜带并绕而成,另一个则由超导带材单独绕制而成。两个样品使用的超导带材均为一代Bi-2223/Ag高温超导带,宽4.6mm,厚0.22mm;铜加强带宽5mm,厚0.1mm。采用了卡路里法对比研究了两个样品的交流损耗。实验结果显示加入铜带没有明显增加超导绕组的交流损耗。因此,超导绕组中并绕铜带不失为一种有效提高超导绕组机械性能和过载能力的方法,在超导电力设备中有一定的应用价值。     

两种减少高温超导风机交流损耗的结构优化方法北大核心

超导线圈的制冷问题是高温超导(HTS)风力发电机研究中的一个重点,尤其是在使用接触式制冷的超导电机中,现有制冷机的制冷功率普遍较低,这就要求超导线圈的交流损耗不能太大。在超导风力发电机中,为了减少交流损耗,通常将超导线圈放置在转子中作为励磁线圈使用。在定子齿部材料为铁磁材料的旋转电机中,气隙磁场会发生畸变,转子旋转时超导线圈处会出现交变磁场,产生交流损耗。通过有限元软件仿真,以使用接触式制冷系统的2.5MW高温超导风力发电机为研究对象,证明使用铁磁材料的定子齿部结构是造成超导线圈处交变磁场和交流损耗的主要原因。采用均一化模型计算交流损耗,提出两种减小交变磁场和交流损耗的结构优化方法,即定子齿部采用非磁性材料和在气隙处增加磁屏蔽层。     

两种减少高温超导风机交流损耗的结构优化方法

超导线圈的制冷问题是高温超导(HTS)风力发电机研究中的一个重点,尤其是在使用接触式制冷的超导电机中,现有制冷机的制冷功率普遍较低,这就要求超导线圈的交流损耗不能太大。在超导风力发电机中,为了减少交流损耗,通常将超导线圈放置在转子中作为励磁线圈使用。在定子齿部材料为铁磁材料的旋转电机中,气隙磁场会发生畸变,转子旋转时超导线圈处会出现交变磁场,产生交流损耗。通过有限元软件仿真,以使用接触式制冷系统的2.5MW高温超导风力发电机为研究对象,证明使用铁磁材料的定子齿部结构是造成超导线圈处交变磁场和交流损耗的主要原因。采用均一化模型计算交流损耗,提出两种减小交变磁场和交流损耗的结构优化方法,即定子齿部采用非磁性材料和在气隙处增加磁屏蔽层。     

外场因素对高温超导堆叠带材交流损耗的影响

REBCO高温超导带材在传输电流时会产生交流损耗,从而影响超导设备的稳定运行。基于麦克斯韦方程组,结合超导体的非线性E-J关系,使用H方法推导求解超导体交流损耗的数值计算公式,利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件建立二维轴对称模型并进行计算。结果表明,在通入交变电流后,超导带材由于抗磁性会出现部分零磁通区域,随着传输电流幅值、磁通蠕变系数、频率及环境温度的增大,磁通穿透深度逐渐增大,零磁通区域逐渐减小,传输电流主要分布于带材两端。增大传输电流幅值、磁通蠕变系数以及环境温度中任一变量,交流损耗随之增大,而交流损耗随频率的增大而减小。合理选取超导带材参数可有效降低交流损耗,保障超导设备安全运行。     

MgB2超导圆线基底交流损耗的计算分析

二硼化镁(MgB2)超导体在非铜氧化物陶瓷超导体中具有最高临界转变温度,给超导应用带来了新的契机.铁与镁不反应,且价格低廉,在需要热处理的超导成材工艺中,常常采用铁作MgB2的基底;然而,这种高磁导率的材料有可能增大基底的损耗.本文采用有限元分析软件ANSYS计算了工频下不同材料基底超导圆线传输交流的基底损耗,分析了基底损耗与电流大小、基底厚度之间的关系,对双层基底的损耗也进行了研究.本文的结果对于适当选取截面尺寸、基底材料和工作电流以期减小交流损耗,具有一定参考意义.     

10 kV 紧凑型三相同轴高温超导电缆交流损耗研究

根据10 kV 紧凑型三相同轴高温超导电缆参数, 在 COMSOL Multiphysics 有限元软件中建立电缆的二维仿真模型, 基于 H 方程求解了电缆在额定工况稳态运行时以及不同传输电流下的磁场分布和交流损耗; 在此基础上, 分析了绕制半径、 相间距离以及相间相对角度对交流损耗的影响. 仿真结果表明, 各相超导层绕制半径越小,相间距离越小, 各相产生的交流损耗越小; 三相的交流损耗有随着超导层结构周期性变化的特点, 且当相间相对角度为0°时, 各相产生的交流损耗最大.     

500 kVA/10 kV高温超导变压器设计及稳态特性研究

设计了一台500 kVA/10 kV单相高温超导变压器,对其在工况下的电磁特性与温度特性进行仿真研究。根据工程经验公式给出超导变压器的铁心规格与绕组结构等重要参数,使用有限元软件建立了超导变压器的二维轴对称仿真模型,基于高温超导体的H方程与传热理论,计算超导变压器正常运行时的磁通密度、温度及交流损耗。仿真结果表明,在超导变压器绕组端部存在较大的径向漏磁通,导致端部线圈损耗较大、温度较高,需采用适当方法减小径向漏磁通。     

铜骨架高温超导复合缆线的交流损耗计算

高温超导复合缆线的运行温度直接决定其载流性能,超导带材交流损耗计算的准确性对缆线的温升计算至关重要。面向具有铜骨架和双层高温超导带材结构的高温超导复合缆线,通过改进利兹线(Litz-wire)涡流损耗计算模型,将导电层作为利兹线结构中由多股线按一定节距扭转的束级结构的并联,分别计算了49.9 Hz和60 Hz下复合缆线的集肤效应损耗和邻近效应损耗。通过分析高温超导带材的平行磁场分量和垂直磁场分量,计算了复合缆线的磁滞损耗。最后,基于超导样缆交流损耗补偿测量系统,对0.2 m、110 kV/1.5 kA铜骨架高温超导复合缆线的交流损耗进行了测量,得到工频下1 200 A载流时的交流损耗为1.21 W。研究发现,在不同频率下,铜骨架高温超导复合缆线的交流损耗随传输电流的增大而增大。通过对比仿真和实验结果,验证了铜骨架高温超导复合缆线交流损耗计算结果的准确性。     

超导故障限流器螺旋线圈交流损耗特性的研究

超导故障限流器(SFCL)是超导电力应用的一个重要器件,本文采用Bi-2212和YBCO材质的高温超导体来制作SFCL,其具有大容量电流和高电场的优点。作为22. 9kV/25MVA配电系统中SFCL的初期应用阶段,为减少SFCL的交流损耗,制备几种形状线圈的故障电路限制元器件,通过实验研究导体排列和电力方向对故障限流线圈交流损耗特性的影响。经测试,单线型和双线型螺旋线圈的交流损耗均依赖于导体的排列和电流方向,双线型螺旋线圈在导体排列相同的情况下,其交流损耗取决于电流方向。