10 MJ超导储能磁体临界电流分布及热稳定性分析

本文介绍了一种由准各向同性股线(Q-IS)和直接堆叠带材导体(STC)绕制而成的高温超导储能磁体。计算了磁体的临界电流,得到了临界电流密度分布,在绝热近似下分析了磁体的最小失超能(MQE)和失超传播速度(QPV)等热稳定性能。结果表明,STC绕制的磁体临界电流更大,而Q-IS制成的磁体临界电流密度分布均匀性具有明显优势,当归一化电流i=0.6、0.7、0.8、0.9时,Q-IS绕制的磁体的MQE分别是STC绕制磁体的1.15、1.22、1.42、3倍。对于失超传播速度(QPV),Q-IS绕制的磁体的仿真值大约是STC绕制磁体仿真值的82%～92%。     

密绕超导磁体失超动态过程的实验研究

本文提出了一种超导磁体失超动态过程的实验研究与分析方法.即从实验失超时磁体电流与端电压的变化及桥保护的电压信号出发,计算磁体电阻、电压、电流作用积分和能量损耗W随时间的变化,利用材料性能的有关数据,粗略近似地求得导体平均温度(?).“热点”温度Tmax及常导区域增长速度ν随时间的变化.我们选择了十个充蜡密绕超导磁体进行了实验,研究了失超过程中磁体电阻、电流作用积分与导体平均能耗间的关系;初始电流密度、磁体参数、充填及其他因素对常导区增长速度的影响.     

高温超导磁体临界电流影响因素的研究

临界电流值是描述Bi2223高温超导带材性能的一个基本参数,在一定的温度条件下,Bi2223高温超导带材的临界电流是带材所在位置磁场大小和磁场方向的函数,其短样的临界电流值可以通过四引线法测量,单根超导带材的自场很小,磁场对临界电流的影响可以忽略.高温超导磁体的临界电流被定义成引发该磁体失超的最小电流,高温超导磁体的自场比单根超导带材的自场要大得多,磁体各个位置的磁场大小和方向各不相同,很难用理论的方法准确计算磁体的临界电流.对于高温超导磁体而言,除了磁场的影响因素以外,绕制磁体所用的超导带材自身的均匀性也是影响其临界电流的一个重要因素.本文对这两个因素进行探讨,并着重讨论高温超导带材自身的均匀性对临界电流大小的影响,本文的结论可以为高温超导磁体的设计、磁体绕制时带材的选择、磁体运行时安全工作电流的确定提供帮助.     

超导磁体的短路环保护

本文讨论了高电流密度的大型超导磁体在失超保护上遇到的困难和短路环保护技术的物理原理,我们在多芯NbTi复合线绕制的小型磁体上,采用高纯铝作为短路环保护,实验观测到,在磁体未失超而关断供电电流的情况,能量基本上转移至短路环内;磁体电流较大时,磁体电流衰减的速率较大。在通过加热器人为触发失超的情况下,一部分磁体电流转移到短路环内;初始电流较大时,转移率较大,因此,将降低超导磁体失超后的温升。实验又观察到,当有短路环时,失超感应电压下降。     

超导磁体失超过程中Quench-Back效应的数值模拟研究

Quench-Back是一种诱发超导磁体内产生新的失超区从而加快失超传播的现象.合理利用Quench-Back效应进行失超保护,需要准确理解Quench-Back作用下磁体内部的传热与电磁过程.以实际工程中某超导螺线管磁体为例,建立了失超过程三维瞬态耦合热-电磁-电路模型.整个模型采用两个顺序耦合的子模型实现,子模型一为三维传热模型,子模型二为轴对称电磁-电路直接耦合模型.得到了失超过程电流,热点温度和内电压变化曲线,分析了Quench-Back效应对失超过程关键参数的影响,研究了Quench-Back加速失超传播的具体过程.研究结果表明:Quench-Back效应可以有效控制失超过程中磁体内的热点温度,降低磁体内的过电压;Quench-Back效应与骨架材料,线圈结构和失超起始位置关系密切.     

Nb-Ti复合线(未包漆)失超动态过程的实验研究

采用双线圈闭合电路法研究了未包漆Nb-Ti复合线的失超动态过程. 测出了超导材料的正常区最小触发能量~8m,在不同的背景场强及工作电流下正常区的传播速度v以及I_pI_ml各参量.发现漆膜对失超过程的V-l特性曲线的形态及各特征参量有显著的影响. 当单位导体长度上的释热功率高于某一临界值时,正常区从一维传播过渡到二维传播. 实验表明,双线圈闭合电路法可以预测超导材料的运行特性以及简单地给出超导磁体失超过程的各种信息.它有助于大型磁体工作点的选取和在一定幅度的热脉冲条件下的稳定性分析,有可能作为超导材料的一种常规检测方法加以推广.     

超导磁体失超过程中Quench-Back效应的数值模拟研究北大核心CSCD

Quench-Back是一种诱发超导磁体内产生新的失超区从而加快失超传播的现象.合理利用Quench-Back效应进行失超保护,需要准确理解Quench-Back作用下磁体内部的传热与电磁过程.以实际工程中某超导螺线管磁体为例,建立了失超过程三维瞬态耦合热-电磁-电路模型.整个模型采用两个顺序耦合的子模型实现,子模型一为三维传热模型,子模型二为轴对称电磁-电路直接耦合模型.得到了失超过程电流,热点温度和内电压变化曲线,分析了Quench-Back效应对失超过程关键参数的影响,研究了Quench-Back加速失超传播的具体过程.研究结果表明:Quench-Back效应可以有效控制失超过程中磁体内的热点温度,降低磁体内的过电压;Quench-Back效应与骨架材料,线圈结构和失超起始位置关系密切.     

绝热超导磁体失超过渡过程的数值模拟研究

失超是超导磁体运行的重要现象失超过程所释放出的磁体能量将使磁体局部温度迅 速升高,过高的温度会使磁体烧毁．磁体失超后的安全性分析需要解出失超的过渡过程,包 括磁体的电流衰减、温度变化及电压变化,从而估计出磁体在失超过程中的热冲击和电压冲 击,由此对满足磁场强度和磁场均匀度的磁体设计进行评价,为磁体的结构设计、工艺设计 提供依据．本文对绝热超导磁体的失超过程中各相关物理量之间的关系进行了分析,编制了 相应的失超过程计算机模拟程序,指出了不同失超起始点求解的处理方法,给出了实例的模 拟计算结果．在分析中,…     

高温超导Bi2212圆线材的热失超行为研究

为了及时的发现和保护超导体在失超过程中由于局部温度的突然升高而导致的材料的不可逆破坏行为,对于超导材料的失超行为深入地研究和定量地分析是必要的.本文结合电场方程和热平衡方程,建立了能够描述失超行为的热-电耦合方程,并构建了能够表征多芯Bi2212圆线材结构的三维模型,同时基于有限单元法进行数值计算,研究其失超行为.通过对比实验与研究结果验证模型的准确性和有效性,继而研究了正常区传播速度(NZPV)和最小失超能(MQE)与运输电流之间的关系,并给出了热失超过程中电流重分布过程.     

基于OPERA/QUENCH的MRI超导对称与非对称磁体失超特性对比(英文)

在MRI磁体的设计过程中,失超现象的研究对于超导磁体的安全运行具有重要的意义.本文采用三维有限元软件OPERA分别对1T对称磁体和非对称磁体的失超特性进行了仿真分析.详细介绍了仿真的建模过程和求解算法.NbTi超导材料的临界电流密度通过软件预设的查表变量实现设置.通过仿真分析,得到了两种磁体结构在失超过程中重要的物理量如超导线圈的电流、电阻的变化规律.三维仿真图形更有利于观察失超在不同方向的传播速度.通过比较得出结论,虽然对非称磁体的DSV比对称磁体要大,但在失超过程中,非对称磁体受到的破坏也比对称磁体要严重.     

制冷机冷却的超导磁体在励磁时的稳定性分析

制冷机冷却的超导磁体是超导磁体技术的发展方向.在磁体励磁时,可能会因为交流损耗和稳恒漏热的共同作用而导致磁体温度上升到电流分流温度,进一步导致失超.因而励磁时的制冷机冷却的超导磁体的稳定性尤为重要.基于磁体内的漏热分析和励磁时交流损耗的计算,数值模拟了励磁时磁体的温度分布,研究了在制冷机冷却方式下超导磁体的稳定方面的问题.     

分段保护超导螺线管磁体失超过程的过电压

超导磁体失超过程的过电压准确分析是失超保护系统设计的基础。对于分段保护的超导螺线管磁体,在传统椭球形正常区失超传播模型的基础上,将3维温度计算结果映射到1维导线方向上,确定沿导线的温度分布,进而计算出各匝电阻。将线圈看作以匝为单位的电阻和电感组成的电路,计算出沿导线的电阻电压、电感电压以及合电压瞬态分布,较准确地估计了失超过程中最大对地电压、层间电压和匝间电压。利用该方法对某分段保护的螺线管磁体进行了计算,获得了失超过程中磁体内部过电压;发现磁体内部的电压分布由方向相反的电感电压和电阻电压共同决定;以单段正常区电阻电压作为该磁体对地电压过于保守。     

分段保护超导螺线管磁体失超过程的过电压

超导磁体失超过程的过电压准确分析是失超保护系统设计的基础。对于分段保护的超导螺线管磁体,在传统椭球形正常区失超传播模型的基础上,将3维温度计算结果映射到1维导线方向上,确定沿导线的温度分布,进而计算出各匝电阻。将线圈看作以匝为单位的电阻和电感组成的电路,计算出沿导线的电阻电压、电感电压以及合电压瞬态分布,较准确地估计了失超过程中最大对地电压、层间电压和匝间电压。利用该方法对某分段保护的螺线管磁体进行了计算,获得了失超过程中磁体内部过电压;发现磁体内部的电压分布由方向相反的电感电压和电阻电压共同决定;以单段正常区电阻电压作为该磁体对地电压过于保守。     

超导斜螺线管型二极磁体失超保护研究

超导磁体一旦失超,短时间的能量释放将使磁体产生很大的内电压和局部温升,如果冲击过大,可能损坏磁体,因此超导磁体的失超传播过程模拟具有重要的意义。超导斜螺线管型二极磁体因其显著优点,在小型加速器和离子束治癌装置上有很好的应用前景,近代物理研究所强流重离子加速器(HIAF)也拟采用该型结构作备选方案,但是由于其特殊的线圈形式,传统的失超模拟方法不再适用。本文采用逻辑坐标与失超传播速度结合的方法模拟了一小型实验磁体的失超传播过程,得到该型磁体失超后电流、电压、温度等相关物理量的变化情况,并比较分析了该类型磁体的失超特点。     

C掺杂MgB2超导线材的失超特性研究

研究了不同芯数(单芯、6芯和12芯)的C掺杂MgB2超导线材的失超特性.在制冷机环境(20K)下测量了C掺杂MgB2超导线材样品在自场下的最小触发能及失超传播速度.实验结果表明,失超传播速度随着工作电流的增大而线性增加.失超传播速度的大小跟测量位置有关,离触发区越近的传播速度越大.单芯样品的最小触发能最小,6芯和12芯线的最小触发能相差不大.最小触发能随工作电流的增加成指数形式衰减.     

多线圈螺线管超导磁体的失超过程模拟

大型多线圈超导磁体常采用分段被动保护的方式以保证磁体在失超时不被损坏。针对此种保护模式,采取基于有限体积的数值方法模拟某核磁共振成像(MRI)超导磁体失超后的失超传播过程,分析线圈失超过程中的热点温度以及电流和电压随时间变化,并对失超电路中各部分的作用进行定量的计算与讨论,为多线圈结构磁体的失超保护方案设计提供参考意见。     

超导储能系统失超保护实验研究

介绍了超导储能系统的失超保护实验,分别对实验装置、失超保护系统、实验连线以及实验电路四个方面进行了阐述。在超导储能系统运行过程中,通过测量在磁体电流超过临界电流情况下,失超保护系统中失超电压及电流的变化曲线,分析了不同充电电流对磁体阀值电压的影响以及在磁体参数改变下失超保护系统的适用情况。实验结果表明,失超保护系统能快速、准确地检测失超信号,并进行保护动作。同时,实验数据的统计也说明了不同的充电电流速度对阀值电压没有产生影响。     

电阻型超导限流器中带材失超与恢复特性

电阻型超导故障限流器中带材失超和超导恢复特性受电流、温度、磁场等因素影响,以YBCO超导带材为研究对象,建立了饼式线圈和螺线管式线圈绕制模型,分析了两种线圈中磁场分布特性,在液氮冷却条件下,表明了温度、磁场对临界电流密度和失超电阻率的影响;通过分析在三角波形故障电流作用下带材失超和超导恢复过程中的热过程,表明了超导恢复时间与失超后的温度和散热条件有关,当温度低于105 K时,超导特性恢复较快。为超导限流器的结构、冷却设计提供参考。     

MICE超导耦合磁体分段内保护仿真研究

超导磁体失超过程中会产生过大内电压和局部温升,这有可能对磁体造成破坏。对超导磁体进行分段内保护是降低失超过程中内电压和局部温升的有效办法,但是分段后各段线圈之间相互耦合,使得失超过程分析复杂化。将已有的单段失超传播模型推广到分段保护磁体的失超分析,研发了失超过程仿真算法。应用该算法对M ICE超导耦合磁体在不同分段保护系统下的失超过程进行仿真研究,得到了电流、电压、温度等有关物理量变化曲线。仿真结果表明,通过选择合适的分段数和分段保护电阻,可以控制M ICE超导耦合磁体失超过程中内电压和局部温升在允许范围内。     

14T全身超导MRI磁体的技术挑战——大规模应用强场超导磁体未来十年的发展目标之一

本文首先综述了大规模应用的超导磁体,依赖并推动铌三锡Nb3Sn导线技术进步,向更强磁场发展的趋势.着重分析了超高场14 T全身MRI磁体的挑战性技术.选择青铜Nb3Sn导线,采用Nb3Sn线圈和NbTi线圈相结合的混合结构,对14 T全身MRI磁体进行了电磁概念设计和热稳定性及失超保护仿真分析,并简要阐述了14 T全身MRI磁体在应力、接头和匀场方面的关键问题.根据分析结果认为:1)Nb3Sn导线是14 T全身MRI磁体需要面临的首要挑战性问题—作为最佳选择的青铜Nb3Sn导线,其现有产品的性能指标离14 T全身MRI磁体的要求尚存在有一定的差距;2)14 T全身MRI磁体的失超保护涉及线圈的铜超比设计、运行电流同线圈电感的协调配置、被动保护的分段策略和主动保护的失超触发控制以及主动屏蔽结构磁体在失超过程中的逸散磁场限制等多个十分复杂的环节,是最具挑战性的综合性技术.