高温超导直流能源管道电磁仿真分析

高温超导直流电缆具有高电流密度、低损耗的优势,将液化天然气作为超导电缆的冷却液,可以实现电力与能源的一体化输送,提高传输效率的同时降低综合成本。因此,高温超导直流能源管道技术具有广阔的应用前景,其导体结构设计是相应过程中至关重要的问题。针对100 kV/1 kA高温超导直流能源管道导体部分建立三维电磁模型,对比单极性直线结构与螺旋结构、同轴双极性直线结构与螺旋结构在电流动态变化下的导体内部电流分布,研究导体螺旋结构对电流分布均匀性的影响。     

混合能源管道的研究现状及关键技术探讨

与传统高温超导输电技术相比,混合能源管道(HETL)是利用低温燃料冷却超导电缆,实现电力、低温燃料长距离一体化输送的能源管道,具有能源损耗更低、功率流密度更高、输送效率更高等优势.介绍国内外氢电一体化输送超导能源管道和气电一体化输送超导能源管道的研究现状,研究混合能源管道的基本结构和安全性问题,并总结出制约该技术发展的...     

过电流状态下超导直流电缆温度分布与电流分布

针对处于过电流状态的单液氮流道超导直流电缆和双液氮流道超导直流电缆,在MATLAB中建立超导电缆在过电流状态下的YBCO层、金属层和铜骨架的并联电阻模型。同时在COMSOL中建立固体传热模型,通过程序调用实现COMSOL和MATLAB的联合仿真,计算出电流分布和温度分布。在COMSOL中建立流固共轭传热模型,利用联合仿真的数据计算两种结构的电缆在不同电流下的温度分布,并分析铜骨架半径和液氮流速对电缆温度分布的影响。     

氦气冷却的MgB_2超导直流电缆本体热分析

清华大学、剑桥大学和麻省理工学院正在合作研制氦气制冷的MgB2超导直流电缆。针对此超导电缆本体结构,建立了简化热分析模型,求出了电缆的漏热量和氦气的轴向温度分布,并对氦气的进口温度、质量流率进行了优化分析;最后,利用FLUENT软件对整个电缆内流动和传热过程进行了2D建模和数值仿真;仿真结果和简化模型计算结果非常吻合,表明了简化分析模型可用于该类型超导电缆的热分析和热设计。     

Bi-2212元件的超导限流特性测试与数值分析

Bi-2212元件(Bi-2212monofilar bulk element)是开发24KV/630A超导限流器(SFCL)的元件之一。本研究从实验和理论上探讨了Bi-2212元件的直流伏安特性、交流损耗特性、限流特性和局部温度分布。结果发现Bi-2212元件的临界电流增加了3.3倍而工作温度从77K降低到65K。尽管Bi-2212导体是线圈排列,但是其交流损耗的测量值与Norris方程的计算结果相似,温度都在77K和65K之间。故障期间每段温度的测量值与数值分析的结果一致。     

Sr2RuO4超导转变温度附近c方向磁阻行为研究

测量了Sr2RuO4正常态和超导转变温度附近(T=1.5K,4.0K,6K)c方向的磁阻,通过对正常态磁阻分析获得了Sr2RuO4在温度4K和6K下的平均自由程.通过超导涨落分析获得了Sr2RuO4的超导特性参数ξab(0)和ξc(0).     

高温超导脉冲变压器线圈结构参数影响分析

用于脉冲功率电源的高温超导脉冲变压器,集超导储能与脉冲放电为一体,在脉冲功率技术中有着良好的发展前景。设置合理的线圈结构参数可以提升高温超导脉冲功率变压器的耦合系数和储能容量,满足脉冲功率电源小型化、轻量化的优化目标。本文利用有限元仿真软件Anysys EM,建立了同轴饼式线圈叠加结构的单模块变压器模型和环形结构的多模块变压器模型,根据磁场分布和后期计算,分析了结构参数对脉冲变压器耦合系数和原边超导线圈的储能的影响。仿真分析结果表明,在77 K时,采用相同用线量的情况下,单模块高温超导脉冲变压器耦合系数和原边电感线圈的储能随线圈高度减小逐渐增大;多模块高温超导脉冲变压器减小线圈高度、增大内半径能够获得较高的性能,为超导脉冲变压器的脉冲电源实验验证提供了一定的参考依据。     

超导直流限流断路器研究

针对柔性直流电网的短路故障电流上升速度快、幅值大的特点,基于超导材料的特性,提出一种基于电阻型超导限流单元产生过零点的直流限流断路器拓扑。在理论分析的基础上,结合超导带材在直流冲击试验下的电阻变化情况,建立了电阻型超导限流单元的等效模型。在分析超导直流限流断路器工作原理的基础上,基于MATLAB/Simulink建立了系统仿真模型,对该拓扑进行验证。仿真结果表明,该超导限流断路器对直流系统稳态运行无影响,系统发生短路故障后,能够迅速限制和分断短路电流,提高了柔性直流电网运行的可靠性。     

基于H方程的超导磁悬浮系统悬浮特性分析

高精度的重力测量在地震监测、资源勘探、惯性导航等领域均有着十分重要的意义,将超导磁悬浮系统应用于重力测量可以极大提高重力测量的精度,减少漂移率。当前对超导重力仪内磁悬浮系统的仿真主要采用A方程静磁场法,仿真得到的数据与实验结果相差较大,为了提高仿真精度和效率,采用H方程在COMSOL中建立了新的仿真模型,仿真得到的数据与实验结果偏差较小,验证了该方法可以提高超导磁悬浮系统的仿真精度和效率。仿真得到了超导重力仪内磁悬浮系统的磁场分布,屏蔽电流分布,受力,穿透深度等特征,分析了超导球在磁场中受到的悬浮力与悬浮高度、悬浮线圈电流大小、通入速率的关系,计算得到了超导磁悬浮系统的磁力梯度。     

涂层超导体交流电流冲击暂态电阻与失超恢复仿真研究

基于涂层超导体在冲击电流作用下暂态物理过程的分析,建立涂层超导体的热-电等效集总参数模型,获得冲击作用中超导带材的电流、电阻和温度等参量的变化规律,并对仿真模型进行实验验证。结果表明,在幅值为9倍临界电流的工频交流冲击作用下,冲击电阻包括三个阶段,在第一阶段中超导带材温度≤92 K,失超后迅速恢复;第二阶段中带材温度≥92K,从超导体变为正常态,产生较大电阻;第三阶段带材恢复超导态,电阻突变为0。该研究对电阻型超导限流器的设计与研究提供了时间维度的参考。     

Fe1.01Se0.4Te0.6单晶的超导电性研究

本文采用自助溶剂法生长得到Fe1.01Se0.4Te0.6单晶样品,超导零电阻温度Tczero=11.0 K,部分样品经400℃进行48小时退火之后,超导零电阻温度变为Tczero=7.0K.分析表明退火后样品的Fe含量变大,超导电性被部分抑制.通过磁场下电阻率-温度曲线的实验测量,用WHH(Werthamer-Helfand-Hohenberg)方法估算得到退火前后样品在0K附近的上临界场分别为83.2T和61.3T.上临界场μ0Hc2(T)随温度变化曲线在0T附近向高温方向上翘,说明样品具有"二流体"行为.直流磁化曲线在40K和120K分别出现向下弯曲,40K处的变化可能对应于过量Fe的自旋冻结.应变测量结果显示样品在117K时应变值发生一个突变,变化量约为晶格参数的0.06%,显示样品发生一个结构相变.因此,120K处的磁化下降对应于样品从四方相到正交相的结构转变.     

NbTi超导缆绝缘工艺温度下电阻率的研究

超导线圈绝缘固化可以通过给超导线圈中超导缆通入电流,以超导缆自身产生的焦耳热对线圈加热,得到线圈绝缘工艺所需的温度;同时将CICC导体中Nb Ti超导缆和单根超导线加热到线圈绝缘工艺相关温度,用直流四线法测量Nb Ti超导缆和单根超导线在不同温度下的电阻率,得到在303K~443K温度区间内Nb Ti超导缆和超导线电阻率随温度变化的关系式,并依据超导缆绞缆结构对二者进行折算和对比,确认了超导缆电阻率测量结果的可靠性。根据测得的电阻率-温度关系,可以得到在不同温度下超导缆产生焦耳热的能力,从而为超导线圈绝缘固化温度控制提供了重要的参考依据。     

MgB_2/B/MgB_2约瑟夫森结的制备与直流特性

本文采用MgB_2薄膜的混合物理化学气相沉积制备技术和金属掩膜版工艺,以B膜为势垒层在单晶Al_2O_3(0001)基底上制作了纵向三明治结构的MgB_2/B/MgB_2约瑟夫森结.应用标准四引线法对该超导结的R-T曲线和不同温度下的直流I-V曲线进行了测量研究.实验结果表明,制作的MgB_2/B/MgB_2约瑟夫森结超导开启温度为31.3 K,4.2 K时临界电流密度为0.52 A/cm~2,通过对直流特性I-V曲线的微分拟合,清晰地观测到MgB_2的3D带的能隙?π为2.13 meV.     

300 kvar超导同步调相机样机的转子磁体设计与测试

正在研制的300 kvar高温超导同步调相机样机采用二极转子结构,每极上堆叠四组跑道形双饼高温超导线圈,线圈之间使用增强型超导电流桥接头结构来降低磁体内部的接头电阻。通过有限元软件对超导转子磁体的静态磁场分布进行了三维仿真计算,根据计算结果和超导带材临界电流-磁场-角度依赖性数据,得到该超导转子磁体在30 K温度的工作电流不能超过333 A。磁体制造完成后,对磁体以不同的升流速度进行了液氮下的通流实验,结果显示,超导转子磁体在液氮下能够安全通流50 A。在通流实验中,测量得到超导转子磁体内部各接头的电阻值均小于1μΩ。     

超导氧化物La1.85Sr0.15CuO4/超高分子量聚乙烯复合材料的输运性质

采用热压法获得了具有不同混合比例的超导氧化物La1.85Sr0.15CuO4/超高分子量聚乙烯导电复合材料,并利用x射线衍射、扫描电子显微镜和标准四引线方法对复合材料的结构和低温电输运性质进行测量.实验结果显示,超导氧化物La1.85Sr0.15CuO4颗粒随机分布在聚合物本体中,相互间没有连接构成网络结构.在正常态下,复合材料的电阻-温度变化曲线给出类半导体行为.但对应于超导氧化物La1.85Sr0.15CuO4的超导转变温度Tc处,复合材料的电阻-温度变化曲线出现了极小值.室温下电阻率ρ随外加电场强度E的变化曲线测量结果表明,ρ-E曲线为一线形关系,随着电场强度E增加,电阻率ρ下降.文中对可能存在的导电机制进行分析,结果表明隧道贯穿模型可以很好地解释复合材料的导电机制.另外,外加电场强度E对复合材料的电输运特性有明显的影响.     

超导纳米线多光子响应特性研究

研究了超导单光子探测器器件超导纳米线的多光子响应特性.在温度3.5 K实验测量了纳米线器件直流特性和比子响应概率对多光子脉冲信号的响应特性.实验表明,器件超导转变电流随光辐照强度的增加而减小;在多光子脉冲信号下,器件响应的光子数随偏置电流减小而增加.同时基于量子光学和器件Hotspot理论半定量分析了该多光子响应的机制.     

基于辐射光谱法的高温颗粒辐射传热参数在线测量方法研究

针对在高温燃烧环境中的颗粒辐射传热问题,基于普朗克辐射定律,提出了用于高温颗粒辐射传热参数在线测量的辐射光谱法,根据高温颗粒可见波段辐射光谱随波长变化情况,通过参数拟合方法直接获得颗粒温度及辐射强度等辐射传热参数。为验证该方法测量准确性,搭建了高温黑体炉辐射测量系统,实验测量结果显示：温度测量值与设定温度相对偏差小于3%;辐射强度测量值与理论计算值相对偏差小于5%。以此为基础,设计了应用于高温燃烧环境下的颗粒辐射传热参数测量的水冷结构探针,并利用该探针开展了高温燃烧环境气固两相流200～1 100 nm波段辐射光谱测量,基于上述方法,直接获得了高温颗粒温度、辐射强度等辐射传热参数沿截面分布情况,有效剥离了高温气体对流传热的影响,为高温颗粒辐射传热研究提供数据支撑。     

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。     

基于辐射光谱法的高温颗粒辐射传热参数在线测量方法研究（英文）

针对在高温燃烧环境中的颗粒辐射传热问题,基于普朗克辐射定律,提出了用于高温颗粒辐射传热参数在线测量的辐射光谱法,根据高温颗粒可见波段辐射光谱随波长变化情况,通过参数拟合方法直接获得颗粒温度及辐射强度等辐射传热参数。为验证该方法测量准确性,搭建了高温黑体炉辐射测量系统,实验测量结果显示:温度测量值与设定温度相对偏差小于3%;辐射强度测量值与理论计算值相对偏差小于5%。以此为基础,设计了应用于高温燃烧环境下的颗粒辐射传热参数测量的水冷结构探针,并利用该探针开展了高温燃烧环境气固两相流200～1 100nm波段辐射光谱测量,基于上述方法,直接获得了高温颗粒温度、辐射强度等辐射传热参数沿截面分布情况,有效剥离了高温气体对流传热的影响,为高温颗粒辐射传热研究提供数据支撑。     

CiADS束流负载效应前馈补偿的仿真评估

在高功率超导质子直线加速器中,束流负载效应是影响超导腔幅相稳定性的一个重要因素。本工作基于谐振腔建场模型,开发了超导腔系统束流负载效应的时域仿真程序,分析了束流负载效应对超导腔幅相稳定性的影响,并在C-ADS注入器II上通过相关实验测量对仿真结果进行了验证。利用该程序,评估了CiADS超导直线加速器脉冲束流的脉冲长度,以及前馈补偿的时序抖动和束流纹波等因素对腔中电磁场幅相稳定度的影响。仿真结果表明:在当前CiADS直线加速器设计参数下,为满足超导腔中电磁场0.1%与在高功率超导质子直线加速器中,束流负载效应是影响超导腔幅相稳定性的一个重要因素。本工作基于谐振腔建场模型,开发了超导腔系统束流负载效应的时域仿真程序,分析了束流负载效应对超导腔幅相稳定性的影响,并在C-ADS注入器II上通过相关实验测量对仿真结果进行了验证。利用该程序,评估了CiADS超导直线加速器脉冲束流的脉冲长度,以及前馈补偿的时序抖动和束流纹波等因素对腔中电磁场幅相稳定度的影响。仿真结果表明:在当前CiADS直线加速器设计参数下,为满足超导腔中电磁场0.1%与$0.1^{\circ}$的幅相稳定度指标,前馈时序抖动的偏差不能超过0.79 μs,束流流强的直流偏差不能超过0.9%,并且给出了束流纹波的最大抖动幅值与纹波频率之间的关系。这些结果将为CiADS超导直线加速器相关子系统技术指标的确定提供依据。