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。     

YBCO线圈交流损耗的有限元分析与实验验证

随着高温超导YBCO带材载流能力的不断提高和成本的逐渐降低,YBCO线圈及磁体的应用将日益广泛。文中利用有限元方法研究了YBCO线圈的交流损耗特性,计算了50Hz下线圈的瞬时交流损耗,分析了每匝带材中的电流和磁场分布。仿真结果表明,线圈内侧承受的磁场最大,但线圈中部每周期的交流损耗最大,且线圈中始终存在未被磁场穿透的区域。除此之外,文中实验测量了YBCO线圈的临界电流和交流损耗,实验结果良好地验证了仿真方法的正确性。     

Bi系高温超导磁共振成像射频接收线圈的成像研究

射频接收线圈是磁共振成像系统输入通道的第一级,提高接收线圈的信噪比可以提高系统的图像质量.对于低场磁共振成像系统,如果能够降低常规铜接收线圈的等效串联电阻,就能够提高其信噪比.由于高温超导材料的直流电阻为零,交流传输损耗也远小于铜,采用高温超导材料制作磁共振接收线圈能够提高信噪比.本文采用Bi2223带材,设计、制作了超导接收线圈,并在0.23 T的磁共振成像系统中进行了成像实验.结果表明,超导接收线圈的图像信噪比比常规铜线圈提高约76%.     

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。     

基带材料对单层高温超导电缆模型交流损耗的影响

高温超导(HTS)带材的基带可以改变带材的磁场分布,从而影响到带材的交流损耗。从实验和数值分析两个角度计算了不同高温超导带材的自场损耗,并分析了不同基带对带材自场损耗的影响。利用不同高温超导带材制作了多个单层高温超导电缆模型,并从磁性基带的角度分析了各模型的交流损耗特性。结果显示非磁性基带不影响带材的交流损耗。对于超导电缆模型而言,当磁性基带位于模型外侧时,模型外部空间不存在损耗磁通。此外BSCCO模型和YBCO模型的交流损耗特性相似,NY模型和YN模型的损耗相比前两个模型偏大。尤其在低电流区域,YN模型的交流损耗最大。     

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.     

二代高温超导带材失超电阻的交-直流等效计算方法

超导故障限流器具有通态损耗低、响应速度快等优点,是一种应用场景广阔的超导电力设备,但二代高温超导带材失超电阻的有效计算较困难,难以同时满足计算精度和速度的要求。本文对YBCO高温超导带材进行交流和直流过电流冲击实验,测量了短路故障电流作用下带材的失超电阻特性。结果表明,带材失超电阻与积累能量具有一一对应关系,且该对应关系在交流和直流工况下一致。以此为理论基础,搭建了基于电阻-能量关系的电阻型超导限流器失超电阻计算模型,提出了交直流等效失超电阻分析方法,可用交流冲击实验等效替代直流实验,降低实验与仿真建模的难度。     

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。     

缺陷条件下高温超导直流线圈稳定性研究

在高温超导带材生产及线圈制作的过程中,会不可避免的存在缺陷。缺陷区域的带材性能退化,表现为临界电流Ic与n值下降;极端情况下超导结构被完全破坏,呈现出非超导的阻性区。线圈工作时在阻性区会出现焦耳热,若热量不能有效地传出,温度会持续上升直到带材烧毁出现失超事故。在假设线圈退化情况的条件下,利用有限元仿真的方法,对不同热环境下带材退化对线圈温度的影响进行了研究,得出了不同热环境与区域退化下线圈的最大稳定工作电流。     

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。     

超导变压器YBCO线圈轴向错位对交流损耗影响

为了研究超导变压器YBCO线圈轴向错位对交流损耗的影响,基于H公式法对超导线圈使用中会出现的两种轴向错位情况进行了仿真,并与无轴向错位的线圈进行对比分析。结果表明,在50 Hz的激励电流下,当施加的电流小于0.75I_c0,倾斜错位和无序错位会导致交流损耗增加。而当激励电流大于0.75I_c0时,轴向错位线圈产生的交流损耗小于完美缠绕线圈。在外加交变磁场下,轴向错位线圈的交流损耗始终大于完美缠绕线圈。随着磁场幅值的增大,轴向错位线圈与完美缠绕线圈的交流损耗偏差逐渐缩小并趋于稳定。     

超导变压器YBCO线圈轴向错位对交流损耗影响

为了研究超导变压器YBCO线圈轴向错位对交流损耗的影响，基于H公式法对超导线圈使用中会出现的两种轴向错位情况进行了仿真，并与无轴向错位的线圈进行对比分析。结果表明，在50 Hz的激励电流下，当施加的电流小于0.75I_c0,倾斜错位和无序错位会导致交流损耗增加。而当激励电流大于0.75I_c0时，轴向错位线圈产生的交流损耗小于完美缠绕线圈。在外加交变磁场下，轴向错位线圈的交流损耗始终大于完美缠绕线圈。随着磁场幅值的增大，轴向错位线圈与完美缠绕线圈的交流损耗偏差逐渐缩小并趋于稳定。     

平行排列的YBCO带材交流损耗研究

针对YBCO带材不同排列对交流损耗的影响,建立了两根带材垂直排列与水平排列的模型。模型将单带模型扩展为两根带材不同间距的模型,考虑两根带材之间互感作用,通过将安培定律和法拉第电磁感应定律与YBCO超导体E-J特性结合,联立求解获得每点磁场分布。研究两种排列模型中带材间距对交流损耗的影响。     

平行场下的SMES磁体磁滞损耗计算模型的分析

本文首先介绍了单芯高温超导带材交流损耗的机理,然后以SMES磁体磁滞损耗计算为例,分析了两种单芯超导带材磁滞损耗计算模型的计算结果,发现在不同场强范围内两种模型计算结果有明显的差异,并给出了计算交流损耗时两种模型的适用范围.最后简要说明了两种模型计算结果不同的原因.     

有源超导限流器

基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压、相位实现灵活快速调节的柔性交流输电技术(FACTS)发展迅速.FACTS技术在对系统的有功功率和无功功率进行灵活控制、抑制系统振荡、减轻系统事故的影响以防止发生连锁反应、提高系统稳定水平等方面发挥了优势.目前,FACTS技术主要是基于电力电子技术与电力电容器有机的结合.而超导技术可以获得体积小、损耗低的电感,电能可以无损耗地直接存储在超导线圈中.因此,将超导技术与电力电子技术及现代控制结合起来,将可以开拓超导电力技术新的应用途径,并可以拓展FACTS技术的内涵.本文探讨基于电力电子技术、现代控制技术和超导技术结合而形成的有源超导限流技术的可行性和原理.有源超导限流技术包括有源超导限流器、超导限流-储能两个方面,本文也将介绍我们在这些方面的最新研究成果.     

1MJ/0.5MW传导冷却高温超导储能-限流磁体的传热分析

超导储能-限流系统(SMES-FCL Superconducting magnetic energy storage-Fault current limiting)是集储能与限流为一体的新型超导电力装置。文中介绍了一种用于1MJ/0.5MW高温超导储能—限流系统的传导冷却型磁体,给出了其导冷结构的组成,分析了磁体内部热量(主要包括线圈的交流损耗和导冷结构的涡流损耗)的产生。并采用有限元分析软件,计算得到了稳定运行的冷头温度和磁体温度分布情况。     

Bi系带材交流损耗测量的实验研究

超导带材交流损耗的测量是判断带材性能好坏的重要手段,也能为研究超导带材的交流损耗机理提供很好的方法. 文章介绍了采用传输电流法测量交流损耗的基本原理和要解决的技术难点,并详细讨论了采用不同的比较信号对测量结果的影响,指出利用超导体的零电阻特性,在小电流I(I相似文献   

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。     

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。