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《北京交通大学》 2019年
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高温超导复合导体及超导线圈的交流损耗研究

宋文娟  
【摘要】:超导线圈是高温超导电力设备的关键部件之一。对高温超导线圈的研究不仅是高温超导电力装置的基础性工作,还是高温超导电力装置亟需解决的重要技术难题和关键性问题。交流损耗是研究超导线圈的重要方面,它直接影响到超导电力装备的效率、制造和运行成本、重量以及系统的运行稳定性。大容量超导电力设备要求大电流超导线圈和高载流性能的导体。因此,对高载流能力的高温超导复合导体的研究具有重要意义。基于数值计算和实验测试的研究手段,本文先后分析超导带材、大电流复合导体和超导线圈的电流分布、磁场分布与交流损耗特性。以超导线圈在超导变压器中的应用为例,开展超导变压器绕组结构优化设计、绕组的损耗特性及失超检测方法研究。(1)建立传输电流在堆叠导体各股线中的分布均匀性对损耗影响的数值分析模型,提出电流在堆叠导体各股线间演变分布的电路模型。通过比较由4/2罗贝尔电缆绕制的无感堆叠导体与由多根带材并绕而成的无感堆叠导体的交流损耗值,得出如下结论:电流在堆叠体各股线间均匀分布时,交流损耗最低;在高均一化电流段,电流非均匀分布的堆叠体损耗是均匀分布时的2倍以上。首次提出由高载流能力的罗贝尔电缆绕制大容量无感线圈的方案,以及罗贝尔电缆的临界电流和损耗可由单个电压引线回路测试的简化实验方案。(2)提出依据超导单带的临界电流和交流损耗评估由任意根同性能该带材组成的简单垂直堆叠导体交流损耗的经验公式。发现由任意偶数根带材组成的ABAB型无感堆叠导体的损耗与AB无感堆叠体的损耗数值基本相同。实验测试了由1、2、4和6根超导带以不同的排列方式组成的有感/无感堆叠导体的交流损耗。以两带材堆叠导体为例,若电流在两根导体中的方向相同,记为AA,否则记为AB。结果表明,相比于AAAA和ABAB型导体,AABB型堆叠导体既能提高导体的通流能力,又能降低交流损耗。(3)创新性的综合采用H公式法、均质化方法、边缘元法以及结构化剖分法,并首次将其应用于搭建MW级以上大匝数超导变压器绕组交流损耗的有限元数值计算模型。该数值方法突破了传统上大匝数超导电力设备中超导线圈的计算周期长的禁锢,并保持较高的计算精度。在应用该方法分析1 MVA超导变压器绕组的损耗特性时,提出当固定高压绕组的高度后,在低压绕组中存在最优匝间距值,使得变压器绕组的损耗最低。当匝间距小于最优匝间距时,变压器绕组的损耗随着匝间距的增加而降低;当匝间距大于最优匝间距时,变压器绕组的损耗随着匝间距的增加而增加。(4)以降低交流损耗为目标,开展6.5 MVA超导牵引变压器绕组结构优化设计。结果表明:在给定变压器的额定电压和额定容量后,变压器绕组的交流损耗随着绕组高度的增加而降低;变压器绕组的交流损耗随着短路阻抗的增大而增加;带材的临界电流越高,临界电流在外磁场中的衰减程度越小,绕组损耗越小;在绕组端部安装导磁环来改变绕组端部的垂直磁场分布,可以使绕组损耗降低20%-40%。(5)提出一种基于电压差与相位角的超导线圈的失超检测方法。从超导线圈中间引出的抽头将线圈分成两部分,以电流相位为基准,根据两部分超导线圈的端电压之差ΔU,及该电压差与纯感性电压的相位角Δφ,可计算得出失超电压的幅值,Ur=ΔU*sin(Δφ)。该方法将线圈端电压与失超电压的微弱相位角放大,利于快速检测到失超电压信号。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TM26

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