无绝缘高温超导线圈的充放电和失超特性研究

摘要

失超保护一直是困扰高温超导线圈技术发展的一个关键问题。无绝缘线圈取消了传统线圈的匝间绝缘，匝与匝之间直接金属接触。当发生失超的时候，电流可以通过匝间金属接触自动绕过失超区域，从而大幅降低失超点产生的热量对超导带材的影响，有效抑制失超的进一步发展。相比于传统绝缘线圈，无绝缘超导线圈具有更高的电热稳定性、更好的自我保护能力，成为当前国际高温超导应用研究的一个热点。
　　由于没有匝间绝缘，无绝缘高温超导线圈的充放电特性和失超传播特性与传统的绝缘线圈有很大不同，其在工程应用中的很多问题还未得到充分的研究。本文对基于二代高温超导带材的无绝缘线圈的充放电和失超特性进行仿真和实验研究，主要内容有：
　　1)搭建了全新的针对无绝缘高温超导线圈的分布参数等效电路网络模型。该模型将线圈的每一匝都均分为若干单元，每一单元都构成一个分布电路参数，从而将整个线圈等效为一个电路网络。通过对无绝缘高温超导线圈充放电特性的实验研究验证了该模型的有效性。
　　2)基于上述等效电路网络模型对单个无绝缘高温超导线圈的充放电特性进行了研究。分析了充放电过程中线圈内部的电流分布，揭示无绝缘线圈充放电延迟现象的内在机理；从励磁的角度分析了影响无绝缘线圈充电时间的各种因素；将等效电路网络模型和高温超导体的H方程有限元模型相耦合，对无绝缘线圈的充电损耗特性进行了细致分析。
　　3)进一步对由多个相同的无绝缘高温超导线圈串联组成的磁体的充放电特性进行研究。比较分析了不同位置线圈的充放电暂态过程；研究了充放电过程中磁体内部不同位置线圈的电流、电压和损耗的分布特性，以及放电完成后，磁体不同位置线圈屏蔽电流和“剩余磁场”的分布情况。4)基于等效电路网络模型，进一步发展了针对无绝缘高温超导线圈的失超模型。对其局部失超过程进行了仿真分析，发现失超热点对电流的“挤出”效应不只发生在失超区域附近，而是失超点所在匝的所有单元，从而有效抑制了失超的持续发展，增强了线圈的热稳定性和“自我保护”能力。这个仿真结果为多个实验中得到的无绝缘线圈自我保护能力超强的结论提供了理论支持。研究还发现无绝缘线圈的中心磁场和线圈电压会在局部失超的早期发生显著变化，这为无绝缘高温超导线圈的失超保护提供了新的思路。
　　本文的研究结果揭示了无绝缘高温超导线圈的充放电和失超传播暂态过程，在理论上为无绝缘高温超导线圈走向工程应用奠定了重要的基础。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景与研究意义

1.2传统绝缘超导线圈

1.3无绝缘高温超导线圈技术

1.4本文的主要工作

第二章 理论模型和充放电实验

2.1高温超导体的E-J方程和临界电流

2.2集中电路参数模型

2.3等效电路网络模型

2.4无绝缘高温超导线圈的充放电实验

2.5等效电路网络模型的实验验证

2.6本章总结

第三章 无绝缘高温超导线圈的充放电特性

3.1线圈内部的电流分布

3.2充电时间和线圈电压

3.3线圈的充电损耗

3.4本章总结

第四章 多个无绝缘高温超导线圈的充放电特性

4.1研究对象

4.2充电特性

4.3放电特性

4.4本章总结

第五章 无绝缘高温超导线圈的失超特性

5.1仿真模型

5.2分析对象

5.3结果分析

5.4本章总结

第六章 结论与展望

6.1本文研究的主要结论

6.2展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表或录用的论文、专利

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢