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高温超导体多场耦合直流输运特性研究

作　者: 李剑
导　师: 荣命哲
学　校: 西安交通大学
专　业: 电气工程
关键词: 高温超导体自身磁场热电效应失超过程临界电流
分类号: TM26
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

超导电力技术是21世纪电力工业重要的高技术储备。高温超导体高性能、低成本的优点给超导体在电力工业中的大规模应用带来了希望。高温超导体直流输运特性是其应用的基础,以往的研究主要采用实验的手段和数学公式推导的方法。随着高温超导电性理论和计算机技术的不断发展和完善,关于高温超导体的数值仿真开始得到关注,它是在实验验证基础上研究超导电性的有效手段。本文采用多场耦合数值仿真和实验验证相结合的方法,研究了实用高温超导体不同应用场合下的直流输运特性,为科学合理地使用高温超导体提供了理论上的支持和实践上的指导。基于Kim模型引入了自身磁场对本地高温超导电性的影响,考虑了电磁场—热场的耦合关系,针对棒状高温超导电流引线和高温超导块材电接触问题建立了两种高温超导体直流输运数学模型。首先应用磁通动力学建立了二维轴对称微观磁流阻数学模型,并设计了基于Matlab软件的仿真实现方法;然后构建了高温超导体电磁场—热场耦合关系,并建立了指数定律改进模型;应用Gambit/Fluent软件设计了指数定律改进模型的具体实现方法。分别应用两种模型计算了典型高温超导体的直流输运特性,通过与已有实验数据的对比验证了模型的有效性。应用磁流阻数学模型仿真分析了高温超导电流引线临界态直流输运特性,并同实验结果进行了对比。通过研究棒状和管状电流引线的特性,发现了管状电流引线具有高输运效率的优点。针对电流引线失超过程,应用APDL语言对Ansys进行了二次开发,对管状电流引线失超过程进行了非线性瞬态热分析,得到了失超过程电流引线轴向温升变化以及电阻率变化的特性曲线。仿真结果分析表明:电流引线失超过程可分为两个阶段,电流引线的失超保护动作时间应小于第一阶段时间。研究工作为安全、合理地设计电流引线提供了理论支持。以机械式高温超导持续电流开关(MPCS)在超导磁体储能(SMES)系统中的应用为背景,基于指数定律改进模型,应用Fluent软件对有镀层和无镀层YBCO超导体电接触特性进行了系统研究。计算得到了接触点附近各场量的分布,从电磁场—热场耦合的角度解释了高温超导电接触中存在的接触电阻的阻态转换现象。分析表明镀银层在有镀层YBCO超导体电接触中起重要的分流作用,可以有效地降低接触电阻,提高转换电流。研究工作为机械式高温超导持续电流开关的设计提供了理论指导。从磁场对Bi-2223高温超导带材通流能力影响的角度,仿真分析了磁性材料—带材多种布局的情况下,带材表面的磁场分布以及对临界电流的影响。以此为指导,设计了六组带材临界电流测试实验。通过对实验结果和仿真结果的综合分析,得到了在带材侧面垂直放置磁性材料可以大幅度提高临界电流的结论,对于提高带材通流能力,节约使用带材具有重要意义。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-13
1 绪论  13-28
  1.1 高温超导体概述  13-16
    1.1.1 铋系高温超导体  14-15
    1.1.2 钇系高温超导体  15-16
  1.2 高温超导体临界电流的判据  16-17
  1.3 高温超导体直流输运应用中的共性问题  17-21
    1.3.1 高温超导块材直流输运应用中存在的现象和问题  18-19
    1.3.2 高温超导带材直流输运应用中存在的现象和问题  19-21
    1.3.3 高温超导体直流输运中的共性问题  21
  1.4 高温超导体直流输运特性研究现状  21-26
    1.4.1 磁通蠕动模型的应用研究  21-23
    1.4.2 磁通流动模型的应用研究  23-25
    1.4.3 目前的研究方法和存在的问题  25-26
  1.5 本文的研究工作和意义  26-28
2 高温超导体直流输运模型  28-42
  2.1 轴对称微观磁流阻数学模型  28-33
    2.1.1 磁通格子受力分析  28-30
    2.1.2 公式推导  30-31
    2.1.3 Matlab 数值实现  31-32
    2.1.4 仿真结果与已有实验结果的对比  32-33
  2.2 指数定律改进模型  33-41
    2.2.1 公式推导  33-36
    2.2.2 电磁场-热场耦合关系及计算软件的选择  36-37
    2.2.3 Fluent 软件的二次开发  37-39
    2.2.4 仿真结果与已有实验结果的对比  39-41
  2.3 本章小结  41-42
3 高温超导电流引线直流输运特性的研究  42-59
  3.1 电流引线简介  42-44
  3.2 棒状高温超导电流引线直流输运特性分析  44-48
  3.3 管状高温超导电流引线直流输运特性及输运效率分析  48-52
  3.4 高温超导电流引线动态失超特性研究  52-57
    3.4.1 管状电流引线模型  52-54
    3.4.2 Ansys 软件的二次开发  54-56
    3.4.3 仿真结果及分析  56-57
  3.5 本章小结  57-59
4 机械式高温超导持续电流开关直流输运特性的研究  59-72
  4.1 持续电流开关研究现状  59-60
  4.2 YBCO 高温超导体直流输运特性  60-62
  4.3 无金属镀层机械式高温超导持续电流开关直流输运特性  62-67
    4.3.1 YBCO-YBCO 电接触模型  62-63
    4.3.2 仿真需要考虑的几个问题  63
    4.3.3 仿真结果同已有实验结果的对比分析  63-67
  4.4 有金属镀层机械式高温超导持续电流开关直流输运特性  67-71
    4.4.1 镀银YBCO-镀银YBCO 电接触模型  67
    4.4.2 仿真结果同已有实验结果的对比分析  67-71
  4.5 本章小结  71-72
5 高温超导带材直流输运特性分析及优化  72-92
  5.1 磁场对高温超导带材临界电流的影响  72-75
  5.2 单根高温超导带材磁场分布及直流输运特性分析  75-79
    5.2.1 单根高温超导带材模型  75
    5.2.2 单根高温超导带材仿真及分析  75-79
  5.3 带材侧面垂直放置磁性材料仿真分析  79-86
    5.3.1 磁性材料宽度对磁场分布的影响  79-81
    5.3.2 磁性材料至带材侧面的距离对磁场分布的影响  81-82
    5.3.3 多根带材层叠放置情况下的仿真分析  82-86
  5.4 高温超导带材实验分析  86-91
    5.4.1 实验设计  86-88
    5.4.2 实验结果及分析  88-91
  5.5 本章小结  91-92
6 结论与展望  92-94
  6.1 本文结论  92-93
  6.2 工作展望  93-94
致谢  94-95
参考文献  95-100
攻读博士学位期间的研究成果  100

高温超导体多场耦合直流输运特性研究

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