專利名稱：高溫超導儲能線圈端部徑向磁場導引裝置及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及液氮溫區(qū)分布式高溫超導儲能裝置D-HT-SMES(DistributedHigh Temperature Superconducting Magnetic Energy Storage)的核心技術，D-HT-SMES主要用于電力系統(tǒng)和對電能質(zhì)量要求較高的重要用戶。
背景技術：
目前，在越來越多的電力系統(tǒng)中，電壓不穩(wěn)定已成為系統(tǒng)正常運行的最大威脅。因電壓崩潰出現(xiàn)大面積停電，不但社會影響嚴重，其經(jīng)濟損失也是巨大的。
電壓崩潰的主要機理是“堵轉(zhuǎn)多米諾效應”-CDE(Choke Domino Effect)[1]，CDE一旦發(fā)生，則很難控制。系統(tǒng)即將崩潰時，遠方無功功率送不進來，當?shù)夭⒙?lián)電容之類的無功電源輸出功率隨電壓成平方下降，使用電容的靜止無功發(fā)生器(STATCOM)也不能充分發(fā)揮作用，最好的辦法就是采用超導線圈STATCOM，實際上美國在解決西部電壓穩(wěn)定性方面的首選方案也是采用分布式低溫SMES[2]。
清華大學曾經(jīng)研制了一個20KJ的低溫SMES[3]，投資和運行費用十分驚人。使用液氦的低溫SMES在我國電力系統(tǒng)尚未投入實際應用的主要障礙是液氦的來源和價格問題，與美國相比，我國氦資源顯得非常不足，在很大程度上依賴于進口，價格十分昂貴。
Bi系高溫超導線已生產(chǎn)多年，由于價格高、臨界電流密度(Jc)低，主要用于低溫高場超導線圈的芯子。最近德國等國研制了不用液氦僅使用制冷機對流冷卻的數(shù)百千焦的HT-SMES系統(tǒng)[4]。高溫超導線畢竟能在液氮溫度下運行，如何挖掘這一潛力，不用或部分使用制冷機，對于研制性價比適合我國電力系統(tǒng)的分布式超導儲能系統(tǒng)具有重要意義。正在研制的YBCO/Ni高溫超導線具有良好的性價比，我國擁有世界上90％的稀土元素Y，所以研制并不斷完善僅使用液氮的HT-SMES系統(tǒng)比較適合我國國情。目前市場供應的BSCCO/Ag高溫超導線，雖謂之高溫，但在77K液氮溫度下的臨界電流密度其實較小，且隨著磁場特別是垂直于超導帶表面的磁場增加而迅速下降，很難形成實用的磁場儲能，這也是困擾許多相關研究領域的難題。因此，液氮溫區(qū)高溫超導儲能裝置研制的核心技術是如何解決Bi系超導線臨界電流密度小及Jc隨磁場增大而迅速下降的問題，這個問題在超導線圈的端部顯得更為突出，因這里的漏磁場最為集中且基本上垂直于超導帶。
當本專利申請人用有限元法分析鐵磁合金對超導線圈磁場分布的影響時，發(fā)現(xiàn)鐵磁合金的作用很大，在某種程度上能牽著其“鼻子”走，如圖1所示。這就聯(lián)想到在超導線圈周圍放置經(jīng)過特殊設計的鐵磁材料，人為地將漏磁場“引開”，從而解決上述問題。2003年以色列和東南大學幾乎同時取得突破，研制成功僅使用液氮的HT-SMES系統(tǒng)[5][6]，研制工作各自獨立進行，基本原理相同，但結(jié)構不完全一樣。
參考文獻[1]陸廣香，許揚，胥傳普，沈國榮，電壓崩潰機理及其對策，已投中國電力。
M.Ross etc.Using D-SMES Devices to Improve the Vottage Stability of aTransmission System，IEEE，2001[3]Jiang Xiaohua，Chu Xu，Wu Xuezhi，et al.SMES System for Study on Utility and CustomerPower Applications. IEEE Trans. on Applied Superconductivity，2001，11(1)1765-1768[4]Ronald Kreutz etc.Design of a 150 KJ High-Tc SMES(HSMES) for a 20KVA uninterruptiblepower supply system. IEEE Trans.On Applied Superconductivity V13，N2，June 2003[5]A.Friedman etc.HTS-SMES operating at liquid nitrogen temperatures for electric powerquality improvement demonstrating.IEEE Trans.On Applied Superconductivity V13，N2，June2003[6]陸廣香，沈國榮，鄭玉平，孫韜，單淵達，高溫超導儲能實驗裝置研究，電力系統(tǒng)自動化，2004年第11期。
發(fā)明內(nèi)容
技術問題本發(fā)明的目的是提供一種高溫超導儲能線圈端部徑向磁場導引裝置及其方法，人為地將端部漏磁場引開，使線圈端部垂直于超導帶表面的徑向磁場分量大幅度下降，從而提高超導線圈的儲能密度，使HT-SMES能夠在電力系統(tǒng)得到實際應用。
技術方案本發(fā)明的核心就是用高導磁材料(如硅鋼)為超導線圈產(chǎn)生的磁場提供良好通路，使線圈端部漏磁場被吸引并約束在高導磁材料中，不經(jīng)過線圈本身。這樣可使線圈端部垂直于超導帶表面的徑向磁場分量大幅下降，從而提高超導線圈的儲能密度。給超導線圈磁場提供良好通路的主要技術就是用玻膜合金和硅鋼依次將超導線圈包圍起來。
用有限元法對未采用徑向磁場導引技術超導線圈內(nèi)部磁場的Maxwell方程組進行數(shù)值計算的結(jié)果如圖2所示。其中的兩個矩形為BSCCO高溫超導線圈的剖面，不難看出，盡管線圈中間的軸向磁場分量基本上平行于線圈的中軸，但在線圈端部磁場的徑向分量很大，這對超導儲能十分不利。
將超導線圈放在鐵芯中的情況則大不相同，兩個矩形仍為BSCCO高溫超導線圈的剖面，包圍超導線圈的矩形為鐵芯的外圍。可見結(jié)果相當理想，磁場全部被約束在鐵芯中。既不會對磁體外圍設備產(chǎn)生影響，也不對超導線圈產(chǎn)生任何影響。在這種理想情況下，超導線圈中沒有一點徑向磁場，甚至沒有一點漏磁場。這正是液氮溫區(qū)高溫超導儲能所希望的。
該裝置以上鐵芯下鐵芯為支架，在上鐵芯下鐵芯的中軸線上設有圓柱形中孔，在圓柱形中孔與上鐵芯下鐵芯的外壁之間設有環(huán)狀矩形槽，在環(huán)狀矩形槽中間設有超導線圈，在超導線圈與環(huán)狀矩形槽壁之間設有玻膜合金圈，將上鐵芯下鐵芯的開口端吻合，即組成高溫超導儲能線圈端部徑向磁場導引裝置。環(huán)狀矩形槽的四個直角轉(zhuǎn)角處為圓弧形轉(zhuǎn)角，在上鐵芯下鐵芯的上下垂直方向設有小孔。
高溫超導儲能線圈端部徑向磁場導引裝置的徑向磁場導引方法為根據(jù)儲能密度選擇低矯頑力、高導磁率的磁性材料，再根據(jù)所要求的系統(tǒng)動態(tài)時間常數(shù)設計環(huán)繞主磁力線的閉合磁路，磁路的外圍形狀原則上與杜瓦(低溫容器)相適應，但主磁場通路的幾何形狀應保證二階導數(shù)連續(xù)；磁路內(nèi)腔的主空間除了適應特定超導線圈的結(jié)構，使垂直于超導帶平面的磁場減到最小，增加儲能密度和對漏磁場進行一次引導外，在內(nèi)腔還設置由玻膜合金組成的漏磁場二次引導磁路，以進一步減少漏磁場對超導線臨界電流密度的影響，使線圈端部垂直于超導帶表面的徑向磁場分量大幅度下降，端部漏磁場被雙重導磁材料引開。
有益效果BSSCO/Ag高溫超導線在液氮溫區(qū)一直未能得到很好利用(僅有自場的高溫超導電纜除外)。本發(fā)明雖不復雜，但卻解決了長期困擾著高溫超導應用研究的難題。
我們在設計之初也曾選擇硅鋼片，但我們要求硅鋼片環(huán)繞超導線圈的形狀為橢圓型，且保持二階導數(shù)連續(xù)，這樣就可獲得較為理想的漏磁場導引特性。遺憾的是這種機械加工比較困難，加工成本非常高，重要的是根本達不到設計要求，用玻膜合金修補也不能徹底解決問題。
以色列的鐵芯環(huán)繞超導線圈的形狀為方形，用6個環(huán)形硅鋼片塊連接而成。即使加工精度非常高，也難免有空隙存在，加上主磁場通路不暢(方形)，所以必然存在較為顯著的漏磁場。
采用硅鋼片，最主要的目的是為了避免渦流，減小損耗，從而減少液氮使用量。對于以色列研究組所研制的裝置而言，這是必需的，因為他們使用的超導線圈充放電裝置是買來的通用型裝置，不可避免地使超導線圈中流有諧波電流，使用硅鋼片鐵芯可以減少渦流損耗。專門設計的充放電裝置在正常運行時流過超導線圈的諧波電流可忽略不計。
另外，我們提出的用整塊圓柱形硅鋼直接加工的方法不但加工容易、漏磁少，而且體積小，適合分布式高溫超導無功補償裝置(D-HTS-STATCOM)這樣的小型超導裝置。
超導線圈采用澳大利亞生產(chǎn)的BSCOO超導線繞制而成，線圈平均直徑20cm，共98匝。鐵芯采用普通的硅鋼加工而成。
在70K過冷液氮溫度下的試驗結(jié)果如下不加鐵芯時，超導線圈電流增加到10.2A時線圈失超，在9A下測得線圈中心的軸向磁場為0.16T，線圈端部的徑向磁場為0.14T。
將超導線圈放入圖4所示的鐵芯中后，超導線圈電流增加到31.5A時開始失超，在30A下測得線圈內(nèi)部的軸向磁場為0.46T，而線圈端部的徑向磁場分量約為0.08T。有鐵芯時整個超導磁體所儲存的磁場能量約為空心線圈所儲存能量的20倍，這是小型高溫超導儲能實驗裝置的數(shù)據(jù)。
目前我們正擴大規(guī)模，研制100KVA分布式高溫超導無功補償裝置(D-HTS-STATCOM)，其瞬間有功補償能力為30KW。
圖1是鐵磁合金對超導線圈磁場影響的示意圖。
圖2是未采用徑向磁場導引技術高溫超導線圈磁場分布圖。
圖3是采用徑向磁場導引技術高溫超導線圈磁場分布圖。
圖4是導引超導線圈端部徑向分量磁場的鐵芯結(jié)構剖面圖。
圖4中有上鐵芯1，下鐵芯2，圓柱形中孔3，玻膜合金圈4，超導線圈5，環(huán)狀矩形槽6，圓弧形轉(zhuǎn)角61，小孔7。
具體實施例方式
具體的技術方案如下首先對超導線圈內(nèi)部的電磁場進行分析計算，根據(jù)儲能密度選擇具有高導磁率的磁性材料，設計一個沿著超導線圈主磁力線的閉合磁路系統(tǒng)。
上述閉合磁路系統(tǒng)由圓柱形硅鋼塊加工成對稱的上鐵芯1，下鐵芯2兩部分。結(jié)合面上有環(huán)狀矩形槽6，用于放置超導線圈5。環(huán)形矩形槽的上鐵芯1，下鐵芯2兩部分還均勻分布著供液氮循環(huán)的小孔7。圓柱形硅鋼塊的中間也有一個較大的圓柱形中孔3，以形成液氮的主通路。放置超導線圈的環(huán)狀矩形槽的截面并不完全是矩形。主磁場通路既要保證與超導線圈的幾何尺寸相配合，也要保證主磁場通路內(nèi)壁幾何形狀光滑，即矩形槽截面幾何曲線的導數(shù)連續(xù)，以減少磁阻，從而減少漏磁場。所謂的導數(shù)連續(xù)實際上是要求矩形槽截面形狀為橢圓形，但純粹的橢圓形又不能很好地貼近超導線圈，反而會使漏磁場增大。所以環(huán)形矩形槽截面的實際形狀既不是純粹矩形也不是橢圓形，而是將環(huán)狀矩形槽的四個方形角加工成圓弧形轉(zhuǎn)角6。
靠近線圈端部鐵芯中的磁場強度最為集中，當通入超導線圈的電流增大時有可能在這附近產(chǎn)生少量漏磁場，而這里的漏磁場幾乎完全垂直于超導帶平面。因此，還需設置由玻膜合金構成的漏磁場二次引導磁路，以進一步減少漏磁場對超導線臨界電流密度的影響。所謂二次引導磁路，就是用質(zhì)地相對柔軟的玻膜合金帶襯在環(huán)形矩形槽的內(nèi)壁。
圖4為超導線圈鐵芯結(jié)構示意圖，分上下兩部分，結(jié)構完全對稱，超導線圈嵌在中間的環(huán)狀矩形槽中。
根據(jù)設計容量和所選鐵磁材料，計算確定鐵芯的總體積和有關尺寸，再根據(jù)計算要求在兩塊對等的圓柱形硅鋼塊的中心銑出圓柱形中孔，然后在上下兩塊的結(jié)合面上分別銑出對等的環(huán)狀矩形槽，其尺寸根據(jù)超導線圈的大小和設計容量確定。再在環(huán)形矩形槽的各個壁面上沿圓周均勻地鉆一些小孔(如圖4所示)，供液氮流通。然后在上下兩塊鐵芯環(huán)狀矩形槽的三個內(nèi)壁鑲上玻膜合金帶，再將超導線圈嵌入環(huán)狀矩形槽中。對于分布式高溫超導無功補償裝置這樣的小型裝置而言，為安裝方便起見，將超導線圈分成兩部分，分別嵌在上下兩個環(huán)狀矩形槽中，再用玻膜合金封口。最后將兩塊鐵芯上下重疊并加以緊固。兩個超導線圈可根據(jù)實際情況串聯(lián)或并聯(lián)使用。
高溫超導儲能線圈端部徑向磁場導引裝置的徑向磁場導引方法是根據(jù)儲能密度選擇低矯頑力、高導磁率的磁性材料，再根據(jù)所要求的系統(tǒng)動態(tài)時間常數(shù)設計環(huán)繞主磁力線的閉合磁路，磁路的外圍形狀原則上與杜瓦相適應，但主磁場通路的幾何形狀應保證二階導數(shù)連續(xù)；磁路內(nèi)腔的主空間除了適應特定超導線圈的結(jié)構外，使垂直于超導帶平面的磁場減到最小，增加儲能密度和對漏磁場進行一次引導，在內(nèi)腔還設置由玻膜合金組成的漏磁場二次引導磁路，以進一步減少漏磁場對超導線臨界電流密度的影響，使線圈端部垂直于超導帶表面的徑向磁場分量大幅度下降，人為地將端部漏磁場引開。
權利要求
1.一種高溫超導儲能線圈端部徑向磁場導引裝置，其特征在于該裝置以上鐵芯(1)下鐵芯(2)為支架，在上鐵芯(1)下鐵芯(2)的中軸線上設有圓柱形中孔(3)，在圓柱形中孔(3)與上鐵芯(1)下鐵芯(2)的外壁之間設有環(huán)狀矩形槽(6)，在環(huán)狀矩形槽(6)中間設有超導線圈(5)，在超導線圈(5)與環(huán)狀矩形槽(6)壁之間設有玻膜合金圈(4)，將上鐵芯(1)下鐵芯(2)的開口端吻合，即組成高溫超導儲能線圈端部徑向磁場導引裝置。
2.根據(jù)權利要求1所述的高溫超導儲能線圈端部徑向磁場導引裝置，其特征在于環(huán)狀矩形槽(6)的四個直角的轉(zhuǎn)角處為圓弧形轉(zhuǎn)角(61)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的高溫超導儲能線圈端部徑向磁場導引裝置，其特征在于在上鐵芯(1)下鐵芯(2)的上下垂直方向設有小孔(7)。
4.一種如權利要求1所述的高溫超導儲能線圈端部徑向磁場導引裝置的徑向磁場導引方法，其特征在于根據(jù)儲能密度選擇低矯頑力、高導磁率的磁性材料，再根據(jù)所要求的系統(tǒng)動態(tài)時間常數(shù)設計環(huán)繞主磁力線的閉合磁路，磁路的外圍形狀原則上與杜瓦相適應，但主磁場通路的幾何形狀應保證二階導數(shù)連續(xù)；磁路內(nèi)腔的主空間除了適應特定超導線圈的結(jié)構，使垂直于超導帶平面的磁場減到最小，增加儲能密度和對漏磁場進行一次引導外，在內(nèi)腔還設置由玻膜合金組成的漏磁場二次引導磁路，以進一步減少漏磁場對超導線臨界電流密度的影響，使線圈端部垂直于超導帶表面的徑向磁場分量大幅度下降，端部漏磁場被雙重導磁材料吸引并被約束在導磁材料之中。
全文摘要
高溫超導儲能線圈端部徑向磁場導引裝置及其方法涉及液氮溫區(qū)分布式高溫超導儲能裝置，該裝置以上鐵芯(1)下鐵芯(2)為支架，在上鐵芯下鐵芯(2)的中軸線上設有圓柱形中孔(3)，在圓柱形中孔與上鐵芯下鐵芯的外壁之間設有環(huán)狀矩形槽(6)，在環(huán)狀矩形槽中間設有超導線圈(5)，在超導線圈與環(huán)狀矩形槽壁之間設有玻膜合金圈(4)，將上鐵芯下鐵芯的開口端吻合，即組成高溫超導儲能線圈端部徑向磁場導引裝置；其方法是根據(jù)儲能密度選擇低矯頑力、高導磁率的磁性材料，再根據(jù)所要求的系統(tǒng)動態(tài)時間常數(shù)設計環(huán)繞主磁力線的閉合磁路，磁路的外圍形狀原則上與杜瓦相適應，但主磁場通路的幾何形狀應保證二階導數(shù)連續(xù)。
文檔編號H01F6/00GK1588581SQ200410064779
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月28日 優(yōu)先權日2004年9月28日
發(fā)明者陸廣香, 沈國榮 申請人:東南大學