空芯螺管型超导储能磁体的优化设计方法.pdf

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空芯螺管型超导储能磁体的优化设计方法
戴银明,余运佳,南和礼,雷沅忠
(中国科学院电エ研究所,北京1(080)
摘要:微、小型超导储能系统由于运行操作灵活性和創造工艺筒单而在电力系統中
具有广泛的应用前景。作为超爭储能系的关键部件,储能超乎磁体的优化设计,不
汉应从技术上保证超导储能系统运行的安全可靠性,而且应能最大限度地降低制
成本、本文针时超宇错能磁体系統的基本纽成单元一螺型超导磁体,从磁体绕
组的基本参数如绕组厚度、泾高比的变化出发,分析了管型儲能超乎敵体的储能效
率,提出了堞管型超导储能磁体的伏化设计方法
关键词:超导儲能;组厚度;径高比
中阻分类号:0S119
文献标识码:A
文章编号:003-3076(2001)03-0D09-(5
引言
也可降低漏磁扬的污染问题“3,但储能效率
仍然偏低。单螺管型储能超导磁体具有结构
超导储能技术是指利用超导磁体的磁场简单、材料利用率高和储能傚率高的优点,但
來实现电磁能量的存储和利用的一种新型储漏磁场偏大、它主要应用在对漏磁场要求不
能技术、超导储能利用了超导材料的无阻载严格的环境中。
流特性,在静态时可以实现电磁能量的无损
平行管
耗储存、在动态条件下,可对外部受电系统的
环形
同轴管
需求以较高的功率输出作出快速响应。这对
于以能量输送为目的的电力网来说具有重要
意义。因此、超导储能在电力系统中可广泛
用于负荷平衡、有功和无功功率调节,提高关
单型
键输电线路的供电可靠性、平抑电压摆动,改
善供电质量い2。
超导储能系统中的超导磁体主婆有两种
图1能导磁体的类型
类型,郎:螺线管型(单螺管和组合螺臂〉和环
型,如图1所示
比外,超导储能磁体,特别是微型储能磁
环型储能超导磁体可由多个短蝶管线圈体,在系统中常运行在脉动状态下。超导材
或D形线组成,漏磁场低,但储能效率不料在交变磁场中承受交流损耗,从而增大制
够高?。组合螺管型(平行或同轴)超导磁体冷费用。相同储能量级下,超导材料用量越
收蒋日期:2000-08-10
基金项目:国家自然科学基金资助项目《9877024
作者简介:银明(1965-),男,山东籍,副研员,硕士,主攻超导孩体技术研究与应用3
2001年第3期
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少,交流裁耗也越少,超导磁体的运行越经
溶。因此.能超导体的材科利用率是磁
体设计中应考虑的一个重要国袁。本文从单
螺管型储能超导磁体的设计出发,分析了超
导旅体的形状固数对磁体能大小的景影响
提出丁单螺管型储能超导磁体的忱化设计方
法
2螺管型超导磁体的储能
超导磁体所储存的电磁能量等效于磁体
在自由空间中产生的磁场能量。它由两部分
组成:一部分位于磁体绕组所包围的有限空
间中,磁场强度强,磁能密度较高;另一部分
T
位于磁体统组的外部,磁通密度较弱,但分布
最广,形成储能超导磁体的漏磁场区·对于
图2计算磁体储花的参数止义
无铁磁屏蔽的遛导磁体,其最大储能量E
正比于磁体的电感L.并与磁体所能通过的此,超导磁体的储能与铊组的形状有密切关
系
最大运行电流n有关、即;
趙导磁体绕组的形状直接影响磁体的电
(1〉感和最大可运行电流,进而影响磁体的储能
其中,[与磁体绕组的结构形状有关,因此,在分析绕组形状对磁体储能的影响时
取决于绕组所采用的超导材料的临界载流能应综合考虑对电感和可运行电流的影响。例
力,同时也是磁体结构形状的函数-固此.崎如,具有正方形截面的Brok线圈,单位重量
能超导磁体的电葱设计总是遵循这样一个原导体材料的电感最大,但这并不代表该形状
则,在满足要求储能量级的前提下,?求最佳的迢导磁体具有最大的储能,因为这种形状
的磁体绕组结构形状,使得超导材料用量最
的绕组通电时所产生的最大磁场严重限制了
磁体的最大可运行电流
对于单螺管磁体,设绕组的平均半径为
从式(1)可以看出,分析超导磁体的储能
R.高度为H,绕组厚度为C、单位为厘米,如时,需要分别计算磁体的电感和最大可运行
图2(a)所示。绕组超导材料的临界特性如电流,而它们是与磁体绱组形状相互关联的
图2(b).该磁体具有电感.
两个参数。考虑到储能超导葱体的制造工艺
和材料的临界特性,在确定绕组中的最大磁
=0.0I19739
2R RK(H) (2)
场时,采用绕组的平均电流密度是方便的
其中,N为磁体绱组的画数;"为一小
设超导材料的临界电流密度J,可用
于1的系数、其大小决定于绕组的结构和形直线近似,即:J=AMf-N。B,其中M。,N
状。而磁体的最大可运行电流。由超导材为表示超导材料在一定磁场B区可内临界
料的临界特性細磁体磁曲线的交点决定
特性的两个常数。复合超导体的铜超比为
而励磁曲线又由绕维的形状唯一确定:因
比重为P·绕组的平均电流密度为J,磁
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电工电能新技术》