Roebel超导复合导体的电磁特性研究与分析

作     者：华俊威 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：方进

授予年度：2021年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：H方程 垂直堆叠导体 并行垂直堆叠导体 Roebel超导复合导体 临界电流 交流损耗 

摘      要：高温超导材料在电力技术中的应用不仅可以满足承载较大的传输电流的目标,还能极大的减小能量的损耗、提高了运行的高效性、缓解了供电压力。但是高温超导体在大容量超导电力设备的应用远远超出单根超导带材的承载能力,同时高温超导体在交变电流或磁场下产生的交流损耗会带来较大的热量,影响超导设备的运行稳定性,甚至影响安全。通常超导带材的简单并联使用可以一定程度提高载流能力,但超导带材的多根并联会造成电流的分布不均,导致交流损耗过高。因此开展对具有大载流能力、低交流损耗的超导复合导体的研究具有十分重要的现实意义。本文对高温超导带材的临界电流和自场下的交流损耗进行研究,并对堆叠导体和Roebel超导复合导体的临界特性和交流损耗特性进行了研究。本文首先对超导材料的分类和超导电性的基本理论进行阐述,同时基于超导现象对超导体的临界态模型进行了叙述;随后对超导材料交流损耗的分类、产生机理和一些交流损耗的计算模型做了说明;基于麦克斯韦方程组和本构方程对交流损耗的数值计算方法—H方程进行了推导论证。基于H方程的有限元分析方法,对高温超导带材的电磁特性和自场损耗进行分析,并将其交流损耗与Norris模型的计算结果进行比对;随后研究了2根8 mm超导带材组成的堆叠导体和4根4 mm超导带材组成的并行堆叠导体的电磁分布、临界特性和交流损耗特性,对不同堆叠根数下每根带材通入相同电流或通入相同总电流时的交流损耗情况进行分析与研究。基于Roebel导体的三维模型对Roebel导体的结构进行分析,对建模中Roebel模型股与股之间的排布进行了详细说明;以10股Roebel超导复合导体为例,对Roebel导体中的单股线和整个导体的电磁特性进行研究;其次研究了Roebel导体的结构参数(错位长度、角度、换位处结构、垂直方向上股与股之间间隙、单股宽度)和频率对Roebel导体的交流损耗特性的影响机理;最后将堆叠导体、并行堆叠导体、Roebel导体在相同载流下的交流损耗进行比对。最后,基于Labview控制程序搭建了临界电流测量平台,测量了4 mm宽超导窄带和10 mm宽超导宽带的临界电流,并拟合得到E-J特性曲线;搭建了基于锁相放大测量法的交流损耗测量平台,利用测量平台测量了自场下4 mm和10 mm超导带材、裁剪得到的8 mm宽超导带材、2根8 mm宽带组成的垂直堆叠导体、4根4 mm窄带组成的并行垂直堆叠导体和4股Roebel导体的交流损耗特性。并将实验测量结果与有限元仿真所得结果进行分析比对,进而验证仿真模型与实验测量平台的准确性。