基于YBCO超导带材的SMES磁体的基础问题研究

本课题进行基于YBCO超导带材的SMES磁体研究，研究在大电流冲击、背景磁场条件下的过流稳定性问题，分析带材受磁场、温度、应力等扰动时带材的失超特性；研究绝缘层设计与磁体的热稳定性问题，分析超导磁体的绝缘与大电流冲击、热稳定性之间关系。研究过冷液氮条件下，超导磁体失超能量传递、带材载流能量提高和电气绝缘性能提高的机理等。本课题研究不但对小型SMES磁体的设计有非常重要的指导意义，而且有助于推进我国基于YBCO超导带材的大型SMES的自主研发和应用。并且，对YBCO超导带材的电力应用提供较为全面的理论依据，对实现电网电能灵活调节、提高电网电能质量和实现分布式风光发电系统并网都有非常重要的意义。

本项目开展了基于YBCO超导带材的SMES磁体的基础问题的研究，对比分析带材的基本特性，选择AMSC的超导带材（8502和8512）为研究对象，开展SMES了磁体的基础问题研究。.研究超导带材的各向异性，分析了超导带材临界电流与温度和磁场关系的内在关系，掌握了带材临界电流随温度和磁场的衰减规律。研究带材失超过程的电磁场和热场相互耦合关系，基于Comsol和Matlab软件建立了带材的电磁-热模型，该方法是研究带材和磁体稳定性问题、磁体优化设计的关键。.研究YBCO带材长带的临界电流不均匀性分布规律，研究表明：带材临界电流呈正态分布，且最小电流是带材临界电流平均值与3倍的临界电流标准差的差。3σ定律引入约束条件，设计模拟退火算法，开展SMES磁体的优化设计，结果表明：在20 K温度下内阶梯形截面磁体的带材用量最少，而77 K时，外阶梯形截面磁体的带材用量最少，从而达到减少带材用量和提高磁体稳定性的目的。.建立YBCO带材失超传播模型，研究了带材载流和最小失超能、失超传播速度的关系，研究了带材在载流前提下热稳定性。通过YBCO超导带材和单饼线圈的交流损耗的理论分析、仿真和实验表明在超导线圈中主要的损耗是超导芯的磁滞损耗。.研究单饼线圈临界电流、磁场分布分层排列的规律，分析了磁场集中对临界电流的影响规律，提出了消除磁场集中和热集中的方法。单饼线圈的最小失超能和失超传播速度的研究发现：线圈和带材的失超特性相似，最小失超能随电流增大而近似呈线性减小，单饼线圈的最小失超能略小于带材。同时，背景磁体对单饼线圈的失超传播速度的影响不显著。研究了YBCO带材和线圈的短时大电流冲击特性，冲击电流峰值达到14.2倍临界电流时，带材临界电流开始退化。绝缘层对于带材的大电流冲击特性影响甚小。和液氮温度下相比，深冷液氮环境下的带材无载流冲击特性未发生明显的变化。.分析常用低温绝缘的基本特性，开展了超导磁体的绝缘设计和结构设计，建模仿真和测试了磁体临界电流、电磁场分布以及储能量随运行温度的变化规律。本项目的研究工作对SMES磁体的电力应用提供较为全面的理论依据。