高温超导无绝缘线圈电磁及热学特性的模型和实验研究

This project will investigate the fundamental theory and basic electromagnetic characteristics of superconducting coil without insulation. In this project, testing platform will be built to measure the voltage, current and fiber laminated together with HTS taps. This technique allows measuring the real-time temperature profile of the whole coil. The experimental data will help with the understanding of the evolution of current and temperature inside the coil. A numerical model combining circuit grid code and finite element software will be developed. This model is able to calculate the interaction between the electromagnetic factors and thermal factors. The study will focus on the charging and discharging process of the coil, with special attention paid to the quenching process. The performance of coils made from different types of tapes will be compared. The results of this project will help people to understand the fundamental characteristics of the performance of HTS coil without insulation.

本课题将从实验测量和仿真模型两方面开展基于第二代高温超导带材的无绝缘线圈电磁动态特性的机理研究。本课题将搭建测试平台对超导线圈的电压、电流、温度信息进行测量。对于超导线圈的温度测量，本课题新颖的采用将测温光纤和超导带材一体封装的方法，从而获得超导线圈内部任意位置的实时温度值。实验数据可以用于解读电流和温度在无绝缘线圈中的演变过程。理论分析方面，将构建包含电路网格在内的三维有限元数学模型来分析线圈充放电过程中电磁量和温度量的互相影响和互相耦合的关系。本课题将充分了解不同结构的带材绕制成无绝缘线圈后的升流特性和失超特性。本课题的研究结果将帮助人们理解超导无绝缘线圈的电磁机理，从而指导人们将超导无绝缘线圈应用到最合适的超导产品中。

无绝缘线圈取消了传统线圈的匝间绝缘，匝与匝之间直接金属接触。相比于传统绝缘线圈，无绝缘超导线圈具有更高的电热稳定性、更好的自我保护能力，成为当前国际高温超导应用研究的一个热点。由于没有匝间绝缘，无绝缘高温超导线圈的充放电特性和失超传播特性与传统的绝缘线圈有很大不同，其在工程应用中的很多问题还未得到充分的研究。本项目对基于二代高温超导带材的无绝缘线圈的充放电和失超特性进行仿真和实验研究，取得了以下成果：（1）搭建了全新的针对无绝缘高温超导线圈的分布参数等效电路网络模型。通过对无绝缘高温超导线圈充放电特性的实验研究验证了该模型的有效性。（2）基于上述等效电路网络模型对单个无绝缘高温超导线圈的充放电特性进行了研究。分析了充放电过程中线圈内部的电流分布，揭示无绝缘线圈充放电延迟现象的内在机理；从励磁的角度分析了影响无绝缘线圈充电时间的各种因素；将等效电路网络模型和高温超导体的H方程有限元模型相耦合，对无绝缘线圈的充电损耗特性进行了细致分析。（3）基于等效电路网络模型，进一步发展了针对无绝缘高温超导线圈的失超模型。对其局部失超过程进行了仿真分析，仿真结果为多个实验中得到的无绝缘线圈自我保护能力超强的结论提供了理论支持。研究还发现无绝缘线圈的中心磁场和线圈电压会在局部失超的早期发生显著变化，这为无绝缘高温超导线圈的失超保护提供了新的思路。通过本项目的顺利开展，发表SCI论文7篇，获国家发明专利授权2项，培养博士生3人，硕士生4人。本项目的研究结果揭示了无绝缘高温超导线圈的充放电和失超传播暂态过程，在理论上为无绝缘高温超导线圈走向工程应用奠定了重要的基础。