2.5 MJ單螺管型超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體的主動(dòng)屏蔽研究

楊 徉, 羅映紅, 蔣寶燦, 王晶晶, 魏 蔚

(1.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 甘肅 蘭州 730070；2.中國電信股份有限公司 甘肅分公司 甘肅 蘭州 730000)

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2.5 MJ單螺管型超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體的主動(dòng)屏蔽研究

楊 徉1, 羅映紅1, 蔣寶燦2, 王晶晶1, 魏 蔚1

(1.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 甘肅 蘭州 730070；2.中國電信股份有限公司 甘肅分公司 甘肅 蘭州 730000)

單螺管型超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體周圍的雜散磁場隨著其儲(chǔ)能量的增加而急劇增長.對(duì)雜散磁場進(jìn)行屏蔽是保護(hù)外圍儀器設(shè)備和工作人員人身安全的必要手段.對(duì)儲(chǔ)能量為2.5 MJ的單螺管磁體的雜散磁場進(jìn)行了仿真分析與主動(dòng)屏蔽.分析了同軸串聯(lián)式與單圈嵌套式屏蔽方式的磁體結(jié)構(gòu)、屏蔽原理和屏蔽效果，并從線材用量、安全距離以及屏蔽效果等方面進(jìn)行了對(duì)比分析.

儲(chǔ)能磁體； 主動(dòng)屏蔽； 同軸串聯(lián)； 單圈嵌套

0 引言

近年來，隨著高溫超導(dǎo)帶材的開發(fā)成功，高溫超導(dǎo)磁體開始出現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中.國內(nèi)在高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能方面的重大科研項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)[1].中國科學(xué)院電工研究所已經(jīng)設(shè)計(jì)研究了1 MJ高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體并進(jìn)行了對(duì)比優(yōu)化[2].文[3]設(shè)計(jì)制造了35 kJ直接冷卻高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了磁體通流能力測試及系統(tǒng)動(dòng)模試驗(yàn).然而，要使超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中得到更加廣泛的應(yīng)用，就需要研制儲(chǔ)能量更高的磁體，磁體周圍的漏磁場就會(huì)隨之增大[4].因此，要擴(kuò)大超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用場合，減少其應(yīng)用范圍的限制，就要對(duì)較高儲(chǔ)能量的磁體進(jìn)行主動(dòng)屏蔽.

常見的主動(dòng)屏蔽方式有同軸串聯(lián)式屏蔽與單圈同軸嵌套式屏蔽[4].本文將從屏蔽效果、材料用量、安全距離等方面對(duì)這2種屏蔽方式進(jìn)行對(duì)比分析.

1 磁體材料與磁體參數(shù)

2.5 MJ高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體采用Bi-2223/Ag帶材，工作溫度為20 K[5].儲(chǔ)能磁體為薄壁單螺管結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑為300 mm，外徑為383.5 mm，高度為528 mm，由48個(gè)雙餅組成.單餅厚度為4.5 mm，單餅間用聚酰亞胺絕緣，雙餅間用鋁銅線隔開.使用導(dǎo)線總長27.9 km，設(shè)計(jì)儲(chǔ)能量為2.5 MJ，工作電流320 A.單螺管磁體的儲(chǔ)能量公式為E=LI2/2,其中E為儲(chǔ)能量，L為磁體的電感(自感)，I為磁體正常工作時(shí)的電流.

經(jīng)過計(jì)算，可得單螺管導(dǎo)體的具體結(jié)構(gòu)與特性參數(shù)如下：儲(chǔ)能量為2.5 MJ，工作電流為320 A,電流密度為1.196×108A·m-2，雙餅數(shù)為48，匝數(shù)114，匝流密度為373 914.898 m-2，電感為49.414 H.

2 漏磁場分析

利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)2.5 MJ高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體進(jìn)行漏磁場分析，可得到其周圍的磁場分布.由于磁體的幾何形狀與周圍磁場均為軸對(duì)稱分布，故可以采用軸對(duì)稱分析方式.單螺管儲(chǔ)能磁體周圍的磁場分布如圖1所示.

從ANSYS仿真得出的磁場分布結(jié)果中可以看出，儲(chǔ)能量為2.5 MJ的高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體在2 m的最大距離上的雜散磁場約為23.2 G，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于限定值5 G.所以，為了保證周邊設(shè)備的安全運(yùn)行和工作人員的人身安全，需要對(duì)該磁體周圍的漏磁場進(jìn)行主動(dòng)屏蔽.

3 漏磁場屏蔽

3.1 同軸串聯(lián)式屏蔽

同軸串聯(lián)式屏蔽是指在儲(chǔ)能磁體的兩端各串聯(lián)一個(gè)屏蔽線圈，屏蔽線圈的內(nèi)、外徑均與儲(chǔ)能線圈相同，高度為儲(chǔ)能線圈的一半，加載與儲(chǔ)能線圈相反的電流，在外圍產(chǎn)生方向相反的磁場，從而達(dá)到屏蔽儲(chǔ)能磁體的雜散磁場的目的.

屏蔽線圈雙餅數(shù)各為24個(gè)，加載與主線圈數(shù)值相等方向相反的電流密度,得出屏蔽后的雜散磁場如圖2所示.

從圖中可以看出，對(duì)單螺管線圈進(jìn)行屏蔽以后，線圈向外2m處的磁感應(yīng)強(qiáng)度下降到3.5G，滿足了安全性方面的要求.然而，由于在兩邊串聯(lián)了磁體，材料的用量與磁體的總高度都有所增加.

圖1 單螺管儲(chǔ)能磁體周圍的磁場分布

圖2 同軸串聯(lián)式屏蔽的漏磁場分布

圖3 單圈嵌套式屏蔽的漏磁場分布

3.2 單圈同軸嵌套式屏蔽

單圈同軸嵌套式屏蔽是指在儲(chǔ)能磁體的外部嵌套一個(gè)屏蔽線圈，加載與儲(chǔ)能線圈相反的電流，產(chǎn)生方向相反的磁場，從而達(dá)到屏蔽儲(chǔ)能磁體的雜散磁場的目的.

根據(jù)多螺管儲(chǔ)能量計(jì)算公式、磁矩平衡原理以及同軸線圈間的互感計(jì)算公式，可以計(jì)算出屏蔽線圈的尺寸和線圈中加載的電流密度[6].在ANSYS中建立模型并進(jìn)行仿真，得到單圈同軸嵌套式屏蔽的屏蔽效果如圖3所示.

從圖3中可以看出，在磁體外圈采用薄壁線圈進(jìn)行屏蔽后，2 m處的磁感應(yīng)強(qiáng)度減小到1.5 G，符合了安全性要求，且屏蔽效果優(yōu)于同軸串聯(lián)式屏蔽.但是，對(duì)磁體進(jìn)行單圈嵌套式屏蔽存在2個(gè)問題:首先，由于外圍螺線管加載了與儲(chǔ)能磁體相反的電流密度，儲(chǔ)能磁體的中心磁感應(yīng)強(qiáng)度略有下降，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加單餅線圈加載的電流密度，以維持原有儲(chǔ)能量；其次，由于在外部放置了屏蔽線圈，材料的使用量隨之增大，同時(shí)儲(chǔ)能磁體的徑向安全距離也會(huì)相應(yīng)增大.

3.3 對(duì)比分析

從以上的分析中可以得出同軸串聯(lián)式與單圈嵌套式屏蔽的屏蔽效果.如果將材料的用量以及徑向安全距離都進(jìn)行考慮的話，得出兩者的各項(xiàng)數(shù)值對(duì)比如表1所示.

表1 兩種屏蔽方式各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Contradistinction of two different shielding methods

可以看出，從材料用量上來講，同軸串聯(lián)式屏蔽與單圈嵌套式屏蔽的材料用量基本相等.從徑向安全距離來看，由于同軸串聯(lián)式屏蔽是在儲(chǔ)能磁體上下兩端加屏蔽磁體，則水平方向上的安全距離沒有增加.而單圈嵌套式屏蔽的屏蔽磁體分布在外圍，故徑向安全距離相對(duì)較大.從屏蔽效果來講，在沒有加屏蔽磁體之前，主磁體外2 m處的雜散磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到21.4 G.屏蔽之后，2 m處的雜散磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度均降到安全范圍以內(nèi).單圈嵌套式屏蔽的屏蔽效果優(yōu)于同軸串聯(lián)式屏蔽.

[1] 羅平,姚立海.35 kJ高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].低溫與超導(dǎo),2007,34(3):186-189.

[2] 杜曉紀(jì),肖立業(yè).1 MJ高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體的設(shè)計(jì)方案研究[J].低溫物理學(xué)報(bào),2005,27(5):1058-1062.

[3] 石晶,唐躍進(jìn).35 kJ/7 kW直接冷卻高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2006,30(21):99-106.

[4] 施斌,余運(yùn)佳.超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的磁屏蔽[J].電工電能新技術(shù),1999,4(1):31-36.

[5] 楊明珊,譚鳳杰,李志忠,等.電磁場與電磁波實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào):理學(xué)版,2013,45(2):64-67.

[6] 吳素文.空心圓柱線圈的電感計(jì)算[D].鄭州:鄭州大學(xué),2003.

[7] Schonwetter G, Juergen G.Design of SMES with reduced stray field[J].IEEE Transaction on Applied Superconductivity,1995,5(2):337-340.

[8] Kozak J, Majka M, Kozak S,et al.Performance of SMES system with HTS magnet[J]. IEEE Transaction on Applied Superconductivity,2010,20(3):1348-1351.

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Considerations for Active Shielding of 2.5 MJ Single Solenoid SMES Magnet

YANG Yang1, LUO Ying-hong1, JIANG Bao-can2, WANG Jing-jing1, WEI Wei1

(1.AutomationandElectricEngineeringInstitution,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China;2.LtdGansuBranch,ChinaTelecomCo,Lanzhou730000,China)

The stray field of single solenoid SMES magnet increased sharply with the addition of energy storage. It was essential to shield the stray field for the protection of outer instruments, equipment and the safety of staffs. The stray field and shielding methods of 2.5 MJ single solenoid magnet were analyzed and simulated. The differences of magnet structures, shielding principle and shielding effect between the shielding with axially displaced coils and the shielding with single coaxial nested coils were simultaneously analyzed. Ultimately, the two shielding methods in respects of material amount, covers and shielding effect were compared.

SMES magnet; active shielding; axially displaced coils; single coaxial nested coils

2014-04-25

楊徉(1989-)，女，山西晉中人，碩士研究生，主要從事超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體電磁屏蔽研究，E-mail:yyxnjtdx@163.com.

TM153+.1

A

1671-6841(2015)01-0112-03

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.01.024