（电机与电器专业论文）超导储能系统迫流气冷电流引线的设计与传热问题研究.pdf

本学位论文作 授权北京交通大学 并采用影印、缩印 家有关部门或机构 ：。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) i 学位论文作者签名：马菁导师签名： 勿1 哟豸 签字日期：2 0 【。年( 月i 弓日 签字日期：纠口年月罗日 “ ， 中图分类号：t m 2 6 ；t m 9 1 7 u d c ：6 2 1 3 北京 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 硕士学位论文 超导储能系统迫流气冷电流引线的设计与传热问题研究 o p t i m i z a t i o nd e s i g na n dh e a tt r a n s f e ra n a l y s i so f f o r c e - c o o l e d c u r r e n tl e a d si ns u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g ed e v i c e b a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d 作者姓名：马菁 导师姓名：刘瑞芳 学位类别：工学 学科专业：电机与电器 学号：0 8 1 2 2 0 1 6 职称：副教授 学位级别：硕士 研究方向：电流引线 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 t 致谢 本论文的工作是在我的导师刘瑞芳副教授的悉心指导下完成的，刘瑞芳副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两 年来刘瑞芳老师对我的关心和指导。 刘瑞芳副教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向刘瑞芳老师表示衷心的谢意。 中国电力科学研究院的张宏杰博士、丘明博士对于我的科研工作和论文都提 出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，赵铮、张千等同学对我论文中的研究工作给 予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 再次感谢所有在这次工作中给予关怀和帮助的人。 摘要：对于超导 要漏热源之一，如何 传统电流引线分析方 优化理论和方法在实际应用中受到了很大限制，随着有限元理论的迅猛发展和日 趋成熟，特别是计算机技术的广泛应用，有限元分析软件对分析复杂的非线性条 件下的物理情况提供了很好的途径，这也为电流引线的优化与分析提供一种新的 方法和思路。结合传统计算方法和有限元分析，既可以提高传统计算方法的直观 可视性，又可以提高优化分析的效率。本文对超导磁体在液氮温区采用氮气迫流 冷却的电流引线提出结合传统计算方法和有限元法的优化设计并对迫流冷却电流 引线的传热问题进行研究。 本文在分析国内外电流引线方面取得的研究成果的基础上，提出超导储能 装置液氮温区迫流冷却电流引线的优化设计方案。首先利用威尔逊法、分段法 等传统电流引线分析方法，得出电流引线长横比的取值范围，为电流引线的初 始建模提供依据。采用a n s y s 软件进行电热耦合有限元分析，得到电流引线 在自冷条件下引线温度分布以及焦耳热等参数。利用a n s y s 优化方法得到漏 热与模型参数的关系，获得漏热最小时引线长横比数值。考虑氮气迫流冷却， 对电流引线进行热流有限元耦合分析，得到氮气流速、换热系数与出口压强之 间的关系，为确定真空泵的参数提供依据。最后结合一定的电流引线测试实验 对设计与分析计算结果进行验证。 关键词：电流引线；迫流冷却；优化设计；传热问题；有限元法 分类号：t m 2 6 ：t m 9 1 7 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：i ns u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e ，t h ec u r r e n tl e a dc o n n e c t s t h er o o m - t e m p e r a t u r ep o w e rs u p p l ya n dt h el o w - t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ti st h em a i ns o u r c eo ft h e r m a ll e a k a g ei nt h es y s t e m h o wt or e d u c et h eh e a tl o a da n d r e f r i g e r a t i o np o w e rh a sb e e ns u p e r c o n d u c t i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c hh o ts p o t t r a d i t i o n a l c u r r e n tl e a da n a l y s i sm e t h o do fm a t h e m a t i c a lm o d e ld e s c r i b i n ga b i l i t ya n dt h es o l v i n g m e t h o di sq u i t el i m i t a t i o n s ，t h e r e f o r et h eo p t i m i z a t i o nt h e o r ya n dm e t h o dh a sl i m i ti n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dm a t u r a t i o no ff i n i t ee l e m e n t t h e o r y , e s p e c i a l l yt h ew i d ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h ef i n i t e e l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ep r o v i d e sag o o dw a y f o ra n a l y s i so fc o m p l e xn o n l i n e a rc o n d i t i o n so f p h y s i c a lc o n d i t i o n , a n da l s op r o v i d e san e wm e t h o da n dt h i n k i n gf o rc u r r e n tl e a d o p t i m i z a t i o na n da n a l y s i s i nt h i st h e s i s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e di nf o r c e - c o o l e d c u r r e n tl e a dd e s i g na n dh e a tt r a n s f e rp r o b l e ms t u d yi ns u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t sa t l i q u i dn i t r o g e nt e m p e r a t u r ea r e a b a s e do na n a l y s i so ft h ei n t e r n a t i o n a lc u r r e n tl e a dr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s ，d e s i g n s c h e m eo ff o r c e - c o o l e dc u r r e n tl e a d s i ns u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e d e v i c ei sm a d ei nt h i st h e s i s t h ei n i t i a lr a n g eo fc u r r e n tl e a dl e n g t ha n dc r o s ss e c t i o n a l a r e ar a t i oi sc a l c u l a t e dw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d s ，p r o v i d i n gr a n g ef o rt h ea n a l y s i sm o d e l i ne l e c t r i c - t h e r m a lc o u p l i n ga n a l y s i s ，t h ej o u l eh e a t ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n de t co f c u r r e n tl e a di ns e l f - c o o l e dc o n d i t i o n sw i l lb eg o t o p t i m i z a t i o np r o g r a mi se x e c u t e d b a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h el e n g t ha n dc r o s ss e c t i o n a la r e ar a t i oo ft h ec u r r e n t l e a da tm i n i m u mh e a tl e a k a g ec o n d i t i o nw i l lb eg o t u n d e rt h en i t r o g e nf o r c e - c o o l e d c o n d i t i o n , t h eh e a tt r a n s f e rp r o b l e mo ft h ec u r r e n tl e a da n dt h en i t r o g e ni sa n a l y z e d u n d e rf l o t r a ns o f t w a r e t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fc o p p e rw i r ea n dn i t r o g e n f l o w , h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dp r e s s u r ew i l lb ec a l c u l a t e d t h er e s u l t sa r eh e l p f u lt o d e t e r m i n et h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r so ft h ev a c u u mp u m p f i n a l l yc u r r e n tl e a da n a l y s i s r e s u l t sa r ev e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t a l k e y w o r d s ：c u r r e n tl e a d ；f o r c e - c o o l e d ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；h e a tt r a n s f e rp r o b l e m ； f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s c l a s s n o ：t m 2 6 ：t m 9 1 7 v 中文摘要 a b s t r a 1 引言 1 1 1 2 1 3 2电流 2 1 2 2 2 3 2 3 2 分段计算方法16 2 3 3 准解析计算方法。2 0 2 43 5 k v 2 k a 电流引线结构及计算结果2 2 2 4 13 5 k v 2 k a 电流引线结构2 2 2 4 2 电流引线设计的基本物理参数。2 3 2 4 3 计算结果。2 4 2 5本章小结2 5 3自冷电流引线的电热耦合有限元分析及优化设计2 7 3 1有限元分析概述2 7 3 1 1 有限元分析的特点2 7 3 1 2 有限元分析的步骤2 8 3 2a n s y s 耦合场分析简介2 8 3 2 1 耦合场分析的定义和类型2 8 3 2 2 电热耦合分析的控制方程2 9 北京交通大学硕士学位论文 3 3 自冷电流引线的电热耦合有限元分析3 0 3 3 1 电流引线的分析模型3 0 3 3 2 电流引线电热耦合分析的条件与材料属性3 l 3 3 3 电流引线电热耦合分析结果31 3 4基于a p d l 的电流引线有限元优化分析3 6 3 4 1 优化设计简介3 6 3 4 2 基于a p d l 的优化分析的过程3 7 3 5基于a p d l 的2 k a 电流引线的优化设计3 8 3 5 12 k a 电流引线的结构优化设计的参数确定3 8 3 5 22 k a 电流引线的结构优化设计流程图3 9 3 5 32 k a 电流引线的结构优化设计结果4 0 3 6 本章小结4 2 4迫流冷却电流引线传热问题的有限元分析4 3 4 1 a n s y s f l o t 黜n 计算流体动力学( c f d ) 分析概述4 3 4 2f l o t r a n 流场热力学分析4 4 4 3迫流冷却电流引线传热问题的有限元分析4 6 4 3 1 电流引线传热问题求解类型的确定4 6 4 3 2 迫流冷却电流引线流固共轭传热耦合计算方法4 7 4 3 3 迫流冷却电流引线的有限元分析模型4 9 4 3 4 迫流冷却电流引线的计算结果与分析5 0 4 4 真空泵工作参数选取依据的分析5 1 4 5本章小结5 5 5电流引线的实验测试5 7 5 1试验系统构成5 7 5 2 实验步骤5 8 5 3实验结果6 0 5 4本章小结6 2 6结论6 3 参考文献6 5 作者简历6 9 独创性声明7 l 学位论文数据集。7 3 引言 1 1课题研究背景 1 引言 随着经济和社会的发展，我国的电力需求持续以较高速度增长，电网的容量 和规模越来越大，供电密度越来越高，对供电质量和电网的稳定可靠性要求也越 来越高。我国电网目前已基本形成了西电东送、南北互供、全国联网的格局，对 超高压输电技术、大容量发电机组、大容量输变电设备等的需求与日俱增。目前 的电力系统高速发展受到以铜铝等为基础的常规导电材料的限制，很难得到进一 步提高，并且常规导电材料造成的网损也随着发电容量的增加而增加。电力损耗 不仅会造成巨大的经济损失，同时在发输电设备中导线发热会引起设备绕组的温 升和绝缘水平的问题【l 】。 超导材料进入超导态以后，具有无阻的承载大电流的能力，将高温超导技术 应用于现代电力系统中，可以显著的提升现有装备的技术水平和运行性能。无论 是从装置特性还是从系统特性上，都可以克服常规电力技术固有的缺陷，取得若 干常规技术无法或难以实现的性能，带来电力工业的重大变革。 超导电力装置有体积小、重量轻、容量大等优点，在电力系统中应用超导技 术，可以大大提高设备的单机容量、提高电网输电能力、降低电网损耗，可以实 现电能的快速高效储存、实现对短路电流的限制等功能，可改善电能的质量i 提 高电力系统运行的稳定性和可靠性，为电网向高效安全和超大规模方向发展提供 了新的技术途径，提升我国电力工业的发展水平，为实现我国电力工业长期可持 续发展战略提供可靠的技术保障。 超导储能系统( s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e te n e r g ys t o r a g e ，s m e s ) 是超导电力 技术在电力系统中一种很有前景的应用。在超导储能系统及其它超导应用技术中， 电流引线是系统的主要漏热源之一，如何降低引线热负荷、减小制冷功率一直是 超导技术研究的热点【2 】。下面对超导储能技术和电流引线技术进行简要介绍。 1 1 1超导储能技术 电能存取技术包括s m e s 、蓄电池、抽水、压缩气体、飞轮、超级电容器等多 种形式，其q b s m e s 直接存储电磁能，功率输送时无需能源形式的转换，与蓄电池 等其他储能方式相比较，具有响应速度快、转换效率高( 9 6 ) 、比容量( 1 1 0 北京交通大学硕士学位论文 w h k g ) 比功率( 1 0 4 1 0 5k w k g ) 大等优点，可以实现与电力系统的实时大容量 能量交换和功率补偿。在大电网经济运行储能不足的情况下，具有很大的潜在能 力。同时超导磁储能装置可向电网提供较大的瞬时功率，因此，它对稳定系统电 压、增加系统阻尼、提高系统的动态和静态稳定性、改善电能质量都大有好处。 超导磁储能系统一般由超导储能线圈、低温系统、功率变换装置、失超保护 系统和监测控制系统几个主要部分组成，图1 1 是s m e s 装置的结构原理图1 3 j 。 电力 系统 图1 1s m e s 结构原理 f i g1 1s t r u c t u r ep r i n c i p l eo fs m e s 超导磁储能系统在正常工作时，系统电流经过大功率电子变换器转换成直流 注入超导线圈，将电能以2 2 的电磁能形式储存起来，当电网出现波动时检测控 制系统立即发出释放能量的信号，此时储存的能量在极短的时间内经变换器转化 成交流电输出，以满足系统的要求。其能量的释放速度非常快，通常仅需几m s 。 因为超导的直流电阻几乎为零，所以这种能量在储存时不会有损耗【4 】。 超导储能装置在电力系统中既可用作能量调节装置，也可用作功率调节装置 ( 包括有功功率和无功功率) 。能量调节装置可以调节电力系统的尖峰负荷；功率 调节装置可以消除电力系统的低频功率振荡，稳定电力系统的电压和频率，补偿 电力系统的无功功率，从而提高电力系统输送功率的能力和稳定性【5 】。超导储能装 置还可用作风能和太阳能发电站的备用电源，为对于要求高供电可靠性的负载提 供短时功率备用。 1 1 2电流引线概述 超导磁体在供电励磁方法上大体可分为两种：一种是直接采用直流电源经过 电流引线对超导磁体进行供电励磁，这是最常用的方法。另一种方法是采用超导 整流磁通泵给超导磁体供电，这种方法尚处于研究阶段而未实用化。 2 引言 当采用电流引线向超导磁体供电时，供电电源一般都在室温下，而超导磁体 却处于低温下。由低温超导材料制成的磁体通常运行在液氦( 4 2 k ) 温区，由高 温超导材料制成的磁体也需在液氮( 7 7 k ) 以下温度运行，电流引线在如此巨大的 温度跨度之间，不仅本身带来一个很大的传导漏热，而且通电也会产生焦耳热， 传导热和焦耳热的总和，就是电流引线的总漏热。引线漏热量占到了低温容器总 漏热量的主要部分，成为决定系统运行成本的重要因素【6 j 。 按不同的分类方式，电流引线可分成不同的类型。图1 2 是电流引线常用到的 分类方法【7 1 。 图1 2 电流引线分类图 f i g 1 2 t h ec l a s s i f i c a t i o no f c u r r e n tl e a d 1 、按冷却方式分 按冷却方式分，电流引线可分为传导冷却电流引线和气冷电流引线。 ( 1 ) 传导冷却电流引线 传导冷却电流引线也称为一端冷却的电流引线。传导冷却电流引线主要用于 小电流或者大电流在通电时间不长的情况下，采用的一种简单形式的电流引线。 除引线端部外，中间部分基本上不进行热交换，它的冷却只靠与冷端冷却介质进 行直接热传导，因此传导冷却引线的换热条件是很差的。对于传导冷却引线而言， 降低高温端温度可有效减小流入低温容器的热量。 ( 2 ) 气冷电流引线 气冷电流引线是指利用由于电流引线末端漏热引起的冷却液体蒸发产生的冷 却气体，进一步对引线本身进行冷却的电流引线，它可分为迫流气冷电流引线和 自冷电流引线。气冷电流引线充分利用冷却气体的显热，与传导冷却电流引线相 比，相同结构的电流引线，气冷电流引线的末端漏热要减少约两个数量级。 气冷电流引线的结构形式比较多，但这些结构形式的基本思想都是强化引线 与冷却气体的热交换。强化引线冷却的途径主要有两个：一是扩大换热面积；二 是使冷却气体湍流化，增强气体内部换热，破坏气体的流动边界层和热交换层， 从而提高引线与冷却气体的热交换系数。 本文中电流引线的电流为2 k a ，冷却方式采用迫流冷却的方式，来提高引线 的冷却效果。采取的冷却方式以及相关参数将在后续章节中讨论。 线r l 了流 线 电 引 的 流线 料 电引 材却流线导冷电引超导冷流温传气电高州0 统用 z j j ：z 划佧恹 方 分 却 料 冷 材 按 按 ，ll 线芦了流电 北京交通大学硕士学位论文 按制造电流引线的材料类型分 制造电流引线的材料类型进行分类，电流引线可分为传统电流引线和高温 流引线。 1 ) 传统电流引线 统电流引线又称为常规电流引线，常规电流引线一般用铜或者铜合金制成， 的电流引线采用一元铜电流引线，因此对一元铜引线的研究以后还要详细 2 ) 高温超导电流引线 世纪八十年代高温超导体的发现，引起了世界各国的广泛重视。高温超导 氮沸点温度就可以保持超导性能，高温超导材料本身为陶瓷材料，热导率 材料低2 3 个数量级，而且处于超导态时的直流电阻为零，这些特性为降低 线引入低温容器的漏热提供了可能。随着高温超导体的性能尤其是临界电 断提高，人们开始研究用高温超导体作为电流引线。 高温超导电流引线是一种复合电流引线( 又称为二元电流引线) ，在低温段采 用高温超导材料，在室温与高温超导材料之间采用铜或铜合金等导电材料。 1 2电流引线国内外研究现状 电流引线的温度范围横跨低温冷却介质的温度到室温，制造电流引线材料的 物性性能变化很大，因此电流引线的描述方程是非线性热电耦合的微分方程组， 一般很难得到精确的理论求解值。而现有电流引线的理论设计方法都是建立在一 定的简化假设基础之上的h 】。 1 9 6 9 年，j m l o c k 在假设理想换热的条件下，首先提出了优化后电流引线的一 般性能。后来，在假设恒换热效率和w i e d e m a n n - f r a n z 定律成立的条件下，通过变 换变量发展起一些优化电流引线的理论方法【9 1 。日本的k i s h i b a s h i 等根据经验公式 将换热系数表示为速度、粘度、结构尺寸等基本物理变量的函数，代入控制方程， 将原方程转化为只含有上述基本物理变量的方程组，用r u n g e - k u t t a 数值方法来求 解变换后的方程组，从而得到电流引线的温度分布，使用相同的方法可同时数值 求解得到冷却流体的压斛1 0 】。i k m a e h a t a 等在进行数值优化过程中，利用一种通 用的用于计算不同r r r 值金属电阻率和导热系数的拟和求解公式，并论证了应用 有效l o r e n z 系数来代替w i e d e m a n n - f r a n z 定律中的常l o r e n z 系数，可以提高精度【1 1 1 。 r w e s c h e 与a m f u c h s 假定在微元内电流引线和冷却流体的温度差是保持恒定不 变的【1 2 】，因此将2 个控制方程分别简化为一个二阶一元( 导线温度) 的常系数微分 方程和一个一阶一元( 流体温度) 的常系数微分方程，从而得到微元内电流引线 4 引言 的理论温度分布，再用数值方法来联合求解各个微元内温度分布的方程组，从而 得到整根电流引线的温度曲线。他们利用这种方法考察了冷却介质波动、消失等 非稳态变化情况的出现对电流引线温度分布的影响以及高温超导电流引线与常规 一元电流引线在连接处的电阻对电流引线温度分布的影响。 1 9 8 6 年，科学家们发现了高温超导体，并对这种非理想的第二类超导体进行 了大量的理论分析与实验研究。同时，对如何在电流引线的低温段( 4 2 k 至8 0 k ) 用高温超导材料来代替常规的金属材料应用的研究迅速成为世界各国科学家研究 的热点【1 3 1 。套管法制备的铋系高温超导线材( 通常称为第一代高温超导带材，如 b i 2 2 2 3 ) 和在金属带状基底上镀上超导层的钇系超导带材( 通常称为第二代高温 超导带材，y - 1 2 3 ) 。采用高温超导电流引线后，德国的c e r n 为大型螺线管装置 设计的电流引线可使得制冷机得电能消耗仅仅为常规电流引线的1 4 1 4 1 ；日本原子 能研究所( j a e r t ) 与德国c e r n 公司在为国际热核实验反应装置( r r e r ) 分别 开发6 0 k a 与6 8 k a 的高温超导电流引线【1 5 1 6 1 。 而国内对超导磁体应用的研究起步比较晚，对常规金属电流引线的研究也更 多停留在理论优化层面上。王金星和张志鹏等在其著作中系统地介绍了用来设计 超导磁体电流引线不同的理论方法【1 7 】。中科院电工所的吴千红等发表了许多论述 电流引线各种结构形式、不同运行方式以及电流引线设计中若干问题的文章【1 8 】。 中国科学院等离子所康志成等在假定已知换热效率的基础上，将电流引线分成很 少的几段，提出一种计算电流引线的长横比及冷端漏热较为精确的方法，并且从 传热学特征关联式出发，进一步研究推导出计算电流引线横截面的方法。；， 国内在高温超导电流引线的研究方面，1 9 9 9 年，中科院电工所与低温中心及 西北有色金属研究院共同研制出利用制冷机直接进行冷却的5 t 低温超导( n b t i ) 磁体系统，该装置的电流引线超导部分由1 7 1 条b i 2 2 2 3 a g 组成，b i 2 2 2 3 a g 带 是由西北有色金属研究所与北京有色金属研究所共同研制的。引线长为1 1 m ，外 直径为4 5 2 m m ，7 7 k 时的临界电流值为1 1 8 0 a 。核工业西南物理研究所设计出一 根用于在液氮温区工作的超导储能装置高温超导电流引线。华中科技大学则结合 3 1 5k v a 电动车组高温超导变压器的研制，设计和构造了2 5k v 等级电流引线，但 载流能力仅有1 2 6 “1 9 1 。 由于传统的对电流引线的分析优化方法都是基于代数方程模型的，最优控制 理论中的动态规划优化方法是基于微分方程或差分方程模型的。而这些传统数学 模型的描述能力和求解方法有一定的局限性，使得最优化理论和方法在实际应用 中受到了很大的限制，存在着局部最优解、维数灾难、不确定性等问题，这些困 难需要寻求新的优化分析方法，才能得到最终解决。 随着有限元理论的迅猛发展和日趋成熟，特别是计算机技术的广泛应用，利 5 北京交通大学硕士学位论文 用有限元分析软件对分析复杂的非线性条件下的物理情况提供了很好的途径，而 基于a n s y s 参数化设计语言a p d l 的优化设计越来越体现出它强大的生命力，因 此这也为电流引线的优化与分析提供一种新的方法和思路。因此本文将利用有限 元法，借助有限元分析软件a n s y s ，对电流引线的设计与传热问题进行分析。 1 3课题主要研究内容 1 3 1本课题来源及研究目的 本论文研究的内容主要是依托于中国电力科学研究院申请的2 0 0 9 年度国家高 技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 专题课题一超导电力装置电流引线关键技术研究， 该课题隶属于新材料技术领域中高温超导和高效能源材料技术专题。 近十多年基于铋系高温超导材料，国内外开展了多项超导电力装置的研发， 并取得了一定技术突破。在第1 i 代高温超导材料y b c o 涂层导体方面，按照日美 研发目标2 0 1 0 年涂层导体单根长度将达千米，液氮温区临界电流超过1 0 0 0a ；我 国“十一五 期间也将y b c o 涂层导体作为研发的重点之一，1 0m 、7 0 锄( 7 7 k ) 长带已研制成功，正向百米级方向努力。高温超导带材制备技术的提高和性能 的改善为超导电力装置大载流、强场、高温区、高效运行，进一步提高容量并在 电网中获得广泛应用提供了条件，已成为先进超导电力装置研发的方向。在我国， 国家电网公司也正以过冷液氮温度运行超导储能系统的研究为重点，开发高温区 运行超导装置。 无论是过冷液氮温度运行，还是基于强场设计在4 0 5 0k 温区运行，超导电力 装置都将与电网中处于室温的其它常规电力设备联接，电流引线跨越室温区和装 置工作的低温区，如同其它超导装置一样成为主要的漏热源之一，其热负荷很大 程度上决定着系统的制冷功率、效率和运行成本。在超导电力装置的实用化过程 中，电流引线技术的研究和突破具有极其重要的现实意义。 二十世纪七、八十年代人们就开始尝试采用铜及其合金等金属材料，考虑其 热学、电学和力学性能进行引线的优化设计。同时，还利用蒸发的冷氦气显热， 通过束、线或管状结构、变截面、氦气湍流化、附加翘片或内置旋转叶轮等方式， 增加冷却效果，制成自冷迫流气冷引线，末端漏热较传导冷却引线减小两个数量 级；闭环磁体系统除利用磁通泵外，还采用超导开关和可拔式电流引线，以消除 正常工作时的漏热。 据预测，2 0 1 0 2 0 1 2 年高温运行涂层导体电工装备将步入实用化阶段，并在超 6 引言 导电力应用领域逐步替代铋系高温超导线材。基于涂层导体超导电力装置经济容 量、工作温区、运行模式和我国电网的现行电压等级，考虑到气冷引线潜在的过 载能力及电力设备稳定性、可靠性要求，本文以过冷液氮温区3 5k v 电压等级、2 k a 容量交变载流迫流气冷引线研制作为研究目标，分阶段、有步骤地开发符合电 力设备国家标准相关规定的大容量高压电流引线，以应对不同的应用场合。 本文在3 5 k a 2 k a 电流引线设计以及传热问题分析方面的研究目的是： ( 1 ) 解决超导电力装置中对电流引线技术的实际需求； ( 2 ) 探讨电流引线的迫流冷却的设计，研究其在实际超导装置中的应用。基 于液氮特性，通过迫流气冷引线结构优化设计，实现氮气湍流化，最大限度地利 用冷氮气显热，并保证低温系统所要求的过冷液氮压力水平； ( 3 ) 在满足超导磁体正常安全运行的前提下，尽可能降低引线对低温系统的 漏热，从而降低低温冷却介质的消耗及机的能耗，减少制冷方面的投资。 1 3 2本文的主要内容 本文将对迫流冷却电流引线进行有限元分析和优化设计，对引线在迫流冷却 条件下的传热问题进行研究。论文的主要研究内容分为以下几个方面： ； ( 1 ) 查阅相关文献，掌握国际国内在电流引线方面的研究成果，在分析这些 研究成果的基础上，提出超导储能装置液氮温区迫流冷却电流引线的设计方案。 ( 2 ) 利用威尔逊法、分段法等传统电流引线分析方法，得出电流引线的长横 比的取值范围，为电流引线的初始建模提供依据。 ( 3 ) 采用a n s y s 软件进行电热耦合有限元分析，得到电流引线在自冷条件 下引线温度分布以及焦耳热等参数。利用a n s y s 优化方法得到漏热与模型参数的 关系，获得漏热最小时引线长横比数值。 ( 4 ) 考虑氮气迫流冷却，对电流引线进行热一流场耦合有限元分析，得到氮 气流速，换热系数与出口压强之间的关系，为确定真空泵的参数提供依据。 ( 5 ) 结合电流引线的测试实验对设计与分析计算结果进行验证。 7 电流引线传统设计方法 2 电流引线传统设计方法 电流引线的设计就是要在给定的条件( 电流、两端温度、引线长度等) 下， 通过热损耗的分析确定引线的结构和尺寸，以确保通过引线引入低温容器的漏热 量最小或用于电流引线冷却的功耗最低【2 0 1 。 电流引线的设计须从结构和尺寸两个方面入手： ( 1 ) 结构方面：根据所连接磁体的应用背景和对电流引线的性能要求，确定 电流引线的运行方式、设计所需的电流引线的结构形式。 ( 2 ) 尺寸方面：沿电流引线引入低温区的热量主要有两个来源：电流引线两 端温差带来的传导漏热以及工作电流产生的焦耳热。恰当地调整传导热和焦耳热 之间的关系是电流引线设计的出发点之一。如果增加电流引线的横截面积，可减 小焦耳热，但热传导所引起的漏热会增加；减小截面积则相反。因此，在电流大 小、冷端温度、热端温度、制造引线的材料等已知的情况下，存在一个最优的电 流引线长度与横截面积的比值( l a ) ，使得通过电流引线流进低温区域的热量最 d , t 2 1 l 。 由于引线优化设计涉及的参数多，而有关的物性参数如引线材料的电阻率、 导热系数和比热、冷却气体的导热系数、比热以及电流引线与冷却气体之间的对 流换热系数等都是温度的函数，且都是非线性关系，所以电流引线的优化设计是 一项十分复杂的工作。各国学者经过多年研究，已经形成了一些传统的方法。 2 1电流引线设计的传热基础 2 1 1传热学 传热学是研究热量传递规律的科学【2 2 1 。基于热力学的定义，热是一种传递中 的能量。根据热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给低温热源。因此 热量传递过程的推动力是温差，凡是有温度差的地方就有热量传递。热量传递是 自然界和工程领域中极普遍的现象。 自然界存在三种基本的热量传递方式：热传导、热对流、热辐射。在各种不 同的场合下，这三种方式可能单独存在，也可能产生不同的组合形式。一般热传 递过程不是以某种单一形式进行传热而是以一种形式为主、几种形式相结合一起 发生联合作用的传热过程。在理论分析中，不同的传热过程要分别进行讨论。在 电流引线的传热过程中，热辐射的效果最弱，可忽略不计，所以对其进行热分析 9 北京交通大学硕士学位论文 时以热传导和热对流为主【2 3 1 。 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于 温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循傅里叶定律：q 。= 一k d t d x ，式中g 为 热流密度( w m 2 ) ，k 为导热系数( w m k ) ， 表示热量流向温度降低的方向。 热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热 量的交换【2 4 1 。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方 程来描述：q ”= j i l ( 瓦一五) ，式中h 为对流换热系数( 或称膜传热系数、膜系数等) ， 疋为固体表面的温度，瓦为周围流体的温度。 2 1 2电流引线传热分析 冷端 瓦 冷却气体 杆 麓 。一q j 二- 一 气+ d o ，纵，0 ，d 图2 1 电流引线传热分析 f i g 2 1c u r r e n tl e a dh e a tt r a n s f e ra n a l y s i s 因为电流引线的漏热来源有两个：一个是由引线上下温差沿引线的传导热q c ； 一个是由电流在引线上流过产生的焦耳热q 。当引线使用冷却气体进行冷却时， 冷却气体又会与引线发生对流换热，来减小引线低温端带入低温容器中的热型2 5 1 。 由于大多数的金属和合金都遵守w i e d e m a n n - f r a n z 定律：厶t = k ( t ) p ( t ) ，其中厶 是l o r e n z 常数，因此金属导体的七( d p ( r ) 变化一般是很小的。利用下面的热力学 公式： 传导热计算公式： 焦耳热计算公式： 绞= 争妒 1 0 ( 2 - 1 ) 电流引线传统设计方法 对流换热公式： q = 黟c 丁矽 q = m a r - m c a 姒r ： ( 2 2 ) ( 2 3 ) 根据能量守恒定律， q + 9 一q = 0 。将这些公式改写成微分形式，可得到 电流引线的热平衡方程式： d ( k ( r j ) s d r a x ) 一加印了d t + p ( t ) 1 2 s ：0 ( 2 - 4 ) 4x口x 其中厂( 经验取值) 是用来表示电流引线和冷却气体之间的有效传热系数， 即在任何横截面上电流引线的温度与冷却气体的温度相差t ( 1 一厂) ，厂为电流引线 表面与冷却气体之间的热交换率。 上述假设也是比较符合实际的，冷却气体刚从液态冷却介质中蒸发出来时， 气体与电流引线的温度差是t l i l d , 的，随着冷气上升和热交换的不完全，温差会越 来越大【2 6 1 。 2 2传导冷却电流引线的优化设计方法 传导冷却电流引线可看作是复杂的气冷电流引线的一种特殊情况，没有电流 引线表面与冷却气体的对流换热，电流引线的热平衡方程可略去对流换热的相关 项，使求解变得相对简单【2 7 1 。 如图2 2 所示考虑截面积为s 的电流引线。假设电流引线的热端和冷端的温度 分别为瓦和巧，引线通有的电流为j ，长度为。 北京交通大学硕士学位论文 图2 2 电流引线的微元热平衡原理图 f i g 2 2t h et h e r m a le q u i l i b r i u mp r i n c i p l ed i a g r a mo ft h e r m a lc u r r e n tl e a d 对单位长的引线，由图2 2 的微元热平衡原理图，可得热平衡方程为： _ d ( k ( t ) s d r 出) + 掣：o ( 2 - 5 ) d xs 其中，k ( t ) 和p ( t ) 分别是引线材料的热导率和电阻率。x 为沿电流引线长度 方向的坐标。将式( 2 - 1 ) 积分，得到 后(ns_dt=一丁p(t)12dx z + c j ( 2 _ 6 ) 其中等号左边一项为通过引线上工点流向低温区域的热功率；等号右边第一项 为长度x 的引线段所产生的焦耳热功率，常数c 则为外界传入工点微元的热量。 对于绝热条件下的电流引线，在x 处流出的热功率应当等于长度为x 的这段引 线产生的焦耳热功率，这时流向低温区域的热量最小，并且式( 2 - 2 ) 中的常数c 为 零。若将流入低温区域的最小热功率记作，则 f l 了( 2 7 ) 可得 郴警= 一华一 ( 2 7 ) 出：砉 p 1 1 一 ( 2 8 ) 将式( 2 8 ) 代回( 2 - 7 ) 式中，并考虑边界条件丁( ) = 乃，丁( 0 ) = 瓦，f b q 分式( 2 - 7 ) 1 2 可得 式( 2 - 9 ) 就是在没有冷却 最优化热流) 的表达式。对 导率满足式尼仃珍仃) = 厶丁， 式中：磊为引线高温端的温度，一般是室温，互为低温端的温度，对于制冷 机冷却的磁体乃是一级冷头的温度，为最小热流。 由式( 2 7 ) 和( 2 9 ) 可得 删鲁= 士f 邶阚d r 啦 亿 积分式( 2 1 1 ) 可得引线的最佳尺寸 ( 考) 叫2 专p 七c r ， 2 k ( t ) p ( r ) d t 一啦打= 专f 鼎刀c 2 - ，2 ， 由式( 2 1 2 ) 口- f f f 见，使引线的漏热最小的引线形状l s 与所通入的电流、材料的 热导率有关。因此，对于任何一个金属电流引线，如果运行电流和材料确定了， 那么最小漏热只与引线形状密切相关。 2 3气冷电流引线的优化计算方法 气冷电流引线的优化设计计算方法经过几十年的发展，针对不同的冷却气体 以及超导设备的具体运行条件，产生了很多典型方法，在这些计算方法中，鉴于 问题的复杂性，为了使问题尽可能简化，对引线数学模型作如下假设【2 8 】： 1 ) 因为引线的长度尺寸远大于横向尺寸，假设引线上的温度分布是一维的， 即认为引线的径向温度分布是均匀的，只和引线的长度方向有关。 北京交通大学硕士学位论文 为了计算简便起见，假设引线和周围冷却气体的热交换是理想的，对于实 ，在理想的基础上用一个表征引线与周围气体热交换的传热系数来修正。 电流引线两端的气压差很小，冷却气体的定压比热c p 在计算过程中取常数。 威尔逊计算方法 电流引线最小漏热计算 威尔逊( w i l s o n ) 计算方澍2 9 1 诞生于8 0 年代，是一种经典的电流引线计算方 法。其计算的电流引线冷却气体为冷氦气。电流引线如图2 3 所示。 t + d t j l - 。 ，r d x 、 j l j kj l 矩 i 工