（电工理论与新技术专业论文）高温超导电力装置的电磁场分析和优化设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gd e v i c e ( h t s d ) i s a ni m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l do f s u p e r c o n d u c t i n gt e c h n o l o g ya p p l i e d i n p o w e r , a n de l e c t r o m a g n e t i c f i e l d a n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o n i s g r o u n d w o r k o fh t s dd e s i g na n d a p p l i c a t i o n t h es u p e r c o n d u c t i n g c h a r a c t e r i s t i co f h i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o rm a t e r i a lh a v et ob ec o n s i d e r e dw h e n t h e m a g n e t i cf i e l di sa n a l y z e d , n a m e l y t h ec h a r a c t e r i s t i co fc r i t i c a lc u r r e n ta n dm a g n e t i cf i e l d t h es c h o l a ro fs u p e r c o n d u c t i n gr e s e a r c h g e n e r a l l y s t a r tf r o me l e c t r o m a g n e t i cf i e l d c h a r a c t e r i s t i c ，t r yt oi m p r o v et h ec r i t i c a lc u r r e n to fs u p e r c o n d u c t o r , c r e a t ea n e w p a t hf o r h t s d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h es p e c i a l l y , e c o n o m i c a la d v a n l a g ea n dd e v e l o p m e n tp e r s p e c t i v eo fh t s dw e r e d i s c u s s e di nt h i s p a p e r , a l s o t h e a p p l i c a t i o n o fc o m p u t a t i o n a l e l e c t r o m a g n e t i c s i n e n g i n e e r i n gw a si n t r o d u c e d ，a n dt h ec l a s s i c a le l e c t r o m a g n e t i ct h e o r yw a su s e dt oa n a l y z e t h e m a g n e t i cf i e l d c a l c u l a t i o no f s u p e r c o n d u c t o rs o l e n o i dc o i l b a s e do nt h em a g n e t i cf i e l da n a l y s i so fa x i a ls y m m e t r i c a lc o i l ，t h ea n a l y t i c a f i e l d c a l c u l a t i o no fh e l i c a lc o i l sw a sd e d u c e di n d e t a i l ，p r o v i d i n g m a t h e m a t i c a lm o d e la n d n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o df o rt h em a g n e t i cf i e l d a n a l y s i s o fh t s d 、) l ，i t l lh e l i c a l s t r u c t u r e w i 也t h ef o u n d a t i o no fm a g n e t i cf i e l da n a l y s i so fh e l i c a lc o i l t h eh e l i c a lm o d e lw a s a p p l i e dt oa n a l y z et h em a g n e t i cf i e l do fh l i g bt e m p e r a t u r es u p e r e o n d u e t o r ( h t s lc a b l ew i m m u l t i - l a y e r e dh e l i c a l f t b l l e t h e nt h ec u r r e n td i s t r i b u t i o nt h e o r ya n de q u i v a l e n tc i r c u i t m o d e l w e 姑p r e s e n t e d t h ee l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r sa n dc u r r e n td i s t r i b u t i o nr a t i ow e r e c a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot y p i c a lp h y s i c a lp a r a m e t e r so fh t s c a b l e ，t h e r e f o r es u p p o r t i n gt h e t h e o r yo f r e d u c i n gt h ea cl o s so f h t sc a b l e t h ep i t c ha d j u s t e d t e c h n i q u ew a $ p u tf o r w a r d t o d e s i g n h t se l e c t r o m a g n e t i c p a r a m e t e r s ，p r o v i n gr e f e r e n c ep a r a m e t e r sf o rt h ep r a c t i c a ld e s i g na n dp r o d u c t i o no fh t s c a b l e b a s eo nt h ep r e v i o u sr e s e a r c ho fv t r i a lt h e o r e ma n dg e n e t i ca l g o r i t h mb yt h es c h o l a r s d o m e s - t i ca n d a b r o a d ，s o m ec o n c l u s i o n o fv i r i a lt h e o r e mc a nb eu s e dt o o p t l m i z e s m e s ( s u p e r c o n d u c t o rm a g n e t i ce n e r g ys y s t e m ) c o i l s ；g e n e t i ca l g o r i t h mt o o l b o xo f m a t l a bw a sp r o g r a m m e dt oo p t i m i z et h eh t s m a g n e t i cs h a p e a n dt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s s o f t w a r ea n s y sw a su s e dt o a n a l y z e t h e m a g n e t i c f i e l dd i s t r i b u t i o no f 华中科技大学硕士学位论文 s u p e r c o n d u c t o rs o l e n o i dc o i la n ds u p e r c o n d u c t o rt r a n s f o r m e r , t h ev i s u a lf i g u r ei n t e r f a c e a n dc o m m a n ds t r e a mw e r eg e n e r a t e df o rc o n v e n i e n c e ，s 0a n s y sb e c o m e sa l l i m p o r t a n t a n de f f e c t i v ea i da n a l y s i st o o li n e n g i n e e r i n ge l e c t r o m a g n e t i cf i e l d k e y w o r d s ：h i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r h e l i c a lc o i l m a g n e t i c f i e l da n a l y s i s c u r r e n td i s t r i b u t i o n i - i t sc a b l e d e s i g n v i f i a lt h e o r e m g e n e t i ca l g o r i t h m e e c t r o m a g n e t i co p t i m i z a t i o n 一一一 i i | i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：菇训江 2 0 0 斗年5 月j o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密回。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：端切f 工 j o d 恽5 月1 0 日 指导教师签名夕势唾互 知妒年1 - 月，矿日 华中科技大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ j _ - 目_ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ - i _ _ i _ _ l _ _ - _ 1 1 引言 1 绪论 随着经济和社会的发展，人们对电能的需求量日益增长。我国电力系统的发展趋 势是电力系统的容量越来越大，电网向超大规模方向发展。然而，由于常规电力装置 和电力系统自身存在一些缺陷，严重地阻碍了电力系统的发展。新兴的超导电力技术， 不仅可以大大提高单机容量和电网的输送容量，大大降低电网的损耗，而且还可以明 显改善电能的质量，提高电力系统运行的稳定性和可靠性，降低电压等级，提高电网 的安全性，降低电网的占地面积和电网的造价及改造成本，并使超大规模电网的实现 成为可能超导输电系统能改善人类生存环境的质量：通过超导储能，可大大改善可再 生能源的电能质量，并使其与大电网有效地联结。因此， 美国能源部认为：超导电力技术将是2 l 世纪电力工业唯一的高技术储备 美国科技界认为：超导电力技术将是实现美国长期能源发展战略的最可靠选择 日本新能源开发机构认为：发展超导电力技术将是在2 1 世纪全球竞争中保持尖 端优势的关键所在 作为超导技术最重要的组成部分，超导电力技术将率先形成规模产业，并将带来 电力工业的革命，从而将大大推动整个超导技术的产业化。可以认为：超导电力技术 将是2 l 世纪具有经济战略意义的高新技术l i j 。 1 2 超导电力装置及其发展现状 1 2 1 超导电力装置 ( 1 ) 超导电机 超导电机一般分为绕组型超导电机和块材型超导电机。所谓绕组型超导电机是指 电机的定子绕组或转子绕组由超导线绕制的线圈组成，而块材型超导电机是指电机转 子由高温超导块材组成。由于超导电机采用了超导体，超导电机的运行电流密度和磁 通密度都大大地提高了。超导电机的基本结构和常规电机相似，主要由转子、定子组 成，只是还需要有相应的低温容器以使超导体处于超导态。与常规电机相比较，能够 承载更大的电流，产生更强的磁场，在输出功率相同的情况下，体积和重量减- j , n 常 规电机的l 5 。因此，对于功率在3 0 0 m v a 以上的大型电机，超导电机的优点更加突 出。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 超导储能 超导储能是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或 其它负载。超导储能装置一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系 统几个部件组成。其中超导线圈是超导储能装置的核心部件，它可以是一个螺旋管线 圈或是环形线圈。螺旋管线圈翻结构简单，但是周围杂散磁场较大；而环形线圈周围 散磁场较小，但是结构较为复杂。超导储能装置的工作原理是在电网运行负荷处于其 低谷时把多余的电能储存起来，而在电网运行处于用电高峰时，将储存的电能送回电 网。由于储能线圈由超导线绕制且维持在超导态，线圈中所储存的能量几乎可以无损 耗地永久储存下去直到需要释放时为止。超导储能装置不仅可用于调节电力系统的峰 谷，而且可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网的电压和频率特性， 同时还可用于无功和功率因素的调节以改善电力系统的稳定性。超导储能线圈产生的 磁场很强，储存的能量密度很高。与其他的储能方式相比，如：蓄电池储能、压缩空 气储能、抽水储能和飞轮储能，有许多明显优点。 ( 3 ) 超导变压器 超导变压器一般都采用与常规变压器一样的铁芯结构，仅高、低压绕组采用超导 绕组。超导绕组置于非金属低温容器中，以减少涡流损耗。变压器铁芯一般仍处在室 温条件下。超导变压器的优点是体积小、重量轻、效率高、同时由于采用高阻值的基 底材料，因此具有一定的限制故障电流作用。一般而言，超导变压器的重量( 铁芯和导 线1 仅为常规变压器的4 0 甚至更小，特别是当变压器的容量超过3 0 0 m v a 时，这种 优越性将更为明显。 “) 超导故障限流器 超导故障限流器( s f c l ) 是利用超导体的超导正常态转变特性，快速而有效地限制 电力系统故障短路电流的一种电力设备。s f c l 集检测、触发和限流于一体，反应速 度快，正常运行损耗低，能自动复位，克服了常规熔断器只能使用一次的缺点。s f c l 的工作原理是短路电流超过超导体的临界电流，引起超导体失超，超导体从超导态转 变为正常态，限流器呈现很大阻抗，短路电流得以限制。它的限流时间可小于百微秒 级。超导限流器主要用于电力传输和配送系统，特别是在人口密度高、经济发展速度 快、对电能的需求较高的地区。 2 华中科技大学硕士学位论文 _ _ - l _ _ _ _ _ 日_ _ _ _ _ l _ _ - - _ _ _ l _ _ _ _ - l _ _ _ l l - - _ ( 5 ) 超导电缆 目前远程大容量电力输送一般采用架空铝裸线，大城市的输电一般采用地下电 缆，导体为铜线或铝线。使用这些传统的电线或电缆，电能在输送过程中要损失5 - 1 0 。 损耗主要来源于导线的电阻，而且与输送电流的平方成正比。也就是说，传输电流增 大时，电能的损失将急剧地增大。为了减少电能在输送过程中的损失，在长距离输电 时要尽量提高电压，如采用2 2 万伏或5 0 万伏超高压线路。超高压线路对输电塔的绝 缘瓷瓶和对空间使用有很苛刻的要求，尤其是对线路终端附件的材料和制作技术要求 更高，这些都大大地提高了超高压线路的建设成本。目前我国还不能生产超高压线路 终端附件，需要进口。进口的超高压线路终端附件十分昂贵。如果用高温超导电缆进 行输电，电压不用升高，超高压输电的技术难题就不复存在。超导电缆的交流阻抗仅 为常规电缆的十分之一，所以可以减少电网线损5 0 左右，带来很高的经济效益。另 外由于超导电缆交流阻抗小，可以采用相对较低的电压进行长距离输电。这样一来输 电线路的绝缘材料和终端附件的费用就可以降下来。从长远来讲，超导电缆的应用还 使长距离直流输电技术变得容易和经济。用于直流输电，超导电缆会使电网线损降低 7 0 以上，显示出更好的经济效益。由于超导电缆的传输电力的能力是传统常规电缆 的3 5 倍( 相同电缆总截面时) ，所以使用超导电缆还可以节约输电系统的占地面积和 空间，节省大量宝贵的土地资源，并保护了生态环境。 使用超导电缆降低了对超高压线路的依赖，可以减少用在超高压线路附件上的昂 贵费用。表1 1 是丹麦n k t 公司给出的以4 k m 长、4 5 0 m v a 传输容量、1 3 2 k v 电压 等级为例的超导电缆与常规铝电缆的一些基本参数和成本的比较【3 】： 表1 1 超导电缆与常规铝电缆的基本参数和成本的比较 电缆形式h t s 电缆x l p e - a l 电缆 导体截面积( r a m 2 ) 5 0 2 x 2 ，0 0 0 电缆外径( “n ) 1 1 62 x 1 0 7 电缆重量( k g m ) 8 52 1 2 4 等效电阻( m o c x m ) 1 11 2 电缆系统( 包括辅助设备和安装 9 6 89 3 7 成本) 估计成本( m u s d ) f i t s 电缆一高温超导电缆x l p e a l 电缆交联聚乙烯常规铝电缆 从上表可以看出，在几公里以上的线路建设中，超导电缆成本只比常规电缆略高 一些。考虑到超导电缆的节能、尺寸、重量、环保等方面的优势，发展超导电缆是有 巨大的经济意义的。 3 华中科技大学硕士学位论文 _ll l _ l _ _ _ l _ _ _ _ _ - l _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ - - l 1 2 2 超导电力装置的主要优越性比较 表1 2 超导电力装置的主要特点 4 】 超导装置主要特点 1 降低2 5 - 4 0 的制造成本 2 降低运行成本增加运行效率 发电机3 体积和重量减少4 5 4 单机容量增大，能够达到1 0 0 0 m v a 5 稳定性能提高 1 超导变压器不存在常规变压器中的焦耳热损耗，具有十分巨大的节能潜力 2 与相同容量的常规变压器相比，超导变压器的体积可以减少4 0 - 6 0 变压器 3 液氮代替变压器油，消除火灾隐患 4 超导变压器的内阻极小，能够增大电压的可调节范围 1 同一电压等级送电容量提高3 1 0 倍 2 同样容量，送电通道只需1 3 1 2 输电电缆 3 送电损耗减小2 3 4 通过地下送电不破坏环境景观，无电磁污染 1 限制过大短路电流，减轻断路器负担 2 抑制短路电流，减轻电力设备电磁热冲击要求，降低成本 限流器 3 增大电力系统的安全性和可靠性 4 提高系统的运行容量 1 2 3 高温超导装置的研究概况和发展趋势 超导电性的应用前景是令人神往的。超导特别是高温超导的广泛应用，其意义可 与电的发明相比拟。毫无疑问，超导将成为2 1 世纪技术革命的动力。从当前的研究 情况来看，超导技术的应用可分成三类：一是用超导材料作成磁性极强的超导磁体， 用于核聚变研究和制造大容量储能装置、高速加速器、超导发电机和超导列车，以解 决人类的能源和交通问题；二是用超导材料薄片制作约瑟夫逊器件，用于制造高速电 子计算机和灵敏度极高的电磁探测设备；三是用超导体产生的磁场来研究生物体内的 结构及用于对人的各种复杂疾病的治疗。超导所具有的优良电气性能为从根本上解决 电力系统中若干技术难题提供了一条崭新的途径，如提高电力系统稳定性，提高大容 4 华中科技大学硕士学位论文 目- _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - _ _ l _ - _ _ _ 量高密度送电能力，解决断路器开断容量不足，简化电网结构，降低电网损耗等，引 入超导技术可以在电力系统的经济性，技术特征等诸方面取得巨大的效益。 目前，世界范围内的实用高温超导材料制各技术取得了重大的进展， b i 系统高 温超导带材已经实现批量化生产，第二代高温超导带材( y b c o 涂层导体) 也取得了重 要的进展。与此同时，超导电力技术的研究开发也进展迅速。超导储能系统已经有产 品出售；高温超导限流器、高温超导电缆、高温超导变压器和高温超导电机都相继进 入示范试验运行阶段。我国电力工业发展迅速，电网规模日益扩大，对电能质量、供 电可靠性和安全性提出了更高的要求，超导电力技术符合我国电力工业发展的需要。 近期内，结合电力电子技术和超导技术的优势，超导限流器和超导储能技术将首先实 现产业化。但是，超导电力技术能否走向大规模应用还有赖于在以下两个方面取得突 破：一是制备低成本、低损耗、机械性能良好的高温超导线材：二是提高低温系统和 制冷系统的长期运行可靠性，降低其造价和维护运行费用。 1 3 超导电力装置的电磁特性 超导电力装置是由超导带材绕制而成，其主体是超导线圈，从外部的几何形状看， 线圈有许多种，例如圆形线圈、阴阳线圈、环式线圈、鞍形线圈等。超导轴对称线圈 是基本的线圈结构，在超导电工技术中有着广泛的应用，它具有许多优点：易于制作， 绕线作业和支撑磁场力比较容易；和其它类型线圈相比，每单位体积绕线所产生的磁 场最大；通过若干线圈的组合可以获得高均匀磁场或沿空间某一方向梯度均匀的磁 场。 表1 3 几种轴对称线圈嘲 名称用途 基础物理学，高梯度磁分离 空心圆柱线圈 电力能量存储 高能物理学，同位素分离 长线圈 核聚变炉 外凹线圈 高均匀度磁场电磁 内凹线圈 计量m r j ，电子望远镜 分裂线圈磁光学，核聚变 会切线圈核聚变 5 华中科技大学硕士学位论文 随着高温超导材料的不断发现，临界电流不断提高，相信随着科学技术的不断 发展，液氮温区的实用超导材料的出现必将使得轴对称线圈的应用更加广泛。但实际 的超导轴对称线圈，都是用超导线材一匝一匝地绕制而成，所以每匝均有螺旋性；由 于超导线材外有绝缘层，因此不论采用方形线材还是圆形线材，线圈的电流密度都不 是均匀分布的。在分析超导轴对称线圈的磁场时，如果把螺旋性和不均匀性考虑在内， 磁场的计算将是极其复杂的。但是，超导电力装置的工程应用，出现以超导螺旋线圈 为主体的电力装置，如高温超导变压器的螺旋绕组结构，高温超导电力电缆分层的螺 旋结构，此时必须分析一般螺旋线圈结构的磁场，而且必须考虑超导材料特性的制约， 这将在超导电力装置的电磁参数设计中具有重要的意义。 具体地说，高温超导带材的临界电流和外部磁场有各向异性的特点，其临界电流 在外加磁场影响下会有一定程度的降低，高温超导带材绕制的超导电力装置如超导变 压器，装鼍绕组的载流能力必然受到绕组内部漏磁场的影响而产生衰减。因此，高温 超导带材的载流能力对高温超导电力装置的设计、经济性能和运行稳定性有着极其重 要的作用。研究超导电力装置的电磁特性必然以高温超导带材临界电流和磁场的各向 异性为基础，分析高温超导电力装置的磁场分布，是高温超导电力装置的电磁特性分 析和设计的基本内容。 有时，超导电力装置的设计需要满足强磁场和高均匀度的要求。在超导磁体应用 中，如何设计磁体形状能产生高强度的磁场和一定半径范围内的磁场均匀度，以及如 何确定最大磁场位置，这些电磁问题非常重要。因为超导线圈的设计，需要确定线圈 的电流密度，而电流密度受超导带材j b 特性制约，超导线材的临界电流密度取决 于线圈所处的最大磁感应强度b 。，以及最大磁感应强度b 。的位置，这对于超导线圈的 稳定运行十分重要。如果超导磁储能系统s m e s 线圈的最大磁场值较高，不仅会带来 磁场力的问题，而且对超导材料的电磁特性提出更高的要求，此时可以减小端部的安 匝数来降低最大磁场。均匀磁场线圈的具体应用有核磁共振( m r i ) ，它要求磁场在 某空间范围内是均匀的，均匀度大约在1 0 3 1 0 “o 之间，均匀磁场也要求具有一定的 磁感应强度和空间范围。高均匀磁场线圈不仅可以产生巨大的经济效益，而且对于探 索物质世界的奥秘也有重要的研究价值。 超导电力装置的电磁优化是超导电力装置设计重要和最具诱惑力的内容。超导线 圈的优化对象是线圈的体积。因为一方面超导材料昂贵，另一方面线圈致冷时所损耗 的电源功率与线圈体积成正比，所以减小超导线圈的体积具有重要的经济意义。 可以肯定t 研究高温超导电力装置的电磁特性和优化是高温超导电力应用的重要 一。 _ 6 华中科技大学硕士学位论文 课题和基础研究内容之一。 1 4 高温超导线材的电磁应用 高温超导材料应用研究进展情况参见表1 4 。可见，国外高温超导材料的应用研 究已经取得重大进展，尤其是以美国为首的发达国家。在高温超导电机，高温超导磁 体，高温超导电缆等领域取得重大突破，部分成果己应用于军事领域。我国高温超导 材料应用研究水平与国际先进水平之间存在一定差距，但也取得一定的成果。如北京 英纳超导技术有限公司是我国首家以研发、生产和销售高温超导线材及相关应用产品 为主的高科技公司，拥有世界一流的铋系高温超导线材生产技术，在高温超导线材的 机加工、热处理及线材超导电性保护等关键工艺上居世界领先水平。北京英纳超导技 术有限公司建成了国内第一条高温超导线材生产线，年生产能力2 0 0 公里，所生产的 线材综合技术水平居世界前列，使我国成为世界上少数几个能够进行高温超导线材大 规模工业化生产的国家之一，为高温超导应用项目的研发提供了关键的原材料保证， 为我国发展独立自主的高温超导产业奠定了坚实的基础。 表1 4 高温超导材料应用研究进展情况【5 】【6 】 应用领域研究单位研究进展 1 9 9 5 年，完成b s c c o 高温超导单极电机的研制。 在4 2 k 温度下运转功率达到1 2 4 k w ，2 8 k 下运 转功率为9 1 k w 。目前利用b s c c o - 2 2 2 3 和2 2 1 2 美国海军水面舰船中心 导线组成新磁体继续实验。美国海军经过论证计 高温超导电机算后认为高温超导电机与同功率，转速的常规交 美国海军实验室 流或直流电机相比，重量减少8 0 。体积减少 6 5 超导电机具有更高的效率。美国高温超导 电机研究的应用背景是新一代驱逐舰，航母和潜 艇。 7 华中科技大学硕士学位论文 1 9 9 6 年2 月己开发出1 5 0 k w 高温超导同步电动 机，2 7 k 下输出功率达到9 3 k w ，转速1 8 0 0 转 分钟，该电机线圈用b s c o o 2 2 2 3 导线绕成，2 7 k 美国诚信电气公司 下j c = 7 5 0 a c m 2 。1 9 9 6 年8 月又开发出3 7 m w 美国超导公司 高温超导电机效率超过9 8 ，比常规感应电机 效率提高2 。在7 7 k 下运行实验表明，制冷损 耗对效率的影响仅为0 1 。 1 9 9 6 年。使用总长6 5 0 0 m 的b s c c o 2 2 1 2 线材 ( j c = 1 2 k a c m 2 ) 绕制了内径1 2 3 8 m m ，外径 3 0 4 m m ，长度3 9 3 m m ，间隙2 5 4 m m 的高温超 美国海军实验室 导磁体，该磁体设计使用温度1 0 - 2 5 k ，中心磁场 达3 8 t 计划用于海军9 4 g h z 旋转调速高能雷 达系统。 采用层绕技术制作了4 3 2 2 2 9 的超导电机转子 线圈，共计使用b s c c o - 2 2 2 3 线材2 4 0 0 米，已 美国通用电气公司在2 0 k 温度下成功进行了静态实验。该线圈还将 高温超导磁体计划在3 6 0 0 转分钟的旋转台架上进行1 5 兆伏 安试验。 1 9 9 4 年研制了机构制冷机冷却的高温超导磁体， 美国超导公司4 2 k 温度下产生3 4 t 磁场，2 7 k 下场强为2 1 6 t 。 7 7 k 下场强为0 6 t 。 使用3 根1 0 主b s c c o 带材绕成匝数为5 7 匝的 扁平线圈，作为试验磁体在7 7 k 下i c _ 2 2 a ，场 强3 3 0 g ：4 2 k 下i , = 2 8 0 a ，场强为4 2 0 0 g ，该 美国通用内磁公司 公司最近又使用总长达2 4 0 0 m 的超导带材，绕成 2 0 个扁平线圈并叠成磁体，场强分别达到 3 2 t ( 4 2 ，o d 和1 t ( 4 2 k ，o t ) 8 华中科技大学硕士学位论文 使用6 l 芯b s c c o - 2 2 2 3 带材制各内径8 0 r a m ， 外径2 9 2 m m 的高温超导磁体，磁体总匝数为 6 5 0 3 匝，2 0 k 下产生7 t 磁场，刨造了高温超导 日本住友电工磁体的最高记录；住友公司还将b s c o o 2 2 2 3 高 温超导磁体插入由低温超导材料n b t i 和n b 3 s n 组成的组合磁体中，4 2 k 下产生2 4 t 磁场，可 满足i g h z 核磁共振磁体的要求。 利用y b c o 约瑟夫森结制各了高温超导量子干 涉器，其灵敏度达1 0 4 2 t 计划用于海军超导磁 美国海军实验室 性梯度测试仪的研制，可用于水下固定目标( 水 雷) 及移动目标( 潜艇) 的探测，其优点是体积 i b m 公司 小，灵敏度高，使用周期长，易于维护，非常适 洛克希德马丁公司 合舰队远洋作战需求。超导量子干涉仪还可广泛 用于心脏及大脑的电磁波测试，探矿，飞机和核 反应堆容器的无损检测等场合。 1 9 9 6 年在。高级全球研究观察卫星”( a g p o s ) 上进行了大规模的高温超导空间实验，以高温超 高湿超导器件美国海军实验室 导约瑟夫森结为主要器件研制了微波信号分离 器。低噪声变频器和接受器，模拟一数字信号转 美国宇航局 美国国防部先进研究 换器等一系列电子设备，空间轨道运行实验表明 高温超导器件比传统器件具有更高的效率，与半 计划局 导体旗舰具有良好的兼容性，并且非常适合空间 环境。本实验将对未来空间通讯及侦察系统的发 展产生重大影响。 8 0 年代末期用y b c o 高温超导材料制成了世界 第一台液氮冷却的偶极天线，5 5 0 兆赫兹频率辐 英国海军 射时，天线增益相当于铜线天线的1 6 倍，灵敏 度提高了1 0 倍，作为发射机使用时发射距离比 普通发射机远 o 倍。 9 华中科技大学硕士学位论文 美国能源部1 9 9 6 年用5 0 0 0 米长b i 2 2 2 3 带材绕成5 0 m 高温 美国超导公司超导电缆，7 7 k 下导体j o = 1 8 0 a c m 2 ，目前正在 意大利皮雷利电缆公司继续进行交流容量。交流损耗等参数测试工作。 日本电力公司 目前已联合完成5 0 米长，3 k a 高温超导电缆研 日本住友公司 制及测试工作，计划进一步开展传输容量达1 5 - l 高温超导电缆 干兆瓦高温超导电缆，并最终取代现有电缆实现 日本古河电工 向东京供电。 洛斯阿拉莫斯实验室1 9 9 8 年利用b s c c o - 2 2 2 3 研制研究了 美国洛克希德马丁公司1 5 k w l 6 k a 桥路型高温超导故障限流器，正在 高温超导故障限 美国超导公司进行6 9 k v a 样机研究工作。 流器德国西门子公司利用y c b o 研制成功1 0 0 k v a 电阻型高温超导故 加拿大h g d r o障限流器，正在研制i o m v a 故障限流器，并计 q u e b e c 划于2 0 0 1 年进行电网试验。 利用b s c c o 隹造了5 0 0 k v a 单相高温超导变压 高温超导日本富士电气公司器，已完成7 7 k 温度下3 0 分钟无载荷试验。并 变压器日本九州大学 进行了2 5 小时短路实验，该变压器可同时满足 1 5 0 个家庭的用电需求。 中科院电工所用b d c c o - 2 2 2 3 带材制成1 米电缆，液氮温区实 西北有色金属研究院验表明j 。= 1 1 8 0 a c m 2 ，、目前正在进行6 米长 北京有色金属研究总院2 0 0 0 a 高温超导电缆试验工作。 1 5 论文的主要内容 本课题来源于国家高技术研究发展计划资助项 j ( 2 0 0 2 aa 3 0 6 1 5 4 ) 和教育科研基 金资助项目。 论文的基本思路是首先介绍了高温超导材料和高温超导电力装置的应用和发展 情况，对其技术经济优越性进行比较，展望了高温超导装置的发展前景：针对电磁特 性在高温超导装置研究的重要性，建立了有着特殊应用的螺旋结构线圈的数学模型， 详细推导了螺旋结构电流导体的磁场解析式，将这种螺旋模型应用于高温超导电缆的 多层螺旋超导体的磁场分析，提出电流分布的等值电路模型，进一步提出螺旋节距调 整技术用于高温超导电缆电磁参数设计；运用维里定律和遗传算法对高温超导线圈进 行优化设计，最后，运用有限元软件a n s y s 分析高温超导磁储能线圈和高温超导变压 器线圈的电磁特性。 _ 一一 1 0 华中科技大学硕士学位论文 ll l _ _ _ l i _ _ ll i _ l _ _ _ _ l _ _ _ l _ _ l _ _ - _ - _ _ l l _ - _ _ - l _ _ _ - 2 螺旋电流线圈的数学模型 2 1 电磁场分析基础 电磁场麦克斯韦方程组：例 v x 耳氯警= 万+ 玎万+ 詈a f 6“ a f v 。吾：一塑 夙 v 否：0 可面= p 式中：v 为旋度算子；v 为散度算子；再为磁场强度矢量；了为总的电流密度矢量： z 为外施激励电流密度矢量；z 为感应涡流密度矢量：万为速度电流密度矢量；五 为电位移矢量；否为电场强度矢量：百为磁感应强度矢量；p 为体电荷密度。 2 1 1 电磁场问题求解 一般地说，电磁场问题就是求解麦克斯韦方程问题。通常有两种方法1 8 l ：一是从麦 克斯韦方程直接求解的直接法；= 是通过位函数求解的间接法。二者都归结为求解一 个齐次或非齐次的矢量或标量的波动方程问题，即为二阶线性偏微分方程，其解可能 有无穷多个，必须根据边界条件确定所要求的解，即边界值问题。超导电流导体的磁 场问题是边界值问题，归纳起来有三大类求解方法：解析法，数值法，半解析数值解 法。 ( 1 ) 解析法 解析法包括严格建立和求解偏微分方程或积分方程，严格求解偏微分方程的经典 方法是分离变量法，严格求解积分方程的方法是变换数学法。解析法的优点是： ( 1 ) 可将解答表示为已知函数的显式，从而可计算出精确的数值结果： ( 2 ) 可以作为近似解或数值解的检验标准； ( 3 ) 在解析过程中和在解的显式中可以观察到问题的内在联系和各参数对数字结 果所起的作用 华中科技大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ 一i i i i _ - 但是，在实际问题中，只有少数问题可以得到偏微分方程或积分方程等数理方程 的严格解。近似解析法主要有逐步逼近法，微扰法，变分法和迭代变分法，近似法也 是一种解析法，其所得的结果一般都表示为级数解。 ( 2 ) 数值法 数值法的出现，使电磁场问题的分析研究，从解析的经典方法进入到离散系统的 数值分析方法，从而使许多用解析法难以解决的复杂电磁场问题，能通过电磁场的计 算机辅助分析获得高精度的离散解( 数值解) ，极大促进各种电磁场数值计算方法的发 展。电磁场数值分析，即计算机辅助分析，成为电磁场理论中的重要部分。 数值方法应用于电磁场领域的短短2 0 多年里，特别是随着大型计算机的出现， 工程电磁场问题的理论研究和分析方法，取得前所未有的突破性进展和获得大量有实 用价值的结果。 ( 3 ) 半解析数值法 半解析数值方法研究解析与数值结合方法的数学基础与基本原理；研究如何选取 所应用的解析解与解析函数，如何与离散化过程相结合，建立适合计算的运算格式： 对复杂工程与学术问题的分析计算，达到分析简便，节省资源，计算快速，结果准确 的效果。半解析数值方法的发展迅速，类型众多，主要有分维、分部、分区半解析数 值法。半解析数值方法，由于引入了解析的方法与成果，是数值计算工作量显著降低， 适合微机计算，可收到显著经济效益；同时又保留纯数值方法的灵活性与通用性，易 为工程人员掌握。 2 1 2 计算电磁学 现代科学研究的基本模式是“科学实验、理论分析、高性能计算”三位一体。目 前国际高科技竞争日益激烈，高性能计算技术引进成为体现一个国家经济、科学和国 防实力的重要标志，成为解决挑战性问题的一个根本途径。在电磁场与微波技术学科 中，以电磁场理论为基础，以高性能计算技术为手段，运用计算数学提供的各种方法， 诞生了一门解决复杂电磁场理论和工程问题的应用学科一计算电磁学沁o m p u t a t i o n a l e l e c t r o m a g n e t i c ) t g ，它是- - i 新兴的边缘交叉科学。计算电磁学对电磁场理论发展的 影响决不仅仅是提供一个计算工具，而是使整个电磁场理论的发展产生了革命性的变 化。 计算电磁学研究的的第一步是对电磁问题进行分析，建立相应的电磁、数学模型， 其次是算法的误差。计算电磁学更多的考虑是算法和计算结果的物理意义，而计算数 _ _ _ - _ _ _ _ _ 一 1 2 华中科技大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ - - _ _ l _ - l - - - l _ _ _ _ - _ - l l l _ _ 学关注算法的逼近阶、计算精度、收敛性和稳定性；计算电磁学寻求电磁规律、解决 电磁问题，利用某些直观的电磁现象，加上逻辑推理、判断和实验，不拘泥于数学上 经严格证明的计算方法；电磁学在分析整理大量数据的基础上，得出的物理结论以某 种解析形式的近似解来表达。 在对复杂系统的电磁特性进行严格的电磁仿真基础上，对复杂系统建立起面向 c a d 的快速准确模型，实现具有一定人工智能的电磁场工程专家系统，是计算电磁 学研究和发展必经的三部曲。 ( a ) 复杂系统的电磁特性仿真 作为信息高速公路建设重要基础之一的超高速集成电路，其一项关键技术是封装 和互连设计，准确地进行互连封装结构的电磁特性分析和设计，是保证超高速集成电 路制作成功必不可少的工作。应用计算电磁学的理论与方法，建立各种复杂互连封装 结构电磁特性的理论模型，通过严格的电磁仿真分析。预测超高速窄脉冲信号在复杂 互连封装系统中的传输结果，探索新型的高密度且弱互耦干扰、小时延、低损耗、弱 色散的互连封装结构，可为超高速集成电路的高密度封装、高可靠互连提供理论依据 和设计数据。推而广之，计算电磁学亦可应用于超导电力系统的电磁特性分析，建立 超导电力系统和传统电力系统相互作用的理论模型，研究超导电力设备或装置的电磁 特性，通过严格的数值仿真分析，为超导装置的设计与优化提供可靠的理论依据和数 据。 ( b ) 面向c a d 的复杂系统电磁特性建模 现代电磁场工程设计，尤其是复杂系统的电磁场工程设计，大多通过计算机辅助 设计( c a d ) 进行，这一设计过程往往是一个优化过程。大多数优化过程是基于迭代技 术的，在优化过程中，一个目标函数将大量重复地被在线计算，直到最后获得一个最 佳值。收敛所器的在线计算时间强烈地依赖于每一次目标函数计算所需的时间，即依 赖于c a d 模型的计算效率和运行时间。因此，面向c a d 优化过程的电磁建模是一项 非常重要的工作。 要准确地模拟所要解决的电磁问题，必须采取基于全波分析的电磁仿真技术。随 着计算机软硬件技术的迅猛发展，以及计算电磁学理论和技术的进步，已有部分电磁 仿真分析商业软件或模块面世，比如a n s y s ，m a r c ，这些软件基于f d t d 、f e m 等全 波分析技术，普适性强，计算精度高，但需占用大量的计算机硬件资源，计算量庞大。 _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ - _ 。_ _ _ _ _ _ - - - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - - - _ - _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ - _ - - _ _ _ - - _ _ - 一 1 3 华中科技大学硕士学位论文 从数学上看，一个c a d 模型就是一种映射关系，：y = f ( x ) ，其中，y 是目标函数 矢量，x 是输入矢量。通常，工和r 之间的函数关系是高度非线性的，难以用简单函 数直接给出。而神经网络模型却能有效准确的描述这种映射关系，并且计算方便快速， 非常适合于面向c a d 优化过程的复杂系统电磁特性建模。 ( ) 电磁工程专家系统 在电