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1、超导电力基础,2012年10月 - 12月,唐 跃 进、任丽、石晶邮箱：,课堂作业的回复与述评,出勤情况,通报各班未露面的人数,课堂作业的回复与述评,课外作业情况,表扬：洪松潮、陈宇轩查资料丰富，用自己的话叙述，图形标注清晰，工作量大，态度认真,批评：、态度敷衍，如：仅写“四引线法”无参考文献格式不规范大量拷贝文字、抄袭,课堂作业的回复与述评,建议,一、先写名字再写作业正文，请记下下列格式作业题目姓名 学号 班级作业正文、二、按班级交作业三、写清清楚班级四、不要交本子，统一交纸,4.4 交流损耗,4.3 磁通运动,4.1 引言,4.2 磁通流阻和磁通钉扎,4.5 超导稳定性,四、从物理走向应用
2、的电磁问题,4.6 超导导线,4.4 交流损耗,4.3 磁通运动,4.1 引言,4.2 磁通流阻和磁通钉扎,4.5 超导稳定性,四、从物理走向应用的电磁问题,4.6 超导导线,通过电流时，磁通量子在洛伦兹力的作用下 发生磁通运动，产生磁通流阻,复习,磁通流与磁通流阻,钉扎中心对磁通运动有阻力 钉扎效应,缺陷杂质,磁通线,洛伦兹力,电流,洛伦运动方向,钉扎力,时，磁通不运动,复习,磁通钉扎、钉扎效应、钉扎中心、钉扎力,有电流时的洛仑兹力,只有当 时磁通才会运动,有钉扎,无钉扎,复习,磁通钉扎增强了通流能力,扰动,磁通跳跃,温度上升,临界电流下降,磁场更易侵入,恶循环，磁通跳跃,扰动根源消失后，磁
3、通运动趋于停止,复习,有钉扎力仍会有磁通条约,温度扰乱导致的磁通跳跃,复习,不发生温升恶性循环磁通跳跃的条件：,磁场变化导致的磁通跳跃,复习,不发生温升恶性循环磁通跳跃的条件：,H,Bi-M,Hc2,M,Bi,Hc1,Hc,理想第II类超导体磁化可逆,非理想第II类超导体磁化不可逆,复习,磁通钉扎导致不可逆磁化,第II类超导体存在钉扎中心，为了增强通流能力，还会人为地制造钉扎中心。钉扎中心的存在导致磁化不可逆。这些对于超导应用会产生怎样的影响？,问题,4.4 交流损耗,磁滞损耗 耦合损耗 辅助材料中的涡流损耗,超导电力四、应用电磁问题,预备知识：磁滞损耗,铁磁材料的磁滞曲线,强磁性材料，如铁磁
4、材料具有磁滞曲线，这是由于磁化不可逆造成的,B,H,a,b,磁化过程中，从 a 到 b 需要做的功为：,一个周期的所需要的功就是磁滞回线所包围的面积,这部分功以热量的形式损耗,4.4 交流损耗1） 磁滞损耗,复习：临界模型,克服钉扎力的电流为临界电流,x,B,J,Be,Jc,x,磁通的空间分布服从,临界模型,实验证明,常数,，J为常数,，Fp为常数,临界模型磁通和电流分布,4.4 交流损耗1） 磁滞损耗,超导体的磁滞回线,磁场由小增大时,磁场由大减小时,Bi,H,磁滞特性曲线,4.4 交流损耗1） 磁滞损耗,(a) 在交变磁场下的磁滞损耗,He,He,He,屏蔽电流与侵入磁场按临界模型,磁场分
5、布为,磁场变化时感应电势,单位面积上的损耗,Jc,Jc,Jc,Jc,穿透场的概念,He,能使磁通侵入到导体中心的磁场强度称为穿透场强,Jc,Jc,Jc,Jc,Jc,Jc,Jc,Jc,Jc,-Hem,Hem,-Hem,2d,He,x,Hem,-Hem,He,x0,考虑单位面积上：,磁场从 变化到 时，磁场变化区域,4.4 交流损耗1） 磁滞损耗,一个周期的磁滞损耗为,损耗相等,4.4 交流损耗1） 磁滞损耗,-Hem,Hem,-Hem,4.4 交流损耗1） 磁滞损耗,2d,He,x,Hem,-Hem,He,x0,频率为 f 的交变磁场下，损耗为,h 为与导体形状相关的系数,4.4 交流损耗1）
6、磁滞损耗,频率为 f 的交变磁场下，损耗为,h 为与导体形状相关的系数,(b) 在频率为f的交流磁场下的磁滞损耗,(c) 传输交流电流时的自场产生的磁滞损耗,磁场分布及其变化,电流分布及其变化,每个周期的损耗,减小d是降低损耗的有力手段,磁场很低时，d 越小损耗越大磁场超过一定值后，d 越大损耗越大一般应用条件下均在d 越大损耗越大范围,4.4 交流损耗1） 磁滞损耗,减小d是降低磁滞损耗的有力手段因此，交流用线材采用 细丝化直径 在数m甚至0.1 m以下,4.4 交流损耗1） 磁滞损耗,抑制磁通跳跃的技术措施 减小几何尺寸抑制磁滞损耗的技术措施 采用极细丝,4.4 交流损耗1） 磁滞损耗,4
7、.4 交流损耗,磁滞损耗 耦合损耗 辅助材料中的涡流损耗,超导电力四、应用电磁问题,为降低超导导线的损耗，要求超导体的几何尺寸越小越好，极细丝。工程应用需要大的通流能力，极细的超导细丝显然不能满足要求。直接并合多根超导线还是一根超导线实用超导线需介入常导体并联超导细丝,背景：,问题：,超导细丝通过常导体并联后有什么新的问题？,4.4 交流损耗2） 耦合损耗,超导,超导细丝，其对于强电应用显然通流容量不够,需要并联！,超导,多根超导细丝直接并联，由于是超导体，其侧面相互接触和大尺寸的超导体没有差别！,需要用绝缘体、常导体将超导细丝隔离后并联,问题的提出,4.4 交流损耗2） 耦合损耗,防止磁通跳
8、跃 小尺寸降低磁滞损耗 小尺寸增加通流能力 并合多根超导,超导,常导,超导,复合导体，其又会带来什么利弊？,4.4 交流损耗2） 耦合损耗,根据以上磁通跳跃，磁滞损耗的分析，为了减少超导体中的损耗，提高稳定性，超导体的几何尺寸越小越好。这样，为了通过较大的电流，必须将根超导体并联使用。而且，并联时，超导体之间必须绝缘，或通过常导体予以隔离。,对于这种复合导体，其损耗情况又如何？,4.4 交流损耗2） 耦合损耗,在外部磁场的作用下，产生屏蔽电流，由于介入了常导体，屏蔽电流会衰减,He,2a,2a,w,L,J(x),超导,常导,超导,y,4.4 交流损耗2） 耦合损耗,He,2a,2a,w,L,J
9、(x),E(x),x,如果外部磁场是稳态磁场，常导部分的屏蔽电流完全衰减，只在超导体中存在屏蔽电流。,磁场印加初期,He,2a,2a,w,L,磁场稳定时,4.4 交流损耗2） 耦合损耗,He,2a,2a,w,L,耦合电流衰减的越快，损耗越小。,4.4 交流损耗2） 耦合损耗,He,2a,2a,w,L,J(x),超导,常导,超导,x,y,z,E(x),x,电流衰减的时间常数：,L越小越好常导电阻率越大越好,4.4 交流损耗2） 耦合损耗,通过绞合减少超导股线之间的电磁耦合距离,H,J(x),J(x),电磁耦合距离为一个节距,4.4 交流损耗2） 耦合损耗,磁体支撑用金属件,变压器类的铁芯,4.4
10、 交流损耗3） 辅部件中的涡流损耗,导线、线圈的常导部分,产生机理和常规的电气装置中的涡流没有差别。,4.4 交流损耗超导交流损耗小结,磁化不可逆,交变磁场下有磁滞损耗,细丝化可降低磁滞损耗,多股细丝并联,交变磁场下有耦合损耗,绞合可降低耦合损耗,4.4 交流损耗超导交流损耗小结,实际导线结构,教材解说所用的导线模型,实际应用中导线形状更复杂磁场的分布更复杂电流的变化更复杂,请想象一下变压器、电机绕组导线上的磁场分布吗？,超导体在交流环境下产生交流损耗。超导磁储能的磁体中是否存在交流损耗？,问题,I,电感储能的原理,磁场能 W = B2/2 = LI2/2,能量存储期间，直流电流，没有损耗。,
11、应用问题,超导磁储能在电力系统中的应用,电力系统,变压器,功率调节器,超导线圈,控制器,低温系统,保护系统,信号采集,作用：提供功率补偿提高系统稳定性（有功）提高电压稳定性（无功）补偿电压瞬变（有功无功）提供备用电源（有功无功）,应用问题,超导磁储能的工作电流,时间,电流,储能备用,补偿功率输出,吸收系统多余能量,补偿功率输出,补充储能,磁体支撑用金属件,结论：电流是变化的、从而磁场也是变化的 超导线中会产生交流损耗金属支撑部件中会产生涡流损耗,应用问题,4.5 超导稳定性,超导电力四、应用电磁问题,超导体因各种不同的原因在局部发热而形成常态区域,1、常态区域不断扩大2、常态区域不扩大或缩小,
12、不稳定（失超）,稳定,发热原因,内因,外因,连续的,脉冲的,其他,交变电磁场,超导稳定性的概念,四、应用电磁问题4.5 超导稳定性,N,Y,局部常导,发热 0 不稳定,Qr-Qt-Qd-Qv0 稳定,Qr：常导区域的发热量Qt：导体温度上升吸收的热量Qd：温度沿导体传播散失的热量Qv：冷却介质所吸收的热量,电流,四、应用电磁问题4.5 超导稳定性,稳定分析中的热平衡方程式,发热Qr,导热Qd,热传导,冷却热Qv,沿导体的传热（两方向）,导体的温升吸热,冷却介质吸热,焦耳发热,四、应用电磁问题4.5 超导稳定性,x,常导,超导,常导部分,超导部分,分别为断面积，导热率，比热，冷却面积，冷却传热系数,冷却介质的温度,方程的解呈现行波形式,四、应用电磁问题4.5 超导稳定性,冷却介质的冷却特性,核沸腾域,膜沸腾域,1K,冷却介质的冷却效果与冷却面的温度差相关,S：冷却面积,h：传热系数,液氦的传热系数和温差的关系,
