超导磁储能装置的高温超导磁体失超及检测技术研究

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高温超导磁储能(Superconductor Magnetic Energetic Storage,SMES)装置的稳定运行对其实际应用至关重要,高温超导(High Temperature Superconducting,HTS)磁体失超是威胁装置安全运行的首要因素。传统失超检测技术亟需解决的难点:一是HTS磁体局部失超时失超监测量的变化极小不易于监测;二是磁体失超电压受到电压扰动容易发生失超误判。因此,研制高效、可靠的HTS磁体失超检测系统,对保障SMES装置的安全稳定运行具有重要意义。本文采用理论模型和实验相结合的方式,展开了SMES装置的HTS磁体失超及检测技术研究,主要包含了以下几个内容:首先,建立了HTS带材的热扰动失超模型,研究了单热扰动与双热扰动下带材的失超电压、热点温度、失超传播速度(Normal Zone Propagation Velocity,NZPV)及最小失超能(Minimum Quench Energy,MQE)。结果表明,热扰动能量越大,带材的失超电压和热点温度变化越快;带材工作电流越大,NZPV越大MQE越小;热扰动数量对NZPV影响微弱。其次,搭建了基于HTS带材热扰动失超模型的实验平台,分析了单热扰动与双热扰动下带材的失超特性。实验结果与计算模型吻合,验证了热扰动失超模型的有效性,为HTS磁体的失超及检测技术研究奠定了基础。然后,展开了基于SMES装置等效模型的新型失超检测技术研究,选取了HTS磁体功率的高频分量与直流分量之比并设计了两个“与”失超判定逻辑,分析了HTS磁体运行状态下失超监测量的变化趋势。结果表明,失超后线圈功率的高频分量与直流分量之比增大了两个数量级,比未失超线圈高出了一个数量级,随着失超传播其监测量的变化越大,实现了失超线圈的准确定位,论证了新型失超检测设计的有效性。最后,结合新型失超检测技术,设计并搭建了可视化的HTS磁体失超监测系统,探究了基于热扰动失超实验平台的磁体NZPV,分析了监测系统的有效性。结果表明,磁体的轴向NZPV传播大于径向NZPV,监测系统具备了可视化、实时监测并触发保护的功能,为SMES装置的稳定运行提供了关键技术支撑。
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