2.5 MJ单螺管型超导储能磁体的主动屏蔽研究

杨 徉, 罗映红, 蒋宝灿, 王晶晶, 魏 蔚

(1.兰州交通大学 自动化与电气工程学院 甘肃 兰州 730070；2.中国电信股份有限公司 甘肃分公司 甘肃 兰州 730000)



2.5 MJ单螺管型超导储能磁体的主动屏蔽研究

杨 徉1, 罗映红1, 蒋宝灿2, 王晶晶1, 魏 蔚1

(1.兰州交通大学 自动化与电气工程学院 甘肃 兰州 730070；2.中国电信股份有限公司 甘肃分公司 甘肃 兰州 730000)

单螺管型超导储能磁体周围的杂散磁场随着其储能量的增加而急剧增长.对杂散磁场进行屏蔽是保护外围仪器设备和工作人员人身安全的必要手段.对储能量为2.5 MJ的单螺管磁体的杂散磁场进行了仿真分析与主动屏蔽.分析了同轴串联式与单圈嵌套式屏蔽方式的磁体结构、屏蔽原理和屏蔽效果，并从线材用量、安全距离以及屏蔽效果等方面进行了对比分析.

储能磁体； 主动屏蔽； 同轴串联； 单圈嵌套

0 引言

近年来，随着高温超导带材的开发成功，高温超导磁体开始出现在实际应用中.国内在高温超导储能方面的重大科研项目已经启动[1].中国科学院电工研究所已经设计研究了1 MJ高温超导储能磁体并进行了对比优化[2].文[3]设计制造了35 kJ直接冷却高温超导磁储能系统，并对其进行了磁体通流能力测试及系统动模试验.然而，要使超导磁储能系统在电力系统中得到更加广泛的应用，就需要研制储能量更高的磁体，磁体周围的漏磁场就会随之增大[4].因此，要扩大超导储能系统的应用场合，减少其应用范围的限制，就要对较高储能量的磁体进行主动屏蔽.

常见的主动屏蔽方式有同轴串联式屏蔽与单圈同轴嵌套式屏蔽[4].本文将从屏蔽效果、材料用量、安全距离等方面对这2种屏蔽方式进行对比分析.

1 磁体材料与磁体参数

2.5 MJ高温超导储能磁体采用Bi-2223/Ag带材，工作温度为20 K[5].储能磁体为薄壁单螺管结构，内径为300 mm，外径为383.5 mm，高度为528 mm，由48个双饼组成.单饼厚度为4.5 mm，单饼间用聚酰亚胺绝缘，双饼间用铝铜线隔开.使用导线总长27.9 km，设计储能量为2.5 MJ，工作电流320 A.单螺管磁体的储能量公式为E=LI2/2,其中E为储能量，L为磁体的电感(自感)，I为磁体正常工作时的电流.

经过计算，可得单螺管导体的具体结构与特性参数如下：储能量为2.5 MJ，工作电流为320 A,电流密度为1.196×108A·m-2，双饼数为48，匝数114，匝流密度为373 914.898 m-2，电感为49.414 H.

2 漏磁场分析

利用ANSYS有限元分析软件对2.5 MJ高温超导储能磁体进行漏磁场分析，可得到其周围的磁场分布.由于磁体的几何形状与周围磁场均为轴对称分布，故可以采用轴对称分析方式.单螺管储能磁体周围的磁场分布如图1所示.

从ANSYS仿真得出的磁场分布结果中可以看出，储能量为2.5 MJ的高温超导储能磁体在2 m的最大距离上的杂散磁场约为23.2 G，远远大于限定值5 G.所以，为了保证周边设备的安全运行和工作人员的人身安全，需要对该磁体周围的漏磁场进行主动屏蔽.

3 漏磁场屏蔽

3.1 同轴串联式屏蔽

同轴串联式屏蔽是指在储能磁体的两端各串联一个屏蔽线圈，屏蔽线圈的内、外径均与储能线圈相同，高度为储能线圈的一半，加载与储能线圈相反的电流，在外围产生方向相反的磁场，从而达到屏蔽储能磁体的杂散磁场的目的.

屏蔽线圈双饼数各为24个，加载与主线圈数值相等方向相反的电流密度,得出屏蔽后的杂散磁场如图2所示.

从图中可以看出，对单螺管线圈进行屏蔽以后，线圈向外2m处的磁感应强度下降到3.5G，满足了安全性方面的要求.然而，由于在两边串联了磁体，材料的用量与磁体的总高度都有所增加.

图1 单螺管储能磁体周围的磁场分布

图2 同轴串联式屏蔽的漏磁场分布

图3 单圈嵌套式屏蔽的漏磁场分布

3.2 单圈同轴嵌套式屏蔽

单圈同轴嵌套式屏蔽是指在储能磁体的外部嵌套一个屏蔽线圈，加载与储能线圈相反的电流，产生方向相反的磁场，从而达到屏蔽储能磁体的杂散磁场的目的.

根据多螺管储能量计算公式、磁矩平衡原理以及同轴线圈间的互感计算公式，可以计算出屏蔽线圈的尺寸和线圈中加载的电流密度[6].在ANSYS中建立模型并进行仿真，得到单圈同轴嵌套式屏蔽的屏蔽效果如图3所示.

从图3中可以看出，在磁体外圈采用薄壁线圈进行屏蔽后，2 m处的磁感应强度减小到1.5 G，符合了安全性要求，且屏蔽效果优于同轴串联式屏蔽.但是，对磁体进行单圈嵌套式屏蔽存在2个问题:首先，由于外围螺线管加载了与储能磁体相反的电流密度，储能磁体的中心磁感应强度略有下降，此时应适当增加单饼线圈加载的电流密度，以维持原有储能量；其次，由于在外部放置了屏蔽线圈，材料的使用量随之增大，同时储能磁体的径向安全距离也会相应增大.

3.3 对比分析

从以上的分析中可以得出同轴串联式与单圈嵌套式屏蔽的屏蔽效果.如果将材料的用量以及径向安全距离都进行考虑的话，得出两者的各项数值对比如表1所示.

表1 两种屏蔽方式各项指标对比Tab.1 Contradistinction of two different shielding methods

可以看出，从材料用量上来讲，同轴串联式屏蔽与单圈嵌套式屏蔽的材料用量基本相等.从径向安全距离来看，由于同轴串联式屏蔽是在储能磁体上下两端加屏蔽磁体，则水平方向上的安全距离没有增加.而单圈嵌套式屏蔽的屏蔽磁体分布在外围，故径向安全距离相对较大.从屏蔽效果来讲，在没有加屏蔽磁体之前，主磁体外2 m处的杂散磁场磁感应强度达到21.4 G.屏蔽之后，2 m处的杂散磁场磁感应强度均降到安全范围以内.单圈嵌套式屏蔽的屏蔽效果优于同轴串联式屏蔽.

[1] 罗平,姚立海.35 kJ高温超导储能磁体的优化设计[J].低温与超导,2007,34(3):186-189.

[2] 杜晓纪,肖立业.1 MJ高温超导储能磁体的设计方案研究[J].低温物理学报,2005,27(5):1058-1062.

[3] 石晶,唐跃进.35 kJ/7 kW直接冷却高温超导磁储能系统[J].电力系统自动化,2006,30(21):99-106.

[4] 施斌,余运佳.超导储能系统的磁屏蔽[J].电工电能新技术,1999,4(1):31-36.

[5] 杨明珊,谭凤杰,李志忠,等.电磁场与电磁波实验仿真系统[J].郑州大学学报:理学版,2013,45(2):64-67.

[6] 吴素文.空心圆柱线圈的电感计算[D].郑州:郑州大学,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.

[9] Horiuchi Y,Yamasaki Y, Ezaki T,et al .Solenoid type shielding coil systems for a small scale SMES[J].IEEE Transaction on Applied Superconductivity,2011,18(2):709-712.

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

杨徉(1989-)，女，山西晋中人，硕士研究生，主要从事超导储能磁体电磁屏蔽研究，E-mail:yyxnjtdx@163.com.

TM153+.1

A

1671-6841(2015)01-0112-03

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.01.024