具有高溫超導電樞的發(fā)電機的優(yōu)勢在于它們能輸送高電流,。由于高溫超導線圈存在于復雜的時變電磁環(huán)境中,，高溫超導電樞的交流損耗難以精確計算,。此外,，當高溫超導線圈發(fā)生短路故障過流時,，需要對這一過程進行電磁熱模擬研究，以確保高溫超導線圈不受損壞,。本文首先采用完全耦合的T-A公式模型計算高溫超導電樞的交流損耗,。然后，考慮超導包覆導體的固有特性,，模擬了發(fā)電機在發(fā)生最嚴重短路故障時的電流分布和溫度分布,。研究發(fā)現(xiàn)，臨界電流最低的匝在0.01 s后淬火,，但斷路器能迅速排除故障,，溫升不會損傷線圈。研究人員研究了銅穩(wěn)定劑厚度對高溫超導線圈在最嚴重短路故障時熱穩(wěn)定性的影響,。在發(fā)生短路故障時,，較厚的銅穩(wěn)定器可提高高溫超導線圈的熱穩(wěn)定性，但需要使用模擬模型來在工程電流密度和高溫超導磁帶的熱穩(wěn)定性之間進行權衡。

相關論文以題為“An Electromagnetic–Thermal Coupling Numerical Study of the Synchronous Generator with Second-Generation High-Temperature Superconducting Armatures”發(fā)表在《Applied Sciences》上,。

與傳統(tǒng)發(fā)電機相比,，第二代(2G)高溫超導(HTS)發(fā)電機具有更高的功率密度，因此很有前景,。對于同步發(fā)電機的應用,，放置在定子的高溫超導線圈在靜態(tài)冷卻方面具有優(yōu)勢，但高溫超導線圈將遭受交流損耗,，因為它們處于交變磁場和電流之下,。

許多研究小組對孤立高溫超導線圈的交流損耗進行了研究。為了計算實際發(fā)電機環(huán)境下高溫超導線圈的交流損耗,，提出了一個由機器模型和交流損耗模型組成的兩階段隔離模型,。T-A公式模型可以將發(fā)電機的a公式模型與高溫超導線圈模型完全耦合。由于自由度的減小,，T-A模型的效率高于h模型,。此外，由于旋轉發(fā)電機通常采用a -配方進行模擬,，因此T-A配方模型可以直接實現(xiàn)發(fā)電機電磁環(huán)境下高溫超導線圈的全耦合模擬,。

短路故障發(fā)生時，高溫超導線圈表面的磁場和線圈內(nèi)流動的電流會發(fā)生劇烈變化,，造成較大的交流損耗,。當電流超過線圈的臨界電流時，歐姆損耗也會發(fā)生,。如果制冷機的冷卻能力不足以立即排除熱量，則高溫超導線圈可能會永久損壞,。為了解短路故障是否會對高溫超導線圈造成永久性損傷,，進行電磁熱耦合仿真具有重要意義。應該考慮的是,，磁場,、電流和溫度等因素都會對高溫超導材料產(chǎn)生影響。

到目前為止,，一些高溫超導發(fā)電機短路故障的數(shù)值模擬已經(jīng)完成,。然而，考慮到臨界電流密度與溫度和磁場的依賴關系,，這些模擬都沒有實現(xiàn)完全耦合模擬,。本文的主要創(chuàng)新點是對帶2G高溫超導電樞的同步發(fā)電機進行了電磁-熱耦合數(shù)值研究。此外,，還將研究在最嚴重短路故障時,，銅穩(wěn)定器厚度對高溫超導線圈熱穩(wěn)定性的影響。

電路模型

整個超導同步發(fā)電機的等效電路模型如圖1所示。對于定子繞組,，由于三相定子繞組是對稱的,，只對與a相繞組有關的變量進行了解釋。

圖1.高溫超導(HTS)發(fā)電機等效電路模型示意圖,。

在高溫超導機運行過程中,，制冷機會帶走線圈中一定量的熱量。然而,，為了保守地估計短路故障最嚴重的后果,，在線圈表面設置了絕熱邊界條件。

圖2總結了高溫超導線圈的場,、電路和熱模型之間的耦合關系:

圖2.場,、電路和熱模型之間的耦合關系示意圖。

領域模型使用熱的溫度分布計算模型,和當前值計算超導層和銅層的電路模型,計算超導層的磁化強度損失,磁場分布,生成的高溫超導線圈的電動勢,。電路模型利用熱模型計算出的溫度分布和場模型計算出的磁場分布,，計算出超導層和銅層的電流值和銅層的損耗。

研究參數(shù)

所研究的高溫超導發(fā)電機拓撲如圖3所示,，每相由兩個并聯(lián)線圈組成,。例如，A相繞組由兩個線圈組成:A1和A2,。A1+和A1?分別為A1線圈的正電流域和負電流域,。

圖3.二維T-A公式的原理圖，發(fā)電機的拓撲結構和所研究線圈每個匝的編號順序,。

所研究的發(fā)電機有四個極點和六個槽,。每個槽有一個84圈的雙跑道線圈。這些高溫超導磁場線圈的額定電流約為37 A,，額定輸出功率為30 kW,。發(fā)電機的設計轉速為1500rpm，對應50hz的定子電樞頻率,。發(fā)電機的其他設計參數(shù)可以在之前的論文中找到,。通過擬合試樣高溫超導帶的實驗數(shù)據(jù)，計算出b,、k和Bc,。在平行和垂直磁場作用下，高溫超導磁帶歸一化臨界電流密度的表面圖如圖4所示,。

圖4.平行磁場和垂直磁場作用下超導帶歸一化臨界電流密度的表面圖,。

由于六個線圈是對稱的，本文只給出A1線圈的結果,。所研究線圈的每個匝的編號順序如圖3所示,，這種排列將在整個研究中使用,。雖然本文只是數(shù)值模擬研究，但值得一提的是,，研究人員目前已經(jīng)制作出發(fā)電機定子,，如圖5所示。

圖5.制造的發(fā)電機定子,。

結論

本文研究人員對二代高溫超導電樞的同步發(fā)電機進行了電磁-熱耦合數(shù)值研究,。本文的主要研究結果總結如下:

首先，將磁場部分模型與電路部分模型耦合,，計算了高溫超導線圈額定工作時的交流損耗,。其次，研究了高溫超導線圈在最嚴重短路故障下的瞬態(tài)電磁熱特性,。結果表明:高溫超導線圈在短路故障時,，每匝總電流相同，但由于周圍磁場不同,，每匝臨界電流值不同,。這種開始時臨界電流值的差異導致它們隨后出現(xiàn)不同的銅層分流和溫升現(xiàn)象。臨界電流最低的匝口最終會完全失穩(wěn),，溫升明顯,，但不會高到超過高溫超導線圈材料的熔點。研究結果表明,，如果發(fā)電機短路保護裝置能盡快排除故障,，該高速高溫超導同步發(fā)電機的高溫超導線圈就不會發(fā)生不可恢復的失超而損壞。最后,仿真結果表明,厚銅穩(wěn)定劑的熱穩(wěn)定性提高高溫超導線圈在發(fā)生短路故障,但對于高溫超導發(fā)電機設計師,這需要使用仿真模型之間做出權衡工程電流密度和高溫超導熱穩(wěn)定性的磁帶,。

論文鏈接：https://www.mdpi.com/2076-3417/10/15/5228/htm