单螺管型高温超导储能磁体的静磁场分析

【摘 要】超导磁储能系统应用于电力系统可以抑制电压波动，削峰填谷，改善电能质量。单螺管型高温超导磁储能系统具有结构简单，材料利用率和储能效率高的优点，但漏磁场较大，会对电磁环境带来非常严重的影响。本文通过ANSYS软件进行仿真分析，得到单螺管型高温超导储能磁体的静磁场分布规律，针对漏磁场问题，提出相应的屏蔽措施。

【关键词】SMES 单螺管超导磁体 静磁场分析 ANSYS 漏磁屏蔽

【Abstract】Superconducting energy storage magnets， if applied in power grid， can not only effectively restrain power quality problems such as voltage fluctuation and flicker， but also can be involved in the operation and control of power grid and improve the power quality. The single screw pipe superconducting magnet has the advantage of simple structure， high material utilization and energy storage efficiency， but leakage magnetic field problem does great harm to the magnetic environment. This paper， by using ANSYS software， gives an analysis of the simulation and gets the single screw tube type high temperature superconducting energy storage magnets of static magnetic field distribution， and finally put forward the corresponding measures， in view of the leakage magnetic field problem.

【Key words】SMES； Single screw superconducting magnet； Analysis of the static magnetic field； ANSYS； Magnetic flux leakage blocking

超导磁储能系统是利用超导线圈作为储能线圈，与其它线圈相比，超导线圈几乎无损耗，所以能量可以永久存储；与常规的储能装置相比，超导储能系统的转换效率可以达到95%，且具有很快的反应速度，因而被大量运用。但超导磁体在运行过程中会产生104高斯数量级场强的磁场，而10高斯数量级的磁场就会导致一些电子设备不能正常工作，5高斯的磁场就可能导致带有心脏起搏器的人生命受到威胁。本文主要进行单螺管高温超导磁体的静磁场分析，提出改进措施。

1 超导磁储能系统

1.1 超导磁储能系统的原理

超导磁储能是利用超导线圈作为储能线圈，由电网经变流器供电励磁，在线圈中产生磁场能量而储存起来，需要时，可经逆变器将所储存的能量返回电网或提供给需要电能的负载，其原理图如图1.1示。在K1断开的状态下，接通K2，给超导线圈充电，充电完毕后，将K1闭合，K2保持断开，超导线圈与超导线形成闭合回路，电流无损耗、无衰减。永久电流的能量以磁场形式储存在超导线圈中，以便需要时快速输出。

1.2 超导磁储能系统的构成

SMES一般情况下由超导储能磁体、低温冷却系统、功率调节系统和监控保护系统组成。图1.2是SMES的结构框图，图中变压器的作用是选择适当地电压以使得SMES与电力系统相匹配，变流器属于功率调节系统关键部件，控制电网与磁体之间的能量交换，信号采集、控制器属于监控保护系统部件，主要采集实时数据，控制系统运行。磁体失超会产生焦耳热，严重时毁坏整个储能系统，磁体保护系统主要对磁体进行失超保护，以确保系统稳定运行。

2 单螺管型高温超导储能磁体静磁场分析

2.1单螺管线圈空间的磁场分布

2.3.2仿真结果分析

在对1MJ单螺管型高温超导储能磁体进行ANSYS静磁场分析时，采用矢量位方法，得到节点自由度AZ分布云图、节点磁力线分布图、节点磁通密度（BX、BY、BSUM）分布云图，节点磁场强度（HX、HY、HSUM）分布云图，磁场能量分布云图。下面分别对仿真结果进行分析。

（1）节点自由度AZ：在二维静态磁场分析中，一般采用矢量位方法，此时只有主自由度AZ。图2.3为节点自由度AZ分布云图。从图中可以看出，AZ的最大值为0.072579 ，如图中红色部分所示，基本出现在D区，面编号为A34-A48；之后逐渐减小，直到最后变为零，如图中深蓝色部分。超导磁体内侧（单螺管内部区域）衰减较快，磁体外部空气区域衰减较为缓慢。

（2）节点磁力线分布：在ANSYS磁场仿真中，节点磁力线为节点磁力×半径，下图2.4为磁力线等值分布图。由图看出超导磁体周围磁力线较为密集，空气区域逐渐变得稀疏。而从磁体内外侧来看，内侧磁力线较外侧密集，并且迅速衰减到最小。磁力最大值出现在D区中间位置，其值为0.072579高斯，最小值出现在磁体空气区域，最小值为0.01344高斯。超导磁体外部也存在磁力线，因此空气区域也有一定量的磁场能量分布。

（3）节点磁场强度分布：在ANSYS二维静磁场仿真中，可以由主自由度AZ导出节点磁场强度在X轴的分布HX、Y轴的分布HY以及它们的矢量和HSUM。从图2.5看，在X轴上，磁场强度基本呈现上下对称趋势，磁体上部E、F区域出现最大值 ，下部C区域出现最小值 。

从图2.6看，在Y轴上，磁场强度基本从磁体内侧由最大逐渐变小，外侧空气区域基本为最小值，最大最小值都出现在C、D、E区域，磁体内侧出现最大值 ，外侧出现最小值-703314 ；在图2.7所示的HX和HY的矢量和分布中，磁体D区域中间双饼线圈出现最大值 ，最小值分布在磁体外侧空气区域，其值为5232.45 ，如图2.7磁体中部少量深蓝色部分所示。综上所述，单螺管超导磁体磁场强度基本分布在磁体内侧，外侧也有少量分布，如图2.7蓝色部分。

（4）节点磁通密度分布：节点磁通密度为磁场分析中又一个重要的物理量。在图2.8所示的磁通密度X轴向分布图中，基本呈现上下对称趋势，磁体上部E区出现最大值1.3858T，如图中红色部分，下部C区出现最小值-1.34398T，如图中深蓝色部分。在图2.9所示的Y轴分布图中，磁通密度基本在磁体内侧分布，并逐渐递减，外侧区域分布较小值，如图中蓝色部分所示。最大最小值都出现在D区，内侧最大值为2.95789T，外侧最小值为-0.88381T。在图2.10所示的BX和BY的矢量和分布中，磁体D区域中间双饼线圈出现最大值2.95792T，最小值分布在磁体外侧空气区域，其值为0.006575T。

（5）磁场能量分布：在如图2.11所示的能量分布图中，红色区域表示磁场能量分布最大值15106.9J，深蓝色表示磁场能量分布最小值 。磁场能量基本分布在超导磁体中部内侧，也就是单螺管磁体的螺管内部，如图中的红色、橘黄色和黄色区域。磁体外部的空气区域也有磁场能量分布，这就是我们所说的漏磁场。一般在实际运行场合，必须对超导磁体进行屏蔽，也就是对分布在超导磁体外部的杂散磁场进行约束，或使得周围空间磁场迅速衰减，减少对电子设备的影响，确保运行维护人员的生命安全。

3 漏磁场分析及屏蔽措施

在ANSYS仿真中，发现单螺管型超导磁体存在着比较严重的漏磁场问题，如图3.1所示为单螺管超导磁体周围1米内的磁场分布。由图可以看出，在距离超导磁体0.5m处出现了磁场分布的最大值5.509×10-2T。为了扩大单螺管高温超导磁储能系统在风力发电、光伏发电等领域的应用，必须对运行的系统进行屏蔽。

超导磁体有三种可能的屏蔽方式：房屋屏蔽、铁磁屏蔽和主动屏蔽。房屋屏蔽是将超导储能磁体放置于专门用于漏磁屏蔽的房间内。铁磁屏蔽是利用铁磁材料来改变超导储能磁体磁场，将磁场尽量限制在磁体附近的区域内。主动屏蔽通过增加线圈来改变磁场分布，使得超导磁体外部区域的磁场得以迅速衰减，达到漏磁屏蔽效果。

根据大量的运行经验，目前，针对超导磁储能系统最可行的屏蔽措施是采用超导线圈进行主动屏蔽。其基本思想是采用主动屏蔽方法使得线圈区域磁偶极矩为零，以保证线圈外部空间的磁场迅速衰减，起到漏磁屏蔽效果。第一种主动屏蔽方式中，超导磁体系统由内螺管和外螺管线圈组成，它们的电流方向是相反的。外螺管线圈和嚷莨芟呷Φ拇懦∠囫詈希彼此削弱，达到屏蔽效果。第二种可行的主动屏蔽方式叫同轴串联式主动屏蔽。该系统由四个相同的螺管线圈构成，其中两个线圈紧密相接，电流方向相同，组成主线圈模块。另外两个线圈等间隙布置于主线圈模块两端，电流方向与主线圈模块电流方向相反。同轴串联式线圈系统被认为有比较好的屏蔽效果。第三种主动屏蔽方式是轴线平行式多螺管主动屏蔽。轴线平行式多螺管线圈系统由偶数个（一般为4、6、8个）螺管线圈构成。所有线圈呈轴线平行排列，并且等间隔的分布于同一圆周上，相邻的两个线圈电流方向相反。轴线平行式多螺管线圈系统的屏蔽效果被认为是主动屏蔽中最理想的。

4 结语

单螺管型高温超导储能磁体结构简单，材料利用率和储能效率都很高，其静磁场基本呈现规律性分布，单螺管内部磁场分布较为密集，之后向超导磁体两端逐渐衰减，且单螺管周围区域也有相当量的磁场，存在严重的漏磁场问题，对周围的电磁环境带来非常不利的影响。在实际运行中，主动屏蔽具有一定的可行性，其中以轴线平行式多螺管线圈系统的屏蔽效果被认为是主动屏蔽中最理想的

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作者简介：李开彦（1983―），男，湖北黄冈人，工程师，研究方向：电气工程。