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多尺度模型方法在大型高温超导线圈交流损耗计算中的应用与创新

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球能源需求的持续攀升以及对能源利用效率和可持续性的更高追求，电力领域不断探索新型技术以提升系统性能。高温超导技术作为其中的关键突破点，凭借其独特的电磁特性，在电力传输、储能、电机等多个核心领域展现出巨大的应用潜力，为解决传统电力技术面临的诸多瓶颈问题提供了创新思路。

高温超导线圈作为高温超导技术的核心部件，在众多电力设备中扮演着不可或缺的角色。在超导发电机中，高温超导线圈能够产生强大且稳定的磁场，使发电机的单机发电容量相较于常规发电机实现数倍提升，可达1万兆瓦，同时显著减小设备体积（减少1/2）和重量（减轻1/3），大幅提高发电效率（提升50%），有效降低了发电成本并增强了能源利用效率。在电力传输与配电环节，高温超导线圈制成的超导电缆具有极低的电阻，能极大地减少电能在传输过程中的损耗，显著提升电能传输效率。与传统的铜、铝导线相比，在长距离大容量输电场景下优势尤为突出。超导储能系统（SMES）利用高温超导线圈储存磁能，具有响应速度快、效率高、寿命长等优势，可在瞬间释放或吸收大量能量，有效应对电力系统中的瞬时负荷波动和短时间故障，对维持电网的稳定性和可靠性起着关键作用。

然而，高温超导线圈在交流运行环境下存在不可忽视的交流损耗问题。交流损耗会导致线圈发热，这不仅额外消耗了宝贵的电能，降低了设备的整体运行效率，还会使超导材料的温度升高。一旦温度超过超导临界温度，超导线圈就会失去超导特性，进入正常态，导致设备故障，严重影响超导电力设备的稳定性和可靠性。以高温超导变压器为例，交流损耗的存在会降低其电力转换效率，增加运行成本；在超导储能系统中，交流损耗会缩短储能时间，降低储能效率。因此，深入研究并有效降低高温超导线圈的交流损耗，对于推动高温超导技术在电力领域的广泛应用和商业化进程至关重要。

传统的计算方法在处理高温超导线圈交流损耗问题时存在一定的局限性。单一尺度的模型难以全面、准确地描述高温超导线圈在复杂电磁环境下的物理行为，导致计算结果与实际情况存在较大偏差。多尺度模型方法的出现为解决这一难题提供了新的途径。该方法能够综合考虑高温超导材料微观层面的电磁特性、超导带材及线圈的介观结构以及宏观的电磁环境等多尺度因素的相互作用，从多个维度深入剖析交流损耗产生的机理和影响因素，从而实现对高温超导线圈交流损耗的更精确计算和更有效控制。通过多尺度模型方法，能够更准确地预测不同工况下高温超导线圈的交流损耗，为高温超导电力设备的优化设计提供坚实的理论依据，有助于研发出高性能、低损耗的高温超导线圈，推动高温超导技术在电力领域的进一步发展和应用，为实现高效、可靠、绿色的现代电力系统奠定基础。

1.2国内外研究现状

在高温超导线圈交流损耗计算的研究领域，国内外学者已取得了丰硕的成果。早期的研究主要聚焦于单一尺度下的模型建立与计算。在微观尺度方面，国外学者率先基于临界态模型对高温超导材料内部的电流分布和磁场穿透特性展开研究。如Bean提出的Bean临界态模型，假定超导体的临界电流密度为常数，能够对超导体在磁场中的电磁行为进行初步描述，为后续微观尺度研究奠定了基础。国内研究团队在此基础上，结合高温超导材料的实际特性，对临界态模型进行改进，考虑了临界电流密度随磁场和温度的变化关系，使得微观尺度下的计算结果更贴合实际情况。

在宏观尺度上，数值计算方法得到广泛应用。有限元法（FEM）是其中较为常用的手段之一，通过将高温超导线圈离散为多个小单元，对每个单元的电磁特性进行分析，进而求解整个线圈的交流损耗。国外科研团队利用商业有限元软件，如COMSOLMultiphysics，建立高温超导线圈的宏观模型，模拟不同工况下的交流损耗情况，研究结果为高温超导线圈的工程设计提供了重要参考。国内学者则在有限元模型的基础上，优化算法以提高计算效率，针对复杂结构的高温超导线圈，提出自适应网格划分策略，有效减少计算量，同时保证计算精度。

随着研究的深入，多尺度模型方法逐渐成为研究热点。国外研究人员尝试将微观尺度的电磁特性与宏观尺度的线圈结构相结合，建立多尺度耦合模型。例如，通过将微观尺度下高温超导材料的本构关系引入宏观有限元模型中，实现对交流损耗更全面的计算。国内研究团队则从不同角度开展多尺度模型研究，一方面，基于平均场理论，建立介观尺度下超导带材的等效模型，再与宏观线圈模型耦合，分析带材之间的电磁相互作用对交流损耗的影响；另一方面，利用多物理场耦合方法，考虑热-电-磁多物理场在不同尺度下的相互作用，构建更为完善的多尺度模型。

然而，当前研究仍存在一定的不足。现有的多尺度模型在耦合不同尺度时，部分模型对微观尺度的电磁特性描述不够精确，导致整体计算结果与实际