1.引言 随着对电力故障非常敏感的计算机和半导体器件的广泛应用，越来越多电力用户对供电质量提出了更高要求。储能技术能够有效地改善电力系统的稳定性，提高供电质量，因此储能技术的发展逐步受到重视。超导磁体储能系统(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES)具有快速吸收、释放和储备电能的能力，并且储能密度高，结构紧凑。这为超导储能系统参与电力系统、改善供电质量提供了有利条件[1]。近些年来超导储能成为超导应用研究领域的一个热点。现在微型超导储能系统已实现产品化。今年， IGC公司的一台IPQ-750 SMES系统安装于美国Tyndall空军基地，并成功并网运行[2]。
1.引言
随着对电力故障非常敏感的计算机和半导体器件的广泛应用，越来越多电力用户对供电质量提出了更高要求。储能技术能够有效地改善电力系统的稳定性，提高供电质量，因此储能技术的发展逐步受到重视。超导磁体储能系统(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES)具有快速吸收、释放和储备电能的能力，并且储能密度高，结构紧凑。这为超导储能系统参与电力系统、改善供电质量提供了有利条件[1]。近些年来超导储能成为超导应用研究领域的一个热点。现在微型超导储能系统已实现产品化。今年， IGC公司的一台IPQ-750 SMES系统安装于美国Tyndall空军基地，并成功并网运行[2]。
超导储能磁体作为一种电磁储能元件，在运行过程中会产生相当强的磁场。一般超导储能磁体产生的中心场强为104高斯数量级，但10高斯数量级的磁场就可以导致一些电子设备不能正常工作，5高斯的磁场就可能使一个配有心脏起博器的人面临生命危险[3]。因此，如果不采用相应的措施对磁场加以限制和屏蔽，杂散分布于超导磁体系统之外的漏磁场会对周围环境带来不利的影响。要扩大超导磁体储能系统的应用场合，减小超导磁体杂散磁场带来的应用限制，就必须考虑超导磁体系统的磁屏蔽问题。
2.超导储能磁体及磁场特点
电流在闭合超导线圈中流过时，没有常规线圈中出现的焦耳热损耗，发热较少。因此，与常规线圈相比，超导线圈的运行电流可以达到很高的水平。较高的运行电流就意味着可以产生较高的磁场，这也是大多数超导磁体不需要铁磁材料构成磁通回路，也能产生强磁场的原因。
超导磁体在运行时会产生具有一定场型分布的磁场，该磁场存储着一定的电磁能。在能量交换时，超导储能系统利用的是这个磁场的相应电磁储能，而不是具体的磁场场形，磁场的分布状态并不对能量交换起直接作用。因此早期超导储能磁体设计的一个基本目标是用尽可能少的超导材料存储尽可能大的电磁能量。并且在设计过程中不需要直接考虑磁场的场型。
由于超导储能系统储能密度高，整个储能装置可以做得相当紧凑。体积小、储能高是超导储能系统的一个优势。由于体积小、重量轻，超导磁体储能系统还具有一定的可移动性。这在某些特殊场合显得尤为重要。
高场强、能量转换不受场型限制、结构紧凑，这三个特性是考虑超导储能系统磁屏蔽问题的基本出发点。
3.屏蔽方法的选取
目前，超导储能系统的超导磁体主要采用两种结构形式：螺管线圈和环形线圈。环形线圈由于自身的结构特点，在理想状态下，线圈产生的磁场完全封闭于线圈内部，没有漏磁，实际建造的环形磁体的漏磁也很小[4]。因而超导储能系统的磁屏蔽主要是对螺管形式的超导磁体。
螺管型超导磁体已广泛应用于MRI系统中，根据MRI系统的磁场屏蔽经验，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[5]。
房屋屏蔽要求将超导磁体安装于位置固定的专用于磁屏蔽的房间内。理想的超导储能系统应该是具有一定的可移动性，并且有时SMES用户很难单独提供一个专用屏蔽房屋以容纳超导磁体。从这个角度看，房屋屏蔽不太合适。
简单地说铁磁屏蔽就是利用铁磁材料为磁通提供回路，从而改变其磁场场形，将磁场尽量限制在磁体附近的区域，达到减小漏磁场的效果。由于超导磁体产生的磁场较强，用普通铁磁材料进行屏蔽很容易使材料进入饱和状态，导致屏蔽效率低，铁磁材料用量大。这就使整个超导储能装置的体积和重量显著增加，不利于超导储能系统的应用。例如，如果用铁磁材料屏蔽一个3.43MJ的超导储能系统，使5高斯等磁密线所包围面积减小一个数量级，就要增加16吨铁磁材料;而对20MJ的系统，则要增加100吨的铁磁材料[6]。可见单纯的铁磁屏蔽不适合超导磁体的磁屏蔽。
主动屏蔽则是通过增加线圈来修正磁场场形，使线圈以外的区域的磁场衰减更快，达到磁屏蔽的效果。同样，由于允许的运行电流密度的差异，常规线圈产生磁场的能力要远低于超导线圈产生磁场的能力，用常规线圈来屏蔽超导线圈的效果也不理想。因此，针对超导储能系统的最可行的一种屏蔽方式是采用超导线圈进行主动屏蔽。由于具体的磁场场形对最终的能量转换没有直接影响，因此有比较大的自由度来设计超导屏蔽线圈和最终场形。
4.多螺管线圈系统
到目前，国内外已有几种对螺管结构超导磁体储能系统的屏蔽方法[7—9]。这些屏蔽方法的基本思想都是采用主动屏蔽方法使线圈区域即电流源区域的磁偶极矩为零，保证离线圈较远区域的磁场幅值衰减很快，起到磁屏蔽的效果。
对于理想的紧密绕制的薄螺管线圈，其磁偶极矩m取决于螺管线圈的横截面积A和线圈的电流安匝数I，即
m=I.A
对于由多个螺管线圈组成的磁体系统，其磁偶极矩为各个螺管线圈的磁偶之和,即
m=∑mi=∑Ii.Ai=0
最初的一种方法是同轴嵌套式。
磁体系统由内外两个螺管线圈组成，内层螺管线圈的电流方向和外层螺管线圈的电流方向相反。外层螺管线圈的主要作用是对内层线圈产生的磁场进行屏蔽。
还有一种屏蔽方式叫同轴串联式。
该系统由四个相同的螺管线圈模块组成，其中两个模块线圈紧密连接，电流流向相同，组成主线圈。另两个模块等间隙分列主线圈两端，其电流流向与主线圈电流流向相反。
同轴串联式线圈系统有比较好的屏蔽效果。例如，储能同为50kWh的单螺管线圈与同轴四螺管串联系统相比，四线圈系统的5高斯等磁密线距线圈的最大轴向距离为28米，相应单螺管为75米;5高斯线距线圈的最大径向距离为23米，相应单螺管为59米;整个5高斯线包围面积为656平方米，相应单螺管为4425平方米;四线圈系统的超导材料用量为单螺管的1.25倍。可见，同轴串联式线圈系统在超导材料增加不多的情况下，磁屏蔽效果还是比较理想的。
第三种屏蔽方法是轴线平行式多螺管系统。
轴线平行式多螺管线圈系统由偶数个螺管线圈模块组成。线圈轴线平行，各线圈等间隔分布在同一圆周上，相邻两个线圈的电流流向相反。
轴线平行式多螺管线圈系统的屏蔽效果非常理想，并且超导材料用量比其它屏蔽方式少，比较接近单螺管的超导材料用量。轴线平行式多螺管系统还有一个优点：在储能相同的条件下，无屏蔽单螺管线圈的占地面积(近似于杜瓦容器的底面积)要大于多螺管系统的占地面积。并且多螺管系统中，各个螺管的结构相同，这就有利于线圈的模块化生产，使成本降低，整个磁体系统的建设和维护也相对简化。
5.结束语
多螺管系统也有自身的缺陷。除了超导材料利用率下降外，它还有一个电磁力平衡的新问题。多螺管系统内的各个螺管模块间有相当强的电磁作用力，如何以尽可能简单的方式平衡各线圈所受的电磁力成为多螺管线圈实际应用的一个主要问题。同时，由单螺管系统向平行多螺管系统的演变中，单螺管系统所固有的轴对称磁场形式和轴对称受力形式也不再存在，传统的基于轴对称特性的单螺管应力分析方法也不再适用，因此有必要找到一种更一般且又简单可行的应力分析方法，用以明确多螺管磁体的应力分布，这对于超导体这种对应力状态比较敏感的材料来说，是非常重要的。
轴线平行式多螺管超导磁体系统以螺管线圈为模块，工艺简单，具有较小的漏磁场，超导材料利用率也较高，很有希望作为传统单螺管超导磁体系统的替代品。当然，在最终实际应用前，必须解决内部电磁力的平衡问题。
