低温绝缘的高温超导电缆失超检测研究

为了更好地研究高温超导电缆在电力系统中的暂态过程,有必要研究高温超导电缆温升情况。从高温超导电缆的结构出发,分析了高温超导电缆的温度特性,建立了故障状态下高温超导电缆温度分布的数学计算模型,并通过matlab仿真软件对220kv高温超导电缆模型进行了仿真计算。结果表明高温超导电缆超导层与屏蔽层温度在系统发生三相短路时瞬间增大,但随着故障的解除而减小;超导层与屏蔽层电阻在瞬间增大之后会随温度的增大而增大。结果验证了所提出的电缆温度数学模型的可行性。

高温超导电缆终端恒温器是高温超导电缆终端系统的重要组成部分,其长期可靠稳定的运行将为整个系统的良好运转奠定坚实基础。文中对成功研制的高温超导电缆终端恒温器进行了详细介绍,包括技术指标及相关要求、总体结构、关键技术、热负荷分析与计算等。试验表明,高温超导电缆终端恒温器结构设计合理、操作方便;大口径可拆法兰低温真空压力环境下的密封技术得到突破、密封性能良好;低温液体输送管道承插密封结构设计新颖、满足工作要求。热负荷的分析与计算为高温超导电缆制冷系统所需冷量的确定提供了依据,同时也为终端恒温器的进一步优化指明了方向。

为使中国第一组并网运行的高温超导电缆稳定可靠地运行,一套高温超导电缆监测与保护系统经开发已投入使用。该系统的上层管理软件为其提供了全面的监测、记录和管理功能。在简要介绍高温超导电缆监测与保护系统的基础上,系统地说明了这一管理软件的整体功能、框架结构设计、通信实现方法、各类数据记录分析和定值管理。由于采用了面向对象的模块化程序设计方法,该软件具有界面友好、层次清晰、扩展性强、运行稳定等特点。

高温超导电缆是21世纪电力传输的新材料,高温超导电缆的应用将给电力传输带来革命性的变化。北京云电英纳超导电缆有限公司是国内首家研制生产高温超导电缆的企业,现已完成国内第一根完整4m高温超导电缆系统的研制和试验,标志着公司已基本掌握高温超导电缆的研制技术,为下一阶段研制30m超导电缆奠定了坚实的基础。

本文简要回顾了超导现象的发现及超导性研究和超导材料发展的历史,介绍了高温超导电缆的基本技术和国内外发展情况,对高温超导电缆的制造成本和运行费用进行了评估,并探讨了高温超导电缆在我国的应用前景,同时展望了高温超导电缆的应用给未来的输电系统可能带来的革命性变化

低温绝缘高温超导电力电缆 (2)

高温超导电缆终端是运行在低温的超导电缆芯向常温的高压母线过渡和制冷剂进出口的汇集组件,为了获得有效的超导电缆运行的低温环境,设计了一套电缆与终端可拆卸的恒温器,系统采用过冷液氮循环,液氮既是冷却介质,又是高电压绝缘介质。通过传热理论对恒温器的热负荷进行了计算,得到了用于35-110kv电压等级、额定电流交流2000a的高温超导电缆低温恒温器主要漏热,尤其对终端交流电流引线进行了优化计算。计算结果表明,在现有设计结构下,恒温器的漏热量小于300w;从热负荷分布分析,电流引线漏热为主要漏热,支撑及传输管线的传导漏热占系统总漏热的22%左右。计算结果为该高温超导电缆终端低温系统的设计和进一步优化提供了依据。

冷绝缘高温超导电缆的导电层一般设计为多层结构以满足大电流载流特性,但伴随层数的增加,超导体上的集肤效应会引起电缆输电导体各层电流分布不均匀的问题,从而造成电缆损耗增加和传输性能下降。采用基于动态惯性权重因子的粒子群优化算法,提出了电缆导体层电流层间均流优化的设计方法。应用第2代高温超导材料钇钡铜氧涂层导体,通过建立超导电缆的等效电路模型,考虑电场、磁场等约束因素,对一根1km长,110kv/3ka等级的冷绝缘高温超导电缆进行优化设计,获得了电缆本体结构参数及输电导体层和屏蔽层的电流分布。比较优化前后层电流的结果可知,优化后超导电缆各导体层电流与平均电流相比最大不平衡率小于3.5%,各屏蔽层电流达到均布,较好地实现了电缆各导体层电流均匀分布的优化目标。最后,超导模型样缆载流特性实验也验证了优化设计方法的有效性。

低温系统是该试验装置的一个主要分系统,采用增压过冷液氮冷却高温超导电缆及其电流引线,是国内首次采用过冷液氮循环冷却高温超导电缆的低温系统。低温系统包括两大部分:过冷液氮循环部分和制冷部分。在过冷液氮循环部分,以低温泵的扬程作为循环流动动力,液氮通过与制冷部分的热交换,获取冷量,被输送到高温超导电缆低温容器和终端,液氮通过与电缆的换热释放其冷量,最后回到气液分离器,进入下一个循环过程。制冷部分采用液氮减压降温获取冷量,其最大制冷量3.3kw,液氮消耗72l/h。

高温超导交流电缆导电层是由一定数量的超导带材分层并绕而成,各层之间相互绝缘,呈并联分布。每一导电层通过的电流不仅与带材基本特性有关,还受到带材缠绕方式以及其他各层通流的影响。通过研究计算电缆各导电层中的电流分布,讨论影响电流分布的多种因素,可为超导带材导电层的电流分布的分析和设计提供理论基础。

液氮冷却系统是10米105kv/15ka三相交流高温超导电缆实验装置中的一个主要分系统。介绍了液氮冷却系统设计方案的选择,提供了液氮冷却系统的主要设计计算内容,并通过与高温超导电缆联机试验,表明了该液氮冷却系统的设计是成功的,为75米三相交流高温超导电缆研制提供稳定可靠冷源奠定了基础。

2月21日下午,中国首条公里级高温超导电缆示范工程启动大会在上海宝山城市工业园区举行。这意味着,高温超导电缆示范工程作为上海加快超导技术产业化的重要突破口,已经做好了技术储备、工程建设、人才团队、产业承载的各项准备,标志着我国超导电缆实用产业化正式起步。

2005年12月28日，由北京市科委主持，北京云电英纳超导电缆有限公司承担的“30米35kv／2ka高温超导电缆研发及产业化示范”项目在北京经济技术开发区博大大厦完成验收。与会专家及领导对超导电缆给予了高度评价。认为其电压等级和输电容量均高于国际已实现并网运行的超导电缆系统云电英纳制定了国内第一套超导电缆系统相关技术文件、超导电缆系统安装作业指导书、超导电缆运行的企业规范，具有良好的示范作用。与会专家对云电英纳挑战新高寄予厚望。

我国第一套高温超导电缆系统组装及调试试验胜利完成

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根据iter电流引线的要求,设计和试验了分别由全铍铜(be2%cu)、全不锈钢(ss)和二元金属(becu/ss)三种不同类型分流器制作的68ka电流引线的1/90试件。研究了超导段各组件的性能,详细讨论了失冷故障实验结果。结果表明,对比全铍铜和全不锈钢分流器,二元分流器制作的超导模件更能够提高安全性以及减小冷端漏热,满足iter高安全性和低热负荷的要求。

超导电缆主绝缘的设计在整个超导电缆的设计中占有十分重要的地位。文中介绍了冷绝缘hts电缆主绝缘的设计方法和绝缘性能的检测方法;对于超导电缆耐受电压、设计场强和绝缘厚度的确定以及超导电缆主绝缘的性能检测都做了详细的总结;同时也介绍了由于失超引起的局放对绝缘设计的影响。该文所介绍的设计方法和性能检测方法能够为超导电缆主绝缘的设计和绝缘性能检测提供一些参考。

直流输电中线路上的纹波电流会在输电过程中产生交流损耗,考虑到这一点,提出了一种可以用于双极直流输电系统的冷绝缘高温超导直流电缆导体的设计原则。实际设计了一个运行电流为3ka的模型,并与按照均流设计的冷绝缘高温直流电缆的在不同纹波电流幅值下交流损耗做了对比。发现这种设计原则下,从运行损耗,节省空间和对环境的影响方面,相对于常规的直流电缆有着不可比拟的优势。

大电流高温超导电线材料

电流引线是室温电源电缆与低温磁体之间的电连接部件.高温超导材料在液氮温度下具有零电阻率和低热导率的特性,用它做成的电流引线可以大大减小低温系统的热负荷,从而减少制冷设备投资及系统运行费.高温超导电流引线可以分为阻性换热器段和高温超导段两部分(其中还包括各部件间的连接部分).高温超导段的分流器设计关系到冷端热负荷大小以及超导段失超后的安全问题.为了研究国际热核聚变试验堆(iter)电流引线高安全性能,专门设计、试验了68ka引线的1/90实验样品.本文通过对比全cube(cu-2%be)分流器、全不锈钢分流器和二元分流器的失冷故障(lofa)实验结果,证明二元分流器能够克服安全性和冷端漏热矛盾,可以满足iter高安全性的要求.

国际热核聚变实验堆计划是目前我国参与的最大的国际合作项目,cicc(cable-in-conduitconductors)导体具有较低的交流损耗,是核聚变装置的首选导体。介绍了cicc导体的结构及其绞缆试制过程,确定了cicc导体绞缆工艺技术路线。多次绞缆试制表明,第五级子缆的绞制加工尤其是外径控制是整个cicc导体绞缆关键环节。多道辊压+定径哈夫模控制技术可有效地控制cicc绞缆的外径,并不对单线造成损伤。

采用脉冲激光沉积法(pld)在10x10mm2的srtio3双晶基片上制备了纯c取向的高温超导ybco薄膜,薄膜表面平整,杂相颗粒少,在20μm尺度范围内,起伏在几个nm之内。通过标准光刻和离子束刻蚀工艺制备出了高温超导垫圈型双晶结dcsquid磁强计。测试结果表明:磁强计有效面积达009mm2,在没有超导屏蔽的环境下,磁强计白噪声区磁场噪声达到333ft/hz1/2。