低溫絕緣的高溫超導(dǎo)電纜失超檢測研究

為了更好地研究高溫超導(dǎo)電纜在電力系統(tǒng)中的暫態(tài)過程,有必要研究高溫超導(dǎo)電纜溫升情況。從高溫超導(dǎo)電纜的結(jié)構(gòu)出發(fā),分析了高溫超導(dǎo)電纜的溫度特性,建立了故障狀態(tài)下高溫超導(dǎo)電纜溫度分布的數(shù)學(xué)計算模型,并通過matlab仿真軟件對220kv高溫超導(dǎo)電纜模型進(jìn)行了仿真計算。結(jié)果表明高溫超導(dǎo)電纜超導(dǎo)層與屏蔽層溫度在系統(tǒng)發(fā)生三相短路時瞬間增大,但隨著故障的解除而減小;超導(dǎo)層與屏蔽層電阻在瞬間增大之后會隨溫度的增大而增大。結(jié)果驗證了所提出的電纜溫度數(shù)學(xué)模型的可行性。

高溫超導(dǎo)電纜終端恒溫器是高溫超導(dǎo)電纜終端系統(tǒng)的重要組成部分,其長期可靠穩(wěn)定的運行將為整個系統(tǒng)的良好運轉(zhuǎn)奠定堅實基礎(chǔ)。文中對成功研制的高溫超導(dǎo)電纜終端恒溫器進(jìn)行了詳細(xì)介紹,包括技術(shù)指標(biāo)及相關(guān)要求、總體結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、熱負(fù)荷分析與計算等。試驗表明,高溫超導(dǎo)電纜終端恒溫器結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、操作方便;大口徑可拆法蘭低溫真空壓力環(huán)境下的密封技術(shù)得到突破、密封性能良好;低溫液體輸送管道承插密封結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎、滿足工作要求。熱負(fù)荷的分析與計算為高溫超導(dǎo)電纜制冷系統(tǒng)所需冷量的確定提供了依據(jù),同時也為終端恒溫器的進(jìn)一步優(yōu)化指明了方向。

為使中國第一組并網(wǎng)運行的高溫超導(dǎo)電纜穩(wěn)定可靠地運行,一套高溫超導(dǎo)電纜監(jiān)測與保護(hù)系統(tǒng)經(jīng)開發(fā)已投入使用。該系統(tǒng)的上層管理軟件為其提供了全面的監(jiān)測、記錄和管理功能。在簡要介紹高溫超導(dǎo)電纜監(jiān)測與保護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地說明了這一管理軟件的整體功能、框架結(jié)構(gòu)設(shè)計、通信實現(xiàn)方法、各類數(shù)據(jù)記錄分析和定值管理。由于采用了面向?qū)ο蟮哪K化程序設(shè)計方法,該軟件具有界面友好、層次清晰、擴展性強、運行穩(wěn)定等特點。

高溫超導(dǎo)電纜是21世紀(jì)電力傳輸?shù)男虏牧?高溫超導(dǎo)電纜的應(yīng)用將給電力傳輸帶來革命性的變化。北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司是國內(nèi)首家研制生產(chǎn)高溫超導(dǎo)電纜的企業(yè),現(xiàn)已完成國內(nèi)第一根完整4m高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的研制和試驗,標(biāo)志著公司已基本掌握高溫超導(dǎo)電纜的研制技術(shù),為下一階段研制30m超導(dǎo)電纜奠定了堅實的基礎(chǔ)。

本文簡要回顧了超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及超導(dǎo)性研究和超導(dǎo)材料發(fā)展的歷史,介紹了高溫超導(dǎo)電纜的基本技術(shù)和國內(nèi)外發(fā)展情況,對高溫超導(dǎo)電纜的制造成本和運行費用進(jìn)行了評估,并探討了高溫超導(dǎo)電纜在我國的應(yīng)用前景,同時展望了高溫超導(dǎo)電纜的應(yīng)用給未來的輸電系統(tǒng)可能帶來的革命性變化

低溫絕緣高溫超導(dǎo)電力電纜 (2)

高溫超導(dǎo)電纜終端是運行在低溫的超導(dǎo)電纜芯向常溫的高壓母線過渡和制冷劑進(jìn)出口的匯集組件,為了獲得有效的超導(dǎo)電纜運行的低溫環(huán)境,設(shè)計了一套電纜與終端可拆卸的恒溫器,系統(tǒng)采用過冷液氮循環(huán),液氮既是冷卻介質(zhì),又是高電壓絕緣介質(zhì)。通過傳熱理論對恒溫器的熱負(fù)荷進(jìn)行了計算,得到了用于35-110kv電壓等級、額定電流交流2000a的高溫超導(dǎo)電纜低溫恒溫器主要漏熱,尤其對終端交流電流引線進(jìn)行了優(yōu)化計算。計算結(jié)果表明,在現(xiàn)有設(shè)計結(jié)構(gòu)下,恒溫器的漏熱量小于300w;從熱負(fù)荷分布分析,電流引線漏熱為主要漏熱,支撐及傳輸管線的傳導(dǎo)漏熱占系統(tǒng)總漏熱的22%左右。計算結(jié)果為該高溫超導(dǎo)電纜終端低溫系統(tǒng)的設(shè)計和進(jìn)一步優(yōu)化提供了依據(jù)。

冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜的導(dǎo)電層一般設(shè)計為多層結(jié)構(gòu)以滿足大電流載流特性,但伴隨層數(shù)的增加,超導(dǎo)體上的集膚效應(yīng)會引起電纜輸電導(dǎo)體各層電流分布不均勻的問題,從而造成電纜損耗增加和傳輸性能下降。采用基于動態(tài)慣性權(quán)重因子的粒子群優(yōu)化算法,提出了電纜導(dǎo)體層電流層間均流優(yōu)化的設(shè)計方法。應(yīng)用第2代高溫超導(dǎo)材料釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體,通過建立超導(dǎo)電纜的等效電路模型,考慮電場、磁場等約束因素,對一根1km長,110kv/3ka等級的冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,獲得了電纜本體結(jié)構(gòu)參數(shù)及輸電導(dǎo)體層和屏蔽層的電流分布。比較優(yōu)化前后層電流的結(jié)果可知,優(yōu)化后超導(dǎo)電纜各導(dǎo)體層電流與平均電流相比最大不平衡率小于3.5%,各屏蔽層電流達(dá)到均布,較好地實現(xiàn)了電纜各導(dǎo)體層電流均勻分布的優(yōu)化目標(biāo)。最后,超導(dǎo)模型樣纜載流特性實驗也驗證了優(yōu)化設(shè)計方法的有效性。

低溫系統(tǒng)是該試驗裝置的一個主要分系統(tǒng),采用增壓過冷液氮冷卻高溫超導(dǎo)電纜及其電流引線,是國內(nèi)首次采用過冷液氮循環(huán)冷卻高溫超導(dǎo)電纜的低溫系統(tǒng)。低溫系統(tǒng)包括兩大部分:過冷液氮循環(huán)部分和制冷部分。在過冷液氮循環(huán)部分,以低溫泵的揚程作為循環(huán)流動動力,液氮通過與制冷部分的熱交換,獲取冷量,被輸送到高溫超導(dǎo)電纜低溫容器和終端,液氮通過與電纜的換熱釋放其冷量,最后回到氣液分離器,進(jìn)入下一個循環(huán)過程。制冷部分采用液氮減壓降溫獲取冷量,其最大制冷量3.3kw,液氮消耗72l/h。

高溫超導(dǎo)交流電纜導(dǎo)電層是由一定數(shù)量的超導(dǎo)帶材分層并繞而成,各層之間相互絕緣,呈并聯(lián)分布。每一導(dǎo)電層通過的電流不僅與帶材基本特性有關(guān),還受到帶材纏繞方式以及其他各層通流的影響。通過研究計算電纜各導(dǎo)電層中的電流分布,討論影響電流分布的多種因素,可為超導(dǎo)帶材導(dǎo)電層的電流分布的分析和設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

液氮冷卻系統(tǒng)是10米105kv/15ka三相交流高溫超導(dǎo)電纜實驗裝置中的一個主要分系統(tǒng)。介紹了液氮冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案的選擇,提供了液氮冷卻系統(tǒng)的主要設(shè)計計算內(nèi)容,并通過與高溫超導(dǎo)電纜聯(lián)機試驗,表明了該液氮冷卻系統(tǒng)的設(shè)計是成功的,為75米三相交流高溫超導(dǎo)電纜研制提供穩(wěn)定可靠冷源奠定了基礎(chǔ)。

2月21日下午,中國首條公里級高溫超導(dǎo)電纜示范工程啟動大會在上海寶山城市工業(yè)園區(qū)舉行。這意味著,高溫超導(dǎo)電纜示范工程作為上海加快超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要突破口,已經(jīng)做好了技術(shù)儲備、工程建設(shè)、人才團(tuán)隊、產(chǎn)業(yè)承載的各項準(zhǔn)備,標(biāo)志著我國超導(dǎo)電纜實用產(chǎn)業(yè)化正式起步。

2005年12月28日，由北京市科委主持，北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司承擔(dān)的“30米35kv／2ka高溫超導(dǎo)電纜研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化示范”項目在北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)博大大廈完成驗收。與會專家及領(lǐng)導(dǎo)對超導(dǎo)電纜給予了高度評價。認(rèn)為其電壓等級和輸電容量均高于國際已實現(xiàn)并網(wǎng)運行的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)云電英納制定了國內(nèi)第一套超導(dǎo)電纜系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)文件、超導(dǎo)電纜系統(tǒng)安裝作業(yè)指導(dǎo)書、超導(dǎo)電纜運行的企業(yè)規(guī)范，具有良好的示范作用。與會專家對云電英納挑戰(zhàn)新高寄予厚望。

我國第一套高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)組裝及調(diào)試試驗勝利完成

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根據(jù)iter電流引線的要求,設(shè)計和試驗了分別由全鈹銅(be2%cu)、全不銹鋼(ss)和二元金屬(becu/ss)三種不同類型分流器制作的68ka電流引線的1/90試件。研究了超導(dǎo)段各組件的性能,詳細(xì)討論了失冷故障實驗結(jié)果。結(jié)果表明,對比全鈹銅和全不銹鋼分流器,二元分流器制作的超導(dǎo)模件更能夠提高安全性以及減小冷端漏熱,滿足iter高安全性和低熱負(fù)荷的要求。

超導(dǎo)電纜主絕緣的設(shè)計在整個超導(dǎo)電纜的設(shè)計中占有十分重要的地位。文中介紹了冷絕緣hts電纜主絕緣的設(shè)計方法和絕緣性能的檢測方法;對于超導(dǎo)電纜耐受電壓、設(shè)計場強和絕緣厚度的確定以及超導(dǎo)電纜主絕緣的性能檢測都做了詳細(xì)的總結(jié);同時也介紹了由于失超引起的局放對絕緣設(shè)計的影響。該文所介紹的設(shè)計方法和性能檢測方法能夠為超導(dǎo)電纜主絕緣的設(shè)計和絕緣性能檢測提供一些參考。

富通集團(tuán)天津超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用公司高溫超導(dǎo)電纜項目，日前正式啟動運行。該項目將在天津建設(shè)國內(nèi)第一條二代釔系高溫超導(dǎo)電纜傳輸示范線，以加快推進(jìn)超導(dǎo)線材和超導(dǎo)電纜的實用化進(jìn)程。富通超導(dǎo)公司擁有全球領(lǐng)先、全國唯一的超導(dǎo)電纜生產(chǎn)線及檢測設(shè)備，主要研究方向為高溫超導(dǎo)基帶，并研制建設(shè)全球最長的高溫超導(dǎo)電纜應(yīng)用試驗線。

為了分析導(dǎo)電層分流特征對超導(dǎo)電纜交流損耗分布影響,建立了基于ybco涂層導(dǎo)體的110kv/3ka冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜載流數(shù)學(xué)模型,計算了不同運行溫度下超導(dǎo)電纜各導(dǎo)電層電流分布,并根據(jù)monoblock模型及bean模型計算了超導(dǎo)電纜交流損耗.計算結(jié)果表明77k下超導(dǎo)電纜層電流均勻分布時總交流損耗最小;69k時超導(dǎo)電纜總交流損耗最小時,電纜各導(dǎo)電層電流分布不均,超導(dǎo)電纜層電流均勻分布時總交流損耗最小這一觀點并不具有普遍性.所提出的計算方法和結(jié)果為降低多導(dǎo)電層超導(dǎo)電纜交流損耗提供了新思路.

直流輸電中線路上的紋波電流會在輸電過程中產(chǎn)生交流損耗,考慮到這一點,提出了一種可以用于雙極直流輸電系統(tǒng)的冷絕緣高溫超導(dǎo)直流電纜導(dǎo)體的設(shè)計原則。實際設(shè)計了一個運行電流為3ka的模型,并與按照均流設(shè)計的冷絕緣高溫直流電纜的在不同紋波電流幅值下交流損耗做了對比。發(fā)現(xiàn)這種設(shè)計原則下,從運行損耗,節(jié)省空間和對環(huán)境的影響方面,相對于常規(guī)的直流電纜有著不可比擬的優(yōu)勢。

制造高溫超導(dǎo)電線電纜的可能方法

6m長、2000a的鉍系高溫超導(dǎo)直流電纜在中國科學(xué)院電工研究所研制并試驗成功.電纜的導(dǎo)體由8層共238根bi-2223ag帶材在不銹鋼波紋管骨架上螺旋繞制而成,導(dǎo)體的內(nèi)徑為415mm,導(dǎo)體層間絕緣,導(dǎo)體層外側(cè)有低溫電絕緣.電纜芯的外徑為48mm,它安裝在低溫容器內(nèi),并與兩個終端相連.電纜的直流耐壓大于25kv.在液氮下的實驗表明,電纜的臨界電流為2480a(1μvcm判據(jù)),n值為77,接頭總電阻為01μω,均超過設(shè)計指標(biāo).在1h傳輸2ka電流的運行中,電纜的傳輸特性穩(wěn)定.經(jīng)4次熱循環(huán),電纜的臨界電流沒有降低.