新型超導(dǎo)電纜輸電損失降3/4

正在開展的國(guó)家863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目大電流高溫超導(dǎo)直流電纜的關(guān)鍵技術(shù)研究與工程示范項(xiàng)目的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)組成情況,分析了超導(dǎo)直流電纜與鋁電解系列的連接方式以及運(yùn)行方式。

目前電流引線大多采用擠包型絕緣結(jié)構(gòu),為改進(jìn)引線絕緣性能,提出對(duì)35kv超導(dǎo)電纜終端電流引線采用繞包型絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。選擇了一種在低溫條件下仍具有較好電氣性能和機(jī)械性能的聚丙烯層壓紙(lpp)對(duì)電流引線進(jìn)行繞包,并等間距地加入鋁箔作為電容屏以改善電流引線的電場(chǎng)分布。通過計(jì)算和仿真分析可知,加入4層鋁箔對(duì)絕緣層電場(chǎng)分布的改善效果最為顯著。電氣性能測(cè)試表明該35kv電流引線完全符合電氣性能要求。該繞包型絕緣設(shè)計(jì)的特點(diǎn)為:絕緣層可以驟冷,且不會(huì)遇低溫開裂;改善了軸向與徑向電場(chǎng)和絕緣層的抗電老化性能,提高了絕緣層的擊穿電壓。

冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜的導(dǎo)電層一般設(shè)計(jì)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(huì)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(dòng)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(jì)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(chǎng)、磁場(chǎng)等約束因素,對(duì)一根1km長(zhǎng),110kv/3ka等級(jí)的冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),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(shí)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(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的有效性。

本文簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)外發(fā)展情況,對(duì)高溫超導(dǎo)電纜的制造成本和運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了評(píng)估,并探討了高溫超導(dǎo)電纜在我國(guó)的應(yīng)用前景,同時(shí)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

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(guó)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(guó)內(nèi)第一根完整4m高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的研制和試驗(yàn),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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

超導(dǎo)磁體系統(tǒng)是iter裝置的重要組成部分,其超導(dǎo)磁體線圈采用管裝導(dǎo)體(cicc)繞制而成。介紹了管裝導(dǎo)體張力控制系統(tǒng),分析了絞制過程中放線張力對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)控制及其絞制質(zhì)量的影響,并通過技術(shù)改造實(shí)現(xiàn)了第1、2級(jí)子纜絞纜過程中的股線張力的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)控制。在此基礎(chǔ)上成功完成了一根長(zhǎng)度為765mpf5型樣纜的絞制,試制表明本張力控制系統(tǒng)可有效控制電纜導(dǎo)體絞制過程中張力大小,滿足超導(dǎo)電纜的絞制的要求。

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(jì)算模型,并通過matlab仿真軟件對(duì)220kv高溫超導(dǎo)電纜模型進(jìn)行了仿真計(jì)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(shí)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(huì)隨溫度的增大而增大。結(jié)果驗(yàn)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)電纜在電力系統(tǒng)中運(yùn)行是發(fā)展趨勢(shì),若超導(dǎo)電纜本身故障或電力系統(tǒng)故障時(shí)都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生重要影響。文中在理論分析低溫絕緣的高溫超導(dǎo)電纜在短路故障情況下屏蔽層電流與導(dǎo)體層電流相位、幅值的關(guān)系基礎(chǔ)上,提出了針對(duì)低溫絕的緣高溫超導(dǎo)電纜的失超檢測(cè)新方法——基于幅值差值檢測(cè)和相位差值變化率檢測(cè),并通過仿真軟件pscad/emtdc分析了電力系統(tǒng)發(fā)生各種短路故障時(shí)高溫超導(dǎo)電纜的失超特性,從而驗(yàn)證了這兩種檢測(cè)方法的可行性。

超導(dǎo)電纜主絕緣的設(shè)計(jì)在整個(gè)超導(dǎo)電纜的設(shè)計(jì)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(jì)方法和絕緣性能的檢測(cè)方法;對(duì)于超導(dǎo)電纜耐受電壓、設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)和絕緣厚度的確定以及超導(dǎo)電纜主絕緣的性能檢測(cè)都做了詳細(xì)的總結(jié);同時(shí)也介紹了由于失超引起的局放對(duì)絕緣設(shè)計(jì)的影響。該文所介紹的設(shè)計(jì)方法和性能檢測(cè)方法能夠?yàn)槌瑢?dǎo)電纜主絕緣的設(shè)計(jì)和絕緣性能檢測(cè)提供一些參考。

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(zhǎng)期可靠穩(wěn)定的運(yùn)行將為整個(gè)系統(tǒng)的良好運(yùn)轉(zhuǎn)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。文中對(duì)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(jì)算等。試驗(yàn)表明,高溫超導(dǎo)電纜終端恒溫器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)新穎、滿足工作要求。熱負(fù)荷的分析與計(jì)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(shí)也為終端恒溫器的進(jìn)一步優(yōu)化指明了方向。

為使中國(guó)第一組并網(wǎng)運(yùn)行的高溫超導(dǎo)電纜穩(wěn)定可靠地運(yùn)行,一套高溫超導(dǎo)電纜監(jiān)測(cè)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(cè)、記錄和管理功能。在簡(jiǎn)要介紹高溫超導(dǎo)電纜監(jiān)測(cè)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(jì)、通信實(shí)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(jì)方法,該軟件具有界面友好、層次清晰、擴(kuò)展性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。

低溫絕緣高溫超導(dǎo)電力電纜

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(jì)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(jì)提供理論基礎(chǔ)。

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(xiàng)目在北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)博大大廈完成驗(yàn)收。與會(huì)專家及領(lǐng)導(dǎo)對(duì)超導(dǎo)電纜給予了高度評(píng)價(jià)。認(rèn)為其電壓等級(jí)和輸電容量均高于國(guó)際已實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)云電英納制定了國(guó)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(yùn)行的企業(yè)規(guī)范，具有良好的示范作用。與會(huì)專家對(duì)云電英納挑戰(zhàn)新高寄予厚望。

高溫超導(dǎo)電纜終端是運(yùn)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(yùn)行的低溫環(huán)境,設(shè)計(jì)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(duì)恒溫器的熱負(fù)荷進(jìn)行了計(jì)算,得到了用于35-110kv電壓等級(jí)、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(duì)終端交流電流引線進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,在現(xiàn)有設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果為該高溫超導(dǎo)電纜終端低溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和進(jìn)一步優(yōu)化提供了依據(jù)。

北京譜儀(besiii)超導(dǎo)磁體是為北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)二期改造工程(bepcii)制造的超導(dǎo)探測(cè)器磁體.它采用了國(guó)際上先進(jìn)的兩相氦間接冷卻方式及線圈內(nèi)繞技術(shù).其超導(dǎo)線為鋁穩(wěn)定體nbti/cu超導(dǎo)電纜.由于生產(chǎn)工藝上長(zhǎng)度的限制,besiii超導(dǎo)電纜由三段電纜焊接而成.焊接匝電阻必須限制在一定范圍內(nèi),以免產(chǎn)生過大的焦耳熱,影響磁體的正常運(yùn)行.超導(dǎo)電纜由支撐筒內(nèi)部引出到頸管及閥箱部分時(shí),有一定角度的平彎及側(cè)彎,這部分彎曲電纜的載流能力也是必須要考慮的問題.為此,我們進(jìn)行了兩次超導(dǎo)電纜性能測(cè)試實(shí)驗(yàn),對(duì)超導(dǎo)電纜彎曲前后的載流能力進(jìn)行了測(cè)試,并且測(cè)量了超導(dǎo)電纜低溫下的焊接電阻.本文提供了這兩次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析.

35kv/2ka高溫超導(dǎo)電力電纜終端 畢延芳　　陳行倩　　馬登奎　　羅南昌 孫成元　　崔國(guó)根　　武松濤 中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所,合肥1126信箱　230031 侯　波　　曹昆南　　信　贏 北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司,北京　100176 　　電力電纜已被確認(rèn)為高溫超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要項(xiàng)目之一.電力電纜在終端處屏蔽層 終斷、因電場(chǎng)集中,故需改善電場(chǎng)分布和加強(qiáng)電絕緣;超導(dǎo)電纜終端還是運(yùn)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.前期研發(fā)的試驗(yàn)終端已初步解 決了終端恒溫器結(jié)構(gòu)、電流引線優(yōu)化、可分離低阻接頭和耐高電壓的絕緣液氮接管設(shè)計(jì)和相 關(guān)試驗(yàn)研究,在額定電流2ka情況下每對(duì)終端的熱負(fù)荷210w,并進(jìn)行了5項(xiàng)高電壓絕緣試 驗(yàn). 1引　　言 高溫超導(dǎo)材料經(jīng)歷近20年的發(fā)展即將步入大規(guī)模應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化階段.銀基帶bi2

近日,韓國(guó)ls電纜的22.9kv級(jí)超導(dǎo)電纜在首爾近郊成功應(yīng)用于實(shí)際線路系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了無事故運(yùn)行,獲韓國(guó)電力公司授予的"實(shí)際線路應(yīng)用合格認(rèn)證",并把相關(guān)設(shè)備及運(yùn)行工作成功移交韓國(guó)電力公司。借此,ls電纜成為了世界唯一一家集開發(fā)超導(dǎo)電纜、中間接線盒、終端接線盒以及冷卻/控制系統(tǒng)

約1km的世界最長(zhǎng)超導(dǎo)電纜被正式整合連入德國(guó)埃森市中心電網(wǎng),成功將2個(gè)變電站連接起來,成為內(nèi)陸城市在未來能源供應(yīng)實(shí)際測(cè)試中的1個(gè)里程碑。相對(duì)于傳統(tǒng)電纜,超導(dǎo)電纜技術(shù)效率高,可節(jié)省空間,輸送功率高出5倍,并且?guī)缀鯖]有任何能量損失。該超導(dǎo)電纜項(xiàng)目由德國(guó)卡爾斯魯爾技術(shù)研

世界最長(zhǎng)的配電電壓等級(jí)超導(dǎo)電纜系統(tǒng)在韓國(guó)首都首爾附近的i＇cheon變電站投入運(yùn)行。該條超導(dǎo)電纜線路由美國(guó)超導(dǎo)線公司制造，

建立了30米長(zhǎng)高溫超導(dǎo)電纜的二維模型,利用fluent軟件對(duì)該模型進(jìn)行仿真分析。在該模型中,采用波紋管恒溫器,分析了波紋管的波距、波高等因素對(duì)出口液氮溫度的影響。結(jié)果表明:在相同的熱負(fù)荷及流量下,波紋管的波距越小,波高越大,出口液氮溫度越高。超導(dǎo)電纜波紋管內(nèi)液氮溫度模擬,為低溫冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

近日，韓國(guó)ls電纜的22．9kv級(jí)超導(dǎo)電纜在首爾近郊成功應(yīng)用于實(shí)際線路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無事故運(yùn)行，獲韓國(guó)電力公司授予的“實(shí)際線路應(yīng)用合格認(rèn)證”，并把相關(guān)設(shè)備及運(yùn)行工作成功移交韓國(guó)電力公司。借此，ls電纜成為了世界唯一一家集開發(fā)超導(dǎo)電纜、中間接線盒、終端接線盒以及冷卻／控制系統(tǒng)為一體的整個(gè)超導(dǎo)電纜系統(tǒng)、同時(shí)成功完成安裝、運(yùn)行的企業(yè)。超導(dǎo)電纜采用電阻率為“零”的超導(dǎo)體，無電力損耗，可通過一根電纜傳輸原有一般電纜5倍以上的電量。長(zhǎng)遠(yuǎn)來講，超導(dǎo)電纜還作為實(shí)現(xiàn)國(guó)家間、大陸間電力傳輸?shù)闹悄茈娋W(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)被業(yè)界稱為“夢(mèng)的技術(shù)”。