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

我國(guó)研制出6米長(zhǎng)液氮高溫超導(dǎo)電纜

為了分析導(dǎo)電層分流特征對(duì)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(jì)算了不同運(yùn)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(jì)算了超導(dǎo)電纜交流損耗.計(jì)算結(jié)果表明77k下超導(dǎo)電纜層電流均勻分布時(shí)總交流損耗最小;69k時(shí)超導(dǎo)電纜總交流損耗最小時(shí),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(shí)總交流損耗最小這一觀點(diǎn)并不具有普遍性.所提出的計(jì)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.

在底特律高溫超導(dǎo)電纜取代銅電纜

本文對(duì)一種額定電流為400a的高溫超導(dǎo)消磁電纜的電纜端頭進(jìn)行了初步的理論設(shè)計(jì),建立了電流引線的導(dǎo)熱物理模型,采取數(shù)學(xué)求導(dǎo)的方法計(jì)算得出電流引線漏熱的大小與電流引線長(zhǎng)度和橫截面積的設(shè)計(jì)有一定的關(guān)系。結(jié)合額定電流值計(jì)算出電流引線漏熱達(dá)到最小時(shí)電流引線相應(yīng)的長(zhǎng)度、橫截面積,最后估算了電纜端頭的漏熱負(fù)荷。

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(guò)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(guò)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(guò)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。

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(kāi)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(shuō)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)。

通過(guò)建立高溫超導(dǎo)電纜等效電路模型,并提出電流分布等效數(shù)學(xué)方程,求得高溫超導(dǎo)電纜導(dǎo)體層電流分布。繞制一根0.2m長(zhǎng)110kv/2ka高溫超導(dǎo)電纜樣纜,并進(jìn)行載流能力實(shí)驗(yàn),得到各層電流分布結(jié)果。分析發(fā)現(xiàn),各層電流分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合,從而驗(yàn)證電流分布計(jì)算模型的正確性,以及調(diào)整繞制角度對(duì)均勻?qū)娱g分流的有效性。研究結(jié)論對(duì)以后更長(zhǎng)高溫超導(dǎo)電纜的載流能力分析具有一定的指導(dǎo)意義。

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。

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(lái)的輸電系統(tǒng)可能帶來(lái)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(lái)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)。

單通道冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜的銅骨架直徑的主要決定因素為超導(dǎo)電纜的短路熱穩(wěn)定性、載流能力以及交流損耗。除此之外,由于超導(dǎo)層帶材的排布方式間接地影響了超導(dǎo)電纜的載流能力、交流損耗以及超導(dǎo)電纜的機(jī)械強(qiáng)度,因此在設(shè)計(jì)時(shí)帶材排布方式也是必須要考慮的設(shè)計(jì)銅骨架直徑的因素。文中綜合考慮各因素之間的重要程度,提出了設(shè)計(jì)單通道冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜銅骨架的設(shè)計(jì)流程,并以110kv/3ka的高溫超導(dǎo)電纜為例進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。

2月21日下午,中國(guó)首條公里級(jí)高溫超導(dǎo)電纜示范工程啟動(dòng)大會(huì)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(chǔ)備、工程建設(shè)、人才團(tuán)隊(duì)、產(chǎn)業(yè)承載的各項(xiàng)準(zhǔn)備,標(biāo)志著我國(guó)超導(dǎo)電纜實(shí)用產(chǎn)業(yè)化正式起步。

東京電力和住友電氣工業(yè)將于2001年6月進(jìn)行高溫超導(dǎo)電纜線的通電實(shí)驗(yàn),2010年前后在東京中心區(qū)域進(jìn)行實(shí)用化。目前地下管線為內(nèi)徑150mm,最大送電能力為約10萬(wàn)kw。如果高溫超電導(dǎo)纜線能夠用于實(shí)際送電,其送電能力將增大10倍;達(dá)到100萬(wàn)kw。由于在人口密集的城市中心建筑電力傳送設(shè)施的成本本來(lái)就很高,因此即使采用77k的液氮進(jìn)行冷卻來(lái)實(shí)現(xiàn)

低溫系統(tǒng)是該試驗(yàn)裝置的一個(gè)主要分系統(tǒng),采用增壓過(guò)冷液氮冷卻高溫超導(dǎo)電纜及其電流引線,是國(guó)內(nèi)首次采用過(guò)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(guò)冷液氮循環(huán)部分和制冷部分。在過(guò)冷液氮循環(huán)部分,以低溫泵的揚(yáng)程作為循環(huán)流動(dòng)動(dòng)力,液氮通過(guò)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(guò)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(gè)循環(huán)過(guò)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)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(guò)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(guò)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(guò)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)。

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(guò)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(guò)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)。

液氮冷卻系統(tǒng)是10米105kv/15ka三相交流高溫超導(dǎo)電纜實(shí)驗(yàn)裝置中的一個(gè)主要分系統(tǒng)。介紹了液氮冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選擇,提供了液氮冷卻系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容,并通過(guò)與高溫超導(dǎo)電纜聯(lián)機(jī)試驗(yàn),表明了該液氮冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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)。

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(kāi)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(shū)、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。

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(wèn)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(guò)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。

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