我國研制出6米長液氮高溫超導(dǎo)電纜

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.

在底特律高溫超導(dǎo)電纜取代銅電纜

本文對一種額定電流為400a的高溫超導(dǎo)消磁電纜的電纜端頭進行了初步的理論設(shè)計,建立了電流引線的導(dǎo)熱物理模型,采取數(shù)學(xué)求導(dǎo)的方法計算得出電流引線漏熱的大小與電流引線長度和橫截面積的設(shè)計有一定的關(guān)系。結(jié)合額定電流值計算出電流引線漏熱達(dá)到最小時電流引線相應(yīng)的長度、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)電纜在電力系統(tǒng)中運行是發(fā)展趨勢,若超導(dǎo)電纜本身故障或電力系統(tǒng)故障時都會對其產(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,提出了針對低溫絕的緣高溫超導(dǎo)電纜的失超檢測新方法——基于幅值差值檢測和相位差值變化率檢測,并通過仿真軟件pscad/emtdc分析了電力系統(tǒng)發(fā)生各種短路故障時高溫超導(dǎo)電纜的失超特性,從而驗證了這兩種檢測方法的可行性。

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。

通過建立高溫超導(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110kv/2ka高溫超導(dǎo)電纜樣纜,并進行載流能力實驗,得到各層電流分布結(jié)果。分析發(fā)現(xiàn),各層電流分布的實驗結(jié)果與理論計算結(jié)果吻合,從而驗證電流分布計算模型的正確性,以及調(diào)整繞制角度對均勻?qū)娱g分流的有效性。研究結(jié)論對以后更長高溫超導(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一步優(yōu)化指明了方向。

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

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)。

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)電纜的機械強度,因此在設(shè)計時帶材排布方式也是必須要考慮的設(shè)計銅骨架直徑的因素。文中綜合考慮各因素之間的重要程度,提出了設(shè)計單通道冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜銅骨架的設(shè)計流程,并以110kv/3ka的高溫超導(dǎo)電纜為例進行了設(shè)計計算。

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。

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

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)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)計和進一步優(yōu)化提供了依據(jù)。

低溫絕緣高溫超導(dǎo)電力電纜

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。

大電流高溫超導(dǎo)電線材料

近日,韓國ls電纜的22.9kv級超導(dǎo)電纜在首爾近郊成功應(yīng)用于實際線路系統(tǒng),實現(xiàn)了無事故運行,獲韓國電力公司授予的"實際線路應(yīng)用合格認(rèn)證",并把相關(guān)設(shè)備及運行工作成功移交韓國電力公司。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)

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。

國際熱核聚變實驗堆計劃是目前我國參與的最大的國際合作項目,cicc(cable-in-conduitconductors)導(dǎo)體具有較低的交流損耗,是核聚變裝置的首選導(dǎo)體。介紹了cicc導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)及其絞纜試制過程,確定了cicc導(dǎo)體絞纜工藝技術(shù)路線。多次絞纜試制表明,第五級子纜的絞制加工尤其是外徑控制是整個cicc導(dǎo)體絞纜關(guān)鍵環(huán)節(jié)。多道輥壓+定徑哈夫?？刂萍夹g(shù)可有效地控制cicc絞纜的外徑,并不對單線造成損傷。