我国第一套高温超导电缆系统组装及调试试验胜利完成

我国研制出6米长液氮高温超导电缆

为了分析导电层分流特征对超导电缆交流损耗分布影响,建立了基于ybco涂层导体的110kv/3ka冷绝缘高温超导电缆载流数学模型,计算了不同运行温度下超导电缆各导电层电流分布,并根据monoblock模型及bean模型计算了超导电缆交流损耗.计算结果表明77k下超导电缆层电流均匀分布时总交流损耗最小;69k时超导电缆总交流损耗最小时,电缆各导电层电流分布不均,超导电缆层电流均匀分布时总交流损耗最小这一观点并不具有普遍性.所提出的计算方法和结果为降低多导电层超导电缆交流损耗提供了新思路.

在底特律高温超导电缆取代铜电缆

本文对一种额定电流为400a的高温超导消磁电缆的电缆端头进行了初步的理论设计,建立了电流引线的导热物理模型,采取数学求导的方法计算得出电流引线漏热的大小与电流引线长度和横截面积的设计有一定的关系。结合额定电流值计算出电流引线漏热达到最小时电流引线相应的长度、横截面积,最后估算了电缆端头的漏热负荷。

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。

高温超导电缆在电力系统中运行是发展趋势,若超导电缆本身故障或电力系统故障时都会对其产生重要影响。文中在理论分析低温绝缘的高温超导电缆在短路故障情况下屏蔽层电流与导体层电流相位、幅值的关系基础上,提出了针对低温绝的缘高温超导电缆的失超检测新方法——基于幅值差值检测和相位差值变化率检测,并通过仿真软件pscad/emtdc分析了电力系统发生各种短路故障时高温超导电缆的失超特性,从而验证了这两种检测方法的可行性。

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。

通过建立高温超导电缆等效电路模型,并提出电流分布等效数学方程,求得高温超导电缆导体层电流分布。绕制一根0.2m长110kv/2ka高温超导电缆样缆,并进行载流能力实验,得到各层电流分布结果。分析发现,各层电流分布的实验结果与理论计算结果吻合,从而验证电流分布计算模型的正确性,以及调整绕制角度对均匀层间分流的有效性。研究结论对以后更长高温超导电缆的载流能力分析具有一定的指导意义。

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。

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

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。

单通道冷绝缘高温超导电缆的铜骨架直径的主要决定因素为超导电缆的短路热稳定性、载流能力以及交流损耗。除此之外,由于超导层带材的排布方式间接地影响了超导电缆的载流能力、交流损耗以及超导电缆的机械强度,因此在设计时带材排布方式也是必须要考虑的设计铜骨架直径的因素。文中综合考虑各因素之间的重要程度,提出了设计单通道冷绝缘高温超导电缆铜骨架的设计流程,并以110kv/3ka的高温超导电缆为例进行了设计计算。

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。

东京电力和住友电气工业将于2001年6月进行高温超导电缆线的通电实验,2010年前后在东京中心区域进行实用化。目前地下管线为内径150mm,最大送电能力为约10万kw。如果高温超电导缆线能够用于实际送电,其送电能力将增大10倍;达到100万kw。由于在人口密集的城市中心建筑电力传送设施的成本本来就很高,因此即使采用77k的液氮进行冷却来实现

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。

低温绝缘高温超导电力电缆

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。

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。

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。

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