基于T-A方程的三相同轴超导电缆电磁损耗研究

交流损耗作为超导电缆本体的主要损耗,其数值大小将影响超导电缆性能及设计长度。使用传统H公式计算CORC电缆损耗时所需时间长、计算复杂。针对以上缺点,提出一种基于有限元仿真软件COMSOL Multiphysics下的T-A公式计算方法,通过对三相同轴超导电缆主要结构参数的设计,并建立稳态下超导电缆电磁场模型。此外,分析了导体层绕制角与电磁损耗之间的变化规律。结果表明,各相导体层绕制角均为20°情况下电缆本体总电磁损耗为0.203 W/m,满足设计要求。在此基础上,增加各相绕制角均可减少电缆电磁损耗,其中增加C相绕制角时损耗降低幅值最大。然而增加绕制角将增加电缆制造成本,综合考虑其对电缆制造成本与运维成本的影响,计算得到最佳绕制角为38°。     

端部松动对高温超导电缆导体交流损耗影响的定性分析（英文）

高温超导电缆由于其较低的交流损耗和高传输电流密度的特点,随着地下电缆容量的不断提升在人口密集城区具有潜在的应用前景.交流损耗是是高温超导电缆的一个重要参数,对其运行稳定性和运行成本具有重要影响.为了研究高温超导电缆的交流损耗,用YBCO涂层导体绕制了一根长1.5米的冷绝缘电缆导体,此电缆导体包括一层导体层,绝缘层,和一层屏蔽层.基于Bean临界态模型对电缆导体的交流损耗进行了分析并在工频77K条件下用电测法对交流损耗进行了测量.结果在计算值与试验结果之间有难以置信的差异.本文基于电缆导体两端的几何与机械结构对产生这种现象的原因进行了定性分析.     

110kV冷绝缘高温超导电缆本体绝缘设计

对国内第一根基于YBCO涂层导体的110kV冷绝缘高温超导(CD HTS)电缆本体绝缘进行了设计。根据冷绝缘HTS电缆的结构特点,通过分析不同绝缘材料的介电特性,应用电场有限元数值分析模型和理论模型,计算了超导电缆本体电场分布,研究了超导电缆主绝缘厚度与局部放电起始场强的定量化关系,最后给出了110kV冷绝缘HTS电缆主绝缘材料与厚度的设计方案。     

多层导体超导电缆的交流输电特性

在完成设计和制造我国第一组并网运行的超导电缆系统的工作中,我们对不同结构的超导电缆短样样品的交流载流特性进行了系统的研究,内容包括层电流均流特性、电缆失超特性、失超恢复特性、电缆载流能力和抗短路冲击能力等.结果表明,对多层螺旋导体结构的超导电缆,影响其输运电流在各导体层分布的主要因素是邻近效应.由于其零电阻特性,在相同的结构中,超导体表现出比常规导体大得多的临近效应.显著的邻近效应使多层导体结构的超导电缆的均流问题变得更加复杂.此类超导电缆有很强的抗短路电流冲击能力,能够承受高于额定电流20倍以上的短路电流,并且有很好的超导性能恢复能力.由于交流超导电缆的电压与电流相位差对电阻的变化非常敏感,所以可以被用作判断失超的预警参数用来避免热溃式失超的发生.     

三相同轴超导电缆通流不平衡度优化研究

三相同轴超导电缆各相半径不同,影响电磁参数对称性,造成三相电流的不平衡,增加了交流损耗。为此,提出一种二分型粒子群优化算法,实现对三相均流的优化。该方法将电缆C相超导层和屏蔽层分为半径相同、节距和绕制方向不同的两段,通过调整节距和绕制方向,三相电流矢量不平衡度可降到5%以内,且屏蔽层电流几乎为0。为了防止电缆因短路等故障电流冲击而损坏,电缆结构中加入与三相超导层并联的铜保护层,在故障发生时大多数短路电流从铜保护层流过,从而起到保护超导电缆的作用。设计了一根10 kV/1 kA的二分型三相同轴超导电缆,研究了铜保护层的分流特性,最后制作了5 m长的电缆样缆,并对样缆在77 K运行温区下进行了三相通流试验,试验结果验证了算法的有效性。     

冷绝缘超导电缆的结构及技术简介

超导电缆具有传输容量大、传输损耗低、占用通道小和环境友好等特性,备受电力行业的关注.随着超导电缆技术的不断进步,它将很有可能在未来电网的主干线路、城市电力负荷集中区、大型工矿厂区等电能传输密集的线路中得到广泛应用.冷绝缘是超导电缆的一种结构形式,在交流电传输上具有一定的优势.目前,冷绝缘超导电缆在国际上有多个已完成和进行中的示范性项目,是超导电缆技术发展的一个重要方向.本文介绍了冷绝缘超导电缆的基本结构,与热绝缘超导电缆的区别,并根据10kV/1500A单相冷绝缘超导电缆的研发实践,对其制作技术进行简要介绍.     

±100 kV/1 kA能源管道双极直流高温超导电缆导体设计

本文提出了一种新的超导电缆导体设计方法,利用Bi系超导带材的机械及电磁特性,结合超导电缆的短路特点、磁场分布和电压,给出了骨架、导体层和主绝缘部分的设计数据,并使用液化天然气作为超导电缆的冷却介质,完成了能源管道±100 kV/1 kA双极直流高温超导电缆导体设计,结果满足要求。     

多层导体超导电缆的交流输电特性

在完成设计和制造我国第一组并网运行的超导电缆系统的工作中，我们对不同结构的超导电缆短样样品的交流载流特性进行了系统的研究，内容包括层电流均流特性、电缆失超特性、失超恢复特性、电缆载流能力和抗短路冲击能力等．结果表明，对多层螺旋导体结构的超导电缆，影响其输运电流在各导体层分布的主要因素是邻近效应．由于其零电阻特性，在相同的结构中，超导体表现出比常规导体大得多的临近效应．显著的邻近效应使多层导体结构的超导电缆的均流问题变得更加复杂．此类超导电缆有很强的抗短路电流冲击能力，能够承受高于额定电流20倍以上的短路电流，并且有很好的超导性能恢复能力．由于交流超导电缆的电压与电流相位差对电阻的变化非常敏感，所以可以被用作判断失超的预警参数用来避免热溃式失超的发生．     

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ITER超导磁体系统的超导电流传输线导体是由NbTi/Cu管内电缆超导体、辅助绝缘层和接地金属屏蔽层组成的层状复合材料结构。分别采用基于传统的复合材料理论和基于均匀化理论与复合材料损伤理论相结合的方法对超导传输线导体的等效模量进行了理论预测。这些结果为分析和计算超导电流传输线的应力和变形以及热性能提供了必要的参数。     

高温超导电缆屏蔽层中电流分布的仿真模型研究

高温超导电缆运行过程中,因其传输电流密度高,会对外部环境产生较大的电磁污染,需要对超导电缆进行电磁屏蔽。根据三相统包高温超导电缆结构,搭建了一种电路仿真模型,基于有限元仿真分析,对电路模型中的等效分布电容、等效电感、等效电阻进行了计算。分析了在三相对称、单相断路情况下电缆的运行情况,基于仿真模型,可对三相统包电缆屏蔽层屏蔽效果进行仿真测试分析,并对屏蔽层在不同工况下的通流情况进行指导设计。     

新型高温超导扭绞缆线的临界电流评估方法及其特性研究

高温超导缆线是研究各种大电流高温超导应用的基础.将超导材料通过不同方式组合成复合导体,不仅可以让缆线的载流量得到提升,更可以在机械强度和电磁特性等方面得到改善.在国内外众多研究缆线的团队中,上海交通大学超导团队提出了一种基于YBCO高温超导带材的新型高温超导扭绞缆线结构.这种结构在理论上不仅实现了载流量和机械强度的平衡,还通过扭绞改善了电磁特性[4-5].但是目前对于这种缆线的研究还处于起步阶段,特别是对其临界电流特性的研究.因此为了研究新型高温超导扭绞缆线的临界电流特性,本文从新型高温超导扭绞缆线的结构出发,通过仿真和实验两个角度对新型高温超导扭绞缆线的临界电流特性进行研究.在仿真方面,用H方程法计算缆线的临界电流,并探究扭绞节距是否会对临界电流的衰减产生影响.在实验方面,研究出了一种最适合于该缆线结构的临界电流评估方法“SVWE-copperwire-TU”.并用该方法测量了新型高温超导扭绞缆线的临界电流特性.本研究的结论对于后续制作更大电流的新型高温超导扭绞缆线具有重要意义.     

10 kV紧凑型三相同轴高温超导电缆交流损耗研究

根据10 kV紧凑型三相同轴高温超导电缆参数,在COMSOL Multiphysics有限元软件中建立电缆的二维仿真模型,基于H方程求解了电缆在额定工况稳态运行时以及不同传输电流下的磁场分布和交流损耗;在此基础上,分析了绕制半径、相间距离以及相间相对角度对交流损耗的影响.仿真结果表明,各相超导层绕制半径越小,相间距离越小,各相产生的交流损耗越小;三相的交流损耗有随着超导层结构周期性变化的特点,且当相间相对角度为0°时,各相产生的交流损耗最大.     

不同载流运行下冷绝缘高温超导电缆的温度场数值分析

针对冷绝缘高温超导电缆(Cold Dielectric High Temperature Superconducting cable,CD HTS cable)在不同载流下的运行稳定性,采用有限元数值分析方法对超导电缆内部温度场进行准确计算和分析。根据超导电缆内部各层传热特征,建立基于ANSYS的CD HTS电缆有限元模型,给出正常载流及故障载流下超导电缆温度场分析传热边界条件,计算得到不同载流情况下超导电缆本体温度分布变化规律,从而为其通流能力影响下的运行稳定性分析提供参考依据,对超导电缆的故障保护具有一定的指导意义。     

新型高温超导复合导体的磁场仿真与实验分析

针对兆伏安级容量的超导变压器,通过绕组初步设计,考虑导体的电流密度、载流量和交流损耗,提出面向大容量超导变压器应用的新型超导复合导体结构,介绍了含内外超导层的新型高温超导复合导体的结构。引入电流矢量T和磁矢量势A的方法,考虑临界电流密度J_c和磁场B的关系,建立了导体不对称三维数值载流模型,计算分析了不同结构参数对导体临界电流的影响规律。通过绕制的新型高温超导复合导体短样,在液氮环境下对其自场临界电流进行了测量,计算结果和实验结果基本吻合,验证了模型的合理性。     

高温超导电缆层电流分布对电缆稳态运行特性的影响分析

为了分析冷绝缘高温超导电缆层电流分布对其稳态运行特性的影响,提出超导电缆的等效电路模型,给出求解各层电流的矩阵方程,应用超导电缆的温度分布计算模型和边界条件,获得不同均流效果下的超导电缆最大载流能力和稳态径向温升,并与有限元计算结果进行对比。结果比较表明,各层电流均衡分布不仅能提高电缆的载流能力,而且可以降低超导电缆的稳态运行温升,提高了超导电缆在稳态运行时的稳定性。     

Modeling and testing of static pressure within an optical fiber cable spool using distributed fiber Bragg gratings

Based on the force analysis, we establish a theoretical model to study the static pressure distribution of the fiber cable spool for the fiber optic guided missile (FOG-M). Simulations indicate that for each fiber layer in the fiber cable spool, the applied static pressure on it asymptotically converges as the number of fiber layers increases. Using the distributed fiber Bragg grating (FBG) sensing technique, the static pressure of fiber cable layers in the spool on the cable winding device was measured. Experiments show that the Bragg wavelength of FBG in every layer varies very quickly at the beginning and then becomes gently as the subsequent fiber cable was twisted onto the spool layer by layer. Theoretical simulations agree qualitatively with experimental results. This technology provides us a real-time method to monitor the pressure within the fiber cable layer during the cable winding process.     

基于分布式光纤Bragg光栅传感技术的光缆卷盘静态压力研究

基于对光缆卷盘缆层静态压力分布的理论分析, 建立了光缆缠绕体系中的受力理论模型. 研究表明, 随着缠绕层数的增加, 卷盘各层光缆所受压强先快速增大而后变化平缓. 采用分布式光纤Bragg光栅(FBG)对光缆绕线装置上缆层的静态压力进行了实时传感, 理论上给出了FBG的中心波长偏移量与体系压强的定量关系, 实验上发现各层FBG的中心波长随着光缆卷盘缠绕层数的增加先较快速变化而后趋于平缓, 理论模拟和实验测量结果符合得很好. 该技术解决了光缆绕线过程中无法对缆层所受压力进行实时监测的难题.     

直线电机用高温超导块材磁体作用力—磁场特性分析

本文以探究高温超导块材磁体在同步直线电机实际应用特性为目标,搭建了对磁场、三维电磁力信号同时采集的多物理场测试平台.实验探究了作为直线电机次级的高温超导块材磁体所受电磁力、俘获磁通随充磁电流、电机初级三相交流电电流幅值、频率等参数的变化规律.理论分析了高温超导块材俘获磁通在行波磁场中的衰减规律.基于所得结论,提出可有效抑制磁场衰减的方法—引入铁磁材料,并重点讨论该方法对初次级间电磁力的影响.     

高温超导直流电缆现状

文中对高温超导直流电缆现状进行了介绍。高温超导直流电缆是用于直流输电的高温超导电缆。高温超导直流电缆发展相对落后于高温超导交流电缆,国际上示范项目也较少。但随着轻型直流输电应用的逐渐发展,高温超导直流电缆越来越引起人们的重视。高温超导直流电缆的本体结构和高温超导交流电缆本体结构类似。高温超导直流电缆具有输电损耗小、适合长距离输电、增加电网稳定等功能。比较适用于背靠背直流输电,工业直流输电,互联网数据中心直流供电,远距离、大容量直流输电等场合。此外,还介绍了目前国际上主要的超导直流电缆项目及研究机构情况。