螺旋型波纹管流阻测量系统研制及液氮压降测量

超导电缆芯通常内嵌于真空绝热波纹管并被管内低温流动介质冷却和保护。螺旋型波纹管因一次成型制作长度上的优势更适合于大长度超导电缆应用。设计并搭建了螺旋型波纹管液氮流动压降特性实验台,不仅可以方便地更换被测波纹管样品,而且允许插入不同规格的线芯模拟物。利用该实验台测量了液氮流量1～9 L/min区间内不同规格(通径11～15 mm)螺旋型波纹管插入4 mm线芯后的流动压降特性。实验结果验证了三维波纹管压降损失数值模型的准确性。同时,通过进行不同尺寸波纹管实验,发现尺寸变化对摩擦因子变化规律的影响不明显,这为通过该实验台获得小管径实验数据用于指导大管径实际应用波纹管设计提供了理论基础。     

波纹管对超导电缆出口液氮温度的影响

建立了30米长高温超导电缆的二维模型,利用Fluent软件对该模型进行仿真分析。在该模型中,采用波纹管恒温器,分析了波纹管的波距、波高等因素对出口液氮温度的影响。结果表明:在相同的热负荷及流量下,波纹管的波距越小,波高越大,出口液氮温度越高。超导电缆波纹管内液氮温度模拟,为低温冷却系统的优化设计提供理论依据。     

波纹管内流动特性的实验研究

随着超导技术的发展,高温超导电缆在电力输运中逐渐得到重视并进行了广泛的研究.由于波纹管具有良好的柔韧性和收缩性,在高温超导电缆中得到应用.波纹管内的流动压力损失参数是高温超导电缆低温系统重要的设计参数,因而研究波纹管内的流动特性具有重要的意义.对通径为6 mm,8 mm和10 mm的波纹管内液氮和氮气的流动特性进行了实验研究.液氮实验结果表明:液氮在波纹管内的流动具有波动性.在4000～40000的雷诺数范围内,测量了氮气的质量流量和压力损失,计算得到流动摩擦系数.分析表明:压力损失随雷诺数的增大而增大;波纹管的摩擦系数要高于光管,摩擦系数随雷诺数的增大而减小,摩擦系数随t/d的减小而减小.     

结构参数对波纹管内液氮流动与能量损失的影响

高温超导电缆通常浸泡在采用真空多层绝热保护的双层波纹管内程管的液氮中。液氮在超导电缆内流动的压力损失和冷却效果是其运行系统设计的重要参数。对不同直径的波纹管进行了不同流量下的CFD仿真计算,结果表明流量越大、直径越小,压降越大;波高直径比与波高波距比不变时,波纹管的达西流动阻力系数与波纹管的直径基本无关;波纹管直径对超导电缆的沿程温升几乎没有影响;增大波纹管的直径能够大幅降低超导电缆的沿程能量损耗。该文结果为超导电缆设计过程中波纹管的选取提供了理论依据。     

高温超导电缆用波纹管内液氮流动特性的数值研究

随着超导技术的发展,高温超导电缆在电力输运中逐渐得到重视并进行了广泛的研究。由于波纹管具有良好的柔韧性和收缩性,在高温超导电缆中作为杜瓦放置电缆,冷却超导体用的液氮需流经波纹管。在系统设计中,需要对液氮在波纹管中的流动特性加以了解。为了研究液氮在波纹管内的流动特性,对其进行了数值计算及理论分析。分析表明:压力损失随入口速度的增大而增大;在波纹内形成了涡旋流;在所考察的雷诺数范围内,雷诺数对摩擦系数的影响不大,而波纹尺寸对摩擦系数具有主要的影响。摩擦系数随s/t的增大而减小。。     

插入芯体的螺旋型波纹管液氮流动特性仿真研究

液氮在传输管线中的压降特性一直是高温超导电缆低温系统最重要的设计参数之一。以往针对液氮流动阻力的研究大多在直管或环型波纹管方面,主要关注其几何尺寸对压降的影响。然而,实际应用的长距离高温超导电缆更适合应用螺旋型波纹管。本文主要研究螺旋型波纹管插入导体芯后管内液氮的流动特性。通过建立三维数值模型,对螺旋型波纹管中插入直径为5、8 mm的3根或4根螺旋绞织缠绕导体芯时的液氮流动阻力进行对比分析。结果表明,导体芯的粗细、导体芯自身螺旋缠绕的节距、及导体芯缠绕时相互间形成的空隙大小均是直接影响液氮流动压降、摩擦因子的关键因素,并获得了液氮摩擦因子与上述参数的定量关系。     

铋系高温超导直流电缆的研制

6m长,2000A的铋系高温超导直流电缆在中国科学院电工研究所研制并试验成功,电缆的导体由8层共238根Bi-2223/Ag带材在不锈钢波纹管骨架上螺旋绕制而成,导体的内径为41．5mm,导体层间绝缘,导体层外侧有低温电绝缘,电缆芯的外径为48mm,它安装在低温容器内,并与两个终端相连,电缆的直流耐压大于2．5kV,在液氮下的实验表明,电缆的临界电流为2480A（1uV/cm判据）,n值为7．7,接头总电阻为0．1mΩ,均超过设计指标,在1h传输2kA电流的运行中,电缆的传输特性稳定,经4次热循环,电缆的临界电流没有降低。     

并绕铜带对高温超导绕组交流损耗影响实验研究

在许多超导电力设备的应用中,超导绕组的机械性能和电流过载能力是关乎设备运行安全性和可靠性的重要现实问题。利用铜线(或铜带)与高温超导带材平行绕制的方法是解决这一问题的可行方案之一。但这种方案有可能带来额外的交流损耗。为了研究这一问题,制作了两个尺寸相同的超导绕组,绕组内径70mm,外径90mm,高45mm,其中一个绕组由超导带与铜带并绕而成,另一个则由超导带材单独绕制而成。两个样品使用的超导带材均为一代Bi-2223/Ag高温超导带,宽4.6mm,厚0.22mm;铜加强带宽5mm,厚0.1mm。采用了卡路里法对比研究了两个样品的交流损耗。实验结果显示加入铜带没有明显增加超导绕组的交流损耗。因此,超导绕组中并绕铜带不失为一种有效提高超导绕组机械性能和过载能力的方法,在超导电力设备中有一定的应用价值。     

超导电缆中螺旋形带材磁场的三维仿真

本文基于超导直流电缆应用,针对电缆中超导带材以螺旋形态缠绕于支撑管的情形,使用毕奥-萨伐定律对螺旋电流在空间任意点产生磁感应强度进行数值计算,并使用仿真软件COMSOL Multiphysics进行三维仿真。结合超导带材在外磁场下的临界电流特性,分析由此造成的电缆临界电流退化,发现在导体层带材根数相同、单根带材通流幅值相等的前提下,螺旋角度较大时磁感应强度垂直带材表面分量较小,临界电流衰减程度更小,更有利于超导电缆的稳定运行和载流能力的提升。     

倾斜角度对管内液氮流动阻力系数的影响

高温超导电缆大都采用带真空多层绝热保护的双层波纹管作为冷却电缆的液氮套管。波纹管内含有超导电缆时液氮的流动压力损失是其低温系统设计的重要参数。超导电缆根据实际布置需要,存在按一定角度倾斜排布的情况。对倾斜角度的波纹管进行了液氮流动实验,考察倾斜角度和流动阻力系数的关系。同时,也对光滑圆管进行不同倾斜角度的CFD仿真,考察光滑圆管内液氮流动受到不同角度下重力作用的影响。通过上述两方面的研究,得出结论认为在超导电缆实际应用中,电缆的倾斜不会对液氮的流动压力损失造成明显影响。     

中国第一组超导电缆并网运行试验

中国第一组超导电缆于2004年4月19日在昆明普吉220kV变电站并网成功,并开始向用户供电.本文详细地描述了该电缆并网前后部分试验,如:超导电缆直流电阻测量、超导电缆通流试验、温度、压力和流量的在线监测、绝缘电阻和介损损耗测试等.所有试验结果均显示该电缆技术指标达到实际并网运行要求.超导电缆并网运行成功,标志着我国已经掌握了超导电缆开发能力.本文所提出的超导电缆并网运行试验方法和试验结果为我国进一步开发超导电缆提供了宝贵的经验.     

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.     

35kV低温绝缘超导电缆绝缘设计研究

主要研究了35k V低温绝缘超导电缆的绝缘特性。首先对低温绝缘材料聚丙烯层压纸PPLP(Polypropylene laminated paper)的绝缘性能进行了绝缘击穿试验研究,得到PPLP工频耐压及雷电冲击耐压的绝缘强度。在此基础上,设计了35k V低温绝缘超导电缆的绝缘,并且制作了模型样品,并对样品绝缘性能进行了局部放电试验及工频耐压试验,验证了设计的绝缘满足国家规定的电缆要求。对超导电缆的实际应用有着重要意义。     

螺旋形超导带材的直流冲击实验研究

基于超导直流电缆应用,针对第二代高温超导带材Re BCO开展了直流冲击实验。首先,通过改变冲击条件(冲击电流大小和持续时间)得到带材的耐直流冲击特性,确定可保证带材性能完好的最大冲击电流幅值(安全电流)及其相应冲击时间。随后,针对实际电缆中超导带材是以螺旋形态缠绕于支撑管上,设计实验研究超导带材螺旋角和螺旋直径对其临界电流和耐冲击特性的影响规律,发现带材所能承受的最大冲击电流幅值随冲击作用时长的增加而逐渐下降、过大的螺旋角和过小的螺旋直径均会对带材造成损伤,影响其通流能力。上述研究结果为电缆的后续设计和制造提供了必要的参考依据。     

纳米压痕条件下 MgB2 超导块材的压入力学行为研究

本文采用纳米压痕技术对固相烧结法制备的 MgB2 超导块材进行压入力学实验, 对不同压深的载荷-位移曲线和纳米压痕数据的再现性进行了分析, 实验数据使用 Oliver-Pharr 方法计算得出 MgB2 的硬度值, 借助经验方程拟合纳米压痕蠕变曲线求得蠕变速率敏感指数(m ) . 结果表明, 微观结构不均匀性会对材料在压头压入过程中抵抗外力作用时产生影响, 使压痕数据再现性变差; MgB2 的硬度表现出尺寸效应, 即随着压入深度的增加硬度逐渐下降;m 值随压入深度增加而增加是位错滑移速度加快的结果.     

100kV直流高温超导电缆终端应力锥设计

本文提出了一种新的单直线应力锥设计方法,根据PPLP材料的绝缘特性,结合超导电缆的本体尺寸和设计电压,给出了增饶绝缘厚度和应力锥轴向长度的设计数据,其中增饶绝缘厚度为3.5 mm,应力锥轴向长度为38.5 mm,并对单直线应力锥进行电场数值分析,结果表明,所设计的单直线应力锥满足100 kV直流高温超导电缆运行要求。     

窄堆线的堆叠方式对高温超导管内电缆导体临界电流的影响

为了提高超导缆线的结构性能,将利用2mm宽的超导带材形成窄堆线,并将其嵌入到开槽铝管中,制备成一种基于窄堆线的高温超导管内电缆导体。通过临界电流测量实验,研究了不同带材根数和不同扭绞节距对高温超导管内电缆导体临界电流的影响。结果表明,扭绞节距一定时,带材堆叠根数越多,临界电流折损率越大;当扭绞节距最小为100mm时,超导窄堆线依旧能保持良好超导特性,且临界电流未发生较大折损。     

内置双旋线换热管内流动与传热数值模拟

采用数值计算方法,以水为流动介质,分别对内置双旋线外径为9 mm、12 mm、15 mm、18 mm的换热管内流体流动与传热特性进行模拟分析,结果表明:管内流体呈规律性三维螺旋流动,提高了管壁附近流体的周向速度和径向速度,加剧了管壁滞留层流体的扰动及与中心区域流体的混合;随着双旋线外径增大,流动阻力系数f随之增加;内置双旋线换热管的协同数均大于光管,综合性能评价指标PEC值可达1.8,说明内置双旋线换热管具有良好的综合换热性能。     

过电流状态下超导直流电缆温度分布与电流分布

针对处于过电流状态的单液氮流道超导直流电缆和双液氮流道超导直流电缆,在MATLAB中建立超导电缆在过电流状态下的YBCO层、金属层和铜骨架的并联电阻模型。同时在COMSOL中建立固体传热模型,通过程序调用实现COMSOL和MATLAB的联合仿真,计算出电流分布和温度分布。在COMSOL中建立流固共轭传热模型,利用联合仿真的数据计算两种结构的电缆在不同电流下的温度分布,并分析铜骨架半径和液氮流速对电缆温度分布的影响。     

基于普朗特类比的多种强化管内污垢数据分析

针对光管和四种不同结构的强化管(缩放管I、缩放管Ⅱ、弧线管及波纹管)在相同条件(工质流速、入口温度、水浴温度及微粒浓度)下的颗粒污垢实验数据,基于普朗特类比法,以φ(φ=(Km/Kmp)/(f/fp),Km为质量传递系数,f为摩擦因子,下标p表示光管)和ψ(ψ=j/jp)/(f/fp)1/3,J为传热因子)作为传热性能...