高温超导直流电缆系统设计及漏热分析

近年来,高温超导技术研究在输配电领域取得了显著的进展,超导电缆应用技术成为其重点发展方向。其中,冷却系统的设计是保证超导电缆输配电系统稳定运行的关键技术。针对一套高温超导直流电缆系统中的终端恒温器、电流引线和超导电缆本体等关键部件进行了漏热分析,并通过理论计算和有限元仿真,对高温超导电缆系统的热负荷进行了评估,为该系统可靠运行提供了保障。     

高温超导直流电缆系统设计及漏热分析北大核心

近年来,高温超导技术研究在输配电领域取得了显著的进展,超导电缆应用技术成为其重点发展方向。其中,冷却系统的设计是保证超导电缆输配电系统稳定运行的关键技术。针对一套高温超导直流电缆系统中的终端恒温器、电流引线和超导电缆本体等关键部件进行了漏热分析,并通过理论计算和有限元仿真,对高温超导电缆系统的热负荷进行了评估,为该系统可靠运行提供了保障。     

35kV/2kA高温超导电力电缆终端

电力电缆已被确认为高温超导技术产业化的重要项目之一.电力电缆在终端处屏蔽层终断、因电场集中,故需改善电场分布和加强电绝缘;超导电缆终端还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.前期研发的试验终端已初步解决了终端恒温器结构、电流引线优化、可分离低阻接头和耐高电压的绝缘液氮接管设计和相关试验研究,在额定电流2kA情况下每对终端的热负荷210W,并进行了5项高电压绝缘试验.     

35kV/1.0kA冷绝缘高温超导电缆温度分布

针对35 kV/1.0 kA单相冷绝缘高温超导电缆及以液氮为低温冷却介质的单通道循环冷却系统,研究超导电缆轴向和径向温度分布。根据冷绝缘高温超导电缆的结构特点,计算了超导电缆的热负荷,建立了超导电缆热分析数学模型和热平衡方程。通过求解热平衡方程,得到了稳态运行时超导电缆的轴向和径向温度分布,为超导电缆低温系统的设计与优化提供了重要的参考价值。     

高温超导电缆终端恒温器研制

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.     

ITER高温超导电流引线的高安全分流器研究

电流引线是室温电源电缆与低温磁体之间的电连接部件.高温超导材料在液氮温度下具有零电阻率和低热导率的特性,用它做成的电流引线可以大大减小低温系统的热负荷,从而减少制冷设备投资及系统运行费.高温超导电流引线可以分为阻性换热器段和高温超导段两部分(其中还包括各部件间的连接部分).高温超导段的分流器设计关系到冷端热负荷大小以及超导段失超后的安全问题.为了研究国际热核聚变试验堆(ITER)电流引线高安全性能,专门设计、试验了68kA引线的1/90实验样品.本文通过对比全CuBe(cu-2%Be)分流器、全不锈钢分流器和二元分流器的失冷故障(LOFA)实验结果,证明二元分流器能够克服安全性和冷端漏热矛盾,可以满足ITER高安全性的要求.     

35kV超导可控电抗器电流引线设计

35kV高温超导可控电抗器工作于70K液氮温区,通过控制超导线圈的工作状态来实现电抗的调节。线圈工作时,电流引线的焦耳热以及传导热是引线漏热的主要来源;当超导线圈开路时,线圈及电流引线则要承受高达十几千伏的感生电压,因此,电流引线的漏热优化以及电气绝缘水平是设计的重点。文中结合电流引线运行工况,设计了35kV超导可控电抗器电流引线,仿真结果表明,该设计漏热量低且温度分布均匀。此外,针对线圈开路时引线的高压情况确立了APG注射环氧绝缘的方案,有效的保证了绝缘水平。     

铜电流引线组的二元化改造

传统的铜电流引线因为在低温区的漏热过大,需要改造成漏热量低的高温超导电流引线。本设计主要针对一对200A和两对80A铜电流引线。通过计算得出了高温超导电流引线的最佳长横比,以及结构在不同低温区的收缩率,并用对电流引线组改造前后做了漏热的分析对比。结果表明,改造后的电流引线组4.5K温区的漏热量降低到未改造前的3.18%,大大降低了系统液氦温区热负荷,降低了运行成本。     

高温超导电流引线研究进展概述

超导装置中需要电流引线实现室温端外部电源与处于低温环境的超导磁体相连，采用高温超导电流引线可以有效降低端漏热，降低运行成本.在满足设计电流的基础上，尽可能降低电流引线的总漏热，提升其失冷时间与烧毁时间，是高温超导电流引线的优化目标.本文概述了高温超导电流引线的传热分析、结构设计、安全性评价以及国内外具体应用案例.     

气冷变截面电流引线优化设计与实验研究

电流引线是连接超导低温装置室温电源与超导单元的桥梁,其漏热直接关系到低温系统的运行稳定与运行成本.本文对传统的气冷电流引线分段计算方法做了一定的改进,提出了气冷变截面电流引线优化设计方法.应用此方法为一个YBCO高温超导带材临界电流特性测试装置设计了变截面电流引线.通过对电流引线的温度场分布进行实验测量,并与设计值进行比较,结果吻合较好,证明了气冷变截面电流引线设计方法的有效性和实际优化效果.本文的设计方法及相关实验研究为变截面电流引线在超导低温装置中的实际应用提供了一定的参考.     

Electro-mechanical behavior of single twisted high-temperature superconducting tape under transverse Lorentz force

In recent years, several cabling methods of high temperature superconducting (HTS) cable have been proposed; e.g., the conductor on a round core cable (CORC), the Roebel assembled coated conductor cable, the helical twisted stacking-tape cable (TSTC) and the twisted-stack slotted core HTS cable (TSSC). These cabling methods allow the high temperature superconducting tapes widely used in the high-field magnets. The single superconducting tape performance under applied loads directly relates to the transport performance of the cable and the choice of the cabling method. In this paper, we investigate the effect of twisting morphology on the electro-mechanical properties of HTS tapes. Particular attention is given to the transverse Lorentz force of a pre-twisted HTS tape. The analytical solution of the deflection of the HTS tape under transverse Lorentz force is derived. Then, the current distribution and AC loss of the tape are calculated by using H-formulation. The effects of twist angle and loading conditions are examined for different HTS tape lengths. The results show that the stiffness resistance ability to Lorentz force of the HTS tape can be increased in several ranges by increasing the twist angle. The twisting structure can also reduce current degradation and AC loss, and thus enhance the transport capacity of HTS tape. This study helps understand the electro-mechanical properties of pre-twisted HTS tapes and provides theoretical reference for the design of novel HTS cable structures.     

高温超导电缆研究进展综述

人们对电能需求的持续增长,促使电网输电密度和输电容量逐渐增大,传统的输电技术将遇到越来越多的问题。高温超导电缆具有传输容量大和功率密度高等优势,是解决这些问题和满足未来大容量电力传输的重要技术之一。在综合分析国内外大量文献资料的基础上,介绍高温超导电缆的基本结构、发展现状和关键技术,总结制约其工业化应用过程当中面对的主要问题,并提出了高温超导电缆的发展建议。     

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。     

高温超导电缆终端的研究与开发

简单介绍了高温超导电缆的终端的基本结构特点与作用等 ;并主要介绍了工业化国家中美国、日本、丹麦等所研制的 HTS电缆终端以及目前我们所研制的终端情况。     

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.     

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。     

110kV冷绝缘高温超导电缆在故障电流下的温度计算与分析

研究了110kV冷绝缘高温超导电缆失超时,故障电流的分流情况,并以此为依据,建立了电缆在故障电流下失超时,温升与时间关系的计算模型;通过MATLAB对计算模型进行了求解,并对求解结果进行了分析;计算出了电缆在不同故障电流下,温度上升到不同值所需要的时间,进一步明确了故障电流的大小对电缆温升的影响。     

冷绝缘高温超导电缆电磁特性计算与分析

为了获得超导电缆电磁特性变化规律,针对冷绝缘高温超导电缆本体的基本结构,采用安培定律推导了超导电缆导体层和屏蔽层自感、互感的计算公式.通过110kV冷绝缘超导电缆的实例计算,研究了超导电缆导体层、屏蔽层的内径、绕向角、绕制方向三个结构参数对电磁特性的影响,总结了电感参数变化规律.     

基于补偿法的超导单元交流损耗测量系统设计

交流损耗是影响超导电力装置运行稳定性和成本的关键因素之一.本文提出了一种基于电压补偿法的大载流超导单元交流损耗测量方法,通过串联在回路中的大电流补偿线圈,抵消超导单元的感性电压来实现.在系统设计上,通过数据采集卡和运动控制器,获取超导单元、补偿线圈的电压信号,同时控制步进电机拖动补偿线圈.通过相位的对比计算,实现精确定位补偿,从而测量超导单元的交流损耗.最后,在不同频率下,测量了0.2 m长、110 kV/1.5 kA的高温超导电缆样缆的交流损耗,得出的交流损耗曲线与计算结果基本吻合.实验结果表明,采用补偿线圈的交流损耗测量系统具有自动检测、定位和测量功能,可以实现具有大电流容量超导单元交流损耗的准确测量.