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.     

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.     

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。     

具有多层结构的BSCCO电缆交流损耗测量研究

为了研究带有屏蔽层超导电缆的交流损耗,实验选取了5m BSCCO电缆作为样品,通过电测法评价其交流损耗,并将测量结果与热测法和数值分析法的结果进行对比讨论。此次热测法测量的是100m BSCCO电缆在75.6K和66.6K下的总交流损耗。理论研究中利用直线多边形模型和绕制圆柱形模型计算交流损耗。实验结果表明,热测法和电测法归一化的总交流损耗值是一致的。电测法测量出的总交流损耗和导体层交流损耗分别与对应的数值分析计算结果相吻合。其中绕制圆柱形模型的计算结果更接近电测法结果,说明带材的绕制结构比多边形结构对交流损耗的影响更为重要。     

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.     

100kA超导变压器的电磁分析

为测试与认证CFETR和未来聚变堆用高性能、大电流的大型超导导体,设计了一套超导导体测试装置所需100k A级超导变压器。变压器的初级绕组采用直径为0.87mm的单根Nb Ti股线绕制,总匝数为4,290匝;而次级绕组采用ITER校正场CICC导体同轴绕制于初级绕组外部,总匝数为4匝。详细介绍了超导变压器的主要设计参数;并通过有限元软件完成了电磁回路耦合、电磁场、电磁应力等相关电磁分析。结果表明:参数设计符合要求、超导变压器能安全稳定地运行。     

高温超导电缆在城市地下输电系统应用的可行性研究

本文通过对交流高温超导电缆系列设计计算对额定电压35kV、110kV、220kV的高温超导电缆,按不同传输电流(或传输容量),以高温超导电缆的传输效率(损耗与传输容量比)、高温超导电缆外径限值和超导导体绕制结构限制条件,确定高温超导电缆适用性界定条件,提出城市地下输电、配电系统用高温超导电缆可行方案.     

单通道冷绝缘高温超导电缆铜骨架的设计计算

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.     

Nb_3Sn CICC导体接头电阻测试

介绍了用于测试大电流Nb3Sn管内电缆导体接头电阻的超导变压器系统。该超导变压器包括初级线圈和次级线圈,其中初级线圈采用Nb Ti超导股线绕制;次级线圈采用Nb3Sn CICC导体绕制。初级线圈和次级线圈均浸泡在液氦中冷却。利用超导变压器对Nb3Sn CICC导体超导接头的测试结果表明,所设计的超导接头电阻满足设计要求。     

±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。     

不同绕制工艺下超导限流器电磁分析与对比

阐述了该超导限流器以耦合电感解耦的方式增大电抗值完成对过电流的抑制;分析了采取层绕与饼绕两种不同方式下的并联电感超导限流器的电磁特性并进行参数优化;对比了在不同的绕制方式下超导限流器在电感耦合上的差异;完成了并联电感超导限流器以层绕方式绕制的完整电磁设计。     

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。     

NbTi CICC导体横向机械性能分析

超导导体的力学性能是决定导体载流性能的重要影响因素之一,构成超导磁体的超导电缆在运行过程中受电磁力、热应力的作用,会导致其内部超导线产生应变,进而影响其载流性能和交流损耗,因此研究电磁循环载荷对超导电缆的影响有着重要的意义。对国际热核聚变实验堆中极向场线圈中Nb Ti超导导体进行机械压缩实验,并从形变量、弹性模量、弹性功等方面,对其机械强度进行分析。该方法可以在不进行电磁循环测试的情况下快速判断导体机械性能,为导体设计提供初步性能评判依据。结果显示,PF1-6NbTi超导导体相对于测试的其他PF导体在相同工况下,累积形变量与最大形变量更小。通过进一步对导体结构设计进行对比分析,发现低空隙率以及短节距绞线可以有效提高电缆机械性能。     

液氢温区超导电缆本体设计与短样试验

对比分析了多种超导材料在液氢温区的基本特性与价格,Mg B2较适宜于氢电混输电缆;从骨架、导体层与主绝缘层等方面开展了110k V/4k A等级Mg B2超导电缆本体设计,并绕制了一根50cm长超导电缆短样;在传导冷却条件下,该电缆短样在30K~36K温区的临界电流为450A。     

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.     

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．     

多股Nb_3Sn超导小磁体的研制

多股Nb_3Sn复合导体具有高的电磁和热的稳定性以及低的交流损耗等特点,引起人们广泛的重视。 我系超导材料组1972级部分工农兵学员和教师与有关研究所协作,一起研制了多种形式的多股Nb_3Sn复合导体,并用“先绕制后扩散”和“先扩散后绕制”二种工艺,绕制了小型超导磁体,获得了初步的良好结果。     

大型超导电缆交流损耗的计算

给出了超导电缆交流损耗的表达式。使用这些表达式 ,并基于 HT- 7U极向场线圈系统在等离子体建立时的电流波形 ,计算了 AC损耗在 PF导体上的能量沉积。最后讨论了电缆参数对AC损耗的影响     

液氮下绕包绝缘的电性能研究

高温超导电缆具有载流能力大、损耗低和体积小的优点,传输容量将比常规电缆高3~5倍,而电缆本体的焦耳热损耗几乎为零。因而,高温超导电缆相对于常规电缆具有极大的优势,其研制水平也在迅速提高。超导电缆中,其绕包绝缘的性能对于超导电缆稳定运行起着十分重要的作用。随着超导电缆的电压等级的提高,对绝缘的性能要求也随之提升。用PPLP,100HN,100CR,150FCR019绕制绕包绝缘并测试了它们的击穿性场强,并对它们的击穿性能进行对比分析,为超导电缆绝缘的选材和设计提供参考。     

高温超导电缆导体层电流分布研究

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。