超导电缆

超导电缆（共4篇）

超导电缆 篇1

0 引言

高温超导电缆(HTSC)具有体积小、结构紧凑、可以低压大电流输电、损耗低等优点。此外,HTSC无油、无电磁泄漏,在能源与资源节约方面有着独特的优势,符合环保与节能的发展要求。目前,世界上已经建立了多条超导电缆示范线。未来随着超导材料性能的提高和价格的降低,将进一步促进超导电缆的工程化应用。

超导材料的“零电阻性”是其应用于超导输电的基础。超导电缆根据输电的种类,分为直流超导电缆和交流超导电缆。由于传输交流电时,存在交流损耗等问题,所以直流超导电缆一直是研究的重点。典型的超导电缆示范线项目有:

2011年11月,韩国LS电缆公司在京畿道利川变电站成功铺设了总长为410 m的22.9 kV级超导电缆。LS电缆成为了世界上唯一一家集开发超导电缆、中间接线盒、终端接线盒以及冷却/控制系统为一体的整个超导电缆系统、同时成功完成安装、运行的企业,是一家拥有交流输电、配电级超导电缆以及直流技术实力的企业;

2012年9月,长360 m、载流能力10 kA的高温超导直流输电电缆在河南中孚实业股份有限公司顺利投入工程示范运行。2013年4月,该项目通过了国家科技部组织的专家技术验收;

2013年3月,德国在埃森市区铺设1 km、输电电压10 kV、输电功率40 MW,直径仅15 cm的超导电缆。该条超导电缆由耐克森(Nexans)公司生产,采用二代钇钡铜氧超导带材,这是目前世界上最长的超导电缆。

1 超导电缆的结构及带材

1.1 超导电缆的结构

超导电缆由支撑体、超导体层、电绝缘层、超导屏蔽层、保护层、绝热层和护套组成[1,2];

支撑体具有一定的柔韧性和机械强度,支撑体材料应满足导电性能、机械性能好、资源丰富等要求,最常见的线芯由铜线绞合而成,可以是中空结构(作为液氮通道)也可以是实心结构。以绞合铜线作为支撑体,在电缆短路时,可以导出短路电流保护超导电缆;采用多股铜绞合线作为支撑体,原因为:增加电缆的柔软性,弯曲时曲度不集中在一处,而是分布在每股导线上。每股导线的直径越小,弯曲时产生的弯曲应力也就越小,因而在允许弯曲半径情况下不会发生塑性变形,从而电缆的绝缘层也不致损坏。同时弯曲时每股导线间能够滑移,各层方向相反扭绞,使得整个导体内外受到的拉力和压力分解。

超导层,按一定角度和截距卷绕于支撑体上,是核心载流部件。已运行的示范线中,超导层材料以铋系(Bi-2223/AgMg)和钇系(YBCO)超导材料为主[3,4,5];

电绝缘层,作用是使线芯与大地以及不同相的线芯间在电气上彼此隔离,从而保证电能输送。绝缘层使用材料要求有:耐压强度高,介质损耗低,耐电晕性能好,化学性能稳定,耐低温,耐热性能好,机械加工性能好,使用寿命长和价格便宜等。由于低温下较好的绝缘强度和介电损耗,聚丙烯复合纸(PPLP)已成为电缆中最常用的绝缘材料。超导电缆中,PPLP和液氮共同共同形成电绝缘层;

屏蔽层,顾名思义,即屏蔽超导层载流时产生的电磁场,以减少超导电缆的电磁泄漏。绞合在绝缘层的外侧,材料与超导层材料相同;

保护层的主要作用是保护屏蔽层,在屏蔽层过流时导出电流。一般为铜带;

隔热层,支撑体、超导层、绝缘层和屏蔽层组成电缆芯体,在液氮环境中工作(77 K)。隔热层的作用就是减少热交换,维持芯体的低温环境。超导电缆常以不锈钢双壁波纹管为隔热层,层与层之间处于真空态,并具有反射热辐射的金属薄膜;

护套层的作用是保护电缆,以减少环境对电缆的破坏等。常见护套材料为PVC和PE。

1.2 超导带材

YBCO带材,制备工艺为:采用离子束辅助沉积技术(Ion Beam Assisted Deposition)或结合溅射法和电子束沉积工艺在Hastelloy(哈氏特洛伊合金)上沉积缓冲层,缓冲层又可细分为防扩散层和籽晶层等;然后采用共沉积工艺或化学气相沉积或浸涂法等在缓冲成上制备具有一定晶格取向的YBCO薄膜;再利用溅射法在YBCO材料上沉积银层,以保护超导材料;最后利用压合法或电镀工艺在带材四周形成保护层,以防止过流时损伤超导带材[6,7,8,9]。

Bi-2223带材,采用套管法制备(Powder in tube),制备工艺为:将前驱体粉末填充至银合金套管中,拉拔轧制后形成单芯;截断后将多根单芯再次灌装至金属管,拉拔冷轧,形成多芯带材,最后将多芯带材放入一定比例的可控气氛中热处理,得到含有Bi-2223相的超导带材[10,11]。

Bi-2223是最早实现商品化的超导带材,现已有装置应用于电力系统和超导磁体中。但由于Bi-2223以银及其合金作为套管材料,价格难以降低,且在磁场下,临界电流衰减严重,因此美国超导公司(AMSC)放弃了该种带材的开发。目前日本住电电工是世界上最为主要的Bi-2223超导带材供应商[12]。

2 超导电缆的特点

a)尺寸小、容量大。超导电缆的输电能力远高于传统的铜线电缆,其有效输送能力超过100 A/mm2,较小的尺寸可以大大减少建造成本。以三芯66 kV/kA的铜线缆为例,若想将输电能力提高一倍,则必须将电缆芯数升至6根,安装管道尺寸也需进一步增加,无形中增加了建造成本[1,3]。若采用超导电缆,在无需新建管道的情况下就可满足要求,避免了施工,非常适合人口密度较高的大城市。超导电缆运行时,需要制冷系统、制冷剂和监测系统。据测算,即使加上制冷费用和定期的维护费用,其建造成本也不会高于新建1条传统电线电路的费用;

b)损耗低、对环境友好。超导材料在临界温度以下,具有“零电阻特性”,所以在进行电力传输时,超导电缆的损耗极低。2012年,全国全年总发电量为4.9×108kW·h,同比增29.3%。随着社会的进步,工业的发展,这一数字预计会逐年增加。在电力传输中,由于线路电阻,约有6%的电能以热能的形式消耗,2012年线路损耗约2 940×108kW·h。而2012年,葛洲坝全年发电量为166×108kW·h,线路中产生的电能损耗相当于17个葛洲坝的全年发电量。此外,由于屏蔽层的存在,避免了电磁泄漏,对环境友好。事实上,超导电缆的损耗主要来自于自身的交流损耗和绝缘层的介电损耗等。

正是由于超导电缆的众多优点,世界各国都在进行超导电缆及相关超导技术的开发,并制定了相应的中长期发展规划:

1988年美国能源部制定了“超导技术”,1993年制订了SPI超导计划,其中就包括了实用商业化长距离高温超导电缆系统的开发。美国更是计划在2030年,在全国建立基于高温超导技术的主干输电网络;

在超导技术领域,日本处于世界的前列。1987年,制定了Super-GM计划,并成立多个研究组织和中心。在日本,有多家大公司、院校和科研院所在从事高温超导电缆的开发工作,如住友电工、昭和电线、东京电力、藤仓公司和古河电工等,已完成了多个超导电缆模型的开发并建立了多条超导电缆示范线。目前的工作主要集中在YBCO超导长带的开发、低温电气绝缘、制冷技术、终端和接头技术等方面[1,4];

韩国计划“应用超导技术发展先进电力系统”,拟利用高温超导技术改造和发展韩国的电力系统。韩国电工技术研究院是实施该计划的主要机构,韩国LS电缆公司在超导电缆技术方面走在了国际的前列;

欧洲也有多个国家在进行超导电缆的开发,如法国的耐克森电缆公司和丹麦的北欧电线电缆公司等。前者参与了长岛电力局一、二期超导电缆的制造,后者开发了三相30 m/30 kV/2 kA高温超导电缆,并于2001年5月挂网试运行;

中国在超导技术领域取得了一系列成果,目前已有3条超导电缆示范线并网运行。但原创性成果还比较缺少。未来发展重点集中在YBCO超导长带、低温技术和制冷技术等方面。

3 结语

目前,已示范运行的超导电缆项目中,基本以Bi-2223带材为载流材料。然而,材料的高成本及高交流损耗仍是其得到规模化应用的主要障碍。YBCO带材由于材料用量少,成本低,是最有望替代Bi-2223带材的超导材料。但受制于制备工艺,目前YBCO带材的价格仍然较高。

超导材料和制冷系统价格过高(包括前期制造和维护),是超导电缆面临的主要挑战之一。超导技术潜在市场高达数百亿元,仅靠性能上的优势是不够的,还需要在可靠性、安全性和价格上有优势。总之,超导技术要想在电力领域得到广阔应用,还需要较长时间,同时需要科研学者门的不懈努力。

超导电缆 篇2

低温(CD)绝缘高温超导电缆因其优异的载流能力、极低的传输损耗、良好的安全性能和较好的环境友好特性,成为国际社会研究的热点。欧美日韩等发达国家和地区均开展了大量的CD绝缘高温超导电缆的应用研究。在国内,上海电缆研究所、中科院电工所等单位均对CD绝缘超导电缆开展了相关研究,其中上海电缆研究所在2013年实现了国内首条CD绝缘高温超导电缆示范线路的挂网运行[1]。

CD绝缘高温超导电缆的高载流能力源于超导材料较高的临界电流密度。为充分发挥电缆大容量的优势,超导电缆导体一般由多层超导导体组成,CD绝缘超导电缆的屏蔽层也由超导材料组成。超导导体各层之间的电流分布取决于各层超导带材的绕制方向和截距等[2],且超导屏蔽对超导导体的电流分布也存在着显著的影响[3]。通过合理的设计,使得超导电缆各层导体的电流分布趋于均匀,有利于充分发挥超导材料的高载流特性,提高超导电缆的容量,降低电缆损耗。

本文设计了一系列试验验证了文献[3]的技术预测,并进一步根据文献[3]及相关理论,编写了电流分布计算和优化软件,提高了电缆设计的效率。

1 CD绝缘高温超电缆电流分布电路模型

CD绝缘高温超导电缆一般由多层超导导体和超导屏蔽构成。超导导体在电缆中心传输电流,屏蔽导体一般为两端互连后接地,超导屏蔽可感应出于超导导体大小相等、方向相反的屏蔽电流。CD绝缘高温超导电缆可等效为图1所示的电路图。

根据此电路图,电缆各层导体为并联结构,两端电压相等,屏蔽层无外接电源,通过感应产生电流,可得出描述电路电流关系的矩阵:

式中的电感与互感可通过计算各层之间的磁场能量进行计算[3,4]。文献[5]证明了三相系统用CD绝缘超导电缆,在屏蔽层互联和特定的敷设条件下,可以实现如式(2)描述的屏蔽电流与超导导体电流量值相等[5]。

2 CD绝缘高温超导电缆电流分布测试

为精确测量各层电流同时减少接头电阻对电流分布的影响,我们定做了电流测量用的罗氏线圈,对每个线圈进行标定,分别安装在第一层导体和第二层导体外侧,总电流通过安装在电流引线上的罗氏线圈进行测量。

试验分三种情况进行。

1)不考虑屏蔽情况屏蔽层导体浮空,只对内外两层导体施加电流。

2)利用铜排将屏蔽层首尾相连。

3)强制导体电流通过屏蔽层回流,使导体层与屏蔽层构成一个回路。

试验结果详见图2。

从图2可以看出,在没有屏蔽电流的情况下第二层电流略大于第一层电流,比值约为110.7%;利用铜排将屏蔽短接形成回路后,屏蔽回路产生感应电流,由于屏蔽回路电阻较大且回路面积有限,感生电流不能与导体电流等大反向,感生电流大小约为导体电流的65%,此时第二层电流与第一层电流的比值明显下降,约为80.2%;将屏蔽与导体连接形成回路,屏蔽电流与导体电流大小相等,方向相反,此时第二层电流与第一层电流的比值进一步下降,约为64.2%。实验结果证实了文献[3]的计算预测,即屏蔽层电流对导体层电流分布有明显的影响。

3电流分布计算与优化软件

超导电缆电流的优化分布是确保超导电缆性能优势的关键因素之一。为得到最优的设计,通过不断的实体样品试验模拟获得最优的结构设计,不仅需要大量的材料投入,而且每次试验周期均较长,显然是不现实的。另一方面通过大量的手工解析计算工作量巨大,尤其是优化设计过程可变因素较多,靠手工计算显然也不现实。因此根据已有理论开发一套计算软件对电缆设计尤为重要。根据文献[3]及相关理论,我们开发了一套计算和优化软件。

3.1软件介绍

软件采用C#编写。在电缆初始化界面可设置电缆导体结构,包括电缆导体层数和屏蔽层数,电缆导体层数最多可设置为6层,屏蔽最多可设置4层。对初始结构进行电流分布计算后,通过结果显示界面进行显示。在初始化界面通过勾选各层前端的选择框选择要优化的结构参数。优化后自动在初始界面改变电缆结构参数并显示优化结果。

3.2计算算法概述

根据前述的理论描述,参照图1和式(1)。CD绝缘超导电缆的电流分布只需要对式(1)进行求解即可。一般情况下感抗要远大于阻抗,大约两个数量级[6],因此可以忽略阻抗部分,矩阵可为实数矩阵,求解过程相对简单一些。但若需要考虑多层超导导体和多层超导屏蔽,则矩阵阶数较高,求解难度较大,容易出错。尤其在某些特殊情况,如导体截距较大或导体层阻抗增大使得计算过程必须考虑阻抗因素,此时矩阵为复数矩阵,求解难度更大,很有必要通过软件化编程对其进行求解。

软件化求解过程实现难度较低,主要分成以下几个步骤。

1)根据相关理论计算得出各层导体或屏蔽的自感以及互相之间的互感,必要时还需计算各层的阻抗。将计算结果建立成矩阵。

2)将计算所建立的矩阵转化为单位矩阵,进而得出各层的电流分布。

3.3优化算法概述

根据前述理论研究,电缆的电流分布情况取决于各层(包括屏蔽层)导体的半径,绕制截距等参数。即所需考虑的优化参数为:R1,P1,R2,P2….Rn,Pn,Rs1,Ps1,Rs2,Ps2……Rsm,Psm。其中Ri与Rsi分别表示第i层导体和第i层屏蔽的半径,Pi与Psi分别表示第i层导体和第i层屏蔽的截距,当P值为负时,表示其绕制方向与参考方向相反。实际工程设计过程中,考虑到电缆的电压等级和电缆短路电流等因素,各层的半径一般为固定值,所以优化参数只需要考虑各层导体的绕制截距,即优化参数向量为(P1,P2…Pn,Ps1,Ps2…Psm)

优化目标为根据电缆设计而定的各层电流最优分布比率,即向量Ix=(I1x,I2x……Inx,Is1x,Is2x……Ismx)与最优化向量Ib=(I1b,I2b……Inb,Is1b,Is2b……Ismb)的距离趋近于零。即:

L可表示为向量P=(P1,P2…Pn,Ps1,Ps2…Psm)的函数:

优化过程首先设定好边界,然后设定好优化步长和优化步数,让向量P分别向(n+m)维空间的2(n+m)管方向移动一个步长,对2(n+m)各结果进行比较,并选择其中最优的一个结果,然后继续进行下一步优化,直至优化结束。如果一次优化不能达到理想的结果,可改变步长和步数,再次优化,直至得到理想的优化结果。

采用文献[3]提出的电缆结构对软件进行了验证,对电缆两端施加一个纯虚数的电压值,计算电缆各层的电流分布情况。表1列出了电缆初始结构。

采用表1的电缆结构通过软件计算结果如表2所示。

由于电缆两端设定电压为纯虚数,从表2可看出,影响电流分布的因素主要是电感因素,所以电流的虚部值都是0,没有出现复数的情况。下文不再列出电流虚部。

进一步仅对屏蔽层节距进行优化,其结果与文献[3]的研究一致,即屏蔽层节距越大电流分布越均匀,详见表3。

注:I1为第一层导体电流;I2为第二层导体电流;Is为屏蔽层电流;η为导体电流分布均匀率,η=(I1+I2)/2I1。以下各表相同。

本软件优势在于不仅可以单独对某项参数进行优化,而且可对多个参数同时进行优化,更加符合工程设计的需求。表4列出了同时对导体层和屏蔽层节距进行5次优化的计算结果。

4结语

本研究验证了文献[3]的计算预测,即屏蔽电流对导体电流分布有着明显的影响。依照文献[3]的相关理论,开发了超导电缆电流分布计算及优化设计软件,可对超导电缆的导体和超导屏蔽同时优化计算,实现了超导电缆电流分布和结构优化的快速计算,达到比较理想的均流设计效果。研究成果可应用于超导电缆设计,降低超导电缆设计成本,提高设计效率。

摘要：依照低温(CD)绝缘高温超导电缆电流分布的相关理论和计算模型,通过实验测试,分析研究了CD绝缘高温超导电缆的电流分布情况及其影响因素。提出了实现电流分布优化的计算算法,通过计算机编程,实现了超导电缆电流分布的快速计算和优化。

关键词：CD绝缘,电流分布,超导电缆

参考文献

[1]魏东,宗曦华,徐操,等.35 k V 2 000A低温绝缘高温超导电力电缆示范工程[J].电线电缆,2015(1):1-4.

[2]赵臻,邱捷,王曙鸿,等.高温超导交流电缆电流分布及结构优化的研究[J].西安交通大学学报,38(4):352-356.

[3]应启良.低温绝缘(CD)高温超导电缆屏蔽层电流对超导电缆导体和屏蔽电流分布的影响[J].电线电缆,2009(2):7-15

[4]S.K.Olsen,C.Traeholt,A.Kuhle,et al.Loss and Inductance Investigations in a 4-layer Superconducting Prototype Cable Conductor[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,1999,9(2):833.

[5]应启良.超导屏蔽对低温绝缘超导电缆运行性状的影响[J].电线电缆,2010(1):14-18.

超导电缆 篇3

与常规电缆相比,高温超导电缆具有体积小、 传输容量大、安全性高的优点,是继超高压输电方式外另一种有望商业应用的输电方式。高温超导电缆结构包括支撑体、超导层、电绝缘层、热绝缘层和护套[1]。根据电绝缘层和热绝缘层相对位置的不同,高温超导电缆又分为冷绝缘超导电缆和室温超导电缆,由于冷绝缘超导电缆在运行时具有更低的损耗,所以近年来得到了较多的研究。

高温超导电缆在传输直流电时,由于超导材料的“零电阻”特性,损耗基本为零。当传输交流电或处于交变磁场下传输电流时,传输损耗将不再为零,有交流损耗产生。交流损耗高时,超导电缆的发发热热量量增增加加,,导导致致电电缆缆运行温度升高(高温超导电缆在77 K温度下才能稳定运行),消耗的制冷剂增多,运行成本增加。交流损耗过高导致温度急剧上升时,超导电缆有可能瞬时失超,使超导电缆受损。因此,对超导电缆而言,交流损耗是必须考虑的设计参数,其高低是衡量超导电缆性能的重要指标。只有超导电缆的交流损耗足够低时,超导电缆的优越性才能体现。

2交流损耗的分类及计算

交流损耗的产生,从宏观上看,是由于变化的磁场在超导电缆的金属部件中产生感应电流所致; 从微观上看,是量子化的磁通线运动时受阻所致。

交流损耗分为磁滞损耗、涡流损耗和耦合损耗。磁滞损耗:超导材料内存在钉扎中心,当其处于自场或交变磁场中时,磁感线进出超导材料会受到钉扎中心的阻碍,产生磁滞损耗;涡流损耗:超导材料处于交变磁场下时,超导材料中的基板等金属材料中由于感应出涡流而产生的损耗;耦合损耗: 多芯超导材料(或多根超导带材)在超导芯基板材料中产生的损耗。

根据磁场来源的不同,又可将交流损耗分为自场损耗和外场损耗。因传输交流电产生的损耗称为自场损耗,因变化外场的作用产生的损耗叫外场损耗,总的交流损耗包括自场损耗和外场损耗。

高温超导电缆载流层由多根超导带材按一定角度绕制在支撑体上而成,根据载流能力的设计要求,载流层可由单层或多层组成,一般为多层。在传输交流电时,由于超导带材本身存在的自感及层与层之间产生的互感(屏蔽层也由超导带材绕制而成,与载流层之间存在互感),容易导致每层超导带材上传输的电流不等。在电流分布不均的情况下, 垂直于超导带材表面的磁场不能彼此抵消,导致交流损耗增加。随着传输总电流的增加,电流分布不均的现象会越发明显,进而影响超导电缆运行的稳定性。研究表明,高温超导电缆载流层由多层超导带材组成时,外部载流层传输的电流高于内层,这样外部载流层就会提前达到临界电流值,从而导致整根超导电缆的交流损耗增加,最终失超[3]。所以要降低超导电缆的交流损耗,必须使载流层各层电流均匀分布。

假设冷绝缘超导电缆载流层有m层,屏蔽层有n层,超导电缆共m+n层,ri为各层等效电阻,Li为各层自感,Mij为层间互感,Ii为载流各层电流,I为超导电缆总电流,载流层电压用U标注。等效电路如图1所示[4]。

根据研究,冷绝缘超导电缆的自感与互感可用公式(1)、(2)计算:

式中,μ0为真空磁导率;Pi、Pj分别为载流层与屏蔽层超导带材绕制节距;ri、rj分别对应载流层与屏蔽层各层半径;D为屏蔽层最外层半径;αi、αj分别为载流层与屏蔽层超导带材绕制方向;βi、βj分别为载流层与屏蔽层超导带材绕制角。

由于各层单位长度的电感远大于电阻(高两个数量级),因此计算中忽略了电阻对电流的影响。 通过公式(1)和(2)可知,超导电缆各层的自感与层间互感取决于超导带材的绕制方向、各层半径及绕制角。在实际制造中,往往是通过调节绕向、绕制角与半径来调整电流分布。

文献[5]给出了工程上计算超导电缆交流损耗的理论方法:在交变电磁场B的作用下,传输交流电In的单根高温超导带材的交流损耗为P=B× In2。由于电磁感应,每根超导带材都处于其他超导带材产生的磁场中,超导电缆总的交流损耗为所有超导带材交流损耗之和:

而In=I/N(I∝B,N为超导带材总根数),代入公式可知,超导电缆总交流损耗与超导带材传输电流的三次方成正比。

3交流损耗的测试方法

目前测试超导电缆交流损耗的方法主要有3种:电测法、磁测法及热测法[6,7]。

(1)电测法是利用电子线路对交流损耗进行测量的方法。测量自场损耗时,一般采用锁相放大器法,测试装置主要包括交流电源、补偿线圈和锁相放大器;测量外场时,采用拾波线圈法,主要部件为探测线圈和补偿线圈,前者用来测量磁化信号,后者用来测量背景磁场强度。利用锁相放大器法测试交流损耗在国际上较为常用,计算公式为:

式中,U为超导体两电压引线接点间电压的有效值; I为传输电流的有效值;θ为超导体电压与传输电流之间的相位差。

(2)磁测法分为两种:一种是对超导材料的磁滞回线进行积分,得到磁滞损耗,称为磁滞回线法; 另一种为交流磁化率法,是通过测试超导材料磁化率的虚部,从而计算超导材料磁滞损耗的方法,计算公式分别为:

式中,M为超导材料磁化强度;H为交流磁场强度;S为超导带材截面积;f为交变磁场频率;Bm为交变磁场幅值;μn为超导带材交流磁化率虚部。

磁测法通常用于外场损耗的测量。

(3)热测法分为量热法和温差法。

量热法:超导电缆产生交流损耗时所发生的热量会导致制冷剂(液氮)挥发,通过监测制冷剂的挥发量,从而计算交流损耗。

温差法:制冷剂通过超导电缆时,温度必然产生变化,在超导电缆待测点上设置温度监测器,测出流经一定电缆长度时制冷剂温度的变化,进而算出交流损耗,计算公式为:

式中,CP为液氮的定压比热;m为质量流率;ΔT为热电偶测得的温差。

还有一种方式是测量超导电缆通电前后的温差,从而测算交流损耗。

电测法、磁测法和热测法三者相比,各有优缺点。电测法灵敏度高,耗时短,适用于测试短样在自场下的交流损耗,但是容易受外界环境的干扰; 磁测法灵敏度高,适用于测试短样在外场下产生的损耗,但是不能进行动态测量;热测法可用于复杂环境下超导电缆交流损耗的测量,处于自场或外场下均适用,但是灵敏度低,耗时长。热测法比较适用于工程上长距离超导电缆交流损耗的测量。

4结束语

超导电缆 篇4

1 高温超导电缆的分类及特点

所谓的高温超导电缆, 其实就是使用高温超导材料制成的电力电缆, 是用于进行电流传输的导体。从结构角度来看, 高温超导电缆主要可以分成两类, 即WD热绝缘和CD冷绝缘。其中, WD高温超导电缆的内部含有密致金属网的皱纹不锈钢管和液氮冷却循环管道。在不锈钢管网套上, 包绕有高温超导带材。而导体外部有绝热管, 可以使导体与外部环境实现热绝缘。但是, WD高温超导电缆会与相邻电缆产生涡流损耗, 所以一般只被当成是中等传输容量输配电电缆。而CD高温超导电缆内部含有常规导体, 导体上包有高温超导带材。在导体表面, 还包绕着绝缘屏蔽和高温超导带屏蔽层, 并使用双层皱纹SUS不锈钢管实现导体的热绝缘。不同于WD高温超导电缆, CD高温超导电缆与相邻电缆之间的磁场几乎为零, 不会对相邻电缆产生磁场影响, 所以也不会产生涡流损耗, 可以在大传输容量的输配电网中使用[1]。

2 高温超导电缆在城市地下输电系统中的应用

2.1 应用需求

随着城市供电需求的逐渐增多, 人们对电能传输效率的要求也在逐渐提高。但就目前来看, 许多城市已有的地下输电电缆容量已经接近饱和, 还需要采取其他方式确保电能的输送。然而, 大城市的建筑较为密集, 采取高压架空输电线往往无法将电能高效的传输到负荷中心。 同时, 如果想要将巨大的电能 (1GV·A以上) 利用常规电缆传输到城市中, 就需要使用500k V的超高压电缆。但是就目前的实际情况来看, 国内的有关技术尚且不够成熟, 想要进行500k V的超高压电缆的研制还要投入大量的资金。而使用高温超导电缆, 可以将电缆额定电压降低至220k V以下, 所以能够轻松的实现巨大电能的传输目标[2]。同时, 在现有城市电缆沟容积不变的条件下, 利用高温超导电缆进行常规电缆的替换, 可以使输电容量提高3 到5 倍, 从而解决城市输电功率有限的问题。因此, 在城市供电负荷不断增加的情况下, 将产生应用高温超导电缆建设城市地下输电系统的需求。

2.2 应用条件

在建设城市地下输电系统时, 高温超导电缆的应用还需要满足一定的使用要求。一方面, 应用高温超导电缆的目的是提高城市输电效率, 所以需要确保电缆的损耗较低。而就目前来看, 高温超导电缆损耗主要来源于绝缘介质损耗、导体交流损耗和漏热损耗。在液氨温度下, 高温超导电缆的损耗还要包含制冷机在室温下移取电缆损耗所消耗的功率。而从原则上来看, 高温超导电缆的运行总损耗是接近常规电缆损耗的。但是, 高温超导电缆却能够进行更多电能的传输, 所以其能够满足城市地下输电系统对电缆的传输效率要求。另一方面, 目前国内地下输电电缆的敷设主要采取了排管敷设、电缆专用隧道敷设和直埋敷设这三种形式。就目前来看, 电缆排管内径最大可达300mm, 隧道敷设电缆外径一般为390mm。在600MVA传输容量的地下电缆输电系统中, 使用110k V WD高温超导电缆代替常导220k V XLPE电缆, 电缆外径仅为153mm, 所以直接能够采用排管敷设方式进行电缆的敷设。而在传输容量为952MVA的地下电缆输电系统中, 使用110k V的三芯CD高温超导电缆, 电缆外径将达到372mm, 可以使用专用隧道进行电缆的敷设[3]。因此, 在应用高温超导电缆时, 可以直接使用电缆隧道敷设和排管敷设方式, 不需要额外开展电缆敷设作业。

2.3 应用优势

就目前来看, 在大城市的地下交流电缆系统中, 高温超导电缆有可能会成为最先得到应用的电缆。因为, 大城市的地下管网繁多, 只能为电缆敷设提供有限的空间。而如果一味进行电缆敷设深度的提高, 将导致电缆敷设的费用大大增加, 并且给后期的电缆维护工作的开展带来诸多难题。但是, 如果使用高温超导电缆, 可以直接进行现有排管和电缆隧道的利用。因为, 高温超导电缆具有结构紧凑、传输容量大和尺寸较小的特点, 可以直接进行常规电缆的取代, 继而使城市供电负荷得到满足, 并节省电缆敷设和维护的费用[4]。此外, 常规电缆在运行的过程中会进行大量热量的释放, 所以需要在靠近地面的地方敷设, 并且远离煤气管、电信电缆和水管等设备, 以至于给电缆的安装带来了诸多不便。而使用CD高温超导电缆不会产生热量, 并且也不会产生磁场, 所以基本不会对其它地下设施产生干扰。同时, 高温超导电缆质量较轻, 安装也相对容易, 不会耗费过多的安装成本。因此, 在城市地下输电系统中, 高温超导电缆将获得较好的应用前景。

3 结束语

总而言之, 在城市地下输电线路通道和传输容量已经趋近饱和的情况下, 应用高温超导电缆可以较好的解决城市地下输电系统的改造建设难题。所以, 随着相关技术的发展, 高温超导电缆技术将成为提高城市电网输电能力的关键技术。而对高温超导电缆在城市地下输电系统中的应用问题展开的研究, 在促进城市电网发展方面将具有一定的意义。

摘要：随着城市供电负荷的逐渐增加, 城市地下输电系统的建设也需要得到进一步的完善。而使用高温超导电缆可以将巨大的电能输入至城市负荷中心, 从而缓解城市的供电紧张情况。因此, 本文在阐述高温超导电缆的分类及特点的基础上, 对高温超导电缆在城市地下输电系统中的应用问题展开了探讨, 以便为关注这一话题的人们提供参考。

关键词：高温超导电缆,城市地下输电系统,应用

参考文献

[1]林一.浅析高温超导电缆在城市电网的应用前景[J].供用电, 2011, (2) :57-60.

[2]王少华, 叶自强, 罗盛.高温超导输电电缆的发展现状[J].高压电器, 2011, (7) :80-85.

[3]夏芳敏, 郭慧, 林中山等.二代高温超导电缆在电网中的应用前景[J].电工材料, 2014, (4) :24-27.