高温超导电缆技术探讨与应用
2006年第6期
华中电力
第19卷
高温超导电缆技术探讨与应用
张俊莲,金建勋
(电子科技大学自动化工程学院,成都
610054)
摘要:如今,人们对电能品质、对环境和用电量都提出了更高的要求,但由于传统导体具有电阻及损耗,这使得当电力输送功率增大时,不得不采用提高电压和加大导线截面的方法,这意味着大大增加了技术难度和成本。将高温超导技术应用于电力系统,使电力传输过程中无电阻损耗或接近零损耗,节能意义重大;并且能以较低的电压传送更大的功率,从而达到高效、节能、环保等相关要求。介绍了市场上已经出现并可用来制造高温超导电缆的几种超导线材及其高温超导电缆技术,分析了不同种类的超导电缆的结构和特点,总结了计算高温超导电缆导体层电流分配和高温超导电缆运行损耗的方法、高温超导电缆的发展状况,展望了高温超导电缆在未来电力系统中的应用。关键词:高温超导电缆;电缆结构;能量损耗;电流分布
中图分类号:TK26
文献标识码:B
文章编号:1006-6519(2006)06-0016-05
DiscussionandApplicationofHigh
TemperatureSuprconductingCableTechnology
ZHANGJun-lian,JINJian-xun
超导材料的零电阻特性使其成为电流传输的理想导体。高临界温度铜氧化合物超导体的发现,是20世纪科学技术发展史上的一个重要的里程碑。使用具有零电阻特性的高温超导材料作为导电芯,制造成的高温超导电缆,可以在液氮的冷却下实现大容量、低损耗、低成本的电力输送。
随着经济和社会的发展,人们对电能的需求量日益增长使得电力系统各部分电气紧密连接,电力系统向更大规模方向发展,对电能品质和供电可靠性提出更高要求,对电气设备的环保要求和节能要求更严格。我国电力资源和负荷分布不均,使得长距离输电成为必然;而电能在传输中的损耗成为了急需解决的突出问题,超导电力传输电缆的诸多优点可以使电力工业发生深刻的变革,具有极大意义。
随着高温超导材料及其相应技术的发展,制作高温超导电缆已具备了必要的基础。由于工作温区的相对提高,使得利用高温超导材料制作的电缆其输电成本将低于传统电缆的输电成本,用于直流输电其优越性尤为突出。高温超导电缆的诸多优越性决定了它在不久的将来将有广泛应用。
管通过加热和扎制,形成高温超导电缆的超导带。
目前,市场上可以得到的并可用来制造高温超导电缆的材料主要是银包套铋系
[1]
(Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10
多芯高温超导带材,它的临界温度为105~110K,临界工程电流密度大于10kA/cm2。目前,世界上最大的生产厂家是美国超导公司。我国西北有色金属院、北京有色金属研究总院、北京英纳超导技术有限公司也有一定的生产能力。
钇系镀膜导线——Y-123/基体,即Y1Ba2Cu3O7-x
(Tc~92K)镀膜导线也已表现出了很高的实用特性。这
类导线具有比银包套铋系带材更高的临界电流密度,但目前生产成本较高。另外还有二硼化镁金属包套超导导线———MgB2(Tc~39K),这种导线运行需要利用液氢冷却方案。
1999年,美国超导公司年产Bi系高温超导线材
・200km,市场价格在300美元/(kAm)。据该公司预算,
如果需求扩大使高温超导线材年产量增加1倍,则价格可降低到50美元/(kA・m)。他们的目标是将价格降
低到10美元/(kA・m),达到和铜导线相当的水平[2]。目前,在我国制造电压等级为35~110kV和1~10kA的超导电缆的成本(部分材料进口)为人民币1.5~2万元/在形成批量生产并且材料实现完全国产化后,・(kAm)。可降低为0.8~・1.0万元/(kAm),而目前交联聚乙烯常规电缆的价格为0.06~・0.08万元/(kAm)[3]。
1高温超导电缆的导体材料及电缆技术
高温超导电缆的导电媒质是由一些与滑石粉相似的铜基陶瓷氧化物构成。导电媒质被封闭在银管中,银
收稿日期:2006-07-12
作者简介:张俊莲(1979-),女,硕士研究生,从事超导材料及其输电的研究工作.
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高温超导电缆技术探讨与应用
2006年第6期
将高温超导带材或高温超导带材的复合体排绕在充有制冷液的芯体上,即制成了电缆芯,然后就是对电缆芯进行绝缘绝热和保护等系列加工制成电缆本体。在高温超导电缆本体的结构中还可能包括一些辅助元件,例如电缆导体层间绝缘膜、约束电缆各部分相对位置的包层和调距压条等。高温超导电缆本体的导体层和常规金属在液氮环境下连接,再由常规金属从液氮温度引出过渡到常温,电流头的尺寸经过专门设计,以求温度过渡均匀和整体导热最小。电缆终端的热绝缘结构将尽量降低漏热;电气绝缘保证了电流头的绝缘强度和液氮从地电位到高电位的过渡。低温冷却系统保证了高温超导电缆高效可靠稳定运行的低温环境。高温超导电缆本体,电缆终端、低温系统以及监测与保护装置一起构成高温超导电缆系统。
2高温超导电缆的分类及结构
2.1直流电缆和交流电缆
按传输电流种类可以将高温超导电缆分为直流电缆和交流电缆。目前,这两种电缆基本采用相同的结构。不过,与高温超导交流电缆相比,当工作在临界电流以下时,高温超导直流电缆几乎没有导体损耗和无功消耗。但是,当高温超导直流电缆的负载发生变化时,会引起与电流变化率成正比的损耗。
另外,高温超导直流电缆发生磁通跳跃而引起热失控现象会对直流电缆的稳定性产生影响;同时,临近的半导体装置产生的高频谐波会引起附加损耗[4]。
2.2热绝缘电缆和冷绝缘电缆
按电气绝缘方式可将高温超导电缆分为:热绝缘高温超导电缆(WD)和冷绝缘高温超导电缆(CD)。单相热绝缘超导电缆结构示意图如图1所示,从内到外依次为:液氮流通管道、
高温超导体、绝热管、电气绝缘层、护套及电缆外壳。单相冷绝缘高温超导电缆结构示意图如图2所示,从内到外依次为:液氮流通管道,高温超导体、导体屏蔽、电气绝缘、绝缘屏蔽、高温超导带屏蔽层、液氮回流通道、绝热管、电缆外壳。处于超导状态的高温超导带屏蔽层中流过与超导电缆导体大小相同方向相反的电流。WD高温超导电缆设计比CD设计用材少,但缺少回流通路,导致馈线及其周围金属件中电损耗增加,所以运行成本高;但WD设计的优点是可采用常规电介质和附件,与常规电缆相似的方法进行处理和安装[5]。
2.3单相电缆和三相电缆
按电缆导体结构可将高温超导电缆分为单相电
缆、三相电缆。图1为WD单相电缆结构,WD三相结构电缆就是将三根绝缘防护后的电缆芯放置于公共的电缆外壳中。公共的电缆外壳具有电磁屏蔽、短路保护、物理、化学、环境防护等功能,由于是热绝缘型电缆,电缆的绝缘屏蔽层和外护层处于环境温度,其制作与常规电缆类似。为尽量减少各相电缆芯之间的电磁感应的影响,各电缆线芯之间的距离较远,电缆的整体尺寸较大。图2为CD单相电缆结构图,单相结构CD高温超导电缆中心管中的液氮通过绝缘层外部由间隔件形成的环形空间而流回。图3为三相CD电缆照片。三相CD电缆又有三相三轴和三相单轴两种结构。三相三轴CD电缆又有三相带公共低温层和三相带独立低温层的两种不同设计方案。三相单轴CD电缆的三相超导体都绕在公共的内支撑管上,各相导体之间由电气绝缘层隔开,电缆线芯中心管流出的液氮通过成缆芯外的不锈钢管与成缆芯间的空间内回流,这种结构的电缆的优点是结构紧凑,占地面积小。
图1热绝缘电缆结构示意图[6]
图2
冷绝缘电缆结构图[
7
]
图3
三相冷绝缘电缆[7]
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华中电力
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3高温超导电缆导体层电流分布和运行损耗
3.1高温超导电缆导体层电流分布
在满足集总参数条件下,高温超导电缆导电部分的等效电路如图4所示。其中,ri为各层等效电阻;Li为各层自感;Mij为层间互感[9]
。由欧姆定律可知,各层
导体电流分配由其接头电阻、流阻、自感和互感共同确定。通常导电层单位长度感抗比电阻大约两个数量级,于是感抗就支配着电流在每一导电层的分配。各导电层的感抗取决于各层的半径、带材的螺距、绕向等结构参数,因此调节这些参数改变各层的感抗,使各层流过的电流均匀分布,从而达到降低交流损耗,使高温超导电缆导体稳定运行
[8、9、10]
。
图4高温超导电缆导电部分等效电路模型
[9]
文献9中通过给出导电层的简化示意图,然后将轴向电流演化为圆柱面通有均匀分布电流的模型,环向电流演化为一个密绕螺线管模型,并忽略导电层厚度及螺线管的端部漏磁进而求得。
(1)单位长度导电层的自感计算式:L0
i=
μ2D(tanβi+2ln)i=1,2,…,n(1)
i式中Ri———第i层半径;
βi———
第i层绕向角;D———
导电层与电流回路之间的距离。(2)单位长度上两导电层之间的互感计算式:
MμaiajRiij=0tan(β)+lnDi)tan(βj(2)j
i"
(3)根据自感和互感而求得的电流分布的矩阵方
程式:
#$L+r1
&tLM-11n
$M12’$Mr1’
#21L2+
LM-12n
’$I1&jω$
$M
MM’
$’#0&I$0’MM2’$$’$$
Mn1Mn2LLr
n-1
n+’
$’=$M’’(3)$-1
-1-1’$M’I’$0’$L
0’$%’$n’$’$’%-I’((
%U(-18-
另外文献11还给出了一套测量导体层电流分布
的方法,其基本原理是利用自己绕制的Rogowski线圈,耦合电流产生的磁场,来测量每层导体所流过的电流值。高温超导电缆在达到均流设计后,其交流损耗可大大降低。
3.2高温超导电缆的运行损耗
高温超导电缆的损耗主要包括:导体交流损耗、热泄漏损耗、磁感应损耗、绝缘介质损耗以及配套的低温冷却系统和电缆终端上消耗的能量。
3.3.1导体交流损耗的计算
文献12给出了计算HTS电缆交流损耗的理论模型:处于交变磁场Ba作用下,并通以交流电流It的高温超导带材的交流损耗为:
Pt∝BaI2
ti
(4)
高温超导电缆总损耗是所有带材的损耗之和。每根带材除了自身传输交流电流外,还处于其它带材所形成的磁场环境中。所以高温超导电缆损耗的工程计算可以用下式表示:
n
Pcable=*c2
iBaiIti
(5)
i=1
如果带材电流分布均匀,即I2
ti始终相等。这时每根带材上的外加磁场Bai则由电缆传输总电流It唯一确定,且与传输总电流It正比。即:
Iti=It/n;
It∝Bai
(6)
所以在电流均匀分布时,电缆总损耗正比于I3
ti。同时文献9给出了另一种计算高温超导电缆导电层的交流损耗的方法:
带材自身传输交变电流带来的传输损耗可以通过Norris方程[13]计算如下:
QμfI2
ciI
ti=0g(pi)
(7)
ci
g(x)=(2-x)x+2(1-x)ln(1-x)
式中f———电源频率;
Ipi———
第i层流过的电流峰值;Ici———
第i层的临界电流值。带材处在交变的磁场中所引起的磁化损耗通过
Norris方程,计算公式[13]如下:
-
2
2fBiηi
QSi其中ηi<10
mi=./02fB2
i12
-S0
i3ηi其中ηi>1i,
(8)
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ηBi
i=μ0c式中Bi———第i层上带材所受到的磁场;
Si———
第i层上所有带材的横截面积之和;b———
带材厚度的一半;Jc———
带材的临界电流密度。于是,第i层交流损耗可近似为Qti+Qmi,若有n层,电缆总的交流损耗可表示为:
n
n
Q=!Qti+!Qmi
(9)
i=1
i=1
3.2.2热泄漏损耗计算
由于绝缘材料的非理性特性以及从液氮温度
(77K)到环境温度(300K)的热疲劳ΔT,高温超导电缆
的热泄漏损耗可描述为:
W=2π
λΔTth0i(10)
式中λ———绝热物质的热导率;
D0和Di———
分别是热绝缘的外径和内径。3.2.3绝缘介质损耗
热绝缘电缆的电介质损耗与常规电缆相同,其计算式可以表示为:
W2
ins=U0ωCtgδ
(11)
式中U0———高温超导电缆导体对地额定电压;
ω
———电压角频;C———绝缘电容量;δ
———绝缘体介质损耗角。对于冷绝缘电缆,其电介质损耗通过液氮回路泄漏掉,故此部分损耗可归算到制冷系统的损耗之中。
3.2.4低温系统的能量损耗
这部分损耗包括液氮流动过程中的能量消耗和液氮泵上的能量消耗。其中液氮流动过程中的能量损耗的大小主要依赖于液氮的流动系数,可通过下式计算:
WmΔphyd=(12)
LN
式中m———液氮质量;
Δp———
液氮的压力下降量;γLN———
液氮质量密度,取809kg/m3。3.2.5电缆终端和接头损耗
电缆终端上的损耗来自终端金属引线把电缆电流从液氮温度过渡到环境温度的热传导,以及金属引线本身的内阻。这部分损耗描述为:
300K
WLmin=I[2ρ
"
77K
κ(T)dT]
0.5
(13)
式中ρ———金属引线上的内阻,
κ(T)———
金属引线的导热率。4高温超导电缆的发展与应用
4.1高温超导电缆的发展状况
高温超导电缆的发展已有十几年的历史,全球部分超导电缆的发展项目如表1所示。
表1
部分高温超导电缆项目
主要合作主要技术目标承担者
伙伴
参数
及进展
备
注
30m/3相/1999年并网运
用于Southwire
美国
美国ORNL12.5kV/行,世界第一
的公司总部、研
Southwire
美国DOE
1.25kA冷组并网运行高
究中心和生产
绝缘
温超导电缆
厂区三个部分
供电用来替换俄亥美国
计划2007年
俄洲哥伦布市
Southwire
美国DOE约305m
前完成
输电网络中原
有的一段充油电缆美国DOE
美国ASC
法国Nexans约600m长
计划2005年并网于纽约州公司
前完成长岛地区美国IGC
纽约州日本
计划2005年在纽约州奥伯住友电气公司
350m长
前完成尼市并网运行
在实际使用的DTU,Ris国2001年5
月电网中演示高丹麦NKT
家实验室,30m,30kV/
28日挂网运温超导电缆系
公司
哥本哈根能2kA,热绝缘
行,世界第二统的性能,收集
源公司等
组并网运行电高温超导电缆缆系统安装运行
的经验数据
日本住友100m/3相2002年在东京电气公司
东京电力
/66kV/1kA电力试验场完平行
成测试
古河电工
日本电力
500m,单相,2004年低温测工业中心
77kV/1kA试
韩国LG
3相/22.9kV2004年试验测
主要进行使用
电缆公司
/1.25kA
试方式及接入系
统分析30m/3相
2004年并网试
并网试北京英纳云南电力
/35kV/2kA运行世界上第
运行于三组并网运行昆明普吉变电热绝缘
高温超导电缆
站
中科院电甘肃长75m/3相2004年完成系
工所通电缆
/10.5kV/统集成及安装并网试验运行1.5kA
调试
4.2高温超导电缆在未来电力输送系统中的应用
高温超导电缆以其尺寸较小、损耗低、传输容量大的优势,可以用于对地下电缆工程改造,利用现有排管或电缆隧道,以高温超导电缆取代现有的常导电缆,按需要情况,增加传输容量。高温超导电缆另一重要应用场合是可以比常导电缆较低的运行电压下将
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巨大的电能传输进入城市负荷中心。
华中电力
2004.7:49-53.
[4]
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[3]信赢.超导电缆技术的发展及应用前景[J].超导经济.
DiegoPolitano,MartenSjostrom,GibertSchnyderand
TechnicalandEconomicalAssessmentofHTS
由于交流损耗的缘故,利用高温超导材料制备直流电缆比制备交流电缆更具优势。利用高温超导技术,通过设计实用的直流传输电缆和有效的匹配系统,从而实现高效节能低压大容量直流电力传输系统[13,14]。高温超导直流输电系统包括:换流站、高温超导直流传输电缆系统、接地系统三个主要部分。高温超导直流输电系统同时还兼有输运各种制冷剂(如液氮、液氢、液氦等)的功能。
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5结论
高温超导电缆这项正蓬勃发展的新技术要形成大规模的商业性应用还有许多待解决的问题,作为生产一方需解决诸如电缆均流、冷缩、电缆结构、制冷系统选配等技术问题,以及进一步降低交流损耗、电缆结构优化、制冷系统优化和电力系统稳定性等问题。作为应用一方需解决电缆安装,调试与维护等系列问题。高温超导电缆的总体发展趋势是研制大容量、低损耗、超长电力电缆,高温超导电缆近似为零的电阻损耗、无阻的承载大电流密度、无环境污染等诸多性能优势决定了在未来电力系统中得到大规模应用的可能行。由于交流损耗的缘故,在处理好磁通跳跃等问题后,高温超导电缆应用于直流输配电将会带来更大的经济效益。
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!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
(上接第15页)
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(2)2005年华中省间断面潮流及鄂东开机方
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