35kv2f1ka冷绝缘高温超导电缆交流损耗的分析

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1、万方数据华北电力大学硕士学位论文第1章绪论1．1课题背景及研究的目的和意义自从高温超导电性在1986年发现以来，超导体的工作温区由原来低温超导体的液氦温区(4．2K)提高到了液氮温区(77K)，高温超导电力装置的研究备受重视，是美、日等发达国家投入巨资争先研究的领域川。在众多超导电力装置中，高温超导电缆是实用性最强、发展最迅速的。超导材料的零电阻特性使其成为电流传输的理想导体，而使用高温超导材料制造的超导电缆可以实现低损耗大容量输电，是解决大功率输电的有效途径，被认为是高温超导应用最有希望的领域【2，3】。随着我国经济和社会的持续快速发展，对电力能

2、源的需求日益增长，电网传输容量及其规模也日益扩大，对供电质量及电网的稳定运行要求也越来越高。目前，电力系统的主要导电材料为铜铝等常规导体材料，常规的架空线路和电力电缆组成的输电线路阻抗很大，其带来的损耗会随着电网传输容量的增加而不断增大【41。并且这些常规的输电线路由于输电容量有限，需要多回输电线路共同进行输电，要占用大面积的输电通道，并对周围生态环境造成一定影响。高温超导电缆采用高电流密度的超导材料作为载流导体，具有载流能力大，其传输容量可比常规电缆高3"--'5倍；损耗低，其输电损耗要比常规电缆低20％"--'70％；冷绝缘高温超导电缆在结构上

3、还设置了超导屏蔽层使电缆导体层产生的磁场不会发生外泄，从而避免对周围环境的电磁污染。另外，高温超导电缆采用液氮进行冷却不存在发生火灾和漏油污染环境的隐患。因此，高温超导电缆己成为解决高密度输电的最佳选择之一，可以显著提高线路输电能力，减少线路网损，改善电能质量，提高系统运行的稳定性及可靠性，高温超导电缆的开发就我国当前的现状而言有重要的意义【51。高温超导电缆通过低于临界电流的直流电流时，超导带材电阻为零，电缆导体没有损耗，但当超导电缆通过交流电流时，电缆导体层将产生交流损耗。虽然超导电缆的输电损耗比常规铜导体电缆要低的多，但是产生的交流损耗对超导

4、电缆系统有很大的危害，一是增加了电缆制冷系统的热负荷，二是会降低超导电缆系统运行的稳定性【61。高温超导电缆的交流损耗与超导电缆系统的效率、运行成本及稳定性密切相关，所以高温超导电缆的交流损耗是其电力应用研究的最重要内容之一，将为超导技术的电力应用提供坚实的理论和实验基础，对推进超导电力技术的实用化起到十分重要的作用【71。万方数据华北电力大学硕士学位论文1．2高温超导电缆概述1．2．1高温超导电缆的结构根据电缆主绝缘介质工作温度的不同，高温超导电缆可以分为两类。第一类被称为热绝缘电缆(WarmDielectric，简称WD)高温超导电缆，第二类被

5、称为冷绝缘(ColdDielectric，简称CD)高温超导电缆【81。图1．1给出了热绝缘电缆的结构。它主要由高温超导导体层、低温容器、电绝缘层和保护层组成。骨架可由柔性材料或实心或空心铜／铝线材制成，起保护高温超导层的作用。低温容器由内、外波纹管构成，内、外波纹管之间的空间被抽成真空状态，电绝缘层位于低温容器的外部。液氮从管状的骨架中流入，从高温超导层流出，电介质的发热就不能由液氮来冷却。最外层由铜制成的屏蔽层和PVC制成的保护层构成。热绝缘型高温超导电缆没有超导屏蔽层，对高温超导带材的使用也很有限，由于没有高温超导屏蔽层，这种电缆会在电缆附近

6、的相与相之间产生磁场的相互作用，因而在交流情况下要求每相分离以减小涡流和涡流损耗。另一方面，在交流情况下，低温容器的内外壁上会感应产生涡流，进而产生涡流损耗。因此，热绝缘型高温超导电缆的电压等级和功率输送容量都是十分有限的，它只适合在中、低电压等级情况下使用。(娘液氮图1．1热绝缘(WD)高温超导电缆结构示意图外保护图1-2冷绝缘(CD)高温超导电缆结构示意图图1．2描述了冷绝缘单相高温超导电缆的结构。高温超导电缆电绝缘层覆盖在高温超导的导体层上，高温超导带材的屏蔽层缠绕在电绝缘层上。由于液氮流经电万方数据华北电力大学硕士学位论文缆的内外管道，它既

7、可以冷却高温超导导体又可以冷却绝缘介质。冷绝缘电缆的这种结构，电缆导体外部没有磁场产生，因为屏蔽层的感应电流与导体层的感应电流是大小相等，相位相差180度(反相)。与热绝缘高温超导电缆相比，冷绝缘高温超导电缆在低温容器中无涡流，相与相之间无磁场的相互作用，具有较低的电抗值，更高的载流能力，更低的交流损耗以及完全的抑制电缆外部的电磁耦合等优点，可以用于较高的电压等级。由于电路中的潮流与其阻抗是反相且成比例的，因此冷绝缘型高温超导电缆可以运载更多的负荷。冷绝缘型高温超导电缆较热绝缘型高温超导电缆也有一些缺点，例如，由于额外的高温超导屏蔽层使用了两倍数量

8、的高温超导带材，更高的成本，以及在由液氮冷却的介质中存在介质损耗。1．2．2国外高温超导电缆的发展现状(1)日本2004年