高温超导电缆通电导体均流设计

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2019年中国电机工程学会年会论文集高温超导电缆通电导体均流设计吴小辰1，胡子珩1，章彬1，汪桢子1，汪伟1，张安龙1，李鹏飞2，陈贵伦21深圳供电局有限公司，深圳市罗湖区5180012华中科技大学电气与电子工程学院，武汉市洪山区430074CurrentSharingDesignofHTSCableConductorWuXiaochen1,HuZiheng1,ZhangBin1,WangZhenzi1,WangWei1,ZhangAnlong1,LiPengfei2,ChenGuilun21.ShenzhenPowerSupplyBureau,LuohuDistrict,Shenzhen518001,China2.SchoolofElectricalandElectronicEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,HongshanDistrict,Wuhan430074,China摘要：大容量高温超导电缆一般均为多层导体并联结构，若导体层参数设计不合理，极易导致各并联导体层间电流分布不均，因此，导体层均流设计是高温超导电缆设计的重要内容。本文以螺旋缠绕导体层（CORC）结构为基础，计算了CORC导体的电感，建立了高温超导电缆的电路数学模型，推导了各导体层电流与电感之间的表达式，分析了各导体层电流与导体绕制螺旋角之间的关系，给出了超导电缆导体层均流参数设计的基本方法。关键词：超导电缆；高温超导带材；均流设计；数学模型ABSTRACT:High-capacityhightemperaturesuperconducting(HTS)cablesaregenerallymulti-layerconductorparallelstructures.Ifthedesignofconductorlayerparametersisunreasonable,itwilleasilyleadtounevencurrentdistributionamongtheparallelconductors.Therefore,thecurrentsharingdesignofconductorlayerisanimportantpartofthedesignofHTScables.BasedonthestructureofConductor-on-RoundCore(CORC)conductor,thispapercalculatestheinductanceofCORCconductor,establishesthecircuitmathematicalmodelofHTScable,deducestheexpressionbetweenthecurrentandinductanceofCORCconductor,analysestherelationshipbetweenthecurrentofeachconductorlayerandthespiralangleofconductorwinding,andgivesthebasicmethodofcurrentsharingparameterdesignforHTScableconductor.KEYWORD:HTScable;HTStape;Currentsharingdesign;Mathematicalmodel1引言落地，其中110千伏及以上的主网项目51个[1]。随着国民经济高速发展，我国城市化的进程除了愈加凸显的新矛盾，电力系统还长期存在电仍在不断推进，电力工业作为社会经济发展的重能输送、配送过程中伴随大量线路损耗的问题。要保障，也面临着越来越多的新的挑战：一方面，2015年，深圳全市消费电能总量8,155,442万千万时[2]，综合线路损耗为3.54%[3]，线损折合标准城市经济高速发展拉动电力需求攀升，大中城市电力负荷及电力负荷密度屡创新高，对城市电力煤116.64万吨。随着经济社会电能消费规模的不负荷中心的电网进行升级改造尤为迫切；另一方断扩大，电能的线路损耗仍在逐年攀升，在能源面，城市建设土地资源极为紧张，城市电网改造短缺的今天，电力系统节能降损势在必行。大容存在很大阻力，城市负荷中心电网规划建设的迫量高温超导电缆因其能承载大电流、且几乎无运切性与困难性之间的矛盾愈加突出。以深圳为行损耗，近年来受到了国内外电力行业的广泛关注[4-6]。例，据统计，截至2017年，深圳电网共有110千伏及以上线路16条、主变16台和10千伏线高温超导电缆按电气主绝缘方式主要分为路500条处于重载状态，全市约1200个电网项两种：一种是热绝缘超导电缆，如图1(a)所示，目由于改造空间有限等原因建设受阻未能及时一种是冷绝缘超导电缆，如图1(b)所示。热绝缘

12019年中国电机工程学会年会论文集结构超导电缆的通流导体浸泡在低温冷媒中，而Core，以下简称CORC）。CORC是超导电力电缆电缆的主绝缘包覆在低温恒温器外部，处于常温通流导体的基本构成单元，它由若干根高温超导环境中，其设计制造与常规电力电缆相似，工程带材按照一定的绕制方向、绕制角度在具有特定技术难度较小。不同于热绝缘方式，冷绝缘结构半径的圆柱状绕制骨架上螺旋缠绕而成。高温超电缆的电气主绝缘层包覆在通流导体外，与通流导电缆的通流导体通常由多层CORC相互嵌套、导体一样浸泡在液氮中，位于低温恒温器内部。并联而成。图2所示为包含两层CORC导体层的由于绝缘材料在低温下的绝缘强度更高，超导电高温超导电缆通流导体的结构示意图。缆采用冷绝缘相比采用热绝缘结构会更加紧凑，有更小的介质损耗，对于大容量、高电压等级的超导电缆，一般采用冷绝缘结构方式。铜骨架铜骨架图2具有双层CORC导体层的超导电缆通流导体冷媒低温绝缘Fig.2Superconductingcableconductorwithtwo低温恒温器冷媒layersofCORCconductor常温绝缘低温恒温器对超导交流输电电缆来说，超导体产生的集肤效应通常会造成超导电缆外层电流先于内层达到临界值[7]，这将导致超导电缆总体载流能力大大小于超导带材的总体临界电流。为了充分发(a)热绝缘型(b)冷绝缘型挥每根高温超导带材的载流性能，每层CORC带材导体载流需均衡，即各层CORC导体电流分布图1超导电缆结构示意图均匀，因此，高温超导电缆通电导体均流设计是Fig.1Theschematicofsuperconductingcable高温超导电缆优化设计需面对的重要问题。冷绝缘交流超导电缆用于电能的输送、配送有关研究[8,9]表明，高温超导通电导体的均流时，按照三相通流导体的结构形式可分为三相独设计与电缆导体电磁参数密切相关，因此，本文立、三芯式和三相同轴结构三种。表1所示为三对高温超导电缆的均流设计展开了研究。种不同结构超导电缆的性能对比。表1三相交流高温超导电缆结构、性能对比2导体电感值计算Tab.1StructureandperformancecomparisonofCORC导体层在通流时，在导体层的外部区three-phaseACHTScable域与导体层内部均会产生磁通。在计算CORC导分类三相分立三芯式三相同轴体电感值之前，需分析其通流时的磁场分布。图3为CORC导体通流时的磁场分布示意图。结构电压高电压等级中电压等级中低电压等级便于施工和维结构较紧凑；较结构最紧凑；带优点修；三相温度均易维修材用量最少衡一相导体损坏需缺点电缆尺寸最大带材用量最多全部更换高温超导电缆的核心部件是高温超导通流导体。目前世界上已投入试验运行的超导电力电缆的通流导体采用的均是螺旋缠绕结构，即带材绕制在圆芯上的电缆（Conductor-on-Round

22019年中国电机工程学会年会论文集图3单层CORC导体磁场分布体导体层间电流均匀分布，提高超导电力电缆的Fig.3Magneticfielddistributionofsingle-layer通流能力。CORCconductor为了进一步分析高温超导电缆通流导体各无限长CORC导体通流时，其外部产生的层电流分布与电磁参数的关系，以下建立高温超环向磁场与内部产生的轴向磁场大小分别如式导电缆的电路模型，在此基础上，对其各层导体(1)和(2)所示。电流分布进行计算。μIBe=r>R(1)2πr3超导电缆的电路模型μIBi=r

32019年中国电机工程学会年会论文集TUU,U,,U(9)I1ML21nTII2MLLII,I,,I(10)121212n1n22RRπ122(16)L+R1MMl1l2l21jω121n2222RRR1RRπ11222ln1ML+2Ml1l2l1l22πR22122nMjω(11)I2ML1MML+RnI1I22ML1L2n1n2njωR2R2Rπ1121ln1(17)lll2πR1212将式(9)-(11)代入式(8)，可得：2222RRR1R1π11222ln1I=MU(12)l1l2l1l22πR2求解式(12)，即可得到超导电缆通流导体不假设该2层高温超导电缆导体层参数如表2同CORC导体层之间的电流分布情况。由于，所示。其中，内导体层绕制半径R1为20mm，正超导电缆导体层电阻通常较其本身电感小两个数量级[10]，因此，CORC导体层间电流分布取决向绕制，绕制角度为20°；外层导体层绕制半径R2为20.2mm，反向绕制。于导体层自感以及层间互感，可通过调整不同导当外层导体的绕制角度发生变化时，外层导体层间的电感大小来实现高温超导电缆导体层体自感以及两导体层间互感也随之发生变化，进之间电流的均匀分布。而影响两导体层的分流效果。为了更方便地研究超导电缆导体电磁参数与其电感、导体层电流分布之间的关系，以下以表2电缆导体电磁参数一个具有2层CORC导体层的高温超导电缆导Tab.2Structuralparametersofcableconductors体为例，对其导体绕制参数进行研究。内层导体外层导体绕向系数a+1（正绕）-1（反绕）4电缆导体绕制参数绕制半径R20mm20.2mm对一具有2层CORC导体层的电缆导体，1450.71mm（5°）各超导层电阻忽略不计，计及M12=M21，则式(8)719.80mm（10°）可表示为：473.67mm（15°）UL1MI1绕制节距l348.71mm（20°）jω(13)（l=2πr/tanθ）345.26mm(20°)UML2I2（绕制角度θ）272.18mm（25°）219.83mm（30°）求解式(13)，可得I1、I2：181.26mm（35°）ML2UI12(14)151.26mm（40°）MLL12用式(16)和(17)计算表2所示高温超导电缆ML1UI22(15)内外两层CORC导体层电流，并结合导体绕向和MLL12绕制角度，得到外层导体采用不同绕制角度下，考虑式(14)和(15)，可得式(16)和(17)的内外两导体层的分流百分比，如图5所示。层导体电流百分比。从图5可以看出，当内层超导带材导体绕制角度为20°时，随着外层导体绕制角度增大，内层分流逐渐增大，外层分流逐渐减小。当外层绕制角度在22°附近时，内外层导体电流分流比均约为0.5，即内外层导体电流相近，实现了高温

42019年中国电机工程学会年会论文集超导电缆导体的均流设计。流的均匀分布。（3）高温超导导体电感与电缆导体的结构参数，如绕向、绕制半径和绕制节距等，密切相关，通过对超导电缆结构参数的优化设计，可实现高温超导电缆通电导体层的均流设计。致谢本研究由南方电网公司深圳供电局有限公司科技项目提供经费支持，项目编号：SZKJXM20170410。参考文献[1]https://www.sz.csg.cn/xwzx/gsxw/201708/t20170801_972.html[2]杨新洪,谢作正,李必祥,等.深圳统计年鉴-2016.北京:中国统计出版社,2017图5电缆内外导体层电流随绕制角度的变化曲线[3]https://www.sz.csg.cn/gsgk/shzrbg/[4]戴少涛,林良真,林玉宝,等．75m三相交流高温超导电缆的Fig.5Curveofthecurrentoftheinnerandouter研制.中国电机工程学报,2007,27(12):91-96conductorlayersofcablewiththewindingangle[5]MaguireJF,SchmidtF,BrattS,etal．Installationandtesting5结论resultsofLongIslandtransmissionlevelHTScable.IEEETransactionsonAppliedSuperconductivity,2009,19(3):本文建立了高温超导电缆的电路数学模型，1692-1697基于CORC导体结构及其电感对导体层电流的[6]MasudaT.RecentprogressofHTScableproject.PhysicaC,2008,468(15-20):2014-2017影响，分析了高温超导电缆导体层电流分布与电[7]信赢,龚伟志,张敬因．影响多层交流超导电缆电流分布不可缆导体电磁参数之间的相互关系，得到的结论如忽略的因素——邻近效应.中国科学:技术科学,2010,下：40(7):786-793[8]李健,林良真.高温超导交流输电电缆导体层电流分布研究.（1）大容量高温超导电缆可看作由多层电工电能新技术,2000,19(2):7-10.CORC导体层的并联结构，其电感计算与CORC[9]宝旭峥,诸嘉慧,方心宇.冷绝缘高温超导电缆本体结构对电磁参数的影响.低温与超导,2011,39(3):34-39导体层电感计算方法类似。[10]应启良.低温绝缘(CD)高温超导电缆屏蔽层电流对超导电缆（2）CORC导体层间电流分布取决于导体导体和屏蔽电流分布的影响.电线电缆,2009,(2):7-15.层自感以及层间互感，可通过调整不同导体层间作者简介：吴小辰（1972年-），男，浙江嘉兴人，硕士，教授级高级工程师，的电感大小来实现高温超导电缆导体层之间电研究方向为超导电力技术、电力系统稳定分析及控制的研究与工程应用。