110kV冷绝缘高温超导电缆的模型建立及失超特性研究

摘要

高温超导电缆是高温超导材料在电力领域应用的一个重要方面。高温超导电缆结构紧凑、输电容量大、线路损耗低、对环境污染小，已成为解决高密度输电的最佳选择之一，必将为电力行业带来重大技术革新。高温超导电缆必须运行在液氮环境中，通过电缆的电流必须小于临界电流，此时的电缆超导层的阻值几乎为零，不产生焦耳热。在故障电流下，电缆失超，超导材料的阻值将会迅速增大，电流流过电缆后产生的焦耳热有可能将电缆本体烧毁，也可能导致冷却煤质急剧膨胀，从而损坏整个超导装置，甚至影响到整个系统运行的安全与稳定。因此，在高温超导电缆并网之前，有必要对超导电缆的失超特性进行研究，从而提出失超保护策略，保障超导电缆的安全运行。考虑到超导电缆的造价昂贵，实验研究耗费巨大，因此，有必要建立高温超导电缆的仿真模型，对其失超过程进行仿真研究。
　　本文首先对高温超导带材进行了实验研究，测量得到高温超导带材的临界电流值，并对超导带材进行交流测量实验，得到并分析了高温超导带材在失超过程中的电流电压波形及温度曲线。以高温超导带材的数学模型为基础，结合实验研究结果，建立了高温超导带材的故障电流冲击模型，并且探索出一种基于PSCAD/EMTDC和MATLAB的高温超导带材仿真模型的建立方法。将高温超导带材失超过程的仿真结果与实验测量结果进行定性比较，验证所建模型符合高温超导带材的失超规律。由于超导电缆的超导层由超导带材绕制而成，因此，超导层的失超规律与超导带材的失超特性密切相关，建模方法上也有一定的参考价值。结合超导电缆的结构特点，参照超导带材的建模方法，建立了110kV冷绝缘高温超导电缆的仿真模型。在仿真模型中设置单相接地、两相短路和三相短路故障，对超导电缆在故障电流下的失超过程中的温度及电阻率进行了计算，得到并分析了失超过程中的各参数波形图。最后，对电缆完全失超后的本体温度、时间和电流密度之间的关系进行了计算，并对计算结果进行了分析。计算结果将对超导电缆的保护策略研究具有一定的参考价值。

目录

声明

致谢

摘要

1．绪论

1．1．课题研究背景和意义

1．2．高温超导电缆概述

1．2．1．超导带材概述

1．2．2．高温超导电缆的结构

1．2．3．高温超导电缆的发展

1．3．超导电缆的失超特性研究

1．3．1．失超特性研究方法

1．3．2．失超保护策略概述

1．4．本文工作安排

2．高温超导带材失超特性的实验研究

2．1．实验平台简介

2．1．1．数据采集系统

2．1．2．直流电源平台

2．2．实验结果及分析

2．2．1．直流测试结果

2．2．2．交流测试结果

3．高温超导电缆的失超特性仿真研究

3．1．软件平台介绍

3．2．高温超导带材的数学模型

3．3．高温超导带材的故障电流冲击模型

3．4．高温超导带材的仿真结果及分析

3．5．高温超导电缆的失超过程仿真模型

3．6．高温超导电缆的失超过程仿真结果及分析

4．高温超导电缆失超后的温度计算及分析

4．1．温升计算模型

4．2．计算结果及分析

5．总结与展望

5．1．总结

5．2．展望

参考文献

作者简历

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