冲击电流下高温超导电缆安全运行区间研究

摘要

与常规电力电缆相比，高温超导电缆的具有损耗小、传输容量大、重量轻、体积小、无火灾隐患和无电磁辐射污染等优点。在电力传输方面，高温超导电缆为高效率、大容量、低损耗输电提供了有效途径。由于超导电缆在并网运行中送电容量很大，一旦在输电过程中出现故障，则可能影响超导电缆供电可靠性，严重的甚至对电缆本身造成永久损伤并影响整个电力系统的稳定性。因此，高温超导电缆的稳定性能关系到整个超导输电系统的安全运行，是推进超导输电实用化进程的关键技术之一。
　　本文着眼于高温超导电缆在故障电流冲击情况和低温系统故障情况下的稳定特性，对110 kV/3 kA冷绝缘高温超导电缆磁-热特性进行了研究。基于第二代高温超导带材YBCO涂层导体结构特点和E-J伏安特性，建立了超导带材并联等效电路模型。对直流/交流(DC/AC)电流下超导带材伏安特性进行计算，分析了YBCO超导层和金属稳定层电流分布、电阻大小随载流变化规律。
　　以采用YBCO涂层导体的高温超导电缆多股并绕分层导体为基本支路单元，基于超导涂层导体等效并联电路模型，建立了高温超导电缆的等效电路模型和热传导模型。考虑电流分布和温度分布的相互影响，相互耦合关系，采用MATLAB和ANSYS实现超导电缆磁-热分量的耦合求解。分析了高温超导电缆在故障电流冲击和低温系统故障运行条件下的稳定特性，提出超导电缆安全运行温度区间。通过对超导电缆各个导电层在不同运行条件下的分流、热负荷暂态响应特性进行全面的理论研究，从而获得超导电缆载流、失超和热负荷特征变化规律，提出了高温超导电缆稳定运行裕度和安全运行区间的设计方法。
　　最后根据超导电缆结构参数，手动绕制长度为0.2 m的模型电缆，并对模型电缆进行载流特性实验和冲击电流测试实验。分析冲击电流下电流和温度变化规律，并对比理论计算结果。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 高温超导电缆技术与应用

1．3 高温超导电缆故障运行研究现状

1．3．1 超导电缆故障运行研究方法与成果

1．3．2 超导电缆故障运行研究的问题与不足

1．4 本文主要工作

2 基于回路法的高温超导电缆电-磁-热耦合特性分析

2．1 高温超导带材U-I特性建模与分析

2．1．1 高温超导带材U-I特性建模

2．1．2 直流／交流电流下，超导带材载流特性分析

2．2 高温超导电缆磁-热耦合模型建立

2．2．1 故障电流下，高温超导电缆等效电路与数学建模

2．2．2 高温超导电缆电阻电感参数计算

2．2．3 高温超导电缆传热方程推导与计算

2．3 高温超导电缆磁-热耦合模型的有限元分析

2．3．1 超导电缆磁-热耦合计算方法

2．3．2 MATLAB与ANSYS在磁-热耦合计算中的应用

2．4 本章小结

3 冲击电流下，高温超导电缆安全运行区间研究

3．1 稳定裕度定义与研究方法

3．2 冲击电流条件下，超导电缆磁-热耦合结果分析

3．2．1 低温系统故障下，超导电缆稳定运行计算结果与分析

3．2．2 冲击电流故障下，超导电缆磁-热耦合计算结果与分析

3．3 冲击电流故障下，高温超导电缆安全运行区间计算

3．3．1 超导电缆轴向温度分布计算

3．3．2 冲击电流条件下，超导电缆稳定运行区间计算

3．4 本章小结

4 模型电缆稳定性实验测试与分析

4．1 0．2m模型电缆临界电流实验

4．1．1 0．2m模型电缆绕制

4．1．2 临界电流测试原理与实验设计

4．1．3 实验结果与分析

4．2 0．2m模型电缆冲击电流实验

4．2．1 冲击电流实验系统设计

4．2．2 实验结果与分析

4．3 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 下一步工作展望

参考文献

作者简历

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