冷绝缘高温超导电缆交流损耗计算及分析

摘要

冷绝缘高温超导电缆结构紧凑，具有体积小、容量大、损耗低、无电磁污染等诸多优点，在未来的高温超导输电领域将得到大规模的应用。高温超导电缆的交流损耗直接关系到超导电缆的运行成本及稳定性，只有当超导电缆的交流损耗足够低时，超导电缆与常规电缆的优越性才能体现出来，所以高温超导电缆交流损耗是其电力应用研究的最重要内容之一。建立高温超导电缆交流损耗计算理论及测量系统，对其交流损耗进行快速、准确的计算和测量有着重要的意义。
　　本文首先通过实验研究了YBCO高温超导带材的临界电流特性，给出了其交流损耗理论模型；然后以国内第一根基于YBCO涂层导体的110kV/3kA冷绝缘高温超导电缆结构为基础，建立了冷绝缘高温超导电缆各层分流数学模型和各层磁场分布模型，根据各层的电流分布和磁场分布，考虑超导电缆各层带材在交变磁场下的临界电流退化率，通过两种方法建立了冷绝缘高温超导电缆交流损耗数值计算理论，用Matlab数学软件进行算法实现，计算结果表明77K和69K温度下两种方法计算结果相一致，且超导电缆总损耗在低频下随频率呈线性关系；研究了导电层分流特性对冷绝缘高温超导电缆交流损耗的影响，结果表明多导电层冷绝缘高温超导电缆层电流均匀分布时总交流损耗是否取最小决于超导电缆传输电流峰值与超导电缆临界电流的比值Ip/Ic，当Ip/Ic比较小时，超导电缆层电流分布均匀时其交流损耗并非最小，此时可以通过调整各层节距改变各层磁场分布，使总交流损耗降到最小，并且提出了使超导电缆在远离临界电流区间运行降低交流损耗的新思路。
　　研究了高温超导体交流损耗电测量理论和方法，提出了电测法在测量高温超导体交流损耗时存在的问题。进而建立了冷绝缘高温超导电缆交流损耗电测量系统，并进行了误差分析和改进。
　　最后利用电测法，对1.5m冷绝缘高温超导电缆模型样缆和3m四层高温超导电缆交流损耗进行了测量，实验结果验证了计算方法的正确性，及电测法测量超导电缆交流损耗的有效性；手工绕制了20cm冷绝缘高温超导电缆短样，对其不同频率下的交流损耗进行了测量，并利用通直流的方法测量了其接头电阻，剔除了接头电阻对交流损耗测量结果的影响，结果表明低频下超导电缆交流损耗随传输电流频率成线性关系。