交/直流电缆电场对绝缘及运行特性的影响

以交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆为例,分析了绝缘介质微观结构对载流子在不同电场下运动规律的不同影响,讨论了交/直流电缆绝缘介质中的电场分配机制,在综合考虑微观载流子与陷阱的耦合机制中,进一步讨论了影响绝缘稳定性与电缆运行稳定性的主要因素。基于此,总结了交/直流电缆绝缘及其运行特性的主要区别,结果表明:电缆绝缘介质微观载流子在工频交流电场和稳恒电场下的不同响应,决定了交/直流电缆绝缘特性和运行特性的显著差异,空间电荷是影响直流电缆绝缘特性的主要因素,而局部放电是交流电缆绝缘老化的主要影响因素。该研究为交/直流电缆绝缘在结构设计中的不同技术考量以及电缆的运行维护等提供了理论依据。

10kA高温超导电缆系统绝缘

为确定10kA直流高温超导电缆(10kA超导电缆)本体和测控系统绝缘水平,讨论了其本体结构特点和电场分布特点以及绝缘水平的影响因素;对Pt100型铂电阻温度传感器进行了耐压、耐流试验;构建了由模型电缆和模拟测控回路组成的系统并对其进行耐压试验。结果表明温度传感器在5kV情况下耐压情况良好,但较大电流容易导致其损坏;高压下普通密封转换端子外壳对温度传感器针脚放电并导致传感器损坏,需设计专用密封端子。研究认为10kA超导电缆本体绝缘设计需适当提高绝缘耐压水平,测控系统浮电位设计满足10kA超导电缆工作状态下的测控需要,但测控系统绝缘设计中需防止产生因高压产生的局部放电电流加载于测量回路,10kA超导电缆系统集成后进行的系统耐压测试表明其绝缘系统满足运行要求。

超导电缆绝缘及其材料性能

在26篇文献的基础上综述了超导电缆本体及终端结构和绝缘特点。分析了不同绝缘结构的特点及主要绝缘材料常温和低温条件下的电气及机械性能。固体绝缘在低温下具有更优异的电气性能,但机械性能下降。EPR绝缘在液氮低温下的机械性能优于同条件下PE及XLPE的性能。液氮浸渍复合绝缘结构较易产生局部放电,纤维基绝缘材料的耐局部放电性能比薄膜材料差。提高液氮浸渍复合绝缘中液氮的压力可提高绝缘层局部放电的起始放电电压。

ITER装置超导磁体线圈导体用超导电缆的绞制

超导磁体系统是国际热核聚变实验堆ITER装置的重要组成部分,其超导磁体线圈采用CICC(cable-in-conduit conductors)导体绕制而成。本文介绍了CICC导体的结构及其管内超导电缆的绞制过程,讨论了绞制参数对超导电缆交流损耗的影响。分析了绞制过程中放线张力和模具设置等因素对结构参数控制及其绞制质量的影响,第1、2级子缆绞制过程中绞制单元收、放线张力需要实时精准控制以避免绞线单元发生伸细甚至拉断现象,成品超导电缆绞制时的模具设置、模具数量和外径控制方法是超导电缆绞缆的关键,需要多种、多个模具多种组合外径控制方式,确定了超导电缆绞制技术方案,并成功完成了一根长度为765m PF5型哑缆(dummy cable)研制。

10kA超导直流输电电缆系统损耗特性研究

超导电力技术具有诸多优势和良好的应用前景,世界范围内已完成多个超导电力装置的研发和示范应用。一根360m/10kA高温超导直流输电电缆(10kA超导电缆)的研制已经完成并成功实现并网示范运行。文中介绍了10kA超导电缆主要结构参数,讨论了超导电缆损耗源,重点分析了10kA超导电缆终端、低温杜瓦管和通电导体的损耗情况,终端电流引线是超导电缆热损耗最主要来源。10kA稳态运行条件下的损耗测试情况表明,低温液氮闭合循环系统满足10kA超导电缆冷却要求,其自身低温损耗为1600W左右,与分析结论基本吻合。

10.5kV/1.5kA高温超导电缆绝缘设计及加工

正在研制的75m长10.5kV 1.5kA三相交流高温超导电缆将于2004年底挂网试运行。本文分析75m高温超导电缆的电场分布特点,介绍了该电缆的总体绝缘设计与加工及试验情况。在由超导电缆本体、中间连接及终端模型组成的同实际电缆外体结构一致的电缆集成体模型上,完成了终端及电缆中间连接的绝缘预加工并进行了耐压试验;15kV工频电压下电缆本体绝缘局部放电试验;以及电缆本体及模型电缆集成体绝缘通过了35kV工频耐压试验。

国际核聚变装置用超导电缆绞缆技术优化研究

国际热核聚变实验堆计划是目前我国参与的最大的国际合作项目,CICC(Cable-In-Conduit Conductors)导体具有较低的交流损耗,是核聚变装置的首选导体。介绍了CICC导体的结构及其绞缆试制过程,确定了CICC导体绞缆工艺技术路线。多次绞缆试制表明,第五级子缆的绞制加工尤其是外径控制是整个CICC导体绞缆关键环节。多道辊压+定径哈夫模控制技术可有效地控制CICC绞缆的外径,并不对单线造成损伤。

75m三相交流高温超导电缆的研制

成功研制的75m长10.5kV/1.5kA三相交流高温超导电缆是目前世界上少数几组并入实际电网试验运行的三相交流高温超导电缆之一。超导电缆芯采用均流方法设计,在自主开发的专用绕线机上绕制;低温杜瓦管采用柔性波纹管和真空绝热结构;电缆的绝缘设计和加工实现了与常规电缆电绝缘工艺的兼容;低温制冷系统采用减压降温方式;在线监测系统采用光-电转换技术实现高电压隔离。该超导电缆的交流载流能力大于3500A,自2004年12月起,已累计在配电网中运行达7000h。

超导储能技术在可再生能源中的应用与展望

超导储能系统直接将电磁能存储在超导磁体中,无须中间转换环节,具有响应速度快、功率密度高、效率高等优点,在可再生能源领域具有重要的应用价值。总结了超导储能系统在可再生能源领域的研究现状,将其在可再生能源应用的研究归纳为如下几个方面:解决可再生能源的波动性及其引发的频率稳定性问题,解决暂态功率失衡引发的电网稳定性问题,解决可再生能源发电设备的故障穿越问题,以及解决与其他超导电力装置协同控制问题。详细介绍了超导储能系统在这些方面应用的基本原理和实现方法,评估了其技术成熟度和经济性,介绍了其典型应用案例,指出影响其未来发展的核心关键技术,并对其未来的发展进行了展望。

超导直流能源管道的研究进展

将超导输电技术与液化天然气(LNG)管道输送技术相结合,形成能同时输送LNG与电力的能源管道,不仅可以节约能源通道,还可以利用LNG冷却超导电缆,提高能源输送效率和经济性,是一种极具前景的能源输送方式。在国家"智能电网与装备"重点研发计划的支持下,开展了超导直流能源管道的基础研究。该文主要介绍超导直流能源管道的基础研究项目近一年多的进展情况,主要包括:LNG混合工质的低温液固转变机理及传热流动特性,电力/LNG一体化输送动态稳定性判据,为安全性与故障演化分析而搭建的实验平台及初步实验结果,以及10m/10kV超导直流能源管道原理样机的研制与实验情况。

1250kV·A三相高温超导变压器的系统集成与试验

对1250kV·A/10.5kV/0.4kV三相高温超导变压器的系统设计、集成、试验与并网示范运行进行了研究。该超导变压器的一次侧绕组为螺线管型,二次侧绕组为饼式线圈结构,均采用Bi2223/Ag铜合金加强高温超导带材制备;铁心为三相三柱式,采用取向硅钢片叠成;低温恒温器带有室温孔,采用耐低温的玻璃钢制作。测试表明,该超导变压器的空载损耗为2319.2W,空载电流为0.254%,短路阻抗为5.6%,负载损耗为249W。此外,对一、二次侧之间的主绝缘进行了35kV/1min/50Hz工频耐压测试,测试最大泄漏电流12.6mA;对一次侧绕组纵绝缘进行了负向75kV/1.2μs/50μs全波雷电冲击电压测试。完成相关测试后,该超导变压器于2014年9月9日开始并网示范运行,长时间运行可靠。

高温超导变压器研发进展综述

与传统常规变压器相比,超导变压器具有很多优势,如体积小、重量轻、损耗低、无污染火灾隐患等。近十几年来,随着高温超导线材取得重要的研究进展,国际上相继开展了高温超导变压器的研发,已有三台样机成功地完成了挂网试验。简要介绍了近年来国内外高温超导变压器(包括电力变压器和机车变压器)的研发情况以及近期几个基于第二代高温超导线材的高温超导变压器项目,并指出随着高温超导线材的技术发展,限流变压器的研究值得关注。

HTS电力技术应用中的液氮高电压绝缘特性研究

针对超导电力装置的低温高电压绝缘问题,通过低温高电压实验装置系统地研究了液氮的绝缘与击穿特性,重点研究了电极形状、电极间距和液体压力等因素对液氮击穿特性的影响规律。结果表明:电极间距越大击穿电压越高;击穿电压随气体压力线性增加;电极形状对室温液氮的击穿电压影响显著,电极间隙的电场越均匀击穿电压越高;电极距离的增大引发电极间隙电场均匀性变差,单位长度的耐压强度随长度的增加而降低;液体压力的增高,不同电极的耐压能力都有不同程度的改善。

HTS电力技术应用中低温氮气的绝缘特性研究

针对超导电力装置的低温高电压绝缘问题,通过低温高电压实验装置,系统地研究了液氮液面以上低温氮气的绝缘与击穿特性,重点研究了高压电极的形状、电极之间的间距和气体压力等因素对低温氮气击穿特性的影响规律。结果表明:在液氮液面以上固定的位置(确保低温氮气的温度一致),电极间距越大击穿电压越高;击穿电压随气体压力近似线性增加;电极形状对低温氮气的击穿电压影响显著,电极间隙的电场越均匀,击穿电压越高。

长距离室温绝缘超导直流电缆的热损耗分析

以中国科学院电工研究所研制的360m/10kA高温超导直流电缆为原型,分析了长距离应用场景下的室温绝缘高温超导直流电缆的杜瓦管道、电缆终端、通电导体和制冷工质等部位的热损耗特性并计算了其数值,讨论了长距离应用下对热损耗的特别考虑,给出所拟模型电缆的单位长度热损耗为1.3W/m,提出了将电缆本体和终端进行分别制冷的策略。分析计算结果是长距离应用室温绝缘高温超导直流电缆的热力学-流体力学特性分析、热负荷管理和低温制冷站配置工作的重要参考。

高温超导直流电缆最大冷却长度的影响因素

明确决定高温超导直流电缆最大制冷距离的因素是进行电缆系统参数配置的基础问题。本文建立了顺流制冷方式下制冷系统的热力学-流体力学物理模型,用解析的方法研究了在电缆及其制冷系统稳态情况下的外部热损耗、流量等因素单个作用时分别对电缆最大制冷长度的影响。结果表明外部热损耗和制冷距离呈负相关关系;仅在一定范围内制冷距离随流量增大而延长;内外流换热效果对制冷距离影响不大;在一定流量下增大壁面粗糙度会减小制冷距离且流量越大粗糙度的增加对制冷长度的减小效果越明显;一定范围内增大内杜瓦管半径能延长制冷距离。本文对结果产生的原因做了解释并指出了结论对工程实践的意义,本文的分析方法和结论对于长距离应用的高温超导直流电缆系统配置有参考价值。

深冷温区绝缘材料击穿及沿面放电研究进展

超导、空间环境模拟、生物医学与核聚变等领域广泛存在由冷却介质与聚合物材料组成的绝缘系统,放电失效问题往往存在于冷却介质、聚合物材料及两者之间的表/界面。在深冷温区,试验成本高、周期长、仪器缺乏以及安全隐患等因素严重限制了绝缘特性与放电试验的开展、规律总结、理论验证和新理论的提出。该文综述了深冷温区下绝缘介质击穿、闪络的试验成果和理论进展,侧重规律的总结和放电特性的分析、现有机理的解释以及工作展望。特别地,该文分析老化因素对绝缘介质击穿特性的影响,论述固-液、气-固界面放电行为的研究和现有模型的局限性,探讨了空间电荷的输运机制及其在深冷温区的适用范围,最后总结和评述深冷温区电荷、陷阱的测量方法和结果。该文内容有利于低温绝缘理论的发展和工程问题的解决,可为低温绝缘结构设计与优化、材料选型以及新材料的研发提供参考。

超导直流电缆低温绝缘材料的研究进展

随着柔性直流输电技术的发展,高温超导(HTS)直流电缆研究越来越受到各界重视。与超导交流电缆相比,低温绝缘结构HTS直流电缆损耗更低、传输容量更大,是HTS直流电缆的重要发展方向。本文在查阅国内外大量文献资料的基础上,结合绝缘介质在直流电场下暂态和稳态时的电场分布特点,综合考虑低温绝缘材料力学性能、绝缘特性、成本等因素,综述了HTS直流电缆低温绝缘材料的研究进展、存在的问题和发展趋势。

限流器用第二代超导带材大电流冲击过程的物理模型研究

为研究用于电阻型超导限流器的第二代(2G)超导带材的故障限流特性,本文对在该过程中带材的瞬态物理变化进行分析,结合2G超导带材的物理结构及成分配比,针对短时交流大电流冲击下超导体瞬间从超导态转变为有阻态过程,建立超导带材的物理模型。利用Matlab对该过程进行数字建模仿真,获得故障限流过程中超导带材的电流、电阻等系列参量的直观变化规律,并对上述物理模型进行校验,实验验证仿真结果的有效性。

高温超导变压器关键技术

由于超导材料的无阻载流特性,其在超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导储能、超导电机等超导电力装置中的应用引起人们极大兴趣。其中超导变压器具有体积小、重量轻、损耗低、无火灾隐患、无环境污染和低漏抗等特点。简要介绍了高温超导变压器基本结构,重点介绍了变压器研发过程中的关键技术问题,包括液氮和气氮低温绝缘特性、超导绕组损耗分析、电流引线设计、非金属低温容器设计等,为高温超导变压器的研发提供有用的参考。