冷绝缘高温超导电缆交流损耗计算及分析

论文摘要

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。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及选题意义
• 1.2 高温超导电缆输电应用现状
• 1.3 超导电缆交流损耗计算理论研究现状
• 1.3.1 交流损耗产生机制与分类
• 1.3.2 交流损耗基本计算方法
• 1.3.3 超导电缆交流损耗计算国内外现状
• 1.4 高温超导交流损耗测试技术现状与发展
• 1.4.1 磁测法
• 1.4.2 电测法
• 1.4.3 热测法
• 1.4.4 电磁测法和热测法比较
• 1.5 本文工作
• 2 冷绝缘高温超导电缆交流损耗计算理论
• 2.1 YBCO高温超导带材交流损耗
• 2.1.1 YBCO高温超导带材结构
• 2.1.2 YBCO带材的临界电流特性
• 2.1.3 YBCO带材的交流损耗计算
• 2.2 冷绝缘高温超导电缆交流损耗
• 2.2.1 110kV/3kA冷绝缘高温超导电缆结构特征分析
• 2.2.2 超导电缆分流数学模型
• 2.2.3 高温超导电缆磁场分布
• 2.2.4 高温超导电缆交流损耗数学计算
• 2.2.5 交流损耗计算结果
• 2.3 超导电缆均流特性对交流损耗的影响分析
• 2.4 本章小结
• 3 超导电缆交流电损耗测量理论与装置
• 3.1 交流损耗电测量理论
• 3.1.1 自场损耗测量
• 3.1.2 交变外磁场下磁滞损耗测量
• 3.1.3 交变外场中超导体传输交流电流的损耗测量
• 3.1.4 交流损耗电测量中的误差问题
• 3.2 超导电缆交流损耗电测量方法
• 3.2.1 冷绝缘高温超导电缆交流损耗测量装置
• 3.2.2 减小误差所做的改进
• 3.3 本章小结
• 4 高温超导样缆交流损耗测量实验与分析
• 4.1 1.5m模型样缆实验
• 4.1.1 实验系统设计
• 4.1.2 实验步骤
• 4.1.3 实验结果分析
• 4.2 3m四层高温超导电缆实验
• 4.2.1 实验系统设计
• 4.2.2 实验步骤
• 4.2.3 实验结果分析
• 4.3 20cm冷绝缘高温超导电缆实验
• 4.3.1 冷绝缘高温超电缆设计与制作
• 4.3.2 超导电缆接头电阻测量实验设计
• 4.3.3 交流损耗测量系统设计
• 4.3.4 实验结果分析
• 4.4 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
• 附录A
• 作者简历
• 学位论文数据集