液氫環(huán)境下超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析研究.pdf

1、在未來(lái)的全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中，大規(guī)模低損耗電能輸送將成為我國(guó)輸電網(wǎng)的主要挑戰(zhàn)。自1986年高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)以來(lái)，超導(dǎo)電纜輸電技術(shù)便成為熱點(diǎn)研究方向之一，超導(dǎo)電纜與常規(guī)電纜相比具有重量輕、體積小、傳輸容量大、損耗小等優(yōu)點(diǎn)。液氫和電能混合輸送超導(dǎo)電纜相對(duì)液氮冷卻超導(dǎo)電纜在輸送容量上具有巨大優(yōu)勢(shì)，成為最有希望解決未來(lái)大規(guī)模低損耗電能輸送的方案。國(guó)內(nèi)對(duì)液氮作為冷卻介質(zhì)的高溫超導(dǎo)電纜做了很多研究，使用液氫作為冷卻介質(zhì)的氫電混輸電纜還鮮有報(bào)道。論文對(duì)

2、液氫溫區(qū)下超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了可行性研究，為未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供一種可選的方式。
　　論文首先對(duì)目前常用的高溫超導(dǎo)材料的基本特性進(jìn)行了對(duì)比，選出MgB2最適合作為氫電混輸電纜的超導(dǎo)帶材。然后介紹了高溫超導(dǎo)電纜的結(jié)構(gòu)，基于超導(dǎo)電纜特殊的結(jié)構(gòu)建立了數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出了超導(dǎo)電纜電磁參數(shù)矩陣方程，分析了超導(dǎo)電纜導(dǎo)體層繞制角變化對(duì)超導(dǎo)電纜載流性能的影響。重點(diǎn)研究了液氫環(huán)境中超導(dǎo)電纜銅骨架、主絕緣層、導(dǎo)體層設(shè)計(jì)的基本理論，根據(jù)

3、液氫溫區(qū)下銅的物理性質(zhì)，依據(jù)熱穩(wěn)定性原則計(jì)算了超導(dǎo)電纜銅骨架最小橫截面積。對(duì)比分析了常用低溫絕緣材料的特性，選出了聚丙烯層壓紙(PPLP)作為主絕緣層的絕緣材料。通過(guò)最大工作場(chǎng)強(qiáng)的方法計(jì)算出了絕緣層的厚度，并仿真驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的可行性。最后根據(jù)項(xiàng)目110kV/4kA的目標(biāo)設(shè)計(jì)出了一根兩層導(dǎo)體層的高溫超導(dǎo)電纜。
　　此外，論文應(yīng)用COMSOL有限元分析軟件數(shù)學(xué)模塊的PDE接口，建立了MgB2超導(dǎo)帶材以及超導(dǎo)電纜的二維仿真模型。對(duì)Mg

4、B2超導(dǎo)帶材的電流密度分布和交流損耗進(jìn)行了仿真計(jì)算，并且和理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了所建立的仿真模型的有效性和正確性，并進(jìn)一步仿真得到了超導(dǎo)電纜每層導(dǎo)體層的電流分布情況。
　　最后，搭建了超導(dǎo)電纜載流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。基于設(shè)計(jì)出的電纜模型參數(shù)手工繞制了一根50cm長(zhǎng)電纜模型，并對(duì)電纜在制冷機(jī)20K溫區(qū)下進(jìn)行了載流能力測(cè)試。由于實(shí)驗(yàn)直流電源最大電流輸出的限制，沒(méi)能測(cè)得電纜的臨界電流，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)超導(dǎo)電纜在通流1000A時(shí)