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高温超导输电电缆的发展现状(1)

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2012/6/5 14:56:49   

摘要: 高温超导(HTS)电缆具有低损耗、大容量、无污染等优点,是智能电网基础技术之一,已在电力系统中已受到越来越多的关注。笔者介绍了HTS 电缆的结构、特点及性能优势,阐述了HTS 电缆在国内外的研发概况,指出了HTS 电缆的未来重点应用领域。在此基础上,指出了HTS 电缆在智能电网中应用尚需解决的技术性、经济性及工程适用性等方面的问题。

0 引言

随着经济和社会的发展, 人们对电能的需求量日益增长,使得电力系统各部分电气紧密连接,电力系统向更大规模方向发展, 对电能品质和供电可靠性提出更高要求, 对电气设备的环保要求和节能要求更严格。由于中国电力资源和负荷分布不均,使得长距离输电成为必然。而电能在传输中的损耗成为急需解决的突出问题。据统计,传统电线或电缆受铜、铝等基本导电材料电导率限制,2007 年中国在输变电过程中的损耗大约为7.5%(其中线路损耗约占70%左右)。为减少电能输变电过程中的损失,亟需采用新型输电方式来实现资源节约型电能输送。作为智能电网基础技术之一, 高温超导(high temperature superconducting,HTS) 电缆采用具有很

高传输电流密度的高温超导材料作为导体, 其诸多优点已在电力工业中引起了越来越多的关注。随着电网智化发展趋势越来越明显,HTS 电缆的应用前景也越来越被看好[1-2]。

笔者旨在介绍HTS 电缆的结构、特点及优越性, 阐述HTS 电缆在国内外的研发及应用情况。在此基础上,探讨HTS 电缆在智能电网中的应用前景。

1 HTS 电缆的结构及分类

1.1 HTS 电缆结构

HTS 电缆的结构与常规电缆有较大的差异,主要由电缆本体、终端以及低温冷却系统组成。

1)电缆本体。HTS 电缆本体包括电缆芯、电绝缘和低温容器。电缆芯是由绕在不锈钢波纹管骨架上的导体层组成,装在维持液氮温度的低温容器中,低温容器两端与终端相连。电缆芯导体层的高温超导带材在终端通过电流引线与外部电源或负载相连接。电缆芯的导体层是由多层高温超导带材在骨架上绕成。导体层间缠绕绝缘带,以降低电缆因电磁耦合引起的交流损耗。低温容器是具有高真空和超级绝热的双不锈钢波纹管结构, 这种结构保证了HTS电缆的可柔性和保持夹层高真空度[1, 3]。

对于冷绝缘HTS 电缆,其电绝缘包在导体层外侧,与导体层同处低温环境中,其结构见图1。对于热绝缘HTS 电缆, 其电绝缘处在低温容器外侧,在绝缘层外再加电缆保护层,其结构见图2。

2)电缆终端。终端是HTS 电缆与外部电气部件的连接端口, 也是电缆低温部分与外部室温的过渡段,其结构见图3。终端要求有很好的热绝缘,以保证超导电缆整体热损耗最小。同时,由于超导电缆本体在一定的电压下运行, 因此也要求终端有相应的绝缘水平[4-6]。

3)低温冷却系统。目前HTS 电缆普遍采用Bi2223超导带材作为电缆的导体层, 低温技术为超导应用提供最基本的低温运行条件, 因此冷却系统是超导电缆系统的一个重要部分。目前普遍采用液氮作为冷却介质, 因为氮在标准大气压下的沸点是77 K,低于Bi2223 的临界温度110 K, 氮的液化技术成熟、价格低廉,同时由于氮是空气的主要成分,氮气的泄漏不会带来环境问题。

HTS 电缆的液氮冷却基本原理是利用过冷液氮的显热,将HTS 电缆产生的热量带到冷却装置,通过液氮冷却装置冷却后,再将过冷液氮送到HTS 电缆中去,形成液氮在闭合回路的循环过程。冷却装置可以采用各种不同制冷方式,如常压液氮沸腾制冷、减压降温制冷、低温制冷机(如小型G-M 制冷机、斯特林制冷机、逆布雷顿循环制冷机等)制冷等[1, 4]。

1.2 HTS 电缆分类

可以从以下几个方面对HTS 电缆进行分类:

1)按传输电流方式可分为直流和交流电缆;

2)按电气绝缘材料运行温度的不同可分为热绝缘HTS 电缆与冷绝缘HTS 电缆,其结构见图1、2;

3)按电缆导体结构可分为单芯电缆、三芯平行(3 根绝缘线芯轴向平行安置)电缆和三芯同轴电缆。

2 HTS 电缆及超导带材的性能及特点

2.1 HTS 电缆超导带材性能

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