低温与超导 超导技术 Ｃｒｙｏ．＆Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ 第４１卷第６期 Ｖｏｌ＿４ｌ Ｎｏ．６ ３ ｋＡ冷绝缘高温超导电缆的设计和短路冲击试验 刘宏伟 ，刘天玉 ，张慧媛 ，李庆余 ，王银顺 （１．华北电力大学电气与电子工程学院新能源国家重点实验室，北京１０２２０６； ２．中国电力科学研究院高电压研究所，北京１００１９２） 摘要：为验证接入系统的高温超导电缆的暂态特性，研制了２２０ｋＶ／３ｋＡ １．５米冷绝缘高温超导模型电缆，并成 功进行了短路电流为４０．４ｋＡｒｍｓ、持续时间为２ｓ的短路冲击试验。文中详细阐述了起到支撑、液氮流通通道和保 护作用的铜骨架的设计，超导电缆本体均流设计，并对该模型电缆进行了接入系统的短路冲击试验，试验表明，该 超导电缆可满足２２０ｋＶ电网暂态冲击要求，验证了超导电缆本体和铜骨架设计的正确和合理性。 关键词：高温超导电缆；冷绝缘；短路试验 Ｓｈｏｒｔ——ｃｉｒｃｕｉｔ ｐｕｌｓｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ３ｋＡ ｃｏｌｄ——ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｈｉｇｈ——ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｃａｂｌｅ Ｌｉｕ Ｈｏｎｇｗｅｉ ，Ｌｉｕ Ｔｉａｎｙｕ ，Ｚｈａｎｇ Ｈｕｉｙｕａｎ。，Ｌｉ Ｑｉｎｇｙｕ ，Ｗａｎｇ Ｙｉｎｓｈｕｎ‘ （１．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ａｌｔｅｒｎａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｏｕｒｃｅｓ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｒｉｎｇ，１０２２０６，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ １．５ｍ ２２０ｋＶ／３ｋＡ ｃｏｌｄ—ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｈｉｇｈ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｃａｂｌｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａ－ ｔｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｗｈｅｎ ｉｔ ｗａｓ ｐｕｔ ｉｎｔｏ ｐｏｗｅｒ ｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｆａｕｌｔ—ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗａｓ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ４０．４ｋＡｒｍｓ ａｎｄ ｄｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ２ｓ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ—ｆｏｒｍｅｒ ａｎｄ ｈｏｍｏｇｅｎｏｕｓ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｃａｂｌｅ ｗａｓ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｉｔｈ ａ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ４０．４ｋＡｒｍｓ ａｎｄ ｄｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ２ｓ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｃａｂｌｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈｅ ｃａｂｌｅ ｃｏｕｌｄ ｓｔａｎｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ２２０ｋＶ ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｍａｎｄｓ ａｎｄ ｖａｌｉｄａｔｅ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｂｌｅ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＨＴＳ ｃａｂｌｅ，Ｃｏｌｄ—ｄｉｅｌｅｃｔｉｒｃ，Ｆａｕｌｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ １ 引言 烈的电阻和温度变化，有可能导致电缆失超并对 电力系统动态特性产生影响。为研究接入系统的 高温超导电缆是高温超导电力技术的重要应 超导电缆的暂态特性，验证其能否承受系统中巨 用之一，它凭借传输容量大、功率密度高、体积小、 大的短路冲击电流，本文在设计、制作１．５ｍ长的 重量轻、传输损耗低、无火灾隐患、环境友好等优 超导电缆基础上，对其进行了接人电网的短路冲 势受到了各国研究机构、电力部门的极大关注并 击试验，试验表明超导电缆没有因为短路冲击而 取得了很大进展，相继有数组高温超导电缆挂网 受到损坏，从而验证了设计的正确和有效性。 实验运行。截止到目前国际上已有多组超导电缆 投入实际电网试验运行或示范运行，最长距离已 ２超导电缆本体设计 达６００ｍ，最高电压等级已达１３８ｋＶ －ｓ］。 与传统电缆相比，超导电力电缆具有许多完 ２．１铜骨架设计 全不同的电气特性。接入电力系统的超导电缆可 低温绝缘超导电缆本体从内到外分别由铜骨 能承受电网中发生的各种故障以及系统复杂振荡 架、超导导体层、绝缘层、超导屏蔽层、铜屏蔽层构 的情况。在短路电流的作用下超导电缆显现了剧 成。其中铜骨架和超导导体层在两端是并联连接 收稿日期：２０１３—０３—２２ 基金项目：本项目受“高校科研基本业务费支持（ＩＯＭＧ０２）”。 作者简介：刘宏伟（１９７５一），女，博士，讲师，研究方向为应用超导技术。 第６期 超导技术 Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ・３１・ 图１低温绝缘超导电缆横截面不意图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ—ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ＨＴＳ ｃａｂｌｅ 在一起的，超导屏蔽层和铜屏蔽层也是两端并联 的。正常运行时，超导屏蔽层中的电流是靠磁耦 合从超导导体层感应过来。当系统发生故障时， 超导导体层中的短路冲击电流会远远超过其临界 电流，电流将重新分配到与之并联的铜骨架中。 电缆在正常运行时，铜骨架中几乎没有电流流过， 但在短路故障情况下的电流是正常运行时的电流 １Ｏ＿３０倍，因而铜骨架中承载了绝大多数的故障 电流。为保证在此情况下，铜骨架不被过大的冲 击电流烧毁，应综合分析暂态热传导方程和电磁 扩散过程，求出满足系统短路时的铜骨架截面要 求，得出最佳的铜骨架设计方案。因为电流扩散 的速度远远大于热扩散的速度，可以认为发生故 障后，原来在超导导体层中流过的电流将扩散到 铜骨架中，且扩散时间非常短，因而假设电流在铜 骨架截面内均匀分布是合理的 Ｊ。 ｃ ＝ ・（Ｉｊ｝ ）＋Ｑｆ—Ｑ （１） ａ６ 其中，Ｃ为与温度有关的非线性比热容，ｋ为 与温度有关的非线性热导率， 为温度，Ｑ 为冷 却项，Ｑ 为焦耳热。根据２２０ｋＶ电网的短路容量 要求，对电缆进行持续２ｓ、电流为４０ｋＡｒｍｓ的电 流冲击。从保守计算考虑，此处的Ｑ。设为ｏ，即 绝热边界条件。温度的计算范围为６７＿８７Ｋ。经 过计算，在铜骨架内半径已经固定为１０ｒａｍ的条 件下，设计得到的铜骨架外半径为１５ｒａｍ，从保守 计算考虑，该截面积可完全满足短路冲击要求。 ２．２超导导体层和屏蔽层设计 低温绝缘超导电缆的横截面示意图如图１所 示。该超导电缆采用日本住友的Ｂｉ２２２３超导带 材绕制，７７Ｋ零场下的临界电流为１８０Ａ。具体参 数见表１所示。 实测的带材的尺寸为：宽度４．５ｒａｍ，厚度０． ３ｍｍ，实测短样的临界电流为零场下１８０Ａ，且在 通入２－－３倍的临界电流时，带材的临界特性没有 退化，证明这种带材有很强的过流和过负荷能力。 图２是该带材在平行场下和垂直场下的归一化电 流一磁场临界特性。在设计中尽量减小垂直带面 的磁场分量，以充分利用其超导电性 ｌ 。 表１住友Ｂｉ２２２３超导带材参数 Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ Ｄａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｓｕｍｉｔｏｍｏ Ｂｉ２２２３／Ａｇ ｔａｐｅ ＤＩ—ＢＳＣＣＯ参数 规格 参数 宽度（平均） ４．５±０．３ｍｍ 厚度（平均） ０．３６±０．０４ｍｍ 临界电流 ≥１８０ 机构（加强型） 铜合金 绝缘 无 临界弯曲直径 ６０ｍｍ 一 堪 磐 １ 磁场Ｂ／Ｔ 图２归一化临界电流与垂直场和平行场的关系 Ｆｉｇ．２ Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ＶＳ．ｐａｒａｌｌｅｌ ａｎｄ ｐｅｒｐｅｎ・ ｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ 表２低温绝缘超导电缆的设计参数 Ｔａｂ．２ Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ＨＴＳ ｃａｂｌｅ 根据３ｋＡｒｍｓ运行电流要求，该电缆采用２层 导体层和１层屏蔽层的结构，并采用遗传算法对 超导电缆的螺距进行优化。实际采用的铜骨架， 第６期 超导技术 Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉ ｙ ・３３・ 幅值不相等，如前述第一个周波的时候超导屏蔽层 该超导电缆本体仅仅是超导电缆系统中的一部 的电流是超导导体层的四分之一。原因是由于高 温超导电缆屏蔽层采用铜连接线在室温短路屏蔽 分，且在试验中采用的是液氮直接浸泡冷却方式， 这种冷却方式比实际运行在杜瓦管中的超导电缆 层后接地，相当于接入了一个很大的负载，该负载 的室温电阻值严重影响了超导屏蔽层的电流。 图５ 短路试验的超导导体层和屏蔽层电流 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ＳＣＬ ａｎｄ ＳＳＬ ｄｕｒｉｎｇ ｆａｕｌｔ—ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｘ— ｐｅｒｉｍｅｎｔｓ 试验结果同时表明，超导屏蔽层在没有与之 并联的铜屏蔽层的情况下，仍然完好无损，没有被 过大的冲击电流烧毁，得到这种带材的过流能力 至少是临界电流的２，５倍。关于超导电缆冲击后 的超导电性复试试验表明，超导电缆没有因受冲 击而使超导电性失去或者退化，关于该试验结果 也将陆续发表。 ４结论 在超导电缆铜骨架设计、超导本体均流设计和 加工绕制的基础上，对该电缆进行了短路试验。该 电缆经过短路冲击后，超导电缆没有被冲击毁掉而 使超导带材损坏。说明本电缆的载流能力既达到 了运行电流需要，也同时能够满足电网中的故障电 流的冲击要求，电缆以及铜骨架的设计合理。在超 导屏蔽层外没有绕制铜保护的情况下，对其进行的 短路冲击试验表明，超导电缆具有短时超过其临界 电流２．５倍的冲击电流后，超导电性仍然良好的特 性。再次验证了其在电网中运行的抗冲击能力。 ５不足之处和工作展望 本试验的不足之处在于没有在电缆内部埋入 测量温度探头，进而得到冲击时的温度分布；另外 的冷却方式要好得多。 参考文献 ［１］ＭａｇｕｉｒｅＪ Ｆ，Ｓｃｈｍｉｄｔ Ｆ，Ｂｒａｔｔ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｎｇ ｌｅｎｇｔｈ ＨＴＳ ｃａｂｌｅ ｔｏ ｏｐｅｒａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｎｇ ｉｓｌａｎｄ ｐｏｗｅｒ ａｕｔｈｏｒｉｔｙ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｇｉｒｄ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐ１．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．，２００７，１７（２）：１７８７—１７９２． ［２］Ｗｅｂｅｒ Ｃ Ｓ，Ｌｅｅ Ｒ，Ｒｉｎｇｏ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｍｏｎ— ｓｔｒａｔｉｏｎ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ３５０ｍ Ｌｏｎｇ ＨＴＳ Ｃａｂｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎ— ｓｔａｌｌｅｄ ｉｎ Ａｌｂａｎｙ，ＮＹ［Ｊ］，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐ１．Ｓｕｐｅｒ・ ｃｏｎｄ．，２００７，１７（２）：２０３８—２０４２． ［３］Ｉｃｈｉｋａｗａ Ｍ，Ｔｏｒｒｉ Ｓ，Ｔａｋａｈａｓｇｉ Ｔ，ｅｔ ａ１．Ｑｕｅｎｃｈ ｐｒｏｐｅｒ— ｔｉｅｓ ｏｆ ５００ｍ ＨＴＳ ｐｏｗｅｒ ｃａｂｌｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐ１． Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．，２００７，１７（２）：１６６８—１６７１． ［４］Ｊａｅ—Ｙｏｕｎｇ，Ｓｅｕｎｇ Ｒｙｕｌ Ｌｅｅ，Ｊｏｎｇ Ｙｕｅ Ｋｉｍ．Ａｐｐｌｉｃａ・ ｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ２２．６ｋＶ ＨＴＳ ｃａｂｌｅ ｉｎ ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ ｃｉｔｙ ｏｆ Ｓｏｕｔｈ Ｋｏｒｅａ［Ｊ］，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐ１．Ｓｕｐｅｒ— ｃｏｎｄ．，２００７，１７（２）：１６４８—１６５１． ［５］Ｊｏｏｎ—Ｈａｎ Ｂａｅ，Ｓｕｋ—Ｊｉｎ Ｃｈｏｉ，Ｓａｎｇ—Ｊｉｎ Ｌｅｅ，ｅｔ ａ１． Ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｎ ＨＴＳ ｐｏｗｅｒ ｃａｂｌｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐ１．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．，２００８，１８（２）：１２８９—１２９２． ［６］Ｙｉｎｇ Ｘｉｎ，Ｂｏ Ｈｏｕ，Ｙａｎｆａｎｇ Ｂｉ，ｅｔ ａ１．Ｃｈｉｎａ’Ｓ ３０ｍ， ３５ｋＶ／２ｋＡ ａｃ ＨＴＳ ｐｏｗｅｒ ｃａｂｌｅ［Ｊ］．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏ１．，２００９，１７：￥３３２一￥３３５． ［７］Ｄａｉ Ｓ Ｔ，Ｌｉｎ Ｌ Ｚ，Ｌｉｎ Ｙ Ｂ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ７５ｍ ｌｏｎｇ Ｉ－ＩＴＳ ｐｏｗｅｒ ｃａｂｌｅ［Ｊ］．Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ，２０Ｏ７，４７：４Ｏ２—４０５． ［８］Ｗｉｌｌｉａｍ Ｖ Ｈａｓｓｅｎｚａｈｌ，Ｓｔｅｖｅｎ Ｅ Ｃ Ｅｃｋｒｏａｄ，Ｐａｕｌ Ｍ Ｇｒａｎｔ， ｅｔ ａ１．Ａ ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＤＣ ｃｂａｌｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐ１．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．，２Ｏ０９，１９（３）：１７５６—１７５９． ［９］Ｗａｎｇ Ｘｕｄｏｎｇ，ｅｔ ａ１．，Ｏｖｅｒ—Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａ ２０一ｍ—Ｌｏｎｇ ＹＢＣＯ Ｍｏｄｅｌ Ｃａｂｌｅｆ Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｐｐ１．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．，２００９，１９（３）：１７２２—１７２５． ［１０］Ｇｒｉｌｌｉ Ｆ，Ｓｔａｖｒｅｖ Ｓ，Ｄｕｔｏｉｔ Ｂ，ｅｔ ａ１．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｅｌｆ——ｆｉｅｌｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓ・－ ｐｏｒｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ＨＴＳ ｃａｂｌｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐ１．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．，２００４，１４（１）：９４—１０２． ［１ １］Ｌｉ Ｆｅｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｌｄ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｃａ— ｂｌｅ［Ｊ］．低温与超导，２０１１，３９（９）：３３—３９． 『１２］Ｊａｅ—Ｈｏ Ｋｉｍ，Ｍｉｎｗｏｎ Ｐａｒｋ，ｅｔ ａ１．Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ａｎｄ Ｓｈｉｅｌｄ Ｌａｙｅｒｓ ｏｆ ＨＴＳ Ｐｏｗｅｒ Ｃａｂｌｅ Ｕｎｄｅｒ Ｕｔｉｌｉｔｙ Ｆａｕｌｔ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ『Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｐｐ１．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．，２００９，１９（３）：１７１８—１７２１．
