ITER高溫超導(dǎo)電流引線超導(dǎo)模件

當(dāng)高溫超導(dǎo)失超后其電流由分流器承載,分流器材料的選擇將影響電流引線冷端熱負(fù)荷和運(yùn)行費(fèi)用。本文通過不同金屬材料物性的對(duì)比計(jì)算,尋找最佳的分流器材料,使得iter巨型超導(dǎo)磁體的高溫超導(dǎo)電流引線運(yùn)行可靠和費(fèi)用最低。分流器橫截面積確定基于分流器與bi-2223基體agau的電阻率對(duì)失超后電流分配比,這樣保證超導(dǎo)體轉(zhuǎn)入電阻態(tài)后分流器分流大部分電流,同時(shí)由于分流器具有很好熱沉作用,抑制超導(dǎo)體溫度迅速上升,從而避免超導(dǎo)材料燒毀或過熱。

為itercc10ka高溫超導(dǎo)電流引線服務(wù)的低溫性能測(cè)試裝置已研制完成,并成功運(yùn)行。其低溫系統(tǒng)主要由500w/4.5k氦制冷機(jī),真空杜瓦,低溫組件(低溫閥門,過冷槽,管道加熱器,熱防護(hù)層),汽化器及低溫傳輸管線等部分組成。本文對(duì)真空杜瓦和過冷槽進(jìn)行設(shè)計(jì),并討論該低溫系統(tǒng)的冷卻流程方案,最后通過電流引線10ka穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)低溫系統(tǒng)的運(yùn)行效果進(jìn)行分析,結(jié)果表明該低溫系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,能滿足itercc電流引線的測(cè)試需要。

為了降低運(yùn)行費(fèi)用,正在建設(shè)中的中國科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心穩(wěn)態(tài)混合磁體的電流引線采用高溫超導(dǎo)電流引線。依據(jù)一種較為精確計(jì)算電流引線的方法,從傳熱學(xué)中的特征關(guān)聯(lián)式出發(fā),初步計(jì)算出了穩(wěn)態(tài)混合磁體15ka高溫超導(dǎo)電流引線的基本尺寸與漏熱。高溫超導(dǎo)電流引線的常溫段采用板式換熱器的結(jié)構(gòu)形式,增大了對(duì)流換熱面積;超導(dǎo)段的保護(hù)體采用不銹鋼,降低了對(duì)液氦熱沉的熱負(fù)荷。

在全超導(dǎo)磁約束核聚變裝置east中,采用高溫超導(dǎo)電流引線將處于室溫的電源連接處于超臨界氦溫區(qū)的超導(dǎo)磁體上。為降低實(shí)驗(yàn)過程中的運(yùn)行成本,east裝置中縱場(chǎng)磁體的電流引線采用混合式結(jié)構(gòu)。電流引線測(cè)試結(jié)果表明引線符合設(shè)計(jì)要求。

east全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置有一對(duì)縱場(chǎng)磁體電流引線和12對(duì)極向場(chǎng)線圈電流引線,額定電流為14.5～16.3ka,在第二輪裝置工程調(diào)試中5對(duì)高溫超導(dǎo)電流引線投入運(yùn)行.這些電流引線的高溫超導(dǎo)段系傳導(dǎo)冷卻,上端用79k液氮冷卻,下端由4.5k超臨界氦流迫冷;銅電流引線段采用氮蒸汽冷卻.運(yùn)行參數(shù)表明高溫超導(dǎo)電流引線具顯著的節(jié)冷效益.本文介紹這些電流引線的運(yùn)行工況和安裝前的接收試驗(yàn)結(jié)果.

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系統(tǒng)描述了20ka、5米長高溫超導(dǎo)電流母線本體的繞制、焊接及實(shí)驗(yàn)。超導(dǎo)母線本體設(shè)計(jì)采用成熟的均流技術(shù)設(shè)計(jì),在自主開發(fā)的專用繞線機(jī)上進(jìn)行繞制。超導(dǎo)線采用bi2223/ag多芯不銹鋼加強(qiáng)帶材。在超導(dǎo)帶材與端部焊接過程中采用新的焊接技術(shù),保證了超導(dǎo)性能不退化和減小接觸電阻。對(duì)繞制的超導(dǎo)母線本體進(jìn)行了直流實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,兩端端部接觸電阻小于10nω,超導(dǎo)母線的臨界電流大于32ka,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

低溫絕緣高溫超導(dǎo)電力電纜

力矩管是高溫超導(dǎo)電機(jī)中的一個(gè)重要部件,起著絕熱、支撐轉(zhuǎn)子及傳遞轉(zhuǎn)矩等多項(xiàng)重要作用.由于超導(dǎo)線材工作在深低溫環(huán)境,處于低溫與常溫之間的力矩管是高溫超導(dǎo)電機(jī)的主要傳導(dǎo)漏熱源之一,它的漏熱量直接影響了配套制冷機(jī)的制冷功率,進(jìn)而影響到電機(jī)系統(tǒng)的總體效率.因此,進(jìn)行力矩管的漏熱分析尤顯重要.文中應(yīng)用測(cè)試儀對(duì)力矩管復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試,對(duì)其漏熱分別進(jìn)行了理論計(jì)算、有限元分析及低溫測(cè)試.漏熱分析及試驗(yàn)結(jié)果表明:該力矩管方案滿足高溫超導(dǎo)電機(jī)總體性能要求,同時(shí)該計(jì)算方法同樣適用于其他類似應(yīng)用場(chǎng)合的力矩管設(shè)計(jì).

冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜的導(dǎo)電層一般設(shè)計(jì)為多層結(jié)構(gòu)以滿足大電流載流特性,但伴隨層數(shù)的增加,超導(dǎo)體上的集膚效應(yīng)會(huì)引起電纜輸電導(dǎo)體各層電流分布不均勻的問題,從而造成電纜損耗增加和傳輸性能下降。采用基于動(dòng)態(tài)慣性權(quán)重因子的粒子群優(yōu)化算法,提出了電纜導(dǎo)體層電流層間均流優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法。應(yīng)用第2代高溫超導(dǎo)材料釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體,通過建立超導(dǎo)電纜的等效電路模型,考慮電場(chǎng)、磁場(chǎng)等約束因素,對(duì)一根1km長,110kv/3ka等級(jí)的冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),獲得了電纜本體結(jié)構(gòu)參數(shù)及輸電導(dǎo)體層和屏蔽層的電流分布。比較優(yōu)化前后層電流的結(jié)果可知,優(yōu)化后超導(dǎo)電纜各導(dǎo)體層電流與平均電流相比最大不平衡率小于3.5%,各屏蔽層電流達(dá)到均布,較好地實(shí)現(xiàn)了電纜各導(dǎo)體層電流均勻分布的優(yōu)化目標(biāo)。最后,超導(dǎo)模型樣纜載流特性實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的有效性。

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采用脈沖激光沉積法(pld)在10x10mm2的srtio3雙晶基片上制備了純c取向的高溫超導(dǎo)ybco薄膜,薄膜表面平整,雜相顆粒少,在20μm尺度范圍內(nèi),起伏在幾個(gè)nm之內(nèi)。通過標(biāo)準(zhǔn)光刻和離子束刻蝕工藝制備出了高溫超導(dǎo)墊圈型雙晶結(jié)dcsquid磁強(qiáng)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明:磁強(qiáng)計(jì)有效面積達(dá)009mm2,在沒有超導(dǎo)屏蔽的環(huán)境下,磁強(qiáng)計(jì)白噪聲區(qū)磁場(chǎng)噪聲達(dá)到333ft/hz1/2。

2011年1月15日,特變電工股份有限公司召開高溫超導(dǎo)電力變壓器新產(chǎn)品發(fā)布會(huì):由中國科學(xué)院電工研究所、特變電工合作研制的我國第一臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高溫超導(dǎo)電力變壓器順利研制成功。這也是世界上繼瑞士abb后,第二臺(tái)掛網(wǎng)運(yùn)行的三相高溫超導(dǎo)變壓器,也是全球首臺(tái)采用非晶合金鐵心的高溫超導(dǎo)變壓器。本產(chǎn)品的研制成功,將加快我國超導(dǎo)電力技術(shù)的應(yīng)用步伐,標(biāo)志著我國在高溫超導(dǎo)

低溫絕緣高溫超導(dǎo)電力電纜 (2)

為了更好地研究高溫超導(dǎo)電纜在電力系統(tǒng)中的暫態(tài)過程,有必要研究高溫超導(dǎo)電纜溫升情況。從高溫超導(dǎo)電纜的結(jié)構(gòu)出發(fā),分析了高溫超導(dǎo)電纜的溫度特性,建立了故障狀態(tài)下高溫超導(dǎo)電纜溫度分布的數(shù)學(xué)計(jì)算模型,并通過matlab仿真軟件對(duì)220kv高溫超導(dǎo)電纜模型進(jìn)行了仿真計(jì)算。結(jié)果表明高溫超導(dǎo)電纜超導(dǎo)層與屏蔽層溫度在系統(tǒng)發(fā)生三相短路時(shí)瞬間增大,但隨著故障的解除而減小;超導(dǎo)層與屏蔽層電阻在瞬間增大之后會(huì)隨溫度的增大而增大。結(jié)果驗(yàn)證了所提出的電纜溫度數(shù)學(xué)模型的可行性。

高溫超導(dǎo)電纜在電力系統(tǒng)中運(yùn)行是發(fā)展趨勢(shì),若超導(dǎo)電纜本身故障或電力系統(tǒng)故障時(shí)都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生重要影響。文中在理論分析低溫絕緣的高溫超導(dǎo)電纜在短路故障情況下屏蔽層電流與導(dǎo)體層電流相位、幅值的關(guān)系基礎(chǔ)上,提出了針對(duì)低溫絕的緣高溫超導(dǎo)電纜的失超檢測(cè)新方法——基于幅值差值檢測(cè)和相位差值變化率檢測(cè),并通過仿真軟件pscad/emtdc分析了電力系統(tǒng)發(fā)生各種短路故障時(shí)高溫超導(dǎo)電纜的失超特性,從而驗(yàn)證了這兩種檢測(cè)方法的可行性。

高溫超導(dǎo)電纜終端恒溫器是高溫超導(dǎo)電纜終端系統(tǒng)的重要組成部分,其長期可靠穩(wěn)定的運(yùn)行將為整個(gè)系統(tǒng)的良好運(yùn)轉(zhuǎn)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。文中對(duì)成功研制的高溫超導(dǎo)電纜終端恒溫器進(jìn)行了詳細(xì)介紹,包括技術(shù)指標(biāo)及相關(guān)要求、總體結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、熱負(fù)荷分析與計(jì)算等。試驗(yàn)表明,高溫超導(dǎo)電纜終端恒溫器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、操作方便;大口徑可拆法蘭低溫真空壓力環(huán)境下的密封技術(shù)得到突破、密封性能良好;低溫液體輸送管道承插密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎、滿足工作要求。熱負(fù)荷的分析與計(jì)算為高溫超導(dǎo)電纜制冷系統(tǒng)所需冷量的確定提供了依據(jù),同時(shí)也為終端恒溫器的進(jìn)一步優(yōu)化指明了方向。

大電流高溫超導(dǎo)電線材料

成果摘要：630kva高溫超導(dǎo)變壓器的研究開發(fā)，解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)：通過變壓器內(nèi)部電磁場(chǎng)、熱傳輸和應(yīng)力的分析，獲得了變壓器結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化；交互式影響下交流超導(dǎo)繞組的穩(wěn)定化方法、失超監(jiān)測(cè)及其保護(hù)措施，確保變壓器的安全運(yùn)行和故障后穩(wěn)定性的快速恢復(fù)；獨(dú)特的超導(dǎo)線材換位和焊接工藝構(gòu)造低損耗、高強(qiáng)度、高載流密度的超導(dǎo)復(fù)合導(dǎo)體；不同電壓等級(jí)、

在無限長堆疊帶材模型的基礎(chǔ)上對(duì)高溫超導(dǎo)電流引線的交流損耗建立了新的計(jì)算模型,即正十二邊形骨架計(jì)算模型。由于正十二邊形對(duì)稱性,通過建立合適的坐標(biāo)系,對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)即可求出每堆帶材處的磁場(chǎng)。使用matlab編程計(jì)算并得出一系列電流下的交流損耗值,通過將所得數(shù)據(jù)繪成圖形,比較了不同電流下穿透深度及交流損耗的大小。然后搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),測(cè)量了不同頻率下電流引線的交流損耗,并將理論與實(shí)驗(yàn)對(duì)比,得到較好的一致性。

直流輸電中線路上的紋波電流會(huì)在輸電過程中產(chǎn)生交流損耗,考慮到這一點(diǎn),提出了一種可以用于雙極直流輸電系統(tǒng)的冷絕緣高溫超導(dǎo)直流電纜導(dǎo)體的設(shè)計(jì)原則。實(shí)際設(shè)計(jì)了一個(gè)運(yùn)行電流為3ka的模型,并與按照均流設(shè)計(jì)的冷絕緣高溫直流電纜的在不同紋波電流幅值下交流損耗做了對(duì)比。發(fā)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)原則下,從運(yùn)行損耗,節(jié)省空間和對(duì)環(huán)境的影響方面,相對(duì)于常規(guī)的直流電纜有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

磁懸浮列車由于無接觸、無摩擦、高速運(yùn)行的特點(diǎn),成為軌道交通領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。以液氮為制冷劑的高溫超導(dǎo)體具有完全抗磁性和磁通釘扎特性,將高溫超導(dǎo)體應(yīng)用于磁懸浮列車,可以形成懸浮高度和左右導(dǎo)向無需控制的自穩(wěn)定系統(tǒng)。對(duì)于超導(dǎo)磁懸浮列車而言,懸浮性能是其運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)。因此,重點(diǎn)介紹了超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)懸浮力的研究進(jìn)展以及超導(dǎo)磁懸浮列車在國內(nèi)外應(yīng)用研究,并對(duì)其發(fā)展進(jìn)行了展望。