CN110797149A - 一种35kV/10kA冷绝缘超导三相同轴电力电缆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种35kV/10kA冷绝缘超导三相同轴电力电缆，包括有支撑体以及依次绕制在支撑体外侧的支撑体电绝缘层、内层超导同轴相导体、内层超导同轴相导体绝缘层、中层超导同轴相导体、中层超导同轴相导体绝缘层、外层超导同轴相导体、外层超导同轴相导体绝缘层、超导屏蔽层、双层隔热层和外护层。本发明高温超导电缆采用先进铜系的高温超导带作为超导体，设计合理的结构，采用三相同轴结构设计，额定电压35kV，电流密度为10kA，电流使用容量为35000MVA,电流容量超过世界同行水平，产业化后可以使中国超导电缆的研发、应用处于世界第一梯队。
Description
技术领域
本发明涉及冷绝缘高温超导电力传输技术领域，尤其涉及一种额定电压为35kV/10kA冷绝缘超导三相同轴电力电缆。
背景技术
超导电缆是利用超导在其临界温度下成为超导态、电阻消失、损耗极微、电流密度高、能承载大电流的特点而设计制造的。其传输容量远远超过充油电缆，亦大于低温电缆，可达10000MVA以上，是正在大力研究发展中的一种新型电缆。由于超导体的临界温度一般在20K以下，故超导电缆一般在4.2K的液氦中运行。超导电缆的结构有刚性和可挠性两种形式，缆芯分单芯和三芯。超导电缆是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径，由于它的潜在优势如此诱人，所以各国科技工作者为此正在进行大量的研制工作。
高温超导电缆的发展历史20世纪初,荷兰低温物理学家卡麦林·昂尼斯(KamerlinghOnnes)发现了超导现象并发现了汞、铟、锡和铅等金属超导体,超导体在超导状态下可以无电阻地传输电流。这一特性使人们在发现超导现象后立即想到利用超导体来制做传输电流的导线,这样可以避免由电阻产生的热损耗。但是不久后人们就发现用这些金属超导体制做的导线只能在传输很小的电流时才具有零电阻特性,当电流增大时又恢复了一般导体的电阻特性,这导致了利用超导体制做导线无电阻地传输具有实用意义的电流的做法以失败而告终。到了20世纪60年代,随着一些可以传输较大电流而仍能保持零电阻特性合金超导体的发现,人们利用超导体无电阻地传输电流的愿望才成为可能。20世纪六七十年代,人们开始尝试利用铌合金导线制做超导电缆。铌合金导线只有在温度低于-260℃时才处于超导状态,所以需要液氦作为冷却剂,液氦的价格很高,这就使该类超导电缆丧失了工业化应用的可行性。20世纪80年代末,人们发现了超导转变温度在液氮气化温度(约-196℃)以上的铜基氧化物超导材料。因铜基氧化物超导材料的超导转变温度大大高于以前发现的元素或合金超导材料的超导转变温度,所以人们习惯将其称为高温超导材料。使用高温超导材料制做超导电缆,就可以在价格低廉的液氮冷却下无电阻地传送电能。高温超导电缆的出现使超导技术在电力电缆方面的工业应用接近于现实。
各国高温超导电缆项目的运行情况高温超导电缆技术的发展已有十余年的历史,参与高温超导电缆技术研究的国家主要有美国、日本、丹麦、德国、中国和韩国。1992年在美国能源部的支持下,Pirelli公司北美分部开始对高温超导电缆技术进行研究和开发,从而使美国成为最早发展高温超导电缆技术的国家。1999年底,由Southwire公司牵头研制的30m、3相、12.5kV1250A冷绝缘高温超导电缆并网运行,标志着高温超导电缆技术趋于成熟。到目前为止,这组电缆系统已连续运行了4年多,没有发生影响运行的技术问题。早在20世纪90年代美国能源部就认为超导电力技术是21世纪电力工业惟一的高技术储备。 近来,美国能源部提出了2030美国国家电网的设想。在这个设想中,到2030年,美国将使用超导电缆建成国家电网的骨干网架。美国联邦政府和一些州政府对发展超导电缆技术在政策、资金上给予积极有力的支持。目前,美国有3个更大规模的高温超导电缆工程正在进行中。它们分别是由Southwire公司牵头的俄亥俄州哥伦布市1000英尺超导电缆系统、由AmericanSuperconductor公司牵头的纽约州长岛地区2000英尺超导电缆系统,法国Nexans公司参与了该项目,由IGC公司牵头的纽约州奥伯尼市350m超导电缆系统及日本住友电气公司是该项目的合作者。日本新能源开发机构认为,发展高温超导技术是在21世纪国际高技术竞争中保持尖端优势的关键所在。在日本政府组织的新能源机构的协调下,有多家大公司、院校和科研院所从事高温超导电缆的开发研制,如东京电力公司、古河电工、住友电气和富士公司等。在有关研发项目中,政府机构都有相当大的资金支持。他们在已完成的高温超导电缆导体和模型电缆研制和试验基础上,将主要工作集中在低损耗HTS线材及电缆结构,低温电气绝缘、热绝缘、制冷系统、终端和接头技术等方面。2002年住友电气和东京电力公司合作完成了一组100m、3相、66kV1kA熏3芯平行轴电缆系统,并在东京电力实验场完成了测试。目前,古河电工与日本电力工业中心研究所等合作完成了一组500m、单相、77kV1kA超导电缆系统,并已开始一系列的低温测试。在丹麦能源部的组织下,由NKT公司牵头,DTU、Ris国家实验室、DEFU、EltraElkraft公司和哥本哈根能源公司等积极进行高温超导电缆的研发。2001年5月28日,丹麦NKT公司宣布,其30m长,30kV2kA热绝缘结构实用化高温超导电缆顺利实现挂网运行。德国Siemens公司一直密切关注着高温超导电缆的研究开发。该公司技术部和能源输送部合作,于1996年3月开始试制第一个10m电缆样品,之后研制了多个超导电缆样品。为了400MVA超导电缆研制和超导电缆工业化生产的前期验证需要,又制造了一条50m长单芯电缆导体。1998年,Siemens公司能源输送部被意大利Pirelli公司并购,其电缆研究工作目前仍在继续,开发了110kV400MVA冷绝缘单相交流电力模型电缆系统,在1999年完成电缆终端的低温和高压试验后,整个110kV400MVA冷绝缘高温超导单相交流电缆模型系统将进行长期综合性能试验。韩国在超导电缆技术开发方面虽然起步较晚,但是其政府于2001年制定了超导技术电力应用的10年规划,其中超导电缆技术的研究和推动占据了重要的位置。在政府的支持下,LG电缆公司投入了大量的人力、物力、财力参与了超导电缆技术的研发。今年其30m、3相、22.9kV1.25kA超导电缆系统将完成制造并投入测试。
从20世纪90年代中期开始,我国开始高温超导电缆技术的研究,但无论从投入的资金,还是从阶段性成果的水平看,与美国、日本等发达工业国家相比都有很大差距。我国高温超导电缆技术的早期研究工作主要在中科院电工研究所进行。1998年底电工所研制了1m、1kA级Bi系高温超导电缆导体模型。2000年12月1日,完成了6m、2kA级高温超导电力电缆导体模型的研制,电缆的临界电流达到2480A。2001年9月,北京云电英纳超导电缆公司启动了我国第一组实用30m、3相、35kV2kA超导电缆项目。这个项目由云南电力集团公司投资,并得到北京市、云南省和国家科技部“863”计划的大力支持。这组目前已在昆明普吉变电站并网试运行的超导电缆系统是世界上第三组并网运行的高温超导电缆系统,在重要性能指标方面优于目前已经投运的美国Southwire公司和丹麦NKT公司的两组电缆系统。这个项目的完成大大缩小了我国与发达工业国家在高温超导电缆技术上的差距。
高温超导电缆的应用前景与常规电缆相比,高温超导电缆具有以下几方面优势:
1、损耗低。高温超导电缆的导体损耗不足常规电缆的110,加上制冷的能量损耗,其运行总损耗也仅为常规电缆的50%～60%;
2、容量大、体积小。同样截面的高温超导电缆的电流输送能力是常规电缆的3～5倍;
3、无污染。高温超导电缆没有造成环境污染的可能性,而充油常规电缆存在着漏油污染环境的危险。另外,高温超导电缆也具有使用超导电缆还可以节约输电系统的占地面积和空间,节省大量宝贵的土地资源,并保护了生态环境。做为21世纪电力输送的新材料,超导电缆在我国有着巨大的市场需求,我国将成为全球最大的超导电缆市场。
中国超导电缆项目计划概述
1. 白银超导变电站超导电缆项目：中科院电工研究所与甘肃厂通电缆科技股份有限公司等单位合作，研究开发出一条三相75m，10.5kV，1.5kA的高温超导电缆。
2. 河南中孚电解铝厂超导电缆项目：中科院电工研究所与河南中孚实业电解铝厂合作，承担国家863计划“超导技术在电解铝工业中的应用研究”，研制一条380m高温超导直流输电电缆。
3. 云南普吉电站超导电缆项目：北京云电英纳超导电缆有限公司同云南电网公司等国家公司合作，研究开发了一条三相35kV，2kA，33.5m高温超导电缆。2004年7月并入电网运行。是世界第三条并入实际电网的高温超导电缆。 该系统可比常规电缆每年节约输电损耗约11万元。
纵观上述研究, 超导电缆有着广阔的应用前景, 但目前超导电缆在中国的发展及应用情况并不太好。我们一般还处于追赶国外先进技术水平的道路上, 目前开发的高温超导电缆容量最高10000MVA,很难再超出该界限。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种额定电压35kV/10kA冷绝缘超导三相同轴电力电缆。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种额定电压35kV/10kA冷绝缘超导三相同轴电力电缆，包括有支撑体以及依次绕制在支撑体外侧的支撑体电绝缘层、内层超导同轴相导体、内层超导同轴相导体绝缘层、中层超导同轴相导体、中层超导同轴相导体绝缘层、外层超导同轴相导体、外层超导同轴相导体绝缘层、超导屏蔽层、双层隔热层和外护层。
所述的支撑体是采用240mm2软铜梯形导体紧压绞制，外表无凸起楞条、光滑平整。软铜导体的支撑体可以支撑起超导电缆的超导层，正常使用时，导出电流产生的热量，当发生故障时，可以分流处故障电流的作用。
所述的支撑体电绝缘层、内层超导同轴相导体绝缘层、中层超导同轴相导体绝缘层和外层超导同轴相导体绝缘层结构相同，均是由内相外依次是电缆纸、PPLP带、PI薄膜、电缆纸绕包而成，绝缘层总厚度为4.4mm，每层绕包带绕包方向相反，绕包5个循环，厚度达到设计要求。
所述的内层超导同轴相导体、中层超导同轴相导体和外层超导同轴相导体结构相同，均是用基带材料为NI-W合金带的Bi-Sr-Ca-Cu-O铋系镀膜超导带双层缠绕构成的，每层超导带缠绕方向相反，超导带的宽度为2.5mm，厚度为1.0mm的。
所述的超导屏蔽层是采用基带材料为NI-W合金带的Bi-Sr-Ca-Cu-O铋系镀膜超导带，外反向绕包一层铜带构成的，搭盖率不小于5%。超导带宽度2.5mm，厚度1.0mm。
所述的双层隔热层为不锈钢带纵包氩弧焊扎纹，厚度采用0.8mm的不锈钢带，内层扎纹管与超导屏蔽层之间单层空隙为2~3mm，内层扎纹管后绕包一层厚度为0.05的铝箔，然后纵包外隔热层并扎纹，内外隔热层间隙为1~2mm。
所述的外护层为无卤低烟阻燃聚烯烃护套，挤包厚度不小于4.0mm。
本发明的优点是：本发明高温超导电缆采用先进铜系的高温超导带作为超导体，设计合理的结构，采用三相同轴结构设计，额定电压35kV，电流密度为10kA，电流使用容量为35000MVA,电流容量超过世界同行水平，产业化后可以使中国超导电缆的研发、应用处于世界第一梯队。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种额定电压35kV/10kA冷绝缘超导三相同轴电力电缆，包括有支撑体1以及依次绕制在支撑体1外侧的支撑体电绝缘层2、内层超导同轴相导体3、内层超导同轴相导体绝缘层4、中层超导同轴相导体5、中层超导同轴相导体绝缘层6、外层超导同轴相导体7、外层超导同轴相导体绝缘层8、超导屏蔽层9、双层隔热层10和外护层11。
根据短路电流计算，铜导体240mm2短路电流为10.11kA，满足设计要求，支撑体1采用240mm2软铜梯形导体紧压绞制，外径17.4mm，外表无凸起楞条、光滑平整。软铜导体的支撑体可以支撑起超导电缆的超导层，正常使用时，导出电流产生的热量，当发生故障时，可以分流处故障电流的作用。
支撑体电绝缘层2由内相外依次是电缆纸、PPLP带、PI薄膜、电缆纸绕包而成，单层绝缘带厚度均为0.2mm，根据电压等级计算绕包绝缘层总厚度为4.4mm，每层绕包带绕包方向相反，绕包5个循环，厚度达到设计要求。
多层缠绕内层超导同轴相导体3，是用超导带宽度2.5mm，厚度1.0mm的Bi-Sr-Ca-Cu-O铋系镀膜超导带，基带材料为NI-W合金带，通过计算超导带根数第一层为23根右向缠绕在支撑体电绝缘层上。第二层超导带根数为25根，左向缠绕。
内层超导同轴相导体绝缘层4，由内相外依次是电缆纸、PPLP带、PI薄膜、电缆纸绕包而成，单层绝缘带厚度均为0.2mm，根据电压等级计算绕包绝缘层总厚度为4.4mm，每层绕包带绕包方向相反，绕包5个循环，厚度达到设计要求。
中间超导同轴相导体5，是用超导带宽度2.5mm，厚度1.0mm的Bi-Sr-Ca-Cu-O铋系镀膜超导带，基带材料为NI-W合金带，通过计算超导带根数第一层为23根右向间隙缠绕在内层的同轴超导体外的电绝缘层上。第二层超导带根数为25根，左向间隙缠绕。
中间超导同轴相导体绝缘层6，由内相外依次是电缆纸、PPLP带、PI薄膜、电缆纸绕包而成，单层绝缘带厚度均为0.2mm，根据电压等级计算绕包绝缘层总厚度为4.4mm，每层绕包带绕包方向相反，绕包5个循环，厚度达到设计要求。
外层超导同轴相导体7，是用超导带宽度2.5mm，厚度1.0mm的Bi-Sr-Ca-Cu-O铋系镀膜超导带，基带材料为NI-W合金带，通过计算超导带根数第一层为23根右向间隙缠绕在中间层的同轴超导体外的电绝缘层上。第二层超导带根数为25根，左向间隙缠绕在第一层超导带上。
外层超导同轴相导体绝缘层8，由内相外依次是电缆纸、PPLP带、PI薄膜、电缆纸绕包而成，单层绝缘带厚度均为0.2mm，根据电压等级计算绕包绝缘层总厚度为4.4mm，每层绕包带绕包方向相反，绕包5个循环，厚度达到设计要求。
超导屏蔽层9为单层超导带缠绕在最外层的超导同轴超导体外缠绕电绝缘上，是用超导带宽度2.5mm，厚度1.0mm的Bi-Sr-Ca-Cu-O铋系镀膜超导带，基带材料为NI-W合金带，通过计算超导带根数为57根右向间隙缠绕，外反向绕包一层0.1mm厚的铜带，搭盖率不小于5%。
双层隔热层10为不锈钢带纵包氩弧焊扎纹，厚度采用0.8mm的不锈钢带，内层扎纹管与超导屏蔽层之间单层空隙为2~3mm，内层扎纹管后绕包一层厚度为0.05的铝箔，然后纵包外隔热层并扎纹，内外隔热层间隙为1~2mm。
外护层11为无卤低烟阻燃聚烯烃护套，挤包厚度不小于4.0mm。
Claims (7)
1.一种35kV/10kA冷绝缘超导三相同轴电力电缆，其特征在于：包括有支撑体以及依次绕制在支撑体外侧的支撑体电绝缘层、内层超导同轴相导体、内层超导同轴相导体绝缘层、中层超导同轴相导体、中层超导同轴相导体绝缘层、外层超导同轴相导体、外层超导同轴相导体绝缘层、超导屏蔽层、双层隔热层和外护层。
2.根据权利要求1所述的一种35kV/10kA冷绝缘超导三相同轴电力电缆，其特征在于：所述的支撑体是由铜丝绞制而成的软铜导体。
3.根据权利要求1所述的一种35kV/10kA冷绝缘超导三相同轴电力电缆，其特征在于：所述的支撑体电绝缘层、内层超导同轴相导体绝缘层、中层超导同轴相导体绝缘层和外层超导同轴相导体绝缘层结构相同，均是由内相外依次是电缆纸、PPLP带、PI薄膜、电缆纸绕包而成，绝缘层总厚度为4.4mm，每层绕包带绕包方向相反，绕包5个循环。
4.根据权利要求1所述的一种35kV/10kA冷绝缘超导三相同轴电力电缆，其特征在于：所述的内层超导同轴相导体、中层超导同轴相导体和外层超导同轴相导体结构相同，均是用基带材料为NI-W合金带的Bi-Sr-Ca-Cu-O铋系镀膜超导带双层缠绕构成的，每层超导带缠绕方向相反。
5.根据权利要求1所述的一种35kV/10kA冷绝缘超导三相同轴电力电缆，其特征在于：所述的超导屏蔽层是采用基带材料为NI-W合金带的Bi-Sr-Ca-Cu-O铋系镀膜超导带，外反向绕包一层铜带构成的，搭盖率不小于5%。
6.根据权利要求1所述的一种35kV/10kA冷绝缘超导三相同轴电力电缆，其特征在于：所述的双层隔热层为不锈钢带纵包氩弧焊扎纹，厚度采用0.8mm的不锈钢带，内层扎纹管与超导屏蔽层之间单层空隙为2~3mm，内层扎纹管后绕包一层厚度为0.05的铝箔，然后纵包外隔热层并扎纹，内外隔热层间隙为1~2mm。
7.根据权利要求1所述的一种35kV/10kA冷绝缘超导三相同轴电力电缆，其特征在于：所述的外护层为无卤低烟阻燃聚烯烃护套，挤包厚度不小于4.0mm。
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