CN112331406A - 三相同轴超导电缆本体线芯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高温超导技术领域，具体涉及三相同轴超导电缆本体线芯及其制备方法。三相同轴超导电缆本体线芯，从内到外依次包括：支撑体层、第一相导体层、第一绝缘层、第二相导体层、第二绝缘层、第三相导体层、第三绝缘层、屏蔽层和保护层；所述第一相导体层、第二相导体层和第三相导体层均从内到外依次包括：内铜缓冲层、超导层和外铜缓冲层，且所述第一相导体层、第二相导体层和第三相导体层三者同轴设置。本发明还提供了三相同轴超导电缆本体线芯的制备方法。采用平衡电磁场和均流设计，同时优化内支撑层的管端头电场分布，提高其短路热稳定性。
Description
技术领域
本发明属于高温超导技术领域，具体涉及三相同轴超导电缆本体线芯及其制备方法。
背景技术
随着经济的发展，很多大中城市的电力消费密度不断增长。超导电缆在解决建筑物密集城市输配电瓶颈问题具有特殊优势，它具有重量轻，体积小，损耗小等优点，目前在输配电行业具有巨大发展潜力。超导电缆中的导体层采用的超导带材需要在液氮条件下实现超导，由于超导材料本身的特性，当传输电流超过超导带材的临界电流时，超导带材将不再电阻接近为零而可能远大于周围的包套材料，这时过载将会产生大量热量，如果这部分热量在短路保护启动前不能通过液氮及时带走，由于超导带材内部超导层只有几微米厚，积聚的热量即使时间很短也将会造成带材不可逆的损伤，影响整个输电线路的使用寿命甚至是导致超导输电系统损坏。现有研究表明，输配电中的短路故障导致电力事故发生的事件时有发生。
三相同轴超导电缆结构较为紧凑，是将三相绕制在同一根铜骨架上，同时为了提高冷却效率，内支撑体采用金属管来提供液氮冷却通道；这种结构与普通的单相及三相平行超导电缆系统相比，节省了外侧保温层的体积及绝缘材料用量，由于三相磁场相互抵消能够减少整个系统磁滞损耗，还节约了成本。
国内关于三相同轴超导电缆设计较少，对于三相同轴超导电缆运行过程中短路保护的设计多是在断路保护层面的，关于三相同轴超导电缆的研究，不仅要解决电气绝缘的长期稳定问题，还要考虑减少线路损耗的问题，更重要的是如何保持线路本身的安全问题，另外关于三相同轴超导电缆内支撑体端头的放电问题也亟待解决。
发明内容
为了解决现有技术中现有三相同轴超导电缆具有抵抗短路故障造成的线路损坏风险，本发明提供一种三相同轴超导电缆，采用平衡电磁场和均流设计，同时优化内支撑层的管端头电场分布，从而弥补国内三相同轴超导电缆本体线芯设计优化方面的不足，具有实质性设计意义。
本发明的技术方案具体是通过如下实现的：
本发明的目的之一在于提供一种三相同轴超导电缆本体线芯，其从内到外依次包括：支撑体层、第一相导体层、第一绝缘层、第二相导体层、第二绝缘层、第三相导体层、第三绝缘层、屏蔽层和保护层；
所述第一相导体层、第二相导体层和第三相导体层均从内到外依次包括：内铜缓冲层、超导层和外铜缓冲层，且所述第一相导体层、第二相导体层和第三相导体层三者同轴设置。
进一步地，所述支撑体层的外侧面与所述第一相导体层的内铜缓冲层内侧面之间设置一层半导体层，所述所述第一相导体层的外铜缓冲层外侧面与所述第一绝缘层内侧面之间设置一层半导体层，所述第一绝缘层外侧面与所述第二相导体层的内铜缓冲层内侧面之间设置有一层半导体层，所述第二相导体层的外铜缓冲层外侧面与所述第二绝缘层内侧面之间设置有一层半导体层，所述第二绝缘层外侧面与所述第三相导体层的内铜缓冲层内侧面之间设置有一层半导体层，所述第三相导体层的外铜缓冲层外侧面与所述第三绝缘层内侧面之间设置有一层半导体层，所述第三绝缘层外侧面与所述屏蔽层内侧面之间设置有一层半导体层。
优选地，所述支撑体层为螺纹状的铜波纹管，所述铜波纹管壁厚为0.5mm，螺距为9mm，螺深为3mm。
优选地，所述内铜缓冲层和外铜缓冲层的材料为铜带，所述铜带宽度为25-40mm。
优选地，所述超导层的材质为YBCO高温超导带材，所述YBCO高温超导带材的宽度为5mm，厚度为0.38mm，超导带材采用同向绕制方向。
优选地，所述第一绝缘层、第二绝缘层和第三绝缘层的绝缘材料为聚丙烯层压纸，所述聚丙烯层压纸的厚度为119μm，宽度为25mm；所述半导体层的材料为碳纸或半导电纤维材料。
优选地，所述支撑体层的端头位置设置有均压环，所述均压环与所述支撑体层焊接连接。
优选地，所述屏蔽层的厚度为0.5mm，所述屏蔽层的材料为铜带，所述铜带的宽度为5mm。
所述保护层的材料为聚酯薄膜，厚度为0.2mm。
本发明的目的还在于提供一种三相同轴超导电缆本体线芯的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤S1：在所述支撑体层的端头部位加装均压环，然后在支撑体层外表面均匀绕包一层半导体层，搭盖率为0-5％；
步骤S2：通过仿真工具获得在不同短路下的热数据，并将数据导入模拟软件中进行仿真分析，得到所述内铜缓冲层和外铜缓冲层的厚度，然后在步骤S1所述的半导体层外依次连续绕制内铜缓冲层、超导层和外铜缓冲层，得到第一相导体层；
步骤S3：在步骤S1得到的所述第一相导体层的外铜缓冲层外侧面绕制一层半导体层，搭盖率为0-5％，然后在半导体层外绕制第一绝缘层，所述第一绝缘层采用多头同心式绕包进行，然后在所述第一绝缘层外侧面再绕制一层半导体层搭盖率为0-5％，最后再依次绕制内铜缓冲层、超导层和外铜缓冲层，得到第二相导体层；
步骤S4：重复步骤S3，得到第三相导体层；
步骤S5：根据三相不平衡性及故障时屏蔽层的电流分量，设计所述屏蔽层的厚度，在所述第三绝缘层外侧面半导体层的外侧面依次绕制所述屏蔽层和所述保护层。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明改进了三相同轴超导电缆基本结构设计，通过建立三相同轴超导电缆本体线芯仿真模型，准确分析整个超导电缆本体线芯的电磁场情况，并准确模拟实际的超导电缆本体线芯在液氮环境下工作情况，对导体层进行了双流道设计，提高其短路热稳定性，并对内支撑体的端头进行了均化电场处理，弥补了国内外在该部分区域的空白。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明三相同轴超导电缆本体线芯的截面图；
图2为本发明第一相导体层、第二相导体层和第三相导体层的放大截面图；
图3为本发明支撑体层与均压环的连接示意图；
图4为三相同轴超导电缆本体线芯线芯支撑体均压结构电场仿真分布图；
图5为三相同轴超导电缆本体线芯线芯导体层电磁场仿真分布图；
图中：1-支撑体层；2-第一相导体层；3-第一绝缘层；4-第二相导体层；5-第二绝缘层；6-第三相导体层；7-第三绝缘层；8-屏蔽层；9-保护层；10-内铜缓冲层；11-超导层；12-外铜缓冲层；13-均压环。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1～3所示，本发明的三相同轴超导电缆本体线芯，从内到外依次包括：支撑体层1、第一相导体层2、第一绝缘层3、第二相导体层4、第二绝缘层5、第三相导体层6、第三绝缘层7、屏蔽层8和保护层9；所述第一相导体层2、第二相导体层4和第三相导体层6均从内到外依次包括：内铜缓冲层10、超导层11和外铜缓冲层12，且所述第一相导体层2、第二相导体层4和第三相导体层6三者同轴设置。
所述支撑体层1的外侧面与所述第一相导体层2的内铜缓冲层10内侧面之间设置一层半导体层，所述所述第一相导体层2的外铜缓冲层12外侧面与所述第一绝缘层3内侧面之间设置一层半导体层，所述第一绝缘层3外侧面与所述第二相导体层4的内铜缓冲层10内侧面之间设置有一层半导体层，所述第二相导体层4的外铜缓冲层12外侧面与所述第二绝缘层5内侧面之间设置有一层半导体层，所述第二绝缘层5外侧面与所述第三相导体层6的内铜缓冲层10内侧面之间设置有一层半导体层，所述第三相导体层6的外铜缓冲层12外侧面与所述第三绝缘层7内侧面之间设置有一层半导体层，所述第三绝缘层7外侧面与所述屏蔽层8内侧面之间设置有一层半导体层。
所述支撑体层1为螺纹状的铜波纹管，所述铜波纹管壁厚为0.5mm，螺距为9mm，螺深为3mm；所述内铜缓冲层10和外铜缓冲层12的材料为铜带，所述铜带宽度为25-40mm；所述超导层11的材质为YBCO高温超导带材，所述YBCO高温超导带材的宽度为5mm，厚度为0.38mm，超导带材采用同向绕制方向。
所述第一绝缘层3、第二绝缘层5和第三绝缘层7的绝缘材料为聚丙烯层压纸，所述聚丙烯层压纸的厚度为119μm，宽度为25mm；所述半导体层的材料为碳纸或半导电纤维材料。所述支撑体层1的端头位置设置有均压环13，所述均压环13与所述支撑体层1采用焊接连接。所述屏蔽层的厚度为0.5mm，所述屏蔽层的材料为铜带，所述铜带的宽度为5mm。所述保护层9的材料为聚酯薄膜，厚度为0.2mm。
三相同轴超导电缆本体线芯的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，根据短路热稳定性准则，所述支撑体层为铜波纹管，所述铜波纹管的截面选取需满足如下公式：
式中，Smin为满足短路热稳定性的最小截面积，单位m2；I∞为短路电流，单位A；t为短路时间，单位s；C为热稳定系数，单位
本实施例中，I∞设定为额定电流的10倍，即10kA；短路时间设为1s，热稳定系数通过电工手册可查得为
在得出最小截面尺寸的基础上，乘以1.1倍的安全裕度系数，取得最终设计参数：铜波纹管内径为14.5mm，并根据计算的最小截面积，设计铜波纹管的厚度为0.5mm。
步骤2，超导层是电流的载体(即载流层或导体层)。导体层的设计通常需要考虑电缆的额定载流能力与耐短路电流冲击能力。额定电流值越高，需要的超导带材数量越多。直流超导带材的数量公式如下：
对于交流超导带材，由于额定电压是有效值，所需带材公式如下：
式中，N为超导带材总根数；Ir为超导带材额定载流量；Ic为超导带材临界电流；K1为应力引起的临界电流退化率；K2为磁场引起的临界电流退化率；K3为热循环引起的临界电流退化率；K4为安全裕度系数，本实施例取1.1。
本实施例中，采用二代高温超导材料YBCO作为超导带材，其部分性能参数如下表1所示：
表1
受支撑体层1直径的限制，超导带材每层最多可绕制根数nk为：
dk＝dk-1+2(ts+ti) k＝1,2,3,4…… (2-2)
其中，dk为第k层基准直径，ts为超导带材的厚度；ti为层间间距，α为超导带材绕制角，a为超导带材宽度。
本实施例中，Ir取值1kA，因为相间邻近效应无法避免，通过提高临界电流的裕度来减小其带来的影响，一般情况下单相的临界电流应为额定电流的两倍，综合考虑最内相超导带材根数Na＝20，Nb＝21，Nc＝22。
步骤3，聚丙烯层压纸(PPLP)是一种由多孔的纸浆材料同聚丙烯薄膜压制而成的绝缘纸，为三层结构，外两层为木纤维纸，内层为聚丙烯，材料成本较PI更低，且PPLP具有良好的浸渍性能、在低温下具有良好的机械性能和较高的电气强度。
通过试验测试数据发现PPLP随厚度的增加绝缘性能衰减的特性，PPLP不同层数下的击穿场强数据如表2所示：
表2
通过对试验数据可知PPLP的绝缘能力随层数的增加而迅速衰减，增加至9层左右时趋于饱和，其饱和击穿场强为38kV/mm。
根据击穿场强理论，按工频电压计算绝缘厚度，公式为：
式中，rc超导层半径；Emin为最小击穿场强；V为各目标情况下的耐受电压；t为PPLP层绝缘厚度。
按工频耐压试验计算绝缘厚度，其饱和击穿场强约为38kV/mm，工频耐压Vac＝26kV，代入公式(2-4)可得tac＝0.75mm。
按冲击电压计算绝缘厚度，根据PPLP绝缘材料的击穿特性可知其最小击穿强度约为58.96kV/mm，冲击电压根据公式：
Vimp＝Uimp×L1×L2×L3 (2-5)
式中L1、L2、L3分别为退化系数、温度系数及设计裕度。
将以上计算数据代入式(2-4)得timp＝1.35mm。
按局部放电试验计算绝缘厚度，局放试验的电压为11kV，等效电压通过公式：
VPD＝UPD×K1×K2×K3 (2-6)
式中K1、K2、K3分别为化系数、温度系数及设计裕度。
同时通过对PPLP的局放测试可知，在0.1MPa压强下PPLP的的电场强度在20-30kV/mm之间，将以上所得数据代入式(2-4)得tpd＝1.6mm。
为了保证超导电缆的安全与可靠，绝缘厚度应取按以上三种电压算出的厚度的最大值。即：
t＝max[timp,tpd,tac] (2-7)
综合考虑，10kV三芯同轴超导电缆本体线芯PPLP绝缘层厚度采用2mm。
步骤4.铜稳定层(即内铜缓冲层10和外铜缓冲层12)参考常规电缆导体热稳定设计方法，根据故障电流的大小可相应增大或减小铜稳定层的截面积，从而减小其产生的焦耳热，增大超导电缆对故障电流的承受能力，在超导电缆的结构设计中，铜稳定层截面积的选择依据短路热稳定性的原则，需满足如下公式:
通过计算，每相导体应增加的铜稳定层厚度为1mm，在每相超导带材两侧各添加0.5mm的铜缓冲层。研究两侧缓冲层对电缆本体线芯在暂态中性能的影响，通过Simulink分析不同状态下(三相对地短路、三相短路、AB相对地短路、AB相间短路、单相短路)各相电流分布变化，由于大部分短路电流将通过铜缓冲层，其电流分配规律根据铜保护层、哈氏合金基带层及铜缓冲层的电阻率、横截面积共同决定。将Simulink中所得各相短路电流波形通过焦耳定律换算成短路焦耳热，以热源的形式加入Comsol瞬态仿真分析中，得出不同故障状态下超导电缆本体线芯径向温度随时间分布规律，分析得出铜稳定层设计对短路保护的作用。
本实施例完成的三相同轴超导电缆本体线芯结构参数如表3所示。
表3
步骤5，内支撑体层1为铜波纹管，采用直缝氩弧熔融焊焊接技术并通过轧制而成，在所述支撑体层1的端头部位加装均压环13，然后在支撑体层1外表面均匀绕包一层半导体层，搭盖率为0-5％；
内支撑体层1的均压环13采用预制式铜环通过锡焊技术安装在所述内支撑体层1的两端端头位置，并用棉纱将焊接毛刺精细打磨平滑；
步骤6，通过上述仿真分析，得到所述内铜缓冲层10和外铜缓冲层12的厚度，然后在步骤5所述的半导体层外依次连续绕制内铜缓冲层10、超导层11和外铜缓冲层12，得到第一相导体层2。
步骤7，在步骤6得到的所述第一相导体层2的外铜缓冲层12外侧面绕制一层半导体层，搭盖率为0-5％，然后在半导体层外绕制第一绝缘层3，所述第一绝缘层3采用多头同心式绕包进行，然后在所述第一绝缘层3外侧面再绕制一层半导体层搭盖率为0-5％，最后再依次绕制内铜缓冲层10、超导层11和外铜缓冲层12，得到第二相导体层4；
半导电层和绝缘层采用多头同心式串列绕包设备一次性绕制而成，内铜缓冲层10和外铜缓冲层12采用屏蔽绕包机组绕制，
步骤8，重复步骤7，得到第三相导体层6；
步骤9，根据三相不平衡性及故障时屏蔽层8的电流分量，设计所述屏蔽层8的厚度，在所述第三绝缘层7外侧面半导体层的外侧面依次绕制所述屏蔽层8和所述保护层9；
屏蔽层8采用与超导层11相同的带有主动放线张力控制的盘式绕制设备加工而成。
通过上述制备方法制备的三相同轴超导电缆本体线芯，根据表1中的三相同轴超导电缆本体线芯结构，利用有限元仿真软件对电缆本体线芯进行建模，建立三相同轴超导本体线芯三维模型。
在所建立的三维有限元仿真模型中，通过电流物理接口进行电磁场仿真，对三相同轴超导电缆本体线芯线芯施加三相电压，地相及其对应的应力锥接地，具体参数如下：选择三相超导带材铜层及半导电层，选择电压物理接口中的终端，分别加载
及
电压。从电磁场仿真结果得出电场模最大值约为14kV/mm，满足工频耐压试验下PPLP绝缘层最小击穿场强38kV/mm的要求。内支撑体均压环电场模最大值约为10kV/mm，满足周围最小介质击穿强度要求。同理，冲击电压试验电场模分布示意图与耐压试验电场模分布呈倍数关系，通过分析可知电场模最大值约为38kV/mm，满足冲击电压试验下PPLP绝缘层最小击穿场强80kV/mm。图4为三相同轴超导电缆本体线芯线芯支撑体均压结构电场仿真分布图。
采用电磁场物理接口，对三相导体相邻层同向绕制和相邻层反向绕制进行电磁场分析，图5为同向绕制与反向绕制超导电缆本体线芯电磁场分布示意图。最内相内部磁场强度将影响内支撑管中涡流的大小，进而影响交流损耗的大小，三相皆为同向绕制的思路，能够有效减少涡流损耗。
通过上述技术手段，本发明提供了一种三相同轴超导电缆本体线芯及其制备方法，结构具有超导层短路保护、内支撑层管端头均匀磁场以及减小内部涡流损耗的作用，填补了国内外三相同轴超导电缆本体线芯设计的空白，并通过电磁场仿真分析，验证了这种设计的可行性。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.三相同轴超导电缆本体线芯，其特征在于，从内到外依次包括：支撑体层(1)、第一相导体层(2)、第一绝缘层(3)、第二相导体层(4)、第二绝缘层(5)、第三相导体层(6)、第三绝缘层(7)、屏蔽层(8)和保护层(9)；
所述第一相导体层(2)、第二相导体层(4)和第三相导体层(6)均从内到外依次包括：内铜缓冲层(10)、超导层(11)和外铜缓冲层(12)，且所述第一相导体层(2)、第二相导体层(4)和第三相导体层(6)三者同轴设置。
2.根据权利要求1所述的三相同轴超导电缆本体线芯，其特征在于，所述支撑体层(1)的外侧面与所述第一相导体层(2)的内铜缓冲层(10)内侧面之间设置一层半导体层，所述所述第一相导体层(2)的外铜缓冲层(12)外侧面与所述第一绝缘层(3)内侧面之间设置一层半导体层，所述第一绝缘层(3)外侧面与所述第二相导体层(4)的内铜缓冲层(10)内侧面之间设置有一层半导体层，所述第二相导体层(4)的外铜缓冲层(12)外侧面与所述第二绝缘层(5)内侧面之间设置有一层半导体层，所述第二绝缘层(5)外侧面与所述第三相导体层(6)的内铜缓冲层(10)内侧面之间设置有一层半导体层，所述第三相导体层(6)的外铜缓冲层(12)外侧面与所述第三绝缘层(7)内侧面之间设置有一层半导体层，所述第三绝缘层(7)外侧面与所述屏蔽层(8)内侧面之间设置有一层半导体层。
3.根据权利要求1所述的三相同轴超导电缆本体线芯，其特征在于，所述支撑体层(1)为螺纹状的铜波纹管，所述铜波纹管壁厚为0.5mm，螺距为9mm，螺深为3mm。
4.根据权利要求1所述的三相同轴超导电缆本体线芯，其特征在于，所述内铜缓冲层(10)和外铜缓冲层(12)的材料为铜带，所述铜带宽度为25-40mm。
5.根据权利要求1所述的三相同轴超导电缆本体线芯，其特征在于，所述超导层(11)的材质为YBCO高温超导带材，所述YBCO高温超导带材的宽度为5mm，厚度为0.38mm，超导带材采用同向绕制方向。
6.根据权利要求1所述的三相同轴超导电缆本体线芯，其特征在于，所述第一绝缘层(3)、第二绝缘层(5)和第三绝缘层(7)的绝缘材料为聚丙烯层压纸，所述聚丙烯层压纸的厚度为119μm，宽度为25mm；所述半导体层的材料为碳纸或半导电纤维材料。
7.根据权利要求1所述的三相同轴超导电缆本体线芯，其特征在于，所述支撑体层(1)的端头位置设置有均压环(13)，所述均压环(13)与所述支撑体层(1)焊接连接。
8.根据权利要求1所述的三相同轴超导电缆本体线芯，其特征在于，所述屏蔽层的厚度为0.5mm，所述屏蔽层的材料为铜带，所述铜带的宽度为5mm。
9.根据权利要求1所述的三相同轴超导电缆本体线芯，其特征在于，所述保护层(9)的材料为聚酯薄膜，厚度为0.2mm。
10.权利要求1～9任一项所述的三相同轴超导电缆本体线芯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：在所述支撑体层(1)的端头部位加装均压环(13)，然后在支撑体层(1)外表面均匀绕包一层半导体层，搭盖率为0-5％；
步骤S2：通过仿真工具获得在不同短路下的热数据，并将数据导入模拟软件中进行仿真分析，得到所述内铜缓冲层(10)和外铜缓冲层(12)的厚度，然后在步骤S1所述的半导体层外依次连续绕制内铜缓冲层(10)、超导层(11)和外铜缓冲层(12)，得到第一相导体层(2)；
步骤S3：在步骤S1得到的所述第一相导体层(2)的外铜缓冲层(12)外侧面绕制一层半导体层，搭盖率为0-5％，然后在半导体层外绕制第一绝缘层(3)，所述第一绝缘层(3)采用多头同心式绕包进行，然后在所述第一绝缘层(3)外侧面再绕制一层半导体层搭盖率为0-5％，最后再依次绕制内铜缓冲层(10)、超导层(11)和外铜缓冲层(12)，得到第二相导体层(4)；
步骤S4：重复步骤S3，得到第三相导体层(6)；
步骤S5：根据三相不平衡性及故障时屏蔽层(8)的电流分量，设计所述屏蔽层(8)的厚度，在所述第三绝缘层(7)外侧面半导体层的外侧面依次绕制所述屏蔽层(8)和所述保护层(9)。
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