超导屏蔽对低温绝缘超导电缆运行性状的影响
- 格式：pdf
- 大小：315.87 KB
- 文档页数：5
超导屏蔽对低温绝缘超导电缆运行性状的影响应启良(上海电缆研究所,上海200093)摘要:从理论上证明三相系统用低温绝缘(CD )高温超导电缆在屏蔽层互联和特定敷设条件下可以达到屏蔽电流与导体电流量值相等、相位相反,实现屏蔽处无磁场的理想运行状态。
可以用于C D 绝缘超导电缆的结构和C D 绝缘超导电缆线路电气参数的确定。
关键词:CD 绝缘高温超导电缆;C D 绝缘超导电缆敷设条件;C D 绝缘超导电缆结构;C D 绝缘超导电缆工程设计中图分类号:T M249.7文献标识码:A文章编号:167226901(2010)0120014205The I nfluence of Superconducti n g Sh i eld on O pera ti on Behav i or of CD HTSC CableYI N G Q i 2liang(Shanghai Electric Cable Research I nstitute,Shanghai 200093,China )Abstract:This paper p resents the theoretical evidence that p referable operati on status of CD HTSC cable with no magnetic field outside its shield owing t o the return current fl owing thr ough the shield equal and opposite t o its phase current can be achieved by bonding t w o ends of shields of the CD HTS C cable installed in s pecific configurati on of the cable syste m.The p referred structure of CD HTSC cable and its electrical para meter can thereby be deter m ined .Key words:C D HTSC cable;CD HTSC cable p referable installed configurati on;structure of CD HTSC cable;CD HTSC cable engineering design收稿日期:2009207231作者简介:应启良(1936-),男,教授级高工,原副总工程师.作者地址:上海市军工路1000号[200093].0 引 言 高温超导电缆由于电缆可在液氮温度(77K )以下处于超导状态运行,所以被公认为是最有可能实现大规模工业性应用的超导电力设备产品。
高温超导电缆绝缘有室温绝缘(WD )和低温绝缘(CD )两大类。
WD 绝缘高温超导电缆的超导导体置于绝热套内,其间充以液氮。
超导电缆绝缘在绝热套外部,仅超导导体处于液氮温度下,在超导状态下运行,而绝缘处于室温环境,因此WD 绝缘高温超导电缆可以采用与常规电缆相同的绝缘介质和绝缘结构。
然而WD 绝缘高温超导电缆周围产生很大磁场,用于三相交流输电系统,一相WD 绝缘高温超导电缆产生磁场会对邻相超导电缆的金属层引起交流损耗,并且对邻相超导电缆导体施加垂直磁场,致使其超导导体临界电流退化。
而CD 绝缘超导电缆的绝缘上包覆超导屏蔽。
超导电缆的导体、绝缘和以超导材料构成的绝缘屏蔽均置于绝热套内,其间充以液氮。
因此CD 绝缘高温超导电缆的导体、绝缘和绝缘屏蔽均处于液氮温度下运行。
CD 绝缘高温超导电缆用于三相交流输电系统,当三相电缆在特定的敷设条件下,并且三相电缆的绝缘屏蔽两端互联情况下,绝缘屏蔽通过电流与导体电流量值相同,相位相反,超导电缆的绝缘屏蔽层外部无磁场。
这就避免三相高温超导电缆用于三相输电系统时,一相超导电缆对邻相超导电缆的金属层因电磁感应产生交流损耗以及因垂直外磁场对邻相超导电缆导体作用而使导体临界电流退化。
因此CD 绝缘高温超导电缆适用于大容量交流地下输电系统。
本文通过比较严格的理论分析,阐明CD 绝缘超导电缆应用于三相输电系统只有当三相电缆特定敷设条件,且超导电缆绝缘屏蔽两端互联时才有可能实现超导电缆绝缘屏蔽通过与超导电缆导体电流量值相同、相位相反的电流,使得超导电缆绝缘屏蔽外部无磁场。
本项工作是有关CD 绝缘高温超导电缆的设计、运行和工程应用的重要基础性工作。
1 CD 绝缘超导电缆用于三相电力系统,电缆敷设条件对超导电缆导体和绝缘屏蔽电流的影响 设三相CD 绝缘超导电缆按任意间距敷设如图1所示。
其中三相电缆分别记作1#,2#,3#;导体电流分别为I 1,I 2,I 3,三相电流对称。
设三根电缆中心间距分别为S 1,S 2,S 3。
三相CD 绝缘电缆的屏蔽直径为D S ;三相电缆的屏蔽电阻为R S ;CD 绝缘超导电缆的绝缘屏蔽(以下称为屏蔽)均采用与导体相同的超导材料构成。
图1 三相C D 绝缘超导电缆任意间距平行敷设1.1 超导屏蔽的感应电压 三相CD 绝缘导体电流的相量如图2所示,三相电流之间关系如下:图2 三相电缆导体电流相量图I 1=-12+32j I2I 3=-12-32j I 2I 1+I 2+I 3=0 三相CD 绝缘电缆屏蔽感应电压由以下公式计算: E S 1=-j ωkI 1ln 2S 1D S-12ln S 1S 3+32j ln S 1S 3(1) E S 2=-j ωkI 2ln 2S 1D S -12ln S 1S 2-32j ln S 1S 2(2) E S 3=-j ωkI 3ln 2S 2D S+12ln S 3S 2+32j ln S 3S 2(3)其中,k =μ02π=2×10-7(H /m )。
1.2 三相CD 绝缘电缆屏蔽两端互联产生屏蔽电感和屏蔽电流的计算三相CD 绝缘电缆屏蔽两端互联,如图3所示。
图中,I 1,I 2,I 3分别为三相电缆导体电流;I S 1,I S 2,I S 3分别为三相CD 绝缘电缆屏蔽两端互联时产生的屏蔽电流。
图3 三相CD 绝缘超导电缆屏蔽两端互联 三相CD 绝缘电缆的屏蔽的阻抗分别为:X 1=R S +j ωL S 1X 2=R S +j ωL S 2X 3=R S +j ωL S 3式中,L S 1、L S 2、L S 3分别为三相电缆屏蔽的电感,其值计算如下。
1.2.1 三相屏蔽电感的计算(1)1#电缆屏蔽电感的计算L S 1=I S 1L S 11+I S 2M S 12+I S 3M S 13I S 1式中,L S 11为1#电缆屏蔽的自感;M S 12为2#电缆屏蔽与1#电缆屏蔽的互感;M S 13为3#电缆屏蔽与1#电缆屏蔽的互感。
按图3所示,三相电缆屏蔽两端互联后,I S 1+I S 2+I S 3=0,则可求得1#电缆屏蔽电感:L S 1=k I S 1ln2S 1D S+I S 3lnS 1S 3/I S 1(4) 设三相CD 绝缘电缆屏蔽电流对称(如果以下证实屏蔽与导体电流量值相等,相位相反,此条件成立),则:I S 3=-12+32IS 1 将上式代入式(4),则可得1#电缆屏蔽电感:L S 1=kln2S 1D S-12ln S 1S 3+32j ln S 1S 3(5) (2)2#电缆屏蔽电感的计算・51・同理,2#电缆屏蔽电感为:L S 2=(I S 1M S 21+I S 2L S 22+I S 3M S 23)/I S 2式中,L S 22为2#电缆屏蔽自感;M S 21为1#电缆屏蔽与2#电缆屏蔽互感;M S 23为3#电缆屏蔽与2#电缆屏蔽互感。
L S 2=k I S 2ln2S 1D S+I S 3lnS 1S 2/I S 2(6) 设三相CD 绝缘超导电缆屏蔽电流对称,则I S 3=-12-32j I S 2,并代入上式,可得2#电缆屏蔽电感为:L S 2=k ln2S 1D S-12ln S 1S 2-32j ln S 1S 2(7) (3)3#电缆屏蔽电感的计算同理,3#电缆屏蔽电感为:L S 3=(I S 1M S 31+I S 2M S 32+I S 3L S 33)/I S 3式中,L S 33为3#电缆屏蔽自感;M S 31为1#电缆屏蔽与3#电缆屏蔽互感;M S 32为2#电缆屏蔽与3#电缆屏蔽互感。
可得3#电缆屏蔽电感为:L S 3=k I S 1lnS 2S 3+I S 3ln2S 2D S/I S 3(8) 设三相CD 绝缘超导电缆屏蔽电流对称,则I S 1=-12-32j I S 3,并代入式(8),可得3#电缆屏蔽电感为:L S 3=k 12ln S 3S 2+ln 2S 2D S +32j ln S 3S 2(9)1.2.2 三相CD 绝缘超导电缆屏蔽互联后产生的屏蔽电流计算三相CD 绝缘超导电缆屏蔽两端互联,并设互联的三相超导电缆屏蔽电压均为U e ,则由1#电缆超导屏蔽回路可得:I S 1(R S +j ωL S 1)+U e =E S 1(10) 将式(1)和式(5)代入式(10),可得: I S 1R S +U e =-j ωk (I 1+I S 1)ln2SD S-12ln S 1S 3+32j ln S 1S 3(11)由2#电缆屏蔽回路可得:I S 2(R S +j ωL S 2)+U e =E S 2(12) 将式(2)、式(7)代入式(12),可得: I S 2R S +U e =-j ωk (I 1+I S 2)ln 2S 1D S -12ln S 1S 2-32j ln S 1S 2(13)由3#电缆屏蔽回路可得:I S 3(R S +j ωL S 3)+U e =E S 3(14) 将式(3)、式(9)代入式(14),可得: I S 3R S +U e =-j ωk (I 3+I S 3)12ln S 3S 2+ln 2S 2D S+32j ln S 3S 2(15)将式(11)、式(13)、式(15)三式相加并化简后可得: 3U e =-j ωk (I 1+I S 1)12ln S 3S 2+32j ln S 21S 3S 2+(I 3+I S 3)lnS 2S1+12ln S 3S 1S 22+32j ln S 3S 1S 22(16)将式(16)分别代入式(11)、式(13)、式(15),可分别求得三相CD 绝缘超导电缆的屏蔽电流I S 1、I S 2、I S 3。
由式(16)、式(11)、式(13)、式(15)可见,任意间距三相CD 绝缘超导电缆,即使屏蔽处于77K 液氮温度时,屏蔽电阻为零(R S =0),并不能得出超导屏蔽电流与超导导体电流量值相等,相位相反,超导屏蔽外无磁场的结果。
