EAST縱場(chǎng)磁體系統(tǒng)16kA高溫超導(dǎo)電流引線

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.

根據(jù)iter電流引線的要求,設(shè)計(jì)和試驗(yàn)了分別由全鈹銅(be2%cu)、全不銹鋼(ss)和二元金屬(becu/ss)三種不同類型分流器制作的68ka電流引線的1/90試件。研究了超導(dǎo)段各組件的性能,詳細(xì)討論了失冷故障實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明,對(duì)比全鈹銅和全不銹鋼分流器,二元分流器制作的超導(dǎo)模件更能夠提高安全性以及減小冷端漏熱,滿足iter高安全性和低熱負(fù)荷的要求。

電流引線是室溫電源電纜與低溫磁體之間的電連接部件.高溫超導(dǎo)材料在液氮溫度下具有零電阻率和低熱導(dǎo)率的特性,用它做成的電流引線可以大大減小低溫系統(tǒng)的熱負(fù)荷,從而減少制冷設(shè)備投資及系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi).高溫超導(dǎo)電流引線可以分為阻性換熱器段和高溫超導(dǎo)段兩部分(其中還包括各部件間的連接部分).高溫超導(dǎo)段的分流器設(shè)計(jì)關(guān)系到冷端熱負(fù)荷大小以及超導(dǎo)段失超后的安全問(wèn)題.為了研究國(guó)際熱核聚變?cè)囼?yàn)堆(iter)電流引線高安全性能,專門(mén)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)了68ka引線的1/90實(shí)驗(yàn)樣品.本文通過(guò)對(duì)比全cube(cu-2%be)分流器、全不銹鋼分流器和二元分流器的失冷故障(lofa)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,證明二元分流器能夠克服安全性和冷端漏熱矛盾,可以滿足iter高安全性的要求.

在無(wú)限長(zhǎng)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(guò)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(guò)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。

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(mén),過(guò)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(guò)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(guò)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。

大電流高溫超導(dǎo)電線材料

系統(tǒng)描述了20ka、5米長(zhǎng)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(kāi)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(guò)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。

住友電氣大電流高溫超導(dǎo)電線材料制成

日本住友電氣工業(yè)公司最近開(kāi)發(fā)出可通大電流的實(shí)用性較強(qiáng)的高溫超導(dǎo)電線材料。在電阻為零的狀態(tài)下,這種材料所能通過(guò)的電流密度為銅線的350倍,堪稱世界之最。

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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(guò)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(guò)熱。

通過(guò)建立高溫超導(dǎo)電纜等效電路模型,并提出電流分布等效數(shù)學(xué)方程,求得高溫超導(dǎo)電纜導(dǎo)體層電流分布。繞制一根0.2m長(zhǎng)110kv/2ka高溫超導(dǎo)電纜樣纜,并進(jìn)行載流能力實(shí)驗(yàn),得到各層電流分布結(jié)果。分析發(fā)現(xiàn),各層電流分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合,從而驗(yàn)證電流分布計(jì)算模型的正確性,以及調(diào)整繞制角度對(duì)均勻?qū)娱g分流的有效性。研究結(jié)論對(duì)以后更長(zhǎng)高溫超導(dǎo)電纜的載流能力分析具有一定的指導(dǎo)意義。

為了分析導(dǎo)電層分流特征對(duì)超導(dǎo)電纜交流損耗分布影響,建立了基于ybco涂層導(dǎo)體的110kv/3ka冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜載流數(shù)學(xué)模型,計(jì)算了不同運(yùn)行溫度下超導(dǎo)電纜各導(dǎo)電層電流分布,并根據(jù)monoblock模型及bean模型計(jì)算了超導(dǎo)電纜交流損耗.計(jì)算結(jié)果表明77k下超導(dǎo)電纜層電流均勻分布時(shí)總交流損耗最小;69k時(shí)超導(dǎo)電纜總交流損耗最小時(shí),電纜各導(dǎo)電層電流分布不均,超導(dǎo)電纜層電流均勻分布時(shí)總交流損耗最小這一觀點(diǎn)并不具有普遍性.所提出的計(jì)算方法和結(jié)果為降低多導(dǎo)電層超導(dǎo)電纜交流損耗提供了新思路.

35kv/2ka高溫超導(dǎo)電力電纜終端 畢延芳　　陳行倩　　馬登奎　　羅南昌 孫成元　　崔國(guó)根　　武松濤 中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所,合肥1126信箱　230031 侯　波　　曹昆南　　信　贏 北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司,北京　100176 　　電力電纜已被確認(rèn)為高溫超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要項(xiàng)目之一.電力電纜在終端處屏蔽層 終斷、因電場(chǎng)集中,故需改善電場(chǎng)分布和加強(qiáng)電絕緣;超導(dǎo)電纜終端還是運(yùn)行在低溫的超導(dǎo) 電纜芯向常溫的高壓母線過(guò)渡和制冷劑進(jìn)出口的匯集組件.前期研發(fā)的試驗(yàn)終端已初步解 決了終端恒溫器結(jié)構(gòu)、電流引線優(yōu)化、可分離低阻接頭和耐高電壓的絕緣液氮接管設(shè)計(jì)和相 關(guān)試驗(yàn)研究,在額定電流2ka情況下每對(duì)終端的熱負(fù)荷210w,并進(jìn)行了5項(xiàng)高電壓絕緣試 驗(yàn). 1引　　言 高溫超導(dǎo)材料經(jīng)歷近20年的發(fā)展即將步入大規(guī)模應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化階段.銀基帶bi2

低溫絕緣高溫超導(dǎo)電力電纜

低溫系統(tǒng)是該試驗(yàn)裝置的一個(gè)主要分系統(tǒng),采用增壓過(guò)冷液氮冷卻高溫超導(dǎo)電纜及其電流引線,是國(guó)內(nèi)首次采用過(guò)冷液氮循環(huán)冷卻高溫超導(dǎo)電纜的低溫系統(tǒng)。低溫系統(tǒng)包括兩大部分:過(guò)冷液氮循環(huán)部分和制冷部分。在過(guò)冷液氮循環(huán)部分,以低溫泵的揚(yáng)程作為循環(huán)流動(dòng)動(dòng)力,液氮通過(guò)與制冷部分的熱交換,獲取冷量,被輸送到高溫超導(dǎo)電纜低溫容器和終端,液氮通過(guò)與電纜的換熱釋放其冷量,最后回到氣液分離器,進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)過(guò)程。制冷部分采用液氮減壓降溫獲取冷量,其最大制冷量3.3kw,液氮消耗72l/h。

東京電力和住友電氣工業(yè)將于2001年6月進(jìn)行高溫超導(dǎo)電纜線的通電實(shí)驗(yàn),2010年前后在東京中心區(qū)域進(jìn)行實(shí)用化。目前地下管線為內(nèi)徑150mm,最大送電能力為約10萬(wàn)kw。如果高溫超電導(dǎo)纜線能夠用于實(shí)際送電,其送電能力將增大10倍;達(dá)到100萬(wàn)kw。由于在人口密集的城市中心建筑電力傳送設(shè)施的成本本來(lái)就很高,因此即使采用77k的液氮進(jìn)行冷卻來(lái)實(shí)現(xiàn)

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(wèn)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(guò)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(zhǎng),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。

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(guò)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(guò)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(guò)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。

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(guò)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(méi)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。

成果摘要：630kva高溫超導(dǎo)變壓器的研究開(kāi)發(fā)，解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)：通過(guò)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)、