（电工理论与新技术专业论文）高温超导电缆本体绝缘及终端和中间连接体绝缘研究.pdf

r e s e a r c hi nt h ei n s u l a t i o no ft h ec r y o s t a t ，t e r m i n a t o ra n dc r y o s t a t c o n n e c t e ro fh t sc a b l e t e n gy u p i n g d i r e c t e db yx i a ol i y e a b s t r a c t t h ec o n s t r u c to fh t sc a b l ei si n t r o d u e e d ；t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n ti n s u l a t i o na n dt h e p r o p e r t i e s ，b o t hi nr o o mt e m p e r a t u r ea n dc r y o g e n i ct e m p e r a t u r e ，o fs e v e r a lm a t e r i a l s a r e i n v e s t i g a t e da7 5 m ，1 0 5 k v ，1 5 k at h r e e - p h a s ea cs u p e r c o n d u c t i n gc a b l eh a sb e e nc o n s t r u c t e d a n dt e s t e di n g r i d i nt h ee n do f2 0 0 4 t h ei n s u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb o t hc r y o s t a t sa n d t e r m i n a t i o no f h t sc a b l ea r ei n t r o d u c e d t h e7 5 mc r y o s t a tf o rt h ec a b l ec o n s i s t so f t h r e ec r y o s t a t s o f 2 5 m ，w h i c ha r ei ns e r i e sc o n n e c t e d t h ei n s u l a t i o no f t h e7 5 m ，1 0 5 k v 1 5 k at h r e e p h a s ea c s u p e r c o n d u c t i n gc a b l ei sp r o c e s s e do nt h ec r y o s t a t sn o tt h es u p e r c o n d u c t i n gc o n d u c t o r b o t ht h e c r y o s t a tc o n n e c t e ra n dt e r m i n a t o ra r ei n s u l a t e dt h ei n s u l a t i o nd e s i g no f t h eh t sc a b t ei t s e l f a n d b o t ht h ec o n n e c t e ra n dt h et e r m i n a t o ra r ei n t r o d u c e dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ee l e c t r i cf i e l da r e c a l c u l a t e da n da n a l y z e db o t hi nn u m e r i c a lm e t h o da n di nr e s o l u t i o nm e t h o d ，t h ep e a kv a l u eo f e l e c t r i cf i e l da r ep o s i t i o n e d b a s e do nt h i sa n a l y s i s ，s o m em e t h o d st om i n i s ht h ee l e c t r i cf i e l d g r a d i e n ta r es u g g e s t e d a n dh a sb e e np u ti np r a c t i c e t h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i sa r ev e r yh e l p f u l f o rt h ed e s i g no ft h ei n s u l a t i o no ft h ec o n n e c t o ra n dt h et e r m i n a t i o no ft h eh t sc a b l e an m d e l c a b l ei n t e r g r a t o ri n c l u d i n gt h ec r y o g e n i ca n db o t ht h ej o i n to ft h ec r y o s t a t sa n dt e r m i n a t i o nh a s b e e nd e v e l o p e db e f o r et h ep r o c e s s i n go ft h ei n s u l a t i o no fb o t ht h ec o n n e c t e ra n dt h et e r m i n a t o r t h ei n s u l a t i o no ft h ei n s u l a t i o no ft h em o d e li n t e r g r a t o rh a v ep a s s e db o t ht h e4 h3 5 k va c w i t h s t a n dv o l t a g et e s ta n d1 m i n4 2 k va cw i t h s t a n dv o l t a g et e s t t h ei n s u l a t i o no f t h ec a b l eh a s b e e nf i n i s h e da n dt e s t e d i th a sp a s s e dt h ea c3 5 k vw i t h s t a n dv o l t a g et e s ta n dp a r t i a ld i s c h a r g e t e s t t h ev a l u eo f p a r t i a ld i s c h a r g eu n d e ra c1 5 k vv o l t a g ei sl e s st h a n1p c t h ei n s u l a t i o no f t h e 7 5 m ，1 0 5 k v 1 5 k at h r e e - p h a s ea cs u p e r c o n d u c t i n gc a b l es y s t e ma l s oh a sb e e nt e s t e db yt h e l o c a le l e c t r i cp o w e rd e p a r t m e n tb e f o r et h eh t sc a b l eb e e nc o n n e c t e di ng r i d t h e7 5 m ，1 0 5 k v 1 5 k at h r e e p h a s ea cs u p e r c o n d u c t i n gc a b l es y s t e mh a sb e e nc o n n e c t e di ng r i da n dh a sb e g u nt o s u p p l yp o w e rf o rg a n s uc h a n g t o n gc a b l es c i e n c e & t e c h n o l o g yc o l t d t h es y t e mi ss t a b l ea n d r e l i a b l e k e y w o r d s ：h t sc a b l e ，c r y o s t a t ，c a b l et e r m i n a t i o n ，i n s u l a t i o n ，e l e c t r i cf i e l d ，n u m e r i c a n a l y s i s ，w i t h s t a n dv o l t a g e ，p a r t i a ld i s c h a r g e 2 毕业论文 11 超导电缆的研究现状 第一章引言 近年来，第一代铋系( b s c c o ) 高温超导材料的制备技术取得了重大的进展。 并已得到了商业应用。商业供应的铋系高温超导带材单根长度可达到千米级，单 根传输临界电流超过了1 2 0 a ，工程传输电流密度超过了9 1 0 1 a c m 2 。在承受 2 7 0 m p a 机械应力情况下的临界电流退化在5 以内。这些性能的获得为高温超导 电力技术的快速发展奠定了基础。 由于采用了具有零阻可进行大电流密度传输电流的高温超导材料作为导体， 以价格低廉的液态氮作为冷却介质，高温超导电缆具有体积小、重量轻、损耗低、 无火灾隐患的优点。高温超导电缆能够传输比同尺寸的常规电缆大3 5 倍的功 率，其功率损耗仅为传输功率的o 5 。利用高温超导电缆可以大大提高电网输 电的总效率，实现低损耗，大容量输电。同时，高温超导电缆还具有安全，无污 染，无电磁辐射等优点。因此，高温超导电缆在发电厂、变电站和城市中心配电 等大容量输电方面将具有广阔的应用前景。 美国和日本等发达国家在高温超导电缆方面作了大量的研究开发工作，并已 经将高温超导电缆投入试验运行。目前美国正在进行一个6 0 0 m 长超导电缆研究 项目计划，其目标是实现高温超导电缆的产业化，并最终实现高温超导电缆的商 业化运行。“。日本超导工程( s u p e r - a c e ：s u p e r c o n d u c t i n ga ce q u i p m e n t p r o j e c t ) 5 年计划( 2 0 0 0 2 0 0 4 ) 也正在进行一个5 0 0 m 长单芯高温超导电缆项 目的研究工作“”。1 。此外德国西门子公司等也有与日本和美国相似的高温超 导电缆研究开发项目和产业化计划。韩国也在积极进行高温超导电缆项目的研究 工作。 在应用超导领域， 我国同发达国家基本保持同步发展。中科院电工研究所 1 9 9 8 年即研制成功我国第一根高温超导电缆。该成果被两院院士评选为i 9 9 8 年 中国十大科技进展新闻之一。此后，电工所一直在继续进行进一步的研究。2 0 0 0 年1 1 月，中国科学院电工研究所研制并成功地试验了6 米长直流高温超导电缆， 2 0 0 3 年，电工所研制成功l o m 长。1 0 5 k v 1 5 k a ，三相交流高温超导电缆。通 过该项目的实施，中国科学院电工研究所在高温超导电缆的结构优化设计方法、 高温超导电缆的绕制技术，高温超导电缆的焊接、低漏热低温容器的设计和制造 等方面积累了丰富的经验。表1 - 1 为国内外高温超导电缆研究开发现状 毕业论文 国 研发单位 绝 家缘 相数 电压，电流长度交流损耗状况 p i r e l l i c d 三相 1 1 5 k v 2 k a3 0 m， 1 9 9 8 年完成试验 a s c 美 s o u t h w i r ec d三相 1 2 5 k v 1 2 5 k0 6 w k a 3 0 m 2 0 0 0 年试验运行 国a p i r e l l i 2 0 0 0 年试验运行，二 w d三相2 4 k v 2 4 k a1 3 0 m e p r i 相低温容器严重损坏 东京电力、 c d 单相 6 6 k v 2 k a5 m9 w m a m 1 9 9 6 年完成试验 古河 日 东京电力、 c d三相6 6 k v 1 k a7 m 1 1 w m a 1 9 9 6 年完成试验 本 住友 东京电力、 c d三相6 6 k v l k a1 0 0 m 0 7 w m a 2 0 0 3 年完成试验 住友 丹 n k t 公司w d三相 3 6 k v 2 k a3 0 m0 7 5 w m 2 0 0 1 年试验运行 麦 中科院电 w d三相l o 5 k v ，1 5 k a1 0 m 0 3 5 w m 2 0 0 3 年完成试验 工所等 a m 中 云电英纳 w d三相3 5 k v ，2 k a3 0 m o 7 5 w 瓜 2 0 0 4 年试验运行 国公司am 中科院电 o 3 5 w l ( 工所等 w d三相1 0 5 k v 1 5 k a7 5 m 2 0 0 4 年试验运行 a m 1 ，2 超导电缆应用前景 ( 1 ) 据预测，2 0 0 5 年市场上将出现商品化的高温超导电缆产品，预计到2 0 2 0 年全世界超导应用的总市场将达到2 4 4 0 亿美元，高温超导电缆约占5 的份额。 全世界现有总长约1 3 万公里的地下电缆将可能被高温超导电力电缆陆续取代。 高温超导电缆的市场潜力非常巨大。 ( 2 ) 适中电压的高温超导电缆输电方式将逐渐改变传统的高电压输电方式； 高温超导电缆将替代老旧的、寿命已过和负载接近额定功率的常规电缆系统，并 在现有电力系统的升级和新电力系统的建设中得到应用。 ( 3 ) 中等城市周围将建立较低容量的高温超导电缆配电环路；高温超导输电 电缆将逐步替代现有架空线路。 ( 4 ) 据电线电缆行业统计资料，我国1 0 k v 及以上交联聚乙烯绝缘电力电缆 的年需求量约为1 0 万公里，假如其总量的5 被高温超导电缆所取代，则高温超 导电缆在我国每年的需求总量将会达到5 0 0 0 公里。 ( 5 ) 高温超导电缆将首先应用于短距离传输电力的场合( 如发电机到变压 器、变电中心到变电站、地下变电站到城市电网端口) 及电镀厂、发电厂和变电 6 毕业论文 站等短距离传输大电流的场合，应用于大型或超大型城市电力传输的场合。 1 3 高温超导电缆的结构 根据超导电缆导体的结构，高温超导电缆的机械结构主要分为刚性电缆和挠 性电缆两种形式。在刚性电缆中，超导体平行于剐性骨架轴线排列，其优点是结 构简单，可以避免弯曲而引起超导带材的性能下降；缺点是从室温冷却至液氮温 区所发生的热收缩将带来不良影响，特别是在电缆的长度比较长的情况下，热收 缩可能破坏整个电缆。挠性电缆采用多芯银包套超导带材在支撑骨架上绕成具有 固定螺距的多层螺旋形结构，同一层超导带材之间留有一定窄缝隙。这种结构可 以避免热收缩带来的不良影响，可以弯曲，适合绕制比较长的电缆，满足运输与 安装的需求；电缆中的轴向磁通也可以经过几层带材之间的电流环绕方向不同而 互相抵消，减少导体层中带材性能的自场退化。 7 5 米长1 0 5 k v 1 5 k a 三相交流超导电缆的四大部分由里至外分别是支撑 骨架、导体层、低温容器，电缆主绝缘层加工在电缆得低温容器外层。支撑骨架 采用不锈钢波纹管、导体层由超到带材组成、层间绝缘采用聚酰亚胺绝缘薄膜。 低温容器采用由超级绝热材料和真空夹层的双层不锈钢波纹管组成的波纹管，波 纹管外层为电气绝缘。超导电缆导体层采用液氮浸泡冷却方式冷却，在作为支撑 骨架的波纹管内部和绝缘层与绝热层之间充满液氮。 根据绝缘介质的工作温度，高温超导电缆可分为室温介质( w a r m d i e l e c t r i c ) 绝缘电缆和低温介质( c o o l i n gd i e l e c t r i c ) 绝缘电缆。室温介质 电缆的主要优点是结构简单，它具有和常规电缆相似的结构，输送容量比常规电 缆大3 倍以上。3 ：由于省却了磁屏蔽层，故耗用的超导带材相对较少，但运行时 会在电缆低温容器上产生较大的涡流损耗0 3 。室温介质电缆除高温超导带材工作 在液氮温度条件下外，电缆的绝缘层则工作在室温条件下，其绝缘的加工和安装 也相对简单。同时，绝缘材料的选择具有较大的空间，加工技术比较成熟。相较 于低温介质电缆，室温介质电缆具有损耗较大，运行费用较高等缺点。室温介质 电缆绝缘较厚，电缆整体尺寸较大，通常为单芯电缆。图卜1 为室温介质电缆的 典型结构。 毕业论文 图卜1 室温介质电缆到卜2 单芯低温介质电缆结构 低温介质绝缘电缆的主电气绝缘层和超导带带材均工作在液氮温度下。液氮 作为复合电绝缘的一部分起一定的绝缘作用。低温介质绝缘电缆的主要优点是其 结构紧凑，有磁屏蔽，有效的消除了磁耦合。电缆容器上仅存在由漏磁引起的很 小的涡流。因而其传输容量大，损耗小，在寿命期内的运行成本较低”3 。其输送 容量可达常规电缆大5 倍以上”1 ；但较室温介质电缆具有结构复杂，耗用的超导 带材较多等不足，在低温绝缘材料的长期可靠性等方面尚缺乏足够的经验。低温 介质电缆设计有单芯和三芯两种结构。三芯电缆的三根导体工作在同一个低温容 器中。三芯电缆还可设计为三相同轴电缆。1 。图卜2 为单芯单轴低温介质电缆， 图卜3 和图卜4 分别为三芯单轴低温介质电缆和三芯三轴低温介质电缆的典型结 构图。 图卜3 三芯同轴低温介质绝缘电缆结构图卜4 三芯同轴低温介质绝缘电缆结构 1 4 高温超导电缆电气绝缘 1 4 1h t s 电缆本体绝缘结构及其特点 根据超导电缆电气绝缘结构，h t s 电缆本体绝缘可分为复合型绝缘 ( c o m p o s i t ei n s u l a t i o n ) 或绕包型绝缘( 1 a p p e di n s u l a t i o n ) s 1 固体绝缘( s o l i d i n s u l a t i o n ) 或挤包型绝缘( e x t r u d e di n s u l a t i o n ) 两种方式。电缆终端可以采 用塑料绝缘，也可以真空方式，高压h t s 电缆终端可采用充气绝缘方式等。根据 毕业论文 绝缘工作温度，超导电缆绝缘则可分为低温介质绝缘和室温介质绝缘。 室温介质h t s 电缆绝缘结构同常规电缆绝缘类似，其绝缘工作温度为室温或 环境温度。室温介质超导电缆的绝缘加工在电缆导体低温容器上，其结构尺寸大、 表面存在结构突变并因此而引起电场集中，但其绝缘结构设计及加工可参照常规 电缆的设计及加工方法，并可参照常规电缆的电气绝缘标准进行检验设计可靠 性。低温介质绝缘超导电缆的绝缘直接加工在超导电缆导体层，绝缘工作在同超 导体温度度一致的低温环境中，用于绝缘加工的空间小，且由于低温下绝缘材料 的内应力较大，绝缘的机械性能较差，低温状态下绝缘材料的长期机械性能尚需 进一步研究。 复合绝缘结构既适用于室温介质绝缘电缆也适用于低温介质绝缘电缆。低温 介质h t s 电缆通常采用绕包结构的绝缘。复合型绝缘介质损耗及电容小于固体绝 缘的介质损耗和电容，这对电缆是有利的，但其结构本身容易引起局部放电。绕 包形式绝缘结构容易在绕包层重叠或间隙( b u t tg a p ) 部分造成一定的间隙。由 电磁场边值关系根据电磁场边值关系： n ( d 。一d 。) = o( 1 1 ) 有 i e l 。= 2 e 2 。 ( 1 2 ) 式中 n 为分界面单位法向向量； d 。为介质2 中的电通量，k v m m ； d ，为介质l 中的电通量，k v m ； e 。为介质1 的介电常数； e ：为介质2 的介电常数； e 。为介质1 的法向电场强度，k v m m ； e ：。为分界面上介质2 的法向电场强度，k v m m 。 常温绝缘层气隙中的空气及低温绝缘层气隙中氮气的e 接近于1 ，绝缘带 的介电常数通常大于2 ( p e ，x l p e 塑料：e ：= 2 3 ，e p r 橡胶：e2 = 2 6 ) ，因此， 气隙中的电场是周围绝缘材料中的2 倍以上。而空气的介电强度( 空气e b = 3 k v m m ) 远小于绝缘层的介电强度( p e ：e b = 3 5 k v 唧) 。因此，在绝缘承受电压时，绝缘 层中气孔或气隙成为电场集中点，并在远低于绝缘击穿强度的电压下，首先击穿 产生局部放电。 大部分绝缘的电击穿是从局部放电开始的，绕包型绝缘结构本身引起的层问 及同层绝缘带之间的气隙容易引起较大的局部放电量。在低温绕包绝缘介质超导 9 毕业论文 电缆中，绕包层间或绝缘带间的间隙中充满了液氮，由于液氮的相对介电常数 ( ef 1 4 3 ) 远大于空气或气氮的介电常数( e 酽1 ) ，液氮和绝缘层分界面上 电场突变较小，引起的电场集中也较小，从而有效的提高了局部放电起始放电电 压，减小了局部放电量。 固体绝缘结构可有效的减少绝缘中的气隙，其绝缘层内部不存在分界面和电 场突变，从而在很大程度上降低了局部放电量。但在低温下，挤包型绝缘内存在 较大的应力，容易产生开裂。绝缘在低温下的弹性小，弯曲性能相对较差。低温 状态下固体绝缘的机械性能尚需进一步研究。 1 ，3 2 超导电缆终端及中间连接绝缘结构及特点 由于h t s 电缆的终端结构不同，绝缘方式差别较大。h t s 电缆的终端通常与 电缆真空抽气口，测量线出口集合在一起，其结构比较复杂，尺寸较大且不规则。 由于结构本身引起的电场集中给终端的绝缘设计加工带来了一定的困难。超导电 缆终端绝缘可以采用塑料绕包绝缘或电缆附件绝缘，常用常规电缆附件有热缩和 冷缩电缆附件及预制冷缩式电缆附件等。也可选用高压绝缘气体，液氮，陶瓷及 真空技术等。美国o r n l 实验室研制了两种终端分别采用了真空及带压氮气作为 绝缘介质，耐压为1 8 k v ，但采用了活真空。日本住友公司联合中部电力公司 ( c h u b ue l e c t r i cp o w e rc o ) 研制的7 7 k v 级h t s 电缆终端采用了s f 6 气体绝 缘终端“”。7 5 米1 0 5 k v 1 5 k a 三相交流h t s 电缆的导体设计为一整根，而 低温容器设计为三段长度为2 5 m 独立的低温容器组成，中间连接体将三段独立的 低温容器连接成整体。中间连接体的绝缘可采用真空绝缘或塑料绝缘。 热缩电缆附件采用耐紫外辐射的橡塑材料制造，扩径后经加速器辐照定形， 在加热情况下可自然收缩。热缩附件具有优良的绝缘性能、表面憎水性能和抗老 化性能且价格低廉。在3 5 k v 及以下电压等级常规电缆安装中，热缩式电缆附件 的应已用很成熟。 冷收缩式电缆附件是由硅橡胶或乙丙橡胶( e p r ) 等材料在工厂内注射硫化 成型，再经扩径、衬以塑料螺旋支撑物构成各种电缆附件的部件。可用于 1 0 1 l o k v 电压等级电缆。安装时，冷收缩电缆附件是在常温下靠弹性回缩力， 而不是像热收缩电缆附件在加热条件下收缩。冷缩式电缆附件安装后的收缩均 匀，弹性较热缩电缆附件好。但冷缩式电缆附件制作成本较高且收缩量较小。 预制冷缩式电缆附件通常由硅橡胶在工厂内根据要应用的电缆尺寸预制冷 缩成型。不同于冷缩式电缆附件，在安装到电缆上之前，预制冷缩式电缆附件的 部件是没有张力的，而冷收缩式电缆附件是处于高张力状态下。预制冷缩式电缆 毕业论文 附件与要应用的电缆配合尺寸小，对电缆的尺寸要求严格。 1 3 3 常用绝缘材料常温及低温性能 常温介质h t s 电缆挤包型绝缘通常采用聚乙烯( p e ) 塑料，交联聚乙烯( x l p e ) 塑料，乙丙( e p r ) 橡胶等绝缘材料。三种材料在常温下具有良好的电气及机 械性能。低温条件下其电气性能更加优异，介质损耗及局部放电量明显降低，但 机械性能明显下降，由于p e 和低温金属容器的收缩率不同，挤包在超导电缆上 的p e 绝缘在1 7 0 k 左右开始产生裂纹“。加压条件下，挤包的x l p e 绝缘在4 0 k 时开裂并伴有声音“。e p r 绝缘具有相对较好的机械性能。低温条件下，三种材 料的耐电树性能明显提高“”“”3 。e p r 橡胶在低温下显示出优于p e 和x l p e 绝缘 的机械性能，但在液氮温度下绝缘层中仍存在较大的热应力，脆性大。仍需对其 弯曲性，长期可靠性等性能进行深入的研究“”“”“”。 表卜2 三种挤包型绝缘材料的部分性能 交流电压下电 收缩抗拉强度 延伸 弹性模量 树起始电压 t a n5 材料率( ) ( k g m m 2 ) 率( ) ( k g r a m 2 ) ( k v ) 3 0 0 k7 7 k l d p e4 43 8 61 61 2 15 62 3 35 + 1 0 - s d q | x l p e1 23 51 61 4 27 12 2 77 1 0 5 1 ” e p r 82 9 1 11 4 0 6 72 4 3 4 1 0 4 “” 复合绝缘绕包材料有聚丙烯层压纸p p l p ( p o l y p r o p y l e n el a m i n a t e d p a p e r ) ，c e l l u l o s e 纤维纸，双取向聚丙烯层压纸o p p l ( b i a x i a l l y o r i e n t e d p o l y p r o p y l e n el a m i n a t e dp a p e r ) 。聚芳酰胺纤维纸( n o m e x ) ，聚丙烯薄膜p p ( p o l y p r o p y l e n e ) 等材料。复合绝缘绕包材料在低温下具有良好的机械性能， 总体来讲，纤维基绝缘材料的耐局部放电性能比薄膜材料如n o m e x 材料差。液氮 浸汲复合绝缘中液氮压力的提高可提高绝缘中局部放电的起始放电电压。绝缘厚 度加大后起始放电电压相应提高，但对起始放电时的场强的影响不明显。另外， 液氮和真空及高压气体也可用于超导电缆绝缘，其中s f 6 气体的电气强度是空气 的2 3 - 2 5 倍，c c l 。的电气强度是空气的2 4 2 6 倍，其缺点是液化温度较高， c c l 。在室温即液化瞄3 。真空的稳定性较低，保持容器的长时高真空非常困难，单 纯的真空绝缘很难保证长期可靠性。”。表卜3 为部分绝缘材料的主要电气性能 参数卜。 毕业论文 图卜3 为部分绝缘材料的主要电气性能参数 序 绝缘材料介电常数 耐电强度 号k v m m 介质损耗各注 1 l d p e 2 33 55 1 0 1 1 7 0 kp e 挤熙绝 缘产生裂纹” i i o k 、2 0 k v m m 2 x l p e 2 33 5 5 1 0 1 局部放电1 3 e p r 2 62 6 4 1 0 。 磊袅毒嘣细局 耐电晕性和抗电 4 硅橡胶 2 6 3 11 8 2 1 5 k a 电缆长度 7 5 m 电绝缘方式w d 容器外径( 绝缘前)9 2 r a m 容器外径( 绝缘后) 1 1 7 m m 中间连接体外径 9 6 m m 终端外径 1 3 3 r a m 2 1 27 5 m 超导电缆本体绝缘电场分析 7 5 m 高温超导电缆本体绝缘加工在超导电缆低温容器上，尽管其表面不光滑 且存在金属网丝，但由于设计有半导电塑料屏蔽层，其表面电场集中得到有效控 制，因而于其结构规则。同时，7 5 m 超导电缆本体设计有金属屏蔽层，此时，电 缆本体相当于同轴电容器，其电场可通过解析方法。”计算得到，由式 e 。= u ( r 4 i n ( r r ) ) ( 2 一1 ) e 。i _ 一超导电缆本体最大场强，k v m m ； u 一电缆的相电压，k v ； r 一超导电缆本体低温容器内半导电层外半径，m m ： r 一超导电缆主绝缘外半径，m m 。 7 5 m 、1 0 5 k v 1 5 k a 三相交流超导电缆电缆超导电缆本体低温容器设计外 径9 2 m m ，半导电屏蔽层后外径为9 5 m m ，绝缘厚度为4 5 m m ( 见下文：7 5 m 超 导电缆本体绝缘设计) ，由此计算可知7 5 m 、1 0 5 k v 1 5 k a 三相交流超导电缆 电缆超导电缆本体电场最大值为8 1 4 1 v r a m 。 1 4 毕业论文 2 27 5 m 超导电缆本体电气绝缘设计 同常规电缆比较，7 5 m 超导电缆绝缘加工在低温容器上，其结构尺寸较大 田c 一11 05 k v i5 k a 超导屯境绝缘结构 低温容器表面具有一层金属网套，其绝缘 设计方案同常规电缆绝缘结构类似。根据 7 5 米长1 0 5 k v 1 5 k a 三相交流超导电缆 总体设计要求，其设训方案为： 低温容器( 高电位) + 内半导电屏蔽层+ 主 绝缘层+ 外半导电屏蔽层+ 金属屏蔽层+ 聚 氯乙烯护套层。 图2 - 1 为其绝缘结构示意图。 2 2 17 5 m 超导电缆本体电气绝缘设计结构及各部分性畿 基于1 3 1 的分析讨论，7 5 米长1 0 5 k v 1 5 k a 三相交流超导电缆主绝缘结 构采用固体绝缘。采用挤包加工方式加工。由绝缘方案，其绝缘结构及各功能层 的作用及设计厚度设计原理同常规电缆结构一致，其中主绝缘厚度根据承受的最 大工频交流电压和低温容器表面最大场强及最大冲击电压和场强分别由式( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 确定，然后选择厚度较大者。”。x l p e 塑料的工频击穿场强e 。= 3 5k v m m ， 最小冲击击穿场强超过了7 0 k v m m ，本设计分别取e 。= 3 0k v m m 和6 0k v n m 。表 2 2 为7 5 m 超导电缆本体绝缘各功能层的设计尺寸。 f 。：生盎坠垒坐 ( 2 2 ) f 。：b i l k , 。k 2 * k 3 ( 2 3 ) m p 一_ 7 b i p 式中 u 。，一电缆承受的最大电压。取3 5 k v 。 t 。一绝缘计算厚度，i n t o ； e b _ 一绝缘材料击穿场强； b 。一1 0 k v 电缆承受的冲击电压，k v ； k 。一劣化系数。x l p e 塑料的介电强度超过了3 5 k v n 1 【n ，此值通常为片状样品 的耐电场值，随着体积的增大，绝缘的耐电强度相应的有所降低。同时， 由于绝缘加工过程中，塑料中容易混入杂质或自身产生的胶粒，也会造 成绝缘性能下降，因此本设计劣化系数取4 。 毕业论文 k r 温度系数，因超导电缆绝缘工作在室温，因介质损耗及涡流损耗造成的 绝缘温升可忽略不计，因此，k ：取1 0 。 k 。一安全系数，取1 1 。 本体绝缘设计同常规电缆绝缘设计类似，这里分析讨论电缆本体绝缘同常规 电缆绝缘设计及加工兼容性设计。为加强电缆低温容器轴向耐拉强度，容器表面 设计有金属丝编织网。容器表面编织网套自身的自由度及自身的不光滑造成的表 面电场的不连续和不均匀给电缆绝缘设计加工造成了一定的困难，同时，可能产 生的金属丝断头可能会穿透内半导电屏蔽层甚至刺入绝缘使内半导电屏蔽层失 去屏蔽效果并造成电场集中。为防止可能的金属丝断头产生电场集中，内半导电 层设计厚度较大，设计厚度为1 5 r a m ，同时，为减小超导电缆容器金属网套的自 由度，防止绝缘加工时内屏蔽料过度嵌入金属网套中，7 5 m 超导电缆内半导电屏 蔽层设计为双层屏蔽，采用绕包结构屏蔽层外加一层挤包内半导电屏蔽层结构， 在挤包内屏蔽层内设计有两层绕包半导电尼龙带，绕包内半导电层单层厚度为 o 1 5 m m 。外半导电层设计厚度较大，这是考虑到7 5 m 超导电缆结构尺寸较大， 单位长度重量较重，外半导电屏蔽层太薄则容易在金属屏蔽加工时造成外屏蔽层 的损伤。因此外屏蔽层设计厚度取值1 5 m m 。 表2 2电缆本体绝缘各部分的设计参数 l 项目 绝缘承受最内半导电主绝外半导电金属外保 大电场屏蔽层缘层屏蔽层屏蔽层护层 l 蓬荽 8 1 4 l v m m 1 5 m m 4 5 m m 1 5 r a m2 * 0 ，l f i l m5 ，o m m 2 37 5 m 超导电缆本体电气绝缘加工 7 5 米长1 0 5 k v 1 5 k a 三相交流超导电缆本体绝缘加工在河北宝丰线缆公 司的芬兰n e x t r o m 公司生产的全干式v c v 一7 5 0 k v 超高压交联电缆立塔生产线上进 行的。立塔高度9 0 m 。内半导电屏蔽层，主绝缘层和外半导电屏蔽层的加工是同 时进行、一次完成的。主绝缘厚度为4 5 m m 。 由于绝缘加工在超导电缆低温容器上，电缆低温容器直径超出了原生产线挤 出机头生产规范，特为5 米长1 0 5 k v 1 5 k a 三相交流超导电缆设计加工了专用 挤出机头用于超导电缆本体绝缘的加工。屏蔽层材料选用交联聚乙烯基半导电屏 蔽塑料。 v c v 一7 5 0 k v 超高压交联电缆生产线是垂直立塔式生产线，加工过程中电缆容 器要承受由容器自身及绝缘重量引起的拉力，轴向最大拉力接近玎。同时，履 带式牵引机也会对低温容器造成一定的径向压力。绝缘加工前特制作了一段样品 1 6 毕业论文 进行了耐拉及耐压预试验： 2 3 1 电缆容器样品尺寸检查 容器外径；9 3 0 m m ，9 3 6 m m ，9 6 5 m m ，9 6 0 r a m ； 容器长度：2 0 8 0 m m ； 容器重量：8 3 2 k g ； 2 - 3 2 容器轴向耐拉试验 2 3 2 1 拉力确定 电缆绝缘生产时需在立塔式生产线上进行，塔高1 0 0 m ； 绝缘加工时容器有两层，故其单位长度重量按8 3 2 k g m 计； 1 0 0 m 绝缘加工后绝缘塑料的重量： w = 1 0 0 + 3 1 4 + ( 9 2 + 6 5 ) + 6 5 + 14 1 e 3 1 e 6 = 2 0 1 k g ； 生产时牵引转盘施力引起的引力增加系数取1 5 。 总拉力：( 8 3 2 + 2 0 1 ) + 1 0 0 4 1 4 = 1 4 4 6 埏 实际拉力：1 5 0 0 k g 。 2 3 | 2 2 拉力情况下容器样品的变形情况 承重1 5 0 0 k g 后，载荷因容器缓慢伸长减至1 4 4 4 k g 承重后长度：2 1 0 0 m m ，5 分钟后：2 1 3 0 m m ； 承重后外径：9 2 8 m m ，9 3 0 m m ，9 2 6 m m ，9 3 r a m 米测量) ： 卸载至5 0 0 k g 后： 此时变形情况为 9 3 1 m m ( 沿轴向每隔半 承重后长度：2 0 9 9 m m ，5 分钟后：2 1 3 0 m m ； 承重后外径：9 3 1 m m ，9 3 0 m m ，9 2 5 m m ； 卸载后容器恢复情况： 卸载后长度：2 0 8 5 m m ； 卸载后外径：9 3 0 m m ，9 6 8 m m ，9 4 2 m m ，9 3 5 m m ； 2 3 3 容器径向耐压试验 2 t 3 3 1 压力确定 考虑到生产线在生产铜芯1 1 0 k v ，1 * 4 0 0 m m 2 电缆时其牵引履带的径向压力 为o 3 m p a ，故径向最大压力确定为0 3 2 m p a ； 2 3 3 2 径向压力情况下容器样品的变形情况 1 7 毕业论文 径向加压0 1 2 m p a 时，容器无明显变形，卸载后恢复情况良好；径向加压 0 3 2 m p a 时，容器无明显变形，卸载后恢复情况良好。 试验结果表明，7 5 米长1 0 5 k v l l 5 k a 三相交流超导电缆低温容器满足在全 干式v c v - 7 5 0 k v 超高压交联电缆立塔生产线上进行绝缘加工的基本条件。 低温容器外层的金属网套存在可能产生的金属丝断头，为防止这种金属丝穿 透内半导电屏蔽层甚至刺入绝缘造成电场集中。因此，绝缘加工前，对容器进行 了全面仔细的检查，排除了金属丝断头的存在。由于超导电缆低温容器较长，外 层金属网套有接头。低温容器加工时，金属网套的接头是压接型的，中间有凹槽。 凹槽的存在易导致电场集中，且给绝缘的加工带来了一定的难度，造成绝缘的不 同心。因此对金属网套接头进行均场处理。超导电缆内半导电屏蔽层，主绝缘层 及外半导电层是同时进行挤出加工的。这样，绝缘加工过程中在屏蔽层和绝缘层 之间不会混入杂质，绝缘层与屏蔽层间接触紧密，杜绝了导致局部放电产生的气 隙产生。为防止绝缘加工造成低温容器损坏，特备用一根7 5 米低温容器，并一 起进行了绝缘加工。图2 2 为低温容器金属网套接头均场处理后的情况。图2 3 为超导电缆绝缘加工的情况。 图2 - 2 金属网套接头均场处理 图2 - 3 半导电屏蔽及绝缘加工 完成4 x 7 5 米长1 0 5 k v 1 5 k a 三相交流超导电缆低温容器绝缘加工后，在 宝丰电气公司进行了金属屏蔽加工及外保护层加工。图2 4 和图2 5 分别为金属 屏蔽及外保护层加工情况。 毕业论文 图2 - 4 金属屏蔽加工 图2 - 5 外保护层加工 247 5 米超导电缆本体绝缘试验 2 4 1 型式试验 超导电缆本体绝缘加工完成后，进行了4 小时3 5 k v 工频耐压试验和局部放 电试验等型式试验。由于4 小时3 5 k v 工频耐压试验是破坏性试验，因此，试验 是在一根9 m 长的样品上进行的。样品顺利通过了4 小时3 5 k v 工频耐压试验， 15 k v 工频电压下电缆本体的局部放电量小于l p c 。图2 - 6 为电缆本体绝缘后在屏 蔽高压试验大厅进行3 5 k v 工频耐压及局部放电试验测试的情况。 表2 5 超导电缆本体绝缘型式试验情况 试验项目试验对象试验值 试验时间( 次数) 结果 工频交流高压试验9 m 样品 3 5 k vb m l n 无击穿 弯曲试验半径9 m 样品 0 9m 正反1 0 次无损伤 弯曲试验后工频 9 m 样品3 5k vb n l l n 无击穿 交流高压 局部放电9 m 样品 1 5k v f 1 p c 图2 - 6 局部放电3 5 k v 高压型式试验图2 - 7 电缆本体绝缘例行试验 2 4 2 例行试验 1 9 毕业论文 7 5 米长1 0 5 k v 1 5 k a 三相交流超导电缆本体完成绝缘加工后对全部电缆 进行了相关例行试验。电缆通过了3 0 5k v 工频交流5 m j n 高压耐压试验和1 5 k y 工频交流电压下局部放电测试。局部放电测试表明，7 5 米长1 0 5 k y 1 5 k h 三 相交流超导电缆本体绝缘局部放电量小于l p c 。试验表明电缆本体绝缘达到了设 计要求。图2 7 为7 5 米长1 0 5 k v 1 5 k a 三相交流超导电缆本体完成绝缘加工 后对全部样品进行例行试验情况。表2 - 6 为7 5 米长1 0 5 k v 1 5 k a 三相交流超 导电缆本体绝缘例行试验情况。 表2 67 5 米长1 0 5 k y 1 5 k a 三相交流超导电缆本体绝缘例行试验结果 试验项目试验对象 试验值 试验时间设计要求结果 工频交流 3 0 0 m 样品 3 0 5k v5 m i n 无击穿无击穿 高压试验 局部放电测量3 0 0 m 样品 1 5k v l o p c 5 3 0 0 a 超导电缆系统绝缘试验直流5 r a i n 3 7 k v 通过 超导电缆高压隔离器绝缘试验直流5 m i n 3 7 k v 通过 超导电缆容器及交流损耗( a c1 3 0 0 a ) 1 5 8 w 相 超导电缆终端损耗( a c1 3 0 0 a ) 8 4 w 爪 超导电缆总损耗( a c1 3 0 0 a ) i5 8 3 + 8 4 6 = 9 7 8 w 截止到2 0 0 5 年4 月1 0 日，7 5 m 三相交流高温超导电缆为甘肃长通电缆科技 股份有限公司生产供电时间累计超过9 0 0 小h q ，目前仍在进行继续供电。图5 - 6 及图5 7 为超导电缆交流运行时部分时段电流及电压运行曲线。 k i b k v i k v c 、_ _ _ _ 一 鸭u 。一 蛩 0 9 ：3 00 5 ；0 0 0 0 ：3 0 加：0 0 讹 歹 ， uk镰 1 l h l_ l 丫 i l i j i 柙l_ 图5 - 67 5 m 超导电缆运行电流电压曲线图5 7 超导电缆交流运行电流曲线 截止到2 0 0 5 0 4 1 0 日，7 5 m 超导电缆交流运行时间累计达9 0 0 小时。并网运 行期问情况表明，高温超导电缆系统工作正常，性能稳定，绝缘性能良好。 5 4 小结 本章介绍了7 5 m 长1 0 5 k 1 5 k a 三相交流超导电缆系统接地方式和系统集 成后总体绝缘性能及达到的标准，系统集成完成后，供电部门对电缆系统进行的 6 仁肿忡仃 昌 e s m 眸伸 皿4 协m呻” 加 m m m m m m 0 吼 叫 “ 钺 “ “ v】lu芒jno f一置一口) 僦 差| 哪 娜 。 毕业论文 绝缘测试表明7 5 m 长1 0 5 k v 1 5 k a 三相交流超导电缆系统满足并网试运行条 件。2 0 0 4 1 2 1 4 日起7 5 米长1 0 5 k v i 5 k a 三相交流超导电缆实现并网试运行， 并为甘肃长通电缆科技股份公司电磁线生产车间生产供电。并网试运行期间情况 表明，电缆系统绝缘工作正常，性能稳定。截止2 0 0 5 4 2 0 日7 5 m 长i 0 5 k v i 5 k a 三相交流超导电缆累计通电9 0 0 小时。 毕业论文 第六章结论 论文介绍了高温超导电缆研究现状和研究意义，分析了高温超导电缆结构及 7 5 米