一种具有限流和储能功能的高温超导直流电缆制造技术

本发明专利技术公开了属于超导电工领域的一种具有限流和储能功能的高温超导直流电缆，中心骨架为扭绞不锈钢丝，外侧绕制超导带材，在电缆端部或者接头处，电缆绕制在闭合实心铁芯上，形成储能线圈结构。本发明专利技术充分利用超导体的本征性能，在超导态和正常态下均发挥作用，同时具备大容量输电、故障限流和储能三种功能于一体，可替代常规高温超导电缆、电流故障限制器和超导储能系统，降低建造、维护成本。维护成本。维护成本。

【技术实现步骤摘要】
一种具有限流和储能功能的高温超导直流电缆


[0001]本专利技术属于超导电工领域，具体为一种具有限流和储能功能的高温超导直流电缆。

技术介绍

[0002]随着我国电力需求量的日益增大和电力工业的发展，人们对电力系统的安全可靠性和电能质量提出越来越高的要求，同时，环保、节能和电力设备的小型化、轻量化也成为了共同的追求目标。超导电力技术的应用能够克服常规电力技术的固有缺陷，实现电力工业的重大革新，对于满足我国电力工业发展需要具有重大的意义。
[0003]与常规的电力电缆相比，超导电缆具有传输损耗低、传输容量大、占地面积小等优势，采用超导电缆可以有效的提升电网输电能力；超导限流器具有限流效果明显、反应速度快、能自动触发和自动复位，同时集检测、触发和限流功能于一体等优势；超导储能系统由于存储的是电磁能，应用时无须能量形式的转换，因此响应速度极快，并且功率密度极高，在当前可再生能源发电大规模接入电网的背景下，通过超导储能可大大改善可再生能源的电能质量，并使其与大电网有效地联结。
[0004]然而，常规超导设备往往只利用超导体的一种状态，即仅在超导态下起作用(超导电缆、超导储能系统)或仅在正常态下起作用(电流故障限制器)，超导体的本征性能并没有得到充分利用，若想利用常规超导装置同时实现大容量输电、故障限流及储能的功能，至少需要超导电缆、电流故障限制器和超导储能系统三种装置，施工复杂且建造、维护成本较高。

技术实现思路

[0005]针对
技术介绍
中存在的问题，考虑常规超导设备通常没有充分利用超导体的两种状态，本专利技术提出一种具有限流和储能功能的高温超导直流电缆，其目的是综合利用超导体的超导态和正常态，同时具备大容量输电、故障限流和储能三种功能。具体特征如下：
[0006]所述一种具有限流和储能功能的高温超导直流电缆，包括：限流电缆以及若干段串联在其中的电缆接头。
[0007]所述限流电缆包括：由内而外依次设置的电缆骨架、超导层和绝缘层；
[0008]所述超导层采用第二代高温超导带材，螺旋绕制在电缆骨架上。
[0009]所述电缆骨架采用细不锈钢丝绞制。其有益效果是：
[0010]1.当发生短路故障时，超导层在故障电流冲击下失超，由于电缆骨架与超导层并联，短路故障时电缆骨架分流，由于电缆骨架采用不锈钢材料，其电阻率较高，使电缆短路电阻大大提高，在发生短路故障时，可降低短路电流稳定值，具备较强的故障限流能力。
[0011]2.细不锈钢丝的弯曲性较好，作为电缆骨架可以大大减小限流电缆的弯曲半径，进而可以减小其在电缆接头处的绕制半径，方便电缆接头的运输并降低电缆接头的铺设要求。
[0012]所述超导层使用的超导带材的加强层采用与电缆骨架相同的不锈钢。其有益效果是：
[0013]发生短路故障时，超导电缆失超，短路电流主要流经电缆骨架及超导带材的加强层，由于超导带材的加强层材料与电缆骨架相同，电缆整体电阻较均匀，短路电流产生的焦耳热分布均匀，不会出现局部过热现象，因此电缆具备较强的失超恢复能力。
[0014]所述电缆接头由所述限流电缆螺旋绕制在中心骨架上，形成储能线圈。其有益效果是：
[0015]1.通过限流电缆的螺旋绕制，形成储能线圈的结构，从而具备储能功能，有望应用于直流电网特别是可再生能源电力系统的随机功率波动补偿。
[0016]2.由于线圈电感具有限制电流变化的特点，在正常运行时，可削弱线路中的电流波动，起滤波作用，提高直流系统的电能质量。
[0017]3.由于线圈电感具有限制电流变化的特性，在发生短路故障时，可降低短路电流上升率，进一步增强电缆的故障限流能力。
[0018]4.由于将限流电缆进行螺旋绕制，相当于增大了限流电缆的实际长度，也相当于增大了短路故障时电缆整体的短路电阻，进一步增强电缆的故障限流能力。
[0019]所述具有限流和储能功能的高温超导电缆并非设置一整段储能线圈进行储能，而是设置分布式的若干段储能线圈式的电缆接头。其有益效果是：
[0020]1.由于液氮温度下高温超导体的临界电流和不可逆场比较低，常规超导储能系统因为需要较高能量密度，运行磁场较大，只能工作在20K以下，本专利技术通过设置多段电缆接头进行分布式储能，运行磁场较小，可以工作于液氮温区，实现液氮温度储能。
[0021]2.超导储能系统实际运行时会补偿电网功率波动，实际上是准交流运行，常规超导储能系统能量很大，其失超检测和失超保护工作非常复杂，通过设置若干段电缆接头进行储能可以保证每段的储能都不大，功率波动时的失超概率低，可自动恢复超导态，从而减少在失超检测和保护方面的投资。
[0022]所述电缆接头的中心骨架采用闭合式实心铁芯。其有益效果是：
[0023]1.铁芯材料磁导率极高，线圈电感大，储能密度增大，可减小电缆接头长度与体积。
[0024]2.铁芯闭合实现了磁通自屏蔽，漏磁极小，进而具备更佳的储能性能。
[0025]本专利技术的限流原理如下：
[0026]当线路发生短路故障时，超导层失超，电流通过电缆骨架分流，细不锈钢丝绞制的电缆骨架相比常规电缆的短路电阻更大，可以有效降低短路电流稳定值。总短路电阻R
f
为：
[0027][0028]式中，ρ
SS
为不锈钢在液氮温度下的电阻率，S
SS
为电缆骨架的截面积，l
总
为限流电缆的等效总长度。
[0029]同时，电缆接头所具有的线圈电感，可以降低短路电流上升率，配合继电保护装置，可有效降低线路上出现的最大短路电流，实现故障限流的功能。总电感L为：
[0030][0031]式中，μ为闭合式实心铁芯的磁导率，N为全部电缆接头上绕制限流电缆的总匝数，S为电缆接头的截面积，l为各段电缆接头长度之和，即电缆接头总长度。
[0032]本专利技术的储能原理为：在正常运行状态下，利用电缆接头处的线圈结构进行储能，总储能W为：
[0033][0034]式中，L为总电感，I为额定电流。
[0035]综上，本专利技术的有益效果在于：
[0036]1.短路故障时短路阻抗大，可有效降低短路电流上升率和短路电流稳定值，且故障切除后失超恢复能力较强。
[0037]2.每段电缆接头采用电感线圈的形式进行分布式储能，可工作于液氮温区，实现液氮温度储能，有望应用于可再生能源电力系统的随机功率波动补偿，不需要额外的失超检测和保护系统，且电缆接头直径较小，使铺设与运输工作更加便利。
[0038]3.采用高磁导率的实铁芯作为电缆接头的中心骨架，具有高储能密度，同时闭合式的实铁芯实现了磁通自屏蔽，漏磁极小，储能性能较佳。
[0039]4.电感线圈式的电缆接头同时起到滤波的作用，改善直流配电网的电能质量。
[0040]5.同时具备大容量输电、故障限流和储能三种功能，可以替代常规高温超导电缆、电流故障限制器和超导储能系统，降低建造、维护成本。
附图说明本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有限流和储能功能的高温超导直流电缆，其特征在于，包括：限流电缆(1)以及若干段串联在其中的电缆接头(2)。2.根据权利要求1所述的一种具有限流和储能功能的高温超导直流电缆，其特征在于，所述限流电缆(1)包括：由内而外依次设置的电缆骨架(3)、超导层(4)和绝缘层(5)；所述超导层(4)采用若干根第二代高温超导带材，螺旋绕制在电缆骨架(3)上。3.根据权利要求2所述的一种具有限流和储能功能的高温超导直流电缆，其特征在于，所述电缆骨架(3)采用细不锈钢丝绞制。4.根据权利要求2所述的一种具有限流和储...

【专利技术属性】
技术研发人员：程俊华，王银顺，孟紫晴，胡成洋，王起悦，皮伟，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：