高溫超導電纜交直流伏安特性測試與分析

諸嘉慧栗會峰,陳曉宇,丘 明方 進

（1. 中國電力科學研究院 北京 100192 2. 北京交通大學電氣工程學院 北京 100044）

高溫超導電纜交直流伏安特性測試與分析

諸嘉慧1栗會峰1,2陳曉宇1,2丘 明1方 進2

（1. 中國電力科學研究院 北京 100192 2. 北京交通大學電氣工程學院 北京 100044）

為了研究高溫超導電纜在直流和交流載流情況下伏安特性的變化規律，提出基于第二代YBCO高溫超導體的冷絕緣超導電纜交直流伏安特性測試方法，搭建了伏安特性測試實驗系統，通過對一根0.2m長，110kV/1.5kA高溫超導電纜樣纜的交直流伏安特性進行測試，獲得了超導電纜在直流、30Hz、100Hz和工頻載流下伏安特性變化規律。結果表明，超導電纜的直流伏安特性曲線呈現E-J指數關系，且失超變化清楚，而交流下當超導電纜通流值低于直流臨界值時，交流伏安特性曲線變化平緩，之后隨通流能力增加后該曲線呈逐漸上升趨勢，超導電纜沒有出現明確的失超變化點。研究結果對于開展超導電纜運行穩定性研究提供了較大的參考價值。

高溫超導電纜 伏安特性 交直流 失超 測試方法 YBCO

0 引言

高溫超導電纜可以實現低損耗、低電壓下大容量輸電，被譽為21世紀革命性的電力技術，是美、日等發達國家投入巨資爭先研究的領域，目前在美國和歐洲等國家已實現了商業試驗示范運行[1]。例如，美國長島電力局的Holbrook變電站已示范應用了660m（138kV/2.4kA）高溫超導交流電纜；日本Asahi變電站已試驗運行一條30m長、66kV/200MV·A高溫超導電纜[2]；韓國研制的500m、22.9kV/50MV·A超導電纜，已于2011年安裝在韓國電力公司梨川變電站通電使用，2016年3月，韓國濟州島的1km、154kV/600MV·A超導交流電纜正式并網運行[3]。國家電網公司在2015年，研制出10m、3kA/110kV冷絕緣超導電纜系統，并完成部件型式試驗，為將來110kV超導電纜輸電試驗示范應用提供技術參考[4]。

高溫超導電纜通過直流電流時無損耗，但通過交流電流時，將產生交流損耗，由交流損耗產生的熱量一般全部由制冷機帶走，如果熱量不能及時帶走，將導致超導電纜溫度升高而引起臨界電流退化，甚至引起超導電纜失超。因此，高溫超導電纜的交流損耗直接關系到超導電纜的運行成本及穩定性，其中，高溫超導電纜的交直伏安特性是影響超導電纜能耗特征及穩定性的關鍵基礎內容之一，需要基于實驗研究為超導電纜運行分析提供參考依據。

國內外在超導電纜載流特性方面進行了大量研究。張國民[5]測量了超導帶材在工頻下的E-I特性曲線，將線性坐標曲線轉換為雙對數坐標曲線后，得到在工頻交流電流下超導帶材的臨界電流值為直流臨界電流值的0.72倍。Seokho Kim等[6]通過給超導電纜施加峰值為300～2 000A，持續時間為10～15個周波的交流電流來驗證模型樣纜能承受額定電流的能力。Joon-Han Bae等[7]從交流損耗的角度出發來評估超導電纜的穩定性。通過測量單位長度超導帶材在不同外界磁場角度下的通流和電壓值，計算整個電纜的交流損耗。

本文首次開展基于YBCO超導體的高溫超導電纜交直流伏安特性測試與分析研究。提出了一種新型的高溫超導電纜交直流伏安特性測試方法，對導體層和屏蔽層分別采用“8”字纏繞信號線引出工藝實現電壓量的實驗測試。搭建了基于Labview NI測試系統的超導電纜交直流伏安特性測試實驗系統，該平臺直流通流能力0～3kA，交流通流能力0～3kA@30～200Hz，在測試交直流伏安特性的同時還可監測電纜內部溫度變化。通過對一根0.2m長、110kV/1.5kA高溫超導電纜短樣的交直流伏安特性進行測試，獲得了超導電纜在直流和交流載流下伏安特性變化規律。研究結果對超導電纜運行穩定性研究具有較好的參考價值。

1 超導電纜交直流伏安特性測試

1.1 測試方法

超導電纜伏安特性的測量原理如圖1所示。超導電纜的導體層和屏蔽層分別通過電流連接塊與電流引線相連，經電源線與外部電流源構成通流回路。超導電纜導體層和屏蔽層兩端的電壓信號Vc和Vs通過電壓信號線引出，外接測量裝置。

圖1 高溫超導電纜伏安特性測量原理Fig.1 Testing schematic ofI-Vcurve for HTS cable

超導電纜的電壓信號線既可以焊接在電流引線上，也可以焊接在超導電纜上。如果焊接在電流引線上，可以將電壓信號線纏繞在引線上，沿圓周焊一圈，也可以將電壓線的端頭焊在引線的某一點上。如果焊接在超導電纜上，電壓信號線應在電纜上纏繞一圈，將電壓信號線與每根超導帶材焊接上。電壓信號線連接示意如圖2所示。圖2中導體層兩端的電壓信號線互相纏繞后引出，屏蔽層兩端的電壓引線采用同樣的8字纏繞法[8]。

圖2 電壓信號線連接示意圖Fig.2 Connection of voltage signal lines for HTS cable

為了提高臨界電流Ic測量準確度，降低升流過程產生的感應電壓影響，提出了兩種超導電纜伏安特性測量方法：Speed sweep法和Step-hold法。

1）Speed sweep法。在電流從0升到臨界電流值的過程中，測量電纜的電流和電壓，超導電纜的電流增長率和電壓測量周期應滿足

如果電壓測量裝置的最小測量周期不能滿足上述條件，可以通過適當降低電流增長率來達到測量周期的要求。

2）Step-hold法。電流從0到預估的臨界電流值Ic之間以一定的間隔階躍上升，每一步電流都保持一段時間，當電流穩定時測量此時的電流和電壓，要求誤差不應超過±0.5%。在Ic附近的電流間隔可分得細一些，當電流大于0.9Ic時，每一步電流增加值應小于Ic/100。

測量的超導電纜電壓中包括了電流引線電阻和電纜的電感分量產生的電壓，表達式為

式中，V是超導電纜的電壓；VSC是測量的電壓；Rcl是電流引線的電阻；LSC是超導電纜的電感；I是超導電纜所通電流。則超導電纜的伏安特性曲線如圖3a所示。因此當以Ec= 1μV/cm為失超判據來確定超導電纜的臨界電流時，需要在超導電纜總電壓測量值中減去這些電壓分量。對電流引線等外界引入電阻分量Rcl可以通過圖3a中點線斜率計算獲得；電纜的電感電壓分量根據電流在0.1Ic和0.2Ic之間時測量電壓的平均值而定。當測得超導電纜的電壓V=DEc時，在圖3b的I-V特性曲線中對應的電流即為Ic。其中，D為兩個電壓測試點的距離（cm）。

圖3 高溫超導電纜伏安曲線計算Fig.3 Calculation ofI-Vcurve for HTS cable

超導電纜在交流下的伏安特性測試中，電纜在交流通流下的各個電壓分量表達式仍是式（3）。但是，式（3）中電纜電感分量產生的電壓主要是由交變電流產生的，這與直流伏安特性測試中，直流電流升流變化率引起電纜的電感分量電壓是不同的。在測量交流通流能力時，需要將測量的超導電纜電壓減去電流引線電阻和電纜的電感分量產生的電壓，然后確定超導電纜的最大通流能力[5,9]。測試中，超導電纜的通流幅值一般需要低于其直流臨界電流值。

1.2 高溫超導電纜伏安特性測量系統

1.2.1 臨界電流特性測量系統設計

超導電纜直流臨界電流測試實驗原理如圖4所示。超導電纜實驗樣纜固定在液氮槽內，液氮槽的高度大于樣纜直徑的3倍，且樣纜完全浸入液氮中，為保證樣纜冷卻環境的穩定性，樣纜最高處應距離液氮槽頂部至少200mm，樣纜兩端應距離液氮槽邊緣至少200mm。液氮槽必須保持低溫以防止液氮汽化。如果液氮槽采用金屬材料，必須在槽內鋪絕緣材料。測試中，直流電流源（0～3kA）的輸出端通過電流引線與超導電纜的導體層相連，為超導電纜導體層提供穩定的直流電流，超導電纜屏蔽層兩端短接，羅氏線圈測量電纜的總電流。將電壓測量信號輸入高精度納伏表，從而獲得超導電纜各層的電流與超導電纜兩端的電壓。

圖4 超導電纜直流伏安特性實驗原理Fig.4 Experimantal method for DCI-Vcharacteristic of HTS cable

1.2.2 交流通流下的伏安特性測試系統設計

圖5 超導電纜交流伏安性能測試實驗原理Fig.5 Experimantal method for ACI-Vcharacteristic of HTS cable

超導電纜交流伏安性能測試實驗原理如圖5所示，變頻電源可以輸出幅值（0～3kA）和頻率（30～200Hz）可調的交流電流，通過電容補償柜的功率因數補償，使得電流的功率因數近似為1，輸出的電流經過升流器增大電流，然后作為超導電纜的電流源。在每層導體層和屏蔽層的電流引線上分別安裝一個Fluke電流探頭測量各層電流，并將信號輸入示波器DL750，在示波器上可以觀察各層電流的幅值和相位，并將信號輸入計算機進行數據采集處理。同時，溫度傳感器T1～T4（4個溫度傳感器PT100）測量超導電纜內部不同位置的溫度，通過溫度信號采集裝置轉換為電信號傳給Labview NI測試系統，從而實時處理接收到的各種信號，監測超導電纜因交流電流而產生的損耗導致的溫度升高情況。

2 實驗與結果分析

2.1 超導電纜模型樣纜

為了研究冷絕緣高溫超導電纜交直通流下的伏安特性，設計了具有2層導體層和1層屏蔽層結構的110kV/1.5kA冷絕緣高溫超導電纜，具體結構參數見表1。根據表中電纜設計參數，應用美國AMSC公司的344B型YBCO高溫超導帶材，構造了一根0.2m長、110kV/1.5kA的冷絕緣高溫超導電纜，繞制方法及過程見文獻[10]，這里不作贅述，繞制好的超導電纜如圖6所示，各層已經焊接電流引線和電壓引線。

表1 20cm冷絕緣高溫超導電纜設計參數Tab.1 Specifications of a CD HTS cable with 20cm length

圖6 0.2m長、110kV/1.5kA HTS樣纜Fig.6 A 0.2m、110kV/1.5kA demo HTS cable

2.2 高溫超導電纜臨界電流特性

高溫超導電纜直流伏安特性測試實驗系統如圖7所示。超導樣纜放置在低溫容器內，并浸泡在LN2里，應用直流電流源給電纜通流，通過測量儀表（納伏表）測量電纜端電壓值，用霍爾傳感器測量電纜電流，然后將結果輸出到示波器和基于Labview軟件的測試系統中，進行超導電纜臨界電流特性數據的收集和處理。

圖7 超導電纜直流伏安特性測試實驗系統Fig.7 Testing system for DCI-Vcharacteristic of HTS cable

應用0～3 000A直流電流源，采用階梯型升流方式給0.2m長超導電纜樣纜通流，在電流保持區測量超導電纜各導體層電流分布和電纜兩端的電壓值如圖8所示。由圖8可知，超導電纜兩個導體層電壓在電纜電流小于額定值時，波形基本重合，當超導電纜直流通流達到額定電流1 500A時，其電壓值Vc1、Vc2基本保持不變；但當電流達到1 600A時，超導電纜的兩層電壓Vc1和Vc2才出現明顯變化。當移除超導電纜電流引線接頭的電阻電壓和因升流速率變化導致的感應電壓后，超導樣纜的臨界電流特性曲線如圖9所示。由圖可知其直流臨界電流達到1 722A。

圖8 超導電纜各層直流伏安特性曲線實驗值Fig.8 Experimental curves of DCI-Vcharacteristic for HTS cable

2.3 高溫超導電纜各層通流特性

超導電纜交流伏安特性實驗測試系統構成與直流伏安特性實驗系統類似，但電源采用了0～3 000A的變頻電流源給超導電纜通流，采用鎖相放大器測試超導電纜兩端電壓中與電流同方向的分量。電壓和電流測量值輸出到基于Labview的測試系統中，進行超導電纜交流伏安特性數據處理。

圖9 超導電纜臨界電流特性實驗曲線Fig.9 Experimental curves of critical current for HTS cable

圖10 超導電纜交流伏安性能測試實驗系統Fig.10 Testing system for ACI-Vcharacteristic of HTS cable

應用上述實驗系統中的變頻電流源給超導電纜通以380A、100Hz交流電流時，測得的超導電纜導體層和屏蔽層的電流分布情況如圖11所示。從圖中可見，由于超導電纜的線路中存在一定的接頭電阻，并且超導電纜各層的電感值不同，兩層導體層電流Ic1、Ic2存在一定的相位差，屏蔽層電流Is和導體層電流相位差接近180°。將超導電纜實驗測量的各層電流有效值與理論計算比較，見表2。從表中可知，各層電流的實驗值和理論計算值基本相等，導體層電流均流效果良好，導體層電流理論值與實驗值的最大誤差為5.4%。由于超導電纜兩端漏磁通的影響，屏蔽層的感應電流Is較小。

圖11 380A、100Hz載流下超導電纜各層電流實驗波形Fig.11 Experimental current waveforms of each layer in HTS cable with a current carrying capacity of 380A, 100Hz

表2 380A、100Hz通流下超導電纜各層電流有效值比較Tab.2 RMS current comparison of each layer in HTS cable with a current carrying capacity of 380A, 100Hz

對超導電纜通入0～600A、30Hz的交流電流，應用鎖相放大器測量與電流同方向的超導電纜電壓分量，然后移除電纜接頭電阻壓降后得到超導電纜交流伏安特性曲線如圖12所示。從圖12中可見，在超導電纜逐漸增加電流到600A@30Hz期間，超導電纜兩層導體層的電壓Vc1、Vc2均小于20μV/cm，電壓波形平滑，未出現明顯的失超變化點。但是也看到由于測試過程中，電纜電壓的諧波導致其值變化幅度很大，造成鎖相放大器測量能力受到影響，而且伴隨電纜電流增大，電壓測量難度也越大，將無法直接通過鎖相放大器準確實現電纜電壓值的測量，需要對測量值進行濾波處理。

圖12 超導電纜各層伏安特性有效值實驗值Fig.12 RMS of the experimental ACI-Vcurves of HTS cable

圖13是超導電纜樣纜在1 500A@50Hz通流下的總電流Itotal，導體層電流Ic1、Ic2和骨架電流Iformer的瞬時電流實驗波形。由圖可見，兩層導體層電流分布平均，由于導體層與電纜間電流引線存在接觸電阻，使得骨架層有很小電流流過，但對超導電纜性能影響可以忽略不計。可知，該模型電纜額定載流性能穩定，且具有均流特性。

圖13 超導電纜各層電流瞬時波形分布實驗值Fig.13 Experimental current waveforms of HTS cable

3 結論

本文開展了高溫超導電纜交直流伏安特性測試技術研究。

1）考慮了電流引線等接頭電阻影響，電流升流速率變化和電纜電感分量影響等因素，提出了直流和交流載流下的超導電纜伏安特性測試方法和測試原理，并搭建了伏安特性測試實驗系統。

2）設計并構造了一根0.2m長、110kV/1.5kA高溫超導電纜短樣，對其交、直流伏安特性分別進行測試，獲得了超導電纜在直流、30Hz、100Hz和工頻載流下伏安特性變化規律。

3）超導電纜的直流伏安特性曲線呈現E-J指數關系，而交流下當超導電纜通流值低于直流臨界值時，交流伏安特性曲線變化平緩，隨通流能力增加后該曲線呈逐漸上升趨勢，超導電纜沒有出現明確的失超變化點。

[1] Maguire J F, Yuan J, Romanosky W, et al. Progress and status of a 2G HTS power cable to Be installed in the long island power authority (LIPA) grid[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, 21(3): 961-966.

[2] Yumura H, Ashibe Y, Ohya M, et al. Update of YOKOHAMA HTS cable project[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2013, 23(3): 5402306.

[3] Seung Ryul Lee, Jong-Joo Lee, Jaeyoung Yoon, et al. Impact of 154kV HTS cable to protection systemsof the power grid in south Korea[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(4): 5402404.

[4] Zhu Jiahui, Zheng Xiaodong, Liu Wei, et al. Dynamic experiment for the magneto thermal stability of a 110kV/3kA cold dielectric high-temperature superconducting cable with an impact of fault current in power system[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(4): 5400904.

[5] 張國民. 高溫超導帶材及線圈的交流損耗[D]. 北京: 中國科學院電工研究所, 2003.

[6] Seokho Kim, Jae-Ho Kim, Jeonwook Cho, et al. Investigation on the stability of HTS power cable under fault current considering stabilizer[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2007, 17(2): 1676-1679.

[7] Joon-Han Bae, Suk-Jin Choi, Sang-Jin Lee, et al. The stability evaluation on HTS power cable[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2008, 18(2): 1289-1292.

[8] 陳鑫, 諸嘉慧, 周卓楠, 等. 外界磁場對兩種YBCO超導帶材臨界電流及n值影響分析[J]. 電工技術學報, 2012, 27(10): 1-5. Chen Xin, Zhu Jiahui, Zhou Zhuonan, et al. Analysis for influence of background magnetic field against critical current (Ic) andnvalue of two kinds of YBCO tapes[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(10): 1-5.

[9] 方進, 丘明, 范瑜, 等. 超導磁體失超檢測電路的設計[J]. 電工技術學報, 2012, 27(8): 239-247. Fang Jin, Qiu Ming, Fan Yu, et al. Design of the circuit in superconducting magnet quench detection[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(8): 239-247.

[10] Zhu Jiahui, Bao Xuzheng, Guo Lijie, et al. Optimal design of current sharing in transmission conductors of a 110kV/3kA cold dielectric superconducting cable consisted of YBCO tapes[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2013, 23(3): 5402505.

Test and Analysis on the DC and ACI-VCharacteristics of High Temperature Superconducting Cable

Zhu Jiahui1Li Huifeng1,2Chen Xiaoyu1,2Qiu Ming1Fang Jin2
（1. China Electric Power Research Institute Beijing 100192 China 2. School of Electric Engineering Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China）

The test methods for the DC and ACI-Vcharacteristics are proposed respectively for a cold dielectric high temperature superconducting (HTS) cable that consists of YBCO coated conductor. A 0.2m, 110kV/1.5kA demo HTS cable is constructed using YBCO coated conductor, and anI-Vcharacteristics test system is set up as well to obtain the DC, 30Hz, 50Hz and 100Hz ACI-Vcurves for the HTS cable. The experimental results show that the currents and voltages in the DC critical current characteristic curve behaveE-Jpower exponential relationship, and the quench point of the HTS cable can be found clearly in this curve. But for the ACI-Vcharacteristics curve, the voltages of the HTS cable is smooth when the current amplitude is less than the critical current of HTS cable. The voltage increases with the increase of the AC current in the HTS cable, and there is no inflection point in ACI-Vcharacteristics curve of HTS cable. Those test results provide a reference for the operational stability of superconducting cable.

High temperature superconducting cable, current-voltage characteristics, AC-DC, quench, test method, YBCO

TM249.7

諸嘉慧 女，1977年生，博士，教授級高工，研究方向為超導電力技術、電力電子技術、電磁場的數值計算和大型發電機的故障分析與保護。

E-mail: zhujiahui@epri.sgcc.com.cn（通信作者）

栗會峰 男，1987年生，碩士研究生，研究方向為超導電力技術。

E-mail: 11121618@bjtu.edu.cn

國家自然科學青年基金（51207146），國家電網公司科技項目（DG71-14-004、DG71-14-034、DG71-16-002）和The Royal Academy of Engineering International exchange Scheme, UK（EE1053）資助。

2014-09-10 改稿日期 2015-07-08