高溫超導(dǎo)電纜敷設(shè)技術(shù)研究

曹雨軍，夏芳敏，葉新羽，門建民，姚震，朱紅亮

（富通集團(tuán)（天津）超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用有限公司，天津300384)

新材料

高溫超導(dǎo)電纜敷設(shè)技術(shù)研究

曹雨軍，夏芳敏，葉新羽，門建民，姚震，朱紅亮

（富通集團(tuán)（天津）超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用有限公司，天津300384)

目前，高溫超導(dǎo)電纜在系統(tǒng)敷設(shè)方面無過多的借鑒經(jīng)驗(yàn)，基本參照高電壓交聯(lián)電纜的敷設(shè)方式，但實(shí)際超導(dǎo)電纜在施工敷設(shè)方面又和常規(guī)電纜敷設(shè)有許多不同。主要以百米級(jí)二代釔系、冷絕緣結(jié)構(gòu)、單相高溫超導(dǎo)電纜成功敷設(shè)為例，研究總結(jié)了特殊運(yùn)行環(huán)境下冷絕緣超導(dǎo)電纜的敷設(shè)防護(hù)以及取S形。

超導(dǎo)電纜；延放防護(hù)；蛇形敷設(shè)

0 引言

超導(dǎo)技術(shù)是21世紀(jì)具有戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)，其具有功率輸送密度高、損耗小、體積小、重量輕、單位長(zhǎng)度電抗值小的特點(diǎn)，在電力工業(yè)可以實(shí)現(xiàn)低壓大電流高密度輸電，減少城市用地，符合環(huán)保和節(jié)能的發(fā)展要求。因此，高溫超導(dǎo)電纜[1]輸電被認(rèn)為是高溫超導(dǎo)強(qiáng)電應(yīng)用最有希望的領(lǐng)域，其市場(chǎng)前景也非常廣闊。

圖1 超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)示意圖

雖然，現(xiàn)在國內(nèi)國際上已有多條超導(dǎo)電纜掛網(wǎng)運(yùn)行，但基本以鉍系材料、熱絕緣結(jié)構(gòu)為主，同時(shí)三相是否同軸的不同在敷設(shè)方面也有較大差別。如圖2為中國及世界各國關(guān)于超導(dǎo)電纜敷設(shè)照片[2-4]。

目前，高溫超導(dǎo)電纜在系統(tǒng)敷設(shè)方面無過多的借鑒經(jīng)驗(yàn)，基本以高電壓交聯(lián)電纜[5]的敷設(shè)方式為參考。但實(shí)際超導(dǎo)電纜在施工敷設(shè)方面又和常規(guī)的電纜敷設(shè)[6]有許多的不同，不可完全照搬套用。

1 研究?jī)?nèi)容

本文研究的超導(dǎo)電纜為百米級(jí)二代釔系、冷絕緣結(jié)構(gòu)、單相高溫超導(dǎo)電纜，因此在敷設(shè)方式上無法借鑒更多的經(jīng)驗(yàn)。考慮其本身雙層波紋管的結(jié)構(gòu)及內(nèi)外較大的溫差，必然導(dǎo)致超導(dǎo)電纜預(yù)冷階段自身將出現(xiàn)較大形變，相應(yīng)產(chǎn)生更大的內(nèi)部應(yīng)力，如果此應(yīng)力作用于超導(dǎo)帶材上面，必將導(dǎo)致?lián)p耗的增加，嚴(yán)重時(shí)將燒毀電纜。

通過結(jié)合超導(dǎo)電纜自身參數(shù)以及敷設(shè)環(huán)境，再通過仿真建模，模擬超導(dǎo)電纜實(shí)際的蛇形狀態(tài)，觀察超導(dǎo)電纜蛇形結(jié)構(gòu)電纜內(nèi)部應(yīng)力與溫度的關(guān)系變化，以確定最佳的敷設(shè)方式，并實(shí)現(xiàn)三條百米級(jí)二代釔系、冷絕緣結(jié)構(gòu)、單相高溫超導(dǎo)電纜敷設(shè)。

圖2 中國及世界各國關(guān)于超導(dǎo)電纜敷設(shè)照片

圖3 水平蛇形敷設(shè)示意圖

1.1 延放防護(hù)

由于超導(dǎo)電纜相對(duì)普通電纜外徑較大，且受自身結(jié)構(gòu)的限制，因此纜盤盤徑基本都在3 m以上，這就需充分考慮盤具放線裝置、牽引裝置、形變校正以及過程防護(hù)。

1.1.1 盤具放線裝置

現(xiàn)在市場(chǎng)暫無針對(duì)超導(dǎo)電纜放纜的裝置，一般敷設(shè)時(shí)仍采用大盤徑普通電纜放線裝置（最大盤徑2 m），這樣在承重、平穩(wěn)、平移、旋轉(zhuǎn)及防護(hù)方面都受到較大局限影響，因此我們針對(duì)超導(dǎo)電纜專門制作了放纜裝置，從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了完善并增加了鎖緊、剎車及六向平移調(diào)節(jié)功能，完全解決了上述問題。

1.1.2 牽引裝置

由于冷絕緣超導(dǎo)電纜其特殊的雙層波紋管結(jié)構(gòu)，無法做到像普通電纜一樣柔軟恢復(fù)纏繞發(fā)生的形變，因此牽引裝置需做到變頻可控，同時(shí)百米以外操控不便，需配以專人協(xié)調(diào)指揮，要求做到即起即停。

1.1.3 形變校正

超導(dǎo)電纜從盤具放出瞬間，其向斜上方或斜下方有個(gè)較大角度，且短距離不能自行恢復(fù)，但任其自由狀態(tài)放出也不可行，因此在延放及行進(jìn)中需進(jìn)行校正，增加必要的校正輪是需要優(yōu)先考慮的，在材質(zhì)及圓弧配合的細(xì)節(jié)上，要充分考慮，防止劃傷表面。

1.1.4 過程防護(hù)

超導(dǎo)電纜在延放行進(jìn)中，要密切觀察保護(hù)，如上坡、下坡、轉(zhuǎn)彎、跨越障礙及穿過低矮物體等要充分準(zhǔn)備好輔助及防護(hù)。

模擬超導(dǎo)電纜延放路線，對(duì)于不同區(qū)域規(guī)定了控制方式，數(shù)據(jù)整理如表1。

圖4 模擬超導(dǎo)電纜延放路徑示意圖

1區(qū)：緩抬區(qū)，此區(qū)域略有坡起，長(zhǎng)度約8 m，起高約1 m；2區(qū)和6區(qū)：架臺(tái)區(qū)，此區(qū)域?yàn)槟猃堖^線導(dǎo)輪；3區(qū)和5區(qū)：樓梯下方，此區(qū)域無過線導(dǎo)輪，空間高度較低；4區(qū)：室外區(qū)域，此區(qū)域空間開闊，鋁質(zhì)過線導(dǎo)輪

點(diǎn)1：電纜引出點(diǎn)；點(diǎn)2：電纜由坡起轉(zhuǎn)為水平；點(diǎn)3和點(diǎn)5：電纜進(jìn)入樓梯下方入口

1.2 蛇形敷設(shè)

為了及時(shí)有效地吸收熱伸縮量，電纜的蛇形布置一般分為垂直蛇形和水平蛇形兩種，本項(xiàng)目為水平蛇形敷設(shè)[7]。依據(jù)電纜實(shí)際積累的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，線路蛇形長(zhǎng)度和蛇形弧幅取值范圍分別為3～8 m和＞115D（D為電纜外徑）。

圖5 電纜線路蛇形敷設(shè)分析示意圖

線路軸向熱伸縮量ΔL參考式（1）：

式中，Δθ為線路溫升（°C）；L為蛇形長(zhǎng)度的1/2（mm）；α為電纜線路熱伸縮系數(shù)（1/°C）。

當(dāng)溫度下降時(shí)：軸向力

當(dāng)溫度上升時(shí)：軸向力

圖6 不同L時(shí)線路溫度θ與側(cè)移量n的關(guān)系參考圖

通過結(jié)合本身超導(dǎo)電纜的設(shè)計(jì)應(yīng)力[8]要求，通過上述公式分析計(jì)算，可以得出最佳的電纜弧形長(zhǎng)度，再通過蛇形倍率考慮電纜設(shè)計(jì)預(yù)留量是否滿足，最后確定弧幅取值。具體計(jì)算情況圖7所示。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)的橋架寬度以及超導(dǎo)電纜制作的預(yù)留量，綜合計(jì)算出最佳弧形長(zhǎng)度，同時(shí)確定其他必要的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，包括a：蛇形跨度；b：蛇形弧長(zhǎng)；r：弧形半徑；θ：弦心角；ω：弦高等參數(shù)。

實(shí)際模擬試驗(yàn)超導(dǎo)電纜取蛇形區(qū)域?yàn)?0 m，每條電纜共取5個(gè)蛇形，其他部位均為直線固定，蛇形幅值數(shù)據(jù)整理如表2。

圖7 電纜敷設(shè)情況示意圖

圖8 其他數(shù)值驗(yàn)證示意圖

圖9 超導(dǎo)電纜取蛇形記錄各點(diǎn)位示意圖

表2 超導(dǎo)電纜蛇形數(shù)據(jù)記錄表

2 結(jié)論

本研究通過充分的前期準(zhǔn)備，成功完成了3條百米級(jí)二代釔系、冷絕緣結(jié)構(gòu)、單相高溫超導(dǎo)電纜敷設(shè)，現(xiàn)在運(yùn)行平穩(wěn)，從而證明現(xiàn)采用的敷設(shè)方式是可行的。在下一步的工作中，將繼續(xù)總結(jié)冷絕緣超導(dǎo)電纜的敷設(shè)及運(yùn)行，優(yōu)化和完善前期的不足。

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The Research on the Laying Technology for High Temperature Superconducting Cable

CAO Yu-jun，XIA Fang-min，YE Xin-yu，MEN Jian-min，YAO Zhen，ZHU Hong-liang
（Futong Group（Tianjin）Superconductor Technologies and Applications Co.，Ltd.，Tianjin 300384，China）

At present，the high temperature superconducting cable without too much experience for reference in terms of system installation，basic reference to high voltage crosslinked cable laying mode，but the actual superconducting cables in the aspect of construction installation and there are many different and conventional cable laying.This article mainly to the class of the second generation yttrium series，cold insulation structure，single phase high temperature superconducting cable as an example，the successful research summarizes the special operating conditions of cold insulation superconducting cable laying protection and serpentine.

high temperature superconducting cable;extend protection;snake form

1006-4184（2017）7-0043-05

2017-05-26

天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：14ZCZDGX00067）。

曹雨軍（1976-），男，吉林人，工程師，主要從事材料研發(fā)和超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail:sftcyj@ftjt.net。