国际核聚变装置用超导电缆绞缆技术优化研究

国际热核聚变实验堆计划是目前我国参与的最大的国际合作项目,CICC(Cable-In-Conduit Conductors)导体具有较低的交流损耗,是核聚变装置的首选导体.介绍了CICC导体的结构及其绞缆试制过程,确定了CICC导体绞缆工艺技术路线.多次绞缆试制表明,第五级子缆的绞制加工尤其是外径控制是整个CICC导体...     

CFETR极向场磁体CICC导体稳定性与交流损耗分析

中国聚变工程实验堆(CFETR)是超导托卡马克装置,其极向场(PF)磁体对控制等离子体位置形状起重要作用。PF系统能否稳定运行主要取决于管内电缆导体(CICC)的稳定性。为确保PF系统稳定运行,应用数值模拟计算程序Gandalf对CFETR PF磁体CICC进行了稳定性分析,给出了机械和电磁扰动下其稳定性裕度、最小失超能量、温度裕度的计算结果以及分流温度随工作电流和磁场强度变化的规律和失超特性。此外,交流损耗为影响导体稳定性的重要因素,对导体交流损耗进行了计算,并研究了其对导体稳定性的影响。分析结果表明CFETR极向场磁体的导体目前的设计能够充分满足安全裕度的要求。     

HT-7U管内电缆导体稳定性的仿真与实验研究

管内电缆导体(cable-in-conduit conductor, CICC)是目前大型超导磁体的首选导体,它在大型超导核聚变实验装置及超导储能磁体中的应用具有不可比拟的优越性。为了减小导体的成本,提出超导股线和铜股线混合在一起的结构,因为增加铜比对导体稳定有利,该文制作了4个带有纯铜股线的管内电缆导体,并应用于HT-7U超导托克马克中。利用一维数学模型(Gandalf)对托克马克实际运行模式下CICC的稳定性进行仿真,研究了CICC的稳定性裕度与质量流速率、磁场、运行电流和铜比之间的关系。同时,将理论结果和实验结果进行比较,得到了样品中分离铜的有效比率。     

基于稳定性CICC设计模型

根据CICC运行在大电流和快变磁场中的要求,提出了基于稳定性、质量流和交流损耗机理的导体数值模拟设计思想,结合能量(稳定性)裕度、stekly参数、温度裕度和空间电流密度等计算方法,推导了CICC结构设计参数矩阵方程,构建了导体仿真设计数学模型,开展了导体模拟设计研究,并由交流损耗对CICC结构进行了校核.将仿真设计结...     

管内电缆导体绞缆序列比对耦合损耗作用的优化计算

建造中的国际热核试验堆以及国内准备建设的聚变工程实验堆上的管内电缆导体(cable-in-conduit conductor,CICC),将运行在快速励磁的大电流复杂磁场中,这使得中心螺线管线圈(central solenoid,CS)上的CICC导体会受到约12 T磁场的冲击。因此,现有的CICC已采用铌三锡(Nb3Sn)导体,Nb3Sn导体应变敏感性不仅导致电缆临界性能的退化,而且导体中各级绞缆扭距序列对耦合损耗影响很大。为此,对目前ITER项目建议的CS磁体上多种导体的绞缆结构,开展了不同扭距序列对耦合损耗作用的探索。研究分析显示:扭距长度不是决定多级绞缆CICC导体耦合损耗数量大小的唯一因素;当导体中各级绞缆的扭距序列比接近1时,耦合损耗会极大减小。测试数据与数值模拟结果对比分析表明:通过合理选择扭距序列比可以优化计算CICC导体的耦合损耗。     

管内电缆导体仿真设计算法模型研究

现代超导聚变装置上的管内电缆导体(cable-in-conduit conductor,CICC)运行在大电流和快速变化电磁场中。导体的合理设计是其能否稳定运行的关键。工程上CICC的设计是一个多次尝试和优化的复杂烦琐过程。该文根据Stekly参数和空间电流密度,提出基于稳定性和交流损耗的新的导体设计思想,推导了关于CICC结构参数矩阵方程,建立了导体数值仿真设计模型,同时进行了导体的模拟设计。并将仿真设计结构与工程设计情况进行比较和分析,结果证明二者吻合较好,且该方法能减轻工作量和缩短设计周期。     

单芯电缆线芯温度的非线性有限元法实时计算

考虑电缆材料热性参数是温度的函数及忽略热量沿着线芯轴向传输所造成的线芯温度计算误差,为提高电缆线芯温度计算的精度,提出基于非线性有限单元法计算电缆导体的温度。研究电缆导体径向、轴向温度梯度以及热量扩散规律,分析运行电流、外界环境温度等因素对电缆线芯轴向、径向温度分布的影响。根据传热学原理,研究电缆热性参数随温度变化对电缆导体温度的影响,建立电缆导体温度计算三维非线性有限元模型,并通过实验数据对非线性有限元模型进行验证和修正。实验和有限元仿真的对比表明：忽略电缆热量沿着轴向传输以及热性参数的改变会造成线芯温度计算误差;所提出的电缆导体温度实时计算非线性有限元模型的有效性,为高温下运行电缆导体温度监测与负荷预测奠定了基础。     

改进漏感电动势法计算换位线棒股线电流及环流损耗

针对大型水轮发电机定子绕组换位线棒股线电流及环流损耗的计算问题,提出了一种解析计算方法——改进漏感电动势法,解决了现有计算定子换位线棒股线电流分布及环流损耗的漏感电动势法(又称漏感电势法)中存在的漏磁场假设不合理、电路约束不完整以及忽略了股线的实际换位路径等问题。将定子线棒中的每根股线看成由股线电阻和漏感电动势组成,分别给出了槽部漏感电动势和端部漏感电动势的计算方法。以一台140 MW大型水轮发电机为例,采用改进漏感电动势法计算360°全换位和不足换位时的每根股线的电流分布,进而求解定子线棒的环流损耗。通过解析计算结果与实验测量结果对比表明,改进漏感电动势法计算的电流分布及环流损耗值与实验测量值基本一致,验证了解析法的正确性。     

铌三锡管内电缆导体交流损耗计算分析模型

为解决快变磁场中大电流和应变作用下,铌三锡(Nb3Sn)导体交流(Alternating Current,AC)损耗的模拟实验分析问题,本文进行了瞬变电磁场中宽应变区间的AC损耗计算技术探索,构建应变作用下的临界电流数学模型,把复杂变化场中基于应变的临界电流密度运用到磁滞损耗功率计算,对耦合损耗功率计算中的导体特征参数考虑应变效应,获得CICC导体AC损耗功率计算技术。在激发等离子体的快速励磁以及等离子体放电和破灭等情况下,由模拟对比分析发现应变作用算法的AC损耗功率更接近工程实际值;对比应变作用算法损耗功率和经典算法损耗功率的相对误差计算,其误差的变化小于15%。     

运行温度对 NbTi 管内电缆导体瞬态稳定性的影响实验研究与分析

在SULTAN测试设备上进行了含分离铜股线NbTiCICC在不同温度裕皮下的瞬态稳定性的实验研究，应用脉冲场对样品的高场区的中心段(长度是390mm)进行感应加热，发现设计的含分离铜股线CICC有很强的抗磁扰动能力，该文分析了这个现象的原因，研究了股线上的运行温度对稳定性的影响并对3个CICC导体进行稳定性差异分析，通过理论计算，对理论计算值和实验测量值进行了比较，为HT-7U纵场和极向场NbTi CICC的运行温度的选择提供实验依据。     

Study on dependence of AC transport current losses in YBCO‐coated conductors on distribution of critical current density and n value

We measured AC transport current losses in three kinds of thin‐film YBCO‐coated conductors made by different processes. The results showed that the loss characteristics were different and that some of the conductors did not follow the Norris strip model which is generally believed to well explain the loss characteristics of YBCO conductors. In the paper, an analytical model in which distribution of critical current density and n value of the conductor are taken into consideration is proposed to describe the AC transport current loss characteristics more generally than the Norris strip and elliptical models. It is shown that the analytical model explains well the measured loss characteristics of the three kinds of conductors. © 2005 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 152(2): 26–38, 2005; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20056     

计及断股损伤的架空导线交流电阻计算模型研究

架空导线断股后,相应交流电阻增大,造成线路局部热点,影响输电安全性。现有导线交流电阻计算模型大多针对无损导线建立,为准确评估导线断股发热对线路运行的影响,有必要建立计及断股损伤的导线交流电阻模型。为此,以LGJ-120导线为对象,通过对交流电阻实测,提出断股导线电阻的多项式模型,并利用最小二乘方法对多项式系数进行了估计。计算结果和实验结果对比表明,所提模型具有较高精度,能够在不同断股程度下,有效反映交流电阻随导线温度和电流的变化。     

变频电动机耦合电容分析与计算研究

脉宽调制(PWM)变频驱动器在提高交流传动系统效率的同时,产生的高次谐波导致共模电流显著增加。其中电动机定子绕组与定子铁心之间的耦合电容是共模电流的主要通路。准确计算定子绕组与定子铁心之间的耦合电容对于预测共模电流具有重要意义。由于电机绕组内部导线排列不规则,准确进行解析计算较为困难,将其简化为集中导体后,会导致计算精度变差。在绕组全散线模型的基础上,提出了一种简化散线建模方法,能在计算精度不变的情况下,有效地减小模型的复杂度。通过对比解析计算、全散线模型、简化散线模型和测量值,验证了该方法的有效性。     

基于等电流相位法的单相干式空心电抗器设计

单相干式空心电抗器损耗过大会减少电抗器的使用寿命以及影响电网的正常运行。为了降低电抗器的损耗,本文提出等电流相位法。基于电抗器的电路模型,对等电流相位法进行了论证,并推导了相应的层匝数设计计算公式。仿真结果表明:该方法不仅可减少电抗器的损耗,而且可使各层交流、直流电流分布一致,各包封交流、直流温升分布一致。     

基于Jiles-Atherton逆模型的磁阀式可控电抗器特性计算

在分析计算磁阀式可控电抗器(MCR)的特性时,必须考虑交、直流共同激励和铁芯磁路各部分磁化状态不同的特点。提出了基于Jiles-Atherton逆模型的MCR等效磁化特性模型,该模型考虑了磁滞、直流偏磁和小截面磁阀等因素对磁化特性的影响,适用于不同结构参数下的MCR;基于等效磁化特性模型提出了MCR电流特性、控制特性和损耗特性的计算公式和方法;针对一个MCR样机进行了理论计算和实验测量,同时与基于理想小斜率模型的计算结果进行了对比。结果表明,提出的MCR等效磁化特性模型及其电流特性、控制特性和损耗特性计算方法是正确有效的,对MCR的工程设计计算有一定的参考和指导意义。     

新型模块化多电平换流器串联电抗器的功能与取值分析

从模块化多电平换流器正常工作状态的功率输出限制、相单元间2倍频环流限制、直流两极短路电流限制、输出交流三相短路电流限制4个方面分析了子模块串联电抗器的功能及相应的数学关系.根据分析结果,给出了模块化多电平串联电抗器的选取原则和计算方法.基于工程实际需要,通常相单元间高频环流可通过控制回路附加抑制环流控制器来有效抑制,而串联电抗器值应根据直流两极短路和输出交流三相短路电流限制要求来计算,最后可根据输出功率的要求进行校验.对一个设计实例进行了分析,给出了串联电抗器值选取的方法,验证它是合理可行的.     

磁传感器阵列测量电流时的干扰排除理论研究

用单个磁传感器测量母排周围的磁场可以得到母排中的电流，为了提高测量精度，在电流测量中引入了磁传感器阵列。提出一种基于离散傅立叶(DFT)分析的算法，用来区分测量电流产生的磁场和干扰电流产生的磁场。建立了适用于直流和交流、不同母排形状、任意数量平行母排的电流测量干扰排除数学模型。数值分析和初步试验结果验证了该模型的正确性。     

基于全寿命周期成本评估的特高压直流输电线路导线选型

导线选型在直流输电线路的设计中占有重要地位,对其全寿命周期成本(life cycle cost,LCC)也具有重要的影响。因而构建了包括一次投资、运行损耗、运行维护、故障损失及退役的LCC模型,模型对一次投资成本引入宏观经济参数修正,对运行损耗成本主要计算导线及地线损耗,对运行维护成本提出了估算公式,利用产电比法对故障损失成本进行计算,并提出退役成本的估算公式,最后提出特高压直流输电线路导线选择的目标函数。该模型可以对不同截面及分裂数的导线进行评估。提出的模型在某特高压工程的设计中进行了应用,对5种导线在不同最大损耗小时数及传输容量下的计算结果进行了分析,最后选择6×JL/G3A-900/40作为候选导线。实例表明该方法具有较强的实用性。     

一种基于全波平衡电抗器的双反星形12脉波整流器

为了有效抑制常规双反星形整流器的输入电流谐波和输出电压脉动,提出一种基于全波平衡电抗器的双反星形12脉波整流器。所提出的12脉波整流器由常规的双反星形整流器和全波平衡电抗器组成。全波平衡电抗器中含有带副边绕组的平衡电抗器和辅助单相全波整流器,辅助单相全波整流器通过从平衡电抗器的副边绕组提取方波电流来增加2个三相半波整流桥的输出电流和电压模态,然后依据交直流两侧电流和直流侧电压的关系,将双反星形整流器的脉波数从6倍增到12,显著抑制了输入电流谐波和输出电压脉动。因流过辅助单相全波整流器的电流仅为负载电流的6.69%,相较于现有基于抽头平衡电抗器的脉波倍增方法,所提方法除具备电路结构简单可靠、易于实现和成本低廉等优点外,还具有更小的附加导通损耗,更适用于低压大功率工业场合。研制了一台功率为1.1 kW的实验样机,验证了理论分析的正确性和该方法的有效性。