超導裝置電流引線的研制及裝置級試驗檢測方法研究.pdf

1、超導電力技術(shù)可望為未來的電力系統(tǒng)帶來革命性的技術(shù)突破，但超導電力技術(shù)要真正進入市場還存在諸多問題，其中，運行成本的降低和入網(wǎng)考核就是兩個亟待解決的主要問題。在超導電力裝置中，通過電流引線侵入低溫環(huán)境的熱損耗占整個低溫系統(tǒng)損耗的絕大部分，為提高超導電力裝置的效率，抑制電流引線的熱侵入是一個非常重要的技術(shù)課題。同時，由于電力系統(tǒng)的重要性，超導電力裝置入網(wǎng)前必須通過嚴格的性能測試，但目前國內(nèi)外尚未建立一套完善的試驗檢測規(guī)程和方法，無法對超導電

2、力裝置是否具備入網(wǎng)條件進行科學的判斷。因此，本文以超導電力裝置電流引線的設(shè)計及裝置的試驗檢測方法為中心展開了研究。 在電流引線的設(shè)計方面，根據(jù)傳熱學理論，構(gòu)建了一元引線和二元引線的熱流模型，應(yīng)用迭代法對模型低溫端的熱流進行了分析和仿真。在考慮電流引線的冷卻方式、工作溫區(qū)、工藝制作、經(jīng)濟成本及其所屬超導裝置的運行狀態(tài)的前提下，提出了運動型小電流等級超導電力裝置宜采用的引線形式和結(jié)構(gòu)。結(jié)合引線的運行環(huán)境、絕緣水平和工藝特點，對300

3、kVA高溫超導變壓器的電流引線進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。針對電動車組超導變壓器的空間限制，提出了延長引線路徑的方法，有效解決了引線長度的延長與空間高度的限制之間的矛盾。分析了引線溫升、熱流與引線橫截面積的關(guān)系，提出了超導裝置電流引線的工程設(shè)計應(yīng)先確定引線橫截面積，再進行優(yōu)化設(shè)計的原則。設(shè)計并制作了簡易的引線漏熱測量裝置，對仿真結(jié)果進行了試驗驗證，試驗結(jié)果與仿真計算基本吻合。通過引線預冷試驗，探討了引線絕緣層的覆蓋方式和澆鑄工藝，較好地完成了從引線

4、優(yōu)化，到實驗驗證，再到工藝實現(xiàn)的過渡。 建立了制冷機直接冷卻的高溫超導磁儲能系統(tǒng)二元引線的熱流模型。為便于引線設(shè)計、制作和分開檢測，提出了模塊式引線構(gòu)造，并分模塊對引線進行了優(yōu)化設(shè)計：對三種不同金屬材料的最小漏熱、價格和機械性能進行了分析和比較，確定了金屬模塊的材料，優(yōu)化后的單根銅引線的漏熱與Hull所計算的傳導冷卻形式的電流引線的漏熱相當，比Wilson于1983年所得到漏熱值略低；設(shè)計了引線的絕緣與導熱結(jié)構(gòu)，計算了中間連接部

5、分的焦耳熱和界面熱阻引起的漏熱；將理論計算與成本分析相結(jié)合，確定了高溫超導模塊的長度。分析了與引線共用一臺制冷機的輻射屏的輻射漏熱，在此基礎(chǔ)上，得到了所需制冷機的冷量。通過磁體冷卻、通額定電流、過載電流、不同升流速率通流和動模實驗驗證了引線的性能，并對實驗結(jié)果進行了分析，討論了改善引線室溫端熱流分布的措施。探討了引線通流水平對其密封性能的影響。 為驗證激光切割后氮化鋁墊片的適用性，對氮化鋁墊片進行了激光打孔試驗。將激光打孔后的墊片

6、制成試樣，在金相顯微鏡和電子掃描電鏡下進行了形貌觀察和成分分析。根據(jù)氮化鋁的傳熱機理和激光打孔后孔周區(qū)域化學變化的分析，提出了激光打孔后，自孔向外延伸，將激光打孔對氮化鋁熱導率的影響分為三個區(qū)域的觀點；闡述了激光打孔后孔周表面Al和Al2O3的析出及其分布狀態(tài)與孔周絕緣水平的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，給出了氮化鋁激光打孔的適宜切割條件。 在超導電力裝置試驗檢測方法的研究方面，針對目前國內(nèi)在超導電力裝置性能檢測方法研究方面的空白，從超導電