高溫超導電纜敷設技術研究

曹雨軍，夏芳敏，葉新羽，門建民，姚震，朱紅亮

（富通集團（天津）超導技術應用有限公司，天津300384)

新材料

高溫超導電纜敷設技術研究

曹雨軍，夏芳敏，葉新羽，門建民，姚震，朱紅亮

（富通集團（天津）超導技術應用有限公司，天津300384)

目前，高溫超導電纜在系統敷設方面無過多的借鑒經驗，基本參照高電壓交聯電纜的敷設方式，但實際超導電纜在施工敷設方面又和常規電纜敷設有許多不同。主要以百米級二代釔系、冷絕緣結構、單相高溫超導電纜成功敷設為例，研究總結了特殊運行環境下冷絕緣超導電纜的敷設防護以及取S形。

超導電纜；延放防護；蛇形敷設

0 引言

超導技術是21世紀具有戰略意義的高新技術，其具有功率輸送密度高、損耗小、體積小、重量輕、單位長度電抗值小的特點，在電力工業可以實現低壓大電流高密度輸電，減少城市用地，符合環保和節能的發展要求。因此，高溫超導電纜[1]輸電被認為是高溫超導強電應用最有希望的領域，其市場前景也非常廣闊。

圖1 超導電纜結構示意圖

雖然，現在國內國際上已有多條超導電纜掛網運行，但基本以鉍系材料、熱絕緣結構為主，同時三相是否同軸的不同在敷設方面也有較大差別。如圖2為中國及世界各國關于超導電纜敷設照片[2-4]。

目前，高溫超導電纜在系統敷設方面無過多的借鑒經驗，基本以高電壓交聯電纜[5]的敷設方式為參考。但實際超導電纜在施工敷設方面又和常規的電纜敷設[6]有許多的不同，不可完全照搬套用。

1 研究內容

本文研究的超導電纜為百米級二代釔系、冷絕緣結構、單相高溫超導電纜，因此在敷設方式上無法借鑒更多的經驗。考慮其本身雙層波紋管的結構及內外較大的溫差，必然導致超導電纜預冷階段自身將出現較大形變，相應產生更大的內部應力，如果此應力作用于超導帶材上面，必將導致損耗的增加，嚴重時將燒毀電纜。

通過結合超導電纜自身參數以及敷設環境，再通過仿真建模，模擬超導電纜實際的蛇形狀態，觀察超導電纜蛇形結構電纜內部應力與溫度的關系變化，以確定最佳的敷設方式，并實現三條百米級二代釔系、冷絕緣結構、單相高溫超導電纜敷設。

圖2 中國及世界各國關于超導電纜敷設照片

圖3 水平蛇形敷設示意圖

1.1 延放防護

由于超導電纜相對普通電纜外徑較大，且受自身結構的限制，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。

1.1.1 盤具放線裝置

現在市場暫無針對超導電纜放纜的裝置，一般敷設時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、平移、旋轉及防護方面都受到較大局限影響，因此我們針對超導電纜專門制作了放纜裝置，從結構上進行了完善并增加了鎖緊、剎車及六向平移調節功能，完全解決了上述問題。

1.1.2 牽引裝置

由于冷絕緣超導電纜其特殊的雙層波紋管結構，無法做到像普通電纜一樣柔軟恢復纏繞發生的形變，因此牽引裝置需做到變頻可控，同時百米以外操控不便，需配以專人協調指揮，要求做到即起即停。

1.1.3 形變校正

超導電纜從盤具放出瞬間，其向斜上方或斜下方有個較大角度，且短距離不能自行恢復，但任其自由狀態放出也不可行，因此在延放及行進中需進行校正，增加必要的校正輪是需要優先考慮的，在材質及圓弧配合的細節上，要充分考慮，防止劃傷表面。

1.1.4 過程防護

超導電纜在延放行進中，要密切觀察保護，如上坡、下坡、轉彎、跨越障礙及穿過低矮物體等要充分準備好輔助及防護。

模擬超導電纜延放路線，對于不同區域規定了控制方式，數據整理如表1。

圖4 模擬超導電纜延放路徑示意圖

1區：緩抬區，此區域略有坡起，長度約8 m，起高約1 m；2區和6區：架臺區，此區域為尼龍過線導輪；3區和5區：樓梯下方，此區域無過線導輪，空間高度較低；4區：室外區域，此區域空間開闊，鋁質過線導輪

點1：電纜引出點；點2：電纜由坡起轉為水平；點3和點5：電纜進入樓梯下方入口

1.2 蛇形敷設

為了及時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，本項目為水平蛇形敷設[7]。依據電纜實際積累的運行經驗，線路蛇形長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為蛇形長度的1/2（mm）；α為電纜線路熱伸縮系數（1/°C）。

當溫度下降時：軸向力

當溫度上升時：軸向力

圖6 不同L時線路溫度θ與側移量n的關系參考圖

通過結合本身超導電纜的設計應力[8]要求，通過上述公式分析計算，可以得出最佳的電纜弧形長度，再通過蛇形倍率考慮電纜設計預留量是否滿足，最后確定弧幅取值。具體計算情況圖7所示。

根據現場敷設的橋架寬度以及超導電纜制作的預留量，綜合計算出最佳弧形長度，同時確定其他必要的數據進行驗證，包括a：蛇形跨度；b：蛇形弧長；r：弧形半徑；θ：弦心角；ω：弦高等參數。

實際模擬試驗超導電纜取蛇形區域為60 m，每條電纜共取5個蛇形，其他部位均為直線固定，蛇形幅值數據整理如表2。

圖7 電纜敷設情況示意圖

圖8 其他數值驗證示意圖

圖9 超導電纜取蛇形記錄各點位示意圖

表2 超導電纜蛇形數據記錄表

2 結論

本研究通過充分的前期準備，成功完成了3條百米級二代釔系、冷絕緣結構、單相高溫超導電纜敷設，現在運行平穩，從而證明現采用的敷設方式是可行的。在下一步的工作中，將繼續總結冷絕緣超導電纜的敷設及運行，優化和完善前期的不足。

[1]信贏，任安林，洪輝，等．超導電纜[M]．中國電力出版社，2013：157-160.

[2]Masuda T,Ashible Y,Watanable M,et al.Development of a 100 m,3-core 114MVAHTSC cable system[J]. Physica C，2002，372-376:1580-1584.

[3]Masuda T，Yumura H，Watanable M，et al.Febrication and i nstallation results for Albany HTS cable IEEE trans [J].Appl.Supercond，2007，17（2）:1648-1651.

[4]Maguire J.HTS Cable:Pitfalls and Potential LIPA Cable Project，DOE Wire Workshop，Panama City，F L，January 2007.

[5]江日洪.交聯聚乙烯電力電纜線路[M].中國電力出版社，2009．

[6]王春江.電線電纜手冊（增訂版）[M].機械工業出版社，2009.

[7]郝桂芹.大截面電纜蛇形布置的選擇[J].改革與開放，2009，（3）：127-128.

[8]張學晉，吳安官，成健，等.解讀高電壓交聯電纜蛇形敷設設計有關規定[J].供用電，2009，26（6）：1-5.

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

天津市科技支撐計劃項目（批準號：14ZCZDGX00067）。

曹雨軍（1976-），男，吉林人，工程師，主要從事材料研發和超導技術應用研究。E-mail:sftcyj@ftjt.net。