三相同轴高温超导电缆多场耦合暂态特性分析研究

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三相同轴高温超导电缆具有三相无需独立屏蔽、损耗极低、通流能力强、超导带材用量减少、无漏油和火灾隐患、变压设备等级降低等优点,成为解决城市负荷增长与地下空间受限之间的矛盾,打破城市电力传输瓶颈的研究热点之一。三相同轴高温超导电缆在实际的电力系统运行中,会受到短路等故障电流冲击。在故障电流的冲击下,超导电缆会产生大量的热,严重时会烧坏电缆。研究三相同轴高温超导电缆暂态电磁热特性,对保证超导电缆的安全运行是非常重要的。本文对三相同轴高温超导电缆的暂态电磁热特性进行了下列研究:(1)通过对超导电缆结构分析,构建了10 kV/1 kA三相同轴高温超导电缆的电路模型、热模型、磁模型和电磁热耦合模型。(2)使用Matlab-Ansys的联合仿真,实现了对超导电缆电磁热耦合运行特性仿真系统构建。对超导电缆稳态运行下的电流分布、达到热稳态的时长和稳态温度分布进行了仿真分析。(3)分析超导电缆在15 kA,持续0.14 s故障电流冲击下的暂态特性,得到其电流、温度和磁场分布情况。三相短路时,超导电缆温升较高,其最大温度为153.1 K。单相或两相短路时,系统不对称运行度高,通过中性线电流大。对超导电缆在15 kA-25 kA故障电流下的安全运行时间进行了分析,25 kA故障电流下超导电缆的安全运行时长为0.125 s。为了扩展该超导电缆应用场景,对不同频率故障电流下的超导电缆暂态运行特性进行了分析。故障电流频率越低,该超导电缆温升越高。(4)对YBCO超导带材进行了过流冲击实验,得到了带材的过流冲击特性。将超导电缆中带材的过流冲击分析结果和过流冲击实验结果对比,证明建立的超导电缆分析模型仿真结果是可靠的。本文通过对三相同轴高温超导电缆开展暂态电磁热特性深入分析,得到的结果可为三相同轴高温超导电缆的下一步失超保护和继电保护装置设计提供了理论依据和参考。
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