高温超导电缆交直流伏安特性测试与分析

诸嘉慧栗会峰,陈晓宇,丘 明方 进

（1. 中国电力科学研究院 北京 100192 2. 北京交通大学电气工程学院 北京 100044）

高温超导电缆交直流伏安特性测试与分析

诸嘉慧1栗会峰1,2陈晓宇1,2丘 明1方 进2

（1. 中国电力科学研究院 北京 100192 2. 北京交通大学电气工程学院 北京 100044）

为了研究高温超导电缆在直流和交流载流情况下伏安特性的变化规律，提出基于第二代YBCO高温超导体的冷绝缘超导电缆交直流伏安特性测试方法，搭建了伏安特性测试实验系统，通过对一根0.2m长，110kV/1.5kA高温超导电缆样缆的交直流伏安特性进行测试，获得了超导电缆在直流、30Hz、100Hz和工频载流下伏安特性变化规律。结果表明，超导电缆的直流伏安特性曲线呈现E-J指数关系，且失超变化清楚，而交流下当超导电缆通流值低于直流临界值时，交流伏安特性曲线变化平缓，之后随通流能力增加后该曲线呈逐渐上升趋势，超导电缆没有出现明确的失超变化点。研究结果对于开展超导电缆运行稳定性研究提供了较大的参考价值。

高温超导电缆 伏安特性 交直流 失超 测试方法 YBCO

0 引言

高温超导电缆可以实现低损耗、低电压下大容量输电，被誉为21世纪革命性的电力技术，是美、日等发达国家投入巨资争先研究的领域，目前在美国和欧洲等国家已实现了商业试验示范运行[1]。例如，美国长岛电力局的Holbrook变电站已示范应用了660m（138kV/2.4kA）高温超导交流电缆；日本Asahi变电站已试验运行一条30m长、66kV/200MV·A高温超导电缆[2]；韩国研制的500m、22.9kV/50MV·A超导电缆，已于2011年安装在韩国电力公司梨川变电站通电使用，2016年3月，韩国济州岛的1km、154kV/600MV·A超导交流电缆正式并网运行[3]。国家电网公司在2015年，研制出10m、3kA/110kV冷绝缘超导电缆系统，并完成部件型式试验，为将来110kV超导电缆输电试验示范应用提供技术参考[4]。

高温超导电缆通过直流电流时无损耗，但通过交流电流时，将产生交流损耗，由交流损耗产生的热量一般全部由制冷机带走，如果热量不能及时带走，将导致超导电缆温度升高而引起临界电流退化，甚至引起超导电缆失超。因此，高温超导电缆的交流损耗直接关系到超导电缆的运行成本及稳定性，其中，高温超导电缆的交直伏安特性是影响超导电缆能耗特征及稳定性的关键基础内容之一，需要基于实验研究为超导电缆运行分析提供参考依据。

国内外在超导电缆载流特性方面进行了大量研究。张国民[5]测量了超导带材在工频下的E-I特性曲线，将线性坐标曲线转换为双对数坐标曲线后，得到在工频交流电流下超导带材的临界电流值为直流临界电流值的0.72倍。Seokho Kim等[6]通过给超导电缆施加峰值为300～2 000A，持续时间为10～15个周波的交流电流来验证模型样缆能承受额定电流的能力。Joon-Han Bae等[7]从交流损耗的角度出发来评估超导电缆的稳定性。通过测量单位长度超导带材在不同外界磁场角度下的通流和电压值，计算整个电缆的交流损耗。

本文首次开展基于YBCO超导体的高温超导电缆交直流伏安特性测试与分析研究。提出了一种新型的高温超导电缆交直流伏安特性测试方法，对导体层和屏蔽层分别采用“8”字缠绕信号线引出工艺实现电压量的实验测试。搭建了基于Labview NI测试系统的超导电缆交直流伏安特性测试实验系统，该平台直流通流能力0～3kA，交流通流能力0～3kA@30～200Hz，在测试交直流伏安特性的同时还可监测电缆内部温度变化。通过对一根0.2m长、110kV/1.5kA高温超导电缆短样的交直流伏安特性进行测试，获得了超导电缆在直流和交流载流下伏安特性变化规律。研究结果对超导电缆运行稳定性研究具有较好的参考价值。

1 超导电缆交直流伏安特性测试

1.1 测试方法

超导电缆伏安特性的测量原理如图1所示。超导电缆的导体层和屏蔽层分别通过电流连接块与电流引线相连，经电源线与外部电流源构成通流回路。超导电缆导体层和屏蔽层两端的电压信号Vc和Vs通过电压信号线引出，外接测量装置。

图1 高温超导电缆伏安特性测量原理Fig.1 Testing schematic ofI-Vcurve for HTS cable

超导电缆的电压信号线既可以焊接在电流引线上，也可以焊接在超导电缆上。如果焊接在电流引线上，可以将电压信号线缠绕在引线上，沿圆周焊一圈，也可以将电压线的端头焊在引线的某一点上。如果焊接在超导电缆上，电压信号线应在电缆上缠绕一圈，将电压信号线与每根超导带材焊接上。电压信号线连接示意如图2所示。图2中导体层两端的电压信号线互相缠绕后引出，屏蔽层两端的电压引线采用同样的8字缠绕法[8]。

图2 电压信号线连接示意图Fig.2 Connection of voltage signal lines for HTS cable

为了提高临界电流Ic测量准确度，降低升流过程产生的感应电压影响，提出了两种超导电缆伏安特性测量方法：Speed sweep法和Step-hold法。

1）Speed sweep法。在电流从0升到临界电流值的过程中，测量电缆的电流和电压，超导电缆的电流增长率和电压测量周期应满足

如果电压测量装置的最小测量周期不能满足上述条件，可以通过适当降低电流增长率来达到测量周期的要求。

2）Step-hold法。电流从0到预估的临界电流值Ic之间以一定的间隔阶跃上升，每一步电流都保持一段时间，当电流稳定时测量此时的电流和电压，要求误差不应超过±0.5%。在Ic附近的电流间隔可分得细一些，当电流大于0.9Ic时，每一步电流增加值应小于Ic/100。

测量的超导电缆电压中包括了电流引线电阻和电缆的电感分量产生的电压，表达式为

式中，V是超导电缆的电压；VSC是测量的电压；Rcl是电流引线的电阻；LSC是超导电缆的电感；I是超导电缆所通电流。则超导电缆的伏安特性曲线如图3a所示。因此当以Ec= 1μV/cm为失超判据来确定超导电缆的临界电流时，需要在超导电缆总电压测量值中减去这些电压分量。对电流引线等外界引入电阻分量Rcl可以通过图3a中点线斜率计算获得；电缆的电感电压分量根据电流在0.1Ic和0.2Ic之间时测量电压的平均值而定。当测得超导电缆的电压V=DEc时，在图3b的I-V特性曲线中对应的电流即为Ic。其中，D为两个电压测试点的距离（cm）。

图3 高温超导电缆伏安曲线计算Fig.3 Calculation ofI-Vcurve for HTS cable

超导电缆在交流下的伏安特性测试中，电缆在交流通流下的各个电压分量表达式仍是式（3）。但是，式（3）中电缆电感分量产生的电压主要是由交变电流产生的，这与直流伏安特性测试中，直流电流升流变化率引起电缆的电感分量电压是不同的。在测量交流通流能力时，需要将测量的超导电缆电压减去电流引线电阻和电缆的电感分量产生的电压，然后确定超导电缆的最大通流能力[5,9]。测试中，超导电缆的通流幅值一般需要低于其直流临界电流值。

1.2 高温超导电缆伏安特性测量系统

1.2.1 临界电流特性测量系统设计

超导电缆直流临界电流测试实验原理如图4所示。超导电缆实验样缆固定在液氮槽内，液氮槽的高度大于样缆直径的3倍，且样缆完全浸入液氮中，为保证样缆冷却环境的稳定性，样缆最高处应距离液氮槽顶部至少200mm，样缆两端应距离液氮槽边缘至少200mm。液氮槽必须保持低温以防止液氮汽化。如果液氮槽采用金属材料，必须在槽内铺绝缘材料。测试中，直流电流源（0～3kA）的输出端通过电流引线与超导电缆的导体层相连，为超导电缆导体层提供稳定的直流电流，超导电缆屏蔽层两端短接，罗氏线圈测量电缆的总电流。将电压测量信号输入高精度纳伏表，从而获得超导电缆各层的电流与超导电缆两端的电压。

图4 超导电缆直流伏安特性实验原理Fig.4 Experimantal method for DCI-Vcharacteristic of HTS cable

1.2.2 交流通流下的伏安特性测试系统设计

图5 超导电缆交流伏安性能测试实验原理Fig.5 Experimantal method for ACI-Vcharacteristic of HTS cable

超导电缆交流伏安性能测试实验原理如图5所示，变频电源可以输出幅值（0～3kA）和频率（30～200Hz）可调的交流电流，通过电容补偿柜的功率因数补偿，使得电流的功率因数近似为1，输出的电流经过升流器增大电流，然后作为超导电缆的电流源。在每层导体层和屏蔽层的电流引线上分别安装一个Fluke电流探头测量各层电流，并将信号输入示波器DL750，在示波器上可以观察各层电流的幅值和相位，并将信号输入计算机进行数据采集处理。同时，温度传感器T1～T4（4个温度传感器PT100）测量超导电缆内部不同位置的温度，通过温度信号采集装置转换为电信号传给Labview NI测试系统，从而实时处理接收到的各种信号，监测超导电缆因交流电流而产生的损耗导致的温度升高情况。

2 实验与结果分析

2.1 超导电缆模型样缆

为了研究冷绝缘高温超导电缆交直通流下的伏安特性，设计了具有2层导体层和1层屏蔽层结构的110kV/1.5kA冷绝缘高温超导电缆，具体结构参数见表1。根据表中电缆设计参数，应用美国AMSC公司的344B型YBCO高温超导带材，构造了一根0.2m长、110kV/1.5kA的冷绝缘高温超导电缆，绕制方法及过程见文献[10]，这里不作赘述，绕制好的超导电缆如图6所示，各层已经焊接电流引线和电压引线。

表1 20cm冷绝缘高温超导电缆设计参数Tab.1 Specifications of a CD HTS cable with 20cm length

图6 0.2m长、110kV/1.5kA HTS样缆Fig.6 A 0.2m、110kV/1.5kA demo HTS cable

2.2 高温超导电缆临界电流特性

高温超导电缆直流伏安特性测试实验系统如图7所示。超导样缆放置在低温容器内，并浸泡在LN2里，应用直流电流源给电缆通流，通过测量仪表（纳伏表）测量电缆端电压值，用霍尔传感器测量电缆电流，然后将结果输出到示波器和基于Labview软件的测试系统中，进行超导电缆临界电流特性数据的收集和处理。

图7 超导电缆直流伏安特性测试实验系统Fig.7 Testing system for DCI-Vcharacteristic of HTS cable

应用0～3 000A直流电流源，采用阶梯型升流方式给0.2m长超导电缆样缆通流，在电流保持区测量超导电缆各导体层电流分布和电缆两端的电压值如图8所示。由图8可知，超导电缆两个导体层电压在电缆电流小于额定值时，波形基本重合，当超导电缆直流通流达到额定电流1 500A时，其电压值Vc1、Vc2基本保持不变；但当电流达到1 600A时，超导电缆的两层电压Vc1和Vc2才出现明显变化。当移除超导电缆电流引线接头的电阻电压和因升流速率变化导致的感应电压后，超导样缆的临界电流特性曲线如图9所示。由图可知其直流临界电流达到1 722A。

图8 超导电缆各层直流伏安特性曲线实验值Fig.8 Experimental curves of DCI-Vcharacteristic for HTS cable

2.3 高温超导电缆各层通流特性

超导电缆交流伏安特性实验测试系统构成与直流伏安特性实验系统类似，但电源采用了0～3 000A的变频电流源给超导电缆通流，采用锁相放大器测试超导电缆两端电压中与电流同方向的分量。电压和电流测量值输出到基于Labview的测试系统中，进行超导电缆交流伏安特性数据处理。

图9 超导电缆临界电流特性实验曲线Fig.9 Experimental curves of critical current for HTS cable

图10 超导电缆交流伏安性能测试实验系统Fig.10 Testing system for ACI-Vcharacteristic of HTS cable

应用上述实验系统中的变频电流源给超导电缆通以380A、100Hz交流电流时，测得的超导电缆导体层和屏蔽层的电流分布情况如图11所示。从图中可见，由于超导电缆的线路中存在一定的接头电阻，并且超导电缆各层的电感值不同，两层导体层电流Ic1、Ic2存在一定的相位差，屏蔽层电流Is和导体层电流相位差接近180°。将超导电缆实验测量的各层电流有效值与理论计算比较，见表2。从表中可知，各层电流的实验值和理论计算值基本相等，导体层电流均流效果良好，导体层电流理论值与实验值的最大误差为5.4%。由于超导电缆两端漏磁通的影响，屏蔽层的感应电流Is较小。

图11 380A、100Hz载流下超导电缆各层电流实验波形Fig.11 Experimental current waveforms of each layer in HTS cable with a current carrying capacity of 380A, 100Hz

表2 380A、100Hz通流下超导电缆各层电流有效值比较Tab.2 RMS current comparison of each layer in HTS cable with a current carrying capacity of 380A, 100Hz

对超导电缆通入0～600A、30Hz的交流电流，应用锁相放大器测量与电流同方向的超导电缆电压分量，然后移除电缆接头电阻压降后得到超导电缆交流伏安特性曲线如图12所示。从图12中可见，在超导电缆逐渐增加电流到600A@30Hz期间，超导电缆两层导体层的电压Vc1、Vc2均小于20μV/cm，电压波形平滑，未出现明显的失超变化点。但是也看到由于测试过程中，电缆电压的谐波导致其值变化幅度很大，造成锁相放大器测量能力受到影响，而且伴随电缆电流增大，电压测量难度也越大，将无法直接通过锁相放大器准确实现电缆电压值的测量，需要对测量值进行滤波处理。

图12 超导电缆各层伏安特性有效值实验值Fig.12 RMS of the experimental ACI-Vcurves of HTS cable

图13是超导电缆样缆在1 500A@50Hz通流下的总电流Itotal，导体层电流Ic1、Ic2和骨架电流Iformer的瞬时电流实验波形。由图可见，两层导体层电流分布平均，由于导体层与电缆间电流引线存在接触电阻，使得骨架层有很小电流流过，但对超导电缆性能影响可以忽略不计。可知，该模型电缆额定载流性能稳定，且具有均流特性。

图13 超导电缆各层电流瞬时波形分布实验值Fig.13 Experimental current waveforms of HTS cable

3 结论

本文开展了高温超导电缆交直流伏安特性测试技术研究。

1）考虑了电流引线等接头电阻影响，电流升流速率变化和电缆电感分量影响等因素，提出了直流和交流载流下的超导电缆伏安特性测试方法和测试原理，并搭建了伏安特性测试实验系统。

2）设计并构造了一根0.2m长、110kV/1.5kA高温超导电缆短样，对其交、直流伏安特性分别进行测试，获得了超导电缆在直流、30Hz、100Hz和工频载流下伏安特性变化规律。

3）超导电缆的直流伏安特性曲线呈现E-J指数关系，而交流下当超导电缆通流值低于直流临界值时，交流伏安特性曲线变化平缓，随通流能力增加后该曲线呈逐渐上升趋势，超导电缆没有出现明确的失超变化点。

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Test and Analysis on the DC and ACI-VCharacteristics of High Temperature Superconducting Cable

Zhu Jiahui1Li Huifeng1,2Chen Xiaoyu1,2Qiu Ming1Fang Jin2
（1. China Electric Power Research Institute Beijing 100192 China 2. School of Electric Engineering Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China）

The test methods for the DC and ACI-Vcharacteristics are proposed respectively for a cold dielectric high temperature superconducting (HTS) cable that consists of YBCO coated conductor. A 0.2m, 110kV/1.5kA demo HTS cable is constructed using YBCO coated conductor, and anI-Vcharacteristics test system is set up as well to obtain the DC, 30Hz, 50Hz and 100Hz ACI-Vcurves for the HTS cable. The experimental results show that the currents and voltages in the DC critical current characteristic curve behaveE-Jpower exponential relationship, and the quench point of the HTS cable can be found clearly in this curve. But for the ACI-Vcharacteristics curve, the voltages of the HTS cable is smooth when the current amplitude is less than the critical current of HTS cable. The voltage increases with the increase of the AC current in the HTS cable, and there is no inflection point in ACI-Vcharacteristics curve of HTS cable. Those test results provide a reference for the operational stability of superconducting cable.

High temperature superconducting cable, current-voltage characteristics, AC-DC, quench, test method, YBCO

TM249.7

诸嘉慧 女，1977年生，博士，教授级高工，研究方向为超导电力技术、电力电子技术、电磁场的数值计算和大型发电机的故障分析与保护。

E-mail: zhujiahui@epri.sgcc.com.cn（通信作者）

栗会峰 男，1987年生，硕士研究生，研究方向为超导电力技术。

E-mail: 11121618@bjtu.edu.cn

国家自然科学青年基金（51207146），国家电网公司科技项目（DG71-14-004、DG71-14-034、DG71-16-002）和The Royal Academy of Engineering International exchange Scheme, UK（EE1053）资助。

2014-09-10 改稿日期 2015-07-08