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《低溫與超導雜志》2016年第二期

摘要:

玻璃鋼杜瓦是超導電抗器中的關鍵部件，為高溫超導線圈提供所需的低溫工作環境。分析了玻璃鋼杜瓦對于超導電抗器的必要性;進行了玻璃鋼杜瓦的概念設計，并對玻璃鋼杜瓦進行了力學分析及傳熱分析，結果表明玻璃鋼杜瓦的強度和靜態低溫熱負荷滿足設計要求。

關鍵詞:

超導電抗器;玻璃鋼杜瓦;高溫超導線圈

1引言

超導電抗器電抗調節特性良好，在電力系統中的應用潛力巨大［1－3］。玻璃鋼杜瓦具有耐低溫、絕緣、低導熱系數等優點，在超導電抗器中用于盛裝高溫超導線圈和液氮。在采用工作線圈為常規線圈、電感調節線圈為高溫超導線圈的電抗器中，常規工作線圈采用油冷，而高溫超導線圈采用液氮冷卻。為降低通過杜瓦對液氮產生的低溫熱負荷，玻璃鋼杜瓦采用真空結構。與在通常狀況下使用的玻璃鋼杜瓦不同，用于超導電抗器的玻璃鋼杜瓦外表面處于高于室溫的(約293K)冷卻油中，而玻璃鋼內部是過冷液氮溫度(70K)，因此玻璃鋼杜瓦將由于溫度梯度產生較大的熱應力。此外，作用在杜瓦上的壓力差、重力載荷還將產生機械應力。在滿足強度要求的前提下，用于超導電抗器的玻璃鋼杜瓦應具備盡可能低的低溫熱負荷。

2玻璃鋼杜瓦介紹

2．1材料用于制作超導電抗器的玻璃鋼具有無磁、絕緣、低導熱的特點以及良好的低溫力學性能。然而，玻璃鋼材料具有較高的出氣率，因此，針對采用玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料制作的超導電抗器玻璃鋼杜瓦，可通過定期抽真空的方法維持杜瓦夾層的真空度［4－8］。玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料可采用玻璃纖維絲或自玻璃纖維帶增強環氧樹脂，考慮到用于超導電抗器的玻璃鋼杜瓦尺寸較大，采用玻璃纖維絲增強環氧樹脂不僅纏繞的難度較大并且纏繞的工作量巨大，因此超導電抗器中的玻璃鋼杜瓦采用玻璃纖維帶增強環氧樹脂復合材料G10，其力學參數和熱導率如表1、圖1所示(X、Y向為纖維方向，Z向為纖維層間方向)。

2．2結構如圖2所示，用于超導電抗器的玻璃鋼杜瓦本體采用雙層真空結構，而封蓋采用非真空結構，封蓋上平板和U形圓環之間充滿低導熱系數輕質軟材料，以形成低傳導熱固體傳熱的目的，這種結構降低了封蓋的制造難度。杜瓦本體為雙層結構，外層用于真空保持，內層用于盛裝液氮和高溫超導線圈等冷質部件。在內層的外表明包裹多層絕熱材料以降低來自外層的輻射熱。

3玻璃鋼杜瓦分析

3．1傳熱分析玻璃鋼杜瓦的仿真模型如圖3所示。液氮容器中液氮高度:低于封蓋下平面20mm。杜瓦封蓋內部充滿輕質軟材料，杜瓦外層和內層之間為真空，內層(液氮容器)外表面包裹多層絕熱材料。當多層絕熱材料包裹0、10、20、40層，冷卻油溫為323K［9］，液氮溫度為70K，對于整個液氮容器，70K液氮的低溫熱負荷分別為1328．60W、247．01W、158．48W、117．22W。因此液氮容器外表面包裹多層絕熱材料是必須的，考慮到杜瓦內層和外層之間的距離限制，包裹的多層絕熱材料定為40層。圖4是液氮容器外表面包裹40層多層絕熱的溫度分布云圖。圖中顯示杜瓦液氮容器在液氮面以上部分具有較高的溫度梯度。

3．2結構分析(1)機械應力完成傳導+輻射熱分析之后將分析類型從Thermal轉到Structural，熱分析單元Solid70被轉為Solid185單元。因為超導電抗器通電運行的過程中先后經歷了抽真空和降溫，因此首先對杜瓦進行壓力差、重力作用下的機械應力分析。在杜瓦外表面和液氮容器內表面施加1bar壓力，定義重力加速度為9．8m/s2，在液氮容器底部沿重力方向施加液氮和冷質部件的重力6kN。對模型的對稱面施加對稱約束，對模型的下底面內側環線施加全約束，外環線施加重力方向的約束。圖5、6、7的分析結果顯示杜瓦最大變形約為0．52mm，最大Von．Mises應力為12．9MPa，最大剪切應力為5．29MPa，遠低于玻璃鋼材料的許用剪切應力30MPa。因為玻璃鋼材料的破壞主要來自剪切應力，因此杜瓦在抽真空過程中強度足夠。(2)機械應力+熱應力完成機械應力分析之后導入熱分析的結果文件，圖8、9、10的分析結果顯示杜瓦最大變形約為0．51mm，最大Von．Mises應力為114MPa，杜瓦最大剪切應力為56．2MPa，位于杜瓦本體的內層與外層結合部位，如圖11所示。因為杜瓦溫度梯度產生的熱應力遠大于機械應力，熱應力是引起杜瓦損壞的主要因素。與許用剪切應力相比，機械應力+熱應力下杜瓦的抗剪切強度有待進一步加強，下一步將通過結構的進一步優化降低杜瓦內層和外層結合部位的剪切應力。

4結論

(1)內層外表面包裹多層絕熱材料對降低來自外層的熱輻射至關重要。(2)玻璃鋼的應力主要來自溫度梯度產生的熱應力。(3)玻璃鋼杜瓦的最大剪切應力位于內層和外層在上部的結合部位。

參考文獻

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作者：胡南南 馬宏明 陳清清 朱銀鋒 單位：福建省莆田市第一醫院云南電網有限責任公司電力科學研究院