[發明專利]一種基于多物理場耦合仿真三相同軸超導電纜設計的方法

有效

• 申請號: 202010798217.7
• 申請日: 2020-08-10
• 公開（公告）號: CN112100809B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 何啟笛;劉剛;鐘枚汕;朱寧西
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F113/16
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 詹麗紅

1.一種基于多物理場耦合仿真三相同軸超導電纜設計的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

S1、確定三相同軸超導電纜基本結構，將超導電纜本體由內至外按結構劃分為承載液氮流通的支撐管、A相超導層、PPLP絕緣層、B相超導層、PPLP絕緣層、C相超導層、PPLP絕緣層、接地相、保護層及低溫恒溫器，以上各層結構都沿同軸的方式排列；

其中，所述PPLP絕緣層是聚丙烯層壓紙PPLP纏繞組成的絕緣層；所述低溫恒溫器由兩個不同半徑的波紋管同軸套制而成，管間空隙鋪設銅箔及低熱導率材料并經過真空處理；

所述A相超導層、B相超導層和C相超導層均是由YBCO超導帶材按事先指定的繞制角繞制而成；

S2、根據短路熱穩定原則得到支撐管與接地相的橫截面大小，計算公式如下：

式中，I_sc為短路電流，單位A；t_sc為短路電流時間，單位s；C為熱穩定系數，通過電工手冊查詢獲得取值；K₁為安全裕度系數；

S3、根據超導電纜本體額定電流及YBCO超導帶材單根臨界電流，考慮磁、熱循環引起YBCO超導帶材臨界電流退化率及超導電纜本體運行的安全裕度，得到A相、B相、C相超導層中每相YBCO超導帶材所需繞制的根數：

式中，K_t為考慮由應力、熱循環、磁場所引起的臨界電流退化程度及安全裕度的系數；I_n為超導電纜本體額定電流，單位A；I_sc為YBCO超導帶材單根臨界電流值，單位A；

S4、根據擊穿場強理論，從工頻電壓、沖擊電壓及局放電壓三個角度綜合考慮，分別得到PPLP絕緣層與保護層的厚度，計算公式如下：

式中，V_ac、V_imp、V_m分別為工頻電壓、超導電纜本體沖擊電壓及局放電壓時超導電纜本體工作最高電壓，單位kV；K₁對應電壓類型下老化系數；K₂為對應電壓類型下溫度系數；K₃為對應電壓安全裕度；E_ac、E_imp、E_m分別為工頻電壓最小擊穿強度、沖擊電壓下最小擊穿強度及局放電壓擊穿強度，單位kV/mm；t_i為絕緣層厚度，單位mm；t_p為保護層厚度，單位mm；

S5、根據真空漏熱原則得到低溫恒溫器真空部分的厚度：

式中，Q為每米電纜低溫恒溫器漏熱，單位W/m；λ為有效熱導率，單位W/(m·K)；T_h為環境溫度，單位K；T_l為超導電纜內部運行溫度,單位K；D₀為超導電纜本體恒溫器外徑，單位mm；D_i為超導電纜本體恒溫器內徑，單位mm；t_c為低溫恒溫器厚度，單位mm；

S6、采用有限元軟件對三相同軸超導電纜基本結構進行仿真驗證，將電磁場、溫度場及流體場利用非等溫恒流接口進行耦合，模擬電纜在液氮冷卻下實際運行工況，得到電纜多物理場耦合仿真結果，并根據結果采集A相、B相、C相超導層及液氮軸向溫度數據，對各采集路徑一階微分得到各相超導層及液氮沿軸向溫升速率；

S7、通過對支撐管內液氮流速以及支撐管半徑的調整兩種方法改變液氮軸向溫度分布情況，直至液氮及A相、B相、C相超導層沿軸向溫升速率小于或等于工程應用下電纜軸向溫升速率0.025K/m，然后根據滿足上述條件下三相同軸超導電纜軸向溫升速率，通過以下公式求得電纜在無中間冷卻泵機下設計最大長度，計算公式如下：

式中，為三相同軸超導電纜軸向溫升速率，單位m/s；l_max為電纜設計最大長度，單位m；T_max為液氮相變溫度，單位K；T_in為液氮流入溫度。

2.根據權利要求1所述的一種基于多物理場耦合仿真三相同軸超導電纜設計的方法，其特征在于，所述步驟S6中，采用有限元軟件對超導電纜本體進行電磁場仿真，將仿真結果中電場分布情況與PPLP飽和擊穿場強35kV/mm進行對比，若電場模大于35kV/mm，則以0.1mm為步長逐步增加PPLP厚度直至電纜絕緣部分場強處處小于35kV/mm。