[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

本發明公開了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，該方法根據短路熱穩定原則、電纜額定電流、擊穿場強理論、真空漏熱原則分別確定三相同軸超導電纜本體結構中支撐管與接地相、超導層、絕緣層及保護層、低溫恒溫器的參數；通過二維電磁場仿真得到超導帶材的交流損耗的同時驗證PPLP(聚丙烯層壓紙)絕緣層設計可靠性；將電磁場加入熱?流體耦合仿真實現多物理場耦合仿真；采用分析軸向溫升的方式，根據軸向溫升速率判斷電纜是否滿足設計要求，并得到在無中間冷卻泵機下三相同軸超導電纜設計長度。本發明通過多物理場耦合仿真驗證結構可靠性的設計，能較準確模擬電纜在液氮環境下的工況，彌補技術領域上的空白。

技術領域

本發明涉及高溫超導技術領域，具體涉及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。

背景技術

高溫超導電纜因其具有體積小，重量輕，損耗小等優點在相較于傳統電纜電能傳輸具有較大優勢，在輸配電行業具有巨大發展潛力，而其電纜本體是作為系統中傳輸電能的重要結構。

相較于普通單相或三相平行超導電纜，三相同軸超導電纜通過將三相繞制在同一根銅骨架上，節省了液氮通道的體積及絕緣材料用量。在節約了成本的同時，減小了占地空間，其經濟效益對超導電纜發展具有重要的作用。

國內關于電纜本體的設計大多對于單相或三相平行超導電纜進行的，在三相同軸超導電纜設計上還處于突破階段，而關于三相同軸超導電纜的設計，不僅要解決絕緣的問題，還需考慮交流損耗及電纜環境漏熱量對長度限制的問題，故通過多物理場耦合仿真分析對三相同軸超導電纜設計的研究刻不容緩。

發明內容

本發明的目的在于突破現有單相及三相平行超導電纜設計的限制，提供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，具體給出三相同軸超導電纜本體結構及長度設計，從而彌補三相同軸超導電纜設計的空白。

本發明的目的可以通過采取如下技術方案達到：

一種多物理場耦合仿真的三相同軸超導電纜設計的方法，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，PPLP絕緣層是聚丙烯層壓紙PPLP纏繞組成的絕緣層；

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；

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；

其中，YBCO超導帶材又稱釔鋇銅氧超導帶材。

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，設定值為額定電流的10倍，即10kA；t_sc為短路電流時間，短路時間設為1s；熱穩定系數C通過電工手冊可查得為安全裕度系數K₁取1.1；

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超導帶材需要繞制的根數：

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，取值0.7；I_n為超導電纜本體額定電流，設定值為1kA；I_sc為YBCO超導帶材單根臨界電流值，取值120A；