[發明專利]一種雙極同軸高溫超導直流電纜均流的設計方法

在審

• 申請號: 202110835847.1
• 申請日: 2021-07-23
• 公開（公告）號: CN113707389A
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發明（設計）人: 孟紫晴;王銀順;皮偉;劉偉;王儉
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: H01B13/00
• 分類號: H01B13/00;H01B7/17;H01B7/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種雙極同軸高溫超導直流電纜的設計方法，綜合考慮雙極同軸結構的高溫超導直流電纜在運行時產生動態電阻使得按照傳統設計方法設計的高溫超導直流電纜各層超導層電流分布不均的問題，提出了一種新的設計方法，在設計各層超導帶材纏繞的螺旋角時，計及動態電阻以及接觸電阻的分流作用，實現了雙極同軸高溫超導直流電纜運行在實際工況下也可以實現均流的目的，交流損耗也可以進一步減少，提高其運行穩定性；超導帶材的利用率大幅提高，大幅度降低制造成本。

技術領域

本發明屬于電力系統輸變電領域，涉及一種可以使得雙極同軸高溫超導直流電纜均流的結構的設計方法。

背景技術

與傳統電纜相比，高溫超導直流電纜不但可以降低損耗，還可以在較低的電壓情況下提供更大容量的輸電能力，因此高溫超導直流電纜在當下大力發展遠距離大容量輸電的背景下有著廣闊的發展前景。

目前關于高溫超導直流電纜設計均采用均流方法，即按照超導電纜每一層傳輸相同電流的想法進行設計，仿照高溫超導交流電纜的設計，在計算相關參數時忽略所有電阻。這種設計對于高溫超導交流電纜可以實現均流，但是根據國內外的相關文獻研究表明，當傳輸直流電流的高溫超導電纜暴露在交流磁場中，當磁場幅值超過磁場閾值時，電纜內部會出現一種可測量的電阻，即動態電阻。動態電阻會使得高溫超導直流電纜的電流在各層分布不均，即按照傳統的原則進行設計，并不能按照我們所預想的達到各層電流均勻分布的情況，從而會使得交流損耗進一步增大，運行裕度也進一步降低。這樣的設計會制約高溫超導直流電纜發揮其最大優勢，也是目前大電流高溫超導直流電纜從實驗室走向實際應用的瓶頸問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對背景技術中所述現有高溫超導直流電纜設計中存在的問題，考慮由于交流紋波的存在，高溫超導直流電纜中會有動態電阻的影響，提出一種新的高溫超導直流電纜的設計方法，使得在高溫超導直流電纜暴露在交流磁場下產生動態電阻的情況下各層電流依舊能夠均勻分布，交流損耗降低，運行穩定性提高。具體方案如下：

1)按照預設工作電壓及工作電流確定雙極同軸高溫超導直流電纜的骨架內外半徑、內絕緣、主絕緣和外絕緣的厚度、正負極兩層超導層所需要的超導帶材的總根數以及接觸電阻大小；

2)根據交流紋波比及超導帶材的尺寸計算各層超導層動態電阻的大小；

3)根據雙極同軸超導直流電纜的等效電路模型列寫等效電路方程，在考慮動態電阻的前提下根據均流設計的原則以及符合帶材機械強度的情況下，最終確定電纜的超導帶材各層纏繞的螺距與螺旋角。

所述步驟3)中超導電纜正極和負極的等效電路方程：

式中：n為導體層的層數，對于一個正極p層負極q層的雙極同軸高溫超導電纜，正向n取p，反向n取q，U_i表示每層導體層的電壓，I_i表示第i層導體層的電流，L_i表示第i層導體層單位長度的自感，M_i,j表示第i層和第j層之間單位長度的互感，R_i表示對整個電纜長度取平均后第i層與連接終端之叫的電阻以及動態電阻。w是角頻率，左邊的j表示虛部單位。

式中忽略了骨架的影響，因為在正常工作中流過它們的電流很小。

本發明的有益效果為：本發明是雙極同軸高溫超導直流電纜的設計方法，不同于傳統的高溫超導直流電纜的設計方法，忽略掉所有電阻的影響，即記R＝0，本文提出將動態電阻以及接觸電阻考慮進去，按照均流設計的原則解等效電路方程，計算出螺距與螺旋角。通過本方法設計的雙極同軸高溫超導直流電纜，動態電阻小，各層電流分布也比傳統設計更加均勻，交流損耗也隨之降低，運行穩定性也相應有所提高。

因此，本發明對于直流傳輸大容量超導電纜的研發具有很大的應用價值。

附圖說明

圖1為本發明實施例一個雙極同軸高溫超導直流電纜的結構示意圖；