本发明专利技术涉及电力系统输变电领域的一种超导电缆／母线本体的设计方法。该方法的实现步骤如下：建立超导电缆／母线的等效电路模型；根据超导带材的机械特性，确定超导电缆／母线本体的绕制螺旋角范围；利用超导带材临界电流的各向异性，根据运行电流确定超导电缆／母线本体各层上磁场位型（磁场大小和方向）分布，确定电缆／母线各层上的临界电流；再以各层上运行电流与其临界电流比值相等为原则，对于绕制螺距进行迭代计算，得到绕制螺距参数。本方法利用超导带材的机械和电磁特性，设计的超导电缆／母线本体不增加绕制工艺难度，提高了超导电缆／母线带材利用效率，并具有损耗低的优点。本方法还具有简单、实用等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种超导电缆/母线本体的设计方法，属于电力系统输变电领域。
技术介绍
近几年来，高温超导材料的制备技术取得了重大的进展，这大大地加速了高温超导电力技术的发展。由于采用具有很高无阻传输电流密度的高温超导材料作为导体和采用液态氮作为冷却介质，高温超导电缆/母线将具有体积小、重量轻、损耗低、无火灾隐患的优点；因此，高温超导电缆/母线在大电流中低压电力传输方面，如从发电机到升压变压器及城市变电站到用户之间电流一般在10kA～26kA之间，电解、电镀行业一般电流为320kA，最高达到350kA。因此，高温超导电缆/母线在大电流中低压电力传输方面如发电机到变电站、电解/冶炼等短距离大电流传输等应用方面具有广阔的应用前景。 目前，国际上正在积极研发的高温超导电缆/母线研究开发，所有电缆都采用正反螺旋绕制方法，基本消除轴向磁场对超导材料的影响，已有多个样机试验运行。但是，所有的高温超导电缆/母线设计均采用均流的方法使得每层上超导带材传输电流相等的方法进行设计。由于高温超导材料在液氮温区随着磁场的增加，临界电流衰减非常厉害。这样超导电缆/母线最外层导线处于最强的磁场中，临界电流衰减最大；以往的设计虽然对于层数较少(小于4层)，电流不大(小于10kA)的超导电缆/母线有效，但是对于层数多，电流大的超导电缆/母线设计并非最佳。因为这种设计原则上使得每根超导带材工程电流密度相等，而各层上超导带材临界电流不同，最外层临界电流最小，最内层临界电流最大；这样，传输电流与临界电流的比值从内层到外层依次减小，导致传输交流损耗增加。对于大电流超导电缆/母线设计，这种方法并不是最佳方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有超导电缆/母线设计中存在的缺点，根据超导材料的电磁特性，提出一种针对大电流超导电缆/母线的设计方法。 该方法是根据超导电缆/母线的等效电路模型，通过调节导体各层的螺距和绕制螺旋角来改变各层导体的电感，以达到各层传输电流与临界电流比值相等，从而计算出绕制螺距参数，实现该方法具体步骤如下 1)建立超导电缆/母线的等效电路模型； 2)根据超导带材的机械特性，确定超导电缆/母线本体的绕制螺旋角范围； 3)利用超导带材临界电流的各向异性，根据运行电流确定超导电缆/母线本体各层上磁场大小和方向，确定所述超导电缆/母线本体各层上的临界电流； 4)以各层上运行电流与其临界电流比值相等，对于绕制螺距进行迭代计算，得到绕制螺距参数。 所述等效电路模型为 其中，Ui、Ri、Li、Mij和ω分别是电缆上第i层超导线上的电压、接头电阻、自感、与第j层的互感和圆频率；i，j的取值范围分别为1≤i≤n，1≤j≤n。 所述步骤2)中绕制螺旋角θ的范围为 其中εt为带材的自由热收缩率，εs为带材在冷却过程中的应变，εp为螺距的变化率，εγ为导体层的径向收缩率，r为带材绕制半径，R为带材的临界弯曲半径。 所述高温超导电缆/母线本体 各层导体单位长度的自感 当rj＞ri时，第i层与第j层单位长度的互感为 其中，Lpi为第i层导体的螺距，D为电缆/母线电磁屏蔽层的半径，Ri为第i层的电阻，ri为第i导体层的半径，当第i层与第j层缠绕方向一致时，αiαj取1，相反时取-1，这样可以使电缆轴向磁场相互抵消，只存在环向磁场即平行于超导带材表面的磁场。Ii是超导电缆/母线第i层带材通过的电流，ii是该导体第i层上每根超导带通过的电流；w和gi分别表示单根带材的宽度和同层带材间的间隙，θ表示螺旋绕制角，Ii表示第i层每根带材的电流。 所述电缆/母线上任何位置超导带材的临界电流为 高温超导带材在液氮温区临界电流具有强烈的各向异性，θ为磁场B与带材宽面的夹角，Bcosθ为平行于带材表面的磁场分量，Bsinθ为垂直于带材表面的磁场分量； Ic∥和Ic⊥分别为平行场和垂直场下超导线材的临界电流，Ic(0)为自场下超导带材的临界电流。 超导电缆/母线的交流损耗在工频下主要是磁滞损耗。超导电缆/母线中，磁场是环向方向，即平行于超导带材表面，第m层导体的带材在外场中产生的磁滞损耗(W/m)为 βp是超导带材的穿透磁场，CA是超导带材超导芯的有效截面积，βm＝Bpm/Bp，Bpm是带材表面的平行磁场幅值，Bp是完全穿透场；im＝Ipm/Imc(B，θ)，Ipm是超导带材电流幅值，Imc(B，θ)是第m层超导带材所处位置磁场位型(磁场大小和方向)下的临界电流。正常运行情况下，超导电缆/母线每层导体运行电流必须小于其临界电流即im＜1。因此，在超导输电应用中，超导带材处于低场环境中，而且im＜1。如果各层im相等，亦即im是常数即各层传输电流与其临界电流比值相等，由(10)可知交流损耗达到最小。高温超导电缆/母线总的交流损耗为各层交流损耗之和即 Nm为第m层上超导带材的根数，n是层数。 所述步骤4)中令各层上运行电流与其临界电流比值相等，其实现过程如下 所使用的n层超导电缆/母线本体的等效电路模型 I1，I2，...In分别为流经导体第1层，第2层……第n层的电流；R1，R2，...Rn分别为导体第1层，第2层……第n层接头(焊接)电阻；U1，U2，...Un分别为导体第1层，第2层……第n层的电压；L1，L2，...Ln分别为导体的第1层，第2层……第n层的自感；M12，...M1i，...M1n分别为导体第1层，第2层……第n层的互感。 超导电缆/母线载流能力强，运行时产生的磁场较大，且磁场从里到外依次增大，根据图1，各层带材的临界电流因磁场而退化的程度不同，里层退化最少，外层退化较大。通过调节感抗，进而调节各层电流分布，使得层传输电流值与该层临界电流值之比相等，以常数k表示，即k＝Ii/IiB，IiB为第i层单根带材的临界电流值，它是关于磁场、传输电流、螺距的函数 IiB＝f(LP1，Lp2，.......，Lpn，I1，I2.......In) (7) 求解方程(1)，令方程(1)中U1＝U2＝...Un(并联电路)，R1＝R2＝...Rn＝0(工频交流运行工况下，感抗远远大于阻抗)，Ii为给定值即第i层超导电缆层流过的电流；iiB为超导电缆第i层上每根超导带材上的临界电流； Lpi是电缆/母线第i层的绕制螺距 以Lpi为变量，以(8)代替(5)，解非线性方程组，得到方程组的解，得到各层的螺距，即完成导体层的设计。 在计算过程中，(6)与带材的特性有关，可用迭代法实现求解，所述迭代法计算，其具体步骤如下 第一步令IiB＝Ic，Ic是导体第i层带材自场下的临界电流值，计算出电缆/母线螺距Lpi′，然后根据Lpi′计算得IiB′。 第二步令IiB＝IiB″，并计算Lpi″，根据Lpi″计算得IiB″。 第三步根据载流分布，用商业软件很容易计算出电缆/母线导体各层上的磁场分布，根据公式(6)计算各层上超导带材的临界电流Ic(B，θ)，进而求出ki； 第四步进行多次迭代，直到满足时，迭代结束，得到导体层优化设计结果。 本专利技术的有益效果 本方法是以超导电缆/母线各层上的传输电流与其临界本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高温超导电缆／母线本体的设计方法，其特征在于，该方法是根据超导电缆／母线的等效电路模型，通过调节导体各层的螺距和绕制螺旋角来改变各层导体的电感，以达到各层传输电流与其临界电流比值相等，从而计算出绕制螺距参数，实现该方法具体步骤如下： １）建立超导电缆／母线的等效电路模型； ２）根据超导带材的机械特性，确定超导电缆／母线本体的绕制螺旋角θ的范围； ３）利用超导带材临界电流的各向异性，根据运行电流确定超导电缆本体各层上磁场大小和方向，确定所述超导电缆／母线本体各层上的临界电流； ４）以各层上运行电流与其临界电流比值相等，对于绕制螺距进行迭代计算，得到绕制螺距参数。
【技术特征摘要】
1.一种高温超导电缆/母线本体的设计方法，其特征在于，该方法是根据超导电缆/母线的等效电路模型，通过调节导体各层的螺距和绕制螺旋角来改变各层导体的电感，以达到各层传输电流与其临界电流比值相等，从而计算出绕制螺距参数，实现该方法具体步骤如下1)建立超导电缆/母线的等效电路模型；2)根据超导带材的机械特性，确定超导电缆/母线本体的绕制螺旋角θ的范围；3)利用超导带材临界电流的各向异性，根据运行电流确定超导电缆本体各层上磁场大小和方向，确定所述超导电缆/母线本体各层上的临界电流；4)以各层上运行电流与其临界电流比值相等，对于绕制螺距进行迭代计算，得到绕制螺距参数。2.根据权利要求1所述的一种高温超导电缆/母线本体的设计方法，其特征在于，所述步骤1)中等效电路模型为其中，Ui、Ri、Li、Mij和ω分别是电缆上第i层超导线上的电压、接头电阻、自感、与第j层的互感和圆频率；i，j的取值范围分别为1≤i≤n，1≤j≤n。3.根据权利要求1所述的一种高温超导电缆/母线本体的设计方法，其特征在于，所述步骤2)中绕制螺旋角θ的范围为其中εt为带材的自由热收缩率，εs为带材在冷却过程中的应变，εp为螺距的变化率，εγ为导体层的径向收缩率，r为带材绕制半径，R为带材的临界弯曲半径。4.根据权利要求1所述的一种高温超导电缆/母线本体的设计方法，其特征在于，所述高温超导电缆/母线本体各层导体单位长度的自感当rj＞ri时，第i层与第j层单位长度的互感为其中，Lpi为第i层导体的螺距，D为电缆/母线电磁屏蔽层的半径，Ri为第i层的电阻，ri为第i导体层的半径，当第i层与第j层缠绕方向一致时，αiαj取1，相反时取-1，Ii是第i层导体通过的电流，w和gi分别表示单根带材的宽度和同层带材间的间隙，θ表示螺旋绕制角，ii表示第i层每根超导带材的电流。5.根据权利要求1所述的一种高温超导电缆/母线本体的设计方法，其特征在于，所述步骤3)中的临界电流为高温超导带材在液氮温区临界电流具有强烈的各向异性，θ为磁场B与带材宽面的夹角，Bcosθ为平行于带材表面的磁场分量，Bsinθ为垂直...
【专利技术属性】
技术研发人员：王银顺，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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