[发明专利]一种螺旋多层超导电缆交流损耗的计算方法

说明书

技术领域

本发明属于超导电工技术领域，具体涉及一种螺旋多层超导电缆交流损耗的计算方法。

背景技术

随着我国经济和社会的快速发展，人们对电能的需求量日益增长，电力系统不断向更大规模方向发展，各区域电网之间联络越来越紧密，对电能品质和供电可靠性提出更高要求，对电气设备的环保和节能要求更严格。

由于传统电力电缆中存在着电阻，使得不少电能转化为热能消耗在输电过程中。据统计，采用常规电力电缆进行输电，约有15%的电能损耗在输电线路上。仅在我国，每年的电力损失即达1000多亿度。采用无阻和高临界电流密度的高温超导材料作为导体的超导电缆，因其损耗低、传输容量大、无电磁辐射和无线电干扰、节约输电空间以及环境友好等诸多优点，被认为是电力工业新技术的突破口，蕴涵巨大的经济和社会效益。

冷绝缘高温超导电缆结构紧凑，具有体积小、容量大、损耗低、无电磁污染等优点，在未来的高温超导输电领域将得到大规模的应用。由于高温超导电缆运行在大载流、高传输容量下，超导带材中的铜稳定层等其他材料会因交流磁场而产生磁滞和涡流损耗，这些交流损耗累积到一定程度后会引起温度升高，对超导电缆运行产生影响，因此直接关系到超导电缆的运行成本及稳定性。只有当超导电缆的交流损耗足够低时，超导电缆相比于常规电缆的优越性才能充分体现出来，所以高温超导电缆交流损耗是其电力应用研究的最重要内容之一。建立高温超导电缆交流损耗计算方法理论，对推进高温超导电缆输电系统安全可靠运行有着重要的意义。

超导体交流损耗最基本的方法是对超导体内产生的感应电场E和感生电流密度J进行积分，结合E-J求解麦克斯韦方程的过程。但是超导体内E-J关系复杂，很难准确的描述。Bean临界电流模型及Norris方程的提出使得超导体的交流损耗计算复杂度大幅降低，后来许多学者又对Bean临界电流模型进行了改进和拓展。事实证明工频下Bean模型计算超导体的交流损耗仍然是最简单有效的一种模型。关于高温超导带材交流损耗的计算国内外已经做了很多工作，但有关高温超导电缆交流损耗的计算方法还不多。

螺旋多层冷绝缘高温超导电缆结构复杂，目前其交流损耗的研究更多是关于实验测量方面，理论计算只是用经验公式或计算模型进行估算，并且在计算过程中未全面考虑重要状态变量对计算结果的影响，因此冷绝缘高温超导电缆交流损耗计算缺少一种系统、简单实用的方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种螺旋多层超导电缆交流损耗的计算方法，通过建立螺旋多层高温超导电缆等效电路模型，实现导电层（包括导体层和屏蔽层）冷绝缘高温超导电缆各层电流及磁场分布，然后根据超导电缆导电层分流情况，计算获得超导电缆交流损耗。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种螺旋多层超导电缆交流损耗的计算方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：计算超导电缆中各导电层电流；

步骤2：计算超导电缆中各导电层的磁场；

步骤3：计算各导电层的临界电流退化率；

步骤4：计算超导电缆交流损耗。

所述步骤1中，通过建立螺旋多层高温超导电缆等效电路模型，进而计算超导电缆中各导电层电流，所述导电层包括导体层和屏蔽层。

建立的螺旋多层高温超导电缆等效电路模型为：将超导电缆第i层导电层等效为等效自感L_i和等效电阻r_i的串联，导电层与导电层之间等效互感为M_ij；其中下标i和j均为导电层编号，且i,j＝1,2,…,n，n为导电层层数，其中导体层层数为m层，屏蔽层为n-m层；

其中，等效自感L_i为环向磁通自感L_ci和轴向磁通自感L_ai之和，即：

L_i＝L_ci+L_ai   （1）

其中，L_ci和L_ai分别表示为：