[发明专利]一种高温超导导体电流密度分布的仿真分析方法

说明书

本发明提出了一种考虑超导带材整体利用率的高温超导直流系统电流密度分布的仿真分析方法，首先对高温超导直流电缆导体建立三维模型，并通过求解三维模型得到超导导体上的电流分布，优化超导带材螺距来改善带材的整体利用率，使得每根超导带材上电流分布均匀且带材的用量较少。

技术领域

本发明属于超导电缆设计领域，特别涉及一种考虑超导带材利用率的高温超导导体电流密度分布的仿真分析方法。

背景技术

高温超导电缆能够在较低的传输损耗下实现极大容量的电流传输，是一种在有限空间内实现能量传输的极佳方式。超导直流电缆由于电阻为0，能真正发挥出超导电缆的性能。单独使用超导电缆需要配备相应的冷却设备，这会增加输电系统的复杂性。超导能源管道能够同时传输电能和液化天然气，为高温超导电缆的运行提供了一个比较适合的低温环境，在超导能源管道中同时利用超导电缆传输电能极大提升了能量传输的效率，管道的经济性显著增长。天然气的主要成分是甲烷，其凝固温度在90K左右，而高温超导带材的工作温度至少要在90K以下，通过在液化天然气中添加乙烷、丙烷等天然气次要成分可利用混合物固液平衡特性使其凝固点降低，最低可降至61K左右，故继而可通过制冷技术将液化天然气的温度降至85K-90K左右。而在90K的温度环境下，超导电缆的临界电流密度是77K的一半，所以在液化天然气管道中使用超导电缆时尤其要关心导体上的电流分布，也即超导带材的利用率问题。

目前对于超导直流电缆的导体设计还很少，并且没有一个统一的设计准则，大多数超导直流电缆导体设计仍是采用超导交流电缆导体设计的指导原则——通过让电流均匀分布在每层超导带上来尽量减少交流损耗。目前双极型超导直流电缆的结构主要是双极同轴型。由于高温超导输电在将来能够极大提升电网输电能力，在城市电网升级中起到重要作用，因此本发明提出一种考虑超导带材整体利用率的高温超导直流系统电流密度分布的仿真分析方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种考虑超导带材整体利用率的双极性高温超导直流系统中的超导导体电流密度分布的仿真分析方法。

本发明提出了一种双极性高温超导直流系统的超导导体电流密度分布的仿真分析方法，所述双极性高温超导直流系统包括高温超导直流电缆，所述高温超导直流电缆的超导导体呈螺旋形缠绕，其特征在于，超导导体电流密度分布的仿真分析方法包括如下步骤：

步骤1)在COMSOL软件中建立高温超导直流电缆的超导带材的三维模型：

建立超导带材和空气域的横截面，设置一条三维螺旋曲线，三维螺旋曲线的轴向长度为L＝P/m，其中P为超导带材的螺距，m为超导带材的根数；将超导带材和空气域的横截面沿着该三维螺旋曲线进行扫掠，得到三维模型；

步骤2)设置超导带材的三维模型参数：

2.1)通过E-J特性设置高温超导导体的电场和电流密度的非线性关系：

式(1)中，E_c为超导材料失去超导态时的场强大小，取标准值1×10^-4V/m；J为超导带材运行时的电流密度；J_c为超导带材的临界电流密度，n表征超导体从超导态向正常态转变的速率的一个拟合值，取值为10-30；

2.2)在超导带材横截面外的闭合方形积分路径上通过逐点约束来加载电流：

式(2)中，H_i为闭合方形积分路径上的磁场强度，L_i为积分路径长度，构成闭合的方形积分路径；设置所加电流I₀为各根高温超导带材的临界电流之和的一半；

步骤3)在COMSOL软件中采用瞬态求解器，通过缓慢加电流的方式来让模型逐渐收敛，采用的瞬态电流表达式为：