[发明专利]一种基于多物理场耦合仿真三相同轴超导电缆设计的方法

权利要求书

1.一种基于多物理场耦合仿真三相同轴超导电缆设计的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、确定三相同轴超导电缆基本结构，将超导电缆本体由内至外按结构划分为承载液氮流通的支撑管、A相超导层、PPLP绝缘层、B相超导层、PPLP绝缘层、C相超导层、PPLP绝缘层、接地相、保护层及低温恒温器，以上各层结构都沿同轴的方式排列；

其中，所述PPLP绝缘层是聚丙烯层压纸PPLP缠绕组成的绝缘层；所述低温恒温器由两个不同半径的波纹管同轴套制而成，管间空隙铺设铜箔及低热导率材料并经过真空处理；

所述A相超导层、B相超导层和C相超导层均是由YBCO超导带材按事先指定的绕制角绕制而成；

S2、根据短路热稳定原则得到支撑管与接地相的横截面大小，计算公式如下：

式中，I_sc为短路电流，单位A；t_sc为短路电流时间，单位s；C为热稳定系数，通过电工手册查询获得取值；K₁为安全裕度系数；

S3、根据超导电缆本体额定电流及YBCO超导带材单根临界电流，考虑磁、热循环引起YBCO超导带材临界电流退化率及超导电缆本体运行的安全裕度，得到A相、B相、C相超导层中每相YBCO超导带材所需绕制的根数：

式中，K_t为考虑由应力、热循环、磁场所引起的临界电流退化程度及安全裕度的系数；I_n为超导电缆本体额定电流，单位A；I_sc为YBCO超导带材单根临界电流值，单位A；

S4、根据击穿场强理论，从工频电压、冲击电压及局放电压三个角度综合考虑，分别得到PPLP绝缘层与保护层的厚度，计算公式如下：

式中，V_ac、V_imp、V_m分别为工频电压、超导电缆本体冲击电压及局放电压时超导电缆本体工作最高电压，单位kV；K₁对应电压类型下老化系数；K₂为对应电压类型下温度系数；K₃为对应电压安全裕度；E_ac、E_imp、E_m分别为工频电压最小击穿强度、冲击电压下最小击穿强度及局放电压击穿强度，单位kV/mm；t_i为绝缘层厚度，单位mm；t_p为保护层厚度，单位mm；

S5、根据真空漏热原则得到低温恒温器真空部分的厚度：

式中，Q为每米电缆低温恒温器漏热，单位W/m；λ为有效热导率，单位W/(m·K)；T_h为环境温度，单位K；T_l为超导电缆内部运行温度,单位K；D₀为超导电缆本体恒温器外径，单位mm；D_i为超导电缆本体恒温器内径，单位mm；t_c为低温恒温器厚度，单位mm；

S6、采用有限元软件对三相同轴超导电缆基本结构进行仿真验证，将电磁场、温度场及流体场利用非等温恒流接口进行耦合，模拟电缆在液氮冷却下实际运行工况，得到电缆多物理场耦合仿真结果，并根据结果采集A相、B相、C相超导层及液氮轴向温度数据，对各采集路径一阶微分得到各相超导层及液氮沿轴向温升速率；

S7、通过对支撑管内液氮流速以及支撑管半径的调整两种方法改变液氮轴向温度分布情况，直至液氮及A相、B相、C相超导层沿轴向温升速率小于或等于工程应用下电缆轴向温升速率0.025K/m，然后根据满足上述条件下三相同轴超导电缆轴向温升速率，通过以下公式求得电缆在无中间冷却泵机下设计最大长度，计算公式如下：

式中，为三相同轴超导电缆轴向温升速率，单位m/s；l_max为电缆设计最大长度，单位m；T_max为液氮相变温度，单位K；T_in为液氮流入温度。

2.根据权利要求1所述的一种基于多物理场耦合仿真三相同轴超导电缆设计的方法，其特征在于，所述步骤S6中，采用有限元软件对超导电缆本体进行电磁场仿真，将仿真结果中电场分布情况与PPLP饱和击穿场强35kV/mm进行对比，若电场模大于35kV/mm，则以0.1mm为步长逐步增加PPLP厚度直至电缆绝缘部分场强处处小于35kV/mm。