[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

说明书

本发明公开了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，该方法根据短路热稳定原则、电缆额定电流、击穿场强理论、真空漏热原则分别确定三相同轴超导电缆本体结构中支撑管与接地相、超导层、绝缘层及保护层、低温恒温器的参数；通过二维电磁场仿真得到超导带材的交流损耗的同时验证PPLP(聚丙烯层压纸)绝缘层设计可靠性；将电磁场加入热‑流体耦合仿真实现多物理场耦合仿真；采用分析轴向温升的方式，根据轴向温升速率判断电缆是否满足设计要求，并得到在无中间冷却泵机下三相同轴超导电缆设计长度。本发明通过多物理场耦合仿真验证结构可靠性的设计，能较准确模拟电缆在液氮环境下的工况，弥补技术领域上的空白。

技术领域

本发明涉及高温超导技术领域，具体涉及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。

背景技术

高温超导电缆因其具有体积小，重量轻，损耗小等优点在相较于传统电缆电能传输具有较大优势，在输配电行业具有巨大发展潜力，而其电缆本体是作为系统中传输电能的重要结构。

相较于普通单相或三相平行超导电缆，三相同轴超导电缆通过将三相绕制在同一根铜骨架上，节省了液氮通道的体积及绝缘材料用量。在节约了成本的同时，减小了占地空间，其经济效益对超导电缆发展具有重要的作用。

国内关于电缆本体的设计大多对于单相或三相平行超导电缆进行的，在三相同轴超导电缆设计上还处于突破阶段，而关于三相同轴超导电缆的设计，不仅要解决绝缘的问题，还需考虑交流损耗及电缆环境漏热量对长度限制的问题，故通过多物理场耦合仿真分析对三相同轴超导电缆设计的研究刻不容缓。

发明内容

本发明的目的在于突破现有单相及三相平行超导电缆设计的限制，提供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，具体给出三相同轴超导电缆本体结构及长度设计，从而弥补三相同轴超导电缆设计的空白。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种多物理场耦合仿真的三相同轴超导电缆设计的方法，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，PPLP绝缘层是聚丙烯层压纸PPLP缠绕组成的绝缘层；

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；

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；

其中，YBCO超导带材又称钇钡铜氧超导带材。

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，设定值为额定电流的10倍，即10kA；t_sc为短路电流时间，短路时间设为1s；热稳定系数C通过电工手册可查得为安全裕度系数K₁取1.1；

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超导带材需要绕制的根数：

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，取值0.7；I_n为超导电缆本体额定电流，设定值为1kA；I_sc为YBCO超导带材单根临界电流值，取值120A；