CN110752575B - 一种三相同轴超导电缆应力锥 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三相同轴超导电缆应力锥，首先结合三相同轴超导电缆本体结构参数确定应力锥的基本结构参数；根据超导带材与铜层的接触情况选择带材与铜层之间的连接工艺；通过系统额定电流确定铜层横截面大小，确保应力锥具有足够的通流能力；受制于加工工艺，宜选用铜皮绕制的方法制作铜层，使铜层产生弧度符合设计需求，采用半导电层（碳纸）使得铜层表面光滑，达到均匀分散电场的目的；通过一定结构设计使得铜层与铜电流引线能够光滑连接；并通过电磁场仿真设计应力锥绝缘结构。本发明提供的设计，是一种可以分散电场、改善末端超导带材与铜管之间的电场分布，并实现电流引出的三芯同轴超导电缆终端结构，其设计方法准确分析整个应力锥电磁场分布情况，能准确模拟应力锥在液氮环境下的工作情况，弥补国内在该部分区域的空白。
Description
技术领域
本发明涉及高温超导技术领域，特别涉及一种三相同轴超导电缆应力锥。
背景技术
高温超导电缆因其具有体积小，重量轻，损耗小等优点在输配电行业具有巨大发展潜力，而应力锥是连接高温超导电缆与常规电缆的终端中的重要结构。现有研究表明，终端内电气绝缘成为电力事故频发的薄弱环节。应力锥在终端内起着改善电场分布的作用。
相比于普通的单相及三相平行超导电缆系统，三相同轴电缆系统本体通过将三相绕制在同一根铜骨架上，相比其它系统本体节省了液氮通道的体积及绝缘材料用量，在减少整个系统磁滞损耗的同时，还大大节约了成本。那么超导电缆本体末端的应力锥设计对整个系统的重要性则不言而喻了。
国内关于应力锥的设计都是对于单相超导电缆进行的，在三相超导电缆应力锥的研究上还是处于空白阶段，而关于三相超导电缆应力锥的研究，不仅要解决电气绝缘与接触电阻问题，还需考虑电流引出的问题，另外关于三相超导电缆应力锥在液氮环境工作时的电磁场情况还需进行仿真模拟。
发明内容
本发明的目的在于突破现有单芯超导电缆终端应力锥设计的限制，提供一种三相同轴超导电缆应力锥，从而弥补国内三芯同轴超导电缆终端设计的空白，具有实质和创新性设计意义。
本发明通过以下的技术方案实现：
一种三相同轴超导电缆应力锥，所述应力锥通过铜层与三相同轴超导电缆本体的超导带材压接；
所述铜层采用铜皮缠绕的方法制作而成，缠绕方式为：使后一层铜皮的缠绕长度比前一层铜皮的缠绕长度减小预设距离；；
所述半导电层上采用半缠绕的方式缠绕PPLP绝缘层；所述半缠绕方式为：半导电层一侧缠绕PPLP绝缘层，另一侧不缠绕直接与液氮接触；
所述铜层上部通过铜圆环与铜电流引线连接。
进一步的，采用ANSYS或者COMSOL对铜层与超导带材的接触点进行建模，在满足通流情况下，使铜层与超导带材的接触点能够在低于超导带材临界温度下工作，模拟得到满足条件的铜层与超导带材的接触电阻，并根据接触电阻确定超导带材与铜层压接的压接长度。
进一步的，所述铜层与超导带材压接的压接长度为40--60mm。
进一步的，所述应力锥结构中的铜层内径为25--30mm。
进一步的，根据三相同轴超导电缆系统额定工作电流，在满足铜电流引线载流量的前提下，确定铜电流引线截面积；所述铜层横截面大于铜电流引线截面积。
进一步的，根据铜电流引线截面积，确定铜电流引线长度，包括：
铜电流引线截面与长度最佳比值为：
其中，l为铜电流引线的长度，A为铜电流引线截面，
为铜平均热导率，I为系统额定电流，L0为平均洛伦兹常数，Th为外界室温温度，Tl为铜电流引线底部低温端温度。
进一步的，所述应力锥上部铜圆环直径为30-34mm。
进一步的，所述铜层起始厚度为1mm；所述铜层起始厚度是指应力锥与三相同轴超导电缆本体末端连接处铜层的厚度。
进一步的，所述PPLP绝缘层厚度为1-2mm。
进一步的，采用ANSYS或COMOSL对三相同轴超导电缆应力锥进行建模，通过电流物理接口进行电磁场仿真，对三相同轴超导电缆本体及对应的应力锥施加三相电压，地相及对应的应力锥接地。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明基于设计完成的三相同轴超导电缆本体，设计并建立与电缆本体连接的三相同轴超导电缆终端应力锥三维仿真模型，能够准确分析整个应力锥的电磁场情况，并能准确模拟实际的应力锥在液氮环境下工作情况，弥补了国内在该部分区域的空白。
附图说明
图1为三相同轴超导电缆终端应力锥设计流程图；
图2为三相同轴超导电缆本体结构示意图；
图3为三相同轴超导电缆终端应力锥三维仿真模型结构示意图；
图4为三相同轴超导电缆应力锥横截面(不包括电流引线)结构示意图；
图5为三相同轴超导电缆应力锥相序示意图；
图6为三相同轴超导电缆铜皮缠绕方式示意图；
图7为三相同轴超导电缆应力锥三维电磁场仿真结果示意图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种三相同轴超导电缆应力锥，参见图1，主要包括以下步骤：
步骤1，三相同轴超导电缆本体结构参见图2，包括，PPLP(聚丙烯层压纸)制成的绝缘层1，YBCO(钇钡铜氧)超导带材2，液氮3，铜支撑管4，铜接地相5，PPLP所制成的保护层6和低温恒温器7，低温恒温器7采用波纹管中加绝热材料抽真空方式制成，绝缘层1，保护层6和超导带材2均采用手工绕制或机械缠绕的方式进行安装。
三相同轴超导电缆终端应力锥的作用与单相超导电缆终端应力锥的作用有较大区别：单相超导电缆终端应力锥起到分散电场、改善末端超导带材与铜管之间的电场分布的作用；而三相同轴超导电缆应力锥在考虑分散电场的情况下还需考虑电流引线导出的问题。
结合表1中10kV电压等级的三相同轴超导电缆本体结构参数，确定应力锥结构中铜层内径范围为25--30mm。
表1三相同轴超导电缆本体结构参数
步骤2，设定应力锥结构中铜层与三相同轴超导电缆本体的超导带材之间采用压接工艺，压接长度范围为40--60mm。利用有限元仿真软件ANSYS或者COMSOL对铜层与超导带材压接的接触点进行建模。
已知超导体在临界温度以下电导率高达1020以上，可默认在液氮温度下(77K)超导带材(一代或二代)的电阻率为零，即默认在超导带材两端加载电流时不产生焦耳热；由于超导带材与铜层之间的过渡不可避免地涉及接触电阻，其接触电阻的大小与接触面积、接触部分的压力等因素有关，接触电阻值为uΩ数量级。
验证在满足通流情况下，铜层与超导带材的接触点是否能在低于超导带材临界温度下工作，模拟得到满足条件的接触电阻，确定超导带材与铜层之间的接触长度。若接触点温度超过超导带材临界温度将会导致超导带材失超，其失超电阻率远大于铜电阻率，会使接触部分进一步发热从而导致系统整体失超。本发明实施例中，确定铜层与超导带材的接触电阻在nΩ级，进而得到满足该接触电阻下的超导带材与铜层之间的压接长度在40--60mm范围内。
步骤3，通过系统额定工作电流确定铜层横截面大小，选取10kV三相同轴超导电缆系统，其额定工作电流为1kA。为留有足够裕度，本发明中铜电流引线载流量一律取常数，为2A/mm2，可得到铜层及铜电流引线的最小截面积为500mm2，本发明中铜电流引线截面积取500mm2，应力锥铜层由于其长度较短，产生的焦耳热较小，且其形状不规则，故其横截面满足大于500mm2的条件即可。
假设铜电流引线的横截面积处处相等，并且全部封闭在端头低温恒温器中，处于热稳定状态。铜电流引线与周围气体无热交换，上端温度为环境温度293K，下端温度为液氮温度70K。建立一维坐标，设铜电流引线上端(高温端)x＝0，下端(低温端)x＝l，即铜电流引线的长度为l。在整个铜电流引线处在热平衡状态时，位于任意点处的一个长度为x的引线微元上净流出的热量必须等于电流在其上产生的焦耳热，即满足微分方程：
式中，λ(T)为随温度T变化的材料热导率，W/(m·K)，ρ(T)为随温度T变化的材料电阻率，Ω·m；A为铜电流引线横截面，I为系统额定电流。
经推导后铜电流引线截面与长度最佳比值为：
式中，Th为外界室温温度，Tl为引线底部低温端温度，Th＝298K；Tl＝70K，I为系统额定电流，I＝1000A，
为铜平均热导率，
L0(ave)为平均洛伦兹常数，L0(ave)＝2.2×10-8，可得最佳比值约为4.46。
步骤4，铜层采用铜皮通过手工层层缠绕的方式制作而成，其具体缠绕方法如图6所示，采用该种缠绕方式能够使得后一层缠绕距离比前一层缠绕缩进一定距离，使得铜层具有弧度从而达到设计目的。
步骤5，采用铜皮缠绕而成的铜层表面仍有诸多尖角，采用半导电层(碳纸)缠绕在铜层表面使得铜层表面光滑，达到均匀分散电场的目的。
步骤6，为了使铜层与铜电流引线(电流引线为铜圆柱)能够光滑连接，应力锥上部铜圆环直径与铜电流引线保持相等，其值设定范围为30-34mm。
步骤7，为了防止相间应力锥之间流注放电，在应力锥的半导电层上缠绕厚度范围为1-2mm的PPLP(聚丙烯层压纸)绝缘层。在铜电流引线处，考虑到铜发热及PPLP导热性能等因素，采用半缠绕的方式，即一半的铜电流引线直接与液氮接触以保持良好的换热能力。其中，聚丙烯层压纸在液氮温度下的饱和绝缘击穿强度约为35kV/mm，满足设计要求。
完成上述设计步骤后，根据表1中的三相同轴超导电缆本体结构参数及表2中的应力锥设计参数，利用有限元仿真软件ANSYS或COMSOL对电缆终端进行建模，本发明中采用COMOSL建立三相同轴超导电缆应力锥三维模型，应力锥三维仿真模型结构参见图3，应力锥相序示意图参见图5，应力锥某一相横截面参见图4，图4中，包括由YBCO超导层2-1，PPLP绝缘层2-2，铜接地相2-3，铜支撑管2-4和液氮2-5构成的本发明实施例的三相同轴超导电缆应力锥的超导电缆本体以及应力锥结构。应力锥结构中，应力锥铜层2-8内径取27.4mm，且铜层与超导电缆本体压接长度取40mm，铜层表面为半导电层2-7，应力锥结构中PPLP绝缘层2-6厚度取1mm，应力锥上部铜圆环直径取32mm。应力锥各部分都采用缠绕连接，即某部分结构在另外一部分结构上缠绕形成。
表2三相同轴超导电缆应力锥平面结构参数表
铜层起始厚度指应力锥起始部分(与本体末端连接部分)铜层的厚度。
表2中，铜层右侧横/纵向长度，铜层左边界(半导电层右边界)横/纵向长度，半导电层左边界(PPLP层右边界)横/纵向长度，PPLP层左侧横/纵向长度，均是通过COMOSL进行电磁场仿真，观察其电场分布情况，满足绝缘强度情况下得出的数值。
在所建立的三维有限元仿真模型中，通过电流物理接口进行电磁场仿真，对三相同轴超导电缆本体及其对应的应力锥施加三相电压，地相及其对应的应力锥接地，具体参数如下：选择三相超导带材及应力锥结构中的铜层及半导电层，选择电流物理接口中的终端，分别加载10[kV]、10*exp(+j*2*pi/3)[kV]及10*exp(+j*4*pi/3)[kV]电压，其电磁场仿真结果如图7所示。图7中上图是下图方框的局部放大。Exp表示e指数，j表示虚数，pi表示圆周率π。
从电磁场仿真结果可以看出，在超导带材末端尖角处(由于制作工艺等原因带材不可能为圆角)周围出现电场集中现象，其电场强度模最大值约为12kV/mm。已知电场集中部分为绝缘材料PPLP(聚丙烯层压纸)，其绝缘强度随层叠数的增加而减弱，其在液氮中饱和绝缘强度约为35kV/mm，满足设计要求。
通过上述技术手段，本发明提供了一种三相同轴超导电缆应力锥的设计方法，创新性地将导电与分散电场两种功能相结合，填补了国内三相同轴超导电缆终端应力锥设计的空白，并通过电磁场仿真分析，有力地验证了这种设计的可靠性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种三相同轴超导电缆应力锥，其特征在于，所述应力锥通过铜层与三相同轴超导电缆本体的超导带材压接；
所述铜层采用铜皮缠绕的方法制作而成，缠绕方式为：使后一层铜皮的缠绕长度比前一层铜皮的缠绕长度减小预设距离；
所述铜层表面缠绕半导电层；
所述半导电层上采用半缠绕的方式缠绕PPLP绝缘层；所述半缠绕方式为半导电层一侧缠绕PPLP绝缘层，另一侧不缠绕直接与液氮接触；
所述铜层上部通过铜圆环与铜电流引线连接。
2.根据权利要求1所述的一种三相同轴超导电缆应力锥，其特征在于，采用ANSYS或者COMSOL对铜层与超导带材的接触点进行建模，在满足通流情况下，使铜层与超导带材的接触点能够在低于超导带材临界温度下工作，模拟得到满足条件的铜层与超导带材的接触电阻，并根据接触电阻确定超导带材与铜层压接的压接长度。
3.根据权利要求2所述的一种三相同轴超导电缆应力锥，其特征在于，所述铜层与超导带材压接的压接长度为40--60mm。
4.根据权利要求1所述的一种三相同轴超导电缆应力锥，其特征在于，所述应力锥结构中的铜层内径为25--30mm。
5.根据权利要求1所述的一种三相同轴超导电缆应力锥，其特征在于，根据三相同轴超导电缆系统额定工作电流，在满足铜电流引线载流量的前提下，确定铜电流引线截面积；所述铜层横截面大于铜电流引线截面积。
6.根据权利要求5所述的一种三相同轴超导电缆应力锥，其特征在于，根据铜电流引线截面积，确定铜电流引线长度，包括：
铜电流引线截面与长度最佳比值为：
其中，l为铜电流引线的长度，A为铜电流引线截面，
为铜平均热导率，I为系统额定电流，L0为平均洛伦兹常数，Th为外界室温温度，Tl为铜电流引线底部低温端温度。
7.根据权利要求1所述的一种三相同轴超导电缆应力锥，其特征在于，所述应力锥上部铜圆环直径为30-34mm。
8.根据权利要求1所述的一种三相同轴超导电缆应力锥，其特征在于，所述铜层起始厚度为1mm；所述铜层起始厚度是指应力锥与三相同轴超导电缆本体末端连接处铜层的厚度。
9.根据权利要求1所述的一种三相同轴超导电缆应力锥，其特征在于，所述PPLP绝缘层厚度为1-2mm。
10.根据权利要求1所述的一种三相同轴超导电缆应力锥，其特征在于，采用ANSYS或COMOSL对三相同轴超导电缆应力锥进行建模，通过电流物理接口进行电磁场仿真，对三相同轴超导电缆本体及对应的应力锥施加三相电压，地相及对应的应力锥接地。
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