CN111709137B - 一种传导冷却式电流引线结构优化方法及超导套管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种传导冷却式电流引线结构优化方法及超导套管，涉及超导设备技术领域。该优化方法包括：确定电流引线传热分析所需的初始参数，电流引线具有预设长度；建立等截面情形下电流引线的传热平衡方程，并求解得出电流引线的初始最小漏热及对应的初始优化横截面积；设定电流引线室温端横截面积的变化区间和电流引线低温端横截面积的变化区间，并使电流引线的横截面积沿长度方向线性变化，建立变截面情形下电流引线的传热平衡方程；求解得出变截面情形下电流引线的最终最小漏热及对应的室温端横截面积值和低温端横截面积值。通过该种优化方法能够最大程度地减小传导冷却式电流引线的漏热，且节约设计及生产成本。

Description

一种传导冷却式电流引线结构优化方法及超导套管
技术领域
本发明涉及超导设备技术领域，尤其涉及一种传导冷却式电流引线结构优化方法及超导套管。
背景技术
在超导限流器及超导电缆等超导设备中，常使用设置有传导冷却式电流引线的超导套管用以连接低温下的超导带材与常温下的电网。对于该种超导套管而言，电流引线的漏热是超导套管结构总漏热的主要组成部分，所以减小电流引线的漏热一直是人们追求的目标。
传导冷却式电流引线的总漏热包括电流引线的传导漏热和焦耳热两部分。目前，人们多采用优化其长截比的方式对该种电流引线进行结构优化，以减小该种电流引线的总漏热。然而，该种方式忽略了电流引线两端温度的不同对电流引线结构参数的影响，导致通过该种方式获得的最小总漏热并非最小值。同时，使用该种方式时需同时改变电流引线的长度及横截面积，导致超导套管中其它结构参数均需作出相应改变，会额外增加过多的设计及生产成本。
基于此，亟需一种传导冷却式电流引线结构优化方法和超导套管，用以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种传导冷却式电流引线结构优化方法及超导套管，能够最大程度地减小传导冷却式电流引线的漏热，且节约设计及生产成本。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种传导冷却式电流引线结构优化方法，包括：
S1、确定电流引线传热分析所需的初始参数，所述电流引线具有预设长度X；
S2、建立等截面情形下所述电流引线的传热平衡方程，并求解得出所述电流引线的初始最小漏热Q0及对应的初始优化横截面积S0；
S3、设定所述电流引线室温端横截面积SH的变化区间[S1，S2]和所述电流引线低温端横截面积SL的变化区间[S3，S4]，其中，S1≤S0≤S2，S3≤S0≤S4，并使所述电流引线的横截面积沿长度方向线性变化，建立变截面情形下所述电流引线的传热平衡方程；
S4、求解得出所述变截面情形下所述电流引线的最终最小漏热Qmin及对应的SH值和SL值。
可选地，在所述步骤S1中，所述初始参数包括所述电流引线室温端的温度TH、所述电流引线低温端的温度TL、所述电流引线的热导率λ、所述电流引线的电阻率ρ和所述电流引线中的电流值I。
可选地，在所述步骤S3中，根据所述热导率λ和所述电阻率ρ随温度的变化给定所述电流引线室温端横截面积SH的变化区间[S1，S2]和所述电流引线低温端横截面积SL的变化区间[S3，S4]。
一种超导套管，包括所述电流引线，所述电流引线使用如上所述的传导冷却式电流引线结构优化方法设计。
可选地，所述电流引线为直引线。
可选地，所述电流引线为无氧铜引线。
可选地，所述电流引线的室温端与外部电网连接，所述电流引线的低温端与外部超导带材连接，且沿所述电流引线的室温端到所述电流引线的低温端，所述电流引线的横截面积均匀减小。
可选地，所述超导套管还包括真空管，所述真空管套设在所述电流引线外。
可选地，所述超导套管还包括内绝缘套，所述内绝缘套套设在所述真空管外。
可选地，所述超导套管还包括电容屏和外绝缘套，所述外绝缘套间隔套设在所述内绝缘套外，所述电容屏沿所述内绝缘套的周向设置在所述内绝缘套和所述外绝缘套之间。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种传导冷却式电流引线结构优化方法及超导套管。在电流引线长度不变的情况下，通过建立等截面情形下电流引线的传热平衡方程可以求解得出初始最小漏热和对应的初始优化横截面积。在此基础上，通过给定包含初始优化横截面积的电流引线室温端横截面积区间和电流引线低温端横截面积区间，并使电流引线的横截面积沿长度方向线性变化，可以构建变截面情形，并求解出此情形下电流引线的最终最小漏热及对应的室温端横截面积值和低温端横截面积值。由于最终最小漏热必定不大于初始最小漏热，所以通过该种方法能够最大程度地减小传导冷却式电流引线的漏热。同时不难看到，通过该种方法对电流引线进行结构优化时，仅需改变电流引线的横截面积，不会导致含有该电流引线的超导套管中其它结构参数更改过多，有利于节约设计及生产成本。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的传导冷却式电流引线结构优化方法的流程图；
图2是本发明实施例一提供的等截面情形下电流引线的计算模型示意图；
图3是本发明实施例一提供的变截面情形下电流引线的计算模型示意图；
图4是本发明实施例一提供的超导套管的整体结构示意图。
图中：
100、外部电网；200、外部超导带材；
1、电流引线；2、真空管；3、内绝缘套；4、电容屏；5、外绝缘套。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
实施例一
本实施例提供了一种传导冷却式电流引线结构优化方法。如图1所示，该方法包括以下步骤：
S1、确定电流引线1传热分析所需的初始参数，电流引线1具有预设长度X。
具体地，所需的初始参数包括电流引线1室温端(即与常温外部电网100连接的一端)的温度TH、电流引线1低温端(即与外部超导带材200连接的一端)的温度TL、电流引线1的热导率λ、电流引线1的电阻率ρ和电流引线1中的电流值I。其中，电流引线1的室温端温度TH和低温端温度TL均可以通过实际测量获得，热导率λ和电阻率ρ均可以通过经验数据获得，电流引线1中的电流值I可取额定电流值。
S2、建立等截面情形下电流引线1的传热平衡方程，并求解得出电流引线1的初始最小漏热Q0及对应的初始优化横截面积S0。
具体地，考虑到电流引线1为传导冷却式电流引线，所以首先假设电流引线1与外界气体无热交换，得到等截面情形(电流引线1各处横截面积不变)下电流引线1总漏热，该电流引线1总漏热为电流引线1的传导漏热和焦耳热之和。
其后，如图2所示，沿长度方向将电流引线1分为若干段，对中间一个小单元dx建立传热平衡方程，可得
式中，S为电流引线1的横截面积。
对上式从TL到TH进行积分，最终得到等截面情形下电流引线1的初始最小漏热Q0为：
与初始最小漏热Q0对应的初始优化横截面积S0为：
可以理解的是，初始优化横截面积S0即为等截面情形下电流引线1的最优横截面积。
S3、设定电流引线1的室温端横截面积SH的变化区间[S1，S2]和电流引线1的低温端横截面积SL的变化区间[S3，S4]，其中，S1≤S0≤S2，S3≤S0≤S4，并使电流引线1的横截面积沿长度方向线性变化，建立变截面情形下电流引线1的传热平衡方程。
参照步骤S2，如图3所示，此时可仍沿长度方向将电流引线1分成若干小段，并假设每一小段均遵守威德曼－弗朗兹定律，对中间一个小单元dx建立传热平衡方程。具体地，可综合电流引线1的成本、电流引线1和常温电网或超导带材的连接结构参数等来设定[S1，S2]和[S3，S4]，如将[S1，S2]设定为[0.5S0，3S0]，将[S3，S4]设定为[0.1S0，2S0]。
可选地，可使电流引线1的室温端横截面积SH以第一预设步长在[S1，S2]内变化，使电流引线1的低温端横截面积SL以第二预设步长在[S3，S4]内变化，以使电流引线1两端的横截面积呈规律变化，以便于利用计算机程序(包括有限元软件程序)进行计算。应注意的是，在设置第一预设步长和第二预设步长时应使SH和SL均能取到S0，以使最小漏热的计算结果可以包含Q0。
S4、求解得出变截面情形下电流引线1的最终最小漏热Qmin及对应的SH值和SL值。
当电流引线1的室温端横截面积SH在区间[S1，S2]内变化，低温端横截面积SL在区间[S3，S4]内变化时，通过将变化后的电流引线1的横截面积值代入电流引线1的传热平衡方程，可以得出一系列漏热值，并在其中得到最终最小漏热Qmin及对应的SH值和SL值。
具体地，以第一预设步长为ΔSH，第二预设步长均为ΔSL为例，开始时取SH为S1，可依次求得SL为S3+ΔSL、S3+2ΔSL、……、S0、……、S4时的多个漏热值。进一步地，再取SH为S1+ΔSH，又可依次求得SL为S3+ΔSL、S3+2ΔSL、……、S0、……、S4时的多个漏热值。继续按ΔSH增大SH，直到SH取S2，求得剩余情形下的所有漏热值，计算结束。
不难看到，由于此时计算得到的一系列漏热值中必定包含有Q0，所以一定有Qmin≥Q0。因此，按照此时的SH值和SL值对电流引线1的机构进行设计，必定能最大程度地减小电流引线1的总漏热。
同时可以看到，使用该种优化方法仅需改变电流引线1的横截面积，不会导致含有电流引线1的超导套管中其它结构的长度参数等发生改变，有利于节约设计及生产成本。
本实施例还提供了一种超导套管，其包括电流引线1，该电流引线1使用上述的传导冷却式电流引线结构优化方法设计。可选地，电流引线1为直引线，易于制造和安装。而就具体类型而言，电流引线1可为无氧铜引线，其具有电阻低、电力传输损耗小和使用寿命长等诸多优点。
具体地，如图4所示，电流引线1的室温端与外部电网100连接，电流引线1的低温端与外部超导带材200连接，且沿电流引线1的室温端到电流引线1的低温端，电流引线1的横截面积均匀减小。通过实际计算，对于无氧铜引线和黄铜引线，电流引线1的室温端横截面积SH均大于低温端横截面积SL，故在本实施例中设置电流引线1的横截面积沿室温端到低温端均匀减小。
可选地，如图4所示，该超导套管还包括真空管2，真空管2套设在电流引线1的外部以隔绝电流引线1与外界气体的热交换。
可选地，如图4所示，该超导套管还包括内绝缘套3，内绝缘套3套设在真空管2外，以进行绝缘。进一步地，超导套管还包括电容屏4和外绝缘套5。外绝缘套5间隔套设在内绝缘套3外，电容屏4则沿内绝缘套3的周向设置在内绝缘套3和外绝缘套之间，以均衡电流引线1周围的电压，避免出度现局部强电场，减少绝缘材料的用量。
实施例二
本实例提供了一种传导冷却式电流引线结构优化方法，其与实施例一提供的传导冷却式电流引线结构优化方法大致相同，区别仅在于：在步骤S3中，根据电流引线1的热导率λ和电阻率ρ给定室温端横截面积SH的变化区间[S1，S2]和低温端横截面积SL的变化区间[S3，S4]。
以电流引线1为无氧铜引线为例。一方面，通常情况下，超导套管中电流引线1室温端的温度约为300K，低温端的温度约为77K。在77K-300K的温度区间内，温度越高，则电流引线1的热导率λ越小，传导漏热越小；且温度越高，电流引线1的电阻率ρ越大，焦耳热越大。另一方面，由于电流引线1的横截面积越大，则焦耳热越小，传导漏热越大。因此，结合上述两方面定性分析可知，对于无氧铜引线，增大室温端横截面积SH并减小室温端横截面积SL有利于减小电流引线1的总漏热。因此，可给定电流引线1室温端横截面积SH的变化区间为[S0，S2]，给定电流引线1低温端横截面积SL的变化区间为[S3，S0]，从而能够极大地缩小SH和SL可极大地减小变截面情形下的计算量。具体地，可取S2为3S0，取S3为0.1S0。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种传导冷却式电流引线结构优化方法，其特征在于，包括：
S1、确定电流引线（1）传热分析所需的初始参数，所述电流引线（1）具有预设长度X；
S2、建立等截面情形下所述电流引线（1）的传热平衡方程，并求解得出所述电流引线（1）的初始最小漏热Q0及对应的初始优化横截面积S0；
S3、设定所述电流引线（1）室温端横截面积SH的变化区间[S1，S2]和所述电流引线（1）低温端横截面积SL的变化区间[S3，S4]，其中，S1≤S0≤S2，S3≤S0≤S4，并使所述电流引线（1）的横截面积沿长度方向线性变化，建立变截面情形下所述电流引线（1）的传热平衡方程；
S4、求解得出所述变截面情形下所述电流引线（1）的最终最小漏热Qmin及对应的SH值和SL值；
在所述步骤S1中，所述初始参数包括所述电流引线（1）室温端的温度TH、所述电流引线（1）低温端的温度TL、所述电流引线（1）的热导率λ、所述电流引线（1）的电阻率ρ和所述电流引线（1）中的电流值I；
在所述步骤S3中，根据所述热导率λ和所述电阻率ρ随温度的变化给定所述电流引线（1）室温端横截面积SH的变化区间[S1，S2]和所述电流引线（1）低温端横截面积SL的变化区间[S3，S4]；
在所述步骤S3中，增大室温端横截面积SH并减小低温端横截面积SL以减小变截面情形下的计算量。
2.一种超导套管，其特征在于，包括所述电流引线（1），所述电流引线（1）使用如权利要求1所述的传导冷却式电流引线结构优化方法设计。
3.根据权利要求2所述的超导套管，其特征在于，所述电流引线（1）为直引线。
4.根据权利要求2所述的超导套管，其特征在于，所述电流引线（1）为无氧铜引线。
5.根据权利要求2所述的超导套管，其特征在于，所述电流引线（1）的室温端与外部电网（100）连接，所述电流引线（1）的低温端与外部超导带材（200）连接，且沿所述电流引线（1）的室温端到所述电流引线（1）的低温端，所述电流引线（1）的横截面积均匀减小。
6.根据权利要求5所述的超导套管，其特征在于，所述超导套管还包括真空管（2），所述真空管（2）套设在所述电流引线（1）外。
7.根据权利要求6所述的超导套管，其特征在于，所述超导套管还包括内绝缘套（3），所述内绝缘套（3）套设在所述真空管（2）外。
8.根据权利要求7所述的超导套管，其特征在于，所述超导套管还包括电容屏（4）和外绝缘套（5），所述外绝缘套（5）间隔套设在所述内绝缘套（3）外，所述电容屏（4）沿所述内绝缘套（3）的周向设置在所述内绝缘套（3）和所述外绝缘套（5）之间。
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