CN112420277B - 一种超导电缆的电流引线优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超导电缆的电流引线优化方法，包括：获取超导电缆运行时的电流引线的通电电流I、最高温度TH和最低温度TL；获取多种电流引线材料在所述室温和液氮温度之间的平均洛伦兹常数La；根据通电电流I、最高温度TH、最低温度TL、平均洛伦兹常数La以及优化函数
Figure DDA0002722010080000011
分别计算所述多种电流引线材料的热损耗；根据上述计算的结果，从中选取热损耗最小的电流引线材料用于制作电流引线。本发明方法对电流引线进行优化设计，使得电流引线的欧姆损耗和传热损耗之和最小。

Description

一种超导电缆的电流引线优化方法
技术领域
本发明涉及超导电缆技术领域，具体涉及一种超导电缆的电流引线优化方法。
背景技术
高温超导电缆系统是采用无阻的、能传输高电流密度的超导材料作为导电体并能传输大电流的一种电力设施，具有体积小、重量轻、损耗低和传输容量大的优点，可以实现低损耗、高效率、大容量输电。高温超导电缆系统将首先应用于短距离传输电力的场合(如发电机到变压器、变电中心到变电站、地下变电站到城市电网端口)及电镀厂、发电厂和变电站等短距离传输大电流的场合，以及大型或超大型城市电力传输的场合。其中超导电缆系统包括通电导体、低温杜瓦管、终端以及制冷系统，其中终端包括低温恒温容器、电流引线和高压绝缘套管，所述电流引线用于将通电导体的三相导体引出。对于10kV交流高温超导电缆而言，其工作在液氮温区(63-77K)，而与之连接的常规母线工作在平均温度300K自然环境温度，巨大的温度差将导致外部的热量沿着导热率极好的电流引线进入到终端内部的低温环境。同时，超导电缆的额定电流为2.3kA，在运行过程中电流引线会产生热损耗。使用热学的傅里叶热传导定律和电学的欧姆定律做简单分析。我们假定电流引线为等截面圆柱体，长度为L，截面面积S，两侧温差ΔT，引线材料的热导率为k，电阻率为ρ。
傅里叶传热定律指出：
Figure BDA0002722010060000021
而欧姆定律指出：
Figure BDA0002722010060000022
从欧姆定律和傅里叶定律的影响因素粗略地看，降低欧姆损耗可以通过增大电流引线截面和减小引线长度的方法实现；而降低传热损耗可通过减小截面并增加引线长度的方法实现。选择较大的电流引线截面可以减小通电流时产生的焦耳热，但却会增加热传导所引起的漏热，加长电流引线长度可降低传导热，但却会增加焦耳热。可见，两者的优化条件是矛盾的，不可能同时降低欧姆损耗和传热损耗。
发明内容
本发明旨在提出一种超导电缆的电流引线优化方法，以对电流引线进行优化设计，使得电流引线的欧姆损耗和传热损耗之和最小。
为此，本发明实施例提出一种超导电缆的电流引线优化方法，包括：
获取超导电缆运行时的电流引线的通电电流I、最高温度TH和最低温度TL；
获取多种电流引线材料在所述室温和液氮温度之间的平均洛伦兹常数La；
根据通电电流I、最高温度TH、最低温度TL、平均洛伦兹常数La以及优化函数
Figure BDA0002722010060000023
分别计算所述多种电流引线材料的热损耗；
根据上述计算的结果，从中选取热损耗最小的电流引线材料用于制作电流引线。
所述电流引线材料包括高纯铜、无氧铜、电工铜、电解粗铜、黄铜、高纯铝、1100级铝、6063级铝、5052级铝。
本发明实施例提出一种超导电缆的电流引线优化方法，其根据电流引线运行时的通电电流I、最高温度TH、最低温度TL、平均洛伦兹常数La以及优化函数
Figure BDA0002722010060000031
分别计算所述多种电流引线材料的热损耗，最后根据上述计算的结果，从中选取热损耗最小的电流引线材料用于制作电流引线，从而对电流引线进行优化设计，使得电流引线的欧姆损耗和传热损耗之和最小。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式中阐述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的超导电缆的电流引线优化方法流程图。
图2为本发明实施例的超导电缆的电流引线分析模型示意图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的手段未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
如图1所示，本发明实施例提出一种超导电缆的电流引线优化方法，包括如下步骤：
步骤S1、获取超导电缆运行时的通电电流I、室温TH和液氮温度TL；
步骤S2、获取多种电流引线材料在所述室温TH和液氮温度TL之间的平均洛伦兹常数La；
步骤S3、根据通电电流I、室温TH、液氮温度TL、平均洛伦兹常数La以及优化函数
Figure BDA0002722010060000041
分别计算所述多种电流引线材料的热损耗；
步骤S4、根据上述计算的结果，从中选取热损耗最小的电流引线材料用于制作电流引线。
具体而言，参阅图2，从热端传入冷端的热量为：
Figure BDA0002722010060000042
Figure BDA0002722010060000043
其中，k为材料热导率，是温度的函数；σ为电流引线材料的电导率，其为温度的函数；I为超导电缆传输电流。
其中，使电流引线热损耗最小的长度-截面比为：
Figure BDA0002722010060000044
其中，TH为热端温度，TL为冷端温度，A为电流引线的横截面积。
上述优化算法中的热导率和电导率均为温度的函数，本实施例方法对该算法中参数的温度依赖关系进行了优化。
其中，威德曼-弗朗兹定律指出：
Figure BDA0002722010060000051
其中，L是洛伦兹常数，在温度远小于德拜温度，即T＜＜θD时，L基本维持常数L0＝2.443×10-8V2/K2。
这样，使用L作为参量就能够综合反映热导率和电导率。然而L对于材料的纯度依赖性较大，不同温度下也略有差别，本实施例方法对此进一步优化。
如果使用室温和液氮温度间的平均热导率和平均洛伦兹常数，无需知道参数对于温度的明确依赖关系，即有较高的计算准确度。此时的优化条件为：
Figure BDA0002722010060000052
其中，ka和La分别为平均热导率和平均洛伦兹常数，可以通过实验测得；因此，本实施例方法最终的优化函数为，对应的电流引线热损耗最小值为：
Figure BDA0002722010060000053
通过查表或实验得到电流引线材料的液氮温度和室温间的平均热导率和平均洛伦兹常数，再给定电流引线的通电电流和运行时的最高温度和最低温度，即可计算出优化的设计参数及其对应的最小热损耗。
例如，实验测定常用为电流引线材料的无氧铜(CuOF，纯度99.99％)的平均热导率ka＝436W·m-1K-1，平均洛伦兹常数La＝2.17×10-8W·Ω·K-2。同时，我们可见，优化后的电流引线的热损耗和载流电流成正比。
优选地，所述电流引线材料包括高纯铜、无氧铜、电工铜、电解粗铜、黄铜、高纯铝、1100级铝、6063级铝、5052级铝。
上述材料的参数具体如下表所示：
Figure BDA0002722010060000061
综上，本发明实施例提出一种超导电缆的电流引线优化方法，其根据电流引线运行时的通电电流I、最高温度TH、最低温度TL、平均洛伦兹常数La以及优化函数
Figure BDA0002722010060000062
分别计算所述多种电流引线材料的热损耗，最后根据上述计算的结果，从中选取热损耗最小的电流引线材料用于制作电流引线，从而对电流引线进行优化设计，使得电流引线的欧姆损耗和传热损耗之和最小。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (2)

1.一种超导电缆的电流引线优化方法，其特征在于，包括：
获取超导电缆运行时的电流引线的通电电流I、最高温度TH和最低温度TL；
获取多种电流引线材料在室温和液氮温度之间的平均洛伦兹常数La；
根据通电电流I、最高温度TH、最低温度TL、平均洛伦兹常数La以及优化函数
Figure FDA0003607654120000011
分别计算所述多种电流引线材料的热损耗Q；
根据上述计算的结果，从中选取热损耗最小的电流引线材料用于制作电流引线。
2.根据权利要求1所述的超导电缆的电流引线优化方法，其特征在于，所述电流引线材料包括高纯铜、无氧铜、电工铜、电解粗铜、黄铜、高纯铝、1100级铝、6063级铝、5052级铝。
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