CN113707389A - 一种双极同轴高温超导直流电缆均流的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双极同轴高温超导直流电缆的设计方法，综合考虑双极同轴结构的高温超导直流电缆在运行时产生动态电阻使得按照传统设计方法设计的高温超导直流电缆各层超导层电流分布不均的问题，提出了一种新的设计方法，在设计各层超导带材缠绕的螺旋角时，计及动态电阻以及接触电阻的分流作用，实现了双极同轴高温超导直流电缆运行在实际工况下也可以实现均流的目的，交流损耗也可以进一步减少，提高其运行稳定性；超导带材的利用率大幅提高，大幅度降低制造成本。

Description

一种双极同轴高温超导直流电缆均流的设计方法
技术领域
本发明属于电力系统输变电领域，涉及一种可以使得双极同轴高温超导直流电缆均流的结构的设计方法。
背景技术
与传统电缆相比，高温超导直流电缆不但可以降低损耗，还可以在较低的电压情况下提供更大容量的输电能力，因此高温超导直流电缆在当下大力发展远距离大容量输电的背景下有着广阔的发展前景。
目前关于高温超导直流电缆设计均采用均流方法，即按照超导电缆每一层传输相同电流的想法进行设计，仿照高温超导交流电缆的设计，在计算相关参数时忽略所有电阻。这种设计对于高温超导交流电缆可以实现均流，但是根据国内外的相关文献研究表明，当传输直流电流的高温超导电缆暴露在交流磁场中，当磁场幅值超过磁场阈值时，电缆内部会出现一种可测量的电阻，即动态电阻。动态电阻会使得高温超导直流电缆的电流在各层分布不均，即按照传统的原则进行设计，并不能按照我们所预想的达到各层电流均匀分布的情况，从而会使得交流损耗进一步增大，运行裕度也进一步降低。这样的设计会制约高温超导直流电缆发挥其最大优势，也是目前大电流高温超导直流电缆从实验室走向实际应用的瓶颈问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所述现有高温超导直流电缆设计中存在的问题，考虑由于交流纹波的存在，高温超导直流电缆中会有动态电阻的影响，提出一种新的高温超导直流电缆的设计方法，使得在高温超导直流电缆暴露在交流磁场下产生动态电阻的情况下各层电流依旧能够均匀分布，交流损耗降低，运行稳定性提高。具体方案如下：
1)按照预设工作电压及工作电流确定双极同轴高温超导直流电缆的骨架内外半径、内绝缘、主绝缘和外绝缘的厚度、正负极两层超导层所需要的超导带材的总根数以及接触电阻大小；
2)根据交流纹波比及超导带材的尺寸计算各层超导层动态电阻的大小；
3)根据双极同轴超导直流电缆的等效电路模型列写等效电路方程，在考虑动态电阻的前提下根据均流设计的原则以及符合带材机械强度的情况下，最终确定电缆的超导带材各层缠绕的螺距与螺旋角。
所述步骤3)中超导电缆正极和负极的等效电路方程：
Figure BDA0003177263020000021
式中：n为导体层的层数，对于一个正极p层负极q层的双极同轴高温超导电缆，正向n取p，反向n取q，Ui表示每层导体层的电压，Ii表示第i层导体层的电流，Li表示第i层导体层单位长度的自感，Mi,j表示第i层和第j层之间单位长度的互感，Ri表示对整个电缆长度取平均后第i层与连接终端之叫的电阻以及动态电阻。w是角频率，左边的j表示虚部单位。
式中忽略了骨架的影响，因为在正常工作中流过它们的电流很小。
本发明的有益效果为：本发明是双极同轴高温超导直流电缆的设计方法，不同于传统的高温超导直流电缆的设计方法，忽略掉所有电阻的影响，即记R＝0，本文提出将动态电阻以及接触电阻考虑进去，按照均流设计的原则解等效电路方程，计算出螺距与螺旋角。通过本方法设计的双极同轴高温超导直流电缆，动态电阻小，各层电流分布也比传统设计更加均匀，交流损耗也随之降低，运行稳定性也相应有所提高。
因此，本发明对于直流传输大容量超导电缆的研发具有很大的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例一个双极同轴高温超导直流电缆的结构示意图；
标号说明：1-冷却通道；2-骨架；3-内绝缘层；4-半导体层；5-内导体层；6-主绝缘层；7-外导体层；8-外绝缘层；9-接地层。
图2为本发明实施例一个双极同轴高温超导直流电缆导体层七层超导电缆正反绕制的示意图。
标号说明：201表示第一层超导带材，202表示第二层超导带材，203表示第三层超导带材，204表示第四层超导带材，205表示第五层超导带材，206表示第六层超导带材，207表示第七层超导带材。
图3为本发明实施例一个双极同轴高温超导直流电缆导体层的等效集中参数电路模型示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种双极同轴高温超导直流电缆，包括冷却通道1，骨架2，内绝缘层3，半导体层4，内导体层5，主绝缘层6，外导体层7，外绝缘层8，接地层9。
骨架2的内部构成冷却通道1,骨架2由铜丝以螺旋形状绕制成空心骨架直至满足骨架的机械特性要求。
内绝层3，主绝缘层6以及外绝缘层8可采用聚丙烯复合纤维纸(PPLP)；
半导体层4材料可采用碳纸，将其一层绕制在骨架上，一层绕制在超导层上；
内导体层5以及外导体层7可采用第二代高温超导带材，根据超导带材的机械特性以及尺寸，绕制的螺距角θi应满足：
Figure BDA0003177263020000031
其中εt为带材的自由热收缩率，εs为带材在冷却过程中的应变，εp为螺距的变化率，εγ为导体层的径向收缩率，ri为带材绕制半径，R为带材的临界弯曲半径。
图2是一种七层超导带材绕制的同轴双向传输电流的超导电缆本体实施例的示意图。在图2中，201表示第一层超导带材，202表示第二层超导带材，203表示第三层超导带材，204表示第四层超导带材，205表示第五层超导带材，206表示第六层超导带材，207表示第七层超导带材。图中的绕制螺旋角θi是指超导带材绕制方向和电缆轴线的夹角，在圆形截面电缆条件下，磁场沿着四周方向，即磁场平行于超导带材表面。其中201、202、203、204层电流同向，为去电流；205、206、207电流同向，为返回电流，204和205层之间有主绝缘。
图2中各层的绕制螺旋角θ分别表示为：θ1、θ2、θ3、…、θ7。
在本发明实例中，绕制螺旋角的确定步骤如下：
步骤S1:按照预设工作电压及工作电流确定双极同轴高温超导直流电缆的骨架内外半径、内绝缘、主绝缘和外绝缘的厚度、正负极两层超导层所需要的超导带材的总根数以及接触电阻大小。
步骤S2：根据交流纹波比及超导带材的尺寸计算各层超导层动态电阻的大小。
在本发明实施例中，超导电缆的动态电阻根据下式计算，根据超导直流电缆所处磁场的幅值与磁场阈值(Ba，th)之间的比较可分为以下三种情况：
1.Ba＜Ba，thRdyn＝0
2.Ba，th≤Ba≤2Ba，th
Figure BDA0003177263020000041
式中，a为超导带材截面的半宽，w为超导带材横截面的长度，f是交流磁场的频率。Ic0零磁场下的临界电流，k是常数，临界电流与磁场的关系根据经验公式定义。
Br是根据如下方式定义的反转场：
Figure BDA0003177263020000042
3.Ba≥2Ba，th计算Rdyn的公式与第二种情况相同，但是因为此时磁场幅值很大，所以反转场的计算结果与第二种情况不同。
步骤S3：根据双极同轴超导直流电缆的等效电路模型列写等效电路方程，在考虑动态电阻的前提下根据均流设计的原则以及符合带材机械强度的情况下，最终确定电缆的超导带材各层缠绕的螺距与螺旋角。
在本发明实施例中，为了更好的进行仿真分析，如图3所示，依据高温超导电缆的多层结构，可以得到与其对应的高温超导直流电缆集中参数电路模型，超导电缆正极和负极的等效电路方程：
Figure BDA0003177263020000051
单位长度的自感和互感可分别表示为：
Figure BDA0003177263020000052
Figure BDA0003177263020000053
其中，Dp负极超导层外半径，其中n为主超导层的层数；ri，rj分别为第i，j层带材绕制半径；αi和αj为常数，取值为1或-1，决定第i，j层的带材绕制方向(例定义+1代表顺时针绕制，-1则代表逆时针绕制)。Lpi和Lpj分别代表第i层和第j层的螺距。
根据基尔霍夫定律，得到的矩阵等式变为以下矩阵：
Figure BDA0003177263020000054
式中，Ri＝Rdyn+R0(i＝1,2,…,n)，R0为接触电阻。
根据双极同轴电缆的结构，均流设计的电压电流之间满足如下关系：
I1＝I2＝I3＝···＝In
U1＝U2＝U3＝···＝Un
式中：正向n取p,反向n取q，通过求解方程，即可得到均流设计原则的各层缠绕角度。
根据拟选取的超导电缆绕制半径ri以及确定的绕制螺旋角θi，可以确定绕制螺距Lpi：
Figure BDA0003177263020000055
在本发明实例中，决定高温超导电缆各层电流分布的主要因素是电感矩阵与电阻的分布，而电感矩阵中的各层超导带材的自感和互感以及动态电阻又可由高温超导电缆的结构参数带材的绕向、通电导体半径和螺旋角决定。在设计高温超导直流电缆时，通电导体的半径是可以根据要求及电缆的机械强度确定的，同时为了抵消通电导体层与层之间的磁场，绕向应该是顺时针与逆时针方向交叉绕制，因此本发明实例最后是通过优化各层导电层带材的螺旋角起到均流设计的目的。

Claims (5)

1.一种关于双极同轴高载流高温超导直流电缆的设计方法，其特征在于，所述方法考虑接触电阻以及交流纹波实际工况下的影响，实现了高温超导直流电缆各层超导层电流均流的均匀设计。
2.根据权利要求1所述的设计方法，按照预设工作电压及工作电流确定双极同轴高温超导直流电缆的骨架内外半径、内绝缘、主绝缘和外绝缘的厚度、正负极两层超导层所需要的超导带材的总根数以及接触电阻大小。
3.根据权利要求1所述的设计方法，根据交流纹波比及超导带材的尺寸计算各层超导层动态电阻的大小。
4.根据权利要求1所述的设计方法，根据双极同轴超导直流电缆的等效电路模型列写等效电路方程，在考虑动态电阻的前提下根据均流设计的原则以及符合带材机械强度的情况下，最终确定电缆的超导带材各层缠绕的螺距与螺旋角。
5.根据权利要求1所述的双极同轴高温超导直流电缆的设计方法，各层超导层动态电阻的计算公式是利用经验公式并考虑临界电流密度是场相关的情况下推导得出的更适合于高温超导直流电缆动态电阻的计算公式。
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