一種螺旋多層超導電纜交流損耗的計算方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種螺旋多層超導電纜交流損耗的計算方法，包括以下步驟：計算超導電纜中各導電層電流；計算超導電纜中各導電層的磁場；計算各導電層的臨界電流退化率；計算超導電纜交流損耗。本發(fā)明通過考慮螺旋分層等特殊結(jié)構(gòu)影響，可對不同結(jié)構(gòu)尺寸的高溫超導電纜交流損耗實現(xiàn)歸一化計算；建立螺旋多層高溫超導電纜等效電路模型，該等效電路模型具有內(nèi)部物理關系清晰直觀，令超導電纜交流損耗求解過程快速且準確的特點，計算結(jié)果可以直觀顯示超導電纜內(nèi)部各導電層電流分布、磁場分布及各層交流損耗分布特征。
【專利說明】一種螺旋多層超導電纜交流損耗的計算方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于超導電工【技術(shù)領域】，具體涉及一種螺旋多層超導電纜交流損耗的計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，人們對電能的需求量日益增長，電力系統(tǒng)不斷向更大規(guī)模方向發(fā)展，各區(qū)域電網(wǎng)之間聯(lián)絡越來越緊密，對電能品質(zhì)和供電可靠性提出更高要求，對電氣設備的環(huán)保和節(jié)能要求更嚴格。
[0003]由于傳統(tǒng)電力電纜中存在著電阻，使得不少電能轉(zhuǎn)化為熱能消耗在輸電過程中。據(jù)統(tǒng)計，采用常規(guī)電力電纜進行輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上。僅在我國，每年的電力損失即達1000多億度。采用無阻和高臨界電流密度的高溫超導材料作為導體的超導電纜，因其損耗低、傳輸容量大、無電磁輻射和無線電干擾、節(jié)約輸電空間以及環(huán)境友好等諸多優(yōu)點，被認為是電力工業(yè)新技術(shù)的突破口，蘊涵巨大的經(jīng)濟和社會效益。
[0004]冷絕緣高溫超導電纜結(jié)構(gòu)緊湊，具有體積小、容量大、損耗低、無電磁污染等優(yōu)點，在未來的高溫超導輸電領域?qū)⒌玫酱笠?guī)模的應用。由于高溫超導電纜運行在大載流、高傳輸容量下，超導帶材中的銅穩(wěn)定層等其他材料會因交流磁場而產(chǎn)生磁滯和渦流損耗，這些交流損耗累積到一定程度后會引起溫度升高，對超導電纜運行產(chǎn)生影響，因此直接關系到超導電纜的運行成本及穩(wěn)定性。只有當超導電纜的交流損耗足夠低時，超導電纜相比于常規(guī)電纜的優(yōu)越性才能充分體現(xiàn)出來，所以高溫超導電纜交流損耗是其電力應用研究的最重要內(nèi)容之一。建立高溫超導電纜交流損耗計算方法理論，對推進高溫超導電纜輸電系統(tǒng)安全可靠運行有著重要的意義。
[0005]超導體交流損耗最基本的方法是對超導體內(nèi)產(chǎn)生的感應電場E和感生電流密度J進行積分，結(jié)合E-J求解麥克斯韋方程的過程。但是超導體內(nèi)E-J關系復雜，很難準確的描述。Bean臨界電流模型及Norris方程的提出使得超導體的交流損耗計算復雜度大幅降低，后來許多學者又對Bean臨界電流模型進行了改進和拓展。事實證明工頻下Bean模型計算超導體的交流損耗仍然是最簡單有效的一種模型。關于高溫超導帶材交流損耗的計算國內(nèi)外已經(jīng)做了很多工作，但有關高溫超導電纜交流損耗的計算方法還不多。
[0006]螺旋多層冷絕緣高溫超導電纜結(jié)構(gòu)復雜，目前其交流損耗的研究更多是關于實驗測量方面，理論計算只是用經(jīng)驗公式或計算模型進行估算，并且在計算過程中未全面考慮重要狀態(tài)變量對計算結(jié)果的影響，因此冷絕緣高溫超導電纜交流損耗計算缺少一種系統(tǒng)、簡單實用的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種螺旋多層超導電纜交流損耗的計算方法，通過建立螺旋多層高溫超導電纜等效電路模型，實現(xiàn)導電層(包括導體層和屏蔽層)冷絕緣高溫超導電纜各層電流及磁場分布，然后根據(jù)超導電纜導電層分流情況，計算獲得超導電纜交流損耗。
[0008]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案:
[0009]本發(fā)明提供一種螺旋多層超導電纜交流損耗的計算方法，所述方法包括以下步驟:
[0010]步驟1:計算超導電纜中各導電層電流；
[0011]步驟2:計算超導電纜中各導電層的磁場；
[0012]步驟3:計算各導電層的臨界電流退化率；
[0013]步驟4:計算超導電纜交流損耗。
[0014]所述步驟I中，通過建立螺旋多層高溫超導電纜等效電路模型，進而計算超導電纜中各導電層電流，所述導電層包括導體層和屏蔽層。
[0015]建立的螺旋多層高溫超導電纜等效電路模型為:將超導電纜第i層導電層等效為等效自感Li和等效電阻&的串聯(lián)，導電層與導電層之間等效互感為Mu ;其中下標i和j均為導電層編號，且i，j = 1，2，…，n，n為導電層層數(shù)，其中導體層層數(shù)為m層，屏蔽層為n_m層；
[0016]其中，等效自感Li為環(huán)向磁通自感Lei和軸向磁通自感Lai之和，即:
[0017]Li = LeJLai (I)
[0018]其中，Lci和Lai分別表示為:
【權(quán)利要求】
1.一種螺旋多層超導電纜交流損耗的計算方法，其特征在于:所述方法包括以下步驟: 步驟1:計算超導電纜中各導電層電流； 步驟2:計算超導電纜中各導電層的磁場； 步驟3:計算各導電層的臨界電流退化率； 步驟4:計算超導電纜交流損耗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋多層超導電纜交流損耗的計算方法，其特征在于:所述步驟I中，通過建立螺旋多層高溫超導電纜等效電路模型，進而計算超導電纜中各導電層電流，所述導電層包括導體層和屏蔽層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的螺旋多層超導電纜交流損耗的計算方法，其特征在于:建立的螺旋多層高溫超導電纜等效電路模型為:將超導電纜第i層導電層等效為等效自感Li和等效電阻巧的串聯(lián)，導電層與導電層之間等效互感SMu ;其中下標i和j均為導電層編號，且i，j = 1，2，…，η, η為導電層層數(shù)，其中導體層層數(shù)為m層，屏蔽層為η-m層； 其中，等效自感Li為環(huán)向磁通自感Lei和軸向磁通自感Lai之和，即:
Li = Lci+Lai (I) 其中，Lcd和Lai分別表示為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋多層超導電纜交流損耗的計算方法，其特征在于:所述步驟2中，根據(jù)各導電層電流分布，確定各導電層的磁場分布； 冷絕緣高溫超導電纜中的導電層為螺旋結(jié)構(gòu)，導電層中的每根超導帶材螺旋纏繞，等效為長直圓形螺線管，電流沿超導帶材呈螺旋狀流動，電流流動的方向既有軸向，即z方向，又有環(huán)向方向，即Θ方向，但軸向電流只在導電層的外部產(chǎn)生環(huán)向磁場B0,環(huán)向電流在導電層內(nèi)部產(chǎn)生軸向磁場Bz,則有:

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋多層超導電纜交流損耗的計算方法，其特征在于:所述步驟3中，根據(jù)各導電層電流分布和磁場分布，計算磁場Bi下第i層導電層的臨界電流退化率λ i;表示為:
λ i = IciIci (B = O) (19) 其中，Icd為磁場Bi下第i層導電層的直流臨界電流，Icd(B = (1)表示磁場Bi為O時第i層導電層的直流臨界電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋多層超導電纜交流損耗的計算方法，其特征在于:所述步驟4中的超導電纜交流損耗包括超導電纜總交流傳輸損耗和超導電纜總交變外場損耗。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的螺旋多層超導電纜交流損耗的計算方法，其特征在于:第i層導電層的交流傳輸損耗表不為:
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的螺旋多層超導電纜交流損耗的計算方法，其特征在于:超導電纜總交變外場損耗計算過程如下: 1)當U< Ipi時，第i層導電層在平行磁場Bpi下的交變外場損耗Prartii表示為:
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的螺旋多層超導電纜交流損耗的計算方法，其特征在于:所述超導電纜交流損耗等于超導電纜總交流傳輸損耗和超導電纜總交變外場損耗之和，即:
Ploss = Pext+Pself (25) 其中，Plcjss為 超導電纜交流損耗。
【文檔編號】G06F19/00GK103488905SQ201310451065
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】諸嘉慧, 丘明 申請人:國家電網(wǎng)公司, 中國電力科學研究院, 國網(wǎng)北京市電力公司, 國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司