一种高温超导电缆或母线本体的设计方法

摘要

本发明涉及电力系统输变电领域的一种超导电缆/母线本体的设计方法。该方法的实现步骤如下：建立超导电缆/母线的等效电路模型；根据超导带材的机械特性，确定超导电缆/母线本体的绕制螺旋角范围；利用超导带材临界电流的各向异性，根据运行电流确定超导电缆/母线本体各层上磁场位型(磁场大小和方向)分布，确定电缆/母线各层上的临界电流；再以各层上运行电流与其临界电流比值相等为原则，对于绕制螺距进行迭代计算，得到绕制螺距参数。本方法利用超导带材的机械和电磁特性，设计的超导电缆/母线本体不增加绕制工艺难度，提高了超导电缆/母线带材利用效率，并具有损耗低的优点。本方法还具有简单、实用等优点。

主权项

1.一种高温超导电缆或母线本体的设计方法，其特征在于，该方法是根据超导电缆或母线的等效电路模型，通过调节导体各层的螺距和绕制螺旋角来改变各层导体的电感，以达到各层传输电流与其临界电流比值相等，从而计算出绕制螺距参数，实现该方法具体步骤如下：1)建立超导电缆或母线的等效电路模型；所述等效电路模型为：其中，U_i、R_i、L_i、M_i，j和ω分别是电缆上第i层超导线上的电压、接头电阻、自感、与第j层的互感和圆频率；i，j的取值范围分别为1≤i≤n，1≤j≤n；其中，各层导体单位长度的自感：$L_i=\frac{{\mu }_0\pi {r_i}^2}{L_{\mathrm{pi}}^2}+\frac{{\mu }_0\ln (D/r_i)}{2\pi }---\left(2\right)$当r_j＞r_i时，第i层与第j层单位长度的互感为：$M_{i,j}=M_{j,i}=\frac{{\alpha }_i{\alpha }_j{\mu }_0\pi {r_i}^2}{L_{\mathrm{pi}}{L}_{\mathrm{pj}}}+\frac{{\mu }_0\ln (D/r_i)}{2\pi }---\left(3\right)$$I_i=i_i\frac{2\pi r_i\cos {\theta }_i}{w+g_i}---\left(4\right)$其中，L_pi为第i层导体的螺距，D为电缆或母线电磁屏蔽层的半径，r_i为第i导体层的半径，当第i层与第j层缠绕方向一致时，α_iα_j取1，相反时取-1，I_i是第i层导体通过的电流，w和g_i分别表示单根带材的宽度和同层带材间的间隙，θ_i表示绕制螺旋角，i_i表示第i层每根超导带材的电流；2)根据超导带材的机械特性，确定超导电缆或母线本体的绕制螺旋角θ的范围为：${\sin }^{-1}\left(\sqrt{\frac{{ϵ}_t-{ϵ}_s-{ϵ}_p}{{ϵ}_r-{ϵ}_p}}\right)\le \theta \le {\sin }^{-1}\left(\sqrt{\frac{r}{R}}\right)---\left(5\right)$其中ε_t为带材的自由热收缩率，ε_s为带材在冷却过程中的应变，ε_p为螺距的变化率，ε_γ为导体层的径向收缩率，r为带材绕制半径，R为带材的临界弯曲半径；3)利用超导带材临界电流的各向异性，根据运行电流确定超导电缆本体各层上磁场大小和方向，确定所述超导电缆或母线本体各层上的临界电流；4)令各层上运行的电流与其临界电流的比值相等，对于绕制螺距进行迭代计算，得到绕制螺距参数。