一种高温超导直流电缆的优化选择方法与流程

1.本发明属于高温超导直流输电技术领域，尤其是一种高温超导直流电缆的优化选择方法。


背景技术：

2.高温超导直流电缆因其占地面积小、电缆重量轻、输电容量大、传输损耗小等一系列优点，为未来的电网建设提供了一种全新的输电方式。美国电科院对高温超导直流电缆的经济性做出评估，当超导带材的成本降低至50美元/ka
·
m以下时，其经济性相比常规直流输电技术具有显著优势。随着对超导直流电缆的大量研究，超导直流输电技术必将不断发展，超导带材的价格也会逐步降低，在未来的电网建设中，高温超导直流电缆有望成为解决电能供需不平衡的重要手段。
3.世界各国对于高温超导交流电缆已经有了很多研究成果，并建立了许多超导电缆的示范项目，技术也相对较成熟。相比交流电缆，高温超导直流电缆几乎不存在线路损耗，同时随着新能源的发展，越来越多的研究者将目光转向了高温超导直流电缆的研究与制备。但在非理想的直流输电系统中，如当igbt导通和关断过程中，直流系统也会出现交流纹波电流。此外，当直流系统的直流侧或交流侧发生故障时，比如短路接地故障、电压跌落等不同故障类型，流经高温超导直流电缆的电流也会存在谐波分量，使得带材磁场随时间波动，从而对带材临界电流产生影响，继而可能对系统的稳定运行造成一定影响。目前国内尚无用于高温超导直流电缆中超导带材的精确绕制和优化设计的方案。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种高温超导直流电缆的优化选择方法，通过利用comsol建立精准的三维超导电缆模型，对不同绕制角度、叠加谐波分量的带材进行三维仿真分析，观察其磁场空间与时间上的变化，在三维仿真中对不同绕制角度下磁场的变化，并且将磁感应强度进行平行与垂直方向的分解，分析了各向异性的影响因素，为超导带材的绕制方面提供了依据，具有探索高温超导直流电缆的应用价值。
5.本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
6.一种高温超导直流电缆的优化选择方法，包括以下步骤：
7.步骤1、针对高温超导直流电缆带材设置参数并进行三维建模，得到稳态下的三维高温超导直流电缆带材外部磁感应强度分布与带材上的磁感应强度分布，同时得到了不同截面的磁感应强度分布；
8.步骤2、在步骤1流经带材的电流上叠加相应参数的谐波分量，得到不同时间下的三维高温超导直流电缆带材上的磁感应强度分布；
9.步骤3、对步骤1和步骤2得到的磁感应强度分布进行矢量分解，并计算磁感应强度平均值；
10.步骤4、改变步骤1中设置的参数，重复步骤1、步骤2和步骤3，得到不同参数下带材
表面磁感应强度平均值；
11.步骤5、使用标幺值表示步骤4中不同参数下带材表面磁感应强度平均值；
12.步骤6、通过步骤5中的标幺值的变化规律来分析不同情况下的临界电流的相对大小，进而分析带材稳定性；
13.而且，所述步骤1中参数包括：绕制螺旋角、螺旋带材直径、单层导电层均匀排列超导带材数量以及流经每根根带材的电流。
14.而且，所述步骤1中三维建模的具体实现方法为：通过comsol在xy平面画出带材截面，然后沿螺旋线进行扫掠，设置流经带材的时变电流，计算得到扫掠完成后得到三维高温超导直流电缆外部磁感应强度分布与带材上的磁感应强度分布，同时得到不同截面的磁感应强度分布。
15.而且，所述步骤2中参数包括幅度和频率。
16.而且，所述步骤3的具体实现方法为：将圆柱体上各点(x,y,z)的磁感应强度(b
x
,by,bz)按照圆柱面平行和垂直的方向将磁感应强度进行矢量分解，分解后得到平行带材的磁感应强度矢量b
//
与垂直带材的磁感应强度矢量b
⊥
为：
[0017][0018][0019]
而且，所述步骤4中参数为绕制螺旋角。
[0020]
而且，所述步骤6的具体实现方法为：随着绕制螺旋角的增大，超导带材表面的磁感应强度平行分量在基准值上下波动范围，变化程度较小；其原因为流经超导带材电流的环形分量产生轴向磁场，流经超导带材电流的轴形分量产生环向磁场，内外两侧的磁场变化趋势相同；两种相互叠加后的影响使得平行分量的变化程度较小，超导层表面的磁感应强度垂直分量随着绕制螺旋角的增大而减小，且下降趋势较为明显；超导带材外磁场增大，其临界电流会减小，因此绕制螺旋角增大，临界电流也增大。
[0021]
本发明的优点和积极效果是：
[0022]
本发明通过利用comsol建立精准的三维超导电缆模型，在三维仿真中对不同绕制角度下磁场的变化进行记录，对叠加不同谐波分量电流带材的磁场变化进行记录，并且将磁感应强度进行平行与垂直方向的分解，通过对比不同情况下磁感应强度标幺值，能够对超导电缆进行不同情况下的电磁分析，有效提高了电缆分析的快捷性与准确度。同时本发明分析了各向异性的影响因素，为超导带材的绕制方面提供了依据，探索高温超导直流电缆的应用价值。
附图说明
[0023]
图1是单根通电螺旋带材产生磁场示意图；
[0024]
图2本发明仿真三维高温超导直流电缆外部磁感应强度分布示意图；
[0025]
图3为本发明仿真带材上的磁感应强度分布图；
[0026]
图4为本发明仿真带材上的磁感应强度截面示意图；
[0027]
图5为本发明仿真带材xy截面上的磁感应强度图；
[0028]
图6为本发明仿真带材yz截面上的磁感应强度图；
[0029]
图7为本发明仿真带材叠加谐波分量0时刻磁感应强度图；
[0030]
图8为本发明仿真带材叠加谐波分量0.3s磁感应强度图；
[0031]
图9为本发明仿真带材叠加谐波分量0.6s磁感应强度图；
[0032]
图10为本发明仿真带材叠加谐波分量0.9s磁感应强度图；
[0033]
图11为本发明仿真磁感应强度矢量分解图；
[0034]
图12为磁感应强度分量标幺值随螺旋角的变化关系曲线图；
[0035]
图13为叠加谐波后的磁感应强度随时间的变化趋势曲线图。
具体实施方式
[0036]
以下结合附图对本发明做进一步详述。
[0037]
如图1所示，在超导应用中，带材往往是按照一定角度绕制而成，在过去对超导带材绕制的设计中，出于对超导带材的用量节约的考虑，一般会选取较小的数值。但是，超导电缆绕制螺旋角不同时，流经超导带材的电流方向也会改变，继而电流产生的磁场也有会有一定的差异，继而外磁场的改变导致了超导带材临界电流发生变化，最终会对高温超导直流电缆的载流能力造成一定影响。此外，在非理想的直流输电系统中，如当igbt导通和关断过程中，直流系统也会出现交流纹波电流。此外，当直流系统的直流侧或交流侧发生故障时，比如短路接地故障、电压跌落等不同故障类型，流经高温超导直流电缆的电流也会存在谐波分量，使得带材磁场随时间波动，从而对带材临界电流产生影响，继而可能对系统的稳定运行造成一定影响。由于二维仿真不能很好地阐述绕制螺旋角这一三维特性对超导带材绕制的影响，因此本发明将进行高温超导直流电缆的三维磁场建模，并且通过叠加不同谐波分量电流，进行磁场分析。
[0038]
步骤1、针对高温超导直流电缆带材设置参数并进行三维建模，得到稳态下的三维高温超导直流电缆带材外部磁感应强度分布与带材上的磁感应强度分布，同时得到了不同截面的磁感应强度分布。
[0039]
其中参数包括：绕制螺旋角为20
°
，螺旋带材直径16mm，单层导电层均匀排列6根超导带材，流经每根带材的电流为50a。三维建模的具体实现方法为：通过comsol在xy平面画出带材截面，然后沿螺旋线进行扫掠，设置流经带材的时变电流，计算得到如图2、图3、图4、图5和图6所示的三维高温超导直流电缆外部磁感应强度分布与带材上的磁感应强度分布，并且得到不同截面的磁感应强度分布。
[0040]
步骤2、在步骤1流经带材的电流上叠加相应参数的谐波分量，计算得到如图7、图8、图9和图10所示的0、0.3s、0.6s、0.9s时刻的三维高温超导直流电缆带材上的磁感应强度分布。
[0041]
其中参数包括叠加谐波分量幅值为5a，周期为1s。
[0042]
步骤3、对步骤1和步骤2得到的磁感应强度分布进行矢量分解，并计算磁感应强度平均值。
[0043]
超导带材周围的磁场的方向可分为与带材平行与垂直的方向。不同的方向，不同的大小，对超导带材的临界电流的影响有一定的差异，方向的不同对临界电流影响的差异被称为各向异性。步骤1的建模过程中可以认为带材宽面和圆柱表面相平行，将磁感应强度
的分解为平行和垂直方向的过程如图11所示。将圆柱体上各点(x,y,z)的磁感应强度(b
x
,by,bz)按照圆柱面平行和垂直的方向进行矢量分解，分解后得到平行带材的磁感应强度矢量b
//
与垂直带材的磁感应强度矢量b
⊥
为：
[0044][0045][0046]
超导层表面总的磁感应强度绝大多是均为平行分量，较少一部分为垂直分量。
[0047]
步骤4、改变步骤1中设置的绕制螺旋角，重复步骤1、步骤2和步骤3，即改变带材的绕制螺旋角后再次对超导带材表面的磁感应强度进行仿真，得到不同绕制螺旋角下的超导带材表面磁感应强度平均值。
[0048]
步骤5、为了更加明显地看到磁感应强度的变化的趋势，使用标幺值表示步骤4中不同参数下超导带材表面磁感应强度平均值。在分析绕制螺旋角时，基准值设定为绕制螺旋角为10
°
的平均值，磁感应强度的变化的趋势如图12所示，在叠加谐波时，基准值设定为未叠加谐波的平均值，叠加谐波后的磁感应强度随时间的变化趋势如图13所示。
[0049]
步骤6、通过步骤5中的标幺值的变化规律来分析不同情况下的临界电流的相对大小，进而分析带材稳定性；
[0050]
根据图12得到，随着绕制螺旋角的增大，超导带材表面的磁感应强度平行分量在基准值上下波动范围，变化程度较小；其原因可能为流经超导带材电流的环形分量产生轴向磁场，流经超导带材电流的轴形分量产生环向磁场，内外两侧的磁场变化趋势相同；两种相互叠加后的影响使得平行分量的变化程度较小，超导层表面的磁感应强度垂直分量随着绕制螺旋角的增大而减小，且下降趋势较为明显；超导带材外磁场增大，其临界电流会减小，因此绕制螺旋角增大，临界电流也增大。
[0051]
根据图13得到，由于叠加了谐波分量，超导带材表面的磁感应强度随谐波周期变化，超导带材表面的磁感应强度平行分量、垂直分量均同谐波变化方向相同，在0.3s附件时达到峰值，即在0.3s附件临界电流出现极小值，即此时超导带材稳定性较差，在设计时要注意考虑。
[0052]
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。