一种液化天然气温区冷绝缘通电导体设计方法及系统

本发明涉及通电导体设计领域，特别是涉及一种液化天然气温区冷绝缘通电导体设计方法及系统。

背景技术：

我国资源分布不均，西电东送与西气东输、近海风电与液化天然气(lng)站等能源工程加速建设，同时超导输电技术迅速发展，利用lng冷却超导电缆，实现电力/lng一体化输送，可共用能源通道，提高整体效率，降低综合成本，为能源互联网建设提供先进技术方案。针对电/lng一体化输送的特殊需求，采用高温超导电缆来传输电能，开展超导直流能源管道用±100kv/1ka/30m超导直流能源管道用冷绝缘直流高温超导电缆通电导体的设计研究，为研制超导直流能源管道用高温超导电缆通电导体样机提供设计方案。

目前超导电缆的主要运行温区为液氮温区，也就是77k左右，这是由于高温超导材料的发展以及液氮的廉价和资源丰富导致的。然而，还有好多其他温区的超导电缆在研究以及开发中。其中国内外许多学者也进行了在20k温区的超导电缆的特性实验分析。我国清华大学的蒋晓华等人采用低温氦气作为制冷介质研究二硼化镁作为超导线材的超导电缆的本体热分析，求出低温氦气的轴向温度分布和电缆本体的漏热量，并且对氦气通道的进口温度和氦气的质流率进行了优化；nickg.suttell等人对用气态氦气作为制冷工质的超导电缆进行模拟仿真各种诸如真空管破裂、制冷循环故障等来研究其暂态的热过程。根据检索到的所有文献可以看到高温超导电缆将会继续沿大电流高电压远距离传输电量的趋势方向发展，而且也会向能量共享传输方向进行探索研究。2017年中国电力科学研究院完成6m/10kv/2ka的氢电混输超导能源管道样机的测试。俄罗斯alexanderchervyakov团队也在2017年完成mgb2超导线材绕制的超导电缆的氢电混合运输的样机测试。目前，电工所在国网科技项目“氢电混合超导输电技术可行性研究”(dg71-16-004)和中国科学院前沿科学重点研究项目“超导在能源电力方面的基础研究”(qyzdj-ssw-jsc025)的项目资助下已经开始10m/10kv/1ka超导直流能源管道相关的工作，由于该系统在输送电力的同时也在输送化石燃料，因此其工作温区将在85k-90k之间。

现有技术没有系统的、针对lng温区冷绝缘通电导体设计方法及系统。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种液化天然气温区冷绝缘通电导体设计方法及系统，可以使得在任意工作温区通电导体各层的电流都均匀化。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种液化天然气温区冷绝缘通电导体设计方法，包括：

确定冷绝缘通电导体的构型，所述冷绝缘通电导体包括冷绝缘交流高温超导电缆或冷绝缘直流高温超导电缆；

基于所述冷绝缘通电导体的构型和超导带材临界电流随磁场变化特性，确定用于绕制所述冷绝缘通电导体的构型的超导带材的临界电流特性；

基于所述临界电流特性和超导带材的机械特性确定带材绕制半径；

根据所述超导带材的机械特性和所述带材绕制半径，确定冷绝缘通电导体的绕制螺旋角范围和螺距范围；

获取带材之间的距离和带材填充率；

根据所述螺旋角范围、所述螺距范围、所述带材之间的距离和所述带材填充率，确定高温超导电缆样缆通电导体的设计参数的初始值；

基于所述设计参数的初始值，利用蚁群算法、迭代计算方法和高温超导电缆电磁参数计算方法，得到所述高温超导电缆样缆通电导体的优化后的结构参数和电磁参数。

可选地，所述冷绝缘通电导体的构型包括单芯冷绝缘超导电缆结构、三相同心超导电缆结构、三相同轴超导电缆结构以及两极同轴超导电缆结构。

可选地，所述确定冷绝缘通电导体的构型，具体包括：

根据电压等级、超导带材的用量以及低温杜瓦管的损耗中的至少一项，确定冷绝缘高温超导电缆通电导体的构型。

可选地，所述根据所述超导带材的机械特性和所述带材绕制半径，确定冷绝缘通电导体的绕制螺旋角的范围和螺距范围，具体包括：

根据所述超导带材的机械特性和所述带材绕制半径采用公式或确定冷绝缘通电导体的绕制螺旋角的范围和螺距范围；

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，εr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。

可选地，所述基于所述冷绝缘通电导体的构型和超导带材临界电流随磁场变化特性，确定用于绕制所述冷绝缘通电导体的构型的超导带材的临界电流特性，具体包括：

基于所述冷绝缘通电导体的构型和超导带材临界电流随磁场变化特性，根据运行电流大小和方向确定超导电缆本体各层上磁场大小和方向，确定超导电缆本体各层上的临界电流。

一种液化天然气温区冷绝缘通电导体设计系统，包括：

冷绝缘通电导体构型确定模块，用于确定冷绝缘通电导体的构型，所述冷绝缘通电导体包括冷绝缘交流高温超导电缆或冷绝缘直流高温超导电缆；

临界电流特性确定模块，用于基于所述冷绝缘通电导体的构型和超导带材临界电流随磁场变化特性，确定用于绕制所述冷绝缘通电导体的构型的超导带材的临界电流特性；

带材绕制半径确定模块，用于基于所述临界电流特性和超导带材的机械特性确定带材绕制半径；

螺旋角范围/螺距范围确定模块，用于根据所述超导带材的机械特性和所述带材绕制半径，确定冷绝缘通电导体的绕制螺旋角范围和螺距范围；

带材距离及填充率获取模块，用于获取带材之间的距离和带材填充率；

设计参数初始值确定模块，用于根据所述螺旋角范围、所述螺距范围、所述带材之间的距离和所述带材填充率，确定高温超导电缆样缆通电导体的设计参数的初始值；

优化参数确定模块，用于基于所述设计参数的初始值，利用蚁群算法、迭代计算方法和高温超导电缆电磁参数计算方法，得到所述高温超导电缆样缆通电导体的优化后的结构参数和电磁参数。

可选地，所述冷绝缘通电导体的构型包括单芯冷绝缘超导电缆结构、三相同心超导电缆结构、三相同轴超导电缆结构以及两极同轴超导电缆结构。

可选地，所述冷绝缘通电导体构型确定模块，具体包括：

冷绝缘通电导体构型确定单元，用于根据电压等级、超导带材的用量以及低温杜瓦管的损耗中的至少一项，确定冷绝缘高温超导电缆通电导体的构型。

可选地，所述螺旋角/螺距确定模块，具体包括：

螺旋角/螺距确定单元，用于根据所述超导带材的机械特性和所述带材绕制半径采用公式或确定冷绝缘通电导体的绕制螺旋角的范围和螺距范围；

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，εr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。

可选地，所述临界电流特性确定模块，具体包括：

临界电流特性确定单元，用于基于所述冷绝缘通电导体的构型利用超导带材临界电流随磁场变化特性，根据运行电流大小和方向确定超导电缆本体各层上磁场大小和方向，确定超导电缆本体各层上的临界电流。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种液化天然气温区冷绝缘通电导体设计方法，通过对超导电缆本体的多物理场分析，结合超导电缆短样的实验结果优化设计参数，在满足技术指标要求的前提下，实现具有技术先进性和经济优越性的超导电缆本体结构设计。

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为本发明液化天然气温区冷绝缘通电导体设计方法流程图；

图2为本发明液化天然气温区冷绝缘通电导体设计系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种液化天然气温区冷绝缘通电导体设计方法，可以使得在任意工作温区通电导体各层的电流都均匀化。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明液化天然气温区冷绝缘通电导体设计方法流程图。如图1所示，一种液化天然气温区冷绝缘通电导体设计方法包括：

步骤101：确定冷绝缘通电导体的构型，具体包括：

根据电压等级、超导带材的用量以及低温杜瓦管的损耗中的至少一项，确定冷绝缘高温超导电缆通电导体的构型。

所述冷绝缘通电导体包括骨架、导体层、绝缘层、屏蔽层和外保护套，所述冷绝缘通电导体包括冷绝缘交流高温超导电缆或冷绝缘直流高温超导电缆。

所述冷绝缘高温超导通电导体一般在结构上从内到外包括：骨架、导体层、绝缘层、屏蔽层和外护套等。骨架为通电导体绕制的支撑，可以为铜缆芯或波纹管。导体层为多层多根并联超导带材。绝缘层为冷绝缘材料，通常可以选择pplp或聚酰亚胺材料。绝热层为低温杜瓦管，用以维持通电导体的低温工作环境。屏蔽层用以屏蔽电磁和均匀电场，外护套用于电缆的物理和化学防护。交流超导电缆的分类按导体结构分为单芯冷绝缘超导电缆，三相同轴超导电缆，三相同心(三相平行轴)超导电缆。直流超导电缆的分类按导体结构分为单芯冷绝缘超导电缆，两极同轴超导电缆。

对于冷绝缘交/直流高温超导电缆通电导体构型，不同构型各有特点，从电压等级来看单芯结构是好的选择，从超导带材的用量以及低温杜瓦管的损耗来看，同轴为好的选择。

通电导体构型比选结论：结合±100kv/1ka/30m超导直流能源管道用冷绝缘直流高温超导电缆通电导体的高电压特点，高温超导电缆通电导体的构型选择单芯结构。

由于超导电缆本体的制备需要将高温超导带材绕制在骨架上，考虑到超导电缆本体的过电流冲击分流保护、弯曲、运输、冷热收缩以及超导电缆的额定容量、体积、液氮冷却介质的低温特性、低温杜瓦管的热力学特性、冷却方式、循环冷却系统等因素，超导电缆本体骨架选择带有螺旋管道的铜缆作为高温超导电缆通电导体绕制骨架。

步骤102：基于所述冷绝缘通电导体的构型和超导带材临界电流随磁场变化特性，确定用于绕制所述冷绝缘通电导体的构型的超导带材的临界电流特性，具体包括：

基于所述冷绝缘通电导体的构型利用超导带材临界电流随磁场变化特性，根据运行电流大小和方向确定超导电缆本体各层上磁场大小和方向，确定超导电缆本体各层上的临界电流。

根据77k温度下高温超导电缆用高温超导带材的规格及其电学和力学参数。搭建了覆盖85k-90k温区的临界电流测试平台，实验研究bi2223带材在不同温区下的临界电流分布规律。实验样品日本住友电工生产的bi2223带材。临界电流特性试验测试采用电测法。实验测试样品接线如下图所示，电测法是通过测量超导样品的伏安特性曲线来判断测试样品临界电流的。通过给实验样品通过电流来测量电压引线两端的电压来判断是否失超，本次实验以1μv/cm为失超判据。实验通过给杜瓦管加压来提高液氮温度，该实验装置所能承受的温度上升的大极限为99.3k。之后，在液氮温区的基础上，通过给杜瓦管进行抽真空来降低杜瓦管内部压强达到降温的目的。该实验装置所能达到的低温度为69.3k。电源采用600k超导磁体直流源。设置升流速度为0.5-2a/s。

得到在77.8k时，其临界电流为203a，当温度升高到90k的时候，其ic为115a，而且随着温度的增加，临界电流近乎线形下降。采用线性拟合方法对该数据进行拟合得到其数学模型。其线性方程为：

ic(t)＝-6.96·t+739.86

式中ic(t)为在t∈(77k，92k)区间内的高温超导带材的临界电流。从关系式中可以看到该线段的斜率为-6.96，即每升高1k，ic下降6.96a。利用拟合的曲线可以得到在任意温度时候的临界电流值。

利用超导带材临界电流ic随磁场变化特性，根据运行电流大小和方向确定超导电缆本体各层上磁场大小和方向，确定超导电缆本体各层上的临界电流。一般高温超导带材的临界电流随磁场的增加而下降；同时具有强烈的各向异性，即临界电流不仅与磁场的大小有关，还与磁场的方向有很大关系。

由于垂直磁场分量对临界电流的影响大于平行磁场分量。因此，在设计过程中，应尽量减小垂直场分量。垂直场对临界电流的影响比平行场的影响要严重得多。因此，对于高温超导电缆通电导体的设计，必须要考虑到磁场对临界电流的影响。

在磁场较低的情形下，计算在垂直磁场以及平行磁场下的临界电流如下：

在第一代高温超导带材的各向异性中，目前比较公认的描述在77k温区下临界电流的变化随着磁场的大小和方向而变化的模型有下面几种：

(1)在直流磁场b中，临界电流与磁场的关系为：

式中，ic0是超导带材自场下的临界电流，b||和b⊥分别为超导带材所处磁场下的平行分量和垂直分量的绝对值，b0是拟合常数，这里取1t。

(2)引入有效质量张量模型的i_c与b之间的关系如下：

ic(b，θ)＝ic(εθ，b)

式中，εθ是角度θ的函数，为：

其中，ε为表达各向异性的参数，其与超导体晶粒的有效质量相关：

式中，mab和mc分别为超导体晶粒沿ab面和c轴的有效质量，和分别为沿超导晶粒ab面和c轴上的临界场。

3)二维涡旋模型中，i_c与b之间的关系可描述为：

ic(b，θ)＝ic(bsinθ)

(4)在不考虑微观机理的情况，可以通过i_c与b的经验关系式来获得其相应的关系，

式中，b||为磁场b的平行分量，b⊥为磁场b的垂直分量，ic||(b||)为超导带材在该磁场b的平行分量下的临界电流,ic⊥(b⊥)为超导带材在该磁场b的垂直分量下的临界电流，ic(0)为超导带材在其自场下的临界电流。

(5)基于本征扎钉模型，凯斯模型和有效质量模型进行分析对比，同时结合对实验数据的分析，得出下列公式可以得出临界电流随着不同角度下背景磁场的关系：

根据临界电流ic和运行裕度，对运行电流和磁场进行迭代计算，得到电缆各层的临界电流和最佳运行电流，最终确定超导电缆本体的超导带材层数和各层超导带材的根数。具体采用公式根数＝总电流/(单根带材的临界电流*运行裕度)来确定。所使用的n层高温超导电缆本体的各层根数：n1，n2，…，nn分别为导体第1层，第2层，…，第n层上超导带材的根数。螺旋角和螺距会影响磁场分布，磁场分布对应着临界电流的大小。绕制螺旋角与所用超导带长度l有如下关系：

其中，l0和l分别为电缆本体的净长度和所用超导带的单根实际长度。

根据上述公式绕制螺旋角范围，确定绕制螺旋角大小。并且根据拟选取的超导电缆带材绕制半径r0以及确定的绕制螺旋角，确定绕制螺距lp：

沿着电缆各层圆周方向的磁场biθ和轴向方向的磁场biz可以通过解析法和有限元方法获得，解析法的计算如下：

步骤103：基于所述临界电流特性和超导带材的机械特性确定带材绕制半径；

步骤104：根据所述超导带材的机械特性和所述带材绕制半径，确定冷绝缘通电导体的绕制螺旋角范围和螺距范围，具体包括：

根据所述超导带材的机械特性和带材绕制半径采用公式或确定冷绝缘通电导体的绕制螺旋角的范围和螺距范围；

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，εr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。

当r≤r时，采用

当r＞r时，采用

步骤105：获取带材之间的距离和带材填充率；

步骤106：根据所述螺旋角范围、所述螺距范围、所述带材之间的距离和所述带材填充率，确定高温超导电缆样缆通电导体的设计参数的初始值。

步骤107：基于所述设计参数的初始值，利用蚁群算法、迭代计算方法和高温超导电缆电磁参数计算方法，得到所述高温超导电缆样缆通电导体的优化后的结构参数和电磁参数。

图2为本发明液化天然气温区冷绝缘通电导体设计系统结构图。如图2所示，一种液化天然气温区冷绝缘通电导体设计系统，包括：

冷绝缘通电导体构型确定模块201，用于确定冷绝缘通电导体的构型，所述冷绝缘通电导体包括冷绝缘交流高温超导电缆或冷绝缘直流高温超导电缆。

临界电流特性确定模块202，用于基于所述冷绝缘通电导体的构型和超导带材临界电流随磁场变化特性，确定用于绕制所述冷绝缘通电导体的构型的超导带材的临界电流特性。

带材绕制半径确定模块203，用于基于所述临界电流特性和超导带材的机械特性确定带材绕制半径。

螺旋角范围/螺距范围确定模块204，用于根据所述超导带材的机械特性和所述带材绕制半径，确定冷绝缘通电导体的绕制螺旋角范围和螺距范围。

带材距离及填充率获取模块205，用于获取带材之间的距离和带材填充率。

设计参数初始值确定模块206，用于根据所述螺旋角范围、所述螺距范围、所述带材之间的距离和所述带材填充率，确定高温超导电缆样缆通电导体的设计参数的初始值。

优化参数确定模块207，用于基于所述设计参数的初始值，利用蚁群算法的原理和迭代计算代入到高温超导电缆电磁参数计算中，得到所述高温超导电缆样缆通电导体的优化后的结构参数和电磁参数。

所述冷绝缘通电导体的构型包括单芯冷绝缘超导电缆结构、三相同心超导电缆结构、三相同轴超导电缆结构以及两极同轴超导电缆结构。

所述冷绝缘通电导体构型确定模块201，具体包括：

冷绝缘通电导体构型确定单元，用于根据电压等级、超导带材的用量以及低温杜瓦管的损耗中的至少一项，确定冷绝缘高温超导电缆通电导体的构型。

所述螺旋角/螺距确定模块203，具体包括：

螺旋角/螺距确定单元，用于根据所述超导带材的机械特性和带材绕制半径采用公式或确定冷绝缘通电导体的绕制螺旋角的范围和螺距范围；

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，εr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。

所述临界电流特性确定模块202，具体包括：

临界电流特性确定单元，用于基于所述冷绝缘通电导体的构型利用超导带材临界电流随磁场变化特性，根据运行电流大小和方向确定超导电缆本体各层上磁场大小和方向，确定超导电缆本体各层上的临界电流。

本发明提供了一种液化天然气温区冷绝缘通电导体设计方法及系统，通过对超导电缆本体的多物理场分析，结合超导电缆短样的实验结果优化设计参数，在满足技术指标要求的前提下，实现具有技术先进性和经济优越性的超导电缆本体结构设计。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。