高温超导直流电缆的冷却介质流动特性分析与磁场分布

发布时间：2020-04-13 04:03

【摘要】：高温超导直流输电技术具有体积小、重量轻、传输容量大、线路损耗小等优势,已经成为长距离直流电力输送的重要技术选择之一。本文通过仿真计算不同结构的超导直流电缆在过电流状态下的电流与温度分布及正常运行状态下的磁场分布,对电缆结构的选择进行了分析,对超导电缆冷却介质在波纹管恒温器中的流动特性进行了仿真和分析。本文首先针对处于过电流状态下的超导直流电缆,在MATLAB中建立超导电缆本体的电阻模型并在COMSOL中建立稳态传热模型,通过程序调用实现两者联合仿真,计算出单流道型和双流道型超导电缆在故障电流下的各层电流分布,使用电流数据计算出各层生热率并将其写入流固共轭传热瞬态模型,得到电缆本体的温度分布,分析电缆铜骨架半径和冷却介质流速对超导电缆的超导层最高温度大小的影响。在流体力学仿真计算基础之上,在COMSOL中建立在波纹管中的k-ω液氮湍流模型,分析液氮在流道中流动时速度分量、压力和湍流动能的分布。运用该湍流模型,分别计算了波纹管部分几何参数、流速参数对流道出口入口压力差的影响;运用湍流稳态传热模型,分别计算分析了波高、波距和流速等参数对流道出口温度的影响。计算并对比波纹管和光滑管的出口入口压力差大小和出口温度大小。最后建立单向型和双向型超导直流电缆的二维模型,仿真得到不同结构下超导电缆的磁场分布。结合超导带材的各向异性和超导带材的磁场分布,对超导电缆的临界电流进行仿真计算并绕制了超导电缆短样,与仿真结果进行了对比。
【图文】：

热绝缘,高温超导电缆,结构示意图

超导电缆可以依据绝缘层绕制位置的不同可以分为两类：热绝缘（Ｗａｒｍ逡逑Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ，邋ＷＤ）高温超导电缆以及冷绝缘（Ｃｏｌｄ邋Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ，ＣＤ）高温超导电缆。逡逑图１－１为两种超导电缆的结构示意图。逡逑波纹管导件层绝热层＊绝缘保斧层波纹管导体层电绝缘驾热层保护层逡逑骨架，邋ｎ邋‘＂邋骨架｜丨邋ｎ逦■逡逑（ａ）热绝缘逦（ｂ）冷绝缘逡逑图１－１热绝缘和冷绝缘高温超导电缆结构示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ．邋１－１邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＷＤ邋ａｎｄ邋ＣＤ邋ＨＴＳ邋ｃａｂｌｅ逡逑２逡逑

单流道,双流道,高温超导电缆,结构示意图

导电缆的电绝缘层绕制在热绝缘外层处于常温工作环境中，热绝缘相对冷绝缘来逡逑说结构相对简单，，易安装，但在处于运行状态时的涡流损耗比冷绝缘大很多。逡逑高温超导电缆还可以根据骨架的构成分为两类，两种结构的超导电缆如图１－２逡逑所示。上图中（ａ）为电缆骨架为铜绞线的单流道型，具有很好的幵性和较强的机逡逑械强度，可以在电缆处于过电流状态时分担故障电流；图（ｂ）是骨架为液氮流道逡逑及波纹管的双流道型，提供带材缠绕基底的同时起到对电缆的冷却作用，冷却效逡逑果相比单流道型超导电缆更好。逡逑（ａ）单流道型逦（ｂ）双流道型逡逑图１－２单流道和双流道高温超导电缆结构示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ．邋１－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈａｎｎｅｌ邋ａｎｄ邋ｄｏｕｂｌｅ－ｃｈａｎｎｅｌ邋ＨＴＳ邋ｃａｂｌｅ逡逑高温超导电缆的结构具体由以下几部分组成：逡逑（１）
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM249.7

【参考文献】