高温超导电缆电流引线结构及其设计方法与流程

本发明涉及高温超导电缆电流引线
技术领域：
，更具体地，涉及高温超导电缆电流引线结构及其设计方法。
背景技术：
：高温超导电缆具有传输功率大、电流密度高、损耗低和环境友好等优点。高温超导电流引线是一种复合电流引线，在低温段采用高温超导材料，在室温与高温超导材料之间采用铜或铜合金等导电材料，作为陶瓷材料的高温氧化物超导材料的热导率很低，正常工作时不产生热量，因而注入液氮容器的热量非常小，在常规电流引线部分，由于缩小了引线两端的温差，引线漏热也相应减小。但是，电流引线本身具有一定的电阻，因而在传输电流时要产生热量，这些热量的一部分由引线末端传入低温容器。小型超导电缆的运行电流小，对电流引线可以不作特殊考虑；但是，在大型超导电缆中，电流引线漏热在很大程度上决定着超导电缆在正常运行时所需的冷却容量。因此，在大型超导电缆的设计中，电流引线的设计十分讲究，必须仔细考虑引线各个部分的设计方法。电流引线的设计就是要在满足超导电缆运行电流要求的前提下，尽可能得减小流入低温容器的热量。通过研究发现，在一定的电流下，电流引线漏热与制作引线的材料有关，一旦引线材料确定后，则引线的漏热与引线的尺寸、形状密切相关，因此，引线尺寸、形状的优化十分重要。由电流引线传入低温容器的漏热包括传导热和焦耳热。加大电流引线的截面积，可以减小焦耳热，但会增加由传导热引起的漏热；而减小电流引线的截面积，情况则刚好相反。因此，在引线各项参数已知的情况下，存在一个热损耗最小的长衡比l/a，即引线长度与横截面积的比值，使得引线末端流入超导电缆低温容器的热量最小。现有技术中，中国发明专利(cn110323325)公开了一种珀尔帖电流引线装置，通过在现有的铜或铜合金引线插入由热电材料碲化铋形成的电流引线，能够在电流引线通过电流时将电流引线低温端的热量传递到室温端，并且由于碲化铋材料的热导率仅为铜材料的0.4％，在没有电流通过时，能够减少电流引线造成的漏热。现有技术中，电流引线常常设计成类似热交换器的形式，以尽可能的减小通过电流引线向低温容器的漏热，用不同材料制成的电流引线有不同的最低漏热，在给定材料的基础上，进一步优化电流引线的尺寸来使引线漏热接近最小值；利用低温冷却液容器中冷却液蒸发出来的冷却气体带走电流引线上的传导热和焦耳热，即采用气冷电流引线结构，充分利用冷却气体的显热将大大降低电流引线的漏热，从而减小冷却液的蒸发量。中国发明专利(cn110994534)公开了一种基于蒸发冷却的多段式电流引线，第一引线段包裹超导电缆和引线，第二引线段增大引线与液氮之间的换热面积、加强引线与液氮之间的换热，第三引线段增大引线与蒸发氮气的换热面积、加强引线与蒸发氮气的换热、降低引线的温度、减少引线的漏热，第四引线段从第三引线段向室温端实现温度过渡；其中第三引线段采用引线截面上两个方向互相垂直且平行排列多根铜排的排列方式，各铜排之间保持预设的间距。中国发明专利(cn107068324)公开了一种6ka高温超导电流引线，其中铜换热器段采用30根直径6mm的铜棒，并呈内层10根、外层20根的排布方式。综上，需要进一步优化引线结构，减小由焦耳热以及外部传入热量产生的电流引线漏热。技术实现要素：为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种高温超导电缆电流引线结构及其设计方法，通过优化电流引线结构，以减小电流引线的漏热量。本发明采用如下的技术方案。高温超导电缆电流引线结构，采用沿引线轴方向平行排列多根金属棒，各根金属棒之间保持预设的间距。金属棒包括第一引线段、第二引线段和第三引线段；其中，第一引线段的底端接触液氮液面，第一引线段的顶端连接第二引线段的底端；第二引线段的顶端连接第三引线段的底端，第三引线段的顶端连接室温接线端子；第二引线段的顶端不超过环氧板位置。其中，第一引线段和第三引线段是实心金属棒，第二引线段是空心金属棒。高温超导电缆电流引线结构的设计方法的步骤如下：步骤1，测量高温超导电缆终端内液氮液面至室温接线端子之间的距离、液氮液面至环氧板之间的距离；分别确定电流引线中第一引线段、第二引线段和第三引线段的长度；步骤2，测量电流引线的外径，根据电流引线的额定电流，设置电流引线中第二引线段的内径初始值；步骤3，测量液氮液面温度、环氧板位置温度和室温接线端子温度；步骤4，基于电流引线的热场和电场的耦合模型，采用仿真手段，以电流引线漏热最小为目标函数，从第二引线段的内径初始值开始，优化第二引线段的长度和内径；步骤5，根据第二引线段的长度和内径的优化结果，确定电流引线中第一引线段和第三引线段的长度。优选地，步骤1包括：步骤1.1，以液氮液面至室温接线端子之间的距离作为电流引线中第一引线段、第二引线段和第三引线段的总长；步骤1.2，以液氮液面为第一引线段的底端，据此确定第一引线段的顶端；步骤1.3，以第一引线段的顶端为第二引线段的底端，第二引线段的顶端不超过环氧板的位置，据此确定第二引线段的长度；步骤1.4，以第二引线段的顶端为第三引线段的底端，以室温接线端子的位置为第三引线段的顶端，据此确定第三引线段的长度。进一步，步骤1.2中，第一引线段的长度不小于200mm。进一步，在步骤2中，电流引线中第一引线段、第二引线段和第三引线段的外径相同，第二引线段的内径满足30mm≤d≤56mm<d，其中d表示第二引线段的内径，d表示第二引线段的外径。进一步，在步骤4中，电流引线的热场模型满足如下关系式：式中，ρ表示电流引线材料的密度，cp表示电流引线材料的恒压热容，表示电流引线外部流体的流速，表示电流引线的热通量，k表示电流引线材料的导热系数，表示梯度算子，t表示电流引线的温度，qe表示电流引线的焦耳热损耗。进一步，在步骤4中，电流引线的电场模型满足如下关系式：式中，表示电流引线的电流密度，表示流过电流引线的电流与引线截面的比值，表示电流引线的电场密度，v表示电流引线的电势，σ表示电流引线材料的电导率，qe表示电流引线的焦耳热损耗，表示梯度算子。进一步，步骤4中，电流引线漏热最小为目标函数的约束条件是环氧板位置温度最接近接线端子温度。进一步，步骤4中，电流引线漏热最小为目标函数的的边界条件包括：电流引线顶端温度为环境温度、电流引线底端温度为液氮沸腾温度、除了顶端和底端以外的电流引线边界均为热绝缘。本发明的有益效果在于，与现有技术相比，在现有电流引线结构和形状上采取内部开空心槽的方式，结构简单，显著优化了热场分布，降低了电流引线漏热，为后续电流引线设计提供可靠的支撑；采用该结构的电流引线易于加工制造、便于安装检修，有利于工程推广应用。附图说明图1为本发明高温超导电缆电流引线结构的轴对称模型示意图；图2为本发明高温超导电缆电流引线结构的设计方法的流程图；图3为本发明高温超导电缆电流引线结构在实施例1中应用时，第二引线段不同长度下，环氧板温度分布曲线图；图4为本发明高温超导电缆电流引线结构在实施例1中应用时，第二引线段不同长度下，电流引线底部漏热量分布曲线图；图5为本发明高温超导电缆电流引线结构在实施例1中应用时，第二引线段不同内径下，环氧板温度分布曲线图；图6为本发明高温超导电缆电流引线结构在实施例1中应用时，第二引线段不同内径下，电流引线底部漏热量分布曲线图；图7为本发明高温超导电缆电流引线结构在实施例2中应用时，第二引线段不同长度下，环氧板温度分布曲线图；图8为本发明高温超导电缆电流引线结构在实施例2中应用时，第二引线段不同长度下，电流引线底部漏热量分布曲线图；图9为本发明高温超导电缆电流引线结构在实施例2中应用时，第二引线段不同内径下，环氧板温度分布曲线图；图10为本发明高温超导电缆电流引线结构在实施例2中应用时，第二引线段不同内径下，电流引线底部漏热量分布曲线图；图11为采用本发明提出的设计方法得到的高温超导电缆电流引线结构的温度分布图。具体实施方式下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。电流引线作为终端中连接变压器(常温293k)和超导电缆(液氮77k)的部件，其自身工作时所产生的焦耳热和来自外部的热量会通过它导入到液氮中，造成部分热损耗，增加制冷机的负担。因此，在保证电流引线通流能力的情况下，尽量减少电流引线的热损耗，是电流引线结构设计中需要考虑的重点。本发明提出的高温超导电缆电流引线结构，采用沿引线轴方向平行排列多根金属棒，各根金属棒之间保持预设的间距。针对由焦耳热及外部传入热量产生的热损耗，可通过合理的结构设计将高温超导电缆电流引线的热损耗尽可能的减少。优化设计思路通常为采取中空设计，即在电流引线内部挖空一部分，挖空部分呈现为圆柱体，从而优化热场分布，降低电流引线漏热。一般可通过仿真计算，给出该圆柱体空槽的最优化尺寸，为后续电流引线的设计提供依据。从均匀性上考虑，电流引线及其内部挖空部分均采取圆柱体结构。因此在仿真计算中，几何建模采取轴对称模型，便于简化模型，图1为本发明高温超导电缆电流引线结构的轴对称模型示意图。如图1，金属棒包括第一引线段1、第二引线段2和第三引线段3；其中，第一引线段1的底端接触液氮液面，第一引线段1的顶端连接第二引线段2的底端；第二引线段2的顶端连接第三引线段3的底端，第三引线段3的顶端连接室温接线端子；第二引线段2的顶端不超过环氧板位置。第一引线段1和第三引线段3是实心金属棒，第二引线段2是空心金属棒。本发明优选实施例中，电流引线采用中空设计，在其内部挖槽。挖槽时中空槽底部离电流引线底部201mm。如图2，高温超导电缆电流引线设计方法的步骤如下：步骤1，测量高温超导电缆终端内液氮液面至室温接线端子之间的距离、液氮液面至环氧板之间的距离；分别确定电流引线中第一引线段、第二引线段和第三引线段的长度。具体地，步骤1包括：步骤1.1，以液氮液面至室温接线端子之间的距离作为电流引线中第一引线段、第二引线段和第三引线段的总长；步骤1.2，以液氮液面为第一引线段的底端，并设置第一引线段的长度不小于200mm，据此确定第一引线段的顶端；步骤1.3，以第一引线段的顶端为第二引线段的底端，第二引线段的顶端不超过环氧板的位置，据此确定第二引线段的长度；步骤1.4，以第二引线段的顶端为第三引线段的底端，以室温接线端子的位置为第三引线段的顶端，据此确定第三引线段的长度。本发明优选实施例中，从图1可以看出，以液氮液面为轴向坐标的起始端点，即x＝0，则第一引线段长度为201mm，环氧板位置为x＝811mm。步骤2，测量电流引线的外径，根据电流引线的额定电流，设置电流引线中第二引线段的内径初始值。具体地，在步骤2中，电流引线中第一引线段、第二引线段和第三引线段的外径相同，第二引线段的内径满足30mm≤d≤56mm<d，其中d表示第二引线段的内径，d表示第二引线段的外径。步骤3，测量液氮液面温度、环氧板位置温度和室温接线端子温度。本发明优选实施例中，在正常运行状况下，终端内部的压力约为0.4mpa，电流引线的底端与液氮的液面接触。不同压力下液氮的沸腾温度详见表1。表1不同压力下液氮的沸腾温度由表1可知，0.4mpa下液氮的沸腾温度约为90k，因此电流引线底端的温度，即液氮液面温度，为90k；电流引线顶端处于常温，即室温接线端子温度，为293.15k；其余边界均为热绝缘。步骤4，基于电流引线的热场和电场的耦合模型，采用仿真手段，以电流引线漏热最小为目标函数，从第二引线段的内径初始值开始，优化第二引线段的长度和内径。具体地，在步骤4中，电流引线的热场和电场的耦合模型满足如下关系式：热场模型：电场模型：式中，ρ表示电流引线材料的密度，cp表示电流引线材料的恒压热容，表示电流引线外部流体的流速，表示电流引线的热通量，k表示电流引线材料的导热系数，t表示电流引线的温度，表示电流引线的电流密度，表示流过电流引线的电流与引线截面的比值，表示电流引线的电场密度，v表示电流引线的电势，σ表示电流引线材料的电导率，qe表示电流引线的焦耳热损耗，表示梯度算子。本发明优选实施例中，电流引线的材料为铝，不同温度下，铝的密度变化不大，故可看作常数。电流引线的主要材料属性参数设置如下：电流引线外部流体的总体流速为0，即为0，因此热场模型中可不考虑恒压热容随温度变化的影响，恒压热容可给定一个常值，设置电流引线材料的恒压热容cp为900j/(kg·k)。导热系数及电导率随温度的变化而变化，不同温度下，铝导热系数k的数值如表2所示：表2铝在不同温度下的导热系数k(单位：w/(m·k))温度(k)4.22976273373k32005700420238230由标2看出，在76k-273k间导热系数可看作是线性变化，通过拟合可给出导热系数k随温度变化的线性表达式；已知铝的电阻温度系数为0.0043/k，在t＝293.15k时，铝的电导率σ为3.44828e7s/m，由此可得电导率σ随温度变化的线性表达式；因此设置电流引线材料的导热系数k为491.5+(420-238)/(77[k]-273[k])×t，单位为w/(m·k)，电流引线材料的电导率σ为3.44828e7*(1+0.0043[1/k]×(293.15[k]-t))，单位为s/m。设置电流引线材料的密度ρ为2700kg/m3。具体地，步骤4中，电流引线漏热最小为目标函数的约束条件是环氧板位置温度最接近接线端子温度。步骤4中，电流引线漏热最小为目标函数的的边界条件包括：电流引线顶端温度为环境温度、电流引线底端温度为液氮沸腾温度、除了顶端和底端以外的电流引线边界均为热绝缘。步骤5，根据第二引线段的长度和内径的优化结果，确定电流引线中第一引线段和第三引线段的长度。采用本发明提出的电流引线设计方法，仿真过程包括：(1)模拟工况：设置实施例1的计算工况为电流i＝1ka、实施例2的计算工况为电流i＝2ka。(2)仿真时，先固定第二引线段的内径，仿真第二引线段的不同长度对电流引线漏热的影响；在确定第二引线段的长度的情况下，再仿真第二引线段的内径对电流引线漏热的影响；(3)通过比较结果得到最优参数。实施例1。图3、图4分别为本发明高温超导电缆电流引线结构在实施例1中应用时，第二引线段不同长度下，环氧板温度分布曲线图和电流引线底部漏热量分布曲线图。由仿真曲线图看出，在电流i＝1ka的情况下，当第二引线段的内径确定时，第二引线段的长度越长，电流引线底部热通量越小，即电流引线漏热量越小；但是考虑到，环氧板处的温度应尽可能的接近室温，因此，从实际情况出发，在第二引线段的顶端不超过环氧板的情况下，第二引线段的长度应尽可能的长，即l＝610mm。图5、图6分别为本发明高温超导电缆电流引线结构在实施例1中应用时，第二引线段不同内径下，环氧板温度分布曲线图和电流引线底部漏热量分布曲线图。由仿真曲线图看出，当第二引线段的长度确定时，第二引线段的内径d＝56mm时，电流引线底部的漏热量最小。实施例2。图7、图8分别为本发明高温超导电缆电流引线结构在实施例2中应用时，第二引线段不同长度下，环氧板温度分布曲线图和电流引线底部漏热量分布曲线图。由仿真曲线图看出，在电流i＝2ka的情况下，当第二引线段的内径确定时，第二引线段的长度越长，电流引线底部热通量越小，即电流引线漏热量越小；但是考虑到，环氧板处的温度应尽可能的接近室温，因此，从实际情况出发，在第二引线段的顶端不超过环氧板的情况下，第二引线段的长度应尽可能的长，即l＝610mm。图9、图10分别为本发明高温超导电缆电流引线结构在实施例2中应用时，第二引线段不同内径下，环氧板温度分布曲线图、电流引线底部漏热量分布曲线图和电流引线轴向温度分布曲线图。由仿真曲线图看出，当第二引线段的长度确定时，第二引线段的内径d＝50mm时，电流引线底部的漏热量最小。综上所述，根据实施例1和实施例2的仿真结果可知，为了让电流引线底部的漏热量尽可能小的同时，还要让环氧板处的温度尽可能的接近室温，因此第二引线段的顶端不易超过环氧板所处的位置，在此前提下，第二引线段的长度应尽可能的长。其次，当电流i＝1ka，第二引线段的内径d为56mm时，电流引线底部的热流最小；当电流i＝2ka，第二引线段的内径d为50mm时，电流引线底部的热流最小。可见，第二引线段的内径的大小不应大于50mm。从机械强度方面的考虑，不建议电流引线的壁厚过小。因此，第二引线段经优化后的参数为：长度610mm、内径40mm。采用本发明提出的设计方法得到的高温超导电缆电流引线结构的温度分布如图11所示。本发明的有益效果在于，与现有技术相比，在现有电流引线结构和形状上采取内部开空心槽的方式，结构简单，显著优化了热场分布，降低了电流引线漏热，为后续电流引线设计提供可靠的支撑；采用该结构的电流引线易于加工制造、便于安装检修，有利于工程推广应用。本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。当前第1页12