[发明专利]高温超导电缆电流引线参数计算方法

说明书

高温超导电缆电流引线参数计算方法，对电流引线所在温区进行分段，使得电流引线在每个分段区间内，材料的电阻率和热导率符合威兹曼‑弗朗兹定律，通过修正洛伦兹常数计算得到电流引线的最佳形状因子，进而确定电流引线的最小截面。结合工程实际应用对整个温区内的电流引线进行有限分段，引入准洛伦兹数，使其在每一小段里近似符合威兹曼—弗朗兹定律，考虑冷却气体蒸发率，计算电流引线的最佳形状因子或最佳长横比以及由电流引线末端流入低温容器热量的近似解析值，提升计算的可操作性，保证了计算的准确性；适用于杂质含量较高的铜或者合金材料制成的电流引线，所得到的计算结果更加符合工程实际，具有极高的工程应用价值。

技术领域

本发明涉及超导电缆设计及制造技术领域，更具体地，涉及高温超导电缆电流引线参数计算方法。

背景技术

对于超导磁体系统而言，连接低温磁体与室温电源的电流引线是其主要漏热源之一，如何降低引线热负荷、减小制冷功率一直是超导技术研究的热点。电流引线参数的优化设计是通过对电流引线热平衡方程的求解来实现对电流引线的长度与截面积大小的优化计算，从而使得引线低温端面漏出的热量最小，减少冷却介质的消耗，以降低冷却成本。

现有技术中，对于电流引线参数的优化设计出现了很多种计算方法，包括偏微分方程纯解析解法、分段计算方法、基于有限元软件的数值计算方法等。这些方法基本面向气冷电流引线设计，均是建立在对电流引线热平衡方程求解的基础上，结合具体工况，对一些计算参数，例如引线材料的物性、引线与冷却气体的热交换效率，做出合理假设，从而得到一个较为接近实际情况的优化参数。

对于用在从液氦温度到室温整个温区内严格遵守威兹曼-弗朗兹(Wiedemann-Franz)定律的材料制成的电流引线，威尔逊算法不失为一种有效的计算方法，该方法将整个温区作为一个区段来求解，得到电流引线各种参数的解析值，因而计算精度很高。但是，严格遵守威兹曼-弗朗兹定律的材料通常只有纯度极高的金属，而纯度较低的金属或者合金材料因为不能严格遵守威兹曼-弗朗兹定律，因此无法使用威尔逊算法计算参数。然而，实际应用中，纯金属制成的电流引线对过载电流十分敏感，在过载情况下，很容易造成电流引线的损坏，甚至对磁体的安全稳定性带来很大隐患，因此纯金属不适合用来制作电流引线，更进一步，在威尔逊计算方法中，引线下端温度已固定为零，如果引线下端温度变成其他温度，例如计算高温超导引线中的常规引线段时，由于其下端温度为液氮温度或者某个中间温度，很显然威尔逊计算方法无法适用。

阮耀钟计算方法是一种典型的分段式数值计算方法，在计算机高度发达的今天，有着很大的优势，中国发明专利(CN101446611)使用改进的气冷电流引线分段计算法对直铜棒变截面电流引线几何参数进行了优化设计，该计算方法中，将气冷电流引线分成n段，并使每段引线两端的温差都相等，且设引线各处的截面积相等；但其计算精度明显取决于引线的分段数和引线材料物理性质的准确性，在引线分段数很大时，计算的累积误差也是一个不容忽视的问题。

考虑上述计算方法数学模型的描述能力和求解方法有一定的局限性，随着有限元理论的迅猛发展和日趋成熟，特别是计算机技术的广泛应用，有限元分析软件对分析复杂的非线性条件下的物理情况提供了很好的途径，这也为电流引线的优化与分析提供一种新的方法和思路。结合传统计算方法和有限元分析，既可以提高传统计算方法的直观可视性，又可以提高优化分析的效率，因此有学者对超导磁体在液氮温区采用氮气迫流冷却的电流引线提出结合传统计算方法和有限元法的优化设计并对迫流冷却电流引线的传热问题进行研究。首先利用威尔逊法、分段法等传统电流引线分析方法，得出电流引线长横比的取值范围，为电流引线的初始建模提供依据。采用ANSYS软件进行电热耦合有限元分析，得到电流引线在自冷条件下引线温度分布以及焦耳热等参数。利用ANSYS优化方法得到漏热与模型参数的关系，获得漏热最小时引线长横比数值。

综上，考虑高温超导电缆在特殊运行工况下，例如空载、过载，需要结合实际使用的电流引线的材质，及其热导率和电阻率在整个温区中的特性进行分析，以获得一种准确的电流引线计算方法。

发明内容