一种YBCO高温超导单元失超电阻率的计算方法及系统

摘要

本发明提供一种YBCO高温超导单元失超电阻率的计算方法及系统，设计方法合理，失超拟合的精度和准确度更高，且方法简单通用性强、更容易实现，有助于提高超导单元的运行安全性和可靠性，所述方法包括，将YBCO高温超导单元整个通流过程划分为多个通流区间段；根据通流区间段的划分，计算每个节点处的电流密度，并得到各个通流区间段对应的电流密度范围；根据每个节点处的电流密度，分别得到由该节点划分通流过程后的初级电阻率函数；根据各个通流区间段的电流密度范围，将所有初级电阻率函数进行区间叠加得到超导层电阻率，然后将超导层电阻率与金属稳定层电阻率并联，等效得到YBCO高温超导单元失超电阻率。

说明书

技术领域

本发明涉及高温超导单元失超过程中电阻的解析，具体为一种YBCO高温超导单元失超电阻率的计算方法及系统。

背景技术

电力系统一旦发生短路故障，瞬间产生的故障电流可能会对线路中所有相连的用电设备造成冲击，对电网的安全与稳定性有极大的影响。近年来，针对电网中故障电流的限制策略与手段相继出现，超导限流器具有对环境友好，集触发、检测于一身，限流速度快且能自我恢复等优点，为解决电网短路故障问题提供了一种新的限制短路电流的方法，成为研究的热点。

高温超导限流器阻抗设计主要是根据限流电路的运行工况加以调整和改变。把运行中的电力系统等效抽象为数学模型，结合高温超导材料临界电流、临界温度、临界磁场等数学特性，将变化的阻抗根据不同电力系统运行环境应用在电路中，开展正常工况与电网短路状况下电路的数学分析，由于发生短路状况而引发的超导带材温度升高，根据电流和温度变化而产生阻抗变化，导致超导带材在失超过程中产生电阻从而实现限流，为此，超导带材的失超电阻计算是完成高温超导限流器阻抗设计的关键前提条件。

现有技术中，超导失超电阻的计算方法主要包括超导有限元数值分析法和超导带材数学模型解析计算法。第一种方法，需要采用有限元数值计算软件，搭建超导材料的有限元分析模型，通过电磁场数值分析法求解超导材料内的电流和电压分量分布情况，但是该方法需要搭建针对超导材料多尺寸结构参数的数值计算模型，导致计算时间较长，模型求解难度较大，对技术人员的超导专业知识要求较高；而第二种基于给定超导特征值(n值)的超导带材数学模型解析计算法，根据超导电压——能量方程，采用解析计算公式来简化描述超导特性，计算所需时间较短，模型难度较低，但是由于只采用单个超导特征值来等效超导失超转变过程，不能全面体现过流冲击时超导带材的电阻行为，导致计算准确性不高，无法准确揭示超导失超过程变化规律，因此，将影响超导单元运行稳定裕度的准确定义，从而危害超导单元的可靠性和安全性。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种YBCO高温超导单元失超电阻率的计算方法及系统，设计方法合理，失超拟合的精度和准确度更高，且方法简单、更容易实现。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种YBCO高温超导单元失超电阻率的计算方法，包括，

将YBCO高温超导单元整个通流过程划分为多个通流区间段；

根据通流区间段的划分，计算每个节点处的电流密度，并得到各个通流区间段对应的电流密度范围；

根据每个节点处的电流密度，分别得到由该节点划分通流过程后的初级电阻率函数；

根据各个通流区间段的电流密度范围，将所有初级电阻率函数进行区间叠加得到超导层电阻率；

将超导层电阻率与金属稳定层电阻率并联，等效得到YBCO高温超导单元失超电阻率。

优选的，所述将YBCO高温超导单元整个通流过程划分为多个通流区间段，具体如下，

根据YBCO高温超导单元的电流密度与临界电流密度的倍数关系，将YBCO高温超导单元整个通流过程划分为F个通流区间段，F为大于1的自然数。

进一步，所述根据通流区间段的划分，计算每个节点处的电流密度，如下所示，

J

其中：k

再进一步，所述的k

k

其中，D为节点序号，为自然数。

优选的，所述根据每个节点处的电流密度，分别得到由该节点划分通流过程后的初级电阻率函数，具体如下所示，

其中：J为电流密度，J

进一步，每个初级电阻率函数ρ

优选的，所述的根据各个通流区间段的电流密度范围，将所有初级电阻率函数进行区间叠加得到超导层电阻率，具体如下，

其中：ρ

优选的，所述将超导层电阻率与金属稳定层电阻率并联，等效得到YBCO高温超导单元失超电阻率，具体如下所示，

其中，ρ

一种YBCO高温超导单元失超电阻率的计算系统，包括，

区间分段模块，用于将YBCO高温超导单元整个通流过程划分为多个通流区间段；

节点电流密度模块，用于根据通流区间段的划分，计算每个节点处的电流密度，并得到各个通流区间段的电流密度范围；

初级电阻率函数获取模块，用于根据每个节点处的电流密度，分别得到由该节点划分通流过程后的初级电阻率函数；

超导层电阻率获取模块，用于根据各个通流区间段的电流密度范围，将所有初级电阻率函数进行区间叠加得到超导层电阻率；

等效模块，将超导层电阻率与金属稳定层电阻率并联，等效得到YBCO高温超导单元失超电阻率。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述任一项所述的YBCO高温超导单元失超电阻率的计算方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过将通流区间段进行细分，实现了对超导材料非线性失超转变过程的细分化处理，利用各个节点的电流密度，对通流区间段的电阻率函数进行叠加，从而能够准确拟合超导带材在故障电流冲击下随时间变化的失超过程。克服了基于单个n值的超导电压—能量(E-Jpower law)模型不能全面体现过流冲击中超导带材的非线性电阻变化行为，导致无法准确定义超导单元运行稳定裕度，影响了超导单元的可靠性和安全性。同时相比于现有超导有限元数值分析法，更能充分考虑超导带材的实际运行工况，对失超过程拟合的精度和准确度更高，且算法简单、提高了计算效率，更容易实现，适用于非超导专业人员进行实施。

附图说明

图1是本发明实施例中所述超导单元通流区间分段示意图；

图2是本发明实施例中YBCO高温超导单元失超电阻率等效计算模型示意图；

图3是本发明实施例中所述方法流程图。

图4是本发明实例中所述系统结构框图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种YBCO高温超导单元失超电阻率的通用计算方法，根据不同的临界电流密度倍数将高温超导单元整个通流过程划分为多个区间，因此每个区间可用不同的失超特征参数n值来等效，建立超导带材失超特征参数n值区间分段等效模型，计算不同区间分段中n值对应的超导单元失超电阻率，将高温超导单元等效为YBCO超导层与金属稳定层的并联结构，将YBCO超导层电阻率用多个区间电阻率函数进行区间叠加，然后在与金属稳定层电阻率并联，实现对高温超导单元电阻率的等效计算。本方法实现了对超导材料非线性失超转变过程的细分化处理，可以根据需要增加区间分段数，从而准确逼近超导电阻率变化曲线，获得超导失超变化过程中电阻率的变化规律，是一种快速准确、便于实现的超导失超电阻率通用计算方法。本发明为设计基于故障失超特性的超导单元的运行稳定裕度提供了计算依据，可以用于超导带材、超导线圈、超导缆线等超导单元失超状态评价，为提高超导单元的运行可靠性和安全性具有重要的作用。

其中，在进行区间分段等效时，根据YBCO高温超导单元的电流密度J与临界电流密度J

S301，将YBCO高温超导单元整个通流过程划分为多个通流区间段；

S302，根据通流区间段的划分，计算每个节点处的电流密度，并得到各个通流区间段的电流密度范围；

S303，根据每个节点处的电流密度，分别得到由该节点划分通流过程后的初级电阻率函数；

S304，根据各个通流区间段的电流密度范围，将所有初级电阻率函数进行区间叠加得到超导层电阻率；

S305，将超导层电阻率与金属稳定层电阻率并联，等效得到YBCO高温超导单元失超电阻率。

上述的过程是，实际上是建立了一种超导失超特征值(n值)区间分段等效法，根据不同的临界电流密度(J

本优选实例中，如图1所示，所述的每个通流区间，将所述YBCO高温超导单元的通流过程划分为F个区间段，各个区间对应的节点为D＝1，2，…，F-1。

所述节点D划分的每个通流区间的超导失超特征值为n

所述节点D处的电流密度为：

J

当k

J

基于每个通流区间节点电流密度，分别得到由该节点划分通流过程后的初级电阻率函数如下：

其中：J为电流密度，J

通过上述的区间划分，得到了每个节点划分后对应初级电阻率函数，但是不足以覆盖整个通流过程。

将高温超导带材等效为YBCO高温超导层与金属稳定层的并联结构。从而采用失超特征值区间分段计算法，将YBCO超导层电阻率用多个区间电阻率函数ρ

每个通流区间节点电阻率，在所提出的超导通用等效电阻率分段函数中。

然后在与金属稳定层电阻率ρ

从而对应任何时刻的电流密度，均能够通用的得到对应YBCO高温超导单元失超电阻率。

在具体情况的实际应用中，将超导限流器中YBCO高温超导带材的通流过程分为4个区间段和3个节点(则F＝4，D＝3)，经计算可得两个区间节点处的电流密度分别为：

J

J

J

计算获得3个节点划分通流过程后的三个初级电阻率函数ρ

YBCO超导层电阻率为三个初级电阻率函数ρ

可知：

(1)第一区间，0

(2)第二区间，J

(3)第三区间，3J

(4)第四区间，J≥5J

可得，YBCO超导带材的等效电阻率ρ

本发明针对基于单个n值的超导电压—能量(E-Jpower law)模型不能全面体现过流冲击时超导带材的电阻变化行为，根据YBCO超导带材的电流密度J与临界电流密度J

(1)本发明克服了基于单个n值的超导电压—能量(E-Jpower law)模型不能全面体现过流冲击时超导带材的电阻变化行为，能够准确拟合超导带材在故障电流冲击下随时间变化的失超过程。本发明为设计基于故障失超特性的超导单元的运行稳定裕度提供了理论计算依据，为提高超导单元的运行可靠性和安全性具有重要的作用。YBCO高温超导单元适用面更广泛，可以是YBCO高温超导带材、超导线圈和超导缆线等。

(2)相比于现有超导有限元数值分析法，更能充分考虑超导带材的实际运行工况，且算法简单、计算效率高，更容易实现，可大大减小计算时间成本，对超导失超过程拟合的精度和准确度更高，适用于非超导专业技术人员实施。

本发明还提供一种YBCO高温超导单元失超电阻率的计算系统，来对应实现上述的方法，如图4所示，包括，

区间分段模块401，用于将YBCO高温超导单元整个通流过程划分为多个通流区间段；

节点电流密度模块402，用于根据通流区间段的划分，计算每个节点处的电流密度，并得到各个通流区间段的电流密度范围；

初级电阻率函数获取模块403，用于根据每个节点处的电流密度，分别得到由该节点划分通流过程后的初级电阻率函数；

超导层电阻率获取模块404，用于根据各个通流区间段的电流密度范围，将所有初级电阻率函数进行区间叠加得到超导层电阻率；

等效模块405，将超导层电阻率与金属稳定层电阻率并联，等效得到YBCO高温超导单元失超电阻率。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的YBCO高温超导单元失超电阻率的计算方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。