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。

图1为本发明一种不同敷设通道条件下超导电缆的热变形仿真方法的步骤流程示意图。如图1所示，一种不同敷设通道条件下超导电缆的热变形仿真方法，其中，方法包括以下步骤：步骤1，采集超导电缆敷设的工程示意图，并从工程示意图中提取超导电缆的敷设轨迹图。

本发明中，由于不同的超导电缆的敷设通道情况会对超导电缆的形变造成一定程度的影响，因此，为了防止超导电缆在敷设过程中，由于其自身的热变形和机械应力变形而影响到超导电缆的运行工况，则需要对实际敷设过程所导致的超导电缆的形变进行仿真和预估。

具体来说，在不同的超导电缆敷设环境中，超导电缆的形变表现具有一定的差异。所以在实际的工程中，可以首先获取超导电缆的敷设工程图，并对其进行处理。该工程的超导电缆被铺设在两个220KV的变电站之间，实现两个变电站之间的电力传输。在两个变电站之间，根据实际的地形情况，两个变电站之间铺设的超导电缆可以是采用传统的水平铺设方式和具有高差的铺设方式。

具体来说，根据电缆所通过的直线工井或转角工井，可以将各个不同长度的超导电缆段首尾连接起来。所有超导电缆段连接后，整段超导电缆的总长度可以为1020米。

图2为本发明一种不同敷设通道条件下超导电缆的热变形仿真方法中超导电缆的敷设轨迹图。如图2所示，由于超导电缆的敷设工程图中包含太多杂乱的内容，因此，必须对该工程图进行简化，以便进行分析计算。根据工程图中的内容，可以去掉周边环境信息，并提取初超导电缆的安装轨迹图。在安装轨迹图中，可以包括连接各段的直线工井和转角工井的长度和角度信息、孔排管的长度信息等。

步骤2，基于超导电缆的敷设轨迹图，将超导电缆划分为超导电缆段，并为每一超导电缆段绘制三维模型。

根据转角工井或直线工井，可以将超导电缆分成多个不同的超导电缆段。本发明一实施例中，就可以根据图2中的编号，将超导电缆划分为10段。图3为本发明一种不同敷设通道条件下超导电缆的热变形仿真方法中超导电缆段的二维结构示意图。如图3所示，其中编号09的超导电缆段的二维示意图如图所示。在该段中，孔排管有66米长，转角工井有14米长，超导电缆的总长约为80米。

优选地，超导电缆为三芯超导电缆，每段超导电缆之间采用直线工井或转角工井连接。

通过上述方法，可以将所有的超导电缆段的相关信息记录下来。表1为本发明一实施例中的超导电缆分段信息。

表1超导电缆分段信息

通过超导电缆段的长度信息和转角信息，可以将各个超导电缆段抽象为二维模型。另外，再根据实际使用的超导电缆的其他参数信息，例如横截面直径、单位长度重量等信息，将各个超导电缆段再转化为三维模型。

步骤3，采用铜材电缆近似等效超导电缆，并基于三维模型仿真获得所述铜材电缆轴向变形量结果。

本发明一实施例中，所采用的三芯超导电缆每千米的重量可以为15吨左右，即147牛顿。具体来说，根据前期的建模试验，可以将三芯超导电缆近似等效为一根铜材电缆。

优选地，铜材电缆近似等效超导电缆的等效方法为：对温度变化幅度相同情况下，铜材电缆和超导电缆的变形量进行仿真或测试，当两者变形量相等或相似时，实现铜材电缆对超导电缆的近似等效。

具体来说，对相同长度，不同横截面积的多个不同的铜材电缆进行仿真，可以采用横截面上直径从小到大或从大到小的方式依次进行仿真，最后发现在某一横截面积上，超导电缆的变形量和铜材电缆的变形量最为近似，甚至完全一致。此时，可以将超导电缆等效为该铜材电缆。本发明一实施例中，采用直径为90mm的铜材电缆近似等效重量为15t/km的三芯超导电缆。

为了使得仿真计算量进一步减小，提高仿真的速度和仿真的容易程度，在建模过程中可以按照一定比例来对实际模型进行等比例的缩小。

优选地，对超导电缆的典型敷设情况进行预先建模和预先仿真，并获取不同典型敷设情况下的超导电缆的变形量和等效应力。

具体来说，本发明中，可以采取多种不同的方式，预先评估复杂结构的超导电缆在不同形状或接受不同应力情况下的变形量和等效应力。

优选地，参考超导电缆的变形量和等效应力，对不同敷设情况下的超导电缆进行仿真。

即便是在其他条件完全相同的情况下，不同敷设方式仍然会对超导电缆的变形量和等效应力等参数造成较为严重的影响，因此，本发明中考虑到了多种不同的典型的电缆敷设方式，并在下文中，对不同敷设方式时电缆的等效应力和变形量进行了仿真分析。通过获取不同敷设方式下，单位长度的电缆等效应力和变形量参数，能够较好的实现本发明的仿真结果。

优选地，所述超导电缆的敷设情况包括：U型水平敷设、S型水平敷设和高差敷设。

例如，在仿真过程中，可以假设电缆的热膨胀系数为1.677×10^-5℃^-1，电缆与排管的摩擦系数为0.3。在上述条件下，对U型水平敷设的电缆进行仿真。本发明中的水平敷设是相对于会产生高差的垂直敷设来说的。具体的，水平敷设和高差敷设可能在超导电缆的几何结构、布置形状上是一致的，但是其在工井处放置的方式则有所不同。为了模拟出电缆两端在管道中伸缩的情况，可以将约束条件设置为包括条件1：两水平段电缆在垂直方向上的运动；条件2：电缆两断面在3个方向上的最大位移量。通过这种方式进行约束，使得电缆的设置方式可以类似于实际的电缆敷设，形变造成的影响、形变导致的电缆位移将最大的近似于实际情况。

通过冷缩变形仿真，可以获得实际电缆模型在跨度不同情况下的变形量，如表2所示。

表2U型水平敷设电缆冷缩变形及等效应力信息表

本发明中，由于电缆是水平敷设的，所以U型水平敷设的电缆，在垂直方向上基本不会发生形变，即Y方向的变形量无需统计。X方向即平行于电缆的延伸方向，而Z方向则是电缆延伸方向的垂直方向。

对于X方向而言，跨度为1.05m、1.35和1.65的电缆，其横向的变形量较小，而轴向的变形量相对较大。根据不同长度电缆的变形量，进一步可知，电缆两端的最大等效应力随着电缆长度的增加而逐渐减小。跨度为1.05m电缆最大等效应力的值最大。

另外，S型水平敷设的结构可以看作是两个U型敷设结构的组合。本发明中，对不同振幅的超导电缆进行测试，可以分别获得Z方向、X方向的变形量，以及等效应力情况。

表3S型水平敷设电缆冷缩变形及等效应力信息表

具体来说，这里所述的电缆的振幅是指一个S型结构所占据的电缆轴向长度。随着振幅大小的不同，电缆的形变量也不同。跨度最小的电缆其最大等效应力的值最大。另外，跨度为0.825m*2和1.050m*2的两个跨度，其电缆的变形量是能够满足冷缩要求的。

另外，由于实际的电缆敷设过程中，电缆不仅仅只是简单的水平敷设，当电缆敷设通道情况较为复杂时，电缆将承受高差的影响。因此，本发明中可以针对高差敷设方式，在仿真过程中，将电缆两端设置为处于自由状态，不增加环境约束，从而能够实现仿真结果更加准确。

具体来说，可以约束电缆两端在垂直方向上不发生位移，设计电缆与管壁之间的摩擦系数为0.3，忽略电缆与支撑托架之间的摩擦力，对多种不同高差形式电缆在工井内设置竖向弯曲幅度，结合电缆冷缩的情况，针对实际电缆模型与工作站计算匹配度，并进行仿真。

表4高差敷设电缆的冷缩形变及等效应力信息表

表4为本发明中高差敷设电缆的冷缩形变及等效应力信息表。如表4所示，高差为1.05m的电缆中间工井处，超导电缆为整体电缆提供的伸缩量最大。

图4为本发明一种不同敷设通道条件下超导电缆的热变形仿真方法中超导电缆段的X轴变形量仿真结果示意图。图5为本发明一种不同敷设通道条件下超导电缆的热变形仿真方法中超导电缆段的Y轴变形量仿真结果示意图。图6为本发明一种不同敷设通道条件下超导电缆的热变形仿真方法中超导电缆段的Z轴变形量仿真结果示意图。如图4至图6所示，本发明中对超导电缆段等效为铜材电缆后，可以分析其各个方向上的变形量，并最后汇总出总的变形量。

本发明一实施例中，可以采用仿真软件对于超导电缆的敷设三维模型进行仿真，获得轴向变形量结果，如表5所示。本发明表5中的l为超导电缆段的初始长度，l′为敷设超导电缆段的初始长度，l″为热变形后的超导电缆段的长度。

表5各个超导电缆段处于不同状态下的长度信息

可以看出热变形后敷设模型的长度l″大于超导电缆的初始长度l，因此各段超导电缆的敷设方案可行。对超导电缆进行仿真分析，更切实地反映工程实际情况，可扩展应用于类似情况，有助于其它工程案例的实施。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种不同敷设通道条件下超导电缆的热变形仿真方法，能够从超导电缆敷设的工程示意图中提取出超导电缆的敷设轨迹，并对超导电缆进行分段后绘制出三维模型，对超导电缆进行等效，并近似计算出超导电缆的轴向变形量结果。本发明中的方法，能够充分考虑到超导电缆在敷设过程中，复杂环境因素对其造成的影响，并提供具有电缆敷设参考性的仿真结果。

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。