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冷绝缘高温超导电缆与常规电缆相比,具有体积小、损耗低、传输容量大、无电磁污染等优点,近年来得到了飞速的发展。由于冷绝缘高温超导电缆导体层是多层结构,当多导体层的超导电缆通以交变电流时,各导体层的电流分配不均衡,随着总电流的增大,外层电流先于内层达到了临界电流值,导致超导电缆的交流损耗偏大,带载能力下降,进而影响电缆的安全、稳定运行。以超导电缆各导体层电流均匀分布为优化目标,对1 km长,110 kV/3 kA钇系冷绝缘高温超导电缆进行优化设计。首先基于冷绝缘高温超导电缆的结构,对导体层和屏蔽层的自感和互感进行计算,分析冷绝缘高温超导电缆各层内径、绕向角和绕制方向等结构参数对电缆电磁参数的影响规律。其次,基于冷绝缘高温超导电缆的等效电路模型,考虑屏蔽层电流对导体层载流特性的影响,建立超导电缆数学模型,并基于非线性迭代算法求解各层电流分布。最后,以超导电缆各层内径、绕向角和绕制方向作为优化变量,以各层电流均匀分布作为优化目标,考虑钇系高温超导带材外磁场下的临界电流特性、机械应变特性、热损耗特性,采用动态惯性权重因子的改进粒子群算法对冷绝缘高温超导电缆的结构进行优化设计。应用MATLAB软件实现电缆优化设计算法,通过循环迭代最优极值设计电缆。优化后超导电缆各层电流占总电流比例分别为22.9%,28.5%,22.8%,25.7%,验证了优化设计方法的有效性,实现了超导电缆内各层电流均匀分布的优化目标。根据提出的冷绝缘高温超导电缆优化设计算法,基于MATLAB和Dephi语言设计了超导电缆优化设计软件系统。采用Delphi语言编写可视化界面,采用MATLAB语言编写优化算法,通过ActiveX技术实现Delphi与MATLAB的接口调用,完成冷绝缘高温超导电缆优化设计软件包,实现了电缆结构优化设计的三维可视化和电缆层电流分布显示,使电缆优化设计更加便捷和有效。此外,搭建了冷绝缘高温超导电缆模型样缆的绕制平台,提出了以每层导体为单个绕制单元的制备方法,基于结构优化参数,完成了超导电缆骨架、导体层、主绝缘层和屏蔽层的绕制,最后制备出长度为1.5 m的冷绝缘高温超导电缆模型样缆,并对模型电缆进行了载流特性测试实验。实验结果表明,模型电缆各层电流分布均衡,验证了优化设计方法的有效性。