三相同轴高温超导电缆热平衡监测装置及热平衡优化方法

技术领域：

本发明属于超导电缆领域，具体涉及一种三相同轴高温超导电缆热平衡监测装置及优化方法。

背景技术：

城市电网负荷快速增长，新增或扩容现有送电线路面临着电缆隧道空间饱和、电缆载流能力不足与新增变配电设施征地成本过高等难题，导致部分城市负荷中心配电容量面临无法满足实际发展需求的困境。超导电缆应用在城市负荷中心的地下电缆系统或在特定环境下实现大容量输电方面具有很大的技术优势。高温超导电缆取代现有的常规电缆，可以成倍提升地下电网输电容量，从而解决负荷增长和地下空间受限之间的矛盾，打破城市电力传输瓶颈。

三相同轴超导电缆因各相结构差异，三相导体之间电磁耦合不均匀，往往会出现相间不平衡问题。当线路发生短路电流冲击或者不对称故障时，由于超导体失超产生电阻和发生热积累，三相同轴电缆中各相电流呈现转移分布现象，令屏蔽层感应电流、电缆电压以及等效参数等均会发生改变。比如短路作用下，三相同轴电缆结构会呈现出一定的不足，内侧相导体和外侧相导体由于距离冷却介质较近，传热距离短，可以获得良好的冷却，即使通过故障电流，热量也会很快传递到冷却介质中去。但是中间相导体由于距离两侧冷却介质都较远，一旦该相发生单相短路故障，产生的热量只能通过其余两相传递散热，需要更长的时间同时还会使其余两相产生一定温升。当低温冷却环境和冷却介质也发生故障或改变时，由于不能及时移除累积热，持续上升的温度将导致超导电缆失去稳定性，严重时甚至会造成电缆损坏。目前，还没有很好的方法对三相同轴超导电缆结构的中间相导体温度以及故障情况下的屏蔽分流情况进行监测，因此就无法控制电缆运行参数，使电缆在效率更高的热平衡稳定状态下工作。

发明内容：

针对现有技术的不足与改进需求，本发明的目的是提供一种三相同轴高温超导电缆热平衡监测装置，另一目的是提供三相同轴超导电缆的热平衡动态优化方法，本发明保证整套装置可进行三相同轴高温超导电缆运行状态下的载流和温度分布监测，并根据监测结果动态调整回路载流，使超导电缆运行在热平衡状态下，提升载流量和抗外部热扰动能力，保证超导电缆系统安全稳定运行。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种三相同轴高温超导电缆热平衡监测装置，包括三相同轴超导电缆1、电缆终端2、液氮循环监控单元3、热电阻测温单元4、热电阻5、光纤测温主机6、测温光纤7、三相电流互感器8、屏蔽层电流互感器9、热平衡监测单元10；其特征在于：

液氮循环监控单元3与所述三相同轴超导电缆一侧电缆终端2相连，用于为三相同轴高温超导电缆1和电缆终端2提供循环液氮作为冷却介质；

将两只热电阻5分别设置在液氮循环监控单元3的液氮去流通道和液氮回流通道上，所述热电阻测温单元4与热电阻5相连用于监测液氮循环监控单元3的去流通道和回流通道中的冷却介质温度；

所述光纤测温主机6与安装于三相同轴超导电缆1内部的超低温测温光纤7相连用于同时采集分析三相同轴高温超导电缆全长范围内各个测量点的温度信号，获得电缆全长以及层间的温度分布情况；

在三相同轴超导电缆另一侧电缆终端与主回路的连线上设置三相电流互感器8；

在三相同轴超导电缆另一侧电缆终端设置屏蔽层电流互感器9用于测量超导电缆屏蔽层分流；

所述液氮循环监控单元3、热电阻测温单元4、光纤测温主机6、三相电流互感器8、屏蔽层电流互感器9均通过测量信号线12将测量信号传送至热平衡监测单元10。

本发明进一步包括以下优选方案。

所述热平衡监测单元10结合全部温度和电流监测数据对三相同轴高温超导电缆1运行状态进行评估和判定。

所述三相同轴高温超导电缆热平衡监测装置还包括主回路运行参数调整单元11，所述主回路运行参数调整单元11根据三相同轴高温超导电缆1运行状态调整执行新的运行策略。

所述测温光纤7是指温度测量范围在-200至-180℃范围内的测温光纤；

将测温光纤7即安装在超导电缆各相各相导体层的两层超导带材之间，并采用与半导电层一同绕包的形式敷设安装。

所述测温光纤7采用涂敷了聚酰亚胺等高性能材料的裸光纤，并在周围缝隙填充有丙烯酸酯类胶粘剂进行固定和保护。

对于长度小于等于10m的超导电缆采用分布式光纤传感器进行检测；对于长度大于10m的超导电缆采用光纤光栅传感器进行检测。

若所述热平衡监测单元10判定回路参数变化不影响三相同轴高温超导电缆正常运行时，所述主回路运行参数调整单元11不对三相同轴高温超导电缆运行状态进行调整；

若所述热平衡监测单元10判定回路参数变化不会引起超导电缆系统永久性损害，所述主回路运行参数调整单元11将调整三相同轴高温超导电缆进入降额状态继续监视运行；

若所述热平衡监测单元10判定回路参数变化会对超导电缆引起永久性损害而无法继续运行时，所述主回路运行参数调整单元11将切断三相同轴高温超导电缆所在回路，使三相同轴高温超导电缆退出运行。

若所述热平衡监测单元10判定回路参数变化不影响三相同轴高温超导电缆正常运行时，所述主回路运行参数调整单元11不对三相同轴高温超导电缆运行状态进行调整；

若所述热平衡监测单元10判定回路参数变化不会引起超导电缆系统永久性损害，所述主回路运行参数调整单元11将调整三相同轴高温超导电缆进入降额状态继续监视运行；

若所述热平衡监测单元10判定回路参数变化会对超导电缆引起永久性损害而无法继续运行时，所述主回路运行参数调整单元11将切断三相同轴高温超导电缆所在回路，使三相同轴高温超导电缆退出运行。

进一步地，电缆运行状态下的热平衡动态优化方法流程为：

(1)测量电路三相电流，在初始温度条件下，通过电路的常微分方程组求得电流随时间的曲线；

(2)求出各导电层在初始等温条件下的生热率；

(3)利用得到的各导体层的生热率和导热方程得出新的温度分布；

(4)利用新的温度分布作为温度载荷，代入电路的常微分方程组，求出新的生热率；

(5)重复上述步骤，反复迭代至设定时间结束。

进一步地，电缆热平衡动态优化后的运行策略包括电缆回路降负荷运行和电缆回路切断。

进一步地，所述电缆热平衡动态优化后的运行策略中，冷却介质循环异常的优先级最高，当液氮循环监控单元获取的液氮质量流量、压力、制冷功率以及出入口温度监测值出现有关联异常时，主回路运行参数调整单元将直接切断电缆回路。

本发明相对于现有技术具有以下有益的技术效果：

本发明提供的三相同轴高温超导电缆热平衡监测装置及优化方法，基于传统热电阻温度传感器和光纤测温技术的复合使用，通过预先在超导电缆制作时将超低温传感器安装到超导电缆之中，能够创新地开展中间相超导体温度监测以及开展超导电缆系统全线分布式温度监测；通过多组电流互感器开展三相主回路电流以及屏蔽层分流监测，形成完整的电缆系统运行监测系统。该系统可以实时、准确地掌握高温超导电缆沿线温度分布，从而实现根据超导电缆载流量和运行温度对电缆的平衡状态进行动态分析和优化调整，能够及时发现与热扰动有关的电缆运行缺陷和与过电流有关的回路故障，并及时调整回路运行方式，保证高温超导电缆的安全运行。本发明提供的高温超导电缆温度测量系统可应用于电力电网中的高温超导电缆的温度测量和监控保护中，具有较高的稳定性和可靠性。

附图说明：

图1为本发明的一个实施例中一种三相同轴高温超导电缆热平衡监测装置的单线示意图。

图2为本发明的一个实施例中三相同轴超导电缆的结构示意图。

图3为超导电缆温度与电流相互作用下新热平衡状态建立的流程图。

图4为三相同轴高温超导电缆基于电—磁—热分析过程的平衡优化方法流程图。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。特别声明，以下的描述本质上只是起到了宏观解释和实例说明的作用，绝不对本发明及其应用或使用进行任何限制。除非另外特别说明，否则，在实施例中阐述的部件和步骤的相对布置以及数字表达式和数值并不限制本发明保护的范围。

图1为本发明的一个实施例中一种三相同轴高温超导电缆热平衡监测装置的单线示意图。在本实施例中，三相同轴高温超导电缆热平衡监测装置包括三相同轴超导电缆1、电缆终端2、液氮循环监控单元3、热电阻测温单元4、热电阻5、光纤测温主机6、测温光纤7、三相电流互感器8、屏蔽层电流互感器9、热平衡监测单元10、主回路运行参数调整单元11、测量信号线12、控制信号线13，由热平衡监测单元10实现整个超导电缆全部运行参数测量和保护功能。可以理解的是，在本发明的实施例中，试验系统主回路为完整的三相回路。三相电流互感器8测得电流为各相导体载流，屏蔽层电流互感器9测得电流为超导电缆屏蔽层分流，共同测试三相同轴高温超导电缆1在运行状态下的载流分布情况。

可以理解的是，在本发明的实施例中，液氮循环监控单元3用于为三相同轴高温超导电缆1和电缆终端2提供循环液氮作为冷却介质，保证所述三相同轴高温超导电缆1工作在运行温度(-196℃)以下。可以理解的是，所述热电阻5分别用于监测液氮循环监控单元3的冷却介质去流通道和回流通道中的冷却介质温度。此外，液氮循环监控单元3获取的液氮质量流量、压力、制冷功率等其他参数值均通过测量信号线12连接至热平衡监测单元10。

可以理解的是，在本实施例中，所述热电阻5的类型为铂电阻传感器，其外部包裹柔性超高分子聚乙烯(UPE)保护管，保证传感器可靠安装并准确感应温度。铂电阻传感器采用PT100四线制测量方式，适用于较短的超导电缆样缆和冷却终端内部温度监测，在液氮去流和回流通道分别安装一个铂电阻传感器。PT100不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。PT100的测温范围为-200℃-650℃，测量精度可达0.1℃，有较好的稳定性和较快的响应速度，是在低温环境下测量温度的理想选择。因此，本实施例中可使用PT100铂电阻传感器作为温度传感器来监测冷却介质温度。

所述测温光纤7为三根同型号同材质同长度的测温光纤，安装于三相同轴超导电缆1内部，用于监测三相超导层温度。光纤测温主机6用于同时采集分析三相同轴高温超导电缆1全长范围内各个测量点的温度信号，获得电缆全长以及层间的温度分布情况。

可以理解的是，热电阻测温单元4用于接收来自热电阻5的温度信息；光纤测温主机6用于接收来自所述测温光纤7的各个测量点的测温信息。更具体地，本发明的高温超导电缆温度测量系统中所使用的光纤测温主机6可以为SRA-D型分布式光纤传感测温分析仪，负责整个系统的信号采集、信号处理、数据分析、超温报警、网络传输等功能，由光频发生器、切换电源、微处理器、网络接口等构成；热电阻测温单元4选用DM3068系列数字万用表，支持直接使用TC(热电偶)、RTD(热电阻)和THERM(热敏电阻)等多种温度传感器测量温度，满足国际温标ITS-90标准；光纤测温主机6和热电阻测温单元4组成的复合测温部件输出温度信号至热平衡监测单元10，热平衡监测单元10大大提高了数据信息的集成，增加了系统使用的灵活性。

各单元的测量信号均通过测量信号线12传送至热平衡监测单元10，由热平衡监测单元10结合全部温度和电流监测数据对三相同轴高温超导电缆1运行状态进行评估和判定，并调整运行策略，控制主回路运行参数调整单元11执行调整指令。

若三相运行电流均不超过临界电流，液氮去流、回流通道温度范围均为70-76K，A相、C相沿线温度范围为75-78K，B相沿线温度范围均为75.5-78.5K，经热平衡迭代计算后三相温升保持初始状态，则热平衡监测单元10判定三相同轴高温超导电缆处于正常运行状态，主回路运行参数调整单元11不对三相同轴高温超导电缆运行状态进行调整。

若三相中至少一相运行电流超过临界电流且屏蔽层电流小于200A，或三相中任一相平均温度大于等于81K，经热平衡迭代计算后电缆会在降额运行状态下重新恢复初始稳定状态，则热平衡监测单元10判定回路参数变化不会引起超导电缆系统永久性损害，主回路运行参数调整单元11将调整三相同轴高温超导电缆进入降额状态继续监视运行，并发出报警信号。

若三相中至少一相运行电流超过临界电流且屏蔽层电流大于等于200A，或三相中任一相局部温度大于等于85K，或冷却介质入口温度大于76K，不再进行热平衡迭代计算，认为超导电缆本体或循环冷却系统故障，为超导电缆系统永久性损害且无法继续运行，则主回路运行参数调整单元11将切断三相同轴高温超导电缆所在回路，使三相同轴高温超导电缆退出运行。

可以理解的是，在本发明的实施例中，本发明预先在三相同轴超导电缆1内部安装耐低温(-196℃以下)的测温光纤7、在液氮循环监控单元3内部布置热电阻5，并由热平衡监测单元10最终根据温度信号和超导电缆载流分布判定电缆运行状况，以此来控制主回路运行参数调整单元11动态优化调整回路运行方式，使电缆在受热扰动后重新达到新的热平衡状态，其判定依据为设定工况下超导电缆温分布随导体层和屏蔽层电流转移特性变化规律。

在本申请的优选实施例中，若判定回路参数变化不影响高温超导电缆系统正常运行时，不对回路运行状态进行调整；若判定回路参数变化不会立即引起超导电缆系统故障，将调整电缆系统进入降额状态继续监视运行；若判定可能会对超导电缆引起永久性损害而无法继续运行时，将切断电缆系统所在回路，使电缆系统退出运行。

图2为本发明的一个实施例中三相同轴超导电缆的结构示意图。在本实施例中，所述三相同轴高温超导电缆1其从外至内包括：绝热层101、屏蔽层102、至少一层绝缘层103及超导层、空心骨架107。每层超导层由外侧的第一超导带材层104、内侧的第二超导带材层106以及两层超导带材之间的绕包半导电层105组成。在所述绝热层101与屏蔽层102之间以及在空心骨架107内均填充有液氮108，从而使所述三相同轴高温超导电缆1工作在运行温度(-196℃)以下，其中空心骨架108内部为液氮去流通道，绝热层101与屏蔽层102之间为液氮回流通道。

可以理解的是，在本发明的实施例中，所述绝热层101利用真空及多层绝热材料技术以保证进出三相同轴超导电缆1的液氮低温保温效果。

可以理解的是，在本发明的实施例中，所述屏蔽层102为铜屏蔽层，属于金属屏蔽层，其运行方式通常为单端接地，主要作用是用于屏蔽电场，正常运行时并无电流通过，系统故障情况下会对故障电流产生分流作用。所述空心骨架107为金属波纹管，主要作用是用于超导带材缠绕的支撑，同时用于液氮管道，正常运行时并无电流通过，系统故障情况下会对故障电流产生分流作用。

可以理解的是，所述绝缘层103的设计取决于绝缘材料特性、运行电压、电缆尺度等因素，综合考虑电性能、热性能、力性能和工艺难易度等因素，本实施例可以优选聚丙烯层压纸(PPLP)作为低温绝缘材料。

在本实施例中，所述各相导体层采用第二代高温超导带材，可以理解的是，第二类高温超导带材又称为YBCO超导带材，YBCO超导带材为多层结构，主要由铜稳定层、银层、YBCO超导层、帽子层、种子层、缓冲层、隔离层以及哈氏合金层组成，不同厂商的超导带材在每层的材料和厚度上可能会有差异。超导层每相含2层超导带材，根据等效电路方程得到各层自感和互感，解算得到绕制螺距与绕制螺旋角度，即可实现通电导体的均流设计。两层超导带材中间填有绕包半导电层和填充材料。所述测温光纤7即安装在两层超导带材之间，能耐受极低温度(-196℃以下)环境。

可以理解的是，在本发明的实施例中，三相同轴超导电缆共包含三层外绝缘层103、三层超导层，且C相位于外侧，A相位于内侧，B相为中间相。

在本实施例中，在所述三相同轴高温超导电缆1里面进一步安装有测温光纤7，所述测温光纤7安装在每层绕包半导电层105内，也即覆盖各超导层区域，用于监测各超导层温度。

在本实施例中，所述测温光纤7内部可采用分布式光纤传感器原理或光纤光栅传感器原理，通常可采用石英系的多模光纤，对于中等长度(约5-10m)超导电缆样缆可采用光纤光栅传感器，相邻光栅距离不大于0.5m；对于更长的超导电缆或工程化超导电缆产品，可采用分布式光纤传感器。

可以理解的是，在本发明的实施例中，分布式光纤测温需要较长尾纤以保证较高的测温准确性和空间分辨率，因此本实施例中的测温光纤7优选采用串级式光纤光栅传感器。必要时，利用法布里-珀罗谐振腔(F-P谐振腔)辅助进行光纤光栅传感器解调，可以串联更多的光纤光栅传感器，以提高温度监测范围和精度。但是安装于超导层内的测温光纤7直径不能过大，避免占用过多超导电缆内部空间，影响电缆性能。因此本实施例中安装在层间的测温光纤7优选采用涂敷了聚酰亚胺等高性能材料的裸光纤，并在周围缝隙填充有丙烯酸酯类胶粘剂进行固定和保护。

可以理解的是，监控超导电缆载流量和电缆系统温度能够对超导电缆运行状态进行综合判断。通常超导电缆超过临界电流时，超导电缆会失超而转变为有电阻导体，一方面通流能力大幅度降低，还会产生较大的焦耳热，使超导带材及周围冷却介质温度升高。

可以理解的是，在本发明的实施例中，本发明预先在三相同轴高温超导电缆1内部多种类型的测温光纤7(运行于-196℃以下)，并由光纤测温主机6将温度信号传送至热平衡监测单元10，作为判定电缆运行状况的主要参量之一(其余参量还包括液氮出入口温度、载流分布情况和平衡优化方法)，以确保三相同轴高温超导电缆1处于安全运行状态。

可以理解的是，在本发明的实施例中，对于安装于三相同轴高温超导电缆1内部超导层的测温光纤7可采用与半导电层一同绕包的形式敷设安装；对于安装于三相同轴高温超导电缆1内部液氮通道的测温光纤7可采用直线形或S形敷设的方式敷设在绝热层101与屏蔽层102之间以及在空心骨架107内。

可以理解的是，在本发明的实施例中，当高温超导电缆系统所在回路正常运行，主要通过监测超导电缆内部超导电缆温度和相间电流不平衡度判定超导电缆运行方式；当高温超导电缆系统所在回路发生故障时，主要通过测量超导带材通过大电流时的温度变化和屏蔽层分流情况来判定超导电缆运行方式。当屏蔽层电流小于200A、单相平均温升小于3K(温度不超过81K)时，经过生热公式迭代计算，电缆仍可在降额后恢复初始温度稳态，因此不需要立即跳闸，可自动或手动降额运行并发出报警信号。当屏蔽层电流超过200A、单相平均温升大于7K(温度超过85K)时，经过生热公式迭代计算，电缆会持续生热升温，将全面进入失超状态，因此必须立即跳闸，对高温超导电缆系统实施保护。若判定回路参数变化不影响高温超导电缆系统正常运行时，不对回路运行状态进行调整；若判定回路参数变化不会立即引起超导电缆系统故障，将调整电缆系统进入降额状态继续监视运行；若判定可能会对超导电缆引起永久性损害而无法继续运行时，将切断电缆系统所在回路，使电缆系统退出运行。

可以理解的是，在本发明的实施例中，超导电缆为了提高载流能力，会采用多层超导导电层结构，从而导致超导电缆在承载交流电流时，会出现各层电流分布不均匀现象，一般表现为外层电流大于内层电流，特别是当总电流增大时，外层电流增加非常明显，这样会导致外层电流首先到达临界电流。这样不仅会增加超导电缆的交流损耗，载流能力下降，严重时会威胁电缆运行的安全和稳定，增加运营的成本，也会引起交流载流的畸变，影响电能质量。在电缆实际工作中，会出现多种非正常工况，超导电缆要满足电力输送应用，必须保证在这些故障工况下工作的稳定性，在出现超过额定电流的情况时，超导电缆的电流分配更加复杂，而且与电缆的温度有关，在研究中需要定性的讨论超导电缆载流，温度和电流分配对时间的响应情况。

图3为超导电缆温度与电流相互作用下新热平衡状态建立的流程图。使用有限元方法，建立紧凑型三相同轴超导电缆微分方程，分析在不同工况条件下，电流分配和温度分布的响应。在超导层失超过程中，等效电阻会引起超导电缆各层温度提升，YBCO带材临界电流Ic同时也受温度影响。因此对于失超过程的研究，需要同时考虑温升过程，包括自身的交流损耗发热、等效电阻发热传导与对流换热。这些因素都会引起超导带材温度的变化，带材温度的变化又会引起超导带材临界电流的变化，影响超导电缆超导层的等效电阻，进而影响各超导层的电流分布。从上面的分析可以发现，超导电缆的导电过程实际上是一个电-热耦合的变化过程，温度的变化引起电流分配的变化，同时电流分配的变化又反过来会影响温度的变化。

图4为三相同轴高温超导电缆基于电—磁—热分析过程的平衡优化方法流程图。该方法的流程如下：

(1)测量三相电流，在初始温度条件下，通过电路常微分方程组求得电流随时间的曲线；

(2)基于超导电缆各层的等效电阻求出各导电层在初始等温条件下的生热率；

(3)利用柱坐标系下径向导热微分方程得到各导体层生热率和导热方程，并得到新的温度分布；

式中ρ为密度，c为比热容，r为导体层平均半径，λ为导体层热导率，Φ'为电缆本体热源，t为时间，T为温度；

(4)利用新的温度分布作为温度载荷，代入电路的常微分方程组，求出新的生热率；

式中ρ为密度，c为比热容，r

(5)重复步骤(1)至(4)，反复迭代至设定时间结束，迭代计算时间通常设定为500秒。

可以理解的是，电缆本体热源有两个：一是超导电缆在通流时产生的交流损耗；二是外界环境通过电缆本体低温恒温器向液氮回流通道的漏热。随着液氮沿电缆沿线的热量积累，其温度会随着电缆长度的增加而发生变化。在沿超导电缆长度方向上的任一位置，回流液氮温度均高于去流液氮温度。

可以理解的是，通过上述步骤可得到设定工况下超导电缆温分布随导体层和屏蔽层电流转移特性变化规律。该方案使用有限差分法建立了超导电缆的径向一维导热模型，将其与超导电缆电路方程相耦合，就建立了超导电缆的一维径向磁-热耦合模型，利用该数值模型，可以分析超导电缆在不同电流载流下的温度和电流载流响应情况。

在本发明的实施例中，对电缆实施热平衡动态优化后的运行策略包括电缆回路降负荷运行和电缆回路切断。当“三相中至少一相运行电流超过临界电流且屏蔽层电流大于等于200A”、“三相中任一相局部温度大于等于85K”、“冷却介质入口温度大于76K”三者条件满足其一时，不再进行热平衡迭代计算，认为超导电缆本体或循环冷却系统故障。但其中循环冷却系统故障的优先级最高，当液氮循环监控单元获取的液氮出入口温度监测值出现有关联异常且冷却介质入口温度大于76K时，主回路运行参数调整单元将直接切断电缆回路。

虽然已示例实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于上述的示例性实施例。对于本领域技术人员显然的是，可以在不背离本公开的范围和精神的条件下修改上述的示例性实施例。所附的权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。