（电工理论与新技术专业论文）高温超导电缆监测系统的研究.pdf

菇文摘要 a b s t 陶式 i np r e s e n td i s s e r t a t i o n ，as p e c i a lm o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e df o r a1 0 m e t e r s ，1 0 5 - k v ，i 5 - k a ，3 - p h a s eh i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n g ( h t s ) c a b l e s y s t e m i n t h e m o n i t o r i n gs y s t e m ，e l e c t r i c a l a n d c r y o g e n i c d a t aa r e c o l l e c t e db yd e d i c a t e ds e n s o r ss c a n n e db yd i s t r i b u t e dm o d u l ea n dt h ed i g i t a l v o l t m e t e rc o n n e c t e dv i ac a b l ea n dr s - 2 3 2p o r to rg p i bp o r tt oap e r s o n a l c o m p u t e rb a s e d ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mu s i n g t h el a b v i e wp r o g r a m t h e s y s t e mc a np e r f o r m ar e a l - t i m em o n i t o ro nt h et e m p e r a t u r eo ft h et a p em a t e r i a l i nt h eh t sc a b l ea n dt h e p r e s s u r e o ft h e l i q u i dn i t r o g e nr u n n i n g i nt h e c i r c u l a t i n gc o o l i n gs y s t e mw h e n e v e rt h ec a b l ei sp r e w c o o l e do rc a r r y i n gh i g h c u r r e n t 。a l s o ，t h ec a r r i e dc u r r e n ta n dt h ee l e c t r i c a lp o t e n t i a l s a tt h es e l e c t e d p o i n t so f t h eh t sc a b l ec a nb ee x a c t l yd e t e c t e db yt h es y s t e m ，a n dt h ea c l o s s o ft h eh t sc a b l ea r ep r e s e n t e d a 1 lt h e s em e a s u r e m e n tr e s u l t ss e tar e l i a b l e f o u n d a t i o no nt h ef u r t h e r r e s e a r c ho ft h er e l a t i o nb e t w e e nh t sc a b l e p e r f o r m a n c e a n dc o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r sa n dt h u st h eo p t i m a lo p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s 。 a tt h es a m et i m e ，a f t e rc o m p a r i n gs e v e r a ld o a b l ep l a n so ft e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ta tl o wt e m p e r a t u r e ( 7 7k ) a n dh i g hv o l t a g e ( 15k v ) ，p l a t i n u m 一1 0 0 r e s i s t a n c et h e r m o m e t e rw i t ho p t i c a l f i b e r t r a n s p o r t a t i o n w a sa p p l i e d t h i s m e t r i c a lt e c h n o l o g yc a nb ei n t e g r a t e di n t ot h ee x i s t i n gm o n i t o r i n gs y s t e mf o r t h e10 - m e t e r s ，1 0 。5 一k v ，1 5 - k a ，3 - p h a s eh t sc a b l es y s t e m 。a n di tp r o v i d e sa f e a s i b l em e t h o df o ro t h e rp a r a m e t e rt h a tn e e dm e a s u r e da th i g hv o l t a g e ， k e y w o r d s ：h t sc a b l e ，l o w t e m p e r a t u r e ，h i g hv o l t a g e ，t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ， m o n i t o r i n g ，a cl o s s ，o p t i c a lf i b e r f l 第一章引言 1 1课题背景和意义 第一章引言 自1 9 8 6 年发现l a 系氧化物高温超导材料以来，在世界范围内掀起了探索 高临界温度超导材料的热潮，同时人们以极大的热情研究开发高温超导应用技 术。高温超导材料在能源、交通、医疗、科学仪器、国防、信息、农业、环保和 材料制备等多方面具有重要的应用价值，其中高温超导强电应用技术主要包括高 温超导磁体技术和高温超导电力技术两个方面。 高温超导电力技术的应用对提高电网容量、电能质量、供电可靠性和安全性 具有重要意义，包括输电电缆、限流器、电动机、发电机、变压器、超导储能系 统等在内的一系列高温超导产品将给电力技术的发展、人类的文明产生深远的影 响，其中，高温超导输电电缆被认为是实现高温超导电力应用最有希望的领域之 一。 凰 甲 i 麓搿星妻潮 瞪g 邈汐 t丁 m h m h ， 、 女* h w “ m m 【l = m 图1 1电力电缆监测系统示意图 常规电力电缆的生产技术已经非常成熟，在常规电力电缆的实际应用中，随 着电缆长度的增加，电缆沟内发生火灾的几率就会增加，其直接的原因是电缆中 间头制作质量不良、压接头不紧、接触电阻过大，长期运行等造成的电缆头过热 第一章引言 烧穿绝缘，最后导致电缆沟内火灾的发生，从而使电缆烧毁，电力传输中断1 2 j 。 为了防止这类事故的发生，一般采用连续监测电缆及电缆接头的温度变化和电缆 沟内的烟气状况，实现对电缆过热故障的监测。这就是常规输电电缆的在线监测， 监测系统结构如图1 一l 所示。 作为高温超导电缆，输电的主体是高温超导带材，要使其能够正常的工作， 必须防止超导带材由无电阻的超导态变为电阻较大的正常态，即失超现象的发 生。超导材料的性质可由三个基本参量来表征，即临界温度t 。、临界磁场强度 h 。和临界电流i 。，三者的关系如图l - 2 所示。导致超导材料失超的最终原因是通 过超导材料的电流大于其临界电流。 图1 2 超导材料的临界参数 在高温超导电缆的正常运行中，影响高温超导电缆中超导体临界电流大小的 直接原因是温度和磁场强度，其他因素通过这两个变量间接的影响超导体的临界 状态，如导体内应力、导管内液氮的压力或者流量、超导带材间电流分布的均衡 性及超导带材上的电压等1 3 1 ，为此需要监测高温超导电缆这些相关参数的变化， 防止其失超现象发生。 目前，高温超导电缆还停留在实验室示范阶段，所以在现阶段对高温超导电 缆进行电流、电压、温度、磁场以及冷却液氮的压力、流量等参数的监测，能够 一2 一 勰一章 | 言 在分轿瓣鬃数据的萋麓上，耩究藩溢怒导电缆篷麓与樱关参数交织鲍关系，取德 高湛超导电缆运行的最优条件，为以厝高温超导电缆挂网运行时的在线黼测系统 奠定定的理论、设计基础。同时在总结经验方法的基础上，也有利于其他离温 超导电力系统在线监溯的实现。 1 。2国内外研究状况和进展 近年寒，嗣内夕 对毫瀑超导魄缆的研究不断完善和成熟，高温超导电缆的产 业化指日可待。目前豳内外对高温超导电缆的研究工作主要着重予高温超导电缆 的本体设计、冷却系统的设计和高温麓导电缆电绝缘的研究等，乙个部分，仅筏在 对离注超学电缆系绕进嚣性筏试验爨会对掇关参数遴行一定豹测量、分叛和霹 究，并没有把高温超导电缆的监测作为一个独立的系统进行设计研究。佩是高温 超导电缆的监测系统在高温超导电缆系统的稳定工作和性能测试中有璐举砖轻 重静作嚣l ： 黼h 嚆栩 图i - 3l o o m 嵌高温怒导电缆冷却益线 第一，在高温超导电缆的冷帮过程中，w 懿翻用滥灏系统对高温超簿电缆秩 室滋到滚氮温邋豹冷龆过程进行监控，确缳离涅越导惑缆本钵在冷甥过程中以蟪 对平稳的速度进行冷却而不致损坏，同时确保低温系统能够难常工作。日本三家 电力公司在2 0 0 1 年对1 0 0m 长高温超导电缆进行冷却试验时，测得的高温超导 密i璺鼙导 第一章引言 电缆冷却曲线如图1 3 所示【4 】；日本f u r u k a w a 电气公司在2 0 0 2 年对3 0m 长高 温超导电缆进行冷却试验时测得的冷却曲线如图1 4 所示【5 1 。 t s o 一2 c 婚 ol o2 0 f i o e ri 们l g hf m l 图1 43 0 m 长高温超导电缆冷却曲线 第二，在高温超导电缆的性能试验中，可以利用监测系统对高温超导电缆的 e i 特性试验、高温超导电缆导体的接头电阻测量、高温超导电缆交流长时间通 电运行试验、高温超导电缆的交流损耗测量等多项内容进行测量监控。 第三，在高温超导电缆的性能试验和示范、挂网运行中，可以利用监测系统 对高温超导电缆中超导体的温度、冷却液氮的压力、流量等多项参数进行实时监 测，确保高温超导电缆安全稳定的运行。 1 3 论文各部分的主要内容 高温超导电缆监测系统在高温超导电缆系统中有着重要的作用，不仅可以在 高温超导电缆的性能试验中对各个试验参数进行测量，分析高温超导电缆的各项 性能，而且可以在高温超导电缆的运行中监测各项运行参数，保证高温超导电缆 的安全稳定运行。本论文重点对高温超导电缆监测系统进行设计和试验研究，同 时提出高电压下监测的解决方案。 论文的第二章介绍高温超导材料和高温超导电缆的基础知识，对国内外高温 一4 5 ； o 芝0暑c|l 第一章引言 超导材料和高温超导电缆的研究和进展作简单的描述，重点对高温超导电缆监测 系统的应用对象1 0m 长1 5k a 1 0 5k v 三相高温超导电缆的结构设计和绕 制工作做一定的介绍。 第三章详细的对高温超导电缆监测系统进行设计分析，确定监测系统需要完 成的主要功能，从参数及测量点的选择、传感元件的选取、铂电阻温度传感元件 的标定、监测系统的硬件、软件设计等几个方面对高温超导电缆监测系统进行探 讨、研究和构建。 第四章对高温超导电缆监测系统进行测试试验和分析，同时完成高温超导电 缆的性能试验，包括首次监测到1 0m 长1 5k a 1 0 5k v 三相高温超导电缆的降 温曲线和长时间交流稳定运行曲线。 第五章探讨和研究了高电压下温度的测量方法，提出采用基于测温电阻 p t l 0 0 测温、光纤传输信号并隔离高电压的温度测量解决方案，为低温、高电压 下的温度测量提供了一种可行性方法，并且为其他参数在高电压下的测量提供了 有用的参考价值。 第六章对论文的研究内容和结果进行了简单的总结。 5 第二章高温超导材料及高温超导电缆 第二章高温超导材料及高温超导电缆 高温超导电缆监测系统主要针对1 0m 长1 5k a 1 0 5k v 三相高温超导电缆 系统的测量要求进行设计，因此在本章对高温超导材料和高温超导电缆等相关基 础内容做简单的介绍，并且对1 0m 长1 5k a 1 0 5k v 三相高温超导电缆的设计 和结构进行一定的介绍。 2 1高温超导材料的特性及研究进展 为了使高温超导电性应用于高温超导电缆的可能性变为现实，首先要解决的 关键技术是研制出适用的超导材料，它不仅需要能够加工成有一定机械强度的长 线，而且在运行温度( 如7 7k ) 和一定磁场下能够通过足够大的电流密度( 1 0 4 a e r a 2 以上) 1 6 。近十年来，对高温超导材料的研究己经取得很大的进展，在实 用性方面，b i 系高温超导材料是研究的一个热点，已经进入实用化研究阶段。 目前国外b i 系高温超导带材小样品的最高电流密度为7 x 1 0 4 a c m 2 ( 7 7 k ， 0t ) ，长带可达千米以上，平均电流密度ix1 0 4 2 1 0 4 a c m 2 。我国研制的 b i 系高温超导带材电流密度为1 4 1 0 4a c m 2 ( 4 5m ，7 7k ，自场) ，3 0m 长带的电流密度为0 8 1 0 4a c m 2 。虽然我国研制的b i 系高温超导带材在性能 上与国外相比还有一定差距，但是总体来说，b i 系高温超导带材基本上达到或 接近实用性要求【7 j 。 同时，y 系高温超导材料是研究的新方向，y 系高温超导材料就其性能而言， 要比b i 系高温超导材料好很多，如y b c o 薄膜的电流密度可高达2 1 0 6 a c m 2 ， 比b i 系高温超导带材的电流密度高2 个数量级，而且在7 7k 下y 系高温超导 带材的磁场特性也比b i 系好，但是要加工成实用带材的长度则有相当的难度1 6 j 。 此外，实用超导材料实际上是超导材料与其他材料组合而成的复合材料，因 此对复合材料中各种材料的性能和相互作用的研究对于研制实用超导带材也是 非常重要的。 总之，目前实用高温超导材料的应用研究已经取得了很大的进展，第一代 b i 系高温超导带材已达到了商业化水平，长度超过1 0 0 0 m 、厚0 2 5 m m 、宽4 m m 的质量均匀、能够通过大电流的高温超导线材。已经投入大批量生产1 8 】。这一切 一6 第二章高温超导材料及高温超导电缆 为高温超导电力设备的开发，尤其是高温超导电缆的研制创造了良好的基础条 件。 2 2高温超导电缆的结构及研究进展 2 2 1 高温超导电缆的研究进展 早在超导电性发现初期，超导材料用于输电电缆就成为最吸引人的设想，而 直到高温超导材料的发现以及高温超导带材新工艺取得长足的进步，才使得超导 输电电缆的研制应用成为可能，尤其是近些年来，高温超导电力电缆的应用研究 发展较快，极有可能首先广泛运用于电力系统中。在近期高温超导电缆的研究开 发中，以美国、欧洲和日本的工作较有代表性，我国高温超导电缆的研制工作也 一直在不断的前进。 在美国，希望用高温超导电缆取代现有的地下油浸电缆，而继续使用现有的 沟槽【9 】，因此政府部门和大公司高度重视与参与，凭借强大的人才、科技和资本 优势，使得高温超导电力应用的研究开发工作一直走在世界前列。s o u t h w i r e 公 司已经在一变电站安装一段3 0m 长1 2 5k v 1 2 5k a 的三相高温超导电缆试验 线，并将在c a r r o l l t o n 的三个电站安装类似电缆。2 0 0 0 年3 月p i r e l l i 电缆公司在 底特律e d i s o n 变电站地下铺设1 2 0m 长2 4 k v 2 4k a 的三相高温超导电缆，电 缆中1 1 0 虹重的导线是由b i 系高温超导带材所制造的，用这条高温超导电缆取 代现有的重达8 1 7 0k g 的9 条铜导线电缆，总直径减少6 6 【l j ，并可提高输电能 力3 倍。三根单相高温超导电缆将用于主变电站和配电网之问的连接，用以验证 大规模高温超导电缆传输电力的实用性。 在欧洲，开发使用超导电缆的主要目的在于节省输电成本，保护环境以及使 欧共体各国的电网一体化【9 】。西门子公司于1 9 9 6 年3 月开始试制第一条1 0m 长 高温超导电缆样品，之后研制了包含2 0 0 0m 长b i 带的高温超导电缆样品。为了 4 0 0m v a 超高温导电缆研制和工业化生产的前期验证需要，又制造了一条5 0m 长单相高温超导电缆导体。西门子公司现正在开发1 1 0k v 4 0 0m v a 低温绝缘 高温超导单相交流电力模型电缆系统，在其中的电缆导体试制中，为优化电缆导 体制造工艺，采用a g m g 合金b i 带和铜带材混合绕制成1 5 0 m 长的试绕导体1 1 。 第二章 高温超导材料及高温超导电缆 英国b i c c 电缆公司和意大利a n s a l d o 公司计划研制1 0 0k m 长4 0k v 1 0k a 的 高温超导直流输电电缆，作为该工作的第一步，研制了一根1 4m 长1 0k a 的直 流高温超导电缆模型比相同截面铜电缆的传输密度高1 0 倍。 在日本，希望利用载流容量大的高温超导电缆向人口密集的东京地区供电， 以免在地下通道已经相当拥挤的情况下，挖掘更大的通道来输州9 1 。目前有多家 大公司、院校和科研院所从事高温超导电缆的开发研制，在己完成的高温超导电 缆导体和模型电缆研制、试验基础上，现在工作主要集中在低损耗高温超导线材 及电缆结构，低温电气绝缘、热绝缘管、制冷系统、终端和接头技术等方面【。0 】。 1 9 9 5 年日本东京电力公司t e p c o 和其他公司合作研制了两条6 6k v 1k a 电缆 模型，一条是7m 长三相高温超导电缆模型，其阻抗为常规电缆的1 0 ，另一 条是5m 长单相高温超导电缆模型；1 9 9 7 年t e p c o 又研制出两条5 0m 长2k a 的交流高温超导电缆i l ，l ”。2 0 0 0 年1 1 月日本中部电力公司和富士库拉公司成功 开发了高性能的高温超导电缆，其交流损耗仅为铜制电缆的1 3 0 0 ；这两家公司 开发的高温超导电缆是由三层b 系高温超导带材拧绞而成，内层与外层相互交 错，形成带状，用它包裹芯材，成为高温超导电缆。这种结构可以避免电流偏流 现象产生的高电阻，因此大大减少了交流损耗，其交流损耗仅为0 1w m ，比欧 美国家开发的高性能高温超导电缆还少1 2 。东京电力公司和住友电气工业公司 携手制作的1 0 0m 长高温超导电缆，已经完成通电试验，正在为并网运行做准 备。 在我国，高温超导电缆的研究工作开始于1 9 9 6 年，在国家超导中心的支持 下，中国科学院电工研究所、西北有色金属研究院和北京有色金属研究总院于 1 9 9 8 年合作研制出我国第一根lm 长1k a 单相直流高温超导电缆，该电缆在l k a 恒定电流下稳定运行，通电时间半小时j 。2 0 0 0 年7 月，中国科学院电工研 究所研制的6m 长高温超导电缆成功通过了2k a 的电流试验，标志着我国已经 全面掌握了高温超导电缆的关键技术【l ”。目前中国科学院电工研究所已经完成 1 0 m 长1 5k a 1 0 5k v 三相高温超导电缆的研制和性能试验。 2 2 2 高温超导电缆的结构 高温超导电缆的机械结构主要分为刚性电缆和挠性电缆两种形式。在刚性电 缆中，超导体平行于刚性骨架轴线排列，其优点是结构简单，可以避免弯曲而引 一8 一 第二章高温超导材料及高温超导电缆 起超导带材的性能下降；缺点是从室温冷却至液氮温区所发生的热收缩将带来不 良影响，特别是在电缆的长度比较长的情况下，热收缩可能破坏整个电缆。挠性 电缆采用多芯银包套超导带材在支撑骨架上绕成具有固定螺距的多层螺旋形结 构，同一层超导带材之间留有一定窄缝隙。这种结构可以避免热收缩带来的不良 影响，可以弯曲，适合绕制比较长的电缆，满足运输与安装的需求：电缆中的轴 向磁通也可以经过几层带材之间的电流环绕方向不同而互相抵消，减少导体层中 带材性能的自场退化。 我国设计的高温超导电缆基本都采用的是挠性电缆结构，构成6m 长高温 超导电缆的四大部分由里至外分别是支撑骨架、导体层、绝缘层和绝热层。相应 的材料分别是不锈钢波纹管、高温超导带材、聚乙烯绝缘薄膜和具有超级绝热材 料和真空夹层的双层不锈钢波纹管，采用浸泡冷却方式来冷却电缆导体层，在作 为支撑骨架的波纹管内部和绝缘层与绝热层之间都充满液氮，如图2 - l 所示。 图2 16 m 长高温超导电缆结构图 高温超导电缆的绝缘结构主要有两种方式：常温电绝缘结构和低温电绝缘结 构，如图2 2 所示。常温电绝缘电缆的导体由绕在柔性支撑骨架上的高温超导带 材组成，骨架是中空的，液氮从中流过，电缆芯封装在低温容器中，容器外由常 温绝缘材料包敷。在底特律e d i s o n 变电站上投入使用的高温超导输电电缆采用 一9 一 第二章高温超导材料及高温超导电缆 了相似的常温电绝缘结构。低温电绝缘电缆的导体是两根或者三根高温超导导体 的共轴结构，液氮在高温超导导体的柔性支撑骨架芯中和低温容器之间循环回流 冷却。这一结构使高温超导电缆能通过更大的电流，降低损耗。 ( a ) 常温电绝缘结构( b ) 低温电绝缘结构 图2 2 高温超导电缆结构示意图 2 31 0m 长1 5k a ，1 0 5k v 三相高温超导电缆【1 3 l 1 0m 长1 5k a 1 0 5k v 三相高温超导电缆在国家8 6 3 重大项目资助下由中 国科学院电工研究所和甘肃长通电缆科技股份公司共同进行研究设计开发，于 2 0 0 3 年8 月完成该高温超导电缆系统的研制和性能试验。 2 3 1 类型及结构设计 1 0m 长1 5k a 1 0 5k v 三相高温超导电缆在机械上采用柔性结构，便于运 输和安装。由于常温电绝缘的高温超导电缆能节省近一半的高温超导带材，并且 可以直接采用成熟的电绝缘技术，适用于传输容量小于lg w 的场合，因此在电 绝缘结构方面，1 0m 长高温超导电缆采用常温电绝缘结构的设计方案。图2 3 为1 0 1 1 3 长1 5k a 1 0 5k v 三相高温超导电缆结构的横剖面图。 高温超导电缆的电缆芯由柔性骨架、多层结构的导体层和滑道线组成，导体 层之间具有电绝缘。电缆芯安装在维持液氮温度的低温容器中，并与终端相连接。 电缆的骨架采用柔性的不锈钢波纹管，两端分别焊上终端铜接头，便于导体层高 温超导带材的焊接和终端电流引线的连接。电缆的导体层采用一定数量的 一1 0 一 第二章高温超导材料及高温超导电缆 b i 2 2 2 3 a g a g m g 带材在骨架上以预定的螺旋角平t l d , 缝隙一根挨一根的绕成多层 螺旋形结构，以防止从室温到液氮温度因冷收缩产生的应力损坏带材。通常，高 温超导体层中相邻导体层的带材绕向相反，以消除电缆的轴向磁场，并降低自场 效应引起高温超导带材临界电流的退化。导体层问缠绕绝缘带，以降低电缆因电 磁耦合引起的交流损耗。高温超导电缆的低温容器是具有高真空和超级绝热的双 不锈钢波纹管结构，这种结构保证了高温超导电缆的可柔性和保持长达数年的高 真空度。低温容器外侧的常温电绝缘直接采用成熟的常温电绝缘技术，电绝缘外 侧具有p v c 保护层。 图2 3 高温超导电缆结构示意图 2 3 2 导体设计 1 0m 长1 5k a 1 0 5k v 三相高温超导电缆导体采用b i 一2 2 2 3 a g a g m g 多芯 带材。在设计高温超导电缆时，为了降低费用，采用标准型号的不锈钢波纹管。 考虑到电缆芯与低温容器的几种标准波纹管的匹配、波纹管骨架内径大小对电缆 冷却效果的影响、不同内径和层数的导体层所需的高温超导带材用量以及高温超 导电缆性能的最佳化，经过反复计算，最终决定采用内径为2 0 0m m 、外径为 2 5 7m m 的不锈钢波纹管骨架，把电缆导体层设计成4 层。为了得到降低高温超 导电缆导体交流损耗的最佳设计方法，采用三种不同结构参数设计1 0m 长高温 第二章高温超导材料及高温超导电缆 超导电缆的三相导体，表2 1 是高温超导电缆的各导体层螺旋角设计值，高温超 导电缆各相导体的主要设计参数见表2 - 2 。 表2 1高温超导电缆的各导体层螺旋角 电缆相号0 1 ( d e - g ) 0 2 ( d e g )以( d e g )0 4 ( d e g ) a+ 1 5 0 1 5 3+ 1 5 6一1 5 9 b+ 1 2 0+ 1 4 3+ 1 9 0十2 6 1 c+ 2 1 0+ 1 2 3一1 0 o- 3 5 0 表2 - 2 高温超导电缆三相导体的主要参数 主 要参数 a 相 b 相 c 相 导体的带材根数 7 47 27 0 导体的带材总长度( m ) 7 5 97 5 37 4 6 导体的单带临界电流总和( a ) 4 9 8 05 2 6 55 2 6 0 电缆导体的l 临界电流( a ) 2 8 6 83 0 3 23 0 3 0 交流电缆的临界电流( a ) 2 0 2 82 1 4 42 1 4 2 2 3 3 绕制工作 高温超导电缆按照设计参数，采用改进的工艺用半手工绕制而成，表2 3 是 该高温超导电缆结构的主要参数。 首先根据i 。及n 值双重标准选用性能良好的高温超导带材，同时仔细、合 理的配置不同性能的高温超导带材，使导体层内电流分布趋于均匀；电性能较好 的带材应尽量放在外层；每层带材的l 临界电流之和应基本相同。 在绕制过程中，保持带材的拉力恒定，并按设计值调控导体层带材的螺旋角。 骨架上及导体层间用聚酰亚胺带绝缘，电缆各导体层的超导带材或绝缘带有合理 的间隙。 电缆的导体层带材与终端接头用低熔点焊料，采用自己研制的工艺焊接，从 而在不破坏带材超导性能的条件下获得很低的接头电阻。 第二章高温超导材料及高温超导电缆 表2 - 3 高温超导电缆结构的主要参数 设计参数数值 骨架的内外径( m m )2 0 ，2 5 7 导体的；, j i l l , 径( r a m ) 2 5 8 2 8 1 导体的层数 4 滑道线的外径( r a m ) 3 3 0 低温容器的内径，外径( r a m )3 9 1 8 3 内半导体层厚度( m m ) 2 o 常温电绝缘厚度( m m ) 5 0 外半导体层厚度( r a m ) 2 ，o 铜带屏蔽层厚度( f i l m )o 2 保护层的厚度( r a m ) 6 o 电缆的外径( r a m ) 1 1 3 4 图2 4 是绕制中的1 0m 长高温超导电缆导体的照片，图2 5 是组装完成的 1 0m 长1 5k a 1 0 5k v 三相高温超导电缆系统。 图2 - 4 绕制中的高温超导电缆 一1 3 一 第二章高温超导材料及高温超导电缆 图2 - 51 0 m 长1 5 k n l o 5 k v - - $ u 高温超导电缆 1 4 - 第三章高温超导电缆监测系统的设计 第三章高温超导电缆监测系统的设计 在前两章中，对高温超导材料的特性、高温超导电缆的结构以及1 0m 长1 5 k a 1 0 5k v 三相高温超导电缆的研制进行了简单的介绍，同时明确了高温超导 电缆监测系统需要完成的主要功能。概括来说，监测系统依附子高温超导电缆系 统工作，主要需要完成以下两方面的功能： 1 在高温超导电缆的冷却以及正常运行中实时监测相关参数： 2 在高温超导电缆的性能试验时完成要求的各项性能测试。 本章对高温超导电缆系统中所有的相关参数，以及高温超导电缆性能试验中 需要测量的参数进行了分析研究，在此基础上确定能够在实际应用中得以实现测 量的、相对重要的参数，再结合1 0m 长1 5k a 1 0 5k v 三相高温超导电缆系统 的特点，对相关参数的测量进行深入的研究，确定各相关参数的测量方法和测量 位置，最终完成高温超导电缆监测系统的硬件构建和软件设计。 3 1监测参数的确定 图孓1 1 0m 长1 5k a 1 0 5k v 三相高温超导电缆系统示意图 图3 1 是1 0m 长1 5k a 1 0 5k v 三相高温超导电缆系统示意图，高温超导 一1 5 第三章高温超导电缆监测系统的设计 电缆系统主要出三相高温超导电缆本体、终端、低温容器、低温系统、电源系统 等几部分组成。电源系统采用5 0h z 市电经由调压器为低压大电流变压器供电， 变压器的输出与电缆终端连接，组成无负载回路，为高温超导电缆长时间交流通 电运行提供交流电流。低温系统通过减压降温使液氮过冷至7 0k 左右，在高温 超导电缆低温容器内沿c b 相进、a 相出的方向循环，将损耗热量带出高温超 导电缆，为高温超导电缆的正常运行提供所需的低温环境。 在第一章中提到了影响高温超导电缆正常运行的一些因素：直接因素温 度、磁场强度：间接因素超导体内应力、冷却液氮的压力流量、超导带材 间电流分布的均衡性、超导带材通过的电压。结合1 0 m 长1 5k a 1 0 5 k v 三相 高温超导电缆系统示意图，可以知道在高温超导电缆系统中所有的相关参数按各 部分分类如表3 - 1 。 表3 - 1 高温超导电缆相关参数分类表 电源系统交流电流、直流电流、交流电压、直流电压 低温系统液氮温度、液氮压力、液氮流量 终端及低温容器液氮温度、液氮压力、液氮流量 电缆本体温度、通电电压压降、磁场强度、内应力、电流分布 低温系统在高温超导电缆系统中是一个独立完整的系统，在与终端相连接的 液氮进、出口处有温度、压力和流量总量的测量，因此在监测系统的设计中对低 温系统中的各个相关参数不予考虑：电源系统在高温超导电缆的性能试验时启 用，由于目前对高温超导电缆仅进行交、直流大电流低电压测试，因此电源系统 中的交流电压和直流电压可以暂不考虑；终端、低温容器和低温系统互相连接构 成液氮循环封闭回路，因此在高温超导电缆系统正常运行的情况下，终端和低温 系统液氮进、出口处的液氮温度基本一致，因此仅需要对低温容器内的液氮压力 进行一定的测量，以确定液氮的流动状态。 因此监测系统的重点工作是对高温超导电缆的本体以及低温容器、电源系统 中的相关参数进行测量，这样初步确定需要测量的参数有：温度、压力、流量、 通电电流、高温超导电缆本体通电后的电压、磁场强度、内应力、电流分布等。 下面在考虑到1 0m 长1 5k a 1 0 5k v 三相高温超导电缆本身所特有的结 1 6 第三章高温超导电缆监测系统的设计 构、低温测量技术的现况、各个参数对高温超导电缆性能影晌的密切程度以及测 量方法的可行性，在监测系统能够完成所需功能的基础上，对这些相关参数测量 的实际效用性和可行性进行分析。 3 1 1 温度 上文中已经提到，在低温系统中，与终端相连接的液氮进出口处已经有液氮 温度的测量。因此只要低温系统能够正常工作，低温容器内的液氮就可以保证高 温超导电缆所需要的低温环境。 在高温超导电缆的正常运行过程中，低温容器内的液氮温度应该介于液氮 进、出口处的温度之间。高温超导电缆本体安装于低温容器内，在本体导热良好 的情况下高温超导电缆本体上的温度和低温容器内部的液氯温度是一致的，监测 电缆本体的温度就可以知道低温容器内的液氮温度；如果高温超导电缆本体出现 异常情况，导致发热量突然增加，电缆本体上产生的热量不能够被冷却液氮及时 带走时，就会使高温超导电缆本体的温度上升并且高于低温系统产生的液氮温度 和低温容器内的液氮温度。 因此对于高温超导电缆本体温度的监测非常重要。在监测系统中，需要在高 温超导电缆的整个运行过程中对终端容器内超导本体上的温度进行实时监测，以 确保高温超导电缆系统的安全。 温度的测量技术已经非常成熟，虽然低温液氮温区的温度测量，相对于常温 和高温温区的温度测量，应用还不是十分广泛，但是已经有足够的测量方法可以 选择，而且在考虑高温超导电缆结构设计限制的因素上，也能够为监测系统设计 合理的温度测量方案，在本章的随后内容中会有详细介绍。 3 1 2 压力 同温度一样，在低温系统中，与终端相连接的液氮进、出处已经有液氮压力 的测量。从图3 1 高温超导电缆系统结构示意图中可以看到，低温系统产生的液 氮在高温超导电缆低温容器内沿并联的c b 相流入，再流过a 相后返回低温系 统，如此循环流动。压差是产生液氮循环流动的动力，因此在各相电缆低温容器 的端部测量液氮的压力，在一定程度上可以反应出各相低温容器内液氮的流动状 态，同时可以和低温系统进、出口处的液氮压力进行一定的比较，确保液氮在高 温超导电缆系统内正常循环。 一1 7 第三章高温超导电缆监测系统的设计 压力的测量技术也十分成熟，但是直接对液氮压力的测量，目前国内还没有 广泛的应用。由于液氮的特殊物理性质，可以利用间接测量的方法实现对液氮压 力的测量，在本章3 3 节中会有详细的介绍。 3 1 3 流量 在冷却液氮的循环中，液氮流量应该是最能直接反应液氮循环状态的，通过 测量压力只能间接的反应液氮循环状态。因此，如果能够测量高温超导电缆各相 低温容器中的液氮流量，对冷却液氮在各相低温容器中的分布控制和低温系统的 正常运行会更为有利。 一般低温流体的流量都用流量计测量。常见的低温流量计主要有：节流流量 计( 包括孔板流量计、喷嘴流量计和文丘里流量计) 、涡轮流量计、超声流量计 和质量流量计等，表3 2 中列举了几种常用低温流量计及其参数 1 4 , 1 5 】。 表3 - 2 几种低温流量计及其参数 影响参数 流量计类型压力损失 雷诺数r e磁场( 是否影响)密度( 是否影响) 文丘里流量计1 0 4 1 0 6否是 2 0 孔板流量计1 0 4 1 0 6否是3 5 相关流量计1 0 3 。1 0 6 否否 0 0 1m p a c o r i o l i s 质量流量计1 0 3 。1 0 6是 否 o 1 m p a 涡街流量计1 0 3 l o j否 否 o 0 2m p a 超声流量计1 0 3 1 0 6 否是 0 0 4 m p a 涡轮流量计1 0 3 1 0 6是是 o 0 5m p a v 形锥管流量计1 0 3 。l 矿 否是 o 。5h d 辩，上式西简亿为 心) m 罢去 从此式可知，铂电阻德电阻率与濑度成正比，这就是铂电阻温度传感元件的 工非鏊稿，镑毫隧豹彀疆湿茨关系驽下： 温度小于o * c 时： 囊，= r o 1 + a t + b t 3 + e 磐一1 0 0 ) 3 淫 温度大于o 时： 踅= 【| + f + 擞2 】 式中，心温度为t 时铂电阻的电阻值，r o 温度为o c 时铂电阻的电阻德，t - 温度 一3 0 第三章高温超导电缆监测系统的设计 值( ) ，a 、b 、c 为常数。 2 铂电阻温度传感元件的结构 薄膜铂电阻和p t l 0 0 铂电阻是铂电阻元件的两种不同结构形式。p t l 0 0 铂电 阻为绕线铂电阻，一般由铂丝绕在片形云母骨架上，放入陶瓷绝缘保护套管中， 外形为圆柱形结构，铂丝的引线采用银线：薄膜铂电阻与绕线铂电阻相比，以铂 浆材料代替铂丝，在陶瓷基片上溅射铂薄膜后经激光精密修整电阻而成，外形为 微片状【1 7 】。两种结构的铂电阻如图3 - 6 所示。 ( a ) 绕线型p t l 0 0 ( b ) 薄膜型 图3 - 6 铂电阻的构造 1 - 银引出线2 - 铂丝3 一锯齿形云母骨架4 - 保护云母片5 一银绑6 铂电阻横断面 7 一保护套管8 - 石英骨架9 一铂薄膜1 0 一陶瓷基片1 1 一保护陶瓷 表3 7 三种薄膜铂电阻的规格尺寸 序号长( m )宽( m m )厚( r a m ) 12 82 00 8 23 21 8o 8 37 o2 80 8 绕线铂电阻在低温温度测量中已有广泛的应用。具有很高的灵敏度、重复性 和稳定性；薄膜铂电阻的片状结构更易于安装，热响应速度快，特别适合表面测 温。但是正如前面所说的，薄膜铂电阻目前仅在常温和高温领域中广泛应用，没 一3 1 第三章高温超导电缆监测系统的设计 有低温特性参数，为此选择三种规格的薄膜铂电阻进行低温实验，表3 7 中详细 列出了它们的规格尺寸。 3 薄膜铂电阻的低温实验 薄膜铂电阻的低温实验系统如图3 7 所示，利用实验室已有的两只标准铑铁 热电阻( 精度o 1k ) 为基准来测定温度。铑铁热电阻和薄膜铂电阻均采用四引 线法测量阻值，以增加测量准确度：由恒流源提供恒定的直流激励，通过测量电 压，得到不同温度下铑铁热电阻和薄膜铂电阻的阻值。根据铑铁热电阻的温度分 度表，将阻值换算成温度，取两只铑铁热电阻测量结果的平均值作为每次测量的 温度，这样就可以得到对应于每一个温度下的薄膜铂电阻阻值。铑铁热电阻和薄 膜铂电阻紧密的贴在恒温铜块上，加入硅脂增加导热性；用吊线将恒温铜块放入 液氮中，在实验中调节恒温铜块的位置来获得不同的温度。 2 只铑铁热电阻和3 只薄膜铂电阻串连在一起，由k n i c k 恒流源提供1m a 的直流激励，5 个电压信号经p r e m a2 0 8 0 多通道转换器后接入k e i t h l e y2 1 8 2 数 字电压表：2 0 8 0 和2 1 8 2 通过g p i bp c i 板卡和计算机连接，用【加v i e w 编写测 量程序，循环采集每一个温度点的5 个电压信号，自动完成从液氮温度到室温范 围的数据采集和存储。 吊线 测量引线 标准热电阻 薄膜铂电阻 恒温铜块 液氮 低温容器 图3 7 薄膜铂电阻低温实验示意图 一3 2 第三章高温超导电缆监测系统的设计 图3 - 8 测量程序流程图 薄膜铂电阻低温实验的测量程序流程图见图3 8 ，程序界面见图3 - 9 。 图3 - 9 测量程序界面 对三只薄膜铂电阻共进行了6 次循环钡4 量，图3 1 0 显示了三只薄膜铂电阻 经历三次循环测量的温度阻值试验曲线。从图中我们可以看到在薄膜铂电阻的 阻值和温度在整个温区内成线性关系，但是在低温中的重复性不好，几次实验中 存在偏差。对7 7 9 5 k 这段温区内的温度阻值试验曲线进行放大，可以清楚的 看到三只薄膜电阻中的两只达到了lk 左右的重复性偏差，见图3 1 l 所示。 实验曲线显示在8 0k 以下温区测量的温度阻值曲线存在明显的波动，这是 因为在液氮容器没有采用真空密封，液氮气化造成一定的温度扰动。 一3 3 第三章 高温超导电缆监测系统的设计 t ( k 】 ( a ) 标号为1 的薄膜铂电阻 t l o ( b ) 标号为2 的薄膜铂电阻 tc k 】 ( c ) 标号为3 的薄膜铂电阻 图3 1 0 薄膜铂电阻的温度阻值曲线 3 4 第三章 高温超导电缆监测系统的设计 t ( k ) ( a ) 标号为1 的薄膜铂电阻 tc k l ( b ) 标号为2 的薄膜铂电阻 t f k l ( c ) 标号为3 的薄膜铂电阻 图3 1 1薄膜铂电阻低温温区的温度- 阻值曲线 一3 5 第三章 高温超导电缆监测系统的设计 图3 一1 2 是将三只薄膜铂电阻的温度阻值曲线放在同一坐标中，同样可以看 到薄膜铂电阻的互换性不是很好，不同的薄膜铂电阻之间存在较大的温度特性差 异，未作标定时不能随意互换使用。 t f k l ( a ) 7 7 3 0 0 k 温区 ( b ) 7 7 9 5 k 低温温区 图3 1 2 薄膜铂电阻的互换性比较 4 铂电阻的选用 在对薄膜铂电阻进行低温实验后，可以得知薄膜铂电阻在1 0 0k 以上温区有 良好的线性度和重复性，但是在1 0 0k 以下的温区重复性和互换性不是很理想。 对高温超导电缆温度的监测，主要是1 0 0k 以下温区的温度测量，因此不能使用 薄膜铂电阻。 同时，我们对中科院理化所标定过的p t l 0 0 铂电阻进行试验，其性能良好。 因此最终选用p t l 0 0 铂电阻作为温度监测的传感元件。图3 1 3 显示的是p t l 0 0 3 6 第三章高温超导电缆监测系统的设计 铂电阻温度传感元件的特性曲线可以看到在整个温区具有良好的线性度，在低 温温区也有很好的重复性。 图3 - 1 3p t l 0 0 铂电阻的温度- 阻值特性曲线 3 3 5 小结 经过上面几部分的分析研究，应用于高温超导电缆监测系统相关参数测量的 传感元件都已明确，这些传感元件的类型，及其在高温超导电缆中的安装位置详 见表3 7 ( 对应编号在图3 - 3 中标示) 。 表3 - 7 监测系统中传感器的类型及安装位置 编号传感器类型安装位置 t a 0p t l 0 0 铂电阻温度传感器a 相高温超导电缆内中间位置 t a lp t l 0 0 铂电阻温度传感器a 相高温超导电缆内液氮出口位置 t a 2p t l 0 0 铂电阻温度传感器a 相高温超导电缆内液氨进口位置 t a 3p t l 0 0 铂电阻温度传感器a 相高温超导电缆内距液氨进口2 5r n 位置 t b 0p t l 0 0 铂电阻温度传感器b 相高温超导电缆内中间位置 t b lp t l 0 0 铂电阻温度传感器b 相高温超导电缆内液氮进口位置 t b 2p t l 0 0 铂电阻温度传感器b 相高温超导电缆内液氮出口位置 t b 3p t l 0 0 铂电阻温度传感器b 相高温超导电缆内距液氮出口2 5m 位置 t c op t l 0 0 铂电阻温度传感器c 相高温超导电缆内中间位置 t c lp t l 0 0 铂电阻温度传感器c 相高温超导电缆内液氮出口位置 t c 2p t l 0 0 铂电阻温度传感器c 相高温超导电缆内液氮进口位置 t c 3p t l