CN101251425A - 一种高温超导电缆导体温度在线监测的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种高温超导电缆导体温度在线监测的方法和装置。本发明的方法包括如下步骤：把低温温度传感器(2)贴在高温超导电缆导体(1)上，采用四引线法接出该低温温度传感器(2)的测试引线；将低温温度传感器(2)的测试引线接入相应的温度光纤转换模块(3)。温度光纤转换模块(3)与模块化分布式I/O系统(4)相连；将模块化分布式I/O系统(4)连接到计算机(6)；利用计算机(6)对输入信号进行处理，并显示和存储所述高温超导电缆导体(1)的温度。本发明能够实现在液氮温区对高温超导电缆导体进行精确的温度监测，并且同时实现高电压隔离监测，具有绝缘、抗干扰性好，结构简单，运行可靠，耗电低，使用寿命长以及成本低廉的优点。

Description

一种高温超导电缆导体温度在线监测的方法和装置

技术领域

本发明涉及高温超导电缆应用领域，具体而言，本发明涉及一种高温超导电缆导体温度在线监测的方法和装置。

背景技术

按照超导电缆导体正常工作温度的不同，超导电缆可分为高温超导电缆和低温超导电缆。低温超导电缆导体采用NbTi、Nb₃Sn等低温超导带材绕制加工而成，其导体工作在液氦温区(4.2K)附近；高温超导电缆导体采用Bi系、Y系等高温超导带材绕制加工而成，其导体则工作在77K左右的液氮温区。按照高温超导电缆电压等级的不同，高温超导电缆可按常规电缆分为高压输电电缆和低压输电电缆。

高温超导电缆导体对其本身的工作温度有相当严格的要求。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氮温度是一致的，监测电缆本体的温度就可以知道低温容器内的液氮温度。当高温超导电缆正常运行时，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；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，这将可能导致高温超导电缆的迅速失超，使电网出现较为严重的后果。因此对于高温超导电缆本体温度的监测非常重要。在监测装置中，需要在高温超导电缆的整个运行过程中对低温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。鉴于上述情况，实践中对高温超导电缆导体本身进行在线温度监控就具有极为重要的意义。

《高温超导电缆低温系统数据实时监控》(范宇峰、徐向东、龚领会、李来风、张亮，低温工程，2004年第5期，No.141，P.26-30)提出一种数据实时监控实验装置，该装置的温度测量部分的硬件由铂电阻温度计、恒流源、数据采集卡和计算机组成，铂电阻温度计采用四引线法测量，首先由恒流源给铂电阻温度计供应1mA的电流，测得铂电阻温度计的电压是mV级的小信号，需要经过一个放大器放大后，被采集卡采集，然后输入计算机进行信号处理、显示、存储。

在上述技术方案中，上述实验系统没有高电压隔离功能，不能用于高电压状态下高温超导电缆温度信号监测；并且由于其抗干扰性能差，难以保证精确的温度监测；还有上述实验系统不能够进行长距离信号通讯，难以实现较长距离的高温超导电缆温度监测。

综上所述，在现有技术中，对于较长距离高温超导高电压输电电缆的电缆导体温度在线监测装置和方法，还存在以下三个技术问题，它们分别是：

1.现有的监测装置在低温下一般都难以实现精确地温度监测，它们在对电缆状态的监测过程中所获得的数据一般都有较大误差；

2.现有的监测装置一般难以在进行监测的同时实现高电压隔离，而对于传输大电流的高温超导电缆而言，实现高电压隔离则是确保安全监测的重要保证；

3.现有的监测装置可以在较短距离上传输温度测量信号，但是，如果通过较长距离传输温度测量信号，则很容易出现信号失真，难以在接收端接收到稳定而真实的信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温超导电缆导体温度在线监测的方法和装置，能够实现在液氮温区对高温超导电缆导体进行精确的温度监测，并且同时能够实现高电压隔离监测。

本发明的上述目的通过以下技术方案得到实现。

本发明高温超导电缆导体温度在线监测的方法，包括如下步骤：

a)把低温温度传感器贴在高温超导电缆导体上，采用四引线法接出该低温温度传感器的测试引线；

b)将所述低温温度传感器的测试引线接入相应的温度光纤转换模块，以使所述低温温度传感器的输出信号输入到所述的温度光纤转换模块；

c)将所述温度光纤转换模块与模块化分布式I/O系统相连，以使所述温度光纤转换模块的输出信号能输入到所述模块化分布式I/O系统中；

d)将所述模块化分布式I/O系统连接到计算机，以将所述模块化分布式I/O系统的输出信号输入到所述计算机；

e)利用所述计算机对输入信号进行处理，并显示和存储所述高温超导电缆导体的温度。

本发明通过以上步骤完成了高温超导电缆导体温度的在线监测，克服了低温下温度监测的难点。通过采用模块化分布式I/O系统，能够简单、便捷地实现可靠测量。本发明方法通过温度光纤转换模块的光信号隔离电压的作用，解决了高电压隔离的技术问题。也就是说，通过温度光纤转换模块内部的光信号作为传输介质，以此达到隔离高电压的目的，传输在高电压状态下所述低温温度传感器输出的数值给低压测试设备，有效地保护了低压测试设备及测试人员的安全。

另外，为了能够在一台计算机上同时显示较长距离(例如，超过20m长)高温超导输电电缆两端的温度数值，对它们进行比较分析，需要解决较长距离数据的传输问题，可以将模块化分布式I/O系统的输出接入到RS232/RS485协议转换模块，然后将RS232/RS485协议转换模块的输出接入到计算机。其中所述“较长距离”指20m以上，这是因为本技术领域内公知的是RS232协议最大通信距离为20m。例如，《RS-232-C接口》(白泓韧、白恩杰，光电与控制，1995年第2期，No.58，P.51-55)描述了RS232串行通讯协议标准，该协议标准是美国电子工业协会EIA制定的参考标准，用于数据的同步或异步串行通讯，其中还描述了RS232通讯速度在20kbps以下，最大传输距离为20m。因此，RS232串行通讯协议不能单独应用于超过20m的高温超导电缆的温度在线监测。所以，本发明通过设置了RS232/RS485协议转换模块，不但解决了较长距离信号传输的问题，而且由于RS232与RS485协议之间的转换，还使整套测试装置具有防止过电压对计算机及其对应的数据采集设备进行袭击的功效，它有效的保护了计算机及其对应的数据采集设备。并且，因为RS485的最高通讯速度为10Mbps，所以RS485协议的引入还能有效的提高数据的传输速率。

最后，在把低温温度传感器贴在高温超导电缆导体上的步骤中，在高温超导电缆的两端分别贴上低温温度传感器，这样可以实现对超导电缆的两端的温度进行同时在线监测。而且，如果将低温温度传感器贴在高温超导电缆的多个位置点，则还可以实现对高温超导电缆的多个位置点的同时在线监测。

应用本发明高温超导电缆导体温度在线监测方法的装置包括：

a)待监测的高温超导电缆，该高温超导电缆具有电缆导体；

b)低温温度传感器，所述低温温度传感器贴在所述高温超导电缆的电缆导体上，并采用四引线法接出该低温温度传感器的测试引线；

c)计算机；

d)温度光纤转换模块，所述低温温度传感器的测试引线接入所述温度光纤转换模块，以使所述低温温度传感器的输出信号输入到所述的温度光纤转换模块；

e)模块化分布式I/O系统，所述温度光纤转换模块与所述模块化分布式I/O系统相连，以使所述温度光纤转换模块的输出信号能输入到所述模块化分布式I/O系统中；而且所述模块化分布式I/O系统连接到所述计算机，以将模块化分布式I/O系统的输出信号输入到所述计算机，利用所述计算机对输入信号进行处理，并显示和存储所述高温超导电缆导体的温度。

通过本发明的高温超导电缆导体温度在线监测的方法和装置，能够真实地、有效地、快速地监测高温超导电缆导体的温度，并且能够安全地应用于高电压输电电缆，而且能够保证较长距离信号的传输不失真，最终能够保证装置在线的实时监测。本发明的测试装置具有绝缘、抗干扰性好，结构简单，运行可靠，耗电低，使用寿命长以及成本低廉的优点。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

图1是高温超导电缆剖视图，

图中：11电绝缘；12低温容器；13低温容器；14液氮通道；15滑道线；16电缆导体；17电缆骨架；18液氮通道；

图2是本发明的高温超导电缆导体温度在线监测装置的示意图，

图中：1高温超导电缆导体；2低温温度传感器；3温度光纤转换模块；4模块化分布式I/O系统；5RS232/RS485协议转换模块；6计算机；

图3是利用本发明高温超导电缆导体温度在线监测装置进行试验监测所得到的一个温度曲线图，

图中：31高温超导C相电缆内液氮出口温度曲线；32高温超导C相电缆内液氮进口温度曲线；33高温超导B相电缆内液氮出口温度曲线；34高温超导A相电缆内液氮出口温度曲线；35高温超导B相电缆内液氮进口温度曲线；36高温超导A相电缆内液氮进口温度曲线；

图4是利用本发明高温超导电缆导体温度在线监测装置进行试验监测所得到的温度曲线图，

图中：41高温超导C相电缆内液氮出口温度曲线；42高温超导C相电缆内液氮进口温度曲线；43高温超导B相电缆内液氮出口温度曲线；44高温超导A相电缆内液氮出口温度曲线；45高温超导B相电缆内液氮进口温度曲线；46高温超导A相电缆内液氮进口温度曲线；

图5是利用本发明高温超导电缆导体温度在线监测装置进行试验监测所得到的一个温度曲线图，

图中：51高温超导C相电缆内液氮出口温度曲线；52高温超导C相电缆内液氮进口温度曲线；53高温超导B相电缆内液氮出口温度曲线；54高温超导A相电缆内液氮出口温度曲线；55高温超导B相电缆内液氮进口温度曲线；56高温超导A相电缆内液氮进口温度曲线。

具体实施方式

图1是高温超导电缆剖视图。高温超导电缆是由电缆芯、液氮通道14、18、低温容器12、13以及电绝缘11等部分构成。高温超导电缆的电缆芯由电缆骨架17、电缆导体16和滑道线15组成。电缆骨架17采用柔性的不锈钢波纹管，两端分别焊上终端铜接头，便于导体层的高温超导带材的焊接和终端电流引线的连接。电缆的电缆导体层16采用一定数量的Bi-2223/Ag带材在骨架上绕制而成，导体层间具有低温电绝缘。电缆芯装在维持液氮温度的低温容器13中，低温容器两端与终端相连。低温容器12外侧为常温电绝缘11和电缆外保护层。

下面参照图2来详细说明本发明的一个实施方案。

图2所示为75米高温超导电缆的温度在线监测实例示意图。如图2所示，三根高温超导电缆分别是A相电缆、B相电缆和C相电缆，各个电缆的两端与各自的电缆终端相连，电缆终端中留有液氮通道，液氮通过低温冷却系统的作用，在电缆内部进行循环冷却，75米高温超导电缆液氮的循环方向如图2所示，是在超导电缆内沿A/B相进、C相出的方向循环，将各种损耗热量带出超导电缆，为超导电缆提供运行的低温环境。图2中，高温超导电缆导体1的两端分别贴有低温温度传感器2，以便实时监测电缆导体两端的温度；低温温度传感器2的测试引线采用四引线法接出，接入相应的温度光纤转换模块3；将温度光纤转换模块3与模块化分布式I/O系统4相连；将模块化分布式I/O系统4连接到RS232/RS485协议转换模块5；RS232/RS485协议转换模块5最终与计算机6相连，利用计算机6对输入信号进行处理，并显示和存储高温超导电缆导体1的温度。

采用本发明装置在线监测高温超导电缆导体温度的具体实施步骤如下所述：

第一步，在高温超导电缆导体1上布置若干低温温度传感器2，一般是将低温温度传感器2贴在高温超导电缆导体1的两端上。图2显示出的低温温度传感器2的个数是每根导体的两端各一个，但是在本发明中低温温度传感器2的个数不限于每根导体两个，可以是一个或更多个。采用多个低温温度传感器2能够实现对超导电缆的多个位置点的温度进行同时在线监测。这里，低温温度传感器2优选采用Pt100铂电阻温度传感器。由于Pt100铂电阻温度传感器测量精度高、测量范围大、复现性和稳定性好并且热响应时间短，所以它适合于在液氮温区下进行工作，因而适合用于高温超导电缆导体的温度在线监测。根据需要，该Pt100铂电阻温度传感器可以仅对50～300K温区内数值进行标定。然后，把标定好了的铂电阻温度传感器贴在高温超导电缆导体的表面，采用四引线法接出测试引线。

第二步，把布置在高温超导电缆导体1的两端上的低温温度传感器2的测试引线分别接入若干温度光纤转换模块3。温度光纤转换模块3由光纤调制器、光纤、光纤温度变换器三部分组成。低温温度传感器2用于测量温度，并将所测信号传到光纤调制器，光纤调制器将所得到的信号调制成光信号，并将光信号通过光纤传导到光纤温度变换器。所述光纤温度变换器具有工业标准的4-20mA电流输出，该输出可提供给数据采集器或计算机处理，直接实现光纤式温度测量功能。通过上述设置，能够达到高电压隔离的目的，从而确保成本低廉、安全的监测。上述光线温度变换器可以是北京安伏电子技术有限公司生产的FTM3501光纤温度变换器。

第三步，将高温超导电缆1的两端的温度光纤转换模块3连接到各端的模块化分布式I/O系统4中，以将高温超导电缆1的两端的多个温度光纤转换模块3的输出分别输入到各端的模块化分布式I/O系统4中。模块化分布式I/O系统4由I/O模块、接线座和网络模块所组成，所述I/O模块能够高速同时采集多路数值信号，通过接线座引入测控信号，就地实现信号调理、A/D转换，然后通过选定的网络模块自身携带的RS232串口与其它RS232串口设备进行通讯，把数据传输出去。在75米高温超导电缆的温度在线监测实例中，模块化分布式I/O系统4的网络模块与RS232/RS485协议转换模块5进行通讯，传输数据。在现有技术的高温超导输电电缆的电缆导体温度在线监测装置中，都还没有采用过模块化分布式I/O系统。而本发明则采用了模块化分布式I/O系统，该模块化分布式I/O系统具有工业级性能和出色的软件集成性，实现了通讯和信号终端的模块化结构，并具有出色的分布性、灵活多变的配置、数据通讯的抗干扰性的优点，因而能够简单、便捷地实现可靠测量。上述模块化分布式I/O系统可以使用美国国家仪器(NI)有限公司生产的模块化分布式I/O系统，其中所述I/O模块可以是美国国家仪器(NI)有限公司的FP-AI-100型，网络模块可以是美国国家仪器(NI)有限公司的FP-1000型。

第四步，将高温超导电缆1的两端的模块化分布式I/O系统4分别连接到RS232/RS485协议转换模块5，以将模块化分布式I/O系统4的输出分别输入RS232/RS485协议转换模块5。所述RS232/RS485协议转换模块5由成对的RS232/RS485协议转换器组成，它前端的RS232/RS485协议转换器把模块化分布式I/O系统4网络模块所传输的信号由RS232协议转换为RS485协议，中间通过RS485协议进行传输，然后接入后端的RS232/RS485协议转换器，通过该后端的RS232/RS485协议转换器把所传输的信号从RS485协议重新转换为RS232协议，以便通过计算机6的RS232协议端口(串口)将信号直接输入到计算机6中。通过上述设置，能够确保在较长距离进行高温超导电缆导体温度的在线监测。所述“较长距离”指20m以上，这是因为本技术领域内公知的是RS232协议最大通信距离为20m。具体而言，本发明的监测装置可以应用于监测超过20m的高温超导电缆的温度状态。亦即，本发明可以将低温温度传感器设置在长度超过20m的高温超导电缆的两端上，并通过同时接收和处理来自这两端上的低温温度传感器的信号，而对高温超导电缆的两端的温度状态进行分析对比和实时监控。RS485协议具有抑制共模干扰的能力，并且具有高灵敏度，所以本发明具有能够保证较长距离信号的传输不失真，抗干扰性好，结构简单，运行可靠的优点。

第五步，最后用计算机6编写的LabVIEW程序对输入到计算机6中的信号进行实时分析处理，并显示和存储高温超导电缆导体的温度。最终实现高温超导电缆导体温度的在线监测。

本发明已经试用于75m高温超导电缆的温度在线监测，图3、图4、图5分别为75m高温超导电缆并网运行时，三个不同的时间段高温超导电缆导体温度在线监测装置监测并存储的电缆导体温度曲线。由图3、4、5可见，高温超导电缆导体温度在线监测装置运行稳定、精确，能够真实的实时采集、显示、存储电缆导体温度数据。本发明所述高温超导电缆导体温度在线监测装置随75米超导电缆于甘肃省白银市甘肃长通电缆科技股份有限公司并网试验运行超过9个月，工作电压6kV、工作电流0-100A，并经过10.5kV下133小时、380V/0-1600A下440小时考验，没有出现任何自身故障。实验证明，本发明所述高温超导电缆导体温度在线监测装置可以适用于高温超导电缆导体温度的精确在线监测。

在本发明中，根据高温超导电缆的实际运行情况，可适当的省略其中本发明的上述某些步骤。比如，如果高温超导电缆在低压状态下运行，可省略上述第二步，直接把低温温度传感器2的输出引线接入模块化分布式I/O系统4中，通过在不同的测控区域配置不同的I/O模块，例如选择热电偶模块，可以直接测量低温温度传感器2的阻值信号，在数字化处理后，通过网络模块的RS232串口直接与RS232/RS485协议转换模块5相连；如果测量数据不需要较长距离的传输，则可以省略第四步骤，把模块化分布式I/O系统4中的网络模块上的RS232串口直接与计算机6上的RS232串口进行通讯，把数据直接传输给计算机6，经过计算机6的信号实时分析处理，即可实时监测高温超导电缆导体1的温度。另外，RS485协议的引入有助于防止过电压对计算机及其对应的数据采集设备的通讯端口进行袭击，以达到保护计算机及其对应的数据采集设备的目的。并且，因为RS485的最高通讯速度为10Mbps，所以RS485协议的引入还能有效的提高数据的传输速率。所以优选使用RS232/RS485协议转换模块。本领域普通技术人员将会明白，可以在本发明的发明构思内对上述多个步骤进行任意组合。

Claims (6)

1、一种高温超导电缆导体温度在线监测的方法，包括如下步骤：

a)把低温温度传感器(2)贴在高温超导电缆(1)的电缆导体上，采用四引线法接出该低温温度传感器(2)的测试引线；

b)将所述低温温度传感器(2)的测试引线接入相应的温度光纤转换模块(3)，以使所述低温温度传感器(2)的输出信号输入到所述的温度光纤转换模块(3)；

c)将所述温度光纤转换模块(3)与模块化分布式I/O系统(4)相连，以使所述温度光纤转换模块(3)的输出信号输入到所述模块化分布式I/O系统(4)中；

d)将所述模块化分布式I/O系统(4)连接到计算机(6)，以将所述模块化分布式I/O系统(4)的输出信号输入到所述计算机(6)；

e)利用所述计算机(6)对输入信号进行处理，并显示和存储所述高温超导电缆导体(1)的温度。

2、应用权利要求1所述的高温超导电缆导体温度在线监测方法的装置，其特征在于，该装置包括待监测的有电缆导体的高温超导电缆(1)、低温温度传感器(2)、温度光纤转换模块(3)、模块化分布式I/O系统(4)和计算机(6)；低温温度传感器(2)贴在高温超导电缆(1)的电缆导体上，并采用四引线法接出低温温度传感器(2)的测试引线；低温温度传感器(2)的测试引线接入温度光纤转换模块(3)，温度光纤转换模块(3)与模块化分布式I/O系统(4)相连；模块化分布式I/O系统(4)与计算机(6)相连。

3、如权利要求2所述的高温超导电缆导体温度在线监测装置，其特征在于所述温度光纤转换模块(3)由光纤调制器、光纤、光纤温度变换器三部分组成。

4、如权利要求2所述的高温超导电缆导体温度在线监测装置，其特征在于所述模块化分布式I/O系统(4)由I/O模块、接线座和网络模块所组成。

5、如权利要求2所述的高温超导电缆导体温度在线监测装置，其特征在于所述低温温度传感器(2)是Pt100铂电阻温度传感器。

6、如权利要求2所述的高温超导电缆导体温度在线监测装置，其特征在于长距离信号传输时，将所述模块化分布式I/O系统与RS232/RS485协议转换模块(5)相连，RS232/RS485协议转换模块(5)再与计算机相连。

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