CN102680750B - 一种用于远程微弱模拟信号传输的超导信号传输电缆 - Google Patents

Abstract

一种用于远程微弱模拟信号传输的超导信号传输电缆。所述的超导信号传输电缆(1)包括传输电缆保护套(10)、第二低温绝缘层(11)、金属屏蔽层(12)、第一低温绝缘层(13)和超导信号线(14)；所述的超导信号线(14)位于超导信号传输电缆(1)的中心，超导信号线(14)的外部包裹有第一低温绝缘层(13)，第一低温绝缘层(13)的外部为金属屏蔽层(12)，金属屏蔽层(12)的外部为第二低温绝缘层(11)，第二低温绝缘层(11)的外部为传输电缆保护套(10)，上述各层之间以同轴方式排列，形成同轴电缆。

Description

一种用于远程微弱模拟信号传输的超导信号传输电缆

技术领域

本发明涉及一种远程微弱模拟信号传输电缆，特别涉及利用超导线传输模拟电压信号的电缆。

背景技术

超导输电电缆损耗远小于常规输电电缆，是未来远距离、大容量输电的重要选择。与低损耗特性相对应，超导输电电缆运行时的电压降非常小，交流情况下不超过1μV/m，直流输电时电压降约为纳伏级。但超导输电电缆的电压降是其损耗计算的重要基础，也是判断超导输电电缆是否失超的依据，因此必须对超导输电电缆的电压降进行准确测量。

目前对超导输电电缆的电压降采用常规的测量方法，即用屏蔽铜线将超导输电电缆远端的信号直接连接到测量仪表。如中国科学院电工研究所研发的360米高温超导输电电缆，将测量电压降的数字电压表置于靠近超导输电电缆的中间位置，然后用两根各约180米长的屏蔽铜线将超导输电电缆两端的信号连接到数字电压表的探头。然而，屏蔽铜线会产生阻容噪声、热电噪声等，随着铜线长度的增加，电压噪声的幅值也增大。如上述360米高温超导输电电缆电压降测量过程中，当超导输电电缆未通电即待测电压为0伏时，数字电压表测得的电压噪声幅值就达到3毫伏。与此同时，360米高温超导直流输电电缆正常运行时的电压降不超过几十微伏，远小于电压噪声。由此可见，模拟信号传输电缆的本体热电噪声是影响微弱模拟信号远距离传输精度的重要原因。

泰克等示波器生产厂商均能提供长达10米的高信噪比探头，其通过特殊的阻容特性设计使得传输线产生的热电噪声较小，但探头测试端子和地线之间非常近，无法直接测量远距离超导输电电缆两端的信号。

综上所述，现有技术未能解决较长距离微弱模拟信号传输过程中传输线本体噪声对传输信号影响的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有常规测量仪表探头本体噪声对远距离传输测量信号的影响，并解决现有的示波器无法直接测量远距离超导输电电缆两端的信号的问题，提出一种测量用的超导信号传输电缆。本发明的超导信号传输电缆用于测量远距离超导输电电缆的电压降，功能与常规测量仪表探头相同，即将远距离超导输电电缆远端的电压信号传输到另一端的测量仪表，实现低损耗的传输测量信号。

所述的“远端”系相对“近端”而言，“近端”是指超导信号传输电缆和超导输电电缆安装后位于测量仪表所处位置处的端部，“远端”则是指超导信号传输电缆和超导输电电缆安装后远离测量仪表所处位置处的另一端部。

本发明超导信号传输电缆采用超导线作为信号线，传输远程微弱模拟信号。

本发明超导信号传输电缆包括：超导信号线、第一低温绝缘层、金属屏蔽层、第二低温绝缘层和传输电缆保护套。其中，超导信号线位于超导信号传输电缆的最内侧；超导信号线的外部为第一低温绝缘层，第一低温绝缘层的外部为金属屏蔽层，金属屏蔽层的外侧为第二低温绝缘层，第二低温绝缘层的外侧为传输电缆保护套。各层结构采用同轴方式安装，形成同轴电缆。

本发明超导信号传输电缆用于远距离超导输电电缆微弱电压降的测量。

所述的超导信号线用于传输微弱模拟信号，位于同轴电缆的中心。超导信号线的截面可以为任意形状，主要根据当前可商业化获得的产品进行选择，以降低成本。如果冷却介质为液氦温区(4.2K)液体，则可选择铌钛线或铌锡线；如果冷却介质为液氮温区(77K)液体，则可选择铋系或钇系超导线。以上四种超导线，即铌钛线、铌锡线、铋系超导线以及钇系超导线，均已实现商业化供应。超导信号线用于测量，传输的模拟信号电流均较小，当前市场上能够获得的超导线均能满足电流额定值要求。尽管超导输电电缆和超导信号线均存在一定的交流和直流阻抗，但本发明装置的超导信号线采用和待测超导输电电缆内部超导体相同的产品，因此超导信号线和超导输电电缆的交流和直流阻抗数值约为一个数量级。与此对应的，由于超导输电电缆电流一般达到1000A以上，而超导信号线电流约为微安甚至纳安量级，因此由超导信号线带来的误差基本可以忽略。

所述的第一低温绝缘层位于超导信号线的外侧，介于超导信号线和金属屏蔽层之间。所述的第一低温绝缘层主要用于隔离所述的超导信号线和外部金属屏蔽层。所述超导信号线的远端和超导输电电缆的超导输电导体的远端通过焊接方式连接，而超导输电电缆运行的电压等级均较高；另一方面，超导信号传输电缆的金属屏蔽层需要接地。因此，超导信号线和金属屏蔽层之间的耐压需根据国家和行业标准进行设计，以防止高电压击穿，导致高电压通过金属屏蔽层对地短路。

所述的金属屏蔽层位于第一低温绝缘层外侧，介于第一低温绝缘层与第二低温绝缘层之间，主要用于防止外部干扰串入超导信号线。超导信号线邻近的超导输电电缆产生很大的电场干扰，当传输交流电时还会产生强磁场干扰。金属屏蔽层通过可靠接地，能够避免外部干扰串入超导信号线，其原理与普通的电缆屏蔽没有区别。金属屏蔽层需根据超导输电电缆的长度确定接地点的个数，通常情况下应选择单点接地。对于信号测量端接地信号源浮空的输入电路，屏蔽层应该连接到信号测量端的公共端；对于信号测量端浮空信号源接地的输入电路，金属屏蔽层应该连接到信号源的公共端。金属屏蔽层的层数可根据运行的电磁环境恶劣程度而确定，当需要屏蔽频率很低的磁场干扰时，可以选择多层屏蔽。

所述的第二低温绝缘层位于金属屏蔽层外侧，介于金属屏蔽层与传输电缆保护套之间，作用与第一低温绝缘层类似，也是用于电压隔离。考虑到结构的紧凑性和不增加额外的装置，在使用时可以利用超导输电电缆的低温管道，将整个超导信号传输电缆置于超导输电电缆低温介质的回流管道中。在极端的情况下，可能出现超导信号传输电缆与超导输电电缆直接接触，因此第二低温绝缘层的厚度设计也应该根据电缆运行电压等级和相关国家标准进行设计，以防止高电压通过金属屏蔽层对地短路。

所述的传输电缆保护套位于第二低温绝缘层外侧，主要用于在制作、运输和使用等过程保护超导信号传输电缆不受损坏。传输电缆保护套可以采用常规的材料，以降低成本。

本发明的超导信号传输电缆在使用时需将其整体至于低温介质中，以保证在测量时超导信号传输电缆始终处于超导状态。

本发明的超导信号传输电缆为信号测量电缆，主要用于长距离超导输电电缆微弱端电压降信号传输。利用超导信号传输电缆中超导信号线的无电阻特性，可以接近无损耗的传输长距离超导输电电缆微弱电压降模拟信号，避免常规信号传输电缆传输微弱模拟电压信号导致的信号失真。

附图说明：

图1为超导信号传输电缆示意图，图中：1超导信号传输电缆、10传输电缆保护套、11第二低温绝缘层、12金属屏蔽层、13第一低温绝缘层、14超导信号线；

图2为装有超导信号传输电缆的超导输电电缆，图中：1超导信号传输电缆、2超导输电电缆、3低温绝缘支架、20低温容器内壁、21超导输电导体、22低温容器外壁、23绝热材料、24常温电绝缘结构、25PVC保护层；

图3为超导输电电缆端电压测量示意图，图中：1超导信号传输电缆、2超导输电电缆、21超导输电导体、4电流引线、5数字电压表、6常规探头、7低温电连接器；

图4为采用超导信号传输电缆的超导输电电缆端电压信号波形图；

图5为采用常规测量信号传输电缆的超导输电电缆端电压信号波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

在本实施例中，所述的“远端”系相对“近端”而言，“近端”是指超导信号传输电缆1和超导输电电缆2安装后位于数字电压表5所处位置处的端部，“远端”则是指超导信号传输电缆1和超导输电电缆2安装后远离数字电压表5所处位置处的另一端部。

如图1所示，本发明的超导信号传输电缆1包括传输电缆保护套10、第二低温绝缘层11、金属屏蔽层12、第一低温绝缘层13、超导信号线14，以上各部件以同轴方式安装，形成同轴电缆。超导信号线14位于超导信号传输电缆1的中心，用于传输微弱电压信号。超导信号线14的外部为第一低温绝缘层13，第一低温绝缘层13的外部为金属屏蔽层12，金属屏蔽层12的外侧为第二低温绝缘层11，第二低温绝缘层11的外侧为传输电缆保护套10。

在本实施例中，超导输电电缆2为75米交流高温超导电缆，其超导输电导体21使用的是美国超导公司生产的Bi-2223/Ag不锈钢密封带材，因此所述的超导信号线14也使用该型号带材。所述的第一低温绝缘层13位于超导信号线14外层，第一低温绝缘层13使用低温绝缘性能和机械性能良好的聚酰亚胺薄膜通过缠绕构成。由于超导输电电缆2运行在单相6kV电压等价条件下，而超导信号传输电缆1的超导信号线14的远端与超导输电电缆2的超导输电导体21的远端焊接在一起，且第一低温绝缘层13的外层为接地的金属屏蔽层12，因此第一低温绝缘层13的厚度根据国家标准要求按照氮气条件下25kV进行校核，以避免在局部液氮转变为氮气后绝缘强度下降导致超导输电导体21经金属屏蔽层12对地短路。所述的金属屏蔽层12位于第一低温绝缘层13的外层，采用网状金属丝编织层。由于超导输电电缆2只有75米长，因此采用单端均匀端接到地方式。所述的第二低温绝缘层11位于金属屏蔽层12的外层，金属屏蔽层12采用与第一低温绝缘层13相同的聚酰亚胺薄膜缠绕构成。为保证极端条件下的安全性，金属屏蔽层12可选择与第一低温绝缘层13相同的厚度。传输电缆保护套10位于第二低温绝缘层11的外层，主要在室温条件起保护作用，以避免内部结构在使用过程中出现损伤，传输电缆保护套10可选择普通PVC材料制作。

如图2所示，超导输电电缆2由低温容器内壁20、超导输电导体21、低温容器外壁22、绝热材料23、常温电绝缘结构24以及PVC保护层25组成。低温容器内壁20、超导输电导体21、低温容器外壁22、绝热材料23、常温电绝缘结构24和PVC保护层25依次从内向外同轴安装。超导输电电缆2的低温容器内壁20形成一个空心管道，超导信号传输电缆1通过低温绝缘支架3安装在所述的空心管道内。低温容器内壁20和低温容器外壁22构成环形低温杜瓦管，超导输电导体21安装在所述的环形低温杜瓦管中，超导输电导体21是超导输电电缆2的输电导体。低温容器外壁22的外侧为绝热材料23，绝热材料23用于减少低温容器外壁22向外部的漏热。绝热材料24外侧为常温电绝缘结构24，常温电绝缘结构24用于防止超导输电导体21上的高电压威胁超导输电电缆2周边设备和人员安全。常温电绝缘结构24外侧为PVC保护层25，PVC保护层25用于在制造、运输、安装等过程中保护超导输电电缆2内部结构不受到损伤。

超导输电电缆2的冷却介质采用液氮，在使用时，液氮从低温容器内壁20构成的内侧的空心管道流进，然后经低温容器内壁20和低温容器外壁22构成的低温杜瓦管流回低温制冷系统中。在回流的过程中，液氮通过与超导输电导体21进行热交换，将其产生的热量带走。超导信号传输电缆1通过低温绝缘支架3安装于低温容器内壁20构成的内侧的空心管道中，由所述空心管道内的液氮提供超导信号传输电缆1的低温运行环境。由于超导信号传输电缆1电流小，发热量低，体积远小于超导输电电缆2，因此除在运行的初期需要进行冷却外，不会对超导输电电缆2的运行造成影响。

图3所示为超导输电电缆2端电压测量示意图。测量超导输电电缆2的端电压时，超导输电导体21端部焊接的铜电缆终端通过电流引线4接入电网。超导输电导体21的近端通过低温电连接器7与常规探头6的信号线连接，超导输电导体21的远端则与超导信号传输电缆1的远端焊接在一起，超导信号传输电缆1安装于超导输电电缆2内由低温容器内壁20形成的空心管道中。超导信号传输电缆1的近端通过低温电连接器7引出，并与常规探头6的信号地线连接。超导信号传输电缆1的金属屏蔽层12采用一层屏蔽。超导信号传输电缆1的金属屏蔽层12与低温电连接器7的金属壳体连接，再采用铜线将低温电连接器7的金属壳体和大地相连接，即采用单点接地的形式。常规探头6引出的信号由浮地后的数字电压表5进行测量，测量得到的数字信号经光电隔离后传入上位机以供后续的处理和使用。

图4和图5分别为采用超导信号传输电缆1和常规信号传输电缆的超导输电电缆2端电压信号波形图。超导输电电缆2传输电流为1.5kA(有效值)，运行于单相6kV(有效值)配电网中。由图4可知，超导输电电缆2正常运行时的端电压约为10^-7V量级。与此同时，由常规测量方法获得的数据由图5给出，可见此时由于传输线产生的噪声已经将真实信号完全淹没。

本发明的超导信号传输电缆1产生的热噪声和接触噪声远小于常规测量导体，信号传输损失极低，具有良好的传输路径绝缘和屏蔽性能，且在使用时不必破坏现有超导输电电缆2结构。

Claims (1)

1.一种用于远程微弱模拟信号传输的超导信号传输电缆，其特征在于，所述的超导信号传输电缆(1)包括传输电缆保护套(10)、第二低温绝缘层(11)、金属屏蔽层(12)、第一低温绝缘层(13)和超导信号线(14)；所述的超导信号线(14)位于超导信号传输电缆(1)的中心，超导信号线(14)的外部包裹有第一低温绝缘层(13)，第一低温绝缘层(13)的外部为金属屏蔽层(12)，金属屏蔽层(12)的外部为第二低温绝缘层(11)，第二低温绝缘层(11)的外部为传输电缆保护套(10)，上述各层之间以同轴方式排列，形成同轴电缆；

所述的超导信号传输电缆(1)通过低温绝缘支架(3)安装在由超导输电电缆(2)的低温容器内壁(20)形成的空心管道内，由所述空心管道内的液氮提供超导信号传输电缆(1)的低温运行环境；

测量远距离超导输电电缆(2)的端电压时，所述的超导信号传输电缆(1)的远端连接超导输电电缆(2)的超导输电导体(21)的远端，超导信号传输电缆(1)的近端通过超导输电电缆(2)的低温电连接器(7)引出，与常规探头(6)的信号地线连接；所述的超导信号传输电缆(1)的金属屏蔽层(12)与低温电连接器(7)的金属壳体连接，再采用铜线将低温电连接器(7)的金属壳体和大地连接；

所述的超导输电电缆(2)由低温容器内壁(20)、超导输电导体(21)、低温容器外壁(22)、绝热材料(23)、常温电绝缘结构(24)以及PVC保护层(25)组成；低温容器内壁(20)、超导输电导体(21)、低温容器外壁(22)、绝热材料(23)、常温电绝缘结构(24)和PVC保护层(25)依次从内向外同轴安装；超导输电电缆(2)的低温容器内壁(20)形成一个空心管道，超导信号传输电缆(1)安装在所述的空心管道内；低温容器内壁(20)和低温容器外壁(22)构成环形低温杜瓦管，超导输电导体(21)安装在所述的环形低温杜瓦管中，超导输电导体(21)是超导输电电缆(2)的输电导体；低温容器外壁(22)的外侧为绝热材料(23)，绝热材料(23)的外侧为常温电绝缘结构(24)；常温电绝缘结构(24)的外侧为PVC保护层(25)。