CN109855759A - 一种高温超导电缆温度测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温超导电缆温度测量系统，应用于相互连接的高温超导电缆和终端冷却系统中，其包括设置于高温超导电缆中的低温测温光纤，以及设置于终端冷却系统中的热电阻；光纤测温主机，用于接收来自低温测温光纤的各个测量点的测温信息；热电阻温度监控器，用于接收来自热电阻的温度信息；测温控制装置，其接收测温信息以及温度信息，根据测温信息以及温度信息进行评估和判定，以确定与其连接的电缆运行控制主机的保护动作及保护区域，并控制电缆运行控制主机进行相应操作。本发明具有使用方便以及结构简单等特点，能够准确监控并定位高温超导电缆沿线温度异常点，便于超导电缆维修检测时的故障排除，缩小故障范围，减少故障处理时间。

Description

一种高温超导电缆温度测量系统

技术领域

本发明涉及输电技术应用领域，具体涉及一种高温超导电缆温度测量系统。

背景技术

随着我国经济飞速发展，许多城市用电量逐年上升，城市中心区域的电力负荷激增，输配电容量大幅增加，减少电网损耗和提高电网运行稳定性等问题也随之提出。目前电网系统在输配电环节损耗很大，因此各国都在寻找减少电网损耗方案，其中超导材料是减少电网损耗的最重要方案之一，而高温超导带材的商业化生产促进了超导装置在全世界的广泛研究和应用。而与常规电力电缆相比较，高温超导电缆因为其通流能力强、容量大、结构紧凑、无电磁辐射污染等优势受到广泛关注，目前世界范围内已经有多条高温超导电缆挂网运行。

与常规电力电缆的应用不同的是，高温超导电缆运行环境要求至少要在液氮温度(-196℃)以下，并且其尺寸更小、更紧凑。由此，也就使得高温超导电缆在电网中的大规模应用存在以下两个技术难点：

(1)高温超导电缆运行时，需要从外部将超导电缆冷却到临界温度(-196℃)以下，否则便无法运行。但在通电时因为超导电缆部分区域的热扰动等原因使超导电缆部分区域从超导态转变为常态时，产生的焦耳热会使超导电缆温度上升，进而促进其周围的常导转变而使常导状态的区域扩大(失超现象)；

(2)高温超导电缆全线运行在液氮之中，因此其结构与常规电力电缆大为不同，其尺寸更小、结构紧凑，导致传统的温度传感器如热电阻、热电阻等无法安装在超导电缆上对其沿线温度进行监测(电缆绝缘性能被破坏及温度传感器测温性能受电磁干扰)。

以上两点限制了高温超导电缆在电网中的推广应用，而且由于上述难点二，目前超导电缆系统的温度监测范围仅局限于其终端冷却系统的温度监测，尚未出现高温超导电缆沿线温度的测量。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种高温超导电缆温度测量系统，具有使用方便以及结构简单等特点，能够准确监控并定位高温超导电缆沿线温度异常点，便于超导电缆维修检测时的故障排除，缩小故障范围，减少故障处理时间。

为了解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种高温超导电缆温度测量系统，应用于相互连接的高温超导电缆和终端冷却系统中，其包括：

设置于所述高温超导电缆中的低温测温光纤，以及设置于终端冷却系统中的热电阻；

光纤测温主机，用于接收来自所述低温测温光纤的各个测量点的测温信息；

热电阻温度监控器，用于接收来自热电阻的温度信息；

测温控制装置，与所述光纤测温主机、热电阻温度监控器相连接，接收所述测温信息以及温度信息，根据所述测温信息以及温度信息进行评估和判定，以确定与其连接的电缆运行控制主机的保护动作及保护区域，所述电缆运行控制主机根据所述保护动作及保护区域对相应的换流系统或断路器进行操作。

优选地，所述光纤测温主机进一步包括：

采集信息接收单元，用于对低温测温光纤的各温度测量点散射的斯托克斯光和反斯托克斯光分别进行采集；

第一计算单元，用于对每一温度测量点的斯托克斯光和反斯托克斯光进行计算，获得所述温度测量点的温度，计算公式如下：

式中，I_AS为反斯托克斯光强；I_S为斯托克斯光强；h是普朗克常量；k是布鲁兹曼常数；v是激光的频率；v_i是振动频率；T是绝对温度；激光源确定后，v为常数；v_i由光纤材料决定，光纤确定后，其为常数；

位置测量单元，用于基于光时域反射(OTDR)技术对所述低温测温光纤的各温度测量点进行位置定位，获得各温度测量点的位置信息。

优选地，所述热电阻为T100温度传感器。

优选地，所述测温系统包括：

信号接收处理单元，用于所述测温控制装置3接收温度信号后，获得电缆沿线温度T、电缆沿线温度的平均值T_av和冷却系统温度T_c，

保护动作确定单元，用于将信号接收处理单元获得的数值并和预先设定的电缆沿线温度告警定值T_l、电缆最高允许温度T_max、电缆平均温度低门槛值T_L、电缆平均温度高门槛值T_H和冷却系统最高允许温度T_cH进行对比，以判定电缆运行控制主机的保护动作；

保护区域确定单元，用于在获得所述数值后，获得电缆沿线温度曲线，并通过仿真，获得基于形态学梯度的波峰宽度识别方法所得的温度异常点示意图，通过所述温度异常点示意图中正负窄峰对的相对位置来确定电缆上温度异常点的位置，从而确定出保护区域；

保护信息发送单元，用于将所述保护动作及保护区域信息发送给与其连接的电缆运行控制主机。

优选地，所述保护动作确定单元以下述的策略来确定保护动作：

在对比结果为(T＞T_l)∨(T_av＞T_L)时，生成的保护动作为报警命令，电缆运行控制主机在收到报警命令以及保护区域信息时，控制换流系统所述保护区域中的高温超导电缆输电；

在对比结果为(T＞T_max)∨(T_av＞T_H)∨(T_c＞T_cH)时，生成的保护动作为跳闸命令，电缆运行控制主机在收拾到所述跳闸命令以及保护区域信息时时，控制断路器及时地将所述保护区域中的出现了故障的高温超导电缆从电网中切除。

优选地，所述高温超导电缆，其从外至内包括：低温恒温器、屏蔽层、至少一层绝缘层和相导体，以及电缆骨架；在所述低温恒温器与屏蔽层之间以及在电缆骨架内均填充有液氮，其特征在于，

在所述高温超导电缆里面进一步安装有耐低温测温光纤，所述耐低温测温光纤至少安装在下述三个位置的其中一个：屏蔽层外表面、最外层的绝缘层和最外层的相导体之间、电缆骨架内表面。

优选地，所述耐低温测温光纤采用石英系的多模光纤，且在光纤包层的周围按照光纤截面为同心圆的方式涂敷包覆材料，或者套设有非金属紧包套管；所述非金属紧包套管选用纤维增强复合塑料套管、PBT松套管、芬纶kevlar套管。

优选地，所述耐低温光纤采用直线形敷设或S形敷设方式。

优选地，所述低温恒温器12由带真空夹层的双层不锈钢焊接制成，在所述双层不锈钢的真空夹层中设置有多层绝热材料及活性炭；

所述屏蔽层为铜屏蔽层，其单端或双端接地；

所述绝缘层采用聚丙烯层压纸、芳香聚酰胺纸或聚酰亚胺材料制成；

所述相导体为第二代高温超导带材YBCO，其宽度≥5mm，其厚度要求≈0.3mm，并镀有铜层作为稳定层；

电缆骨架为罩有密致金属网的金属波纹管，其为超导带材排绕的基准支撑物，同时用于液氮流通管道。

优选地，所述高温超导电缆为三相独立超导电缆结构、三相平行轴超导电缆结构或三相同轴超导电缆结构。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明的提供的高温超导电缆温度测量系统是基于传统温度传感器(热电阻)和光纤测温技术复合使用，通过预先在超导电缆制作时将光纤安装到超导电缆之中，并将热电阻布置在超导电缆终端(终端冷却系统)，组成光纤测温与热电阻测温复合测温部件，以测量高温超导电缆沿线温度和终端冷却系统温度。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运行温度控制电缆的输送电流或控制超导电缆保护装置；可以及时发现与热扰动有关的电缆运行缺陷，并发出报警信号，保证高温超导电缆的安全运行；提出通过形态学梯度的正负窄峰对的位置准确定位高温超导电缆沿线温度异常点的方法，便于超导电缆维修检测时的故障排除，缩小故障范围，减少故障处理时间。

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，根据高温超导电缆结构的不同，可涵盖高、中、低电压等级，其稳定性和可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的高温超导电缆温度测量系统的一个实施例的结构示意图；

图2为图1中涉及的高温超导电缆的截面示意图；

图3为图1中涉及的光纤测温主机的结构示意图；

图4为图1中涉及的测温控制装置的结构示意图；

图5为图4中保护区域确定单元涉及的形态学算法Top-Hat变换的原理示意图；

图6为图4中保护区域确定单元涉及的输入输出图。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明提供的高温超导电缆温度测量系统的一个实施例的结构示意图；一并结合后续的附图，在本实施例中，本发明的实施例提供一种高温超导电缆温度测量系统，应用于相互连接的高温超导电缆11和终端冷却系统44中，其包括：

设置于所述高温超导电缆11中的低温测温光纤9，以及设置于终端冷却系统4中的热电阻5；

光纤测温主机1，用于接收来自所述低温测温光纤9的各个测量点的测温信息；

热电阻温度监控器2，用于接收来自热电阻5的温度信息；

测温控制装置3，与所述光纤测温主机1、热电阻温度监控器2相连接，接收所述测温信息以及温度信息，根据所述测温信息以及温度信息进行评估和判定，以确定与其连接的电缆运行控制主机6的保护动作及保护区域，所述电缆运行控制主机6根据所述保护动作及保护区域对相应的换流系统7或断路器8进行操作。

可以理解的是，在本发明的实施例中，本发明预先在高温超导电缆11内部安装耐低温(-196℃以下)的测温光纤9、在终端冷却系统4内部布置热电阻5，并由测温控制装置3根据温度信号判定电缆运行状况，以此来预置电缆运行控制主机6的动作，其判定依据为实测温度与预先设置的各个温度阙值之间的比较结果，同时基于形态学梯度的波形特征分析判定温度异常点的位置。而电缆运行控制主机6根据判定结果控制换流系统77或断路器8，以确保高温超导电缆11处于安全运行状态或及时切除故障电缆。

为了便于理解本发明的结构，下述对本发明涉及的各个组件进行详见说明。首先介绍本发明中涉及的高温超导电缆11的结构。

本发明中涉及的高温超导电缆119可按电缆相与相导体的相互关系分为三类：(a)三相独立超导电缆结构、(b)三相平行轴超导电缆结构和(c)三相同轴超导电缆结构。其中，三相独立超导电缆是指一根电缆外套内仅含一相导体，为了避免各相之间的电磁干扰，可在中、高电压等级中使用三相独立超导电缆；三相平行轴超导电缆的三相都包含在同一个绝热器和电缆外套内，大大节约了空间，且导体损耗低，不需要屏蔽电磁场用的金属防护层，可在中压等级中使用；而三相同轴超导电缆的三相导体是沿着同一个轴绕制的，更加节约空间，且整根电缆只用一个屏蔽层13，也更加节约材料，但这种结构也增加了电气绝缘的难度，仅适用于中低压的电压等级中。

本实施例中，以三相同轴超导电缆结构进行说明，可以理解的是，本发明也可以采用其他两种类型的超导电缆结构。

如图2所示，在本发明的实施例中，所述高温超导电缆11其从外至内包括：低温恒温器12、屏蔽层13、至少一层绝缘层和相导体以及电缆骨架16，其中，至少一层绝缘层包括处于最外层的C相绝缘层14，最少一层相导体包括C相相导体15，接下来依次为B相绝缘层、B相相导体、A相绝缘层、A相相导体；在所述低温恒温器12与屏蔽层13之间以及在电缆骨架16内均填充有液氮17，从而使高温超导电缆11工作在运行温度(-196℃)以下。

在所述高温超导电缆11里面进一步安装有耐低温测温光纤9，所述耐低温测温光纤9至少安装在下述三个位置的其中一个：屏蔽层13外表面、最外层的绝缘层(即C相绝缘层14)和最外层的相导体(即C相相导体15)之间、电缆骨架16内表面。

其中，所述低温恒温器12由带真空夹层的双层不锈钢焊接制成，在所述双层不锈钢的真空夹层中进一步设置有多层绝热材料及活性炭，以保证进出超导电缆11的液氮温度保持不变；

所述屏蔽层13为铜屏蔽层，其单端或双端接地，其主要作用是用于屏蔽电场，本身无电流通过，；

所述绝缘层采用聚丙烯层压纸(PPLP)、芳香聚酰胺纸(Nomex)或聚酰亚胺材料制成(PI)，这些材料均为在低温下正常使用的复合型材料；可以理解的是，绝缘层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PPLP作为低温绝缘材料。

在本实施例中，所述相导体采用第二代高温超导带材YBCO，其宽度≥5mm，其厚度要求≈0.3mm，并镀有铜层作为稳定层；可以理解的是，第二代高温超导带材YBCO指在金属基带上外延织构生长的稀土系膜导体(有人称之为稀土系涂层导体)。这种材料是先在镍或镍合金的基带上镀有利于晶构延展的化学稳定层，在高温和特定气氛条件下晶格取向一致地镀上高温超导材料RBa₂Cu₃O₇(R代表某一稀土元素，最常用是Y系)，然后再镀上银或铜的保护层。目前制作商可以提供4～12mm宽的第二代高温超导带材，其厚度一般在0.3mm及其以下。

电缆骨架16为罩有密致金属网的金属波纹管，其为超导带材排绕的基准支撑物，同时用于液氮流通管道。

所述耐低温测温光纤9采用石英系的多模光纤，具体地，构成石英系光纤的材质可从纯石英玻璃、掺杂了锗(Ge)的石英玻璃(折射率有所提高)等中适当地进行选择。

可以理解的是，高温超导电缆11中所使用的测温光纤9需要能耐受极低温度(-196℃以下)环境，光信号可在耐低温光纤9中正常传播、且不受除温度以外其他物理因素如应力等的影响；

基于安装光纤后不破坏高温超导电缆11的绝缘性能且尽量不增加安装难度的考虑，耐低温的测温光纤9尺寸要尽可能小、且不能带金属铠装。因此，测温光纤9可采用仅涂敷了聚酰亚胺的裸光纤(强度较低)或非金属紧包套管光纤。所述非金属紧包套管一般选纤维增强复合塑料套管、PBT松套管、芬纶kevlar套管等，可保护光纤、增加其强度，使其不易被折断。

本实施例中所使用的高温超导电缆11为三相同轴超导电缆结构，其结构紧凑、尺寸较小。因此，所选用的测温光纤9尺寸不易太大，以避免占用过多超导电缆内部空间、且不能影响电缆绝缘性能。在实施例中，选用尺寸较小的仅涂敷了聚酰亚胺的裸光纤或尺寸较小的非金属紧包套管光纤，其在高温超导电缆11内部的安装位置如图2所示。

尺寸很小的仅涂敷了聚酰亚胺材料的裸光纤可安装在C相相导体15和C相绝缘层14之间，以便更直接地检测相导体的温度，但需要注意的是裸光纤强度较低，若直接在超导电缆的制备过程中安装裸光纤，容易在复杂的制备工序中受到破坏而折断(安装难度极大)。为了减低安装难度可考虑使用尺寸较小的非金属紧包套管光纤，其强度较高且对电缆的绝缘性能几乎不造成影响，可将其安装于高温超导电缆11的电缆骨架16上或安装于屏蔽层13和低温恒温器12之间的间隙中。

实际工程中，可根据具体的测温需求选择光纤安装位置和数量：上述安装位置可同时安装多条测温光纤、也可选择其中一处安装测温光纤。

对于安装于高温超导电缆11内部C相相导体15和C相绝缘层14之间的测温光纤9可采用直线形敷设的方式敷设在C相相导体15上，并随同C相相导体15一同绕制；对于安装于高温超导电缆11内电缆骨架16或安装于屏蔽层13和低温恒温器12之间的测温光纤9可采用S形敷设的方式进行敷设。

对于其余两种类型的超导电缆，光纤安装位置和方法与本例中所选用的三相同轴高温超导电缆11一致。

接下来，对本发明中的涉及的光纤测量主机进行说明。如图3所示，在本实施例中，所述光纤测温主机1进一步包括：

采集信息接收单元100，用于对低温测温光纤9的各温度测量点散射的斯托克斯光和反斯托克斯光分别进行采集；

第一计算单元110，用于对每一温度测量点的斯托克斯光和反斯托克斯光进行计算，获得所述温度测量点的温度，计算公式如下：

式中，I_AS为反斯托克斯光强；I_S为斯托克斯光强；h是普朗克常量；k是布鲁兹曼常数；v是激光的频率；v_i是振动频率；T是绝对温度；激光源确定后，v为常数；v_i由光纤材料决定，光纤确定后，其为常数；

位置测量单元120，用于基于光时域反射(OTDR)技术对所述低温测温光纤9的各温度测量点进行位置定位，获得各温度测量点的位置信息。

具体地，位置测量单元120是基于光时域反射(OTDR)技术对光纤沿线温度测量点进行定位。其基本原理为：激光源发出的脉冲光射入光纤中传输,假定入射光射入光纤那一刻为计时起始点零时刻,在距离激光源L处发生散射,后向散射光沿着纤芯返回到入射端的时刻记为t,则有

其中，v指光波在光纤中的传播速度，c指真空下的光速，n指光纤折射率。因此由时间t就可得出测量点与入射端口的距离,实现定位。这种利用入射光与反射光的数据采集时间间隔来实现空间定位的技术就是光时域反射技术(OTDR)。

可以理解的是，通过光纤测温主机11上的光信号采集通道对各温度测量点散射的斯托克斯光和反斯托克斯光分别进行采集，利用二者强度的比值解调出温度信号；其中，温度测量点由光纤测温主机11所配置的测温软件设置，即光信号采样间隔点(本例设置采样间隔为0.4m)，光纤测温主机11会对每一个温度测量点的光信号进行采集，并对其位置进行定位。

而对于热电阻温度监控器2，其所连接的热电阻5是基于金属导体的电阻值随温度的变化而变化这一特性来进行温度测量的，如果它的电阻值随着温度上升而增大，那么就称为正电阻系数温度电阻传感器，反之，如果它的电阻值随着温度上升而减小，就称为负电阻系数电阻温度传感器。热电阻5大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜。此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。其中铂热电阻5(PT100温度传感器)的测量精确度是最高的，它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，本实施例中使用PT100铂电阻作为温度传感器来监测终端冷却系统4的温度。

继续介绍测温控制装置3，如图4所示，在本发明实施例中，所述测温控制装置3包括：

信号接收处理单元300，用于在接收温度信号后，获得电缆沿线温度T、电缆沿线温度的平均值T_av和终端冷却系统温度T_c，

保护动作确定单元310，用于将信号接收处理单元300获得的数值并和预先设定的电缆沿线温度告警定值T_l、电缆最高允许温度T_max、电缆平均温度低门槛值T_L、电缆平均温度高门槛值T_H和终端冷却系统最高允许温度T_cH进行对比，以判定电缆运行控制主机6的保护动作；

保护区域确定单元320，用于在获得所述数值后，获得电缆沿线温度曲线，并通过仿真，获得基于形态学梯度的波峰宽度识别方法所得的温度异常点示意图，通过所述温度异常点示意图中正负窄峰对的相对位置来确定电缆上温度异常点的位置，从而确定出保护区域；

保护信息发送单元330，用于将所述保护动作及保护区域信息发送给与其连接的电缆运行控制主机6。

优选地，所述保护动作确定单元310以下述的策略来确定保护动作：

在对比结果为(T＞T_l)∨(T_av＞T_L)(即出现上述任一种判断结果时)时，生成的保护动作为报警命令，电缆运行控制主机6在收到报警命令以及保护区域信息时，控制换流系统7所述保护区域中的高温超导电缆11输电；

在对比结果为(T＞T_max)∨(T_av＞T_H)∨(T_c＞T_cH)(即出现上述任一种判断结果时)时，生成的保护动作为跳闸命令，电缆运行控制主机6在收拾到所述跳闸命令以及保护区域信息时时，控制断路器8及时地将所述保护区域中的出现了故障的高温超导电缆11从电网中切除。

在本发明实施例中，保护区域确定单元320是采用基于形态学梯度的波峰宽度识别方法来确定保护区域(即故障区域)。

其中，数学形态学(Mathematical Morphology)是分析几何形状和结构的数学方法，它建立在集合代数的基础上，是用集合论方法定量描述目标几何结构的学科。其中，形态学操作与腐蚀图像是形态学中两个最基本的操作：

腐蚀——表示用某种“探针”(即某种形状的基元或结构元素)对一个图像进行探测以便找出在图像内部可以方向该基元的区域，即腐蚀类似于收缩图像，其定义如下：

集合A被集合B腐蚀，表示为数学形式为

膨胀——腐蚀运算的对偶运算，类似于扩张，其数学形式为

而计算图像的形态学梯度是形态学的重要操作之一，是由腐蚀和膨胀两个基本操作适当地组合而成。形态学梯度中有灰值形态学算法，其中的Top-Hat(顶帽)变换具有监测波峰的作用，其示意图如图5所示，被定义为信号被基元所腐蚀，经过开运算得到Top-Hat变换，检测出信号的波峰。

综上，测温控制装置3中输入电缆沿线温度信号，经过上述形态学梯度中的腐蚀和膨胀将温度异常的大致区域检测出，再经过Top-Hat变换将温度异常点的波峰检测出，从而确定温度异常位置。

基于形态学梯度的波峰宽度识别方法对电缆沿线温度异常状况进行仿真，其仿真结果如图6所示，在测温控制装置3中输入电缆沿线温度曲线(上图)，输出为基于形态学梯度的波峰宽度识别方法所得的温度异常点示意图(下图)。温度曲线上的每一个波峰对应一个正窄峰和一个负窄峰的梯度组合，故可通过形态学梯度的正负窄峰对确定局部失超(温度异常点)的位置，并根据正负窄峰对的峰值之间的间距估计失超区域的宽度。

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11可以为为DTS光纤测温主机1N4385B，计算机接口有USB和以太网(LAN)，通信协议支持SCPI和Modbus TCP/IP(选项-060)；热电阻温度监控器22选用Keithley 3700系列数字万用表，其主机可支持多达576个双线多路复用器通道，可同时接入多个PT铂电阻传感器测量信号；光纤测温主机11和热电阻温度监控器22组成的复合测温部件输出温度信号至测温控制装置3，该系统基于Labview程序开发软件将光纤测温与热电阻5测温复合，并搭建了测量、判定平台，相当于一个虚拟仪器平台，大大提高了数据信息的集成，提供了良好的人机交互界面，增加了系统使用的灵活性。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明的提供的高温超导电缆温度测量系统是基于传统温度传感器(热电阻)和光纤测温技术复合使用，通过预先在超导电缆制作时将光纤安装到超导电缆之中，并将热电阻布置在超导电缆终端(终端冷却系统)，组成光纤测温与热电阻测温复合测温部件，以测量高温超导电缆沿线温度和终端冷却系统温度。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运行温度控制电缆的输送电流或控制超导电缆保护装置；可以及时发现与热扰动有关的电缆运行缺陷，并发出报警信号，保证高温超导电缆的安全运行；提出通过形态学梯度的正负窄峰对的位置准确定位高温超导电缆沿线温度异常点的方法，便于超导电缆维修检测时的故障排除，缩小故障范围，减少故障处理时间。

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，根据高温超导电缆结构的不同，可涵盖高、中、低电压等级，其稳定性和可靠性高。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种高温超导电缆温度测量系统，应用于相互连接的高温超导电缆和终端冷却系统中，其特征在于，包括：

设置于所述高温超导电缆中的低温测温光纤，以及设置于终端冷却系统中的热电阻；

光纤测温主机，用于接收来自所述低温测温光纤的各个测量点的测温信息；

热电阻温度监控器，用于接收来自热电阻的温度信息；

测温控制装置，与所述光纤测温主机、热电阻温度监控器相连接，接收所述测温信息以及温度信息，根据所述测温信息以及温度信息进行评估和判定，以确定与其连接的电缆运行控制主机的保护动作及保护区域，所述电缆运行控制主机根据所述保护动作及保护区域对相应的换流系统或断路器进行操作。

2.如权利要求1所述的一种高温超导电缆温度测量系统，其特征在于，所述光纤测温主机进一步包括：

采集信息接收单元，用于对低温测温光纤的各温度测量点散射的斯托克斯光和反斯托克斯光分别进行采集；

第一计算单元，用于对每一温度测量点的斯托克斯光和反斯托克斯光进行计算，获得所述温度测量点的温度，计算公式如下：

式中，I_AS为反斯托克斯光强；I_S为斯托克斯光强；h是普朗克常量；k是布鲁兹曼常数；v是激光的频率；v_i是振动频率；T是绝对温度；激光源确定后，v为常数；v_i由光纤材料决定，光纤确定后，其为常数；

位置测量单元，用于基于光时域反射(OTDR)技术对所述低温测温光纤的各温度测量点进行位置定位，获得各温度测量点的位置信息。

3.如权利要求2所述的一种高温超导电缆温度测量系统，其特征在于，所述热电阻为T100温度传感器。

4.如权利要求3所述的高温超导电缆温度测量系统，其特征在于，所述测温系统包括：

信号接收处理单元，用于所述测温控制装置3接收温度信号后，获得电缆沿线温度T、电缆沿线温度的平均值T_av和冷却系统温度T_c，

保护动作确定单元，用于将信号接收处理单元获得的数值并和预先设定的电缆沿线温度告警定值T_l、电缆最高允许温度T_max、电缆平均温度低门槛值T_L、电缆平均温度高门槛值T_H和冷却系统最高允许温度T_cH进行对比，以判定电缆运行控制主机的保护动作；

保护区域确定单元，用于在获得所述数值后，获得电缆沿线温度曲线，并通过仿真，获得基于形态学梯度的波峰宽度识别方法所得的温度异常点示意图，通过所述温度异常点示意图中正负窄峰对的相对位置来确定电缆上温度异常点的位置，从而确定出保护区域；

保护信息发送单元，用于将所述保护动作及保护区域信息发送给与其连接的电缆运行控制主机。

5.如权利要求4所述的高温超导电缆温度测量系统，其特征在于，所述保护动作确定单元以下述的策略来确定保护动作：

在对比结果为(T＞T_l)∨(T_av＞T_L)时，生成的保护动作为报警命令，电缆运行控制主机在收到报警命令以及保护区域信息时，控制换流系统所述保护区域中的高温超导电缆输电；

在对比结果为(T＞T_max)∨(T_av＞T_H)∨(T_c＞T_cH)时，生成的保护动作为跳闸命令，电缆运行控制主机在收拾到所述跳闸命令以及保护区域信息时时，控制断路器及时地将所述保护区域中的出现了故障的高温超导电缆从电网中切除。

6.如权利要求1至5任一项所述的高温超导电缆温度测量系统，其特征在于，所述高温超导电缆，其从外至内包括：低温恒温器、屏蔽层、至少一层绝缘层和相导体，以及电缆骨架；在所述低温恒温器与屏蔽层之间以及在电缆骨架内均填充有液氮，其特征在于，

在所述高温超导电缆里面进一步安装有耐低温测温光纤，所述耐低温测温光纤至少安装在下述三个位置的其中一个：屏蔽层外表面、最外层的绝缘层和最外层的相导体之间、电缆骨架内表面。

7.如权利要求6所述的高温超导电缆，其特征在于，所述耐低温测温光纤采用石英系的多模光纤，且在光纤包层的周围按照光纤截面为同心圆的方式涂敷包覆材料，或者套设有非金属紧包套管；所述非金属紧包套管选用纤维增强复合塑料套管、PBT松套管、芬纶kevlar套管。

8.如权利要求7所述的高温超导电缆，其特征在于，所述耐低温光纤采用直线形敷设或S形敷设方式。

9.如权利要求8所述的高温超导电缆，其特征在于，所述低温恒温器12由带真空夹层的双层不锈钢焊接制成，在所述双层不锈钢的真空夹层中设置有多层绝热材料及活性炭；

所述屏蔽层为铜屏蔽层，其单端或双端接地；

所述绝缘层采用聚丙烯层压纸、芳香聚酰胺纸或聚酰亚胺材料制成；

所述相导体为第二代高温超导带材YBCO，其宽度≥5mm，其厚度要求≈0.3mm，并镀有铜层作为稳定层；

电缆骨架为罩有密致金属网的金属波纹管，其为超导带材排绕的基准支撑物，同时用于液氮流通管道。

10.如权利要求9所述的高温超导电缆，其特征在于，所述高温超导电缆为三相独立超导电缆结构、三相平行轴超导电缆结构或三相同轴超导电缆结构。