CN110828060A - 用于高温超导电缆终端的电动导轮控制系统及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于高温超导电缆终端的电动导轮控制系统，包括缆终端和超导电缆；超导电缆的保温层内设有测温光缆，用于测量若干超导缆芯的温度；测温光缆与设置于超导电缆终端内的测温模块连接；若干超导缆芯与超导电缆终端连接处设有压敏传感器，压敏传感器用于检测若干超导缆芯的承载的应力；压敏传感器与设置于超导电缆终端内的应力检测模块连接；超导电缆终端内设有液氮流量检测模块，用于检测液氮的流量；超导电缆终端下方设有若干导轮；若干导轮均由导轮控制器驱动；导轮控制器根据测温模块输出的温度信息、应力检测模块输出的应力信息和液氮流量检测模块输出的液氮的流量驱动若干导轮。本发明保证电缆的收缩应力得到有效限制。

Description

用于高温超导电缆终端的电动导轮控制系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及电能输送技术领域，特别涉及用于高温超导电缆终端的电动导轮控制系统及其运行方法。
背景技术
高温超导电缆是一种利用在超低温下出现失阻现象(超导状态)的超导材料作为导体的电力电缆，其正常工作温度为液氮温区(77K)。超导启动运行前，需启动制冷设备，将超导电缆温度由敷设安装时的室温下降至液氮温区，这一过程中超导电缆本体将受冷收缩。另一方面，当超导电缆停运检修时，需释放超导电缆内部的液氮，超导电缆温度由液氮温区上升至室温，超导电缆本体将受热膨胀。
根据实验及仿真计算结果，超导电缆在液氮温区及室温的转换过程中，其伸缩率一般约为0.3％，其承受的轴向力将大于3吨。
而超导电缆温度变化是一个长期过程，根据工程实际经验来看，整个超导电缆制冷过程一般长达数日。温度变化的速率与超导电缆的长度、制冷设备的功率、液氮管内的实时流量有直接联系。这就导致超导电缆极有可能发生不规则的形变，在长时间运行过程中极易造成损伤。
因此，如何匹配超导电缆的降温速率，使超导超导电缆终端能够适应相应超导电缆的形变，成为本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供用于高温超导电缆终端的电动导轮控制系统及其运行方法，实现的目的是通过控制超导电缆终端位置及滑移速率以达到释放伸缩轴向力的目的，保证电缆本体在该过程的收缩应力得到有效限制，保障超导电缆本体安全。
为实现上述目的，本发明公开了用于高温超导电缆终端的电动导轮控制系统，包括超导电缆终端，以及与所述超导电缆终端连接的超导电缆，所述超导电缆包括保温层，以及设置于所述保温层内的若干超导缆芯，所述超导电缆内通入液氮使若干超导缆芯保持在失阻状态。
其中，所述超导电缆的保温层内设有测温光缆；所述测温光缆紧贴若干所述超导缆芯，用于测量若干所述超导缆芯的温度；
所述测温光缆与设置于所述超导电缆终端内的测温模块连接，所述测温模块将所述测温光缆采集到的温度信息转化为电信号；
若干所述超导缆芯与所述超导电缆终端连接处设有所述压敏传感器，所述压敏传感器用于检测若干所述超导缆芯的承载的应力；
所述压敏传感器与设置于所述超导电缆终端内的应力检测模块连接，将所述压敏传感器采集到的应力信息转化为电信号；
所述超导电缆终端内设有液氮流量检测模块，所述液氮流量检测模块用于检测所述液氮的流量，并将所述液氮的流量以电信号形式输出；
所述超导电缆终端下方设有若干导轮；若干所述导轮均由导轮控制器驱动；
所述导轮控制器根据所述测温模块输出的温度信息、所述应力检测模块输出的应力信息和所述液氮流量检测模块输出的所述液氮的流量驱动若干所述导轮，移动所述超导电缆终端。
优选的，所述超导电缆终端下方设有导轨；若干所述导轮均设置于所述导轨上。
本发明还提供上述用于高温超导电缆终端的电动导轮控制系统运行方法，所述超导电缆终端的移动速率v的计算公式如下：
v＝ak2vLNLsc
其中，a为所述所述超导电缆的综合热膨胀系数；
k2为温度变化系数，与所述超导电缆的热阻结构相关，需实际测量得到；
vLN为所述液氮的流速；
Lsc为所述超导电缆长度。
本发明的有益效果：
本发明将超导电缆终端设置于可滑动的导轨之上，通过控制超导电缆终端位置及滑移速率以达到释放伸缩轴向力的目的，保证电缆本体在该过程的收缩应力得到有效限制，保障超导电缆本体安全。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1示出本发明一实施例的结构示意图。
图2示出本发明一实施例中超导电的缆横截面结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示，用于高温超导电缆终端的电动导轮控制系统，包括超导电缆终端，以及与超导电缆终端连接的超导电缆，超导电缆包括保温层，以及设置于保温层内的若干超导缆芯1，超导电缆内通入液氮使若干超导缆芯1保持在失阻状态。
其中，超导电缆的保温层内设有测温光缆2；测温光缆2紧贴若干超导缆芯1，用于测量若干超导缆芯1的温度；
测温光缆2与设置于超导电缆终端内的测温模块9连接，测温模块9将测温光缆2采集到的温度信息转化为电信号；
若干超导缆芯1与超导电缆终端连接处设有压敏传感器4，压敏传感器4用于检测若干超导缆芯1的承载的应力；
压敏传感器4与设置于超导电缆终端内的应力检测模块8连接，将压敏传感器4采集到的应力信息转化为电信号；
超导电缆终端内设有液氮流量检测模块3，液氮流量检测模块3用于检测液氮的流量，并将液氮的流量以电信号形式输出；
超导电缆终端下方设有若干导轮5；若干导轮5均由导轮控制器7驱动；
导轮控制器7根据测温模块9输出的温度信息、应力检测模块8输出的应力信息和液氮流量检测模块3输出的液氮的流量驱动若干导轮5，移动超导电缆终端。
本发明的原理如下：
1、通过超导电缆内置的测温光缆2监测若干超导缆芯1的实时温度参数；
2、通过液氮流量检测模块3监测液氮的流量；
3、通过若干超导缆芯1与超导电缆终端之间的压敏传感器4监测若干超导缆芯1承受的应力；
4、导轮5设置于超导终端底部，通过导轮控制器7进行电动控制，通过移动超导电缆终端位置释放超导电缆应形变产生的应力；
5、导轮控制器7根据测温模块9输出的温度信息、应力检测模块8输出的应力信息和液氮流量检测模块3输出的液氮的流量驱动若干导轮5，控制导轮5前进速率；
6、根据超导电缆承受的应力，可直接用以控制导轮5的启停及前进方向。当冷缩力超过设定限值时，控制超导电缆终端向超导电缆收缩方向移动；当热膨胀力超过设定限值时，控制超导电缆终端向电缆膨胀方向移动。
在某些实施例中，超导电缆终端下方设有导轨6；若干导轮5均设置于导轨6上。
本发明还提供上述用于高温超导电缆终端的电动导轮控制系统运行方法，超导电缆终端的移动速率v的计算公式如下：
v＝ak2vLNLsc
其中，a为超导电缆的综合热膨胀系数；
k2为温度变化系数，与超导电缆的热阻结构相关，需实际测量得到；
vLN为液氮的流速；
Lsc为超导电缆长度。
根据超导电缆内部实时温度参数、液氮流量参数，并结合超导电缆长度、制冷设备功率，可推导出超导电缆内部温度变化速率，进而推导超导电缆的长度变化速率，以此为基础设定超导电缆终端电动导轮的速度以匹配超导电缆长度变化速率。
超导电缆温度变化情况可由以下公式进行计算：
Figure BDA0002269095850000051
其中：
Lsc为超导电缆长度；
P为制冷设备功率；
vLN为液氮流速；
k1为时差系数，与液氮通路流阻相关，需实际测量得到，用以表征超导电缆中间某处电缆温度变化与液氮出口起点处温度变化的时间差。
k2为温度变化系数，与电缆热阻结构相关，需实际测量得到，用以表征在液氮环境中超导电缆温度变化的速率。
超导电缆长度的变化可以又以下公式进行计算：
ΔLsc＝αΔTscLsc
其中：
ΔLsc为超导电缆长度变化值；
α为超导电缆综合热膨胀系数，为超导电缆本身属性；
相应超导电缆长度变化的速率，即超导电缆终端导轮需匹配的滑移速率为：
v＝αk2vLNLsc；
实施例2：
超导电缆长度Lsc＝300m；
制冷设备功率P＝6kW；
时差系数k1＝0.48；
液氮流速vLN＝40L/min；
温度变化系数k2＝-0.125；
超导电缆综合热膨胀系数α＝1.4×10-5K-1；
对于300m电缆而言，其末端电缆与首端电缆降温时差：
Figure BDA0002269095850000061
即当观察时间早于此时间时，末端300m处电缆尚未开始降温。当观察时间晚于次时间时，末端300m处电缆开始降温。
试算10小时后超导电缆的温度变化：
ΔTsc(10h)＝k2vLNΔt＝-50K；
相应的，其超导电缆的长度变化：
ΔLsc＝αΔTscLsc＝1.4×10-5×(-50)×300＝2210mm；
则超导电缆终端导轮需匹配的滑移速率为：
v＝αk2vLNLsc＝21mm/h。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.用于高温超导电缆终端的电动导轮控制系统，包括超导电缆终端，以及与所述超导电缆终端连接的超导电缆，所述超导电缆包括保温层，以及设置于所述保温层内的若干超导缆芯(1)，所述超导电缆内通入液氮使若干超导缆芯(1)保持在失阻状态；其特征在于：
所述超导电缆的保温层内设有测温光缆(2)；所述测温光缆(2)紧贴若干所述超导缆芯(1)，用于测量若干所述超导缆芯(1)的温度；
所述测温光缆(2)与设置于所述超导电缆终端内的测温模块(9)连接，所述测温模块(9)将所述测温光缆(2)采集到的温度信息转化为电信号；
若干所述超导缆芯(1)与所述超导电缆终端连接处设有所述压敏传感器(4)，所述压敏传感器(4)用于检测若干所述超导缆芯(1)的承载的应力；
所述压敏传感器(4)与设置于所述超导电缆终端内的应力检测模块(8)连接，将所述压敏传感器(4)采集到的应力信息转化为电信号；
所述超导电缆终端内设有液氮流量检测模块(3)，所述液氮流量检测模块(3)用于检测所述液氮的流量，并将所述液氮的流量以电信号形式输出；
所述超导电缆终端下方设有若干导轮(5)；若干所述导轮(5)均由导轮控制器(7)驱动；
所述导轮控制器(7)根据所述测温模块(9)输出的温度信息、所述应力检测模块(8)输出的应力信息和所述液氮流量检测模块(3)输出的所述液氮的流量驱动若干所述导轮(5)，移动所述超导电缆终端。
2.根据权利要求1所述的用于高温超导电缆终端的电动导轮控制系统，其特征在于，所述超导电缆终端下方设有导轨(6)；若干所述导轮(5)均设置于所述导轨(6)上。
3.根据权利要求1所述的用于高温超导电缆终端的电动导轮控制系统运行方法，所述超导电缆终端的移动速率v的计算公式如下：
v＝ak2vLNLsc
其中，a为所述所述超导电缆的综合热膨胀系数；
k2为温度变化系数，与所述超导电缆的热阻结构相关，需实际测量得到；
vLN为所述液氮的流速；
Lsc为所述超导电缆长度。
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