CN112285619A

CN112285619A - 高温超导电缆失超磁检测系统及方法

Info

Publication number: CN112285619A
Application number: CN202011172241.6A
Authority: CN
Inventors: 王亚伟; 金之俭
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Jin Zhijian; Shanghai Yixi Technology Development Co ltd
Priority date: 2020-10-28
Filing date: 2020-10-28
Publication date: 2021-01-29
Anticipated expiration: 2040-10-28
Also published as: CN112285619B

Abstract

本发明提供了一种高温超导电缆失超磁检测系统以及方法，包括磁场测量器件和多根高温超导带材，其中：多根高温超导带材并联共绕，形成高温超导电缆；多根高温超导带材中通有电流；当其中一根高温超导带材失超时，其余的高温超导带材重新分配电流；所述磁场测量器件设置在高温超导电缆的内部和/或外部；所述磁场测量器件设置有一个或者多个。本发明结构简单、操作方便且成本较低；相比于现有的电压检测法和温度检测法，本发明可以在失超发生的早期，更快的检测到失超的发生。

Description

高温超导电缆失超磁检测系统及方法

技术领域

本发明涉及超导带材领域，具体地，涉及一种高温超导电缆失超磁检测系统及方法。

背景技术

二代高温超导带材是利用真空镀膜技术，通过多层叠压封装的方法生产出的一种涂层超导体。超导带材的厚度一般为50～300微米，宽度一般为4～12毫米，其典型结构如下图1所示：超导层的厚度通常为1～3微米，通过真空镀膜技术镀在厚约50微米的基带上。因此，二代高温超导带材是一种有着超高纵宽比的带状结构。单根高温超导带材的载流能力是有限的，工程应用中为了产生更大的载流能力，往往需要将多跟超导带材并在一起做成集束导线，这个被称为超导电缆。目前，根据空间结构的不同，基于二代高温超导带材的超导电缆分为三类：CORC电缆，Roebel电缆，TSTC电缆。三种不同超导电缆的主要不同在于空间几何结构，与之相对应的生产绕制工艺也会有所不同。

CORC复合导体(Conductor on round core)是由van der Laan于2009年首次提出，结构是将REBCO带材以螺旋缠绕的方式绕制在柔性圆芯上，其结构如下图2所示。Roebel线缆结构由Ludwig Roebel于1912年提出，其首先对单根高温超导带材进行切割，然后将多根进行换位纽绞编织在一起。2011年，美国麻省理工学院(MIT)的Takayasu M提出了一种基于为超导带堆叠后再扭曲的复合导体，将其命名为TSTC(Twisted Stacked-Tape Cables)复合导体。结构为将多根超导带堆叠形成一个单元，堆叠带的顶部和底部使用铜带作为支撑，增加其机械稳定性，而后进行纽绞，纽绞后外层可覆盖保护套作为保护，保护套和带材之间使用胶水、树脂等进行填充。

为了获得更高的载流量，工程中也会在这三种结构的高温超导电缆的基础上，进一步的将多跟高温超导电缆并绕在一起，形成二级缆线。在本发明中将这三种类型的高温超导电缆，一级以此为基础衍生出来的二级，和更多级的缆线统称为高温超导电缆。而本发明的应用对象，面向如上所有类型的高温超导电缆。

目前，在高温超导的科学研究和工业生产中，带材的“失超保护”是最大的技术挑战之一。超导体只有在超导态下才会保持零电阻特性，当超导体的温度、磁场、电流任何一个参数超过其临界值时，超导体都会突然失去超导特性，从超导态进入有阻正常态，这个被称为失超。诱发失超的因素很多，各种形式的电-磁-热-力扰动、超导带材的性能退化和其他未知偶然因素都会诱发失超。失超发生时，高温超导体的电阻急剧升高，瞬间产生大量的焦耳热，导致失超区域温度快速升高，从而加深失超的发展，并促使失超向周围空间传播。因此，失超传播是一个复杂的、快速的(毫秒级)电磁热多物理场耦合的发展过程，一旦发生，往往是一个快速的不可逆的正反馈过程。如果不及时制止并实施有效的保护，会烧坏超导体。因此必须采取相应的保护措施。高温超导电缆失超保护的核心技术分为两个方面：失超检测和失超保护。前者为通过技术手段检测到失超的发生，越能在失超的早期检测到失超，保护系统动作后的效果越好；后者为在判定失超发生后，采取相应的措施抑制失超的传播和深化，避免带材发生不可逆的损毁。

在失超发生的早期，及时准确的检测到失超的发生，是高温超导失超保护成败的关键。传统的失超检测方法主要两种：温度检测法和电压检测法。电压检测法是对导体两端的电压进行检测，一旦发生局部失超，会在超导体两端产生电压升信号，从而检测失超。这个方法主要适用于低温超导体，因为低温超导体的失超传播速度很快，一旦发生局部失超，能在很短的时间形成较长的失超区域，从而在导体两端形成比较明显的足以被有效测量的电压升高信号。但二代高温超导体的失超传播速度比低温超导低两个数量级，无法在失超发生的早起形成比较明显的电压升高信号，当在导体两端检测到明显的电压升高信号后，部分失超的部位已经发生了不可恢复的损伤。对于高温超导电缆以及由其绕制的线圈磁体来说，接头电阻和不同带材之间的分流使得失超电压的检测变得更为困难。温度检测法，指的是通过测量导体的温升来检测失超的发生。对于温度的测量，传统的方法多采用热电偶和测温光纤的方式。但这两种方法的主要问题是，如果失超发生的起始位置不是温度测量点，就很难及时的发现失超。如果预埋测温点太多，又会是的超导电缆的工艺复杂度和难度急剧增加。此外还有声波检测，基于的应力检测方法等，这些方法目前都还不是很成熟，尚在科研中。

对于二代高温超导电缆来说，多根带材的并联伴随着分流的问题:当失超发生时，失超点的电阻升高，导致所在带材上电流会通过带材间的接触和接头连接被‘挤压’到其他带材，从而实现电流在不同带材上的重新分配。电流的重新分配必然会导致电缆周围空间感应磁场的变化。本发明即基于此原理，在电缆的内部和外部空间布置磁场测量器件，通过测量超温超导电缆周围和内部空间磁场的变化来检测电缆失超的发生。该发明与此前的失超检测方法都不相同。

经过检索发现，当前对高温超导失超检测方法的专利和研究不多。尚未发现用磁测法对高温超导电缆进行失超检测的研究。部分相关专利内容如下：

专利文献为CN201910299493.6的发明专利公开了一种高温超导输电线路失超判别、切换控制方法和装置。方法包括：采集运行中的高温超导电缆的三相屏蔽层电流、导体层电流以及电缆制冷系统状态数据；获取高温超导电缆任意两相之间的相间距；计算高温超导电缆的三相屏蔽层电阻，以判断是否发生三相线路短路故障下的屏蔽层失超；根据采集到的电缆制冷系统状态数据判断是否出现超导电缆制冷系统故障；当发生屏蔽层失超或超导电缆制冷系统故障，输出跳闸指令以切除超导线路转由备用线路供电。本发明综合运用了基于电气量和非电气量的超导线缆失超检测方法，可对系统短路电流引起的电缆失超或冷却系统故障实现在线监测判别，可提高超导线缆失超检测的可靠性和准确性。

本发明与该方案完全不同：本发明是通过测量高温超导电缆周围的磁场变化的方法来检测失超的发生。而该方案则是通过‘采集运行中的高温超导电缆的三相屏蔽层电流、导体层电流以及电缆制冷系统状态数据’来检测判断失超的发生。

专利文献为CN201910887524.X的发明专利公开了一种检测超导电缆的失超的方法和系统，所述方法和系统通过采集超导电缆超导传输和屏蔽层的电流波形，计算多个连续检测时长内两个波形的Hausdorff距离瞬时值，并通过计算所述多个Hausdorff距离瞬时值的Hausdorff距离平均值，将所述Hausdorff距离平均值与整定的失超检测门槛值进行比较来判断超导电缆的失超检测状态。本发明所述的检测超导电缆的失超的方法和系统采用电气量判断超导电缆的失超，具有较高的灵敏度，能迅速判断超导电缆失超的发生，同时，所述方法和系统不需要另外安装特殊的电气量采集装置，结构简单，成本低。

本发明与该方案完全不同：本发明是通过测量高温超导电缆周围的磁场变化的方法来检测失超的发生。而该方案是通过‘采集超导电缆超导传输和屏蔽层的电流波形’来检测判断失超的发生。

现有的科技论：“Quench detection method for 2G HTS wire”,Supercond.Sci.Technol.23(2010)034016(6pp)”中记载了：将二代高温超导带材从中间切开，在中间分隔线上布置测量磁场的装置，当超导带材没有失超时，被分割的带材两侧电流基本相当，磁场分布均衡，当发生失超时，由于失超位置的随机性和失超传播速度的不同，往往会造成两侧电流分布的不平衡，导致分割线磁场分布的变化，从而进行失超检测。

该论文也提出了利用测量磁场的方法来检测高温超导带材失超方法。但是区别明显，具体的：

1)面向对象不同，本发明面向多跟带材并联的高温超导电缆，该论文中的方法面向当根二代高温超导带材。

2)方法的实施方案和基于的机理完全不同，该论文需要必须将带材从中间分隔，然后利用失超时分隔后左右两侧的电流不平衡来检测失超的发生，该方法在工程和商业上不具有可行性，会对带材的电学和机械性能造成严重损伤，并且仅限于短样单根带材，对长带材也不具有可行性。

因此仅能用于实验室机理研究。本发明不需要对高温超导电缆进行任何处理，带材之间的分流是通过匝间接触和端部实现的，并通过此分流引起的磁场波动，来检测失超的发生。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高温超导电缆失超磁检测系统。

根据本发明提供的一种高温超导电缆失超磁检测系统，包括磁场测量器件和多根高温超导带材，其中：

多根高温超导带材并联共绕，形成高温超导电缆；

所述磁场测量器件设置在高温超导电缆的内部和/或外部；

所述磁场测量器件设置有一个或者多个；

在高温超导电缆通电的状态下，根据高温超导电缆周围空间磁场的变化判断是否失超。

优选地，所述多个磁场测量器件分布在高温超导电缆的周围空间。

优选地，所述磁场测量器件的延伸方向和高温超导电缆的轴向方向相同。

优选地，所述高温超导电缆包括CORC电缆、TSTC电缆或者ROBEL电缆。

优选地，当其中一根高温超导带材失超时，该高温超导带材的载流下降，其余高温超导带材的载流增加。

优选地，所述高温超导带材包括二代高温超导带材。

优选地，当其中一根高温超导带材失超时，磁场测量器件检测的磁场不为零。

根据本发明提供的一种基于上述的一种高温超导电缆失超磁检测系统的高温超导电缆失超磁检测方法，包括如下步骤：

磁场测量器件分布步骤：将磁场测量器件设置在高温超导电缆的内部和/或外部；

失超判断步骤：判断磁场测量器件检测的磁场是否有变化，若磁场有变化，则至少一根高温超导带材失超；若磁场无变化，则不存在失超现象。

优选地，还包括卷绕步骤：

多根高温超导带材并联共绕，形成高温超导电缆。

优选地，当检测的磁场的变化超过设定的阈值时，则被认为磁场有变化。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明结构简单、操作方便且成本较低；

2、相比于现有的电压检测法和温度检测法，本发明可以在失超发生的早期，更快的检测到失超的发生。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为高温超导电缆失超磁检测系统以CORC电缆为例的结构示意图；

图2为高温超导电缆失超磁检测系统失超前后的磁场变化示意图；

图3为高温超导电缆失超磁检测系统的磁场测量器件的不同分布示意图。

图中示出：

超导带材1

磁场测量器件2

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图3所示，本发明提供了一种高温超导电缆失超磁检测系统及方法，通过测量高温超导电缆周围空间磁场的变化来检测失超的发生，包含在电缆周围空间布置的磁场测量装置，并对测到磁场分布进行分析，判定失超的发生。其基于的原理是多根并联二代高温超导带材在发生局部失超时会通过带材之间的接触或端部接触分流。其面向的对象是任何具有多根带材并联结构，具有发生带材之间载流重新分配可能是高温超导电缆，保护主流的CORC电缆、TSTC电缆和Robel电缆。具体如下：

以单层CORC高温超导电缆作为本发明提供的优选实施例，要说明的是，此处只是以该类型电缆为例来说明本发明的失超检测方法；该方法的应用对象，高温超导电缆可以有多种形式。该电缆有三根二代高温超导带材并联共绕，正常工况下，三根带材有相应的电流分布以及对应的周围空间磁场。本发明首先在该电缆周围空间布置若干的磁场测量器件，以测量周围空间若干位置磁场的分布，包含磁场的大小和方向。当其中一根带材发生局部失超时，由于电缆的总体的载流保持不变，电流会在三根带材之间重新分配，通常含有失超点的带材的载流会下降，其他没有失超点的带材的载流会增加，从而引起周围空间磁场的变化。通过对比前后磁场大小和方向的变化，来判断失超的发生，从而实现失超检测。本发明的二代高温超导电缆是指将多根二代高温超导带材用各种方式并联在一起的集束缆线，包括常见的CORC电缆，TSTC电缆，ROBEL电缆，以及在此基础上，将电缆进一步并联集束起来形成二级，三级，甚至更高级的电缆。其核心特征是多根二代高温超导带材的并联。

将磁场测量器件阵列放置在电缆内部的中心轴线上。当电流在各个超导带材上均匀分布的时候，中心轴线上的x轴向和y轴向的磁场都是零。当一根超导带材发生失超，电流在不同带材之间重新分布时，电缆中心轴线上的x轴向和y轴向的磁场就不为零，并且会在轴向呈现正弦分布，如图2所示。工程实践中，多根高温超导带材并联的情况下正常超导态电流在不同带材上的分布就是不均匀的。

进一步的，本发明的磁场的测量器件可以是常用霍尔器件，也可以是光纤等其他磁场测量器件。高温超导电缆失超磁检测方法的应用对象包括CORC电缆、TSTC电缆、Robel电缆的其中任意两种或者多种电缆，通过组合扭绕等方式组合而形成的多级电缆。只要并联的高温超导带材能在失超的时候，发生不同带材之间的电流重新分配，本发明的方法都是有效的。针对不同的电缆类型会对磁场测量点的位置进行相应的调整。

磁场的测量既包含磁场的大小和方向，也包含磁场的空间分布。磁场测量器件既可以布置电缆外部，也可以布置在电缆内部，也可以同时布置电缆内外。磁场测量器件的核心目标是测量电缆周围的空间磁场分布，所以可以有多种空间分布结构，如图3所示。

本发明的方法适用于电缆的任何一种工况：直流、交流、脉冲等；但会根据具体的工况改变调整磁场测量磁场的位置，并对其进行相应的处理。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims

1.一种高温超导电缆失超磁检测系统，其特征在于，包括磁场测量器件和多根高温超导带材，其中：

多根高温超导带材并联共绕，形成高温超导电缆；

所述磁场测量器件设置在高温超导电缆的内部和/或外部；

所述磁场测量器件设置有一个或者多个；

2.根据权利要求1所述的高温超导电缆失超磁检测系统，其特征在于，所述多个磁场测量器件分布在高温超导电缆的周围空间。

3.根据权利要求1所述的高温超导电缆失超磁检测系统，其特征在于，所述磁场测量器件的延伸方向和高温超导电缆的轴向方向相同。

4.根据权利要求1所述的高温超导电缆失超磁检测系统，其特征在于，所述高温超导电缆包括CORC电缆、TSTC电缆或者ROBEL电缆。

5.根据权利要求1所述的高温超导电缆失超磁检测系统，其特征在于，当其中一根高温超导带材失超时，该高温超导带材的载流下降，其余高温超导带材的载流增加。

6.根据权利要求1所述的高温超导电缆失超磁检测系统，其特征在于，所述高温超导带材包括二代高温超导带材。

7.根据权利要求1所述的高温超导电缆失超磁检测系统，其特征在于，当其中一根高温超导带材失超时，磁场测量器件检测的磁场不为零。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述的一种高温超导电缆失超磁检测系统的高温超导电缆失超磁检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的高温超导电缆失超磁检测方法，其特征在于，还包括卷绕步骤：

多根高温超导带材并联共绕，形成高温超导电缆。

10.根据权利要求8所述的高温超导电缆失超磁检测方法，其特征在于，当检测的磁场的变化超过设定的阈值时，则被认为磁场有变化。