CN112467734A - 一种高温超导电力传输系统 - Google Patents

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汪桢子
汪伟
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Abstract

本发明提供一种高温超导电力传输系统，包括第一母线、第二母线、高温超导电缆系统以及监控系统；所述监控系统包括诊断组件以及与所述诊断组件电连接的第一检测组件、第二检测组件、告警组件；所述监控系统用于根据所述第一三相电缆、第一母线与三相超导电缆的电气量和制冷系统的非电气量对所述高温超导电缆系统的工作状态进行诊断，并将诊断结果发送给所述告警组件；所述告警组件用于响应于接收到所述诊断结果，根据所述诊断结果确定是否进行告警；所述保护组件用于响应于接收到所述告警组件的告警事件，根据所述告警事件确定是否控制所述第一三相断路器、第二三相断路器跳闸断开。通过本发明，对超导电缆系统故障进行诊断，避免造成严重的事故。

Description

一种高温超导电力传输系统
技术领域
本发明涉及超导电缆技术领域，具体涉及一种高温超导电力传输系统。
背景技术
随着用电负荷密度的增长，电力电缆的载荷不断上升。超导电缆因其超强的带载能力，成为保障高负荷长时间供电的解决手段。国内已建成首条公里级超导电缆，高温超导电缆的建设应用及运维管理技术正日益成熟。超导电缆送电容量大，一旦出现故障，不仅可能损坏超导电缆本体，影响其供电可靠性，还可能严重危及电网的稳定性。因此，超导电缆的监控保护对超导电缆的安全可靠运行至关重要。其中，高温超导电缆的故障机理比较复杂，从故障发生的位置来看，可以划分为超导电缆系统内部故障和超导电缆系统外部故障，而超导电缆系统内部故障又包括超导电缆短路故障和低温系统故障。
超导电缆短路故障指超导电缆由于绝缘击穿，或由于外部的机械破坏造成的超导电缆的短路故障。若超导电缆导体电气绝缘被破坏(如三相同轴结构电缆的相间绝缘击穿)，电缆导体中将会流过短路电流，当故障电流足够大时，将使超导电缆温度上升；当超导电缆由于外部机械破坏发生短路时，往往低温恒温器会同时被破坏，这种情况下不仅电缆导体中会流过故障电流、电缆沿线温度上升，同时液氮压力也会因泄漏而降低。
制冷机、循环泵及液氮通道是电缆低温系统的重要组成部分，是超导电缆在超导态正常工作的重要保障。当制冷机出现故障停止工作时，整个液氮通道内的液氮温度将会逐渐上升；循环泵故障或液氮通道堵塞时，液氮通道内的液氮流量会降低，同时液氮流速会下降甚至不流动。同时，在超导电缆系统运行过程中，超导电缆交流损耗、超导带材接头电阻焦耳热、终端电流引线漏热的热量之和若超过低温循环系统的制冷功率，将会使整条电缆的沿线温度持续升高，并最终导致整条电缆发生故障。
超导电缆系统外部故障主要是指超导电缆近区电网发生故障。实际的电力系统中，最大故障过电流会达到额定运行电流的30倍以上，而且持续时间在100～200ms左右，故障电流大小和持续时间主要取决于故障类型、故障点位置、系统阻抗、保护动作速度和断路器熄弧时间等。在大电流的作用下，铜分流层、导体层与屏蔽层均会产生大量热量，超导电缆会局部失超。随着时间持续，热量累积，超导电缆将整体失超；如果制冷系统能力不足，或液氮压力不够，液氮将发生气化，造成严重的事故。
为了提高高温超导电力传输系统的运行安全，有必要对上述故障进行在线监测诊断，以便及时应对故障，避免造成严重的事故。
发明内容
本发明旨在提出一种高温超导电力传输系统，以对超导电缆系统内部故障和超导电缆系统外部故障进行诊断，以便于在超导电缆出现故障时及时消除故障，避免造成严重的事故，提高高温超导电力传输系统的运行安全。
为此，本发明实施例提出一种高温超导电力传输系统，包括第一母线、第二母线、高温超导电缆系统以及监控系统；
所述高温超导电缆系统包括三相超导电缆、低温杜瓦管、第一终端、第二终端和制冷系统；其中，所述三相超导电缆设置于所述低温杜瓦管中，所述三相超导电缆内部以及所述三相超导电缆与所述低温杜瓦管之间分别形成液氮通道；所述三相超导电缆一端通过第一终端、第一三相断路器、第一三相电缆、连接所述第一母线，另一端通过第二终端、第二三相断路器、第二三相电缆、连接所述第二母线；所述高温超导电缆系统用于进行所述第一母线与所述第二母线之间的电能传输；
所述监控系统包括诊断组件、保护组件以及与所述诊断组件电连接的第一检测组件、第二检测组件、告警组件，所述保护组件与所述告警组件电连接；其中，所述第一检测组件用于检测所述第一三相电缆、第一母线与三相超导电缆的电气量，并将检测得到的电气量发送给所述诊断组件；所述第二检测组件用于检测所述制冷系统的非电气量，并将检测得到的非电气量发送给所述诊断组件；所述诊断组件用于响应于接收到所述电气量或所述非电气量，根据所述电气量或所述非电气量对所述高温超导电缆系统的工作状态进行诊断，并将诊断结果发送给所述告警组件；所述告警组件用于响应于接收到所述诊断结果，根据所述诊断结果确定是否进行告警；所述保护组件用于响应于接收到所述告警组件的告警事件，根据所述告警事件确定是否控制所述第一三相断路器、第二三相断路器跳闸断开。
可选地，所述制冷系统包括制冷机、液氮泵、第一液氮管道、第二液氮管道、第三液氮管道；所述制冷机的一端、所述第一液氮管道、所述第一终端、所述低温杜瓦管的一端依次连接；所述制冷机的另一端、所述第二液氮管道、所述液氮泵、第三液氮管道、所述第二终端、所述低温杜瓦管的一端依次连接；液氮从所述制冷机出口流出，经所述第一液氮管道、第一终端、液氮通道、第二终端、第二液氮管道、液氮泵、第三液氮管道后回流至所述制冷机入口；
所述第二检测组件包括：
第一压力传感器，用于检测第一液氮管道出口处的第一液氮压力信号；
第二压力传感器，用于检测第二液氮管道入口处的第二液氮压力信号；
第三压力传感器，用于检测制冷机入口处的第三液氮压力信号；
第四压力传感器，用于检测制冷机出口处的第四液氮压力信号；
第一流量传感器，用于检测第一液氮管道出口处的第一液氮流量信号；
第二流量传感器，用于检测第二液氮管道入口处的第二液氮流量信号；
第一温度传感器，用于检测第一液氮管道出口处的第一液氮温度信号；
第二温度传感器，用于检测第二液氮管道入口处的第二液氮温度信号；
第三温度传感器，用于检测制冷机入口处的第三液氮温度信号；
第四温度传感器，用于检测制冷机出口处的第四液氮温度信号。
可选地，所述第一检测组件包括：
三相电流互感器，设置于所述第一三相电缆上，用于检测所述第一三相电缆的三相电流；
零序电流互感器，设置于所述第一三相电缆上，用于检测所述第一三相电缆的零序电流；
三相电压传感器，设置于所述第一母线上，用于检测所述第一母线的三相电压；以及
功率计算模块，用于获取所述第一液氮温度信号以及所述第二液氮温度信号，并根据所述第一液氮温度信号和第二液氮温度信号计算超导电缆的损耗功率。
可选地，所述功率计算模块具体根据公式Q＝m·Cp·ΔT计算超导电缆的损耗功率；其中，m为液氮流量，单位为kg/s；Cp为液氮的定容比热，单位为kJ/kg·K；ΔT为所述第一液氮温度信号和第二液氮温度信号的液氮温度差，单位为K。
可选地，所述监控系统还包括第三检测组件、第四检测组件；所述第三检测组件用于检测所述三相超导电缆的沿线温度；所述第四检测组件用于检测所述三相超导电缆与终端连接处的接头温度；所述诊断组件还用于响应于接收到所述沿线温度或所述接头温度，根据所述沿线温度或所述接头温度对所述高温超导电缆系统的工作状态进行诊断，并将诊断结果发送给所述告警组件；所述告警组件用于响应于接收到所述诊断结果，根据所述诊断结果确定是否进行告警。
可选地，所述三相超导电缆由内之外依次设置电缆骨架、第一绝缘层、A相导体层、第二绝缘层、B相导体层、第三绝缘层、C相导体层、第四绝缘层、屏蔽层，其中所述电缆骨架内部、所述低温杜瓦管与所述屏蔽层之间均设置有液氮通道，所述液氮通道用于供液氮流通以对超导电缆进行降温；
所述第三检测组件包括：
多个测温光纤，分别设置于所述电缆骨架、A相导体层、第一绝缘层、B相导体层、第二绝缘层、C相导体层、第三绝缘层、屏蔽层中的任意两层之间或任意一层中，并沿所述超导电缆轴心均匀间隔设置；所述多个测温光纤的连接端通过所述恒温器上的多个贯通器引出，并与所述监控系统连接；所述多个测温光纤用于对超导电缆的沿线温度进行检测，并将检测得到的沿线温度发送给所述诊断组件。
可选地，所述第四检测组件包括：
3个热电偶温度传感器，分别设置于所述三相超导电缆与终端连接处的第二绝缘层、第三绝缘层和第四绝缘层中，且分别与对应的A相导体层、B相导体层、C相导体层接触，以分别对接头处的A相导体层、B相导体层、C相导体层的温度进行检测，并将检测得到的接头温度发送给所述诊断组件。
可选地，所述诊断组件包括第一判断单元、第二判断单元、第三判断单元、第四判断单元；
所述第一判断单元，用于根据所述三相电流、零序电流、三相电压、超导电缆的损耗功率与对应预设阈值的比较结果判断是否存在电气量故障或异常；
所述第二判断单元，用于根据所述第一液氮压力信号、第二液氮压力信号、第三液氮压力信号、第四液氮压力信号、第一液氮流量信号、第二液氮流量信号、第一液氮温度信号、第二液氮温度信号、第三液氮温度信号、第四液氮温度信号与对应预设阈值的比较结果判断是否存在液氮状态故障或异常；
所述第三判断单元，用于根据所述沿线温度与预设阈值的比较结果判断是否存在电缆沿线温度故障或异常；
所述第四判断单元，用于根据所述接头温度与预设阈值的比较结果判断是否存在电缆接头温度故障或异常。
可选地，所述第二判断单元具体包括：
流量偏低判断单元，用于根据所述第一液氮流量信号或第二液氮流量信号与预设阈值的比较结果判断是否存在超导电缆液氮流量偏低故障或异常；
流量差越域判断单元，用于根据所述第一液氮流量信号、第二液氮流量信号计算液氮流量差，并根据所述液氮流量差与预设阈值的比较结果判断是否存在超导电缆液氮流量差越域故障或异常；
电缆入口温度判断单元，用于根据所述第一液氮温度信号与预设阈值的比较结果判断是否存在超导电缆入口温度越域故障或异常；
电缆出口温度判断单元，用于根据所述第二液氮温度信号与预设阈值的比较结果判断是否存在超导电缆出口温度越域故障或异常；
超导电缆压力差判断单元，用于根据所述第一液氮压力信号、第二液氮压力信号计算超导电缆进出口压力差，并根据所述超导电缆进出口压力差与预设阈值的比较结果判断是否存在超导电缆进出口压力差过压越域故障或异常，或是否存在超导电缆进出口压力差欠压越域故障或异常。
可选地，所述第二判断单元具体还包括：
制冷机入口温度判断单元，用于根据所述第三液氮温度信号与预设阈值的比较结果判断是否存在制冷机入口温度越域故障或异常；
制冷机出口温度判断单元，用于根据所述四液氮温度信号与预设阈值的比较结果判断是否存在制冷机出口温度越域故障或异常；
制冷机压力差判断单元，用于根据所述第三液氮压力信号、四液氮压力信号计算制冷机进出口压力差，并根据所述制冷机进出口压力差与预设阈值的比较结果判断是否存在制冷机进、出口压力差过压越域故障或异常，或是否存在制冷机进、出口压力差欠压越域故障或异常。
本发明实施例提出一种高温超导电力传输系统，包括第一母线、第二母线、高温超导电缆系统以及监控系统；所述监控系统包括诊断组件、保护组件以及与所述诊断组件电连接的第一检测组件、第二检测组件、告警组件；所述第一检测组件用于检测所述第一三相电缆、第一母线与三相超导电缆的电气量，并将检测得到的电气量发送给所述诊断组件；所述第二检测组件用于检测所述制冷系统的非电气量，并将检测得到的非电气量发送给所述诊断组件；所述诊断组件用于响应于接收到所述电气量或所述非电气量，根据所述电气量或所述非电气量对所述高温超导电缆系统的工作状态进行诊断，并将诊断结果发送给所述告警组件；所述告警组件用于响应于接收到所述诊断结果，根据所述诊断结果确定是否进行告警；所述保护组件用于响应于接收到所述告警组件的告警事件，根据所述告警事件确定是否控制所述第一三相断路器、第二三相断路器跳闸断开。本发明实施例的高温超导电力传输系统，针对不同类型故障特点，配置多层次信号检测方案以准确反映超导电缆故障，以电缆本体电气量检测作为主要检测手段，首先保证检测的快速性；以制冷系统的非电气量检测作为辅助检测手段，提高检测可靠性；以电缆本体沿线温度检测和电缆终端接头接触式温度测量作为补充手段，整体上提高高温超导电力传输的可靠性、安全性。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式中阐述。
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他的附图。
图1为本发明实施例中一种高温超导电力传输系统结构示意图。
图2为本发明实施例中高温超导电缆系统结构示意图。
图3为本发明实施例中高温超导电缆系统局部结构示意图。
图4为本发明实施例中监控系统的一种结构示意图。
图5为本发明实施例中监控系统的另一种具体结构示意图。
图6为本发明实施例中诊断组件的具体结构示意图。
图7为本发明实施例中多分辨形态学梯度变换示意图。
图中标记：
1-监控系统，11-诊断组件，111-第一判断单元，112-第二判断单元，113-第三判断单元，114-第四判断单元，12-保护组件，13-第一检测组件，14-第二检测组件，15-告警组件，16-第三检测组件，17-第四检测组件。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的手段未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
参阅图1，本发明实施例提出一种高温超导电力传输系统，包括第一母线、第二母线、高温超导电缆系统以及监控系统1；
参阅图2，所述高温超导电缆系统包括三相超导电缆、低温杜瓦管、第一终端、第二终端和制冷系统；其中，参阅图3，所述三相超导电缆设置于所述低温杜瓦管中，所述三相超导电缆内部以及所述三相超导电缆与所述低温杜瓦管之间分别形成液氮通道。
参阅图1，所述三相超导电缆一端通过第一终端、第一三相断路器、第一三相电缆、连接所述第一母线，另一端通过第二终端、第二三相断路器、第二三相电缆、连接所述第二母线；所述高温超导电缆系统用于进行所述第一母线与所述第二母线之间的电能传输；
参阅图4，所述监控系统1包括诊断组件11、保护组件12以及与所述诊断组件11电连接的第一检测组件13、第二检测组件14、告警组件15，所述保护组件12与所述告警组件15电连接。
其中，所述第一检测组件13用于检测所述第一三相电缆、第一母线与三相超导电缆的电气量，并将检测得到的电气量发送给所述诊断组件11。
其中，所述第二检测组件14用于检测所述制冷系统的非电气量，并将检测得到的非电气量发送给所述诊断组件11。
其中，所述诊断组件11用于响应于接收到所述电气量或所述非电气量，根据所述电气量或所述非电气量与对应预设阈值/预设判据对所述高温超导电缆系统的工作状态进行诊断，并将诊断结果发送给所述告警组件15；所述诊断结果包括各类型的异常、故障或正常。
其中，所述告警组件15用于响应于接收到所述诊断结果，根据所述诊断结果确定是否进行告警；具体而言，当诊断结果为正常时，不进行告警，当诊断结果为异常、故障时，进行告警；所述异常和故障的区别在于，异常在于任一目标运行状态参数超出正常范围，但不需要立即切除超导电缆，故障在于任一目标运行状态参数远超出正常范围，需要立即切除超导电缆，无论是异常还是故障，均需要进行告警。所述目标运行状态参数指的是检测组件所检测的状态参数。
其中，所述保护组件12用于响应于接收到所述告警组件15的告警事件，根据所述告警事件确定是否控制所述第一三相断路器、第二三相断路器跳闸断开。
具体而言，当告警的事件为故障事件时，所述保护组件12动作，控制所述第一三相断路器、第二三相断路器跳闸断开；当告警的事件为异常事件时，所述保护组件12不动作。
在一些实施例中，参阅图2，所述制冷系统包括制冷机、液氮泵、第一液氮管道、第二液氮管道、第三液氮管道；所述制冷机的一端、所述第一液氮管道、所述第一终端、所述低温杜瓦管的一端依次连接；所述制冷机的另一端、所述第二液氮管道、所述液氮泵、第三液氮管道、所述第二终端、所述低温杜瓦管的一端依次连接；液氮从所述制冷机出口流出，经所述第一液氮管道、第一终端、液氮通道、第二终端、第二液氮管道、液氮泵、第三液氮管道后回流至所述制冷机入口；
具体而言，所述三相超导电缆设置于所述低温杜瓦管中，所述低温杜瓦管与所述三相超导电缆之间设置有液氮通道，制冷机、终端N、低温杜瓦管、三相超导电缆、液氮泵之间通过所述液氮管道连接，液氮管道和液氮通道连通，所述制冷机用于对液氮进行制冷，制冷后的液氮在液氮泵的泵送作用下，在液氮管道和液氮通道之间循环流通，以维持超导电缆的超导态温度环境。
所述第二检测组件14包括：
第一压力传感器，设置于第一液氮管道出口处，用于检测第一液氮管道出口处的第一液氮压力信号；
第二压力传感器，设置于第二液氮管道入口处，用于检测第二液氮管道入口处的第二液氮压力信号；
第三压力传感器，设置于制冷机入口处，用于检测制冷机入口处的第三液氮压力信号；
第四压力传感器，设置于制冷机出口处，用于检测制冷机出口处的第四液氮压力信号；
第一流量传感器，设置于第一液氮管道出口处，用于检测第一液氮管道出口处的第一液氮流量信号；
第二流量传感器，设置于第二液氮管道入口处，用于检测第二液氮管道入口处的第二液氮流量信号；
第一温度传感器，设置于第一液氮管道出口处，用于检测第一液氮管道出口处的第一液氮温度信号；
第二温度传感器，设置于第二液氮管道入口处，用于检测第二液氮管道入口处的第二液氮温度信号；
第三温度传感器，设置于制冷机入口处，用于检测制冷机入口处的第三液氮温度信号；
第四温度传感器，设置于制冷机出口处，用于检测制冷机出口处的第四液氮温度信号。
在一些实施例中，所述第一检测组件13包括：
三相电流互感器，设置于所述第一三相电缆上，用于检测所述第一三相电缆的三相电流；
零序电流互感器，设置于所述第一三相电缆上，用于检测所述第一三相电缆的零序电流；
三相电压传感器，设置于所述第一母线上，用于检测所述第一母线的三相电压；以及
功率计算模块，用于获取所述第一液氮温度信号以及所述第二液氮温度信号，并根据所述第一液氮温度信号和第二液氮温度信号计算超导电缆的损耗功率。
可选地，所述功率计算模块具体根据公式Q＝m·Cp·ΔT计算超导电缆的损耗功率；其中，m为液氮流量，单位为kg/s；Cp为液氮的定容比热，单位为kJ/kg·K；ΔT为所述第一液氮温度信号和第二液氮温度信号的液氮温度差，单位为K。
在一些实施例中，参阅图5，所述监控系统1还包括第三检测组件16、第四检测组件17；
其中，所述第三检测组件16用于检测所述三相超导电缆的沿线温度；
其中，所述第四检测组件17用于检测所述三相超导电缆与终端连接处的接头温度；
其中，所述诊断组件11还用于响应于接收到所述沿线温度或所述接头温度，根据所述沿线温度或所述接头温度对所述高温超导电缆系统的工作状态进行诊断，并将诊断结果发送给所述告警组件15；
其中，所述告警组件15用于响应于接收到所述诊断结果，根据所述诊断结果确定是否进行告警；
其中，所述保护组件12用于响应于接收到所述告警组件15的告警事件，根据所述告警事件确定是否控制所述第一三相断路器、第二三相断路器跳闸断开。
在一些实施例中，所述三相超导电缆由内之外依次设置电缆骨架、第一绝缘层、A相导体层、第二绝缘层、B相导体层、第三绝缘层、C相导体层、第四绝缘层、屏蔽层，其中所述电缆骨架内部、所述低温杜瓦管与所述屏蔽层之间均设置有液氮通道，所述液氮通道用于供液氮流通以对超导电缆进行降温；
所述第三检测组件16包括：
多个测温光纤，分别设置于所述电缆骨架、A相导体层、第一绝缘层、B相导体层、第二绝缘层、C相导体层、第三绝缘层、屏蔽层中的任意两层之间或任意一层中，并沿所述超导电缆轴心均匀间隔设置；所述多个测温光纤的连接端通过所述恒温器上的多个贯通器引出，并与所述监控系统1连接；所述多个测温光纤用于对超导电缆的沿线温度进行检测，并将检测得到的沿线温度发送给所述诊断组件11。
具体而言，测温光纤不仅把光纤当作光的传输通道，还把光纤本身作为感温元件，因此它不需要布置大量的探头，安装方便，布线简单，占用空间少。测温光纤除了光纤传感器的共同优点外，它还可以实现光纤沿线空间区域内的连续测量，从而得到各处的温度值，而且分布式光纤测温可以利用光时域反射技术(Optical Time Domain Reflection简称OTDR)来定位距离，解决许多特殊场合下其它温度传感器难以胜任的测量难题。
在一些实施例中，所述第四检测组件17包括：
3个热电偶温度传感器，分别设置于所述三相超导电缆与终端连接处的第二绝缘层、第三绝缘层和第四绝缘层中，且分别与对应的A相导体层、B相导体层、C相导体层接触，以分别对接头处的A相导体层、B相导体层、C相导体层的温度进行检测，并将检测得到的接头温度发送给所述诊断组件11。
在一些实施例中，参阅图6，所述诊断组件11包括第一判断单元111、第二判断单元112、第三判断单元113、第四判断单元114；
所述第一判断单元111，用于根据所述三相电流、零序电流、三相电压、超导电缆的损耗功率与对应预设阈值的比较结果判断是否存在电气量故障或异常；
具体而言，包括三相电流故障或异常，零序电流故障或异常，三相电压故障或异常，损耗功率故障或异常。
所述第二判断单元112，用于根据所述第一液氮压力信号、第二液氮压力信号、第三液氮压力信号、第四液氮压力信号、第一液氮流量信号、第二液氮流量信号、第一液氮温度信号、第二液氮温度信号、第三液氮温度信号、第四液氮温度信号与对应预设阈值的比较结果判断是否存在液氮状态故障或异常；
所述第三判断单元113，用于根据所述沿线温度与预设阈值的比较结果判断是否存在电缆沿线温度故障或异常；
在一例子中，当高温超导电缆沿线任一点温度大于预先设定的第一温度值T1时，判断进行超导电缆沿线各点温度越域异常；当高温超导电缆沿线任一点温度大于预先设定的第二温度值T2时，判断电缆沿线温度各点故障；当高温超导电缆沿线平均温度大于预先设定的第三温度值T3时，判断超导电缆平均温度越域异常；当高温超导电缆沿线平均温度大于预先设定的第四温度值T4时，判断电缆沿线平均温度故障。
具体而言，不管是制冷系统故障或电力系统短路电流冲击造成的整体失超，还是电缆结构参数变化导致的局部失超，失超区域都会产生大量焦耳热，而且大部分热量无法传导出去，使失超区域的热量越来越多，失超区域的温度因为热量积累而持续上升。
其中，超导电缆沿线各点温度的大小可以反映该点的失超程度，故而可利用分布式光纤测温系统实时监测超导电缆沿线温度，反映超导电缆局部失超故障，当电缆某一点的温度超出第一温度值T1时，判定沿线温度异常；当电缆某一点的温度超出极限温度，即第二温度值T2时，判定沿线温度故障，直接发跳闸命令，进行切除保护。所述第二温度值T2大于第一温度值T1。
可选地，所述第二温度值T2为液氮不发生沸腾的最高温度、绝缘材料可承受的最高温度、引起超导体的性能发生根本性改变的最高温度、超导带材发生破坏性损害的最高温度中的最小值。
具体而言，超导电缆沿线各点温度的平均值在一定程度上反映了失超区域的范围，超导电缆的平均温度越大，失超区域越大，故超导电缆的平均温度可用于反映超导电缆整体失超故障，当超导电缆的平均温度大于低定值，即第三温度值T3时，判定超导电缆沿线平均温度异常，当超导电缆的平均温度大于高定值，即第四温度值T4时，判定沿线平均温度故障，立即发出跳闸命令，切除超导电缆。所述第四温度值T4大于第三温度值T3。
在另一例子中，所述第三判断单元113包括特征图生成单元、失超区域确定单元、执行判断单元；
所述特征图生成单元，用于根据所述沿线温度进行多分辨形态梯度变换得到所述温度变化波形特征图；
具体而言，数学形态学作为一种新型的信号分析手段应用于电力系统许多方面，它是基于结构元素填充的变换方法，膨胀与腐蚀是最基本的2种形态变换，以此定义了形态开、闭运算及形态梯度等概念。令f(x)和g(x)分别表示一维输入信号和结构元素，设
Figure BDA0002811047970000151
(E为欧式空间)和
Figure BDA0002811047970000152
分别是这2个函数的定义域集合。结构元素g对信号f的膨胀和腐蚀分别定义为：
Figure BDA0002811047970000153
Figure BDA0002811047970000154
定义形态学梯度(MG)为：
Figure BDA0002811047970000155
MG常用来检测边缘，故可提取信号中的突变特征。最近提出了一种多分辨形态学梯度变换技术(MMG)，为提取信号中的上升沿和下降沿，设计了2种长度可变且原点位置不同的扁平结构元素(即各元素幅值为0)：
g+＝{g1,g2,g3,...,gl-1,g l}
g-＝{g 1,g2,g3,...,gl-1,gl}
式中：结构元素g+和g-分别用来提取波形中的上、下边缘；结构元素宽度l＝21-αl1，α为MMG的分析层数，l1为结构元素在第1层的初始宽度；在g+和g-中的下划线标记点g分别表示它们的原点位置。利用MG和可变扁平结构元素的概念，定义灰值多分辨形态学梯度
Figure BDA0002811047970000161
为：
Figure BDA0002811047970000162
Figure BDA0002811047970000163
Figure BDA0002811047970000164
当α＝1时，ρ0＝f是输入信号。
依据多分辨形态学梯度(MMG)的定义，对超导电缆沿线温度数据进行一层多分辨形态学梯度变换，变换结果如图7所示。
所述失超区域确定单元，用于根据所述温度变化波形特征图确定一个或多个局部失超区域的位置和宽度；其中所述温度变化波形特征图中任意相邻的一个正窄峰和一个负窄峰之间区域为一个局部失超区域；
具体而言，参阅图7，对比沿线温度曲线和多分辨形态学梯度变换结果可发现，沿线温度曲线上的波峰经多分辨形态梯度变换后可得到一个正窄峰和一个负窄峰的组合，而温度曲线上的非波峰区域经变换后几乎为零，故可通过多分辨形态梯度变换结果的正负窄峰对确定超导电缆上局部失超所在位置，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。
所述执行判断单元，用于根据所述一个或多个局部失超区域的宽度判断是否存在故障或异常；
当任一个局部失超区域的宽度满足di>rL，判断超导电缆沿线失超宽度越域异常；
当多个局部失超区域的宽度满足
Figure BDA0002811047970000171
时，判断超导电缆总失超宽度占比越域异常；
当任一个局部失超区域的宽度满足di>rH，或多个局部失超区域的宽度满足
Figure BDA0002811047970000172
时，则判断存在超导电缆沿线失超宽度故障；
其中，di为第i个局部失超区域的宽度，即波宽值，l为高温超导电缆长度，rL，rH，rL-av，rH-av分别为预先设置的阈值，依次为为沿线最大失超宽度低门槛定值和高门槛定值、总失超宽度占比的低门槛定值和高门槛定值。
具体而言，当超导电缆发生局部失超时，失超区域会积累大量焦耳热，导致失超区域的温度迅速升高，而未失超区域的温度则变化缓慢，故超导电缆轴向温度分布曲线会在失超区域形成波峰，这是区别局部失超和正常运行、整体失超的重要依据。轴向温度分布曲线的波峰宽度(曲线上所有波峰的宽度之和)反映了失超区域的大小，即反映了局部失超的严重程度，因此，可根据超导电缆轴向温度分布曲线的波峰位置和波峰宽度更准确地辨识局部失超故障，进一步提高失超保护的整体性能。
所述第四判断单元114，用于根据所述接头温度与预设阈值的比较结果判断是否存在电缆接头温度故障或异常。
具体而言，当接头处的A相导体层、B相导体层、C相导体层的温度中任一个大于预设的第五温度值T5，即警戒温度，则判断存在异常，当接头处的A相导体层、B相导体层、C相导体层的温度中任一个大于预设的第六温度值T6，即极限温度，则判断存在故障。所述第六温度值T6大于第五温度值T5。
需说明的是，光纤测温精度与测量时间有关，若要求测量速度快，则测量精度会下降。超导电缆失超时其发展速度很快，测量速度慢将影响监控保护的及时动作。为弥补测温光纤在测量速度方面的不足，本实施例在超导电缆上同时布置接触式温度传感器对超导电缆的接头温度进行测量。
在一些实施例中，所述第二判断单元112具体包括：
流量偏低判断单元，用于根据所述第一液氮流量信号或第二液氮流量信号与预设阈值的比较结果判断是否存在超导电缆液氮流量偏低故障或异常；
具体而言，当所述第一液氮流量信号或第二液氮流量信号中任一个低于预设的第一流量值F1，即警戒流量值，则判断存在异常，当所述第一液氮流量信号或第二液氮流量信号中任一个低于预设的第二流量值F2，即极限流量值，则判断存在故障。所述第二流量值F2低于所述第一流量值F1。当液氮流量过低时，无法有效地进行超导电缆的液氮循环，无法维持超导电缆工作所需要的温度环境，会导致失超。
流量差越域判断单元，用于根据所述第一液氮流量信号、第二液氮流量信号计算液氮流量差，并根据所述液氮流量差与预设阈值的比较结果判断是否存在超导电缆液氮流量差越域故障或异常；
具体而言，当所述液氮流量差大于预设的第一流量差值C1，即警戒流量值，则判断存在异常，当所述液氮流量差大于预设的第二流量差值C2，即极限流量值，则判断存在故障。所述第二流量差值C2大于所述第一流量差值C1。当液氮流量差值过大时，说明通过液氮通道可能存在问题，导致两端液氮流量存在较大差值，无法维持超导电缆工作所需要的温度环境，会导致失超。
电缆入口温度判断单元，用于根据所述第一液氮温度信号与预设阈值的比较结果判断是否存在超导电缆入口温度越域故障或异常；
具体而言，当所述第一液氮温度信号大于第七温度值T7时，即警戒温度，判定存在超导电缆入口温度越域异常，当所述第一液氮温度信号大于第八温度值T8时，即极限温度，判定存在超导电缆入口温度越域故障。其中，温度T8大于T7。需说明的是，当超导电缆入口温度过高时，表明此时进入超导电缆的液氮无法对超导电缆进行有效温度调节。
电缆出口温度判断单元，用于根据所述第二液氮温度信号与预设阈值的比较结果判断是否存在超导电缆出口温度越域故障或异常；
具体而言，当所述第一液氮温度信号大于第九温度值T9时，即警戒温度，判定存在超导电缆出口温度越域异常，当所述第一液氮温度信号大于第十温度值T10时，即极限温度，判定存在超导电缆出口温度越域故障。其中，温度T10大于T9。需说明的是，当超导电缆出口温度过高时，表明此时超导电缆内部温度偏高。
超导电缆压力差判断单元，用于根据所述第一液氮压力信号、第二液氮压力信号计算超导电缆进出口压力差，并根据所述超导电缆进出口压力差与预设阈值的比较结果判断是否存在超导电缆进出口压力差过压越域故障或异常，或是否存在超导电缆进出口压力差欠压越域故障或异常。
具体而言，当所述电缆进出口压力差大于预设的第一压力差值E1，即警戒压力值，则判断存在压力差过压异常，当所述电缆进出口压力差大于预设的第二压力差值E2，即极限压力值，则判断存在压力差过压故障。所述第二压力差值E2大于所述第一压力差值E1。当所述电缆进出口压力差小于预设的第三压力差值E3，即警戒压力值，则判断存在压力差欠压异常，当所述电缆进出口压力差小于预设的第四压力差值E4，即极限压力值，则判断存在压力差欠压故障。所述第四压力差值E4小于所述第三压力差值E3。需说明的是，当电缆进出口压力差值过大或过小时，表明超导电缆两端压力不平衡，无法维持超导电缆工作所需要的温度环境，会导致失超。
在一些实施例中，所述第二判断单元112具体还包括：
制冷机入口温度判断单元，用于根据所述第三液氮温度信号与预设阈值的比较结果判断是否存在制冷机入口温度越域故障或异常；
具体而言，当所述第三液氮温度信号大于第十一温度值T11时，即警戒温度，判定存在制冷机入口温度越域异常，当所述第三液氮温度信号大于第十二温度值T12时，即极限温度，判定存在制冷机入口温度越域故障。其中，温度T12大于T11。
制冷机出口温度判断单元，用于根据所述四液氮温度信号与预设阈值的比较结果判断是否存在制冷机出口温度越域故障或异常；
具体而言，当所述第四液氮温度信号大于第十三温度值T13时，即警戒温度，判定存在制冷机出口温度越域异常，当所述第四液氮温度信号大于第十四温度值T14时，即极限温度，判定存在制冷机出口温度越域故障。其中，温度T14大于T13。当制冷机出口温度偏高时，表明制冷机的制冷功能出现异常或故障，无法满足制冷需求，会导致超导电缆系统无法正常运行。
制冷机压力差判断单元，用于根据所述第三液氮压力信号、四液氮压力信号计算制冷机进出口压力差，并根据所述制冷机进出口压力差与预设阈值的比较结果判断是否存在制冷机进、出口压力差过压越域故障或异常，或是否存在制冷机进、出口压力差欠压越域故障或异常。
具体而言，当所述制冷机进出口压力差大于预设的第五压力差值E5，即警戒压力值，则判断存在压力差过压异常，当所述制冷机进出口压力差大于预设的第六压力差值E6，即极限压力值，则判断存在压力差过压故障。所述第六压力差值E6大于所述第五压力差值E5。当所述制冷机进出口压力差小于预设的第七压力差值E7，即警戒压力值，则判断存在压力差欠压异常，当所述制冷机进出口压力差小于预设的第八压力差值E8，即极限压力值，则判断存在压力差欠压故障。所述第八压力差值E8小于所述第七压力差值E7。需说明的是，当制冷机进出口压力差值过大或过小时，表明制冷机两端压力不平衡，影响制冷机正常工作。
通过以上描述可知，本实施例的高温超导电力传输系统针对不同类型故障特点，配置多层次信号检测方案以准确反映超导电缆故障。电缆故障检测系统以电缆本体电气量检测作为主要检测手段，首先保证检测的快速性；以低温系统非电气量检测作为辅助检测手段，提高检测可靠性；以电缆本体沿线温度检测和电缆终端传统温度测量作为补充手段。具体包括：
(1)针对超导电缆内部短路以及外部近端短路引起的严重故障，超导电缆电压、电流等相关电气量信号会迅速发生相应的变化，通过检测电缆本体电气量信号，包括三相电流、三相电压，以快速反映系统异常；
(2)超导电缆外部线路远端发生短路故障时，有小故障电流流过超导电缆但不致造成上述电气量保护动作，可能会引起超导电缆的热量积累而造成温度上升，通过对低温系统非电气量信号检测，反映并动作于超导电缆故障；
(3)超导电缆低温系统发生故障，将直接引起超导电缆系统非电气量信号出现相应变化，通过检测低温系统的非电气量信号(液氮流量、压力、温度)，反映端口位置的液氮状态变化，间接反映电缆故障；
(4)超导电缆局部失超会引起局部温度升高，局部温升短时间内电缆端口电气量或非电气量信号上无法显现出来，鉴于此，利用分布式光纤温度传感器检测电缆本体沿线温度，定位电缆局部异常情况；
(5)鉴于通过低温系统非电气量信号间接反映电缆故障速度较慢，在超导电缆终端与电缆本体接头部位布置传统热电偶检测电缆导体温度，以快速、连续反映超导电缆各相温度，对光纤测温形成必要补充。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种高温超导电力传输系统，其特征在于，包括第一母线、第二母线、高温超导电缆系统以及监控系统；
所述高温超导电缆系统包括三相超导电缆、低温杜瓦管、第一终端、第二终端和制冷系统；其中，所述三相超导电缆设置于所述低温杜瓦管中，所述三相超导电缆内部以及所述三相超导电缆与所述低温杜瓦管之间分别形成液氮通道；所述三相超导电缆一端通过第一终端、第一三相断路器、第一三相电缆、连接所述第一母线，另一端通过第二终端、第二三相断路器、第二三相电缆、连接所述第二母线；所述高温超导电缆系统用于进行所述第一母线与所述第二母线之间的电能传输；
所述监控系统包括诊断组件、保护组件以及与所述诊断组件电连接的第一检测组件、第二检测组件、告警组件，所述保护组件与所述告警组件电连接；其中，所述第一检测组件用于检测所述第一三相电缆、第一母线与三相超导电缆的电气量，并将检测得到的电气量发送给所述诊断组件；所述第二检测组件用于检测所述制冷系统的非电气量，并将检测得到的非电气量发送给所述诊断组件；所述诊断组件用于响应于接收到所述电气量或所述非电气量，根据所述电气量或所述非电气量对所述高温超导电缆系统的工作状态进行诊断，并将诊断结果发送给所述告警组件；所述告警组件用于响应于接收到所述诊断结果，根据所述诊断结果确定是否进行告警；所述保护组件用于响应于接收到所述告警组件的告警事件，根据所述告警事件确定是否控制所述第一三相断路器、第二三相断路器跳闸断开。
2.根据权利要求1所述的高温超导电力传输系统，其特征在于，所述制冷系统包括制冷机、液氮泵、第一液氮管道、第二液氮管道、第三液氮管道；所述制冷机的一端、所述第一液氮管道、所述第一终端、所述低温杜瓦管的一端依次连接；所述制冷机的另一端、所述第二液氮管道、所述液氮泵、第三液氮管道、所述第二终端、所述低温杜瓦管的一端依次连接；液氮从所述制冷机出口流出，经所述第一液氮管道、第一终端、液氮通道、第二终端、第二液氮管道、液氮泵、第三液氮管道后回流至所述制冷机入口；
所述第二检测组件包括：
第一压力传感器，用于检测第一液氮管道出口处的第一液氮压力信号；
第二压力传感器，用于检测第二液氮管道入口处的第二液氮压力信号；
第三压力传感器，用于检测制冷机入口处的第三液氮压力信号；
第四压力传感器，用于检测制冷机出口处的第四液氮压力信号；第一流量传感器，用于检测第一液氮管道出口处的第一液氮流量信号；
第二流量传感器，用于检测第二液氮管道入口处的第二液氮流量信号；
第一温度传感器，用于检测第一液氮管道出口处的第一液氮温度信号；
第二温度传感器，用于检测第二液氮管道入口处的第二液氮温度信号；
第三温度传感器，用于检测制冷机入口处的第三液氮温度信号；
第四温度传感器，用于检测制冷机出口处的第四液氮温度信号。
3.根据权利要求2所述的高温超导电力传输系统，其特征在于，所述第一检测组件包括：
三相电流互感器，设置于所述第一三相电缆上，用于检测所述第一三相电缆的三相电流；
零序电流互感器，设置于所述第一三相电缆上，用于检测所述第一三相电缆的零序电流；
三相电压传感器，设置于所述第一母线上，用于检测所述第一母线的三相电压；以及
功率计算模块，用于获取所述第一液氮温度信号以及所述第二液氮温度信号，并根据所述第一液氮温度信号和第二液氮温度信号计算超导电缆的损耗功率。
4.根据权利要求3所述的高温超导电力传输系统，其特征在于，所述功率计算模块具体根据公式Q＝m·Cp·ΔT计算超导电缆的损耗功率；其中，m为液氮流量，单位为kg/s；Cp为液氮的定容比热，单位为kJ/kg·K；ΔT为所述第一液氮温度信号和第二液氮温度信号的液氮温度差，单位为K。
5.根据权利要求1所述的高温超导电力传输系统，其特征在于，所述监控系统还包括第三检测组件、第四检测组件；所述第三检测组件用于检测所述三相超导电缆的沿线温度；所述第四检测组件用于检测所述三相超导电缆与终端连接处的接头温度；所述诊断组件还用于响应于接收到所述沿线温度或所述接头温度，根据所述沿线温度或所述接头温度对所述高温超导电缆系统的工作状态进行诊断，并将诊断结果发送给所述告警组件；所述告警组件用于响应于接收到所述诊断结果，根据所述诊断结果确定是否进行告警。
6.根据权利要求5所述的高温超导电力传输系统，其特征在于，所述三相超导电缆由内之外依次设置电缆骨架、第一绝缘层、A相导体层、第二绝缘层、B相导体层、第三绝缘层、C相导体层、第四绝缘层、屏蔽层，其中所述电缆骨架内部、所述低温杜瓦管与所述屏蔽层之间均设置有液氮通道，所述液氮通道用于供液氮流通以对超导电缆进行降温；
所述第三检测组件包括：
多个测温光纤，分别设置于所述电缆骨架、A相导体层、第一绝缘层、B相导体层、第二绝缘层、C相导体层、第三绝缘层、屏蔽层中的任意两层之间或任意一层中，并沿所述超导电缆轴心均匀间隔设置；所述多个测温光纤的连接端通过所述恒温器上的多个贯通器引出，并与所述监控系统连接；所述多个测温光纤用于对超导电缆的沿线温度进行检测，并将检测得到的沿线温度发送给所述诊断组件。
7.根据权利要求6所述的高温超导电力传输系统，其特征在于，所述第四检测组件包括：
3个热电偶温度传感器，分别设置于所述三相超导电缆与终端连接处的第二绝缘层、第三绝缘层和第四绝缘层中，且分别与对应的A相导体层、B相导体层、C相导体层接触，以分别对接头处的A相导体层、B相导体层、C相导体层的温度进行检测，并将检测得到的接头温度发送给所述诊断组件。
8.根据权利要求7所述的高温超导电力传输系统，其特征在于，所述诊断组件包括第一判断单元、第二判断单元、第三判断单元、第四判断单元；
所述第一判断单元，用于根据所述三相电流、零序电流、三相电压、超导电缆的损耗功率与对应预设阈值的比较结果判断是否存在电气量故障或异常；
所述第二判断单元，用于根据所述第一液氮压力信号、第二液氮压力信号、第三液氮压力信号、第四液氮压力信号、第一液氮流量信号、第二液氮流量信号、第一液氮温度信号、第二液氮温度信号、第三液氮温度信号、第四液氮温度信号与对应预设阈值的比较结果判断是否存在液氮状态故障或异常；
所述第三判断单元，用于根据所述沿线温度与预设阈值的比较结果判断是否存在电缆沿线温度故障或异常；
所述第四判断单元，用于根据所述接头温度与预设阈值的比较结果判断是否存在电缆接头温度故障或异常。
9.根据权利要求8所述的高温超导电力传输系统，其特征在于，所述第二判断单元具体包括：
流量偏低判断单元，用于根据所述第一液氮流量信号或第二液氮流量信号与预设阈值的比较结果判断是否存在超导电缆液氮流量偏低故障或异常；
流量差越域判断单元，用于根据所述第一液氮流量信号、第二液氮流量信号计算液氮流量差，并根据所述液氮流量差与预设阈值的比较结果判断是否存在超导电缆液氮流量差越域故障或异常；
电缆入口温度判断单元，用于根据所述第一液氮温度信号与预设阈值的比较结果判断是否存在超导电缆入口温度越域故障或异常；
电缆出口温度判断单元，用于根据所述第二液氮温度信号与预设阈值的比较结果判断是否存在超导电缆出口温度越域故障或异常；
超导电缆压力差判断单元，用于根据所述第一液氮压力信号、第二液氮压力信号计算超导电缆进出口压力差，并根据所述超导电缆进出口压力差与预设阈值的比较结果判断是否存在超导电缆进出口压力差过压越域故障或异常，或是否存在超导电缆进出口压力差欠压越域故障或异常。
10.根据权利要求9所述的高温超导电力传输系统，其特征在于，所述第二判断单元具体还包括：
制冷机入口温度判断单元，用于根据所述第三液氮温度信号与预设阈值的比较结果判断是否存在制冷机入口温度越域故障或异常；
制冷机出口温度判断单元，用于根据所述四液氮温度信号与预设阈值的比较结果判断是否存在制冷机出口温度越域故障或异常；
制冷机压力差判断单元，用于根据所述第三液氮压力信号、四液氮压力信号计算制冷机进出口压力差，并根据所述制冷机进出口压力差与预设阈值的比较结果判断是否存在制冷机进、出口压力差过压越域故障或异常，或是否存在制冷机进、出口压力差欠压越域故障或异常。
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