CN112484874A - 一种传导冷却高温超导电缆温度传感结构及温度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传导冷却高温超导电缆温度传感结构及温度检测方法，包括超导电缆试验腔体、超导带材、超导电缆支撑管、铂电阻、制冷机冷头和温度监视器；超导电缆支撑管置于超导电缆试验腔体中，在超导电缆支撑管上缠绕有超导带材，多个铂电阻按照点式分布方式布置于超导带材上，通过铂电阻引线将各铂电阻分别连接至温度监视器。实时向温度监视器传输被测点的温度数据，将被测点数据进行拟合，输出温度T‑x曲线。本发明测量传导冷却高温超导电缆温度场的过程抗干扰能力强，温度检测可靠，能够实现对高温超导电缆的温度进行实时检测，快速的为失超保护系统提供温度反馈信号，保证传导冷却高温超导电缆的稳定运行。

Description

一种传导冷却高温超导电缆温度传感结构及温度检测方法

技术领域

本发明属于超导电缆领域，涉及高温超导电缆运行过程中温度场的测量技术，尤其是传导冷却方式下的测量方法。

背景技术

随着超导技术的发展，高温超导电缆已经被各国广泛的研究，目前已经建成多条超导电缆的示范项目。高温超导电缆要实现稳定运行的一个关键研究点就是超导带材的稳定运行问题。在运行过程中，如果出现过流、过热、机械应变等外部扰动，超导带材将会由超导态变为正常态，即所谓的失超现象。研究发现高温超导带材的失超传播速度非常快，极易导致热量积累，从而使超导电缆内部局部产生温度过高，如果不能及时的将发热点信息反馈给保护系统，将有可能对整个系统带来灾难性的伤害。

采用光纤光栅检测温度的方法，在超导电缆降温到超导态时，容易失去活性，而采用铂电阻检测温度方法，在低温环境下的测量结果比较稳定，能精确地测量出电缆超导层的温度变化，同时本专利涉及的高温超导电缆通直流电，传感器受电磁干扰较小。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题是提供测量传导冷却高温超导电缆温度场的装置以及实施的方法，监测高温超导电缆的稳定运行。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种传导冷却高温超导电缆温度传感结构，包括超导电缆试验腔体、超导带材、超导电缆支撑管、铂电阻、制冷机冷头和温度监视器；

超导电缆支撑管置于超导电缆试验腔体中，在超导电缆支撑管上缠绕有超导带材，多个铂电阻按照点式分布方式布置于超导带材上，通过铂电阻引线将各铂电阻分别连接至温度监视器。

作为优选，所述铂电阻通过清漆粘贴在超导带材上，并通过聚酰亚胺胶带固定。

作为优选，所述点式分布方式为，分布于超导带材接头部分的铂电阻数量n≥3，分布于超导带材非接头部分的铂电阻数量m≤2。

作为优选，所述超导电缆试验腔体上设有连接至压缩机的制冷机冷头，制冷机冷头上带有热锚，传导引线缠绕在热锚上热锚定。

作为优选，所述超导电缆支撑管为不锈钢管；所述热锚采用铜线轴。

作为优选，在贯穿超导电缆试验腔体的超导电缆支撑管两端设有密封圈。

进而，本发明实施例还提供了一种传导冷却高温超导电缆温度检测方法，包括以下步骤：

步骤1，沿超导电缆轴向在接头部分和非接头部分按照点式分布方式布置铂电阻；

步骤2，铂电阻将获取的超导带材运行过程中被测点的温度信息传输至温度监视器；

步骤3，将被测点所有铂电阻的温度平均值进行多项式拟合，得到超导带材沿轴向的温度分布。

其中，本发明的拟合多项式采用三次样条插值；M_j由插值条件、连续性条件以及边界条件得到。

本发明的温度监视器的采样频率范围为1～10Hz，显示分辨率为0.1mK。

本发明的有益效果体现在：

1.采用点式分布方式布置铂电阻：由于采用了点式分布方式布置铂电阻，在检测过程中只需要在温度容易升高的地方布置，特别是电缆接头部分，在实际长距离输运电流过程中检测电缆温度时，运用点式分布方式布置传感器是最合理的方法，拓展了本发明的适用范围。同时，铂电阻安装过程中对方向没有要求，只需要确定其布置的位置即可，操作方便。

2.采用了热锚定的方法：由于采用了高精度铂电阻作为温度传感器对传导冷却高温超导电缆进行温度检测，测量范围为20K～300K，测量范围广，为了消除引线产生的误差，对铂电阻引线进行热锚定，减小误差，使得本方法在超导电缆运行的极端温度条件下测量抗干扰能力强。

3.本发明将测量得到的温度数据进行三次样条插值：取被测点所有数据的平均值作为每个被测点位置的温度值，对这些值进行三次样条插值，得到传导冷却高温超导电缆超导层的温度分布，根据温度分布和电缆运行状态之间的关系，判断传导冷却高温超导电缆的运行状况，在发生故障时可及时判断有没有必要采取保护措施。

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。

图1是传导冷却高温超导电缆温度检测流程图；

图2是本发明超导电缆温度传感结构原理图；

图3(a)～(d)为本发明铂电阻安装步骤示意图；

图4是电缆运行状态与温度的关系图。

图中：10、超导带材；20、超导电缆支撑管；30、铂电阻；40、铂电阻引线；50、航空插头；60、制冷机冷头；70、超导电缆试验腔体；80、热锚；90、温度监视器；100、清漆；110、聚酰亚胺胶带。

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。

本实施例涉及传导冷却高温超导电缆温度传感结构及温度检测方法，所述方法包括如下步骤：

本实施例中，传导冷却高温超导电缆温度传感结构是由多个铂电阻、热锚、铂电阻引线以及温度监视器组成，铂电阻的精度为0.1K，测量范围必须大于超导电缆运行的温度，本实施例中选用Bi系带材绕制的高温超导电缆，正常运行范围为50K～80K，因此本发明采用的铂电阻测量的温度范围为20K～300K，满足测量要求。

在本实施例中，传导冷却高温超导电缆温度传感结构必须加一个参考项，为了避免制冷机故障引起数据采集的错误，在制冷机冷头的表面粘贴一个铂电阻，用来监测制冷机是否正常工作，同时在制冷机出现故障不能正常制冷的情况下，及时采取措施保护整个系统的安全。

参见图1，本发明实施例提供的一种传导冷却高温超导电缆温度检测方法，包括以下步骤：

1)沿超导电缆轴向在接头部分和非接头部分按照点式分布方式布置铂电阻。

2)铂电阻将获取的超导带材运行过程中被测点的温度信息传输至温度监视器；温度监视器(90)的采样频率范围为1～10Hz，显示分辨率为0.1mK。

3)将被测点所有铂电阻的温度平均值进行多项式拟合，得到被测点温度。

拟合多项式采用三次样条插值，公式如下：

式中，T(x)为经过被测点x₀，x₁，x₂，…,x_n上的三次样条插值函数；M_j为被测点x_j处温度T(x_j)的二阶导数值；x_j为被测点的坐标值；h_j为被测点x_j+1和x_j之间的间距；

M_j由插值条件、连续性条件以及边界条件得到：

插值条件为：

T(x_j)＝y_j(j＝0,1,···n)

式中，T(x_j)表示各被测点的函数值，y_j表示测量得到的被测点温度值

各被测点温度函数值T(x_j)用每个点上所有传感器数据的平均值表示：

式中，y_ji表示j点处第i个铂电阻的温度数据，n表示被测点铂电阻的数目；

连续性条件为：

T^p(x_j-0)＝T^p(x_j+0)，p＝0,1,2

式中，T^p(x_j-0)在p＝0,1,2时分别表示T(x)在区间[x_j-1,x_j]上的函数表达式，一阶导数表达式以及二阶导数表达式，T^p(x_j+0)在p＝0,1,2时分别表示T(x)在区间[x_j,x_j+1]上的函数表达式，一阶导数表达式以及二阶导数表达式；

边界条件为：

式中，q(x_j)表示在被测点x_j处的冷流密度，λ表示超导带材的热导率。

在本实施例中检测传导冷却超导电缆的实施方法须依附于图2所示的温度检测装置。首先要根据铂电阻温度传感器铺设步骤布置铂电阻，布置完成后，进行试验，采集实验过程中的数据，最后对采集到的数据进行处理，根据电缆运行过程中超导电缆沿轴向的温度分布判断电缆运行状态，从而利用温度对传导冷却高温超导电缆的运行进行监视。

如图2所示，本实施例中，温度检测装置以及实施都是基于传导冷却高温超导试样腔体80，该腔体满足试验要求所必须达到的条件，温度能降到50K～80K的温度范围，并且能对电缆进行通电测试，对通电过程中超导电缆的温度分布进行检测。

如图2所示，本实施例提供的温度检测装置，包括超导电缆试验腔体70、超导带材10、超导电缆支撑管20、铂电阻30、制冷机冷头60和温度监视器90；超导电缆支撑管20置于超导电缆试验腔体70中，在超导电缆支撑管20上缠绕有超导带材10，多个铂电阻30按照点式分布方式布置于超导带材10上，通过铂电阻引线40分别连接至温度监视器90。

其中，各铂电阻30沿超导带材10轴向按点式分布方式布置，分布于超导带材10接头部分的铂电阻30数量n≥3，分布于超导带材10非接头部分的铂电阻数量m≤2。铂电阻30通过清漆100粘贴在超导带材上，并通过聚酰亚胺胶带110固定。超导电缆试验腔体70上设有连接至压缩机的制冷机冷头60，制冷机冷头60上带有热锚80，铂电阻引线40缠绕在热锚80上热锚定；热锚80采用铜线轴。超导电缆支撑管20为不锈钢管，在贯穿超导电缆试验腔体70的超导电缆支撑管20两端设有密封圈。

如图3(a)～(d)所示，铂电阻30按照图3所示步骤安装到超导带材10上，首先给铂电阻定位(如图3a)，沿着超导电缆轴向方向布置铂电阻，因为测量温度与铂电阻的方位角没有关系，因此定位的过程中只需要考虑安装方便将其安装在要布置的点并做标记线；其次用聚酰亚胺胶带110将铂电阻引线40固定(如图3b)，均匀涂抹清漆，在本实施例中，铂电阻采用的清漆100相对容易固化，因此将其按压4～5分钟，然后静置24小时让其充分固化(如图3c)，最后移除聚酰亚胺胶带(如图3d)。

在本实施例中，引线必须是良好的电导体，但不应是良好的热导体，否则热量会沿引线传递并改变传感器的温度读数，为了减小传感器引线的误差，在本实施例中，将热锚80(铜线轴)固定在冷头的表面，引线缠绕在热锚80上进行热锚定。铂电阻引线40采用磷铜线，通过安装在试验腔体上的航空插头50与温度监视器90相连，采用细线绝缘，避免传感器短路，在真空腔外界的室温侧使用铜引线，在本实施例中，铂电阻的连接采用四线制的接法，采用四线制的优点就是可以消除引线电阻对测量的影响，在四引线测量中，电流引线和电压引线分别连接传感器。对于独立的电压引线来说，引线中的电流很小，因此它们的电阻不会被引入到测量结果中。

在本实施例中超导电缆支撑管20为不锈钢材料。并且，为保证测量的准确性，在贯穿超导电缆试验腔体70的超导电缆支撑管20两端设有密封圈。

安装完成后，启动实验，利用传导冷却高温超导电缆实验系统冷却超导电缆至50K～80K之间，记录降温过程中超导电缆被测点的温度数据，并且通过安装在制冷机冷头上的铂电阻对制冷机的工作状态进行监视，确保制冷机的正常工作，在超导电缆进入超导态后，利用可编程直流电源，调节通过超导电缆的电流大小，记录超导电缆在正常电流下和大电流冲击下的温度分布数据，根据温度监视器采集到的数据进行处理，得到被测点温度值T₁，T₂，…，T_n，将所有被测点的温度值进行三次样条拟合，得到高温超导电缆超导层轴向的温度分布。

根据图4，判断不同电流下高温超导电缆的工作状态，若所有点的温度T_uk＜80K，电缆处于正常工作区(如图4①)；若有未知点温度80K＜T_uk＜90K，电缆处于正常工作区和故障区之间的过渡区(如图4②)，需要对电缆的故障进行排查；若有未知点温度90K＜T_uk，电缆处于故障区(如图4③)，立即切断电源保护电缆，对超导电缆的安全运行进行实时监视。

综上所述，本发明实施过程中采用了高精度铂电阻作为温度传感器对传导冷却高温超导电缆进行温度检测，采用点式分布方式布置铂电阻，在检测过程中只需要在温度容易升高的地方布置，特别是超导层带材接头部分，铂电阻的测量范围为20K～300K，测量范围广，同时为了减小引线产生的误差，对铂电阻引线进行热锚定，使得本方法在超导电缆运行的极端温度条件下测量抗干扰能力强。最后将所有被测点温度值进行插值拟合，得到传导冷却高温超导电缆超导层的温度分布，根据温度分布与电缆运行状态之间的关系，判断传导冷却高温超导电缆的运行状况。在本实施例中，本发明能实时的对传导冷却高温超导电缆超导层降温过程中和通电情况下的温度分布进行检测，出现故障时能及时响应，结果精确，能满足高温超导电缆热特性试验研究。

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。

Claims (10)

1.一种传导冷却高温超导电缆温度传感结构，其特征在于，包括超导电缆试验腔体(70)、超导带材(10)、超导电缆支撑管(20)、铂电阻(30)、制冷机冷头(60)和温度监视器(90)；

所述超导电缆支撑管(20)置于超导电缆试验腔体(70)中，在超导电缆支撑管(20)上缠绕有超导带材(10)，多个铂电阻(30)按照点式分布方式布置于超导带材(10)的接头和非接头部分，通过铂电阻引线(40)将各铂电阻(30)分别连接至温度监视器(90)。

2.根据权利要求1所述的一种传导冷却高温超导电缆温度传感结构，其特征在于，所述铂电阻(30)通过清漆(100)粘贴在超导带材(10)上，并通过聚酰亚胺胶带(110)固定。

3.根据权利要求1所述的一种传导冷却高温超导电缆温度传感结构，其特征在于，所述点式分布方式为，分布于超导带材(10)接头部分的铂电阻(30)数量n≥3，分布于超导带材(10)非接头部分的铂电阻(30)数量m≤2。

4.根据权利要求1所述的一种传导冷却高温超导电缆温度传感结构，其特征在于，所述超导电缆试验腔体(70)上设有连接至压缩机的制冷机冷头(60)，制冷机冷头(60)上带有热锚(80)，铂电阻引线(40)缠绕在热锚(80)上热锚定。

5.根据权利要求1-4所述的一种传导冷却高温超导电缆温度传感结构，其特征在于，所述超导电缆支撑管(20)为不锈钢管；所述热锚(80)采用铜线轴。

6.根据权利要求1所述的一种传导冷却高温超导电缆温度传感结构，其特征在于，在贯穿超导电缆试验腔体(70)的超导电缆支撑管(20)两端设有密封圈。

7.一种权利要求1-6任一项所述的传导冷却高温超导电缆温度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，沿超导电缆轴向，在超导电缆的超导带材接头和非接头部分按照点式分布方式布置铂电阻；

步骤2，铂电阻将获取的超导带材运行过程中被测点的温度信息传输至温度监视器；

步骤3，将被测超导带材上所有铂电阻测得的温度平均值进行多项式拟合，得到被测超导电缆的超导带材沿轴向的温度分布。

8.根据权利要求7所述的传导冷却高温超导电缆温度检测方法，其特征在于，所述拟合多项式采用三次样条插值，公式如下：

式中，T(x)为经过被测点x₀，x₁，x₂，…,x_n上的三次样条插值函数；M_j为被测点x_j处温度T(x_j)的二阶导数值；x_j为被测点的坐标值；h_j为x_j+1和x_j之间的间距。

9.根据权利要求8所述的传导冷却高温超导电缆温度检测方法，其特征在于，所述M_j由插值条件、连续性条件以及边界条件得到：

插值条件为：

T(x_j)＝y_j(j＝0,1,…n)

式中，T(x_j)表示各被测点的温度函数值，y_j表示测量得到的被测点温度值；

各被测点温度函数值T(x_k)用每个点上所有传感器数据的平均值表示：

式中，y_ji表示j点处第i个铂电阻的温度数据，n表示被测点铂电阻的数目；

连续性条件为：

T^p(x_j-0)＝T^p(x_j+0)，p＝0,1,2

式中，T^p(x_j-0)在p＝0,1,2时分别表示T(x)在区间[x_j-1,x_j]上的函数表达式、一阶导数表达式以及二阶导数表达式，T^p(x_j+0)在p＝0,1,2时分别表示T(x)在区间[x_j,x_j+1]上的函数表达式、一阶导数表达式以及二阶导数表达式；

边界条件为：

式中，q(x_j)表示在被测点x_j处的冷流密度，λ表示超导带材的热导率。

10.根据权利要求7所述的传导冷却高温超导电缆温度检测方法，其特征在于，所述温度监视器的采样频率范围为1～10Hz，显示分辨率为0.1mK。

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