CN112600173A - 一种高温超导电缆监控保护系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高温超导电缆监控保护系统及其方法，所述系统包括：监控系统以及与监控系统电连接的测温光纤、告警器、保护装置；测温光纤用于测量高温超导电缆的沿线温度，并将测得的沿线温度发送给监控系统；监控系统包括数据接收单元、第一判断单元、第二判断单元、第三判断单元和指令生成单元；监控系统沿线温度判断是否切除或告警根据判断结果生成对应的切除指令或告警指令，将切除指令下发给保护装置，或将告警指令下发给告警器；告警器用于响应于接收到告警指令，进行高温超导电缆失超告警；保护装置用于响应于接收到切除指令，切除高温超导电缆。通过本发明，能够提高根据高温超导电缆温度参数进行电缆失超判断的准确性。

Description

一种高温超导电缆监控保护系统及其方法
技术领域
本发明涉及高温超导电缆技术领域，具体涉及一种高温超导电缆监控保护系统及其方法。
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，超导电缆的建设应用及运维管理技术正日益成熟。
引发超导电缆失超故障的因素较多，主要包括冷却系统故障、超导电缆本体异常、电力系统短路故障等。其中，高温超导电缆本体的温度是判断高温超导电缆本体异常的重要判据，目前主要是采用热电偶或热电阻进行温度检测，当检测的温度大于设定阈值时，判断是超导电缆本体异常，并进行超导电缆切除保护。
传统热电偶或热电阻的温度传感器点式测量，例如，以PT100铂电阻传感器测量一根500m长的电缆的温度分布，若每隔1米布置一个传感器，则需要在电缆内部安装500个传感器探头，每个传感器需要4根信号线，则共有2000根信号线，每根信号线需要沿电缆连接到测控监控系统。若要得到更准确的温度分布，则需要更多传感器和信号线。如此大量的信号线会给布线、出线以及电缆制作带来很大的困难，也会对高温超导电缆的本身结构和其绝缘性能造成不利影响，这在工程实践应用中是不可能实现的。
此外，高温超导电缆一般运行于高压大电流条件下，传统热电偶或热电阻的温度传感器所受电磁干扰较大，会影响测量结果的准确性；并且，超导电缆本体异常的判断策略也较简单，考虑的因素较单一，因此，容易产生误判断，从而误操作切除超导电缆。
发明内容
本发明旨在提出一种高温超导电缆监控保护系统及其方法，以提高根据高温超导电缆温度参数进行电缆失超判断的准确性。
为此，根据第一方面，本发明实施例提出一种高温超导电缆监控保护系统，所述系统包括监控系统以及与所述监控系统电连接的测温光纤、告警器、保护装置；
所述测温光纤用于测量所述高温超导电缆的沿线温度，并将测得的沿线温度发送给监控系统；所述沿线温度包括高温超导电缆沿线任一点温度以及平均温度；
所述监控系统包括数据接收单元、第一判断单元、第二判断单元、第三判断单元和指令生成单元；所述数据接收单元用于接收所述测温光纤所检测的所述沿线温度，并分别转发给第一判断单元、第二判断单元、第三判断单元；所述第一判断单元用于根据所述高温超导电缆沿线任一点温度与预设温度阈值的比较结果判断是否进行切除保护或告警；所述第二判断单元用于根据所述高温超导电缆沿线平均温度与预设温度阈值的比较结果判断是否进行切除保护或告警；所述第三判断单元用于根据所述高温超导电缆沿线任一点温度获得高温超导电缆沿线的温度变化波形特征图，并根据所述温度变化波形特征图判断是否进行切除保护或告警；所述指令生成单元用于响应于接收到所述第一判断单元、第二判断单元或第三判断单元的判断结果，根据所述判断结果生成对应的切除指令或告警指令，将所述切除指令下发给保护装置，或将所述告警指令下发给告警器；
所述告警器用于响应于接收到所述告警指令，进行高温超导电缆失超告警；
所述保护装置用于响应于接收到所述切除指令，切除所述高温超导电缆。
可选地，所述第一判断单元具体用于：
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时，判断进行告警；
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时，判断进行切除保护。
可选地，所述第二温度阈值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。
可选地，所述第二判断单元具体用于：
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时，判断进行告警；
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时，判断进行切除保护。
可选地，所述第三判断单元包括：
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；
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；
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进行切除保护或告警。
可选地，所述执行判断单元具体用于：
当任一个局部失超区域的宽度满足di>rL，或多个局部失超区域的宽度满足
Figure BDA0002810937900000041
时，判断进行告警；
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 BDA0002810937900000042
时，判断进行切除保护；
其中，di为第i个局部失超区域的宽度，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。
可选地，所述系统还包括通知单元；
所述第一判断单元具体用于：当判断进行告警时，获取高温超导电缆沿线上温度大于预先设定的第一温度值的所有点的位置信息，并将位置信息和判断结果发送给所述通知单元；以及，当判断进行切除保护时，获取高温超导电缆沿线上温度大于预先设定的第三温度值的所有点的位置信息，并将位置信息和判断结果发送给所述通知单元；
所述通知单元用于响应于接收到所述第一判断单元的位置信息和判断结果，生成对应的第一通知信息，并将所述第一通知信息发送至预先设置的运维人员的手机上；所述第一通知信息包括接收到的位置信息和判断结果。
可选地，所述第二判断单元具体用于：当判断进行告警或切除保护时，将判断结果发送给所述通知单元；
所述通知单元用于响应于接收到所述第二判断单元的判断结果，生成对应的第二通知信息，并将所述第二通知信息发送至预先设置的运维人员的手机上；所述第二通知信息包括接收到的判断结果。
可选地，所述第三判断单元具体用于：当判断进行告警或切除保护时，将一个或多个局部失超区域的位置和判断结果发送给所述通知单元；
所述通知单元用于响应于接收到所述第三判断单元的位置信息和判断结果，生成对应的第三通知信息，并将所述第三通知信息发送至预先设置的运维人员的手机上；所述第三通知信息包括接收到的位置信息和判断结果。
根据第二方面，本发明实施例还提出一种高温超导电缆监控保护方法，其基于第一方面实施例所述的电缆保护系统实现，所述方法包括如下步骤：
测温光纤测量所述高温超导电缆的沿线温度，并将测得的沿线温度发送给监控系统；所述沿线温度包括高温超导电缆沿线任一点温度以及平均温度；
监控系统的数据接收单元接收所述测温光纤所检测的所述沿线温度，并分别转发给第一判断单元、第二判断单元、第三判断单元；
第一判断单元根据所述高温超导电缆沿线任一点温度与预设温度阈值的比较结果判断是否进行切除保护或告警；
第二判断单元根据所述高温超导电缆沿线平均温度与预设温度阈值的比较结果判断是否进行切除保护或告警；
第三判断单元根据所述高温超导电缆沿线任一点温度获得高温超导电缆沿线的温度变化波形特征图，并根据所述温度变化波形特征图判断是否进行切除保护或告警；
指令生成单元响应于接收到所述第一判断单元、第二判断单元或第三判断单元的判断结果，根据所述判断结果生成对应的切除指令或告警指令，将所述切除指令下发给保护装置，或将所述告警指令下发给告警器；
告警器响应于接收到所述告警指令，进行高温超导电缆失超告警；
保护装置响应于接收到所述切除指令，切除所述高温超导电缆。
本发明实施例提出一种高温超导电缆监控保护系统及其方法，由基于沿线平均温度的保护方案、基于沿线温度变化波形特征的保护方案、基于沿线各点温度的保护方案综合构成；基于沿线平均温度的保护方案考虑超导电缆整体失超情况，基于沿线各点温度的保护方案考虑超导电缆能够承受的极限温度，基于沿线温度变化波形特征的保护方案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，不仅可以反映各种失超故障，而且可以实现失超区域定位；相对于现有技术而言，本发明实施例提高了超导电缆基于温度的失超保护的整体性能。
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缆监控保护系统的结构示意图。
图2为本发明实施例中多分辨形态学梯度变换示意图。
图3为本发明实施例中另一种高温超导电缆监控保护系统的结构示意图。
图4为本发明实施例中第一个例子所述测温光纤的布置方式示意图。
图5为本发明实施例中第二个例子所述测温光纤的布置方式示意图。
图6为本发明实施例中第二个例子所述测温光纤的一种具体布置方式示意图。
图7为本发明实施例中第二个例子所述测温光纤的另一种具体布置方式示意图。
图8为本发明实施例中第三个例子所述测温光纤的布置方式示意图。
图9为本发明实施例中一种高温超导电缆监控保护方法流程图。
图中标记：
1-监控系统，11-数据接收单元，12-第一判断单元，13-第二判断单元，14-第三判断单元，141-特征图生成单元，142-失超区域确定单元，143-执行判断单元，15-指令生成单元，16-通知单元；2-测温光纤；3-告警器；4-保护装置。
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，本发明一实施例提出一种高温超导电缆监控保护系统，所述系统包括监控系统1以及与所述监控系统1电连接的测温光纤2、告警器3、保护装置4；
其中，所述测温光纤2用于测量所述高温超导电缆的沿线温度，并将测得的沿线温度发送给监控系统1；所述沿线温度包括高温超导电缆沿线任一点温度以及平均温度；
具体而言，所述平均温度根据所述高温超导电缆沿线任一点温度进行计算得到。
其中，所述监控系统1包括数据接收单元11、第一判断单元12、第二判断单元13、第三判断单元14和指令生成单元15；
所述数据接收单元11用于接收所述测温光纤2所检测的所述沿线温度，并分别转发给第一判断单元12、第二判断单元13、第三判断单元14；
所述第一判断单元12用于根据所述高温超导电缆沿线任一点温度与预设温度阈值的比较结果判断是否进行切除保护或告警；
所述第二判断单元13用于根据所述高温超导电缆沿线平均温度与预设温度阈值的比较结果判断是否进行切除保护或告警；
所述第三判断单元14用于根据所述高温超导电缆沿线任一点温度获得高温超导电缆沿线的温度变化波形特征图，并根据所述温度变化波形特征图判断是否进行切除保护或告警；
所述指令生成单元15用于响应于接收到所述第一判断单元12、第二判断单元13或第三判断单元14的判断结果，根据所述判断结果生成对应的切除指令或告警指令，将所述切除指令下发给保护装置4，或将所述告警指令下发给告警器3。
其中，所述告警器3用于响应于接收到所述告警指令，进行高温超导电缆失超告警；
具体而言，所述告警器3的告警方式可以是语音告警、指示灯报告警或二者的结合。
其中，所述保护装置4用于响应于接收到所述切除指令，切除所述高温超导电缆。
具体而言，所述保护装置4根据所述切除指令，输出断路器跳闸信号至高温超导电缆的断路器，控制断路器跳闸，断开高温超导电缆。
具体而言，测温光纤2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2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，所述数据接收单元11，用于响应于接收到所述多个沿线温度，将所述多个沿线温度进行加权求和计算得到超导电缆的真实沿线温度，并将该真实沿线温度输出至所述第一判断单元12、第二判断单元13、第三判断单元14；
具体而言，对于每根测温光纤2而言，不可避免地会存在一定测量误差，多根测温光纤2对于同一目标物体的温度测量结果可能会有偏差，因此，本实施例中对于多根测温光纤2事先进行测温试验，确定多根测温光纤2的偏差，并根据偏差情况赋予权重系数，多根测温光纤2所测得的多个沿线温度分别乘以相应的权重系数之后相加得到超导电缆的真实沿线温度。
在一些实施例中，所述第一判断单元12具体用于：
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时，判断进行超导电缆沿线各点温度越域告警；
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时，判断进行切除保护。
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时，发出告警命令，超出极限温度，即第二温度值时，直接发跳闸命令，进行切除保护。所述第二温度值大于第一温度值。
可选地，所述第二温度阈值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。
在一些实施例中，所述第二判断单元13具体用于：
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时，
判断进行超导电缆平均温度越域告警；
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时，判断进行切除保护。
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，即第三温度值时，给运维人员发出告警信号，当超导电缆的平均温度大于高定值，即第四温度值时，立即发出跳闸命令，切除超导电缆。所述第四温度值大于第三温度值。
需说明的是，由于负荷波动和失超故障均会引起超导电缆温度变化，而且温度变化较为缓慢，因此仅根据超导电缆温度变化率难以区分负荷波动和失超故障，因此本实施例中不考虑温度变化率作为保护判据。
在一些实施例中，所述第三判断单元14包括：
所述特征图生成单元141，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 BDA0002810937900000111
(E为欧式空间)和
Figure BDA0002810937900000112
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 BDA0002810937900000113
Figure BDA0002810937900000114
定义形态学梯度(MG)为：
Figure BDA0002810937900000115
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,gl}
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 BDA0002810937900000116
为：
Figure BDA0002810937900000117
Figure BDA0002810937900000118
Figure BDA0002810937900000121
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2所示。
所述失超区域确定单元142，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2，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143，用于根据所述一个或多个局部失超区域的宽度判断是否切除保护或告警。
可选地，所述执行判断单元143具体用于：
当任一个局部失超区域的宽度满足di>rL，判断进行超导电缆沿线失超宽度越域告警；
当多个局部失超区域的宽度满足
Figure BDA0002810937900000122
时，判断进行超导电缆总失超宽度占比越域告警；
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 BDA0002810937900000123
时，则判断进行切除保护；
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。
具体而言，所述指令生成单元15用于响应于接收到所述第一判断单元12、第二判断单元13或第三判断单元14的判断结果，根据所述判断结果生成对应的告警指令，告警内容不同，则具体的告警指令内容不同，所述告警器3根据不同的告警指令，进行不同形式的告警，例如采用不同颜色的指示灯，又例如采用不同频率的声音报警，等等。
在一些实施例中，参阅图3，所述系统还包括通知单元16；
所述第一判断单元12具体用于：当判断进行告警时，获取高温超导电缆沿线上温度大于预先设定的第一温度值的所有点的位置信息，并将位置信息和判断结果发送给所述通知单元16；以及，当判断进行切除保护时，获取高温超导电缆沿线上温度大于预先设定的第三温度值的所有点的位置信息，并将位置信息和判断结果发送给所述通知单元16；
所述通知单元16用于响应于接收到所述第一判断单元12的位置信息和判断结果，生成对应的第一通知信息，并将所述第一通知信息发送至预先设置的运维人员的手机上；所述第一通知信息包括接收到的位置信息和判断结果。
可选地，所述第二判断单元13具体用于：当判断进行告警或切除保护时，将判断结果发送给所述通知单元16；
所述通知单元16用于响应于接收到所述第二判断单元13的判断结果，生成对应的第二通知信息，并将所述第二通知信息发送至预先设置的运维人员的手机上；所述第二通知信息包括接收到的判断结果。
可选地，所述第三判断单元14具体用于：当判断进行告警或切除保护时，将一个或多个局部失超区域的位置和判断结果发送给所述通知单元16；
所述通知单元16用于响应于接收到所述第三判断单元14的位置信息和判断结果，生成对应的第三通知信息，并将所述第三通知信息发送至预先设置的运维人员的手机上；所述第三通知信息包括接收到的位置信息和判断结果。
示例性地，所述超导电缆为三相同轴超导电缆，所述三相同轴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、低温容器，其中所述电缆骨架内部、所述低温容器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；其中，三相同轴超导电缆带材厚度约为0.3mm、带材层数为两层、绝缘层厚度为1.5mm左右。考虑光纤绕制、固定、机械强度以及对超导电缆导体层绕制与电场的影响，优选地，本实施例给出以下三种具体光纤布局例子。
在第一个例子中，如图4所示，所述多个测温光纤2为3个，3个测温光纤2相互之间角度间隔120°，以增加光纤测温的可靠性、及时检测到温度异常点的位置；所述3个测温光纤2沿所述电缆骨架外表面螺旋缠绕或嵌设于所述电缆骨架的凹槽中。
具体而言，将两根0.5mm非金属套管紧包双芯光纤沿电缆骨架螺旋缠绕，在其上绕一层绝缘层后再绕制A相导体；若波纹管为螺旋状螺距，且间距较远，将光纤安装于骨架上的凹槽内为最佳。其预埋示意图如图4所示。
本例子中，3根光纤可直接检测A相导体温度分布，若B、C相导体上产生热点，则通过电缆径向传热被检测到。本例子光纤和电缆导体层绕制均较为方便，对电缆绝缘的影响也较小。
在第二个例子中，参阅图5，所述多个测温光纤2为4个，4个测温光纤2相互之间角度间隔90°，以增加光纤测温的可靠性、及时检测到温度异常点的位置；所述A相导体层、B相导体层、C相导体层分别由内至外依次包括第一层超导带材、碳纸层和第二层超导带材；所述4个测温光纤2设置于所述B相导体层的第一层超导带材的带材之间的缝隙中。
具体而言，本例子中将4根0.165mm裸光纤或0.5mm非金属套管紧包光纤安装于B相超导带材之间的缝隙里，其布局示意如图5所示。
由于B相导体位于A相和C相之间，散热条件相对A、C两相导体较差，相对更容易发生热累积。加之三相同轴超导电缆结构紧凑、体积小，因此，将光纤预埋于B相同一层超导带材之间的缝隙里不仅可以直接检测B相的温度分布，同时也可以及时检测到A、C两相的温度变化情况。
为保证能及时检测到相导体层上的局部温度变化，在B相安装4根0.165mm裸光纤或0.5mm非金属套管紧包光纤，每根光纤角度间隔为90°。由于相导体所用超导带材厚度大约为0.3mm，每相带材层数为2层，0.165mm裸光纤和0.5mm紧包光纤的预埋有一定差异，其差异对比如图6和7所示。
其中，0.165mm裸光纤尺寸小于超导带材厚度，可直接放置于两根超导带材之间的缝隙里面，并在缝隙内填充粘接剂，例如聚酰亚胺树脂，一方面可固定光纤，同时也可增强光纤机械强度，并可尽量降低光纤凸起对电缆绝缘产生的影响。
其中，0.5mm紧包光纤尺寸大于超导带材厚度，但因内部裸光纤直径为0.165mm，且紧包外套的抗挤压能力强，将光纤预埋到第一层带材间的缝隙后，再铺设第二层带材时可通过碳纸和绝缘层挤压光纤的紧包外套，以避免光纤尺寸大于带材厚度而导致光纤预埋位置产生鼓包。
本例子中测温光纤2可直接监测B相导体温度，能及时检测到B相导体上的热扰动或温度异常点的位置，通过相间传热也可以对A、C相导体温度进行监测。缺点是0.165mm裸光纤强度低，对于400m长度的超导电缆来说，0.165mm裸光纤在预埋过程中折断几率大，故不能直接用于远距离超导电缆中，适用于短距离的超导电缆。而0.5mm紧包套管光纤相对于超导带材厚度(约为0.3mm)来说其尺寸较大，会给电缆结构造成一定影响，其预埋难度大，因此，0.5mm紧包套管光纤的方案适用于超导带材厚度较厚的场景，可以适当增加超导带材厚度。
在第三个例子中，所述多个测温光纤2为3个，3个测温光纤2相互之间角度间隔120°，以增加光纤测温的可靠性、及时检测到温度异常点的位置；所述3个测温光纤2设置于所述第四绝缘层与所述屏蔽层之间，敷设方式采用螺旋绕制或直线敷设。
具体而言，本例子中将0.5mm紧包光纤预埋于C相绝缘层与屏蔽层之间，敷设方式采用螺旋绕制或直线敷设，其预埋示意如图8所示。本例子中其光纤预埋对电缆结构及其绝缘性能影响较小，光纤预埋难度小，容易实现。
综上，例子一安装难度较低，对电缆结构的影响较小；缺点是只能监测单独的A相或C相导体温度分布，对其余两相测温效果差。而例子二直接将光纤安装于B相相导体间的缝隙中，可直接对B相导体温度分布进行监测，同时由于处于中间相，可通过相间传热对A、C相温度进行监测；缺点是光纤强度低、易折断，光纤预埋难度大，对电缆绝缘也将产生不利影响；且通过相间传热对A、C相温度进行监测，测温效果不理想。三种例子各有优缺点，具体可以结合具体应用条件(例如电缆长度、超导带材厚度等)以及三相同轴电缆A、B、C三相导体温度再确定。
参阅图9，本发明另一实施例还提出一种高温超导电缆监控保护方法，其基于上述实施例所述的电缆保护系统实现，所述方法包括如下步骤：
步骤S1、测温光纤测量所述高温超导电缆的沿线温度，并将测得的沿线温度发送给监控系统；所述沿线温度包括高温超导电缆沿线任一点温度以及平均温度；
步骤S2、监控系统的数据接收单元接收所述测温光纤所检测的所述沿线温度，并分别转发给第一判断单元、第二判断单元、第三判断单元；
步骤S3、第一判断单元根据所述高温超导电缆沿线任一点温度与预设温度阈值的比较结果判断是否进行切除保护或告警；
步骤S4、第二判断单元根据所述高温超导电缆沿线平均温度与预设温度阈值的比较结果判断是否进行切除保护或告警；
步骤S5、第三判断单元根据所述高温超导电缆沿线任一点温度获得高温超导电缆沿线的温度变化波形特征图，并根据所述温度变化波形特征图判断是否进行切除保护或告警；
步骤S6、指令生成单元响应于接收到所述第一判断单元、第二判断单元或第三判断单元的判断结果，根据所述判断结果生成对应的切除指令或告警指令，将所述切除指令下发给保护装置，或将所述告警指令下发给告警器；
步骤S7、告警器响应于接收到所述告警指令，进行高温超导电缆失超告警；
步骤S8、保护装置响应于接收到所述切除指令，切除所述高温超导电缆。
具体地，所述方法还包括：
步骤S9、当第一判断单元判断进行告警时，第一判断单元获取高温超导电缆沿线上温度大于预先设定的第一温度值的所有点的位置信息，并将位置信息和判断结果发送给所述通知单元；以及，当第一判断单元判断进行切除保护时，第一判断单元获取高温超导电缆沿线上温度大于预先设定的第三温度值的所有点的位置信息，并将位置信息和判断结果发送给所述通知单元；
步骤S10、所述通知单元响应于接收到所述第一判断单元的位置信息和判断结果，生成对应的第一通知信息，并将所述第一通知信息发送至预先设置的运维人员的手机上；所述第一通知信息包括接收到的位置信息和判断结果。
步骤S11、当第二判断单元判断进行告警或切除保护时，第二判断单元将判断结果发送给所述通知单元；
步骤S12、所述通知单元响应于接收到所述第二判断单元的判断结果，生成对应的第二通知信息，并将所述第二通知信息发送至预先设置的运维人员的手机上；所述第二通知信息包括接收到的判断结果。
步骤S13、当第二判断单元判断进行告警或切除保护时，将一个或多个局部失超区域的位置和判断结果发送给所述通知单元；
步骤S14、所述通知单元响应于接收到所述第三判断单元的位置信息和判断结果，生成对应的第三通知信息，并将所述第三通知信息发送至预先设置的运维人员的手机上；所述第三通知信息包括接收到的位置信息和判断结果。
需说明的是，本实施例方法与上述实施例系统对应，因此上述步骤S1～S14的具体步骤流程可以参阅上述实施例系统得到，此处不再赘述。
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)

1.一种高温超导电缆监控保护系统，其特征在于，所述系统包括监控系统以及与所述监控系统电连接的测温光纤、告警器、保护装置；
所述测温光纤用于测量所述高温超导电缆的沿线温度，并将测得的沿线温度发送给监控系统；所述沿线温度包括高温超导电缆沿线任一点温度以及平均温度；
所述监控系统包括数据接收单元、第一判断单元、第二判断单元、第三判断单元和指令生成单元；所述数据接收单元用于接收所述测温光纤所检测的所述沿线温度，并分别转发给第一判断单元、第二判断单元、第三判断单元；所述第一判断单元用于根据所述高温超导电缆沿线任一点温度与预设温度阈值的比较结果判断是否进行切除保护或告警；所述第二判断单元用于根据所述高温超导电缆沿线平均温度与预设温度阈值的比较结果判断是否进行切除保护或告警；所述第三判断单元用于根据所述高温超导电缆沿线任一点温度获得高温超导电缆沿线的温度变化波形特征图，并根据所述温度变化波形特征图判断是否进行切除保护或告警；所述指令生成单元用于响应于接收到所述第一判断单元、第二判断单元或第三判断单元的判断结果，根据所述判断结果生成对应的切除指令或告警指令，将所述切除指令下发给保护装置，或将所述告警指令下发给告警器；
所述告警器用于响应于接收到所述告警指令，进行高温超导电缆失超告警；
所述保护装置用于响应于接收到所述切除指令，切除所述高温超导电缆。
2.根据权利要求1所述的高温超导电缆监控保护系统，其特征在于，所述第一判断单元具体用于：
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时，判断进行告警；
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时，判断进行切除保护。
3.根据权利要求2所述的高温超导电缆监控保护系统，其特征在于，所述第二温度阈值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。
4.根据权利要求1所述的高温超导电缆监控保护系统，其特征在于，所述第二判断单元具体用于：
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时，判断进行告警；
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时，判断进行切除保护。
5.根据权利要求1所述的高温超导电缆监控保护系统，其特征在于，所述第三判断单元包括：
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；
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；
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进行切除保护或告警。
6.根据权利要求5所述的高温超导电缆监控保护系统，其特征在于，所述执行判断单元具体用于：
当任一个局部失超区域的宽度满足di>rL，或多个局部失超区域的宽度满足
Figure FDA0002810937890000031
时，判断进行告警；
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 FDA0002810937890000032
时，判断进行切除保护；
其中，di为第i个局部失超区域的宽度，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。
7.根据权利要求2所述的高温超导电缆监控保护系统，其特征在于，所述系统还包括通知单元；
所述第一判断单元具体用于：当判断进行告警时，获取高温超导电缆沿线上温度大于预先设定的第一温度值的所有点的位置信息，并将位置信息和判断结果发送给所述通知单元；以及，当判断进行切除保护时，获取高温超导电缆沿线上温度大于预先设定的第三温度值的所有点的位置信息，并将位置信息和判断结果发送给所述通知单元；
所述通知单元用于响应于接收到所述第一判断单元的位置信息和判断结果，生成对应的第一通知信息，并将所述第一通知信息发送至预先设置的运维人员的手机上；所述第一通知信息包括接收到的位置信息和判断结果。
8.根据权利要求7所述的基于电缆沿线温度变化波形的电缆保护系统，其特征在于，所述第二判断单元具体用于：当判断进行告警或切除保护时，将判断结果发送给所述通知单元；
所述通知单元用于响应于接收到所述第二判断单元的判断结果，生成对应的第二通知信息，并将所述第二通知信息发送至预先设置的运维人员的手机上；所述第二通知信息包括接收到的判断结果。
9.根据权利要求8所述的基于电缆沿线温度变化波形的电缆保护系统，其特征在于，所述第三判断单元具体用于：当判断进行告警或切除保护时，将一个或多个局部失超区域的位置和判断结果发送给所述通知单元；
所述通知单元用于响应于接收到所述第三判断单元的位置信息和判断结果，生成对应的第三通知信息，并将所述第三通知信息发送至预先设置的运维人员的手机上；所述第三通知信息包括接收到的位置信息和判断结果。
10.一种高温超导电缆监控保护方法，其基于权利要求1-9中任一项所述的电缆保护系统实现，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
测温光纤测量所述高温超导电缆的沿线温度，并将测得的沿线温度发送给监控系统；所述沿线温度包括高温超导电缆沿线任一点温度以及平均温度；
监控系统的数据接收单元接收所述测温光纤所检测的所述沿线温度，并分别转发给第一判断单元、第二判断单元、第三判断单元；
第一判断单元根据所述高温超导电缆沿线任一点温度与预设温度阈值的比较结果判断是否进行切除保护或告警；
第二判断单元根据所述高温超导电缆沿线平均温度与预设温度阈值的比较结果判断是否进行切除保护或告警；
第三判断单元根据所述高温超导电缆沿线任一点温度获得高温超导电缆沿线的温度变化波形特征图，并根据所述温度变化波形特征图判断是否进行切除保护或告警；
指令生成单元响应于接收到所述第一判断单元、第二判断单元或第三判断单元的判断结果，根据所述判断结果生成对应的切除指令或告警指令，将所述切除指令下发给保护装置，或将所述告警指令下发给告警器；
告警器响应于接收到所述告警指令，进行高温超导电缆失超告警；
保护装置响应于接收到所述切除指令，切除所述高温超导电缆。
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