CN112698118A - 三相同轴高温超导电缆通流试验系统及暂、稳态试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种三相同轴高温超导电缆通流试验系统及暂、稳态通流试验方法，所述试验系统包括电动感应调压器、低压大电流发生器、合闸断路器、电流互感器、隔离开关、三相同轴超导电缆系统、接地断路器、模拟负载、接地开关、控制台、综合测控保护装置。通过上述方式，本发明除了提供一种三相同轴超导电缆故障暂态通流试验系统，还提供一种三相同轴超导电缆故障暂态通流试验方法，保证整套试验系统可进行三相同轴高温超导电缆长时间大电流稳态通流试验和瞬时强电流暂态通流试验，并开展电缆运行参数同步监测。本发明具备安全可靠性、广泛适用性与参数可控性等显著优点。
Description
技术领域：
本发明属于超导电缆领域，具体涉及一种三相同轴高温超导电缆通流试验系统及暂、稳态通流试验方法。
背景技术：
城市电网负荷快速增长，新增或扩容现有送电线路面临着电缆隧道空间饱和、电缆载流能力不足与新增变配电设施征地成本过高等难题，导致部分城市负荷中心配电容量面临无法满足实际发展需求的困境。高温超导体通常是指在液氮温度(77K)以上超导的材料，主要为铜基氧化物，其超导临界转变温度均高于液氮的气化温度(77.3K)。利用高温超导材料制造的高温超导电缆在城市负荷中心的地下电缆系统或在特定环境下实现大容量输电方面具有很大的技术优势，能够成倍提升地下电网输电容量，从而解决负荷增长和地下空间受限之间的矛盾，打破城市电力传输瓶颈。
三相同轴高温超导电缆因各相结构差异，三相导体之间电磁耦合不均匀，往往会出现相间不平衡问题。当线路发生短路电流冲击或者不对称故障时，由于超导体失超产生电阻和发生热积累，三相同轴电缆中各相电流呈现转移分布现象，令屏蔽层感应电流、电缆电压以及等效参数等均会发生改变；当低温冷却环境和冷却介质也发生故障或改变时，由于不能及时移除累积热，持续上升的温度导致超导电缆失去稳定性，严重时甚至会造成电缆损坏。
目前对于三相同轴高温超导电缆的通流试验仅局限于在三相对称低压大电流稳态下进行额定通流能力试验。由于受限于大容量三相输电能力和真型试验能力，三相故障运行环境通常很难实现，因此对三相同轴高温超导电缆的暂态运行特性变化规律也缺少试验研究支撑，无法对试验参量进行综合监测和评判，难以实现对理论分析方法的验证。
发明内容：
针对现有技术的不足与改进需求，本发明的目的是提供一种三相同轴超导电缆故障暂态通流试验系统，另一目的是提供三相同轴超导电缆稳态通流与故障暂态通流试验方法，本发明保证整套试验系统可进行三相同轴高温超导电缆长时间大电流稳态通流试验和瞬时强电流暂态通流试验，并开展电缆试验参量同步监测。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种三相同轴高温超导电缆通流试验系统，包括电动感应调压器1、低压大电流发生器2、合闸断路器4、电流互感器5、隔离开关6、三相同轴高温超导电缆系统7、接地断路器8、模拟负载9、接地开关10、升流控制台3、综合测控保护装置11；
所述电动感应调压器1的输出端连接至低压大电流发生器2的输入端，通过升流控制台3控制电动感应调压器1和低压大电流发生器2产生试验所需的稳态试验电流和冲击电流；
所述合闸断路器4、隔离开关6、三相同轴超导电缆系统7、模拟负载9依次串联连接在所述低压大电流发生器的两电流输出端之间；
所述电流互感器4设置在隔离开关6和合闸断路器4之间；
在合闸断路器5和隔离开关6之间设置接地开关10；
接地断路器8并接在所述模拟负载9的两端；
所述综合测控保护装置11分别连接至升流控制台3、合闸断路器4、隔离开关6、接地断路器8和接地开关10，实现试验参量测试、试验回路控制与保护功能。
进一步优选地：
所述三相同轴高温超导电缆系统7包括三相同轴高温超导电缆70、超导电缆终端71、循环冷却监控装置72、不对称电流监测装置73、纳伏表74和电缆系统温度监控装置75；
所述循环冷却监控装置72设置在一侧超导电缆终端70处，用于为三相同轴高温超导电缆70和超导电缆终端71提供循环液氮作为冷却介质，并监测液氮质量流量、制冷功率以及液氮冷却回路出入口温度和压力监测值；
所述不对称电流监测装置73用于监测三相不对称状态下电缆中屏蔽层中流过的感应电流；
所述纳伏表安装在超导电缆终端70处，用于采集高温超导电缆端电压；
电缆系统温度监控装置75用于采集分析三相同轴高温超导电缆全长范围内的温度分布情况。
所述电缆系统温度监控装置75包括安装在三相同轴高温超导电缆中的超低温温度传感器711，每隔一设定距离，在所述高温超导电缆的屏蔽层外表面和空心骨架内表面分别安装一超低温温度传感器；
所述超低温温度传感器711的类型铂电阻传感器或测温光纤，其外部包裹柔性超高分子聚乙烯(UPE)保护管。
所述试验参量包括用作高温超导电缆冷却液的液氮质量流量、制冷功率以及液氮冷却回路出入口温度和压力监测值，高温超导电流屏蔽层电流监测值，高温超导电缆端电压监测值，高温超导电缆三相电流值和高温超导电缆温度分布监测值，所述试验参量均通过测量信号线连接至综合测控保护装置11，由综合测控保护装置11判断三相同轴高温超导电缆是否出现失超。
所述低电压大电流发生器2的长期运行输出三相电流即所需的稳态试验电流至少为5kA，冲击电流输出能力在2s内能达到25kA；
所述接地断路器8用于实现各相回路短路接地状态的独立控制，合闸时三相同期性小于3ms，可选择三相共用一台分相控制断路器或每相单独使用一台断路器；
试验系统主回路中的其他设备均为10kV配电系统用标准设备。
所述三相同轴超导电缆出现失超的判据为：
高温超导电缆三相电流值在升高过程中超过电缆临界电流后在30s内下降达到10％-30％，同时在对应时间内高温超导电缆端电压监测值升高达到2-5倍，则判断三相同轴超导电缆出现失超。
本申请同时公开了一种基于前述通流试验系统的三相同轴高温超导电缆稳态通流试验方法，所述稳态通流试验方法包括以下步骤：
步骤1：将合闸断路器4、隔离开关6、接地断路器8均处于断开状态，接地开关10处于闭合状态；
步骤2：依次启动所述高温超导电缆温度分布监测、冷却介质循环监控，等待冷却介质温度稳定后启动回路升流控制；
步骤3：断开接地开关10；
步骤4：依次闭合隔离开关6、合闸断路器4，试验主回路导通；
步骤5：以不超过5A/s的升流速率开始升流；
步骤6：所述高温超导电缆在稳态电流Ie下运行60min，监测高温超导电缆试验参量，计算三相电流不平衡度；
步骤7：断开合闸断路器4；
步骤8：闭合接地开关10，对试验系统充分放电；
步骤9：断开隔离开关6，稳态通流试验结束。
进一步优选：
所述三相同轴高温超导电缆稳态通流试验合格的判据为：被试三相同轴高温超导电缆本体应无异常，超导单元冷却用液氮出入口温度应处于设定的冷却液温度范围(76-79K)，电缆系统温度监测应无异常温升(不超过1K)；稳态时保持超导状态，三相电流不平衡度不超过5％。
本申请还同时公开了一种基于前述通流试验系统的三相同轴高温超导电缆故障暂态通流试验方法，所述故障暂态通流试验方法包括以下步骤：
步骤1：将合闸断路器4、隔离开关6、接地断路器8均处于断开状态，接地开关10处于闭合状态；
步骤2：启动所述高温超导电缆温度分布监测、冷却介质循环监控，等待冷却介质温度稳定后启动回路升流控制；
步骤3：断开接地开关10；
步骤4：依次闭合隔离开关6、合闸断路器4，试验主回路导通；
步骤5：以不超过5A/s的升流速率开始升流；
步骤6：所述高温超导电缆在稳态电流Ie下运行5分钟，监测高温超导电缆试验参量，计算三相电流不平衡度；
步骤7：闭合接地断路器8的任意一或两相，将被接地相上的模拟负载9短接，试验回路中将产生不对称的故障暂态电流Isc；
步骤8：接地断路器8闭合2秒后，断开合闸断路器4；
步骤9：闭合接地开关10，对试验系统充分放电；
步骤10：断开接地断路器8与隔离开关6，故障暂态通流试验结束。
所述三相同轴超导电缆故障暂态通流试验的合格判据为：
被试三相同轴高温超导电缆本体应无异常，超导单元冷却用液氮出入口温度应处于设定的冷却液温度范围(76-79K)，电缆系统温度监测应无异常温升(不超过1K)；稳态时保持超导状态，三相电流不平衡度不超过5％；故障暂态时，三相同轴超导电缆系统无失超信号检出，超导电缆局部温度不超过100K)，屏蔽层感应电流未引起异常温升(液氮回流通道温度不超过79K)。
本发明相对于现有技术具有以下有益的技术效果：
1.现有技术只能对三相同轴高温超导电缆进行三相稳态通流试验，本发明基于25kA的低压大电流冲击试验平台，能够在同一套试验系统上同时开展三相同轴高温超导电缆长时间大电流稳态通流试验和瞬时强电流暂态通流试验；
2.现有技术难以对三相同轴高温超导电缆试验参量进行监测，本发明通过应用分布式温度监测和不对称电流监测等方法，对电缆试验过程中电缆导体电流、电缆温度分布、电缆端电压、循环冷却装置状态等一系列试验参量开展同步监测；
3.现有技术无法准确把握故障电流下超导电缆失超状态，本发明依据试验参量综合评估电缆超导状态以及判定暂、稳态通流试验结果。
综上所述，基于本发明中的系统和方法开展的三相同轴高温超导电缆暂、稳态通流试验具有安全可靠性高、试验参数可监测等显著优点。
附图说明：
图1为本发明的一个实施例中10kV三相同轴超导电缆故障暂态通流试验系统主回路单线示意图。
图2为本发明的一个实施例中三相同轴超导电缆系统的结构示意图。
图3为本发明的一个实施例中三相同轴超导电缆的结构示意图。
图4为本发明的一个实施例中PT100铂热电阻传感器在超导电缆运行温度区间内的电阻值变化曲线。
图5为本发明的一个实施例中超导电缆样缆失超试验中监测得到的电缆通流与电缆温度的对应关系。
图6为本发明的一个实施例中三相同轴超导电缆稳态通流试验方法的操作流程图。
图7为本发明的一个实施例中三相同轴超导电缆故障暂态通流试验方法的操作流程图。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。特别声明，以下的描述本质上只是起到了宏观解释和实例说明的作用，绝不对本发明及其应用或使用进行任何限制。除非另外特别说明，否则，在实施例中阐述的部件和步骤的相对布置以及数字表达式和数值并不限制本发明保护的范围。
图1为本发明的一个实施例中10kV三相同轴超导电缆故障暂态通流试验系统主回路单线示意图。在本实施例中，三相同轴超导电缆故障暂态通流试验系统包括电动感应调压器1、低压大电流发生器2、合闸断路器4、电流互感器5、隔离开关6、三相同轴超导电缆系统7、接地断路器8、模拟负载9、接地开关10、升流控制台3、综合测控保护装置11、测量信号线12、控制信号线13，试验系统主回路为完整的三相回路；其中，回路升流控制部分由电动感应调压器1、低电压大电流发生器2和升流控制台3三部分组成，升流控制台3同时控制调压器1和大电流发生器2进行电动调压和升流控制，低电压大电流发生器2的输出接入试验系统主回路，具备长时间三相大电流输出能力。低电压大电流发生器2的感应方式的穿心式CT，其长期运行输出三相电流至少为5kA，以为试验系统在工频试验环境下提供足够的容量支撑，冲击电流输出能力可在2s内达到25kA。可以理解的是，本发明基于25kA大电流冲击试验平台，开展超导电缆在冲击电流下的冲击试验，记录样缆各相电流、电压和温升变化曲线。合闸断路器4具备过流保护、速断保护、过流保护、缺相保护，频率保护等保护功能。
可以理解的是，根据紧凑型三相同轴超导电缆结构特点，考虑到三相大载流运行要求，本发明利用试验变压器、大功率升流装置及高压电缆线路等设备搭建三相试验系统平台，以满足三相电流幅值和相位对称，以及具有不对称故障调节能力，实现超导电缆三相通流和不对称故障运行所需要的试验条件。通过试验变压器实现三相幅值、相位独立控制；采用大功率升流控制装置实现三相电流、相位独立控制，从而满足超导电缆三相通流和不对称故障运行实验要求。
在本实施例中，所述接地断路器8用于实现各相回路短路接地状态的独立、快速控制，视实际情况可选择三相共用一台分相控制快速断路器或每相单独接入一台快速断路器。试验主回路中的其他设备均为10kV配电系统用标准设备，由综合测控保护装置11实现试验参量测试、试验回路控制与保护功能。可以理解的是，接地断路器8可通过投切不同阻值的模拟负载9、实现单相对地短路、两相对地短路、三相对地短路和负荷投切等不对称运行故障模拟，对在不同故障下三相的电流、相位、屏蔽电流以及相间电压分布进行试验。
图2为本发明的一个实施例中三相同轴超导电缆系统7的结构示意图。在本实施例中，所述三相同轴超导电缆系统7包括三相同轴高温超导电缆70、超导电缆终端71、循环冷却监控装置72、不对称电流监测装置73、高精度纳伏表74和电缆系统温度监控装置75。循环冷却控制装置72用于为三相同轴高温超导电缆70和超导电缆终端71提供循环液氮作为冷却介质，保证所述三相同轴高温超导电缆70工作在运行温度(-196℃)以下。不对称电流监测装置73用于通过电流互感器监测三相不对称(系统故障)状态下电缆内空心骨架及屏蔽层中流过的感应电流，与三相电流互感器4监测到的三相电流共同验证三相同轴高温超导电缆70在三相不对称(系统故障)状态下的通流能力。高精度纳伏表74用于从超导电缆终端71处采集超导电缆端电压，电缆系统温度监控装置75用于采集分析三相同轴高温超导电缆70全长范围内的温度分布情况，这两种方法均可用于判断三相同轴高温超导电缆70的失超状态。循环冷却监控装置72获取的液氮质量流量、压力、制冷功率以及出入口温度监测值、不对称电流监测装置73获取的电缆内空心骨架及屏蔽层电流监测值、高精度纳伏表74获取的超导电缆端电压监测值和电缆系统温度监控装置75获取的电缆温度分布监测值均通过测量信号线12连接至综合测控保护装置11，由综合测控保护装置11结合全部监测数据判断三相同轴高温超导电缆70是否出现失超。
图3为本发明的一个实施例中三相同轴超导电缆的结构示意图。在本实施例中，所述三相同轴高温超导电缆70其从外至内包括：绝热层701、屏蔽层702、C相绝缘层703、C相超导带材704、B相绝缘层705、B相超导带材706、A相绝缘层707、A相超导带材708和空心骨架709，其中在所述绝热层701与屏蔽层702之间以及在空心骨架709内均填充有液氮710，从而使所述三相同轴高温超导电缆70工作在运行温度(-196℃)以下，其中空心骨架709内部为液氮去流通道，绝热层701与屏蔽层702之间为液氮回流通道。
在本实施例中，在所述三相同轴高温超导电缆70里面进一步安装有超低温温度传感器711，所述超低温温度传感器安装在屏蔽层702外表面和空心骨架709内表面，也即液氮710区域内。其中，安装在屏蔽层702外表面的超低温温度传感器711对C相超导带材704的局部温升较为敏感，而安装在空心骨架709内表面的超低温温度传感器711对A相超导带材708的局部温升较为敏感。
可以理解的是，通常液氮回流通道温度略高于液氮去流通道，也即屏蔽层702外表面的超低温温度传感器711将略高于空心骨架709内表面超低温温度传感器711的温度。可以理解的是，超导电缆为了提高载流能力，会采用多层超导导电层结构，从而导致超导电缆在承载交流电流时，会出现各层电流分布不均匀现象，一般表现为外层电流大于内层电流，特别是当总电流增大时，外层电流增加非常明显，这样会导致外层电流首先到达临界电流。这样不仅会增加超导电缆的交流损耗，载流能力下降，严重时会威胁电缆运行的安全和稳定，增加运营的成本，也会引起交流载流的畸变，影响电能质量。在电缆实际工作中，会出现多种非正常工况，超导电缆要满足电力输送应用，必须保证在这些故障工况下工作的稳定性，在出现超过额定电流的情况时，超导电缆的电流分配更加复杂，而且与电缆的温度有关。
可以理解的是，对于三相同轴超导电缆来说，其结构以铜骨架为轴，由内而外分别为A、B、C三相，三相之间利用绝缘层间隔，骨架一般采用柔性金属波纹管制作，内部用于传输冷却介质，如图3所示。三相同轴超导电缆在进行三相电流传输时，当三相平衡时电缆外部基本没有漏磁场，在屏蔽层中无感应电流产生；而当三相同轴超导电缆发生短路故障时超导电缆外部会存在磁场，在屏蔽层中会产生感应电流。发生单相短路和两相短路时屏蔽层中的电流较大，而发生三相短路时屏蔽层中的电流反而较小。本发明中的不对称电流监测装置73即是通过电流互感器监测三相不对称(系统故障)状态下电缆内空心骨架及屏蔽层中流过的感应电流，与三相电流互感器4监测到的三相电流共同验证三相同轴高温超导电缆70在三相不对称(系统故障)状态下的通流能力(分析屏蔽层电流占总电流比值)。
在本实施例中，所述超低温温度传感器711的类型为铂电阻传感器或测温光纤，其外部包裹柔性超高分子聚乙烯(UPE)保护管，保证传感器可靠安装并准确感应温度。铂电阻传感器采用PT100四线制测量方式，适用于较短的超导电缆样缆和电缆终端内部温度监测，在其全长范围内约每0.5m在液氮去流和回流通道分别安装一个超低温温度传感器711，图4为本发明的一个实施例中PT100铂热电阻传感器在超导电缆运行温度区间内的电阻值变化曲线。测温光纤内部可采用分布式光纤传感器原理或光纤光栅传感器原理，对于中等长度(约5-10m)超导电缆样缆可采用光纤光栅传感器，相邻光栅距离不大于0.5m；对于更长的超导电缆或工程化超导电缆产品，可采用分布式光纤传感器。由于铂电阻安装较为复杂且响应速度有限，而分布式光纤测温需要较长尾纤以保证较高的测温准确性和空间分辨率，因此本实施例中超低温温度传感器711优选采用串级式光纤光栅传感器。必要时，利用法布里-珀罗谐振腔(F-P谐振腔)辅助进行光纤光栅传感器解调，可以串联更多的光纤光栅传感器，以提高温度监测范围和精度。
在本实施例中，所述三相同轴超导电缆出现失超的判据为：高温超导电缆三相电流值逐渐升高并超过电缆临界电流(在一定温度下，使超导体转变成正常导体的电流值成为该超导体的临界电流)后突然下降，同时伴随高温超导电缆端电压监测值急剧升高，表明三相同轴超导电缆电阻的逐渐增大以及随之而来的通流能力的降低，则判断三相同轴超导电缆出现失超。作为优选地，当高温超导电缆三相电流值升高过程中超过电缆临界电流后在20s内连续下降超过20％，同时在对应时间内高温超导电缆端电压监测值升高超过3倍，则可认为三相同轴超导电缆出现失超。可以理解的是，直流测量时，在失超之前超导电缆的端电压是无显著变化的。交流测量时，由于交流阻抗的存在，可以观察到超导电缆的电压随电流的变化而明显变化。之后，三相同轴超导电缆温度分布出现升高，也可作为三相同轴超导电缆由非常低阻抗的超导输电状态转变为较高阻抗的非超导状态的另一个特征，但可观测到的明显温升较出现失超时刻会呈现数十秒钟的滞后。
在本实施例中，监控电缆系统温度能够对超导电缆通流能力试验结果进行辅助判断。通常超导电缆超过临界电流时，超导电缆会失超而转变为有电阻导体，一方面通流能力大幅度降低，还会产生较大的焦耳热，使超导带材及周围冷却介质温度升高。
图5为本发明的一个实施例中超导电缆样缆失超试验中监测得到的电缆通流与电缆温度的对应关系。虽然超导电缆温度明显升高时刻较开始失超时刻有一定时间(图中约为50s)的滞后，但超导电缆整体或局部温度升高可作为超导电缆通流能力试验不合格的主要判据之一。
在本实施例中，10kV三相同轴超导电缆故障暂态通流试验系统可用于开展稳态通流与故障暂态通流两项试验。在这两项试验前，试验系统初始状态均为：合闸断路器4、隔离开关6、接地断路器8均处于断开状态，接地开关10处于闭合状态。
图6为本发明的一个实施例中所述三相同轴超导电缆稳态通流试验方法的操作流程图。在本实施例中，该方法具体操作流程为：
1)开始试验，依次启动电缆系统温度监测、冷却介质循环监控，等待冷却介质温度稳定后启动回路升流控制；
2)断开接地开关10；
3)依次闭合隔离开关6、合闸断路器4，试验主回路导通；
4)以不超过5A/s的升流速率开始升流；
5)超导电缆在选定的稳态电流Ie下运行60min，监测超导电缆试验参量，计算三相电流不平衡度；
6)断开合闸断路器4；
7)闭合接地开关10，对试验系统充分放电；
8)断开隔离开关6，稳态通流试验结束。
在本实施例中，三相电流不平衡度计算公式为：三相电流不平衡度＝(相电流-三相平均电流)最大值/三相平均电流。
在本实施例中，10kV三相同轴高温超高电缆的稳态电流设定为1kA。
图7为本发明的一个实施例中所述三相同轴超导电缆故障暂态通流试验方法的操作流程图。在本实施例中，该方法具体操作流程为：
1)开始试验，依次启动电缆系统温度监测、冷却介质循环监控，等待冷却介质温度稳定后启动回路升流控制；
2)断开接地开关10；
3)依次闭合隔离开关6、合闸断路器4，试验主回路导通；
4)以不超过5A/s的升流速率开始升流；
5)超导电缆在选定的稳态电流Ie下运行5min，监测超导电缆试验参量，计算三相电流不平衡度；
6)闭合接地断路器8的任意一或两相，将被接地相上的模拟负载9短接，试验回路中将产生不对称的故障暂态电流Isc(Isc将通过三相电流互感器4和不对称电流监测装置73共同监测)；
7)接地断路器8闭合2s后，断开合闸断路器4；
8)闭合接地开关10，对试验系统充分放电；
9)断开接地断路器8与隔离开关6，故障暂态通流试验结束。
在本实施例中，所述接地快速断路器8的任意一相闭合，可用于模拟单相接地短路故障；任意两相闭合，可用于模拟两相接地短路故障。
在本实施例中，10kV三相同轴高温超高电缆的故障暂态电流计算并设定为6-8kA。
根据前述试验系统初始状态与试验操作流程开展本实施例中三相同轴超导电缆稳态通流试验与故障暂态通流试验，被试三相同轴超导电缆70本体应无异常，超导单元冷却用液氮的液位、压力、流量应稳定、出入口温度应处于正常合理范围(76-79K)，电缆系统温度监测应无异常温升(不超过1K)。稳态通流试验时，三相同轴超导电缆系统7无失超信号检出，可靠保持超导状态，三相电流不平衡度不超过5％。故障暂态通流试验时，三相同轴超导电缆系统7无失超信号检出，故障相温度监测分布均匀，超导电缆局部温度不超过100K，空心骨架及屏蔽层感应电流未引起异常温升，液氮回流通道温度不超过79K。通过以上条件判断本实施例中的三相同轴超导电缆稳态通流试验与故障暂态通流试验合格。
作为优选地，液氮入口温度设定为76.5K，出口温度设定为77.5K，电缆系统各部分温度监测温升报警值设定为0.8K。在故障暂态通流试验中，超导电缆局部温度上限设定为95K，由屏蔽层感应电流所引起的液氮回流通道温度升高不允许超过78.5K。经多次故障通流试验测试，屏蔽层感应电流占总电流比值约为15-20％。
可以理解的是，本发明能够在正常运行条件下对三相同轴超导电缆稳态运行特性进行试验。基于临界电流和交流损耗平台，在液氮环境中，测试三相同轴超导电缆的临界电流和交流损耗变化情况。基于超导电缆三相通流实验平台，通过大功率升流控制装置对超导电缆施加三相对称额定电流，进行模型样缆三相稳态通流实验，记录在运行过程中电压、电流和温度参量变化情况。根据实验数据，分析三相同轴超导电缆的各相电流变化规律，计算三相不平衡度和交流损耗，实验验证三相均流和对称约束优化设计方法及损耗计算方法。
可以理解的是，本发明还能够在故障运行条件下对三相同轴超导电缆暂态运行特性进行试验。基于超导电缆不对称故障运行实验平台，通过调节实验变压器、大功率升流装置，控制三相电压、电流幅值和相位。改变不同故障类型(单相、两相、三相)、故障时间和故障次数，开展三相同轴超导电缆不对称故障实验，记录样缆各相电流、电压和温升变化曲线。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明提供的三相同轴超导电缆故障暂态通流试验系统以及相应的试验流程和方法，整套试验系统有能力进行三相同轴高温超导电缆长时间大电流稳态通流试验和瞬时强电流暂态通流试验，并开展电缆运行参数同步监测。基于本发明开展的试验能够对三相同轴超导电缆暂态运行特性变化规律进行试验验证。通过具体试验实施例已验证本方法具备安全可靠性与参数可控性等显著优点，能够准确掌握三相同轴高温超导电缆的运行特性。
虽然已示例实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于上述的示例性实施例。对于本领域技术人员显然的是，可以在不背离本公开的范围和精神的条件下修改上述的示例性实施例。所附的权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。
Claims (12)
1.一种三相同轴高温超导电缆通流试验系统，包括电动感应调压器(1)、低压大电流发生器(2)、合闸断路器(4)、电流互感器(5)、隔离开关(6)、三相同轴高温超导电缆系统(7)、接地断路器(8)、模拟负载(9)、接地开关(10)、升流控制台(3)、综合测控保护装置(11)；其特征在于：
所述电动感应调压器(1)的输出端连接至低压大电流发生器(2)的输入端，通过升流控制台(3)控制电动感应调压器(1)和低压大电流发生器(2)产生试验所需的稳态试验电流和冲击电流。
所述合闸断路器(4)、隔离开关(6)、三相同轴超导电缆系统(7)、模拟负载(9)依次串联连接在所述低压大电流发生器的两电流输出端之间；
所述电流互感器(5)设置在隔离开关(6)和合闸断路器(4)之间；
在合闸断路器(4)和隔离开关(6)之间设置接地开关(10)；
接地断路器(8)并接在所述模拟负载(9)的两端；
所述综合测控保护装置(11)分别连接至升流控制台(3)、合闸断路器(4)、隔离开关(6)、接地断路器(8)和接地开关(10)，实现试验参量测试、试验回路控制与保护功能。
2.根据权利要求1所述的三相同轴超导电缆通流试验系统，其特征在于：
所述三相同轴高温超导电缆系统(7)包括三相同轴高温超导电缆(70)、超导电缆终端(71)、循环冷却监控装置(72)、不对称电流监测装置(73)、纳伏表(74)和电缆系统温度监控装置(75)；
所述循环冷却监控装置(72)设置在一侧超导电缆终端(70)处，用于为三相同轴高温超导电缆(70)和超导电缆终端(71)提供循环液氮作为冷却介质，并监测液氮质量流量、制冷功率以及液氮冷却回路出入口温度和压力监测值；
所述不对称电流监测装置(73)用于监测三相不对称状态下电缆中屏蔽层中流过的感应电流；
所述纳伏表安装在超导电缆终端(70)处，用于采集高温超导电缆端电压；
电缆系统温度监控装置(75)用于采集分析三相同轴高温超导电缆全长范围内的温度分布情况。
3.根据权利要求2所述的三相同轴超导电缆通流试验系统，其特征在于：
所述电缆系统温度监控装置(75)包括安装在三相同轴高温超导电缆中的超低温温度传感器(711)，每隔一设定距离，在所述高温超导电缆的屏蔽层外表面和空心骨架内表面分别安装一超低温温度传感器。
4.根据权利要求3所述的三相同轴超导电缆通流试验系统，其特征在于：
所述超低温温度传感器(711)的类型为铂电阻传感器或测温光纤，其外部包裹柔性超高分子聚乙烯UPE保护管。
5.根据权利要求1或2所述的三相同轴超导电缆通流试验系统，其特征在于：
所述试验参量包括用作高温超导电缆冷却液的液氮质量流量、制冷功率以及液氮冷却回路出入口温度和压力监测值，高温超导电流屏蔽层电流监测值，高温超导电缆端电压监测值，高温超导电缆三相电流值和高温超导电缆温度分布监测值，所述试验参量均通过测量信号线连接至综合测控保护装置(11)，由综合测控保护装置(11)判断三相同轴高温超导电缆是否出现失超。
6.根据权利要求1所述的三相同轴超导电缆通流试验系统，其特征在于：
所述低电压大电流发生器(2)的长期运行输出三相电流即所需的稳态试验电流至少为5kA，冲击电流输出能力在2s内达到25kA。
7.根据权利要求1或6所述的三相同轴超导电缆通流试验系统，其特征在于：
所述接地断路器(8)用于实现各相回路短路接地状态的独立控制，合闸时三相同期性小于3ms，选择三相共用一台分相控制断路器或每相单独使用一台断路器；
试验系统主回路中的其他设备均为10kV配电系统用标准设备。
8.根据权利要求1、2或4所述的三相同轴超导电缆通流试验系统，其特征在于：
所述三相同轴超导电缆出现失超的判据为：
高温超导电缆三相电流值在升高过程中超过电缆临界电流后在30s内下降达到10％-30％，同时在对应时间内高温超导电缆端电压监测值升高达到2-5倍，则判断三相同轴超导电缆出现失超。
9.一种基于权利要求1-8任一项权利要求所述通流试验系统的三相同轴高温超导电缆稳态通流试验方法，其特征在于，所述稳态通流试验方法包括以下步骤：
步骤1：将合闸断路器(4)、隔离开关(6)、接地断路器(8)均置于断开状态，接地开关(10)置于闭合状态；
步骤2：依次启动所述高温超导电缆温度分布监测、冷却介质循环监控，等待冷却介质温度稳定后启动回路升流控制；
步骤3：断开接地开关(10)；
步骤4：依次闭合隔离开关(6)、合闸断路器(4)，试验主回路导通；
步骤5：以不超过5A/s的升流速率开始升流；
步骤6：所述高温超导电缆在稳态电流Ie下运行60min，监测高温超导电缆试验参量，计算三相电流不平衡度；
步骤7：断开合闸断路器(4)；
步骤8：闭合接地开关(10)，对试验系统充分放电；
步骤9：断开隔离开关(6)，稳态通流试验结束。
10.根据权利要求9所述的三相同轴高温超导电缆稳态通流试验方法，其特征在于：
所述三相同轴高温超导电缆稳态通流试验合格的判据为：
被试三相同轴高温超导电缆本体应无异常，超导单元冷却用液氮出入口温度应处于设定的冷却液温度范围，其中，所述设定的冷却液温度范围为76-79K，电缆系统温度监测应无异常温升，所述无异常温升是指不超过1K；稳态时保持超导状态，三相电流不平衡度不超过5％。
11.一种基于权利要求1-8任一项权利要求所述通流试验系统的三相同轴高温超导电缆故障暂态通流试验方法，其特征在于，所述故障暂态通流试验方法包括以下步骤：
步骤1：将合闸断路器(4)、隔离开关(6)、接地断路器(8)均处于断开状态，接地开关(10)处于闭合状态；
步骤2：启动所述高温超导电缆温度分布监测、冷却介质循环监控，等待冷却介质温度稳定后启动回路升流控制；
步骤3：断开接地开关(10)；
步骤4：依次闭合隔离开关(6)、合闸断路器(4)，试验主回路导通；
步骤5：以不超过5A/s的升流速率开始升流；
步骤6：所述高温超导电缆在稳态电流Ie下运行5分钟，监测高温超导电缆试验参量，计算三相电流不平衡度；
步骤7：闭合接地断路器(8)的任意一或两相，将被接地相上的模拟负载(9)短接，试验回路中将产生不对称的故障暂态电流Isc；
步骤8：接地断路器(8)闭合2秒后，断开合闸断路器(4)；
步骤9：闭合接地开关(10)，对试验系统充分放电；
步骤10：断开接地断路器(8)与隔离开关(6)，故障暂态通流试验结束。
12.根据权利要求9所述的三相同轴高温超导电缆故障暂态通流试验方法，其特征在于：
所述三相同轴超导电缆故障暂态通流试验的合格判据为：
被试三相同轴高温超导电缆本体应无异常，超导单元冷却用液氮出入口温度应处于设定的冷却液温度范围，其中，所述设定的冷却液温度范围为76-79K，电缆系统温度监测应无异常温升即不超过1K；稳态时保持超导状态，三相电流不平衡度不超过5％；故障暂态时，三相同轴超导电缆系统无失超信号检出，超导电缆局部温度不超过100K，屏蔽层感应电流未引起异常温升即液氮回流通道温度不超过79K。
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