CN114814375A - 超导电缆预冷过程的介损及电容监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超导电缆预冷过程的介损及电容监测方法，包括：在冷却前对超导电缆进行抽真空以及吹扫处理；通过依次注入低温氮气、低温液氮以及开启制冷机，对超导电缆进行冷却处理，同时控制预冷速度；在吹扫和冷却过程中对超导电缆进行工频50Hz下的电容及介损测试，以分别得到吹扫阶段、冷却阶段超导电缆电容值和介损tanδ的变化数据；根据吹扫阶段、冷却阶段超导电缆电容值和介损tanδ的变化数据，分析得到超导电缆预冷过程中内部状态变化信息。与现有技术相比，本发明能够真实反映超导电缆在预冷中的内部状态变化，确保超导电缆能够在预冷过程中实现温度的平稳过渡、有效防止由于温度剧烈变化造成电缆损坏、确保预冷能够彻底完成。
Description
技术领域
本发明涉及超导电缆检测技术领域，尤其是涉及一种超导电缆预冷过程的介损及电容监测方法。
背景技术
高温超导(High-Temperature Superconducting，HTS)电缆是采用无阻的、能传输高电流密度的超导材料作为导电体并能传输大电流的一种电力设施，具有结构紧凑、损耗低和传输容量大的优点，可以实现低损耗、大容量输电。目前，高温超导电缆在国内外的相关试验和运行经验非常少，整体技术在全球范围内处于挂网示范、少量商业应用的阶段。
超导电缆系统由电缆本体、电缆附件、制冷系统、检测保护系统四个主要部分组成，高温超导电缆一般用液氮(77K，即-196℃)作为冷却介质和绝缘介质。高温超导电缆内部，在具有柔性的电缆骨架上，无间隙地螺旋缠绕多层高温超导带材，组成超导导体层，是传输电流的传导部分；超导体外还缠绕绝缘层和屏蔽层；为了使电缆内液氮处于超导体的临界温度(77K)，必须具有绝热性能优良的绝热管。因此，高温超导电缆通常由超导体层、绝缘层、屏蔽层和绝热管等组成，绝缘层是在超导体的外面缠绕7mm的聚丙烯层压纸(polypropylene laminated paper,PPLP)形成。PPLP是由多孔的纸浆材料同聚丙烯(PP)膜压制而成，具有良好的浸渍性能，可有效地防止气隙的产生从而减小局部放电的发生；而PP薄膜具有较高的电气强度，低温下具有良好的机械性能。
超导电缆系统从常温态到超导态(液氮温度)的过程称为系统预冷，预冷是电缆投运前必须经历的过程，一方面用于清除系统内杂质，另一方面用于测试系统密封性能。超导电缆预冷过程中，温度变化导致电缆相应部位收缩，其中缆芯形变最大，伸缩率可达0.3％，极易在电缆局部产生机械应力。目前在进行电缆敷设时，需要根据导体和绝缘材质的不同位置预置一定的偏移量(伸缩弧)，预冷过程中需要测量电缆纵、横向偏移量，并人为调整电缆的偏移量(伸缩弧)，以避免较大机械应力的产生，从而防止由于温度剧烈变化造成的部件热应力、机械应力损坏。
预冷结束后，需按照相关技术标准对超导电缆进行交接试验，包括高电压试验和大电流试验；试验合格后电缆可以投入运行。也就是说，预冷结束时，电缆导体和绝缘应处于稳定、均匀的低温环境，整个超导电缆制冷系统达到电网的备用状态，保证整个制冷循环管道中的液氮不产生相变。若液氮固化，将造成系统循环受阻，无法进行高效的热交换；若液氮气化，将在循环系统中产生两相流，如图1所示。造成的影响有：(1)流动阻力增大；(2)换热效率降低(液氮对流换热系数远大于氮气)；(3)绝缘强度降低(氮气绝缘强度是液氮的1/2)；(4)两相流将在管道中产生弹性震动，长期运行将损坏管道的机械性能。
随着超导电缆的长度增加，其预冷时间也会相应增加，过长的预冷时间必然会影响工程的建设工期，而预冷不到位、电缆中存在气相氮，则会危及电缆的安全运行，预冷太快还会造成应力来不及释放、损坏电缆。因此，除了进行上述非电量(温度、压力、流量、液位、伸缩位移情况等)监测，还有必要对超导电缆预冷过程的电气量进行监测，以能够真实反映超导电缆在预冷过程的内部状态变化，从而确保超导电缆能够在预冷过程中实现温度的平稳过渡，避免发生电缆损坏；确保预冷能够彻底完成，以便超导电缆能够安全投入运行。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种超导电缆预冷过程的介损及电容监测方法，通过开展工频50Hz下的电容及介损测试，以真实反映超导电缆在预冷中的内部状态变化，确保超导电缆能够在预冷过程中实现温度的平稳过渡、确保预冷能够彻底完成。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种超导电缆预冷过程的介损及电容监测方法，包括以下步骤：
S1、在冷却前对超导电缆进行抽真空以及吹扫处理；
并在这一过程中对超导电缆进行工频50Hz下的电容及介损测试，以得到吹扫阶段超导电缆电容值和介损tanδ的变化数据；
S2、通过依次注入低温氮气、低温液氮以及开启制冷机，对超导电缆进行冷却处理，同时控制预冷速度；
并在这一过程中对超导电缆进行工频50Hz下的电容及介损测试，以得到冷却阶段超导电缆电容值和介损tanδ的变化数据；
S3、根据吹扫阶段超导电缆电容值和介损tanδ的变化数据、冷却阶段超导电缆电容值和介损tanδ的变化数据，分析得到超导电缆预冷过程中内部状态变化信息。
进一步地，所述步骤S1中对超导电缆进行抽真空以及吹扫处理的具体过程为：
S11、对超导电缆进行抽真空置换；
S12、采用干燥的、且与室温之间的温差小于或等于设定温差阈值的氮气对电缆系统进行吹扫，以吹除杂质。
进一步地，所述步骤S2中对超导电缆进行冷却处理的具体过程为：
S21、注入低温氮气进行缓慢冷却；
S22、当系统温度小于或等于设定的第一温度阈值时，再注入低温液氮进行冷却；
S23、当系统温度小于或等于设定的第二温度阈值时，开启制冷机对循环液氮继续过冷，直至系统温度小于或等于设定的第三温度阈值，液氮保持过冷循环，并持续设定的冷却时间。
进一步地，所述第三温度阈值小于第二温度阈值，所述第二温度阈值小于第一温度阈值。
进一步地，所述步骤S2中控制预冷速度具体是使系统温度从环境温度以设定的梯度依次下降，每个梯度温度保持几十至数百小时，以使得超导电缆的首末端的温度平衡、均能达到温度的设定值。
进一步地，所述步骤S1和S2具体是根据设定的监测时间间隔，以在吹扫阶段和冷却阶段分别对超导电缆进行多次工频50Hz下的电容及介损测试。
进一步地，所述步骤S1和S2中进行工频50Hz下的电容及介损测试的具体过程为：
对超导电缆施加试验电压，并测量、计算得到超导电缆的电容值、介损tanδ；
根据设定的监测时间间隔，多次执行上述步骤，以得到对应于不同时间点的多个电容及介损tanδ。
进一步地，所述超导电缆的电容值和介损值具体是采用介损测量仪进行测量得到。
进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31、将对应于不同时间点的多个电容数据进行曲线拟合，得到电容变化曲线；
将对应于不同时间点的多个介损tanδ进行曲线拟合，得到介损变化曲线；
S32、根据电容变化曲线以及介损变化曲线，分析得到超导电缆预冷过程中内部状态变化结果。
进一步地，所述步骤S32具体是分析得到超导电缆内部水分、相态以及温度的变化结果，所述相态包括气态和液态。
与现有技术相比，本发明针对超导电缆的预冷过程，提出一种介损及电容监测方法，通过在吹扫和冷却阶段对超导电缆的电容以及介损参数进行数据检测、分析，能够可靠地确定出超导电缆在预冷过程中的内部状态变化，有利于确保超导电缆在预冷过程中实现温度的平稳过渡，有效防止由于温度剧烈变化造成的部件热应力、机械应力损坏；
本发明根据电容变化曲线以及介损变化曲线，对超导电缆内部的水分、相态和温度进行分析，能够真实反映出超导电缆预冷过程中的进展情况，能够及时发现预冷过程中产生的异常，保证预冷能够彻底完成，同时还能有利于后续确定出最佳的预冷速度。
附图说明
图1为超导电缆循环系统中两相流示意图；
图2为本发明的方法流程示意图；
图3为预冷速度的控制效果示意图；
图4为实施例中预冷过程温度曲线示意图；
图5为实施例中电容变化曲线示意图；
图6为实施例中介损变化曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图2所示，一种超导电缆预冷过程的介损及电容监测方法，包括以下步骤：
S1、在冷却前对超导电缆进行抽真空以及吹扫处理；
并在这一过程中对超导电缆进行工频50Hz下的电容及介损测试，以得到吹扫阶段超导电缆电容值和介损tanδ的变化数据；
其中，抽真空以及吹扫处理的具体过程为：
首先对超导电缆进行抽真空置换；
之后采用干燥的、且与室温之间的温差小于或等于设定温差阈值的氮气对电缆系统进行吹扫，以吹除杂质；
S2、通过依次注入低温氮气、低温液氮以及开启制冷机，对超导电缆进行冷却处理，同时控制预冷速度；
并在这一过程中对超导电缆进行工频50Hz下的电容及介损测试，以得到冷却阶段超导电缆电容值和介损tanδ的变化数据；
其中，冷却处理的具体过程为：
首先注入低温氮气进行缓慢冷却；
当系统温度小于或等于设定的第一温度阈值时，再注入低温液氮进行冷却；
当系统温度小于或等于设定的第二温度阈值时，开启制冷机对循环液氮继续过冷，直至系统温度小于或等于设定的第三温度阈值，液氮保持过冷循环，并持续设定的冷却时间；
设定的第三温度阈值小于第二温度阈值、第二温度阈值小于第一温度阈值；
此外，为了避免由于超导电缆降温过快产生的应力引起超导电缆接头、超导带材的性能遭到破坏，必须对预冷速度进行控制，使得系统温度从环境温度以设定的梯度依次下降，每个梯度温度保持几十至数百小时，以使得超导电缆的首末端的温度平衡、均能达到温度的设定值，如图3所示；
S3、根据吹扫阶段超导电缆电容值和介损tanδ的变化数据、冷却阶段超导电缆电容值和介损tanδ的变化数据，分析得到超导电缆预冷过程中内部状态变化信息。
需要说明的是，步骤S1和S2具体是根据设定的监测时间间隔，以在吹扫阶段和冷却阶段分别对超导电缆进行多次工频50Hz下的电容及介损测试，进行工频50Hz下的电容及介损测试的具体过程为：
对超导电缆施加试验电压，并测量、计算得到超导电缆的电容值、介损tanδ；
根据设定的监测时间间隔，多次执行上述步骤，以得到对应于不同时间点的多个电容及介损tanδ。
步骤S3则首先将对应于不同时间点的多个电容数据进行曲线拟合，得到电容变化曲线；
将对应于不同时间点的多个介损tanδ进行曲线拟合，得到介损变化曲线；
之后根据电容变化曲线以及介损变化曲线，分析得到超导电缆预冷过程中内部状态变化结果，包括超导电缆内部水分、相态(气态和液态)以及温度的变化结果。
HTS电缆低温(运行工况)下的绝缘结构为液氮浸渍PPLP(聚丙烯层压纸)的固液复合绝缘；在没有达到低温状态之前，则呈现为固气、固液气复合绝缘。
液氮的相对介电常数εr为1.43，空气的εr为1，氮气的εr为1.00058。超导电缆绝缘介质的电容值的计算公式如下：
C＝2*π*εr*ε/ln(R2/R1)
其中，ε为真空介电常数，R2为电缆屏蔽层半径，R1为电缆导体半径；上式是将电缆绝缘视为一个整体，如果分析每层绝缘介质，则电缆绝缘由很多层PPLP和氮串联组成；交流电压在PPLP和氮(液态或气态)上的分压，主要取决于二者电容值，而电容值和εr密切相关，εr又和液相气相有关。所以，分压是不均匀的、变化的，各层绝缘对总介损及总电容的贡献也是变化的。
超导电缆在从常温到低温的预冷过程中，固液复合绝缘中各层材料的的εr、极化特性均会发生变化。在这一过程中开展电容及介损测试，检测出的超导电缆电容值、tanδ也会发生变化，实现了从电气参量上反映超导电缆在预冷过程中的内部状态变化。
此外，工频下PPLP的tanδ也会随温度发生变化，在超导电缆从常温到低温巨大的温差下，tanδ的变化相当可观。
一般来说，电容及介损测量的试验电压为10kV。超导电缆运行中的绝缘结构为液氮浸渍PPLP，而常温下仅为PPLP干式绝缘，是不完整的绝缘结构，绝缘强度较低。为避免对损坏电缆绝缘，试验电压降为500V。
本实施例应用上述技术方案，在上海公里级超导电缆示范工程上进行了实施。上海公里级超导电缆示范工程为交流35kV三相统包电缆，电缆屏蔽层在电缆内部接地、不引出。在预冷过程中，每隔4小时进行1次工频介损电容和介质谱测量，如果发现状态量变化缓慢，可以调整降低采样频率。工频介损电容的测试时间短，三相电缆一共不到5分钟，实施方便，试验电压有效值为500V。
实施的主要过程包括：
(1)吹扫
为了避免超导电缆系统内部的杂质在系统低温运行时堵塞管道或影响某些部件的性能，超导电缆在冷却前必须做抽空、吹除处理工作。
1)对电缆系统进行抽真空置换；
2)用干燥的、接近室温的氮气对电缆系统进行吹除。
(2)冷却
首先注入低温氮气；达到一定温度后，再注入低温液氮；在整个电缆充满液氮后，开启制冷机对液氮进行循环过冷。为了避免由于超导电缆降温过快产生的应力引起超导电缆接头、超导带材的性能遭到破坏，还必须对预冷速度进行控制。
比如，针对某100m、35kV/1kA三相交流高温超导电缆进行预冷：预冷时考虑超导电缆不宜快速冷却，因此先引入低温氮气缓慢冷却，当系统温度≤200K时，再引入液氮对系统冷却，当温度降至100K时，开启制冷机对循环液氮进行过冷，直到温度降至≤70K，液氮保持过冷循环，整个过程持续一周时间，以上预冷过程的预冷温度曲线如图4所示。
通过在吹扫阶段和冷却阶段开展工频介损电容测量，得到如图5和图6所示的电容变化曲线和介损变化曲线，由此进行以下分析：
工频50Hz电容的变化很小，变化幅度约为10％；预冷初期保持稳定，预冷中期有所下降，预冷后期上升并保持稳定。
工频50Hz介损的变化较大，变化幅度达4倍以上；总体呈下降趋势，中间有反弹，然后继续在波动中下降，最后趋于稳定。
预冷分为吹扫和冷却两个阶段。在吹扫阶段，将电缆内部的潮湿空气置换为氮气，并吹除杂质。在此过程中，tanδ有明显降低，温度没有变化，tanδ降低的原因是纸绝缘中水分的减少。所以，分析工频tanδ，可以评价水分吹除的效果。
冷却阶段一般为：注入低温氮气——达到一定温度——注入液氮——温度降低，气态氮变为液态氮——液氮充满，均会导致工频tanδ的变化。分析工频tanδ，可以评价冷却阶段的进展情况，如果tanδ数据和历史指纹数据相比有异常变化，应立刻查找原因。
在实际应用中，比如大型超导电缆工程实施前，可以制作相同结构的超导电缆短样，在实验室进行预冷实验，同时采集预冷过程中的非电量(温度、压力、流量、液位、冷缩位移)和电气量(采用本技术方案得到的介损电容)，由此获得电缆预冷的指纹数据，并形成超导电缆多维状态量的预冷数据库；此外，还可以改变实验室预冷速度，监测电缆各状态量的变化，以获取最佳的预冷速度。
在工程现场预冷时，将测得的超导电缆系统的电气量和非电量，运用数学工具和预冷数据库中的数据进行插值拟合比较，从而掌握当前电缆内部状态，判断预冷过程是否顺利。
另外，实际应用还可以进行三相单芯电缆之间的监测数据比较，出现异常即可立刻分析。
Claims (10)
1.一种超导电缆预冷过程的介损及电容监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在冷却前对超导电缆进行抽真空以及吹扫处理；
并在这一过程中对超导电缆进行工频50Hz下的电容及介损测试，以得到吹扫阶段超导电缆电容值和介损tanδ的变化数据；
S2、通过依次注入低温氮气、低温液氮以及开启制冷机，对超导电缆进行冷却处理，同时控制预冷速度；
并在这一过程中对超导电缆进行工频50Hz下的电容及介损测试，以得到冷却阶段超导电缆电容值和介损tanδ的变化数据；
S3、根据吹扫阶段超导电缆电容值和介损tanδ的变化数据、冷却阶段超导电缆电容值和介损tanδ的变化数据，分析得到超导电缆预冷过程中内部状态变化信息。
2.根据权利要求1所述的一种超导电缆预冷过程的介损及电容监测方法，其特征在于，所述步骤S1中对超导电缆进行抽真空以及吹扫处理的具体过程为：
S11、对超导电缆进行抽真空置换；
S12、采用干燥的、且与室温之间的温差小于或等于设定温差阈值的氮气对电缆系统进行吹扫，以吹除杂质。
3.根据权利要求1所述的一种超导电缆预冷过程的介损及电容监测方法，其特征在于，所述步骤S2中对超导电缆进行冷却处理的具体过程为：
S21、注入低温氮气进行缓慢冷却；
S22、当系统温度小于或等于设定的第一温度阈值时，再注入低温液氮进行冷却；
S23、当系统温度小于或等于设定的第二温度阈值时，开启制冷机对循环液氮继续过冷，直至系统温度小于或等于设定的第三温度阈值，液氮保持过冷循环，并持续设定的冷却时间。
4.根据权利要求3所述的一种超导电缆预冷过程的介损及电容监测方法，其特征在于，所述第三温度阈值小于第二温度阈值，所述第二温度阈值小于第一温度阈值。
5.根据权利要求1所述的一种超导电缆预冷过程的介损及电容监测方法，其特征在于，所述步骤S2中控制预冷速度具体是使系统温度从环境温度以设定的梯度依次下降，每个梯度温度保持几十至数百小时，以使得超导电缆的首末端的温度平衡、均能达到温度的设定值。
6.根据权利要求1所述的一种超导电缆预冷过程的介损及电容监测方法，其特征在于，所述步骤S1和S2具体是根据设定的监测时间间隔，以在吹扫阶段和冷却阶段分别对超导电缆进行多次工频50Hz下的电容及介损测试。
7.根据权利要求6所述的一种超导电缆预冷过程的介损及电容监测方法，其特征在于，所述步骤S1和S2中进行工频50Hz下的电容及介损测试的具体过程为：
对超导电缆施加试验电压，并测量、计算得到超导电缆的电容值、介损tanδ；
根据设定的监测时间间隔，多次执行上述步骤，以得到对应于不同时间点的多个电容及介损tanδ。
8.根据权利要求7所述的一种超导电缆预冷过程的介损及电容监测方法，其特征在于，所述超导电缆的电容值和介损值具体是采用介损测量仪进行测量得到。
9.根据权利要求7所述的一种超导电缆预冷过程的介损及电容监测方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31、将对应于不同时间点的多个电容数据进行曲线拟合，得到电容变化曲线；
将对应于不同时间点的多个介损tanδ进行曲线拟合，得到介损变化曲线；
S32、根据电容变化曲线以及介损变化曲线，分析得到超导电缆预冷过程中内部状态变化结果。
10.根据权利要求9所述的一种超导电缆预冷过程的介损及电容监测方法，其特征在于，所述步骤S32具体是分析得到超导电缆内部水分、相态以及温度的变化结果，所述相态包括气态和液态。
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