CN117330915B - 一种液氮浸入式的长距离超导电缆局放超声检测系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液氮浸入式的超导电缆局放超声检测系统及其检测方法，该系统包括安装在电缆接头和电缆终端的监测终端，各监测终端分别与监测主站通信连接，监测终端包括浸泡于液氮内的超声传感器，超声传感器固定安装在杜瓦内管内壁，超声传感器的信号线穿过杜瓦内部后与杜瓦外部的信号处理单元相连接，超声传感器采集超导电缆内部的振动声波电压信号、并通过信号线传输至信号处理单元；信号处理单元对振动声波电压信号进行A/D转换和数据分析，得到局放数据后传输给监测主站；监测主站根据各监测终端输出的局放数据，计算得到局放检测结果。与现有技术相比，本发明能够可靠采集到超导电缆内部超声信号以进行局放检测，同时能够准确进行局放定位。
Description
技术领域
本发明涉及超导电缆局部放电检测技术领域，尤其是涉及一种液氮浸入式的长距离超导电缆局放超声检测系统及其方法。
背景技术
超导电缆系统由电缆本体、电缆附件(电缆终端和中间接头)、制冷系统、检测保护系统四个主要部分组成。
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；液氮是冷却介质和绝缘介质，为了维持电缆内液氮的状态和超导带材的通流性能，温度一般控制在77K(-196℃)以下，必须具有绝热性能优良的杜瓦(绝热管、低温恒温器)。因此，高温超导电缆本体通常由超导体层、绝缘层、屏蔽层和杜瓦等组成。杜瓦一般采用双层真空容器结构，内管和外管材料为不锈钢，层间抽真空(压力达到0.1Pa以下)并包有辐射屏等材料。冷却用的液氮在电缆绝热管内流动，压力高于大气压力(典型值为0.3～0.7Mpa)，液氮由制冷机进行循环冷却。
超导电缆的突出优点是容量大、损耗低，环境友好。其输送容量可代替同等电压4～8回常规电缆，或代替高2个电压等级常规电缆，从而显著降低变电站电压等级，是解决城市电网输电通道资源紧张的有效手段。目前，超导电缆在国内外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。
为确保良好的绝缘性能，需要对超导电缆内部绝缘及局部放电进行监测，需要在电缆终端和接头安装在线监测终端，长距离超导电缆两个接头之间的电缆长达数百米，一旦存在局放，还需要进一步判断局放的具体位置，以便分析和处理，因此可考虑采用超声波检测法进行局放定位。超声波检测法，是用紧贴在设备外壳上的超声传感器接收设备内部局部放电产生的超声波，由此来检测局部放电的大小和位置，是目前应用较为广泛的一种电力设备局放检测方法。超声法的优势是，受电气干扰小，并可以方便地对局放点进行定位。
然而在超导电缆上采用超声法进行局放检测和定位的难点是，由于超导电缆外壳为双层真空结构，而超声波是一种频率很高的机械波，机械波的传播是需要介质的，真空中没有介质，所以真空中不能传播超声波。因此常规将超声波传感器固定在设备外壳上的安装方式，将无法捕捉到超导电缆内部的声波信号，此外，对于超导电缆而言，一方面由于运行中超导电缆内液氮的温度会有所变化，导致声波速度也发生变化，另一方面由于超导电缆两个接头之间的电缆长达数百米，而实际敷设环境较为复杂，往往存在转角和高低起伏，难以在电缆敷设完成后准确估算电缆的长度；这些都会导致后续无法准确进行局放定位。
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液氮浸入式的长距离超导电缆局放超声检测系统及其方法，能够可靠采集到超导电缆内部超声信号以进行局放检测，同时能够准确进行局放定位。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种液氮浸入式的长距离超导电缆局放超声检测系统，包括安装在电缆接头和电缆终端位置的监测终端，各监测终端分别与监测主站通信连接，所述监测终端包括浸泡于液氮环境内的超声传感器，所述超声传感器固定安装在杜瓦内管内壁，所述超声传感器的信号线穿过杜瓦内部后与杜瓦外部的信号处理单元相连接，所述超声传感器用于采集超导电缆内部由于局部放电产生的振动声波电压信号、并通过信号线传输至信号处理单元；
所述信号处理单元用于对振动声波电压信号进行A/D转换和数据分析，以得到对应的局放数据后传输给监测主站；
所述监测主站根据各监测终端输出的局放数据，计算得到局放检测结果。
进一步地，所述信号线穿过杜瓦内部后、通过真空航空插头与杜瓦外部的信号处理单元相连接。
进一步地，所述信号线设置于线管内，所述线管的一端为开口设计，并与液氮环境相连通，所述线管的另一端为封闭设计，并与真空航空插头相连接。
进一步地，所述杜瓦上开设有位于杜瓦外管外壁上的第一穿舱口以及位于杜瓦内管内壁上的第二穿舱口。
进一步地，所述线管通过第一穿舱口从外部环境进入杜瓦内部真空腔、并通过第二穿舱口穿出杜瓦到达液氮环境。
进一步地，所述线管在第一穿舱口通过焊接方式与杜瓦固定连接，所述线管在第二穿舱口通过焊接方式与杜瓦固定连接。
进一步地，所述线管的中间部分折弯，用于增加线管内部氮气到达外部环境的传输距离，以减少漏热。
进一步地，所述线管的内径小于或等于5mm。
一种液氮浸入式的长距离超导电缆局放超声检测方法，包括以下步骤：
S1、在超导电缆的终端和接头位置分别安装监测终端，将各监测终端分别与监测主站通信连接；
S2、在实验室搭建超导电缆真型试验平台，包括了安装超声传感器的超导电缆；在已知实验室电缆精确长度的情况下，在一个电缆终端注入方波信号，在另一个电缆终端采集超声信号，改变电缆内液氮温度，获取超声传播速度变化，以确定波速与液氮温度之间的拟合关系；
之后在现场，采用方波信号注入的方法，进行电缆长度校准；
S3、利用电缆终端和接头位置的任意两个监测终端，以分别监测电缆内部局放数据并传输至监测主站，由监测主站根据不同监测终端的局放数据时间差，结合波速温度与液氮温度之间的拟合关系，以及校准后的电缆长度，确定出局放点的距离和位置，得到局放检测结果。
进一步地，所述步骤S2中进行电缆长度校准的具体过程为：
采用方波发生器对电缆终端注入标准脉冲信号，通过电缆上安装的各个监测终端采集得到多个局放超声信号，根据当前液氮温度、各局放超声信号的时差，确定超声传播速度、计算各超声传感器的位置，进而计算超导电缆的长度。
进一步地，所述步骤S3中不同监测终端的局放数据时间差具体为：
Δt＝t2-t1＝(L-x)/c-x/c
其中，L为两个超声传感器之间的距离，x为信号源与先检测到局放信号的超声传感器之间的距离，L-x为信号源与后检测到局放信号的超声传感器之间的距离，t1为先检测到局放信号的时间，t2为后检测到局放信号的时间，Δt为局放信号到达两个传感器之间的时间差，c为液氮中声波等效传播速度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明通过在电缆接头和电缆终端位置分别安装监测终端，将各监测终端分别与监测主站通信连接，设计监测终端包括浸泡于液氮环境内的超声传感器，该超声传感器固定安装在杜瓦内管内壁，超声传感器的信号线则穿过杜瓦内部后与杜瓦外部的信号处理单元相连接，利用超声传感器采集超导电缆内部由于局部放电产生的振动声波电压信号，利用信号处理单元对振动声波电压信号进行A/D转换和数据分析，以得到对应的局放数据后传输给监测主站，由监测主站根据各监测终端输出的局放数据，计算得到局放检测结果。由此能够灵敏地采集到电缆内部超声信号，确保后续能够准确得到局放检测结果。
二、本发明设计信号线设置于线管内，该线管的一端为开口设计，并与液氮环境相连通，线管的另一端为封闭设计，以免内部有正压的液氮喷到外面环境，并与真空航空插头相连接，真空航空插头具有优秀的气密性，保证了线管的内外隔绝。
三、本发明设计线管的中间部分折弯，能够增加内部低温液氮(氮气)到外部常温的传输距离，增加热阻、减少漏热，此外还可设计线管内径小于或等于5mm，从而不利于内部空气流通，进一步增加热阻、减少漏热。
四、本发明考虑到局放定位计算需要准确的声波速度和准确的电缆长度，否则会影响定位结果的精度，对超导电缆来说，两个接头之间的电缆长达数百米，城区的敷设环境较为复杂，往往存在转角和高低起伏，难以在电缆敷设完成后准确估算电缆的长度。故本发明设计进行波速和长度校准，投运前，先在实验室通过改变电缆内液氮温度，获取超声传播速度变化，以确定波速与液氮温度之间的拟合关系，再在现场利用以上拟合关系，采用方波注入方式，根据液氮温度和信号传播时间，推算各段超导电缆的实际长度。从而预先完成波速校准和电缆长度校准，确保后续局放定位计算的准确性。
五、本发明考虑到不同温度下声波的传输速度是不一样的，运行中超导电缆内液氮的温度会有所变化，导致声波速度也发生变化。故本发明通过改变电缆内液氮温度，分析超声传播速度的变化，从而预先确定出波速和温度的拟合关系，以便在运行中能够根据液氮实时温度快速准确地确定超声传播速度。
六、本发明采用超声法进行局放定位，利用信号到达两个超声传感器的时间差和信号在超导电缆中的传输速度，即根据不同监测终端的局放数据时间差，结合波速温度与液氮温度之间的拟合关系，以及校准后的电缆长度，能够快速准确地确定出局放点的距离和位置，提高了定位准确度。
附图说明
图1为本发明中监测终端的结构示意图；
图2为本发明的方法流程示意图；
图3为实施例中局放信号的传播路径示意图；
图4为实施例中局放信号的波形定位示意图；
图中标记说明：1、外部环境，2、真空腔，3、液氮环境，4、杜瓦外管外壁，5、真空航空插头，6、线管，7、氮气，8、超声传感器，9、信号线，10、杜瓦内管内壁。
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。
实施例一
一种液氮浸入式的长距离超导电缆局放超声检测系统，包括安装在电缆接头和电缆终端位置的监测终端，各监测终端分别与监测主站通信连接(可通过光纤网或无线网络通信连接)，如图1所示，监测终端包括浸泡于液氮环境3内的超声传感器8，超声传感器8固定安装在杜瓦内管内壁10，超声传感器8的信号线9穿过杜瓦内部后与杜瓦外部的信号处理单元相连接，超声传感器8用于采集超导电缆内部由于局部放电产生的振动声波电压信号、并通过信号线9传输至信号处理单元；
信号处理单元用于对振动声波电压信号进行A/D转换和数据分析，以得到对应的局放数据后传输给监测主站；
监测主站根据各监测终端输出的局放数据，计算得到局放检测结果。
其中，信号线9穿过杜瓦内部后、通过真空航空插头5与杜瓦外部的信号处理单元相连接。信号线9设置于线管6内，线管6的一端为开口设计，并与液氮环境3相连通，线管6的另一端为封闭设计，并与真空航空插头5相连接。
杜瓦上开设有位于杜瓦外管外壁4上的第一穿舱口以及位于杜瓦内管内壁10上的第二穿舱口，线管6通过第一穿舱口从外部环境进入杜瓦内部真空腔、并通过第二穿舱口穿出杜瓦到达液氮环境3。
线管6在第一穿舱口通过焊接方式与杜瓦固定连接，线管6在第二穿舱口通过焊接方式与杜瓦固定连接。
线管6的中间部分折弯，用于增加线管6内部氮气到达外部环境1的传输距离，以减少漏热。实际应用中，线管6的内径可设计为小于或等于5mm。
超声波传感器由压电陶瓷元件作为主要元件组成，主要功能是在局部放电产生时，有振动发生，振动通过介质传播到检测结构表面时，在压电陶瓷表面产生相应的振动，由压电陶瓷感应的声波信号转化成为电压信号进行采集。考虑到普通超声传感器的最低工作温度不低于零下65℃(208K)，不能用于超导电缆，本实施例采用了美国物理声学公司(PAC)的R15-LT超声传感器，是一种能够在极端环境下工作的低温传感器，可在-252℃(21K)的温度下工作，工作频率范围为50～200kHz，工作温度范围为-252～200℃，检测面材料为陶瓷，外壳材料为不锈钢，信号输出线为BNC。
在具体安装监测终端时，将超声传感器8浸泡在液氮内，固定安装在杜瓦内层的内侧(液氮侧)；再设计一个专用线管6，将超声传感器8的信号线9通过专用线管6引出到杜瓦外面，通过真空航空插头5将电信号转接到外面的信号处理单元，进行A/D转换和数据分析。
专用线管6是一个贯穿真空杜瓦的不锈钢空心管，在杜瓦上设置有第一穿舱口(位于杜瓦外层)和第二穿舱口(位于杜瓦内层)，专用线管6通过第一穿舱口进入杜瓦内部真空腔2，并通过第二穿舱口穿出杜瓦，到达液氮腔。专用线管6的一端是液氮端、是开口的，超声传感器8的信号线9从液氮端进入并穿过专用线管6，到达杜瓦外面。专用线管6的另一端是空气端，位于杜瓦外面，是封闭的、与外部空间隔绝，以免内部有正压的液氮喷到外面。专用线管6的空气端安装了真空航空插头5，真空航空插头5具有优秀的气密性，保证了专用线管6的内外隔绝。
当超导电缆内发生局部放电，放电产生的振动声波通过液氮传播到超声传感器8的压电陶瓷表面，由压电陶瓷将声波信号转化成为电压信号并传到杜瓦外面。
超声波在液体中传播的衰减小，固体中传播的衰减大。常规变压器的超声传感器安装方式是固定在变压器油箱壁，超声信号经过油和箱壁传播到传感器，超声信号从液态传播到固体的衰减和失真较大；本方案中，超声信号完全在液体内传播，具有更高的灵敏度和定位准确度。
在第一穿舱口和第二穿舱口，专用线管6和杜瓦均采用焊接的方式连接。两个穿舱口之间并不是用最短距离直线连接，而是位置错开，即专用线管6在两个穿舱口之间是一段长度约500mm的中间弯管，目的是增加内部低温液氮(氮气)到外部常温的传输距离，增加热阻，减少漏热。同时专用线管6的内径较小(直径约为5mm)，不利于内部空气流通，所以热阻很大。
这种安装方式，优点是信号灵敏度高，需说明的是，在注入液氮前需要安装超声传感器，将液氮排空才能更换超声传感器。
实施例二
基于上述实施例一提供的长距离超导电缆局放超声检测系统，实现一种液氮浸入式的超导电缆局放超声检测方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、在超导电缆的终端和接头位置分别安装监测终端，将各监测终端分别与监测主站通信连接；
S2、在实验室搭建超导电缆真型试验平台，包括了安装超声传感器的超导电缆；在已知实验室电缆精确长度的情况下，在一个电缆终端注入方波信号，在另一个电缆终端采集超声信号，改变电缆内液氮温度，获取超声传播速度变化，以确定波速与液氮温度之间的拟合关系；
之后在现场，采用方波信号注入的方法，进行电缆长度校准：
采用方波发生器对电缆终端注入标准脉冲信号，通过电缆上安装的各个监测终端采集得到多个局放超声信号，根据当前液氮温度、各局放超声信号的时差，确定超声传播速度、计算各超声传感器的位置，进而计算超导电缆的长度；
S3、利用电缆终端和接头位置的任意两个监测终端，以分别监测电缆内部局放数据并传输至监测主站，由监测主站根据不同监测终端的局放数据时间差，结合波速温度与液氮温度之间的拟合关系，以及校准后的电缆长度，确定出局放点的距离和位置，得到局放检测结果。
在实际应用中，实现基于超声信号的局放定位功能，需要各监测终端高度同步地采集信号。采集命令的发出有两种方式：①由首先发现超声信号上升沿的终端，向其他终端和主站发出采集命令；②由主站统一向各监测终端发出采集命令。同步触发有两种方式：①由主站或终端通过光纤通信网向各监测终端发出同步采集信号；②各监测终端配备GPS或北斗对时系统，进行时钟同步，然后将打上高精度时标的局放数据上送给主站。再由主站根据各终端局放信号的上升沿时刻，判断时间差。
本实施例中，如图3和图4所示，利用信号到达两个传感器的时间差和信号在超导电缆中的传输速度，来计算信号源在两个传感器之间的具体位置，时差定位适用于采用高速数字示波器的带电测量装置。
Δt＝t2-t1＝(L-x)/c-x/c
式中，L为两个传感器之间的距离，x为信号源与先检测到信号传感器的距离，L-x为信号源与后检测到信号传感器的距离，t1为先检测到信号的时间，t2为后检测到信号的时间，Δt为信号到达两个传感器之间的时间差，c为液氮中声波等效传播速度。
综上可知，本方案为解决如何可靠灵敏采集超导电缆内部超声信号的问题，设计液氮浸入式的超声传感器安装方式，由此能够灵敏可靠地采集到超导电缆内部超声信号；并且提出波速和电缆长度校准方法，通过预先确定得到波速与液氮温度之间的拟合关系，从而对波速进行了校准，再结合现场液氮温度和信号传播时间，以对电缆长度进行校准，能够实现准确进行局放定位计算的目的。
Claims (6)
1.一种长距离超导电缆局放超声检测方法，应用于一种液氮浸入式的超导电缆局放超声检测系统，所述检测系统包括安装在电缆接头和电缆终端位置的监测终端，各监测终端分别与监测主站通信连接，所述监测终端包括浸泡于液氮环境(3)内的超声传感器(8)，所述超声传感器(8)固定安装在杜瓦内管内壁(10)，所述超声传感器(8)的信号线(9)穿过杜瓦内部后与杜瓦外部的信号处理单元相连接，所述超声传感器(8)用于采集超导电缆内部由于局部放电产生的振动声波电压信号、并通过信号线(9)传输至信号处理单元；
所述信号处理单元用于对振动声波电压信号进行A/D转换和数据分析，以得到对应的局放数据后传输给监测主站；
所述监测主站根据各监测终端输出的局放数据，计算得到局放检测结果；
所述信号线(9)穿过杜瓦内部后、通过真空航空插头(5)与杜瓦外部的信号处理单元相连接；
其特征在于，包括以下步骤：
S1、在超导电缆的终端和接头位置分别安装监测终端，将各监测终端分别与监测主站通信连接；
S2、在实验室搭建超导电缆真型试验平台，包括了安装超声传感器的超导电缆；在已知实验室电缆精确长度的情况下，在一个电缆终端注入方波信号，在另一个电缆终端采集超声信号，改变电缆内液氮温度，获取超声传播速度变化，以确定波速与液氮温度之间的拟合关系；
之后在现场，采用方波信号注入的方法，进行电缆长度校准；
S3、利用电缆终端和接头位置的任意两个监测终端，以分别监测电缆内部局放数据并传输至监测主站，由监测主站根据不同监测终端的局放数据时间差，结合波速温度与液氮温度之间的拟合关系，以及校准后的电缆长度，确定出局放点的距离和位置，得到局放检测结果；
所述步骤S2中进行电缆长度校准的具体过程为：
采用方波发生器对电缆的终端注入标准脉冲信号，通过电缆上安装的各个监测终端采集得到多个局放超声信号，根据当前液氮温度、各局放超声信号的时差，确定超声传播速度、计算各超声传感器的位置，进而计算超导电缆的长度；
所述步骤S3中不同监测终端的局放数据时间差具体为：
Δt＝t2-t1＝(L-x)/c-x/c
其中，L为两个超声传感器之间的距离，x为信号源与先检测到局放信号的超声传感器之间的距离，L-x为信号源与后检测到局放信号的超声传感器之间的距离，t1为先检测到局放信号的时间，t2为后检测到局放信号的时间，Δt为局放信号到达两个传感器之间的时间差，c为液氮中声波等效传播速度。
2.根据权利要求1所述的一种长距离超导电缆局放超声检测方法，其特征在于，所述信号线(9)设置于线管(6)内，所述线管(6)的一端为开口设计，并与液氮环境(3)相连通，所述线管(6)的另一端为封闭设计，并与真空航空插头(5)相连接。
3.根据权利要求2所述的一种长距离超导电缆局放超声检测方法，其特征在于，所述杜瓦上开设有位于杜瓦外管外壁(4)上的第一穿舱口以及位于杜瓦内管内壁(10)上的第二穿舱口。
4.根据权利要求3所述的一种长距离超导电缆局放超声检测方法，其特征在于，所述线管(6)通过第一穿舱口从外部环境(1)进入杜瓦内部真空腔(2)、并通过第二穿舱口穿出杜瓦到达液氮环境(3)。
5.根据权利要求4所述的一种长距离超导电缆局放超声检测方法，其特征在于，所述线管(6)在第一穿舱口通过焊接方式与杜瓦固定连接，所述线管(6)在第二穿舱口通过焊接方式与杜瓦固定连接。
6.根据权利要求4所述的一种长距离超导电缆局放超声检测方法，其特征在于，所述线管(6)的中间部分折弯，用于增加线管(6)内部氮气到达外部环境(1)的传输距离，以减少漏热。
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