三相同轴高温超导电缆通流试验装置的制作方法

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1.本实用新型属于超导电缆领域，具体涉及一种三相同轴高温超导电缆通流试验装置。


背景技术：

2.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。
3.三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。
4.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。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足与改进需求，本实用新型的目的是提供一种三相同轴超导电缆故障暂态通流试验装置，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，本实用新型保证整套试验装置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。
6.本实用新型的目的是采用下述技术方案实现的：
7.一种三相同轴高温超导电缆通流试验装置，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；
8.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；
9.所述合闸断路器4、隔离开关6、三相同轴高温超导电缆系统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；
10.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；
11.在合闸断路器5和隔离开关6之间设置接地开关10；
12.接地断路器8并接在所述模拟负载9的两端；
13.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。
14.进一步优选地：
15.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；
16.所述循环冷却监控装置72设置在一侧超导电缆终端71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；
17.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；
18.所述纳伏表安装在超导电缆终端71处，用于采集高温超导电缆端电压；
19.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。
20.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；
21.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保护管。
22.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。
23.所述低压大电流发生器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；
24.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；
25.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。
26.本实用新型相对于现有技术具有以下有益的技术效果：
27.1.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，本实用新型基于25ka的低压大电流冲击试验平台，能够在同一套试验装置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；
28.2.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，本实用新型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。
29.综上所述，基于本实用新型中的装置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：
30.图1为本实用新型的一个实施例中10kv三相同轴超导电缆故障暂态通流试验装置主回路单线示意图。
31.图2为本实用新型的一个实施例中三相同轴超导电缆装置的结构示意图。
32.图3为本实用新型的一个实施例中三相同轴超导电缆的结构示意图。
具体实施方式：
33.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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，绝不对本实用新型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实用新型保护的范围。
34.图1为本实用新型的一个实施例中10kv三相同轴超导电缆故障暂态通流试验装置主回路单线示意图。在本实施例中，三相同轴超导电缆故障暂态通流试验装置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，试验装置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，低压大电流发生器2的输出接入试验装置主回路，具备长时间三相大电流输出能力。低压大电流发生器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，以为试验装置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，本实用新型基于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。
35.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，本实用新型利用试验变压器、大功率升流装置及高压电缆线路等设备搭建三相试验装置平台，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。
36.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。
37.图2为本实用新型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(
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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。
38.图3为本实用新型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。
39.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。
40.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。
41.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。本实用新型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)。
42.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。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
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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
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珀罗谐振腔(f
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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。
43.虽然已示例实施例描述了本实用新型，但应理解，本实用新型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。