高温超导电缆制冷系统的漏热监测系统及方法

1.本发明涉及超导电缆技术领域，具体地，涉及一种高温超导电缆制冷系统的漏热监测系统及方法。


背景技术：

2.和传统电力电缆相比，超导电缆系统具有损耗低、传输容量大、电缆体积小、系统安全稳定性强等优点，冷绝缘高温超导电缆间相互电磁影响和热场影响较低，具有稳定的载流能力，在人口密集的大城市地下电缆系统或特定大容量输电应用中具有极大的发展前景。高温超导电缆系统一般由超导电缆、低温制冷系统和监控保护系统组成。其中，低温制冷系统是保证超导电缆正常工作的重要支撑，其工作的可靠性将直接影响到超导电缆的安全性。
3.目前，超导电缆制冷系统多采用液氮循环迫流冷却的方式，基本原理是利用液氮将高温超导电缆产生的热量带入制冷机，经冷却后再送至高温超导电缆中，形成一个液氮闭合循环回路。根据超导电缆及其制冷系统的结构特点，其存在多处热负荷源，即漏热源。其中，包括超导电缆本体交流损耗、超导电缆接头损耗、超导电缆本体恒温器漏热、超导电缆终端恒温器系统漏热等。当超导电缆系统的某处漏热过大时，如超导电缆接头损耗，制冷系统无法及时带走这部分热量，将会发生超导电缆失超的风险，严重影响超导电缆的载流能力，进而影响其运行的安全性。除此之外，超导电缆系统的热负荷源较为分散，几乎存在于系统的各个部分。因此，现有技术无法对高温超导电缆的漏热情况进行有效的监测。
4.专利文献cn109855759b公开了一种高温超导电缆温度测量系统，应用于相互连接的高温超导电缆和终端冷却系统中，其包括设置于高温超导电缆中的低温测温光纤，以及设置于终端冷却系统中的热电阻；光纤测温主机，用于接收来自低温测温光纤的各个测量点的测温信息；热电阻温度监控器，用于接收来自热电阻的温度信息；测温控制装置，其接收测温信息以及温度信息，根据测温信息以及温度信息进行评估和判定，以确定与其连接的电缆运行控制主机的保护动作及保护区域，并控制电缆运行控制主机进行相应操作。但该方法并未实现对高温超导电缆制冷系统的漏热情况进行实时监测，进而对高温超导电缆进行快速、有效地保护。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高温超导电缆制冷系统的漏热监测系统及方法。
6.根据本发明提供的一种高温超导电缆制冷系统的漏热监测系统，包括：
7.测量光纤，设置在高温超导电缆制冷系统中，用于采集温度信号；
8.光纤传感设备，与测量光纤连接，用于获取温度信号；
9.通过温度信号对高温超导电缆制冷系统进行漏热监测。
10.优选地，测量光纤敷设在高温超导电缆制冷系统中。
11.优选地，高温超导电缆制冷系统包括超导电缆本体；
12.将测量光纤螺旋缠绕在超导电缆本体上，并利用环氧树脂胶固定。
13.优选地，高温超导电缆制冷系统，还包括液氮流通管道：
14.将测量光纤贴敷在液氮流通管道的内壁上，并利用环氧树脂胶固定。
15.优选地，高温超导电缆制冷系统，还包括制冷机；
16.测量光纤自制冷机处伸出，与光纤传感设备连接。
17.根据本发明提供的一种高温超导电缆制冷系统的漏热监测方法，包括：测量光纤，设和光纤传感设备；
18.步骤1：通过测量光纤采集高温超导电缆制冷系统的温度信号；
19.步骤2：通过光纤传感设备获取的温度信号，对高温超导电缆制冷系统进行漏热监测。
20.优选地，步骤2包括：
21.步骤201：获取温度信号中的反斯托克光信号；
22.步骤202：通过反斯托克光信号，对高温超导电缆制冷系统进行漏热监测。
23.优选地，方法，还包括：
24.步骤3：调整光纤传感设备的时间分辨率，以优化漏热监测的速率。
25.优选地，温度信号包括：反斯托克光信号和斯托克斯光信号。
26.优选地，包括：
27.步骤4：将温度信号发送到显示设备上进行显示。
28.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
29.1、本发明通过对高温超导电缆制冷系统进行漏热监测，保证了高温超导电缆的安全性。
30.2、本发明通过将测量光纤敷设在高温超导电缆制冷系统，对高温超导电缆制冷系统的各个部分的温度信号进行测量，实现漏热监测，保证了高温超导电缆的安全运行。
附图说明
31.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
32.图1为本发明的结构示意图；
33.图2为本发明的高温超导电缆本体的测量光纤敷设的示意图；
34.图3为本发明的液氮流通管道的测量光纤敷设示意图；
35.图4为本发明的时间分辨率对失超响应速度的示意图。
36.附图标记：
37.1-高温超导电缆本体；
38.2-超导电缆终端；
39.3-液氮存储罐；
40.4-液氮阀；
41.5-制冷机；
42.6-液氮缓冲罐；
43.7-压缩机；
44.8-测量光纤；
45.9-光纤传感设备；
46.10-显示设备；
47.11-液氮流通管道壁；
48.12-环氧树脂胶。
具体实施方式
49.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
50.图1为本发明的结构示意图，如图1所示，本发明提供了一种高温超导电缆制冷系统的漏热监测系统，包括：高温超导电缆本体1、超导电缆终端2、液氮存储罐3、液氮阀4、制冷机5、液氮缓冲罐6、压缩机7、测量光纤8、光纤传感设备9和显示设备10。其中，高温超导电缆制冷系统包括高温超导电缆本体1、超导电缆终端2、液氮存储罐3、液氮阀4、制冷机5、液氮缓冲罐6和压缩机7，本发明将测量光纤8敷设在整个高温超导电缆制冷系统上，示例性的，测量光纤8与光纤传感设备9连接，并通过制冷机5进入高温超导电缆制冷系统，敷设在整个高温超导电缆制冷系统中，通过另一个制冷机5伸出，光纤传感设备9将高温超导电缆制冷系统的温度信号传送至显示设备10，实时显示温度信号的分布曲线。
51.可知的是，测量光纤8伸出高温超导电缆制冷系统可以说明测量光纤8在高温超导电缆制冷系统内部是联通的，且测量光纤8的长度是足够的；可以通过伸出的测量光纤8测量室外温度，以确定漏热监测系统的温度测量的正确性。
52.其中，图1中的箭头表示在液氮阀4左侧的阀门打开时的液氮在高温超导电缆制冷系统的流动方向。
53.下面对本发明提供的高温超导电缆制冷系统的漏热监测系统进行详细的说明：
54.测量光纤，设置在高温超导电缆制冷系统中，用于采集温度信号。
55.可知的是，由于高温超导电缆系统的热负荷源较为分散，几乎存在于高温超导电缆系统的各个部分。因此，为了及时监测到高温超导电缆各个部分的漏热情况和温度变化，需要进行分布式、快速、有效的漏热监测。本发明将测量光纤敷设在高温超导电缆制冷系统的各个部分，采集各个部分的温度信号。
56.具体地，由于测量光纤在高温超导电缆制冷系统内部是连续的，因此，可以实现对高温超导电缆制冷系统的温度信号的连续测量，不仅仅测量几个关键点的温度信号，可以有效的对整个高温超导电缆制冷系统进行漏热监测。
57.可知的是，本发明可以采集测量光纤上的所有点的温度信号，即可以实现连续对温度信号的连续测量。示例性的，可以定位到具体地位置，对测量光纤上的温度信号进行采集。
58.优选地，测量光纤敷设在高温超导电缆制冷系统中。
59.具体地，将测量光纤敷设于高温电缆制冷系统的液氮循环管道中，液氮循环管道
包括：高温超导电缆本体、超导电缆终端以及其余的液氮输液管路。其中，超导电缆终端用于连接高温超导电缆本体和液氮输液管路，起到接头的作用。
60.本发明中高温超导电缆本体与其余的液氮流通管道的光纤敷设方式有所不同。
61.优选地，高温超导电缆制冷系统包括超导电缆本体；将测量光纤螺旋缠绕在超导电缆本体上，并利用环氧树脂胶固定。
62.优选地，高温超导电缆制冷系统，还包括液氮流通管道：将测量光纤贴敷在液氮流通管道的内壁上，并利用环氧树脂胶固定。
63.图2为本发明的高温超导电缆本体的测量光纤敷设的示意图，如图2所示，包括：测量光纤8和高温超导电缆本体1，测量光纤1螺旋缠绕在高温超导电缆本体1上，并利用环氧树脂胶固定住。
64.图3为本发明的液氮流通管道的测量光纤敷设示意图，如图3所示，包括：液氮流通管道壁11，测量光纤8和环氧树脂胶12，将测量光纤8敷设于液氮流通管道壁11上。
65.具体地，利用环氧树脂胶将测量光纤8贴敷于液氮流通管道内壁上。
66.光纤传感设备，与测量光纤连接，用于获取温度信号。
67.优选地，高温超导电缆制冷系统，还包括制冷机；测量光纤自制冷机处伸出，与光纤传感设备连接。
68.通过温度信号对高温超导电缆制冷系统进行漏热监测。
69.具体地，将1根测量光纤或多根测量光纤集束而成的光缆，按照图2和图3所示的敷设方式植入如图1所示的高温超导电缆制冷系统中，其中测量光纤将贯穿高温超导电缆本体、超导电缆终端、液氮存储罐、制冷机等整个液氮循环回路；测量光纤端部自制冷机处伸出，并与光纤传感设备相连接，根据实际情况，光纤传感设备可实现多通道信号测量；进行反斯托克斯光信号的采集和模数转换，得到超导电缆制冷系统的反斯托克斯光强分布信息；光纤传感设备将制冷系统的反斯托克斯光强分布信号传送至显示设备，并实时显示其分布曲线。
70.本发明提供了一种高温超导电缆制冷系统的漏热监测方法，包括：采用高温超导电缆制冷系统的漏热监测系统，执行以下步骤。
71.步骤1：通过测量光纤采集高温超导电缆制冷系统的温度信号。
72.本发明利用植入高温超导电缆制冷系统的测量光纤，结合基于拉曼散射原理的分布式光纤传感技术，对高温超导电缆的整个制冷系统的漏热情况进行实时监测。
73.下面通过公式(1)、公式(2)和公式(3)对于拉曼散射测温原理进行详细说明：
[0074][0075][0076][0077]
其中，i
as
表示反斯托克斯光强；is表示斯托克斯光强；r表示拉曼比；h表示普朗克常数；ks和k
as
分别表示位置依赖的斯托克斯光和反斯托克斯光的散射损耗因子；k表示玻尔兹曼常数；δυ表示拉曼频移量；t表示开尔文温度。
[0078]
拉曼散射信号包含两个频率分量，分别是反斯托克光和斯托克斯光。一般情况下，我们利用反斯托克斯光强(i
as
)与斯托克斯光强(is)之比解调温度信号。上述公式(1)、公式(2)和公式(3)分别展示了反斯托克斯光强、斯托克斯光强以及拉曼比的表达式。其中，反斯托克斯光强对温度非常敏感，而斯托克斯光强对温度不敏感，在温度解调过程中，斯托克斯光强作为参考信号，用以去除反斯托克斯光信号携带的其余环境变量。
[0079]
步骤2：通过光纤传感设备获取的温度信号，对高温超导电缆制冷系统进行漏热监测。
[0080]
优选地，步骤2包括：步骤201：获取温度信号中的反斯托克光信号；步骤202：通过反斯托克光信号，对高温超导电缆制冷系统进行漏热监测。
[0081]
优选地，方法，还包括：步骤3：调整光纤传感设备的时间分辨率，以优化漏热监测的速率。
[0082]
优选地，温度信号包括：反斯托克光信号和斯托克斯光信号。
[0083]
具体地，为了提高漏热监测的灵敏度，以及保证信号测量的及时性，本发明仅检测测量光纤中的反斯托克斯光信号，用以代表温度信号，不进行温度解调，如此可以节省解调所花费的时间，达到快速监测的效果。除此之外，还可以通过调整光纤传感设备的时间分辨率进一步提高其温度监测速率，优化温度监测效果。
[0084]
图4为本发明的时间分辨率对失超响应速度的示意图，如图4所示，横轴为时间，单位为秒(s)，纵轴为反斯托克斯光强，tr为时间分辨率，i
peak
表示脉冲电流，途中离散的三角形表示数据，实心圆所在的曲线表示tr为300毫秒(ms)时的反斯托克斯光强的曲线，三角形所在的曲线表示tr为30毫秒(ms)时的反斯托克斯光强的曲线，本发明中在0秒到2秒过程中，施加一个i
peak
＝700a的电流，测试不同时间分辨率下对失超的响应速度的影响。
[0085]
如图4所示,在时间分辨率为30ms和300ms的条件下，被测线圈遭受短时冲击大电流时，光纤传感设备测量到的反斯托克斯光强变化情况。可以看到，时间分辨率为30ms时，反斯托克斯光强变化比时间分辨率为300ms的情况提前了约500ms，证明优化光线传感设备的时间分辨率可以有效提高状态监测速率。
[0086]
可知的是，超导材料从超导态转变为常导态的过程称为失超。
[0087]
优选地，包括：步骤4：将温度信号发送到显示设备上进行显示。
[0088]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0089]
1、本发明通过对高温超导电缆制冷系统进行漏热监测，保证了高温超导电缆的安全性。
[0090]
2、本发明通过将测量光纤敷设在高温超导电缆制冷系统，对高温超导电缆制冷系统的各个部分的温度信号进行测量，实现漏热监测，保证了高温超导电缆的安全运行。
[0091]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法子模块m进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
[0092]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种高温超导电缆制冷系统的漏热监测系统，其特征在于，包括：测量光纤，设置在所述高温超导电缆制冷系统中，用于采集温度信号；光纤传感设备，与所述测量光纤连接，用于获取所述温度信号；通过所述温度信号对所述高温超导电缆制冷系统进行漏热监测。2.根据权利要求1所述的高温超导电缆制冷系统的漏热监测系统，其特征在于，所述测量光纤敷设在所述高温超导电缆制冷系统中。3.根据权利要求1或2所述的高温超导电缆制冷系统的漏热监测系统，其特征在于，所述高温超导电缆制冷系统包括超导电缆本体；将所述测量光纤螺旋缠绕在所述超导电缆本体上，并利用环氧树脂胶固定。4.根据权利要求1或2所述的高温超导电缆制冷系统的漏热监测系统，其特征在于，所述高温超导电缆制冷系统，还包括液氮流通管道：将所述测量光纤贴敷在所述液氮流通管道的内壁上，并利用环氧树脂胶固定。5.根据权利1或2所述的高温超导电缆制冷系统的漏热监测系统，其特征在于，所述高温超导电缆制冷系统，还包括制冷机；所述测量光纤自所述制冷机处伸出，与所述光纤传感设备连接。6.一种高温超导电缆制冷系统的漏热监测方法，其特征在于，包括：采用权利要求1所述的高温超导电缆制冷系统的漏热监测系统，执行步骤：步骤1：通过所述测量光纤采集所述高温超导电缆制冷系统的温度信号；步骤2：通过所述光纤传感设备获取的所述温度信号，对所述高温超导电缆制冷系统进行漏热监测。7.根据权利要求6所述的高温超导电缆制冷方法的漏热监测方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤201：获取所述温度信号中的反斯托克光信号；步骤202：通过所述反斯托克光信号，对所述高温超导电缆制冷系统进行漏热监测。8.根据权利要求6所述的高温超导电缆制冷系统的漏热监测方法，其特征在于，所述方法，还包括：步骤3：调整所述光纤传感设备的时间分辨率，以优化所述漏热监测的速率。9.根据权利要求6所述的高温超导电缆制冷系统的漏热监测方法，其特征在于，所述温度信号包括：反斯托克光信号和斯托克斯光信号。10.根据权利6所述的高温超导电缆制冷系统的漏热监测方法，其特征在于，包括：步骤4：将所述温度信号发送到显示设备上进行显示。

技术总结
本发明提供了一种高温超导电缆制冷系统的漏热监测系统及方法，包括：测量光纤，设置在高温超导电缆制冷系统中，用于采集温度信号；光纤传感设备，与测量光纤连接，用于获取温度信号；通过温度信号对高温超导电缆制冷系统进行漏热监测。与现有技术相比，本发明通过植入高温超导电缆制冷系统的测量光纤，结合基于拉曼散射原理的分布式光纤传感技术，对高温超导电缆的制冷系统的漏热情况进行实时监测，进而可以对高温超导电缆进行快速、有效地保护。有效地保护。有效地保护。


技术研发人员：焦婷 王龙彪 王明阳 李柱永 李红雷 贺林
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2023/7/13