[发明专利]基于介质谱的超导电缆预冷过程监测方法

说明书

本发明涉及一种基于介质谱的超导电缆预冷过程监测方法，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介质谱测试，以得到吹扫阶段、冷却阶段不同频率激励电压下超导电缆绝缘介质的介损；根据吹扫阶段、冷却阶段不同频率激励电压下超导电缆绝缘介质的介损，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，本发明能够全面、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。

技术领域

本发明涉及超导电缆检测技术领域，尤其是涉及一种基于介质谱的超导电缆预冷过程监测方法。

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，以能够全面、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