高溫超導(dǎo)電纜測(cè)溫理論與失超檢測(cè)研究

國(guó)網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司 李曉春

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電纜輸電線路成為限制電力系統(tǒng)發(fā)展的重要因素，為了滿足各個(gè)行業(yè)對(duì)電力能源的需求，提高電力輸電線路的傳輸容量、降低線路損耗勢(shì)在必行。高溫超導(dǎo)電纜的應(yīng)用為輸電線路的發(fā)展提供了新的方向[1]。高溫超導(dǎo)電纜和傳統(tǒng)的電纜相比具有容量大、損耗低、結(jié)構(gòu)緊湊和環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，利用高溫超導(dǎo)電纜可以實(shí)現(xiàn)輸配電系統(tǒng)大容量、遠(yuǎn)距離和低損耗傳輸。超導(dǎo)電纜一旦出現(xiàn)故障，就會(huì)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成較大的影響，傳統(tǒng)的端電壓測(cè)量方法難以檢測(cè)到高溫電纜失超現(xiàn)象。在實(shí)際工程中，超導(dǎo)電纜中的感性分量較大，利用常規(guī)的方法難以進(jìn)行測(cè)量，本文對(duì)高溫超導(dǎo)電纜測(cè)溫原理和失超檢測(cè)進(jìn)行了研究，具有重要的工程意義[2]。

1 高溫超導(dǎo)電纜測(cè)溫理論與解調(diào)方法分析

1.1 拉曼散射測(cè)溫原理

根據(jù)光纖中光的傳播原理可知，光在光纖中傳輸時(shí)會(huì)發(fā)生入射光和光纖介質(zhì)之間的不斷碰撞，包括彈性碰撞和非彈性碰撞，彈性碰撞光只會(huì)造成光纖中的光傳播路徑發(fā)生偏離，即瑞利散射。另外的一種碰撞會(huì)造成光纖中傳輸光的能量和頻率都會(huì)發(fā)生改變，這種是拉曼散射。發(fā)生拉曼散射光的光強(qiáng)和頻率的分布如圖1所示。

圖1 光纖中的散射光譜圖

在實(shí)際的光纖傳輸中，由于光纖也會(huì)受到環(huán)境中各種因素的影響，特別是外部環(huán)境中的壓力、溫度，以及流量等的影響，這些影響會(huì)造成光纖中傳輸光的特征量發(fā)生變化。對(duì)光纖中傳輸?shù)墓饫美⑸湓磉M(jìn)行分析，根據(jù)光功率和溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到溫度的測(cè)量值，根據(jù)光電探測(cè)器提取拉曼散射光和反射光的功率表示式為：

在式（1）和式（2）中，P0、Ps和Pas分別表示的是入射光、拉曼散射光和反射光的功率，Ks和Kas代表的是光的散射系數(shù)，a0、as和aas分別表示的是入射光、拉曼散射光和反射光的衰減系數(shù)，L是光纖的長(zhǎng)度，Rs(T)和Ras(T)代表的是拉曼散射光和反射光的玻爾茲曼因子。

根據(jù)光功率計(jì)算式知道光功率的強(qiáng)度與溫度有關(guān)，可以利用這種關(guān)系對(duì)光纖進(jìn)行測(cè)溫。

1.2 溫度調(diào)節(jié)方法

對(duì)高溫超導(dǎo)電纜進(jìn)行溫度測(cè)量，不僅需要得到拉曼散射光的光強(qiáng)度信號(hào)，還需要進(jìn)行光信號(hào)的解調(diào)，常用的溫度解調(diào)方法有三種，分別是以反斯托克斯光作為獨(dú)立信號(hào)的方法、以瑞利散射光作為參考信號(hào)的方法和以斯托克斯光作為參考信號(hào)的方法。這三種方法具有不同的特點(diǎn)，根據(jù)高溫超導(dǎo)電纜測(cè)溫的實(shí)際工程需要，常用的是將斯托克斯光作為參考信號(hào)，反斯托克斯光作為測(cè)量信號(hào)的溫度調(diào)解方法。可以利用在不同溫度下光纖中光強(qiáng)度的比值對(duì)溫度進(jìn)行求解，斯托克斯光的光強(qiáng)表示式為：

在式（3）中，λs代表研究的光纖中傳輸斯托克斯光的入射波長(zhǎng)，根據(jù)反斯托克斯光和斯托克斯光兩者之間的關(guān)系，可以得到二者的光強(qiáng)比值的計(jì)算式為：

如果已經(jīng)得到在溫度T0下的光強(qiáng)值，可以得到在不同光強(qiáng)下的溫度值：

利用這兩種方法的結(jié)合，不但能夠保證對(duì)溫度解調(diào)的靈敏度，還可以保證整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)中各個(gè)部分的工作穩(wěn)定性和可靠性。

2 高溫超導(dǎo)電纜測(cè)溫標(biāo)定系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)主要組成

高溫超導(dǎo)電纜測(cè)溫標(biāo)定系統(tǒng)主要包括真空絕熱平臺(tái)和導(dǎo)熱模塊、鉑電阻溫度測(cè)量裝置、分布式光纖測(cè)溫解調(diào)儀、傳感光纖和溫度標(biāo)定平臺(tái)等。其中鉑電阻溫度測(cè)量裝置、分布式光纖測(cè)溫解調(diào)儀和傳感光纖都是成熟的設(shè)備。真空絕熱平臺(tái)和導(dǎo)熱模塊模型如圖2所示。

圖2 真空絕熱平臺(tái)和導(dǎo)熱模塊模型

在圖2的真空絕熱平臺(tái)和導(dǎo)熱模塊模型圖中，熱沉塊主要的作用是安裝用于測(cè)溫的傳感光纖和溫度檢測(cè)單元鉑電阻，為了能夠保證測(cè)溫平臺(tái)的導(dǎo)熱性能，在對(duì)電纜測(cè)溫時(shí)各個(gè)部位具有均勻的溫度，熱沉塊使用銅件作為主要的制作材料。鉑電阻溫度傳感器作為主要的測(cè)溫探頭，可以利用溫度與鉑電阻阻值之間的線性關(guān)系得到不同的溫度測(cè)量值。

根據(jù)測(cè)溫標(biāo)定的對(duì)象搭建溫度標(biāo)定平臺(tái)，結(jié)合高溫超導(dǎo)電纜測(cè)溫標(biāo)定的需求，搭建的平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要的傳感光纖纏繞在銅柱上，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的均勻測(cè)量，工控機(jī)讀取檢測(cè)傳感器得到溫度。

圖3 溫度標(biāo)定平臺(tái)連接示意圖

2.2 高溫超導(dǎo)電纜溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)過程

為了具有較高的溫度標(biāo)定精度，需要在測(cè)量時(shí)進(jìn)行溫度標(biāo)定，使用多個(gè)溫度標(biāo)定點(diǎn)來(lái)降低溫度監(jiān)控點(diǎn)造成的影響，根據(jù)高溫超導(dǎo)電纜的分布式測(cè)溫原理和需求，使用溫度標(biāo)定的傳感光纖與鉑電阻的固定方式如圖4所示，為了能夠提高傳感光纖對(duì)溫度傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，將傳感光纖通過不接觸纏繞的方式纏繞在銅柱上，這樣可以使測(cè)溫的鉑電阻傳感器處于傳感光纖的中間，從而提高整個(gè)溫度測(cè)量的精度和準(zhǔn)確度。

圖4 傳感光纖與鉑電阻的固定方式

3 高溫超導(dǎo)電纜失超檢測(cè)

進(jìn)行直流沖擊失超檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合電力系統(tǒng)對(duì)高溫超導(dǎo)電纜的測(cè)試要求，使用的直流沖擊平臺(tái)如圖5所示，高溫超導(dǎo)電纜失超檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵就是沖擊電流的產(chǎn)生，為了能夠保證檢測(cè)過程與實(shí)際的工程要求相符，利用電源施加恒定電壓的方式在平臺(tái)上產(chǎn)生沖擊電流，并且通過對(duì)施加電壓和時(shí)間的控制對(duì)沖擊電流的大小和時(shí)間進(jìn)行控制。

圖5 直流沖擊失超檢測(cè)平臺(tái)

如果控制施加的電壓是3.5V，并且控制施加的持續(xù)時(shí)間是20s，可以得到直流沖擊過程電壓和電流的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 直流沖擊過程電壓和電流的關(guān)系曲線

對(duì)不同沖擊時(shí)間下，超導(dǎo)電纜溫升變化進(jìn)行測(cè)試，得到的結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同沖擊時(shí)間超導(dǎo)電纜溫升變化曲線

可以看出，隨著沖擊時(shí)間的增加，超導(dǎo)電纜溫升的最大值也在增大，并且呈現(xiàn)線性關(guān)系。在電壓恒定的情況下，最大溫升和沖擊時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)高溫超導(dǎo)電纜測(cè)溫原理和解調(diào)方法進(jìn)行了分析，研究了高溫超導(dǎo)電纜穩(wěn)定標(biāo)定系統(tǒng)，并進(jìn)行了高溫超導(dǎo)電纜失超檢測(cè)研究，給出了具體的沖擊實(shí)驗(yàn)。