CN100524545C - 能进行失导检测的超导电力电缆及使用其的失导检测*** - Google Patents

能进行失导检测的超导电力电缆及使用其的失导检测*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能够进行失导检测的超导电力电缆和使用该超导电力电缆的失导检测***，该能够进行失导检测的超导电力电缆包括：成形体；包括超导导线并包围所述成形体的超导导体层；设置在所述成形体与所述超导导体层之间并包围所述成形体的导体层失导检测线圈；包围所述超导导体层的绝缘层；以及包围所述绝缘层的屏蔽层。该超导电力电缆可以对在其操作过程中发生的失导实时地进行检测。

Description

能进行失导检测的超导电力电缆及使用其的失导检测***
技术领域
本发明涉及超导电力电缆和使用该电缆的失导检测***，更具体地说，涉及一种能够对在超导电力电缆的操作过程中可能会出现的超导导线的失导实时地进行检测的超导电力电缆，以及使用该超导电力电缆的失导检测***。
背景技术
超导体是一种在非常低的温度下由于电阻完全消失而不显示出能量损耗的理想导体，并被应用于各种领域。最近，将利用超导导线的电力电缆用于满足大都市中日益增长的电力需求。
利用超导导线的电力电缆显示出比利用铜的常规电力电缆更好的电传输能力，因此与利用铜的电力电缆相比，该电力电缆可以传输大量的电力并降低了在电传输过程中的损耗。由此，不必增大用于传输大量电力的电缆的截面积，因此即使上述电力电缆是按小尺寸设计的，该电缆也可以高效地传输大量电力。
同时，超导体只可以在三个临界值的范围内保持其超导性，即临界温度、临界磁场以及临界电流密度，因此超出这些临界值超导体会失去超导性并且其状态改变到普通导电状态。由此，要求在超导电力电缆的操作过程中对是否保持有超导导线的超导性进行检查。
图1是示出具有超导导体层的失导检测结构的常规超导电力电缆的纵向剖面图。参照图1，超导电力电缆包括成形体(former)1、由超导导线制成并包围成形体1的导体层2、用于将导体层2绝缘的绝缘层3、以及用于进行电屏蔽的包围绝缘层3的屏蔽层4。还可以包括设置在成形体1与导体层2之间并包围成形体1的平坦化层(未示出)，以使成形体1的表面平坦。
使用布置在成形体1的周面上的呈带形的超导导线来构造导体层2，并且导体层2具有用于传输大量电力的多层结构。由于超导导线会由于如下缺陷而超出以上临界值，所以超导导线会频繁地失去其超导性：超导导线本身的缺陷、在布线过程中可能产生的缺陷、以及由在将超导导线保持在临界温度以下的冷却剂中包括的杂质导致的冷却***的缺陷。将超导体失去其超导性并且其状态改变成普通导电状态的现象称为失导。
如果在超导电力电缆的任何超导导线中发生了失导使得超导导线的状态改变成普通导电状态，则在超导导线中能够流动的电流量会减小。由此，尽管将超导电力电缆制造成使得在超导导体层2中的每一层中流动恒定电流，但是如果发生了失导，则剩余的电流会在未发生失导的其他超导导线中流动。结果，未发生失导的其他超导导线超过临界电流的可能性会增大。如果在超过临界电流的另一超导导线中发生了失导，则电缆本身的超导状态会被破坏，因此电缆的传输能力会大大降低。
由此，在超导电力电缆的操作过程中对失导的发生进行检测是重要的。出于该目的，可以使用设置于导体层2的沿长度方向的两端的电压端子5来通过测量这两端的电压来对失导进行检测。然而，由于对超导电力电缆的导体层2施加高电压，因此不可能测量到由于失导而产生的微小信号。即使可以进行该测量，也会由于高电压而损坏测量装置，因此在实际传输电力时无法检测失导。
发明内容
鉴于以上问题构思了本发明，因此本发明的一个目的是提供一种能够对在超导电力电缆的操作过程中发生的失导进行检测的超导电力电缆，以及使用该超导电力电缆的失导检测***。
为了实现以上目的，本发明提供了一种能够进行失导检测的超导电力电缆，该超导电力电缆包括：成形体；包括超导导线并包围所述成形体的超导导体层；设置在所述成形体与所述超导导体层之间并包括包围所述成形体的光纤的导体层失导检测线圈；包围所述超导导体层的绝缘层；以及包围所述绝缘层的屏蔽层。
在根据本发明的能够进行失导检测的超导电力电缆中，优选的是，所述屏蔽层包括超导导线，并且所述能够进行失导检测的超导电力电缆还包括包围所述屏蔽层的屏蔽层失导检测线圈。
在根据本发明的能够进行失导检测的超导电力电缆中，优选的是，所述屏蔽层失导检测线圈包括光纤或导体。
在根据本发明的能够进行失导检测的超导电力电缆中，优选的是，在所述成形体的表面上形成有多个不规则体(irregularity)，使得所述导体层失导检测线圈包围所述多个不规则体中的一个的凹部。
在本发明的另一方面中，还提供了一种超导电力电缆的失导检测***，该失导检测***包括：超导电力电缆；和连接到所述超导电力电缆的信号处理单元，
其中所述超导电力电缆包括：成形体；包括超导导线并包围所述成形体的超导导体层；设置在所述成形体与所述超导导体层之间并包括包围所述成形体的光纤的导体层失导检测线圈；包围所述超导导体层的绝缘层；以及包围所述绝缘层的屏蔽层，
其中所述信号处理单元连接到所述导体层失导检测线圈以生成所述导体层失导检测线圈的输入光，并接收在所述导体层失导检测线圈中偏振后的输出光以生成导体层失导发生信号。
在根据本发明的超导电力电缆的失导检测***中，优选的是，所述屏蔽层包括超导导线，并且所述超导电力电缆还包括屏蔽层失导检测线圈，该屏蔽层失导检测线圈包括包围所述屏蔽层的光纤，
其中所述信号处理单元优选地连接到所述屏蔽层失导检测线圈以生成所述屏蔽层失导检测线圈的输入光，并接收在所述屏蔽层失导检测线圈中偏振后的输出光以进而输出屏蔽层失导发生信号。
在根据本发明的超导电力电缆的失导检测***中，优选的是，所述屏蔽层包括超导导线，并且所述超导电力电缆还包括屏蔽层失导检测线圈，该屏蔽层失导检测线圈包围所述屏蔽层的导体，
其中所述失导检测***优选地还包括连接到所述屏蔽层失导检测线圈的电压检测单元，该电压检测单元能够对所述屏蔽层失导检测线圈的电压进行不断的检测，以检查所述屏蔽层中是否发生了失导。
附图说明
结合附图，将在以下详细说明中对本发明的优选实施例的这些和其他特征、方面以及优点进行更全面的描述。在附图中：
图1是示出具有超导导体层的失导检测结构的常规超导电力电缆的纵向剖面图；
图2是示出超导电力电缆的剖面图，其例示了在通常状态下在超导电力电缆中的磁场分布；
图3是示出超导电力电缆的剖面图，其例示了当在超导导体层中发生失导时在超导电力电缆中的磁场分布；
图4示出了根据本发明一个实施例的用于配备有皱褶成形体的超导电力电缆的失导检测***的结构；
图5示出了根据本发明另一实施例的用于配备有导体绞合成形体的超导电力电缆的失导检测***的结构；
图6是示出超导电力电缆的剖面图，其例示了当在超导屏蔽层中发生失导时在超导电力电缆中的磁场分布；
图7示出了根据本发明还一实施例的用于超导电力电缆的导体层或屏蔽层的失导检测***的结构；以及
图8示出了根据本发明再一实施例的用于超导电力电缆的导体层或屏蔽层的失导检测***的结构。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明优选实施例进行详细描述。在进行描述之前，应当明白，在说明书和所附权利要求中使用的术语不应被诠释成局限于通用和字典涵义，而应在允许本发明人为了进行最佳说明而对术语进行适当定义的原则的基础上基于与本发明的技术方面相对应的涵义和概念来加以解释。因此，这里给出的描述只是仅出于例示的目的而给出的优选示例，而不是为了限制本发明的范围，因此应当明白，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下提出本发明的其他等同物和修改例。
图2是示出超导电力电缆的剖面图，其例示了在通常状态下超导电力电缆的磁场分布，图3是示出超导电力电缆的剖面图，其例示了当在超导导体层中发生失导时超导电力电缆的磁场分布。参照图2，在构成导体层2的各超导导线中均匀地流有电流的情况下，在导体层2之外形成有具有一定大小的外磁场6b，但是在导体层2内没有形成磁场。然而，如果在电缆的操作过程中超导导线7的一部分失去其超导性并导致失导的发生，则在失导后的超导导线7中流动的电流会减小，而剩余的电流会重新分布以围绕超导导线并在其中流动，因此如图3所示会在导体层内形成磁场6a。由此，可以通过对导体层2中流有的磁场6a的变化进行感测，来检测导体层2的失导。
图4示出了根据本发明一个实施例的用于配备有皱褶成形体的超导电力电缆的失导检测***的结构。参照图4，该***包括：超导电力电缆10，其配备有用于对导体层2中的磁场6a的变化进行检测的导体层失导检测线圈8；和用于在发生失导时对失导信号进行检测的信号处理单元11。
超导电力电缆10包括皱褶成形体1a、包括超导导线并包围皱褶成形体1a的导体层2、包围导体层2的绝缘层3、以及包围绝缘层3的屏蔽层4。超导电力电缆10还包括安装成按环形包围皱褶成形体1a的导体层失导检测线圈8。
根据本实施例的皱褶成形体1a具有形成在其表面上的多个不规则体。该皱褶成形体1a具有内空部，并且该内空部充当液氮的通道，该液氮将超导导线冷却到临界温度以下，以保持其超导性。
导体层失导检测线圈8是设置在皱褶成形体1a与导体层2之间并按环形包围皱褶成形体1a以对超导导体层2的失导进行检测的线圈。在导体层2中发生失导的情况下，导体层失导检测线圈8对磁场的变化进行检测，然后将对应的信号发送给连接到导体层失导检测线圈8的两端的信号处理单元11。此外，导体层失导检测线圈8包括光纤，由此不会导致与导体层2的任何电干扰，从而不会对超导电力电缆10的电力传输造成影响。
信号处理单元11安装在超导电力电缆10之外，并对在导体层2中发生失导的情况下在导体层失导检测线圈8处出现的失导信号进行检测。信号处理单元11包括作为诸如激光二极管的光发生元件的发光单元12，和作为诸如光电二极管的光检测元件的光接收单元13。由此，信号处理单元11将在连接到导体层失导检测线圈8的一端的发光单元12中产生的光输入到导体层失导检测线圈8中，并通过连接到导体层失导检测线圈8的另一端的光接收单元13接收从导体层失导检测线圈8发射的光。
现在，对如上所述地构造的超导电力电缆10的失导检测过程进行如下描述。
通过充当光检测元件的光接收单元13，将在发光单元12中产生并输入给导体层失导检测线圈8的光检测为电信号。如果在导体层2中发生了失导，则经过导体层失导检测线圈8的光会由于磁场的变化而偏振，然后被输出到光接收单元13。
也就是说，根据法拉第的磁光定律，如果将平面偏振光输入到磁场中的透明材料，则透过该透明材料的光具有旋转后的偏振面。由此，由于在没有发生失导的情况下导体层2中的磁场大小变成零，因此透过沿横向缠绕在成形体周围的导体层失导检测线圈8的光的偏振面不会旋转。然而，如果发生了失导，则导体层2内的磁场6a的大小具有大于零的值，因此该光的偏振面会旋转。
可以将偏振面的旋转角表示成下式：
公式1
θ＝kN∮H·d1＝kNI
其中：θ为偏振面的旋转角，k为比例系数，N为成形体周围的光纤的横向缠绕数，I为磁场的幅值。
由此，当磁场大小变大时，此外当在成形体周围的导体层失导检测线圈8的横向缠绕数变大时，偏振面的旋转角增大。将如上所述地偏振的光输出给光接收单元13。根据穿过该偏振面(未示出)的光的强度，在光接收单元13中产生了如下电压，由此使得可以对失导的发生进行检测。
公式2
VOUT∝VINSIN(2θ)
其中：VOUT是光接收单元的输出电压，VIN是发光单元的输入电压，θ是偏振面的旋转角。
为了对失导的发生进行灵敏的检测，优选的是，如在以上公式中说明的那样，增大在成形体周围的导体层失导检测线圈8的横向缠绕数。
同时，如图4所示，优选的是，将导体层失导检测线圈8安装成包围形成在皱褶成形体1a的表面上的多个不规则体中的任何一个的凹部，使得不会对超导电力电缆10的外周造成影响。
图5示出了根据本发明另一实施例的用于配备有导体绞合成形体的超导电力电缆的失导检测***的结构。参照图5，本实施例的超导电力电缆10使用诸如铜的导体绞合成形体1b，因此与图4的皱褶成形体1a不同，超导电力电缆10的表面是平坦的。由此，如图5所示，优选的是，导体层失导检测线圈8按薄的厚度包围导体绞合成形体1b，以不对超导电力电缆10的外周造成任何影响。
同时，超导电力电缆10的屏蔽层4可以包括普通导体或超导导线。由此，不仅会在超导屏蔽层中而且会在导体层中发生失导。
图6是示出超导电力电缆的剖面图，其例示了当在超导屏蔽层中发生失导时在超导电力电缆中的磁场分布。其中没有发生失导的超导屏蔽层4完全地截断了在导体层2中产生的磁通量，因此在超导屏蔽层4中形成了具有一定大小的磁场，但是在超导屏蔽层4之外没有形成磁场。然而，如果在超导电力电缆10正在进行操作时超导导线14的一部分失去了其超导性并导致失导的产生，则如图6所示磁通量会泄漏到超导屏蔽层4的超导导线14的发生了失导的部分中，因此在超导屏蔽层4之外形成了磁场15。由此，可以通过对超导屏蔽层4的外磁场15的变化进行感测来检测超导屏蔽层4的失导。
图7示出了根据本发明还一实施例的用于超导电力电缆的导体层或屏蔽层的失导检测***的结构。参照图7，该***包括超导电力电缆10、连接到超导电力电缆10以对导体层2和超导屏蔽层4中的失导进行检测的信号处理单元11。
超导电力电缆10包括皱褶成形体1a、超导导体层2、绝缘层3、屏蔽层4以及导体层失导检测线圈8，并且还包括由铜构成并包围超导屏蔽层4的屏蔽层失导检测线圈15。基于配备有皱褶成形体1a的超导电力电缆10例示了图7的实施例，但是也可以使用配备有导体绞合成形体1b的超导电力电缆10。导体层失导检测线圈8和屏蔽层失导检测线圈15的两端都分别连接到发光单元12和光接收单元13，因此信号处理单元11可以对屏蔽层4和导体层2中的失导进行检测。失导检测过程与参照图4说明的失导检测过程相同。
同时，与导体层失导检测线圈8相类似地，屏蔽层失导检测线圈15可以包括光纤，或者包括诸如铜的导体。由于与对其施加了高电压的超导导体层2不同，将超导屏蔽层4接地，因此尽管将超导屏蔽层4连接到屏蔽层失导检测线圈15，但是不存在电问题。
图8示出了根据本发明再一实施例的用于超导电力电缆的导体层或屏蔽层的失导检测***的结构。参照图8，该***包括超导电力电缆10、连接到超导电力电缆10以对导体层2中的失导进行检测的信号处理单元11、以及连接到超导电力电缆10以对屏蔽层4中的失导进行检测的电压检测单元16。
超导电力电缆10包括皱褶成形体1a、超导导体层2、绝缘层3、屏蔽层4以及导体层失导检测线圈8，并且还包括屏蔽层失导检测线圈15，屏蔽层失导检测线圈15包括包围超导屏蔽层4的导体。基于配备有皱褶成形体1a的超导电力电缆10例示了图8的实施例，但是也可以使用具有导体绞合成形体1b的超导电力电缆10。
如果在屏蔽层4中没有发生失导，即，如果磁通量没有泄漏到屏蔽层4之外，则屏蔽层失导检测线圈15不会感生出电压。然而，在屏蔽层4中发生了失导的情况下，即，如果磁通量泄漏到屏蔽层4之外，则屏蔽层失导检测线圈15会感生出预定电压。由此，连接到屏蔽层失导检测线圈15的两端的电压检测单元16会检测到电压信号，从而使得可以对屏蔽层4中的失导进行检测。电压检测单元16可以采用伏特计或示波器。
根据本实施例，当在导体层2中发生失导时用于处理光信号的信号处理单元11会检测到失导，并且当在屏蔽层4中发生失导时用于检测电压信号的电压检测单元16会检测到失导。
已对本发明进行了详细描述，然而，应当明白，仅以例示的方式给出了说明本发明优选实施例的详细说明和具体示例，这是因为，对于本领域的技术人员来说，根据该详细说明，在本发明的精神和范围内的各种变化和修改将变得显见。
工作适用性
根据本发明，可以在不对超导电力电缆的电力传输造成任何影响的情况下对在超导电力电缆的操作过程中发生的失导实时地进行检测。

Claims (10)

1、一种能够进行失导检测的超导电力电缆，该超导电力电缆包括：
成形体；
包括超导导线并包围所述成形体的超导导体层；
设置在所述成形体与所述超导导体层之间并包围所述成形体的导体层失导检测线圈；
包围所述超导导体层的绝缘层；以及
包围所述绝缘层的屏蔽层。
2、根据权利要求1所述的能够进行失导检测的超导电力电缆，其中所述导体层失导检测线圈包括光纤。
3、根据权利要求1所述的能够进行失导检测的超导电力电缆，
其中所述屏蔽层包括超导导线，并且
其中所述超导电力电缆还包括包围所述屏蔽层的屏蔽层失导检测线圈。
4、根据权利要求3所述的能够进行失导检测的超导电力电缆，
其中所述屏蔽层失导检测线圈包括光纤或导体。
5、根据权利要求1所述的能够进行失导检测的超导电力电缆，
其中在所述成形体的表面上形成有多个不规则体，使得所述导体层失导检测线圈包围所述多个不规则体中的一个的凹部。
6、一种能够进行失导检测的超导电力电缆，该超导电力电缆包括：
成形体；
包括超导导线并包围所述成形体的超导导体层；
包围所述超导导体层的绝缘层；
包括超导导线并包围所述绝缘层的屏蔽层；以及
包围所述屏蔽层的屏蔽层失导检测线圈。
7、根据权利要求6所述的能够进行失导检测的超导电力电缆，
其中所述屏蔽层失导检测线圈包括光纤或导体。
8、一种超导电力电缆的失导检测***，该失导检测***包括：
超导电力电缆；和
连接到所述超导电力电缆的信号处理单元，
其中所述超导电力电缆包括：
成形体；
包括超导导线并包围所述成形体的超导导体层；
设置在所述成形体与所述超导导体层之间并包括包围所述成形体的光纤的导体层失导检测线圈；
包围所述超导导体层的绝缘层；以及
包围所述绝缘层的屏蔽层；
其中所述信号处理单元连接到所述导体层失导检测线圈以生成所述导体层失导检测线圈的输入光，并接收在所述导体层失导检测线圈中偏振的输出光以生成导体层失导发生信号。
9、根据权利要求8所述的超导电力电缆的失导检测***，
其中所述屏蔽层包括超导导线，并且所述超导电力电缆还包括屏蔽层失导检测线圈，所述屏蔽层失导检测线圈包括包围所述屏蔽层的光纤，并且
其中所述信号处理单元连接到所述屏蔽层失导检测线圈以生成所述屏蔽层失导检测线圈的输入光，并接收在所述屏蔽层失导检测线圈中偏振的输出光以进而输出屏蔽层失导发生信号。
10、根据权利要求8所述的超导电力电缆的失导检测***，
其中所述屏蔽层包括超导导线，并且所述超导电力电缆还包括屏蔽层失导检测线圈，所述屏蔽层失导检测线圈包括包围所述屏蔽层的导体，并且
其中所述失导检测***还包括连接到所述屏蔽层失导检测线圈的电压检测单元，该电压检测单元能够对所述屏蔽层失导检测线圈的电压进行不断的检测，以检查所述屏蔽层中是否发生了失导。
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