CN109659088A - 一种内置光纤的新型高温超导电缆及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种内置光纤的高温超导电缆，其从外至内包括：低温恒温器、屏蔽层、外绝缘层、至少一层导体层、内绝缘层以及电缆骨架；在所述低温恒温器与屏蔽层之间以及在电缆骨架内均填充有液氮，其中：所述每一层导体层均通过多条高温超导带材螺旋缠绕而成；在不同的导体层之间敷设有碳纸层；至少在其中一导体层中两条相邻高温超导带材之间的缝隙中铺设有测温光纤。本发明还提供了相应的制作方法。实施本发明，由于所述测温光纤直接与超导电缆导体层接触，可直接检测到电缆导体层沿线温度分布；同时，所述测温光纤尺寸小、安装于超导带材缝隙之间，不影响电缆本体结构、不影响电缆绝缘性能，且不受电磁干扰。
Description
技术领域
本发明涉及输电技术应用领域，具体涉及一种可对电缆沿线导体层温度进行测量的新型高温超导电缆及其制作方法。
背景技术
高温超导电缆与常规电力电缆相比，具有通流能力强、损耗小、容量大、结构紧凑、无电磁辐射污染等优势，目前世界范围内已经有多条高温超导电缆挂网运行。
与常规电力电缆的应用不同的是，高温超导电缆运行环境要求至少要在液氮温度（-196℃）以下。因此，当电缆由于局部热扰动或短路电流导致电缆温度上升到液氮温度以上，就会对超导电缆造成两个影响：（1）温度上升会导致液氮气化产生气泡，当气泡积累过多时会使电缆内部压强超过其绝缘的耐压强度，进而导致击穿使电缆发生故障；（2）局部热扰动导致温度上升，电缆局部区域发生失超，随着热量的积累，失超区域会向附近扩散，最终导致电缆发生故障、无法运行。因此，需要对超导电缆沿线温度进行有效的测量。
而现有的温度测量方式如热电偶、热电阻等传统温度传感器由于其安装困难、布线复杂，会对超导电缆结构造成很大的影响、且其测温精度易受电磁干扰，因此无法用于电缆沿线温度监测。目前，已有将光纤测温应用于电缆沿线温度测量的研究，但研究尚处于将光纤安装于电缆骨架外壁、电缆绝缘层或屏蔽层的阶段，而由于绝缘层的低热导率使得超导电缆相导体上的温度变化无法透过绝缘层被光纤感知，仍然无法对电缆上导体沿线温度进行有效的测量。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种内置光纤的新型高温超导电缆及其制作方法。在高温超导电缆内，将测量光纤安装于超导电缆导体层上多根超导带材之间的缝隙里，可直接对电缆相导体温度进行测量，且不影响电缆结构，便于对超导电缆导体沿线温度进行有效的全方位实时测量。
为了解决上述技术问题，本发明的实施例的一方面提供一种内置光纤的新型高温超导电缆结构，其从外至内包括：低温恒温器、屏蔽层、外绝缘层、至少一层导体层、内绝缘层以及电缆骨架；在所述低温恒温器与屏蔽层之间以及在电缆骨架内均填充有液氮，其中：
所述每一层导体层均通过多条高温超导带材螺旋缠绕而成；
在不同的导体层之间敷设有碳纸层；
至少在其中一导体层中两条相邻高温超导带材之间的缝隙中铺设有测温光纤。
优选地，所述导体层为两层，每一导体层均由多条高温超导带材沿着电缆骨架并行绕制而成，所述两层导体之间设置有碳纸层，所述测温光纤设置于靠近所述内绝缘层的所述导体层中。
优选地，所述测温光纤为三条，所述三条测温光纤沿所述电缆骨架的轴心均匀间隔设置。
优选地，所述测温光纤与所述缝隙之间填充有粘接剂以固定和保护所述测温光纤，所述粘接剂为聚酰亚胺树脂或丙烯酸酯。
优选地，所述测温光纤外表面涂敷有包覆材料，或者套设有非金属紧包套管；在一个非金属紧包套管中封装有单芯光纤或多芯光纤。
优选地，所述低温恒温器由带真空夹层的双层不锈钢焊接制成，在所述双层不锈钢的真空夹层中设置有多层绝热材料及活性炭。
优选地，所述屏蔽层为铜屏蔽层，所述电缆骨架为金属波纹管。
优选地，所述绝缘层采用有聚丙烯层压纸PPLP，cellulose纤维纸，双取向聚丙烯层压纸OPPL，聚酰亚胺薄膜Nomex，聚丙烯薄膜PP和聚四氟乙烯薄膜材料制成。
优选地，所述高温超导带材采用第二代高温超导带材YBCO，其宽度≈5mm，其厚度要求≈0.3mm。
相应地，本发明实施例的另一方面，还提供一种内置光纤的新型高温超导电缆结构的制作方法，用于制作前述的内置光纤的新型高温超导电缆结构，其特征在于，包括如下步骤：
沿高温超导电缆的电缆骨架敷设内绝缘层；
在内绝缘层上，将多根高温超导带材沿超导电缆骨架螺旋缠绕，并在相邻高温超导带材之间预留宽度足够的缝隙，制成高温超导电缆第一层导体层；
将测温光纤沿高温超导带材之间的缝隙螺旋缠绕在高温超导电缆上；
在高温超导带材之间的缝隙中填充粘接剂以固定和保护测温光纤；
在第一层导体层上敷设碳纸，以保证电场均匀过渡，再将多根高温超导带材沿超导电缆骨架螺旋缠绕，以敷设第二层导体层；
在第二层导体层敷设完成后，依次敷设外绝缘层、屏蔽层、低温恒温器，制成内置测温光纤的高温超导电缆。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
在本发明的实施例中，测温光纤安装于超导带材缝隙之间，可直接监测超导电缆导体沿线温度，通过导体沿线温度分布可以及时发现与热扰动有关的电缆运行缺陷，以保证高温超导电缆的安全运行。
同时，将测温光纤安装于超导带材的缝隙之间，不影响电缆本体结构、不影响电缆绝缘性能，且不受电磁干扰。
根据高温超导电缆结构的不同，可涵盖高、中、低电压等级，其稳定性和可靠性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的一种内置光纤的新型高温超导电缆结构一个实施例的截面示意图；
图2为本发明提供的内置于超导电缆中的测温光纤的安装示意图；
图3为图2中局部放大示意图；
图4是图2中光纤安装位置纵向截面图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
以下将参照附图1至4对本发明的实施例进行具体说明。
如图1所示，本实施例提供了一种内置光纤的新型高温超导电缆，在本实施例中，其结构包括：
为了解决上述技术问题，本发明的实施例的一方面提供一种内置光纤的新型高温超导电缆结构，其从外至内包括：低温恒温器7、屏蔽层9、外绝缘层51、至少一层导体层、内绝缘层50以及电缆骨架6；在所述低温恒温器7与屏蔽层9之间以及在电缆骨架6内均填充有可流通的液氮，其中：
所述每一层导体层均通过多条高温超导带材2并行螺旋缠绕而成；
在不同的导体层之间敷设有碳纸层4；
至少在其中一导体层中两条相邻高温超导带材2之间的缝隙中铺设有测温光纤3。
更具体地，在本实施例中，所述导体层为两层，即图中的第一导体层11和第二导体层10，每一导体层均由多条（如25条）高温超导带材2沿着电缆骨架6并行绕制而成。所述两层导体层之间设置有碳纸层4，以防止层与层之间的界面电场过大，导致击穿。所述测温光纤3设置于靠近所述内绝缘层51的所述第二导体层10中。更具体地，所述高温超导带材2采用第二代高温超导带材YBCO，其宽度≈5mm，其厚度要求≈0.3mm。第二代高温超导带材为在金属基带上外延织构生长的稀土系膜导体，其是在镍或镍合金的基带上镀有利于晶构延展的化学稳定层，在高温和特定气氛条件下晶格取向一致地镀上高温超导材料（R代表某一稀土元素，最常用是Y系），然后再镀上银或铜的保护层。
其中，在一个例子中，所述测温光纤3为三条，所述三条测温光纤3沿所述电缆骨架6的轴心均匀间隔设置，具体地，安装在超导电缆的第一导体层11上超导带材2之间的缝隙中，相互之间角度间隔120°，具体地可参见图2和图3所示。且在所述测温光纤3与所述缝隙之间填充有粘接剂以固定和保护所述测温光纤3，所述粘接剂为聚酰亚胺树脂或丙烯酸酯。所述测温光纤3能耐受极低温度（-196℃以下）环境，光信号可在耐低温光纤中正常传播、且不受除温度以外其他物理因素如应力等的影响。在具体的实施例中，可以优选石英系的多模光纤，构成石英系光纤的材质可从纯石英玻璃、掺杂了锗（Ge）的石英玻璃（折射率有所提高）中适当地进行选择。
可以理解的是，所述测温光纤3外表面涂敷有包覆材料，或者套设有非金属紧包套管；具体地，可以在测温光纤3包层的周围按照光纤截面为同心圆的方式涂敷包覆材料，可以选用聚酰亚胺作为涂敷材料。所述非金属紧包套管一般选纤维增强复合塑料套管、PBT松套管、芬纶kevlar套管等，可保护光纤、增加其强度，使其不易被折断。采用非金属紧包套管可以提高测温光纤3的强度，但造价较高，实际应用中可综合考虑测温光纤使用环境、机械性能要求、测温需求及使用成本等，来决定测温光纤的封装及其安装数目。在一个非金属紧包套管中可以封装有单芯光纤或多芯光纤；具体地，在一些例子中，测温光纤3可直接以裸光纤（有涂层）的形式安装于超导带材2缝隙之间，该方式成本较低；也可以将测温光纤3多芯封装于绝缘紧包套管中，一次性安装在超导带材2缝隙之间；或者将测温光纤3单芯封装于绝缘紧包套管中，多条测温光纤3分别安装在不同位置处的超导带材2缝隙之间。
所述低温恒温器7由带真空夹层的双层不锈钢焊接制成，在所述双层不锈钢的真空夹层中设置有多层绝热材料及活性炭，以保证进出超导电缆的液氮8温度保持不变。
所述屏蔽层9为铜屏蔽层，其主要作用是用于屏蔽电场，本身无电流通过，可单端或双端接地。
所述电缆骨架6为罩有密致金属网的金属波纹管，是超导带材排绕的基准支撑物，同时也作为液氮8的流通管道。另外，以金属波纹管作为支撑件，同时也使超导电缆具有一定的柔性。
所述外绝缘层51和内绝缘层50采用有聚丙烯层压纸（Polypropylene Laminatedpaper，PPLP），cellulose纤维纸，双取向聚丙烯层压纸（biaxially-orientedpolypropylene laminated paper，OPPL），聚酰亚胺薄膜Nomex，聚丙烯薄膜（Polypropylene，PP）和聚四氟乙烯薄膜材料制成。这些材料在低温下都有出色的电气性能和较为理想的机械性能。在应用于低温绝缘的这些材料中，综合考虑性价比，较为出色的是Nomex和PPLP。PPLP相对Nomex有更高的工频击穿场强，本实施例中优先采用PPLP作为超导电缆绝缘的材料。
相应地，本发明实施例的另一方面还提供一种内置光纤的新型高温超导电缆结构的制作方法，用于制作前述如图1至图4所示的内置光纤的新型高温超导电缆结构，其特征在于，包括如下步骤：
沿高温超导电缆的电缆骨架敷设内绝缘层；
在内绝缘层上，将多根高温超导带材沿超导电缆骨架螺旋缠绕，并在相邻高温超导带材之间预留宽度足够的缝隙，制成高温超导电缆第一层导体层；
将测温光纤沿高温超导带材之间的缝隙螺旋缠绕在高温超导电缆上；
在高温超导带材之间的缝隙中填充粘接剂以固定和保护测温光纤；
在第一层导体层上敷设碳纸，以保证电场均匀过渡，再将多根高温超导带材沿超导电缆骨架螺旋缠绕，以敷设第二层导体层；
在第二层导体层敷设完成后，依次敷设外绝缘层、屏蔽层、低温恒温器，制成内置测温光纤的高温超导电缆。
更多的细节，可参考前述对图1至图4的描述，在此不进行赘述。
实施本发明实施例，具有如下的有益效果：
在本发明的实施例中，测温光纤安装于超导带材缝隙之间，可直接监测超导电缆导体沿线温度，通过导体沿线温度分布可以及时发现与热扰动有关的电缆运行缺陷，以保证高温超导电缆的安全运行。
同时，将测温光纤安装于超导带材的缝隙之间，不影响电缆本体结构、不影响电缆绝缘性能，且不受电磁干扰。
根据高温超导电缆结构的不同，可涵盖高、中、低电压等级，其稳定性和可靠性高。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种内置光纤的新型高温超导电缆结构，其特征在于，其从外至内包括：低温恒温器、屏蔽层、外绝缘层、至少一层导体层、内绝缘层以及电缆骨架；在所述低温恒温器与屏蔽层之间以及在电缆骨架内均填充有液氮，其中：
所述每一层导体层均通过多条高温超导带材螺旋缠绕而成；
在不同的导体层之间敷设有碳纸层；
至少在其中一导体层中两条相邻高温超导带材之间的缝隙中铺设有测温光纤。
2.如权利要求1所述的内置光纤的新型高温超导电缆结构，其特征在于，所述导体层为两层，每一导体层均由多条高温超导带材沿着电缆骨架并行绕制而成，所述两层导体之间设置有碳纸层，所述测温光纤设置于靠近所述内绝缘层的所述导体层中。
3.如权利要求2所述的内置光纤的新型高温超导电缆结构，其特征在于，所述测温光纤为三条，所述三条测温光纤沿所述电缆骨架的轴心均匀间隔设置。
4.如权利要求3所述的内置光纤的新型高温超导电缆结构，其特征在于，所述测温光纤与所述缝隙之间填充有粘接剂以固定和保护所述测温光纤，所述粘接剂为聚酰亚胺树脂或丙烯酸酯。
5.如权利要求4所述的内置光纤的新型高温超导电缆结构，其特征在于，所述测温光纤外表面涂敷有包覆材料，或者套设有非金属紧包套管；在一个非金属紧包套管中封装有单芯光纤或多芯光纤。
6.如权利要求1至5任一项所述的内置光纤的新型高温超导电缆结构，其特征在于，所述低温恒温器由带真空夹层的双层不锈钢焊接制成，在所述双层不锈钢的真空夹层中设置有多层绝热材料及活性炭。
7.如权利要求6所述的内置光纤的新型高温超导电缆结构，其特征在于，所述屏蔽层为铜屏蔽层，所述电缆骨架为金属波纹管。
8.如权利要求7所述的内置光纤的新型高温超导电缆结构，其特征在于，所述绝缘层采用有聚丙烯层压纸PPLP，cellulose纤维纸，双取向聚丙烯层压纸OPPL，聚酰亚胺薄膜Nomex，聚丙烯薄膜PP和聚四氟乙烯薄膜材料制成。
9.如权利要求8所述的内置光纤的新型高温超导电缆结构，其特征在于，所述高温超导带材采用第二代高温超导带材YBCO，其宽度≈5mm，其厚度要求≈0.3mm。
10.一种内置光纤的新型高温超导电缆结构的制作方法，用于制作如权利要求1至9任一项所述的内置光纤的新型高温超导电缆结构，其特征在于，包括如下步骤：
沿高温超导电缆的电缆骨架敷设内绝缘层；
在内绝缘层上，将多根高温超导带材沿超导电缆骨架螺旋缠绕，并在相邻高温超导带材之间预留宽度足够的缝隙，制成高温超导电缆第一层导体层；
将测温光纤沿高温超导带材之间的缝隙螺旋缠绕在高温超导电缆上；
在高温超导带材之间的缝隙中填充粘接剂以固定和保护测温光纤；
在第一层导体层上敷设碳纸，以保证电场均匀过渡，再将多根高温超导带材沿超导电缆骨架螺旋缠绕，以敷设第二层导体层；
在第二层导体层敷设完成后，依次敷设外绝缘层、屏蔽层、低温恒温器，制成内置测温光纤的高温超导电缆。
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