CN112414293B - 一种传导冷却高温超导电缆的应变检测方法 - Google Patents

一种传导冷却高温超导电缆的应变检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种传导冷却高温超导电缆的应变检测方法，包括：首先以传导冷却高温超导电缆带材为被测对象，将低温应变片安装在高温超导电缆的带材层上，并确定低温应变片的安装方向；利用定位加压模具进行粘贴；然后利用应变仪记录降温过程中和通电情况下的应变数据，将超导带材层所有被测点的应变值进行多项式插值，绘制超导电缆带材轴向应变与轴向坐标的曲线，判断超导带材上是否有超过许用应变的点，进而判断传导冷却高温超导电缆的运行状态。本发明在超低温环境下抗干扰能力强，精确度高，可用于传导冷却高温超导电缆的应变测量。

Description

一种传导冷却高温超导电缆的应变检测方法
技术领域
本发明属于超导电缆领域，涉及高温超导电缆运行过程中应变分布的检测方法，能用于对传导冷却高温超导电缆运行状态的监测。
背景技术
随着经济社会的不断发展，国家对电力的需求越来越大，电网规模也越来越大，在电网中由于传统电缆的电阻造成的损耗非常大，而超导电缆具有容量大、损耗低、环境友好等特点，因此用超导电缆替代传统电缆可以作为解决电网损耗问题的一个重要的思路。超导电缆在电力***中承担着运输大电流的重要任务，减小电力损耗，其安全可靠运行对保障电力***的稳定运行具有重大意义，但是电力***的规划，制冷设备的制冷效率等因素影响电力网络的电能质量和供电可靠性，因此输电***需要一种适合超导电缆状态检测和故障诊断的方法。
在长距离的超导电缆铺设中，将低温应变片布设在容易出现故障的位置，在超低温环境下，可以对超导电缆的受力变形程度进行可靠地监测，使得超导电缆一旦出现故障，可以及时采取控制措施确保输电***的稳定运行。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题是提供一种测量传导冷却高温超导电缆应变场的方法，监测高温超导电缆的运行状态。
本发明为解决其技术问题提出以下技术方案：
一种传导冷却高温超导电缆的应变检测方法，包括以下步骤：
步骤1，高温超导电缆带材沿高温超导电缆支撑管螺旋缠绕，确定低温应变片安装在高温超导电缆带材层上的位置，对安装位置处进行预处理；
步骤2，将低温应变片按照点式分布方式安装在高温超导电缆的带材层上，并确定低温应变片的安装方向；
步骤3，采用三线制1/4桥桥路接法通过引线将低温应变片接至试验腔体上的航空插头上，并将航空插头通过引线连接至动态应变仪；
步骤4，将动态应变仪采集得到的应变数据进行插值多项式拟合，得到高温超导电缆带材层的应变量与轴向坐标的ε-x曲线，判断是否有应变量大于许用应变值的点，即ε＞[ε]，进而判断传导冷却高温超导电缆的运行状态。
优选的，步骤1中，低温应变片沿带材层按照点式分布等间距设置，对于带材层危险点至少增设一个低温应变片，危险点包括电缆接头、电缆拐弯点和电缆与冷头接触点。
优选的，低温应变片测量范围为-269～30℃。
优选的，步骤2中，低温应变片的分布方向应与高温超导电缆带材层沿电缆支撑管绕制方向相同。
优选的，步骤2中，通过定位加压模具采用50±20Kpa的压力将低温应变片固定于高温超导电缆带材层上。
优选的，步骤3中，采用动态应变仪对应变片进行温度补偿，采用的动态应变仪采样频率为1～5KHz。
优选的，步骤4中，动态应变仪采集得到的应变数据εI(x0)，εI(x1)，...，εI(xn)进行插值多项式拟合，被测点上应变值与拟合后的函数值相等。
本发明的有益效果体现在：
1、采用了点式分布设置低温应变片：由于采用了点式分布确定传感器的位置，减少了不必要的数据采集，在长距离的电缆运行过程中只需要将其布置在容易发生故障的区域就可以监测超导电缆的运行状态，同时测量装置操作简单。
2、采用了定位加压模具对低温应变片进行定位加压：利用应变片测量试件的受力变形，最关键的部分在于应变片的粘贴质量，由于本发明在低温应变片粘贴的实施过程中，采用了定位加压模具使得应变片粘贴的方向和位置更加的准确，提高了应变测量的精确性。
3、对测量得到的应变值进行了数据拟合：由于高温超导电缆的运行处于50K～80K之间的超温度环境，使用低温应变片稳定性好，利用测量得到的数据进行拟合，可获得超导电缆在不同工况下整体的应变分布，根据许用应变判断超导带材的变形程度，确保带材的变形在安全范围内，从而保证电缆的安全运行。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明超导电缆应变测试实验原理图；
图2(a)、(b)、(c)、(d)是本发明低温应变片安装步骤示意图；
图3是本发明定位加压模具示意图。
图中：1、高温超导带材；2、高温超导电缆支撑管；3、低温应变片；4、应变片引线；5、动态应变仪；6、紧定螺母；7、扎带孔；8、固定板；9、橡胶压块；10、定位瓦；11、打磨区域；12、定位加压模具；13、低温胶水。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明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。
见图1所示，本发明实施例给出了基于传导冷却高温超导电缆的应变测量实验装置，包括高温超导带材1、高温超导电缆支撑管2、低温应变片3、应变片引线4、动态应变仪5；根据传导冷却高温超导电缆的结构将高温超导带材1绕制在高温超导电缆支撑管2上，高温超导带材1与高温超导电缆支撑管2之间加电绝缘层，将低温应变片3按照图2(a)～(d)的步骤粘贴到高温超导带材1表面，采用1/4桥桥路接法通过应变片引线4将低温应变片3接至试验腔体上的航空插头上，并将航空插头通过引线连接至动态应变仪5。
在本实施例中，在测量传导冷却高温超导电缆的过程中，应变片粘贴的质量直接影响测量的精度，因此本实施例采用图3所示的定位加压模具12对低温应变片进行定位并加压，其中定位加压模具的定位瓦10内径与高温超导电缆带材层直径一致，同时在定位瓦上方加工一个定位孔，孔的尺寸应略大于应变片的尺寸；在本实施例中，应变片长6mm，宽3.7mm；孔的方位角与超导带材绕制的螺旋角一致，在本实施例中为20°，以方便直接给应变片定位，保证应变片方向沿着超导带材的方向。定位完成后，在应变片上方注入低温胶水，在固定板8对应的两对扎带孔7上连接尼龙编织带，将整个定位加压装置固定到电缆上，根据低温胶水固化的压强要求旋转紧定螺母6，紧定螺母6通过橡胶压块9将应变片压紧，等待低温胶水13的固化。
在本实施例中，本发明提供一种传导冷却高温超导电缆的应变检测方法，包括应变片粘贴预处理，应变测量方法以及数据分析三个部分：
1.应变片粘贴预处理：
在本实施例中，低温应变片采用KFL低温箔式应变片，测量由Bi系带材绕制的高温超导电缆，超导电缆的带材螺旋角为20°，应变片引线为专用低温引线，安装步骤如图2(a)～(d)所示：
1)首先依据电缆应变测量的需求，确定传感器的具体粘贴区域，并对打磨区域11进行预处理(如图2(a))，粘贴区域面积要大于应变片的面积，然后用依次用粗砂纸和细砂纸在超导带材的粘贴部位呈圆弧状打磨，使用脱脂棉、纱布等蘸上丙酮，朝着一个方向擦拭，清洗后，在应变片粘贴位置处划线；
2)利用定位加压模具对应变片进行定位(如图2(b))。在本实施例中，应变片测量的方向应该与带材绕制的方向一致，与电缆支撑管轴向的夹角为20°，根据测量的方向在定位加压模具的定位瓦10上面开一个与轴线方向为20°的方形定位孔，孔的大小依据应变片基底的大小加工，定位孔大小应略大于应变片基底的大小，在本实施例中，应变片基底的大小为6mm×3.7mm，首先利用尼龙编织带将定位模具固定在电缆上，定位孔应与打磨过的位置对齐，尼龙编织带(可调整长度)安装在扎带孔上，注意安装定位模具的时候应该在电缆和定位瓦之间垫上一层聚四氟乙烯膜，然后将应变片放入定位孔。
3)利用定位加压模具对应变片进行加压固化(如图2(c))。调配低温胶水，将低温胶水涂抹到应变片的上方，因为低温胶水的固化要求50±20Kpa的压力，因此需要加压进行固化。在本实施例中，将橡胶压块放入定位孔，注意橡胶压块的表面应该加一层聚四氟乙烯膜，防止与低温胶水粘连在一起，使用紧定螺母对其实施加压，确保低温胶水固化要求的压力，在加压的过程中尼龙织带会受力变形，定位瓦与电缆之间会形成一个缝隙，这样既减小了定位瓦对电缆的损坏，又保证了低温胶水能充分覆盖应变片，保证了粘贴的质量。
4)移除定位加压具模具(如图2(d))。静置24小时，待低温胶水完全固化，首先小心地移除橡胶压块，解除尼龙编织带，小心移除定位模具，观察应变片与试件的粘贴状态，确保其充分地粘贴，然后将低温应变片的引线利用聚酰亚胺胶带进行固定，防止安装电缆的过程中应变片的脱落。
2.应变测量方法：
本发明的传导冷却高温超导电缆的应变检测方法，包括以下步骤：
步骤1，利用点式分布确定低温应变片在高温超导电缆带材层上的粘贴位置，在粘贴位置处进行预处理；低温应变片运行的温度方范围为-269～30℃。低温应变片沿带材层按照点式分布等间距设置，对于带材层危险点至少增设一个低温应变片，危险点包括电缆接头、电缆拐弯点和电缆与冷头接触点。
步骤2，确定要测量应变的方向，低温应变片的分布方向应与高温超导电缆带材层沿高温超导电缆支撑管绕制方向相同。使用定位加压模具50±20Kpa的压力将低温应变片安装在超导电缆带材层上，将低温胶水均匀涂抹到低温应变片上方，同时静置24小时，让其充分固化；
步骤3，将低温应变片采用三线制1/4桥桥路接法，接至试验腔体上安装的航空插头内侧，并从航空插头外侧对应的接头将引线焊接至动态应变仪；采用的动态应变仪为采样频率为1～5KHz。
动态应变仪对应变片进行温度补偿，公式如下：
Figure BDA0002746033490000071
其中，εΔT为温度每变化1度被测高温超导电缆带材的应变；α为电阻元件的温度系数；Ks为应变片的应变率；γs为超导带材的线膨胀系数；λg为应变片电阻元件的线膨胀系数。Ks，γs，λg三者均为定值，通过控制应变片电阻元素的电阻温度系数来确保εΔT接近为零。
步骤4，将动态应变仪采集得到的应变数据进行插值多项式拟合，得到超导电缆带材层应变量和轴向坐标之间的ε-x曲线，判断是否有应变量ε＞[ε]的点，进而判断传导冷却高温超导电缆的运行状态。
其中，将动态应变仪采集得到的应变数据εI(x0)，εI(x1)，...，εI(xn)进行插值多项式拟合，被测点上应变值与拟合后的函数值相等，插值公式如下：
εI(x)＝εI(x0)+εI[x0,x1](x-x0)+εI[x0,x1,x2](x-x0)(x-x1)+···+εI[x0,x1,···,xn](x-x0)···(x-xn)
其中，εI是在电流I下传导冷却高温超导电缆经过拟合的分布式应变曲线；xn表示被测点的坐标值；εI[x0,x1,···,xn]为εI(x)的n阶均差，计算公式如下：
一阶均差：
Figure BDA0002746033490000072
二阶均差：
Figure BDA0002746033490000073
……
n阶均差：
Figure BDA0002746033490000074
其中，许用应变值计算公式如下：
[ε]＝min([ε]Thermal,[ε]Tensile,[ε]Curl)
其中，[ε]是带材层的许用应变值；
[ε]Thermal表示热应变的许用值，计算公式为[ε]Thermal＝α[ΔT]；
其中，α表示超导带材的热膨胀系数，[ΔT]表示许用温度变化值；
[ε]Tensile表示拉伸应变的许用值，计算公式为
Figure BDA0002746033490000081
其中，[F]表示许用拉力，E表示弹性模量，A表示带材横截面积；
[ε]Curl表示弯曲应变的许用值，计算公式为
Figure BDA0002746033490000082
其中，[M]表示许用弯矩，W表示抗弯截面系数。
本发明的实施时，将高温超导电缆安装在传导冷却高温超导电缆试验腔体内，然后连接应变片引线，低温应变片的连接方法采用三线制1/4桥桥路接法，将低温应变片的引线焊接至试验腔体上安装的航空插头内侧，在航空插头外侧对应的接线柱上焊接传感器引线，并与动态应变仪的引线连接，确保没有虚接的点。
焊接完成后，使用万用表测量应变片接线柱之间的电阻，确保应变片两端的电阻在120Ω左右，才能保证引线连接无误，焊接完成后，拧紧试验腔体的法兰上的螺栓，确保试验腔体的密封性。
在本实施例中，由于测量超导电缆的应变需要在超低温环境中进行，而本实施例安装的试验腔体可以满足实验的要求，利用实验***的真空泵组和制冷机组对超导电缆进行制冷，须注意冷头和导冷带与超导电缆电流引线之间的绝缘，冷却超导电缆至50K～80K之间。
降温过程中使用动态应变仪记录降温过程中超导电缆被测点的应变数据，在使用动态应变仪之前需要进行清零并测量应变片引线电阻，消除应变仪漂移和引线电阻对测量数据的影响。同时利用传导冷却高温超导电缆实验***中的可编程直流电源对电缆进行通电测试，调节通过超导电缆的电流大小，记录超导电缆被测点正常电流以及故障电流下的应变数据εI(x0)，εI(x1)，…，εI(xn)。
3.分析数据
在本实施例中，由于被测电缆采用的是制冷机传导冷却的方式进行降温，因此被测点的数据应该是离电缆两端越近的地方温度越低，将所有被测点的应变数据εI(x0)，εI(x1)，…，εI(xn)进行插值多项式拟合，得到超导带材轴向应变分布εI(x)，绘制ε-x曲线，判断是否应变量大于许用应变值的点，即ε＞[ε]，进而判断传导冷却高温超导电缆的运行状态，是否有必要采取措施对超导电缆进行变形防护。
综上所述，本发明采用了点式分布的方式设置低温应变片，在长距离的电缆运行过程中只需要将其布置在容易发生故障的区域就可以监测超导电缆的运行状态，在应变片粘贴过程中采用了定位加压模具，使得应变片粘贴的方向和位置更加的准确，提高了应变片的粘贴质量，最后利用测量得到的数据进行拟合，可获得超导电缆在降温过程中和通电情况下整体的应变分布，测量过程简单，结果精确，能够满足高温超导电缆应力特性试验研究，对传导冷却高温超导电缆的运行状况进行监视。
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。

Claims (6)

1.一种传导冷却高温超导电缆的应变检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，高温超导电缆带材沿高温超导电缆支撑管螺旋缠绕，确定低温应变片安装在高温超导电缆带材层上的位置，对安装位置处进行预处理；
低温应变片沿带材层按照点式分布等间距设置，对于带材层危险点至少增设一个低温应变片，危险点包括电缆接头、电缆拐弯点和电缆与冷头接触点；
步骤2，将低温应变片按照点式分布方式安装在高温超导电缆的带材层上，并确定低温应变片的安装方向；
通过定位加压模具采用50±20Kpa的压力将低温应变片定位在高温超导电缆带材层上；
步骤3，采用三线制1/4桥桥路接法通过引线将低温应变片接至试验腔体上的航空插头上，并将航空插头通过引线连接至动态应变仪；
步骤4，将动态应变仪采集得到的应变数据进行插值多项式拟合，得到高温超导电缆带材层的应变量与轴向坐标的ε-x曲线，判断是否有应变量大于许用应变值的点，即ε＞[ε]，进而判断传导冷却高温超导电缆的运行状态；
动态应变仪采集得到的应变数据εI(x0)，εI(x1)，...，εI(xn)进行插值多项式拟合，被测点上应变值与拟合后的函数值相等，插值公式如下：
εI(x)＝εI(x0)+εI[x0,x1](x-x0)+εI[x0,x1,x2](x-x0)(x-x1)+···+εI[x0,x1,···,xn](x-x0)···(x-xn)
其中，εI是在电流I下传导冷却高温超导电缆经过拟合的分布式应变曲线；xn表示被测点的坐标；εI[x0,x1,···,xn]为εI(x)的n阶均差，计算公式如下：
一阶均差：
Figure FDA0003550479160000011
二阶均差：
Figure FDA0003550479160000012
……
n阶均差：
Figure FDA0003550479160000021
2.根据权利要求1所述的传导冷却高温超导电缆的应变检测方法，其特征在于，低温应变片运行的温度范围为-269～30℃。
3.根据权利要求1所述的传导冷却高温超导电缆的应变检测方法，其特征在于，步骤2中，低温应变片的分布方向应与高温超导电缆带材层沿高温超导电缆支撑管绕制方向相同。
4.根据权利要求1所述的传导冷却高温超导电缆的应变检测方法，其特征在于，步骤3中，动态应变仪对应变片进行温度补偿，公式如下：
Figure FDA0003550479160000022
其中，εΔT为温度每变化1度被测高温超导电缆带材的应变；α为电阻元件的温度系数；Ks为应变片的应变率；γs为高温 超导电缆带材的线膨胀系数；λg为应变片电阻元件的线膨胀系数。
5.根据权利要求1所述的传导冷却高温超导电缆的应变检测方法，其特征在于，步骤3中，采用的动态应变仪采样频率为1～5KHz。
6.根据权利要求1所述的传导冷却高温超导电缆的应变检测方法，其特征在于，步骤4中，许用应变值计算公式如下：
[ε]＝min([ε]Thermal,[ε]Tensile,[ε]Curl)
其中，[ε]是带材层的许用应变值；[ε]Thermal表示热应变的许用值，计算公式为[ε]Thermal＝α[ΔT]；
其中，α表示高温 超导电缆 带材的热膨胀系数，[ΔT]表示许用温度变化值；
[ε]Tensile表示拉伸应变的许用值，计算公式为
Figure FDA0003550479160000031
其中，[F]表示许用拉力，E表示带材的弹性模量，A表示带材的横截面积；
[ε]Curl表示弯曲应变的许用值，计算公式为
Figure FDA0003550479160000032
其中，[M]表示许用弯矩，W表示带材的抗弯截面系数。
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