高温超导电缆测温理论与失超检测研究

国网上海市电力公司青浦供电公司 李晓春

随着电力系统的发展，电缆输电线路成为限制电力系统发展的重要因素，为了满足各个行业对电力能源的需求，提高电力输电线路的传输容量、降低线路损耗势在必行。高温超导电缆的应用为输电线路的发展提供了新的方向[1]。高温超导电缆和传统的电缆相比具有容量大、损耗低、结构紧凑和环境影响小等优点，利用高温超导电缆可以实现输配电系统大容量、远距离和低损耗传输。超导电缆一旦出现故障，就会对整个电力系统的稳定性造成较大的影响，传统的端电压测量方法难以检测到高温电缆失超现象。在实际工程中，超导电缆中的感性分量较大，利用常规的方法难以进行测量，本文对高温超导电缆测温原理和失超检测进行了研究，具有重要的工程意义[2]。

1 高温超导电缆测温理论与解调方法分析

1.1 拉曼散射测温原理

根据光纤中光的传播原理可知，光在光纤中传输时会发生入射光和光纤介质之间的不断碰撞，包括弹性碰撞和非弹性碰撞，弹性碰撞光只会造成光纤中的光传播路径发生偏离，即瑞利散射。另外的一种碰撞会造成光纤中传输光的能量和频率都会发生改变，这种是拉曼散射。发生拉曼散射光的光强和频率的分布如图1所示。

图1 光纤中的散射光谱图

在实际的光纤传输中，由于光纤也会受到环境中各种因素的影响，特别是外部环境中的压力、温度，以及流量等的影响，这些影响会造成光纤中传输光的特征量发生变化。对光纤中传输的光利用拉曼散射原理进行分析，根据光功率和温度之间的对应关系得到温度的测量值，根据光电探测器提取拉曼散射光和反射光的功率表示式为：

在式（1）和式（2）中，P0、Ps和Pas分别表示的是入射光、拉曼散射光和反射光的功率，Ks和Kas代表的是光的散射系数，a0、as和aas分别表示的是入射光、拉曼散射光和反射光的衰减系数，L是光纤的长度，Rs(T)和Ras(T)代表的是拉曼散射光和反射光的玻尔兹曼因子。

根据光功率计算式知道光功率的强度与温度有关，可以利用这种关系对光纤进行测温。

1.2 温度调节方法

对高温超导电缆进行温度测量，不仅需要得到拉曼散射光的光强度信号，还需要进行光信号的解调，常用的温度解调方法有三种，分别是以反斯托克斯光作为独立信号的方法、以瑞利散射光作为参考信号的方法和以斯托克斯光作为参考信号的方法。这三种方法具有不同的特点，根据高温超导电缆测温的实际工程需要，常用的是将斯托克斯光作为参考信号，反斯托克斯光作为测量信号的温度调解方法。可以利用在不同温度下光纤中光强度的比值对温度进行求解，斯托克斯光的光强表示式为：

在式（3）中，λs代表研究的光纤中传输斯托克斯光的入射波长，根据反斯托克斯光和斯托克斯光两者之间的关系，可以得到二者的光强比值的计算式为：

如果已经得到在温度T0下的光强值，可以得到在不同光强下的温度值：

利用这两种方法的结合，不但能够保证对温度解调的灵敏度，还可以保证整个测温系统中各个部分的工作稳定性和可靠性。

2 高温超导电缆测温标定系统

2.1 系统主要组成

高温超导电缆测温标定系统主要包括真空绝热平台和导热模块、铂电阻温度测量装置、分布式光纤测温解调仪、传感光纤和温度标定平台等。其中铂电阻温度测量装置、分布式光纤测温解调仪和传感光纤都是成熟的设备。真空绝热平台和导热模块模型如图2所示。

图2 真空绝热平台和导热模块模型

在图2的真空绝热平台和导热模块模型图中，热沉块主要的作用是安装用于测温的传感光纤和温度检测单元铂电阻，为了能够保证测温平台的导热性能，在对电缆测温时各个部位具有均匀的温度，热沉块使用铜件作为主要的制作材料。铂电阻温度传感器作为主要的测温探头，可以利用温度与铂电阻阻值之间的线性关系得到不同的温度测量值。

根据测温标定的对象搭建温度标定平台，结合高温超导电缆测温标定的需求，搭建的平台结构如图3所示，主要的传感光纤缠绕在铜柱上，实现对温度的均匀测量，工控机读取检测传感器得到温度。

图3 温度标定平台连接示意图

2.2 高温超导电缆温度标定实验过程

为了具有较高的温度标定精度，需要在测量时进行温度标定，使用多个温度标定点来降低温度监控点造成的影响，根据高温超导电缆的分布式测温原理和需求，使用温度标定的传感光纤与铂电阻的固定方式如图4所示，为了能够提高传感光纤对温度传输的准确性，将传感光纤通过不接触缠绕的方式缠绕在铜柱上，这样可以使测温的铂电阻传感器处于传感光纤的中间，从而提高整个温度测量的精度和准确度。

图4 传感光纤与铂电阻的固定方式

3 高温超导电缆失超检测

进行直流冲击失超检测实验，结合电力系统对高温超导电缆的测试要求，使用的直流冲击平台如图5所示，高温超导电缆失超检测实验的关键就是冲击电流的产生，为了能够保证检测过程与实际的工程要求相符，利用电源施加恒定电压的方式在平台上产生冲击电流，并且通过对施加电压和时间的控制对冲击电流的大小和时间进行控制。

图5 直流冲击失超检测平台

如果控制施加的电压是3.5V，并且控制施加的持续时间是20s，可以得到直流冲击过程电压和电流的关系曲线，如图6所示。

图6 直流冲击过程电压和电流的关系曲线

对不同冲击时间下，超导电缆温升变化进行测试，得到的结果如图7所示。

图7 不同冲击时间超导电缆温升变化曲线

可以看出，随着冲击时间的增加，超导电缆温升的最大值也在增大，并且呈现线性关系。在电压恒定的情况下，最大温升和冲击时间呈正相关关系。

4 结语

本文对高温超导电缆测温原理和解调方法进行了分析，研究了高温超导电缆稳定标定系统，并进行了高温超导电缆失超检测研究，给出了具体的冲击实验。