专利名称：一种远距离的超导输电电缆电压降测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量超导输电电缆电压信号的测量装置。
背景技术：
超导输电电缆具有低损耗的特点，已经成为未来远距离大容量输电的重要选择。与传统输电电缆不同，超导输电电缆正常运行时的电压降接近I μ v/m，即每百公里电压降 约为O. IV ;载流1000A的传统输电铜电缆电压降约为O. 2mV/m,即百公里电压降为20V。由于超导输电电缆电压降是损耗计算的基础，而损耗是制冷的依据，也是系统性能的重要指标，因此必须对超导输电电缆电压降进行测量。常规电力电缆电压降较大，可以通过在电缆待测端分别放置可同步测量的传感器，以大地作为公共点进行同步测量，然后将数据返回数据中心进行处理。通过时间比对，得到同一时刻不同测量点的数据，相减后即为电压降。这样做的基础在于认为远距离大地的电势差异较小，与远距离传统输电电缆几十伏的电压相比可以忽略。针对远距离的电压测量，中国发明专利200310120803. 2公开了一种地电场多道共地同步测量装置及测量方法，其主要在待测点之间选择某一位置作为公共点接地，以避免不同位置地电位的差异，实现地电场双道或多道同步测量。但由于各待测点与公共点之间的地电位也有差异，对于微伏级的微弱信号测量而言影响也较大。中国发明专利200880006352. O公开了一种电力线特征阻抗实时准确测量的系统，其通过同步测量电力线上至少两个位置的电压、电流及其相位角，结合电力线的电路模型，可以获得电力线的实时动态特征阻抗，以增加电力线的使用效率。中国发明专利200780045891.0公开了一种使用时间同步测量估计实时电力系统量的方法，其利用来自全球定位系统的时间信号来同步电力网络不同位置的电压、电流相量测量，基于此对电力系统的状态进行估计。中国发明专利200910105711. 4公开了一种电力系统输电线路参数同步测量与记录装置，其根据IEC61850标准将故障录波和输电线路参数测量分别建模为不同的逻辑设备，既实现了电力系统故障情况下的数据记录，也实现了对电力系统输电线路参数同步测量，解决现有的停电测量、人工多次不同步读取测量数据导致参数难以准确测量的问题。中国发明专利200910107854. 9公开了一种基于故障录波的输电线路参数在线测量方法，其利用录波装置的GPS时钟进行同步，得出线路两端的正序电压、电流，从而实现输电线路参数的在线测量。中国发明专利00131107. 7公开了一种暂态变化过程同步记录方法及装置，其通过GPS同步晶振，使多个记录装置对异地测量点的信号同步测量，连接成网络，实现电力系统操作、故障及扰动等暂态变化过程的分布式告诉记录及测量。以上方法以时钟为基准，采用常规的测量装置同步采集电压和电流等量，其中电压均为对地电压，适用于较远距离的普通电力测量，此时不同位置之间的电压远大于地电位的差异，其引起的误差可以忽略。而远距离地电位的差异已经跟超导输电电缆的端电压降在一个数量级，甚至远大于端电压，因此以上以地电位为基准的同步测量不适宜于超导输电电缆电压降的测量。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，针对地电位差异对远距离超导输电电缆微弱电压降信号测量的影响，提供一种基于超导线作为公共点的超导输电电缆电压降测量装置，以降低不同位置因参考电平不一致而出现的测量误差。本发明的测量装置包括超导公共导体、传感与数据采集装置、时间同步装置、数据处理中心、通信网络。传感与数据采集装置的信号地与超导公共导体连接；传感与数据采集装置和时间同步装置连接后，再通过通信网络与数据处理中心连接。
所述的超导公共导体位于待测超导输电电缆的低温介质管道中，与待测超导输电电缆并行安装超导公共导体的一端与待测超导输电电缆的起始端连接，且与超导输电电缆沿相同路径安装。所述的超导公共导体的长度与待测超导输电电缆相等。超导公共导体在每一个待测点与传感与数据采集装置的信号地连接。由于超导公共导体具有零电阻特性，且通过的电流为电压传感器或互感器的测量信号，通常为ImA量级，则百公里电压降也不超过Iy V，远小于大地电位差异，也远小于待测电压信号。因此，在超导输电电缆的各待测点将超导公共导体与传感与数据采集装置的信号地连接，可以为远距离的电压测量提供公共点。所述的传感与数据采集装置的数量与待测超导输电电缆需要测量的段的数量相等，即如要测量N段超导输电电缆的电压降，则需要N个传感与数据采集装置，N个传感与数据采集装置分别安装在N个待测点。各传感与数据采集装置的数据采集触发信号由时间同步装置提供，各传感与数据采集装置将采集的数据做好时间标志后通过通信网络发送至数据处理中心。各传感与数据采集装置信号地与超导公共导体连接。所述的时间同步装置的数量与传感与数据采集装置的数量相等，每个待测点均装有一个时间同步装置。所述的时间同步装置与传感与数据采集装置通信，各时间同步装置接收到外部指令后向传感与数据采集装置提供同步采集触发信号。时间同步装置的时钟基准可由其本身提供，也可以由卫星时钟提供。所述的数据处理中心为工控机，需要有较大的数据存储容量和较强的数据处理能力。传感与数据采集装置和时间同步装置均通过通信网络与数据处理中心连接。所述的通信网络连接时间同步装置、传感与数据采集装置和数据处理中心。通信网络可以根据实际情况选择有线或无线通信方式。本发明测量过程包括以下步骤(I)在待测超导输电电缆的低温管道中安装所述的超导公共导体；(2)在各待测点安装传感与数据采集装置，且将其信号地与超导公共导体连接；(3)在各待测点安装时间同步装置，将其时钟同步信号输出与该待测点的传感与数据采集装置测量触发信号连接；(4)通过通信网络连接各传感与数据采集装置和时间同步装置与数据处理中心；(5)数据处理中心向各时间同步装置发出指令，使得各时间同步装置在同一时刻给传感与数据采集装置提供数据采集触发信号；(6)各数据采集系统将采集的具有时间标尺的数据通过通信网络发送到数据处理中心；
(7)数据处理中心根据各数据的时间标尺进行比对，得到相同时刻各传感与数据采集装置采集到的数据；(8)根据同一时刻待测超导输电电缆两端传感与数据采集装置采集的数据，通过相减即可以得到待测电压降。本发明的测量装置，通过在超导输电电缆内部的低温介质环境中增加辅助测量超导公共导体作为公共点，避免当前电力系统以大地为公共点所带来的地电位差异，进而提高对超导输电电缆电压降的测量精度。


图I为本发明测量装置示意图，图中1超导公共导体、2超导输电电缆、3传感与数据采集装置、4时间同步装置、5卫星定位系统、6通信网络、7数据处理中心；图2为超导输电电缆与超导公共导体结构关系示意图，图中1超导公共导体、2超 导输电电缆、21超导输电电缆保护套、22超导输电电缆杜瓦管、23超导输电电缆通电导体。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。如图I所示，本发明的电压降测量装置包括超导公共导体I、传感与数据采集装置
3、时间同步装置4、卫星定位系统5、通信网络6和数据处理中心7。超导输电电缆2用于输送电能，本发明用于实时测量超导输电电缆2在不同位置的电压降。本实施例中，需要对超导输电电缆2三个不同位置相对起始点的电压降进行测量，即分别需要三套传感与数据采集装置3和时间同步装置4。超导公共导体I作为不同测量位置的公共点。由于需要测量的量为不同位置到超导输电电缆2起始端的电压差，因此将超导公共导体I的一端与超导输电电缆2的起始端连接，且与超导输电电缆2沿相同路径安装。图I仅为表示方便，将超导输电电缆2和超导公共导体I分开绘制，实际上本发明利用超导输电电缆2内部的低温介质管道，将超导公共导体I置于低温介质管道中。由于电压测量时其输入阻抗远大于被测电力系统，因此超导公共导体I上流经的电流极小，故其发热量和损耗非常小，不会对正常的电力和液氮传输造成影响。在测量过程中超导公共导体I始终处于超导态，电流极小，因此其电压降相比被测对象可以忽略，在误差允许的范围内可以认为整个超导公共导体I处于等电势状态。基于此，将超导公共导体I作为同步测量的公共点。图I所示为在三个点采用微弱电压信号传感与数据采集装置3测量超导输电电缆2在该位置相对起始端的电压降。各传感与数据采集装置3的信号地与超导公共导体I连接，数据采集触发信号由时间同步装置4提供。传感与数据采集装置3通过通信网络6与数据处理中心7连接，将采集的数据增加时间标志后发送至数据处理中心7进行处理。时间同步装置4可以为同步测量提供基准时钟，既可以选择本地时钟或高速时钟电缆同步，也可以采用卫星定位系统5的授时功能进行同步。本实施例采用卫星定位系统5为时间同步装置4提供同步测量信号。各时间同步装置4通过通信网络6与数据处理中心7连接，且分别与所在待测点的传感与数据采集装置3连接，并根据数据处理中心7的指令，同步发送数据采集触发信号至传感与数据采集装置3，从而使各传感与数据采集装置3能够同步采集所在位置的信号。由于卫星定位系统5提供的为标准时钟，在传感与数据采集装置3将测得的数据传回数据处理中心7时，由传感与数据采集装置3在数据包中添加标准时钟标识，从而数据处理中心7可以将来自不同传感与数据采集装置3的数据进行时钟匹配。经过时钟匹配处理和分析后，结合超导输电电缆2的模型，则可以得到某一时刻超导输电电缆2的电压降。根据超导输电电缆2经过的地理环境和距离远近，通信网络6可以选择无线或有线形式，在本实施例中采用有线方式。时间同步装置4、通信网络6和数据处理中心7只与传感与数据采集装置3通过电气隔离后连接，不与超导输电电缆2直接连接。如图2所示，超导输电电缆2的基本组成包括超导输电电缆保护套21、超导输电电缆杜瓦管22和超导输电电缆通电导体23。超导公共导体I和超导输电电缆2同轴安装。在每一个待测点，采用电流引线将超导输电电缆2内部超导输电电缆通电导体23和超导公 共导体I的信号引出，将引出的超导输电电缆通电导体23的信号作为传感与数据采集装置3的输入信号，将引出的超导公共导体I的信号作为传感与数据采集装置3的输入信号地。超导公共导体I位于超导输电电缆杜瓦管22内部。其中超导输电电缆保护套21位于超导输电电缆2的最外侧，用于保护超导输电电缆2在制造、运输、安装等过程中不受到损害。超导输电电缆杜瓦管22位于超导输电电缆保护套21内部，超导输电电缆杜瓦管22的空心圆柱形内壁和外壁将超导输电电缆2的内部空间分隔为两个腔体其一为超导输电电缆杜瓦管22内壁和外壁之间形成的空心圆筒形腔，超导输电电缆通电导体23安装在空心圆筒形腔内，使用时在空心圆筒形腔内部充满低温介质，低温介质在空心圆筒形腔中沿输电方向流动，用于为超导输电电缆通电导体23提供低温运行环境；其二为超导输电电缆杜瓦管22内壁形成的实心圆柱形管道，空心圆筒形腔内部的低温介质到达超导输电电缆2的终端后，再通过实心圆柱形管道回流到超导输电电缆2起点的低温制冷站。超导公共导体I则安装在超导输电电缆杜瓦管22内壁构成的实心圆柱形管道内，利用回流的低温介质提供的低温环境使超导公共导体I处于超导态。低温制冷站位于超导输电电缆的起点，首先将加压后的低温介质注入所述的超导输电电缆杜瓦管22内壁和外壁之间形成的空心圆筒形腔，低温介质在流动过程中将超导输电电缆通电导体23产生的热量带走；低温介质在到达超导输电电缆2的终端后进入超导输电电缆杜瓦管22内壁形成的实心圆柱形管道中，回流到低温制冷站。低温介质返回到低温制冷站后，再由低温制冷站内部的制冷机冷却，重新注入所述的超导输电电缆杜瓦管22内壁和外壁之间形成的空心圆筒形腔中，由此循环使用低温介质。本发明使用超导公共导体I作为远距离超导输电电缆2电压降同步测量的公共点，提出一种远距离超导输电电缆2电压降同步测量装置，解决了远距离微弱信号高精度测量的问题，为超导远距离输电电能质量高精度测量提供基础。
权利要求
1.一种远距离的超导输电电缆电压降测量装置，其特征在于，所述的测量装置包括超导公共导体(I)、传感与数据采集装置(3)、时间同步装置(4)、卫星定位系统(5)和通信网络(6)和数据处理中心(7);所述的超导公共导体⑴的一端与所述的超导输电电缆(2)的起始端连接，且与超导输电电缆沿相同路径安装在待测的超导输电电缆(2)的低温介质管道中；所述的超导公共导体(I)的长度与所述的超导输电电缆(2)的长度相等；所述的超导公共导体(I)的另一端与传感与数据采集装置(3)的信号地连接；所述的传感与数据采集装置⑶和时间同步装置⑷连接，并通过通信网络(6)与数据处理中心(7)连接；所述的时间同步装置(4)与传感与数据采集装置(3)通信。
2.根据权利要求I所述的测量装置，其特征在于，所述的传感与数据采集装置(3)的数量与所述的超导输电电缆(2)需要测量的段的数量相等，在所述的超导输电电缆(2)的每个待测点安装一个传感与数据采集装置(3)。
3.根据权利要求I所述的测量装置，其特征在于，所述的时间同步装置(4)的数量与传感与数据采集装置(3)的数量相等，在所述的超导输电电缆(2)的每个待测点安装一个时间同步装置(4)。
4.根据权利要求I所述的测量装置，其特征在于，所述的传感与数据采集装置(3)的数据采集触发信号由时间同步装置(4)提供，传感与数据采集装置(3)将采集的数据添加时间标志后通过通信网络(6)发送至数据处理中心(7)。
5.根据权利要求I所述的测量装置，其特征在于，所述的超导公共导体(I)安装在超导输电电缆(2)的超导输电电缆杜瓦管(22)中由空心圆柱形内壁形成的实心圆柱形管道内；所述的超导输电电缆(2)超导输电电缆的通电导体(23)安装在空心圆筒形腔中和外壁之间形成的空心圆筒形腔内；空心圆筒形腔内部充满低温介质，低温介质在空心圆筒形腔中沿输电方向流动，为所述的通电导体(23)提供低温运行环境；空心圆筒形腔内部的低温介质到达超导输电电缆(2)的终端后，再通过实心圆柱形管道回流到超导输电电缆(2)起点的低温制冷站，利用回流的低温介质提供的低温环境使超导公共导体(I)处于超导态。
全文摘要
一种远距离的超导输电电缆电压降测量装置，包括超导公共导体(1)、传感与数据采集装置(3)、时间同步装置(4)、卫星定位系统(5)、通信网络(6)和数据处理中心(7)。超导公共导体(1)的一端与超导输电电缆(2)的起始端连接，安装在待测的超导输电电缆(2)的低温介质管道中。超导公共导体(1)的长度与超导输电电缆(2)的长度相等。超导输电电缆(2)内的超导输电电缆通电导体(23)和传感与数据采集装置(3)的输入信号连接。超导公共导体(1)在每一个待测点和传感与数据采集装置(3)的输入信号地连接。传感与数据采集装置(3)和时间同步装置(4)连接，并通过通信网络(6)与数据处理中心(7)连接。
文档编号G01R19/00GK102645572SQ20121012261
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月24日 优先权日2012年4月24日
发明者张东, 张京业, 张志丰, 戴少涛, 朱志芹, 滕玉平, 肖立业, 许熙, 马韬 申请人:中国科学院电工研究所