高温超导电缆的保护方法和保护系统技术方案

一种用于对位于公共事业电力网络中的超导电缆提供保护的方法和系统，包括：检测超导电缆上的故障电流；在预定的时间段上根据故障电流和至少一个在前的故障电流，确定在超导电缆中消耗的累计总能量；以及基于该消耗的累计总能量，确定是否从公共事业电力网络中断连超导电缆。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】HTS电力电缆的故障管理相关申请依据35 U.S.C § 119(e)(1),本申请要求2005年7月29日提交的 在前美国临时申请60/703,855的权益。本专利技术3:依据合同No.: DE-FC36-03G013032在美国政府的支持 下进行的。政府对本专利技术可以有一定的权利。
技术介绍
公共事业网络中的问题、或故障(如网络设备故障)可影响 如何贯穿网络来分配电力。特别地，故障常常从电源中消耗能量，从 而留下较少的能量用于贯穿网络的其它区域来分配以及用于从由故 障引起的电压跌落，，中恢复。当在公共事业网络中发生故障时，遭遇瞬时电压下降，其可导致 网络上的电压崩溃或电压不稳。一般而言，这种故障作为在公共事业网络上瞬时出现的极大的负 载而出现。响应于该负载的出现，网络企图向该负载(即故障)传递 大量的电流。与网络上的电路断路器关联的检测器电路立即(在几亳 秒内)检测过流情况。来自检测器电路的激活信号被发送到启动电路 的断开的保护继电器。继电器的机械特性一般需要3到6个周期(即 多达100亳秒)来断开。当断路器断开时，故障被清除。使用高温超导体(HTS )导线的电力电缆被开发以在保持相对小 的占位面积的同时增加乂^共事业电力网络中的电力容量。除了其它优 点之外，HTS电力电缆即使在密集的旧城区，也较容易安置。这种 HTS电缆还允许较大量的电力被经济并且可靠地输送到公共事业电 力网络的拥塞地区并精确地传送到需要緩解拥塞的地方。HTS电力 电缆在电缆芯中使用HTS导线来代替铜用于电的传输和分配。与传统的线和电缆比较，HTS电缆的设计导致了显著低的阻抗。HTS导 线的使用使得与交流(AC)传统电缆比较，在电流运载能力方面增 加了 3到5倍，并且高达通过直流(DC)传统电缆的电力流动的10 倍。对于故障电流，HTS电力电缆与传统的非超导电缆表现不同。 第一，低温电介质HTS电力电缆要求冷却液在较大故障或多个贯穿 性故障期间保持在过冷状态。对于在高压电缆芯和位于地电位的屏蔽 物之间维持电介质强度，这是必要的。在电介质内的任何气泡形成将 威胁到绝缘的介电性能。第二，在较大故障之后，电缆必须离线以便 允许HTS导体有足够的时间被冷却回到工作温度范围。结果，传统 的电缆故障保护方案不适合用于HTS电力电缆。
技术实现思路
在本专利技术的一般方面， 一种对位于公共事业电力网络中的超导电 缆提供保护的方法包括下列步骤。在超导电缆上检测故障电流。在预 定的时间段上根据故障电流和至少 一个在前故障电流来确定在超导 电缆中消耗的(或存储的)累计总能量。基于所述的消耗的(或存储 的)累计总能量，确定是否从公共事业电力网络中断连超导电缆。本专利技术的这方面的实施例可包括下列特征中的 一个或多个。检测 步骤包括确定超导电缆上的故障电流Ij的幅值和该故障电流的持续 时间tdj。该方法还包括确定故障电流Ij是否超过预定的阈值电流水 平，并且如果其成立，基于故障电流Ij的水平，从公共事业电力网络 中断连超导电缆一时间段。时间段基于超导电缆的几何结构和关联的冷却系统。例如，超导 电缆的几何结构包括多个层，并且时间乾基于层j的横截面面积Aj、 层j的传导率kj、层j的局部温度Tj、在层j-l和层j之间的热阻Rj，w、 在层j和层j + l之间的热阻Rj，j + P层j的密度Pj、层j的比热Cj、 以及冷却剂流率^，其中层j的'局部温度Tj是位置和时间的函数。该方法还包括当Ij没有超过预定的阈值电流水平时，确定在故障 电流Ij和在前故障电流Ij - i之间所经过的时间并且确定所经过的时间 是否超过预定的阈值时间段并且如果其成立，保持超导电缆在公共事 业电力网络中的连接。确定累计的总能量值包括确定累计的总能量值是否小于表示能量的数量的临界阈值，在该临界阈值，如果在比预定 的阈值时间段短的时间段内发生较大的故障，电缆将被损坏。在本发 明的另一方面， 一种用于对位于公共事业电力网络中的超导电缆提供保护的系统包括传感器，被配置成检测在超导电缆上运载的故障电 流；控制器，被配置成在预定的时间段上根据故障电流和至少一个在 前故障电流来确定在超导电缆中消耗的累计的总能量；并且被配置成 基于所述的消耗的累计的总能量来确定是否从公共事业电力网络中 断连超导电缆。本专利技术的这方面的实施例可包括下列特征中的一个或多个。控制 器确定超导电缆上的故障电流Ij的幅值和该故障电流的持续时间tdj。 控制器确定故障电流Ij是否超过预定的阈值电流水平，并且如果其成 立，基于故障电流Ij的水平，从公共事业电力网络中断连超导电缆一 时间段。时间段基于超导电缆的几何结构和关联的冷却系统。控制器 确定在故障电流Ij和在前故障电流Ij - i之间所经过的时间并且确定所 经过的时间是否超过预定的阈值时间段，如果其成立，保持超导电缆 在公共事业电力网络中的连接。除了其它优点之外，上面所描述的方法和系统通过监视电力网络 中电力电缆被连接到的部分中流动的电流，来提供超导电缆的过流保 护。该方法和系统考虑了正在发生的故障以及在前发生的故障，甚至 那些没有达到需要立即中断通过电缆的电流的水平(即激活电路断路 器)但是仍然引起了电缆中超导体的发热的故障。通过这样做，在发 生故障时，由于在前的故障而引起的累计的发热效应被考虑。例如， 具有通常不会使电路断路器跳闸的电流幅值和持续时间的故障可产 生足够的热，从而结合来自其它最iOL生的故障的发热而损坏超导电 缆。在下面描述和附图中阐述了本专利技术的一个或多个实施例的细节。 根据说明书、附图以及权利要求，本专利技术的其它特征、目的以及优点 将会清楚。附图说明图1为示出用于向HTS电缆提供过流保护的故障管理系统的示 意图。图2为HTS电缆的等距视图。图3为示出故障管理系统的工作的流程图。图4A和4B分别为示出针对第一故障事件系列的作为时间的函 数的电流和作为时间的函数的HTS温度的图。图5A和5B分别为示出针对第二故障事件系列的作为时间的函 数的电流和作为时间的函数的HTS温度的图。在各个附图中相似的附图标记表示相似的元件。具体实施方式参考图1，示出了连接在公共事业电力网格10的一部分内的高 温超导体(HTS )电缆100。 HTS电缆100在这里具有几百米的长度 并且提供了相对高的电流和低电阻的电路径，同时占有运载相同量的 电流的传统铜电缆所需要的空间的一小部分。如将在下面更详细地讨 论的，在HTS电缆100中使用的HTS导线具有能够运载具有相似尺 寸的铜导线的150倍的电流的设计和结构。用相对少量的HTS导线 而不是大量的铜拧成AC电缆的芯，通过同等尺寸的线可运载三倍到 五倍多的电力。参考图2， HTS电缆100包括铜股芯102,铜股芯102按径向顺 序由第一高温超导体层104、第二高温超导体层105、高压绝缘层106、 高温超导体屏蔽层108、外部的铜屏蔽层109、保护层110、冷却剂 包层lll、内部低温保持壁112、真空室113、外部低温保持壁114以 及外部电缆护套115环绕。在操作中，从外部的冷却剂源(未示出) 提供制冷剂(例如液态氮)以在冷却剂包层111的内部并沿着其长度 方向循环。这种类型的HTS电力电缆可从Nexans， Paris France得到。 如S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对位于公共事业电力网络中的超导电缆提供保护的方法，所述方法包括：检测所述超导电缆上的故障电流；在预定的时间段上根据所述故障电流和至少一个在前的故障电流，确定在所述超导电缆中消耗的累计总能量；以及基于所述消耗的累计总能量，确定是否从所述公共事业电力网络中断连所述超导电缆。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-7-29 60/703,8551.一种对位于公共事业电力网络中的超导电缆提供保护的方法，所述方法包括检测所述超导电缆上的故障电流；在预定的时间段上根据所述故障电流和至少一个在前的故障电流，确定在所述超导电缆中消耗的累计总能量；以及基于所述消耗的累计总能量，确定是否从所述公共事业电力网络中断连所述超导电缆。2. 权利要求1的方法，其中所述检测步骤包括确定所述超导电 缆上的所述故障电流Ij的幅值和所述故障电流的持续时间tdj。3. 权利要求2的方法，还包括确定所述故障电流Ij是否超过 预定的阈值电流水平，并且如果其成立，基于所述故障电流Ij的水平， 从所述公共事业电力网络中断连所述超导电缆一时间段。4. 权利要求2的方法，还包括确定在所述故障电流Ij和在前 故障电流Ij — i之间所经过的时间，并确定所述经过的时间是否超过预 定的阈值时间段，并且如果其成立，保持所i^导电缆在所述公共事 业电力网络中的连接。5. 权利要求1的方法，其中确定是否断连所述超导电缆包括确 定所述累计总能量值是否小于表示能量的数量的临界阈值，在所述临 界阈值，如果在比所述预定的阈值时间段短的时间段内发生较大的故 障，所述电缆将被损坏。6. 权利要求3的方法，其中所述时间乾基于所i^导电缆的几 何结构和关联的冷却系统。7. 权利要求6的方法，其中所述超导电缆的几何结构包括多层， 并且所述时间段基于层j的横截面面积Aj、层j的传导率kj、层j的 局部温度Tj、层j-l和层j之间的热阻Rj，w、层j和层j + l之间的热 阻Rj，j + 1、层j的密度ft以及层j的比热bp其中层j的局部温度Tj是所i电缆内的位置和时间的函数。8. 权利要求l的方法，其中所述电缆包括高温超导材料。9. 权利要求8的方法，其中所述电缆包括铜芯和多个被电绝缘分离的HTS层。10...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁杰，詹姆斯F马圭尔，阿诺阿莱斯，弗兰克施密特，
申请(专利权)人：美国超导体公司，尼克桑斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]