CN101233660B - 高温超导电缆的保护方法和保护系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

高温超导电缆的保护方法和保护系统

相关申请

依据35U.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。

政府权利

本发明是依据合同No.：DE-FC36-03G013032在美国政府的支持下进行的。政府对本发明可以有一定的权利。

技术领域

本发明涉及高温超导体(HTS)电力电缆的电流故障管理，更加具体地涉及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和系统。

背景技术

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(在几毫秒内)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毫秒)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公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缓解拥塞的地方。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。

发明内容

在本发明的一般方面，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。

本发明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I_j的幅值和该故障电流的持续时间t_dj。该方法还包括确定故障电流I_j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I_j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，并且时间段基于层j的横截面面积A_j、层j的传导率k_j、层j的局部温度T_j、在层j-1和层j之间的热阻R_j，j-1、在层j和层j+1之间的热阻R_j，j+1、层j的密度ρ_j、层j的比热C_j、以及冷却剂流率

其中层j的局部温度T_j是位置和时间的函数。

该方法还包括当I_j没有超过预定的阈值电流水平时，确定在故障电流I_j和在前故障电流I_j-1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。

本发明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I_j的幅值和该故障电流的持续时间t_dj。控制器确定故障电流I_j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I_j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I_j和在前故障电流I_j-1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近发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发明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，本发明的其它特征、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111、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Sumitomo Electric Industries，Ltd.，Osaka，Japan、Southwire合资公司，GA Carrollton以及nkt cables，Asnaes Denmark的其它公司也生产HTS电力电缆。

再次参考图1，HTS电缆100被连接在传输网格段120中，传输网格段120运载约138kV水平的电压并从网格段122延伸到运载约69kV的较低水平电压的网格段124。降压变压器126将电压从138kV传输线电压降到较低的69kV传输线电压。在这个特定的应用中，传输网格段124馈给多个负载128以及变电站129。一对电路断路器130、132被连接在HTS电缆100的各端以允许HTS电缆从公共事业电力网中快速断连。

故障管理系统200通过保证将HTS电缆100保持在电缆可能受到损坏的温度之下，来向HTS电缆100提供过流保护。故障管理系统200通过监视在HTS电缆100被连接到的公共事业网格段中流过的电流，来提供这种过流保护。特别地，故障管理系统200从在HTS电缆100的一端的一对电流互感器134感测电流。故障管理系统包括存储器210、执行计算机可读指令的处理器214以及将存储器连接到处理器的总线216，其中存储器210包括存储用于控制电路断路器130、132的计算机程序212的至少一部分。故障管理系统还包括标准的GPS时钟以确定故障持续时间以及故障之间的时间。具体地，GPS时钟在建立故障持续时间和故障之间的时间时为处理器214提供时间戳。存储的程序包括计算机可读指令，该计算机可读指令基于在互感器134处检测的信号和标准的GPS时钟来向电路断路器130、132提供控制信号以从传输线120中断连HTS电缆。

参考图3，将结合具有如图2所示的结构的HTS电缆100来描述故障管理系统200的操作。在这个例子中，假设HTS电缆没有受到大于预定的容许贯穿性故障界限，超出该界限，HTS层105的温度升高就会高于容许温度裕度，HTS电缆100被设计成承受具有200ms(12个周期)的持续时间的、高达69kA的故障电流的故障电流。应该理解，本发明一般应用于HTS电力电缆并且用在这个例子中的具体的参数是针对这个特定的电缆设计和特定的传输网格配置。针对给定的电缆设计和网格，实现本发明所需的参数将由本领域技术人员容易地确定。

在操作中，故障管理系统200包括能量寄存器220用于存储预期将由HTS电缆(步骤302)在其最脆弱的地方(一般在电缆的末端，这里冷却液具有最高的温度)所消耗的单位长度的总能量值。故障管理系统在由GPS时钟信号提供的时间窗内，连续地监视电流互感器134处的电流水平。如果这个窗中的电流超过了正常的工作电流，则当电流超过正常水平时以及当电流返回正常水平时，发布时间戳。这就允许故障管理系统确定特定故障的总时间(步骤304)。在这个实施例中，大于69kA的故障电流将引起超导层105的温度超过冷却液的饱和温度，从而有可能由于在高压绝缘层106内形成气泡而引起电缆的永久损坏。然而，即使电流水平小于69kA但是在针对特定的电缆/网格的预定的阈值电流水平(在这个例子中，为20kA)之上，如果由电缆运载的电流的水平和故障的持续时间大到足以显著升高其温度，而对于该电缆没有足够的时间以冷却到它能承受69kA水平的故障电流的水平，HTS电缆100可能易受损坏。因此，故障管理系统200确定所监视的电流是否小于20kA(步骤306)。如果其大于20kA，故障管理系统200不考虑后续故障，参考电缆离线时间表224来建立HTS电缆冷却所需要的时间段。然后通过向断路器发送信号以命令它们断开，来使电缆离线已确定的时间段。

对于这个特定的例子，HTS电缆使用如下的电缆离线时间表的查询表：

电流(kA)	近似时间(小时)
		69	8
60	5.8
		50	3.8
40	2.3
		30	1.2
20	0.5

电缆离线时间表的近似时间值从电缆能量平衡等式中生成。

$A_j{k}_j\frac{d^2{T}_j}{{\mathrm{dx}}^2}+\frac{(T_{j-1}-T_j)}{R_{j,j-1}}=\frac{(T_j-T_{j+1})}{R_{j,j+1}}={\mathrm{\ρ}}_j{C}_j{A}_j\frac{{\mathrm{dT}}_j}{\mathrm{dt}}---\left(t\right)$

其中A_j为层j的横截面面积、k_j为层j的传导率、T_j为作为位置和时间的函数的层j的局部温度、R_j，j-1为层j-1和层j之间的热阻、R_j，j+1为层j和层j+1之间的热阻、ρj为层j的密度、C_j为层j的比热。

由于故障而在HTS电缆100内存储的能量必须在该电缆可被重新通电之前被去除。冷却HTS电缆100回到正常的工作模式的持续时间取决于几个因素。这些因素包括可用的冷却能力、冷却液流速以及在故障期间在电缆中消耗的总能量。存储在电缆内的能量越多，冷却电缆所需的时间将会越长。为了计算冷却的持续时间，瞬时热模型是必要的。上面所示的各个故障的持续时间的计算结果可被电缆操作者使用以确定对于给定的故障电流，电缆必须离线多长时间。

如果所监视的电流小于20kA，电缆可能不必立即离线。因此，故障管理系统200然后确定与前一故障之间的时间是否小于预定的时间阈值，在这里预定的时间阈值为20分钟(步骤308)。如果故障之间的时间大于20分钟，那么存储在能量寄存器中的单位长度的能量值被重置为零值，就如同由于冷却返回效应(cool back downeffect)在前的故障已经不存在。如果故障之间的时间小于20分钟，故障管理系统假设HTS电缆100继续具有所存储的单位长度的能量的某一水平。故障管理系统200使用算法来确定该所存储的能量的水平(步骤310)：

E_j＝∑E_j-1+(I_j/F_s)*t_d，j

其中：E_j为所存储的单位长度的能量(J/m)

E_j-1为所存储的来自在前故障的单位长度的能量(J/m)

I_j为故障电流的幅值

F_s为电流共享因子(A＊sec＊m/J)

t_d，j为故障的持续时间(秒)

注意到上述等式包括取决于多个因素的电流共享因子F_s。通过对各种故障状况进行建模并找到在某一HTS层消耗的能量与给定的故障电流和故障持续时间之间的相关性来生成电流共享因子表。如上所述，HTS电缆100包括几层。在故障状况期间，将基于电缆配置在超导体层104、105、108、前面的102和铜屏蔽114之间来分配电流。由于电缆的几何结构和设计，超导体层105的温度将高于超导体层104的温度，因此由任何气泡的形成而引起的损坏将最有可能在该层附近。因此，超导体层105用作临界层以保证HTS电缆100被保护免受损坏。对于图2中示出的特定的HTS电缆100，将故障电流水平与电流共享因子关联的电流共享因子表如下：

电流(kA)	F<sub>s</sub>(Asm/J)
		1	554700
2	5371
		3	667
4	329
		5	95

电流(kA)	F<sub>s</sub>(Asm/J)
		6	57
7	43
		8	36
9	32
		10	30

一旦使用上面示出的算法计算出所存储的单位长度的能量E_j，就将其与预定的单位长度的能量阈值相比较，在这里预定的单位长度的能量阈值为74J/m。如果在这个例子中单位长度的能量小于阈值74J/m，HTS电缆100在传输段120中保持连接。如果其大于74J/m，在重新连接之前从传输段120中断连HTS电缆100持续20分钟。20分钟的持续时间是从电缆100中去除存储的能量的最低要求并且其基于制冷系统设计。为了更好理解故障管理系统200的操作，参考图4A-4B和图5A-5B。使用第一故障保护例子，图4A示出作为时间的函数的三个连续的故障电流事件的故障电流水平，而图4B示出作为时间的函数的在HTS电缆100内的超导体层105的对应的温度。在time＝0，HTS电缆100运载近似300A的电流水平(图4A)并且电缆的最高温度近似74K(图4B)。一秒钟后(t＝1sec)，发生持续5秒钟的3kA的故障电流。如图4B所示，在5秒钟期间，HTS电缆的温度稳定地升到约74.6K。当故障在t＝6秒清除时，电流水平立即降到300A的正常工作电流。然而，当在t＝6.5秒发生三个故障中的第二个时，电缆的温度仅仅轻微下降。如图4A所示，第二故障为5kA的故障并持续0.4秒，并且如图4B所示，HTS电缆100的温度相对快速地增加到约75.2K。在t＝7秒，发生最后的故障电流事件，4kA故障在返回正常电流状况之前持续1秒钟。再次如图4B所示，电缆的温度再次升到约75.5K，其仍然低于预定的76K的离线阈值。HTS电缆的温度通过下列等式与能量相关：

其中E为消耗到HTS层105的单位长度的能量、T_init为初始温度、T_f为HTS层105的最终温度、ρ为HTS导线密度、A为HTS导线横截面积。因此，在该第一例子中，故障电流事件的特定组合不足以引起故障管理系统200从传输线120中移除HTS电缆100。这意味着即使就在4kA的故障之后存在较大的69kA的故障，电缆也不会被损坏。

现在参考图5A和5B，在第二故障保护例子中，在time＝0，HTS电缆100运载近似300A的电流水平(图5A)并且电缆的温度近似74K(图5B)。一秒钟后(t＝1sec)，发生持续0.4秒钟的6kA的故障。如图5B所示，在该0.4秒钟期间，HTS电缆的温度快速地升到约75.2K。当故障在t＝1.5秒清除时，电流水平立即降到300A的正常工作电流。然而，当在t＝2秒发生三个故障中的第二个时，电缆的温度下降很小。如图5A所示，第二故障是4kA故障并持续2秒，并且如图5B所示，HTS电缆100的温度相对稳定地增加到约75.8K。在t＝4.5秒，发生最后的故障电流事件，其中3kA故障在返回正常电流条件之前持续5秒钟。注意到HTS电缆100的温度在第三故障电流事件的时候，保持相对高。如图5B所示，在约t＝5.5秒，可以看到电缆的温度超过了76K的离线温度。因此，与图4A和4B中示出的例子不同，故障管理系统200向电路断路器130、132发送控制信号以从传输线120中断连HTS电缆100。如果电缆保持在线，就在3kA的故障之后的较大的69kA的故障可能会引起电缆100的损坏。

已经描述了本发明的多个实施例。然而，应当理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下可进行各种修改。例如，重要的是理解上面所述的对于过流保护的水平的值取决于HTS电缆的特定设计和结构，以及电缆在公共事业电力网中如何被使用以及在何处使用。因此，基于HTS电缆的设计以及其在公共电力网络中的应用，来确定在电缆离线表中示出的电流和近似冷却时段的值以及用于电流共享因子表的值。

Claims (18)

1.一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(I_j)的幅值和所述故障电流的持续时间(t_dj)。

3.权利要求2的方法，还包括：确定所述故障电流(I_j)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(I_j)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(I_j)和在前故障电流(I_j-1)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，保持所述超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消耗的累计总能量是否小于表示能量的数量的临界阈值，在所述临界阈值，如果在比预定的阈值时间段短的时间段内发生较大的故障，所述超导电缆将被损坏。

6.权利要求3的方法，其中所述时间段基于所述超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第j层的横截面面积(A_j)、第j层的传导率(k_j)、第j层的局部温度(T_j)、第j-1层和第j层之间的热阻(R_j，j-1)、第j层和第j+1层之间的热阻(R_j，j+1)、第j层的密度(ρ_j)以及第j层的比热(C_j)，其中第j层的局部温度(T_j)是所述超导电缆内的位置和时间的函数。

8.权利要求1的方法，其中所述超导电缆包括高温超导材料。

9.权利要求8的方法，其中所述超导电缆包括铜芯和多个被电绝缘分离的高温超导层。

10.一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，所述系统包括：

传感器，被配置成检测在所述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。

11.权利要求10的系统，其中所述控制器确定所述超导电缆上的所述故障电流(I_j)的幅值和所述故障电流的持续时间(t_dj)。

12.权利要求11的系统，其中所述控制器确定所述故障电流(I_j)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(I_j)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。

13.权利要求11的系统，其中所述控制器确定在所述故障电流(I_j)和在前故障电流(I_j-1)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，保持所述超导电缆在所述公共事业电力网络中的连接。

14.权利要求10的系统，其中所述控制器通过确定所述消耗的累计总能量是否小于表示能量的数量的临界阈值，确定是否断连所述超导电缆，在所述临界阈值，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，所述超导电缆将被损坏。

15.权利要求12的系统，其中所述时间段基于所述超导电缆的几何结构和关联的冷却系统。

16.权利要求15的系统，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第j层的横截面面积(A_j)、第j层的传导率(k_j)、第j层的局部温度(T_j)、第j-1层和第j层之间的热阻(R_j，j-1)、第j层和第j+1层之间的热阻(R_j，j+1)、第j层的密度(ρ_j)以及第j层的比热(C_j)，其中第j层的局部温度(T_j)是所述超导电缆内的位置和时间的函数。

17.权利要求10的系统，其中所述超导电缆包括高温超导材料。

18.权利要求17的系统，其中所述超导电缆包括铜芯和多个被电绝缘分离的高温超导层。

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