CN114295892A

CN114295892A - 基于失超检测的超导限流器线圈冗余设计方法

Info

Publication number: CN114295892A
Application number: CN202111671038.8A
Authority: CN
Inventors: 牛潇晔; 袁文; 薛元; 包颖; 张旭明; 程宏英; 杨柳春; 蔡渊
Original assignee: Eastern Superconductor Science & Technology Suzhou Co ltd
Current assignee: Eastern Superconductor Science & Technology Suzhou Co ltd
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2022-04-08

Abstract

本发明公开了基于失超检测的超导限流器线圈冗余设计方法，超导限流器的若干个无感线圈通过串并联组合，形成若干依次串联的并联线圈单元，超导限流器的线圈冗余结构，包括若干冗余线圈，由监控系统检测超导限流器的失超位置，控制部分冗余线圈与失超位置的并联线圈单元并联。实现方法有两种。一是将冗余线圈单元分别串联开关后与并联线圈单元并联，二是单独接入选择开关，根据监控系统判断将其冗余线圈接入相应的失超线圈支路或限流支路。本发明超导线圈失超后无需停电，实现在线投切，更无需退出设备运行，可根据失超检测结果决定需投入冗余线圈的数量。本发明具有方法简单、有效，减少了检修工作，大大增加了设备运行的安全可靠性。

Description

基于失超检测的超导限流器线圈冗余设计方法

技术领域

本发明涉及超导线圈技术领域，特别涉及一种基于失超检测的超导限流器线圈冗余设计方法。

背景技术

随着柔性直流输电技术的日渐成熟，柔性直流输配电示范工程和应用工程普遍展开，如何快速切断直流故障电流已成为柔性直流系统急需解决的焦点问题。目前大容量直流断路器技术尚不成熟，因超导限流器具有稳态低阻、故障态高阻的优越特性而受到青睐，经过多年研究，无感线圈技术逐渐成熟，解决了以往块材失超难于恢复的问题。

因二代高温超导带材（YBCO）制备工艺中的外包覆层具有灵活设计的优势，进一步扩展了它在诸多领域中的应用，例如增加铜包覆层厚度和材质，机械强度的提高使其在超导电缆领域的应用越来越成熟；不锈钢包覆超导带材的电阻率远大于铜包覆超导带材电阻率，这使其在电阻型超导限流器上的应用提供了可行性设计方案。我国分别于2019年和2020年成功研制了20kV和160kV电阻型超导限流器示范工程样机，然而不锈钢材料的导热性相对较差，失超时产生的热量难于在短时间内散发，增加了局部失超的风险。

失超检测与保护是超导从业者一直关注的问题，尤其是局部失超的微小变化难于在失超初期检测到，文献“超导线圈的失超检测”公开了一种有源功率失超检测方法，该方法能够快速准确地检测到失超信号；专利CN111665462A“一种高温超导磁体失超检测装置及方法”公开了一种采用光纤光栅，利用光栅波长变化感应高温超导磁体温度和应变，通过数据采集和处理得到高温超导磁体各位置处的温度、应变和电压以及各光纤光栅中心波长变化量，对高温超导磁体的失超状态进行检测；专利CN110261799A“利用分布式光纤传感技术的高温超导磁体失超检测系统”公开了一种分布式光纤检测高温超导磁体失超的方法，可定位失超区域范围。

失超保护一般指的是对超导线圈的保护，专利CN205610204“一种高温超导磁体失超保护装置”公开了一种利用加热方法加速线圈失超，并在线圈两端并联电阻的保护方法；另有公开文献阐述的超导磁体失超保护采用切断线圈的方法。目前未发现如果超导失超对系统保护采取的措施，尤其是对于电网线路因超导设备自身发生故障而必须切断线路，这对电网的安全运行增加了风险点，这是电网所不允许的，无疑在推进超导设备应用的道路上设置了路障。

超导线圈局部失超是不可完全避免的，目前一来没有可靠有效的检测方法，二来即使检测到失超，只能是通过降低电流保护，无法保证系统正常运行，显然是不可行的。虽然冗余线圈增加了成本，但与设备退出运行进行线圈更换或维修相比显然是比较经济的。同时冗余线圈在实用化工程应用中有不可替代的先天优势，可靠性的增加使超导设备更容易被用户接受，尤其是电网用户，这对超导应用产业化无疑是非常巨大的推动力，也是超导应用过程中的过渡方法。

发明内容

本发明目的是：本发明考虑对超导线圈的失超保护以及电网安全运行，提供一种基于失超检测的超导限流器线圈冗余设计方法，通过对超导限流器线圈的失超检测，判断确实发生失超则通过开关将冗余线圈接入超导限流器线圈失超单元的并联支路，此时失超的线圈单元由于被分流而被保护，严重失超可自行断开，同时冗余线圈在线接入可使线圈继续正常工作，从而保证了电网线路的安全可靠运行。

本发明的技术方案是：

基于失超检测的超导限流器线圈冗余设计方法，所述超导限流器包括若干个无感线圈，无感线圈通过串并联组合，形成若干依次串联的并联线圈单元，设计超导限流器的线圈冗余结构，包括若干冗余线圈，由监控系统检测超导限流器的失超位置，控制部分冗余线圈与失超位置的并联线圈单元并联。

优选的，所述若干冗余线圈分别串联开关后，与超导限流器的各并联线圈单元并联；监控系统检测超导限流器的失超位置，控制对应的冗余线圈的串联开关闭合。

优选的，采用一个选择开关，所述若干冗余线圈分别单独接入选择开关一侧，选择开关另一侧分别接入超导限流器的各并联线圈单元，根据监控系统判断，通过控制选择开关将冗余线圈接入相应的并联线圈单元；各冗余线圈采用与并联线圈单元相同的结构型式，独立组成一个或多个冗余并联线圈单元。

优选的，所述监控系统通过实时监测所有单个无感线圈两端电压以及支路电流，根据实时监测信号变化判断超导限流器的失超位置；每个无感线圈两端均设置有电压电流引线，电压电流引线测量点锡焊在带材上。

优选的，如果一个或多个无感线圈失超，且不是同步发生，判断为超导限流器局部失超；如果电网线路短路故障发生时，冗余线圈通过开关并联后再串联参与限流，限流结束后断开，这时无感线圈均失超转变为较大电阻限制短路电流，同时通过电流电压检测信号分析判断各线圈单元的失超特性。

优选的，每个并联线圈单元的冗余线圈数量为并联线圈数量的30%，四舍五入后取整。

优选的，所述冗余线圈数量为并联线圈单元数量的倍数，且至少为串联支路数量的30%，四舍五入后取整，最小值为1。

优选的，冗余线圈结构采用饼式或螺线管式结构。

本发明的优点是：

电阻型超导限流器由若干组无感线圈通过串并联组成限流单元，整体呈现电阻性，对于每个无感线圈都是独立的超导线圈单元。每个线圈单元可单独布置光纤，也可引出电流电压信号，对每组并联支路线圈单元的失超检测，通过开关将冗余线圈接入相应并联支路。本发明设计的超导冗余线圈可以有效避免在电网正常工作时因一个或多个超导线圈发生失超引发连锁反应，这样既可以确保线路正常工作，又可以有效保护失超线圈。另外还可将冗余线圈并联后串入线路中，在电网故障时参与限流，从而增大限流电阻。

本发明超导线圈失超后无需停电，实现在线投切，更无需退出设备运行，可根据失超检测结果决定需投入冗余线圈的数量。本发明具有方法简单、有效，减少了检修工作，大大增加了设备运行的安全可靠性。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为超导线圈结构示意图；

图2为带独立开关的超导线圈失超检测控制系统示意图；

图3为带选择开关的超导线圈失超检测控制系统示意图。

具体实施方式

如图1所示超导线圈一般由若干个无感线圈通过串并联组成，串联满足限流电阻需要，并联满足通流需要。图中S₁、S₂、S₃分别表示超导线圈的串联线圈组，且并非代表只有3个；L₁₁、L₁₂，L₂₁、L₂₂，L₃₁、L₃₂分别表示超导线圈串联线圈组S₁、S₂、S₃的并联线圈单元，且并非代表每个串联线圈组只有2个并联线圈；M₁₁、M₂₁、M₃₁分别表示超导线圈组S₁、S₂、S₃的冗余线圈，且并非表示每个串联线圈组只并联1个冗余线圈。

本发明涉及的电阻型超导限流器的冗余线圈通过开关并联在并联支路上实现对线圈的失超保护，从而确保系统正常工作；同样通过开关并联再串联后实现限流功能，实现方法有两种。

一是将冗余线圈单元分别串联开关后与并联线圈单元并联，且采用同轴套装方式，如图2所示。图2设计的冗余线圈根据实时监测电压电流信号U1,U11、U12 ··· ，U2,U21、U22 ··· ，UM11、UM12 ··· ,I1,I11、I12 ··· ，I2,I21、I22 ··· ，IM21、IM22 ··· ，通过监控系统J判断存在局部失超的线圈单元，按照M11、M12 ··· ，M21、M22 ··· ，M31、M32 ··· 的顺序，分别通过KM11、KM12··· ，KM21、KM22··· ，KM31、KM32··· 开关依次并入失超支路。每个串联线圈组在线实时监测电压电流信号，通过监控系统判断存在同时失超，则判断为线路存在过流现象，根据线路电流变化判断是否故障电流，故障电流工况下，超导线圈同时失超，瞬时产生大电阻限制故障电流。

二是单独接入选择开关，根据监控系统判断将其冗余线圈接入相应的失超线圈支路或限流支路，线圈采用与并联支路相同的结构型式，独立组成一个或多个并联线圈单元，如图3所示。图3设计的冗余线圈M1、M2 ···与串联线圈组两端分别接入选择开关K，根据实时监测S1、S2 ···各支路线圈电压电流信号U1,U11、U12 ··· ，U2,U21、U22··· ，UM1、UM2 ··· ,I1,I11、I12 ··· ，I2,I21、I22 ··· ，IM1、IM2 ···，通过监控系统J判断存在局部失超的线圈单元，按照M1、M2 ··· 的顺序，分别通过选择开关依次并入失超支路。每个串联线圈组根据实时监测电压电流信号，通过监控系统判断存在同时失超，则判断为线路存在过流现象，根据线路电流变化判断是否故障电流，故障电流工况下，超导线圈同时失超，瞬时产生大电阻限制故障电流。

特别地，冗余线圈不限于以上两种接线方式，同时冗余线圈还可以通过自身并联后再串入线路参与限流，增加了限流电阻，提高了限流能力。这些方法均属于本发明的保护范围。

本发明的冗余线圈与线圈单元结构完全相同，通过在线实时监测控制电路实现失超线圈的替代以及限流单元的再生。冗余线圈的提出使线圈失超后能够及时投入正常线圈继续工作，同时保护了失超线圈，失超严重的线圈可自动退出运行。

冗余线圈在线投入是在额定工况下，因此对开关要求不高，但对于高压线圈来说，开关的电位处于高电位、低压差，需要采取高低压隔离措施。

图2、图3所示均为基于电流电压失超检测方法，本发明不限于该失超检测方法。超导线圈失超分为整体失超和局部失超两种，对于整体失超有效检测方法有温升检测、压力检测、超声波检测、流速检测和电压检测等，如果判断为瞬时故障，则控制系统发出报警信号；如果判断为短路故障，则将与并联支路相同数量的冗余线圈并联后再与其它支路串联参与限流。超导线圈是由多组线圈串并联而成，相当于将超导带材分成若干段，在单线圈两端取电压电流信号，通过实时监测信号变化，如果一个或多个多个线圈失超，且不是同步发生，可判断为局部失超；电网线路短路故障发生时，冗余线圈通过开关并联后再串联参与限流，限流结束后断开，这时超导线圈均失超转变为较大电阻限制短路电流，同时通过电流电压检测信号可分析判断各线圈单元的失超特性。

通过实时监测单线圈两端电压以及支路电流，电压电流引线测量点锡焊在带材上（不包含端子），且每个单线圈两端均设置有电压电流引线。单线圈连接开关有两种方案：1）每个单线圈支路均串联一开关，用于单独开断线圈支路，每个并联支路的冗余线圈数量为并联线圈数量的30%，四舍五入后取整。2）每个单线圈两端分别接入选择开关，根据系统判断需要接入哪个线圈支路，冗余线圈数量为并联支路线圈数量的倍数，但至少取串联支路数量的30%，四舍五入后取整，最小值为1。

本发明的实施例有20kV/400A和200kV/1kA的电阻型超导限流器冗余线圈的设计方法。20kV/400A的电阻型超导限流器由4个无感线圈单元串联而成，按照第一种设计方法冗余线圈为4个，相当于又增加一个超导线圈；按照第二种设计方法冗余线圈为1个。选择第二种方案，将冗余线圈串联在线圈中，通过选择开关进行控制，增加的成本为整体线圈的1/4，外加检测控制系统1万，共计5万。如果拆除进行更换，则需要10人5天工时2.5万元，加外雇吊车0.2万元，液氮+氮气0.5万元，共计：7.2万元。其中不包括设备退出运行所造成的损失。

200kV/1kA的电阻型超导限流器由13个无感线圈并联，6个线圈单元串联而成，按照第一种设计方法冗余线圈为24个；按照第二种设计方法冗余线圈为26个。选择第一种方案，将冗余线圈并联在线圈中，通过独立开关进行控制，增加的成本为整体线圈的1/3，外加检测控制系统10万，即110万。如果拆除进行更换，则需要10人10天工时5万元，加外雇吊车0.5万元，液氮+氮气12万元，共计：117.5万元。其中不包括设备退出运行所造成的损失。

由以上可知，冗余线圈设计虽然与更换线圈的成本不相上下，但不会造成设备退出和停电，因此冗余线圈的提出是非常必要的，这是设备运行可靠性的重要保障，也是超导应用过程中不可替代的过渡产品。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.基于失超检测的超导限流器线圈冗余设计方法，所述超导限流器包括若干个无感线圈，无感线圈通过串并联组合，形成若干依次串联的并联线圈单元，其特征在于，

设计超导限流器的线圈冗余结构，包括若干冗余线圈，由监控系统检测超导限流器的失超位置，控制部分冗余线圈与失超位置的并联线圈单元并联。

2.根据权利要求1所述的基于失超检测的超导限流器线圈冗余设计方法，其特征在于，所述若干冗余线圈分别串联开关后，与超导限流器的各并联线圈单元并联；监控系统检测超导限流器的失超位置，控制对应的冗余线圈的串联开关闭合。

3.根据权利要求1所述的基于失超检测的超导限流器线圈冗余结构，其特征在于，采用一个选择开关，所述若干冗余线圈分别单独接入选择开关一侧，选择开关另一侧分别接入超导限流器的各并联线圈单元，根据监控系统判断，通过控制选择开关将冗余线圈接入相应的并联线圈单元；各冗余线圈采用与并联线圈单元相同的结构型式，独立组成一个或多个冗余并联线圈单元。

4.根据权利要求2或3所述的基于失超检测的超导限流器线圈冗余结构，其特征在于，所述监控系统通过实时监测所有单个无感线圈两端电压以及支路电流，根据实时监测信号变化判断超导限流器的失超位置；每个无感线圈两端均设置有电压电流引线，电压电流引线测量点锡焊在带材上。

5.根据权利要求4所述的基于失超检测的超导限流器线圈冗余结构，其特征在于，如果一个或多个无感线圈失超，且不是同步发生，判断为超导限流器局部失超；如果电网线路短路故障发生时，冗余线圈通过开关并联后再串联参与限流，限流结束后断开，这时无感线圈均失超转变为较大电阻限制短路电流，同时通过电流电压检测信号分析判断各线圈单元的失超特性。

6.根据权利要求2所述的基于失超检测的超导限流器线圈冗余结构，其特征在于，每个并联线圈单元的冗余线圈数量为并联线圈数量的30%，四舍五入后取整。

7.根据权利要求3所述的基于失超检测的超导限流器线圈冗余结构，其特征在于，所述冗余线圈数量为并联线圈单元数量的倍数，且至少为串联支路数量的30%，四舍五入后取整，最小值为1。

8.根据权利要求1所述的基于失超检测的超导限流器线圈冗余结构，其特征在于，冗余线圈结构采用饼式或螺线管式结构。