一种应用于配电网的超导电缆保护方法及装置与流程

1.本发明涉及超导电缆保护技术领域，尤其涉及一种应用于配电网的超导电缆保护方法及装置。


背景技术：

2.高温超导体具有零电阻、迈斯纳(meissner)效应和约瑟夫森(josephson)效应等三大基本特性，即超导电性，研究表明，高温超导体是属于第二类超导体，如它的磁化曲线和常规的第二类超导体在定性上是完全相同的，存在下临界磁场(约为10mt)和上临界磁场(约为100t)。但与常规的第二类超导体相比较，高温超导体亦有自己的特点，主要是有高的转变温度，很短的相干长度和明显的各相异性等。高温超导体发生正常态到超导态转变时，其电阻不像传统的低温超导体那样突然下降，而是有更宽的温度变化间隔。习惯上把变化间隔的中点温度定义为超导体的临界温度。由于高温超导体的临界温度都高于液氮温度(77k)，因此，可以用液氮作为高温超导体的冷却介质。
3.高温超导电缆技术具有如下技术特点：
4.大容量：目前常规电力电缆的运行电压最高为500kv，常规电力电缆为了提高送电容量，要兼顾降低热量损耗，需增大截面，最大为3500mm2，电流为3000a。如再提高送电容量，由于导体热量损耗随容量的提高而迅速增加，故需采用强冷措施。超导电缆使用无阻和高临界电流密度的高温超导线材作导体，极大的提高了电流/能量传输能力。例如，35kv的热绝缘高温超导电缆每相最大能够达到2.5-3.0ka，基本是相同电压等级传统电缆的2-3倍，这是由低温封套和屏蔽层的涡流损耗所限制的。如果低温保持器由非金属材料制造，电流传输能力将可以进一步提高。冷绝缘高温超导电缆的电流传输能力要大一些，可以达到每相8ka；直流超导电缆可以达到15ka甚至更高。
5.低损耗：超导材料在进入超导状态时，其直流电阻几乎为零；但对交流电缆来说，超导体中仍会有磁滞涡流损耗，但其值比常规电缆要小得多，即使计及低温冷却所需的电力，其电力损耗仍比常规电缆要小。
6.结构紧凑：高温超导电缆传输电流密度高，因此在传输同样的电能时所需的送电通道远小于常规电缆，当常规电缆要求双回路或三回路时，单回路的超导电缆就能达到或超过其最大输电电流的需要。从电缆安装空间有限和安全角度出发，在大城市里引入超导电缆经济上可行，超导电缆能够在不增大电缆尺寸和不增大损耗的条件下增加传输功率。
7.对环境影响小：超导电缆的内部冷却方式也有利于降低对电缆安装地点和土壤的要求。比如说，超导电缆可以和输热管道、传统电缆等热源交叉安装，而不必因为电气绝缘的过热而降低电缆的额定功率。超导电缆的磁场集中在电缆内部，电缆外没有磁场，减少了电磁污染；安装处土壤不会被油性物质污染；无火灾危险，不易受意外灾害影响。
8.高温超导电缆保护技术存在以下缺点：
9.1、在电力系统中应用高温超导电缆时，电力系统过电流会引起电缆失超，危及电缆本身以及电力系统运行的安全性与可靠性。在高温超导电缆失超保护方面的研究，停留
在单机实验装置的失超保护上，没有和电力系统的保护结合起来综合研究。如果直接将现有的失超保护法应用到电力系统保护中，将无法保证电力系统保护的安全性与可靠性。
10.2、高温超导电缆失超检测与故障保护是保障超导电缆运行安全的核心和基础，对整个电网的稳定运行具有重要意义，也是髙温超导电缆工程化实用化应用中亟需解决的关键技术难题。高温超导电缆结构复杂，其故障和异常运行工况以及产生的机理与传统的输电线路存在很大的差异，特别是高温超导电缆只能运行于临界温度以下，且所承受的磁场和所通过的电流均不能超过其临界值。一旦超导体的任何一个临界条件被破坏，超导电缆将会发生超导态到正常态的转变，即失超故障。而髙温超导电缆送电容量大，若发生失超，不仅可能损坏高温超导电缆本体，严重情况下，还会影响整个电力系统的供电稳定性。而现有技术中缺少将高温超导电缆失超检测和故障保护结合起来应用至电力系统保护中的技术方案。


技术实现要素：

11.本发明提供应用于配电网的超导电缆保护方法及装置，通对配电网中的高温超导电缆进行失超保护和过电流保护，提高了高温超导电缆应用于配电网的安全性和稳定性。
12.本发明一方面提供一种应用于配电网的超导电缆保护方法，包括以下步骤：
13.将配电网中的超导电缆系统的每个电感分成若干段，各段分别并联1个电阻；所述超导电缆系统应用于配电网；
14.判断所述超导电缆系统的电流所在的电流区间，当所述电流区间为正常工作电流区间时，对所述超导电缆系统进行非电气量定时限保护；当所述电流区间为小故障电流区间时，对所述超导电缆系统进行反时限过电流保护；当所述电流区间为大故障电流区间时，对所述超导电缆系统进行无时限电流速断保护。
15.进一步的，对所述超导电缆系统进行非电气量定时限保护，具体为：
16.对所述超导电缆系统进行故障检测，并通过超导电缆保护装置判断所述故障的类型，当所述故障的类型为外部故障时，在线计算超导电缆的本体温升变化情况，当所述超导电缆的本体温度小于最高自恢复温度时，所述超导电缆保护装置进行自动重合闸操作。
17.进一步的，对所述超导电缆系统进行故障检测，具体为：
18.根据监测所述超导电缆系统两端的温度、流量和压力变化，检测所述超导电缆系统的高交流故障和局部失超故障；
19.根据冷却系统预设的检测规则，检测冷却系统故障。
20.进一步的，对所述超导电缆系统进行无时限电流速断保护，具体为：
21.根据非电气量保护定值对所述超导电缆系统进行保护，并根据无时限电流速断保护定值对所述超导电缆系统进行保护。
22.进一步的，根据以下公式计算所述无时限电流速断保护定值：
[0023][0024]
式中，ρ
ag
为银的电阻率，d
ag
和d
hts
为银和高温超导线材的密度，a
ag
和a
hts
为电缆中银和高温超导线材的截面积，c
ag
和c
hts
为银和高温超导线材的比热，θ表示温度，θ'是在时间
上的导数，i(t)为在时间上的电流值函数。
[0025]
进一步的，对所述超导电缆系统进行反时限过电流保护，具体为：
[0026]
计算所述超导电缆系统的热积累值，当所述热积累值大于等于第一预设阈值时，所述超导电缆系统动作跳闸。
[0027]
进一步的，根据以下公式计算所述超导电缆系统的热积累值：
[0028][0029]
式中，ρ
ag
为银的电阻率，d
ag
和d
hts
为银和高温超导线材的密度，a
ag
和a
hts
为电缆中银和高温超导线材的截面积，c
ag
和c
hts
为银和高温超导线材的比热，t0为检测时的初始时间值，δt为时间段，dθ为导数，time0、time1分别为检测时的初始时间和结束时间，i(t)为在时间上的电流值函数。
[0030]
进一步的，对所述超导电缆系统进行反时限过电流保护时，重新计算所述超导电缆系统的最高温度。
[0031]
本发明另一方面提供了一种应用于配电网的超导电缆保护装置，包括超导电缆数据采集模块、超导电缆失超分析模块、超导电缆过电流保护分析模块和上层管理模块；
[0032]
所述超导电缆数据采集模块用于采集超导电缆系统的实时电缆数据；
[0033]
所述超导电缆失超分析模块用于根据所述实时电缆数据对所述超导电缆系统进行失超分析；所述超导电缆系统中的每个电感分成若干段，各段分别并联1个电阻；
[0034]
所述超导电缆过电流保护分析模块用于根据所述实时电缆数据判断所述超导电缆系统的电流所在的电流区间，并根据所述电流区间对所述超导电缆系统进行相应的过电流保护分析；当所述电流区间为正常工作电流区间时，对所述超导电缆系统进行非电气量定时限保护分析；当所述电流区间为小故障电流区间时，对所述超导电缆系统进行反时限过电流保护分析；当所述电流区间为大故障电流区间时，对所述超导电缆系统进行无时限电流速断保护分析；
[0035]
所述上层管理模块用于根据所述超导电缆失超分析模块的失超分析结果和超导电缆过电流保护分析模块的过电流保护分析结果，对所述超导电缆系统执行相应的保护。
[0036]
本发明提供了一种应用于配电网的超导电缆保护方法及装置，该方法通过将配电网中的超导电缆系统的每个电感分成若干段，各段分别并联1个电阻来实现对所述超导电缆系统的失超保护。通过判断所述超导电缆系统的电流所在的电流区间，当所述电流区间为正常工作电流区间时，采用非电气量定时限保护策略对所述超导电缆系统进行过电流保护；当所述电流区间为小故障电流区间时，采用反时限过电流保护策略对所述超导电缆系统进行过电流保护；当所述电流区间为大故障电流区间时，采用无时限电流速断保护策略对所述超导电缆系统进行过电流保护。可见，本发明通过同时对配电网中的超导电缆系统进行失超保护和分电流区间进行过电流保护，提高了高温超导电缆应用于配电网的安全性和稳定性。
附图说明
[0037]
图1是本发明一实施例提供的应用于配电网的超导电缆保护方法的流程示意图；
[0038]
图2是本发明一实施例提供的应用于配电网的超导电缆保护装置的结构示意图；
[0039]
图3是本发明一实施例提供的应用于配电网的超导电缆保护方法的电流区间示意图。
具体实施方式
[0040]
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
如图1所示，本发明一实施例提供的一种应用于配电网的超导电缆保护方法，包括以下步骤：
[0042]
步骤s101:将配电网中的超导电缆系统的每个电感分成若干段，各段分别并联1个电阻；所述超导电缆系统应用于配电网。
[0043]
本发明实施例采用分段电阻保护法将整个电感l分成几段，每段并联1个电阻，当某一段发生失超转变时，电流由电感线圈逐渐转移到并联电阻上，由于感应耦合，与此相邻段的电感电流增加发生失超转变，直至全部电感进入失超状态。采用分段电阻保护，使得失超传播速度增加，释能效率提高，保护了超导电缆系统磁体的安全。
[0044]
超导磁体失超将会伴随发生一系列问题，如发热、过电压和低温容器过压力等。超导磁体失超的基本过程是电磁能转为热能，而且超导磁体失超后电磁能的传播是不均匀的。失超总是从某一点开始，然后通过焦耳热和热传导向外扩散。开始失超的那一部位要经受最高温升，因为它受到焦耳热作用的时间最长。如果磁体储存的能量足够大，则释放出来的能量将有可能将这部位的超导线或绝缘烧损；当超导磁体发生失超时，在绕组内部将会突然出现一电阻值，于是超导体正常区两端将会出现很高的电压，电压值可能达到几百伏甚至几千伏，这可能导致绕组间的绝缘击穿，引起绕组某些匝短路，进而使磁体遭到损坏；在超导磁体转变为正常态的过程中，产生的焦耳热将会导致低温容器中的液氮蒸发，从而使低温容器压力骤然升高，可能造成严重后果。
[0045]
因此，在超导磁体发生失超时，必须采取有效的保护措施，以实现下列效果：
[0046]
1)降低在绕组正常区所释放的能量，防止超导线过热；
[0047]
2)降低绕组正常区的端电压，防止匝间绝缘击穿；
[0048]
3)降低在低温容器内释放的能量，防止液氮的大量蒸发。
[0049]
步骤s102:如图3所示，判断所述超导电缆系统的电流所在的电流区间，当所述电流区间为正常工作电流区间时，对所述超导电缆系统进行非电气量定时限保护；当所述电流区间为小故障电流区间时，对所述超导电缆系统进行反时限过电流保护；当所述电流区间为大故障电流区间时，对所述超导电缆系统进行无时限电流速断保护。
[0050]
当电网中发生短路故障时，通过超导电缆的短路电流会影响到超导电缆的正常运行，其影响程度与短路电流的大小有关。如果短路故障非常严重，巨大的短路电流将会使超导电缆全线失超，温度迅速升高，进而对超导电缆造成巨大损害，此时需要立即将超导电缆从电网中切除。若短路点较远，短路电流相对较小时，超导电缆发热并不十分严重，在这种小短路电流下，应允许超导电缆继续运行一段时间，以便由其它保护装置切除故障，避免频繁切除超导电缆。因此，本发明实施例采用基于不同电流水平的综合保护方案，提高了高温
超导电缆的安全性和稳定性。
[0051]
本发明实施例通过同时采用分段电阻保护法和高温超导电缆过电流保护策略，实现了对所述超导电缆系统从多个层级和角度进行保护，其中，分段电阻保护法主要是为了检测及保障超导磁体的安全，在超导正常的情况下，保护系统断流情况下的设备安全的。
[0052]
作为其中一种实施例，对所述超导电缆系统进行非电气量定时限保护，具体为：
[0053]
对所述超导电缆系统进行故障检测，并通过超导电缆保护装置判断所述故障的类型，当所述故障的类型为外部故障时，在线计算超导电缆的本体温升变化情况，当所述超导电缆的本体温度小于最高自恢复温度时，所述超导电缆保护装置进行自动重合闸操作。
[0054]
作为其中一种实施例，对所述超导电缆系统进行故障检测，具体为：
[0055]
根据监测所述超导电缆系统两端的温度、流量和压力变化，检测所述超导电缆系统的高交流故障和局部失超故障；
[0056]
根据冷却系统预设的检测规则，检测冷却系统故障。
[0057]
作为其中一种实施例，对所述超导电缆系统进行无时限电流速断保护，具体为：
[0058]
根据非电气量保护定值对所述超导电缆系统进行保护，并根据无时限电流速断保护定值对所述超导电缆系统进行保护。
[0059]
根据以下公式计算所述无时限电流速断保护定值：
[0060][0061]
式中，ρ
ag
为银的电阻率，d
ag
和d
hts
为银和高温超导线材的密度，a
ag
和a
hts
为电缆中银和高温超导线材的截面积，c
ag
和c
hts
为银和高温超导线材的比热，θ表示温度，电阻率是温度的函数，θ'是在时间上的导数，i(t)为在时间上的电流值函数。
[0062]
作为其中一种实施例，对所述超导电缆系统进行反时限过电流保护，具体为：
[0063]
计算所述超导电缆系统的热积累值，当所述热积累值大于等于第一预设阈值时，所述超导电缆系统动作跳闸。
[0064]
根据以下公式计算所述超导电缆系统的热积累值：
[0065][0066]
式中，ρ
ag
为银的电阻率，d
ag
和d
hts
为银和高温超导线材的密度，a
ag
和a
hts
为电缆中银和高温超导线材的截面积，c
ag
和c
hts
为银和高温超导线材的比热，t0是计算或者检测时候的初始时间值，δt是一个时间段，任何时间都可以，因为热量是一个积累的过程；dθ是导数(即求导公式)的符号，time0、time1为初始时间和结束时间(即最后计算时间)，i(t)在时间上的电流值函数。
[0067]
对所述超导电缆系统进行反时限过电流保护时，重新计算所述超导电缆系统的最高温度。
[0068]
作为其中一种详细的实施例，步骤s102包括以下子步骤：
[0069]
子步骤s1021：当所述电流区间为正常工作电流区间时，采用非电气量定时限保护策略对所述超导电缆系统进行过电流保护。具体地，根据以下配置方案对高温超导电缆线
路自动重合闸进行配置：
[0070]
1)根据高温超导电缆本身保护装置的动作情况，判断故障是否是内部故障。如果是内部故障，不进行自动重合闸操作。
[0071]
2)若是外部故障，在线计算电缆本体温升变化情况，当超导电缆本体温度小于最高自恢复温度，则进行自动重合闸操作。高温超导电缆的重合闸过程中的电缆本体温度变化情况可以用公式(6)来描述：
[0072][0073]
其中，q1为电流恢复到工作电流以后电缆本体正常区的单位长度上产生的瞬时欧姆热，q2为冷却系统单位长度上瞬时带走的热量。其中q1就是银基上产生的欧姆热(不考虑分流)，q2是液氮带走的热量；k1、k2分别为超导层向内和向外的综合热导率，d1、d2分别为超导层内径和外径，d3、d4分别为外侧聚乙酰胺膜的内径何外径，t1、t2分别是液氮温度和超导层温度。
[0074]
当所述电流区间为正常工作电流区间时(即所述超导电缆系统的电流小于a)，主要对应高温超导电缆的异常运行工况，所述异常运行工况包括但不限于高交流损耗、局部失超和冷却系统故障。在所述正常工作电流区间时，又分两种故障的保护：其中高交流损耗和局部失超的故障通过监测电缆两端的温度、流量和压力的变化来进行保护；冷却系统的故障由冷却系统预设的检测规则来检测，一旦需要动作则直接跳闸。所述预设的检测规则可以是冷却系统自身的保护规则。电流a取其为高温超导电缆的临界电流值。
[0075]
子步骤s1022：当所述电流区间为小故障电流区间时，对所述超导电缆系统进行反时限过电流保护。具体的，计算所述超导电缆系统的热积累值，当所述热积累值大于等于第一预设阈值时，所述超导电缆系统动作跳闸。根据公式(3)计算所述热积累值：
[0076][0077]
流过超导电缆的电流越大，电缆发热越严重，保护动作时间越短。与所述无时限电流速断保护策略不同的是，采用反时限过电流保护策略时，需要重新计算所述超导电缆系统容许温度上限，这是因为其动作时限较长，必须考虑冷却系统所带走的热量。所述超导电缆系统容许温度上限的计算过程如下：
[0078]
q1＝q2(4)
[0079][0080]
其中，q1为电流恢复到工作电流以后电缆本体正常区的单位长度上产生的瞬时欧姆热，q2为冷却系统单位长度上瞬时带走的热量。其中q1就是银基上产生的欧姆热(不考虑分流)，q2是液氮带走的热量；k1、k2分别为超导层向内和向外的综合热导率，d1、d2分别为超导层内径和外径，d3、d4分别为外侧聚乙酰胺膜的内径何外径，t1、t2分别是液氮温度和超导层温度。联立公式(4)和(5)可以求出自恢复超导态的最高温度(即所述超导电缆系统容许温度上限)。
[0081]
本发明实施例所述小故障电流区间对应着电缆在最小失超电流到大故障电流之间的保护。所述小故障电流区间的保护策略为：当过电流一达到小故障电流的下限整定值a，根据实时采样数据计算所述超导电缆内部温升来进行检测判断和进行过电流保护。在小故障电流下超导电缆失超后，当计算所得瞬间温度达到预先整定值(即所述第一预设阈值)时，则所述超导电缆系统动作跳闸。
[0082]
子步骤s1023：当所述电流区间为大故障电流区间时，采用无时限电流速断保护策略对所述超导电缆系统进行过电流保护。所述无时限电流速断保护策略包括电流保护策略和非电气量保护策略。其中非电气量保护策略根据非电气量保护定值对所述超导电缆系统进行保护，所述非电气量保护定值根据高温超导电缆的设计参数确定。所述电流保护策略根据无时限电流速断保护定值对所述超导电缆系统进行保护，所述无时限电流速断保护定值根据超导电缆的热平衡过程计算得到。具体的，根据公式(2)计算得出无时限电流速断保护定值：
[0083]
对热平衡公式进行简化得到绝热模型公式(2)：
[0084][0085]
式中：ρ
ag
是银的电阻率，d
ag
、d
hts
是银和高温超导线材的密度，a
ag
、a
hts
是电缆中银和高温超导线材的截面积，c
ag
、c
hts
是银和高温超导线材的比热。本发明实施例根据速断保护动作速度快，短路电流持续时间短的特点采用绝热模型公式(2)来计算无时限电流速断保护定值。超导电缆最高安全温度t
max
以及从正常温度(77k)上升到最高安全温度t
max
所花费的时间t
run
是无时限电流速断保护定值计算中的两个关键参数。鉴于保护动作直至超导电缆切除有一定的时延，为确保安全，优选地t
run
为0.5秒。超导电缆最高允许温度t
max
由绝缘材料可承受的温度、引起超导体的性能发生根本性改变的温度和超导带材发生破坏性损害的温度等因素决定。在大故障电流区间时，由于电缆耐受过电流的时间短，需尽快切除电缆。采取的保护策略是当短路电流达到大故障电流时，无延时保护动作。
[0086]
本发明实施例实现了对超导结构的保护、提高了配电网的安全性和稳定性，并实现了配电网超导电缆保护与检测一体化。具体的，通过对配电网的过电流保护、失超保护、无时限电流速断保护、反时限过电流保护和非电气量定时限保护，实现了配电网超导电缆保护与检测一体化。所有的保护的均通过测量等装置检测到对应的电气量或者非电气量和整定值进行比较才能判断及动作的，体现了保护与检测一体化。本发明实施通过超导磁体失超检测与保护方法能有效保障超导的正常运行，预判和保护超导装置，减少经济损失；通过将超导电缆应用于电网，能增加电网的输送能力以及较少系统损耗，经济效益明显；其次，通过采用过电流等保护方法能保障电网设备的安全运行，减少由于短路电流造成的设备损坏等；通过无时限电流速断保护、反时限过电流保护和非电气量定时限保护，能有效减少电网的设备停电时间，减少用户停电数量，保障用户的电能质量。
[0087]
如图2所示，本发明另一实施例提供了一种应用于配电网的超导电缆保护装置，包括超导电缆数据采集模块101、超导电缆失超分析模块102、超导电缆过电流保护分析模块
103和上层管理模块104；
[0088]
所述超导电缆数据采集模块用于采集超导电缆系统的实时电缆数据；
[0089]
所述超导电缆失超分析模块用于根据所述实时电缆数据对所述超导电缆系统进行失超分析；所述超导电缆系统中的每个电感分成若干段，各段分别并联1个电阻；
[0090]
所述超导电缆过电流保护分析模块用于根据所述实时电缆数据判断所述超导电缆系统的电流所在的电流区间，并根据所述电流区间对所述超导电缆系统进行相应的过电流保护分析；当所述电流区间为正常工作电流区间时，对所述超导电缆系统进行非电气量定时限保护分析；当所述电流区间为小故障电流区间时，对所述超导电缆系统进行反时限过电流保护分析；当所述电流区间为大故障电流区间时，对所述超导电缆系统进行无时限电流速断保护分析；
[0091]
所述上层管理模块用于根据所述超导电缆失超分析模块的失超分析结果和超导电缆过电流保护分析模块的过电流保护分析结果，对所述超导电缆系统执行相应的保护。
[0092]
为描述的方便和简洁，本发明装置项实施例包括上述应用于配电网的超导电缆保护方法实施例中的全部实施方式，此处不再赘述。
[0093]
需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0094]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
[0095]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。