專利名稱：超導(dǎo)故障限流器的失超檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)故障限流器的失超(quench)檢測(cè)系統(tǒng)以及超導(dǎo)故障限流器中的失超檢測(cè)的裝置。
背景技術(shù)：
故障限流器是一種在電分配或者傳輸網(wǎng)絡(luò)尤其是高壓網(wǎng)絡(luò)中將故障電流自動(dòng)地限制為接近額定電流的低電流值的設(shè)備。這種設(shè)備的好處是，它急劇地降低了高壓網(wǎng)絡(luò)的短路功率，從而在不增加短路功率的情況下允許互連網(wǎng)絡(luò)或者降低安全限度，以便與網(wǎng)絡(luò)連接的其它機(jī)器的短路功率可以被設(shè)計(jì)得更低，從而可以制得更輕捷便宜。超導(dǎo)尤其是高溫超導(dǎo)，由于它們的屬性、即當(dāng)超導(dǎo)材料的臨界電流(Ic)、臨界溫度 (Tc)或臨界磁場(chǎng)(He)中的至少一個(gè)超出時(shí)會(huì)失去超導(dǎo)性并且從非阻抗超導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈唠娮杩沟恼顟B(tài)，而良好地適用于故障限流器。從超導(dǎo)狀態(tài)到正常阻抗?fàn)顟B(tài)的這種轉(zhuǎn)變稱作“失超”。在利用額定電流的正常操作中，也就是，在冷卻狀態(tài)下，超導(dǎo)材料處于基本零阻抗的它的超導(dǎo)狀態(tài)，因此在整個(gè)故障限流器上基本沒有電壓——故障限流器對(duì)網(wǎng)絡(luò)來說“不可見”。在短路故障電流的情況下，電流上升到超過超導(dǎo)材料的Ic的額定電流^的幾倍，這使得超導(dǎo)材料轉(zhuǎn)變到正常阻抗?fàn)顟B(tài)，會(huì)產(chǎn)生高壓。也就是，在正常操作中在超導(dǎo)狀態(tài)下，在故障限流器的兩個(gè)末端處基本觀察不到電壓差，而在故障條件下，由于增加的電阻抗，會(huì)測(cè)量到大電壓差。在失超過程中，超導(dǎo)材料必須吸收大量的能量，結(jié)果，導(dǎo)致加熱。為了避免故障限流器的過熱和損壞，流經(jīng)故障限流器的電流必須在有限的時(shí)間段內(nèi)中斷。由于失超過程在僅僅幾十毫秒的非常短的時(shí)間內(nèi)繼續(xù)，因此失超檢測(cè)必須非常快。 從而，提供了用于失超檢測(cè)的裝置，一旦失超，該裝置就向斷路器發(fā)送故障信號(hào)用以切斷電流。在現(xiàn)有技術(shù)中已知各種失超檢測(cè)的方法。例如，EP 0 828 331涉及一種具有串聯(lián)連接的各個(gè)線圈的高溫超導(dǎo)線圈組件。在線圈組件的兩個(gè)末端部分提供了通量回路(flux loop)。在失超的情況下，會(huì)檢測(cè)到通量回路中發(fā)生的不平衡，并且這種不平衡用于打開斷開開關(guān)(off-switch)。美國(guó)專利5，999，383涉及通過測(cè)量限流器兩個(gè)末端處的大約沒有電壓差的超導(dǎo)狀態(tài)以及具有高壓差的阻抗?fàn)顟B(tài)之間的電壓來檢測(cè)失超。為了便于電壓差的檢測(cè)，通過特殊設(shè)計(jì)來補(bǔ)償由感應(yīng)電壓引起的任何“噪聲”。而且，JP 59-15沈04涉及通過測(cè)量電壓差來檢測(cè)失超。如在上面所提到的US 5，999，383中，通過特殊設(shè)計(jì)來消除由感應(yīng)電壓引起的“噪聲”。在JP 2009-206237中使用電壓差來檢測(cè)失超。所測(cè)量的電壓差被傅立葉變換用以確定是否已經(jīng)發(fā)生失超。

發(fā)明內(nèi)容
然而，需要一種能夠以簡(jiǎn)單可靠的方式操作且尤其是具有非常快的響應(yīng)時(shí)間的用于超導(dǎo)故障限流器的失超檢測(cè)系統(tǒng)。這個(gè)問題通過根據(jù)權(quán)利要求5的失超檢測(cè)系統(tǒng)來解決。優(yōu)選實(shí)施例是從屬權(quán)利要求6到10的主題。本發(fā)明提供了一種包括差動(dòng)保護(hù)繼電器的失超檢測(cè)系統(tǒng)。而且，本發(fā)明的失超檢測(cè)系統(tǒng)包括至少與故障限流器的一個(gè)末端連接的變壓器。而且，本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)超導(dǎo)故障限流器的失超的方法，其中比較超導(dǎo)故障限流器的輸入末端處的電壓和輸出末端處的電壓，其中，使用由于所述故障限流器兩端的電壓降在故障事件中產(chǎn)生的電壓差來生成與所述故障限流器兩端的電壓差的幅度成比例的電流，其中，將這個(gè)電流供應(yīng)給差動(dòng)保護(hù)繼電器，所述差動(dòng)保護(hù)繼電器將所述電流與預(yù)定值相比較，并且如果所述電流超過所述預(yù)定值，則操作斷路器的觸發(fā)機(jī)制用以中斷向所述故障限流器的電流供應(yīng)。所述失超檢測(cè)系統(tǒng)利用失超期間在故障限流器的兩個(gè)末端之間生成的電壓差。在正常操作期間，即，在超導(dǎo)狀態(tài)下，限流器的每個(gè)末端處的電壓幾乎相等。在失超情況下，在限流器兩端會(huì)發(fā)生明顯的電壓降，這導(dǎo)致兩個(gè)末端之間的電壓差。根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明的失超檢測(cè)系統(tǒng)利用差動(dòng)保護(hù)繼電器。差動(dòng)保護(hù)繼電器眾所周知并且通?？蓮母鱾€(gè)分發(fā)處商業(yè)上獲得。在電力系統(tǒng)尤其是三相電力傳輸系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)使用差動(dòng)保護(hù)繼電器，以通過將流入裝置的電流與流出所述裝置的電流相比較來檢測(cè)異常的操作條件。在正常操作中，輸入電流等于輸出電流，然而，在故障條件下，會(huì)觀察到差異，這促使差動(dòng)保護(hù)繼電器產(chǎn)生故障信號(hào)促使斷路器打開電路。差動(dòng)保護(hù)繼電器的示例如西門子AG所發(fā)布的那些，例如西門子 7UT6131-5EA0I-IAAO0差動(dòng)保護(hù)繼電器被設(shè)計(jì)用來判讀電流而不是電壓。然而，在故障限流器中，在正常操作中以及在失超事件中，流入故障限流器的電流總是等于流出故障限流器的電流。根據(jù)本失超檢測(cè)系統(tǒng)的原理，故障限流器的兩個(gè)末端處的電壓被變換為與該電壓成比例的電流，并且該電流被饋入到差動(dòng)保護(hù)繼電器。如果故障限流器的兩個(gè)末端的電流信號(hào)的差超過預(yù)定值，則差動(dòng)保護(hù)繼電器向斷路器發(fā)送故障信號(hào)用以切斷電流。因此，本發(fā)明利用用于故障限流器的差動(dòng)保護(hù)繼電器的僅若干毫秒、例如大約15 毫秒的非?？斓捻憫?yīng)時(shí)間。原則上，本發(fā)明不限于特定類型的超導(dǎo)。超導(dǎo)通常分為類低溫超導(dǎo)或高溫超導(dǎo)。高溫超導(dǎo)被定義為具有超過液氮溫度(77° K)的起始(onset)或臨界溫度(Tc)。合適的高溫超導(dǎo)包括但不限于陶瓷氧化物高溫超導(dǎo)(下面稱作“htsc” )，例如鉍基htsc、·乙基htsc、,它基htsc禾口萊基htsc。典型示例包括Bi-Ae-Cu-0y、(Bi, Pb)-Ae-Cu-Oy、Y-Ae-Cu-Oy、(Y, Re)-Ae-Cu-Oy, Tl-Ae-Cu-Oy, (Tl，Pb)-Ae-Cu-Oy和Hg-Ae-Cu-Oy。在上面公式中Ae是指至少一種堿土金屬元素，具體為Ba、Ca和Sr ；Re是指至少一種稀土元素，具體為L(zhǎng)a、Lu、Sc、Ce、Nd和Yb ；以及 y表示適用于特殊htsc的范圍中的相對(duì)氧含量。
特別優(yōu)選的htsc是參考BSCC0-2212、BSCC0-2223公知的那些，其中數(shù)字組合2212 和2223代表具體那些元素Bi、Sr、Ca和Cu的化學(xué)計(jì)量比，其中Bi的部分用1 替代；以及參考TOC0-123and YBC0-211公知的那些，其中數(shù)字組合123和211代表元素Y、Ba和Cu的化學(xué)計(jì)量比。除了上面提到的高溫超導(dǎo)，也可以使用具有77° K以下的Tc的超導(dǎo)，例如Tc為 39° K 的 MgB2。基于超導(dǎo)的故障限流器可以具有各式各樣的不同配置，包括電阻型和電感型限流器。本發(fā)明尤其涉及電阻型限流器。限流器可以由具有圓柱形狀、桿形狀或線圖形狀的大塊材料組成。而且，限流器可以由典型具有相對(duì)高的縱橫比(即，寬大于厚度)的帶組成，所述帶例如通常已知為涂層導(dǎo)體的那些帶，其中一層超導(dǎo)材料沉積到基底，在基底與超導(dǎo)層之間典型地具有至少一個(gè)緩沖層；或者可以具有基本圓直徑的電線組成。由于本失超檢測(cè)系統(tǒng)可被制成使用商業(yè)上可獲得的差動(dòng)保護(hù)繼電器，可以形成簡(jiǎn)單但仍然有效的用于失超檢測(cè)的系統(tǒng)。具體地，差動(dòng)保護(hù)繼電器允許非?？焖偌丛跀?shù)秒內(nèi)且靈敏的失超檢測(cè)和信號(hào)傳輸。


下面，參考示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例的附圖來進(jìn)一步圖示本發(fā)明的失超檢測(cè)系統(tǒng)。圖中示出了
圖1是第一實(shí)施例的示意電路圖；圖2是具有本發(fā)明的失超檢測(cè)系統(tǒng)的故障限流器的第二實(shí)施例；圖3是故障限流器的第三實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式為了簡(jiǎn)潔，附圖中的示意圖遵循示出“一條線圖形”的典型電力系統(tǒng)實(shí)踐。這允許例如典型用于交流電(AC)的三相系統(tǒng)的多相系統(tǒng)被呈現(xiàn)為單相圖形。圖1中示出了本失超檢測(cè)系統(tǒng)的第一實(shí)施例的電結(jié)構(gòu)。圖中所示的限流器1具有電流輸入末端(左側(cè))和電流輸出末端(右側(cè))。故障限流器1的輸入末端電連接到第一電流測(cè)量電路10，以及故障限流器1的輸出末端電連接到第二電流測(cè)量電路20。在該實(shí)施例中，每個(gè)電流測(cè)量電路10、20包括變壓器11、21和電阻器11、22，并且連接到差動(dòng)保護(hù)繼電器13 (用線圈符號(hào)表示)。變壓器11、21、電阻器12、22以及差動(dòng)保護(hù)繼電器13、32以如所參照的連續(xù)順序串聯(lián)電連接。變壓器11、21電連接到故障限流器1的一個(gè)末端并且接地。根據(jù)該實(shí)施例，故障限流器1的兩個(gè)末端處的電壓通過變壓器11、21被測(cè)量為地電勢(shì)。在附圖中，變壓器11、21的初級(jí)側(cè)通過大寫字母表示，次級(jí)側(cè)通過小寫字母表示， 其中N、η =接地，A、a =相位。通過變壓器，電壓被轉(zhuǎn)換為較低電平。而且，在電流測(cè)量電路中產(chǎn)生電流。由于初
6級(jí)側(cè)處的電壓和次級(jí)側(cè)處的電壓彼此成比例，因此電流對(duì)應(yīng)于出現(xiàn)在故障限流器1的各個(gè)末端處的電壓。第一和第二電流測(cè)量電路的每個(gè)電流被饋送到差動(dòng)保護(hù)繼電器13的輸入端。在該實(shí)施例中，優(yōu)選地，可以使用具有至少兩個(gè)輸入端的差動(dòng)保護(hù)繼電器，對(duì)于每個(gè)電流具有一個(gè)輸入端。通過差動(dòng)保護(hù)繼電器，計(jì)算電流差并且將該電流差與預(yù)定值相比較。在正常操作中，因?yàn)橄蘖髌?處于它的超導(dǎo)狀態(tài)，因此在限流器1兩端幾乎沒有電壓降。從而，在兩個(gè)變壓器11、21處觀察到相等的電壓，例如大約100/ 3伏。在正常操作中，電流差大約為0，I11-I21 ^ 0，其中I11是變壓器11的電流信號(hào)，I21 是變壓器21的電流信號(hào)。在故障事件中，由于限流器1的輸出末端處的電壓小于輸入末端處的電壓，在限流器1兩端產(chǎn)生電壓降。結(jié)果，通過差動(dòng)保護(hù)繼電器觀察到電流差。如果觀察到的電流差的值超過預(yù)定值，則差動(dòng)保護(hù)繼電器將觸發(fā)信號(hào)發(fā)送到斷路器2，并且中斷電流?？梢栽谧儔浩?1、21與連線13、23之間提供電阻器12、22，所述連線13、23可用于將電流降低到可被所使用的差動(dòng)保護(hù)繼電器處理的級(jí)別。為了維持電流與故障限流器的各個(gè)末端處電壓的比例，針對(duì)兩個(gè)電阻器12、22，電流所降低的比率是相同的。優(yōu)選地，使用可調(diào)電阻器，其中可以根據(jù)需要來調(diào)節(jié)降低比率。為了本發(fā)明的意圖，對(duì)變壓器11、21和電阻器12、22并沒有特別限制。原則上，可以分別使用任何商業(yè)上可獲得的變壓器和電阻器。如上所闡述的，變壓器和電阻器用于將在故障情況下產(chǎn)生的電壓差轉(zhuǎn)換為足夠低以在所使用的差動(dòng)保護(hù)繼電器中處理的電流信號(hào)。當(dāng)然，在如圖1中所示的實(shí)施例中，由于兩個(gè)獨(dú)立的電流測(cè)量電路10、20，在每個(gè)電流測(cè)量電路中使用的變壓器和電阻器必須彼此對(duì)應(yīng)，以便允許可靠比較饋入到差動(dòng)保護(hù)繼電器的電流。參考圖2，示出了本發(fā)明的失超檢測(cè)系統(tǒng)的再一個(gè)實(shí)施例的電結(jié)構(gòu)。不同于圖1中示出的實(shí)施例，圖2的實(shí)施例僅由一個(gè)電流測(cè)量電路組成，并且僅需要一個(gè)輸入端的差動(dòng)保護(hù)繼電器。如圖2中所示，限流器1的每個(gè)末端連接到變壓器11、21。兩個(gè)變壓器11、21經(jīng)由線路3彼此相互電連接，從而形成電流測(cè)量電路。而且，在變壓器11和變壓器21之間的線路3中提供差動(dòng)保護(hù)繼電器13 (用線圈符號(hào)表示)。在正常操作中，在限流器1的兩個(gè)末端處由于大約相等的電壓電平，在變壓器11 和21之間不會(huì)產(chǎn)生電流。在故障情況下，當(dāng)在限流器1的輸出末端處由于較低的電壓電平而產(chǎn)生電壓降時(shí)，電流從具有更高電壓電平的末端流動(dòng)到具有較低電壓電平的末端。電流的幅度對(duì)應(yīng)于電壓差并且可被用來確定是否通過差動(dòng)保護(hù)繼電器中斷到限流器1的電流。由于在本實(shí)施例中僅必須監(jiān)控一個(gè)電流信號(hào)，因此具有一個(gè)輸入端的差動(dòng)保護(hù)繼電器就足夠了。在變壓器11的下游，可以放置電阻器12用于將電流的幅度降低到可用于差動(dòng)保護(hù)繼電器的級(jí)別。圖3圖示了第三實(shí)施例。在該實(shí)施例中，電容器30經(jīng)由線路31與故障限流器1并聯(lián)電連接，從而形成電流測(cè)量電路。線路31的每個(gè)末端連接到故障限流器1的一個(gè)末端。 該實(shí)施例的電流測(cè)量電路連接到由線圈符號(hào)表示的差動(dòng)保護(hù)繼電器32，該差動(dòng)保護(hù)繼電器 32置于故障限流器1的輸入末端與電容器30之間的線路31中。斷路器2被提供在故障限流器1的輸入末端的上游。在失超情況下，由于故障限流器1兩端的電壓降，充電電流流過電容器30。因?yàn)槌潆婋娏鞯姆葘?duì)應(yīng)于該電壓降，因此如果充電電流超過預(yù)定電流電平，則可以通過差動(dòng)保護(hù)繼電器32使用充電電流來確定是否觸發(fā)斷路器2。該實(shí)施例的好處在于，在正常操作中，電容器30的電容可以用來補(bǔ)償故障限流器 1的感應(yīng)損失。對(duì)于該實(shí)施例，可以使用傳統(tǒng)的高壓電容器。在附圖中示出了針對(duì)一個(gè)相位的本失超檢測(cè)系統(tǒng)的配置。然而，本發(fā)明的失超檢測(cè)系統(tǒng)可容易地適用于以多于1相位的電流(例如具有典型三相位的交流電(AC))操作的電流系統(tǒng)。在這種情況下，對(duì)于每個(gè)相位提供了本發(fā)明的失超檢測(cè)系統(tǒng)。使用差動(dòng)保護(hù)繼電器的本發(fā)明的失超檢測(cè)系統(tǒng)提供了一種如果超過預(yù)定電流值則非常快捷且靈敏地檢測(cè)失超并且中斷電流的簡(jiǎn)單方法。在檢測(cè)到這種條件時(shí)，保護(hù)繼電器操作斷路器的觸發(fā)機(jī)制，從而打開電路以保護(hù)故障限流器下游的電組件。
8
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)超導(dǎo)故障限流器的失超的方法，其中，比較超導(dǎo)故障限流器(1)的輸入末端處的電壓和輸出末端處的電壓， 其中，使用由于所述故障限流器(1)兩端的電壓降在故障事件中產(chǎn)生的電壓差來生成與所述故障限流器(1)兩個(gè)末端兩端的電壓差的幅度成比例的電流，其中，通過差動(dòng)保護(hù)繼電器來監(jiān)控所述電流，所述差動(dòng)保護(hù)繼電器將所述電流與預(yù)定值相比較，并且如果所述電流超過所述預(yù)定值，則操作斷路器O)的觸發(fā)機(jī)制用以中斷向所述故障限流器(1)的電流供應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，與所述故障限流器(1)的輸入末端處的電壓成比例的第一電流以及與所述故障限流器(1)的輸出末端處的電壓成比例的第二電流被提供給所述差動(dòng)保護(hù)繼電器，所述差動(dòng)保護(hù)繼電器計(jì)算所述電流差，并且如果所述電流差超過所述預(yù)定值，則操作所述斷路器 ⑵的觸發(fā)機(jī)制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，供應(yīng)給所述差動(dòng)保護(hù)繼電器的電流與所述故障限流器(1)的兩個(gè)末端處的電壓的電壓差成比例。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，供應(yīng)給所述差動(dòng)保護(hù)繼電器的電流是流經(jīng)與所述故障限流器(1)并聯(lián)電連接的電容器(30)的充電電流。
5.一種用于檢測(cè)超導(dǎo)故障限流器(1)的失超的失超檢測(cè)系統(tǒng)，其中，所述故障限流器(1)的每個(gè)末端連接到電流測(cè)量電路(10，20)，所述電流測(cè)量電路(10,20)連接到差動(dòng)保護(hù)繼電器(13，32)，其中，在所述電流測(cè)量電路(10，20)內(nèi)，生成或者與所述故障限流器(1)兩端的電壓或者與所述故障限流器(1)的一個(gè)末端處的電壓成比例的電流，其中，每個(gè)電流測(cè)量電路(10，20)的電流被饋送到所述差動(dòng)保護(hù)繼電器(13，32)用以將所述電流與預(yù)定電流值相比較，和其中，在所述電流超過所述預(yù)定電流值的情況下，所述差動(dòng)保護(hù)繼電器(13,3 操作斷路器O)的觸發(fā)機(jī)制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的失超檢測(cè)系統(tǒng)，其中，所述故障限流器(1)的輸入末端連接到第一電流測(cè)量電路(10)的變壓器(11)， 并且所述故障限流器⑴的輸出末端連接到第二電流測(cè)量電路00)的變壓器，用以測(cè)量所述故障限流器(1)的每個(gè)末端處到地的電壓，并且生成與所述故障限流器(1)的各個(gè)末端處的電壓成比例的電流，其中，每個(gè)電流測(cè)量電路(10，20)連接到在所述電流測(cè)量電路(10，20)內(nèi)位于所述變壓器(11，21)的下游的差動(dòng)保護(hù)繼電器(13，32)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的失超檢測(cè)系統(tǒng)，其中，所述故障限流器(1)的每個(gè)末端連接到變壓器(11，21)，所述變壓器(11，21)經(jīng)由線路⑶彼此電連接，以及其中，差動(dòng)保護(hù)繼電器(13)在線路(3)中介于變壓器(11，21)之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的失超檢測(cè)系統(tǒng)，其中，在每個(gè)所述電流測(cè)量電路(10，20)中，電阻器(12,2 被提供在所述變壓器(11， 21)與相應(yīng)差動(dòng)保護(hù)繼電器(13)之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的失超檢測(cè)系統(tǒng)，其中，電阻器(1 被提供在變壓器(11)與所述差動(dòng)保護(hù)繼電器(1 之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求5的失超檢測(cè)系統(tǒng)，其中，電容器(30)經(jīng)由線路(31)與所述故障限流器(1)并聯(lián)電連接，知其中，所述電容器(30)連接到位于所述電容器(30)與所述故障限流器(1)的輸入末端之間線路(31)中的差動(dòng)保護(hù)繼電器(32)。
11.一種在失超檢測(cè)系統(tǒng)中使用差動(dòng)保護(hù)繼電器(13，32)用以檢測(cè)超導(dǎo)故障限流器 (1)的失超和操作斷路器O)的觸發(fā)機(jī)制。
全文摘要
本發(fā)明涉及故障限流器(1)尤其是高溫超導(dǎo)故障限流器的失超檢測(cè)系統(tǒng)，該失超檢測(cè)系統(tǒng)利用差動(dòng)保護(hù)繼電器，其中，在故障事件中，所述差動(dòng)保護(hù)繼電器操作斷路器(2)的觸發(fā)機(jī)制，從而打開電路并且中斷對(duì)下游組件的供電，并且本發(fā)明涉及失超檢測(cè)方法，其中失超期間的電壓降的幅度被轉(zhuǎn)換為與該電壓成比例的電流信號(hào)并且通過所述差動(dòng)保護(hù)繼電器來監(jiān)控。
文檔編號(hào)G01R33/12GK102420415SQ20111024233
公開日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月23日
發(fā)明者R.多莫奎 申請(qǐng)人:尼克桑斯公司