專利名稱：一種超導(dǎo)電纜保護方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超導(dǎo)電纜保護方法，尤其適用于短路情況下的超導(dǎo)電纜失超保護。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)電纜失超后將從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)到正常態(tài)，將對超導(dǎo)電纜本體產(chǎn)生不利影響。超導(dǎo)電纜的失超檢測和保護是超導(dǎo)電纜實用化過程中需要重點解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。目前有關(guān)超導(dǎo)電纜失超的檢測主要基于非電氣量，包括溫度、壓力、流速、以及超聲波檢測等(見喻小艷，李敬東，唐躍進.超導(dǎo)電力裝置失超檢測的基礎(chǔ)研究.中國工程科學(xué)，2003年，第5卷，第10期，73頁，77頁)。非電氣量檢測方法所需傳感器數(shù)目較多，并難以及時反映電網(wǎng)中由短路電流引起的超導(dǎo)電纜突發(fā)性失超，如果失超持續(xù)時間過長，將嚴重危及超導(dǎo)電纜的安全運行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，提供一種新的超導(dǎo)電纜保護方法。該方法可以克服單純非電氣量檢測方法對短路電流反應(yīng)慢的缺點，提高檢測的可靠性和準確性，為超導(dǎo)電纜的安全運行提供一種可靠保證。
本發(fā)明提供的一種超導(dǎo)電纜保護方法，包括如下步驟(1)設(shè)置整定值，包括溫升越域整定值ΔTset，流量偏低整定值Lset，入口溫度越域整定值Tset，壓力差越域整定值ΔPset，定時限保護延時定值tset，電流下限整定值Ilow，極限電流整定值Iset，熱累積量整定值θset，熱累積延時計數(shù)器定值Tdelay；(2)采集超導(dǎo)電纜三相電流并計算其真有效值Ia、Ib、Ic；采集出入口溫度、液氮流量、液氮壓力、進出口壓力的瞬時值，并計算獲得下述平均值三相電纜的入口溫度Taln、Tbln、Tcln，三相電纜的出口溫度TaOut、TbOut、TcOut，三相電纜的液氮流量La、Lb、Lc，三相液氮壓力Pa、Pb、Pc；再計算得到三相電纜的溫升計算值ΔTa、ΔTb、ΔTc，超導(dǎo)電纜進、出口壓力差計算值ΔP，三相超導(dǎo)電纜熱累積量Qa、Qb、Qc；(3)對各變量值進行判斷，并確定保護方式(3.1)超導(dǎo)電纜溫度、壓力、流量信號檢測(A)判斷下式(a1)-(a4)是否滿足，如果其中有任一條件滿足，則立刻跳閘進行保護，再轉(zhuǎn)到步驟(2)；否則，繼續(xù)執(zhí)行下述步驟；(ΔTa≥ΔTset)∪(ΔTb≥ΔTset)∪(ΔTc≥ΔTset) (a1)；(Taln≥Tset)∪(Tblm≥Tset)∪(Tcln≥Tset) (a2)(La≥Lset)∪(Lb-≥Lset)∪(Lc≥Lset) (a3)(ΔP≥ΔPset)(a4)(B)判斷下式(b1)-(b4)是否滿足，如果其中有任一條件滿足，則立刻跳閘進行保護，再轉(zhuǎn)到步驟(2)；否則，繼續(xù)執(zhí)行下述步驟；((Taln≥TDset)∪(Tbln≥TDset)∪(Tcln≥TDset))∩(t≥tset) (b1)((ΔTa≥ΔTDset)∪(ΔTb≥ΔTDset)∪(ΔTc≥ΔTDset))∩(t≥tset)(b2)((La≥LDset)∪(Lb≥LDset)∪(Lc≥LDset))∩(t≥tset)(b3)((ΔP≥ΔPDset))∩(t≥tset) (b4)(3.2)當超導(dǎo)電纜三相電流滿足(Ia＜Ilow)∪(Ib＜Ilow)∪(Ic＜Ilow)時，根據(jù)(A)和(B)進行判斷和處理，啟動熱累積返回延時計數(shù)器；若熱累積返回延時計數(shù)器值達到熱累積返回延時計數(shù)器定值Tdelay，將熱累積量Qa、Qb、Qc計算結(jié)果和熱累積延時計數(shù)器清零；(3.3)當(Ilow≤Ia＜Iset)∪(Ilow≤Ib＜Iset)∪(Ilow≤-Ic＜Iset)時，根據(jù)公式Q=∫time0time1i2(t)dt]]>計算超導(dǎo)電纜內(nèi)部的熱積累，進行檢測判斷若(Qa≥θset)∪(Qb≥θset)∪(Qc≥θset)，保護動作跳閘，轉(zhuǎn)回步驟(2)；若熱積累Q沒有達到預(yù)設(shè)的熱累積量整定值θset，繼續(xù)累積，執(zhí)行下述步驟；(3.4)當滿足(Ia≥Iset)∪(Ib≥Iset)∪(Ic≥Iset)時，保護無延時動作跳閘；否則，繼續(xù)執(zhí)行下述步驟；(4)轉(zhuǎn)到步驟(2)，直至任務(wù)完成。
本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)根據(jù)超導(dǎo)電纜電流大小采用不同的保護策略，綜合利用了電氣量(即超導(dǎo)電纜三相電流)和非電氣量在失超檢測中的各自優(yōu)勢，可有效克服單純基于非電氣量的失超檢測方法響應(yīng)速度慢、難以對由于短路電流引發(fā)的失超故障進行有效保護的缺陷。
(2)根據(jù)短路電流大小采用不同的保護策略，可在嚴重故障時，快速切除超導(dǎo)電纜，保證超導(dǎo)電纜安全。而在小故障電流情況下，可在確保超導(dǎo)電纜運行安全的前提下，避免超導(dǎo)電纜不必要的頻繁切除，提高其供電可靠性。
(3)采用超導(dǎo)電流進行失超檢測，響應(yīng)速度快，可靠性高，實用性強。
(4)所提出的失超檢測方案主要利用超導(dǎo)電纜的端口特性進行，可簡化傳感器的個數(shù)，安裝方便，漏熱小，便于工程應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明采用的分層保護方法的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明根據(jù)超導(dǎo)電纜電流的大小采用三層不同的保護策略，即當電纜電流小于失超電流時，主要利用超導(dǎo)電纜溫度、壓力、流量信號實現(xiàn)保護；當電流大于失超電流而小于極限電流時，根據(jù)超導(dǎo)電纜內(nèi)部的熱積累來實現(xiàn)反時限過量保護；當電纜電流大于極限電流時，保護無延時跳閘。
本發(fā)明涉及到兩個關(guān)鍵的整定值計算極限電流整定值Iset和熱累積量整定值θset。根據(jù)超導(dǎo)電纜的具體結(jié)構(gòu)和冷卻條件可以有不同的計算和設(shè)置方法。下述舉一例予以說明。
(1)極限電流整定值Iset計算由于無時限保護動作速度快，故其動作定值“極限電流整定值”按絕熱、均流確定。以絕緣材料可承受的溫度、引起超導(dǎo)體的性能發(fā)生根本性改變的溫度、超導(dǎo)帶材發(fā)生破壞性損害的溫度中最小的溫度為確定極限電流值時超導(dǎo)導(dǎo)體允許承受的最高溫度。
計算中所依據(jù)的熱平衡過程是，電纜失超后主要由銀基分流，銀基的發(fā)熱是熱源，銀基和超導(dǎo)體共同作為吸熱體。對應(yīng)的微分公式如下θt=ρAg(θ)i2(t)AAgdAgAAgCAg(θ)+dhtsAhtsChts(θ).]]>式中ρAg是銀的電阻率，dAg是銀的密度，AAg是銀基的截面積，CAg是銀的比熱，dhts是超導(dǎo)線材的密度，Ahts是超導(dǎo)線材的截面積，Chts是超導(dǎo)線材的比熱，i是電纜電流。采用改進歐拉法解這個微分方程，可以得到θ-i的關(guān)系曲線，取θ為超導(dǎo)電纜允許的最高溫度(由超導(dǎo)電纜本體的設(shè)計參數(shù)決定)，就得到極限電流整定值Iset。
(2)熱累積量整定值θset計算計算模型與極限電流整定值計算所采用的模型相同，熱累積量整定值的計算公式如下θset=∫T0T0+ΔT(dAgAAgCAg(θ)+dhtsAhtsChts(θ))·AAgρAg·dθ.]]>式中ρAg是銀的電阻率，dAg是銀的密度，AAg是銀基的截面積，CAg是銀的比熱，dhts是超導(dǎo)線材的密度，Ahts是超導(dǎo)線材的截面積，Chts是超導(dǎo)線材的比熱，T0是超導(dǎo)電纜的初始溫度(取電纜正常穩(wěn)定運行溫度，如73K)，ΔT是超導(dǎo)電纜的最大允許溫升(由超導(dǎo)電纜本體的設(shè)計參數(shù)決定)。
本發(fā)明需先設(shè)置整定值，包括溫升越域整定值ΔTset，流量偏低整定值Lset，入口溫度越域整定值Tset，壓力差越域整定值ΔPset，定時限保護延時定值tset，電流下限整定值Ilow，極限電流整定值Iset，熱累積量整定值θset，熱累積延時計數(shù)器定值Tdelay。
本發(fā)明需采集超導(dǎo)電纜三相電流并計算其真有效值Ia、Ib、Ic。還需采集出入口溫度、液氮流量、液氮壓力、進出口壓力的瞬時值，并計算獲得下述平均值三相電纜的入口溫度Taln、Tbln、Tcln，三相電纜的出口溫度TaOut、TbOut、TcOut，三相電纜的液氮流量La、Lb、Lc，三相液氮壓力Pa、Pb、Pc。根據(jù)上述平均值計算得到三相電纜的溫升計算值ΔTa、ΔTb、ΔTc，超導(dǎo)電纜進、出口壓力差計算值ΔP，三相超導(dǎo)電纜熱累積量Qa、Qb、Qc。
上述需要采集的變量值均可以采用獲得，所需要設(shè)置的整定值。
本發(fā)明根據(jù)超導(dǎo)電纜電流大小，將保護方法分為如圖1所示的三層。
一、第I層次該層次的保護對應(yīng)電纜的自故障保護，包括高交流損耗以及冷卻系統(tǒng)故障等。當超導(dǎo)電纜電流i小于電流下限整定值Ilow即i＜Ilow(其中i為電纜電流，Ilow為電流的下限整定值，這里取值為超導(dǎo)電纜的臨界電流)時，進行第I層次保護。如果之前在處理超導(dǎo)電纜熱累積量計算，停止計算，并啟動相關(guān)返回延時計數(shù)器；若延時時間到，將熱累積量計算結(jié)果和熱累積延時返回計數(shù)器清零。
該層保護主要通過監(jiān)測電纜兩端的溫升、入口溫度、流量、壓力差的變化來進行保護，包括各種非電氣量速斷保護和定時限保護，具體判據(jù)如下(一)速斷保護(1)溫升越域速斷保護動作判據(jù)為(ΔTa≥ΔTset)∪(ΔTb≥ΔTset)∪(ΔTc≥ΔTset)，其中ΔTa、ΔTb、ΔTc分別為三相電纜溫升計算值，ΔTset為溫升越域整定值。
(2)入口溫度越域速斷保護動作判據(jù)為(Ta≥Tset)∪(Tb≥Tset)∪(Tc≥Tset)，其中Ta、Tb、Tc分別為三相電纜入口溫度測量值，Tset為溫度越域整定值。
(3)流量偏低速斷保護動作判據(jù)為(La≥Lset)∪(Lb≥Lset)∪(Lc≥Lset)，其中La、Lb、Lc分別為三相電纜流量測量值，Lset為流量偏低整定值。
(4)壓力差越域速斷保護動作判據(jù)為(ΔP≥ΔPset)，其中ΔP為超導(dǎo)電纜進、出口壓力差計算值，ΔPset為壓力差越域整定值。
如果上述條件之一滿足，則立刻跳閘進行保護；若上述條件都不滿足，進行以下定時限保護判斷。
(二)定時限保護(1)入口溫度越域定時限保護動作判據(jù)為((Ta≥TDset)∪(Tb≥TDset)∪(Tc≥TDset))∩(t≥tset)，其中Ta、Tb、Tc分別為三相電纜入口溫度測量值，TDset為定時限保護溫度越域定值，tset為定時限保護延時定值。
(2)溫升越域定時限保護動作判據(jù)為((ΔTa≥ΔTDset)∪(ΔTb≥ΔTDset)∪(ΔTc≥ΔTDset))∩(t≥tset)，其中ΔTa、ΔTb、ΔTc分別為三相電纜溫升計算值，ΔTDset為定時限保護溫升越域定值，tset為保護延時定值。
(3)流量偏低定時限保護的動作判據(jù)為((La≥LDset)∪(Lb≥LDset)∪(Lc≥LDset))∩(t≥tset)，其中La、Lb、Lc分別為三相電纜流量測量值，LDset為定時限保護流量偏低定值，tset為保護延時定值。
(4)壓差越域定時限保護的動作判據(jù)為((ΔP≥ΔPDset))∩(t≥tset)，其中ΔP為超導(dǎo)電纜進、出口壓力差計算值，ΔPDset為定時限保護壓力差越域定值，tset為保護延時定值。
若上述條件之一滿足，跳閘進行保護；若否，繼續(xù)執(zhí)行下述步驟。
速斷保護和定時限保護在裝置里一般需同時投入，速斷保護的整定值必須大于相應(yīng)定時限保護的整定值以保證這兩種保護的選擇性。這是因為，當非電氣量信號偏離正常值較小時允許超導(dǎo)電纜繼續(xù)運行一段時間tset，不用馬上切除電纜，所以此時是靠定時限保護保護電纜；而非電氣量信號偏離正常值較大時，會嚴重影響超導(dǎo)電纜安全，所以必須靠速斷保護立刻切除電纜。
二、第II層次第II層次保護對應(yīng)的是電纜電流在最小失超電流和較大故障電流之間的保護，即Ilow≤i＜Iset時的保護。其基本判據(jù)為(Q≥Qset)，其中Q為超導(dǎo)電纜熱累積量計算值，Qset為熱累積量整定值。該層保護跳閘時間具有反時限特性，即發(fā)熱越嚴重，跳閘時間越短。
當電纜電流超過電流的下限整定值而小于極限電流整定值時(即Ilow≤i＜Iset)，由實時采樣數(shù)據(jù)得到電纜電流的均方根值，根據(jù)公式Q=∫time0time1i2(t)dt]]>計算超導(dǎo)電纜內(nèi)部的熱積累來進行檢測判斷。time0一般取值為電纜電流大于下限整定值的起始時刻，time1取值為當前時刻。
若計算所得的熱積累Q達到預(yù)設(shè)的熱累積量整定值θset時，保護動作跳閘；若熱積累Q沒有達到預(yù)設(shè)的熱累積量整定值θset，繼續(xù)累積，繼續(xù)執(zhí)行下述步驟。
三、第III層次第III層次的保護對應(yīng)嚴重短路故障情況，此時由于短路電流大，電纜耐受過電流的時間短，需盡快切除電纜。采取的保護策略是，當任一相超導(dǎo)電纜電流超過極限電流整定值Iset時(即i≥Iset)，保護無延時動作跳閘。動作判據(jù)為(Ia≥Iset)∪(Ib≥Iset)∪(Ic≥Iset)。其中Ia、Ib、Ic分別為超導(dǎo)電纜三相電流，Iset為極限電流整定值。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)電纜保護方法，包括如下步驟(1)設(shè)置整定值，包括溫升越域整定值ΔTset，流量偏低整定值Lset，入口溫度越域整定值Tset，壓力差越域整定值ΔPset，定時限保護延時定值tset，電流下限整定值Ilow，極限電流整定值Iset，熱累積量整定值θset；(2)采集超導(dǎo)電纜三相電流并計算其真有效值Ia、Ib、Ic；采集出入口溫度、液氮流量、液氮壓力、進出口壓力的瞬時值，并計算獲得下述平均值三相電纜的入口溫度TaIn、TbIn、TcIn，三相電纜的出口溫度TaOut、TbOut、TcOut，三相電纜的液氮流量La、Lb、Lc，三相液氮壓力Pa、Pb、Pc；再計算得到三相電纜的溫升計算值ΔTa、ΔTb、ΔTc，超導(dǎo)電纜進、出口壓力差計算值ΔP，三相超導(dǎo)電纜熱累積量Qa、Qb、Qc；(3)對各變量值進行判斷，并確定保護方式(3.1)超導(dǎo)電纜溫度、壓力和流量信號檢測(A)判斷下式(a1)-(a4)是否滿足，如果其中有任一條件滿足，則立刻跳閘進行保護，轉(zhuǎn)到步驟(2)；否則，繼續(xù)執(zhí)行下述步驟；(ΔTa≥ΔTset)∪(ΔTb≥ΔTset)∪(ΔTc≥ΔTset)(a1)；(TaIn≥Tset)∪(TbIn≥Tset)∪(TcIn≥Tset)(a2)(La≥Lset)∪(Lb≥Lset)∪(Lc≥Lset)(a3)(ΔP≥ΔPset) (a4)(B)判斷下式(b1)-(b4)是否滿足，如果其中有任一條件滿足，則立刻跳閘進行保護；轉(zhuǎn)到步驟(2)；否則，繼續(xù)執(zhí)行下述步驟；((TaIn≥TDset)∪(TbIn≥TDset)∪(TcIn≥TDset))∩(t≥tset)(b1)((ΔTa≥ΔTDset)∪(ΔTb≥ΔTDset)∪(ΔTc≥ΔTDset))∩(t≥tset)(b2)((La≥LDset)∪(Lb≥LDset)∪(Lc≥LDset))∩(t≥tset)(b3)((ΔP≥ΔPDset))∩(t≥tset)(b4)(3.2)當超導(dǎo)電纜三相電流滿足(Ia＜Ilow)∪(Ib＜Ilow)∪(Ic＜Ilow)時，根據(jù)(A)和(B)進行判斷和處理；啟動延時計數(shù)器，若延時時間到，將熱累積量Qa、Qb、Qc計算結(jié)果和熱累積延時時間計數(shù)器清零；(3.3)當(Ilow≤Ia＜Iset)∪(Ilow≤Ib＜Iset)∪(Ilow≤Ic＜Iset)時，根據(jù)公式Q=∫time0time1i2(t)dt]]>計算超導(dǎo)電纜內(nèi)部的熱積累，進行檢測判斷若(Qa≥θset)∪(Qb≥θset)∪(Qc≥θset)，保護動作跳閘，轉(zhuǎn)回步驟(2)；若熱積累Q沒有達到預(yù)設(shè)的熱累積量整定值θset，繼續(xù)累積，執(zhí)行下述步驟；(3.4)當滿足(Ia≥Iset)∪(Ib≥Iset)∪(Ic≥Iset)時，保護無延時動作跳閘；否則，繼續(xù)執(zhí)行下述步驟；(4)轉(zhuǎn)到步驟(2)，直至任務(wù)完成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超導(dǎo)電纜保護方法，該方法根據(jù)電纜電流的大小采用三層不同的保護策略。當電纜電流小于最小失超電流時，主要通過監(jiān)測電纜兩端的溫升、流量和壓力差的變化進行保護；當電纜電流在最小失超電流和極限故障電流之間時，實時計算超導(dǎo)電纜內(nèi)部的熱積累來實現(xiàn)反時限保護；當電纜電流大于極限電流時，保護無延時跳閘。本發(fā)明可有效克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。對于嚴重短路故障，可實現(xiàn)超導(dǎo)電纜的快速切除；在小故障電流情況下，可在確保運行安全的前提下避免不必要的頻繁切除，提高其供電可靠性。此外，本發(fā)明檢測速度快，可靠性高，主要利用超導(dǎo)電纜的端口特性進行，可簡化傳感器的個數(shù)，漏熱小，便于工程應(yīng)用。
文檔編號H02H5/04GK1614841SQ20041006119
公開日2005年5月11日 申請日期2004年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月26日
發(fā)明者張哲 , 唐躍進, 曹昆南, 李敬東, 尹項根, 楊軍, 任安林, 張勇剛 申請人:北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司, 華中科技大學(xué)