超导故障限流器的失超检测系统 技术领域 本发明涉及一种超导故障限流器的失超 (quench) 检测系统以及超导故障限流器 中的失超检测的装置。
背景技术 故障限流器是一种在电分配或者传输网络尤其是高压网络中将故障电流自动地 限制为接近额定电流的低电流值的设备。这种设备的好处是， 它急剧地降低了高压网络的 短路功率， 从而在不增加短路功率的情况下允许互连网络或者降低安全限度， 以便与网络 连接的其它机器的短路功率可以被设计得更低， 从而可以制得更轻捷便宜。
超导尤其是高温超导， 由于它们的属性、 即当超导材料的临界电流 (Ic)、 临界温度 (Tc) 或临界磁场 (Hc) 中的至少一个超出时会失去超导性并且从非阻抗超导状态转变为具 有高电阻抗的正常状态， 而良好地适用于故障限流器。从超导状态到正常阻抗状态的这种 转变称作 “失超” 。
在利用额定电流 In 的正常操作中， 也就是， 在冷却状态下， 超导材料处于基本零 阻抗的它的超导状态， 因此在整个故障限流器上基本没有电压 —— 故障限流器对网络来 说 “不可见” 。在短路故障电流的情况下， 电流上升到超过超导材料的 Ic 的额定电流 In 的 几倍， 这使得超导材料转变到正常阻抗状态， 会产生高压。也就是， 在正常操作中在超导状 态下， 在故障限流器的两个末端处基本观察不到电压差， 而在故障条件下， 由于增加的电阻 抗， 会测量到大电压差。
在失超过程中， 超导材料必须吸收大量的能量， 结果， 导致加热。
为了避免故障限流器的过热和损坏， 流经故障限流器的电流必须在有限的时间段 内中断。 由于失超过程在仅仅几十毫秒的非常短的时间内继续， 因此失超检测必须非常快。 从而， 提供了用于失超检测的装置， 一旦失超， 该装置就向断路器发送故障信号用以切断电 流。
在现有技术中已知各种失超检测的方法。
例如， EP 0 828 331 涉及一种具有串联连接的各个线圈的高温超导线圈组件。在 线圈组件的两个末端部分提供了通量回路 (flux loop)。 在失超的情况下， 会检测到通量回 路中发生的不平衡， 并且这种不平衡用于打开断开开关 (off-switch)。
美国专利 5,999,383 涉及通过测量限流器两个末端处的大约没有电压差的超导 状态以及具有高压差的阻抗状态之间的电压来检测失超。为了便于电压差的检测， 通过特 殊设计来补偿由感应电压引起的任何 “噪声” 。
而且， JP 59-152604 涉及通过测量电压差来检测失超。如在上面所提到的 US 5,999,383 中， 通过特殊设计来消除由感应电压引起的 “噪声” 。
在 JP 2009-206237 中使用电压差来检测失超。所测量的电压差被傅立叶变换用 以确定是否已经发生失超。
发明内容 然而， 需要一种能够以简单可靠的方式操作且尤其是具有非常快的响应时间的用 于超导故障限流器的失超检测系统。
这个问题通过根据权利要求 5 的失超检测系统来解决。优选实施例是从属权利要 求 6 到 10 的主题。
本发明提供了一种包括差动保护继电器的失超检测系统。而且， 本发明的失超检 测系统包括至少与故障限流器的一个末端连接的变压器。
而且， 本发明涉及一种用于检测超导故障限流器的失超的方法， 其中比较超导故 障限流器的输入末端处的电压和输出末端处的电压， 其中， 使用由于所述故障限流器两端 的电压降在故障事件中产生的电压差来生成与所述故障限流器两端的电压差的幅度成比 例的电流， 其中， 将这个电流供应给差动保护继电器， 所述差动保护继电器将所述电流与预 定值相比较， 并且如果所述电流超过所述预定值， 则操作断路器的触发机制用以中断向所 述故障限流器的电流供应。
所述失超检测系统利用失超期间在故障限流器的两个末端之间生成的电压差。 在 正常操作期间， 即， 在超导状态下， 限流器的每个末端处的电压几乎相等。 在失超情况下， 在 限流器两端会发生明显的电压降， 这导致两个末端之间的电压差。
根据一个方面， 本发明的失超检测系统利用差动保护继电器。差动保护继电器众 所周知并且通常可从各个分发处商业上获得。
在电力系统尤其是三相电力传输系统系统内使用差动保护继电器， 以通过将流入 装置的电流与流出所述装置的电流相比较来检测异常的操作条件。在正常操作中， 输入电 流等于输出电流， 然而， 在故障条件下， 会观察到差异， 这促使差动保护继电器产生故障信 号促使断路器打开电路。差动保护继电器的示例如西门子 AG 所发布的那些， 例如西门子 7UT6131-5EA01-1AA0。
差动保护继电器被设计用来判读电流而不是电压。然而， 在故障限流器中， 在正 常操作中以及在失超事件中， 流入故障限流器的电流总是等于流出故障限流器的电流。根 据本失超检测系统的原理， 故障限流器的两个末端处的电压被变换为与该电压成比例的电 流， 并且该电流被馈入到差动保护继电器。
如果故障限流器的两个末端的电流信号的差超过预定值， 则差动保护继电器向断 路器发送故障信号用以切断电流。
因此， 本发明利用用于故障限流器的差动保护继电器的仅若干毫秒、 例如大约 15 毫秒的非常快的响应时间。
原则上， 本发明不限于特定类型的超导。 超导通常分为类低温超导或高温超导。 高 温超导被定义为具有超过液氮温度 (77° K) 的起始 (onset) 或临界温度 (Tc)。
合适的高温超导包括但不限于陶瓷氧化物高温超导 ( 下面称作 “htsc” )， 例如铋 基 htsc、 钇基 htsc、 铊基 htsc 和汞基 htsc。
典型示例包括 Bi-Ae-Cu-Oy、 (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 是指至少一种碱土金属 元素， 具体为 Ba、 Ca 和 Sr ； Re 是指至少一种稀土元素， 具体为 La、 Lu、 Sc、 Ce、 Nd 和 Yb ； 以及 y 表示适用于特殊 htsc 的范围中的相对氧含量。
特别优选的 htsc 是参考 BSCCO-2212、 BSCCO-2223 公知的那些， 其中数字组合 2212 和 2223 代表具体那些元素 Bi、 Sr、 Ca 和 Cu 的化学计量比， 其中 Bi 的部分用 Pb 替代 ； 以及 参考 YBCO-123and YBCO-211 公知的那些， 其中数字组合 123 和 211 代表元素 Y、 Ba 和 Cu 的 化学计量比。
除了上面提到的高温超导， 也可以使用具有 77° K 以下的 Tc 的超导， 例如 Tc 为 39° K 的 MgB2。
基于超导的故障限流器可以具有各式各样的不同配置， 包括电阻型和电感型限流 器。本发明尤其涉及电阻型限流器。
限流器可以由具有圆柱形状、 杆形状或线图形状的大块材料组成。 而且， 限流器可 以由典型具有相对高的纵横比 ( 即， 宽大于厚度 ) 的带组成， 所述带例如通常已知为涂层导 体的那些带， 其中一层超导材料沉积到基底， 在基底与超导层之间典型地具有至少一个缓 冲层 ； 或者可以具有基本圆直径的电线组成。
由于本失超检测系统可被制成使用商业上可获得的差动保护继电器， 可以形成简 单但仍然有效的用于失超检测的系统。
具体地， 差动保护继电器允许非常快速即在数秒内且灵敏的失超检测和信号传 输。 附图说明 下面， 参考示出本发明的示例性实施例的附图来进一步图示本发明的失超检测系 统。图中示出了 ：
图 1 是第一实施例的示意电路图 ；
图 2 是具有本发明的失超检测系统的故障限流器的第二实施例 ；
图 3 是故障限流器的第三实施例。
具体实施方式
为了简洁， 附图中的示意图遵循示出 “一条线图形” 的典型电力系统实践。这允许 例如典型用于交流电 (AC) 的三相系统的多相系统被呈现为单相图形。
图 1 中示出了本失超检测系统的第一实施例的电结构。
图中所示的限流器 1 具有电流输入末端 ( 左侧 ) 和电流输出末端 ( 右侧 )。故障 限流器 1 的输入末端电连接到第一电流测量电路 10， 以及故障限流器 1 的输出末端电连接 到第二电流测量电路 20。
在该实施例中， 每个电流测量电路 10、 20 包括变压器 11、 21 和电阻器 11、 22， 并且 连接到差动保护继电器 13( 用线圈符号表示 )。变压器 11、 21、 电阻器 12、 22 以及差动保护 继电器 13、 32 以如所参照的连续顺序串联电连接。
变压器 11、 21 电连接到故障限流器 1 的一个末端并且接地。根据该实施例， 故障 限流器 1 的两个末端处的电压通过变压器 11、 21 被测量为地电势。
在附图中， 变压器 11、 21 的初级侧通过大写字母表示， 次级侧通过小写字母表示， 其中 N、 n ＝接地， A、 a ＝相位。
通过变压器， 电压被转换为较低电平。而且， 在电流测量电路中产生电流。由于初级侧处的电压和次级侧处的电压彼此成比例， 因此电流对应于出现在故障限流器 1 的各个 末端处的电压。
第一和第二电流测量电路的每个电流被馈送到差动保护继电器 13 的输入端。在 该实施例中， 优选地， 可以使用具有至少两个输入端的差动保护继电器， 对于每个电流具有 一个输入端。通过差动保护继电器， 计算电流差并且将该电流差与预定值相比较。
在正常操作中， 因为限流器 1 处于它的超导状态， 因此在限流器 1 两端几乎没有电 压降。从而， 在两个变压器 11、 21 处观察到相等的电压， 例如大约 100/ 伏。
在正常操作中， 电流差大约为 0， I11-I21 ≈ 0， 其中 I11 是变压器 11 的电流信号， I21 是变压器 21 的电流信号。
在故障事件中， 由于限流器 1 的输出末端处的电压小于输入末端处的电压， 在限 流器 1 两端产生电压降。结果， 通过差动保护继电器观察到电流差。如果观察到的电流差 的值超过预定值， 则差动保护继电器将触发信号发送到断路器 2， 并且中断电流。
可以在变压器 11、 21 与连线 13、 23 之间提供电阻器 12、 22， 所述连线 13、 23 可用于 将电流降低到可被所使用的差动保护继电器处理的级别。 为了维持电流与故障限流器的各 个末端处电压的比例， 针对两个电阻器 12、 22， 电流所降低的比率是相同的。 优选地， 使用可 调电阻器， 其中可以根据需要来调节降低比率。 为了本发明的意图， 对变压器 11、 21 和电阻器 12、 22 并没有特别限制。原则上， 可 以分别使用任何商业上可获得的变压器和电阻器。如上所阐述的， 变压器和电阻器用于将 在故障情况下产生的电压差转换为足够低以在所使用的差动保护继电器中处理的电流信 号。
当然， 在如图 1 中所示的实施例中， 由于两个独立的电流测量电路 10、 20， 在每个 电流测量电路中使用的变压器和电阻器必须彼此对应， 以便允许可靠比较馈入到差动保护 继电器的电流。
参考图 2， 示出了本发明的失超检测系统的再一个实施例的电结构。
不同于图 1 中示出的实施例， 图 2 的实施例仅由一个电流测量电路组成， 并且仅需 要一个输入端的差动保护继电器。
如图 2 中所示， 限流器 1 的每个末端连接到变压器 11、 21。两个变压器 11、 21 经由 线路 3 彼此相互电连接， 从而形成电流测量电路。
而且， 在变压器 11 和变压器 21 之间的线路 3 中提供差动保护继电器 13( 用线圈 符号表示 )。
在正常操作中， 在限流器 1 的两个末端处由于大约相等的电压电平， 在变压器 11 和 21 之间不会产生电流。
在故障情况下， 当在限流器 1 的输出末端处由于较低的电压电平而产生电压降 时， 电流从具有更高电压电平的末端流动到具有较低电压电平的末端。电流的幅度对应于 电压差并且可被用来确定是否通过差动保护继电器中断到限流器 1 的电流。由于在本实施 例中仅必须监控一个电流信号， 因此具有一个输入端的差动保护继电器就足够了。
在变压器 11 的下游， 可以放置电阻器 12 用于将电流的幅度降低到可用于差动保 护继电器的级别。
图 3 图示了第三实施例。 在该实施例中， 电容器 30 经由线路 31 与故障限流器 1 并
联电连接， 从而形成电流测量电路。线路 31 的每个末端连接到故障限流器 1 的一个末端。 该实施例的电流测量电路连接到由线圈符号表示的差动保护继电器 32， 该差动保护继电器 32 置于故障限流器 1 的输入末端与电容器 30 之间的线路 31 中。断路器 2 被提供在故障限 流器 1 的输入末端的上游。
在失超情况下， 由于故障限流器 1 两端的电压降， 充电电流流过电容器 30。 因为充 电电流的幅度对应于该电压降， 因此如果充电电流超过预定电流电平， 则可以通过差动保 护继电器 32 使用充电电流来确定是否触发断路器 2。
该实施例的好处在于， 在正常操作中， 电容器 30 的电容可以用来补偿故障限流器 1 的感应损失。
对于该实施例， 可以使用传统的高压电容器。
在附图中示出了针对一个相位的本失超检测系统的配置。然而， 本发明的失超检 测系统可容易地适用于以多于 1 相位的电流 ( 例如具有典型三相位的交流电 (AC)) 操作的 电流系统。在这种情况下， 对于每个相位提供了本发明的失超检测系统。
使用差动保护继电器的本发明的失超检测系统提供了一种如果超过预定电流值 则非常快捷且灵敏地检测失超并且中断电流的简单方法。 在检测到这种条件时， 保护继电器操作断路器的触发机制， 从而打开电路以保护 故障限流器下游的电组件。