超导电力装置及含超导装置电力系统的失超保护研究

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华中科技大学硕士学位论文摘要高温超导磁体的失超会影响超导电力设备的运行，是超导电力设备技术实用化的一个重要问题，不利于超导电力设备在电力系统中的广泛应用。及时地检测到超导电力装置的失超并对失超后的磁体进行保护，是有待深入研究的课题。本文研究了高温超导线材的失超特性，探讨了超导电力装置的失超检测及保护方法，并就未来超导电力系统失超检测研究提出了建议。／本文首先综述了超导技术在电力系统中的应用及发展概况，阐述了超导电力装置失超对超导电力应用的影响及解决高温超导磁体失超问题的重大意义。论文第二章讲述超导电力装置失超的失超机理，深入研究了不同幅值过电流下的高温超导线材失超发展过程，创造性地提出了高温超导线材失超三阶段理论。论文第三章总结了超导电力装置失超检测的方法，如温升检测、压力信号检测、流速信号检测、超声波检测法、电压信号检测。并结合高温超导线材失超三阶段理论提出了在初始阶段通过检测dvldt或drldt可有效探测到失超的发生。论文第四章系统归纳了超导电力装置失超保护的方法，将其分为主动和被动两大类。主动保护技术利用外加装置转移大部分储能，常用的是将能量转移到移能电阻上；被动保护技术则是依赖于加速失超传播来达到保护磁体的目的，分段电阻法、感应耦合法和加热器法都是基于这一原理。最后研究了超导电力系统的失超电流水平的配合及裕度问题≯7／，／／关键词：遥9电力系统、失超特性?失超检测÷失超保护、I 华中科技大学硕士学位论文ABSTRACTTheQuenchofHTSmagnetisallimportantproblemofsuperconductingpowersystemanditwillaffectmagnet’Soperation，andindependentofitsusinginelectricalpowersystem．It’SalsoaproblemofhowtOprotectthemagnets．ThispaperdiscussesHTStape’Squenchcharacteristic，quenchdetectionandprotectionofHTSmagnet，andputsupsomeadvicesforquenchdetectioninfuturesuperconductingelectricalpowersystem．Infirstchapter，thispapergeneralizesthecurrentsituationofsuperconductingtechnologyusedinelectricalpowersystem，presentstheaffectionofHTSmagnet’Squenchonsuperconductingelectricalpowersystemandexplmnsitsgreatmeaning．Inthesecondchapter，thepaperpresentsHTSmagnet’Squenchmechanism．Basedonthequenchprogresspaaeminthecaseofovercurrentwithdifferentamplitude，three—stagetheoryforHTStape’Squenchisputtedforward．Inthethirdchapter，variousquenchdetectionmethodsaresummarized，suchastemperaturedetection，pressuredetection，flowvelocitydetection，ultrasonicdetectionandvoltagedetection．dv／dtordr}dldetection．Inthefourthchapter,quenchprotectionmethodsa糟presentedanddividedintoactiveandpassivemethod．Theprincipleoftheactiveprotectionmethodistodivertmostenergyintoadditionalequipments，forexampledumpingresistance．WhilethepassivemethodistOprotectmagnetsbyacceleratingquenchpropagation，suchassubdivideresistancemethod，inducecouplingmethod，andheatermethod．Finallythecooperationandmarginofquenchcurrentlevelinpowersystemisstudied．Keywords：SuperconductingElectricalPowerSystem，QuenchCharacteristic，QuenchDetection,QuenchProtectionII 华中科技大学项士学位论文1．1引言1绪论在现代工业化社会，电力是社会生产、生活的重要支柱。在以计算机为基础的信息化社会．电力是保证社会正常运转的根本能源。电力系统由小到大，经过低压输电到高压输电，直流输电与交流输电等若干技术变革，发展为现代的多机、大容量、交直流结合的复杂系统。但是，随着系统的扩大，重要性的增加，电力系统在若干方面正面临着难以克服的困难。在我国，由于能源资源和能源消费分布的不一致，高电压、长距离的西电东送不可避免，这使得系统的稳定性问题变得十分突出。在大城市，电能消费密度不断增长，但送电通道越来越紧张，用常规技术已经难以解决大城市高密度大容量送电问题。而且，随着电力消费的增长，电力系统越来越大，断路器的断流容量已经很难满足系统短路容量增长的要求；过大的短路电流又对电力装置提出了更高的电磁、电动以及热的技术指标。由于用具有电阻的铜、铝作为导电物质，网损巨大。我国的网损高达8．1％，依此计算，到2010年，按预测的装机容量，我国每年在输配电网络上将损失近两个三峡电站的电能。只有在电力系统中解决上述难题，才能满足社会进一步发展的需要。而要解决上述困难，急需在电力系统进行重大的技术革新。由于超导具有电阻为零以及其他一些优越特性，应用超导技术，正是解决电力系统中上述困难的有效途径。超导技术经过几十年的进步和成长，已经达到可以实际应用到电力系统的水平。在电力系统中引入超导技术是今后'也就是21世纪电力工业的重要发展方向【”。1．2超导技术在电力系统中的应用及发展概况1911年荷兰科学家Onncs在4．2K的汞中首次发现了超导现象。从那以后，利用超导体的零电阻特性减小损耗便成为电力工作者的梦想。然而，在发现超导现象后的近50年里，超导材料自身的缺陷及制冷机的效率和功率都达不到工业应用水平，超导应用一直没有很大突破。直到上世纪60年代，超导线圈的无阻载流特性才逐渐被 华中科技大学硕士学位论文≈===；====≈===========；=====≈==一==：用于产生强磁场。随后的20年里，超导应用研究逐渐成熟，以Nb3sn和NbTi为代表的低温超导体已在核磁共振成像等科学仪器上得到广泛应用。超导材料及相关基础学科的进步为发展超导电力技术提供了前提条件。而且，目前电力系统发展中面临着许多困难问题，正迫切需要研究开发面向2l世纪的先进电力系统技术。(1)稳定性问题日益突出。现代社会对电力资源依赖程度的加深及对电能需求的增长，迫使网络规模不断扩大。在电网建设相对滞后于电源建设的情况下，电力系统的安全、经济运行将受到输电“瓶颈”等问题的制约【21。在电力市场环境下，发电厂和电网公司受利益支配，输电网络的传输容量被过分利用，致使系统的稳定裕度变小，迫切需要增加系统稳定性。(2)随着电网的发展，断路器开断容量与系统短路电流水平间的矛盾日益明显。改变系统结构参数和系统的运行方式可以在缓解这一问题，但对系统的安全、稳定、经济运行可能产生不利影响。(3)用户对电能质量的要求不断提高。以计算机网络为主要特征的信息化社会的到来，在改变电力系统的运行与管理机制的同时，对电能质量和可靠性也提出了更高要求。改善电能质量以满足负荷需求是电力系统发展的永恒主题。(4)城市负荷中心的供电问题难以合理解决。随着城市消费水平的发展，大城市电力负荷密度不断增加(东京的负荷密度已达1．2x105kW／km2)，城市地价高涨及人们对居住环境要求的提高，送电通道受到越来越多的限制。(5)节能呼声日益高涨。上世纪70年代石油危机拉开了新能源发电和节能技术研究的序幕，越来越多的人意识到能源危机的紧迫性。风能、太阳能等可循环使用的新型能源资源具有时间和地点特异性，应用范围受到限制。节能成为新时代电力系统发展的主题之一。目前我国输配电系统的网损率高达8．5％，通过降低网损率达到节能目的有相当的潜力。而传统电力系统以铜、铝作为导电物质，无法从根本上解决网络损耗问题。超导技术为缓解上述困难问题、保证电力系统满足社会发展需求提供了新的途径，其优势主要体现在以下几方面【】】-【5】(1)超导电力装置可用于改善系统运行特性。例如，超导磁储能(SuperconductingMagneticEnergyStorage，SMES)的快速功率响应特性可提高系统稳定性、减小发电2 华中科技大学硕士学位论文机的旋转备用容量、提高发电机的利用率、改善电能质量，并可作为风能发电、太阳能发电的功率平滑装置。(2)超导故障限流器(SuperconductingFaultCurrentLimiter，SFCL)为限流器的发展提供了一条新思路。(3)超导电力装置比同规格的常导电力装置体积小、重量轻。超导电缆在解决大城市的配电问题方面更有得天独厚的优势。结合我国人口稠密、耕地短缺的国情，减少发电厂、变电站占地，对于合理利用土地资源也有着重要意义。(4)超导电力装置的效率高于常导电力装置，可减小损耗、提高能源资源的利用率。(5)超导电力装置还将带来附加的环保效益。由于采用液氦／液氮冷却，不存在油料泄露、废料处理问题。能源资源利用率的提高还可降低总发电量，减少S02、C02等有害气体的排放量。简而言之，超导技术将极大地推动电力系统的发展和技术进步，有学者甚至将其比作信息产业中的光纤技术。光纤通信使网络技术迅猛地席卷全球，涵盖了人们生产和生活的各个层面，但在使用初期昂贵的价格阻碍了其推广使用。随着超导电力装置成本的降低，超导技术在电力系统中应用将逐渐普及，超导电力时代将会到来。电力系统过去近二十年的发展历史告诉我们，电力工业需要源源不断地吸收其他领域的研究成果，才能不断向前发展。电力电子技术的发展成就了FACTS，信息化技术的发展孕育了数字电力系统。同样地，随着超导应用的日益成熟而诞生的“超导电力系统”，也会给电力系统发展注入新的活力。日本新能源开发机构认为开展超导电力应用技术的研究不仅可以获得提高效益、节省资源、保护环境等直接效益，还是21世纪国家间技术竞争的关键所在【6】。美国能源部也认为超导技术是21世纪电工行业唯一的高科技储备【7J。超导技术在电力科学技术中的应用飞速发展，其中包括超导电缆，超导电机，超导变压器，超导磁储能装置以及超导限流器的发展等等，以下分类给予简单的介绍。1．2．1超导电机阡IZOl励磁线圈采用超导体的超导发电机和常规发电机比较，有如下特征：(1)由于发电机效率提高了0．5％～l％，降低燃料费用和C02的排放量，实现了设3 华中科技大学硕士学位论文备的小型化和轻量化(体积和重量均减少了一半)，降低制造和建设成本。(2)由于同步电抗降低(常规发电机的l，2～1／5)，提高了电力系统的稳定性(送电线路的临界送电电力约提高了30Vo)。(3)扩大进相运行范围(其额定范围和同容量的进相无功功率相比)，提高了运行性能。(4)扩大了大容量机组制造限界(约单机最大容量的2倍)。目前，研究开发制造超导发电机的国家有：日本、德国、俄国、美国等。在日本，以厂家、大学、电力公司的基础研究和试验机的研究成果为基础，Super-GM(是通商产业省工业技术院的新阳光计划的一部分)受新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的委托，从1988年起制定了11年的计划，开发20万KW等级超导发电机(试验性)的设计。现正在研制7万KW样机。虽然有这么多的优点，但是在技术和制造工艺上还需要解决如下的问题：(1)空隙电枢线圈：降低导体损耗，线圈支架和固定方法。(2)多层圆筒转子：构造材料的选定，加工和安装技术。(3)励磁线圈：发挥超导体的高性能，线圈的支架和固定方法。(4)冷却系统：冷却介质的密封可靠性。(5)运行控制：启动，停止，突变检验。在现在的研究成果下，可以预计超导发电机继联结在系统上的试验进行技术检验后，综合实用检验阶段后可达到实用化。首先在城市近郊区应用能确保系统电压(循环发电站的20～30万kW等级)低速响应型中小容量机，可望在远距离大容量发电站里，应用优点多(提高电力系统的稳定度从而增加送电能力及降低送电成本)的超速响应型超导发电机(60～100万kW等级)，由于超导发电机具有能保持电压的优点，预计同步调相机也将应用。1．2．2超导电绣1111ⅢII目前常规电力电缆的运行电压最高为500kV,提高到1000kV尚未到实用阶段。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。超导电力电缆则无上述问题，可大幅度提高电流密度和降低损耗，与常 华中科技大学硕士学位论文规电力电缆相比在技术上的重大突破是：(1)用小截面送大电流；(2)超过常规电力电缆送电容量极限；(3)低电压送大容量电力。采用超导技术可以大幅度提高送电容量，并且便于敷设，提高了供电的可靠性。虽然超导电缆的样品试验已获成功，但在实际应用上还有许多课题要研究。基础课题有：进一步降低交流损耗，提高临界电流密度，长尺寸化，低温绝缘，冷却系统，终端及连结处装置，高可靠性及维护等。系统技术开发课题有：为缩小冷却管直径，必须减少冷媒流量，从而要使交流损耗进～步降低；由于液态氮冷却装置的效率仅为5％，影响高效率及小型化的超导电力电缆的优势，故在实用化时，其大致的目标为在通电电流9kA(有效值)的条件下交流损耗控制在4．5W／m左右。目前虽然已取得l根导体通电电流lkA(有效值)的交流损耗为0．28W／m的成果，但交流损耗随着通电电流的增加而急增(当导体的临界电流密度和尺寸相同时，交流损耗与通电电流的3次方成比例)。故尚需进一步降低交流损耗。为此要进一步开发具有高电流密度化及低损耗的超导电力电缆的最佳结构；还有交流损耗的机理及高精度测定法等许多研究项目。关于高临界电流密度化，长尺寸化的大致目标是：超导部分的临界电流密度可望为105A／cm2。但随着长尺寸化，目前用的铋系列涂银线材有必要提高2～3倍。采用短的钇系列的线材虽然能达到106A／cm2,但长尺寸化后欲维持该值是否可行?目前的铋系列涂银线材的交流损耗能否再降低?高临界电流密度及钇系列线材长尺寸化后是否可行等是今后的研究课题。1．2．3超导变压器117l_119I与常规变压器相比，高温超导变压器采用高温超导材料取代铜线，液氮取代油作为冷却，由此而带来了许多优点：(1)高温超导带能够传输比常规铜线大10至100倍的电流，与同样容量的常规变压器相比，高温超导变压器的体积可以减小40％到60％。对于人口密度很高的我国各大城市来说，这一优点具有特别的意义，由此可以节省占地面积。随着城区用电量的不断增加原来安装的变压器面临着容量更新的问题。许多设备安装于室内或靠近建筑物而限制了其进一步的改造。高温超导变压器体积小将使这一问题得以解决。体积小重量轻，使得容许制造更大容量的整体运输产品。 华中科技大学硕士学位论文(2)传统电力变压器负载损耗占总损耗的80％，主要为焦耳热损耗。超导由于其直流情况下电阻为零，不再存在焦耳热损耗，因此在减小变压器的总损耗方面具有巨大的潜力。超导体在交流状态下存在交流损耗，会带来额外的制冷成本。但是即使加上制冷消耗，40MW以上量级的高温超导变压器在效率和经济性方面都高于常规变压器。(3)近年来，随着我国电力事业的发展，越来越多的大型变压器需要安装在市区，这就要求降低其噪声，以达到城区环保标准。城网用变压器大部分都是采用强油风冷却器或吹风冷却散热器，这是变压器的主要噪声源。高温超导变压器采用液氮冷却，因此由冷却系统带来的噪声不再存在。其次，液氮具有安全、不可燃、对环境不会造成污染等优点，用它取代油作为冷却和绝缘介质，避免了爆炸和由于油泄漏造成的环境污染。无火灾隐患，使得它可以安装于任何地方。(4)常规变压器由纸和油提供的绝缘最担心的是发热问题。根据IEEE／ANSI标准，当过载为200％时，只能运行30分钟。相比之下，高温超导变压器的绕组和绝缘运行于液氮或更低的温度下，绝缘不会退化。在两倍于额定功率下运行也不会影响运行寿命。(5)超导体在正常工作情况下呈现为零电阻，从而可以减小变压器的内阻，增大电压可调节范围。此外，与低温超导变压器相比，由于超导材料在液氮温区的热容比在液氮温度下大两个数量级，超导材料在液氦温区的运行有更大的稳定裕度。同时，液氮的制冷费比液氮要低得多。在相同情况下，运行在液氮温度的超导材料交流损耗允许值比运行在液氮温区大20到30倍。因此，在稳定运行和运行经济性两方面，高温超导变压器比低温超导变压器都有巨大的潜在优势。高温超导变压器固有的优点，将彻底打破常规变压器的固有缺陷，极具良好的开发前景。国际上知名公司和研究机构纷纷开展的高温超导变压器样机的研制及其成功的试验，表明其技术上的可行，进一步的更大规模的研究计划表明各大公司对高温超导变压器开发前景的巨大信心。1．2．4超导磁储能装置‘如l‘叫超导磁储能(supercondu池gmagneticenergystorage，缩写为SMES)是超导应用研究的热点。超导磁储能利用超导磁体的低损耗和快速响应来储存能量的能力，通过现代电力电子型变流器与电力系统接口，组成既能储存电能(整流方式)又能释放电能(逆变方式)的快速响应器件，从而达到大容量储存电能、改善供电质量、提高系统容量和稳 华中科技大学硕士学位论文定性等诸多目的。SMES由于具有快速响应特性，因而不仅能用于调节峰值，而且可以储存应急的备用电力，提高容许输电容量(例如，对于我国资源分布很不均衡的情况，用SMES系统可更好地实施西电东送)，提高系统的稳定性，改善供电质量。从这个意义上讲，SMES可以看成是一种能与电网交换有功功率的灵活交流输电系统(FACTS)装置，因而功能更加强大，可以实现电力系统由被动致稳转变为主动致稳。现在，SMES已不仅用于平衡负荷，不同容量的SMES具有多种实际应用。对于中小型SMES，特别是微型SMES，则可利用其高速调节有功、无功特性来改善功率因数，稳定电网频率，控制电压的瞬时波动，保证重要用户不间断供电等多种功能，从而大大改善供电质量，满足军事、工业、民用电力的需要。高温超导材料的出现和可用于工频交流的低温超导线材的开发成功，给超导应用带来了契机。在美、日、法、德、英等发达国家，出现了新～轮的超导应用研究高潮。80年代以来，由Wisconsin大学提供的1MI量级的成套SMES已经商品化，可供区域负载用于稳压稳频。1988年初，在美国建立的开发超导储能商业应用的超导电公N(ASC)，已研制成功了用来对超导储能进行经济评估的系统(SSD)，并推向了市场。近10年来，超导科学与材料技术的进步，使超导技术的应用、尤其是在电力方面的应用具有了更高的可行性。据美、日等国的调查研究机构预测，到2010年，新兴的超导产业市场将超过250亿美元，其中在电力系统中为75亿美元，占30％；到2020年将达到700亿美元；在2015年左右，几乎各种超导电力产品都可达到商业化水平。在超导的电力应用中，SMES技术相对简单，又具有诱人的应用前景，是超导电力应用的主选课题之一。当然．目前SMES的实用技术上仍有一定的困难。为加速SMES的实用化进程，今后的研究方向主要是：(1)降低成本。目前SMES、特别是小型SMES的成本比其他相应技术要高，开发低成本的SMES已是必然需要。(2)开发高温超导线材(HTS)，提高线材的临界电流密度。(3)研究变流器。电流均分化的并联技术、减少高次谐波以降低变流器损耗和安全性问题都需要进一步研究a(4)研究控制策略。根据系统容量、SMES参数、控制目的等多项指标，特别是从电力系统的角度，选择和设计出优良的控制策略，是一个重要课题。(5)降低损耗和提高稳定性。提高SMES储能效率就要减少交流损失|为了减少 华中科技大学硕士学位论文====≈=======≈===================一：交流损耗就要增加冷冻机的功率。同时，为了提高超导线圈的稳定性，也需要降低交流损耗。(6)研究失超保护技术。开发出可靠、灵活的直流断路器和永久电流开关，以提高SMES的安全性。SMES装置以其高效性、快速响应特性和能与系统独立进行四象限交换有功、无功的能力突破了传统电力系统的限制，适应电网不断提高的要求。它将和其他电力装置一起，成为电力系统的重要组成部分，使系统的容量、质量、稳定性和经济性进～步提高。1．2．5超导限流器12al’126l超导限流器(SuperconductingFaultCurrentLimiter，简称为SFCL)通过增加故障期间电源点至故障点的转移阻抗，降低故障电流，主要是利用超导体失超后的大电阻或者外部电路实现故障期间装置阻抗的改变。除经济性限制外，SFCL在性能上必须满足以下条件才能适应电力系统需求：(1)系统正常运行时装置阻抗近似为零。(2)故障发生后装鼍阻抗迅速增加，有效地限制故障电流；故障清除后能迅速由限流时的高阻抗恢复到低阻抗，与自动重合闸配合使用。(3)动作电流、限流阻抗等参数具有一定的可调性，以适应系统的不同运行方式。为达到以上要求，不仅要积极开发临界电流大、常态电阻率高的超导线材，还要改进装置结构。和其他FCL相比，SFCL的优势主要体现在两方面：(1)能在毫秒级内有效地限制故障电流；(2)集检测、控制和限流结构于一身。SFCL装置在过去的近二十年里获得了长足的发展。超导电力工作者已提出近十种SFCL的设计方案，除磁通闭锁型、三相电抗器型外，其它设计方案都研制了实验室样机，磁屏蔽型甚至已付诸工程实践。但从电力系统实用的角度考虑。SFCL要获得广泛使用还存在以下几方面不足：(1)价格昂贵。失超型SFCL利用超导体失超后的大电阻实现限流目的，需要大量的超导材料才能达到理想的艰流效果。(2)可靠性不高。目前超导线材的稳定性不够，因此所用的超导材料越多、导8 华中科技大学硕士学位论文线越长，装置的可靠性问题越突出。(3)动作电流的精度不高。失超型SFCL的动作电流与超导体的失超电流有关，二者之间的关系由装置结构唯一确定。锻炼效应使得超导体的失超电流不是一个恒定的常数，要将SFCL的动作电流严格地控制在给定值有一定的难度。(4)参数可调性差。参数可调一方面是为了满足系统不同运行方式的需要，另一方面是为了调整装置结构以解决超导体的失超电流不稳定的问题。(5)失超恢复慢。自动重合闸要求线路重合后SFCL恢复到低阻状态。就目前的技术水平，超导体的恢复时间还很难满足这一要求。上述问题有些可以通过开发高品质的超导线材解决，有些则需要改进装置结构。例如：为解决参数可调问题，饱和铁芯电抗器型和桥路型可以调节直流偏压，含变压器结构和磁屏蔽型的则可以调整线圈的耦合系数或增加控制线圈；解决失超恢复时间较长的问题，可以从超导材料方面着手，如采用超导薄膜增加散热面积，也可以改变装置结构，如增加备用线圈或采用不失超型结构。综上所述，超导体所具有的优良电气特性为从根本上解决电力系统中的许多难题提供了一条新的途径．超导电力的发展会在电力工业引发重大的技术革新，大幅度地提高整体经济效益．而八十年代以来的交流超导线材的开发成功以及实用高温超导材料技术的突破，为超导技术的电力应用奠定了物质基础．正因为如此，美国能源部认为超导技术是21世纪电力工业唯一的高科技储备，日本新能源开发机构认为发展超导电力技术是21世纪国家竞争中保持尖端优势的关键所在‘27】_【29J很明显，超导化是电力工业的重要发展方向。研究超导电力系统，对于迎接超导电力时代的到来，缩小我国电网的发展水平方面与发达国家之间的差距有着重要意义。1．3解决高温超导电力装置失超问题的重大意义【9】超导体的失超，不仅改变了超导电力设备的电气参数，对超导电力系统的安全、稳定、经济运行也将产生一定的影响，从以下几个方面加以说明。1．3．1超导电统失超影响距离保护的正确动作超导材料由超导态变成正常态后，电阻率远大于铜、铝等良导体，导体的电阻率9 华中科技大学硕士学位论文可达6x1旷Q·ITI，而4．2K时铜的电阻率约为10。1～10-12Q．m。如果故障后超导电缆失超，由于线路阻抗中电阻性分量的增加，线路时间常数减小，电流电压的非周期分量很快衰减，暂态过程持续时间缩短，从系统稳定性的角度看似乎比较有利。但对于采用阻抗圆特性作为动作判据的继电保护装置，如发电机保护、变压器保护、线路距离保护等。却会产生不利影响。以图1．1(a)所示线路距离保护为例加以说明。(a)罐垂．(b)图1l失超对线路距离保护的影响示意图(c)采用常规铝绞线，电阻率为35．5×10"gfl．m，按)mP5计算，线路阻抗角为790；采用超导电缆，失超前线路阻抗基本呈纯电抗特性，线路阻抗角约为90。；失超后超导体的电阻率为6×10’6Q．m，线路阻抗角为14。。从图中可以清楚地看出，由于电阻分量的存在，若保护按不失超时线路阻抗进行整定，对于近距离故障超导电缆失超，距离保护可能发生拒动，如图1．1(b)所示；如果按失超后的线路阻抗值进行整定，若保护远端故障电缆不失超时保护拒动，如图1．1(c)所示。另一方面，由于线路阻抗不断变化，会对以傅立叶变换为基础的测量阻抗的计算产生一定的影响。从前面对失超传播特性的说明中可以看出，超导电缆各部分的失超不是同时发生的，仿真计算得出的最大传播速度也不超过300m／s，也就是说，故障发生1秒后，常态区的长度并不很长，而1秒的时间足够继电保护装置作出正确判断。乐观情况下，采用带偏移特性的西红柿形距离保护，按电缆不失超时的线路阻抗进行整定，可以减小保护拒动的发生。若超导电缆多处发生失超，拒动仍会发生。因此，在考虑采用超导电缆进行长距离大容量输电时，除了经济方面的原因外，配套的继电保护系统的改进也需深入研究。1．3．2失超恢复造成的系统短时功奉映额保持超导体的工作温度不变，流过超导体的电流降到恢复电流以下时，单位时间 华中科技大学硕士学位论文内冷却介质所能带走的热量大于导体电阻热效应所产生的热量，超导体才能稳定地恢复为超导态。对于短材(1～10m)恢复电流可达临界电流的80％以上，超导电缆的恢复电流约为临界电流的30～40％。显然，最快的恢复方法是让超导体退出运行，使流过超导体的电流为零，待超导态恢复后再让其投入。由于超导电力设备的容量都很大，必须采取一定的措施防止超导电力设备退出运行后，系统中出现功率缺额或过剩。对于超导发电机和超导变压器，宜采用多安装一套装置作为紧急备用，与常规电力系统相似。为了降低制冷耗能、提高发电效率，作为紧急备用的发电机和变压器可采用常规设备。对于超导电缆。输送的功率达GW级，如果为了让失超电缆尽快恢复到超导态而切断联络线，必将造成两侧电力系统的功率缺额或过剩，通过冗余备用的方法来解决这一问题无疑是得不偿失。因此超导电缆的失超恢复宣选择减小输送容量，在低电流的情况下带载恢复，与此同时，电缆两侧的其他自动装置或储能装置也应投入运行。尽量减小传输容量的降低对系统的影响。1．3．3罔损及制冷耗能的增加超导电力设备最大的优点就是可以减小损耗提高效率。从前面的分析可以看出，失超时超导材料的电阻率远大于常温常导材料的电阻率，设备的热耗明显上升。而且在液氦温区产热与制冷耗能之比约为1：300(按效率较高的制冷机计算)，每产生1W的热量，需消耗300W的能量才能将它带走，超导体处于正常态的时间越长，产生的热量越多，液氨，液氮挥发量越大，恢复时间越长，恢复时的制冷耗能越多，从降低网损的角度讲应尽快使超导电力设备恢复到超导态。1．3．4对超导电力设备的影响超导体失超后，阻抗中就含有电阻分量，通过电流时导体发热。造成液氦／液氮挥发，低温容器内压力升高，对器壁的强度提出了严峻的挑战。对于超导储能装置，若不采取措施将线圈中储藏的能量及时转移，大量的能量通过线圈以热能的形式耗散，会完全烧毁磁体。因此，超导电力设备都应配有失超保护装置。失超对电力系统的运行也有有利的方面，合理地利用超导体失超后会产生大电阻的特性，可以提高系统稳定性。超导故障电流限制器就是一个典型的例子。系统正常运行时，限流器处于低阻状态。当系统中发生故障后，短路电流上升到大于超导体的 华中科技大学硕士学位论文临界电流时，限流器能在几毫秒内变为正常态，增加线路阻抗，限制短路电流继续上升。限流器不仅能降低短路电流水平，还能延缓断路器等设备的更新。与常规故障限流器相比，超导故障限流器具有响应快、能重复动作、不需检测装置等优点，在电力系统中有很好的应用前景。超导变压器也具有类似的功能。ABB公司制造的330kvA超导变压器，绕组失超30ms后能将短路电流降低70％。常规变压器阻抗标幺值为O．1左右，以限制故障后的短路电流，超导变压器失超后变压器阻抗很大，可起到限制故障电流的作用，因此阻抗可以设计得比较小。1．4课题来源、意义及其内容本课题来源于教育部留学回国人员启动基金、骨干教师计划和国家”863”计划资助项目“超导磁储能系统”(项目编号：2002AA306331)。美国能源部指出：“超导技术是21世纪电力工业发展的唯一高科技储备”。就目前超导电力设备研制的水平而言，完全可以在未来的几十年内生产出工业实用的超导电力设备，电力系统中超导电力设备的含量将逐渐增大，过渡到以超导电力设备为主的超导电力系统。但超导材料特有的失超现象，会极大地改变超导电力设备的电气参数，影响系统的安全、稳定、经济运行，并对设备本身造成一定的不利影响。因此，失超问题不仅是超导电力设备实用化进程中的关键技术之一，也是超导电力系统运行调度中需重点考虑的因素之一。本文首先综述了超导技术在电力系统中的应用及发展概况，阐述了高温超导磁体失超对超导电力应用的影响及解决高温超导磁体失超问题的重大意义。在第二章研究了高温超导线材的失超特性，对高温超导线材在不同峰值的大电流下的失超特性及失超后的发展过程进行了详细的实验分析，提出了高温超导线材失超三阶段理论。并为研究超导装置在电力系统中的失超特性及失超保护方法提供了基础数据。第三章总结了超导电力装置失超检测的方法，如温升检测、压力信号检测、流速信号检测、超声波检测法、电压信号检测。并结合高温超导线材失超三阶段理论提出了在初始阶段通过检测dvldt或咖／西可有效探测到失超的发生。在第四章归纳了超导电力装置失超保护的方法，将其分为主动和被动两大类。最后研究了超导电力系统的失超电流水平的配合及裕度问题。 华中科技大学硕士学位论文2高温超导线材的失超特性研究2．1matlab系统概述【10H12】在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，其中包括矩阵运算。这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行，而要借助计算机编制相应的程序做近似计算。美国Mathwork公司于1967年推出了“MatrixLaboratory”(缩写为Matlab)软件包，并不断更新和扩充。目前最新的6．x版本(windows环境)是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包。其中包括：一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程序，并集应用程序和图形于一便于使用的集成环境中。Matlab有如下特点：1．编程效率高它是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许用数学形式的语言编写程序，且比Basic、Fortran和c等语言更加接近我们书写计算公式的思维方式，用Matlab编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题，因此，编程效率高，易学易懂。2．用户使用方便Matlab语言是一种解释执行的语言(在没被专门的工具编译之前)，它灵活、方便，其调试程序手段丰富，调试速度快，需要学习时间少。人们用任何一种语言编写程序和调试程序一般都要经过四个步骤：编辑、编译、连接以及执行和调试。各个步骤之间是顺序关系，编程的过程就是在它们之间作瀑布型的循环。Mauab语言与其它语言相比，较好地解决了上述问题，把编辑、编译、连接和执行融为一体。它能在同一画面上进行灵活操作快速排除输入程序中的书写错误、语法错误以至语意错误，从而加快了用户编写、修改和调试程序的速度，可以说在编程和调试过程中它是一种比VB还要简单的语言。3．扩充能力强高版本的Manab语言有丰富的库函数，在进行复杂的数学运算时可以直接调用，而且Matlab的库函数同用户文件在形成上一样，所以用户文件也可作为Matlab的库 华中科技大学硕士学位论文函数来调用。因而，用户可以根据自己的需要方便地建立和扩充新的库函数，以便提高Matlab使用效率和扩充它的功能。另外，为了充分利用Fortran、C等语言的资源，包括用户已编好的Fortran，C语言程序，通过建立Me调文件的形式，混合编程，方便地调用有关的Fortran，C语言的子程序。4．语句简单，内涵丰富Matlab语言中最基本最重要的成分是函数，【口，b，c⋯．．】=fun(a，e，f，．．⋯)是一般形式，即一个函数由函数名，输入变量d，e，f，．．⋯和输出变量口，b，C⋯一组成，同一函数名矗m，不同数目的输入变量(包括无输入变量)及不同数目的输出变量，代表着不同的含义(有点像面向对象中的多态性。这不仅使Matlab的库函数功能更丰富，而大大减少了需要的磁盘空间，使得Matlab编写的M文件简单、短小而高效。5．高效方便的矩阵和数组运算Matlab语言象Basic、Fortran和C语言一样规定了矩阵的算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、条件运算符及赋值运算符，而且这些运算符大部分可以毫无改变地照搬到数组间的运算，有些如算术运算符只要增加“·”就可用于数组间的运算，另外，它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便。6．方便的绘图功能Matlab的绘图是十分方便的，它有一系列绘图函数(命令)，例如线性坐标、对数坐标，半对数坐标及极坐标，均只需调用不同的绘图函数(命令)，在图上标出图题、XY轴标注，格(栅)绘制也只需调用相应的命令，简单易行。另外，在调用绘图函数时调整自变量可绘出不变颜色的点、线、复线或多重线。这种为科学研究着想的设计是通用的编程语言所不及的。2．2数据处理的基本方法和手段113】【14】插值和拟合都是函数逼近或者数值逼近的重要组成部分。14 华中科技大学项士学位论文他们的共同点都是通过已知一些离散点集M上的约束，求取一个定义在连续集合S(M包含于S)的未知连续函数，从而达到获取整体规律的目的，即通过”窥几斑”来达到”知全豹”。简单的讲，所谓拟合是指已知某函数的若干离散函数值{Z，^，．．，工}，通过调整该函数中若干待定系数f{4，五，．．也)，使得该函数与已知点集的差别(最小二乘意义)最小。如果待定函数是线性，就叫线性拟合或者线性回归(主要在统计中)，否则叫作非线性拟合或者非线性回归。表达式也可以是分段函数，这种情况下叫作样条拟合。而插值是指已知某函数的在若干离散点上的函数值或者导数信息，通过求解该函数中待定形式的插值函数以及待定系数，使得该函数在给定离散点上满足约束。插值函数又叫作基函数，如果该基函数定义在整个定义域上，叫作全域基，否则叫作分域基。如果约束条件中只有函数值的约束，叫作Lagrange插值，否则叫作Hermite插值。从几何意义上将，拟合是给定了空间中的一些点，找到一个已知形式未知参数的连续曲面来最大限度地道近这些点；而插值是找到一个(或几个分片光滑的)连续曲面来穿过这些点。2．2．1擂值插值法是古老而实用的数值方法。插值法是函数逼近的重要方法。在生产斗争和科学实验内，函数f(x)有时是不能直接写出表达式，而只是给出了函数的若干个值或导数值。例如给定了函数f(x)在【口，6】互异的n+1个点的值／(t)(i=0，l，．．．，I't)，或称为给出了函数的一个表。我们的任务是根椐这个表，寻求某一函数≯(x)去逼近f(x)。如果要求≯(工)在Xl处f(x)相等，就称这样的函数逼近问题为插值问题。称庐(x)为f(x)的插值函数。Xi称为插值节点。也～是说，插值函数妒(x)在11+1个插值节点处相等，而在剐处一让妒(x)近似地代替f(x)。寻找这样的函数妒(x)，其办法是很多的，妒q)既可以是一个代数多项式或三角多项式，也可以是有理分式：妒(x)既可以是任意光滑函数。自然，选择g(x)的函数类不同，逼近f(x)的效果就不同。所以，插值问题的第一步就是根据实际问题选择恰当的函数类。如果选择的函数类为代数多项式，就称为代数插值问题。本章将详细介绍这一个问题。插值问题的第二步是具体构造妒(x)的表达式。如果是代数多项式，由于插值条件是n+1个，即 华中科技大学硕士学位论文／(，)=g(，)，i=0，1，⋯，"(2一1)自然的，就将妒O)取成是n次多项式g(x)=anX“+an．iXn．1+⋯+aIX+ao(2-2)式(2．2)包含13．+1个待定插值n+1个待定参数，刚好由式(2．1)的n+1个条件确定，也就是说确定插我值函数最朴素的方法是待定系数法，从代数的观点看，就是解n+1元的线性方程。当然，插值问题是否可解，如果有解，解是否唯一；插值函数≯(x)逼近于f(x)的误差如何估计；当插值节点无限加密时，插值函数是否收敛于f(x)，这一个问题又称插值收敛问题。从计算的观点看，插值问题，就是用一简单函数≯(x)在某种误差范围内近似地代替f(x)。由于妒@)的表达式简单，从而使插值问题有广泛的应用。例如当f(x)的表达式复杂或者是由一个表给出时，其对f(x)的积分或微分可近似地认为』m)出*Ig(x)ax，丢如)(2-3)对于外形设计及微分方程的数值解，插值法也有重要应用。下面简要介绍几种插值方法：a．拉格朗日多项式称仃次多项式见@)=％厶+y，‘+⋯+儿‘=∑儿‘为拉格朗日插值多项式，其中基函数似，=等蓑葛等等筹龋任。，(f=0，1⋯．，玎)当n=1时，线性插值A(x)=ydAx)+Yk+。‘+。(z)，其中基函数tax)=监，¨x)=兰(2．5)工I—Xk+1Xk+l—JI当”=2时，得N-次多项式，就是二次插值。拉格朗日插值多项式的余项为16 华中科技大学硕士学位论文R(x)=，(工)一p。(x)=二21：；；：i：；j：Pc％。(x)(2-6)其中f∈(口，b)注意：过玎+1个互异点，所得的多项式应该是次数不超过”的多项式。b．均差与牛顿插值多项式函数值与自变量的差商就是均差，一阶均差厂(Xo，XI)：丛亟上型(或记作fIxo，xl】)；二阶均差，(‰，而，也)：』坚吐至上』垒卫生(或记作，[‰，一，屯])均差有两条常用性质：(1)均差用函数值的线性组合表示；(2)均差与插值节点顺序无关。用均差为系数构造多项式，就是牛顿插值多项式M(。)=f(xo)+厂【‰，一】(x—xo)+f[xo，耳，t](z一嘞)(x一一)+陀．71⋯+_，【Xo，xl，屯，⋯，XnJ(z—Xo)(X—xI)(x一屯)⋯(工一X。)牛顿插值多项式的余项为兄(工)=，(工)一^0(工)(2-8)=f【z，XO，工l，X2，⋯，xA(x—Xo)(X—X1)(x—x2)⋯(z一％一1)(x—x。)c．分段线性插值已知H+1个互异节点Xo．而，．．．Xn构造一个分段一次的多项式p@)，且满足：(1)p(x)在【口，6】上连续：(2)p(xD=儿(七=0,1～2．．，珂)；(3)p(工)在k，xk+1】上是线性函数。分段线性插值函数p(x)=∑Y／i(x)其中Ik(x)(k=0,1～2．．，n)是分段线性插值基函数。fo(x)=1Ixx。--ixxz．xXo。s1．0V／s为判据确定失超起始点。经计算得出：各组实验的初始失dr超电流t均为77安培。由此可知，在电流峰值达线材II缶界电流的4～5倍范围内，过电流的大小(孚的变化)对线材的临界失超电流没有明显的影响f2】。dr以第9、13组实验为例，初始失超电流f，对比如图2．4所示。Vmsums第9组第13组图2．4第9、13两组的初始失超电流对比图b．，一f曲线分别计算各组实验中，各采样时刻的电阻值，作出r—f曲线，结果如图2．5所示。将1、2、3组实验的r—r曲线作局部放大，如图2．6所示。a点图2．5第1—17组实验的，-t关系圈图2．6第l一3组实验的，一f关系图 华中科技大学硕士学位论文==========；===========；==；======：一：!c．霉一r曲线at为进一步深入分析r一，曲线，分析该电阻对时间的变化率与时间的关系。以第6组实验为例，其r一，、皇三一，关系圈如图2．7所示。t／ms图2．7第6组实验的r—r、idr—f关系图drldt在刚失超时从零开始上升，当上升到某一时刻t，时，drldt出现最大值(dr／dr)。。，之后呈现下降趋势，但此时失超电阻值，仍在增大，直到dr／dr为零，电阻到达最大值。对各组实验分别计算，。和(毋／出)。的值，结果如表2-2所示。表2-2l一17组实验中i。。tm、(dr／dt)。。的值组●(dr／击)。组●Jm“fm，mxrm(dr／at)一号(A)(ms)(列s)号(A)(ms)(剑s)197．20．340．0006101920．753．48292．70．470．0111205O．703．9031101．220．20122290．634．654119l_21O．5013252O．136．0651271．200．8214273O．2l6．7961361．131．17152950．496．9471501．001．75163400．358．2381650．892．3817381O．399．359180O．822．89 华中科技大学硕士学位论文d．失超三阶段理论由衷2-4．2可将l—17组实验分为三大组，1、2组为A组，3一12组为B组，13—17组为C组。其中A组具有极小的(dr／dO,．,，C组具有相当小的f。。B组实验的(dr／讲)一随屯。的增大而增大，f，随f～的增大而减小，如图2，8所不。在B组，失超电阻的变化可分为三个阶段，即初始阶段、加速阶段和稳态阶段。在初始阶段里，失超电阻随着时间缓慢增大，在加速阶段里，失超电阻开始急剧上升，在稳态阶段里，失超电阻基本不变。以其中第6组实验为例，失超电阻与失超时间的关系如图2．9所示，时间的零点是失超的起点。j哪／A图2．8B组实验的(dr／dt)．,。一f。，、t。一f。关系图rims图2．9第6组实验的，一，关系图从B组数据可以看出样品中常态区域的发展模式。显然，电阻呈现三段的模式与常态区域的发热量和样品周边的液氮的冷却因子相关。对此，尚需进一步进行分析。对于A组，r、drIdt均很小，失超电阻的发展进程在初始阶段即已停止，可以认为失超仅在样品的局部发生。以第2组实验为例，失超电阻与失超时间的关系如图2．10所示。在c组实验中，失超不经过初始阶段，直接从加速阶段开始。以第13组实验为例，失超电阻与失超时间的关系如图2．1l所示。 华中科技大学硕士学位论文图2．10第2组实验的r—f关系图图2．】1第13组实验的，一，关系图2．4．3结论和讨论l在所试验的电流变化范围内，电流的大小对线材失超电流值没有明显的影响。单位时间内，电流增大得越快，失超电阻产生的热量越大，从而引起的局部温升越大，进而导致失超电阻增大得越快。因而在其它条件相同的情况下，dildt越大，dr／dr越大；同样的，电流越大，失超电阻产生的热量越大，从而引起的局部温升越大，进而导致失超电阻增大得越快。因而在其它条件相同的情况下，f越大，dr，，dr越大。A组实验失超初始时的dildt极小，接近于零。而且随着失超的发展，dildt逐渐变化到零，f的增加也相当小。故失超电阻的增长极其缓慢，只停留在了初始阶段。B组实验失超时的dildt较大，但初始时f还较小，热量积累不会太多，失超电阻的增长仍是较为缓慢的，此时为初始阶段。随着f的进一步增大，热量积累迅速增加，失超电阻的增长进入加速阶段。继而随着失超的发展，虽f较大，但dildt逐渐变化到零，热量积累减缓，drldt逐渐减小，失超电阻的增长进入稳态阶段。c组实验失超时的dildt很大，迅速完成了热量积累，失超电阻的增长直接进入加速阶段。2．5结论运行于电力系统中的超导电力装置不可避免会遇到诸如系统短路故障等各种动态过程，需要承受短路大电流，不平衡电流的冲击以及由此而产生的电磁、机械应力的作用。这种作用均会诱发超导电力装置的失超。根据本文所得结果，对于A、B组的情况，如果在初始阶段检测到失超的发生，30 华中科技大学硕士学位论文；；================================一=：：一：可大大增加失超保护的可靠性。而通过检测dvldt或drldt可有效探测到失超的发生。这对于高温超导线材的失超检测和保护是有重要意义的。而对于C组，失超过程发展迅速，几乎没有缓慢发展的初始过程。失超的及时检测相当困难。因此在实际应用中，应该防止大于导线通流能力3～5倍以上的故障电流通进超导电力装置。 华中科技大学硕士学位论文3超导电力装置的失超检测3．1失超检测的原理当磁体中出现失超点时，该局部会有温度升高并产生失超电阻。导体温度的升高会导致冷却介质温度随之而升高，从而引起其体积的膨胀，它会带来两方面的影响：一方面，导管内壁所受压力上升，压力信号变化：另一方面，冷却介质各部分之间的作用力会发生变化，进而冷却介质的流速会变化，流速信号变化。失超电阻的产生又导致了阻性电压的产生，即电压信号发生变化。由以上各个信号的变化，可相应地得出失超检测的某种方法，分别依次为：温升检测、压力信号检测、流速信号检测、电压信号检测。其中，由直接的电压检测法发展而来的桥式电路检测法最为常见。且在桥式电路的基础上，根据不同的需要，可再做改进。由于这种种变化归根结底都是磁体内部的状态发生了变化，这可以用超声波检测到，故又可以采用超声波检测法。如图3．1所示。图3．1失超检测方法原理图 华中科技大学硕士学位论文========；==========；=======口===一13．2高温超导磁体失超检测方法3．2．1温升检测在导体失超时，电阻的热效应会导致局部热量积累，导致导体温度升高。温升检测就是通过测量导体的温度变化来检测是否有失超发生。其优点为原理简单、结果直观。其缺点为：(1)低温温度计的性能还不完善；(2)原始失超位置的不确定性，需在超导体上平均地分布许多温度传感器；(3)对于外界的热量扰动太敏感，容易误判。因而，温度检测法在实际应用中并不多见。3．2．2压力信号检测超导体失超后，流过电流时会有明显的热效应，冷却介质温度上升，体积膨胀，导管内壁所受压力也会随之上升，可采用压敏传感器，将低温容器内压力的变化情况作为检测是否有失超发生的信号。该种方法处在研究阶段【40】。3．2．3流速信号检测设备正常运行时，冷却介质的流动由超导体两端的电动机驱动，流速恒定。当超导体的某一部分失超后，局部热量积累导致局部冷却介质膨胀，影晌了流体各部分之间的作用力，流速发生变化。在超导体两端安装特定的流速计，检测冷却介质流速的变化情况，就可判断出超导体中是否有失超发生。以强制流动的铠装电缆(CIC)磁体为例，对其流速进行研究，得出以下结论：自失超开始起，冷却介质的温度与时间的关系，如图3．2所示： 华中科技大学硕士学位论文T图3．2冷却介质的温度与时间关系图表达式为：丁2丽1P一石‘3-1’令—OT(Dh—／2,t)；0(3．2)a解上述方程得r，：生(3．3)7盯21F¨。’此时得到最小流速砘与正常流速“。的比为生Zlo=1一_ZgcLgUo(1n风一ln角)(3·4)其中，以为圆柱体直径，o为冷却介质在一定压力下的比热容，^为冷却介质的热导率，POTMPl为冷却介质在瓦、正下的密度，”。、砘为冷却介质在瓦、瓦下的流速[41l。根据得到的最小流速设置一定的流速阀值，可有效判断出超导体中失超是否发牛。3．2．4超声波检测在超导体冷却介质输入端加一个超声波信号发生装置，输出端加一个超声波信号34 华中科技大学硕士学位论文接收装置，通过分析输入与输出之间传递函数的变化来确定是否有失超发生。从实验运行结果看，当磁体内部状态不发生改变时，传递函数不变化：当磁体的状态发生改变时，即超导体发生失超时，传递函数也随之变化。超声波检测法具有灵敏度高、动作可靠的优点。这种方法对电流和温度变化都很敏感，能在超导体出现局部热量积累或绝缘损坏而尚未发生失超时观测到传递函数的变化，预先采取一定的措麓将失超损失减到最低”“。3．2．5电压检嗣最基本的电压检测方法为直接进行匝间电压检测，采用这种方法，不仅可以检测出线圈中是否有失超发生，还可以根据预先测得的不同区段失超时线圈端电压随时间的变化曲线，确定出原始失超位置。这种方法的缺点是在每匝线圈上都需安装电压传感器，而且当系统中存在电磁噪声时，灵敏度不高。针对上述缺点，提出了桥式电路检测法，在磁体线圈上安装中心抽头，并设置电路如下：r图3．3桥式电路检测法的原理图桥式电路在经过第一次仔细的较正后，必须以低于0．5％的误差平衡，此后，电桥可保持数年不变。它较之匝间电压检测要方便且易实现，不需要安装电压传感器。但是，桥式电路同样存在噪声干扰的问题，而且，对于交流电路，外接电阻会消耗一部分能量。为解决这一问题，需要对桥式电路进行改进，下面提出一种新的电压检测法，即有源功率检测法，它对交流和直流电路同样适用，且不受噪声的影响。原理图如图3．4所示： 华中科技大学硕士学位论文1V其中．三Ll象a)L，Bs，2=(1一，1和吩为两半绕组失超后产生的电阻，设置a=O．5a定义P=(Vl一’2)f(3-6)未失超时，‘和r2均为零，故P值也为零。失超后，P=(_-r2)i2，即除了‘=r2的情况，失超均可通过P值检测到。‘=r2是极其罕见的特殊情况，通常可不予考虑。但是，通常监测时，P的信号里不免会有噪声，例如电磁噪声，即实际的P附加了一个噪声信号。设i=Isin(研)，(设。为无穷大，即为直流时的情况)故P=(‘一rDl2／2-(r,-r2)l2／2xcos(耐)+NOISE(3-7)其中，右边第一项为直流分量，第二项为交流分量，第三项为高频噪声信号。即使在rl和r2为零的情况下(线圈处于超导态)，由于高频信号的存在，P不为零。可能会导致失超错判。这时可附加一个低通滤波器LDF。它不允许高频噪声信号通过，对交流分量也会在一定程度上降低其幅值，但直流分量可以完全通过。足以检测到失超信号，且没有噪声干扰。图3．5为它的原理框图。这种检测方式简单且低耗f43J。VlV2●1图3．5除噪声原理框图失超信号 华中科技大学硕士学位论文在实际中，不一定要将a设置为O．5，如果a不为O．5时，只需对V2串联一个放大匀系数为去的运算放大器就可以了。J·o这是对于单个磁体的情况，但如果为多个磁体呢，那就应在上图的基础上再加以改进。只需对电压差测量环节进行改进即可。以两同轴但垂直方向上有偏移的线圈为例来说明如下：将线圈1分为三段，线圈2不分，设线圈1各段的自感分别为口111、口121、d131，线圈2各段的自感为0212,线圈1各段与线圈2的互感为a112、口122、口132。改进后的电压差环节为I删其中而推导如下：图3．6电压差环节图G．：一纽，G：：一纽q3l“131Kl2QIIIX十口112Y+rlilK2=G121X+口122J，+，2fIK3=a131x十d132y+吩flx=鲁y=鲁。2iy2iV(3-8)(3．9)(3．10)(3-11)(3．12)K氓州，砜一等％(3_13)=(all2-孝amm"(n一等删，口13l口Ⅲ．37 华中科技大学硕士学位论文％=K：+G：K，=K：一旦盐K，口13l(3．14)=(口122一!且口132)y+(吒一!盟屯)fl：-713147131因而，设G3：一旦＆[竺世堕(3．15)口}22a131一：t}2Jal32可得：V=巧+G3V2=【(^+Gl，3)+G3(屹+Gj，3)k(3．16)故最终可得：P=Vi。=b+Gir3)+G，(r2+G2，3)112(3．17)当(‘+Glr3)+G3(r2+G2r3)=0时，P=O，但这是一种特例，可不予考虑。噪声的影响及除噪的方法均与单个磁体一致。该方法可有效地检测到失超电阻的产生，从而有效地检测到失超的发生【45】。3．3数字式失超检测方案设计近年来，国外已经开始了对数字式失超检测方案的研究和应用。在费米国家加速器实验室(FNAL)的垂直磁体测试装置(VMTF)中，已经过充分测试并完全集成了一套实时检测超导磁体失超的数字式检测系统。该系统中用到的数字技术是由运行于摩托罗拉POWER型个人计算机V／VIE(由Motorola公司于1981年推出的第一代32位标准总线)处理器上的数字信号处理算法实现的。该数字系统较之模拟系统的性能要更好，尤其是在失超检测方面。它可在最短的时延下可靠检测到阻性电压，而且比模拟系统更为灵活。下面以该系统为例介绍数字式失超检测方案设计【46J。3．3．1总体介绍该装置的失超处理系统有两大主要部件：失超逻辑硬件和失超检测系统。失超逻辑硬件控制供电源、放电和加热器供电源，当失超检测系统提供失超触发事件时，启动磁体保护，并记录数据序列。出于特定触发目的，数字式失超检测系统可设置多个失超阀值，各频道设置是可 华中科技大学硕士学位论文========={；=======≈==；；=======一==一：编程的，它能实现数字平衡，并可通过图形用户界面来控制。来自磁体的一系列的模拟电压信号在经过一个消除混叠现象的保真滤波器后，再通过模数转换器变为数字信号，继而由cpu对其进行数字处理。这些模块与其它失超处理硬件一同放置在同一个机箱里，以便信号的快速通信。该实时数字失超检测系统设计的重要参数包括中央控制器负载、模数转换器性能规格、保真滤波器灵敏度以及数字滤波器规格。a．模数转换器规格用于该系统的模数转换器为16位、8信道(可扩展为256信道)，具有内嵌式采样．保持电路的逐次逼近装置。每信道有不高于10伏的差分输入。输入放大器每个信道有4个可编程增益。最大合计转换速率为409．6kHz。为使数据能流入处理器中，需要对模数转换器写一个VxWorks驱动程序。通过滤波来优化数据流入处理器的方法，以减小cpu负载。灵活控制数据的采样、抽取和滤波。b．保真滤波器参数系统的模数转换器为采样．保持装置，因而必须存在保真输入滤波器。出于此目的，装入了一个8信道、5阶、零误差的贝塞耳滤波器。选定的截断频率为IKHz，测量得阻带噪声为60分贝，虽然临界折叠频率大约为9KHz。在这个系统的设计中关注的一个主要的问题是使用于判断失超的信号群延迟最小化。较长的群延迟意味着失超后更迟才能放电。该群延迟将增加试验磁体由于高的对地电压或过度的焦耳热而烧毁的可能性。系统中有八个独立的贝塞耳滤波器，每个模数转换器输入信道一个，截断频率选得足够高。这样滤波器匹配就不是问题了，数据群延迟要保持最小化。测量所得的数据群延迟为0．23毫秒。c．FIR滤波器设计要求磁体线圈中产生噪声的主要原因是电源。在VMTF系统中，主要的噪声成分是720Hz，虽然也有一些其它的成分。对720Hz噪声有两点要关注：1．该频率没有被贝塞耳滤波器大幅衰减；2．衰减过的噪声会由于两个信道的微小相差而存在。既然720Hz是电源产生的唯一的噪声成分，应该对其采取措施来衰减。其它任何 华中科技大学硕士学位论文噪声的存在都应该从根源上除去。须加入了截断频率足够低、可以除去720Hz噪声的数字滤波器。同样的数字滤波器将处理八个信道，故各群延迟要精确匹配。因此嵌入了FIR滤波器。考虑到它是因为它的群延迟非常小。其固有的稳定性更增加了它的吸引力一随着加热器带的放电，产生了一个尖峰信号。如果滤波器不稳定，可能会导致误触发。对FIR滤波器的要求包括如下：I．尽可能地滤去720Hz；2．电压抽头的数目最小化；3．最小化增益误差和过调量。d．FIR滤波器性能特性FIR滤波器抽头采用Parks．McClellan算法。预期抽样率为12KHz到18KHz之间，这样可将群延迟降到约lms，且只需要40个或更少的抽头。对滤波器作阶跃响应的连续测试，可进一步优化其设计参数。该设计频带边缘是从0．0到0．0082189和0．049565到O．5。频带增益为，频带1是1．0，频带2是0．0，并且其权重为，频带l是l，频带2是18．0。优化后40抽头的FIR滤波器没有了过调量且增益误差为O．0003％。阻带削弱为50分贝。e．数字失超检测处理器本系统所用的处理器是MotorolaPowerPCVME处理器(MVME．1604．022)。主频为133MHz，内存为16M，256K的L2缓存。该处理器与失超处理系统中的全部失超模块相连，同时也与本分布式处理环境中的另外几个模块相连。它对流入的模数转换后的数据进行数字处理，并给失超处理系统提供失超触发。它运行滤波、数字衰减、阀值检查、产生触发事件和平衡。￡数字失超检测程序失超检测软件是用“C“来编写，并运行于VxWorks(实时)操作系统下。为预防失超时延，必须以极高的优先权平行进行独立的循环处理。例如，数据以与FIR滤波器相匹配的数量从模数转换器中流入中央控制器。这些数据被以大于10KHz的某个频率抽样，但这些数据以某个由用户决定的频率抽样后送入中央控制器。失超处理具有极高的优先权。循环处理程序等待滤波后的数据到达，继而给硬件一个推动力，这大约需要8．2微秒的时间。然后，失超处理程序作阀值检查，继而返回等待来自模数转换器的更多的数据。 华中科技大学硕士学位论文g．数字失超检测设计优化模数转换的最小采样频率是由奈奎斯特判据决定的，因而需要确定去伪动态范围的衰减幅度。例如，如果期望的衰减幅度是60分贝，那么其相应的频率为9KHz，将需要一个最小的模数转换采样率为18KHz。对本系统而言，合理的衰减目标为50分贝到60分贝之间。这样模数转换采样率为12KHz到18KX-Iz之间。最终选择的采样率为11，520I-Iz。FIR滤波器的阻带响应为50分贝，更高采样率的贝塞耳滤波器而言也几乎没有增益。另一个作此选择的好的理由是，在这个采样率下，FIR滤波器的第二个衰减峰值发生在720Hz，该频率的下有78分贝的衰减。另外，11，520Hz是15Hz的公倍数，它发生在电源总线上，是由外电源一增益环引起的。因而，15Hz和它的多个谐波的离线滤波会在离线分析中更有效。FIR滤波器在这个采样率下的处理群延迟为1．6微秒。加上贝塞耳滤波器的群延迟，共为1．83微秒。1800Hz的抽取采样率是据中央控制器负载来选定的。因为失超决策是建立在这个数据速率的基础上的，该时间分辨率为0．56微秒。在12400安的电流下峰值噪声大约为15微伏。这较之300微伏的阀值设置来说是相当好的了。该系统的最主要的优越性是它的灵活性。例如，它很容易用【47】中所示的软件失超检测系统来检测【48仲的高温超导引线。同样，由于它可以产生多个触发事件，其它DAQ系统可以在很低的阀值下触发以达到磁体研究的目的。但是，这套装置要直接应用到超导电力系统中来还需要改进，由于电力系统中的超导电力装置必将遇到诸如系统短路故障等各种动态过程，承受短路大电流、不平衡电流的冲击以及由此而产生的电磁、机械应力的作用，因而对失超检测的反应速度要求较高。3．3．2对该系统的改进数字信号处理技术的快速发展以及高集成度高速的控制专用数字信号处理芯片DSP的出现使得电流控制的数字化成为未来的趋势。由于失超检测要求反应时间迅速，故选用具有高速处理能力的DSP芯片。美国TI公司推出的数字控制器TMS320F240不仅包含DSP内核，还含有控制型的功能部件，从而将DSP的高速运41 华中科技大学硕士学位论文算能力与高效控制能力集于一体，其执行速度高达20MIPS，几乎所有的指令都可50ns内完成，可以达到SMES失超检测对时间的要求。a．硬件设计149】150】作为系统管理器，DSP具备强大的片内I／O和其他外设功能．TMS320F240具有面向应用优化的外设单元和高性能DSP内核的结合。从对TMS320F240的介绍中可以看出，用它很容易构建一个控制系统。图3．7为基于它的控制硬件框图。以下对其中重要部分作出说明：(1)采样电路A／D转换器是TMS320F240内含的模块，此A／D转换器模块包括两个带有内部采样和保持电路的A／D，每个A／D转换模块可同时测量两个模拟输入，每个A／D转换器最小总转换时间为6．6us。因为A／D转换器能接受的电压范围为O--5V，故必须将由电流传感器检测的电流(转换为电压量)成比例的转换到这个范围内。f21数字FO端口数字I／0端口模块为控制专用I／0引脚(至F240的外部和内部I／0)和共享引脚的功能提供了一种灵活的方式。这些寄存器可分为3类：输出控制寄存器，输入状态寄存器，数据和方向控制寄存器。在本系统中作者主要是通过观察I／O引脚的调变来监视系统的故障状态来决定是否触发失超保护。图3．8为以F240为核心的电路图。图3．7基于TMs320F240的控制硬件框图图3．8以耵订S320F240为核心的电路图b．软件设计系统的主程序部分主要是对控制软件进行初始化，设置F240的功能模块的工作方式。初始化工作完成后，系统进入等待状态，等待各种中断产生，进入中断服务子42啪量I鑫笪一里 华中科技大学硕士学位论文程序以产生控制信号。如图3．9，当检测到失超信号时，触发失超保护。可以看出，用DSP来实现失超检测，硬件电路更简单，实时性更好，也更灵活。3．4结论图3，9系统主程序流程图由于电力系统中的超导电力装置必将遇到诸如系统短路故障等各种动态过程，承受短路大电流、不平衡电流的冲击以及由此而产生的电磁、机械应力的作用，故超导电力装置的失超检测与常规超导磁体的失超检测是有所区别的。最本质的区别是对失超检测的反应速度要求较高。随着数字信号技术的发展和成熟，数字技术已开始应用于超导磁体的失超检测，这大大有利于提高超导电力装置的失超检测的速度。在温升检测、压力检测、流速检测和超声波检测等各种检测手段中，温度信号、压力信号、流速信号和超声波信号均需要经过一定的转换才能变为电信号。只有电压检测法检测的信号可直接应用于数字式失超保护系统中。另外，温升检测、压力检测和流速检测还分别受到低温传感器、压敏传感器和流速传感器的性能的限制，其检测速度和检测可靠性都存在瓶颈，而且 华中科技大学硕士学位论文检测成本较高。超声波检测法由超声波的性质决定了易受到声波的干扰产生误动。故电压检测法对超导电力装置是相对较好的一种失超检测方法。电压检测法也有其不足，如当超导电力装置的失超电阻较小时，失超就较不易检测到。而其它检测方法在这方面有一定的优势。这就需要我们根据具体的装置和技术要求，选择合适的失超检测方法。同时，还可以结合第二章所提出的高温超导线材失超三阶段理论，以检测dvIdt或drIdt为原理，以数字信号处理器为工具，做成一套失超实时检测系统。——————————————————————————————————————一44 华中科技大学硕士学位论文4含超导装置电力系统的失超保护4．1失超保护的定义及原理从狭义的角度讲，储能磁体的失超保护就是快速检测到失超、在对磁体不造成永久损坏的情况下卸放储能。从广义的角度讲，则可以定义为从设计、制造和运行中避免～切可能的结构和电气方面的失效的措施【5”。磁体的失超传播对失超保护是有利的。某些情况下，可应用近似公式来判断自然的失超传播是否能够保持磁体温度和电压足够低。如果可行，则磁体可实现自保护。但是鉴于高温超导磁体的电流密度和能量容量较大，自保护在很多情况下行不通，需要采取一定的措施以保证失超时磁体的安全。这些措施一般分主动和被动两大类。主动保护技术利用外加装置转移大部分能量，被动保护技术则依赖于加速磁体的失超传播来保护磁体，能量在磁体内部消耗。4．2超导电力装置失超保护各种方案阐述超导体失超后，阻抗中就含有电阻分量，通过电流时导体发热，造成液氮／液氮挥发，低温容器内压力升高，对器壁的强度提出了严峻的挑战。因此，超导电力设备都应配有失超保护装置。针对不同的超导器件，失超保护的侧重点不同。超导储能当储能线圈失超时，若不采取保护措施及时转移所储存的能量，大量的能量将在超导线圈所组成的闭合回路内释放，烧毁磁体。因此，超导储能装置的失超保护重点是释能。超导变压器的传输能量远大于线圈自身的储能，不存在磁体烧毁的问题，失超保护的目的是使线圈尽快恢复超导态。超导电机定子和／或转子绕组上的储能不大，与超导变压器相似，失超保护的侧重点是如何使线圈更快地进入正常态。为了提高超导电机运行稳定性，减小失超事故发生，在电机出口处宜安装超导储能装置，容量约为超导电机容量的10％左右。4．2．1主动保护技术常用的主动保护技术是将能量转移到移能电阻上。图4．1给出一个由开关和外部阻尼电阻组成的最简单的保护电路。图中，t为移 华中科技大学硕士学位论文=======≈===；========％===；=；==2===≈==一能电阻，＆为失超后等效电阻，S为开关。在检测到失超时，开关打开，电源置零，电流通过也衰减。即使在t=，口时也比如小的情况下，尼也能决定等效衰减时间r=￡(R+＆)～，从而决定最高温度。原因在于R。在失超开始时总比如大，失超初期已经释放了部分能量。外加移能电阻的选择主要取决于磁体的电气绝缘质量。外加电阻越大，线圈内热毁坏的可能性越小，但同时过电压引起的危险就越大。故要根据实际要求选取合适的外加电阻值。图4．1最基本的移能电阻保护法图4．2移能电阻保护法的另一种形式图4．2是移能电阻保护法的另～种形式，在杜瓦内串联了冷二极管。图中，足为移能电阻，&为失超后等效电阻，S为开关，血为开关S并联电阻，其值远大于R。一旦失超，电流源被置零，开关断开后二极管立即达到了圈值电压，电流转移到二极管支路。能量在Re中消耗‘521。4．2．2被动保护技术被动保护技术的本质是依赖于加速失超传播来达到保护磁体的目的。分段电阻法、感应耦合法和加热器法都是基于这一原理。被动保护方式是使能量全部消耗在磁体中，这必然引起液氮大量挥发，因此一般用于能量较小的磁体。分段电阻法通常可采取分段并联电阻来实现，即将超导线圈分成若于段，每段并联一个电阻，电阻可以安置在低温容器内，以减少从低温容器到外部室温空间的连接导线。如果在线圈某一段内出现常态区，那么由于正常电阻使这一段电流衰减，而线圈各段是紧密耦合的，因此将促使邻段电流增大并失超，这种连锁反应将使超导体的局部失超迅速传遍整个磁体【3引。 华中科技大学硕士学位论文MI图4．3感应耦合法感应耦合保护法如图4．3所示，图中，也为移能电阻，％为失超后等效电阻，S为开关，在能量释放回路之外增加一个应耦合电阻风’。感应耦合电阻风’多由大型螺线管的支撑圆柱体或其它构件组成。主电流的变化磁耦合N-次电路后，对Rs"加热。该热量用于加速失超传播152]。失超加热器包括储能电容器、激发电路和到杜瓦里的引线。其作用也是加速磁体热传播的速度。当失超发生时，激发电路触发加热器工作。因为热量必须尽快到达线圈，故加热器区域必须与线圈有着紧密的热接触。加热器在大型超导磁体中有着极其广泛的应用153J。4．3超导电力系统的失超电流水平的配合及裕度研究目前，电能的需求在未来将不断地增长，并且随着信息系统的发展和对高可靠性的电能传输系统的需求，电能的需求将集中在大的城市中。同时，电力设备将被设计成大容量，而且在需求量大的地方和偏远地区的分布不均匀。连接大城市和电能设备的电能传输线需要有大的容量和高的可靠性。作为一种传输方案，超导电能传输技术被认为是有前途的。这将打破传输容量的限制，因为它不像常规电力系统中大电流引起高电压。构建一个所有电气设备都运行于超导状态的全超导电能传输系统时，热量渗透要被限制在最大量以下，冷却损失要尽量被减小。此外，整个系统要和外界分离开来，这样做之后，系统暴露于外界雷电之下的机会就会不存在，并且由此引起的雷电涌流的机会也不存在了。因此，它的优点是电力系统不需要考虑雷电涌流的绝缘要求，而雷电涌流在目前电力系统的隔离中是一个重要的考虑因素。此外，假如在系统中安装一个带有能关断低变化率电流的限流器的超导开关装 华中科技大学硕士学位论文置，那么它的开关涌流能被限制，而且没有必要去考虑开关涌流的绝缘。因此，雷电涌流和开关涌流就不存在了，这就达到了无涌流的环境。在这样的系统环境中，绝缘结构的水平比较底，仅仅满足系统的电压要求就行了。但是，有一个新问题，当通过大电流时，比如短路电流，电力设备的超导线可能会突然从超导态转变为常导体状态(后面简称为失超)，使系统不能正常工作。考虑到电流水平的配合，超导电力设备的失超电流水平的设置问题在系统运行中变得很重要。但是，现今还没有一篇专门论述电力设备电流水平配合问题的报告。因此，这个新的配合问题取代了以往的绝缘配合问题，在这篇文章中，我们认为在超导电力系统的设计中有必要考虑电力设备的失超电流水平的配合问题。此外，我们已经提出失超电流水平的配合与目前电力系统中的绝缘配合有关联性。接下来，我们将通过和目前系统中的绝缘配合的对比来进入到所提出的失超水平配合的研究中来。此外，我们已经进行了数百次的超导设备的，例如变压器，失超电流的实验。在这些测量结果的基础上，我们提出了失超电流水平配合的具体设置方法的概念。4．3．1超导电力传输系统中的失超电流水平的配合目前电力系统中的电力设备的绝缘强度是基于绝缘配合来设定的。图4．4给出了目前电力系统中的一个粗略的绝缘配合实例。避雷器是一种保护装置，是用来和诸如需要被保护的变压器之类的电力设备并联的。当一个具有极大峰值的雷电涌流或者开关涌流穿过传输线并向北保护的电力设备传播时，避雷器将减小涌流到规定水平，并防止被保护的电力设备的绝缘被击穿。另一方面，在没有涌流的环境下，包括雷电涌流和开关涌流，超导电力传输系统中还可能存在由于短路引起的过电流以及变压器励磁过电流。在超导电力传输系统中，当电流超过失超电流水平时，超导线将失超，并导致电力传输无法正常运行。因此，假如超导电力系统中出现了过电流时，必须在它的瞬间值达到失超电流水平之前迅速的控制住。为此，在超导电力系统中串联一种新的保护装鹭是有必要的。于是，超导电流限流器作为一种新的保护装置被提了出来。超导电流限流器被串联在输电线路中，它将过电流限制在一个可以接受的范围内，以此来防止被保护的电 华中科技大学硕士学位论文力设备诸如变压器和电缆中的超导线的失超。这里的问题是电力设备诸如超导线或者超导变压器的失超电流水平和电流限流器动作电流水平之间的相互关系。为了保护超导电力系统整体不失超，那么，电流水平之间的关系很有必要在下面进行讨论。图4．5总结了这一问题。fl——雷电明炭涌流Il——可承受的』f雷屯脉冲电压l鬻年麒J系黼／1I裕度——工一系统电匿l【—．．．．．．—．．．．．．．．．．．—．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。图4．4系统绝缘配合示意图图4．5系统失超电流配合示意图(1)在超导电力传输系统中，很容易做到传输传送比常规电力系统大的多的电流。因此，在向需求地区传输电能的过程中，我们可以在不引起更高电压的情况下，得到更高的传输电流。于是，假定某种额定电流被确定下来，使这种电能容量能持续传输。(2)为了防止变压器或者其他电力设备中的超导线失超，我们有必要考虑在系统中串联一种新的保护装置⋯超导电流限流器。(3)当由于短路故障或者其他原因引起的电流达到限流器的动作电流时，电流限流器应该进行保护动作。这一动作将迅速产生一个很大的阻抗，将过电流值抑制在可以接受的水平，从而防止被保护的电力设备的超导线失超。(4)对于过电流，比如短路电流，在经过限流器限流之后应该设定在什么水平将由系统的条件和限流过后限流器的自恢复特性来确定。(5)电力设备诸如变压器中的超导线的失超电流值设置的要比电流限流器中的动作电流值要高。这样设置之后，即使系统中出现一个更大的电流，但是由于限流器的限流作用，被保护的电力设备的超导线也不会失超。(6)电力设备的失超电流值和限流器的动作电流的比值m表示失超保护的裕度。I“∞“=m×IⅧ(4·1) 华中科技大学硕士学位论文=一IT-,===；======；=========；=≈=；====≈=======；===；=≈=；========；==；；=一注意：(i)假如m的值接近于1，那么裕度就太小了，而且整体的可靠性就变低了；(ii)假如m的值很大，这对于被保护的电力设备的超导线的失超电流来说，所设置的裕度太大了；并且(iii)m的值应该怎样设置在失超保护中很总要，在未来这～点必须考虑。(7)限流器的动作电流和额定电流的比值k是系统运行的裕度：I。=七×IⅣ(4．2)注意：(i)假如k太接近于1，例如，尽管由于过载而引起电流在瞬间超过额定电流值，这时限流器也会很灵敏的作出反应，开始限流动作：(ii)假如k太大的话，即使流过系统中的电流远大于额定值，限流器也不会动作；并且(iii)在系统运行中k值的设定是一个很重要的问题，这一点在未来系统中必须考(8)由于变压器的励磁涌流，限流器的动作电流的设定很重要。例如，如果想要尽可能的减小限流器的动作机率，那么动作电流应该大于励磁涌流。但是，由于动作电流不能设置的太高，所以，有必要通过降低超导变压器的铁心磁通密度或者通过调整电源闭合时的相位以抑制励磁涌流的方式来尽可能的避开限流器的动作。因此，为了防止超导电力传输系统中的超导线失超，我们很有必要对电力设备的失超电流水平进行配合。本文所提出的新闯题失超电流水平配合在常规电力系统中是不存在的。4．3．2失超电流水平配合于绝缘配合的相互关系在目前的电力系统中，输电线和电力设备的绝缘强度是根据绝缘配合来设定的，并且避雷器作为保护装置安装在系统中。与之相对照的是，超导电力传输系统的设置是根据失超水平的配合来确定的。作为一个具体的例子，在目前电力系统中，避雷器和被保护的电力设备并联起来，来防止线路和设备的过电压超过被保护设备的绝缘强度。避雷器在正常工作状态的电抗很大。当遇到过电压时它的电抗会突然减小，致使过电压得到抑制，而电力设备的绝缘就得到了保护。超导电力系统和常规电力系统有相关性。在超导电力系统中，失超保护是串联在输电线路中的，主要是针对流过线路和设备的大电流而非电压。超导电流限流器作为一个电力设备被串联在系统中来防止电流超过线路或者设 华中科技大学硕士学位论文备的失超电流值。超导限流器在正常态时呈现低阻抗，这和避雷器相反。但是，在发生过电流时，呈现高阻抗，这样过电流就被降低了，而且电力设备也不会失超了。4．3．3失超保护裕度m的研究a．失超电流的波动我们已经构造了一个小型的超导变压器和超导限流器，在工频下进行传输测试，并且进行了数百次的失超测试，并测出了失超电流值。通过测量结果发现，即使在相同的实验条件下得出的超导设备的失超电流值也有波动。因此，当失超时的电流有波动时，超导限流器的动作电流的设置应该考虑到这种波动。因此，利用小型的超导变压器和超导限流器，我们采用统计处理以往失超测试中得到的数据的方法从数量上来估算失超电流的波动。即使是相同的实验样品，超导设备的失超电流也会随实验条件的不同而不同。因此，测量数据按照相同样品以及其相同的实验条件来归类，这样就可以算出每一组的失超电流的平均值。进而确定了每组中的数据相对于平均值的偏差。最后，把所有数据相对于平均值的偏差用直方图表示出来。每个超导设备的失超电流的标准偏差大约为百分之五。通过相同的方法，我们可以研究其他超导变压器和组成变压器的不同超导线的失超电流的波动。我们的结果是，在所有的样品中，失超电流的偏差分布在百分之五以内。b．失超保护裕度我们给出了一个在失超电流配合中设置保护裕度m的方法。根据上面统计处理的结果，超导变压器和超导限流器的失超电流分布可以认为是保持在偏差为百分之五的范围内；其中有百分之99．7地数据分布在偏差为正负百分之十五以内。因此，可以认为，两种超导电力设备的失超电流都分布在正负百分之十五以内。为了避免两种设备的失超电流区的重合，I¨×(1-0．15)>I，m×(1+0．15)(4-3)也就是，，r，>1．35×，。一m(4-4) 华中科技大学硕士学位论文特别地，假如超导变压器的失超电流的平均值被设置为超导限流器失超电流的1．35倍的话，超导限流器就会在超导变压器之前失超，并且开始动作，防止超导变压器失超。因此，在超导电力设备的失超电流配合中，可以参考1．35倍这一数值。但是，这仅仅是我们从实验测量结果中得出的一个数值。所以，1．35倍的值在失超电流配合中是最好的方案。我们认为，在构造超导电力传输系统时，可以在对超导电力设备的失超电流波动的研究基础上具体设置失超保护裕度。4．3．4结论在目前的电力系统中，安装避雷器是为了保护电力设备的绝缘，避免他们遭受由于雷电涌流和开关涌流引起的过电压的损害，并且整个系统要进行绝缘配合的设置。另一方面，在未来没有涌流环境下的超导电力系统中，相对于反常电压绝缘保护来说，针对大电流例如短路电流的失超保护将成为一个重要的问题。而且，在整个超导电力系统中，有必要注意失超电流水平的配合问题。作为一个新的配合问题，我们在这篇文章中提出了“失超电流配合”的概念。我们通过对具体例子的解说来表明了失超电流配合与绝缘配合的相关性。而且，根据对目前超导电力设备例如变压器的失超电流的波动测量，我们表明了在失超电流配合中失超保护裕度能被具体确定的可能性，以及提出了一个将来讨论的方向。4．4结论在实际超导电力系统运行中，高温超导磁体的失超保护必须可靠且故障无碍。及时而有效的失超检测是失超保护的先决条件。有效的高温超导磁体失超保护系统是磁体和电力系统设计的一个组成部分。在使用这些保护时，应从稳定、保护、冷却等因素出发，站在全局的观点，综合考虑才能获得一个稳定、经济、安全可靠的超导磁体系统。同时，还可考虑将高温超导磁体的保护与电力系统的继电保护结合起来，通过重新整定距离保护的保护特性值来达到防止过流的目的，这样从根本上降低高温超导磁体失超的可能性。这方面还有待进一步的研究工作。52 华中科技大学硕士学位论文5．1总结5全文小结高温超导磁体的失超会影响超导电力设备的运行，是超导电力设备技术实用化的一个重要问题，不利于超导电力设备在电力系统中的广泛应用。及时地检测到磁体的失超并对失超后的储能磁体进行保护，是有待深入研究的课题。本文研究了高温超导线材的失超特性，探讨了高温超导磁体的失超检测及保护方法，并就未来超导电力系统失超检测研究提出了建议。本文的主要工作及取得的研究成果如下：1、总结了超导技术在电力系统中的应用及发展概况，阐述了高温超导磁体失超对超导电力应用的影响及解决高温超导磁体失超问题的重大意义。2、阐述了高温超导磁体失超的失超机理，深入研究了不同幅值过电流下的高温超导线材失超发展过程，创造性地提出了高温超导线材失超三阶段理论。3、总结了超导电力装置失超检测的方法，并结合高温超导线材失超三阶段理论提出了在初始阶段通过检测dvldt或drldt可有效探测到失超的发生。4、系统归纳了超导电力装置失超保护的方法。并研究了超导电力系统的失超电流水平的配合及裕度问题。5．2研究展望由于时间及人力关系，有很多工作需要进一步的加强，综合起来有以下几个方面：1、电阻呈现三段的模式与常态区域的发热量和样品周边的液氮的冷却因子相关。对此，尚需进一步进行分析。2、以检测drJ，dr或dr／dr为原理，以数字信号处理器为工具，可做成一套失超实时检测系统，其反应速度可望远超国外现有失超检测系统。3、可考虑将高温电力装置的保护与电力系统的继电保护结合起来，通过重新整定距离保护的保护特性值来达到防止过流的目的，这样从根本上降低超导电力装置失超的可能性。 华中科技大学硕士学位论文致谢在本文完成之际，我谨向所有关心和支持我的人们致以最诚挚的感谢!本文是在导师唐跃进教授的精心指导下完成的，从选题到最终完稿，无不倾注着导师的大量心血。唐老师严谨的治学风范、淡泊名利的人生态度、脚踏实地的工作作风和渊博的专业知识都深深地影响和教育着我。同时，他积极探索的科学精神、活跃的思维和敏锐的洞察力也极大地激励着我。导师对我的教诲将使我终身受益。在此谨向导师表示衷心的感谢和崇高的敬意!在本人读研期间，还有幸得到李敬东副教授在学习上的指导和生活上的照顾，在此也向李老师表示衷心感谢!谨向教研室的何俊佳博导、刘克富副教授表示衷心感谢!感谢余江博士、李艳博士和李啸骢博士给予的帮助!是他(她)们让我领略到了博士的渊博和无私!supercon我将终生难忘，这是我所在的超导电力应用研究与发展中心的网络域名。在这里我渡过了紧张而又充实的硕士生时光。感谢和我一起学习和工作的师兄、师姐、师弟和师妹们，课题组团结奋进、勇于开拓的学习和科研氛围是我前进的基础。我要感谢我的父母，是他们在物质上和精神的支持和鼓励使我完成了从小学到硕士19年的学业。我还要感谢我的妹妹，七年在外的求学生涯，是她在家里默默地承担着照顾父母的义务，使我得以安心工作。谨以此文献给所有关心和帮助我的人。喻小艳2003年4月——————————————————————————————————————一54 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