高温超导电缆保护理论与技术研究

论文摘要

近年来随着我国国民经济的高速发展,电力需求急剧增长,特别是迅猛发展的大城市和城市密集居住地区,对电能输送提出了新的要求。现有输电线路传输容量已不能满足日益增长的负荷需求,线路损耗难以降低,输电通道占地面积大,已形成大容量电能传输的“瓶颈”。为解决这一难题,迫切需要新的传输导体来担此重任。超导技术和电力技术的结晶-具有零电阻特性的高温超导电缆具有传输容量大、损耗小、灵活性高、占地空间小、无污染等显著优点,是解决电能传输“瓶颈”的较好选择。高温超导电缆的继电保护与运行状态在线监测是保证超导电缆运行安全的重要手段,也是高温超导电缆实用化过程中需要重点解决的关键技术问题。因此,高温超导电缆保护理论与实现技术的研究具有十分重要的理论和现实意义。论文介绍了超导技术和高温超导线材的发展现状,阐述了高温超导电缆的技术特点及其在电力系统中的应用,针对高温超导电缆的研究现状进行了综述,并对高温超导电缆失超检测与保护、高温超导电缆继电保护技术和监控装置的发展状况进行了讨论,在此基础上阐明了本文研究解决的主要问题和工作方向。高温超导电缆在过电流、冷却系统故障、本体故障等各种异常运行工况下,其温度可能发生较大变化,进而危及超导电缆的正常运行。论文根据高温超导电缆的结构特点,建立了高温超导电缆本体温度分布计算模型,在不同边界条件下分析了其稳态和暂态的温度变化情况,为进一步研究高温超导电缆失超保护奠定了理论分析基础。高温超导电缆的失超保护是超导电缆实用化进程中需要解决的关键技术之一。产生超导失超现象的机理复杂,涉及到的问题很多,其中,短路电流引发的失超故障将对超导电缆的安全运行构成极大威胁,也是失超保护研究的难点。论文重点就短路电流与超导电缆温升之间的变化关系进行了深入的理论研究,提出了基于不同电流大小的高温超导电缆综合保护方案以及具体实现方法。上述研究为失超保护的工程应用奠定了坚实基础。高温超导电缆与传统电力电缆不同,外部短路故障产生的过电流可能导致高温超导电缆由于短时失超而被切除。鉴于高温超导电缆输送容量大,为了提高其供电可靠性和整个电网并列运行的稳定性,有必要增设自动重合闸装置。论文阐述了高温超导电缆自动重合闸的设计原则,提出了一种基于超导电缆温升的自适应式重合闸配置方案和实现方法,通过仿真计算,验证了所提方案的有效性。高温超导电缆的电气参数计算是进行保护配置方案分析的重要基础,对相关研究也具有重要的参考价值。论文以昆明普吉变电站高温超导电缆为例,对其主要电气参数电感和电容等进行了分析计算,并与现场实际测量值进行了对比校核,验证了计算方法的正确性。在此基础上,对高温超导电缆的短路暂态过程进行了仿真研究,并与常规电缆线路的故障暂态特性进行了分析比较。与架空线路和常规电力电缆相比,高温超导电缆电阻很小、分布电容较大,会对保护特性造成影响,在高温超导电缆保护配置中必须加以考虑。论文建立了基于分布参数的高温超导电缆线路模型,提出了高温超导电缆分相电流差动保护方案,讨论了将架空线路差动保护中的电流补偿方案直接应用于高温超导电缆的可行性,并对无电容电流补偿、电容电流半补偿、基于贝瑞隆模型等不同差动保护方案的动作性能进行了仿真分析。论文结合863项目-昆明普吉变电站高温超导电缆系统的工程实际,在国内首次研制了一套实用化的高温超导电缆监测与保护系统。迄今,该系统已投入现场运行一年多,取得了良好的运行效果。文中阐述了该系统的功能特点、硬件结构、保护策略和软件流程等技术环节。论文的最后,对全文进行了系统总结,并指出了下一步需要进行的工作。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超导技术简介
• 1.3 高温超导线材
• 1.4 高温超导电缆的技术特点
• 1.5 高温超导电缆的研究现状
• 1.6 高温超导电缆在电力系统中的应用
• 1.7 高温超导电缆的应用发展前景－美国“SUPERGRID2030”计划
• 1.8 高温超导电缆的运行成本和经济效益
• 1.9 高温超导电缆的失超保护
• 1.10 高温超导电缆电气特性及其继电保护技术
• 1.11 论文主要工作和章节安排
• 2 高温超导电缆本体温度分析与计算
• 2.1 高温超导电缆的基本结构
• 2.2 高温超导电缆本体稳态温度分布
• 2.3 高温超导电缆本体暂态温度分布
• 2.4 小结
• 3 高温超导电缆过电流失超保护策略研究
• 3.1 超导磁体失超检测与保护
• 3.2 高温超导电缆失超保护的要求
• 3.3 高温超导电缆过电流、时间和温升的关系
• 3.4 高温超导电缆过电流保护策略
• 3.5 高温超导电缆的无时限保护
• 3.6 高温超导电缆的反时限保护
• 3.7 高温超导电缆的自动重合闸
• 3.8 小结
• 4 高温超导电缆电气参数及其暂态过程分析
• 4.1 高温超导电气参数分析
• 4.2 高温超导电缆相序阻抗
• 4.3 高温超导电缆暂态过程分析
• 4.4 高温超导电缆短路过程仿真
• 4.5 小结
• 5 高温超导电缆分相电流差动保护研究
• 5.1 高温超导电缆数字光纤分相电流差动纵联保护
• 5.2 基于电容电流半补偿的高温超导电缆分相电流差动保护方案
• 5.3 基于贝瑞隆模型的电流差动保护原理
• 5.4 仿真模型
• 5.5 电容补偿效果仿真分析
• 5.6 两种保护方案的仿真比较分析
• 5.7 小结
• 6 高温超导电缆监测与保护系统的研制
• 6.1 普吉变电站高温超导电缆系统工程背景
• 6.2 高温超导电缆监测与保护系统的总体设计方案和功能配置
• 6.3 高温超导电缆监测与保护系统硬件结构和系统组成
• 6.4 高温超导电缆监测与保护系统的主要软件算法
• 6.5 高温超导电缆监测与保护系统上层软件设计
• 6.6 高温超导电缆监测与保护系统下层软件设计
• 6.7 高温超导电缆系统监测与保护系统运行情况
• 6.8 小结
• 7 全文总结
• 7.1 论文取得的研究成果
• 7.2 下一步研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文目录
• 附录2 攻读博士学位期间主要参加的科研项目
• 附录3 两种保护在不同故障条件下的动作结果比较