КОНТРОЛЬ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ СИЛОВОГО ВТСП-КАБЕЛЯ Российский патент 2009 года по МПК H02H7/00 H02H3/00 

Родственная заявка

В соответствии с §119(е)(1) раздела 35 Кодекса законов США эта заявка притязает на приоритет предшествующей предварительной заявки на патент США № 60/703855, поданной 29 июля 2005 г.

Права правительства

Это изобретение было сделано при поддержке правительства США по контракту № DE-FC36-03G013032. Правительство может обладать определенными правами на данное изобретение.

Предпосылки изобретения

Возникающие в электросети общего пользования проблемы или «короткие замыкания» (такие, как неисправности сетевых устройств) могут повлиять на то, как распределяется мощность по этой сети. В частности, короткие замыкания имеют тенденцию вызывать «утекание» энергии из источников мощности, оставляя меньше энергии для распределения по другим районам сети и для восстановления от «спадов» напряжения, возникающих из-за короткого замыкания.

Когда в сети общего пользования возникает короткое замыкание, она испытывает мгновенные провалы напряжения, которые могут привести к лавине напряжения или неустойчивости напряжения в сети.

Вообще говоря, такое короткое замыкание (КЗ) появляется в виде чрезвычайно большой нагрузки, моментально материализующейся в сети общего пользования. В ответ на появление этой нагрузки сеть пытается подать на нагрузку ток большой величины (т.е. короткого замыкания). Детекторные схемы, связанные с автоматическими выключателями в этой сети, немедленно (в пределах нескольких миллисекунд) обнаруживают ситуацию перегрузки по току. Из детекторных схем посылаются сигналы активации в защитные реле, которые инициируют размыкание цепи. Механический характер этих реле обычно требует от 3 до 6 циклов (т.е. до 100 миллисекунд) на размыкание. Когда выключатели размыкаются, короткое замыкание устраняется.

Для повышения допустимой мощности в электросетях общего пользования при сохранении относительно малой занимаемой площади разрабатываются силовые кабели с использованием провода из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП). Среди прочих преимуществ силовые ВТСП-кабели значительно проще в прокладке даже в густонаселенных более старых городских районах. Такие ВТСП-кабели также позволяют экономично и надежно «перекачивать» более значительные количества электроэнергии в перенаселенные районы электросети общего пользования и подводить ее именно туда, где нужно справиться с перенаселенностью. В ВТСП-кабеле в его жиле вместо меди используется провод из ВТСП для передачи и распределения электричества. Конструкция ВТСП-кабелей приводит к значительно меньшему полному сопротивлению по сравнению с обычными линиями и кабелями. Использование провода из ВТСП гарантирует увеличение допустимой нагрузки по току в три - пять раз по сравнению с обычными кабелями переменного тока и до десяти раз больший поток мощности по сравнению с обычными кабелями постоянного тока.

При токах короткого замыкания силовые ВТСП-кабели ведут себя иначе, чем обычные несверхпроводящие кабели. Во-первых, силовой ВТСП-кабель с холодным диэлектриком требует, чтобы охлаждающая жидкость оставалась в переохлажденном состоянии во время серьезного короткого замыкания или многочисленных сквозных коротких замыканий. Это необходимо для того, чтобы поддержать электрическую прочность диэлектрика между жилой кабеля высокого напряжения и экраном, который находится под потенциалом заземления. Любое образование пузырьков внутри диэлектрика ухудшит диэлектрические свойства изоляции. Во-вторых, после серьезных коротких замыканий кабель должен быть отключен для того, чтобы дать ВТСП-проводникам достаточно времени для охлаждения обратно до рабочего диапазона температур. В результате, традиционные схемы защиты обычных кабелей от коротких замыканий непригодны для использования с силовыми ВТСП-кабелями.

Сущность изобретения

В общем аспекте изобретения способ обеспечения защиты сверхпроводящего электрического кабеля, находящегося в электросети общего пользования, включает в себя следующие этапы. Обнаруживают ток короткого замыкания в сверхпроводящем электрическом кабеле. Определяют суммарную общую энергию, рассеянную (или запасенную) в сверхпроводящем электрическом кабеле от тока этого короткого замыкания и тока по меньшей мере одного предыдущего короткого замыкания за заданный период времени. Выполняют определение того, отсоединять ли сверхпроводящий электрический кабель от электросети общего пользования на основании упомянутой рассеянной (или запасенной) суммарной общей энергии.

Варианты реализации этого аспекта изобретения могут включать в себя один или более из следующих признаков. Этап обнаружения включает в себя определение величины тока I_j короткого замыкания и длительности t_dj по времени тока короткого замыкания в сверхпроводящем электрическом кабеле. Способ дополнительно включает в себя определение того, превышает ли ток I_j короткого замыкания заданный пороговый уровень тока, и если он превышает, то отсоединение сверхпроводящего электрического кабеля от электросети общего пользования на некоторый период времени на основании уровня тока I_j короткого замыкания.

Этот период времени основан на геометрии сверхпроводящего электрического кабеля и соответствующей системы охлаждения. Например, геометрия сверхпроводящего электрического кабеля включает в себя множество слоев, а период времени основан на A_j - площади поперечного сечения слоя j, k_j - удельной проводимости слоя j, T_j - локальной температуре слоя j, которая является функцией положения внутри кабеля и времени, R_j,j-1 - тепловом сопротивлении между слоем j-1 и слоем j, R_j,j+1 - тепловом сопротивлении между слоем j и слоем j+1, ρ_j - плотности слоя j, C_j - удельной теплоемкости слоя j и m - расходе хладагента.

Способ дополнительно включает в себя определение времени, прошедшего между током I_j короткого замыкания и током I_j-1 предыдущего короткого замыкания, когда I_j не превышает заданный пороговый уровень тока, и определение того, превышает ли это прошедшее время заданный пороговый период времени, и если оно превышает, то поддерживание соединения сверхпроводящего электрического кабеля в электросети общего пользования. Определение значения суммарной общей энергии включает в себя определение того, является ли значение суммарной общей энергии меньшим, чем критическое пороговое значение, которое представляет собой количество энергии, при котором кабель оказался бы поврежденным, если бы серьезное короткое замыкание произошло в период времени, который короче, чем заданный пороговый период времени. В другом аспекте изобретения система для обеспечения защиты сверхпроводящего электрического кабеля, находящегося в электросети общего пользования, включает в себя датчик, выполненный с возможностью обнаруживать ток короткого замыкания, протекающий по сверхпроводящему электрическому кабелю; контроллер, выполненный с возможностью определять суммарную общую энергию, рассеянную в сверхпроводящем электрическом кабеле от тока этого короткого замыкания и тока по меньшей мере одного предыдущего короткого замыкания за заданный период времени, и выполненный с возможностью, определять, отсоединять ли сверхпроводящий электрический кабель от электросети общего пользования на основании упомянутой рассеянной суммарной общей энергии.

Варианты реализации этого аспекта изобретения могут включать в себя один или более из следующих признаков. Контроллер определяет величину тока I_j короткого замыкания и длительность t_dj по времени тока короткого замыкания в сверхпроводящем электрическом кабеле. Контроллер определяет, превышает ли ток I_j короткого замыкания заданный пороговый уровень тока, и если он превышает, то отсоединяет сверхпроводящий электрический кабель от электросети общего пользования на некоторый период времени на основании уровня тока I_j короткого замыкания. Этот период времени основан на геометрии сверхпроводящего электрического кабеля и соответствующей системы охлаждения. Контроллер определяет время, прошедшее между током I_j короткого замыкания и током I_j-1 предыдущего короткого замыкания, и определяет, превышает ли это прошедшее время заданный пороговый период времени, и если оно превышает, то поддерживает соединение сверхпроводящего электрического кабеля в электросети общего пользования.

Среди других преимуществ, вышеописанные способ и система обеспечивают защиту от перегрузки по току сверхпроводящих электрических кабелей путем контроля тока, текущего на участке электросети, с которым соединен силовой кабель. Эти способ и система учитывают возникающее короткое замыкание, а также ранее возникавшие короткие замыкания, даже те, которые не достигли уровня, требующего немедленного прерывания тока по кабелю (т.е. срабатывания автоматического выключателя), но все же вызывают нагрев сверхпроводника в кабеле. За счет этого, когда происходит короткое замыкание, учитываются также и эффекты нагрева, накопленные из-за предыдущих коротких замыканий. Например, короткое замыкание с величиной тока и длительностью, которые обычно не приводили бы к срабатыванию автоматического выключателя, может дать достаточно тепла для повреждения сверхпроводящего кабеля в сочетании с нагревом в результате других, недавно возникавших коротких замыканий. Подробности одного или более вариантов реализации изобретения приведены на прилагаемых чертежах и в нижеследующем описании. Другие признаки, задачи и преимущества изобретения станут ясными из описания, чертежей и из формулы изобретения.

Описание чертежей

На фиг. 1 представлена условная схема, иллюстрирующая систему контроля КЗ для обеспечения защиты от перегрузки по току ВТСП-кабеля.

На фиг. 2 представлено изометрическое изображение ВТСП-кабеля.

На фиг. 3 представлена блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая работу системы контроля КЗ.

На фиг. 4А и 4В представлены графики, иллюстрирующие соответственно зависимость тока от времени и зависимость температуры ВТСП от времени для первой серии событий короткого замыкания.

На фиг. 5А и 5В представлены графики, иллюстрирующие соответственно зависимость тока от времени и зависимость температуры ВТСП от времени для второй серии событий короткого замыкания.

Одинаковые позиции на разных чертежах обозначают одинаковые элементы.

Подробное описание

Обращаясь к фиг. 1, кабель 100 с высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП) показан подсоединенным в пределах участка электросети 10 общего пользования. ВТСП-кабель 100 в рассматриваемом случае имеет длину в несколько сотен метров и обеспечивает электрический путь относительно большого тока и малого сопротивления, занимая лишь долю того пространства, которое требуется обычному медному кабелю, проводящему ток такой же величины. Как будет подробнее пояснено ниже, провод из ВТСП, используемый в ВТСП-кабеле 100, имеет конструкцию и структуру, позволяющие ему проводить электрический ток, в 150 раз превышающий электрический ток медного провода аналогичного размера. При относительно малом количестве провода из ВТСП по сравнению с большими количествами меди, сплетаемой в жилу кабеля переменного тока, по линии эквивалентных размеров может быть передана в три - пять раз большая мощность.

Обращаясь к фиг. 2, ВТСП-кабель 100 включает в себя скрученную медную жилу 102, окруженную в радиальной последовательности первым слоем 104 высокотемпературного сверхпроводника, вторым слоем 105 высокотемпературного сверхпроводника, слоем 106 высоковольтной изоляции, слоем-экраном 108 высокотемпературного сверхпроводника, внешним медным слоем-экраном 109, защитным слоем 110, рубашкой 111 хладагента, внутренней стенкой 112 криостата, вакуумным пространством 113, внешней стенкой 114 криостата и внешней оболочкой 115 кабеля. Во время эксплуатации охлаждающее вещество (например, жидкий азот) подают из внешнего источника хладагента (не показан) для циркуляции его внутри и вдоль длины рубашки 111 хладагента. Силовой ВТСП-кабель этого типа поставляется компанией Nexans, Париж, Франция. Другие компании, такие как Sumitomo Electric Industries, Ltd., Осака, Япония, и Ultera™ - совместное предприятие Southwire Company, Карролтон, Джорджия, США, и NKT Cables, Аснаэс, Дания, также производят силовые ВТСП-кабели.

Возвращаясь к фиг. 1, ВТСП-кабель 100 соединен с сегментом 120 сети передачи, который проводит напряжения на уровне примерно 138 кВ и простирается от сегмента 122 сети до сегмента 124 сети, который проводит напряжения на более низком уровне примерно 69 кВ. Понижающий трансформатор 126 снижает напряжение с напряжения линии передачи на 138 кВ до меньшего напряжения линии передачи на 69 кВ. В этом конкретном применении сегмент 124 сети питает некоторое количество нагрузок 128, а также подстанцию 129. Пара автоматических выключателей 130, 132 соединены с каждым концом ВТСП-кабеля 100, обеспечивая быстрое отсоединение ВТСП-кабеля 100 от электросети общего пользования.

Система 200 контроля КЗ обеспечивает ВТСП-кабелю 100 защиту от перегрузки по току, гарантируя, что ВТСП-кабель 100 поддерживается ниже температуры, при которой этот кабель мог бы подвергнуться повреждению. Система 200 контроля КЗ обеспечивает такую защиту от перегрузки по току путем контроля тока, протекающего в сегменте электросети общего пользования, с которым соединен ВТСП-кабель 100. В частности, система 200 контроля КЗ измеряет ток от пары трансформаторов 134 тока (ТТ) на одном конце ВТСП-кабеля 100. Система контроля КЗ включает запоминающее устройство 210, включающее в себя, по меньшей мере, часть для хранения компьютерной программы 212 для управления автоматическими выключателями 130, 132, процессор 214 для исполнения считываемых компьютером команд и шину 216, соединяющую запоминающее устройство с процессором. Система контроля КЗ также включает себя стандартный генератор 133 тактовых сигналов глобальной системы позиционирования (GPS) для определения как длительности коротких замыканий, так и времени между короткими замыканиями. В частности, генератор тактовых сигналов GPS выдает отметку времени для процессора 214 при установлении длительности коротких замыканий и времени между короткими замыканиями. Хранимая программа включат в себя считываемые компьютером команды, которые на основе сигналов, детектируемых на трансформаторах 134 и стандартном генераторе тактовых сигналов GPS, выдают сигналы управления на автоматические выключатели 130, 132 для отсоединения ВТСП-кабеля от линии 120 электропередачи.

Теперь со ссылкой на фиг. 3 будет описана работа системы 200 контроля КЗ совместно с ВТСП-кабелем 100, имеющим конструкцию, показанную на фиг. 2. В этом примере ВТСП-кабель 100 рассчитан выдерживать столь высокий ток короткого замыкания, как ток КЗ силой 69 кА и длительностью 200 мс (12 циклов) в предположении, что ВТСП-кабель не подвергался воздействию выходящих за заданные пределы сквозных коротких замыканий, при которых рост температуры слоя 105 ВТСП является более высоким чем допустимый предел температуры. Следует понимать, что это изобретение применимо к силовым ВТСП-кабелям вообще, а конкретные параметры, используемые в этом примере, предназначены лишь для этой конкретной конструкции кабеля и конкретной конфигурации сети передачи. Специалист в данной области техники сможет легко определить параметры, необходимые для практического осуществления этого изобретения для заданной конструкции кабеля и сети.

При эксплуатации система 200 контроля КЗ включает в себя регистр 220 энергии для хранения значения общей энергии на единицу длины, которая, как ожидается, рассеивается ВТСП-кабелем (этап 302) в его наиболее уязвимом месте (как правило, на том конце кабеля, где хладагент имеет наивысшую температуру). Система контроля КЗ непрерывно контролирует уровень тока в трансформаторах 134 тока в пределах временного окна, обеспечиваемого тактовым сигналом GPS. Если ток в этом окне превышает нормальный рабочий ток, то выдается отметка времени, когда этот ток превышает нормальный уровень и когда он возвращается к нормальному уровню. Это позволяет системе контроля КЗ определить общее время конкретного короткого замыкания (этап 304). В этом варианте реализации ток короткого замыкания свыше 69 кА привел бы к тому, что температура сверхпроводящего слоя 105 превысила бы температуру насыщения хладагента, тем самым возможно бы вызвав постоянное повреждение в кабеле из-за образования пузырьков внутри слоя 106 высоковольтной изоляции. Вместе с тем, даже если бы уровень тока был ниже, чем 69 кА, но выше заданного порогового уровня тока для конкретного(й) кабеля/сети (в этом примере - 20 кА), то ВТСП-кабель 100 мог бы подвергнуться повреждению, если бы уровень проводимого кабелем тока и длительность по времени короткого замыкания были достаточно большими для роста его температуры при отсутствии у кабеля достаточного времени для охлаждения до уровня, при котором он может выдерживать ток короткого замыкания на уровне 69 кА. Поэтому система 200 контроля КЗ определяет, является ли контролируемый ток меньшим, чем 20 кА (этап 306). Если он больше, чем 20 кА, то система 200 контроля КЗ обращается к таблице 224 времени отключения кабеля, чтобы установить период времени, необходимый ВТСП-кабелю для охлаждения, безотносительно следующего короткого замыкания. Затем кабель отключают от линии на заданный период времени, посылая на автоматические выключатели сигнал, предписывающим им разомкнуться.

Для этого конкретного примера ВТСП-кабеля используется следующая справочная таблица времени отключения кабеля.

Ток (кА) Приблизительное время (часы) 69 8 60 5,8 50 3,8 40 2,3 30 1,2 20 0,5

Приблизительные значения времени для этой таблицы времени отключения кабеля получают из уравнения баланса энергии кабеля:

где A_j - площадь поперечного сечения слоя j, k_j - удельная проводимость слоя j, T_j - локальная температура слоя j, которая является функцией положения и времени, R_j,j-1 - тепловое сопротивление между слоем j-1 и слоем j, R_j,j+1 - тепловое сопротивление между слоем j и слоем j+1, ρ_j - плотность слоя j, C_j - удельная теплоемкость слоя j.

Энергия, запасенная внутри ВТСП-кабеля 100 из-за короткого замыкания, должна быть отведена перед возобновлением подачи питания на кабель. Длительность во времени охлаждения ВТСП-кабеля 100 обратно до нормального рабочего режима зависит от нескольких факторов. Эти факторы включают в себя доступную охлаждающую способность, расход хладагента, а также общую энергию, рассеянную внутри кабеля во время короткого замыкания. Чем больше энергия, запасенная внутри кабеля, тем больше будет время, необходимое для охлаждения кабеля. Чтобы рассчитать длительность во времени охлаждения, необходима тепловая модель переходного процесса. Приведенные выше результаты расчета длительности во времени каждого короткого замыкания могут использоваться оператором кабеля для того, чтобы определить, как долго кабель должен быть отключен для данного тока короткого замыкания.

Если контролируемый ток меньше 20 кА, немедленное отключение кабеля может и не потребоваться. Поэтому система 200 контроля КЗ затем определяет, является ли время, прошедшее после предыдущего короткого замыкания, меньшим, чем заданный порог времени, в данном случае - 20 минут (этап 308). Если время между короткими замыканиями превышает 20 минут, значение энергии на единицу длины, хранимое в регистре энергии, устанавливают на нулевое значение (обнуляют), как если бы предыдущего короткого замыкания не было из-за эффекта охлаждения. Если время между короткими замыканиями было меньше двадцати минут, то система контроля КЗ полагает, что ВТСП-кабель 100 продолжает иметь некоторый уровень запасенной энергии на единицу длины. Система 200 контроля КЗ использует такой алгоритм для определения уровня этой запасенной энергии (этап 310):

где Е_j - запасенная энергия на единицу длины (Дж/м);

Е_j-1 - запасенная энергия на единицу длины от предыдущего короткого замыкания (Дж/м);

I_j - величина тока короткого замыкания;

F_s - коэффициент перераспределения тока (А·с·м/Дж);

t_d,j - длительность короткого замыкания (с).

Отметим, что вышеуказанное уравнение включает в себя коэффициент F_s перераспределения тока, зависящий от ряда факторов. Таблицу коэффициентов перераспределения тока формируют путем моделирования условий различных коротких замыканий и нахождения корреляции между энергией, рассеянной в определенном слое ВТСП, и данными током короткого замыкания и длительностью короткого замыкания. Как описано выше, ВТСП-кабель 100 состоит из нескольких слоев. На протяжении состояния короткого замыкания ток будет распределяться между слоями 104, 105, 108 сверхпроводников, каркасом 102 и медным экраном 114 исходя из конфигурации кабеля. Ввиду таких геометрий и конструкции кабеля, температура слоя 105 сверхпроводника будет выше, чем температура слоя 104 сверхпроводника, и поэтому повреждение, вызванное любым образованием пузырька, с наибольшей вероятностью будет происходить около этого слоя. Таким образом, слой 105 сверхпроводника используется в качестве критического слоя при гарантировании того, что ВТСП-кабель 100 защищен от повреждения. Для конкретного ВТСП-кабеля 100, показанного на фиг. 2, таблица коэффициентов перераспределения тока, связывающая уровни тока короткого замыкания с соответствующими коэффициентами перераспределения тока, является следующей:

Ток (кА) F_s (А·с·м/Дж) 1 554700 2 5371 3 667 4 329 5 95 6 57 7 43 8 36 9 32 10 30

После того, как запасенная энергия Е_j на единицу длины рассчитана с использованием приведенного выше алгоритма, ее сравнивают с заданным порогом энергии на единицу длины, в данном случае - 74 Дж/м. Если энергия на единицу длины меньше порога, в этом примере составляющего 74 Дж/м, то ВТСП-кабель 100 остается подсоединенным в пределах сегмента 120 передачи. Если она больше, чем 74 Дж/метр, то ВТСП-кабель 100 отсоединяют от сегмента 120 передачи на 20 минут перед тем, как подсоединить снова. Этот промежуток времени в 20 минут является минимально необходимым для отвода запасенной энергии из кабеля 100 и основан на конструкции холодильной системы. Чтобы лучше понять работу системы 200 контроля КЗ, обратимся к фиг. 4А-4В и фиг. 5А-5В. В случае с первым примером защиты от коротких замыканий, фиг. 4А иллюстрирует уровни токов короткого замыкания для трех последовательных событий короткого замыкания как функцию от времени, а фиг. 4В иллюстрирует соответствующую температуру слоя 105 сверхпроводника внутри ВТСП-кабеля 100 как функцию от времени. В момент времени t = 0 ВТСП-кабель 100 проводит ток, уровень которого составляет приблизительно 300 А (фиг. 4А), а наивысшая температура кабеля составляет приблизительно 74К (фиг. 4В). Одной секундой позже (t = 1 с) возникает ток короткого замыкания в 3 кА, длящийся пять секунд. Как показано на фиг. 4В, в течение этих пяти секунд температура ВТСП-кабеля монотонно возрастает до примерно 74,6К. Когда короткое замыкание устраняется в момент времени t = 6 с, уровень тока сразу же падает до нормального рабочего тока 300 А. Однако температура кабеля оказывается сниженной лишь незначительно, когда появляется второе из трех коротких замыканий в момент времени t = 6,5 с. Как показано на фиг. 4А, второе короткое замыкание является коротким замыканием 5 кА и длится 0,4 с, и, как показано на фиг. 4В, температура ВТСП-кабеля 100 относительно быстро увеличивается до примерно 75,2К. В момент времени t = 7 с наступает последнее событие короткого замыкания, причем это короткое замыкание 4 кА длится в течение 1 с перед возвратом к условиям нормального тока. И опять, как показано на фиг. 4В, температура кабеля снова поднимается до примерно 75,5К, по-прежнему оставаясь ниже заданного порога отключения 76К. Температура ВТСП-кабеля связана с энергией следующим уравнением:

где Е - энергия на единицу длины, рассеянная в слой 105 ВТСП, T_init - начальная температура, T_f - конечная температура слоя 105 ВТСП, ρ - плотность провода из ВТСП, А - площадь сечения провода из ВТСП. Следовательно, в этом первом примере конкретная комбинация событий токов короткого замыкания оказалась недостаточной для того, чтобы заставить систему 200 контроля КЗ отсоединить ВТСП-кабель 100 от линии 120 передачи. Это означает, что даже в том случае, если произойдет серьезное короткое замыкание в 69 кА сразу после короткого замыкания в 4 кА, кабель не будет поврежден.

Обращаясь теперь к фиг. 5А и 5В, во втором примере защиты от коротких замыканий в момент времени t = 0 ВТСП-кабель 100 проводит ток, уровень которого составляет приблизительно 300 А (фиг. 5А), а температура кабеля составляет приблизительно 74К (Фиг. 5В). Одной секундой позже (t = 1) возникает короткое замыкание в 6 кА, длящееся 0,4 с. Как показано на фиг. 5В, в течение этих 0,4 секунды температура ВТСП-кабеля быстро растет до примерно 75,2 К. Когда короткое замыкание устраняется в момент времени t = 1,5 с, уровень тока сразу же падает до нормального рабочего тока 300 А. Однако температура кабеля падает лишь незначительно, когда происходит второе из трех коротких замыканий в момент времени t = 2 с. Как показано на фиг. 5А, второе короткое замыкание является коротким замыканием в 4 кА и длится 2 с, и, как показано на фиг. 5В, температура ВТСП-кабеля 100 относительно монотонно увеличивается до примерно 75,8К. В момент времени t = 4,5 с наступает последнее событие короткого замыкания, при котором короткое замыкание в 3 кА длится в течение 5 с перед возвратом к условиям нормального тока. Отметим, что температура ВТСП-кабеля остается относительно высокой в момент третьего события тока короткого замыкания. Как показано на фиг. 5В, примерно в момент времени t = 5,5 с видно, что температура кабеля превышает температуру отключения 76К. Поэтому, в отличие от примера, показанного на фиг. 4А и 4В, система 200 контроля КЗ посылает в автоматические выключатели 130, 132 сигналы управления на отсоединение ВТСП-кабеля 100 от линии 120 передачи. Если бы кабель остался в линии, то серьезное короткое замыкание в 69 кА сразу после короткого замыкания в 3 кА могло бы, вероятно, вызвать повреждение кабеля 100.

Выше был описан ряд вариантов реализации изобретения. Тем не менее, следует понимать, что без отклонения от сущности и объема изобретения возможно внесение различных изменений. Например, важно осознать, что вышеописанные значения для уровня защиты от перегрузки по току зависят от конкретной конструкции и структуры ВТСП-кабеля и от того, как и где она используется в электросети общего пользования. Поэтому значения токов и приблизительных периодов охлаждения, показанные в таблице времени отключения кабеля в виде значений коэффициентов перераспределения тока, определяются на основе конструкции ВТСП-кабеля, а также его применения в электросети общего пользования.

Использование: в электротехнике. Технический результат заключается в повышении надежности защиты при использовании силового высокотемпературного сверхпроводящего кабеля. Способ и система для обеспечения защиты в электросети общего пользования предусматривают обнаружение тока короткого замыкания в сверхпроводящем электрическом кабеле, определение суммарной общей энергии, рассеянной в сверхпроводящем электрическом кабеле от тока этого короткого замыкания и тока по меньшей мере одного предыдущего короткого замыкания за заданный период времени, и определение того, отсоединять ли сверхпроводящий электрический кабель от электросети общего пользования на основании упомянутой рассеянной суммарной общей энергии. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 2 табл., 7 ил.

1. Способ обеспечения защиты сверхпроводящего электрического кабеля, находящегося в электросети общего пользования, включающий в себя:
обнаружение тока короткого замыкания в сверхпроводящем электрическом кабеле; определение суммарной общей энергии, рассеянной в сверхпроводящем электрическом кабеле от тока этого короткого замыкания и тока, по меньшей мере, одного предыдущего короткого замыкания за заданный период времени; и определение того, отсоединять ли сверхпроводящий электрический кабель от электросети общего пользования, на основании упомянутой рассеянной суммарной общей энергии.

2. Способ по п.1, в котором этап обнаружения включает в себя определение величины тока I_j короткого замыкания и длительности t_dj по времени тока короткого замыкания в сверхпроводящем электрическом кабеле.

3. Способ по п.2, дополнительно включающий в себя определение того, превышает ли ток I_j короткого замыкания заданный пороговый уровень тока, и если он превышает, то отсоединение сверхпроводящего электрического кабеля от электросети общего пользования на некоторый период времени на основании уровня тока I_j короткого замыкания.

4. Способ по п.2, дополнительно включающий в себя определение времени, прошедшего между током I_j короткого замыкания и током I_j-1 предыдущего короткого замыкания, и определение того, превышает ли это прошедшее время заданный пороговый период времени, и если оно превышает, то поддержание соединения сверхпроводящего электрического кабеля в электросети общего пользования.

5. Способ по п.1, в котором определение того, отсоединять ли сверхпроводящий электрический кабель, включает в себя определение того, является ли значение суммарной общей энергии меньшим, чем критическое пороговое значение, которое представляет собой количество энергии, при котором кабель оказался бы поврежденным, если бы серьезное короткое замыкание произошло в период времени, который короче, чем заданный пороговый период времени.

6. Способ по п.3, в котором период времени основан на геометрии сверхпроводящего электрического кабеля и соответствующей системы охлаждения.

7. Способ по п.6, в котором геометрия сверхпроводящего электрического кабеля включает в себя множество слоев, а упомянутый период времени основан на A_j - площади поперечного сечения слоя j, k_j - удельной проводимости слоя j, T_j - локальной температуре слоя j, которая является функцией положения внутри кабеля и времени, R_j,j-1 - тепловом сопротивлении между слоем j-1 и слоем j, R_j,j+1 - тепловом сопротивлении между слоем j и слоем j+1, ρ_j - плотности слоя j и C_j - удельной теплоемкости слоя j.

8. Способ по п.1, в котором электрический кабель содержит высокотемпературный сверхпроводящий (ВТСП) материал.

9. Способ по п.8, в котором электрический кабель включает в себя медную жилу и множество слоев ВТСП, разделенных электрической изоляцией.

10. Система для обеспечения защиты сверхпроводящего электрического кабеля, находящегося в электросети общего пользования, содержащая:
датчик, выполненный с возможностью обнаруживать ток короткого замыкания, протекающий по сверхпроводящему электрическому кабелю;
контроллер, выполненный с возможностью: определять суммарную общую энергию, рассеянную в сверхпроводящем электрическом кабеле от тока этого короткого замыкания и тока по меньшей мере одного предыдущего короткого замыкания за заданный период времени, и определять, отсоединять ли сверхпроводящий электрический кабель от электросети общего пользования, на основании упомянутой рассеянной суммарной общей энергии.

11. Система по п.10, в которой контролер определяет величину тока I_j короткого замыкания и длительность t_dj по времени тока короткого замыкания в сверхпроводящем электрическом кабеле.

12. Система по п.11, в которой контроллер определяет, превышает ли ток I_j короткого замыкания заданный пороговый уровень тока, и если он превышает, то отсоединяет сверхпроводящий электрический кабель от электросети общего пользования на некоторый период времени на основании уровня тока I_j короткого замыкания.

13. Система по п.11, в которой контроллер определяет время, прошедшее между током I_j короткого замыкания и током I_j-1 предыдущего короткого замыкания, и определяет, превышает ли это прошедшее время заданный пороговый период времени, и если оно превышает, то поддерживает соединение сверхпроводящего электрического кабеля в электросети общего пользования.

14. Система по п.10, в которой контроллер определяет, отсоединять ли сверхпроводящий электрический кабель от электросети общего пользования, путем определения того, является ли значение суммарной общей энергии меньшим, чем критическое пороговое значение, которое представляет собой количество энергии, при котором кабель оказался бы поврежденным, если бы серьезное короткое замыкание произошло в период времени, который короче, чем заданный пороговый период времени.

15. Система по п.12, в которой период времени основан на геометрии сверхпроводящего электрического кабеля и соответствующей системы охлаждения.

16. Система по п.15, в которой геометрия сверхпроводящего электрического кабеля включает в себя множество слоев, а период времени основан на A_j - площади поперечного сечения слоя j, k_j - удельной проводимости слоя j, Т_j - локальной температуре слоя j, которая является функцией положения внутри кабеля и времени,
R_j,j-1 - тепловом сопротивлении между слоем j-1 и слоем j, R_j,j+1 - тепловом сопротивлении между слоем j и слоем j+1, ρ_j - плотности слоя j и C_j - удельной теплоемкости слоя j.

17. Система по п.10, в которой сверхпроводящий электрический кабель содержит высокотемпературный сверхпроводящий (ВТСП) материал.

18. Система по п.17, в которой сверхпроводящий электрический кабель включает в себя медную жилу и множество слоев ВТСП, разделенных электрической изоляцией.