（电气工程专业论文）电网用高温超导储能磁体的失超保护研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：电网用高温超导储能磁体的失超会影响超导储能系统的运行，造成设备的 损坏，甚至影响电力系统的可靠性，是超导电力设备技术实用化的一个重要问题。 快速准确地检测到高温超导储能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。本文针对超导储能系统的特点，设计了一套用于超导储能( s m e s ) 磁体的失超保护系统。 本论文主要分成三个部分，包括高温超导带材失超传播特性研究、高温超导 储能磁体失超检测研究以及高温超导储能磁体失超保护研究。其中第一部分，介 绍了高温超导磁体的发展和失超特性，通过高温超导带材失超传播实验研究其失 超传播特性；第二部分，总结了国内外超导电力装置失超检测方法的优缺点，在 此基础上，选用改进后的有源功率检测法，针对超导储能系统的特点，设计了一 套用于超导储能( s m e s ) 磁体的失超检测系统。通过实验验证，该失超检测系统能 够快速准确的检测到失超信号，为超导储能系统的失超保护提供了可靠的前提条 件。第三部分，系统归纳了超导电力装置失超保护的方法，分为主动和被动保护 两大类。主动保护技术利用外加装置转移大部分储能，被动保护技术则依赖于加 速失超传播达到保护磁体的目的，本文选用主动保护技术。实验结果表明，该失 超保护系统基本上能够满足超导储能系统失超保护的要求。 关键词：超导储能；失超信号；失超检测；失超保护 分类号：t m 2 6 ：t p 2 0 6 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h eq u e n c ho fh i g ht e m p e r a t u r es m e sm a g n e ti np o w e rn e t w o r kw i l l a f f e c ts m e s s y s t e mo p e r a t i o n ，m a k ee q u i p m e n t sd a m a g e ，e v e na f f e c tt h er e l i a b i l i t y o ft h ep o w e rs y s t e m ，a n di sak e yp r o b l e mf o rt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o no f s u p e r c o n d u c t i n ge l e c t r i cp o w e rt e c h n o l o g y i t sm s ot ob eaf u r t h e rr e s e a r c hp r o b l e m o fq u i c k l ya n da c c u r a t e l yd e t e c t i n gt h eq u e n c hs i g n a la n dp r o t e c t i n gm a g n e ta f t e r q u e n c h t h i sp a p e rd e s i g n st h eq u e n c hp r o t e c t i o ns y s t e mo fs m e sm a g n e tb a s e do n t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m e ss y s t e m t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ，i n c l u d i n gq u e n c hp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c r e s e a r c ho fh i 曲t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gt a p e s ，q u e n c hd e t e c t i o nr e s e a r c ho f h i g l lt e m p e r a t u r es m e sm a g n e t ，a n dq u e n c hp r o t e c t i o nr e s e a r c ho fh i g ht e m p e r a t u r e s m e sm a g n e t i nt h ef i r s tp a r t ，d e v e l o p m e n ta n dq u e n c hc h a r a c t e r i s t i co fh i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gm a g n e ta r ei n t r o d u c e d ，a n dm a k er e s e a r c ho nq u e n c h p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i cb yq u e n c hp r o p a g a t i o ne x p e r i m e n to fh i g ht e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t i n gt a p e s i nt h es e c o n dp a r t ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f s u p e r c o n d u c t i n gp o w e rd e v i c e s q u e n c hd e t e c t i o nm e t h o d sa r es u m m a r i z e da th o m e a n da b r o a d o nt h i sb a s i s ，c h o o s e si m p r o v e dp a r t i a la c t i v ep o w e rd e t e c t i n gm e t h o d a n dd e s i g n st h eq u e n c hd e t e c t i o ns y s t e mi ns m e s m a g n e tb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fs m e ss y s t e m t h eq u e n c hd e t e c t i o ns y s t e mc a nq u i c k l ya n da c c u r a t e l yd e t e c tt h e q u e n c hs i g n a la n dp r o v i d et h er e l i a b l ep r e c o n d i t i o nf o rq u e n c hp r o t e c t i o nw h i c hw e r e t e s t e db ye x p e r i m e n t s f i n a l l y , q u e n c hp r o t e c t i o nm e t h o d so fs u p e r c o n d u c t i n gp o w e r d e v i c e sa r es y s t e m a t i c a l l yi n d u c e da n dd i v i d e di n t oa c t i v ea n dp a s s i v em e t h o d t h e p r i n c i p l eo ft h ea c t i v ep r o t e c t i o nm e t h o di st od i v e r tm o s te n e r g yi n t oa d d i t i o n a l e q u i p m e n t s w h i l et h ep a s s i v em e t h o di st op r o t e c tm a g n e t sb ya c c e l e r a t i n gq u e n c h p r o p a g a t i o n t h i sp a p e rs e l e c t sa c t i v ep r o t e c t i o nm e t h o d t h er e s u l ts h o w st h a tt h e q u e n c hp r o t e c t i o ns y s t e mc a nb a s i c a l l ym e e tq u e n c hp r o t e c t i v er e q u i r e m e n t so f s m e ss y s t e m k e y w o r d s ：s m e s ；q u e n c hs i g n a l ；q u e n c hd e t e c t i o n ；q u e n c hp r o t e c t i o n c l a s s n o ：t m 2 6 ：t p 2 0 6 独创性卢明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：杨抱隽 签字同期： 矽口宁年月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：杨艳芎 签字同期：2 d 叩年6 月3 多日 导师签名：而上也 签字嗍硝年月黼 致谢 本论文的工作是在我的导师方进副教授的悉心指导下完成的，方进副教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 方进老师对我的关心和指导。 方进副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向方进老师表示衷心的谢意。 中国电力科学研究院的丘明及魏斌等博士为我的毕业设计提出了宝贵的建 议，在此向这几位老师表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间程强、陈盼盼、张倩、许智斌和师弟师妹等同 学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 绪论 1 1 课题背景及意义 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，电力是保证社会币常运行的根本能源。近年来，电网互联规模的 不断扩大，使得电网之间的联系越来越紧密。电力系统由d , n 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。系统的扩大，重要性的增加，导致电力系统在若干方面 正面临着难以克服的困难【1 1 。 随着我国大规模电力系统的逐步形成，电网的安全问题同渐突出，保证电力 系统的安全稳定运行已经成为电网发展和运行的重要任务【2 】。同时随着电力消费的 增长，社会对电力品质的要求也越来越高。我国电力系统的发展趋势是：电力系 统的容量越来越大，电网向超大规模方向发展，在不久的将来，我国各地区的电 网将联成一体。电网越大，对电网安全性和稳定性的要求就越高，因为一旦发生 事故，影响面积就越大。同时，随着信息技术和微电子技术同益广泛地向工业和 人们生活的各个领域中渗透，人们对电能质量提出了越来越高的要求。电能质量 问题对用电设备的影响很大，瞬时电能质量问题虽然持续时间很短，但会致使敏 感制造设备或生产设备停机，导致生产事故的发生，造成生产、时间、最终是经 济上的巨大损失。 要解决上述困难，急需在电力系统、电力工业进行重大的技术革新。由于超 导体具有电阻为零以及其他一些优越特性，在电力系统中应用超导技术，正是解 决上述困难的有效途径1 3 】。而超导储能系统以其对系统功率需求的快速向应特性可 以为提高电力系统的稳定性提供新的技术途径，同时对改善电能质量、提高可靠 性也有很好的技术优势。 但是在电力系统中引入超导储能装置的同时会带来一些问题。首先，超导储 能装置中超导磁体失超会导致系统故障，严重影响系统的供电可靠性甚至会影响 系统的稳定性。其次，超导磁体失超后在超导储能装置内产生的热量可能烧坏装 置内的超导磁体，也可能导致冷却媒体体积的急剧膨胀，直至损坏整个装置，( 7 7 k 液氮蒸发为气体，体积增大1 8 2 倍，1 0 0 k 气体，体积增大2 5 0 倍) 。最后，失超 还会引发诸如过电压、绝缘水平下降、机械应力增大等并发故障。因此，电网用 高温超导储能磁体的失超保护是超导储能装置用于电力系统的关键性技术之一。 北京交通人学硕十学位论文 从狭义的角度讲，超导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释放储能。从广义的角度讲，则可以定义为从设计、制 造和运行中避免一切可能的结构和电气方面失效的措施。在超导电力系统运行中， 及时而有效的失超检测是失超保护的先决条件，有效的超导储能磁体失超保护系 统是超导磁体和电力系统设计的一个组成部分。在设计超导储能磁体的失超保护 系统时，应从稳定、保护、冷却等因素出发，从全局的观点出发，综合考虑才能 获得一个稳定、经济、安全可靠的超导储能磁体系统。国内外常用的失超检测方 法有温升检测、压力检测、超声波检测、流速检测、电压检测、桥式电路检测和 有源功率检测，常用的失超保护方法有主动保护技术和被动保护技术，本文选用 有源功率检测法和主动保护技术。 1 2 超导储能国内外发展现状 1 2 1超导储能( s m e s ) 系统 超导储台g ( s m e s ) 在电力系统方面具有广泛的应用前景，它可以用来调节电力 系统的尖峰负载，消除电力系统低频功率震荡，稳定电力系统的频率和电压以及 用于电力系统无功功率补偿和功率因数调节，从而提高电力系统的稳定性和功率 输送能力。超导储能系统在电力系统中作为一个可控的有功功率和无功功率源， 可以主动参与电力系统运行控制，实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度 提高电力系统的稳定水平。大型s m e s 可以作为负荷调峰，中小型s m e s 可以补 偿负荷变动，抑制频率波动及电压突降，改善系统稳定性，还可用于分散电源系 统中的储能设备、紧急备用电源等特殊装置。s m e s 还可用来消除互联电力系统中 的低频振荡，抑制次同步谐振s s r 和次同步振荡s s o 。s m e s 在调控有功功率的 同时，还能灵活地调控无功功率，可以为输电线路特别是受端系统提供必要电压 支撑，防止在系统故障的情况下产生电压崩溃，抑制事故的进一步扩大。s m e s 的引入，彻底改变了传统电力系统中缺乏快速补偿不平衡功率手段的状况，形成 了主动致稳的新思想，有效提高了电力系统运行的稳定性和可靠性。 s m e s 是利用超导线圈将交流电网供电励磁所产生的磁场能量储存起来，需要 时再将能量返回电网或其他负载的一种电力装置【5 】。在正常情况下，系统电流经大 功率电力电子变换器转换成直流注入超导线圈，以磁场能形式储存起来。当电网 出现波动时，检测控制系统立即发出释放能量的信号，此时储存的能量在极短的 时间内，经变流器转化成交流功率输出，以满足系统的要求。按功能模块划分， 一般s m e s 的基本结构如图1 1 所示，它主要由超导磁体、变流器、失超保护系统、 2 绪论 冷却系统和控制系统等组成。该结构由l a n l 提出，以后的研究设计一般均以此 为参考原型 6 1 。 l - 超导磁体 超导储能装置所用的超导磁体由一系列超导线圈组成，高温超导线圈一般有 两种形式：可以做成螺旋管线圈，也可以由饼式线圈串联而成，两种方法各有利 弊。饼式线圈的好处是线圈易做，超导带没有扭转，不易损坏，且在运行过程中， 如有事故只是损坏某一线圈，只须将该线圈换掉磁体仍可使用，所以比较经济。 其缺点是，饼间串联需要焊接，接触电阻在所难免。而做成螺旋管线圈，超导带 材的变形比饼式线圈大，尤其在螺旋管端部，且在运行过程中一旦损坏，则整个 线圈将报废，不如饼式线圈组合经济。 三 相 母 线 电力糸统 图1 1 超导储能系统的基本电路 f i g1 1b a s i cc i r c u i to fs m e s 2 冷却系统 高温超导磁体要运行在液氮温区，需要相应的冷却系统，主要指低温容器。 低温容器应具有真空夹层和超级绝缘材料以维持超导线圈低温环境。 3 变流器 变流器是储能线圈和电网问的能量转换装置，分电流源和电压源型两种，通 过变压器与电网连接。 4 控制系统 控制器的性能必须和电网的动态过程匹配，一般由外环控制和内环控制两部 分组成。外环控制器作为主控制器用于提供内环控制所需要的有功功率和无功功 率参考值，是由s m e s 本身特性和系统要求决定的；内环控制器则是根据外环控制 器提供的参考值产生变流器的触发信号。 3 j 匕京交通人学硕十学位论文 5 失超保护系统 工作在电力系统中的超导储能系统在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在对电力系统的各种不同状态做出 快速乃至大功率的响应时，会使超导磁体本身的特性发生变化，可能会损坏磁体， 影响超导电力系统的安全、稳定、经济运行。因此，超导电力设备都应配有失超 保护装置。 1 2 2超导储能的用途及其优越性 电力系统中s m e s 规模与主要用途之间的关系如表1 1 所示【7 1 。 表1 1 不同规模s m e s 的应用场合 t a b l e1 1a p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fd i f f e r e n ts c a l es m e s 项目规模安装地点应用目的和作用 负载端；长距离输电线端；改善系统稳定性；小波动负载调 o 1 m m 小型 6 6 k v 等级发电厂；光伏发 平；电压波动调节；间断型电源调 等级 电和风力发电系统平输出 l o m m 配电站； 大波动负载调平；电压波动调节； 中型频率波动调节及瞬时备用功率；改 等级 15 4 - - - 2 7 5 k v 等级发电厂 善电源可靠性 5 0 0 k v 电压等级发电厂； 减少传输容量和输电损失；频率调 l g 、胁节和功率调节；防止中间连接功率 大型适合于大型s m e s 装置的 等级波动；阻尼线路震荡；提高系统稳 一切其他地点 定性和可靠性 表1 2s m e s 的优越性 t a b l e1 2s u p e r i o r i t yo fs m e s 储能方式蓄电池超导储能飞轮储能抽水蓄能压缩空气 平衡再电能质量、电压、频电能质量平衡负荷曲平衡负荷 主要应用 生能源 率稳定；系统备用稳定线；系统备用曲线 持续时间数日秒一小时秒小时数月数日 效率6 5 7 58 0 一9 07 0 9 07 0 8 04 2 响应时f a j so 10 0 0 10 0 0 1 数分钟数分钟 储能形式化学 磁 机械机械机械 表1 2 为几种主要储能方式的特征参数比较，可以看出，超导储能在储能效率、 4 绪论 响应时间上均具有一定的优势。同时，s m e s 储能持续时间范围较大，可以在较大 范围内对能量释放速度进行控制，这对满足电力系统的不同需求提供了有力的条 件【2 1 。 具体地讲，超导储能具有以下优点：超导储能不经过其他形式的能量转换， 可以长期无损耗地储存能量，其返回效率高达9 5 ；t 园s m e s 能与系统快速独立 地在四象限内进行有功和无功功率交换； s m e s 功率调节系统采用灵活的现代电 力电子装置，其响应速度很快( 几毫秒至几十毫秒) ；s m e s 除真空和制冷系统外 没有转动部分，故装置寿命长；( 亘) s m e s 的建造不受地点限制，且维护简单、污染 小。 超导储能可用于以下几个方面：调节负荷峰值；储存应急的备用电力； 提高系统的稳定性；中小型s m e s 可改善功率因数，稳定电网频率，控制电 网的波动，保证重要用户不问断供电。s m e s 最大的优越性在于，能快速与系统进 行四象限有功与无功功率交换。这一能力突破了传统电力系统的限制，可适应电 网电压不断提高的要求。 1 2 3超导储能国内外发展概础8 】【9 】 1 9 1 1 年发现低温超导现象以来，人们丌始认识到它作为潜在储能装置的优点。 1 9 6 9 年法国f e r r i e r 提出用超导储能装置来平衡电力负荷的设想。3 0 多年来，超导 储能的研究一直是电力系统应用超导技术的热点，计划较为庞大且研究工作较为 系统性的要数美国。s m e s 的电力应用研究始于1 9 7 0 年基于g r a e t z ( 格里茨) 桥的 s m e s 系统的发明。1 9 7 1 年，美国威斯康星大学应用超导中心的h p e t e r s o n 和r b o o m 发现了一个超导电感线圈和三相a c d c 格里茨桥路组成的电能储存系统并 获得了美国专利，也由此开始了s m e s 电力应用的研究与开发阶段。 由于超导材料( 特别是高温超导材料) 和低温超导磁体技术的发展，自8 0 年 代中期以来，世界各国进行了更积极、更广泛的研究工作。这一时期的鲜明特点 是，研究和开发的目标不仅在电力系统负载调平用的大规模s m e s 系统，也在于 中小规模s m e s 系统的多用途实际应用。目前小型s m e s 已形成商业产品，中大 型s m e s 实用化问题较多，比如导体和线圈结构、电磁力支撑、材料选用及边缘 磁场等方面尚有大量的工作可做，它与小型s m e s 相比，主要是降低超导体的价 格。不过大中型s m e s 装置在一些国家支持下，也实施了一些项目，并正在进行 研究。 由于s m e s 具有某些其他装置无法替代的优越特性，近几十年来，一直是发 达国家研究的热点，美、日、俄、加、英、德、荷等国家均展开了广泛的研究。 5 北京交通人学硕十学位论文 1 美国s m e s 研究情况 1 9 7 1 年，在w i s c o n s i n 大学b o o m 和p e t e r s o n 带领下，发明了一个由超导电感 线圈和三相a c d cg r a e t z 桥路组成的电能储存系统，并对g r a e t z 桥在能量储存单 元与电力系统相互影响中的作用进行了详细分析和研究。他们发现装置的快速响 应特性对于抑制电力系统振荡非常有效。1 9 7 2 年，洛斯阿拉莫斯实验室( l a s l ) 开 始对s m e s 的经济可行性展丌研究。结果显示，s m e s 在经济性、有效性、可靠 性、易建设性和环境保护上都是优越的。1 9 7 4 年，第l 台并网运行的s m e s 在l a s l 进行了测试。1 9 7 6 年到1 9 8 2 年，l a s l 和b p a ( b o n n e v i l l ep o w e ra d m i n i s t r a t i o n ( 美国西部电网b o n n e v i l l e 电力局) ) 合作建成了3 0 m j 1 0 m w 的s m e s ，该系统 成功地抑制了从太平洋西北地区到南加利福尼亚州1 5 0 0 k m 的双回交流5 0 0 k v 输 电线路的低频0 3 5 h z 自发功率振荡。上世纪8 0 年代初，l g 啪和5 g 啪的s m e s 也开始了可行性分析和设计。8 0 年代中期，在b p a 安装了一台3 0 m j 的s m e s 来 抑制输电线0 3 5 h z ，3 0 0 m w 的低频震荡。系统通过晶闸管的换流桥与电网相连， 在控制目标变化时可工作于充电和放电两种模式，由于受器件本身的限制，两种 工作模式下都从系统吸收无功。1 9 8 8 年初，a s c ( 在美国建立的开发超导储能商业 应用的超导电公司) 研制成功了s s d ( 用来对超导储能进行经济评估的系统) ，并推 向了市场。8 0 年代后期，s d i ( s t r a t e g i cd e f e n s ei n i t i a t i v e ) 启动了s m e s e t m ( e n g i n e e r i n gt e s tm o d e l ) 计划，开展了方案论证、工程设计和器件的研制，目的是 为储能调峰和战略备用电源开辟新路。9 0 年代初，美国国家强磁场实验室与电力 部门联合，研制了储能调峰的3 6 0 0 m j 1 0 0 m ws m e s 。现在b w x 技术公司建造 1 8 g j 的s m e s 用来调峰及解决阿拉斯加电网电压波动，提高供电的可靠性。美国 l o c k h e e dm a r t i n 公司研制的1 5 k v 3 0 l a 超导限流器已于2 0 0 2 年在美国加州e d i s o n 变电站投入试验运行。目前i g c 公司和超导电公司己实现了微型s m e s 装置的商 品化。 2 日本s m e s 研究情况 1 9 8 6 年，日本成立了超导储能研究会，任务是实现超导储能的实际应用，为 日本超导储能技术的独立发展做出贡献。该研究会现有成员单位5 0 个，包括日本 著名的大学、研究机构、公司和工厂。自上世纪8 0 年代中期以来，进行了大量的 分析、设计和试验研究工作。 1 9 8 5 年，k y u s h u ( 九州) 大学设计了一台1 0 0 k j 的s m e s ，用于研究直流输电 中s m e s 的应用和系统稳定。k y u s h u 电力公司于1 9 9 1 年将一台3 0 k j 的超导储能 系统联接到一台6 0 k w 的水力发电机上，进行了改善发电机稳定性的试验，并取 得了较好的实验结果。而且k y u s h u 电力公司与k y u s h u 大学合作，开展了3 6 m j 的s m e s 试验，并设计建造一台3 6 0 m j 2 0 m w 的s m e s ，并网后进行示范运行， 6 绪论 然后将研制一台1 2 6 0 m j 5 0 0 m w 的多功能s m e s 。k y u s h u 电力公司最近在其所 属的a r i u r a g a w a 水电站进行了超导储能用于系统稳定的一系列现场实验，表明单 机系统可由储能容量为其发电机容量的l o 5 0 的超导储能装置进行稳定控制。 9 0 年代，神户制钢所、东芝公司、日立公司、富士电力公司、中部( c h u b u ) 电力公 司等也都进行了s m e s 的相关设计和试验。东京电力公司与日立公司进行合作， 对2 7 5 k v 系统进行了含i m j 的s m e s 的全面系统动模实验，效果也非常令人满意。 中部电力公司与电力研究发展中心合作，开展了含1 m j 的s m e s 系统的动模实验， 内容包括调平尖峰负荷、平衡负荷波动、负荷频率控制、改善动态和暂态稳定性 等，效果令人鼓舞。 3 俄罗斯s m e s 研究情况 1 9 8 8 年，俄罗斯建成的超导托卡马克t - 1 5 超导磁体，储能达3 7 0 m j 7 6 0 m j 。 1 9 9 0 年以来，俄罗斯国家实验室建成了1 2 m j 的s m e s ，并进行了储能1 0 0 m j 电 感8 h 电流5 k a 最强磁场5 4 t 的s m e s 设计。用于研究储能达9 0 0 m j 的s m e s 也己建造完成。 4 其他国家 德国慕尼黑大学于1 9 9 7 年建造完成了一个由6 个超导线圈组成的储能量为 i m j 的环形超导储能装置。德国a c c e l 公司在2 0 0 2 年春成功推出了第1 台4 m j 6 m w 的s m e s 。2 0 0 1 年底，韩国电子技术研究院建成了l m j 3 0 0 k w 的s m e s 系统，主要用来改善敏感电力负荷的电能质量。2 0 0 1 年，意大利联合开发的 4 m j 1 2 m w 的s m e s 取代老式蓄电池储能系统安装在2 0 k v 配电网上。 我国的s m e s 研究起步较晚。中国科学院电工研究所1 9 9 7 年研制出一台 3 0 0 a j 2 2 0 v 、2 5 k j 的s m e s 试验装置。清华大学、东南大学也有小型h t s s m e s 实验装置。2 0 0 3 年，中科院电工所的“超导储能系统的研究 被列入中国科学院 知识创新工程方向性项目。值得指出的是，2 0 0 5 年以华中科技大学为主持单位， 由西北有色金属研究院、中科院等离子体研究所、浙江大学和湖南电力公司共同 承担的“高温超导磁储能系统”( 8 6 3 专项) ，成功地完成了国内首台3 5 k j 7 k w 直 接冷却型的h t s s m e s 。 近1 0 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、同等国的调查研究机构预测，到2 0 1 0 年， 新兴的超导产业市场将超过2 5 0 亿美元，其中在电力系统中为7 5 亿美元，占3 0 ； 到2 0 2 0 年超导产业市场将达到7 0 0 亿美元；在2 0 1 5 年左右，几乎各种超导电力 产品都可达到商品化水平。在超导的电力应用中，s m e s 技术相对简单，具有诱人 的应用前景，是超导电力应用的主选课题之一。现代电力电子技术的快速发展， 如新的大功率器件的研制、先进的转换电路与变压器的组合等，为s m e s 在电力 7 北京交通人学硕十学位论文 系统中的应用创造了良好的条件。而高性能微处理器的应用使得工程上s m e s 用 的控制器的性能变得更加理想。这些因素使得s e m s 在电力系统中的应用更加广 阔。 1 3 超导技术国内外发展历程 1 3 1超导技术发展概况【1 0 1 1 1 】 1 9 11 年，荷兰物理学家昂纳斯( o n n e s ) 在4 2 k 的汞中首次发现了超导现象。 但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。 人们一直在探索高温超导体，从1 9 1 1 年到1 9 8 6 年，7 5 年间从水银的4 2 k 提高到 铌三锗的2 3 2 2 k ，才提高了1 9 k 。 1 9 8 6 年，高温超导体的研究取得了重大突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷 材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。全世界有2 6 0 多个 实验小组参加了这场竞赛。 1 9 8 6 年1 月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世，实验室科学家柏诺兹 和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到3 0 k ；紧接着， 同本东京大学工学部又将超导温度提高到3 7 k ；1 2 月3 0 日，美国休斯敦大学宣布， 美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到4 0 2 k 。 1 9 8 7 年1 月初，日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到4 3 k ；不久同本 综合电子研究所又将超导温度提高到4 6 k 和5 3 k 。中国科学院物理研究所由赵忠 贤、陈立泉领导的研究组，获得了4 8 6 k 的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质 有在7 0 k 发生转变的迹象。2 月1 5 同美国报道朱经武、吴茂昆获得了9 8 k 超导体。 2 月2 0 日，中国也宣布发现1 0 0 k 以上超导体。3 月3 同，同本宣布发现1 2 3 k 超 导体。3 月1 2 同中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。3 月2 7 日美国 华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为2 4 0 k 的超导迹象。很快日本 鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在1 4 温度下存在超导 迹象。高温超导体的巨大突破，以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体， 使超导技术走向大规模开发应用。图1 2 所示为超导体临界温度随年代变化图。 幽12 超导体临界温度随年代变化削 f i 9 1 2 t h ec h a n g eo f c r i t i c a l t p c r a t i l r e p e r c 0 d i l c t o bw j my e a r s 132高温超导带材研究现状 高温超导体在强电方面众多的潜在应用( 如：磁体、电缆、限流器、电机等) 都需要研究和开发商临界电流密度j c 的长线( 带) 材( 约1 千米长度量缴) 。所 以，人们先后在y b c o 、b s c c o 及t 1 b a c a c a o 等临界温度高于液氮温度体系的 线材化方面做了大量的工作。目前己在b i 系a g 基复合带( 线) 材和柔性会属基 y 系带材方面取得了很大进展【i q 。 l b i 系高温超导线材 b i - 2 1 2 3 绝缘型高沮超导缱材 b m 2 2 3 镀锡型高温超导线材 图13 b i 系高温超导线材 f i 9 13 h i g h p m t l l r ts u p e r c o n d u c t o r w i r es t o c k o f b i - 2 2 2 3 b s c c o 超导体晶粒的层化结构使得人们能够利用机械变形和热处理来获得 具有较盘f 晶体取向的b i 系线( 带) ，另外热处理时液相的存在能够促进材料致密 北京交通人学硕十学位论文 化，并且弥合在变形加工中所产生的裂痕，从而改善晶粒问的连接性。这种优点， 使得人们利用粉末套管法( p i t ) ，即把b i ( p b ) s r - c a - c u o 粉装入金属管( a g 或a g 合金) 中进行加工和热处理的方法，制备b i 系长线( 带) 材取得了成功。 1 9 9 4 年美国超导公司率先制备出长度达1 0 0 0 米、j c 达1 x 1 0 4 a c m z ( 7 7 k ，o t ) 的b s c c o a g 带材。目前所制备的b i 2 2 2 3 a g 带的最高j c 值己接近1 0 5 a c m 2 ( 7 7 k ，0 t ) 。近几年来，随着对该类超导体的结构形成机理、显微结构特征以及 超导性能的深入研究，不断改善工艺技术，使j c 和带材的均匀性逐年提高。 图1 4 归纳了近年来人们在j c 方面己取得的进展。1 9 9 6 年，美国超导公司 ( a s c ) 和日本住友公司制备的1 2 0 0 米带材的j c 值均超过1 2 x 1 0 4 a c n l 2 ( 7 7 k ， 0 t ) ，并且能够稳定生产。这种带材已成功用来绕n d , 型超导磁体及超导电缆试制 等。根据目前的研究结果，人们认为通过进一步改善工艺参数，提高带材的密度 和晶粒的结构、改善晶粒间的连接性以及引入有效的磁通钉扎中心，b i 系带材的 j c 值将还会有较大幅度的提高。另外在通过多芯化和基体材料的合金化来改善b i 系线( 带) 材的机械强度方面，也已取得了明显进展。 临界电 琉密度 e c ( x 1 0 4 a c m z ) 年度 图1 4b i - 2 2 2 3 线( 带) 材性能进展 f i g1 4m a t e r i a lp e r f o r m a n c ep r o g r e s so fb i 一2 2 2 3l i n e ( s ) 2 柔性金属基y b c o 带材进展 y b c o 超导体在液氮温区有较强的本征钉扎特性，但它的晶粒很难通过常规 的加工技术来实现取向，所以用p i t 法及在普通金属基带上涂层后热处理的方法 虽然能够制备出长线( 带) 材，但其j c 值均小于1 0 3 a c m 2 ( 7 7 k ，0 t ) ，并且， 随磁场的增加迅速下降。受在单晶基体上通过外延生长制备高j cy b c o 薄膜的启 发，最近人们发展了“离子束辅助沉积”( i b a d ，美国l a n l ) 和“轧制辅助双轴 织构 ( r a b i t s ，美国o rn l ) 这两种柔性基带，并在这种基带上生长y b c o 膜 取得了成功，获得了高j c 的带材。这两种基带都是在柔性金属带( 如：a g ，n i l o 绪论 等) 上沉积一层取向生长的钇稳定的氧化锆( y s z ) ，由于y s z 与y b c o 的晶格 点阵非常接近，并且具有良好的化学稳定性，它一方面可以诱导y b c o 晶体取向 生长，另一方面又作为阻隔层防止y b c o 与会属基带反应。目前利用脉冲激光沉 积( p l d ) 和m o c v d 方法在i b a d 及r a b i t s 带上制备的y b c o 超导体在6 5 k 强磁场中的j c 值均已超过低温实用超导体n b t i 和n b 3 s n 在4 2 k 的j c 值。如： 美国l a n l 制备的i b a d 样品j c 最高达到1 0 6 a c m 2 ( 7 5 k ，0 t ) ，o r n l 的r a b i t s 带的j c 也己达到7 x 1 0 5 a e m 2 ( 7 7 k ，0 t ) 、3 x 1 0 5 2 ( 7 7 k ，1 t ) 。虽然从目前 的研究现状来看，制备长带还存在着一定的技术难度，但这种方法所带来的高j c 性能给高温超导体在7 7 k 温区实现强电应用展示了美好的前景，人们已把它称为 继p i t 法b s c c o 带后的第二代高温超导带材，并且投入较大的人力和物力进行开 发研究。 1 4 本课题的任务 本课题的任务是电网用高温超导储能磁体的失超保护研究。准确及时的检测 到失超信号是失超保护的前提条件，其中失超检测方法采用有源功率检测法，失 超保护法采用最基本的移能电阻保护法。 论文结构安排如下： 第一章为绪论。介绍课题的背景意义以及超导储能和超导技术的发展概况。 第二章为高温超导带材的失超传播特性研究。包括超导磁体的失超机理、超 导电力装置失超的原因以及高温超导带材的失超传播实验及失超特性分析。 第三章为高温超导储能磁体的失超检测系统。包括高温超导磁体失超检测方 法的介绍以及高温超导储能磁体失超检测系统的设计和实验结果分析。 第四章为高温超导储能磁体的失超保护电路。包括高温超导磁体失超保护原 理、失超保护方法以及高温超导储能磁体失超保护电路的设计。 第五章为失超保护系统的设计。包括失超保护系统的设计以及实验结果分析。 第六章为全文小结。总结本论文中所完成的工作、不足以及需要改进的地方。 北京交通人学硕十学位论文 2 高温超导带材的失超传播 2 1 超导磁体的失超机理 超导体具有零电阻特性、迈斯纳( m e i s s n e r ) 效应和约瑟夫森( j o s e p h s o n ) 效应这 三大基本特性，临界温度互、临界磁场以以及临界电流t 是超导体的三个重要参 数。温度、磁场及电流中的任一参数超过临界值，超导磁体都会发生相变，成为 常导体，此过程称为失超。保持超导体的工作温度不变，只有当流过超导体的电 流降到恢复电流以下时，超导体才能稳定地恢复为超导态。 2 1 1超导磁体的基本特性【1 3 】 1 零电阻特性 1 9 11 年，荷兰科学家h k o n n e s 在测量汞的电阻温度特性时发现，当冷却到 4 2 k 时，汞的电阻突然消失，此种现象叫做零电阻现象，具有此种现象的物质叫 做超导体，电阻突然消失的温度叫做临界温度z 。 2 迈斯纳效应 迈斯纳效应又称为完全抗磁性，当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导 念后，只要周围的外加磁场没有增强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到 体内的磁场完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零，这种现象称 为“迈斯纳效应 ( 完全抗磁性) 。 3 约瑟夫森效应 超导磁体的第三大特性产生于超导体一绝缘薄层一超导体形成的超导结上，这 种超导结有着和一般导体和半导体形成的结完全不同的电子隧道效应。约瑟夫森 效应主要应用于超导电子学，微弱电磁场测量等领域。 2 1 2超导磁体的临界参数【1 4 】 在超导发现后不久，昂尼斯观测到在零电阻温度以下的某一个温度，当电 流大到某一个数值后，电阻会突然出现，发生超导态一正常态转变。这一使超导电 性破坏的最小电流叫做“临界电流”，以l 表示。实验证明，临界电流随着温度 的下降而升高。继而又发现，磁场也有同样的效应。在某一个( r 乏) 温度下，当 1 2 高温超导带材的火超传播 磁场强度达到某一数值时，超导态立即消失变为正常态。同理，这一使超导电性 破坏的最小磁场叫做“临界磁场”，以所表示，临界磁场也是随着温度的下降而 升高。 超导体分为两类，第1 类超导体只有一个临界磁场坼，又叫做热力学临界磁 场；第1 i 类超导体存在下临界磁场坼和上临界磁场坼，当第1 i 类超导体处于 心 h c 以：时的状态称为混合态，混合态也是超导态。非理想第1 i 类超导体中 的杂质和缺陷会对磁通起钉扎作用，因此处于混合态的非理想第类超导体能承 载较高的i 临界电流密度。高温超导体都是第1 i 类超导体，所有应用于强电方面的 实用超导体都是非理想第1 i 类超导体。 临界温度互、临界电流厶和临界磁场以三个物理量都表示超导电性被破坏的 特定条件。超导临界温度耳指无传输电流下超导体从j 下常态过渡到超导态的温度。 当通有电流时，超导体的临界温度要下降，电流越大，则临界温度越低。另外， 在某一温度下，临界电流随磁场的增大而下降。另一方面，若加上一定的磁场后， 临界温度也将随之下降。而当温度升高时，超导体的临界电流、临界磁场都要下 降。总之，临界温度、临界电流和临界磁场这三个描述超导材料的特征参量是互 相影响的，彼此之间的关系实际上是很复杂的。在大量的实践中，人们认识到只 有当超导材料的临界温度、临界电流和