Gestión de fallos de cable de alimentación HTS.

Un método para proporcionar protección a un cable eléctrico superconductor localizado en una red de suministro eléctrico,

comprendiendo el método:

detectar una corriente de fallo en el cable eléctrico superconductor;

determinar la energía total acumulada disipada en el cable eléctrico superconductor de la corriente de fallo y al menos una corriente de fallo anterior durante un periodo de tiempo predeterminado; y

determinar si debe desconectarse el cable eléctrico superconductor de la red de suministro eléctrico basándose en dicha energía total acumulada disipada.

Gestión de fallos de cable de alimentación HTS Solicitud relacionada

Según la 35 U.S.C §119 (e)(1), la presente solicitud reivindica el beneficio de la solicitud provisional de Estados Unidos anterior 6/73.855, presentada el 29 de julio de 25.

Derechos del gobierno

La presente hinvención se ha realizado con el apoyo del gobierno de Estados Unidos según el contrato N°: DE- FC36-3G1332. El Gobierno puede tener ciertos derechos en la invención objeto.

Estado de la técnica

Los problemas en una red de suministro eléctrico, o "fallos", (tales como defectos de dispositivos de red) pueden influir en cómo se distribuye la corriente eléctrica a través de la red. En particular, los fallos tienden a drenar energía desde las fuentes de alimentación, dejando menos energía para la distribución a través de otras áreas de la red y para la recuperación de las "caídas" de tensión resultantes del fallo.

Cuando se produce un fallo en una red de suministro eléctrico, se experimentan depresiones de tensión momentáneas, lo que puede dar como resultado un colapso de tensión o una Inestabilidad de tensión en la red.

En general, un fallo de este tipo aparece como una carga extremadamente grande que se materializa de manera instantánea en la red de suministro eléctrico. En respuesta a la aparición de esta carga, la red Intenta suministrar una gran cantidad de corriente a la carga (es decir, el fallo). Los circuitos de detección asociados con los disyuntores de circuito de la red detectan inmediatamente la situación de sobrecorriente (al cabo de unos pocos milisegundos). Se envían señales de activación desde los circuitos de detección a los relés de protección que inician la apertura del circuito. La naturaleza mecánica de los relés requiere, en general, de 3 a 6 ciclos (es decir, hasta 1 milisegundos) para la apertura. Cuando se abren los disyuntores, se resuelve el fallo.

Se están desarrollando cables de alimentación que usan alambre superconductor de alta temperatura (HTS) para aumentar la capacidad de alimentación en las redes de suministro eléctrico a la vez que mantienen un tamaño relativamente pequeño. Entre otras ventajas, los cables de alimentación HTS son mucho más fáciles de colocar, incluso en áreas urbanas densas y antiguas. Tales cables HTS también permiten que puedan bombearse mayores cantidades de corriente eléctrica de manera económica y fiable en áreas congestionadas de una red de suministro eléctrico y transferirse precisamente donde se necesita aliviar la congestión. Un cable de alimentación HTS usa alambre HTS en el núcleo del cable en lugar de cobre para la transmisión y la distribución de electricidad. El diseño de los cables HTS da como resultado una impedancia significativamente menor en comparación con las líneas y los cables convencionales. El uso de alambre HTS permite un aumento de tres a cinco veces en la capacidad de transporte de corriente en comparación con los cables convencionales de corriente alterna (CA), y hasta diez veces más flujo de corriente eléctrica que a través de los cables convencionales de corriente continua (CC).

Los cables de alimentación HTS se comportan de manera diferente que los cables superconductores no convencionales ante las corrientes de fallo. En primer lugar, un cable de alimentación HTS de dieléctrico frío requiere que el líquido refrigerante permanezca en un estado sub-enfriado durante un fallo general o múltiples fallos pasantes. Esto es necesario para mantener la resistencia dieléctrica entre el núcleo del cable de alta tensión y el blindaje, que está en potencial de tierra. Cualquier formación de burbujas en el Interior del dieléctrico amenazará las propiedades dieléctricas del aislamiento. En segundo lugar, el cable debe desconectarse siguiendo los fallos generales con el fin de dar tiempo suficiente para que los conductores HTS se enfríen de vuelta al Intervalo de temperatura de funcionamiento. Como resultado, los sistemas de protección de fallos de cable convencionales no son adecuados para su uso con cables de alimentación HTS.

Objeto de la invención

En un aspecto general de la invención, un método para proporcionar protección a un cable eléctrico superconductor localizado en una red de suministro eléctrico incluye las siguientes etapas. Se detecta una corriente de fallo en el cable eléctrico superconductor. Se determina la energía total acumulada disipada (o almacenada) en el cable eléctrico superconductor de la corriente de fallo y al menos una corriente de fallo anterior durante un periodo de tiempo predeterminado. Se determina si debe desconectarse el cable eléctrico superconductor de la red de suministro eléctrico basándose en dicha energía total acumulada disipada (o almacenada).

Las realizaciones de este aspecto de la invención pueden incluir una o más de las siguientes características. La etapa de detección incluye determinar la magnitud de la corriente de fallo l¡ y una duración de tiempo de la corriente de fallo tdj en el cable eléctrico superconductor. El método incluye, además, determinar si la corriente de fallo lj

supera un nivel de corriente umbral predeterminado y, si lo hace, desconectar el cable eléctrico superconductor de la red de suministro eléctrico durante un periodo de tiempo basándose en el nivel de la corriente de fallo l¡.

El periodo de tiempo está basado en la geometría del cable eléctrico superconductor y el sistema de refrigeración asociado. Por ejemplo, la geometría del cable eléctrico superconductor incluye una pluralidad de capas y el periodo de tiempo está basado en A¡ es el área de sección transversal de la capa j, k¡ es la conductividad de la capa j, Tj es la temperatura local de la capa j que es una función de la posición y del tiempo, Ry.i es la resistencia térmica entre la capa j-1 y la capa j, Rjj+i es la resistencia térmica entre la capa j y j+1, py es la densidad de la capa j, Cj es el calor específico de la capa j, y m es el caudal de refrigerante.

El método incluye además determinar el tiempo transcurrido entre la corriente de fallo l¡ y una corriente de fallo anterior lj_i cuando lj no supera un nivel de corriente umbral predeterminado y determinar si el tiempo transcurrido supera un periodo de tiempo umbral predeterminado y, si lo hace, mantener la conexión del cable eléctrico superconductor en la red de suministro eléctrico. La determinación del valor de la energía total acumulada incluye determinar si el valor de la energía total acumulada es menor que un valor umbral crítico que representa la cantidad de energía a la que el cable podría dañarse si se produce un fallo general en un periodo de tiempo que es más corto que un periodo de tiempo umbral predeterminado. En otro aspecto de la invención, un sistema para proporcionar protección a un cable eléctrico superconductor localizado en una red de suministro eléctrico, incluye un sensor configurado para detectar una corriente de fallo transportada en el cable eléctrico superconductor; un controlador configurado para determinar la energía total acumulada disipada en el cable eléctrico superconductor de la corriente de fallo y al menos una corriente de fallo anterior durante un periodo de tiempo predeterminado; y configurado para determinar si debe desconectarse el cable eléctrico superconductor de la red de suministro eléctrico basándose en dicha energía total acumulada disipada.

Las realizaciones de este aspecto de la invención pueden incluir una o más de las siguientes características. El controlador determina la magnitud de la corriente de fallo lj, y una duración de tiempo de la corriente de fallo tdj en el cable eléctrico superconductor. El controlador determina si la corriente de fallo l¡ supera un nivel de corriente umbral predeterminado y, si lo hace, desconecta el cable eléctrico superconductor de la red de suministro eléctrico durante un periodo de tiempo basándose en el nivel de la corriente de fallo l¡. El periodo de tiempo está basado en la geometría del cable eléctrico superconductor y el sistema de refrigeración asociado. El controlador determina el tiempo transcurrido entre la corriente de fallo lj y una corriente de fallo anterior l¡.i y determina si el tiempo transcurrido supera un periodo de tiempo umbral predeterminado y, si lo hace, mantiene la conexión del cable eléctrico superconductor en la red de suministro eléctrico.

Entre otras ventajas, el método y el sistema descritos anteriormente proporcionan una protección contra la sobrecorriente a los cables eléctricos superconductores monitorizando la corriente que fluye en una parte de una red eléctrica a la que está conectado el cable de alimentación. El método y el sistema tienen en cuenta un fallo que se está produciendo,... [Seguir leyendo]

1. Un método para proporcionar protección a un cable eléctrico superconductor localizado en una red de suministro eléctrico, comprendiendo el método:

detectar una corriente de fallo en el cable eléctrico superconductor;

determinar la energía total acumulada disipada en el cable eléctrico superconductor de la corriente de fallo y al menos una corriente de fallo anterior durante un periodo de tiempo predeterminado; y

determinar si debe desconectarse el cable eléctrico superconductor de la red de suministro eléctrico basándose en dicha energía total acumulada disipada.

2. El método de la reivindicación 1, en el que la etapa de detección incluye determinar la magnitud de la corriente de fallo lj y una duración de tiempo de la corriente de fallo tdj en el cable eléctrico superconductor.

3. El método de la reivindicación 2, que incluye además determinar si la corriente de fallo lj supera un nivel de corriente umbral predeterminado y, si lo hace, desconectar el cable eléctrico superconductor de la red de suministro eléctrico durante un periodo de tiempo basándose en el nivel de la corriente de fallo lj.

4. El método de la reivindicación 2, que incluye además determinar el tiempo transcurrido entre la corriente de fallo l¡ y una corriente de fallo anterior l¡_i y determinar si el tiempo transcurrido supera un periodo de tiempo umbral predeterminado y, si lo hace, mantener la conexión del cable eléctrico superconductor en la red de suministro eléctrico.

5. El método de la reivindicación 1, en el que determinar si debe desconectarse el cable eléctrico superconductor incluye determinar si el valor de la energía total acumulada es menor que un valor umbral crítico que representa la cantidad de energía a la que podría dañarse el cable si se produce un fallo general en un periodo de tiempo que es más corto que un periodo de tiempo umbral predeterminado.

6. El método de la reivindicación 3, en el que el periodo de tiempo está basado en la geometría del cable eléctrico superconductor y el sistema de refrigeración asociado.

7. El método de la reivindicación 6, en el que la geometría del cable eléctrico superconductor incluye una pluralidad de capas y el periodo de tiempo está basado en Aj, el área de sección transversal de la capa j, k¡, la conductividad de la capa j, Tj, la temperatura local de la capa j que es una función de la posición dentro del cable y del tiempo, Rjj.i, la resistencia térmica entre la capa j-1 y la capa j, R¡,¡+1, la resistencia térmica entre la capa j y la capa j+1, p¡, la densidad de la capa j, y C¡, el calor específico de la capa j.

8. El método de la reivindicación 1, en el que el cable eléctrico comprende material superconductor de alta temperatura (HTS).

9. El método de la reivindicación 8, en el que el cable eléctrico incluye un núcleo de cobre y una pluralidad de capas HTS separadas por aislamiento eléctrico.

1. Un sistema para proporcionar protección a un cable eléctrico superconductor localizado en una red de suministro eléctrico, comprendiendo el sistema:

un sensor configurado para detectar una corriente de fallo transportada en el cable eléctrico superconductor; un controlador configurado para:

determinar la energía total acumulada disipada en el cable eléctrico superconductor de la corriente de fallo y al menos una corriente de fallo anterior durante un periodo de tiempo predeterminado; y determinar si debe desconectarse el cable eléctrico superconductor de la red de suministro eléctrico basándose en dicha energía total acumulada disipada.

11. El sistema de la reivindicación 1, en el que el controlador determina la magnitud de la corriente de fallo I, y una duración de tiempo de la corriente de fallo tdj en el cable eléctrico superconductor.

12. El sistema de la reivindicación 11, en el que el controlador determina si la corriente de fallo lj supera un nivel de corriente de umbral predeterminado y, si lo hace, desconecta el cable eléctrico superconductor de la red de suministro eléctrico durante un periodo de tiempo basándose en el nivel de la corriente de fallo l¡.

13. El sistema de la reivindicación 11, en el que el controlador determina el tiempo transcurrido entre la corriente de fallo lj y una corriente de fallo anterior lj_i y determina si el tiempo transcurrido supera un periodo de tiempo umbral predeterminado y, si lo hace, mantiene la conexión del cable eléctrico superconductor en la red de suministro eléctrico.

14. El sistema de la reivindicación 1, en el que el controlador determina si debe desconectarse el cable eléctrico superconductor determinando si el valor de la energía total acumulada es menor que un valor umbral crítico que representa la cantidad de energía a la que el cable podría dañarse si se produce un fallo general en un periodo de tiempo que es más corto que un periodo de tiempo umbral predeterminado.

15. El sistema de la reivindicación 12, en el que el periodo de tiempo está basado en la geometría del cable eléctrico superconductor y el sistema de refrigeración asociado.

16. El sistema de la reivindicación 15, en el que la geometría del cable eléctrico superconductor Incluye una

pluralidad de capas y el periodo de tiempo está basado en A¡, es el área de sección transversal de la capa j, k¡, es la

conductividad de la capa j, T¡, es la temperatura local de la capa j que es una función de la posición dentro del cable y del tiempo, Rjj.i, es la resistencia térmica entre la capa j-1 y la capa j, Rjj+i, es la resistencia térmica entre la capa j y la capa j+1, pj, es la densidad de la capa j, y C¡, el calor específico de la capa j.

17. El sistema de la reivindicación 1, en el que el cable eléctrico superconductor comprende material

superconductor de alta temperatura (HTS).

18. El sistema de la reivindicación 17, en el que el cable eléctrico superconductor incluye un núcleo de cobre y una pluralidad de capas HTS separadas por aislamiento eléctrico.