普吉變電站超導(dǎo)電力設(shè)備運(yùn)行分析

任安林 田 密 字美榮 崔繼斌

（1.北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司 北京 100176 2.云南電網(wǎng)公司昆明供電局 昆明 650011）

1 引言

高溫超導(dǎo)體從1986年發(fā)現(xiàn)以來，因之能在液氮?dú)饣瘻囟认拢?7K）實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，就此使超導(dǎo)設(shè)備的工業(yè)化應(yīng)用成為可能。以美國(guó)、歐洲、日本、韓國(guó)等為首的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，更是制訂了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展超導(dǎo)技術(shù)的計(jì)劃。中國(guó)在超導(dǎo)電力應(yīng)用方面也進(jìn)行了積極的探索，通過關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，建設(shè)了多個(gè)示范工程項(xiàng)目。

中國(guó)第一組實(shí)用型35kV/2kA超導(dǎo)電纜系統(tǒng)自2004年4月在云南昆明市普吉變電站投入運(yùn)行以來[1]，經(jīng)受了各種運(yùn)行工況的考驗(yàn)，是目前世界上輸電量最多、運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的超導(dǎo)電纜。2007年12月，同樣由北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司牽頭研發(fā)的35kV/90MVA飽和鐵心型超導(dǎo)限流在普吉變電站實(shí)現(xiàn)掛網(wǎng)運(yùn)行[2]，是目前世界上掛網(wǎng)運(yùn)行的電壓等級(jí)最高、容量最大的超導(dǎo)限流器。

2 超導(dǎo)電力設(shè)備的運(yùn)行狀況

云南昆明普吉超導(dǎo)電纜系統(tǒng)與變電站原2#變壓器35kV出口線路并行，安裝于372#和373#斷路器之間，正常運(yùn)行時(shí)取代原有變壓器出口母線，對(duì)35kV沙郎線、普冶線、銅廠1、2、3回線、富民線、團(tuán)鋼線、電化廠線和平玻1、2回線等線路進(jìn)行供電。

35kV三相飽和鐵心型超導(dǎo)限流器安裝于普吉變電站沙朗線的出口上，位于374#和375#斷路器之間，并接于原341#斷路器兩端，限流器掛網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)斷開原有341#斷路器。

圖1為超導(dǎo)電纜和超導(dǎo)限流器的一次系統(tǒng)接線圖[2,3]。

2.1 超導(dǎo)電纜

35kV/2kA超導(dǎo)電纜系統(tǒng)由超導(dǎo)電纜本體、終端、制冷系統(tǒng)、監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)四部分組成。系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控的主要電氣指標(biāo)有：電壓（I段、II段母線）、電流、輸電量，非電氣指標(biāo)有：液氮溫度、壓力和流量[4]。2004年4月19日，該超導(dǎo)電纜正式并網(wǎng)試運(yùn)行。

為了測(cè)試超導(dǎo)電纜的輸電性能，初期試運(yùn)行時(shí)，將三臺(tái)主變接入了該回路，但由于變電站自身容量所限，超導(dǎo)電纜最高試運(yùn)行電流為1 620A，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的連續(xù)電流維持在約1 450A[5]。并網(wǎng)試運(yùn)行結(jié)束后，超導(dǎo)電纜按照調(diào)度命令正常運(yùn)行送電，持續(xù)運(yùn)行電流在300～800A之間。超導(dǎo)電纜經(jīng)過幾年的復(fù)雜氣象條件的考驗(yàn)，本體依然呈現(xiàn)良好的輸電性能。

圖1 普吉變電站超導(dǎo)電纜和超導(dǎo)限流器一次系統(tǒng)接線圖Fig.1 The primary system diagram of superconductor cable and fault current limiter in Puji substation

圖2 為2009年11月20日一天的超導(dǎo)電纜三相輸電電流波形圖，從圖中可看出17時(shí)16分電流從720A快速跌落至500A左右。連接超導(dǎo)電纜的母線電壓監(jiān)測(cè)值顯示，變電站當(dāng)時(shí)進(jìn)行了35kV等級(jí)I段母線合閘，電流變化為線路切換導(dǎo)致。

圖2 超導(dǎo)電纜輸電電流波形圖Fig.2 The transmission current of superconductor cable

普吉超導(dǎo)電纜的冷卻系統(tǒng)為閉式循環(huán)，液氮從B、C相流入，合流后從A相流回泵箱。超導(dǎo)電纜出口溫度曲線顯示，液氮溫度控制在74.5～78.5K之間（見圖3）。B、C相溫度略有差異，是由于流量和熱損耗等因素造成。由于A相曲線是液氮回流進(jìn)入冷箱前的最后一個(gè)測(cè)點(diǎn)，因此其溫度最高。

圖3 超導(dǎo)電纜出口溫度曲線Fig3 The outlet temperature of superconductor cable

普吉超導(dǎo)電纜液氮循環(huán)系統(tǒng)主要上傳監(jiān)控的壓力信號(hào)共有3路，用于監(jiān)測(cè)液氮泵出口壓力（P1）、超導(dǎo)電纜液氮出口（P2）和入口壓力（P3），傳感器分別安裝于液氮泵箱出口和電纜出入口處的真空液氮管內(nèi)。圖4為超導(dǎo)電纜液氮循環(huán)壓力曲線，其中液氮泵出口壓力和電纜液氮入口壓力較高，正常運(yùn)行值為80～100kPa，電纜液氮出口壓力正常運(yùn)行值為60～90kPa。冷卻液氮從過冷箱流經(jīng)B、C兩相電纜，匯流進(jìn)入A相，因此B、C相液氮流量基本相等，控制在420～560L/h，A相流量為840～1 120L/h。

圖4 超導(dǎo)電纜液氮壓力曲線Fig.4 The pressure of liquid nitrogen in superconductor cable

超導(dǎo)電纜經(jīng)長(zhǎng)期的各種工況運(yùn)行，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)仍與剛并網(wǎng)時(shí)基本一致，個(gè)別數(shù)值如溫區(qū)略微提高是在保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定前提下減少報(bào)警并節(jié)約能源的措施。

2.2 超導(dǎo)限流器

35kV超導(dǎo)限流器主要由電抗系統(tǒng)、直流勵(lì)磁系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)、監(jiān)控保護(hù)等幾部分構(gòu)成。圖5為沙朗線即超導(dǎo)限流器交流繞組中一天內(nèi)的電流變化情況。由于該線路負(fù)荷較小，超導(dǎo)限流器日常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行負(fù)荷電流并不大，基本在50～300A之間。

超導(dǎo)限流器的熱損耗較低，因此經(jīng)過優(yōu)化選擇，制冷系統(tǒng)采用了開式制冷，雖運(yùn)行費(fèi)用略高，但初投資低且可靠性高。

圖5 35kV超導(dǎo)限流器交流繞組電流曲線（2008-6-14）Fig.5 The AC coil current of 35kV SFCL at Puji Substation

超導(dǎo)限流器液氮液位控制在超導(dǎo)繞組上端面及超出其上的100mm范圍內(nèi)。通過在杜瓦內(nèi)相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)高度放置測(cè)溫電阻，監(jiān)測(cè)其所測(cè)量的溫度來對(duì)液位進(jìn)行判斷和控制。應(yīng)用測(cè)溫裝置控制液位，避免了低溫液位計(jì)測(cè)量不準(zhǔn)確且故障率較高的問題。共設(shè)置了兩組測(cè)溫電阻，互為備用且通過對(duì)比分析后能確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。當(dāng)杜瓦內(nèi)液氮液位低于下限時(shí)，杜瓦內(nèi)下限溫度會(huì)升高，任意一個(gè)下限溫度大于84K時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)開始補(bǔ)液；當(dāng)杜瓦內(nèi)的任意一個(gè)上限溫度小于86K時(shí)，補(bǔ)液停止。圖6顯示了2008年9月27日上、下限溫度計(jì)測(cè)量值?？煽吹较孪逌囟扔?jì)溫度在78K、上限溫度計(jì)在153K附近波動(dòng)，當(dāng)液位逐漸降低至下限時(shí)，其中一個(gè)下限溫度計(jì)溫度上升到84K，自動(dòng)補(bǔ)液閥開啟，自動(dòng)補(bǔ)液。補(bǔ)液到上限溫度計(jì)處，其中的一個(gè)上限溫度計(jì)1溫度快速下降至86K以下，自動(dòng)補(bǔ)液閥關(guān)閉，停止補(bǔ)液。當(dāng)天內(nèi)共補(bǔ)液兩次，間隔約11h。

圖6 35kV超導(dǎo)限流器上、下限溫度曲線Fig.6 The upper and lower temperature of 35kV SFCL

超導(dǎo)限流器低溫系統(tǒng)杜瓦內(nèi)壓力波動(dòng)與杜瓦補(bǔ)液動(dòng)作基本一致。圖7為杜瓦內(nèi)部一天時(shí)間內(nèi)的壓力變化曲線圖。低溫系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，杜瓦內(nèi)的壓力大概在2～7kPa之間小幅波動(dòng)，當(dāng)杜瓦自動(dòng)補(bǔ)液時(shí)，內(nèi)部壓力瞬時(shí)快速上升然后回落，但最大值不超過55kPa。

圖7 35kV超導(dǎo)限流器杜瓦壓力曲線Fig.7 The pressure of dewar in 35kV SFCL

圖8 為低溫系統(tǒng)液氮儲(chǔ)罐內(nèi)液氮容量曲線，去除波動(dòng)的尖峰可以清晰看到一天之內(nèi)系統(tǒng)為杜瓦補(bǔ)液共消耗液氮約0.1m3。液氮儲(chǔ)罐的容積為5m3，當(dāng)剩余液氮小于1m3時(shí)需人工添注，因此限流器運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)罐大概間隔30～40天需人工添注液氮一次，每次補(bǔ)充液氮約4m3，這已得到計(jì)算和實(shí)際運(yùn)行的驗(yàn)證。

圖8 35kV超導(dǎo)限流器液氮儲(chǔ)罐容量曲線Fig.8 The capacity of liquid nitrogen storage tank in 35kV SFCL

3 普吉超導(dǎo)電力設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)

3.1 超導(dǎo)電纜特性參數(shù)

超導(dǎo)電纜在運(yùn)行期間持續(xù)進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試，其導(dǎo)體直流電阻數(shù)據(jù)見表1，該超導(dǎo)電纜中間無接頭，其回路電阻在室溫下為24mΩ 左右。在低溫下的直流電阻與常溫下相比大幅降低，但由于兩端終端引線的存在，仍然有約68μΩ 的阻值。經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后，多次反復(fù)測(cè)試證實(shí)，超導(dǎo)電纜導(dǎo)體部分的直流電阻無明顯變化。

表1 普吉35kV超導(dǎo)電纜導(dǎo)體直流電阻Tab.1 The DC resistance of 35kV superconductor cable at Puji substation

根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，超導(dǎo)電纜在不同輸電負(fù)荷情況下，系統(tǒng)及其各部分的損耗見表2。超導(dǎo)電纜輸電電流在800～1 000A時(shí)，實(shí)際運(yùn)行熱負(fù)荷小于1 200W，該數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)值基本相符，證明了設(shè)計(jì)計(jì)算的正確性。

表2 超導(dǎo)電纜運(yùn)行熱負(fù)荷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.2 The running thermal load of superconductor cable

在整個(gè)超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的損耗中，漏熱性質(zhì)的損耗所占的比重較大，其中制冷系統(tǒng)和終端的損耗又占了很大的一部分。因此電纜長(zhǎng)度的增加，不致引起整個(gè)系統(tǒng)損耗的明顯同比例增加，當(dāng)超導(dǎo)電纜達(dá)到一定的長(zhǎng)度時(shí)，其節(jié)能優(yōu)勢(shì)就可能顯現(xiàn)出來。

3.2 超導(dǎo)限流器特性參數(shù)

超導(dǎo)限流器進(jìn)行了多次超導(dǎo)繞組直流電阻測(cè)試，表3為其中的三次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，證實(shí)其制作符合設(shè)計(jì)要求，長(zhǎng)期運(yùn)行后的參數(shù)也無明顯的變化。

表3 超導(dǎo)限流器超導(dǎo)繞組直流電阻實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.3 The DC resistance of superconductor coil in SFCL

超導(dǎo)限流器在線阻抗測(cè)試數(shù)據(jù)見表4。直流勵(lì)磁電流分別為100A、150A、200A、250A時(shí)，交流繞組電流在214.5～253.5A范圍內(nèi)時(shí)，超導(dǎo)限流器的交流阻抗值在0.35～0.37Ω 之間。超導(dǎo)限流器的在線阻抗值與理論設(shè)計(jì)值（0.35Ω）基本一致，滿足電網(wǎng)運(yùn)行要求。

表4 超導(dǎo)限流器的交流阻抗Tab.4 The AC resistance of SFCL

2009年7月20日，對(duì)該超導(dǎo)限流器成功進(jìn)行了一系列在線人工短路限流試驗(yàn)，包括不接限流器的三相對(duì)地短路、接入限流器帶自動(dòng)重合閘時(shí)的三相對(duì)地短路和模擬限流器故障（短路時(shí)限流器直流勵(lì)磁不消失）狀態(tài)下的三相對(duì)地短路等共5次試驗(yàn)。第1次不接限流器時(shí)35kV母線金屬短路電流計(jì)算值約7kA，第2、4次的接入限流器后的短路電流為5.6～5.9kA，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算吻合。第5次試驗(yàn)為大容量金屬短路試驗(yàn)，不接限流器短路電流計(jì)算值為21.37kA（由于容量大，該級(jí)別僅進(jìn)行了一次接入限流器的短路電流），實(shí)際接入限流器的短路電流15.5kA，與計(jì)算值14.59kA基本吻合。試驗(yàn)顯示，接入超導(dǎo)限流器后對(duì)抑制系統(tǒng)短路電流效果顯著，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；限流電抗器直流控制系統(tǒng)在電網(wǎng)短路及重合閘時(shí)，動(dòng)作配合及控制邏輯正確。

4 普吉超導(dǎo)電力設(shè)備維護(hù)檢修

普吉超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的檢修周期基本可以按照冷卻系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的使用壽命來確定，液氮泵軸承的更換時(shí)間為運(yùn)行6 000h左右，制冷機(jī)的大修維護(hù)周期約20 000h。在這些關(guān)鍵部件維護(hù)時(shí)，同步進(jìn)行真空維護(hù)，即對(duì)終端恒溫器、液氮輸液管等真空部件進(jìn)行抽真空處理，并檢查電纜整體的特性參數(shù)和消缺處理，最后完成全套常規(guī)試驗(yàn)。

根據(jù)并網(wǎng)運(yùn)行的維護(hù)檢修統(tǒng)計(jì)，普吉超導(dǎo)電纜系統(tǒng)故障包括液氮流量過低、出口溫度過高、冷卻水溫過高、工控機(jī)死機(jī)、漏熱結(jié)冰和絕緣下降等，而跳閘的主要原因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)異常引起。由于該冷卻系統(tǒng)中運(yùn)轉(zhuǎn)部件較多，且作為示范工程，沒有設(shè)計(jì)冗余備用，因此冷卻系統(tǒng)的各種超范圍異常均可引起電纜跳閘。大部分的部件故障經(jīng)過不斷的消缺如改造冷水機(jī)組、更換絕緣液氮管等均已消除。但對(duì)于整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的問題，則需在以后的工程實(shí)踐中加以完善。

普吉超導(dǎo)限流器為開式制冷，運(yùn)轉(zhuǎn)部件較少，故其故障率較低，正常運(yùn)行時(shí)也基本不需維護(hù)。投運(yùn)以來，主要故障為繞組絕緣下降、液氮管附件發(fā)熱和限流后勵(lì)磁未恢復(fù)等。分析故障形成的原因，主要包括限流器外殼套管密封不良、冷卻系統(tǒng)管道形成接地環(huán)流回路、直流勵(lì)磁系統(tǒng)故障后重合閘控制閾值設(shè)置不合理等。

經(jīng)過三年多的運(yùn)行和不斷完善，超導(dǎo)限流器已基本可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定掛網(wǎng)運(yùn)行；勵(lì)磁系統(tǒng)升級(jí)改造后恢復(fù)勵(lì)磁的時(shí)間已小于600ms，與變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的配合邏輯正確，可以滿足電網(wǎng)快速重合閘等要求。

5 結(jié)論

普吉變電站超導(dǎo)電纜的長(zhǎng)期運(yùn)行證實(shí)了其實(shí)用性，并為經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上開展的冷絕緣電纜技術(shù)研究也取得了實(shí)質(zhì)進(jìn)展。超導(dǎo)限流器的研制、運(yùn)行、試驗(yàn)和維護(hù)等數(shù)據(jù)，為后期的更高電壓等級(jí)的超導(dǎo)限流器研究提供了重要的借鑒參考意義，如即將在天津掛網(wǎng)的220kV超導(dǎo)限流器中已應(yīng)用了多項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)措施。

超導(dǎo)電力設(shè)備在電網(wǎng)中的應(yīng)用還需克服成本過高、可靠性較低等難題。檢修維護(hù)經(jīng)驗(yàn)證明，冷卻系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化是決定超導(dǎo)電力設(shè)備可靠性的兩個(gè)主要方面。

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