應(yīng)用于南澳柔直系統(tǒng)的超導(dǎo)直流限流器制冷系統(tǒng)研究

黃凱漩

摘要：以南澳柔性直流輸電系統(tǒng)新投產(chǎn)的超導(dǎo)直流限流器制冷系統(tǒng)為研究對象，介紹了超導(dǎo)限流器制冷系統(tǒng)的組成與功能概述，以及配套的低溫監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能，探索針對超導(dǎo)直流限流器本體及制冷系統(tǒng)的運維策略。

關(guān)鍵詞：超導(dǎo)直流限流器；制冷系統(tǒng)；運維策略

0 引言

2020年7月17日，世界上電壓等級最高、容量最大的超導(dǎo)直流限流器在廣東汕頭南澳柔性直流輸電系統(tǒng)掛網(wǎng)試運行。超導(dǎo)直流限流器是解決直流輸電系統(tǒng)短路故障的有效設(shè)備，為提高電力系統(tǒng)的電能傳輸質(zhì)量和運行穩(wěn)定性提供了有效保障[1]。

超導(dǎo)直流限流器的基本特性是正常運行時呈現(xiàn)零電阻的超導(dǎo)態(tài)，而發(fā)生短路接地故障時，一旦故障電流達到超導(dǎo)限流器的臨界電流值，超導(dǎo)限流器便會呈現(xiàn)電阻態(tài)[2]。要實現(xiàn)這一特性，必須將超導(dǎo)直流限流器本體置于低溫的液氮環(huán)境中。而要維持低溫的液氮環(huán)境，就必然需要配置一套制冷系統(tǒng)[3]。

1 功能概述

超導(dǎo)直流限流器正常運行時存在多種熱損耗，如低溫容器漏熱、高壓出線單元漏熱、閥門漏熱、限流單元接頭焦耳熱等，這些熱損耗將使低溫容器內(nèi)部的液氮氣化[4]。如果不采取措施，則需要頻繁補充液氮，超導(dǎo)直流限流器無法持續(xù)運行。因此，必須采用低溫制冷機將限流器靜態(tài)運行時產(chǎn)生的氮氣重新液化并循環(huán)利用，從而延長補充液氮的時間間隔。

制冷系統(tǒng)由液氮儲罐、低溫管道、低溫閥門、制冷機、液氮泵、冷卻水循環(huán)機等組成。制冷系統(tǒng)與限流器本體的連接原理圖如圖1所示，主要完成兩個功能：

功能1：把限流器正常運行過程中產(chǎn)生的氮氣通過氮氣管路輸送到低溫制冷箱內(nèi)，經(jīng)過低溫制冷機重新液化成液氮；然后由液氮泵驅(qū)動經(jīng)過低溫管道重新流回限流器。冷卻水循環(huán)機主要是對低溫制冷機提供冷卻用水。

功能2：限流器系統(tǒng)運行過程中，由于某些原因可能會引起液氮損失，造成限流器內(nèi)液氮液位過低，此時需要打開補液閥，把液氮儲罐內(nèi)的液氮向限流器補充。

2 在線監(jiān)測與保護配置

低溫監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對限流器本體的壓力、液位、溫度和液氮儲罐的壓力、液位等非電量信號進行采集，并根據(jù)報警和故障判據(jù)進行邏輯判斷。如圖2所示，非電量變送器的信號首先通過電光轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成光信號，然后通過光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的制冷預(yù)制艙；在制冷預(yù)制艙內(nèi)，再通過光電轉(zhuǎn)換卡把光信號轉(zhuǎn)換成RS485信號，與低溫監(jiān)控柜A和B相連。兩套低溫監(jiān)控柜使用雙主配置，預(yù)留相互通訊的接口。

低溫監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括：（1）實現(xiàn)自動根據(jù)限流器本體運行狀態(tài)，進行氮氣的液化循環(huán)和補液氮操作；（2）將限流器本體和液氮儲罐的非電量信號通過FT3光接口發(fā)送給在線錄波設(shè)備；（3）將非電量信號和邏輯判斷結(jié)果通過Modbus協(xié)議經(jīng)規(guī)約轉(zhuǎn)換器發(fā)送給后臺監(jiān)控系統(tǒng)，以在線實時顯示超導(dǎo)限流器相關(guān)信號；（4）將告警和嚴(yán)重故障判斷結(jié)果通過開關(guān)量信號發(fā)送給系統(tǒng)與換流站級控制器（SSC），由SSC實現(xiàn)告警和故障跳閘。

為避免傳感器故障導(dǎo)致誤觸發(fā)跳閘，低溫監(jiān)控系統(tǒng)對故障信號采用二取二，兩路信號均超過閾值，才發(fā)送嚴(yán)重故障跳閘信號給SSC。而報警信號采用二取一，其中一路信號故障就會上送報警信號。同時考慮到非電量保護的不穩(wěn)定性，僅將嚴(yán)重影響超導(dǎo)限流器本體運行的液位超低確定為嚴(yán)重故障跳閘信號，其他的信號均告警而不跳閘。

3 運維策略

為確保超導(dǎo)限流器本體及制冷系統(tǒng)的正常運行，通過查閱廠家說明書等手段，制定了針對制冷系統(tǒng)的日常維護項目和異常處置方案。

3.1 日常維護

應(yīng)定期檢查制冷系統(tǒng)的運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)和消除制冷系統(tǒng)的運行缺陷，并做好相關(guān)記錄工作。檢查的內(nèi)容主要是：

（1）儲罐未發(fā)現(xiàn)外部冷凍顆粒、結(jié)霜或冷凝跡象，未出現(xiàn)不正常快速升壓；

（2）壓力和液位等儀表是否正常無故障，后臺各表計讀數(shù)是否正常并與現(xiàn)場實際一致；

（3）各閥門是否在正常開啟/關(guān)閉位置；

（4）外管路焊接是否有裂縫或變形，特別是靠近閥門和接頭的部位；（5）安全閥和防爆片是否被污染或損壞；

（6）低溫管道及連接處無結(jié)霜、無漏氣，支架無松動，基礎(chǔ)無裂紋、無沉降；

（7）電源柜、控制柜、制冷機、冷卻水循環(huán)機等工作正常，無異響。3.2 異常處置

通過風(fēng)險識別和分析，認(rèn)定超導(dǎo)限流器本體和制冷系統(tǒng)可能潛在的異常主要是：本體液位、壓力、溫度過高或過低，液氮儲罐的液位、壓力過高或過低。各種異常的進一步發(fā)展惡化，存在可能危及超導(dǎo)限流器本體安全運行的風(fēng)險，因此必須制定有針對性的應(yīng)急處置方案。

應(yīng)急處置至少需要兩人共同進行，檢查人員應(yīng)做好個人防護措施：應(yīng)穿戴防寒服、戴上防護手套和眼罩、佩戴正壓式呼吸器，謹(jǐn)防窒息和低溫灼傷。

處置的一般順序和方法是先根據(jù)后臺報文判斷故障類型站再根據(jù)現(xiàn)場運行規(guī)程和應(yīng)急處置方案中的要求，采取對應(yīng)的處置措施，必要時向調(diào)度申請停電隔離處理。

4 結(jié)束語

超導(dǎo)直流限流器投入運行以來，其本體和制冷系統(tǒng)的運行狀況均良好；但時間尚短，其長期運行的可靠性還有待檢驗。對超導(dǎo)直流限流器的運維策略研究、制冷系統(tǒng)的運行經(jīng)濟型分析等，都將是接下來很長一段時間運維的探索方向。

參考文獻：

[1]譚璐. 高溫超導(dǎo)直流限流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析[D]. 2018.

[2]段晚晴， 傅明利， 羅兵，等. YBCO雙面薄膜失超電阻與失超回復(fù)特性研究[J]. 低溫與超導(dǎo)， 2018（6）：53- 59.

[3]許令順， 張華標(biāo)， 張俊峰，等. 高溫超導(dǎo)故障限流器及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 安徽電力， 2013（S1）：34- 37.

[4]洪輝， 牛國俊， 王建中，等. 35kV/90MVA高溫超導(dǎo)限流器低溫系統(tǒng)[J]. 低溫與超導(dǎo)， 2011（12）：5- 9.