超導電纜在鋁電解系列上的應用

曹志成 桂衛華 謝永芳

1、中南大學信息科學與工程學院 410083

2、河南中孚實業股份有限公司技術中心 451261

超導電纜在鋁電解系列上的應用

曹志成1、2桂衛華1謝永芳1

1、中南大學信息科學與工程學院 410083

2、河南中孚實業股份有限公司技術中心 451261

正在開展的國家863計劃重點項目大電流高溫超導直流電纜的關鍵技術研究與工程示范項目的超導電纜系統組成情況，分析了超導直流電纜與鋁電解系列的連接方式以及運行方式。

超導電纜；低溫杜瓦管；液氮；電解鋁；整流變壓器；銅鋁復合排

1911年，荷蘭萊頓大學的卡麥林—昂尼斯將汞冷卻到-268.98℃時，發現汞的電阻突然消失，后來他又發現許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，他把這種現象稱之為超導。零電阻特性為超導材料在電力傳導方面的應用提供了廣闊的舞臺，主要應用在超導電纜、超導變壓器、超導強磁體等方面。

在交流傳輸且容量相同的情況下，超導電纜的交流阻抗僅為常規電纜阻抗的十幾分之一，可以減少電網線損50%左右，而在重量和尺寸相同的情況下，高溫超導電纜的傳輸容量比常規電纜高出3～5倍且其損耗下降60%以上；對于直流傳輸，高溫超導電纜幾乎可以無損地實現電力傳輸，其優越性將更為明顯，且傳輸容量越大、傳輸距離越長，所實現的節能效果越好。

電解鋁行業既是重要的基礎原材料行業，也是高投入、能耗大、對資源依賴性強的行業。我國電解鋁工業在2007年以其不到全國GDP的1%的總產值，卻消耗了全國6%以上（1800億度電）用電總量，電解鋁行業的節能降耗意義重大。鋁電解需要巨大的電解電流（幾萬甚至幾十萬安培）。將超導電纜與鋁電解工藝有機結合，既是實現電解鋁行業節能的有效途徑，也是實現超導電纜工程化的最佳切入點，將為實現超導電纜在電力傳輸領域大規模應用奠定重要的基礎。2010年中國科學院電工研究所和河南中孚實業股份有限公司合作開發超導電纜在電解鋁行業的應用進行工程示范化運行，此項目申報了國家863計劃重點項目并得了國家科技部的批復。

1.超導電纜系統的構成

1. 1 超導電纜的運行環境

目前全球發現的超導材料都是在極其低的溫度下才出現超導態的。比如目前應用最為廣泛的兩種低溫超導材料NbTi和Nb3Sn運行在液氦溫區（4.2K）,而Bi-Sr-Ca-Cu-O和YB C O則運行在液氮溫區（77K）。我們應用在電解鋁行業的超導電纜采用的材料是Bi-Sr-Ca-Cu-O，要使其在77K下正常運行，我們因此建立了低溫制冷系統。

1.2 超導電纜本體

中國科學院電工研究所和河南中孚實業股份有限公司合作開發應用在電解鋁上的超導電纜長度達362米。超導電纜本體由超導電纜終端和超導電纜組成。超導電纜終端主要是將超導電纜和常溫導電母排之間的進行過渡。超導終端由輸液管、導電銅棒、密封圈、測量儀器等構成。超導電纜由通電導體（超導帶材）、骨架、真空杜瓦管、絕緣層構成。超導電纜需要在液氮溫區運行，因此在真空杜瓦管的內層及超導電纜骨架內流通的都是液氮。超導電纜結構見圖1。

圖1 超導電纜結構

1.3 超導電纜測量保護系統

超導電纜要能穩定可靠地運行，必須要配置完善的測量保護系統。超導電纜主要監測其中液氮的壓力、溫度以及導體本身的直流電壓降，保護系統則根據測量系統的數據進行判斷，確定超導電纜是否正常并根據情況作出報警和動作跳閘。

1.3.1 電壓測量

電壓測量點包括高溫超導電纜本體電壓U01、終端電壓U11和U12、回流母線電壓U02，系統電壓U03等，見圖2。

圖2 超導電纜電壓信號檢測點分布圖

上圖中U11、U12、U01直流電壓信號很?。▽儆讦?V級信號），選用凱斯利高精度直流電壓表測量，為了保證測量數據的準確度，直流電壓表直接輸出數字信號；U03直流大電壓信號（屬于1400V量級）以及U02直流電壓信號（屬于10V量級），通過直流電壓表來檢測。

1.3.2 溫度測量

超導電纜的溫度測量點主要是液氮泵出口液氮溫度、入口液氮溫度、超導電纜終端端點溫度。溫度傳感器選用鉑電阻（Pt100）。

1.3.3 上位機監控

超導電纜上位機監控系統由兩個測控柜和上位機（工控機）組成。系統通訊采用RS-485總線，測控柜分別放置于高溫超導電纜近端和遠端，實現就近檢測控制；上位機放置在主控室，實現系統在線監測。監控系統的組成結構見圖3。

圖3 超導電纜監控結構

超導電纜的全部運行參數都采用RS-485總線輸出至監控中心，保障系統數據傳輸的可靠，部分運行參數還將在運行現場通過儀器儀表予以顯示。上位機監控系統畫面見圖4。

圖4 超導電纜監控畫面

1.3.4 系統保護

當系統的溫度、壓力和超導體本體電壓出現異常時，測控系統根據設定參數，及時給出警報或直接跳閘切斷電源回路。超導電纜保護的邏輯框圖見圖5。

圖5 超導電纜保護邏輯框圖

1.4 低溫制冷系統

低溫制冷系統是保證超導電纜在72K～77K低溫之間運行的關鍵。低溫制冷系統由制冷機、真空泵、汽化器、液氮儲罐、工業冷水機組成。制冷機采用斯特林的SPC-4型制冷機，制冷機的原理是基于斯特林循環，氦氣作為冷卻介質，制冷機里充滿了高壓氦氣，使制冷過程形成封閉的循環，在冷頭上產生60K的溫度，制冷過程中產生的熱量由冷水機組的冷卻水帶走，而液氮則與氦氣進行熱交換，使制冷機的出口液氮能達到72K。斯特林制冷機在77K時制冷功率是3400W，72K時制冷功率是2800W。真空泵與制冷機的液氮緩沖罐相連，主要是當制冷機出現故障時，使液氮在負壓下汽化而達到冷卻液氮的目的。

2.超導電纜應用在電解鋁系列上應用

2.1 連接方式

由于本次研發的超導電纜設計額定電流為10kA，而應用的電解系列是320kA電流，因此超導電纜只能作為一個支路電源給電解系列供電。電氣原理圖見圖6。

圖6 超導電纜系統電氣原理圖

原320kA電解系列由6臺整流機組給其供電，現超導電纜電源與原整流機組并聯。超導電纜項目新建一座整流所，其輸出電源的正極通過超導電纜與320kA電解系列原整流所的正極匯流母排連接，超導電纜項目整流所的互極通過銅鋁復合排與320kA電解系列原整流所的負極匯流母排進行連接，從而與原整流機組的整流回路形成“并聯”。

2.2 系統的運行方式

超導電纜項目整流所供給10kA電流時，320kA電解系列的整流所輸出310kA直流電流。超導電纜項目的整流所進行獨立穩流，其穩流目標值為10kA， 320kA電解系列整流系統也進行自動穩流，但其穩流目標值為6機組共同恒定輸出310kA，由于總直流電流互感器安裝在整流所直流匯流排與電解車間之間，其測量值的范圍包括了超導電纜項目整流所供給的電流，因此原320kA電解系列整流所的系列電流閉環恒流解除，只進行單機組閉環恒流，單機組的恒流目標設定值為310/n kA(n為實際投入的整流機組數)。在兩個整流系統中，任何一個整流機組出現逆流情況，同時跳閘投運的各機組，確保整流裝置的安全。

3.結束語

超導電纜在電解鋁行業的應用，開創了超導電纜的應用先河，為電解鋁行業節能減排和技術創新開辟了新的途徑。同時此項目研發的超導直流電纜載流量達到了10kA量級，是國際首創，此次研發和應用取得的數據將為超導電纜后續應用于相關行業和國家電力傳輸的研究提供技術支撐，為中國超導技術達到國際領先水平奠定堅實的基礎。

[1]Xuemin Liang,Shaotao D“ai.Design of a 380m DC HTS Power Cable”.21st International Conference of Magnet Technology[J].2009

[2]斯特林制冷機說明書

[3]戴少濤,林良真,林玉寶. 75m 三相交流高溫超導電纜的研制[J].中國電機工程學報.2007

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.19.048

曹志成(19 80- ),工程碩士,工程師。