普吉變電站超導電力設備運行分析

任安林 田 密 字美榮 崔繼斌

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

1 引言

高溫超導體從1986年發現以來，因之能在液氮氣化溫度下（77K）實現超導，就此使超導設備的工業化應用成為可能。以美國、歐洲、日本、韓國等為首的工業發達國家和地區，更是制訂了長遠的發展超導技術的計劃。中國在超導電力應用方面也進行了積極的探索，通過關鍵技術研發，建設了多個示范工程項目。

中國第一組實用型35kV/2kA超導電纜系統自2004年4月在云南昆明市普吉變電站投入運行以來[1]，經受了各種運行工況的考驗，是目前世界上輸電量最多、運行時間最長的超導電纜。2007年12月，同樣由北京云電英納超導電纜有限公司牽頭研發的35kV/90MVA飽和鐵心型超導限流在普吉變電站實現掛網運行[2]，是目前世界上掛網運行的電壓等級最高、容量最大的超導限流器。

2 超導電力設備的運行狀況

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

35kV三相飽和鐵心型超導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，限流器掛網正常運行時斷開原有341#斷路器。

圖1為超導電纜和超導限流器的一次系統接線圖[2,3]。

2.1 超導電纜

35kV/2kA超導電纜系統由超導電纜本體、終端、制冷系統、監控保護系統四部分組成。系統運行監控的主要電氣指標有：電壓（I段、II段母線）、電流、輸電量，非電氣指標有：液氮溫度、壓力和流量[4]。2004年4月19日，該超導電纜正式并網試運行。

為了測試超導電纜的輸電性能，初期試運行時，將三臺主變接入了該回路，但由于變電站自身容量所限，超導電纜最高試運行電流為1 620A，長時間運行的連續電流維持在約1 450A[5]。并網試運行結束后，超導電纜按照調度命令正常運行送電，持續運行電流在300～800A之間。超導電纜經過幾年的復雜氣象條件的考驗，本體依然呈現良好的輸電性能。

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

圖2 為2009年11月20日一天的超導電纜三相輸電電流波形圖，從圖中可看出17時16分電流從720A快速跌落至500A左右。連接超導電纜的母線電壓監測值顯示，變電站當時進行了35kV等級I段母線合閘，電流變化為線路切換導致。

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

普吉超導電纜的冷卻系統為閉式循環，液氮從B、C相流入，合流后從A相流回泵箱。超導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入冷箱前的最后一個測點，因此其溫度最高。

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

普吉超導電纜液氮循環系統主要上傳監控的壓力信號共有3路，用于監測液氮泵出口壓力（P1）、超導電纜液氮出口（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。圖4為超導電纜液氮循環壓力曲線，其中液氮泵出口壓力和電纜液氮入口壓力較高，正常運行值為80～100kPa，電纜液氮出口壓力正常運行值為60～90kPa。冷卻液氮從過冷箱流經B、C兩相電纜，匯流進入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 超導電纜液氮壓力曲線Fig.4 The pressure of liquid nitrogen in superconductor cable

超導電纜經長期的各種工況運行，各項技術參數仍與剛并網時基本一致，個別數值如溫區略微提高是在保證系統運行穩定前提下減少報警并節約能源的措施。

2.2 超導限流器

35kV超導限流器主要由電抗系統、直流勵磁系統、低溫系統、監控保護等幾部分構成。圖5為沙朗線即超導限流器交流繞組中一天內的電流變化情況。由于該線路負荷較小，超導限流器日常穩態運行負荷電流并不大，基本在50～300A之間。

超導限流器的熱損耗較低，因此經過優化選擇，制冷系統采用了開式制冷，雖運行費用略高，但初投資低且可靠性高。

圖5 35kV超導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

超導限流器液氮液位控制在超導繞組上端面及超出其上的100mm范圍內。通過在杜瓦內相對應的兩個高度放置測溫電阻，監測其所測量的溫度來對液位進行判斷和控制。應用測溫裝置控制液位，避免了低溫液位計測量不準確且故障率較高的問題。共設置了兩組測溫電阻，互為備用且通過對比分析后能確保測量的準確性。當杜瓦內液氮液位低于下限時，杜瓦內下限溫度會升高，任意一個下限溫度大于84K時，系統將自動開始補液；當杜瓦內的任意一個上限溫度小于86K時，補液停止。圖6顯示了2008年9月27日上、下限溫度計測量值?？煽吹较孪逌囟扔嫓囟仍?8K、上限溫度計在153K附近波動，當液位逐漸降低至下限時，其中一個下限溫度計溫度上升到84K，自動補液閥開啟，自動補液。補液到上限溫度計處，其中的一個上限溫度計1溫度快速下降至86K以下，自動補液閥關閉，停止補液。當天內共補液兩次，間隔約11h。

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

超導限流器低溫系統杜瓦內壓力波動與杜瓦補液動作基本一致。圖7為杜瓦內部一天時間內的壓力變化曲線圖。低溫系統正常運行時，杜瓦內的壓力大概在2～7kPa之間小幅波動，當杜瓦自動補液時，內部壓力瞬時快速上升然后回落，但最大值不超過55kPa。

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

圖8 為低溫系統液氮儲罐內液氮容量曲線，去除波動的尖峰可以清晰看到一天之內系統為杜瓦補液共消耗液氮約0.1m3。液氮儲罐的容積為5m3，當剩余液氮小于1m3時需人工添注，因此限流器運行時儲罐大概間隔30～40天需人工添注液氮一次，每次補充液氮約4m3，這已得到計算和實際運行的驗證。

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

3 普吉超導電力設備測試數據

3.1 超導電纜特性參數

超導電纜在運行期間持續進行了相關的測試，其導體直流電阻數據見表1，該超導電纜中間無接頭，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。經長期運行后，多次反復測試證實，超導電纜導體部分的直流電阻無明顯變化。

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

根據運行數據的分析計算，超導電纜在不同輸電負荷情況下，系統及其各部分的損耗見表2。超導電纜輸電電流在800～1 000A時，實際運行熱負荷小于1 200W，該數據與計算數值基本相符，證明了設計計算的正確性。

表2 超導電纜運行熱負荷實測數據Tab.2 The running thermal load of superconductor cable

在整個超導電纜系統的損耗中，漏熱性質的損耗所占的比重較大，其中制冷系統和終端的損耗又占了很大的一部分。因此電纜長度的增加，不致引起整個系統損耗的明顯同比例增加，當超導電纜達到一定的長度時，其節能優勢就可能顯現出來。

3.2 超導限流器特性參數

超導限流器進行了多次超導繞組直流電阻測試，表3為其中的三次實測數據，證實其制作符合設計要求，長期運行后的參數也無明顯的變化。

表3 超導限流器超導繞組直流電阻實測數據Tab.3 The DC resistance of superconductor coil in SFCL

超導限流器在線阻抗測試數據見表4。直流勵磁電流分別為100A、150A、200A、250A時，交流繞組電流在214.5～253.5A范圍內時，超導限流器的交流阻抗值在0.35～0.37Ω 之間。超導限流器的在線阻抗值與理論設計值（0.35Ω）基本一致，滿足電網運行要求。

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

2009年7月20日，對該超導限流器成功進行了一系列在線人工短路限流試驗，包括不接限流器的三相對地短路、接入限流器帶自動重合閘時的三相對地短路和模擬限流器故障（短路時限流器直流勵磁不消失）狀態下的三相對地短路等共5次試驗。第1次不接限流器時35kV母線金屬短路電流計算值約7kA，第2、4次的接入限流器后的短路電流為5.6～5.9kA，試驗結果與理論計算吻合。第5次試驗為大容量金屬短路試驗，不接限流器短路電流計算值為21.37kA（由于容量大，該級別僅進行了一次接入限流器的短路電流），實際接入限流器的短路電流15.5kA，與計算值14.59kA基本吻合。試驗顯示，接入超導限流器后對抑制系統短路電流效果顯著，達到設計要求；限流電抗器直流控制系統在電網短路及重合閘時，動作配合及控制邏輯正確。

4 普吉超導電力設備維護檢修

普吉超導電纜系統的檢修周期基本可以按照冷卻系統中關鍵部件的使用壽命來確定，液氮泵軸承的更換時間為運行6 000h左右，制冷機的大修維護周期約20 000h。在這些關鍵部件維護時，同步進行真空維護，即對終端恒溫器、液氮輸液管等真空部件進行抽真空處理，并檢查電纜整體的特性參數和消缺處理，最后完成全套常規試驗。

根據并網運行的維護檢修統計，普吉超導電纜系統故障包括液氮流量過低、出口溫度過高、冷卻水溫過高、工控機死機、漏熱結冰和絕緣下降等，而跳閘的主要原因為冷卻系統異常引起。由于該冷卻系統中運轉部件較多，且作為示范工程，沒有設計冗余備用，因此冷卻系統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過不斷的消缺如改造冷水機組、更換絕緣液氮管等均已消除。但對于整體系統設計方面的問題，則需在以后的工程實踐中加以完善。

普吉超導限流器為開式制冷，運轉部件較少，故其故障率較低，正常運行時也基本不需維護。投運以來，主要故障為繞組絕緣下降、液氮管附件發熱和限流后勵磁未恢復等。分析故障形成的原因，主要包括限流器外殼套管密封不良、冷卻系統管道形成接地環流回路、直流勵磁系統故障后重合閘控制閾值設置不合理等。

經過三年多的運行和不斷完善，超導限流器已基本可以實現長期穩定掛網運行；勵磁系統升級改造后恢復勵磁的時間已小于600ms，與變電站繼電保護系統的配合邏輯正確，可以滿足電網快速重合閘等要求。

5 結論

普吉變電站超導電纜的長期運行證實了其實用性，并為經濟技術分析提供了豐富的經驗數據，在此基礎上開展的冷絕緣電纜技術研究也取得了實質進展。超導限流器的研制、運行、試驗和維護等數據，為后期的更高電壓等級的超導限流器研究提供了重要的借鑒參考意義，如即將在天津掛網的220kV超導限流器中已應用了多項技術改進措施。

超導電力設備在電網中的應用還需克服成本過高、可靠性較低等難題。檢修維護經驗證明，冷卻系統的可靠性和系統設計的優化是決定超導電力設備可靠性的兩個主要方面。

[1] Xin Ying,Hou Bo,Bi Yanfang,et al.Introduction of China’s first live grid installed HTS power cable system[C].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2005,(6): 1814-1817.

[2] Xin Y,Gong W Z,Niu X Y,et al,Manufacturing and test of a 35kV/90MVA saturated iron-core type superconductive fault current limiter for live-grid operation[C].ASC,2008: 1934-1937.

[3] 楊軍,張哲,尹項根,等,我國首套高溫超導電纜并網運行情況[J].電網技術,2005,29(4): 4-7.Yang Jun,Zhang Zhe,Yin Xianggen,et al.On-line operation situation of first high temperature superconducting cable system in China[J].Power System Technology,2005,29(4): 4-7.

[4] 張羿,任安林,田密,等.超導電力數據監測平臺技術架構與實現[J].電氣自動化,2011,33(5): 61-64.Zhang Yi,Ren Anlin,Tian Mi,et al.The framework and realization of superconductor power data monitor platform technology[J].Electrical Automation,2011,33(5): 61-64.

[5] 侯波,葉鋒,熊志全,等.我國第一組高溫超導電纜的運行工況及損耗計算[J].電網技術,2006,30(14): 24-29.Hou Bo,Ye Feng,Xiong Zhiquan,et al.Operation analysis for the Chinese first high temperature superconductor (HTS) power cable system[J].Power System Technology,2006,30(14): 24-29.