應用于南澳柔直系統的超導直流限流器制冷系統研究

黃凱漩

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

關鍵詞：超導直流限流器；制冷系統；運維策略

0 引言

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

超導直流限流器的基本特性是正常運行時呈現零電阻的超導態，而發生短路接地故障時，一旦故障電流達到超導限流器的臨界電流值，超導限流器便會呈現電阻態[2]。要實現這一特性，必須將超導直流限流器本體置于低溫的液氮環境中。而要維持低溫的液氮環境，就必然需要配置一套制冷系統[3]。

1 功能概述

超導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，超導直流限流器無法持續運行。因此，必須采用低溫制冷機將限流器靜態運行時產生的氮氣重新液化并循環利用，從而延長補充液氮的時間間隔。

制冷系統由液氮儲罐、低溫管道、低溫閥門、制冷機、液氮泵、冷卻水循環機等組成。制冷系統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生的氮氣通過氮氣管路輸送到低溫制冷箱內，經過低溫制冷機重新液化成液氮；然后由液氮泵驅動經過低溫管道重新流回限流器。冷卻水循環機主要是對低溫制冷機提供冷卻用水。

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

2 在線監測與保護配置

低溫監控系統負責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，并根據報警和故障判據進行邏輯判斷。如圖2所示，非電量變送器的信號首先通過電光轉換卡轉換成光信號，然后通過光纖傳輸到遠處的制冷預制艙；在制冷預制艙內，再通過光電轉換卡把光信號轉換成RS485信號，與低溫監控柜A和B相連。兩套低溫監控柜使用雙主配置，預留相互通訊的接口。

低溫監控系統的主要功能包括：（1）實現自動根據限流器本體運行狀態，進行氮氣的液化循環和補液氮操作；（2）將限流器本體和液氮儲罐的非電量信號通過FT3光接口發送給在線錄波設備；（3）將非電量信號和邏輯判斷結果通過Modbus協議經規約轉換器發送給后臺監控系統，以在線實時顯示超導限流器相關信號；（4）將告警和嚴重故障判斷結果通過開關量信號發送給系統與換流站級控制器（SSC），由SSC實現告警和故障跳閘。

為避免傳感器故障導致誤觸發跳閘，低溫監控系統對故障信號采用二取二，兩路信號均超過閾值，才發送嚴重故障跳閘信號給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定性，僅將嚴重影響超導限流器本體運行的液位超低確定為嚴重故障跳閘信號，其他的信號均告警而不跳閘。

3 運維策略

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

3.1 日常維護

應定期檢查制冷系統的運行狀況，及時發現和消除制冷系統的運行缺陷，并做好相關記錄工作。檢查的內容主要是：

（1）儲罐未發現外部冷凍顆粒、結霜或冷凝跡象，未出現不正常快速升壓；

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

（3）各閥門是否在正常開啟/關閉位置；

（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霜、無漏氣，支架無松動，基礎無裂紋、無沉降；

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

通過風險識別和分析，認定超導限流器本體和制冷系統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展惡化，存在可能危及超導限流器本體安全運行的風險，因此必須制定有針對性的應急處置方案。

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

處置的一般順序和方法是先根據后臺報文判斷故障類型站再根據現場運行規程和應急處置方案中的要求，采取對應的處置措施，必要時向調度申請停電隔離處理。

4 結束語

超導直流限流器投入運行以來，其本體和制冷系統的運行狀況均良好；但時間尚短，其長期運行的可靠性還有待檢驗。對超導直流限流器的運維策略研究、制冷系統的運行經濟型分析等，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. 高溫超導直流限流器拓撲結構設計與仿真分析[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特性研究[J]. 低溫與超導， 2018（6）：53- 59.

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

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