普吉变电站高温超导电缆简介.pdf

普吉变电站高温超导电缆简介 任留跃 ( 云南省昆明供电局云南昆明6 5 0 0 1 1 ) 0 概述 由云电集团、北京英纳超导有限公司联合研制开发的中国第一条3 0 米长3 5 k V ／2 k A 超导电缆在云电 集团昆明供电局普吉变电站投运超导电缆作为超导技术和新型电气设备在电网中的运用，将对电力系统 产生深远的影响发展高温超导技术是在二十一世纪国际高技术竞争中保持尖端优势的关键所在云电集 团和北京英纳超导有限公司携手合作，共同组建了北京云电英纳超导电缆公司．并投人巨资，研制中国 第一条( 世界第三条) 实用化的超导电缆并实现投入电网运行这组电缆是继美国( 1 9 9 9 年) 、丹麦( 2 0 0 1 年) 之 后由我国自行研制开发的世界上第三组将要挂网运行的高温超导电缆，其部分性能参数优于前述国家的产 品它的问世将使我国的高温超导产品在电力应用方面处于世界领先水平这是我国第一次完成整个高温 超导电缆系统的研制，标志着我国已经掌握了高温超导电缆系统的设计和制造技术也标志着云南电力集 团有限公司在高温超导产品的研发与应用方面处于世界领先水平 1 超导电缆 超导材料的零电阻特性使其成为电流传输的理想导体。

使用超导材料作为导体的电力传输电缆被称为 超导电缆使用高温超导材料作为导体制造的超导电缆，可以在液氮的冷却下无电阻地传送电能由于 液氮的成本低廉．使超导技术在电力电缆方面的工业应用成为可能高温超导电缆项目的研发，涉及 到超导材料、低温制冷、电力电缆等诸多技术学科领域，是一个系统工程由于我国在高温超导材料方面的 巨大进步以及电力电缆及低温制冷技术等方面的成熟发展，为高温超导电缆的开发奠定了深厚基础 高温超导电缆具有许多的优点，可以从根本上解决常规输电电缆和架空线所无法解决的损耗大、容量 小、建设费用高、占地面积大及对环境的潜在污染等问题，充分有效的利用能源，加强电力系统的可靠性， 减少电力用户的支出费用 2 系统结构 安装于普吉变电站现场的高温超导电缆本体，三相在变电站场地上平行布置，以转角9 0 敷设，B 相转弯半径5 米终端是连接超导电缆、高压母线、液氮制冷系统三者的接口，每根电缆两端各有一套 制冷及其监控系统安装于电缆附近的热T 房内，通过真空液氮输送管连接到终端上，对电缆和终端进行冷 却超导电缆监控与保护系统安装于主控室内远程监控汁算机放置于主控台上高温超导电缆系统由 超导电缆本体、终端、制冷及其监控系统、超导电缆监控与保护系统共四部分组成。

2 ．1 电缆本体 单通道热绝缘高温超导电缆的结构如图1 所示 高温超导电缆的基本结构从内到外依次为： ( 1 ) 内支撑管——为罩有密致金属网的金属波纹管，作为超导带材排绕的基准支撑物，同时用于液氮冷 却流通管道 ( 2 ) 电缆导体——由超导陶瓷粉经过特殊制造为很细铋系高温超导带，再由9 5 根高温超导带分4 层绕在 4 9 内支撑管上：层间缠绕聚四氟乙烯绝缘膜 ( 3 ) 低温恒温器——为超导电缆热绝缘南同轴双层金属波纹管套制，两层波纹管问抽成真空并嵌有多 层防辐射金属箔，其功能是使电缆超导导体与外部环境实现热绝缘，保证超导导体安全运行的低温环境 ( 4 ) 电绝缘层——采用x I , P E 绝缘，电绝缘层置于热绝缘的外面，因其处于环境温度下习惯上被称 为常温绝缘超导电缆( 或热绝缘超导电缆) ，常温绝缘超导电缆的电绝缘由常规电缆绝缘材料制作 ( 5 ) 电缆屏蔽层和护层——功能与常规电力电缆类似，暨电磁屏蔽，短路保护及物理、化学、环境防 护等常温绝缘超导电缆屏蔽层和护层的材料与常规电缆相同 ( 6 ) 电缆终端——终端是高温超导电缆不可缺少的部件，由于超导电缆用液氮冷却，其终端不仅仅有常 规电缆终端的高电压技术，而且还涉及导电体低温向室温过渡的尺寸优化，液氮制冷剂进出管线的绝缘和绝 热等低温技术。

所以超导电缆终端是连接超导电缆、高压母线、液氮制冷系统i 者的接口，集高电压绝缘、 低温和强电等高技术于一体的产品 高温超导电缆终端主要由四部分组成：高电位终端恒温器；2 k A 电流引线及它的两端分别与超导电缆 和3 5 k V 高压母线的连接件；能承受高电压的绝缘液氮接管；超导电缆终端附件从结构上看，终端恒温器 外形象倒写的T 字，内置电流引线，使超导电缆的导电缆芯通过电流引线由液氮温度过渡到室温，在顶部 与高压母线连接；同时，它还是馈给超导电缆液氮进出的过渡接口，两边分别与超导电缆恒温管端部和绝缘 液氮连接管承插连接 2 ．2 制冷及其监控系统 高温超导材料只有在低温下( 液氮温区) 才能表现出其超导特性超导电缆的制冷系统维持超导电缆正常 运行所必需的低温环境3 5 k V 超导电缆( 3 3 m ～2 0 0 0 A ) 的冷却方式是过冷液氮循环液氮进口温度7 0 ～ 7 2 K ，出口温度7 4 ～7 6 K 制冷监控系统是一相对独立的闭环控制器，监控制冷系统的运行，监测制 冷系统的工作状况和电缆非电气量参数，确保超导电缆本体的低温运行环境 制冷系统主要由液氮泵箱( 装有液氮泵) 、过冷箱( 装有G —M 制冷机) 、高真空输液管道、测控仪表及 装置、补液杜瓦( 1 0 m3 液氮贮槽) 以及辅助减压抽空系统所组成。

冷却方式是过冷液氮循环 液氮循环流程简述：从高温超导电缆内流出的回温液氮经A 相电缆连接管和泵箱回液管流人液氮泵箱 进行汽液分离并经液氮泵增压，后通过泵箱、冷箱连接管进人过冷箱与制冷机产生的冷量进行热交换，使 液氮过冷，进入分离筒后通过冷箱m 液管流人B 相电缆连接管和C 相电缆连接管并流人B 相电缆和C 向电 缆的恒温器内，冷却B 相电缆和C 相电缆．进而两股液氮合二为一流人A 相电缆．最后返回液氮泵箱， 开始新一轮次的循环在循环过程中，由于一定的汽体蒸发，循环系统中的液氮会慢慢减少当循环液 氮减少到设定值时( 由液位计监控) ，1 0 m3 液氮储槽会通过真空绝热液氮补充管自动向液氮泵箱补充液 氮过冷箱内同样设有液氮自动补液装置在整个液氮循环过程中，液氮一直处于过冷状态系统产生 的热损耗被G 一一M 制冷机所冷却，如果制冷机的冷量不够，采取抽空减压辅助冷却 3 超导电缆监测与保护系统 超导电缆的监测与保护系统根据超导电缆的运行状况、电气参数以及制冷系统的工作状况向监控系 统发出超导电缆的跳／合闸命令，以确保超导电缆本体的运行安全 3 ．1 总体协调原则 高温超导电缆，其监控系统基本分为两部分：低温制冷监控系统和超导电缆监测与保护系统。

低温 制冷监控系统处于完全独立的闭环运行状态_ 不接受萁它外来控制信号超导电缆监测与保护系统接受制 冷监控系统的模拟及开关量，向传统保护监控系统提供一对跳闸接点和一对合闸允许接点，并发送超导电 缆监测与保护的相关运行报警信息 超导电缆监测与保护系统、制冷监控系统各自记录并形成超导电缆系统的告警和跳闸信号，通过超导 电缆监测与保护系统发送给传统保护监控系统当超导电缆本体出现异常，但不危及电缆运行安全时，系 统给出告警信号，通知运行人员处理超导电缆监测与保护系统、制冷监控系统相互之间重合的信号， 将根据同一判据来判断，采用“或”的逻辑关系，产生跳闸信号，因此不会产生冲突或漏报等 5 0 ^ 廊电麓连萤董 摹善 厨蕞 A i f } 警 冷辖} } 寰蕾笮 幂糟补 最警 夏葙．冷葙莲蓑蕾 鸟孓，，甾聚， ‘’’巍量计l 向电囊连禳 冷箱出液管f { 兰州 型隧剖至懋萎 泵籍 ( 1 ) 、( 2 ) 、《3 ) ⋯最氮放．j 瘦阔 ( 4 ) ⋯一泵箱补液阎( 5 ) ⋯预冷阎 ( 6 ) ⋯泵箱出液阁( 7 ) ⋯液氮泵 ( 8 ) ⋯压力表( 9 ) ～放气阕 ( IO ) ⋯真空手动阀 ( ii ) —’真空电磁阀( i 2J —- 液位计 JJ —’真空管接头[ ] 一一电缆端口 峄 泷量计 L 一．一．．一．．。

一．一一．．．．．．．．J 超导电缆 一图 堡垒壑嘲到；o | 再订一j 本冷换热器真空泵 根琚以上特点，霆邑导电缆阳侏驴，束l l I 谷榭分成以卜二皲：凿百变电站明传貌侏护监弪糸貌、趟导电缆 监测与保护系统和制冷监控系统 3 ．2 传统保护监控系统 传统保护监控系统具有最高优先级，设为第一级该保护系统可根据电力系统运行状况和调度要求， 直接下达跳闸命令，不需考虑超导电缆监测与保护系统是否发f f J 跳闸信号在超导电缆监测与保护系统发 出跳闸信号后，传统保护监控系统根据设定好的逻辑，在很快的时间内( 5 0 —l O O m s ) 和尽量不影响系统供电 的情况下，将超导电缆两端的断路器跳开传统保护监控系统下达超导电缆合闸命令时，必须在超导电 缆监测与保护系统发出允许合闸信号之后，否则不能将高温超导电缆投人运行 3 ．3 超导电缆监测与保护系统 超导电缆监测与保护系统为高优先级．设为第二级该系统将根据超导电缆的运行状况，电气参数 以及制冷系统的工作状况，向监控系统发出超导电缆的跳／合闸命令，以确保超导电缆本体的运行安全 f 1 ) 根据电力系统运行参数进行的保护 采用的保护方案包括无延时速动保护、定时限保护、反时限过量保护以及超导电缆运行异常报警等四 种不同形式。

( 2 ) 根据超导电缆自身运行参数进行的保护 在电力系统运行正常或系统波动电流小于超导电缆临界电流4 k A 时，由于超导电缆本体或冷却系统发 生故障，导致温度、压力、流量等参数超标，可能危及超导电缆运行安全时，超导电缆监测与保护系 统发跳闸命令，切除超导电缆运行 3 ．4 制冷监控系统 制冷监控系统的保护为普通优先级，设为第三级，其报警、故障和跳闸信号等通过超导电缆监测与 保护系统发送给监控系统该监控系统是一相对独立的闭环控制器，监控制冷系统的运行，监测制冷系 统的工作状况和电缆非电气量参数，确保超导电缆本体的低温运行环境 制冷监控系统的保护分为报警和跳闸两个层次，除了制冷系统和制冷监控系统断电需要直接跳闸外． 其它信号均为先报警，报警一定时问不能解除或超过极限跳闸整定值，向超导电缆监测与保护系统发送跳 5 l 闸信号 ≈] N { 4 运行接线和方式： 正常运行： # 2 主变一3 7 2 开关( 合) 一超导电缆一3 7 3 开关( 合) 一3 0 2 开关( 合) 运行供电3 5 k VI 或I I 段 母线( 3 71 开关断开) 超导电缆检修：# 2 主变一3 71 开关( 合) _ 一3 0 2 开关( 合) 运行供电3 5 k VI 或Ⅱ段母线( 3 7 2 开关、3 7 3 开关断开超导电缆退出运行) 超导电缆故障( 保护动作) ：# 2 主变一3 7 1 开关( 备自投合) 一3 0 2 开 关( 合) 运行供电3 5 k VI 或Ⅱ段母线( 3 7 2 开关、3 7 3 开关跳开，超导电缆退出运行) 。

参考资料 普吉变电站高温超导电缆说明书 5 2 。