超导电缆在铝电解系列上的应用

曹志成 桂卫华 谢永芳

1、中南大学信息科学与工程学院 410083

2、河南中孚实业股份有限公司技术中心 451261

超导电缆在铝电解系列上的应用

曹志成1、2桂卫华1谢永芳1

1、中南大学信息科学与工程学院 410083

2、河南中孚实业股份有限公司技术中心 451261

正在开展的国家863计划重点项目大电流高温超导直流电缆的关键技术研究与工程示范项目的超导电缆系统组成情况，分析了超导直流电缆与铝电解系列的连接方式以及运行方式。

超导电缆；低温杜瓦管；液氮；电解铝；整流变压器；铜铝复合排

1911年，荷兰莱顿大学的卡麦林—昂尼斯将汞冷却到-268.98℃时，发现汞的电阻突然消失，后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，他把这种现象称之为超导。零电阻特性为超导材料在电力传导方面的应用提供了广阔的舞台，主要应用在超导电缆、超导变压器、超导强磁体等方面。

在交流传输且容量相同的情况下，超导电缆的交流阻抗仅为常规电缆阻抗的十几分之一，可以减少电网线损50%左右，而在重量和尺寸相同的情况下，高温超导电缆的传输容量比常规电缆高出3～5倍且其损耗下降60%以上；对于直流传输，高温超导电缆几乎可以无损地实现电力传输，其优越性将更为明显，且传输容量越大、传输距离越长，所实现的节能效果越好。

电解铝行业既是重要的基础原材料行业，也是高投入、能耗大、对资源依赖性强的行业。我国电解铝工业在2007年以其不到全国GDP的1%的总产值，却消耗了全国6%以上（1800亿度电）用电总量，电解铝行业的节能降耗意义重大。铝电解需要巨大的电解电流（几万甚至几十万安培）。将超导电缆与铝电解工艺有机结合，既是实现电解铝行业节能的有效途径，也是实现超导电缆工程化的最佳切入点，将为实现超导电缆在电力传输领域大规模应用奠定重要的基础。2010年中国科学院电工研究所和河南中孚实业股份有限公司合作开发超导电缆在电解铝行业的应用进行工程示范化运行，此项目申报了国家863计划重点项目并得了国家科技部的批复。

1.超导电缆系统的构成

1. 1 超导电缆的运行环境

目前全球发现的超导材料都是在极其低的温度下才出现超导态的。比如目前应用最为广泛的两种低温超导材料NbTi和Nb3Sn运行在液氦温区（4.2K）,而Bi-Sr-Ca-Cu-O和YB C O则运行在液氮温区（77K）。我们应用在电解铝行业的超导电缆采用的材料是Bi-Sr-Ca-Cu-O，要使其在77K下正常运行，我们因此建立了低温制冷系统。

1.2 超导电缆本体

中国科学院电工研究所和河南中孚实业股份有限公司合作开发应用在电解铝上的超导电缆长度达362米。超导电缆本体由超导电缆终端和超导电缆组成。超导电缆终端主要是将超导电缆和常温导电母排之间的进行过渡。超导终端由输液管、导电铜棒、密封圈、测量仪器等构成。超导电缆由通电导体（超导带材）、骨架、真空杜瓦管、绝缘层构成。超导电缆需要在液氮温区运行，因此在真空杜瓦管的内层及超导电缆骨架内流通的都是液氮。超导电缆结构见图1。

图1 超导电缆结构

1.3 超导电缆测量保护系统

超导电缆要能稳定可靠地运行，必须要配置完善的测量保护系统。超导电缆主要监测其中液氮的压力、温度以及导体本身的直流电压降，保护系统则根据测量系统的数据进行判断，确定超导电缆是否正常并根据情况作出报警和动作跳闸。

1.3.1 电压测量

电压测量点包括高温超导电缆本体电压U01、终端电压U11和U12、回流母线电压U02，系统电压U03等，见图2。

图2 超导电缆电压信号检测点分布图

上图中U11、U12、U01直流电压信号很小（属于μ V级信号），选用凯斯利高精度直流电压表测量，为了保证测量数据的准确度，直流电压表直接输出数字信号；U03直流大电压信号（属于1400V量级）以及U02直流电压信号（属于10V量级），通过直流电压表来检测。

1.3.2 温度测量

超导电缆的温度测量点主要是液氮泵出口液氮温度、入口液氮温度、超导电缆终端端点温度。温度传感器选用铂电阻（Pt100）。

1.3.3 上位机监控

超导电缆上位机监控系统由两个测控柜和上位机（工控机）组成。系统通讯采用RS-485总线，测控柜分别放置于高温超导电缆近端和远端，实现就近检测控制；上位机放置在主控室，实现系统在线监测。监控系统的组成结构见图3。

图3 超导电缆监控结构

超导电缆的全部运行参数都采用RS-485总线输出至监控中心，保障系统数据传输的可靠，部分运行参数还将在运行现场通过仪器仪表予以显示。上位机监控系统画面见图4。

图4 超导电缆监控画面

1.3.4 系统保护

当系统的温度、压力和超导体本体电压出现异常时，测控系统根据设定参数，及时给出警报或直接跳闸切断电源回路。超导电缆保护的逻辑框图见图5。

图5 超导电缆保护逻辑框图

1.4 低温制冷系统

低温制冷系统是保证超导电缆在72K～77K低温之间运行的关键。低温制冷系统由制冷机、真空泵、汽化器、液氮储罐、工业冷水机组成。制冷机采用斯特林的SPC-4型制冷机，制冷机的原理是基于斯特林循环，氦气作为冷却介质，制冷机里充满了高压氦气，使制冷过程形成封闭的循环，在冷头上产生60K的温度，制冷过程中产生的热量由冷水机组的冷却水带走，而液氮则与氦气进行热交换，使制冷机的出口液氮能达到72K。斯特林制冷机在77K时制冷功率是3400W，72K时制冷功率是2800W。真空泵与制冷机的液氮缓冲罐相连，主要是当制冷机出现故障时，使液氮在负压下汽化而达到冷却液氮的目的。

2.超导电缆应用在电解铝系列上应用

2.1 连接方式

由于本次研发的超导电缆设计额定电流为10kA，而应用的电解系列是320kA电流，因此超导电缆只能作为一个支路电源给电解系列供电。电气原理图见图6。

图6 超导电缆系统电气原理图

原320kA电解系列由6台整流机组给其供电，现超导电缆电源与原整流机组并联。超导电缆项目新建一座整流所，其输出电源的正极通过超导电缆与320kA电解系列原整流所的正极汇流母排连接，超导电缆项目整流所的互极通过铜铝复合排与320kA电解系列原整流所的负极汇流母排进行连接，从而与原整流机组的整流回路形成“并联”。

2.2 系统的运行方式

超导电缆项目整流所供给10kA电流时，320kA电解系列的整流所输出310kA直流电流。超导电缆项目的整流所进行独立稳流，其稳流目标值为10kA， 320kA电解系列整流系统也进行自动稳流，但其稳流目标值为6机组共同恒定输出310kA，由于总直流电流互感器安装在整流所直流汇流排与电解车间之间，其测量值的范围包括了超导电缆项目整流所供给的电流，因此原320kA电解系列整流所的系列电流闭环恒流解除，只进行单机组闭环恒流，单机组的恒流目标设定值为310/n kA(n为实际投入的整流机组数)。在两个整流系统中，任何一个整流机组出现逆流情况，同时跳闸投运的各机组，确保整流装置的安全。

3.结束语

超导电缆在电解铝行业的应用，开创了超导电缆的应用先河，为电解铝行业节能减排和技术创新开辟了新的途径。同时此项目研发的超导直流电缆载流量达到了10kA量级，是国际首创，此次研发和应用取得的数据将为超导电缆后续应用于相关行业和国家电力传输的研究提供技术支撑，为中国超导技术达到国际领先水平奠定坚实的基础。

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

[2]斯特林制冷机说明书

[3]戴少涛,林良真,林玉宝. 75m 三相交流高温超导电缆的研制[J].中国电机工程学报.2007

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.19.048

曹志成(19 80- ),工程硕士,工程师。