普吉变电站超导电力设备运行分析

任安林 田 密 字美荣 崔继斌

（1.北京云电英纳超导电缆有限公司 北京 100176 2.云南电网公司昆明供电局 昆明 650011）

1 引言

高温超导体从1986年发现以来，因之能在液氮气化温度下（77K）实现超导，就此使超导设备的工业化应用成为可能。以美国、欧洲、日本、韩国等为首的工业发达国家和地区，更是制订了长远的发展超导技术的计划。中国在超导电力应用方面也进行了积极的探索，通过关键技术研发，建设了多个示范工程项目。

中国第一组实用型35kV/2kA超导电缆系统自2004年4月在云南昆明市普吉变电站投入运行以来[1]，经受了各种运行工况的考验，是目前世界上输电量最多、运行时间最长的超导电缆。2007年12月，同样由北京云电英纳超导电缆有限公司牵头研发的35kV/90MVA饱和铁心型超导限流在普吉变电站实现挂网运行[2]，是目前世界上挂网运行的电压等级最高、容量最大的超导限流器。

2 超导电力设备的运行状况

云南昆明普吉超导电缆系统与变电站原2#变压器35kV出口线路并行，安装于372#和373#断路器之间，正常运行时取代原有变压器出口母线，对35kV沙郎线、普冶线、铜厂1、2、3回线、富民线、团钢线、电化厂线和平玻1、2回线等线路进行供电。

35kV三相饱和铁心型超导限流器安装于普吉变电站沙朗线的出口上，位于374#和375#断路器之间，并接于原341#断路器两端，限流器挂网正常运行时断开原有341#断路器。

图1为超导电缆和超导限流器的一次系统接线图[2,3]。

2.1 超导电缆

35kV/2kA超导电缆系统由超导电缆本体、终端、制冷系统、监控保护系统四部分组成。系统运行监控的主要电气指标有：电压（I段、II段母线）、电流、输电量，非电气指标有：液氮温度、压力和流量[4]。2004年4月19日，该超导电缆正式并网试运行。

为了测试超导电缆的输电性能，初期试运行时，将三台主变接入了该回路，但由于变电站自身容量所限，超导电缆最高试运行电流为1 620A，长时间运行的连续电流维持在约1 450A[5]。并网试运行结束后，超导电缆按照调度命令正常运行送电，持续运行电流在300～800A之间。超导电缆经过几年的复杂气象条件的考验，本体依然呈现良好的输电性能。

图1 普吉变电站超导电缆和超导限流器一次系统接线图Fig.1 The primary system diagram of superconductor cable and fault current limiter in Puji substation

图2 为2009年11月20日一天的超导电缆三相输电电流波形图，从图中可看出17时16分电流从720A快速跌落至500A左右。连接超导电缆的母线电压监测值显示，变电站当时进行了35kV等级I段母线合闸，电流变化为线路切换导致。

图2 超导电缆输电电流波形图Fig.2 The transmission current of superconductor cable

普吉超导电缆的冷却系统为闭式循环，液氮从B、C相流入，合流后从A相流回泵箱。超导电缆出口温度曲线显示，液氮温度控制在74.5～78.5K之间（见图3）。B、C相温度略有差异，是由于流量和热损耗等因素造成。由于A相曲线是液氮回流进入冷箱前的最后一个测点，因此其温度最高。

图3 超导电缆出口温度曲线Fig3 The outlet temperature of superconductor cable

普吉超导电缆液氮循环系统主要上传监控的压力信号共有3路，用于监测液氮泵出口压力（P1）、超导电缆液氮出口（P2）和入口压力（P3），传感器分别安装于液氮泵箱出口和电缆出入口处的真空液氮管内。图4为超导电缆液氮循环压力曲线，其中液氮泵出口压力和电缆液氮入口压力较高，正常运行值为80～100kPa，电缆液氮出口压力正常运行值为60～90kPa。冷却液氮从过冷箱流经B、C两相电缆，汇流进入A相，因此B、C相液氮流量基本相等，控制在420～560L/h，A相流量为840～1 120L/h。

图4 超导电缆液氮压力曲线Fig.4 The pressure of liquid nitrogen in superconductor cable

超导电缆经长期的各种工况运行，各项技术参数仍与刚并网时基本一致，个别数值如温区略微提高是在保证系统运行稳定前提下减少报警并节约能源的措施。

2.2 超导限流器

35kV超导限流器主要由电抗系统、直流励磁系统、低温系统、监控保护等几部分构成。图5为沙朗线即超导限流器交流绕组中一天内的电流变化情况。由于该线路负荷较小，超导限流器日常稳态运行负荷电流并不大，基本在50～300A之间。

超导限流器的热损耗较低，因此经过优化选择，制冷系统采用了开式制冷，虽运行费用略高，但初投资低且可靠性高。

图5 35kV超导限流器交流绕组电流曲线（2008-6-14）Fig.5 The AC coil current of 35kV SFCL at Puji Substation

超导限流器液氮液位控制在超导绕组上端面及超出其上的100mm范围内。通过在杜瓦内相对应的两个高度放置测温电阻，监测其所测量的温度来对液位进行判断和控制。应用测温装置控制液位，避免了低温液位计测量不准确且故障率较高的问题。共设置了两组测温电阻，互为备用且通过对比分析后能确保测量的准确性。当杜瓦内液氮液位低于下限时，杜瓦内下限温度会升高，任意一个下限温度大于84K时，系统将自动开始补液；当杜瓦内的任意一个上限温度小于86K时，补液停止。图6显示了2008年9月27日上、下限温度计测量值。可看到下限温度计温度在78K、上限温度计在153K附近波动，当液位逐渐降低至下限时，其中一个下限温度计温度上升到84K，自动补液阀开启，自动补液。补液到上限温度计处，其中的一个上限温度计1温度快速下降至86K以下，自动补液阀关闭，停止补液。当天内共补液两次，间隔约11h。

图6 35kV超导限流器上、下限温度曲线Fig.6 The upper and lower temperature of 35kV SFCL

超导限流器低温系统杜瓦内压力波动与杜瓦补液动作基本一致。图7为杜瓦内部一天时间内的压力变化曲线图。低温系统正常运行时，杜瓦内的压力大概在2～7kPa之间小幅波动，当杜瓦自动补液时，内部压力瞬时快速上升然后回落，但最大值不超过55kPa。

图7 35kV超导限流器杜瓦压力曲线Fig.7 The pressure of dewar in 35kV SFCL

图8 为低温系统液氮储罐内液氮容量曲线，去除波动的尖峰可以清晰看到一天之内系统为杜瓦补液共消耗液氮约0.1m3。液氮储罐的容积为5m3，当剩余液氮小于1m3时需人工添注，因此限流器运行时储罐大概间隔30～40天需人工添注液氮一次，每次补充液氮约4m3，这已得到计算和实际运行的验证。

图8 35kV超导限流器液氮储罐容量曲线Fig.8 The capacity of liquid nitrogen storage tank in 35kV SFCL

3 普吉超导电力设备测试数据

3.1 超导电缆特性参数

超导电缆在运行期间持续进行了相关的测试，其导体直流电阻数据见表1，该超导电缆中间无接头，其回路电阻在室温下为24mΩ 左右。在低温下的直流电阻与常温下相比大幅降低，但由于两端终端引线的存在，仍然有约68μΩ 的阻值。经长期运行后，多次反复测试证实，超导电缆导体部分的直流电阻无明显变化。

表1 普吉35kV超导电缆导体直流电阻Tab.1 The DC resistance of 35kV superconductor cable at Puji substation

根据运行数据的分析计算，超导电缆在不同输电负荷情况下，系统及其各部分的损耗见表2。超导电缆输电电流在800～1 000A时，实际运行热负荷小于1 200W，该数据与计算数值基本相符，证明了设计计算的正确性。

表2 超导电缆运行热负荷实测数据Tab.2 The running thermal load of superconductor cable

在整个超导电缆系统的损耗中，漏热性质的损耗所占的比重较大，其中制冷系统和终端的损耗又占了很大的一部分。因此电缆长度的增加，不致引起整个系统损耗的明显同比例增加，当超导电缆达到一定的长度时，其节能优势就可能显现出来。

3.2 超导限流器特性参数

超导限流器进行了多次超导绕组直流电阻测试，表3为其中的三次实测数据，证实其制作符合设计要求，长期运行后的参数也无明显的变化。

表3 超导限流器超导绕组直流电阻实测数据Tab.3 The DC resistance of superconductor coil in SFCL

超导限流器在线阻抗测试数据见表4。直流励磁电流分别为100A、150A、200A、250A时，交流绕组电流在214.5～253.5A范围内时，超导限流器的交流阻抗值在0.35～0.37Ω 之间。超导限流器的在线阻抗值与理论设计值（0.35Ω）基本一致，满足电网运行要求。

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

2009年7月20日，对该超导限流器成功进行了一系列在线人工短路限流试验，包括不接限流器的三相对地短路、接入限流器带自动重合闸时的三相对地短路和模拟限流器故障（短路时限流器直流励磁不消失）状态下的三相对地短路等共5次试验。第1次不接限流器时35kV母线金属短路电流计算值约7kA，第2、4次的接入限流器后的短路电流为5.6～5.9kA，试验结果与理论计算吻合。第5次试验为大容量金属短路试验，不接限流器短路电流计算值为21.37kA（由于容量大，该级别仅进行了一次接入限流器的短路电流），实际接入限流器的短路电流15.5kA，与计算值14.59kA基本吻合。试验显示，接入超导限流器后对抑制系统短路电流效果显著，达到设计要求；限流电抗器直流控制系统在电网短路及重合闸时，动作配合及控制逻辑正确。

4 普吉超导电力设备维护检修

普吉超导电缆系统的检修周期基本可以按照冷却系统中关键部件的使用寿命来确定，液氮泵轴承的更换时间为运行6 000h左右，制冷机的大修维护周期约20 000h。在这些关键部件维护时，同步进行真空维护，即对终端恒温器、液氮输液管等真空部件进行抽真空处理，并检查电缆整体的特性参数和消缺处理，最后完成全套常规试验。

根据并网运行的维护检修统计，普吉超导电缆系统故障包括液氮流量过低、出口温度过高、冷却水温过高、工控机死机、漏热结冰和绝缘下降等，而跳闸的主要原因为冷却系统异常引起。由于该冷却系统中运转部件较多，且作为示范工程，没有设计冗余备用，因此冷却系统的各种超范围异常均可引起电缆跳闸。大部分的部件故障经过不断的消缺如改造冷水机组、更换绝缘液氮管等均已消除。但对于整体系统设计方面的问题，则需在以后的工程实践中加以完善。

普吉超导限流器为开式制冷，运转部件较少，故其故障率较低，正常运行时也基本不需维护。投运以来，主要故障为绕组绝缘下降、液氮管附件发热和限流后励磁未恢复等。分析故障形成的原因，主要包括限流器外壳套管密封不良、冷却系统管道形成接地环流回路、直流励磁系统故障后重合闸控制阈值设置不合理等。

经过三年多的运行和不断完善，超导限流器已基本可以实现长期稳定挂网运行；励磁系统升级改造后恢复励磁的时间已小于600ms，与变电站继电保护系统的配合逻辑正确，可以满足电网快速重合闸等要求。

5 结论

普吉变电站超导电缆的长期运行证实了其实用性，并为经济技术分析提供了丰富的经验数据，在此基础上开展的冷绝缘电缆技术研究也取得了实质进展。超导限流器的研制、运行、试验和维护等数据，为后期的更高电压等级的超导限流器研究提供了重要的借鉴参考意义，如即将在天津挂网的220kV超导限流器中已应用了多项技术改进措施。

超导电力设备在电网中的应用还需克服成本过高、可靠性较低等难题。检修维护经验证明，冷却系统的可靠性和系统设计的优化是决定超导电力设备可靠性的两个主要方面。

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