应用于南澳柔直系统的超导直流限流器制冷系统研究

黄凯漩

摘要：以南澳柔性直流输电系统新投产的超导直流限流器制冷系统为研究对象，介绍了超导限流器制冷系统的组成与功能概述，以及配套的低温监控系统的主要功能，探索针对超导直流限流器本体及制冷系统的运维策略。

关键词：超导直流限流器；制冷系统；运维策略

0 引言

2020年7月17日，世界上电压等级最高、容量最大的超导直流限流器在广东汕头南澳柔性直流输电系统挂网试运行。超导直流限流器是解决直流输电系统短路故障的有效设备，為提高电力系统的电能传输质量和运行稳定性提供了有效保障[1]。

超导直流限流器的基本特性是正常运行时呈现零电阻的超导态，而发生短路接地故障时，一旦故障电流达到超导限流器的临界电流值，超导限流器便会呈现电阻态[2]。要实现这一特性，必须将超导直流限流器本体置于低温的液氮环境中。而要维持低温的液氮环境，就必然需要配置一套制冷系统[3]。

1 功能概述

超导直流限流器正常运行时存在多种热损耗，如低温容器漏热、高压出线单元漏热、阀门漏热、限流单元接头焦耳热等，这些热损耗将使低温容器内部的液氮气化[4]。如果不采取措施，则需要频繁补充液氮，超导直流限流器无法持续运行。因此，必须采用低温制冷机将限流器静态运行时产生的氮气重新液化并循环利用，从而延长补充液氮的时间间隔。

制冷系统由液氮储罐、低温管道、低温阀门、制冷机、液氮泵、冷却水循环机等组成。制冷系统与限流器本体的连接原理图如图1所示，主要完成两个功能：

功能1：把限流器正常运行过程中产生的氮气通过氮气管路输送到低温制冷箱内，经过低温制冷机重新液化成液氮；然后由液氮泵驱动经过低温管道重新流回限流器。冷却水循环机主要是对低温制冷机提供冷却用水。

功能2：限流器系统运行过程中，由于某些原因可能会引起液氮损失，造成限流器内液氮液位过低，此时需要打开补液阀，把液氮储罐内的液氮向限流器补充。

2 在线监测与保护配置

低温监控系统负责对限流器本体的压力、液位、温度和液氮储罐的压力、液位等非电量信号进行采集，并根据报警和故障判据进行逻辑判断。如图2所示，非电量变送器的信号首先通过电光转换卡转换成光信号，然后通过光纤传输到远处的制冷预制舱；在制冷预制舱内，再通过光电转换卡把光信号转换成RS485信号，与低温监控柜A和B相连。两套低温监控柜使用双主配置，预留相互通讯的接口。

低温监控系统的主要功能包括：（1）实现自动根据限流器本体运行状态，进行氮气的液化循环和补液氮操作；（2）将限流器本体和液氮储罐的非电量信号通过FT3光接口发送给在线录波设备；（3）将非电量信号和逻辑判断结果通过Modbus协议经规约转换器发送给后台监控系统，以在线实时显示超导限流器相关信号；（4）将告警和严重故障判断结果通过开关量信号发送给系统与换流站级控制器（SSC），由SSC实现告警和故障跳闸。

为避免传感器故障导致误触发跳闸，低温监控系统对故障信号采用二取二，两路信号均超过阈值，才发送严重故障跳闸信号给SSC。而报警信号采用二取一，其中一路信号故障就会上送报警信号。同时考虑到非电量保护的不稳定性，仅将严重影响超导限流器本体运行的液位超低确定为严重故障跳闸信号，其他的信号均告警而不跳闸。

3 运维策略

为确保超导限流器本体及制冷系统的正常运行，通过查阅厂家说明书等手段，制定了针对制冷系统的日常维护项目和异常处置方案。

3.1 日常维护

应定期检查制冷系统的运行状况，及时发现和消除制冷系统的运行缺陷，并做好相关记录工作。检查的内容主要是：

（1）储罐未发现外部冷冻颗粒、结霜或冷凝迹象，未出现不正常快速升压；

（2）压力和液位等仪表是否正常无故障，后台各表计读数是否正常并与现场实际一致；

（3）各阀门是否在正常开启/关闭位置；

（4）外管路焊接是否有裂缝或变形，特别是靠近阀门和接头的部位；（5）安全阀和防爆片是否被污染或损坏；

（6）低温管道及连接处无结霜、无漏气，支架无松动，基础无裂纹、无沉降；

（7）电源柜、控制柜、制冷机、冷却水循环机等工作正常，无异响。3.2 异常处置

通过风险识别和分析，认定超导限流器本体和制冷系统可能潜在的异常主要是：本体液位、压力、温度过高或过低，液氮储罐的液位、压力过高或过低。各种异常的进一步发展恶化，存在可能危及超导限流器本体安全运行的风险，因此必须制定有针对性的应急处置方案。

应急处置至少需要两人共同进行，检查人员应做好个人防护措施：应穿戴防寒服、戴上防护手套和眼罩、佩戴正压式呼吸器，谨防窒息和低温灼伤。

处置的一般顺序和方法是先根据后台报文判断故障类型站再根据现场运行规程和应急处置方案中的要求，采取对应的处置措施，必要时向调度申请停电隔离处理。

4 结束语

超导直流限流器投入运行以来，其本体和制冷系统的运行状况均良好；但时间尚短，其长期运行的可靠性还有待检验。对超导直流限流器的运维策略研究、制冷系统的运行经济型分析等，都将是接下来很长一段时间运维的探索方向。

参考文献：

[1]谭璐. 高温超导直流限流器拓扑结构设计与仿真分析[D]. 2018.

[2]段晚晴， 傅明利， 罗兵，等. YBCO双面薄膜失超电阻与失超回复特性研究[J]. 低温与超导， 2018（6）：53- 59.

[3]许令顺， 张华标， 张俊峰，等. 高温超导故障限流器及其在电力系统中的应用[J]. 安徽电力， 2013（S1）：34- 37.

[4]洪辉， 牛国俊， 王建中，等. 35kV/90MVA高温超导限流器低温系统[J]. 低温与超导， 2011（12）：5- 9.