高温超导电缆冷却系统维保研究

李继春，曹雨军，夏芳敏，张立永

（富通集团（天津）超导技术应用有限公司，天津 300384）

引言

超导技术[1]是21世纪具有战略意义的高新技术，继高温超导被发现后[2]，各国家开始对高温超导电缆的研究越来越重视。高温超导电缆输电被认为是高温超导强电应用最有希望的领域，其具有功率输送密度高、损耗小、体积小、重量轻、单位长度电抗值小的特点,在电力行业应用广泛，可以实现低压大电流高密度输电,减少城市用地,符合环保和节能的发展要求，市场前景也非常广阔。

富通集团有限公司在高温超导电缆研发领域也进行了较多的研究并成功建造了一条百米级高温超导电缆试验线且已投入通电运行。虽然世界上有较多国家建成了超导电缆并通电试验，但目前仅有中、美、德、韩四国共5条超导线仍在继续通电运行。

1 维保研究

1.1 工作方案

目前在超导电缆冷却系统[3,4]的维护和维保方面，无较多经验可以借鉴。通常，超导电缆冷却循环系统[5]（如图1）由超导电缆、制冷机、泵箱、储液罐、阀箱等组成，其维修维护方法一般是将整个系统停止运行，恢复到常温常压状态下，然后再进行必要的维保工作。虽然这样行之有效，但维护周期过长，维护成本较高，而且超导电缆的绝缘部分从低温回到常温再由常温进入到低温，这种环境状态的往复变化是否会带来不安全风险，是无法预知的。为确保超导电缆长期有效运行，应尽量避免可产生额外风险的操作。

图1 超导电缆冷却循环系统示意图

随着运行时间的增长，冷却系统各设备需进行相应的维护和维保，尤其是液氮循环泵，其内部泵体轴承一般工作5000～7000 h需进行更换，否则会影响整个系统正常运行。而对液氮循环泵[4]进行维保必须在常温常压状态下进行，如何既能确保超导电缆仍处于低温状态，又能隔离液氮循环泵进行单独维保是需要研究的课题。对于无法分离隔断的系统，实施这样的操作存在诸多困难，例如泵箱与超导电缆过渡间的绝热配管断开连接后空气混入及管口结霜问题。因此，针对这样的系统通过反复研究后，在现有系统基础上稍作改动，维保完成后又可恢复原状态，经实践证明效果很好（如图2）。

图2 超导电缆冷却循环系统维保工作示意图

改动思路和方法如下：

①利用现有储液罐提供液氮，无需另外购置散瓶杜瓦罐补充液氮；

②加装3路波纹管与3处终端连接，对超导电缆进行全程补液，以维持运行温度；

③工作过程中，确保全部真空泵开启，保持真空度；

④同时在阀门箱排气阀处加装排气管引出户外，防止室内氮气浓度过高；

⑤如压力增长过快，可以通过末端终端容器排气阀进行排气降压。

1.2 工装准备

一些维保工作工装如液氮泵维保包及波纹管路的准备是必要的，实例液氮泵为美国Barber-Nich-ols公司产品，型号：BNCP-52C-000；液氮泵维保包是维保工作的必要物品，其主要部件见表1。

表1 液氮泵维保包实物部件

液氮管路主要是利用现有储液罐连接端口与终端容器相连，在维保工作过程中对系统进行补液操作，以维持系统的低温环境。因非长时使用，此处管件选择成本低廉的304不锈钢编织网波纹管。

终端容器低温阀门形状特殊，在不进行套扣或焊接丝头的情况下，基本不可能实现快速连接。针对类似这种结构的低温阀门，设计了一种不破坏原阀门结构不改变原阀门状态的快速连接装置，即装即拆，方便实用。

1.3 工作注意事项

操作时应注意以下几点：循环泵从泵箱吊出期间，防止人员冻伤；维保期间会有较多液氮蒸发，须密切监视工作区域氧气浓度，防止窒息；维保完成，循环泵装回泵箱，需确保排净空气，防止结冰、结露；维保期间随时监测系统各参数[6]，尤其防止压力增长过快。

2 效果验证

管路连接复原后，将各关闭阀门恢复到原工作状态，按快速冷却恢复方法将系统还原到最初状态，继续冷却运行，持续观测各参数运行变化。整个工作过程中，超导电缆系统温度、压力、液位和真空度均处于较好状态。由于压力变化较大，液位也会发生突变，随时确保液氮的补充是维持系统处于低温状态的必要保障。从实际数据看，此次系统温度始终保持在98 K以下，达到了预期效果。

经过2个月的持续记录，超导电缆整体运行情况良好，温度、压力、流量、液位以及真空度等参数均有较大改善，液氮流量改善更明显，本次仅列出流量前后对比曲线供参考，如图3所示。

图3 液氮泵维保实施前后流量曲线对比

图3中，5月15日前为液氮循环泵维保前的曲线，可明显看出维保工作前后差别较大。维保前液氮流量需经常调整，调整后流量明显好转，但慢慢会逐渐降低，随之其他各参数均会受到影响。维保实施后，液氮流量无需调整，基本稳定在一定范围值内，从而也确保其他各参数相对稳定。

3 结论

高温超导电缆冷却系统的维保工作是确保整体系统安全稳定运行的必要措施，如按常规思路将整个系统回到常温常压状态必然导致维护周期过长，而且高温超导电缆经过低温到常温再到低温的变化，还会增加运行风险。本研究通过对高温超导电缆系统运行的长时间探索和经验积累，总结了一套在低温常压状态下实施维保工作的方法并实践证明了其可行性，顺利完成了维保工作。从效果上看改善明显，确保了系统各参数的相对稳定，维保工作实际最终效果是减轻了制冷机的运行负荷，节省了电力消耗，确保了高温超导电缆系统持续、安全、稳定运行。