將安裝于CON EDISON電網(wǎng)的帶故障限流功能的高溫超導(dǎo)電纜現(xiàn)狀和進(jìn)展

Maguire J.,Folts D.,Yuan J.,Henderson N.,Lindsay D.,Knoll D.,Rey C.,Duckworth R.,Gouge M.,Wolff Z.，Kurtz S.

（1.美國超導(dǎo)公司，美國馬薩諸塞州01434；2.美國U ltera公司，美國喬治亞州 30119；3.橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室，美國田納西州37831；4.聯(lián)合愛迪生電力公司，美國紐約11002）

在全球范圍內(nèi)，對(duì)電力基礎(chǔ)設(shè)施可靠性和可持續(xù)性的需求不斷遞增。對(duì)于傳統(tǒng)大的、高人口密度的都市區(qū)域如金融、商業(yè)和政府中心，這些基礎(chǔ)設(shè)施是關(guān)鍵的要求。重大的電網(wǎng)中斷會(huì)對(duì)區(qū)域和全國的經(jīng)濟(jì)和安全造成很大的沖擊。

目前，美國國土安全部、美國超導(dǎo)公司和Consolidated Edison共同出資設(shè)計(jì)、開發(fā)FaultBlockerTM帶故障限流功能的高溫超導(dǎo)電纜，用于示范項(xiàng)目。作為Hydra項(xiàng)目的一部分，這根電力電纜內(nèi)在集成了故障限流功能。這根配置了安博瑞AmperiumTM帶材（美國超導(dǎo)公司的第二代高溫超導(dǎo)帶材）的FaultBlockerTM限流電纜長約170 m，在13.8 kV的配電電壓下設(shè)計(jì)容量為96 MV·A。根據(jù)Con Edison的建設(shè)計(jì)劃，本電纜將采用地下安裝模式，項(xiàng)目地點(diǎn)位于紐約市。此電纜將增強(qiáng)電力傳輸容量和故障電流保護(hù)能力，以加強(qiáng)電網(wǎng)的安全性和可靠性。

本文敘述了此項(xiàng)目的總體目標(biāo)、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、現(xiàn)狀和進(jìn)展。提出了超導(dǎo)限流電纜的概念并描述了此類電纜的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。另外，也將公開和討論25 m三相原型電纜的測(cè)試結(jié)果。

1 項(xiàng)目描述

Hydra項(xiàng)目為了開發(fā)和論證高溫超導(dǎo)電纜固有的故障限流功能。安裝在Consolidated Edison電網(wǎng)的電纜系統(tǒng)有以下主要特征：

1）長度為170 m；

2）運(yùn)行電壓為13.8 kV,最大額定15.5 kV；

3）運(yùn)行電流為4000 A 持續(xù)；

4）設(shè)計(jì)故障電流為40 kA；

5）故障限流能力：限制17%(取決于最終長度)。

項(xiàng)目開發(fā)階段包括了技術(shù)論證、小規(guī)模試驗(yàn)來驗(yàn)證假定和分析等一系列里程碑。小規(guī)模試驗(yàn)包括安博瑞帶材浸泡在開放的液氮槽內(nèi)、小規(guī)模的單芯高溫超導(dǎo)電纜浸泡在開放的液氮槽內(nèi)、小規(guī)模的25 m三芯高溫超導(dǎo)電纜放置在加壓液氮循環(huán)冷卻的低溫保持器中。當(dāng)這些開發(fā)過程完成后，將制造一根電纜并安裝在Consolidated Edison電網(wǎng)中。這根電纜將連接兩個(gè)變電站，用實(shí)際的環(huán)境來驗(yàn)證此技術(shù)。

2 項(xiàng)目的狀態(tài)和進(jìn)展

Hydra項(xiàng)目于2007年5月榮獲美國國土安全部科技局資助。從此，在各個(gè)方面項(xiàng)目都進(jìn)展得很順利，包括選址、制冷系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)和原型電纜的開發(fā)工作。在最初的高溫超導(dǎo)帶材開發(fā)工作后，制作了一些原型電纜并進(jìn)行測(cè)試。最初是一根3 m長的單芯電纜，由Ultera和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室在2008年春結(jié)束制作和測(cè)試。根據(jù)這根3 m電纜的測(cè)試結(jié)果，又制作和測(cè)試了一些3 m長的單芯電纜來改進(jìn)設(shè)計(jì)。這些3 m樣品的測(cè)試結(jié)果非常明顯地證明了期望的故障限流功能，在交流損耗方面也提供了非常有價(jià)值的工程幫助。

3 m電纜測(cè)試之后，在2009年春，又制作了一根25 m長的三芯電纜和兩個(gè)完整的終端，并安裝在橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。對(duì)電纜系統(tǒng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，包括故障電流限制試驗(yàn)以及常規(guī)的型式試驗(yàn)如耐壓試驗(yàn)、沖擊電壓試驗(yàn)、局放試驗(yàn)。以下是試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)，詳細(xì)的試驗(yàn)結(jié)果見文獻(xiàn)[1-2]。

3 25 m電纜制作

25 m電纜由Ultera公司設(shè)計(jì)并生產(chǎn)。Ultera是南線公司和NKT電纜的合資公司。繞包工序在NKT公司德國科隆的工廠內(nèi)進(jìn)行。繞包生產(chǎn)線是由Ultera公司專門為制造單芯和多芯的高溫超導(dǎo)電纜而設(shè)計(jì)的。為Hydra項(xiàng)目開發(fā)的電纜是TriaxTM三相同軸超導(dǎo)電纜。TriaxTM三相同軸超導(dǎo)電纜由三相導(dǎo)體加中性線芯，同心的繞包在共同的軸芯上組成。每相導(dǎo)體在相間電壓13.8 kV下可承載4000 A電流。因此，相間（1相和2相間，2相和3相間）額定絕緣水平為15.5 kV，相對(duì)地（3相和中性線芯間）額定絕緣水平為8.9 kV。在每個(gè)終端內(nèi)部，有幾個(gè)絕緣部件要被設(shè)計(jì)成相對(duì)地額定電壓8.9 kV。TriaxTM三相同軸超導(dǎo)電纜的絕緣系統(tǒng)由多層繞包的絕緣帶組成。這種絕緣帶是一種專有的材料，可以運(yùn)行在深冷環(huán)境下。電纜芯是柔性的空心管，它作為骨架（或芯軸），在其上面可以繞制其他各層。空心管也可以作為電纜運(yùn)行時(shí)內(nèi)部的液氮流道。圖1是TriaxTM三相同軸超導(dǎo)電纜詳細(xì)結(jié)構(gòu)。

圖1 Ultera研制的HTS TriaxTM電纜

繞包工序由許多步驟組成，多層超導(dǎo)帶材、半導(dǎo)電帶、絕緣帶纏繞形成電纜。一次繞包可以纏繞多層超導(dǎo)帶材、半導(dǎo)體和絕緣。經(jīng)過幾次就可以組成多芯電纜，如TriaxTM三相同軸超導(dǎo)電纜。繞包工序的放線和收線均采用3 m的盤具，放置在生產(chǎn)線的兩端。如圖2所示，所有的繞包設(shè)備均放置在潔凈房?jī)?nèi)以避免絕緣層受到污染。電纜在NKT工廠內(nèi)包裝好后運(yùn)輸?shù)絆RNL。

圖2 Ultra繞包線（HTS帶材繞制在電纜上）

電纜安裝在ORNL并接上完整的終端。由Nexans生產(chǎn)的柔性真空低溫保持器，額定最大壓力為1.7 MPa。安裝時(shí)，先安裝低溫保持器，然后把電纜拖進(jìn)低溫保持器內(nèi)。因?yàn)榘惭b在ORNL只是為了試驗(yàn)，所以電纜和低溫保持器都安裝在地面上以方便安裝和拆除。電纜拖進(jìn)低溫保持器后安裝電纜終端。電纜終端安裝完成后如圖3所示。

圖3 安裝在ORNL完整的實(shí)際規(guī)模三相電纜終端

4 25 m電纜的性能

在25 m原型電纜上作了多種試驗(yàn)，包括電纜電阻、電纜直流臨界電流、電纜交流損耗、電纜熱穩(wěn)定試驗(yàn)、故障限流試驗(yàn)以及各種形式試驗(yàn)。電纜和制冷系統(tǒng)的原理如圖4所示。

圖4 25 m電纜測(cè)試裝置圖

試驗(yàn)設(shè)備的主要組成部件包括液氮循環(huán)回路、兩個(gè)安裝在過冷器的進(jìn)口和出口（T118和T119）計(jì)量過的二級(jí)溫度傳感器、一個(gè)計(jì)量過的文丘里流量計(jì)以測(cè)量液氮的循環(huán)流量。表1總結(jié)了試驗(yàn)條件和每相在不同的溫度下的臨界電流，溫度指的是電纜系統(tǒng)的進(jìn)口和出口的平均溫度。

表1 不同溫度下的臨界電流

進(jìn)行熱穩(wěn)定試驗(yàn)是為了保證電纜在最高運(yùn)行溫度72 K（過冷器出口）承載最大的電流4000 A保持熱穩(wěn)定。圖5展示了在每相施加4000 A電流時(shí)電纜系統(tǒng)溫度的變化。溫度傳感器的布置位置見圖4。非常明顯的一點(diǎn)是觀察到的大多數(shù)的電纜和制冷系統(tǒng)的溫升都發(fā)生在開始的2 h內(nèi)，并在大約第12 h達(dá)到熱平衡。運(yùn)行壓力也描繪在圖5中。如圖5所示，運(yùn)行壓力在+/-5 psi范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖5 24h熱穩(wěn)定試驗(yàn)中的溫度和壓力情況

25 m電纜測(cè)試的主要目的是測(cè)定電纜在故障條件下的電流限制率。我們進(jìn)行了兩種故障限流測(cè)試。第一種是證明單位長度電纜系統(tǒng)的故障限流能力，第二種是確保在故障限流過程中電纜的絕緣性能不會(huì)受到損壞。在第二種測(cè)試中，在2相和3相導(dǎo)體上施加了15.5 kV電壓，持續(xù)了10 min。

圖6展示了限制的和未限制的故障電流以及模擬響應(yīng)（預(yù)期值）的比較。實(shí)際的降幅在第二個(gè)半周期達(dá)到45%，在第六個(gè)半周期達(dá)到66%。

圖6 未限制電流和25 m HTS TriaxTM電纜上2、3相發(fā)生短路時(shí)的故障電流值比較

在圖6的波形中也有相移。其原因?yàn)椋何词芟拗频墓收想娏魇歉行缘模瑓⒄諏?shí)際運(yùn)行情況，試驗(yàn)時(shí)抗阻比設(shè)置在10～15。在電網(wǎng)中敷設(shè)了超導(dǎo)電纜的情況下，當(dāng)故障電流超過超導(dǎo)電纜的臨界電流，電纜將會(huì)由超導(dǎo)狀態(tài)（零電阻）轉(zhuǎn)換到電阻狀態(tài)。此時(shí)電纜導(dǎo)體呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，電纜得以限制故障電流。超導(dǎo)電纜失超時(shí)，電纜抗阻比下降，整體呈現(xiàn)電阻性。結(jié)果就是電流呈現(xiàn)90°相移。另外，故障電流導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱，電阻隨之增大，故障電流相應(yīng)地進(jìn)一步得到降低（因?yàn)橄到y(tǒng)電壓是固定不變的）。

在熱響應(yīng)方面，在故障后的最初幾分鐘內(nèi)檢測(cè)到1.5 K的溫升，在故障后半小時(shí)內(nèi)溫度又恢復(fù)到原始值。半小時(shí)間隔后重復(fù)故障，熱響應(yīng)和電壓響應(yīng)呈現(xiàn)相同的結(jié)果，由此推測(cè)電纜在此時(shí)間期限內(nèi)回到了原始的運(yùn)行狀態(tài)。

圖6的結(jié)果表明FaultBloker帶故障限流功能的高溫超導(dǎo)電纜實(shí)際的潛能：實(shí)現(xiàn)超過50%的限流是容易達(dá)到的。但是，當(dāng)電纜短于800 m，F(xiàn)aultBloker帶故障限流功能的高溫超導(dǎo)電纜沒有足夠的電阻來適當(dāng)?shù)叵拗乒收想娏鳎ＷC電纜內(nèi)溫升不要超標(biāo)。在這種情況下，如圖7所示需要并聯(lián)一根傳統(tǒng)的銅電纜和電抗器，當(dāng)超導(dǎo)電纜切換到高阻狀態(tài)限制故障電流時(shí)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的銅纜的阻抗與電源阻抗分壓，超導(dǎo)電纜承受的電壓得以降低。

圖7 短段FaultBlocker電纜需要并聯(lián)回路

在測(cè)試期間，當(dāng)進(jìn)行基本脈沖水平測(cè)試時(shí)注意到一些議題。目前正在調(diào)查，并在開始完整的電纜建造之前要先解決好。

5 結(jié)語

美國超導(dǎo)公司的FaultBloker限流電纜，一種內(nèi)在具有故障限流功能的超導(dǎo)電纜，目前正在開發(fā)，并受到美國國土安全部科技局的財(cái)務(wù)支持。一根25 m的電纜已經(jīng)成功地證明了其內(nèi)置的故障限流特性。在預(yù)期故障電流達(dá)到62 kA的故障測(cè)試中，電纜和終端能達(dá)到設(shè)計(jì)效果。在第一個(gè)半周期內(nèi)電纜能把故障電流降低到32 kA,并對(duì)相間施加和不施加15.5 kV的運(yùn)行電壓分別進(jìn)行了此試驗(yàn)。

Hydra項(xiàng)目將是第一個(gè)安裝在實(shí)際運(yùn)行的電網(wǎng)中的具有內(nèi)置故障限流功能的超導(dǎo)電纜，將首次為更大規(guī)模系統(tǒng)安全和在人口密集的大都市地區(qū)控制故障電流論證了一條新途徑。

[1] MAGUIRE J,FOLTS D,JIE Yuan,et al.Development and Demonstration of a Fault Current Limiting HTS Cable to be Installed in Con Edison Grid[J].IEEE Transaction on Applied Superconductivity,2009:19（3）:1740-1743.

[2] REY C M,DUCKWORTH R C,DEMKO J A,et al.Test Results for a 25 m Prototype Fault Current Limiting HTS Cable for Project Hydra,June 29 July 03,2009[C].A.Z.Tucson,Cryogenic Engineering Confere2009.