超導(dǎo)電纜在鋁電解系列上的應(yīng)用

曹志成 桂衛(wèi)華 謝永芳

1、中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 410083

2、河南中孚實(shí)業(yè)股份有限公司技術(shù)中心 451261

超導(dǎo)電纜在鋁電解系列上的應(yīng)用

曹志成1、2桂衛(wèi)華1謝永芳1

1、中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 410083

2、河南中孚實(shí)業(yè)股份有限公司技術(shù)中心 451261

正在開展的國家863計劃重點(diǎn)項目大電流高溫超導(dǎo)直流電纜的關(guān)鍵技術(shù)研究與工程示范項目的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)組成情況，分析了超導(dǎo)直流電纜與鋁電解系列的連接方式以及運(yùn)行方式。

超導(dǎo)電纜；低溫杜瓦管；液氮；電解鋁；整流變壓器；銅鋁復(fù)合排

1911年，荷蘭萊頓大學(xué)的卡麥林—昂尼斯將汞冷卻到-268.98℃時，發(fā)現(xiàn)汞的電阻突然消失，后來他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，他把這種現(xiàn)象稱之為超導(dǎo)。零電阻特性為超導(dǎo)材料在電力傳導(dǎo)方面的應(yīng)用提供了廣闊的舞臺，主要應(yīng)用在超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)強(qiáng)磁體等方面。

在交流傳輸且容量相同的情況下，超導(dǎo)電纜的交流阻抗僅為常規(guī)電纜阻抗的十幾分之一，可以減少電網(wǎng)線損50%左右，而在重量和尺寸相同的情況下，高溫超導(dǎo)電纜的傳輸容量比常規(guī)電纜高出3～5倍且其損耗下降60%以上；對于直流傳輸，高溫超導(dǎo)電纜幾乎可以無損地實(shí)現(xiàn)電力傳輸，其優(yōu)越性將更為明顯，且傳輸容量越大、傳輸距離越長，所實(shí)現(xiàn)的節(jié)能效果越好。

電解鋁行業(yè)既是重要的基礎(chǔ)原材料行業(yè)，也是高投入、能耗大、對資源依賴性強(qiáng)的行業(yè)。我國電解鋁工業(yè)在2007年以其不到全國GDP的1%的總產(chǎn)值，卻消耗了全國6%以上（1800億度電）用電總量，電解鋁行業(yè)的節(jié)能降耗意義重大。鋁電解需要巨大的電解電流（幾萬甚至幾十萬安培）。將超導(dǎo)電纜與鋁電解工藝有機(jī)結(jié)合，既是實(shí)現(xiàn)電解鋁行業(yè)節(jié)能的有效途徑，也是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電纜工程化的最佳切入點(diǎn)，將為實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電纜在電力傳輸領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用奠定重要的基礎(chǔ)。2010年中國科學(xué)院電工研究所和河南中孚實(shí)業(yè)股份有限公司合作開發(fā)超導(dǎo)電纜在電解鋁行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行工程示范化運(yùn)行，此項目申報了國家863計劃重點(diǎn)項目并得了國家科技部的批復(fù)。

1.超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的構(gòu)成

1. 1 超導(dǎo)電纜的運(yùn)行環(huán)境

目前全球發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料都是在極其低的溫度下才出現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)的。比如目前應(yīng)用最為廣泛的兩種低溫超導(dǎo)材料NbTi和Nb3Sn運(yùn)行在液氦溫區(qū)（4.2K）,而Bi-Sr-Ca-Cu-O和YB C O則運(yùn)行在液氮溫區(qū)（77K）。我們應(yīng)用在電解鋁行業(yè)的超導(dǎo)電纜采用的材料是Bi-Sr-Ca-Cu-O，要使其在77K下正常運(yùn)行，我們因此建立了低溫制冷系統(tǒng)。

1.2 超導(dǎo)電纜本體

中國科學(xué)院電工研究所和河南中孚實(shí)業(yè)股份有限公司合作開發(fā)應(yīng)用在電解鋁上的超導(dǎo)電纜長度達(dá)362米。超導(dǎo)電纜本體由超導(dǎo)電纜終端和超導(dǎo)電纜組成。超導(dǎo)電纜終端主要是將超導(dǎo)電纜和常溫導(dǎo)電母排之間的進(jìn)行過渡。超導(dǎo)終端由輸液管、導(dǎo)電銅棒、密封圈、測量儀器等構(gòu)成。超導(dǎo)電纜由通電導(dǎo)體（超導(dǎo)帶材）、骨架、真空杜瓦管、絕緣層構(gòu)成。超導(dǎo)電纜需要在液氮溫區(qū)運(yùn)行，因此在真空杜瓦管的內(nèi)層及超導(dǎo)電纜骨架內(nèi)流通的都是液氮。超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)

1.3 超導(dǎo)電纜測量保護(hù)系統(tǒng)

超導(dǎo)電纜要能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，必須要配置完善的測量保護(hù)系統(tǒng)。超導(dǎo)電纜主要監(jiān)測其中液氮的壓力、溫度以及導(dǎo)體本身的直流電壓降，保護(hù)系統(tǒng)則根據(jù)測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，確定超導(dǎo)電纜是否正常并根據(jù)情況作出報警和動作跳閘。

1.3.1 電壓測量

電壓測量點(diǎn)包括高溫超導(dǎo)電纜本體電壓U01、終端電壓U11和U12、回流母線電壓U02，系統(tǒng)電壓U03等，見圖2。

圖2 超導(dǎo)電纜電壓信號檢測點(diǎn)分布圖

上圖中U11、U12、U01直流電壓信號很小（屬于μ V級信號），選用凱斯利高精度直流電壓表測量，為了保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，直流電壓表直接輸出數(shù)字信號；U03直流大電壓信號（屬于1400V量級）以及U02直流電壓信號（屬于10V量級），通過直流電壓表來檢測。

1.3.2 溫度測量

超導(dǎo)電纜的溫度測量點(diǎn)主要是液氮泵出口液氮溫度、入口液氮溫度、超導(dǎo)電纜終端端點(diǎn)溫度。溫度傳感器選用鉑電阻（Pt100）。

1.3.3 上位機(jī)監(jiān)控

超導(dǎo)電纜上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由兩個測控柜和上位機(jī)（工控機(jī)）組成。系統(tǒng)通訊采用RS-485總線，測控柜分別放置于高溫超導(dǎo)電纜近端和遠(yuǎn)端，實(shí)現(xiàn)就近檢測控制；上位機(jī)放置在主控室，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在線監(jiān)測。監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 超導(dǎo)電纜監(jiān)控結(jié)構(gòu)

超導(dǎo)電纜的全部運(yùn)行參數(shù)都采用RS-485總線輸出至監(jiān)控中心，保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽浚糠诌\(yùn)行參數(shù)還將在運(yùn)行現(xiàn)場通過儀器儀表予以顯示。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)畫面見圖4。

圖4 超導(dǎo)電纜監(jiān)控畫面

1.3.4 系統(tǒng)保護(hù)

當(dāng)系統(tǒng)的溫度、壓力和超導(dǎo)體本體電壓出現(xiàn)異常時，測控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定參數(shù)，及時給出警報或直接跳閘切斷電源回路。超導(dǎo)電纜保護(hù)的邏輯框圖見圖5。

圖5 超導(dǎo)電纜保護(hù)邏輯框圖

1.4 低溫制冷系統(tǒng)

低溫制冷系統(tǒng)是保證超導(dǎo)電纜在72K～77K低溫之間運(yùn)行的關(guān)鍵。低溫制冷系統(tǒng)由制冷機(jī)、真空泵、汽化器、液氮儲罐、工業(yè)冷水機(jī)組成。制冷機(jī)采用斯特林的SPC-4型制冷機(jī)，制冷機(jī)的原理是基于斯特林循環(huán)，氦氣作為冷卻介質(zhì)，制冷機(jī)里充滿了高壓氦氣，使制冷過程形成封閉的循環(huán)，在冷頭上產(chǎn)生60K的溫度，制冷過程中產(chǎn)生的熱量由冷水機(jī)組的冷卻水帶走，而液氮則與氦氣進(jìn)行熱交換，使制冷機(jī)的出口液氮能達(dá)到72K。斯特林制冷機(jī)在77K時制冷功率是3400W，72K時制冷功率是2800W。真空泵與制冷機(jī)的液氮緩沖罐相連，主要是當(dāng)制冷機(jī)出現(xiàn)故障時，使液氮在負(fù)壓下汽化而達(dá)到冷卻液氮的目的。

2.超導(dǎo)電纜應(yīng)用在電解鋁系列上應(yīng)用

2.1 連接方式

由于本次研發(fā)的超導(dǎo)電纜設(shè)計額定電流為10kA，而應(yīng)用的電解系列是320kA電流，因此超導(dǎo)電纜只能作為一個支路電源給電解系列供電。電氣原理圖見圖6。

圖6 超導(dǎo)電纜系統(tǒng)電氣原理圖

原320kA電解系列由6臺整流機(jī)組給其供電，現(xiàn)超導(dǎo)電纜電源與原整流機(jī)組并聯(lián)。超導(dǎo)電纜項目新建一座整流所，其輸出電源的正極通過超導(dǎo)電纜與320kA電解系列原整流所的正極匯流母排連接，超導(dǎo)電纜項目整流所的互極通過銅鋁復(fù)合排與320kA電解系列原整流所的負(fù)極匯流母排進(jìn)行連接，從而與原整流機(jī)組的整流回路形成“并聯(lián)”。

2.2 系統(tǒng)的運(yùn)行方式

超導(dǎo)電纜項目整流所供給10kA電流時，320kA電解系列的整流所輸出310kA直流電流。超導(dǎo)電纜項目的整流所進(jìn)行獨(dú)立穩(wěn)流，其穩(wěn)流目標(biāo)值為10kA， 320kA電解系列整流系統(tǒng)也進(jìn)行自動穩(wěn)流，但其穩(wěn)流目標(biāo)值為6機(jī)組共同恒定輸出310kA，由于總直流電流互感器安裝在整流所直流匯流排與電解車間之間，其測量值的范圍包括了超導(dǎo)電纜項目整流所供給的電流，因此原320kA電解系列整流所的系列電流閉環(huán)恒流解除，只進(jìn)行單機(jī)組閉環(huán)恒流，單機(jī)組的恒流目標(biāo)設(shè)定值為310/n kA(n為實(shí)際投入的整流機(jī)組數(shù))。在兩個整流系統(tǒng)中，任何一個整流機(jī)組出現(xiàn)逆流情況，同時跳閘投運(yùn)的各機(jī)組，確保整流裝置的安全。

3.結(jié)束語

超導(dǎo)電纜在電解鋁行業(yè)的應(yīng)用，開創(chuàng)了超導(dǎo)電纜的應(yīng)用先河，為電解鋁行業(yè)節(jié)能減排和技術(shù)創(chuàng)新開辟了新的途徑。同時此項目研發(fā)的超導(dǎo)直流電纜載流量達(dá)到了10kA量級，是國際首創(chuàng)，此次研發(fā)和應(yīng)用取得的數(shù)據(jù)將為超導(dǎo)電纜后續(xù)應(yīng)用于相關(guān)行業(yè)和國家電力傳輸?shù)难芯刻峁┘夹g(shù)支撐，為中國超導(dǎo)技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。

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

[2]斯特林制冷機(jī)說明書

[3]戴少濤,林良真,林玉寶. 75m 三相交流高溫超導(dǎo)電纜的研制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報.2007

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.19.048

曹志成(19 80- ),工程碩士,工程師。