應(yīng)用于南澳柔直系統(tǒng)的超導(dǎo)直流限流器制冷系統(tǒng)研究

黃凱漩

摘要：以南澳柔性直流輸電系統(tǒng)新投產(chǎn)的超導(dǎo)直流限流器制冷系統(tǒng)為研究對(duì)象，介紹了超導(dǎo)限流器制冷系統(tǒng)的組成與功能概述，以及配套的低溫監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能，探索針對(duì)超導(dǎo)直流限流器本體及制冷系統(tǒng)的運(yùn)維策略。

關(guān)鍵詞：超導(dǎo)直流限流器；制冷系統(tǒng)；運(yùn)維策略

0 引言

2020年7月17日，世界上電壓等級(jí)最高、容量最大的超導(dǎo)直流限流器在廣東汕頭南澳柔性直流輸電系統(tǒng)掛網(wǎng)試運(yùn)行。超導(dǎo)直流限流器是解決直流輸電系統(tǒng)短路故障的有效設(shè)備，為提高電力系統(tǒng)的電能傳輸質(zhì)量和運(yùn)行穩(wěn)定性提供了有效保障[1]。

超導(dǎo)直流限流器的基本特性是正常運(yùn)行時(shí)呈現(xiàn)零電阻的超導(dǎo)態(tài)，而發(fā)生短路接地故障時(shí)，一旦故障電流達(dá)到超導(dǎo)限流器的臨界電流值，超導(dǎo)限流器便會(huì)呈現(xiàn)電阻態(tài)[2]。要實(shí)現(xiàn)這一特性，必須將超導(dǎo)直流限流器本體置于低溫的液氮環(huán)境中。而要維持低溫的液氮環(huán)境，就必然需要配置一套制冷系統(tǒng)[3]。

1 功能概述

超導(dǎo)直流限流器正常運(yùn)行時(shí)存在多種熱損耗，如低溫容器漏熱、高壓出線單元漏熱、閥門漏熱、限流單元接頭焦耳熱等，這些熱損耗將使低溫容器內(nèi)部的液氮?dú)饣痆4]。如果不采取措施，則需要頻繁補(bǔ)充液氮，超導(dǎo)直流限流器無法持續(xù)運(yùn)行。因此，必須采用低溫制冷機(jī)將限流器靜態(tài)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的氮?dú)庵匦乱夯⒀h(huán)利用，從而延長(zhǎng)補(bǔ)充液氮的時(shí)間間隔。

制冷系統(tǒng)由液氮儲(chǔ)罐、低溫管道、低溫閥門、制冷機(jī)、液氮泵、冷卻水循環(huán)機(jī)等組成。制冷系統(tǒng)與限流器本體的連接原理圖如圖1所示，主要完成兩個(gè)功能：

功能1：把限流器正常運(yùn)行過程中產(chǎn)生的氮?dú)馔ㄟ^氮?dú)夤苈份斔偷降蜏刂评湎鋬?nèi)，經(jīng)過低溫制冷機(jī)重新液化成液氮；然后由液氮泵驅(qū)動(dòng)經(jīng)過低溫管道重新流回限流器。冷卻水循環(huán)機(jī)主要是對(duì)低溫制冷機(jī)提供冷卻用水。

功能2：限流器系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于某些原因可能會(huì)引起液氮損失，造成限流器內(nèi)液氮液位過低，此時(shí)需要打開補(bǔ)液閥，把液氮儲(chǔ)罐內(nèi)的液氮向限流器補(bǔ)充。

2 在線監(jiān)測(cè)與保護(hù)配置

低溫監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)限流器本體的壓力、液位、溫度和液氮儲(chǔ)罐的壓力、液位等非電量信號(hào)進(jìn)行采集，并根據(jù)報(bào)警和故障判據(jù)進(jìn)行邏輯判斷。如圖2所示，非電量變送器的信號(hào)首先通過電光轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，然后通過光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的制冷預(yù)制艙；在制冷預(yù)制艙內(nèi)，再通過光電轉(zhuǎn)換卡把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS485信號(hào)，與低溫監(jiān)控柜A和B相連。兩套低溫監(jiān)控柜使用雙主配置，預(yù)留相互通訊的接口。

低溫監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括：（1）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)根據(jù)限流器本體運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行氮?dú)獾囊夯h(huán)和補(bǔ)液氮操作；（2）將限流器本體和液氮儲(chǔ)罐的非電量信號(hào)通過FT3光接口發(fā)送給在線錄波設(shè)備；（3）將非電量信號(hào)和邏輯判斷結(jié)果通過Modbus協(xié)議經(jīng)規(guī)約轉(zhuǎn)換器發(fā)送給后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，以在線實(shí)時(shí)顯示超導(dǎo)限流器相關(guān)信號(hào)；（4）將告警和嚴(yán)重故障判斷結(jié)果通過開關(guān)量信號(hào)發(fā)送給系統(tǒng)與換流站級(jí)控制器（SSC），由SSC實(shí)現(xiàn)告警和故障跳閘。

為避免傳感器故障導(dǎo)致誤觸發(fā)跳閘，低溫監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)故障信號(hào)采用二取二，兩路信號(hào)均超過閾值，才發(fā)送嚴(yán)重故障跳閘信號(hào)給SSC。而報(bào)警信號(hào)采用二取一，其中一路信號(hào)故障就會(huì)上送報(bào)警信號(hào)。同時(shí)考慮到非電量保護(hù)的不穩(wěn)定性，僅將嚴(yán)重影響超導(dǎo)限流器本體運(yùn)行的液位超低確定為嚴(yán)重故障跳閘信號(hào)，其他的信號(hào)均告警而不跳閘。

3 運(yùn)維策略

為確保超導(dǎo)限流器本體及制冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行，通過查閱廠家說明書等手段，制定了針對(duì)制冷系統(tǒng)的日常維護(hù)項(xiàng)目和異常處置方案。

3.1 日常維護(hù)

應(yīng)定期檢查制冷系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除制冷系統(tǒng)的運(yùn)行缺陷，并做好相關(guān)記錄工作。檢查的內(nèi)容主要是：

（1）儲(chǔ)罐未發(fā)現(xiàn)外部冷凍顆粒、結(jié)霜或冷凝跡象，未出現(xiàn)不正常快速升壓；

（2）壓力和液位等儀表是否正常無故障，后臺(tái)各表計(jì)讀數(shù)是否正常并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際一致；

（3）各閥門是否在正常開啟/關(guān)閉位置；

（4）外管路焊接是否有裂縫或變形，特別是靠近閥門和接頭的部位；（5）安全閥和防爆片是否被污染或損壞；

（6）低溫管道及連接處無結(jié)霜、無漏氣，支架無松動(dòng)，基礎(chǔ)無裂紋、無沉降；

（7）電源柜、控制柜、制冷機(jī)、冷卻水循環(huán)機(jī)等工作正常，無異響。3.2 異常處置

通過風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和分析，認(rèn)定超導(dǎo)限流器本體和制冷系統(tǒng)可能潛在的異常主要是：本體液位、壓力、溫度過高或過低，液氮儲(chǔ)罐的液位、壓力過高或過低。各種異常的進(jìn)一步發(fā)展惡化，存在可能危及超導(dǎo)限流器本體安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，因此必須制定有針對(duì)性的應(yīng)急處置方案。

應(yīng)急處置至少需要兩人共同進(jìn)行，檢查人員應(yīng)做好個(gè)人防護(hù)措施：應(yīng)穿戴防寒服、戴上防護(hù)手套和眼罩、佩戴正壓式呼吸器，謹(jǐn)防窒息和低溫灼傷。

處置的一般順序和方法是先根據(jù)后臺(tái)報(bào)文判斷故障類型站再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行規(guī)程和應(yīng)急處置方案中的要求，采取對(duì)應(yīng)的處置措施，必要時(shí)向調(diào)度申請(qǐng)停電隔離處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

超導(dǎo)直流限流器投入運(yùn)行以來，其本體和制冷系統(tǒng)的運(yùn)行狀況均良好；但時(shí)間尚短，其長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性還有待檢驗(yàn)。對(duì)超導(dǎo)直流限流器的運(yùn)維策略研究、制冷系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)型分析等，都將是接下來很長(zhǎng)一段時(shí)間運(yùn)維的探索方向。

參考文獻(xiàn)：

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