Page 35 - 电力与能源2023年第四期

陈妍君，等：上海超导电缆继电保护策略及方案 341

大的商业化应用前景。 1.1.2 本体外破
基于国内外超导电缆的示范经验，国网上海 当超导电缆发生严重外破时，其电流、电压、
市电力公司开展高温超导电缆示范工程，在中心 液氮流量、压力、温度等参量都会发生异常。在此
城 区 两 座 220 kV 变 电 站 之 间 建 设 了 一 条 长 1.2 情况下，要求超导电缆立即退出运行。
km 的 35 kV 高温超导电缆作为联络线。该地区 1.2 冷却循环系统异常及故障

负荷密集，覆盖核心政府机关、三甲医院、天文台、 冷却循环系统一般由制冷机、液氮泵、液氮输
送管路等部分组成，其基本原理是利用过冷液氮
报社、金融机构、地铁等重要用户以及众多居民
的显热，将超导电缆产生的热量带到冷却装置，通
区，一直以来属于上海电网的负荷热点区域。并
过液氮冷却装置冷却后，再将过冷液氮送到超导
且，区域内输电走廊紧张，地下通道狭窄，已无法
电缆中去，形成液氮在闭合回路的循环 。冷却
［6］
满足日益增长的供电需求。本次示范工程引入高
循环系统的工作状况直接关系到超导电缆是否能
温超导电缆，以更高的输电能力解决城市中心供
正常工作，一旦冷却系统出现故障，超导电缆所需
电负荷密集化问题，投运后成为世界上首条为城
的低温环境就会遭到破坏，需立即采取措施确保
市负荷中心供电、全商业化运行的超导电缆工程。
超导电缆的安全运行。冷却系统的异常及故障主
超导电缆系统主要由超导电缆本体及冷却循
要包括以下几个方面。
环系统组成。超导电缆本体浸泡在液氮中以维持
1.2.1 制冷机故障
其超导特性；冷却循环系统位于变电站内，可以循
为了确保高温超导电缆系统的运行可靠性，
环提供足够的冷量以平衡超导电缆系统的热负
示范工程一共采用了 3 套不同型号的制冷机互为
荷，满足超导电缆的冷却要求。与常规电缆相比，
备份，每套制冷系统的制冷量都可以独立支撑示
超导电缆系统增加了冷却循环系统，它是保证超
范工程的稳定运行。
导电缆正常运行的关键，一旦发生故障，低温的工
若一套制冷机故障，则立即自动切换至另一
作环境将无法维持，若超导电缆没有及时退出运
套制冷机投入使用。若两套制冷机同时故障，并
行，可能面临烧毁的风险。因此，影响超导电缆正
且循环回路中液氮温度高于 78 K 时，需适当降低
常运行的因素主要包括电缆本体和冷却系统的异
供电负荷，减少超导材料发热，保证超导电缆不发
常或者故障。示范工程在传统的响应电缆本体异 生失超。若 3 套制冷机均失效不能正常运行，则
常或者故障的继电保护基础上，增加响应超导冷 在有液氮循环条件下超导电缆温度缓慢上升，超
却系统异常及故障的继电保护，不仅可以切除超 过一定时间即可能进入失超状态。因此在制冷机
导电缆的电气故障，还可以在冷却循环等辅助系 全部故障的情况下，要求超导电缆在几分钟之内

统发生故障时，及时将超导电缆退出运行，以确保 退出运行。
电网运行的可靠性及超导电缆的安全性。 1.2.2 液氮泵故障
示范工程中冷却循环系统采用了 2 套液氮泵
1 超导电缆系统异常及故障分类
互为备用，若两套液氮泵全部故障，则超导电缆绝
1.1 超导电缆本体故障 热管中液氮将停止流动，热量急剧累积，可能导致
1.1.1 电缆本体短路 超导材料失超或电压击穿。因此在液氮泵全部故
超导电缆在电力系统中运行，难免会遭受短 障 的 情 况 下 ，要 求 超 导 电 缆 在 几 分 钟 之 内 退 出
路电流的冲击。短路故障电流通常远远大于超导 运行。

电缆的临界电流，使得超导电缆瞬间全段失超 ， 1.2.3 电缆压力系统故障
［5］
温度急剧上升，如果不能及时切除故障，超导电缆 超导电缆入口、出口压力或者制冷系统压力
极有可能产生永久性损坏。在短路故障情况下， 超越下限，说明压力系统发生了严重故障，此时要
要求超导电缆立即退出运行。 求超导电缆立即退出运行。