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.橡樹嶺國家實驗室，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，對電力基礎設施可靠性和可持續(xù)性的需求不斷遞增。對于傳統(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，這些基礎設施是關鍵的要求。重大的電網(wǎng)中斷會對區(qū)域和全國的經(jīng)濟和安全造成很大的沖擊。

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

本文敘述了此項目的總體目標、設計準則、現(xiàn)狀和進展。提出了超導限流電纜的概念并描述了此類電纜的系統(tǒng)優(yōu)勢。另外，也將公開和討論25 m三相原型電纜的測試結果。

1 項目描述

Hydra項目為了開發(fā)和論證高溫超導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）運行電壓為13.8 kV,最大額定15.5 kV；

3）運行電流為4000 A 持續(xù)；

4）設計故障電流為40 kA；

5）故障限流能力：限制17%(取決于最終長度)。

項目開發(fā)階段包括了技術論證、小規(guī)模試驗來驗證假定和分析等一系列里程碑。小規(guī)模試驗包括安博瑞帶材浸泡在開放的液氮槽內、小規(guī)模的單芯高溫超導電纜浸泡在開放的液氮槽內、小規(guī)模的25 m三芯高溫超導電纜放置在加壓液氮循環(huán)冷卻的低溫保持器中。當這些開發(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變電站，用實際的環(huán)境來驗證此技術。

2 項目的狀態(tài)和進展

Hydra項目于2007年5月榮獲美國國土安全部科技局資助。從此，在各個方面項目都進展得很順利，包括選址、制冷系統(tǒng)概念設計和原型電纜的開發(fā)工作。在最初的高溫超導帶材開發(fā)工作后，制作了一些原型電纜并進行測試。最初是一根3 m長的單芯電纜，由Ultera和橡樹嶺國家實驗室在2008年春結束制作和測試。根據(jù)這根3 m電纜的測試結果，又制作和測試了一些3 m長的單芯電纜來改進設計。這些3 m樣品的測試結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值的工程幫助。

3 m電纜測試之后，在2009年春，又制作了一根25 m長的三芯電纜和兩個完整的終端，并安裝在橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的試驗現(xiàn)場。對電纜系統(tǒng)進行了大量的試驗，包括故障電流限制試驗以及常規(guī)的型式試驗如耐壓試驗、沖擊電壓試驗、局放試驗。以下是試驗結果總結，詳細的試驗結果見文獻[1-2]。

3 25 m電纜制作

25 m電纜由Ultera公司設計并生產(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進行。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電纜而設計的。為Hydra項目開發(fā)的電纜是TriaxTM三相同軸超導電纜。TriaxTM三相同軸超導電纜由三相導體加中性線芯，同心的繞包在共同的軸芯上組成。每相導體在相間電壓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，相對地（3相和中性線芯間）額定絕緣水平為8.9 kV。在每個終端內部，有幾個絕緣部件要被設計成相對地額定電壓8.9 kV。TriaxTM三相同軸超導電纜的絕緣系統(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?？招墓芤部梢宰鳛殡娎|運行時內部的液氮流道。圖1是TriaxTM三相同軸超導電纜詳細結構。

圖1 Ultera研制的HTS TriaxTM電纜

繞包工序由許多步驟組成，多層超導帶材、半導電帶、絕緣帶纏繞形成電纜。一次繞包可以纏繞多層超導帶材、半導體和絕緣。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，所有的繞包設備均放置在潔凈房內以避免絕緣層受到污染。電纜在NKT工廠內包裝好后運輸?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，先安裝低溫保持器，然后把電纜拖進低溫保持器內。因為安裝在ORNL只是為了試驗，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，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、故障限流試驗以及各種形式試驗。電纜和制冷系統(tǒng)的原理如圖4所示。

圖4 25 m電纜測試裝置圖

試驗設備的主要組成部件包括液氮循環(huán)回路、兩個安裝在過冷器的進口和出口（T118和T119）計量過的二級溫度傳感器、一個計量過的文丘里流量計以測量液氮的循環(huán)流量。表1總結了試驗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)的進口和出口的平均溫度。

表1 不同溫度下的臨界電流

進行熱穩(wěn)定試驗是為了保證電纜在最高運行溫度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，并在大約第12 h達到熱平衡。運行壓力也描繪在圖5中。如圖5所示，運行壓力在+/-5 psi范圍內波動。

圖5 24h熱穩(wěn)定試驗中的溫度和壓力情況

25 m電纜測試的主要目的是測定電纜在故障條件下的電流限制率。我們進行了兩種故障限流測試。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受到損壞。在第二種測試中，在2相和3相導體上施加了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（預期值）的比較。實際的降幅在第二個半周期達到45%，在第六個半周期達到66%。

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

在圖6的波形中也有相移。其原因為：未受限制的故障電流是感性的，參照實際運行情況，試驗時抗阻比設置在10～15。在電網(wǎng)中敷設了超導電纜的情況下，當故障電流超過超導電纜的臨界電流，電纜將會由超導狀態(tài)（零電阻）轉換到電阻狀態(tài)。此時電纜導體呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，電纜得以限制故障電流。超導電纜失超時，電纜抗阻比下降，整體呈現(xiàn)電阻性。結果就是電流呈現(xiàn)90°相移。另外，故障電流導致導體發(fā)熱，電阻隨之增大，故障電流相應地進一步得到降低（因為系統(tǒng)電壓是固定不變的）。

在熱響應方面，在故障后的最初幾分鐘內檢測到1.5 K的溫升，在故障后半小時內溫度又恢復到原始值。半小時間隔后重復故障，熱響應和電壓響應呈現(xiàn)相同的結果，由此推測電纜在此時間期限內回到了原始的運行狀態(tài)。

圖6的結果表明FaultBloker帶故障限流功能的高溫超導電纜實際的潛能：實現(xiàn)超過50%的限流是容易達到的。但是，當電纜短于800 m，F(xiàn)aultBloker帶故障限流功能的高溫超導電纜沒有足夠的電阻來適當?shù)叵拗乒收想娏鳎ＷC電纜內溫升不要超標。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，當超導電纜切換到高阻狀態(tài)限制故障電流時，因為傳統(tǒng)的銅纜的阻抗與電源阻抗分壓，超導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

在測試期間，當進行基本脈沖水平測試時注意到一些議題。目前正在調查，并在開始完整的電纜建造之前要先解決好。

5 結語

美國超導公司的FaultBloker限流電纜，一種內在具有故障限流功能的超導電纜，目前正在開發(fā)，并受到美國國土安全部科技局的財務支持。一根25 m的電纜已經(jīng)成功地證明了其內置的故障限流特性。在預期故障電流達到62 kA的故障測試中，電纜和終端能達到設計效果。在第一個半周期內電纜能把故障電流降低到32 kA,并對相間施加和不施加15.5 kV的運行電壓分別進行了此試驗。

Hydra項目將是第一個安裝在實際運行的電網(wǎng)中的具有內置故障限流功能的超導電纜，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.