巨型胶囊”上岗!全球电压等级最高的超导直流限流器投入试运行

山东诺铭智慧电力能源有限公司 / 2020-08-18

8月17日,世界上电压等级最高、容量最大的160千伏超导直流限流器“走出实验室”,在汕头市南澳柔性直流系统挂网试运行,标志着南澳岛的绿色能源在奔向千家万户的旅途上新增了一位“重量级”守护者。

一眨眼功夫!千分之一秒瞬间启动,有效降低故障电流

南澳岛风力资源丰富,为了让耸立在岛上200多台大风车发出的绿色风能顺利接入电网,早在2013年,世界上第一个多端柔性直流输电工程——南澳±160千伏多端柔性直流输电示范工程就投运于此。然而,随着越来越多的风能并网,这个“超级工程”需要应对的故障电流也随之增大。如何保障电网安全运行?广东电网牵头的国家重点研发计划成果——世界首台160千伏超导直流限流器,提供了有效的解决方案。

“如果柔直系统发生故障,我们需要及时用断路器隔离故障。故障电流越小,则越容易断开。”广东电网电力科学研究院相关负责人介绍,超导直流限流器作为限制故障电流的一种装置,可以将故障电流限制到较低水平,为断路器切断故障创造最好的条件,大大提升隔离故障的效率和成本,提升柔直系统的安全性和可靠性。

记者在南澳金牛换流站看到了这个形似“巨型胶囊”、重达82吨的超导直流限流器。据悉,利用超导独特的“零电阻”和“超导态-正常态转变”特性,限流器可以不依赖任何监测装置,在感应到故障电流的瞬间响应触发,自动完成全部限流保护过程,并在故障清除后自动恢复超导特性。当天值班工作人员说,这家伙在正常运行时就像一根隐形的导线,没有电阻,“一旦发生短路故障,将在眨眼间(1毫秒内)迅速转为大电阻,起到限制故障电流的作用,这就是超导的奥妙。”数千次试验攻坚超导带材,100%自主研发的“国产货”领跑世界

“国际上没有高压超导直流限流器的先例可循,意味着160千伏超导直流限流器从设计到开发都只能通过自主创新来实现。” 项目技术负责人、广东电网能源技术公司专家宋萌说,这台历时三年研制的超导直流限流器实现了100%自主研发,形成了包括“高性能双面封装带材”、“高耐压跨温区高压套管”等在内的多项创新技术亮点,申请了超过60个发明专利,抢占了超导电力装备制造和应用的全球制高点。

据悉,研发时最大的困境,莫过于超导材料“卡脖子”。“超导材料不仅要同时满足‘零电阻’和‘高电阻’两个条件,其工艺、成分、参数需针对挂网柔直系统的目标量身打造,这就意味着需要依靠大量的实验数据。”宋萌称,限流器能够承受多大的故障电流,呈现多大的电阻是研发的关键。

为了得到符合项目要求的超导材料,研发团队搭建了大电流冲击平台,对上百种带材进行了超过千次的冲击实验,“各项性能参数是相互制约,每一次冲击都要从细微的曲线变化反推背后的复杂因素,得出定量化的参数修正指标,我们分析了至少上万组曲线。”宋萌说。

此外,在材料制备的环节,面对只有万分之一头发丝厚度的十多个涂层,上百道制作工艺,项目团队在1年多的时间里完成了近300项制备参数的调整、超过5000次对照试验,对不同的超导材料开展样品实验和缺陷分析,终于成功研制出电阻型超导限流器用高性能高温超导带材(YBCO超导带材),并实现批量化自主生产。宋萌还表

“走出实验室”的世界第一台,新能源大规模入网再添保障

“南澳柔直系统就像是为超导直流限流器量身打造的‘工作岗位’,让科研成果走出实验室,有了用武之地。”示范工程系统调试现场负责人、广东电网能源技术公司专家盛超介绍,未来柔直系统有了“巨型胶囊”的加持,将有利于充分释放柔直输电潜能,让更多的绿色风能并网运行,助力打赢防治污染攻坚战。

截至目前,南澳柔直系统已累计往大陆输送清洁风电11.56亿度,相当于减排二氧化碳88.73万吨。从独立的样机研制到系统性的示范工程应用是一次重大的跨越。承担实用化运用重任的“巨型胶囊”,经历了比项目标准更严苛的冷热循环试验、绝缘试验、大电流冲击试验等考验,接下来将全力迎接为期6个月的现场实践挑战。

“作为柔直系统的全新配套设备,超导直流限流器需要克服‘水土不服’适应现场,对设备的长期稳定性提出了更高的要求。”盛超说,放置在室外的限流器需要应对南澳岛潮湿盐雾以及台风等恶劣气候条件,还需要解决与原柔直系统的匹配协调运行等问题。

多项“首台”、“首套”、“首次”新设备、新技术,以及其特有的零下196℃低温冷却系统,对系统调试和投运细节提出了挑战,需要做好“最后一公里”的工作。有一次,广东电网汕头供电局的党员陈文旭就在现场发现了液氮罐压力、液氮导管压力与超导限流器液氮压力等设备参数标准不统一的问题,他反复核对厂家资料和技术图纸,与设计单位多次沟通,最终为设备运维提供了统一标准和明确指引。

据悉,超导直流限流器的安全运行维护职责由汕头供电局柔直巡维中心承担,这是继南澳多端柔直示范工程、160千伏机械式高压直流断路器项目以来,运维中心承担的第三项“世界首个”项目运维任务。