35 kV 2000A冷绝缘高温超导电缆监控系统设计与开发

张大义， 张喜泽， 魏 东

（上海电缆研究所，上海200093）

35 kV 2000A冷绝缘高温超导电缆监控系统设计与开发

张大义， 张喜泽， 魏 东

（上海电缆研究所，上海200093）

结合工程的实际情况，介绍冷绝缘高温超导电缆监控系统的设计和开发，采用了冗余备份技术和多种运行保障措施，从而有效提高系统可靠性。

冷绝缘高温超导电缆；监控系统

0 引 言

高温超导电缆具有更高的输电能力、近于零的阻抗、紧凑的结构等优越特性［1］，得到了世界各国的广泛关注。冷绝缘高温超导电缆其交流电的输送性能具有一定的优势，是目前国际上超导电缆示范项目中采用的主流结构形式［2］。上海电缆研究所，于2011年联合上海三原电缆附件有限公司、宝钢股份有限公司、上海电缆设计院等项目参与单位，开始着手开发适合工程应用的超导电缆线路，并于2013年12月9日在宝钢实现了国内首条冷绝缘高温超导电缆系统示范工程的挂网运行。这标志着中国成为继欧、美、日、韩等国［3］之后成功完成冷绝缘高温超导电缆示范工程的国家。

为了实现电缆系统的可靠运行和供电安全，本次示范工程中的超导电缆监控系统，在硬件架构上具有较高的自运行稳定性，并控制整个电缆系统的稳定运行，可实时监测和分析运行参数，形成长期的数据积累。本文将围绕本次示范工程的实际情况，介绍超导电缆监控系统的设计与开发。

1 工程概况

本次冷绝缘高温超导电缆示范工程是基于宝钢二练钢电炉的原供电线路进行改造，借助了宝钢原有调度系统的击穿保护和过电流保护等措施，将超导电缆系统嵌入到了140 MVA降压变压器的二次侧，运行电压为35 kV，额定电流2000 A，通过闸刀开关与常规电流母排线路连接，可随意进行线路切换，也可实现常规电缆与超导电缆的并联运行，电气布置图如图1所示。

图1 示范工程电气连接图

2 监控系统设计与实现

监控系统的主要监控对象是制冷系统（包括液氮泵箱、过冷箱、输液管、液氮贮槽、气动阀门等［4］）和超导电缆本体的运行参数，通过无源触点信号向宝钢调度中心发送报警信号，实行前端无人化自动运行，后端远程实时监控和定期巡检相结合的维护机制，总体架构如图2所示。

图2 监控系统架构示意图

2.1 监控点和控制器网络

结合设计方案和后续工程实况，需要实时监控对象大致分为四部分：冷箱泵箱监控、氦气压缩机IO控制、冷水机监控和电缆参数采集。由于监控点位置较分散，控制器采用分布式控制方案，在每个监控点集中区设置一个控制器分站，采用PROFIBUS总线进行长距离数据传输，以有效简化布线，并提高抗干扰能力，如图3所示。

图3 控制器网络

2.2 主控器冗余配置

控制器采用工业级可编程控制器的冗余架构，确保了任何时候的系统可靠性，对所有的重要部件都进行了冗余配置。这包括了冗余的PLC、供电模件和用于冗余PLC通信的同步模块，并且配置了冗余客户机、冗余通讯介质、冗余接口模件、冗余PROFIBUS等，如图4所示。

采用冗余配置，可以大大增加系统运行的可靠性和稳定性。经过多次故障对策模拟，系统满足冗余设计。在最近的多次试验和正式试验中，系统运行稳定可靠，完全满足冷绝缘高温超导电缆系统运行的控制需求。

2.3 冷箱、泵箱和控制柜

1号分站负责对冷箱、泵箱以及配套附件的状态采集和控制。冷箱、泵箱是分别用来安装制冷机冷头和液氮泵的杜瓦容器，每个杜瓦容器的液氮进出口均设置了温度和压力测量点，设置了低温阀门进行补液和泵箱切换的操作。对冷箱和泵箱的监控是保证制冷系统正常运行的重要环节，也是维持冷绝缘超导电缆运行所需要液氮环境的关键。该PLC分站的配置功能模块较多，与主PLC一同配备在主控制柜之中，仪表柜可独立于PLC系统的运行，用来同步显示整个电缆系统的关键参数，如图5所示。

图4 冗余架构原理图

图5 控制柜和仪表柜

2.4 氦气压缩机控制

根据电缆的热负荷计算和冗余需求，共装配8台GM制冷机。GM制冷机的控制面板设置在氦气压缩机上，共有三种控制方式，按控制优先级排序为面板控制、15针IO端口（无源触点）控制、232/485端口控制。每台压缩机完全独立运行，具备运行状态自动诊断和自保护功能。这里采用15针IO端口，分别用来指示压缩机运行、氦气超压、氦气超温、压缩机正常4个状态，进行压缩机锁定、压缩机开、压缩机关、面板控制切换4个操作。直接采用PLC分站的DI和DO扩展模块进行对接，封装在独立的控制箱，控制箱外部设置有单台压缩机的启停按钮、手自动切换按钮和急停按钮，通过2根PROFIBUS总线与总PLC控制器的连接，实现了自动控制和现场调试的灵活运用。

2.5 冷水机控制

冷水机的可靠性是氦气压缩机稳定运行的关键因素，其主水泵、冷却塔、普冷压缩机等关键环节均采用双机备份机制。外部气温较低的情况下，主要依冷却塔来降温。由于氦气压缩机的冷却水温度需要维持在5～29℃，只有在夏日气温较高时，才会开启普冷压缩机进行制冷，从而降低了一部分能耗。

为了进一步提高稳定性，冷水机采用了独立的PLC系统，对进出口水温、水泵热过载、压缩机高低压报警、冷水流量等参数进行采集，根据水温自动调节运行。该PLC子系统通过PROFIBUS扩展模块与主PLC进行数据通信，用以观测运行参数和过载报警。

2.6 室外电缆本体的监测

电缆本体的运行状况是监测的重点，对于实时计算电缆导体层温升和评估电缆热负荷都是至关重要的。根据示范工程的情况，监测数据包括每相电缆的进出口温度和压力、液氮管路流量、屏蔽线的温度、以及电缆电流和终端液位的监测。

冷绝缘超导电缆的外护套和终端外壳都与接地线连接，传感器和变送器均可设置在壳体之上，而无需考虑高电压测量措施。电流测量采用罗氏线圈，安装在超导终端壳体上，通过嵌入式工业主板控制同步采集卡进行采集。A、B、C相电流直接测量，屏蔽线电流需要用节点电流法来处理，测量原理见图6所示。电流波形通过软件算法进行拟合处理，解析出幅值、频率、相位信息，并可自动记录过电流波形。

图6 超导电缆电流测量

终端液位测量，在终端杜瓦容器的内层，按高度布置热电阻的方式进行液位定位，每个终端配备一个16通道的温度巡检仪，带485接口；同时还针对终端杜瓦容器的真空度进行监测，采用带485接口的一体式变送器进行测量。

室外的PLC分站安装在防水密封箱体中，由于前端的传感器包括485接口设置于室外电缆终端上，需经过防雷和隔离处理才能与采集模块相连，PLC分站与主PLC之间也设置了PROFIBUS隔离模块，以保证主控系统的安全。报警信号也由该分站的DO模块通过继电器隔离后向宝钢方面发送。

2.7 现场控制程序和人机界面

现场控制程序运行主PLC之中，主要的功能包括温度控制、压力控制、液位控制、报警控制等，这些控制功能要以前述的外围硬件设计和实现为前提，直接关系到整个超导电缆系统运行。温度控制根据泵箱回液口处和A相电缆出口处的温度进行回滞比较来控制压缩机的启停，保证运行温度维持在74.5K的范围；压力控制主要是维持泵箱内的压力，进行泄压和补压操作；液位控制主要是控制液氮储罐对冷箱和泵箱进行适量补液；报警控制，通过自动判断电缆系统运行关键参数来发送轻、重两个级别的故障报警。

人机界面是供操作人员进行现场操作的平台，运行在工业计算机上，通过组态软件的方式进行编写，具有较高的稳定性，同样采用了双机备份的配置方案，可观测到超导电缆系统的所有运行参数，界面如图7所示。

图7 现场操作台的人机界面

2.8 远程监控系统的开发

示范工程现场采用了无人化控制站的方式运行，这就需要架设远程监控系统来实时观察现场的运行状况，同时把关键运行参数进行长期归档。远程监控系统主要由中转服务器、OPC接口、网络传输、数据服务器、客户端几个部分构成。中转服务器为双机热备份配置，采取OPC接口技术与主PLC进行数据通讯，通过约束设置使其无法直接更改主PLC的控制参数和控制流程，运行相对独立；网络传输采用工业级3G路由器进行无线传输，共设置了4级故障备份，备份路由器始终维持在线状态，一旦主路由器信号中断会自动切换到备份路由器工作；数据服务器和客户端采用了CS软件架构，可观测到现场设备全部关键运行参数，同时具有历史数据查询等功能，客户端界面如图8所示。

图8 远程监控软件界面

3 运行与维护

本监控系统自2013年12月9日投入使用，全程不间断运行，温度、压力等关键参数均控制在预先设定的范围，初期由维护人员进行了一周左右的现场值守，之后基本实现了示范工程现场的无人化运行。结合远程监控软件，实现了宝钢调度中心、远端监控、现场巡检相结合的运行维护方式，平均每周进行一次现场维护，基本确保了宝钢二炼钢电炉厂区的正常生产。

根据电炉厂区生产任务需求，本超导电缆线路为24 h连续供电，单根电缆平均载流为1500A，如图9所示为一天的用电负荷情况。

图9 超导电缆一天输电情况示意图

与民用周期性高峰供电不同，在每次电炉投入使用的瞬间都会产生较大的过电流，借助波录软件可以查看过电流的详细波形，每次电炉合闸时刻的过电流一般不会超过10个周波，如图10所示。

图10 电炉合闸瞬间的过电流波形捕捉（瞬时值）

4 结束语

本监控系统，在硬件设计上采用了冗余备份的方式提高了自身运行的稳定性，并根据示范工程的现场情况，采取了一系列应对措施，采取了现场自动运行、远程监控、现场巡检相结合的维护机制，确保了超导电缆系统的安全、稳定运行。同时随着工程推进和长期运行，也发现了一些不足之处有待改进，例如，可以增加视频设备来监测管道的绝热性能，增加电磁阀门来实现液氮储罐的控压等，将在近期的设备维护中进行集中优化处理。在下一步的工作计划中，将围绕着设备布局优化、制冷方式优化、现场布线优化等方面展开，为高温超导电力电缆产业化做好配套工作。

［1］ 林 一.浅析高温超导电缆在城市电网的应用前景［J］.供用电，2011（2）：57-60.

［2］ 龚伟志，张 栋.冷绝缘超导电缆的结构及技术简介［J］.低温物理学报，2012（6）：177-182.

［3］ 宗曦华，魏 东.高温超导电缆研究与应用新进展［J］.电线电缆，2013（5）：49-53.

［4］ 丁怀况，施 锦.30M-35kV/2000A高温超导电缆制冷系统［J］.低温电子技术，2005（12）：60-63.

The Design and Development of 35 kV 2000A CD HTSCable M onitor System

ZHANG Da-yi，ZHANG Xi-ze，WEIDong
（Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

This paper will introduce the design and development of 35 kV 2000A CD HTS cablemonitor system with the practical situation of project，especially the redundant backup and multiple security，which will effectively improve the reliability of the whole system.

CD HTS cable；monitor system

TM249.7

A

1672-6901（2014）06-0001-04

2014-05-09

张大义（1980-），男，工程师.

作者地址：上海市军工路1000号［200093］.