CN112186772A - 一种电力传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力传输系统，包括220kV母线、10kV母线和110kV母线；所述10kV母线包括一段10kV母线、二段10kV母线、三段10kV母线和四段10kV母线；所述一段10kV母线、二段10kV母线和三段10kV母线依次通过断路器连接；所述220kV母线与所述一段10kV母线之间通过第一三绕组变压器连接；所述220kV母线与所述一段10kV母线之间通过第二三绕组变压器连接；所述220kV母线与所述一段10kV母线之间通过第三三绕组变压器连接；所述第一三绕组变压器、第二三绕组变压器和第二三绕组变压器还分别连接对应的负荷；所述三段10kV母线与所述四段10kV母线通过10kV高温超导电缆系统连接；所述四段10kV母线与所述110kV母线通过双绕组变压器连接。本发明用于220kV与110kV之间的电力传输，实现低损耗、高效率、大容量输电。

Description

一种电力传输系统

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种电力传输系统。

背景技术

高温超导电缆系统是采用无阻的、能传输高电流密度的超导材料作为导电体并能传输大电流的一种电力设施，具有体积小、重量轻、损耗低和传输容量大的优点，可以实现低损耗、高效率、大容量输电。高温超导电缆系统将首先应用于短距离传输电力的场合(如发电机到变压器、变电中心到变电站、地下变电站到城市电网端口)及电镀厂、发电厂和变电站等短距离传输大电流的场合，以及大型或超大型城市电力传输的场合。

发明内容

本发明旨在提出一种电力传输系统，其用于220kV变电站～110kV变电站之间的电力传输，实现低损耗、高效率、大容量输电。

为此，本发明实施例提出一种电力传输系统，包括220kV母线、10kV母线和110kV母线；所述10kV母线包括一段10kV母线、二段10kV母线、三段10kV母线和四段10kV母线；所述一段10kV母线、二段10kV母线和三段10kV母线依次通过断路器连接；所述220kV母线与所述一段10kV母线之间通过第一三绕组变压器连接；所述220kV母线与所述一段10kV母线之间通过第二三绕组变压器连接；所述220kV母线与所述一段10kV母线之间通过第三三绕组变压器连接；所述第一三绕组变压器、第二三绕组变压器和第二三绕组变压器还分别连接对应的负荷；所述三段10kV母线与所述四段10kV母线通过10kV高温超导电缆系统连接；所述四段10kV母线与所述110kV母线通过双绕组变压器连接。

可选地，所述一段10kV母线、二段10kV母线、三段10kV母线和四段10kV母线分别连接对应的10kV负荷。

可选地，所述高温超导电缆系统包括三相同轴超导通电导体，所述三相同轴超导通电导体自内向外依次绕设柔性骨架、电绝缘层、A相超导层、第一电绝缘层、B相超导层、第二电绝缘层、C相超导层、第三电绝缘层、铜屏蔽层、电绝缘层、保护层。

可选地，所述柔性骨架采用不锈钢波纹管，所述A相超导层、B相超导层、C相超导层均为多层，该多层为多根超导带按圆周排列并联组成。

可选地，所述第一电绝缘层、第二电绝缘层、第三电绝缘层采用PPLP材料，所述保护层采用无纺布并做润滑处理。

可选地，所述柔性骨架、电绝缘层、A相超导层、第一电绝缘层、B相超导层、第二电绝缘层、C相超导层、第三电绝缘层、铜屏蔽层、电绝缘层、保护层均按一定的螺旋角绕制。

可选地，三相同轴超导通电导体的超导带材采用厚封装带材，并在超导通电导体两端分别安装0.42Ω超导限流器和j0.15Ω常规电抗器。

可选地，所述铜屏蔽层的两端接地。

本发明实施例提出一种电力传输系统，其引入高温超导电缆系统进行220kV变电站～110kV变电站之间的电力传输，并提出了对应的电力传输的电气接线方式，以及对高温超导电缆系统提出了针对性的改进，使得高温超导电缆系统能够更好地适应220kV变电站～110kV变电站之间的电力传输。本发明实施例运用能同时实现高效低损耗和大容量电能输送的超导技术升级配网可靠性，将有力地支撑并满足持续快速增长的负荷需求和土地高效利用要求，符合工业发展规划、电网安全运行要求和高新技术发展方向。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式中阐述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种电力传输系统的结构示意图。

图2为同等电压等级下常规电缆和超导电缆的传输容量对比示意图。

图3为本发明实施例中铜屏蔽层两端接地示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的手段未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

参阅图1，本发明实施例提出一种电力传输系统，其用于220kV变电站与110kV变电站之间的电力传输，所述系统包括220kV母线、10kV母线和110kV母线；所述10kV母线包括一段10kV母线、二段10kV母线、三段10kV母线和四段10kV母线；所述一段10kV母线、二段10kV母线和三段10kV母线依次通过断路器连接；所述220kV母线与所述一段10kV母线之间通过第一三绕组变压器#1连接；所述220kV母线与所述一段10kV母线之间通过第二三绕组变压器#2连接；所述220kV母线与所述一段10kV母线之间通过第三三绕组变压器#3连接；所述第一三绕组变压器#1、第二三绕组变压器#2和第二三绕组变压器#3还分别连接对应的负荷，图1中的箭头表示电力传输方向，即将电力传输至对应电压等级的负荷，例如站内用电负荷；所述三段10kV母线与所述四段10kV母线通过10kV高温超导电缆系统以及10kV高温超导电缆系统两端的断路器连接；所述四段10kV母线与所述110kV母线通过双绕组变压器连接。

可选地，所述一段10kV母线、二段10kV母线、三段10kV母线和四段10kV母线分别连接对应的10kV负荷，图1中的箭头表示电力传输方向，即将电力传输至对应电压等级的负荷。

可选地，所述高温超导电缆系统包括三相同轴超导通电导体，所述三相同轴超导通电导体自内向外依次绕设柔性骨架、电绝缘层、A相超导层、第一电绝缘层、B相超导层、第二电绝缘层、C相超导层、第三电绝缘层、铜屏蔽层、电绝缘层、保护层；所述三相同轴超导通电导体额定电压10kV，额定电流2.5kA。

可选地，所述柔性骨架采用不锈钢波纹管，所述A相超导层、B相超导层、C相超导层均为多层，该多层为多根超导带按圆周排列并联组成。

可选地，所述第一电绝缘层、第二电绝缘层、第三电绝缘层采用PPLP材料。

可选地，由于三相不平衡度不会很大，所述屏蔽层采用铜带。

可选地，所述保护层采用无纺布并做润滑处理，以保护通电导体传入低温杜瓦管过程不受损伤。

可选地，为了消除互感、应对低温收缩、增加弯折柔性、降低交流损耗，所述柔性骨架、电绝缘层、A相超导层、第一电绝缘层、B相超导层、第二电绝缘层、C相超导层、第三电绝缘层、铜屏蔽层、电绝缘层、保护层均按一定的螺旋角绕制。

可选地，通电导体超导带材额定损耗约3.5W/m,外形尺寸约70mm；三相同轴超导通电导体的超导带材采用厚封装带材，并在超导通电导体两端分别安装0.42Ω超导限流器和j0.15Ω常规电抗器。具体而言，三相同轴构型的超导电缆抗短路电流能力较弱，因此本实施例通过采用厚封装带材，并在两端分别安装0.42Ω超导限流器和j0.15Ω常规电抗器来解决故障电流问题。

可选地，如图3所示，本实施例中所述铜屏蔽层的两端接地。

具体而言，稳态条件下，三相电流完全对称，屏蔽层内无感生电流通过。在暂态条件下，比如三相电流不平衡乃至短路条件下，三相合成外磁场不为零，会在屏蔽层中感应出电流。根据楞次定律，感应电流与载流方向相反，总效果为削弱不平衡电流引起的外磁场增强。事实上，考虑到超导电缆的具体构型实施方式，超导带之间存在一定的间隙，会导致超导带载流产生的磁场“泄漏”出来，这个漏磁场在理论上也会引起感应电流。但是由于漏磁场很小，这个分量我们可以忽略。

现有技术中超导电缆的屏蔽层的接地方式为单端接地，单端接地无电流回路，可以避免屏蔽层的电流循环，可以降低循环电流引起的损耗。它的一个不利问题是屏蔽层电压升高，即接地端为零电位，而不接地的一端存在高电位，这个电位正比于电缆长度。一般而言，电缆长度小于3km，电位都是在可容忍的范围内，可以采取单端接地方式。

如果采用单端接地，考虑到示范工程超导电缆长度为400m左右，屏蔽层的电阻约为：

这样，在感应电流为1000A的时候，非接地端的电压抬升约为：

这个电压抬升是完全可以接受的。

但是，单端接地由于不能形成电流的有效流动，不能很好的形成对超导电缆外磁场的屏蔽。本实施例中双端接地降低了屏蔽层的电压，两端电压由于接地而为零。由于存在电流回路，所以屏蔽层会存在一定的损耗。但是，由于双端接地可以形成电流的回路，使得屏蔽层产生反向电流屏蔽磁场成为可能。

可选地，所述高温超导电缆系统还包括低温杜瓦管，所述低温杜瓦管由内、外两根同轴不锈钢波纹管与内、外两波纹管之间的绝热材料层组成；所述低温杜瓦管采用选用抛光铝箔作为辐射屏，中间使用玻璃丝纤维隔离，每cm绕30层，共绕制40层，并将真空度维持在0.001Pa之下。

具体而言，低温杜瓦管提供稳定的低温环境容器，维持通电导体处于预期超导态，由内、外两根同轴不锈钢波纹管与两管之间的绝热材料层组成。低温杜瓦管是超导电缆系统的主要漏热源，采用真空多层绝热(又称超级绝热)最大限度的降低漏热。选择高反射系数的抛光铝箔作为辐射屏，中间使用玻璃丝纤维隔离，每cm绕30层，共绕制40层，并将真空度维持在0.001Pa之下，低温杜瓦管额定热损耗将小于1.5W/m。杜瓦管采用连续焊接成型检测技术路线。杜瓦管内以20年设计年限安装活性剂吸收逐渐泄露的残余气体。

可选地，所述高温超导电缆系统还包括设置于所述三相同轴超导通电导体两端的终端；所述终端包括低温容器、电流引线和高压套管；所述终端为卧式双层不锈钢结构，最大允许压力1MPa，最低允许温度60K；所述电流引线采用一元不变截面铜引线；所述高压套管采用G10环氧干式电容屏套管。

具体而言，终端是超导电缆与常规电网的接口部件，是超导电缆系统的关键部件。三相超导体、屏蔽层以及信号线均在终端引出，制冷流体液氮在终端完成与制冷系统的接口。三相同轴超导电缆终端内部电磁关系和流体关系相比于其他构型最为复杂。设计采用模块化思想，将终端低温容器、电流引线和高压套管三个功能单元解耦设计。终端总体为卧式双层不锈钢结构，最大允许压力1MPa，最低允许温度60K，设计寿命15年。电流引线采用一元不变截面铜引线，优化后额定热损耗为42.8kW/kA。高压套管采用G10环氧干式电容屏套管。采用TC4或/和G10作为支撑件结构材料，减小热桥导热。提出在低温容器上端接口操作电流引线连接的工艺流程，提高了终端的结构紧凑型。

可选地，所述高温超导电缆系统还包括制冷系统；所述制冷系统采用制冷机制冷的过冷液氮闭式循环作为主要冷源，采用抽空减压系统作为备用冷源；所述制冷机选择12台AL 600型G-M制冷机并联运行模式。

具体而言，制冷系统持续为系统注入冷量，保证超导电缆运行在给定载流水平。为降低成本并充分利用电缆构型特点，采用超导电缆内部“内进外出”的冷却流程。液氮运行允许区间选择为70K-76K，1bar-5bar，最大流量0.8kg/s，最大允许压降3bar。考虑系统的可控性和可靠性，采用制冷机制冷的过冷液氮闭式循环作为主要冷源，采用抽空减压系统作为备用冷源。制冷机选择12台AL 600型G-M制冷机并联运行模式。选用2台冷水机组，单台制冷量可满足12台制冷机冷却需要，为了提高系统可靠性，两台以50％热备用方式运行。制冷系统控制接入超导电缆系统控制系统。

本发明实施例提出一种电力传输系统，其引入高温超导电缆系统进行220kV变电站～110kV变电站之间的电力传输，并提出了对应的电力传输的电气接线方式，以及对高温超导电缆系统提出了针对性的改进，使得高温超导电缆系统能够更好地适应220kV变电站～110kV变电站之间的电力传输。本发明实施例运用能同时实现高效低损耗和大容量电能输送的超导技术升级配网可靠性，将有力地支撑并满足持续快速增长的负荷需求和土地高效利用要求，符合工业发展规划、电网安全运行要求和高新技术发展方向。

需说明的是，电网正常运行时，220kV站间联络线输送功率不大，负载率小；110kV站间闭环设计、开环运行的供电方式，在一定程度上降低了电网设备利用效率。其中，利用超导电缆所具有的大容量、中低压输电、耐受短路电流大、系统允许过载周期长等优势，本实施例中分别用110kV、10kV超导电缆作为220kV和110kV电网的联络线。正常运行情况下，电网维持闭环运行，能输送一定电力，在一定程度上能提高电网设备利用率，并可缓解重载线路的输电压力；事故情况下，能有力的提供电力支援，减少负荷损失，保障电力供应，降低电网风险。

其中，城市可用变电站建设用地极为紧张，寸土寸金。在新建变电站无法落地的中心城区或现有500kV、220kV以及110kV变电站无法扩容的条件下，可考虑从负载较轻的500kV、220kV以及110kV变电站各自对应的220kV、110kV以及10kV母线建设超导线路至同等电压等级负载较重的主变对应母线侧，不通过主变即可实现负荷转移，能有效解决变电站轻载问题，提高电网利用效率。在负荷密度高度集中的工业园、商业中心，可以直接建设超导电缆直供负荷中心，从而省去中间降压变电站及对应等级线路的投资和建设。从而使得本应新建或扩建的500kV、220kV以及110kV变电站可以缓建甚至不建，有效节约电网的投资。

进一步的，由于超导电缆的低压大电流特性，它具备减少电网电压等级，简化电网架构的潜质，对电网的长期发展规划具有重要意义。

此外，参阅图2，图2为同等电压等级下常规电缆和超导电缆的传输容量对比示意图，地下电缆敷设改造成本的很大一部分是与通道开挖建设相关的费用。城市地下各类管网繁多，新建地下工程的敷设空间极为有限。加大敷设深度，尽管可利用的空间增加，但在工程建设成本费用和运行维护上带来更大的困难。超导电缆单位截面传输容量大，可利用既有的电缆线路进行敷设而实现线路增容，避免新建线路所面临的“通道受阻问题”，大大节约线路升级改造时的建设成本和施工成本。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种电力传输系统，其特征在于，包括220kV母线、10kV母线和110kV母线；所述10kV母线包括一段10kV母线、二段10kV母线、三段10kV母线和四段10kV母线；所述一段10kV母线、二段10kV母线和三段10kV母线依次通过断路器连接；所述220kV母线与所述一段10kV母线之间通过第一三绕组变压器连接；所述220kV母线与所述一段10kV母线之间通过第二三绕组变压器连接；所述220kV母线与所述一段10kV母线之间通过第三三绕组变压器连接；所述第一三绕组变压器、第二三绕组变压器和第二三绕组变压器还分别连接对应的负荷；所述三段10kV母线与所述四段10kV母线通过10kV高温超导电缆系统连接；所述四段10kV母线与所述110kV母线通过双绕组变压器连接。

2.根据权利要求1所述的电力传输系统，其特征在于，所述一段10kV母线、二段10kV母线、三段10kV母线和四段10kV母线分别连接对应的10kV负荷。

3.根据权利要求2所述的电力传输系统，其特征在于，所述高温超导电缆系统包括三相同轴超导通电导体，所述三相同轴超导通电导体自内向外依次绕设柔性骨架、电绝缘层、A相超导层、第一电绝缘层、B相超导层、第二电绝缘层、C相超导层、第三电绝缘层、铜屏蔽层、电绝缘层、保护层。

4.根据权利要求3所述的电力传输系统，其特征在于，所述柔性骨架采用不锈钢波纹管，所述A相超导层、B相超导层、C相超导层均为多层，该多层为多根超导带按圆周排列并联组成。

5.根据权利要求3所述的电力传输系统，其特征在于，所述第一电绝缘层、第二电绝缘层、第三电绝缘层采用PPLP材料，所述保护层采用无纺布并做润滑处理。

6.根据权利要求3所述的电力传输系统，其特征在于，所述柔性骨架、电绝缘层、A相超导层、第一电绝缘层、B相超导层、第二电绝缘层、C相超导层、第三电绝缘层、铜屏蔽层、电绝缘层、保护层均按一定的螺旋角绕制。

7.根据权利要求3所述的电力传输系统，其特征在于，所述三相同轴超导通电导体的超导带材采用厚封装带材，并在超导通电导体两端分别安装0.42Ω超导限流器和j0.15Ω常规电抗器。

8.根据权利要求3所述的电力传输系统，其特征在于，所述铜屏蔽层的两端接地。

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