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由于超导电缆运行环境的限制，超导电缆运行系统除了由电缆和电缆附件组成的电缆系统外，还需要有维持电缆低温环境的冷却循环系统，并对电缆系统和冷却循环系统运行参数进行监控，确保电缆系统运行稳定的监控系统。常见的超导电缆运行系统如图1-11所示。
图1-11 超导电缆运行系统构成示意图
超导电缆系统与传统电缆系统组成基本一致，主要都是由电缆和电缆附件（终端、接头）组成的。差别在于由于超导电缆内部有流动的液氮，所以需要设置温度、压力等的传感器，而且需要设置安全阀、爆破阀等安全装置。也因为内部的液氮环境，超导电缆系统不适用于高落差线路。高落差容易导致局部压力过大或过小。压力过大会给绝热套耐压性能带来挑战；压力过小会导致液氮饱和温度点降低，威胁电气安全，过小的压力甚至会导致液氮汽化，无法维持循环。
冷却循环系统一般由制冷机、液氮泵、液氮储罐和其他辅助系统等部分组成。其基本原理是利用过冷液氮的显热，将运行过程中产生的热负荷带到冷却装置，通过制冷机冷却后再送入电缆冷却通道中，形成循环回路，维持超导电缆运行所需的环境。
制冷系统对超导电缆的安全运行至关重要，是超导电缆稳定运行的必要条件。其中制冷机是整个运行系统的冷量来源，同时也是系统的主要耗能设备。按照理想的卡诺循环，制冷机在室温下转移到运行系统热负荷的功率损耗可用以下公式计算：
式中 P r ——制冷机功率；
P e ——系统热负荷；
T 0 ——制冷机所处环境温度；
T ——制冷温度。
假设环境温度 T 0 =30℃（303K），制冷温度，即液氮温度 T =77K，则 P r =2.9 P e ，即制冷机消耗能量为系统热负荷的2.9倍。然而现有制冷机效率离理想卡诺效率还有很大的距离。对于大型制冷机，其效率可达到理想效率的20%～30%。目前用于超导电缆工程的大型制冷机主要有斯特林制冷机和逆布雷顿制冷机两种类型。总体上，斯特林制冷机效率优于逆布雷顿制冷机，而逆布雷顿制冷机在大冷量和维护周期方面优于斯特林制冷机。
由于超导电缆运行于密闭且较稳定的超低温环境，所以其电气性能比传统电缆更可靠。根据现有工程经验，绝大多数超导运行系统的故障主要源自冷却循环系统。首先，制冷系统包含的设备种类较多，各类型接口也较多，故障风险高；其次，冷却循环系统存在较多运动部件，存在磨损和性能衰减等问题；再次，环境温度、运行负荷等因季节的周期性，以及每日用电负荷和环境温度的周期性存在较大波动，也对制冷系统的稳定运行带来了一定的挑战。基于以上原因，为确保制冷系统的可靠运行，超导电缆工程必须配有监控系统。监控系统通过实时监测冷却循环系统和电缆系统的各项运行数据，包括制冷机、液氮泵等关键设备的运行参数和系统各关键节点的温度、压力、流量等运行数据，进而实时评估冷却循环系统的运行状态，并及时进行调整或启用备用设备，以确保整个运行系统的性能安全稳定。监控系统一般包括现场层、控制层和管理层三个层次，现场层负责实时采集数据，控制层负责执行控制指令，管理层负责规定相关运行策略。