Supravodivé káble ako nová generácia technológie prenosu energie sa stali silným nástrojom na riešenie úzkych miest v napájaní v mestských oblastiach a na podporu zelenej transformácie elektrickej siete vďaka ich nulovému odporu, nízkym stratám a veľkokapacitným charakteristikám. Jeho prevádzka však závisí od prostredia s extrémne nízkou teplotou (približne -196 stupňov) a presných riadiacich systémov, ktoré zahŕňajú viaceré technické výzvy, ako je udržiavanie pri nízkej teplote, ochrana proti zhášaniu a mechanické prispôsobenie. Nižšie rozvedieme kľúčové body a praktické skúsenosti s prevádzkou supravodivých káblov z troch dimenzií: ako stabilizovať hlavné problémy a postupy reakcie, ako štandardizovať proces prevádzky a ako opraviť typické problémy a riešenia v kombinácii so skutočnými prípadmi.
1, Základné problémy a praktické riešenia prevádzky supravodivých káblov
(1) Údržba prostredia pri nízkej teplote: stabilita systému kvapalného dusíka je „životným lanom“ prevádzky
Supravodivé materiály vyžadujú prostredie kvapalného dusíka (-196 stupňov), aby vykazovali nulové odporové charakteristiky, preto je prvoradou úlohou udržiavať prostredie s nízkou teplotou. Hlavné výzvy spočívajú v kontrole úniku tepla v cirkulačnom systéme tekutého dusíka (prenikanie tepla z prostredia môže spôsobiť odparovanie tekutého dusíka, narúšanie podmienok pri nízkych teplotách), efektívnej prevádzke chladiacej jednotky (vyžaduje neustále dopĺňanie chladiacej kapacity) a dynamickej rovnováhe tlaku a prietoku v systéme.
Zaobchádzanie s praxou:
1. Viacvrstvový izolačný dizajn: Telo kábla je zabalené v dvojvrstvovej ohybnej vákuovej izolačnej trubici na zníženie vonkajšieho prenikania tepla (ako je dizajn izolačnej trubice demonštračného projektu v Šanghaji 35 kV, ktorý má iba 1/10 tepelných strát v porovnaní s tradičnými káblami);
2. Paralelný chladiaci systém s viacerými strojmi: Viaceré chladiace jednotky sú nakonfigurované na paralelný chod a počet jednotiek, ktoré sa majú zapnúť, sa dynamicky upravuje podľa požiadaviek na chladiacu kapacitu (projekt Shenzhen 10 kV využíva domáce chladiace jednotky GM s veľkou chladiacou kapacitou na vyriešenie problému efektívnej výmeny tepla v malých priestoroch);
3. Monitorovanie v reálnom čase a redundantné zálohovanie: Senzory teploty, tlaku a prietoku sú rozmiestnené v kľúčových uzloch káblových vstupov, výstupov a chladiacich jednotiek (v Šanghaji je zriadených 9 pracovných studní, z ktorých každá je vybavená zariadením na monitorovanie tekutého dusíka). Po zistení abnormalít (ako je teplota presahujúca ± 2 stupne) sa okamžite spustí záložná chladiaca jednotka, aby sa zabezpečilo stabilné prostredie s nízkou teplotou.
(2) Ochrana proti prepätiu: technologický skok od „vypnutia pasívneho napájania-k „aktívnej vlastnej obnove“
Prehrievanie (fenomén náhleho obnovenia odporu supravodivých materiálov v dôsledku prekročenia kritických hodnôt teploty, prúdu alebo magnetického poľa) je najzávažnejšou prevádzkovou poruchou supravodivých káblov, ktorá môže viesť k lokálnemu prehriatiu, poškodeniu izolácie až vyhoreniu zariadenia. Tradičné metódy ochrany sa spoliehajú na rýchle výpadky napájania, ale môžu viesť k výpadkom prúdu a ovplyvniť používateľskú skúsenosť.
Zaobchádzanie s praxou:
1. Monitorovanie fúzie s viacerými parametrami: Zber údajov o teplote, prúde a napätí káblov v reálnom čase prostredníctvom merania teploty z optických vlákien, snímačov prúdu a napäťových transformátorov (projekt Shenzhen nasadil zariadenia na meranie vibrácií z optických vlákien pozdĺž 400 metrového káblového vedenia, aby sa dosiahlo snímanie teploty na milimetrovej úrovni);
2. Inteligentné zariadenie na ochranu pred ochladzovaním: Vyvinuté integrované zariadenie na „samoobnovu zhášania“. Keď sa zistí náhle zvýšenie odporu (napríklad prekročenie 0,1 m Ω), zariadenie preruší poruchový prúd do 10 milisekúnd a rýchlo sa ochladí cez chladiaci systém, čo umožní supravodivému materiálu opäť vstúpiť do supravodivého stavu (ochranné zariadenie Shanghai Engineering dosiahlo samoobnovenie po 3 cykloch zhášania bez ovplyvnenia napájania používateľa);
3. Návrh elektromagnetickej kruhovej siete: Zostavte redundantné napájacie cesty na strane siete a udržujte napájanie prostredníctvom prepínania kruhovej siete počas výpadkov napájania (projekt Shenzhen je pripojený k duálnej kruhovej sieti napájania v centrálnej štvrti Futian a rýchlosť prenosu záťaže počas výpadkov elektriny dosahuje 100 %).
(3) Prispôsobenie mechanického výkonu: „Výzva flexibility“ pri inštalácii a prevádzke
Supravodivé káble pozostávajú z viacerých vrstiev, ako sú supravodivé pásky (hrúbka iba 0,4 milimetra), vyrovnávacie vrstvy a ochranné vrstvy a ich mechanická pevnosť je oveľa nižšia ako u tradičných medených káblov. Nadmerná ťažná sila, malý polomer ohybu alebo vibrácie počas inštalácie môžu spôsobiť zlomenie pásu alebo delamináciu medzivrstvy.
Zaobchádzanie s praxou:
1. Prispôsobený proces kladenia: Určte kľúčové parametre prostredníctvom simulačných experimentov v pomere 1:1 (ako napríklad Shanghai Engineering reprodukujúce komplexné prostredie centrálnej mestskej oblasti v meste Wujiing, okres Minhang, meranie maximálnej prípustnej trakčnej sily supravodivého kábla, ktorá má byť 8 kN a minimálny polomer ohybu má byť 1,5 metra);
2. Špecializované zariadenia na kladenie: výskum a vývoj zariadení na kladenie malých uhlov a zariadení na pokladanie veľkých kvapiek (napríklad projekt Shenzhen využívajúci procesy „horného potrubia na bilanciu bahennej vody“ a „obtok s veľkým uhlom“ na vyriešenie problému úzkych podzemných potrubných galérií v starých mestských oblastiach);
3. Dynamické monitorovanie namáhania: Monitorovanie napätia kábla v reálnom čase počas procesu kladenia (v projekte Shenzhen sa používajú snímače vláknových mriežok Bragg a automatické alarmy sa spúšťajú, keď odchýlka napätia prekročí ± 5%) a monitorovanie vibrácií pomocou inteligentných uzemňovacích kolíkov počas prevádzky (snímače vibrácií sú nainštalované vo všetkých 9 pracovných studniach projektu v Šanghaji a opatrenia na tlmenie vibrácií sú aktivované, keď sú aktivované opatrenia na absorpciu otrasov 10 Hz).
(4) Izolácia a tepelný manažment: Dvojitý test „nízka teplota + vysoké napätie“
Supravodivé káble fungujú v prostredí kvapalného dusíka (-196 stupňov) a musia odolať napätiu 35 kV alebo dokonca vyšším. Izolačný materiál musí mať húževnatosť pri nízkych-teplotách a odolnosť voči vysokému napätiu. Okrem toho môžu káblové koncovky (rozhrania pripojené ku konvenčnej elektrickej sieti) zaznamenať lokálne vysoké teploty v dôsledku úniku tepla, čo môže ovplyvniť izolačný výkon.
Zaobchádzanie s praxou:
1. Konštrukcia kompozitnej izolácie: použitie kompozitnej izolačnej štruktúry z pevných izolačných materiálov (ako je epoxidová živica) a tekutého dusíka (hrúbka izolačnej vrstvy 35kV káblov Shanghai je len 20 mm a korónový odpor je dvojnásobný v porovnaní s tradičnými káblami);
2. Optimalizácia izolácie svoriek: Koncovka využíva vákuovú viacvrstvovú izolačnú štruktúru (miera úniku tepla v projekte Shenzhen je menšia ako 0,5 W/m, čo je o 30 % menej ako medzinárodná norma) a na rozhraní je vyplnené lepidlom pri nízkej teplote, aby sa predišlo izolačným medzerám spôsobeným odparovaním tekutého dusíka;
3. Pravidelné testovanie izolácie: Pomocou megohmetra zmerajte každý štvrťrok hlavný izolačný odpor (s požiadavkou 1000 M Ω alebo väčšou) a vykonajte ročné testovanie dielektrickej straty (troj-fázový faktor dielektrickej straty spoločnosti Shanghai Engineering je všetko<0.5%, far below the warning value of 1%).
2, Štandardizovaný prevádzkový proces supravodivých káblov
Prevádzka supravodivých káblov sa musí prísne riadiť štvorstupňovým procesom „prevádzka a údržba pripojenia k sieti pred chladením“ a kľúčové parametre sa musia zaznamenávať v každom kroku, aby sa zabezpečila sledovateľnosť.
(1) Fáza predchladenia: postupné ochladzovanie z izbovej teploty na -196 stupňov
Predchladenie je kritickým krokom pri spustení prevádzky a je potrebné vyhnúť sa poškodeniu tepelným napätím spôsobenému rýchlym ochladením (ako je prasknutie supravodivej pásky alebo oddelenie spoja). Konkrétny proces je nasledovný:
1. Vyprázdnenie systému: Pomocou vákuového čerpadla odsajte vnútorné potrubie kábla na stupeň vákua 1 × 10 ⁻ ³ Pa, odstráňte nečistoty (ako je vlhkosť a vzduch) a zabráňte upchatiu potrubia pri nízkych teplotách;
2. Prefukovanie dusíkom: Pomaly prefukujte potrubie dusíkom pri izbovej teplote (prietok menší alebo rovný 5 m³/h), aby ste ďalej odstránili zvyškové nečistoty;
3. Predchladenie tekutým dusíkom: Vstreknite tekutý dusík rýchlosťou 0,5 stupňa/min a postupne znižujte teplotu kábla (čas predchladenia pre projekt v Šanghaji je 48 hodín a konečná teplota sa stabilizuje na -196 stupňov ± 2 stupne).
(2) Prietokový test: praktické cvičenie na overenie menovitého prúdu
Po dokončení predchladenia je potrebné overiť prúdovú zaťažiteľnosť kábla pomocou testu prúdovej únosnosti. Experiment používa „súčasnú metódu superpozície“:
1. Trojfázový skrat na konci kábla, na začiatku pripojte regulátor napätia a postupne zvyšujte prúd (od 10% menovitého prúdu, zvýšenie o 10% každých 30 minút);
2. Monitorujte napäťové a prúdové fázy každej fázy (s požadovaným fázovým rozdielom menším alebo rovným 5 stupňov), ako aj teplotu (s výstupnou teplotou kvapalného dusíka menším alebo rovným -190 stupňov C);
Keď prúd dosiahne menovitú hodnotu (ako je menovitý prúd 2160A pre 35kV kábel v Šanghaji) a stabilizuje sa na 24 hodín, test je kvalifikovaný.
(3) Prevádzka pripojená k sieti: 24/7 záruka „monitorovania online + inteligentnej prevádzky a údržby“
Po pripojení k sieti je potrebné v reálnom čase-monitorovať nasledujúce parametre prostredníctvom online monitorovacej platformy:
1. Systém kvapalného dusíka: vstupný tlak (0,3-0,5MPa), výstupná teplota (-196 stupňov ± 2 stupne), prietok (10-15L/min);
2. Elektrické parametre: prúd (menovitá alebo menšia hodnota), napätie (± 5 % menovitého napätia), dielektrické straty (menovité alebo rovné 1 %);
3. Parametre prostredia: teplota a vlhkosť prevádzky (teplota menšia alebo rovná 30 stupňom, vlhkosť menšia alebo rovná 70 %), vibrácie ( menšia alebo rovná 5 Hz).
Prevádzkový a údržbársky tím používa režim „troj{0}}rozmernej kontroly + centralizovaného monitorovania“: denná manuálna kontrola pracoviska (kontrola, či je izolačná rúrka zamrznutá a či chladiaci stroj nepracuje abnormálne), týždenná analýza online monitorovacích údajov (ak prietok tekutého dusíka kolíše o viac ako ± 10 %, upchatie potrubia je potrebné kontrolovať, teplotu je potrebné kontrolovať menej ako 10 stupňom alebo teplotu -80 stupňov mesačne) normálne).
(4) Pravidelná údržba: preventívna údržba „hodnotenie stavu + výmena komponentov“
Každý rok prevádzky je potrebná komplexná údržba:
1. Hodnotenie izolačného výkonu: Zmerajte hlavný izolačný odpor (Väčší alebo rovný 1000M Ω) a dielektrický stratový faktor (Menej alebo rovný 0,5%);
2. Kontrola mechanického výkonu: Skontrolujte, či sa v supravodivej páske nenachádzajú praskliny prostredníctvom röntgenovej kontroly (počas 3-ročnej prevádzky projektu v Šanghaji sa nezistilo žiadne poškodenie pásky);
3. Údržba chladiaceho systému: vymeňte chladiaci olej, vyčistite výmenník tepla (cyklus údržby chladiaceho stroja v projekte Shenzhen je 2000 hodín).
3, Možné problémy a protiopatrenia počas prevádzky
Napriek nepretržitej technologickej optimalizácii môže prevádzka supravodivých káblov stále zaznamenať poruchy v dôsledku zmien prostredia, starnutia zariadenia alebo prevádzkových chýb a je potrebné vyvinúť cielené stratégie odozvy.
(1) Problem 1: Abnormal increase in liquid nitrogen temperature (such as outlet temperature>-190 stupňov)
Príčiny: Únik tepla z izolačnej trubice (napríklad poškodenie vákuovej vrstvy), porucha chladiaceho zariadenia (napríklad opotrebovanie kompresora) a zablokovanie čerpadla kvapalného dusíka (nahromadenie nečistôt).
odpoveď:
1. Okamžite skontrolujte vzhľad izolačného potrubia (oblasti mrazu môžu byť miestami netesnosti), použite vákuomer na meranie stupňa vákua izolačnej vrstvy (<1 × 10 ⁻ ² Pa is normal), and if the leakage point is small, seal it with low-temperature glue; If the leakage point is large, replace the insulation pipe;
2. Prepnite na záložnú chladiacu jednotku (projekt v Šanghaji je vybavený 2 hlavnými chladiacimi jednotkami a 1 záložnou jednotkou, s dobou spínania menej ako 5 minút);
3. Vypnite čerpadlo tekutého dusíka a prefúknite potrubie plynným dusíkom (tlak 0,2 MPa), aby ste odstránili nečistoty (projekt Shenzhen bol kedysi zablokovaný medenými hoblinami, ktoré zostali počas výstavby, ale po spätnom prefúknutí sa potrubie vrátilo do normálu).
(2) Problem 2: Overload triggering (sudden increase in resistance>0.1m Ω)
Dôvody: Nadprúd (ako náhle zvýšenie zaťaženia užívateľa), lokálne prehriatie (zlý kontakt zváracích bodov pásu), rušenie magnetického poľa (v blízkosti veľkých motorov).
odpoveď:
1. Ochranné zariadenie sa automaticky vypne (čas vypnutia projektu Shenzhen<10ms), cutting off the fault current;
2. Skontrolujte aktuálny záznam (ak dôjde k náhlemu zvýšeniu záťaže, kontaktujte používateľa, aby upravil plán elektrickej energie; ak je problém s bodom zvárania, znova zvarte a otestujte odpor);
3. Spustite chladiacu jednotku, aby sa urýchlil proces chladenia (cieľová teplota -196 stupňov ), a znovu sa pripojte k sieti po tom, čo sa odpor vráti na 0 (šanghajské inžinierstvo raz spustilo výpadok prúdu v dôsledku náhleho zvýšenia záťaže, čo automaticky obnovilo napájanie po 30 minútach).
(3) Problém 3: Zlomenie káblového pásu po položení (napríklad izolačný odpor<100M Ω)
Dôvod: Nadmerná ťažná sila (nad 8 kN), malý polomer ohybu (<1.5 meters), and high lateral pressure (>5 kN/m).
odpoveď:
1. Okamžite zastavte kladenie a použite optické vlákno na zistenie miesta zlomu (presnosť ± 1 meter);
2. Odrežte zlomenú časť, nahraďte náhradný pásik (rovnakým modelom ako pôvodný pás), znova zvarte a vykonajte izolačnú úpravu (projekt Shenzhen kedysi spôsobil zlomenie pásu v dôsledku malého polomeru ohybu a náhrada prešla testom);
3. Upravte parametre kladenia (ako je zníženie rýchlosti ťahu na 0,5 m/min a zväčšenie priemeru ohýbacieho vodiaceho kolesa).
