Kable nadprzewodzące, jako nowa generacja technologii przesyłu mocy, stały się potężnym narzędziem do rozwiązywania wąskich gardeł w dostawach energii w głównych obszarach miejskich i promowania ekologicznej transformacji sieci elektroenergetycznej ze względu na ich zerową rezystancję, niskie straty i dużą wydajność. Jednakże jego działanie opiera się na środowiskach o ekstremalnie niskiej temperaturze (około -196 stopni) i precyzyjnych systemach sterowania, co wiąże się z wieloma wyzwaniami technicznymi, takimi jak utrzymanie niskiej temperatury, ochrona przed hartowaniem i adaptacja mechaniczna. Poniżej omówimy kluczowe punkty i praktyczne doświadczenia związane z eksploatacją kabli nadprzewodzących w trzech wymiarach: jak ustabilizować podstawowe problemy i praktyki reagowania, jak ujednolicić proces eksploatacji oraz jak naprawić typowe problemy i rozwiązania w połączeniu z rzeczywistymi przypadkami.
1, Podstawowe zagadnienia i praktyczne rozwiązania eksploatacji kabli nadprzewodzących
(1) Utrzymanie środowiska w niskiej temperaturze: stabilność układu ciekłego azotu jest „linią ratunkową” działania
Materiały nadprzewodzące wymagają środowiska ciekłego azotu (-196 stopni), aby wykazywały zerową rezystancję, dlatego głównym zadaniem jest utrzymanie środowiska o niskiej temperaturze. Podstawowe wyzwania polegają na kontroli wycieków ciepła w układzie cyrkulacji ciekłego azotu (wtargnięcie ciepła z otoczenia może spowodować odparowanie ciekłego azotu, zakłócając warunki niskotemperaturowe), wydajnej pracy jednostki chłodniczej (wymagającej ciągłego uzupełniania wydajności chłodniczej) oraz dynamicznej równowadze ciśnienia w układzie i natężenia przepływu.
Radzenie sobie z praktyką:
1. Wielowarstwowa konstrukcja izolacji: korpus kabla jest owinięty dwuwarstwową-elastyczną próżniową rurką izolacyjną w celu ograniczenia przenikania ciepła z zewnątrz (np. konstrukcja rurki izolacyjnej w projekcie demonstracyjnym 35 kV w Szanghaju, która powoduje tylko 1/10 strat ciepła w porównaniu z tradycyjnymi kablami);
2. Równoległy system chłodniczy obejmujący wiele maszyn: Wiele jednostek chłodniczych skonfigurowano do pracy równoległej, a liczba włączanych jednostek jest dynamicznie dostosowywana w zależności od wymagań dotyczących wydajności chłodniczej (w projekcie Shenzhen 10 kV wykorzystuje się produkowane w kraju jednostki chłodnicze GM o dużej wydajności chłodniczej, aby rozwiązać problem efektywnej wymiany ciepła w małych przestrzeniach);
3. Monitorowanie w czasie rzeczywistym i nadmiarowe kopie zapasowe: Czujniki temperatury, ciśnienia i przepływu są rozmieszczone w kluczowych węzłach wejść i wyjść kablowych oraz w urządzeniach chłodniczych (w Szanghaju znajduje się 9 studni roboczych, każdy wyposażony w sprzęt do monitorowania ciekłego azotu). Po wykryciu nieprawidłowości (takich jak temperatura przekraczająca ± 2 stopnie) natychmiast uruchamiany jest zapasowy agregat chłodniczy, aby zapewnić stabilne środowisko o niskiej-temperaturze.
(2) Ochrona przeciwprzepięciowa: skok technologiczny od „-wyłączenia zasilania pasywnego” do „aktywnego samodzielnego odzyskiwania”
Przegrzanie (zjawisko nagłego przywracania przez materiały nadprzewodzące rezystancji pod wpływem temperatury, prądu lub pola magnetycznego przekraczającego wartości krytyczne) jest najpoważniejszą awarią eksploatacyjną kabli nadprzewodzących, która może skutkować miejscowym przegrzaniem, uszkodzeniem izolacji, a nawet spaleniem sprzętu. Tradycyjne metody ochrony polegają na szybkich przerwach w dostawie prądu, ale mogą prowadzić do przerw w dostawie prądu i wpływać na wygodę użytkownika.
Radzenie sobie z praktyką:
1. Monitorowanie wieloparametrowego zgrzewania: Gromadzenie w czasie rzeczywistym danych o temperaturze, prądzie i napięciu kabla za pomocą światłowodowych pomiarów temperatury, czujników prądu i przekładników napięciowych (w ramach projektu Shenzhen wdrożono światłowodowe urządzenia do pomiaru wibracji wzdłuż 400-metrowej linii kablowej, aby uzyskać wykrywanie temperatury na poziomie milimetra);
2. Inteligentne urządzenie zabezpieczające przed hartowaniem: Opracowano zintegrowane urządzenie do „samoczynnego przywracania stanu awaryjnego po wyłączeniu gaszenia”. W przypadku wykrycia nagłego wzrostu rezystancji (takiego jak przekroczenie 0,1 m Ω) urządzenie odcina prąd zwarciowy w ciągu 10 milisekund i szybko schładza się w układzie chłodniczym, umożliwiając ponowne wejście materiału nadprzewodzącego w stan nadprzewodzący (urządzenie zabezpieczające firmy Shanghai Engineering osiągnęło samoczynną regenerację po 3 cyklach hartowania bez wpływu na zasilanie użytkownika);
3. Projekt sieci pierścienia elektromagnetycznego: Zbuduj redundantne ścieżki zasilania po stronie sieci i utrzymuj zasilanie poprzez przełączanie sieci pierścieniowej podczas przerw w dostawie prądu (projekt Shenzhen jest podłączony do sieci pierścienia podwójnego zasilania w dzielnicy centralnej Futian, a współczynnik przenoszenia obciążenia podczas przerw w dostawie prądu osiąga 100%).
(3) Dostosowanie parametrów mechanicznych: „Wyzwanie dotyczące elastyczności” w instalacji i obsłudze
Kable nadprzewodzące składają się z wielu warstw, takich jak taśmy nadprzewodzące (o grubości zaledwie 0,4 milimetra), warstwy buforowe i warstwy ochronne, a ich wytrzymałość mechaniczna jest znacznie niższa niż w przypadku tradycyjnych kabli miedzianych. Nadmierna siła uciągu, mały promień zgięcia lub wibracje podczas montażu mogą powodować pękanie taśmy lub rozwarstwianie się międzywarstw.
Radzenie sobie z praktyką:
1. Indywidualny proces układania: określenie kluczowych parametrów za pomocą eksperymentów symulacyjnych 1:1 (takich jak Shanghai Engineering odtwarzający złożone środowisko centralnego obszaru miejskiego w mieście Wujing w dystrykcie Minhang, mierzący maksymalną dopuszczalną siłę uciągu kabla nadprzewodzącego na 8 kN i minimalny promień zgięcia na 1,5 metra);
2. Specjalistyczny sprzęt do układania: badania i rozwój sprzętu do układania zrzutów o małych i dużych kątach (takiego jak projekt Shenzhen wykorzystujący procesy „górnej rury równoważącej błoto” i „obejście o dużym kącie” w celu rozwiązania problemu wąskich podziemnych chodników rurowych w starych obszarach miejskich);
3. Dynamiczne monitorowanie naprężeń: Monitorowanie naprężenia kabla w czasie rzeczywistym podczas układania (w projekcie Shenzhen zastosowano światłowodowe czujniki kraty Bragga i uruchamiane są automatyczne alarmy, gdy odchylenie naprężenia przekracza ± 5%) oraz monitorowanie drgań poprzez inteligentne kołki uziemiające podczas pracy (czujniki drgań są zainstalowane we wszystkich 9 studniach roboczych projektu w Szanghaju, a środki amortyzujące są aktywowane, gdy częstotliwość wibracji przekracza 10 Hz).
(4) Izolacja i zarządzanie temperaturą: podwójny test „niska temperatura + wysokie napięcie”
Kable nadprzewodzące działają w środowisku ciekłego azotu (-196 stopni) i muszą wytrzymywać napięcia 35 kV lub nawet wyższe. Materiał izolacyjny musi charakteryzować się wytrzymałością-w niskich temperaturach i odpornością na wysokie napięcie. Ponadto końcówki kablowe (interfejsy podłączone do konwencjonalnej sieci energetycznej) mogą podlegać miejscowym wysokim temperaturom z powodu wycieków ciepła, co może mieć wpływ na wydajność izolacji.
Radzenie sobie z praktyką:
1. Projekt izolacji kompozytowej: zastosowanie kompozytowej struktury izolacyjnej ze stałych materiałów izolacyjnych (takich jak żywica epoksydowa) i ciekłego azotu (grubość warstwy izolacyjnej kabli Shanghai 35 kV wynosi tylko 20 mm, a odporność na wyładowania koronowe jest dwukrotnie większa niż w przypadku tradycyjnych kabli);
2. Optymalizacja izolacji terminala: w terminalu zastosowano próżniową, wielowarstwową-strukturę izolacyjną (wskaźnik wycieku ciepła na terminalu w projekcie Shenzhen wynosi mniej niż 0,5 W/m, czyli o 30% mniej niż w standardzie międzynarodowym), a na styku wypełniony jest niskotemperaturowy-klej, aby zapobiec szczelinom izolacyjnym spowodowanym odparowaniem ciekłego azotu;
3. Regularne testowanie izolacji: Użyj megaomomierza do pomiaru głównej rezystancji izolacji co kwartał (przy wymaganiu większym lub równym 1000 M Ω) i przeprowadzaj coroczne testy strat dielektrycznych (trój-trójfazowy współczynnik strat dielektrycznych firmy Shanghai Engineering to<0.5%, far below the warning value of 1%).
2, Znormalizowany proces działania kabli nadprzewodzących
Działanie kabli nadprzewodzących musi ściśle przestrzegać czteroetapowego procesu „obsługi i konserwacji podłączenia do sieci testowej wstępnego chłodzenia”, a na każdym etapie należy rejestrować kluczowe parametry, aby zapewnić identyfikowalność.
(1) Etap wstępnego chłodzenia: stopniowe chłodzenie od temperatury pokojowej do -196 stopni
Wstępne chłodzenie jest krytycznym etapem rozruchu i konieczne jest uniknięcie uszkodzeń na skutek naprężeń termicznych spowodowanych szybkim chłodzeniem (takich jak pęknięcie taśmy nadprzewodzącej lub oderwanie złącza). Konkretny proces wygląda następująco:
1. Opróżnianie systemu: Za pomocą pompy próżniowej opróżnić wewnętrzny rurociąg kabla do stopnia próżni 1 × 10 ⁻ ³ Pa, usunąć zanieczyszczenia (takie jak wilgoć i powietrze) oraz zapobiec blokowaniu rurociągu w niskich temperaturach;
2. Wdmuchiwanie azotu: Powoli przedmuchaj rurociąg azotem o temperaturze pokojowej (natężenie przepływu mniejsze lub równe 5 m 3/h), aby dokładniej usunąć resztkowe zanieczyszczenia;
3. Wstępne chłodzenie ciekłym azotem: Wstrzykiwać ciekły azot z szybkością 0,5 stopnia/min i stopniowo zmniejszać temperaturę kabla (czas wstępnego chłodzenia w przypadku projektu w Szanghaju wynosi 48 godzin, a temperatura końcowa stabilizuje się na poziomie -196 stopni ± 2 stopnie).
(2) Próba przepływu: ćwiczenie praktyczne mające na celu sprawdzenie obciążalności prądem znamionowym
Po zakończeniu wstępnego schładzania należy sprawdzić obciążalność prądową kabla za pomocą testu obciążalności prądowej. W eksperymencie zastosowano „bieżącą metodę superpozycji”:
1. Zwarcie trójfazowe na końcu kabla, na początku podłączyć regulator napięcia i stopniowo zwiększać prąd (od 10% prądu znamionowego, zwiększając o 10% co 30 minut);
2. Monitoruj fazy napięcia i prądu w każdej fazie (przy wymaganej różnicy faz mniejszej lub równej 5 stopni), a także temperaturę (przy temperaturze wylotowej ciekłego azotu mniejszej lub równej -190 stopni C);
Kiedy prąd osiągnie wartość znamionową (np. prąd znamionowy 2160 A dla kabla 35 kV w Szanghaju) i ustabilizuje się przez 24 godziny, test zostaje zakwalifikowany.
(3) Praca podłączona do sieci: całodobowa gwarancja „monitorowania online + inteligentnej obsługi i konserwacji”
Po podłączeniu do sieci następujące parametry muszą być monitorowane-w czasie rzeczywistym za pośrednictwem platformy monitorowania online:
1. Układ ciekłego azotu: ciśnienie wlotowe (0,3-0,5 MPa), temperatura wylotowa (-196 stopni ± 2 stopnie), natężenie przepływu (10-15 l/min);
2. Parametry elektryczne: prąd (mniejszy lub równy wartości znamionowej), napięcie (± 5% napięcia znamionowego), strata dielektryczna (mniejsza lub równa 1%);
3. Parametry środowiskowe: dobrze działająca temperatura i wilgotność (temperatura mniejsza lub równa 30 stopni, wilgotność mniejsza lub równa 70%), wibracje (mniejsze lub równe 5 Hz).
Zespół operacyjny i konserwacyjny stosuje tryb „-trójwymiarowej kontroli + scentralizowanego monitorowania”: codzienna ręczna inspekcja studni (sprawdzanie, czy rura izolacyjna nie jest oszroniona i czy maszyna chłodnicza działa nieprawidłowo), cotygodniowa analiza danych z monitoringu online (jeśli przepływ ciekłego azotu waha się o więcej niż ± 10%, należy sprawdzić niedrożność rurociągu) i miesięczny pomiar temperatury w podczerwieni (temperatura końcowa jest normalna lub równa -180 stopni).
(4) Regularna konserwacja: konserwacja zapobiegawcza „ocena stanu + wymiana podzespołów”
W każdym roku eksploatacji wymagana jest kompleksowa konserwacja:
1. Ocena wydajności izolacji: Zmierz rezystancję głównej izolacji (większą lub równą 1000M Ω) i współczynnik strat dielektrycznych (mniejszy lub równy 0,5%);
2. Kontrola wydajności mechanicznej: Sprawdź, czy na taśmie nadprzewodzącej nie występują pęknięcia, za pomocą-kontroli rentgenowskiej (w trakcie 3-letniej eksploatacji projektu w Szanghaju nie stwierdzono żadnych uszkodzeń taśmy).
3. Konserwacja układu chłodniczego: wymiana oleju chłodniczego, oczyszczenie wymiennika ciepła (cykl konserwacji maszyny chłodniczej w projekcie Shenzhen wynosi 2000 godzin).
3, Możliwe problemy i środki zaradcze podczas pracy
Pomimo ciągłej optymalizacji technologicznej w działaniu kabli nadprzewodzących mogą nadal występować awarie spowodowane zmianami środowiskowymi, starzeniem się sprzętu lub błędami operacyjnymi, w związku z czym należy opracować ukierunkowane strategie reagowania.
(1) Problem 1: Abnormal increase in liquid nitrogen temperature (such as outlet temperature>-190 stopni)
Przyczyny: Wyciek ciepła z rury izolacyjnej (np. uszkodzenie warstwy próżniowej), awaria urządzenia chłodniczego (np. zużycie sprężarki) i zablokowanie pompy ciekłego azotu (nagromadzenie zanieczyszczeń).
odpowiedź:
1. Niezwłocznie sprawdzić wygląd rury izolacyjnej (obszary przemrożone mogą być punktami nieszczelności), za pomocą wakuometru zmierzyć stopień podciśnienia warstwy izolacyjnej (<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. Przejście na rezerwowy agregat chłodniczy (projekt w Szanghaju wyposażony jest w 2 główne agregaty chłodnicze i 1 rezerwowy agregat chłodniczy, z czasem przełączania krótszym niż 5 minut);
3. Wyłączyć pompę ciekłego azotu i przedmuchać rurociąg azotem (ciśnienie 0,2 MPa) w celu usunięcia zanieczyszczeń (projekt w Shenzhen został kiedyś zablokowany przez opiłki miedzi pozostawione podczas budowy, ale po przedmuchaniu rurociąg został przywrócony do normalnego stanu).
(2) Problem 2: Overload triggering (sudden increase in resistance>0.1m Ω)
Przyczyny: Przetężenie (np. nagły wzrost obciążenia użytkownika), lokalne przegrzanie (słaby kontakt punktów zgrzewania taśmy), zakłócenia pola magnetycznego (w pobliżu dużych silników).
odpowiedź:
1. Urządzenie zabezpieczające wyłącza się automatycznie (czas zadziałania projektu Shenzhen<10ms), cutting off the fault current;
2. Sprawdź aktualny zapis (w przypadku nagłego wzrostu obciążenia skontaktuj się z użytkownikiem w celu dostosowania planu prądu; jeśli wystąpi problem z punktem zgrzewania, zespawaj ponownie i sprawdź rezystancję);
3. Uruchom agregat chłodniczy, aby przyspieszyć proces chłodzenia (temperatura docelowa -196 stopni) i ponownie podłącz do sieci, gdy rezystancja powróci do 0 (inżynieria szanghajska spowodowała kiedyś przerwę w dostawie prądu z powodu nagłego wzrostu obciążenia, która automatycznie przywróciła zasilanie po 30 minutach).
(3) Problem 3: Pęknięcie taśmy kablowej po ułożeniu (np. rezystancja izolacji<100M Ω)
Powód: Nadmierna siła uciągu (ponad 8kN), mały promień zgięcia (<1.5 meters), and high lateral pressure (>5kN/m).
odpowiedź:
1. Natychmiast przerwać układanie i za pomocą światłowodu wykryć miejsce pęknięcia (dokładność ± 1 metr);
2. Odetnij uszkodzony odcinek, wymień pasek zapasowy (na ten sam model co pasek oryginalny), zespawaj ponownie i wykonaj obróbkę izolacyjną (w projekcie Shenzhen raz doszło do pęknięcia paska ze względu na mały promień zgięcia, a zamiennik przeszedł test);
3. Dostosuj parametry układania (np. zmniejszenie prędkości trakcji do 0,5 m/min i zwiększenie średnicy koła prowadzącego gięcia).
