Свръхпроводящите кабели, като ново поколение технология за пренос на електроенергия, се превърнаха в мощен инструмент за решаване на тесни места в електрозахранването в централните градски райони и насърчаване на зелена трансформация на електрическата мрежа поради тяхното нулево съпротивление, ниски загуби и характеристики с голям капацитет. Работата му обаче разчита на среда с екстремни ниски температури (около -196 градуса) и системи за прецизен контрол, включващи множество технически предизвикателства, като поддържане на ниска температура, защита срещу охлаждане и механична адаптация. По-долу ще разработим по-подробно ключовите моменти и практическия опит от работата на свръхпроводящ кабел от три измерения: как да стабилизираме основните проблеми и практиките за реагиране, как да стандартизираме процеса на работа и как да поправим типични проблеми и решения, комбинирани с действителни случаи.
1, Основни проблеми и практически решения за работата на свръхпроводящи кабели
(1) Поддържане на среда с ниска температура: стабилността на системата с течен азот е „спасителният пояс“ на работата
Свръхпроводящите материали изискват среда с течен азот (-196 градуса), за да покажат характеристики на нулево съпротивление, следователно поддържането на среда с ниска температура е основната задача. Основните предизвикателства се крият в контрола на изтичането на топлина в системата за циркулация на течен азот (нахлуването на топлина от околната среда може да причини изпаряване на течен азот, нарушавайки условията на ниска температура), ефективна работа на хладилния модул (изискващ непрекъснато попълване на капацитета за охлаждане) и динамичен баланс на налягането и дебита на системата.
Справяне с практиката:
1. Многослоен изолационен дизайн: Тялото на кабела е обвито в дву-слойна гъвкава вакуумна изолационна тръба, за да се намали външното проникване на топлина (като дизайна на изолационната тръба на демонстрационния проект в Шанхай 35kV, който има само 1/10 от топлинните загуби на традиционните кабели);
2. Многомашинна паралелна хладилна система: Множество хладилни агрегати са конфигурирани да работят паралелно и броят на модулите, които трябва да се включат, се регулира динамично според изискванията за охлаждащ капацитет (проектът Shenzhen 10 kV използва местно произведени GM хладилни агрегати с голям капацитет на охлаждане, за да реши проблема с ефективния топлообмен в малки пространства);
3. Мониторинг в реално време и резервно архивиране: Сензори за температура, налягане и поток са разположени в ключови възли на кабелни входове, изходи и хладилни агрегати (9 работещи кладенци са създадени в Шанхай, всеки оборудван с оборудване за мониторинг на течен азот). След като бъдат открити аномалии (като температура, превишаваща ± 2 градуса), незабавно се стартира резервният хладилен модул, за да се осигури стабилна ниска{4}}температурна среда.
(2) Защита от пренапрежение: технологичен скок от „пасивно изключване-захранване“ към „активно самовъзстановяване“
Прегряването (феноменът на свръхпроводящи материали, внезапно възстановяващи съпротивление поради температура, ток или магнитно поле, надвишаващи критичните стойности) е най-сериозният работен отказ на свръхпроводящите кабели, който може да доведе до локално прегряване, увреждане на изолацията и дори изгаряне на оборудването. Традиционните методи за защита разчитат на бързи прекъсвания на захранването, но могат да доведат до прекъсвания на захранването и да повлияят на потребителското изживяване.
Справяне с практиката:
1. Мултипараметърно наблюдение на синтеза: Събиране в реално време на данни за температурата, тока и напрежението на кабела чрез измерване на температурата на оптични влакна, сензори за ток и трансформатори на напрежение (проектът Шенжен разположи устройства за измерване на вибрации от оптични влакна по протежение на 400-метровата кабелна линия за постигане на измерване на температурата на ниво милиметри);
2. Интелигентно устройство за защита от гасене: Разработено е интегрирано устройство за "самовъзстановяване на гасене". Когато бъде открито внезапно увеличение на съпротивлението (като например надвишаване на 0,1 m Ω), устройството прекъсва тока на повреда в рамките на 10 милисекунди и бързо се охлажда през хладилната система, позволявайки на свръхпроводящия материал отново да влезе в свръхпроводящо състояние (защитното устройство на Shanghai Engineering е постигнало самовъзстановяване след 3 цикъла на охлаждане, без да засяга потребителското захранване);
3. Проектиране на електромагнитна пръстеновидна мрежа: Изградете резервни пътища за захранване от страната на мрежата и поддържайте захранването чрез превключване на пръстеновидната мрежа по време на прекъсвания на електрозахранването (проектът Шенжен е свързан към двойната пръстеновидна мрежа на захранване в централен район Futian и скоростта на пренос на натоварване по време на прекъсвания на електрозахранването достига 100%).
(3) Адаптиране на механичната производителност: „Предизвикателството за гъвкавост“ при инсталиране и работа
Свръхпроводящите кабели се състоят от множество слоеве като свръхпроводящи ленти (с дебелина само 0,4 милиметра), буферни слоеве и защитни слоеве и тяхната механична якост е много по-ниска от традиционните медни кабели. Прекомерната теглителна сила, малкият радиус на огъване или вибрациите по време на монтажа могат да причинят счупване на лентата или разслояване на междинния слой.
Справяне с практиката:
1. Персонализиран процес на полагане: Определете ключови параметри чрез симулационни експерименти 1:1 (като Shanghai Engineering възпроизвежда сложната среда на централната градска зона в Wujing Town, Minhang District, измервайки максималната допустима теглителна сила на свръхпроводящия кабел да бъде 8 kN и минималният радиус на огъване да бъде 1,5 метра);
2. Специализирано оборудване за полагане: изследване и разработване на оборудване за полагане с малък ъгъл и голям капка (като проекта в Шенжен, използващ „горна тръба за воден баланс“ и „байпас с голям ъгъл“ за решаване на проблема с тесните подземни тръбни галерии в старите градски райони);
3. Динамично наблюдение на напрежението: Мониторинг в реално време на напрежението на кабела по време на процеса на полагане (в проекта в Шенжен се използват сензори с брагова решетка с влакна и автоматични аларми се задействат, когато отклонението на опъна надвиши ± 5%) и мониторинг на вибрациите чрез интелигентни заземяващи шпилки по време на работа (сензорите за вибрации са инсталирани във всичките 9 работещи кладенци на проекта в Шанхай и мерките за поглъщане на удара се активират, когато честотата на вибрациите надвишава 10Hz).
(4) Изолация и управление на топлината: Двоен тест на "ниска температура + високо напрежение"
Свръхпроводящите кабели работят в среда с течен азот (-196 градуса) и трябва да издържат на напрежение от 35kV или дори по-високо. Изолационният материал трябва да има устойчивост на ниски-температури и устойчивост на високо напрежение. В допълнение, кабелните терминали (интерфейси, свързани към конвенционалната електрическа мрежа) могат да изпитат локални високи температури поради изтичане на топлина, което може да повлияе на изолационните характеристики.
Справяне с практиката:
1. Композитен изолационен дизайн: използване на композитна изолационна структура от твърди изолационни материали (като епоксидна смола) и течен азот (дебелината на изолационния слой на шанхайските 35 kV кабели е само 20 mm, а съпротивлението на короната е два пъти по-голямо от това на традиционните кабели);
2. Оптимизиране на изолацията на терминала: Терминалът използва вакуумна много-слойна изолационна структура (степента на изтичане на топлина на терминала на проекта в Шенжен е по-малка от 0,5 W/m, което е с 30% по-ниско от международния стандарт) и ниско{4}}температурно лепило е запълнено на интерфейса, за да се предотвратят изолационните пропуски, причинени от изпаряване на течен азот;
3. Редовно изпитване на изолацията: Използвайте мегаомметър за измерване на основното изолационно съпротивление на всяко тримесечие (с изискване за по-голямо или равно на 1000M Ω) и провеждайте годишно изпитване на диелектрични загуби (три-фазният фактор на диелектрични загуби на Shanghai Engineering е всичко<0.5%, far below the warning value of 1%).
2, Стандартизиран процес на работа на свръхпроводящи кабели
Работата на свръхпроводящите кабели трябва стриктно да следва четириетапния процес на „операция и поддръжка на свързване на мрежата за изпитване на предварително охлаждане“ и ключовите параметри трябва да се записват на всяка стъпка, за да се осигури проследимост.
(1) Етап на предварително охлаждане: постепенно охлаждане от стайна температура до -196 градуса
Предварителното охлаждане е критична стъпка при започване на работа и е необходимо да се избегне повреда от термичен стрес, причинена от бързо охлаждане (като счупване на свръхпроводяща лента или отделяне на съединение). Конкретният процес е както следва:
1. Евакуация на системата: Използвайте вакуумна помпа, за да евакуирате вътрешния тръбопровод на кабела до степен на вакуум от 1 × 10 ⁻ ³ Pa, отстранете примесите (като влага и въздух) и предотвратите запушването на тръбопровода при ниски температури;
2. Продухване с азот: Бавно продухайте тръбопровода с азот при стайна температура (скорост на потока по-малка или равна на 5m³/h), за да отстраните допълнително остатъчните примеси;
3. Предварително охлаждане с течен азот: Инжектирайте течен азот със скорост от 0,5 градуса /мин и постепенно намалете температурата на кабела (времето за предварително охлаждане за проекта в Шанхай е 48 часа, а крайната температура се стабилизира на -196 градуса ± 2 градуса).
(2) Тест на потока: практическо упражнение за проверка на номиналния капацитет на тока
След завършване на предварителното охлаждане, токопреносният капацитет на кабела трябва да се провери чрез тест за токопренасяне. Експериментът приема "текущия метод на суперпозиция":
1. Трифазно късо съединение в края на кабела, свържете регулатор на напрежението в началото и постепенно увеличавайте тока (започвайки от 10% от номиналния ток, увеличавайки с 10% на всеки 30 минути);
2. Наблюдавайте фазите на напрежението и тока на всяка фаза (с изисквана фазова разлика по-малка или равна на 5 градуса), както и температурата (с изходяща температура на течен азот по-малка или равна на -190 градуса C);
Когато токът достигне номиналната стойност (като номиналния ток от 2160 A за кабел 35 kV в Шанхай) и се стабилизира за 24 часа, тестът се квалифицира.
(3) Работа, свързана с мрежата: 24/7 гаранция за "онлайн мониторинг+интелигентна работа и поддръжка"
След свързване към мрежата следните параметри трябва да се наблюдават в реално-време чрез онлайн платформа за наблюдение:
1. Система за течен азот: входно налягане (0,3-0,5MPa), изходна температура (-196 градуса ± 2 градуса), дебит (10-15L/min);
2. Електрически параметри: ток (По-малко или равно на номиналната стойност), напрежение (± 5% номинално напрежение), диелектрични загуби (По-малко или равно на 1%);
3. Параметри на околната среда: работна температура и влажност (температура по-малка или равна на 30 градуса, влажност по-малка или равна на 70%), вибрация (по-малка или равна на 5Hz).
Екипът за експлоатация и поддръжка приема режим на „три{0}}измерна инспекция+централизиран мониторинг“: ежедневна ръчна проверка на работния кладенец (проверка дали изолационната тръба е замръзнала и дали хладилната машина работи необичайно), седмичен анализ на данните за онлайн наблюдение (ако потокът на течния азот варира с повече от ± 10%, трябва да се провери запушването на тръбопровода) и месечно инфрачервено измерване на температурата (температура на терминала По-малко или равно на -180 градуса е нормално).
(4) Редовна поддръжка: превантивна поддръжка на "оценка на състоянието + подмяна на компонент"
Необходима е цялостна поддръжка всяка година на експлоатация:
1. Оценка на ефективността на изолацията: Измерете основното изолационно съпротивление (по-голямо или равно на 1000M Ω) и коефициент на диелектрични загуби (по-малко или равно на 0,5%);
2. Проверка на механичните характеристики: Проверете дали има пукнатини в свръхпроводящата лента чрез рентгенова проверка (не е установено увреждане на лентата по време на 3-годишната експлоатация на проекта в Шанхай);
3. Поддръжка на хладилната система: сменете хладилното масло, почистете топлообменника (цикълът на поддръжка на хладилната машина в проекта Шенжен е 2000 часа).
3, Възможни проблеми и контрамерки по време на работа
Въпреки непрекъснатата технологична оптимизация, работата на свръхпроводящия кабел все още може да има неизправности поради промени в околната среда, стареене на оборудването или оперативни грешки и трябва да се разработят целеви стратегии за реакция.
(1) Problem 1: Abnormal increase in liquid nitrogen temperature (such as outlet temperature>-190 градуса)
Причини: Изтичане на топлина от изолационната тръба (като повреда на вакуумния слой), повреда на хладилната машина (като износване на компресора) и запушване на помпата за течен азот (натрупване на примеси).
отговор:
1. Незабавно проверете външния вид на изолационната тръба (участъците със замръзване може да са точки на изтичане), използвайте вакуумметър, за да измерите степента на вакуум на изолационния слой (<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. Превключете към резервния хладилен агрегат (Шанхайският проект е оборудван с 2 основни хладилни агрегата и 1 резервен модул, с време за превключване по-малко от 5 минути);
3. Изключете помпата за течен азот и продухайте обратно тръбопровода с азотен газ (налягане 0,2MPa), за да отстраните примесите (проектът Шенжен някога беше блокиран от медни стружки, останали по време на строителството, но тръбопроводът беше възстановен до нормалното след продухване).
(2) Problem 2: Overload triggering (sudden increase in resistance>0.1m Ω)
Причини: свръхток (като внезапно увеличаване на натоварването на потребителя), локално прегряване (лош контакт на точките за заваряване на ленти), смущения на магнитното поле (близки големи двигатели).
отговор:
1. Защитното устройство се задейства автоматично (време на задействане по проект Шенжен<10ms), cutting off the fault current;
2. Проверете текущия запис (ако има внезапно увеличение на натоварването, свържете се с потребителя, за да коригирате плана за електричество; ако има проблем с точката на заваряване, заварете отново и тествайте съпротивлението);
3. Стартирайте хладилния модул, за да ускорите процеса на охлаждане (целева температура -196 градуса) и свържете отново към мрежата, след като съпротивлението се върне на 0 (инженерството на Шанхай веднъж предизвика прекъсване на захранването поради внезапно увеличаване на натоварването, което автоматично възстанови захранването след 30 минути).
(3) Проблем 3: Счупване на кабелна лента след полагане (като съпротивление на изолацията<100M Ω)
Причина: Прекомерна теглителна сила (над 8kN), малък радиус на огъване (<1.5 meters), and high lateral pressure (>5kN/m).
отговор:
1. Незабавно спрете полагането и използвайте оптично влакно, за да откриете мястото на счупването (точност ± 1 метър);
2. Отрежете счупения участък, сменете резервната лента (със същия модел като оригиналната лента), заварете отново и извършете изолационна обработка (проектът в Шенжен веднъж причини счупване на лентата поради малък радиус на огъване и замяната премина теста);
3. Регулирайте параметрите на полагане (като намаляване на скоростта на теглене до 0,5 m/min и увеличаване на диаметъра на направляващото колело за огъване).
