Cablurile supraconductoare, ca o nouă generație de tehnologie de transmisie a energiei, au devenit un instrument puternic pentru rezolvarea blocajelor de alimentare cu energie în zonele centrale urbane și pentru promovarea transformării ecologice a rețelei electrice datorită rezistenței lor zero, pierderilor reduse și caracteristicilor de mare capacitate. Cu toate acestea, funcționarea sa se bazează pe medii cu temperaturi extrem de scăzute (aproximativ -196 de grade) și sisteme de control de precizie, implicând multiple provocări tehnice, cum ar fi întreținerea la temperaturi scăzute, protecția la stingere și adaptarea mecanică. Mai jos, vom detalia punctele cheie și experiența practică a funcționării cablurilor supraconductoare din trei dimensiuni: cum să stabilizăm problemele de bază și practicile de răspuns, cum să standardizăm procesul de operare și cum să reparați problemele și soluțiile tipice, combinate cu cazurile reale.
1, Probleme de bază și soluții practice pentru funcționarea cablurilor supraconductoare
(1) Menținerea mediului la temperaturi scăzute: stabilitatea sistemului de azot lichid este „linia de viață” a funcționării
Materialele supraconductoare necesită un mediu cu azot lichid (-196 de grade ) pentru a prezenta caracteristici de rezistență zero, prin urmare, menținerea unui mediu cu temperatură scăzută este sarcina principală. Principalele provocări constau în controlul scurgerilor de căldură în sistemul de circulație a azotului lichid (intruziunea de căldură în mediu poate provoca vaporizarea azotului lichid, perturbând condițiile de temperatură scăzută), funcționarea eficientă a unității de refrigerare (care necesită o completare continuă a capacității de răcire) și echilibrul dinamic al presiunii sistemului și al debitului.
Confruntarea cu practica:
1. Design de izolație cu mai multe straturi: corpul cablului este învelit într-un tub de izolație cu vid flexibil dublu-strat pentru a reduce pătrunderea căldurii externe (cum ar fi designul tubului de izolație al proiectului demonstrativ Shanghai 35kV, care are doar 1/10 din pierderea de căldură a cablurilor tradiționale);
2. Sistem de refrigerare în paralel cu mai multe mașini: Unitățile frigorifice multiple sunt configurate să funcționeze în paralel, iar numărul de unități care trebuie pornite este ajustat dinamic în funcție de cerințele capacității de răcire (proiectul Shenzhen 10 kV utilizează unități frigorifice GM cu capacitate mare de răcire produse pe plan intern pentru a rezolva problema schimbului eficient de căldură în spații mici);
3. Monitorizare în timp real și backup redundant: Senzorii de temperatură, presiune și debit sunt instalați la nodurile cheie ale intrărilor de cabluri, ieșirilor și unităților de refrigerare (9 puțuri de lucru sunt înființate în Shanghai, fiecare echipată cu echipamente de monitorizare a azotului lichid). Odată ce sunt detectate anomalii (cum ar fi temperatura care depășește ± 2 grade), unitatea frigorifică de rezervă este imediat pornită pentru a asigura un mediu stabil cu temperatură joasă-.
(2) Protecție la supratensiune: un salt tehnologic de la „putere pasivă-oprire” la „recuperare autonomă activă”
Supraîncălzirea (fenomenul materialelor supraconductoare restabilind brusc rezistența datorită temperaturii, curentului sau câmpului magnetic care depășește valorile critice) este cea mai gravă defecțiune operațională a cablurilor supraconductoare, care poate duce la supraîncălzire locală, deteriorarea izolației și chiar arderea echipamentului. Metodele tradiționale de protecție se bazează pe întreruperi rapide de curent, dar pot duce la întreruperi de curent și pot afecta experiența utilizatorului.
Confruntarea cu practica:
1. Monitorizarea fuziunii cu mai mulți parametri: colectarea în timp real a datelor de temperatură, curent și tensiune a cablului prin măsurarea temperaturii prin fibră optică, senzori de curent și transformatoare de tensiune (proiectul Shenzhen a implementat dispozitive de măsurare a vibrațiilor din fibră optică de-a lungul liniei de cablu de 400 de metri pentru a obține senzorul de temperatură la nivel milimetric);
2. Dispozitiv inteligent de protecție împotriva stingerii: a dezvoltat un dispozitiv integrat de „recuperare automată a calatoriei”. Când este detectată o creștere bruscă a rezistenței (cum ar fi depășirea de 0,1 m Ω), dispozitivul întrerupe curentul de defect în 10 milisecunde și se răcește rapid prin sistemul de refrigerare, permițând materialului supraconductor să intre din nou în starea supraconductoare (dispozitivul de protecție Shanghai Engineering a obținut auto-recuperarea după 3 cicluri de stingere a energiei utilizatorului);
3. Proiectarea rețelei inelare electromagnetice: Construiți căi de alimentare redundante pe partea rețelei și mențineți alimentarea cu energie prin comutarea rețelei de inel în timpul întreruperilor de curent (proiectul Shenzhen este conectat la rețeaua inelului dublu din districtul central Futian, iar rata de transfer a sarcinii în timpul întreruperilor de curent ajunge la 100%).
(3) Adaptarea performanței mecanice: „Provocarea flexibilității” în instalare și exploatare
Cablurile supraconductoare constau din mai multe straturi, cum ar fi benzi supraconductoare (de doar 0,4 milimetri grosime), straturi tampon și straturi de protecție, iar rezistența lor mecanică este mult mai mică decât cablurile tradiționale de cupru. Forța de tracțiune excesivă, raza de îndoire mică sau vibrațiile în timpul instalării pot cauza ruperea benzii sau delaminarea stratului intermediar.
Confruntarea cu practica:
1. Proces de pozare personalizat: Determinați parametrii cheie prin experimente de simulare 1:1 (cum ar fi Shanghai Engineering care reproduce mediul complex al zonei urbane centrale din Wujing Town, districtul Minhang, măsurând forța maximă admisă de tracțiune a cablului supraconductor să fie de 8kN și raza minimă de îndoire de 1,5 metri);
2. Echipamente specializate de așezare: cercetare și dezvoltare de echipamente de așezare cu unghi mic și picături mari (cum ar fi proiectul Shenzhen care utilizează procesele „țeavă superioară a echilibrului apei de noroi” și procese de „ocolire cu unghi mare” pentru a rezolva problema galeriilor de conducte subterane înguste din vechile zone urbane);
3. Monitorizare dinamică a tensiunii: Monitorizarea în timp real a tensiunii cablului în timpul procesului de pozare (senzorii de rețea Bragg cu fibră sunt utilizați în proiectul Shenzhen, iar alarmele automate sunt declanșate atunci când abaterea tensiunii depășește ± 5%) și monitorizarea vibrațiilor prin știfturi inteligente de pământ în timpul funcționării (senzorii de vibrație sunt instalați în toate cele 9 puțuri de lucru ale proiectului Shanghai, iar frecvența de absorbție a șocurilor depășește 10Hz).
(4) Izolarea și managementul termic: un test dublu de „Temperatura joasă + tensiune înaltă”
Cablurile supraconductoare funcționează într-un mediu cu azot lichid (-196 de grade ) și trebuie să reziste la tensiuni de 35 kV sau chiar mai mari. Materialul izolator trebuie să aibă atât rezistență la temperatură scăzută, cât și rezistență la tensiune înaltă. În plus, terminalele de cablu (interfețe conectate la rețeaua electrică convențională) pot suferi temperaturi locale ridicate din cauza scurgerilor de căldură, care pot afecta performanța izolației.
Confruntarea cu practica:
1. Design de izolație compozită: folosind o structură de izolație compozită din materiale izolante solide (cum ar fi rășina epoxidică) și azot lichid (grosimea stratului de izolare a cablurilor Shanghai 35kV este de numai 20 mm, iar rezistența coronei este de două ori mai mare decât a cablurilor tradiționale);
2. Optimizarea izolației terminale: terminalul adoptă o structură de izolație cu mai multe straturi de vid (rata de scurgere de căldură terminală a proiectului Shenzhen este mai mică de 0,5 W/m, care este cu 30% mai mică decât standardul internațional), iar lipiciul de temperatură joasă-este umplut la interfață pentru a preveni golurile de izolație cauzate de vaporizarea azotului lichid;
3. Testare regulată a izolației: utilizați un megaohmetru pentru a măsura rezistența principală a izolației în fiecare trimestru (cu o cerință mai mare sau egală cu 1000M Ω) și efectuați teste anuale de pierdere dielectrică (factorul de pierdere dielectric trifazat al Shanghai Engineering este tot<0.5%, far below the warning value of 1%).
2, Procesul de operare standardizat al cablurilor supraconductoare
Funcționarea cablurilor supraconductoare trebuie să urmeze cu strictețe procesul în patru etape de „funcționare și întreținere a conexiunii la rețea de testare înainte de răcire”, iar parametrii cheie trebuie înregistrați la fiecare pas pentru a asigura trasabilitatea.
(1) Etapa de pre-răcire: răcire treptată de la temperatura camerei la -196 de grade
Prerăcirea este o etapă critică în pornirea funcționării și este necesar să se evite daunele cauzate de stresul termic cauzate de răcirea rapidă (cum ar fi ruperea benzii supraconductoare sau desprinderea îmbinărilor). Procesul specific este următorul:
1. Evacuarea sistemului: Utilizați o pompă de vid pentru a evacua conducta internă a cablului la un grad de vid de 1 × 10 ⁻ ³ Pa, îndepărtați impuritățile (cum ar fi umiditatea și aerul) și preveniți blocarea conductei la temperaturi scăzute;
2. Suflare cu azot: Suflați încet conducta cu azot la temperatura camerei (debit mai mic sau egal cu 5 m³/h) pentru a îndepărta în continuare impuritățile reziduale;
3. Prerăcire cu azot lichid: injectați azot lichid cu o rată de 0,5 grade / min și reduceți treptat temperatura cablului (timpul de prerăcire pentru proiectul Shanghai este de 48 de ore, iar temperatura finală se stabilizează la -196 grade ± 2 grade).
(2) Test de debit: un exercițiu practic de verificare a capacității nominale de transport a curentului
După ce prerăcirea este finalizată, capacitatea de transport a curentului cablului trebuie verificată printr-un test de purtare a curentului. Experimentul adoptă „metoda de suprapunere curentă”:
1. Scurtcircuit trifazat la capătul cablului, conectați un regulator de tensiune la început și creșteți treptat curentul (începând de la 10% din curentul nominal, crescând cu 10% la fiecare 30 de minute);
2. Monitorizați fazele de tensiune și curent ale fiecărei faze (cu o diferență de fază necesară mai mică sau egală cu 5 grade), precum și temperatura (cu o temperatură de ieșire a azotului lichid mai mică sau egală cu -190 grade C);
Când curentul atinge valoarea nominală (cum ar fi curentul nominal de 2160A pentru un cablu de 35kV în Shanghai) și se stabilizează timp de 24 de ore, testul este calificat.
(3) Funcționare conectată la rețea: garanție 24/7 de „monitorizare online + funcționare și întreținere inteligente”
După conectarea la rețea, următorii parametri trebuie monitorizați în timp real-prin intermediul unei platforme de monitorizare online:
1. Sistem de azot lichid: presiune de intrare (0,3-0,5MPa), temperatura de ieșire (-196 grade ± 2 grade), debit (10-15L/min);
2. Parametri electrici: curent (mai mic sau egal cu valoarea nominală), tensiune (± 5% tensiune nominală), pierderi dielectrice (mai mic sau egal cu 1%);
3. Parametrii de mediu: temperatura și umiditatea bine de lucru (temperatură mai mică sau egală cu 30 de grade, umiditate mai mică sau egală cu 70%), vibrații (mai mică sau egală cu 5 Hz).
Echipa de operare și întreținere adoptă un mod „-inspecție tridimensională+monitorizare centralizată”: inspecție manuală zilnică a bunului de lucru (verificarea dacă conducta de izolație este înghețată și dacă mașina frigorifică funcționează anormal), analiza săptămânală a datelor de monitorizare online (dacă debitul de azot lichid fluctuează cu mai mult de ± 10%, blocarea conductei trebuie verificată la temperatura și temperatura terminalului egală sau lunară). -180 de grade este normal).
(4) Întreținere regulată: întreținere preventivă a „evaluării stării + înlocuire componente”
Întreținerea completă este necesară în fiecare an de funcționare:
1. Evaluarea performanței izolației: Măsurați rezistența principală de izolație (mai mare sau egală cu 1000M Ω) și factorul de pierdere dielectrică (mai mică sau egală cu 0,5%);
2. Inspecția performanței mecanice: verificați dacă există fisuri în banda supraconductoare prin inspecția cu raze X-(nu s-a găsit nicio deteriorare a benzii în timpul funcționării de 3 ani a proiectului Shanghai);
3. Întreținerea sistemului de refrigerare: înlocuiți uleiul de refrigerare, curățați schimbătorul de căldură (ciclul de întreținere al mașinii de refrigerare în proiectul Shenzhen este de 2000 de ore).
3, Posibile probleme și contramăsuri în timpul funcționării
În ciuda optimizării tehnologice continue, operarea cablurilor supraconductoare poate înregistra în continuare disfuncționalități din cauza schimbărilor de mediu, a îmbătrânirii echipamentelor sau a erorilor operaționale și trebuie dezvoltate strategii de răspuns specifice.
(1) Problem 1: Abnormal increase in liquid nitrogen temperature (such as outlet temperature>-190 de grade)
Motive: Scurgeri de căldură din tubul de izolație (cum ar fi deteriorarea stratului de vid), defecțiunea mașinii de refrigerare (cum ar fi uzura compresorului) și blocarea pompei de azot lichid (acumularea de impurități).
răspuns:
1. Inspectați imediat aspectul țevii de izolație (zonele de îngheț pot fi puncte de scurgere), utilizați un vacuometru pentru a măsura gradul de vid al stratului de izolație (<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. Trecerea la unitatea frigorifică de rezervă (proiectul Shanghai este echipat cu 2 unități frigorifice principale și 1 unitate de rezervă, cu un timp de comutare mai mic de 5 minute);
3. Opriți pompa de azot lichid și suflați înapoi conducta cu azot gazos (presiune 0,2MPa) pentru a îndepărta impuritățile (proiectul Shenzhen a fost odată blocat de așchii de cupru rămas în timpul construcției, dar conducta a fost restabilită la normal după suflare înapoi).
(2) Problem 2: Overload triggering (sudden increase in resistance>0.1m Ω)
Motive: Supracurent (cum ar fi creșterea bruscă a sarcinii utilizatorului), supraîncălzire locală (contact slab al punctelor de sudură a benzii), interferență în câmp magnetic (motoare mari din apropiere).
răspuns:
1. Dispozitivul de protecție se declanșează automat (durata de călătorie a proiectului Shenzhen<10ms), cutting off the fault current;
2. Verificați înregistrarea curentă (dacă există o creștere bruscă a sarcinii, contactați utilizatorul pentru a ajusta planul de electricitate; dacă există o problemă cu punctul de sudare, resudați și testați rezistența);
3. Porniți unitatea de refrigerare pentru a accelera procesul de răcire (temperatura țintă -196 grade) și reconectați-vă la rețea după ce rezistența revine la 0 (ingineria Shanghai a declanșat odată o întrerupere de curent din cauza unei creșteri bruște a sarcinii, care a restabilit automat alimentarea cu energie după 30 de minute).
(3) Problema 3: Ruperea benzii de cablu după pozare (cum ar fi rezistența de izolație<100M Ω)
Motiv: forță de tracțiune excesivă (peste 8 kN), rază mică de îndoire (<1.5 meters), and high lateral pressure (>5kN/m).
răspuns:
1. Opriți imediat așezarea și utilizați fibră optică pentru a detecta locația fracturii (precizie ± 1 metru);
2. Tăiați secțiunea ruptă, înlocuiți banda de rezervă (cu același model cu banda originală), sudați din nou și efectuați un tratament de izolare (proiectul Shenzhen a cauzat odată ruperea benzii din cauza unei raze de îndoire mici, iar înlocuirea a trecut testul);
3. Reglați parametrii de așezare (cum ar fi reducerea vitezei de tracțiune la 0,5 m/min și creșterea diametrului roții de ghidare de îndoire).
