Els cables superconductors, com a nova generació de tecnologia de transmissió d'energia, s'han convertit en una eina poderosa per resoldre els colls d'ampolla del subministrament d'energia a les zones centrals urbanes i promoure la transformació verda de la xarxa elèctrica a causa de les seves característiques de resistència zero, baixa pèrdua i gran capacitat. No obstant això, el seu funcionament es basa en entorns de temperatures extremes baixes (uns -196 graus) i sistemes de control de precisió, que impliquen múltiples reptes tècnics com ara el manteniment a baixa temperatura, la protecció de l'extinció i l'adaptació mecànica. A continuació, elaborarem els punts clau i l'experiència pràctica de l'operació de cables superconductors des de tres dimensions: com estabilitzar els problemes bàsics i les pràctiques de resposta, com estandarditzar el procés d'operació i com reparar problemes i solucions típics, combinats amb casos reals.
1, Problemes bàsics i solucions pràctiques per al funcionament de cables superconductors
(1) Manteniment de l'entorn a baixa temperatura: l'estabilitat del sistema de nitrogen líquid és la "línia de vida" de l'operació
Els materials superconductors requereixen un entorn de nitrogen líquid (-196 graus) per mostrar característiques de resistència zero, per tant, mantenir un ambient de baixa temperatura és la tasca principal. Els principals reptes es troben en el control de les fuites de calor al sistema de circulació de nitrogen líquid (la intrusió de calor ambiental pot provocar la vaporització del nitrogen líquid, alterant les condicions de baixa temperatura), el funcionament eficient de la unitat de refrigeració (que requereix una reposició contínua de la capacitat de refrigeració) i l'equilibri dinàmic de la pressió del sistema i el cabal.
Tractament amb la pràctica:
1. Disseny d'aïllament multicapa: el cos del cable s'embolica en un tub d'aïllament al buit flexible de doble-capa per reduir la intrusió de calor externa (com ara el disseny del tub d'aïllament del projecte de demostració de Xangai 35 kV, que només té 1/10 de la pèrdua de calor dels cables tradicionals);
2. Sistema de refrigeració paral·lel de múltiples màquines: es configuren diverses unitats de refrigeració per funcionar en paral·lel i el nombre d'unitats que s'engeguen s'ajusta dinàmicament segons els requisits de capacitat de refrigeració (el projecte de Shenzhen 10 kV utilitza unitats de refrigeració GM de gran capacitat de refrigeració produïdes a casa per resoldre el problema de l'intercanvi de calor eficient en espais petits);
3. Monitorització en temps real i còpia de seguretat redundant: els sensors de temperatura, pressió i flux es despleguen als nodes clau de les entrades, sortides i unitats de refrigeració de cables (s'instal·len 9 pous de treball a Xangai, cadascun equipat amb equips de control de nitrogen líquid). Un cop es detecten anomalies (com ara una temperatura superior a ± 2 graus), la unitat de refrigeració de seguretat s'engega immediatament per garantir un entorn estable de baixa-temperatura.
(2) Protecció contra sobretensions: un salt tecnològic des de l'"alimentació passiva-apagada" a la "recuperació automàtica activa"
El sobreescalfament (el fenomen dels materials superconductors que restableixen sobtadament la resistència a causa de la temperatura, el corrent o el camp magnètic que superen els valors crítics) és la fallada operativa més greu dels cables superconductors, que pot provocar un sobreescalfament local, danys a l'aïllament i fins i tot l'esgotament de l'equip. Els mètodes de protecció tradicionals es basen en talls ràpids d'alimentació, però poden provocar talls de corrent i afectar l'experiència de l'usuari.
Tractament amb la pràctica:
1. Monitorització de la fusió de diversos paràmetres: recollida en temps real de dades de temperatura, corrent i tensió del cable mitjançant mesurament de temperatura de fibra òptica, sensors de corrent i transformadors de tensió (el projecte de Shenzhen va desplegar dispositius de mesura de vibracions de fibra òptica al llarg de la línia de cable de 400 metres per aconseguir la detecció de temperatura a nivell mil·límetre);
2. Dispositiu de protecció intel·ligent d'extinció: desenvolupat un dispositiu integrat de "recuperació automàtica del viatge d'extinció". Quan es detecta un augment sobtat de la resistència (com ara superar els 0,1 m Ω), el dispositiu talla el corrent de falla en 10 mil·lisegons i es refreda ràpidament a través del sistema de refrigeració, permetent que el material superconductor torni a entrar en estat superconductor (el dispositiu de protecció de Shanghai Engineering s'ha recuperat després de 3 cicles d'alimentació de l'usuari sense afectar);
3. Disseny de xarxa d'anell electromagnètic: construïu camins d'alimentació redundants al costat de la xarxa i mantingueu el subministrament d'energia mitjançant la commutació de la xarxa d'anell durant els talls d'alimentació (el projecte de Shenzhen està connectat a la xarxa d'anell d'alimentació dual al districte central de Futian, i la taxa de transferència de càrrega durant els talls d'energia arriba al 100%).
(3) Adaptació del rendiment mecànic: el 'repte de la flexibilitat' en instal·lació i funcionament
Els cables superconductors consisteixen en múltiples capes, com ara cintes superconductores (només 0,4 mil·límetres de gruix), capes amortidors i capes protectores, i la seva resistència mecànica és molt inferior a la dels cables de coure tradicionals. Una força de tracció excessiva, un radi de flexió reduït o una vibració durant la instal·lació poden provocar el trencament de la cinta o la delaminació de les capes intercalades.
Tractament amb la pràctica:
1. Procés de col·locació personalitzat: determineu els paràmetres clau mitjançant experiments de simulació 1:1 (com ara l'enginyeria de Xangai que reprodueix l'entorn complex de l'àrea urbana central a la ciutat de Wujing, districte de Minhang, mesurant la força de tracció màxima permesa del cable superconductor a 8 kN i el radi de flexió mínim d'1,5 metres);
2. Equips de col·locació especialitzats: investigació i desenvolupament d'equips de col·locació de gotes grans i petits angles (com ara el projecte de Shenzhen que utilitza els processos de "tuba superior d'equilibri d'aigua de fang" i "bypass d'angle gran" per resoldre el problema de les galeries de canonades subterrànies estretes a les zones urbanes antigues);
3. Monitorització dinàmica de l'estrès: monitorització en temps real de la tensió del cable durant el procés de col·locació (al projecte de Shenzhen s'utilitzen sensors de reixeta Bragg de fibra i s'activen alarmes automàtiques quan la desviació de la tensió supera el ± 5%) i monitoratge de vibracions mitjançant tacs de terra intel·ligents durant el funcionament (els sensors de vibració s'instal·len als 9 pous de treball del projecte de Xangai i les mesures d'absorció de cops superen les 10Hz).
(4) Aïllament i gestió tèrmica: una prova dual de "baixa temperatura + alta tensió"
Els cables superconductors funcionen en un entorn de nitrogen líquid (-196 graus) i han de suportar tensions de 35 kV o fins i tot superiors. El material d'aïllament ha de tenir tant una resistència a baixa-temperatura com una resistència a alt voltatge. A més, els terminals de cable (interfícies connectades a la xarxa elèctrica convencional) poden experimentar altes temperatures locals a causa de les fuites de calor, que poden afectar el rendiment de l'aïllament.
Tractament amb la pràctica:
1. Disseny d'aïllament compost: utilitzant una estructura d'aïllament compost de materials d'aïllament sòlid (com la resina epoxi) i nitrogen líquid (el gruix de la capa d'aïllament dels cables de Xangai de 35 kV és de només 20 mm i la resistència a la corona és el doble que la dels cables tradicionals);
2. Optimització de l'aïllament del terminal: el terminal adopta una estructura d'aïllament multi-de buit (la taxa de fuga de calor terminal del projecte de Shenzhen és inferior a 0,5 W/m, que és un 30% inferior a l'estàndard internacional) i s'omple cola de baixa -temperatura a la interfície per evitar els buits d'aïllament causats pel vapor de nitrogen líquid;
3. Proves d'aïllament regulars: utilitzeu un megòhmetre per mesurar la resistència d'aïllament principal cada trimestre (amb un requisit superior o igual a 1000 M Ω) i feu proves anuals de pèrdua dielèctrica (el factor de pèrdua dielèctrica trifàsica d'Enginyeria de Xangai ho és tot).<0.5%, far below the warning value of 1%).
2, procés d'operació estandarditzat de cables superconductors
El funcionament dels cables superconductors ha de seguir estrictament el procés de quatre etapes de "operació i manteniment de la connexió de la xarxa de prova de refrigeració" i s'han d'enregistrar els paràmetres clau a cada pas per garantir la traçabilitat.
(1) Etapa de prerefrigeració: refredament gradual des de la temperatura ambient fins a -196 graus
El prerefrigerament és un pas crític en l'inici de l'operació, i és necessari evitar els danys per l'estrès tèrmic causats per un refredament ràpid (com el trencament de la cinta superconductora o el despreniment de l'articulació). El procés concret és el següent:
1. Evacuació del sistema: utilitzeu una bomba de buit per evacuar la canonada interna del cable a un grau de buit d'1 × 10 ⁻ ³ Pa, elimineu les impureses (com la humitat i l'aire) i eviteu l'obstrucció de la canonada a baixes temperatures;
2. Bufat de nitrogen: bufeu lentament la canonada amb nitrogen a temperatura ambient (caudal inferior o igual a 5 m³/h) per eliminar encara més les impureses residuals;
3. Prerefrigeració de nitrogen líquid: injecteu nitrogen líquid a una velocitat de 0,5 graus / min i reduïu gradualment la temperatura del cable (el temps de prerefrigeració per al projecte de Xangai és de 48 hores i la temperatura final s'estabilitza a -196 graus ± 2 graus).
(2) Prova de flux: un exercici pràctic per verificar la capacitat de càrrega de corrent nominal
Un cop finalitzada la refrigeració prèvia, s'ha de verificar la capacitat de transport de corrent del cable mitjançant una prova de transport de corrent. L'experiment adopta el "mètode de superposició actual":
1. Curtcircuit trifàsic al final del cable, connecteu un regulador de tensió al principi i augmenteu gradualment el corrent (a partir del 10% del corrent nominal, augmentant un 10% cada 30 minuts);
2. Controleu les fases de tensió i corrent de cada fase (amb una diferència de fase requerida inferior o igual a 5 graus), així com la temperatura (amb una temperatura de sortida de nitrogen líquid inferior o igual a -190 graus C);
Quan el corrent arriba al valor nominal (com el corrent nominal de 2160 A per a un cable de 35 kV a Xangai) i s'estabilitza durant 24 hores, la prova està qualificada.
(3) Funcionament connectat a la xarxa: garantia 24/7 de "vigilància en línia + funcionament i manteniment intel·ligent"
Després de la connexió a la xarxa, els paràmetres següents s'han de controlar en temps real-a través d'una plataforma de supervisió en línia:
1. Sistema de nitrogen líquid: pressió d'entrada (0,3-0,5 MPa), temperatura de sortida (-196 graus ± 2 graus), cabal (10-15 L/min);
2. Paràmetres elèctrics: corrent (menor o igual al valor nominal), tensió (± 5% de tensió nominal), pèrdua dielèctrica (menor o igual a 1%);
3. Paràmetres ambientals: temperatura i humitat del pou de treball (temperatura inferior o igual a 30 graus, humitat inferior o igual al 70%), vibració (menys o igual a 5 Hz).
L'equip d'operació i manteniment adopta un mode "-inspecció tridimensional + monitorització centralitzada": inspecció manual diària del bé de treball (comprovació de si la canonada d'aïllament està gelada i si la màquina de refrigeració funciona de manera anormal), anàlisi setmanal de dades de monitorització en línia (si el flux de nitrogen líquid fluctua en més d'un ± 10%, s'ha de comprovar l'obstrucció de la canonada per mesurar la temperatura i la temperatura d'infrarojos a un mes o un mes), -180 graus és normal).
(4) Manteniment regular: manteniment preventiu de "avaluació de l'estat + substitució de components"
Es requereix un manteniment integral cada any de funcionament:
1. Avaluació del rendiment d'aïllament: mesura la resistència d'aïllament principal (més o igual a 1000 M Ω) i el factor de pèrdua dielèctrica (menys o igual al 0,5%);
2. Inspecció del rendiment mecànic: comproveu si hi ha esquerdes a la cinta superconductora mitjançant una inspecció de raigs X-(no s'ha trobat cap dany a la cinta durant els 3 anys de funcionament del projecte de Xangai);
3. Manteniment del sistema de refrigeració: substituir l'oli de refrigeració, intercanviador de calor net (el cicle de manteniment de la màquina de refrigeració al projecte de Shenzhen és de 2000 hores).
3, Possibles problemes i contramesures durant el funcionament
Malgrat l'optimització tecnològica contínua, el funcionament del cable superconductor encara pot experimentar mal funcionament a causa de canvis ambientals, envelliment de l'equip o errors operatius, i cal desenvolupar estratègies de resposta específiques.
(1) Problem 1: Abnormal increase in liquid nitrogen temperature (such as outlet temperature>-190 graus)
Motius: fuga de calor del tub d'aïllament (com ara danys a la capa de buit), fallada de la màquina de refrigeració (com el desgast del compressor) i bloqueig de la bomba de nitrogen líquid (acumulació d'impureses).
resposta:
1. Inspeccioneu immediatament l'aspecte de la canonada d'aïllament (les zones de gelada poden ser punts de fuites), utilitzeu un indicador de buit per mesurar el grau de buit de la capa d'aïllament (<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. Canviar a la unitat de refrigeració de seguretat (el projecte de Xangai està equipat amb 2 unitats de refrigeració principals i 1 unitat de seguretat, amb un temps de commutació de menys de 5 minuts);
3. Apagueu la bomba de nitrogen líquid i bufeu la canonada amb gas nitrogen (pressió 0,2 MPa) per eliminar les impureses (el projecte de Shenzhen es va bloquejar una vegada per encenalls de coure que quedaven durant la construcció, però la canonada es va restablir a la normalitat després d'haver bufat).
(2) Problem 2: Overload triggering (sudden increase in resistance>0.1m Ω)
Motius: Sobreintensitat (com ara un augment sobtat de la càrrega de l'usuari), sobreescalfament local (mal contacte dels punts de soldadura de la cinta), interferència de camp magnètic (motors grans propers).
resposta:
1. El dispositiu de protecció s'encén automàticament (temps de viatge del projecte de Shenzhen<10ms), cutting off the fault current;
2. Comproveu el registre actual (si hi ha un augment sobtat de càrrega, poseu-vos en contacte amb l'usuari per ajustar el pla d'electricitat; si hi ha un problema amb el punt de soldadura, torneu a soldar i comproveu la resistència);
3. Inicieu la unitat de refrigeració per accelerar el procés de refrigeració (temperatura objectiu -196 graus) i torneu a connectar-se a la xarxa després que la resistència torni a 0 (l'enginyeria de Xangai va provocar un tall de corrent a causa d'un augment sobtat de càrrega, que va restaurar automàticament l'alimentació després de 30 minuts).
(3) Problema 3: trencament de la tira de cable després de la col·locació (com la resistència a l'aïllament<100M Ω)
Motiu: força de tracció excessiva (més de 8 kN), radi de flexió petit (<1.5 meters), and high lateral pressure (>5 kN/m).
resposta:
1. Atureu immediatament la col·locació i utilitzeu fibra òptica per detectar la ubicació de la fractura (precisió ± 1 metre);
2. Talleu la secció trencada, substituïu la tira de recanvi (amb el mateix model que la cinta original), torneu a soldar i realitzeu un tractament d'aïllament (el projecte de Shenzhen va provocar que la cinta es trenqués a causa d'un petit radi de flexió i la substitució va passar la prova);
3. Ajusteu els paràmetres de col·locació (com ara reduir la velocitat de tracció a 0,5 m/min i augmentar el diàmetre de la roda guia de flexió).
