Supergeleidende kabels zijn, als een nieuwe generatie energietransmissietechnologie, een krachtig hulpmiddel geworden voor het oplossen van knelpunten in de stroomvoorziening in stedelijke kerngebieden en het bevorderen van een groene transformatie van het elektriciteitsnet vanwege hun nulweerstand, lage verliezen en grote capaciteitskenmerken. De werking ervan is echter afhankelijk van omgevingen met extreem lage temperaturen (ongeveer -196 graden) en precisiecontrolesystemen, die meerdere technische uitdagingen met zich meebrengen, zoals onderhoud bij lage temperaturen, bescherming tegen afschrikken en mechanische aanpassing. Hieronder gaan we dieper in op de belangrijkste punten en praktische ervaringen met het gebruik van supergeleidende kabels vanuit drie dimensies: hoe de kernproblemen en reactiepraktijken kunnen worden gestabiliseerd, hoe het werkingsproces kan worden gestandaardiseerd en hoe typische problemen en oplossingen kunnen worden gerepareerd, gecombineerd met feitelijke gevallen.
1, Kernproblemen en praktische oplossingen voor de werking van supergeleidende kabels
(1) Onderhoud van de omgeving bij lage temperaturen: de stabiliteit van het vloeibare stikstofsysteem is de "reddingslijn" van de werking
Supergeleidende materialen vereisen een omgeving met vloeibare stikstof (-196 graden ) om weerstandseigenschappen te vertonen. Daarom is het handhaven van een omgeving met lage temperaturen de primaire taak. De belangrijkste uitdagingen liggen in de beheersing van warmtelekkage in het circulatiesysteem voor vloeibare stikstof (het binnendringen van omgevingswarmte kan verdamping van vloeibare stikstof veroorzaken, wat de omstandigheden bij lage temperaturen verstoort), de efficiënte werking van de koeleenheid (waarvoor een continue aanvulling van de koelcapaciteit vereist is) en de dynamische balans tussen systeemdruk en debiet.
Omgaan met de praktijk:
1. Meerlaags isolatieontwerp: het kabellichaam is gewikkeld in een dubbel-laagse flexibele vacuümisolatiebuis om het binnendringen van externe warmte te verminderen (zoals het ontwerp van de isolatiebuis van het 35 kV-demonstratieproject in Shanghai, dat slechts 1/10 van het warmteverlies van traditionele kabels veroorzaakt);
2. Parallel koelsysteem met meerdere machines: meerdere koeleenheden zijn geconfigureerd om parallel te werken, en het aantal in te schakelen eenheden wordt dynamisch aangepast aan de koelcapaciteitsvereisten (het Shenzhen 10 kV-project maakt gebruik van in eigen land geproduceerde GM-koeleenheden met grote koelcapaciteit om het probleem van efficiënte warmte-uitwisseling in kleine ruimtes op te lossen);
3. Real-time monitoring en redundante back-up: Temperatuur-, druk- en flowsensoren worden ingezet op belangrijke knooppunten van kabelingangen, -uitgangen en koeleenheden (in Shanghai zijn 9 werkputten opgezet, elk uitgerust met monitoringapparatuur voor vloeibare stikstof). Zodra er afwijkingen worden gedetecteerd (zoals een temperatuur boven ± 2 graden), wordt de back-upkoelunit onmiddellijk gestart om een stabiele omgeving met lage- temperaturen te garanderen.
(2) Overspanningsbeveiliging: een technologische sprong van 'passieve stroom-uit' naar 'actief zelfherstel'
Oververhitting (het fenomeen waarbij supergeleidende materialen plotseling de weerstand herstellen als gevolg van temperatuur, stroom of magnetisch veld dat kritische waarden overschrijdt) is het ernstigste operationele falen van supergeleidende kabels, wat kan leiden tot lokale oververhitting, schade aan de isolatie en zelfs doorbranden van apparatuur. Traditionele beveiligingsmethoden zijn afhankelijk van snelle stroomuitval, maar kunnen tot stroomuitval leiden en de gebruikerservaring beïnvloeden.
Omgaan met de praktijk:
1. Multiparameterfusiemonitoring: real-time verzameling van kabeltemperatuur-, stroom- en spanningsgegevens via glasvezeltemperatuurmeting, stroomsensoren en spanningstransformatoren (het Shenzhen-project zette glasvezeltrillingsmeetapparatuur in langs de 400 meter lange kabellijn om temperatuurmeting op millimeterniveau te bereiken);
2. Intelligent blusbeschermingsapparaat: een geïntegreerd apparaat ontwikkeld voor "zelfherstel bij blusreizen". Wanneer een plotselinge toename van de weerstand (zoals meer dan 0,1 m Ω) wordt gedetecteerd, onderbreekt het apparaat de foutstroom binnen 10 milliseconden en koelt het snel af via het koelsysteem, waardoor het supergeleidende materiaal weer in de supergeleidende toestand kan komen (het beschermingsapparaat van Shanghai Engineering heeft na 3 uitdovingscycli een zelfherstel bereikt zonder de stroomvoorziening van de gebruiker te beïnvloeden);
3. Ontwerp van elektromagnetisch ringnetwerk: aanleg van redundante stroomtoevoerpaden aan de netzijde en onderhoud van de stroomvoorziening via ringnetwerkschakeling tijdens stroomuitval (het Shenzhen-project is verbonden met het dubbele stroomringnetwerk in Futian Central District, en de belastingoverdrachtssnelheid tijdens stroomuitval bereikt 100%).
(3) Mechanische prestatieaanpassing: de 'flexibiliteitsuitdaging' bij installatie en bediening
Supergeleidende kabels bestaan uit meerdere lagen, zoals supergeleidende tapes (slechts 0,4 millimeter dik), bufferlagen en beschermlagen, en hun mechanische sterkte is veel lager dan die van traditionele koperen kabels. Overmatige trekkracht, kleine buigradius of trillingen tijdens de installatie kunnen breuk van de strip of delaminatie van de tussenlagen veroorzaken.
Omgaan met de praktijk:
1. Aangepast legproces: Bepaal de belangrijkste parameters door middel van 1:1-simulatie-experimenten (zoals Shanghai Engineering die de complexe omgeving van het centrale stedelijke gebied in Wujing Town, Minhang District reproduceert, waarbij de maximaal toegestane trekkracht van de supergeleidende kabel wordt gemeten op 8 kN en de minimale buigradius op 1,5 meter);
2. Gespecialiseerde legapparatuur: onderzoek en ontwikkeling van apparatuur voor het leggen van kleine en grote druppels (zoals het Shenzhen-project dat gebruik maakt van de "modderwaterbalans-toppijp" en "grote hoek-bypass" -processen om het probleem van smalle ondergrondse pijpgalerijen in oude stedelijke gebieden op te lossen);
3. Dynamische spanningsmonitoring: realtime monitoring van de kabelspanning tijdens het legproces (in het Shenzhen-project worden glasvezel-Bragg-roostersensoren gebruikt en automatische alarmen worden geactiveerd wanneer de spanningsafwijking groter is dan ± 5%), en trillingsmonitoring via intelligente grondnoppen tijdens bedrijf (trillingssensoren zijn geïnstalleerd in alle 9 werkende putten van het Shanghai-project en schokabsorptiemaatregelen worden geactiveerd wanneer de trillingsfrequentie hoger wordt dan 10 Hz).
(4) Isolatie en thermisch beheer: een dubbele test van "lage temperatuur + hoge spanning"
Supergeleidende kabels werken in een omgeving met vloeibare stikstof (-196 graden) en moeten spanningen van 35 kV of zelfs hoger kunnen weerstaan. Het isolatiemateriaal moet zowel taaiheid bij lage-temperaturen als weerstand tegen hoge spanningen hebben. Bovendien kunnen kabelterminals (interfaces aangesloten op het conventionele elektriciteitsnet) lokaal hoge temperaturen ervaren als gevolg van warmtelekken, wat de isolatieprestaties kan beïnvloeden.
Omgaan met de praktijk:
1. Composiet isolatieontwerp: gebruik van een composiet isolatiestructuur van vaste isolatiematerialen (zoals epoxyhars) en vloeibare stikstof (de dikte van de isolatielaag van Shanghai 35kV-kabels is slechts 20 mm en de corona-weerstand is tweemaal die van traditionele kabels);
2. Optimalisatie van de isolatie van de terminal: de terminal maakt gebruik van een vacuüm meer- isolatielaagstructuur (de warmtelekkage van de terminal van het Shenzhen-project is minder dan 0,5 W/m, wat 30% lager is dan de internationale norm), en lijm bij lage- temperatuur wordt op het grensvlak gevuld om isolatiegaten veroorzaakt door verdamping van vloeibare stikstof te voorkomen;
3. Regelmatige isolatietests: gebruik een megohmmeter om elk kwartaal de belangrijkste isolatieweerstand te meten (met een vereiste van groter dan of gelijk aan 1000M Ω) en voer jaarlijkse diëlektrische verliestests uit (de drie-fasige diëlektrische verliesfactor van Shanghai Engineering is alles<0.5%, far below the warning value of 1%).
2, gestandaardiseerd werkingsproces van supergeleidende kabels
De werking van supergeleidende kabels moet strikt het vierfasige proces volgen van "pre-koeling test werking en onderhoud van netverbinding", en de belangrijkste parameters moeten bij elke stap worden vastgelegd om traceerbaarheid te garanderen.
(1) Voorkoelfase: geleidelijke afkoeling van kamertemperatuur tot -196 graden
Voorkoeling is een cruciale stap bij het starten van de werkzaamheden en het is noodzakelijk om schade door thermische spanning veroorzaakt door snelle afkoeling (zoals het breken van supergeleidende tape of het loskomen van verbindingen) te voorkomen. Het specifieke proces is als volgt:
1. Systeemevacuatie: gebruik een vacuümpomp om de interne pijpleiding van de kabel te evacueren tot een vacuümgraad van 1 × 10 ⁻ ³ Pa, verwijder onzuiverheden (zoals vocht en lucht) en voorkom verstopping van de pijpleiding bij lage temperaturen;
2. Stikstof blazen: Blaas de pijpleiding langzaam door met stikstof op kamertemperatuur (stroomsnelheid kleiner dan of gelijk aan 5m³/u) om resterende onzuiverheden verder te verwijderen;
3. Voorkoeling van vloeibare stikstof: injecteer vloeibare stikstof met een snelheid van 0,5 graden / min en verlaag geleidelijk de kabeltemperatuur (de voorkoeltijd voor het Shanghai-project is 48 uur en de eindtemperatuur stabiliseert op -196 graden ± 2 graden).
(2) Stromingstest: een praktische oefening om het nominale stroomdraagvermogen te verifiëren
Nadat het voorkoelen is voltooid, moet de stroomdraagcapaciteit van de kabel worden geverifieerd door middel van een stroomdraagtest. Het experiment maakt gebruik van de "huidige superpositiemethode":
1. Driefasige kortsluiting aan het uiteinde van de kabel, sluit aan het begin een spanningsregelaar aan en verhoog geleidelijk de stroom (beginnend vanaf 10% van de nominale stroom, elke 30 minuten met 10%);
2. Bewaak de spannings- en stroomfasen van elke fase (met een vereist faseverschil van minder dan of gelijk aan 5 graden), evenals de temperatuur (met een uitlaattemperatuur van vloeibare stikstof van minder dan of gelijk aan -190 graden C);
Wanneer de stroom de nominale waarde bereikt (zoals de nominale stroom van 2160A voor een 35kV-kabel in Shanghai) en zich gedurende 24 uur stabiliseert, is de test gekwalificeerd.
(3) Netgekoppelde werking: 24/7 garantie op "online monitoring+intelligente bediening en onderhoud"
Na aansluiting op het elektriciteitsnet moeten de volgende parameters in realtime- worden bewaakt via een online monitoringplatform:
1. Vloeibaar stikstofsysteem: inlaatdruk (0,3-0,5 MPa), uitlaattemperatuur (-196 graden ± 2 graden), stroomsnelheid (10-15 l / min);
2. Elektrische parameters: stroom (minder dan of gelijk aan de nominale waarde), spanning (± 5% nominale spanning), diëlektrisch verlies (minder dan of gelijk aan 1%);
3. Omgevingsparameters: goed werkende temperatuur en vochtigheid (temperatuur kleiner dan of gelijk aan 30 graden, vochtigheid kleiner dan of gelijk aan 70%), trillingen (minder dan of gelijk aan 5 Hz).
Het bedienings- en onderhoudsteam hanteert een 'drie--modus voor inspectie+gecentraliseerde monitoring': dagelijkse handmatige inspectie van de werkput (controleren of de isolatieleiding bevroren is en of de koelmachine abnormaal werkt), wekelijkse analyse van online monitoringgegevens (als de vloeibare stikstofstroom met meer dan ± 10% fluctueert, moet de verstopping van de pijpleiding worden gecontroleerd) en maandelijkse meting van de infraroodtemperatuur (eindtemperatuur lager dan of gelijk aan -180 graden is normaal).
(4) Regelmatig onderhoud: preventief onderhoud van "statusbeoordeling + vervanging van componenten"
Elk jaar van gebruik is uitgebreid onderhoud vereist:
1. Evaluatie van de isolatieprestaties: Meet de hoofdisolatieweerstand (groter dan of gelijk aan 1000M Ω) en de diëlektrische verliesfactor (kleiner dan of gelijk aan 0,5%);
2. Mechanische prestatie-inspectie: controleer of er scheuren in de supergeleidende tape zitten door middel van röntgeninspectie (er is geen schade aan de tape aangetroffen tijdens de drie jaar durende werking van het Shanghai-project);
3. Onderhoud van koelsysteem: vervang koelolie, schone warmtewisselaar (de onderhoudscyclus van de koelmachine in het Shenzhen-project is 2000 uur).
3, Mogelijke problemen en tegenmaatregelen tijdens het gebruik
Ondanks voortdurende technologische optimalisatie kan het functioneren van supergeleidende kabels nog steeds storingen vertonen als gevolg van veranderingen in de omgeving, veroudering van apparatuur of operationele fouten, en er moeten gerichte reactiestrategieën worden ontwikkeld.
(1) Problem 1: Abnormal increase in liquid nitrogen temperature (such as outlet temperature>-190 graden)
Redenen: warmtelekkage uit de isolatiebuis (zoals schade aan de vacuümlaag), defecten aan de koelmachine (zoals compressorslijtage) en verstopping van de pomp voor vloeibare stikstof (ophoping van onzuiverheden).
antwoord:
1. Inspecteer onmiddellijk het uiterlijk van de isolatieleiding (vorstgebieden kunnen lekkagepunten zijn), gebruik een vacuümmeter om de vacuümgraad van de isolatielaag te meten (<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. Schakel over naar de back-up koelunit (Shanghai-project is uitgerust met 2 hoofdkoelunits en 1 back-upunit, met een schakeltijd van minder dan 5 minuten);
3. Schakel de pomp voor vloeibare stikstof uit en blaas de pijpleiding terug met stikstofgas (druk 0,2 MPa) om onzuiverheden te verwijderen (het Shenzhen-project werd ooit geblokkeerd door koperspaanders die tijdens de bouw waren achtergebleven, maar de pijpleiding werd na het terugblazen weer normaal).
(2) Problem 2: Overload triggering (sudden increase in resistance>0.1m Ω)
Redenen: overstroom (zoals plotselinge toename van de gebruikersbelasting), lokale oververhitting (slecht contact van striplaspunten), magnetische veldinterferentie (in de buurt van grote motoren).
antwoord:
1. Het beveiligingsapparaat schakelt automatisch uit (reistijd van het Shenzhen-project).<10ms), cutting off the fault current;
2. Controleer het huidige record (als er een plotselinge toename van de belasting is, neem dan contact op met de gebruiker om het elektriciteitsplan aan te passen; als er een probleem is met het laspunt, las dan opnieuw en test de weerstand);
3. Start de koelunit om het koelproces te versnellen (doeltemperatuur -196 graden) en sluit opnieuw aan op het elektriciteitsnet nadat de weerstand weer op 0 staat (de engineering in Shanghai veroorzaakte ooit een stroomstoring vanwege een plotselinge toename van de belasting, waardoor de stroomvoorziening na 30 minuten automatisch werd hersteld).
(3) Probleem 3: Kabelstripbreuk na het leggen (zoals isolatieweerstand<100M Ω)
Reden: overmatige trekkracht (meer dan 8 kN), kleine buigradius (<1.5 meters), and high lateral pressure (>5 kN/m).
antwoord:
1. Stop onmiddellijk met leggen en gebruik glasvezel om de locatie van de breuk te detecteren (nauwkeurigheid ± 1 meter);
2. Snijd het gebroken gedeelte af, vervang de reservestrip (met hetzelfde model als de originele strip), las opnieuw en voer een isolatiebehandeling uit (het Shenzhen-project zorgde er ooit voor dat de strip brak vanwege een kleine buigradius, en de vervanging slaagde voor de test);
3. Pas de legparameters aan (zoals het verlagen van de tractiesnelheid tot 0,5 m/min en het vergroten van de diameter van het buiggeleidingswiel).
