Cáp siêu dẫn, với tư cách là một thế hệ công nghệ truyền tải điện mới, đã trở thành một công cụ mạnh mẽ để giải quyết các tắc nghẽn cung cấp điện ở các khu vực lõi đô thị và thúc đẩy quá trình chuyển đổi xanh của lưới điện do điện trở bằng 0, tổn thất thấp và đặc tính công suất lớn. Tuy nhiên, hoạt động của nó phụ thuộc vào môi trường nhiệt độ cực thấp (khoảng -196 độ) và hệ thống điều khiển chính xác, liên quan đến nhiều thách thức kỹ thuật như duy trì nhiệt độ thấp, bảo vệ dập tắt và thích ứng cơ học. Dưới đây, chúng tôi sẽ trình bày chi tiết về những điểm chính và kinh nghiệm thực tế trong vận hành cáp siêu dẫn từ ba chiều: cách ổn định các vấn đề cốt lõi và phương pháp ứng phó, cách chuẩn hóa quy trình vận hành cũng như cách sửa chữa các sự cố và giải pháp điển hình, kết hợp với các trường hợp thực tế.
1, Những vấn đề cốt lõi và giải pháp thực tiễn trong vận hành cáp siêu dẫn
(1) Bảo trì môi trường ở nhiệt độ thấp: sự ổn định của hệ thống nitơ lỏng là "huyết mạch" hoạt động
Vật liệu siêu dẫn yêu cầu môi trường nitơ lỏng (-196 độ ) để thể hiện đặc tính điện trở bằng 0, do đó duy trì môi trường nhiệt độ thấp là nhiệm vụ chính. Những thách thức cốt lõi nằm ở việc kiểm soát rò rỉ nhiệt trong hệ thống tuần hoàn nitơ lỏng (sự xâm nhập nhiệt của môi trường có thể gây ra sự bay hơi của nitơ lỏng, phá vỡ các điều kiện nhiệt độ thấp), hoạt động hiệu quả của bộ phận làm lạnh (cần bổ sung liên tục công suất làm mát) và cân bằng động của áp suất hệ thống và tốc độ dòng chảy.
Xử lý bằng thực hành:
1. Thiết kế cách nhiệt nhiều lớp: Thân cáp được bọc trong ống cách nhiệt chân không linh hoạt hai lớp- để giảm sự xâm nhập nhiệt từ bên ngoài (chẳng hạn như thiết kế ống cách nhiệt của dự án trình diễn 35kV Thượng Hải, chỉ có 1/10 tổn thất nhiệt so với cáp truyền thống);
2. Hệ thống làm lạnh song song nhiều máy: Nhiều thiết bị làm lạnh được cấu hình để chạy song song và số lượng thiết bị bật được điều chỉnh linh hoạt theo yêu cầu về công suất làm lạnh (dự án Thâm Quyến 10 kV sử dụng các thiết bị làm lạnh GM công suất làm lạnh lớn sản xuất trong nước để giải quyết vấn đề trao đổi nhiệt hiệu quả trong không gian nhỏ);
3. Giám sát thời gian thực và sao lưu dự phòng: Cảm biến nhiệt độ, áp suất và lưu lượng được triển khai tại các nút chính của lối vào, lối ra cáp và bộ phận làm lạnh (9 giếng làm việc được thiết lập ở Thượng Hải, mỗi giếng được trang bị thiết bị giám sát nitơ lỏng). Sau khi phát hiện thấy những bất thường (chẳng hạn như nhiệt độ vượt quá ± 2 độ), thiết bị làm lạnh dự phòng sẽ được khởi động ngay lập tức để đảm bảo môi trường nhiệt độ thấp{4}}ổn định.
(2) Bảo vệ quá áp: bước nhảy vọt về công nghệ từ "tắt nguồn{1}}thụ động" sang "tự phục hồi chủ động"
Quá nhiệt (hiện tượng vật liệu siêu dẫn đột nhiên phục hồi điện trở do nhiệt độ, dòng điện hoặc từ trường vượt quá giá trị tới hạn) là lỗi vận hành nghiêm trọng nhất của cáp siêu dẫn, có thể dẫn đến quá nhiệt cục bộ, hư hỏng lớp cách điện và thậm chí là cháy thiết bị. Các phương pháp bảo vệ truyền thống dựa vào việc mất điện nhanh chóng, nhưng có thể dẫn đến mất điện và ảnh hưởng đến trải nghiệm của người dùng.
Xử lý bằng thực hành:
1. Giám sát phản ứng tổng hợp đa thông số: Thu thập dữ liệu nhiệt độ, dòng điện và điện áp theo thời gian thực của cáp thông qua đo nhiệt độ sợi quang, cảm biến dòng điện và máy biến điện áp (dự án Thâm Quyến đã triển khai các thiết bị đo rung động sợi quang dọc theo đường cáp 400 mét để đạt được cảm biến nhiệt độ ở mức milimet);
2. Thiết bị bảo vệ dập tắt thông minh: Đã phát triển một thiết bị tích hợp "tự phục hồi chuyến đi dập tắt". Khi phát hiện điện trở tăng đột ngột (chẳng hạn như vượt quá 0,1m Ω), thiết bị sẽ cắt dòng điện sự cố trong vòng 10 mili giây và nhanh chóng nguội đi qua hệ thống làm lạnh, cho phép vật liệu siêu dẫn quay trở lại trạng thái siêu dẫn (thiết bị bảo vệ của Shanghai Engineering đã tự phục hồi sau 3 chu kỳ làm nguội mà không ảnh hưởng đến nguồn điện của người dùng);
3. Thiết kế mạng vòng điện từ: Xây dựng các đường cung cấp điện dự phòng ở phía lưới điện và duy trì nguồn điện thông qua chuyển mạch mạng vòng trong thời gian mất điện (dự án Thâm Quyến được kết nối với mạng vòng nguồn kép ở Quận Trung tâm Futian và tốc độ truyền tải khi mất điện đạt 100%).
(3) Thích ứng hiệu suất cơ học: 'Thử thách linh hoạt' trong lắp đặt và vận hành
Cáp siêu dẫn bao gồm nhiều lớp như băng siêu dẫn (chỉ dày 0,4 mm), lớp đệm và lớp bảo vệ và độ bền cơ học của chúng thấp hơn nhiều so với cáp đồng truyền thống. Lực kéo quá lớn, bán kính uốn nhỏ hoặc rung trong quá trình lắp đặt có thể gây đứt dải hoặc tách lớp giữa.
Xử lý bằng thực hành:
1. Quy trình lắp đặt tùy chỉnh: Xác định các thông số chính thông qua các thí nghiệm mô phỏng 1:1 (chẳng hạn như Shanghai Engineering tái tạo môi trường phức tạp của khu đô thị trung tâm tại thị trấn Wujing, quận Minhang, đo lực kéo tối đa cho phép của cáp siêu dẫn là 8kN và bán kính uốn tối thiểu là 1,5 mét);
2. Thiết bị đặt chuyên dụng: nghiên cứu và phát triển thiết bị đặt góc nhỏ và thả lớn (chẳng hạn như dự án Thâm Quyến sử dụng quy trình "đường ống cân bằng nước bùn" và "đường vòng góc lớn" để giải quyết vấn đề phòng trưng bày đường ống ngầm hẹp ở các khu đô thị cũ);
3. Giám sát ứng suất động: Giám sát độ căng cáp theo thời gian thực trong quá trình lắp đặt (cảm biến cách tử Bragg sợi được sử dụng trong dự án Thâm Quyến và cảnh báo tự động được kích hoạt khi độ lệch lực căng vượt quá ± 5%) và giám sát độ rung thông qua các đinh nối đất thông minh trong quá trình vận hành (cảm biến rung được lắp đặt trong tất cả 9 giếng làm việc của dự án Thượng Hải và các biện pháp hấp thụ sốc được kích hoạt khi tần số rung vượt quá 10Hz).
(4) Quản lý cách nhiệt và nhiệt: Thử nghiệm kép "Nhiệt độ thấp + Điện áp cao"
Cáp siêu dẫn hoạt động trong môi trường nitơ lỏng (-196 độ ) và phải chịu được điện áp 35kV hoặc thậm chí cao hơn. Vật liệu cách nhiệt phải có cả độ bền-ở nhiệt độ thấp và khả năng chịu điện áp cao. Ngoài ra, các đầu nối cáp (giao diện kết nối với lưới điện thông thường) có thể chịu nhiệt độ cao cục bộ do rò rỉ nhiệt, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất cách điện.
Xử lý bằng thực hành:
1. Thiết kế cách điện composite: sử dụng cấu trúc cách điện tổng hợp gồm vật liệu cách điện rắn (như nhựa epoxy) và nitơ lỏng (độ dày lớp cách điện của cáp 35kV Thượng Hải chỉ 20 mm và khả năng chống corona gấp đôi so với cáp truyền thống);
2. Tối ưu hóa cách điện thiết bị đầu cuối: Thiết bị đầu cuối sử dụng cấu trúc cách nhiệt nhiều lớp chân không (tốc độ rò rỉ nhiệt của thiết bị đầu cuối của dự án Thâm Quyến nhỏ hơn 0,5W/m, thấp hơn 30% so với tiêu chuẩn quốc tế) và keo nhiệt độ thấp-được lấp đầy tại giao diện để ngăn chặn các khoảng trống cách nhiệt do sự bay hơi nitơ lỏng;
3. Kiểm tra cách điện thường xuyên: Sử dụng megohmmet để đo điện trở cách điện chính mỗi quý (với yêu cầu Lớn hơn hoặc bằng 1000M Ω) và tiến hành kiểm tra tổn thất điện môi hàng năm (hệ số tổn thất điện môi ba pha-của Shanghai Engineering là tất cả<0.5%, far below the warning value of 1%).
2, Quy trình vận hành tiêu chuẩn của cáp siêu dẫn
Hoạt động của cáp siêu dẫn phải tuân thủ nghiêm ngặt quy trình bốn giai đoạn "vận hành và bảo trì kết nối lưới thử nghiệm làm mát trước" và các thông số chính phải được ghi lại ở mỗi bước để đảm bảo truy xuất nguồn gốc.
(1) Giai đoạn làm mát trước: làm mát dần dần từ nhiệt độ phòng đến -196 độ
Làm mát trước là một bước quan trọng trong quá trình bắt đầu vận hành và cần tránh hư hỏng do ứng suất nhiệt do làm mát nhanh (chẳng hạn như đứt băng siêu dẫn hoặc bong khớp). Quy trình cụ thể như sau:
1. Sơ tán hệ thống: Sử dụng bơm chân không để sơ tán đường ống bên trong của cáp đến độ chân không 1 × 10 ⁻ ³ Pa, loại bỏ tạp chất (như độ ẩm và không khí), đồng thời ngăn ngừa tắc nghẽn đường ống ở nhiệt độ thấp;
2. Thổi nitơ: Thổi từ từ đường ống bằng nitơ ở nhiệt độ phòng (tốc độ dòng chảy Nhỏ hơn hoặc bằng 5m ³/h) để loại bỏ thêm tạp chất còn sót lại;
3. Làm mát trước bằng nitơ lỏng: Bơm nitơ lỏng với tốc độ 0,5 độ / phút và giảm dần nhiệt độ cáp (thời gian làm mát trước cho dự án Thượng Hải là 48 giờ và nhiệt độ cuối cùng ổn định ở -196 độ ± 2 độ).
(2) Kiểm tra dòng chảy: bài tập thực hành để kiểm tra khả năng mang dòng định mức
Sau khi hoàn tất quá trình làm mát trước, khả năng mang dòng của cáp cần được xác minh thông qua thử nghiệm mang dòng. Thí nghiệm áp dụng "phương pháp chồng chất dòng điện":
1. Ngắn mạch ba pha ở đầu cáp, kết nối bộ điều chỉnh điện áp ở đầu và tăng dần dòng điện (bắt đầu từ 10% dòng điện định mức, tăng 10% cứ sau 30 phút);
2. Theo dõi các pha điện áp và dòng điện của từng pha (với độ lệch pha yêu cầu nhỏ hơn hoặc bằng 5 độ), cũng như nhiệt độ (với nhiệt độ đầu ra nitơ lỏng nhỏ hơn hoặc bằng -190 độ C);
Khi dòng điện đạt đến giá trị định mức (chẳng hạn như dòng điện định mức 2160A đối với cáp 35kV ở Thượng Hải) và ổn định trong 24 giờ thì thử nghiệm đạt tiêu chuẩn.
(3) Vận hành nối lưới: Đảm bảo 24/7 “giám sát trực tuyến+vận hành bảo trì thông minh”
Sau khi kết nối lưới, các thông số sau cần được theo dõi theo thời gian thực-thông qua nền tảng giám sát trực tuyến:
1. Hệ thống nitơ lỏng: áp suất đầu vào (0,3-0,5MPa), nhiệt độ đầu ra (-196 độ ± 2 độ), tốc độ dòng chảy (10-15L/phút);
2. Các thông số điện: dòng điện (Nhỏ hơn hoặc bằng giá trị định mức), điện áp (điện áp định mức ± 5%), tổn thất điện môi (Nhỏ hơn hoặc bằng 1%);
3. Thông số môi trường: nhiệt độ và độ ẩm làm việc tốt (nhiệt độ Nhỏ hơn hoặc bằng 30 độ, độ ẩm Nhỏ hơn hoặc bằng 70%), độ rung (Nhỏ hơn hoặc bằng 5Hz).
Nhóm vận hành và bảo trì áp dụng chế độ "kiểm tra ba chiều+giám sát tập trung": kiểm tra thủ công hàng ngày đối với giếng làm việc (kiểm tra xem ống cách nhiệt có bị đóng băng hay không và máy làm lạnh có chạy bất thường hay không), phân tích dữ liệu giám sát trực tuyến hàng tuần (nếu dòng nitơ lỏng dao động hơn ± 10%, cần kiểm tra tắc nghẽn đường ống) và đo nhiệt độ hồng ngoại hàng tháng (nhiệt độ đầu cuối Nhỏ hơn hoặc bằng -180 độ là bình thường).
(4) Bảo trì thường xuyên: bảo trì phòng ngừa "đánh giá trạng thái + thay thế linh kiện"
Cần phải bảo trì toàn diện mỗi năm hoạt động:
1. Đánh giá hiệu suất cách điện: Đo điện trở cách điện chính (Lớn hơn hoặc bằng 1000M Ω) và hệ số tổn thất điện môi (Nhỏ hơn hoặc bằng 0,5%);
2. Kiểm tra hiệu suất cơ học: Kiểm tra xem có vết nứt trên băng siêu dẫn hay không thông qua kiểm tra bằng tia X- (không tìm thấy hư hỏng nào đối với băng trong quá trình vận hành 3 năm của dự án Thượng Hải);
3. Bảo trì hệ thống lạnh: thay dầu lạnh, vệ sinh bộ trao đổi nhiệt (chu kỳ bảo dưỡng máy lạnh tại dự án Thâm Quyến là 2000 giờ).
3, Những sự cố có thể xảy ra và biện pháp khắc phục trong quá trình vận hành
Mặc dù liên tục tối ưu hóa công nghệ, hoạt động của cáp siêu dẫn vẫn có thể gặp trục trặc do thay đổi môi trường, lão hóa thiết bị hoặc lỗi vận hành và cần phải phát triển các chiến lược ứng phó có mục tiêu.
(1) Problem 1: Abnormal increase in liquid nitrogen temperature (such as outlet temperature>-190 độ)
Nguyên nhân: Rò rỉ nhiệt từ ống cách nhiệt (chẳng hạn như hư hỏng lớp chân không), hỏng máy làm lạnh (chẳng hạn như hao mòn máy nén) và tắc nghẽn bơm nitơ lỏng (tích tụ tạp chất).
trả lời:
1. Kiểm tra ngay hình thức bên ngoài của ống cách nhiệt (khu vực đóng băng có thể là điểm rò rỉ), sử dụng máy đo chân không để đo độ chân không của lớp cách nhiệt (<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. Chuyển sang bộ phận làm lạnh dự phòng (Dự án Thượng Hải được trang bị 2 bộ làm lạnh chính và 1 bộ phận dự phòng, thời gian chuyển đổi dưới 5 phút);
3. Tắt máy bơm nitơ lỏng và thổi ngược đường ống bằng khí nitơ (áp suất 0,2MPa) để loại bỏ tạp chất (dự án Thâm Quyến từng bị tắc nghẽn do mạt đồng còn sót lại trong quá trình xây dựng, nhưng đường ống đã được khôi phục bình thường sau khi thổi ngược).
(2) Problem 2: Overload triggering (sudden increase in resistance>0.1m Ω)
Nguyên nhân: Quá dòng (như tải người dùng tăng đột ngột), quá nhiệt cục bộ (điểm hàn dải tiếp xúc kém), nhiễu từ trường (ở gần động cơ lớn).
trả lời:
1. Thiết bị bảo vệ tự động ngắt (thời gian chuyến đi của dự án Thâm Quyến<10ms), cutting off the fault current;
2. Kiểm tra ghi chép dòng điện (nếu tải tăng đột ngột thì liên hệ người sử dụng để điều chỉnh sơ đồ điện; nếu điểm hàn có vấn đề thì hàn lại và kiểm tra điện trở);
3. Khởi động bộ phận làm lạnh để tăng tốc quá trình làm mát (nhiệt độ mục tiêu -196 độ) và kết nối lại với lưới điện sau khi điện trở về 0 (Kỹ thuật Thượng Hải từng gây ra tình trạng mất điện do tải tăng đột ngột, tự động khôi phục nguồn điện sau 30 phút).
(3) Vấn đề 3: Đứt dải cáp sau khi lắp đặt (chẳng hạn như điện trở cách điện<100M Ω)
Nguyên nhân: Lực kéo quá lớn (trên 8kN), bán kính uốn nhỏ (<1.5 meters), and high lateral pressure (>5kN/m).
trả lời:
1. Dừng ngay việc đặt và sử dụng sợi quang để phát hiện vị trí vết nứt (độ chính xác ± 1 mét);
2. Cắt bỏ phần bị hỏng, thay thế dải dự phòng (có cùng mẫu với dải ban đầu), hàn lại và thực hiện xử lý cách nhiệt (dự án Thâm Quyến từng khiến dải bị đứt do bán kính uốn nhỏ và việc thay thế đã vượt qua bài kiểm tra);
3. Điều chỉnh các thông số lắp đặt (chẳng hạn như giảm tốc độ kéo xuống 0,5m/phút và tăng đường kính của bánh dẫn hướng uốn).
