新世代の送電技術である超電導ケーブルは、そのゼロ抵抗、低損失、大容量の特性により、都市中心部の電力供給のボトルネックを解決し、電力網のグリーントランスフォーメーションを促進するための強力なツールとなっています。ただし、その動作は極低温環境 (約 -196 度) と精密制御システムに依存しており、低温維持、クエンチ保護、機械的適応などの複数の技術的課題が伴います。以下では、超電導ケーブル運用の要点と実務経験を、中核問題の安定化とその対応方法、運用プロセスの標準化方法、典型的な問題点とその解決方法の3つの側面から、実際の事例を交えながら詳しく解説していきます。
1、超電導ケーブル運用の核心課題と現実的な解決策
(1) 低温環境の維持：液体窒素システムの安定性は運転の「生命線」
超電導材料がゼロ抵抗特性を示すには液体窒素環境 (-196 度) が必要であるため、低温環境を維持することが主な作業です。主な課題は、液体窒素循環システムでの熱漏洩の制御 (環境熱の侵入により液体窒素が蒸発し、低温状態が破壊される可能性がある)、冷凍ユニットの効率的な動作 (冷却能力の継続的な補充が必要)、およびシステムの圧力と流量の動的なバランスにあります。
練習に取り組む:
1. 多層絶縁設計: ケーブル本体は 2 層の柔軟な真空絶縁チューブで包まれており、外部からの熱侵入を軽減します (上海 35kV 実証プロジェクトの絶縁チューブ設計など、従来のケーブルの熱損失がわずか 1/10 です)。
2. マルチマシン並列冷凍システム: 複数の冷凍ユニットが並行して動作するように構成され、オンにするユニットの数が冷却能力要件に応じて動的に調整されます (深セン 10 kV プロジェクトでは、狭いスペースでの効率的な熱交換の問題を解決するために、国産の大規模冷却能力 GM 冷凍ユニットを使用しています)。
3. リアルタイム監視と冗長バックアップ: 温度、圧力、流量センサーがケーブルの入口、出口、冷凍ユニットの主要ノードに配備されています (上海には 9 つの稼働井戸が設置されており、それぞれに液体窒素監視装置が設置されています)。異常（温度±2度超など）を検知すると、直ちにバックアップ冷凍装置を起動し、安定した低温環境を確保します。-
(2) 過電圧保護: 「パッシブ電源オフ」から「アクティブ自己回復」への技術的飛躍
過熱（臨界値を超える温度、電流、または磁場によって超電導材料の抵抗が突然回復する現象）は、超電導ケーブルの最も深刻な動作障害であり、局所的な過熱、絶縁損傷、さらには機器の焼損につながる可能性があります。従来の保護方法は急速な停電に依存していますが、停電につながり、ユーザー エクスペリエンスに影響を与える可能性があります。
練習に取り組む:
1. マルチパラメータ融合モニタリング: 光ファイバー温度測定、電流センサー、変圧器によるケーブル温度、電流、電圧データのリアルタイム収集 (深センプロジェクトでは、ミリメートルレベルの温度検知を実現するために、400 メートルのケーブルラインに沿って光ファイバー振動測定装置を導入しました)。
2. インテリジェントクエンチ保護装置：「クエンチトリップ自己回復」の統合装置を開発。抵抗の突然の増加(0.1mΩを超えるなど)が検出されると、デバイスは10ミリ秒以内に故障電流を遮断し、冷凍システムによって急速に冷却され、超電導材料が再び超電導状態に入ることができます(上海エンジニアリングの保護デバイスは、ユーザーの電源に影響を与えることなく、3回のクエンチサイクル後に自己回復を達成しました)。
3. 電磁リングネットワーク設計：系統側で冗長電源供給経路を構築し、停電時はリングネットワーク切り替えにより電力供給を維持する（深センプロジェクトは福田中区の二重電源リングネットワークに接続されており、停電時の負荷転送率は100％に達する）。
(3) 機械的性能の適応: 設置と運用における「柔軟性の課題」
超電導ケーブルは、厚さわずか0.4ミリメートルの超電導テープ、緩衝層、保護層などの複数の層で構成されており、機械的強度は従来の銅ケーブルに比べて大幅に低くなります。取り付け時の過度の牽引力、小さな曲げ半径、または振動は、ストリップの破損や層間の剥離を引き起こす可能性があります。
練習に取り組む:
1. カスタマイズされた敷設プロセス: 1:1 のシミュレーション実験を通じて重要なパラメーターを決定します (上海エンジニアリングが閔行区武井鎮の中心市街地の複雑な環境を再現し、超電導ケーブルの最大許容牽引力を 8kN、最小曲げ半径を 1.5 メートルと測定するなど)。
2. 特殊な敷設装置：小角度および大滴敷設装置の研究開発（旧市街地の狭い地下パイプギャラリーの問題を解決するために「泥水バランストップパイプ」および「大角度バイパス」プロセスを使用する深センプロジェクトなど）。
3. 動的応力モニタリング：敷設プロセス中のケーブル張力のリアルタイムモニタリング（深センプロジェクトではファイバーブラッググレーティングセンサーが使用されており、張力の偏差が±5％を超えると自動アラームが作動します）、および運転中のインテリジェントグランドスタッドによる振動モニタリング（上海プロジェクトの9つの稼働井すべてに振動センサーが設置されており、振動周波数が10Hzを超えると衝撃吸収措置が作動します）。
(4) 絶縁・熱管理：「低温＋高電圧」の二重試験
超電導ケーブルは液体窒素環境 (-196 度) で動作し、35kV 以上の電圧に耐える必要があります。絶縁材料は、低温靱性と高電圧耐性の両方を備えていなければなりません。{4}}さらに、ケーブル端末（従来の電力網に接続されているインターフェース）は、熱漏れにより局所的に高温になる可能性があり、絶縁性能に影響を与える可能性があります。
練習に取り組む:
1. 複合絶縁設計: 固体絶縁材料 (エポキシ樹脂など) と液体窒素の複合絶縁構造を使用します (上海 35kV ケーブルの絶縁層の厚さはわずか 20mm、コロナ耐性は従来のケーブルの 2 倍です)。
2. 端子絶縁の最適化: 端子は真空多層絶縁構造を採用しており(深センプロジェクトの端子熱漏洩率は0.5W/m未満で、国際基準より30%低い)、液体窒素の蒸発による絶縁ギャップを防ぐために界面に低温接着剤が充填されています。-
3. 定期的な絶縁試験: メガオーム計を使用して四半期ごとに主絶縁抵抗を測定し (要件は 1000M Ω 以上)、毎年誘電損失試験を実施します (上海エンジニアリングの三相誘電損失係数はすべて - です)<0.5%, far below the warning value of 1%).
２、超電導ケーブルの標準化された運用プロセス
超電導ケーブルの運用は「冷却前試験系統接続運用・保守」の4段階のプロセスに厳密に従う必要があり、トレーサビリティを確保するために各段階で主要パラメータを記録する必要がある。
(1) 予冷段階：室温から-196℃まで徐冷
予冷は運転開始の重要なステップであり、急冷による熱応力損傷（超電導テープの破損や接合部の剥離など）を避ける必要があります。具体的なプロセスは次のとおりです。
1.システム排気：真空ポンプを使用してケーブルの内部パイプラインを1×10-3Paの真空度まで排気し、不純物（水分や空気など）を除去し、低温でのパイプラインの閉塞を防ぎます。
2. 窒素吹き込み: パイプラインに室温の窒素をゆっくりと吹き込み (流量 5m 3/h 以下)、残留不純物をさらに除去します。
3. 液体窒素予冷: 液体窒素を 0.5 度/分の速度で注入し、ケーブル温度を徐々に下げます (上海プロジェクトの予冷時間は 48 時間で、最終温度は -196 度 ± 2 度で安定します)。
(2) フローテスト: 定格電流容量を確認するための実践的な演習
予冷が完了したら、通電テストを通じてケーブルの通電容量を検証する必要があります。実験では「電流重ね合わせ法」を採用しています。
1. ケーブルの端で三相を短絡し、最初に電圧調整器を接続し、電流を徐々に増加させます（定格電流の 10% から開始し、30 分ごとに 10% ずつ増加します）。
2. 各相の電圧および電流位相 (必要な位相差は 5 度以下)、および温度 (液体窒素出口温度は -190 度以下) を監視します。
電流が定格値（上海の 35kV ケーブルの定格電流 2160A など）に達し、24 時間安定すると、試験は合格となります。
(3) 系統連系運用：24時間365日「オンライン監視+インテリジェント運用保守」を保証
グリッド接続後は、オンライン モニタリング プラットフォームを通じて次のパラメータをリアルタイムでモニタリングする必要があります。{0}
1.液体窒素システム：入口圧力（0.3〜0.5MPa）、出口温度（-196度±2度）、流量（10〜15L/min）;
2. 電気的パラメータ：電流（定格値以下）、電圧（定格電圧±5%）、誘電損失（1%以下）。
3. 環境パラメータ: 作業井戸の温度と湿度 (温度 30 度以下、湿度 70% 以下)、振動 (5Hz 以下)。
運用保守チームは「三次元検査+集中監視」モードを採用しています。毎日の作業井の手動検査（断熱パイプに霜がついていないか、冷凍機が異常に動作していないかを確認）、毎週のオンライン監視データの分析（液体窒素の流量が±10％以上変動する場合は、パイプラインの詰まりを確認する必要があります）、毎月の赤外線温度測定（末端温度は-180度以下が基準です）通常)。
(4) 定期保守：「状態把握＋部品交換」の予防保守
運用年ごとに包括的なメンテナンスが必要です。
1. 絶縁性能評価：主絶縁抵抗（1000MΩ以上）および誘電損失率（0.5%以下）を測定します。
2. 機械的性能検査: X線検査により超電導テープに亀裂がないか確認します(上海プロジェクトの3年間の稼働中にテープの損傷は見つかりませんでした)。
3. 冷凍システムのメンテナンス：冷凍機油の交換、熱交換器の清掃（深センプロジェクトにおける冷凍機のメンテナンスサイクルは2000時間）。
3、運用中に考えられる問題とその対策
技術的な最適化が継続的に行われているにもかかわらず、超電導ケーブルの運用では環境の変化、機器の老朽化、操作ミスなどにより故障が発生する可能性があり、的を絞った対応戦略を開発する必要があります。
(1) Problem 1: Abnormal increase in liquid nitrogen temperature (such as outlet temperature>-190度）
理由：断熱チューブからの熱漏れ（真空層の損傷など）、冷凍機の故障（コンプレッサーの磨耗など）、液体窒素ポンプの詰まり（不純物の蓄積）。
答え：
1. 直ちに断熱パイプの外観を検査し（霜がついた部分が漏れ箇所の可能性があります）、真空計を使用して断熱層の真空度を測定します（<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. バックアップ冷却ユニットに切り替えます（上海プロジェクトにはメイン冷却ユニット 2 台とバックアップ ユニット 1 台が装備されており、切り替え時間は 5 分未満です）。
3. 液体窒素ポンプを停止し、窒素ガス（圧力0.2MPa）でパイプラインをブローバックして不純物を除去します（深圳プロジェクトでは建設中に残った銅の削りくずで一時閉塞しましたが、ブローバック後にパイプラインは正常に戻りました）。
(2) Problem 2: Overload triggering (sudden increase in resistance>0.1m Ω)
理由: 過電流 (ユーザー負荷の急激な増加など)、局所的な過熱 (ストリップ溶接点の接触不良)、磁界の干渉 (近くの大型モーター)。
答え：
1. 保護装置が自動的にトリップします (深センプロジェクトのトリップ時間)<10ms), cutting off the fault current;
2. 現在の記録を確認します（負荷が急激に増加した場合は、ユーザーに連絡して電力計画を調整します。溶接点に問題がある場合は、再溶接して抵抗をテストします）。
3. 冷却ユニットを起動して冷却プロセスを加速し（目標温度 -196 度）、抵抗が 0 に戻ったら系統に再接続します（上海エンジニアリングでは、負荷の急激な増加により停電が発生したことがありますが、30 分後に電力供給が自動的に復旧しました）。
(3) 問題点3：敷設後のケーブルストリップの断線（絶縁抵抗など）<100M Ω)
理由：過大な牽引力（8kN以上）、小さい曲げ半径（<1.5 meters), and high lateral pressure (>5kN/m）。
答え：
1. 直ちに敷設を中止し、光ファイバーを使用して破損箇所を検出します (精度 ± 1 メートル)。
2. 破損した部分を切り取り、予備のストリップ（元のストリップと同じモデル）を交換し、再溶接して絶縁処理を実行します（深センのプロジェクトでは、曲げ半径が小さいためにストリップが破損したことがありますが、交換品はテストに合格しました）。
3. 敷設パラメータを調整します (牽引速度を 0.5 m/min に下げ、曲げガイド ホイールの直径を大きくするなど)。
