全球首个三相同轴超导电缆系统正式引入私人工厂
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12 月 6 日，日本电装公司官网宣布，我们联合昭和电讯线缆系统公司和巴斯夫日本公司于2020年11月至2021年9月，已经完成了世界上第一个演示测试，将三相同轴超导电缆系统引入他们一直在推广的私人工厂的实际系统中。
图1.超导电缆在厂区铺设情况。 1. 概述 由于需要减少温室气体成为了应对全球变暖的对策，因此有效利用电力已成为紧迫的问题。另一方面，超导技术作为一种不会造成功率损耗的高效电源技术，在电能、电子、医疗、交通等各个领域都受到了广泛关注。但是，为了保持超导状态，需要继续用液氮等冷却技术，因此需要建立低成本的实用化运行技术。 在此背景下，日本国家研究和发展公司新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的目的是建立一个节能型的经济社会和。在这种业务方面，昭和电讯电缆系统有限公司 (CS) 和巴斯夫日本有限公司 (BASF) 于2021年9月在巴斯夫日本有限公司的横滨市户冢工厂举行了相关验证测试工作。我们已经完成了自2020年11月以来共同推动的验证测试。 在本次验证试验中，实际开发研制的低成本紧凑型三相同轴超导电缆系统铺设在工厂，持续稳定供电约一年。我们使用液氮进行电缆冷却，以验证可靠性和安全性，并计算运营成本。结果，即使在维持超导状态所需的冷却更加严格的盛夏，我们也能够证明冷却系统的可靠性和安全性，并成功降低了安装和运行成本。 当应用于通电大电流的系统时，引入超导电缆的节能效果会更大，未来有望应用于耗电量大的工厂和发电厂的公交线路，以及未来智慧城市的基础设施。 此外，由于无需安装冰箱，它可以以相对较低的成本运行。通过在使用 30 MW 或以上大规模电力的工厂中用这种超导电缆系统替换传统电缆，已经确定可将传统电缆造成的电力传输损耗降低 95%或更多。同时，我们能够确认减少二氧化碳排放量的效果。我们已经证明，这种超导电缆系统可以作为一种高效的电力传输系统为无碳社会做出贡献。 2. 本项目成果
图2.三相同轴超导电缆。 (1) 开发低成本且紧凑的电缆系统 在实际开发中，我们开发了一种低成本、紧凑的通用工厂用三相同轴超导电缆(图2)。使用三相同轴电缆，屏蔽层用来阻挡感应电场的超导线材的用量可以减少到单芯电缆的三分之一。我们能够将超导线材的总成本降低到三分之二。此外，三相同轴型提供单根电缆，结构紧凑灵活。
图3.端接 由于普通单芯电缆允许三相交流电的每一相独立流动，因此需要六个端子电极。但是，在三相同轴型中，通过同轴排列电极，它可以安装在两个单元中，因此可以使其形状紧凑(图 3)。
图4.中间连接 随着电缆的三相同轴化，我们采用了同轴连接结构，这是现有中间连接技术的延伸，形成了外径为340 mm的紧凑形状(图4)。这种中间连接技术的建立，使得延长轨道的距离成为可能。
图5.过冷冷却系统 这次采用的过冷冷却系统(图5)是由Air Water Inc.和CS共同开发的。通过对密闭容器中储存的液氮进行减压，打造了一个利用液体变成气体时的汽化潜热，冷却至负200°C的系统。 使用工厂中持有的大量液氮作为制冷剂，该设计了基于回收排出的氮气以降低压力并在工厂中使用的概念。由于超导电缆总是被冷却和使用，有必要不断监测用于冷却的液氮状况。 在这个演示测试中，测量压力、温度、流量和液位的传感器放置在最后。我们已经建立了一个系统来集中监控这些数据，还增加了在紧急情况下切换电力传输电路的功能。 (2) 通过在实际工厂中的演示测试，确认了电缆安装的简便性、节能效果等。 由于本次验证试验需要使用工厂现有设备，它沿着房屋路线铺设，例如在房屋现有的机架(高度5 m)上安装电缆。因为需要提供四个弯曲部分(90度，弯曲半径1.5 m)，而由于电缆的柔韧性，它可以毫无问题地铺设(图 7)。 注意，使用紧凑的电缆，液氮的流动路径在弯曲等处变窄。有了这个系统，液氮即使长距离(往返约 400 m)也可以毫无问题地流动。经证实，它可以处理复杂的工厂布局。
图6.机架内电缆铺设状态(高度5 m)
图7.弯曲部分(90度，弯曲半径1.5m)铺设情况
图 8.节能效果(功率损耗) 还探讨了通过使电缆和端子/中间连接等部件小型化来减少热侵入，以及通过利用工厂内的冷热来实现节能效果。 结果几乎和设计的一样。根据该验证试验的结果，我们比较了将1000 m长的超导电缆和传统电缆(CV 电缆)以3000A的三相交流电流通电后一年发生的传输损耗(图 8) ,通过更换这种超导电缆系统可将传统电缆发生的功率损失量减少 95%。 在本次演示试验中，供电正常运行了大约一年。即使在盛夏，我们也能够确认稳定的液氮循环。常规液氮泵每隔几个月就需要拆卸维护一次，本项目开发的泵可使用一年左右，实现了免维护运行。因此，可以根据定期工厂检查对泵进行维护，我们能够证明它的高度实用性。 此外，由于使用开发的监控系统在整个验证测试期间进行持续监控，其有效性得到确认，因此确认可以引入无人监控系统。通过将这些系统应用于工厂，可以期待巨大的节能效果。 图 9 显示了引入该系统时节省的能源量和初始投资回报的年数。每个气泡显示可以通过是否存在冷热使用、类型和颜色大小来替换的行数。例如，如果初始投资回收期在 10 年以内，这适用于1080条线路(约 300 个办公室)。其中，使用液氮(绿色)、使用30兆瓦电力的工厂有420条线(约190个办事处)。以原油计，年节能约110kL，表明8年左右即可收回初期投资。
图9.节能效果与初期投资效果 3.未来的计划 通过本次示范试验，电装、CS、巴斯夫验证了该铺设方法、运营管理方法在民营工厂的有效性、节能效果等，均取得了预期的效果。我们将继续致力于该系统的实际应用，同时，我们将利用这一成果，通过有效利用电能减少温室气体排放，实现碳中和。 |
