Сверхпроводящие кабели - миллиарды экономии на развитие энергетических сетей

Полномасштабные проекты, в которых использовались силовые кабели с элементами, обладающими сверхпроводимостью при высоких температурах (HTS), реализованы в разных странах. В результате была продемонстрирована практическая эффективность таких кабелей и ряд эксплуатационных преимуществ. К основным факторам, определяющим потребность в HTS-кабелях, относятся:
• ограниченность пространства в городах и проблемы организации стандартных систем передачи и распределения (ПиР) электроэнергии в полосе землеотвода;
• возможность организовать передачу электроэнергии большой мощности в населенные центры от возобновляемых источников;
• необходимость в двусторонних подземных трактах передачи с высокой пропускной способностью;
• экономия средств, обусловленная уменьшенными потерями электроэнергии.

Быстрорастущие рынки ПиР характеризуются спросом на кабели, обладающие способностью ограничения токов при авариях.

СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ КАБЕЛИ —
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Сверхпроводящие кабели с низким импедансом и большой токовой пропускной способностью в настоящее время установлены в энергетических сетях как для передачи, так и для распределения напряжения для того, чтобы удовлетворить растущий спрос на мощности и повысить эффективность электрических сетей. Использование в подземных силовых кабелях проводников с высокотемпературной сверхпроводимостью, которые обладают способностью пропускать ток в 150 раз больший по сравнению с медными проводниками того же диаметра, позволяет обеспечивать пропускную способность тракта передачи в 10 раз большую по сравнению с обычными кабелями. Упрощенные требования к месту для прокладки сверхпроводящего кабеля обеспечивают следующие преимущества.
Сверхпроводящие кабели должны охлаждаться. Система охлаждения имеет автономную тепловую среду, что исключает возникновение проблем при изменении рабочей температуры стандартных кабелей и ухудшении характеристик кабелей любой другой конструкции. Поэтому исключаются проблемы, связанные с теплопроводностью почвы, возникновением разности температур в ней, нагревом кабелей и т.п.
Исключение магнитных наводок. Любой кабель со сверхпроводящим экранирующим слоем не излучает магнитное поле и не восприимчив к воздействию внешних магнитных полей. Как следствие, такие кабели могут без проблем прокладываться в существующих кабелепроводах или в узких траншеях, что облегчает их монтаж, особенно в плотно населенных городских зонах. Это упрощает решение вопросов выбора трассы для прокладки кабеля и требования к землеотводу. Низковольтные сверхпроводящие кабели являются востребованной альтернативой высоковольтным кабелям или даже воздушным линиям передачи.
К дополнительным преимуществам сверхпроводящих кабелей относятся малые потери, обусловленные низким импедансом материалов, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью. Кроме того, такие кабели позволяют ограничивать токи в аварийных режимах эксплуатации. Технология Secure Super Grids™ (Безопасные cуперcети — SSG) компании AMSC дает возможность использовать сверхпроводящие кабели с предварительно согласованными характеристиками и одновременно обладающими способностью ограничивать аварийные токи.
Заменяя медные кабели сверхпроводящими в городских условиях, используя существующие тоннели и кабелепроводы, энергетические компании могут избежать необходимости проводить земляные работы на улицах, при этом кабели не повреждаются, а надежность и безопасность работы силовых сетей возрастают. Сверхпроводящие кабели также могут быть использованы в силовых сетях для того, чтобы разгрузить обычные кабели или воздушные линии электропередачи и снизить перегрузки в городских центрах. Они могут автоматически подавлять броски напряжения, что дает возможность создавать гибкие «самовосстанавливающиеся» сети, которые выдерживают различные вредные воздействия и природные катастрофы. Это уникальное сочетание положительных особенностей делает сверхпроводящие кабели идеальным средством модернизации городских силовых сетей.

СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ ПРОВОДА
И КОНСТРУКЦИЯ КАБЕЛЕЙ

В течение последних 20 лет провода, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью, постоянно совершенствуются. Сверхпроводники типа 344 компании AMSC представляют собой слой сверхпроводящего материала шириной 4,4 мм с нанесенным тонким слоем меди или нержавеющей стали. Такая многослойная конструкция не только обеспечивает гибкость провода, но и может быть использована для ограничения аварийных токов, протекающих по кабелю. Это происходит при превышении уровня тока, являющегося критическим для сверхпроводящего материала. Сверхпроводник теряет свои проводящие свойства, и ток автоматически начинает протекать по слоям ламинирующего материала с относительно высоким сопротивлением.
Провод, обладающий сверхпроводимостью при высоких температурах, дает возможность осуществлять передачу мощности в 150 раз большую по сравнению с медным проводом того же размера (рис. 1).

Изготовление сверхпроводящих кабелей включает спиральную намотку сверхпроводящего провода на многожильный скрученный медный провод или на металлический несущий элемент хорошо известной PPLP конструкции, обладающий высоким сопротивлением. Выбор сплошного или полого несущего элемента частично определяется назначением кабеля. Конструкция высокотемпературных кабелей позволяет использовать в них жидкий азот в качестве диэлектрика и охлаждающего вещества.

СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ КАБЕЛИ
И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СЕТИ

В то время как обсуждение интеллектуальных сетей сосредоточено на технологиях телекоммуникаций и измерений, в действительности определение понятия «интеллектуальные сети» намного шире и включает инфраструктуру сети — «мускулы», которые необходимы для поддержки «мозга» интеллектуальной сети.
Американское министерство энергетики определило семь ключевых характеристик и пять основных технологий, связанных с развитием интеллектуальных сетей. К одной из этих технологий относятся «высококачественные компоненты». В эту категорию включены сверхпроводящие силовые кабели за счет их способности как повышать эффективность передачи электроэнергии, так и увеличивать пропускную способность линий передачи под городскими улицами для обеспечения возможности подзарядки широко внедряемых гибридных автомобилей. Кроме того, сверхпроводящие кабели могут автоматически подавлять возникающие перегрузки, обеспечивая сетям гибкость, необходимую для повышения степени их защищенности от вредных воздействий и катастроф.
Сверхпроводящие кабели дают возможность энергетическим компаниям более гибко решать задачи по расширению сетей будущего.
Параллельная работа городских подстанций. Во многих городских центрах имеются подземные вторичные системы электроснабжения. Они содержат подключенные к линиям передачи подстанции, которые обеспечивают подачу напряжения среднего уровня во вторичные сети. На практике существуют ограничения величины нагрузки, подключаемой к каждой такой сети. Из-за этого на каждой подстанции может быть установлено ограниченное количество понижающих трансформаторов. Сети работают, как независимые острова, вследствие чего взаимосвязь между ними может приводить к необходимости передавать мощности, превышающие возможности обычных кабелей, и к формированию непредсказуемых по величине аварийных токов. Сверхпроводящие кабели, обладающие огромной токовой пропускной способностью, позволяют передавать по ним необходимые мощности. В этих системах может использоваться способность сверхпроводящих кабелей ограничивать ток и предотвращать короткое замыкание, которое может возникнуть при совместной работе подстанций.
С точки зрения развития электроэнергетических систем совместная работа этих подстанций обеспечивает огромные преимущества. При обеспечении переходов на средних напряжениях между подстанциями, которые могли бы быть независимыми, появляется возможность использовать трансформаторы на каждой станции в качестве резервных для других станций. Еще одним достоинством является то, что нет надобности иметь место для резервного трансформатора, и это значительно повышает степень использования оборудования и исключает необходимость занимать дорогостоящее городское пространство под дополнительные подстанции. И наконец, используя альтернативную форму резервирования, можно обеспечить получение экономических выгод за счет применения элементов распределительной энергетической системы, которые менее чувствительны к последствиям аварий в сети. Такая схема разработана и реализована в Нью-Йорке как часть проекта Hydra Министерства национальной безопасности. Этот проект связан с внедрением технологии компании AMSC в манхэттенскую сеть компании Consolidated Edison.
Удаленные подстанции. Эта область применений связана с разделением оборудования подстанций на высоковольтное и работающее на средних напряжениях, когда площадь земельного участка под подстанцией ограничена, как это часто бывает в городах. Высоковольтная секция оборудования — это высоковольтные трансформаторы, занимающие большие площади, и автоматические выключатели и переключатели. Компактное оборудование, работающее на средних напряжениях, может устанавливаться в тех точках сети, где необходимо осуществлять распределение электроэнергии. Сверхпроводящий кабель со своим низким импедансом и большой пропускной способностью может использоваться как магистральная шина, соединяющая оборудование высокого и среднего напряжения, если эти секции подстанции территориально разнесены.
Модернизация городских сетей. Это прямая замена работающих в сети силовых кабелей сверхпроводящими с большой пропускной способностью. Корейская энергетическая корпорация (KEPCO) объявила о своем намерении заменить кабели, работающие в силовой сети Сеула на напряжениях 22,9 кВ и 154 кВ, сверхпроводящими. По оценкам корпорации, это приведет к снижению стоимости строительных работ на 80% по сравнению с другими решениями, а также позволит решить множество других проблем, включая негативное отношение общественности к строительству новых силовых подстанций в городских районах. Ожидается, что первый сверхпроводящий кабель на напряжение 22,9 кВ будет установлен корпорацией KEPCO в сети в 2010 году.
В сети Power Authotity на Long Island (Лонг-Айленд) в эксплуатации с апреля 2008 года находится сверхпроводящий силовой кабель на напряжение 138 кВ переменного тока. Это первая в мире силовая кабельная система передачи. Она включает три параллельно проложенных под землей кабеля и дает возможность передавать мощность 574 МВт (рис. 2). Три кабеля, показанные на фотографии уходящими под землю, могут транспортировать такую же мощность, как все воздушные линии передачи, которые видны в левой части фотографии.

СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ
МАГИСТРАЛИ, РАБОТАЮЩИЕ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ

Наиболее впечатляющей перспективой использования сверхпроводящих кабелей постоянного тока является передача очень больших объемов мощности (5 ГВт или больше) на большие расстояния. В сверхпроводящих магистральных линиях с терминалами, при строительстве которых используются обычные технологии подземной прокладки электрических кабелей в трубах, удачно сочетаются два важных для электропередачи обстоятельства: сверхпроводящие кабели и многотерминальная передача электроэнергии на постоянном токе (используются преобразователи напряжения). В итоге линия электропередачи, имеющая большую пропускную способность, проложена под землей. Доступ к ней осуществляется без проблем, она отличается высокой эффективностью, легко контролируется и обладает большей надежностью по сравнению с другими технологиями.
Материалы, имеющие сверхпроводимость при высоких температурах, показывают нулевое сопротивление по электрическому току. Это означает, что сверхпроводящие кабели постоянного тока, без преувеличения, являются идеальными проводниками, в которых отсутствуют собственные потери. Обладая наивысшими пропускной способностью и эффективностью (самые маленькие потери мощности) по сравнению с другими технологиями, сверхпроводящие магистральные линии передачи обеспечивают возможность подключения к множеству распределенных источников электроэнергии и передачи ее различным потребителям. Согласно вышеизложенному сверхпроводящие кабельные линии передачи электроэнергии, проложенные в подземных кабелепроводах, являются идеальным средством удовлетворения всех требований к передаче электроэнергии от возобновляемых источников в дистанционно удаленные пункты. Как сообщалось недавно, в проекте Tres Amigas в Нью-Мехико будет использована подземная сверхпроводящая кабельная магистраль постоянного тока для передачи более 5000 МВт трем высоковольтным терминалам, работающим на постоянном токе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По мере того, как энергетические компании все в большей степени узнают о сверхпроводящих кабелях, работающих на постоянном и переменном токе, и об их уникальных возможностях, количество установленных линий будет расти. Интерес к сверхпроводящим кабелям в мире, включая такие страны, как США, Корея, Япония, Китай, Германия и Россия, проявляемый энергетическими компаниями и коммерческими операторами линий передачи электроэнергии, подтверждает такие прогнозы.
American Superconductor Corporation и другие представители промышленности накопили большой объем технической и экономической информации, подтверждающей, что сверхпроводящие магистральные линии электропередачи постоянного и переменного тока идеально подходят для модернизации наиболее ответственных сегментов силовых сетей во всем мире. Это, несомненно, будет побуждать производителей кабельной продукции расширять свою номенклатуру, предлагая на электротехническом рынке сверхпроводящие кабели. В новом десятилетии влияние сверхпроводящих кабелей на электроэнергетический бизнес достигнет, по всей вероятности, очень больших масштабов, и, может быть, эффект от их внедрения будет соизмерим с тем, чему мы были свидетелями при использовании современных систем передачи данных и связи в последнюю половину прошлого столетия.
Бесплатную копию Белой книги корпорации AMSC, посвященной сверхпроводящим кабельным магистральным линиям, можно заказать, посетив сайт: www.amsc.com/powerpipes.

Перевод — Святослав Юрьев