Сверхпроводящие кабели для линий электропередачи

«…Наши научно-исследовательские и производственные организации будут
нацелены на внедрение инновационных технологий, таких, как разработки
с применением эффекта сверхпроводимости, особо актуального для наших
протяженных территорий. Мы продолжаем терять гигантские объемы энергии
при передаче ее по территории страны, гигантские объемы. В будущем именно
технология сверхпроводимости кардинально изменит всю сферу производства,
передачи и использования электроэнергии…»

Из послания Президента России Дмитрия Медведева
Федеральному Собранию Российской Федерации
12 ноября 2009 года

Важнейшей задачей, стоящей перед энергетикой, является создание эффективных и энергосберегающих систем передачи энергии. Такое значительное увеличение в 3—8 раз мощности распределительных сетей (без изменения напряжения) может быть достигнуто путем замены традиционных силовых кабелей сверхпроводящими.

Появление на рынке высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов с высокими токонесущими характеристиками создало принципиально новые возможности для практического использования этого явления. Основные преимущества силовых ВТСП кабелей следующие: высокая токовая нагрузка, малые потери в сверхпроводнике, экологическая чистота (отсутствие масел, минимальное электромагнитное и тепловое воздействие на окружающую среду), высокий уровень пожарной безопасности.

В настоящее время НИОКР по созданию силовых ВТСП кабельных линий ведутся во многих промышленно развитых и ряде развивающихся стран мира. Крупные проекты есть в Японии, США, Корее и Китае. В июле и августе 2006 года запущены в опытную эксплуатацию ВТСП кабельные линии длиной 350 и 200 м в США, в 2008 — кабельная линия длиной 600 м (рисунок).

Таким образом, работа по созданию силовых ВТСП кабельных линий признана актуальной во всем мире, поскольку она позволяет решить коренные проблемы передачи больших потоков электроэнергии и энергосбережения.

Между тем до 2007 г. в России отсутствовало производство силовых ВТСП кабельных линий и ее основных компонентов.

ЯВЛЕНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ И ЕГО ИССЛЕДОВАНИЕ

Сверхпроводимость — уникальное явление природы, было открыто в 1911 году голландским ученым Каммерлинг-Оннесом. Некоторые металлы и сплавы при сверхнизких температурах полностью теряют сопротивление. В результате электрический ток по проводам может протекать без потерь. Это сулило неисчерпаемые возможности для применения сверхпроводимости во многих областях науки и техники.

Работы по сверхпроводимости или связанные с ней были удостоены нескольких Нобелевских премий. В том числе были отмечены ученые из СССР и России.

Х. Камерлинг-Оннес за открытие сверхпроводимости в 1913 году, Дж. Г. Беднорц и К.А. Мюллер (Швейцария) в 1987 году — за открытие ВТСП, Л. Д. Ландау (СССР) в 1962 году — за пионерские исследования в физике твердого тела, П. Л. Капица (СССР) в 1978 г. за исследования в области низких температур, В. Л. Гинзбург и А.А. Абрикосов в 2003 году — за теории сверхпроводимости и сверхтекучести.

Сверхпроводимость существует только при очень низких температурах, поэтому ее использование требует охлаждения сверхпроводящих устройств до сверхнизких (криогенных) температур.

Обычные или низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) могли работать только при очень низких температурах, примерно 4—5°К или минус 269—268°С. Такое охлаждение очень сложно и дорого.

С открытием в 1986 году высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), способных работать при температуре жидкого азота (77°К или -196°С), появилась возможность получения преимуществ при использовании сверхпроводящих устройств, поскольку резко упрощалось и удешевлялось криогенное обеспечение.

Преимущества высокотемпературных сверхпроводников:
• резкое снижение затрат на охлаждение;
• высокое значение критических параметров;
• повышение стабильности.

ПРЕДЫДУЩИЕ РАБОТЫ
ПО СВЕРХПРОВОДЯЩИМ КАБЕЛЯМ

В СССР в 70-х годах начались работы по кабелям на низкотемпературных сверхпроводниках. Было создано несколько кабелей, причем на одном из них был получен рекордный ток в 126 тыс. А. Однако из-за сложности с охлаждением эти проекты не были внедрены. Подобные работы велись также и в США.

После открытия ВТСП работы по сверхпроводящим силовым кабелям возобновились во всем мире. Было создано несколько прототипов длиной от 5 до 30—100 м и затем три кабеля, показанных на рисунке.

С 2005 года по инициативе РАО ЕЭС были начаты работы по разработке и внедрению сверхпроводящих силовых кабелей на высокотемпературных сверхпроводниках в России, в том числе и представляемый проект по кабельной линии длиной 200 м мощностью 50 МВА.

РОССИЙСКИЙ ПРОЕКТ СОЗДАНИЯ ВТСП
КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ

Создание базовых технологий сверхпроводящих кабелей и силовой электрической линии длиной 200 м на основе высокотемпературных сверхпроводников.

Цель:
• увеличение мощности (в 3—8 раз) распределительных сетей мегаполисов путем замены обычных силовых кабелей на кабельные линии с использованием высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) при существующем номинальном напряжении распределительных сетей.

Актуальность:
• при передаче большой мощности на относительно низком 10—20 кВ (генераторном) напряжении не требуется промежуточных подстанций;
• работы по созданию силовых ВТСП кабельных линий признаны актуальными во всем мире, поскольку они позволяют решить коренные проблемы передачи больших потоков электроэнергии и энергосбережения.

В результате реализации проекта были разработаны и созданы:
• базовая технология производства силовых ВТСП кабельных линий для распределительных сетей;
• опытный образец силовой ВТСП кабельной линии длиной 200 м на напряжение 20 кВ и мощностью 50/70 МВА, запланированный в дальнейшем для установки и опытно-промышленной эксплуатации в энергосети г. Москвы;
• высокоэффективные токовые вводы с малыми потерями — связь между энергосистемой, системой криогенного обеспечения и собственно сверхпроводящим кабелем;
• опытный образец автономной модульной системы криообеспечения ВТСП кабельных линий на жидком азоте с использованием турбомашин на неоне холодопроизводительностью до 8 кВт;
• уникальный полигон для испытаний сверхпроводящего оборудования любого типа под нагрузкой при напряжениях до 110 кВ.

Сверхпроводящая кабельная линия успешно прошла приемочные испытания. Полученные параметры:
• время захолаживания (готовности к работе) — 30 часов;
• рабочие температуры в канале (криостате) кабеля — 66—77°К (-196—207°С);
• критический ток (ток потери сверхпроводимости) — не менее 5200 А;
• передаваемая мощность при номинальном токе — 50 МВА (1500 А — 20000 В — три фазы);
• ток короткого замыкания с амплитудой 44 кА — 0,4 с — без повреждений.

После дополнительных испытаний на полигоне, к концу 2010 года, сверхпроводящая кабельная линия должна быть установлена в энергосистему г. Москвы на подстанции 110 кВ «Динамо» на Ходынском поле. Созданный опытный образец силовой ВТСП кабельной линии является по своим параметрам (длина и передаваемая мощность) крупнейшим силовым сверхпроводящим кабелем в Европе и третьим-четвертым в мире.

Сегодня уже разработана российская технология создания энергосберегающих, эффективных и экологически чистых сверхпроводящих кабельных линий.

Наши компании готовы к их промышленному производству и внедрению.