Сверхпроводящие кабели

Прикладные исследования по использованию эффекта сверхпроводи-мости, достигаемого у сверхпроводящих материалов (сверхпроводников) при температурах ниже критических, ведутся уже на протяжении многих десятков лет. В начале 60-х годов на базе сверхпроводящих материалов и криогенной техники с использованием в качестве хладагента жидкого гелия (температура кипения жидкого гелия – 4,2 К при нормальном давлении) зародились низкотемпературные сверхпроводниковые технологии (НТСП-технологии). Основу освоенных промышленностью сверхпроводящих материалов составляли два вещества: сплав Nb-Ti (с параметрами: критическая температура – 9,6 К при нулевых магнитном поле и токе, критическое магнитное поле – 12 Тл при 4,2 К и нулевом токе, критическая плотность тока – 3-109 А/м-2 при 4,2 К и в магнитном поле 5 Тл) и интерметаллическое соединение Nb3Sn (с параметрами: критическая температура – 18,3 К при нулевых магнитном поле и токе, критическое магнитное поле – около 22 Тл при 4,2 К и нулевом токе, критическая плотность тока – более 109 А? м-2 при 4,2 К и в магнитном поле 10 Тл). Стоимость первого материала составляла несколько долларов за 1 кА?м, стоимость второго была, примерно, равной 10 долларам за 1 кА/м.

Сверхпроводящие провода представляли собой сложные конструкции из разнородных материалов с ультратонкими нитями собственно сверхпроводника. Технология их изготовления была освоена в США, СССР, Японии, Германии, Англии. В ЭНИН и ВНИИКП были созданы жесткие и гибкие кабели переменного тока мощностью до 3 ГВА (см. рис. 28).

Рис. 28. НТСП-кабель на 3 ГВА (разработка ВНИИКП).
Несмотря на достигнутые успехи в области низкотемпературных сверхпроводников (НТСП), применение НТСП-кабелей сдерживалось не-обходимостью использования для охлаждения не возобновляемого и дорогостоящего жидкого гелия (цена жидкого гелия – 5–10 долларов за 1 литр).
Мощным толчком к развитию сверхпроводниковых технологий стало открытие в 1986 г. высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) с критическими температурами перехода в сверхпроводящее состояние, превышающими температуру 77,3 К, то есть температуру кипения жидкого азота при нормальном давлении. Соответственно, в ВТСП-технологиях появилась возможность использовать в качестве хладагента вместо не возобновляемого и дорогостоящего жидкого гелия (5–10 долларов за 1 литр) значительно более дешевый жидкий азот (0,1–0,3 долларов за 1 литр), упростить систему криостатирования, повысить ее надежность в эксплуатации, а также сократить эксплуатационные расходы.
Технология керамических сверхпроводников еще находится в стадии становления и развития. Однако уже к середине 90-х годов были разработаны конструкции 1-го поколения ВТСП-проводов на основе соединения Bi2Sr2Ca2Cu3Ox (Bi-2223) (критическая температура – 104 К, критическая плотность тока –108 А/м-2). В настоящее время в США, Японии и странах Европы налажен опытно-промышленный выпуск ВТСП-проводов 1-го поколения на основе висмута с использованием так называемой технологии “порошок – в трубе”, когда исходный порошок соединения запрессовывается в металлическую серебряную трубку, которая многократно обжимается и термообрабатывается. Эта технология сложна и дорога. Стоимость ВТСП-проводов (более 200 долларов за 1 кА/м) более чем на порядок превышает стоимость медного провода (около 15 долларов за 1 кА/м). По оценкам производителей при развитии массового производства стоимость ВТСП-проводов 1-го поколения может быть снижена до 50 долларов за 1 кА?м.
Значительные перспективы практического применения ВТСП-технологий открылись при появлении в 2002-2003 годах высокотемпературных сверхпроводников 2-го поколения на основе иттриевых керамик. Плотность тока в сверхпроводниках 2-го поколения в несколько раз выше, чем в сверхпроводниках 1-го поколения. Увеличение плотности тока и использование сравнительно недорогих материалов в сверхпроводниках 2-го поколения дают основание полагать, что стоимость ВТСП-проводов 2-го поколения при массовом производстве может снизиться до 20-30 долларов за 1 кА/м, что сделает сверхпроводящие кабели экономически более конкурентно-способными по отношению к кабелям традиционного исполнения.
В последние годы многие компании из различных стран мира ведут интенсивные разработки в области использования сверхпроводящих кабелей на основе ВТСП-технологий (см. табл. 4).

В настоящее время два ВТСП-силовых кабеля длиной по 30 м каждый в течение нескольких лет успешно проходят испытания в реальных энергосистемах (проект Southwire и проект NKT Cable). Японская корпорация Sumitomo Electric совместно с энергетической компанией TEPCO завершила длительные испытания трехжильного ВТСП-кабеля на напряжение 66 кВ (1000 А) длиной 100 м. В 2003 г. группа компаний, включая корпорацию Sumitomo Electric и компанию Super Power, начала реализацию проекта по производству ВТСП-кабеля длиной 350 м с напряжением 34,5 кВ (800 А) для его прокладки между двумя подстанциями Нью-Йорка. Компания NEXANS и китайская компания Innopower Superconductor Cable ведут испытания трехфазного кабеля 35 кВ (2000 А) длиной 30 м, смонтированного на севере Китая в провинции Юннань. Кроме того, ведутся и другие крупные проекты: в Японии (ВТСП-кабель 77 кВ (1000 А) длиной 500 м); в США (ВТСП-кабель 138 кВ (2400 А) длиной 660 м); в Южной Корее (ВТСП-кабели длиной 30 и 100 м). Компания Pirelli ведет работы по разработке кабелей 115 кВ (400 МВА), кабелей 132 кВ (680 МВА) для электроэнергетических систем Италии и кабелей 225 кВ (1000 МВА) для энергосистем Франции.

Таким образом, находящиеся в настоящее время в опытно-промышленной эксплуатации сверхпроводящие силовые кабели имеют длину до 500-600 м. В ближайшие несколько лет их длина может быть увеличена до 3 км. И хотя к настоящему времени они обеспечивают передачу мощности до 500 МВА, в будущем они реально могут обеспечить передачу очень большой мощности (до 10 ГВА и более).

В России работы по сверхпроводящим кабелям ведутся в зна-чительно меньших масштабах (ВНИИКП, НЦ “Курчатовский институт”, ВНИИНМ, ВЭИ, ОЭЭП РАН). В ОАО “ВНИИКП” совместно с мексиканской компанией “Condumex” была разработана, изготовлена и успешно испытана модель ВТСП-кабеля длиной 5 м. Очевидно, активизации работ по сверхпроводящим кабелям будет способствовать разработанная в РАО “ЕЭС России” программа по созданию и применению в схемах питания мегаполисов кабелей на основе ВТСП-технологии. Планируется к 2009 году разработать и провести испытания моделей кабелей длиной до 500 м, а к 2012 году – длиной до 1 км.

ВТСП-кабели имеют два типа конструкции, принципиально отличающиеся друг от друга: ВТСП-кабели c холодным диэлектриком (CD) и ВТСП-кабели c теплым диэлектриком (RTD).

В кабеле с холодным диэлектриком (см. рис. 29, 30) элемент кабеля окружен коаксиальным сверхпроводящим слоем, предназначенным для экранирования магнитного поля. Диэлектрик, «пропитанный» жидким азотом, располагается между токопроводящей жилой из ВТСП-материала и внешним экранирующим слоем. Преимуществом такой конструкции является возможность устранения потерь на переменном токе, вызванных воздействием магнитного поля, создаваемого токами в соседних фазах, а также вихревыми токами, наведенными в металлических частях соседнего оборудования.

1,2 – Жидкий азот; 3 – ВТСП-токопроводящая жила; 4 – Диэлектрик;5 – ВТСП-экран; 6 – Криостат; 7 – Оболочка.

Рис. 29. Конструкция ВТСП-кабеля с холодным диэлектриком (CD).

Рис. 30. Конструкция трехжильного ВТСП-кабеляс холодным диэлектриком.

В кабелях с теплым диэлектриком (рис. 31) нет такого сверхпроводящего слоя. Данная конструкция требует меньшего расхода сверхпроводящего материала, в ней применяются обычные изоляционные материалы, поэтому стоимость этих кабелей существенно ниже. Так как кабель с теплым диэлектриком конструктивно сходен с обычным кабелем, то при его изготовлении, монтаже и соединении можно использовать многократно проверенные технологии. Однако ВТСП-кабель с теплым диэлектриком по техническим свойствам уступает ВТСП-кабелю с холодным диэлектриком.

1 – Жидкий азот; 2 – ВТСП-токопроводящая жила; 3 – Криостат,4 – Диэлектрик; 5 – Экран и оболочка.

Рис. 31. Конструкция ВТСП-кабеля с теплым диэлектриком (RTD).

ВТСП-кабели по сравнению с традиционно применяемыми кабелями имеют существенные преимущества: большая пропускная способность при использовании более низкого класса номинального напряжения, при мень-ших потерях, меньшем весе и компактности; пожаробезопасность; экологичность и др. Проведенные сравнительные технико-экономические расчеты в НЦ «Курчатовский институт», ВНИИКП, ВЭИ показали, что даже при сегодняшней высокой цене на ВТСП-материалы, полные затраты (учитывая прокладку и эксплуатационные расходы) для обычных кабелей и ВТСП-кабелей примерно одинаковы. Если в ближайшие годы разработчикам и производителям сверхпроводящих материалов удастся добиться существенного снижения цены на ВТСП-материалы, которые составляют до 90 % в стоимости кабеля, то выгода от применения ВТСП-кабелей станет очевидной.

Учитывая преимущества ВТСП-кабелей и интенсивность исследований и разработок в области ВТСП-технологий следует ожидать, что в ближайшее время ВТСП-кабели будут все более широко использоваться для глубокого ввода электроэнергии в крупные мегаполисы и энергоемкие комплексы, для замены отслуживших свой срок КЛ традиционного исполнения при необходимости увеличения передаваемой мощности и при повышенных требованиях с точки зрения пожаробезопасности и экологии, а также для вывода мощности от крупных электростанций и для преодоления водных преград.

По оценкам экспертов массовое применение сверхпроводящих кабелей может начаться в 2014-2018 годах.

Читайте одиагностикекабелей на нашем сайте.