надпровідні кабелі

Прикладні дослідження з використання ефекту сверхпроводі-мости, що досягається у надпровідних матеріалів (надпровідників) при температурах нижче критичних, ведуться вже протягом багатьох десятків років. На початку 60-х років на базі надпровідних матеріалів і кріогенної техніки з використанням в якості холодоагенту рідкого гелію (температура кипіння рідкого гелію – 4,2 К при нормальному тиску) зародилися низькотемпературні надпровідникові технології (НТСП-технології). Основу освоєних промисловістю надпровідних матеріалів становили два речовини: сплав Nb-Ti (з параметрами: критична температура – 9,6 К при нульових магнітному полі і струмі, критичне магнітне поле – 12 Тл при 4,2 К і нульовому струмі, критична щільність струму – 3-109 А / м-2 при 4,2 К і в магнітному полі 5 Тл) і інтерметалевих з’єднання Nb3Sn (з параметрами: критична температура – 18,3 до при нульових магнітному полі і струмі, критичне магнітне поле – близько 22 Тл при 4,2 до і нульовому струмі, критична щільність струму – понад 109 А? м-2 при 4,2 К і в магніт ом поле 10 Тл). Вартість першого матеріалу становила кілька доларів за 1 кА? М, вартість другого була, приблизно, дорівнює 10 доларам за 1 кА / м.

Надпровідні дроти представляли собою складні конструкції з різнорідних матеріалів з ультратонкими нитками власне надпровідника. Технологія їх виготовлення була освоєна в США, СРСР, Японії, Німеччини, Англії. У ЕНІН і ВНИИКП були створені жорсткі і гнучкі кабелі змінного струму потужністю до 3 ГВА (див. Рис. 28).

Мал. 28. НТСП-кабель на 3 ГВА (розробка ВНИИКП). Незважаючи на досягнуті успіхи в області низькотемпературних надпровідників (НТСП), застосування НТСП-кабелів стримується й не-обходимостью використання для охолодження не поновлюваного і дорогого рідкого гелію (ціна рідкого гелію – 5-10 доларів за 1 літр). Потужним поштовхом до розвитку надпровідникових технологій стало відкриття в 1986 р високотемпературних надпровідників (ВТНП) з критичними температурами переходу в надпровідний стан, що перевищують температуру 77,3 К, тобто температуру кипіння рідкого азоту при нормальному тиску. Відповідно, в ВТНП-технологіях з’явилася можливість використовувати в якості холодоагенту замість не поновлювалися і дорогого рідкого гелію (5-10 доларів за 1 літр) значно дешевший рідкий азот (0,1-0,3 доларів за 1 літр), спростити систему криостатирования , підвищити її надійність в експлуатації, а також скоротити експлуатаційні витрати. Технологія керамічних надпровідників ще знаходиться в стадії становлення і розвитку. Проте вже до середини 90-х років були розроблені конструкції 1-го покоління ВТНП-проводів на основі поєднання Bi2Sr2Ca2Cu3Ox (Bi-2223) (критична температура – 104 К, критична щільність струму -108 А / м-2). В даний час в США, Японії і країнах Європи налагоджений дослідно-промисловий випуск ВТНП-проводів 1-го покоління на основі вісмуту з використанням так званої технології «порошок – в трубі”, коли вихідний порошок з’єднання запресовується в металеву срібну трубку, яка багаторазово обжимается і при термообробці. Ця технологія складна і дорога. Вартість ВТНП-проводів (понад 200 доларів за 1 кА / м) більше ніж на порядок перевищує вартість мідного дроту (близько 15 доларів за 1 кА / м). За оцінками виробників при розвитку масового виробництва вартість ВТНП-проводів 1-го покоління може бути знижена до 50 доларів за 1 кА? М. Значні перспективи практичного застосування ВТНП-технологій відкрилися при появі в 2002-2003 роках високотемпературних надпровідників 2-го покоління на основі ітрієвих керамік. Щільність струму в надпровідниках 2-го покоління в кілька разів вище, ніж в надпровідниках 1-го покоління. Збільшення щільності струму і використання порівняно недорогих матеріалів в надпровідниках 2-го покоління дають підставу вважати, що вартість ВТНП-проводів 2-го покоління при масовому виробництві може знизитися до 20-30 доларів за 1 кА / м, що зробить надпровідні кабелі економічно більш конкурентно -здібностей по відношенню до кабелів традиційного виконання. В останні роки багато компаній з різних країн світу ведуть інтенсивні розробки в галузі використання надпровідних кабелів на основі ВТНП-технологій (див. Табл. 4).

В даний час два ВТНП-силових кабелю довжиною по 30 м кожен протягом декількох років успішно проходять випробування в реальних енергосистемах (проект Southwire і проект NKT Cable). Японська корпорація Sumitomo Electric спільно з енергетичною компанією TEPCO завершила тривалі випробування трьохжильного ВТНП-кабелю на напругу 66 кВ (1000 А) довжиною 100 м. У 2003 р група компані
й, включаючи корпорацію Sumitomo Electric і компанію Super Power, розпочала реалізацію проекту з виробництва ВТНП Кабель довжиною 350 м з напругою 34,5 кВ (800 А) для його прокладки між двома підстанціями Нью-Йорка. Компанія NEXANS і китайська компанія Innopower Superconductor Cable ведуть випробування трифазного кабелю 35 кВ (2000 А) довжиною 30 м, змонтованого на півночі Китаю в провінції Юннань. Крім того, ведуться і інші великі проекти: в Японії (ВТНП-кабель 77 кВ (1000 А) довжиною 500 м); в США (ВТНП-кабель 138 кВ (2400 А) довжиною 660 м); в Південній Кореї (ВТНП-кабелі довжиною 30 і 100 м). Компанія Pirelli веде роботи по розробці кабелів 115 кВ (400 МВА), кабелів 132 кВ (680 МВА) для електроенергетичних систем Італії та кабелів 225 кВ (1000 МВА) для енергосистем Франції.

Таким чином, знаходяться в даний час в дослідно-промислової експлуатації надпровідні силові кабелі мають довжину до 500-600 м. У найближчі кілька років їх довжина може бути збільшена до 3 км. І хоча до теперішнього часу вони забезпечують передачу потужності до 500 МВА, в майбутньому вони реально можуть забезпечити передачу дуже великої потужності (до 10 ГВА і більше).

В Україні роботи з надпровідних кабелів ведуться в зна-ве менших масштабах (ВНИИКП, НЦ «Курчатовський інститут”, ВНІІНМ, ВЕІ, ОЕЕП РАН). У ВАТ «ВНИИКП” спільно з мексиканською компанією «Condumex” була розроблена, виготовлена ​​і успішно випробувана модель ВТНП-кабелю довжиною 5 м. Очевидно, активізації робіт по надпровідним кабелям сприятиме розроблена в РАО «ЄЕС України” програма по створенню і застосуванню в схемах харчування мегаполісів кабелів на основі ВТНП-технології. Планується до 2009 року розробити і провести випробування моделей кабелів довжиною до 500 м, а до 2012 року – довжиною до 1 км.

ВТНП-кабелі мають два типи конструкції, принципово відрізняються один від одного: ВТНП-кабелі c холодним діелектриком (CD) і ВТНП-кабелі c теплим діелектриком (RTD).

У кабелі з холодним діелектриком (див. Рис. 29, 30) елемент кабелю оточений коаксіальним надпровідним шаром, призначеним для екранування магнітного поля. Діелектрик, «просочений» рідким азотом, розташовується між струмопровідної жилою з ВТНП-матеріалу і зовнішнім екрануючим шаром. Перевагою такої конструкції є можливість усунення втрат на змінному струмі, викликаних впливом магнітного поля, що створюється струмами в сусідніх фазах, а також вихровими струмами, наведеними в металевих частинах сусіднього обладнання.

1,2 – Рідкий азот; 3 – ВТНП-струмопровідна жила; 4 – Діелектрик; 5 – ВТНП-екран; 6 – Кріостат; 7 – Оболонка.

Мал. 29. Конструкція ВТНП-кабелю з холодним діелектриком (CD).

Мал. 30. Конструкція трьохжильного ВТНП-кабеляс холодним діелектриком.

У кабелях з теплим діелектриком (рис. 31) немає такого надпровідного шару. Дана конструкція вимагає меншої витрати надпровідного матеріалу, в ній застосовуються звичайні ізоляційні матеріали, тому вартість цих кабелів істотно нижче. Так як кабель з теплим діелектриком конструктивно схожий зі звичайним кабелем, то при його виготовленні, монтажі і з’єднанні можна використовувати багаторазово перевірені технології. Однак ВТНП-кабель з теплим діелектриком за технічними властивостями поступається ВТНП-кабелю з холодним діелектриком.

1 – Рідкий азот; 2 – ВТНП-струмопровідна жила; 3 – Кріостат, 4 – Діелектрик; 5 – Екран і оболонка.

Мал. 31. Конструкція ВТНП-кабелю з теплим діелектриком (RTD).

ВТНП-кабелі в порівнянні з традиційно застосовуваними кабелями мають істотні переваги: ​​велика пропускна здатність при використанні більш низького класу номінальної напруги, при мен-ших втрати, меншій вазі і компактності; пожежна безпека; екологічність та ін. Проведені порівняльні техніко-економічні розрахунки в НЦ «Курчатовський інститут», ВНИИКП, ВЕІ показали, що навіть при сьогоднішній високою ціною на ВТНП-матеріали, повні витрати (враховуючи прокладання та експлуатаційні витрати) для звичайних кабелів і ВТНП-кабелів приблизно однакові. Якщо в найближчі роки розробникам і виробникам надпровідних матеріалів вдасться домогтися істотного зниження ціни на ВТНП-матеріали, які становлять до 90% у вартості кабелю, то вигода від застосування ВТНП-кабелів стане очевидною.

З огляду на переваги ВТНП-кабелів і інтенсивність досліджень і розробок в області ВТНП-технологій слід очікувати, що найближчим часом ВТНП-кабелі будуть все більш широко використовуватися для глибокого введення електроенергії в великі мегаполіси і енергоємні комплекси, для заміни після
закінчення їхнього терміну КЛ традиційного виконання при необхідності збільшення переданої потужності і при підвищених вимогах з точки зору пожежної безпеки та екології, а також для виведення потужності від великих електростанцій і для подолання водн х перешкод.

За оцінками експертів масове застосування надпровідних кабелів може початися в 2014-2018 роках.

Ссылка на основную публикацию